无人帆船刚性翼帆自平衡转帆系统
本发明属于无人帆船，具体地说是一种无人帆船刚性翼帆自平衡转帆系统。
背景技术：
1、无人帆船是一种可以实现长航程大范围海洋观测的海洋机器人，通过风帆和太阳能电池板获取航行驱动力和系统所需电力，实现能源自给自足，可以长期航行。
2、刚性翼帆是一种新型无人帆船风帆，其结构与飞机机翼类似。无人帆船航行时，风作用在刚性翼帆上产生的升力和阻力可以分解为无人帆船的航行驱动力。无人帆船航行时根据外界风向和船的航向信息确定翼帆的最佳迎风角度并控制翼帆转动，以保持最佳迎风角度。
3、刚性翼帆转角的调节对于保持最佳迎风角度，获取最佳航行驱动力尤为关键。传统的方法是在无人帆船舱内安装驱动电机，通过传动系统将驱动电机与刚性翼帆的桅杆连接，但是该方式存在功耗大、角度调节慢的问题。而且由于传动系统的存在，翼帆和船身之间也存在较强的耦合作用，船身的艏摇也会引起翼帆迎风角度的变化，提升了翼帆迎风角度控制的复杂性。
技术实现思路
1、针对上述问题，本发明的目的在于提供一种无人帆船刚性翼帆自平衡转帆系统。
2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
3、无人帆船刚性翼帆自平衡转帆系统，包括主帆骨架、主帆外壳、转帆控制箱、尾翼连接杆组件、尾翼主体、舵机、尾翼绳驱组件；
4、所述主帆外壳安装于所述主帆骨架的外侧，所述主帆外壳的外轮廓大小大于所述尾翼主体的外轮廓大小；
5、所述尾翼连接杆组件设置于所述主帆骨架的顶端，所述尾翼连接杆组件整体的长度方向平行于水平面，所述尾翼连接杆组件整体的前端和后端分别穿出所述主帆外壳，所述尾翼主体转动安装于所述尾翼连接杆组件整体的后端，所述尾翼主体相对于所述尾翼连接杆组件的转动轴线垂直于水平面，所述舵机设置于所述尾翼连接杆组件上，所述舵机的驱动端通过所述尾翼绳驱组件带动所述尾翼主体转动；
6、所述转帆控制箱包括箱体、传动轴及编码器，所述箱体设置于无人帆船船体上、并位于所述主帆外壳的下侧，所述传动轴转动安装于所述箱体中，所述传动轴的顶端与所述主帆骨架的底部连接、并随所述主帆骨架共同转动，所述编码器设置于箱体的内部、并用于检测所述传动轴的转动角度。
7、所述尾翼连接杆组件包括前置配重杆、中心配重套筒及后置空心杆，所述中心配重套筒通过中心承重杆与所述主帆骨架的顶端连接，所述中心配重套筒的前后两端分别延伸穿出所述主帆外壳，所述中心配重套筒的前端与所述前置配重杆的后端连接，所述中心配重套筒的后端与所述后置空心杆连接，所述前置配重杆的前端作为所述尾翼连接杆组件整体的前端，所述后置空心杆的后端作为所述尾翼连接杆组件整体的后端、并与所述尾翼主体之间通过尾翼转接件及尾翼旋转轴转动连接。
8、所述前置配重杆的前端设有若干个前置配重块。
9、所述中心配重套筒的前端穿设有用于固定连接所述前置配重杆的后端的固定螺栓a，所述前置配重杆的后端沿该前置配重杆的长度方向开设有若干个调节通孔a，所述前置配重杆的后端从所述中心配重套筒的前端穿入，通过使所述固定螺栓a穿过不同的调节通孔a、以调节所述中心配重套筒与前置配重杆连接后的整体长度；
10、所述中心配重套筒的后端穿设有用于固定连接所述后置空心杆的前端的固定螺栓b，所述后置空心杆的前端沿该后置空心杆的长度方向开设有若干个调节通孔b，所述后置空心杆的前端从所述中心配重套筒的后端穿入，通过使所述固定螺栓b穿过不同的调节通孔b、以调节所述中心配重套筒与后置空心杆连接后的整体长度。
11、所述后置空心杆上安装有舵机舱，所述舵机设置于所述舵机舱内部；所述尾翼绳驱组件包括延长杆、转动臂、牵拉绳连接座及牵拉绳，所述延长杆的一端与所述舵机的驱动轴连接，所述延长杆的另一端延伸至所述后置空心杆的内部、并与所述转动臂的中部连接，所述牵拉绳连接座固接于所述尾翼主体上，所述牵拉绳连接座的左右两端分别位于所述尾翼连接杆组件整体的长度方向的左右两侧，所述牵拉绳连接座的左端连接有第一条牵拉绳的一端，第一条所述牵拉绳的另一端与所述转动臂的一端连接，所述牵拉绳连接座的右端连接有第二条牵拉绳的一端，第二条所述牵拉绳的另一端与所述转动臂的另一端连接。
12、所述牵拉绳连接座的左右两端分别设有用于连接对应的牵拉绳的牵拉绳张紧器，每个所述牵拉绳张紧器均包括张紧器底座、张紧滑块、张紧螺杆、压线板，每个所述牵拉绳张紧器的张紧器底座均固定于所述牵拉绳连接座上，每个所述牵拉绳张紧器的张紧滑块均滑动连接于同一个牵拉绳张紧器的张紧器底座中，每个所述牵拉绳张紧器的张紧螺杆均转动安装于同一个牵拉绳张紧器的张紧器底座上、并与同一个牵拉绳张紧器的张紧滑块通过螺纹连接，每个所述牵拉绳张紧器的压线板均固定于同一个牵拉绳张紧器的张紧滑块上、并与该张紧滑块共同压住对应的牵拉绳的一端。
13、所述尾翼转接件固接于所述后置空心杆的后端，所述尾翼旋转轴设置于所述尾翼转接件上；所述尾翼主体包括尾翼骨架、尾翼外壳及旋转轴套筒，所述旋转轴套筒安装于尾翼骨架上，所述尾翼外壳与所述尾翼骨架固接、并罩住所述尾翼骨架及尾翼外壳构成的整体，所述旋转轴套筒套设于所述尾翼旋转轴外侧、并与所述尾翼旋转轴转动连接。
14、所述转帆控制箱还包括箱体上盖、箱体底盖、下支架、侧支撑座、下安装板、下轴承座、轴承a、上卡箍件、上轴承座、轴承b、转子保护壳；
15、所述箱体的上下两端均开口，所述箱体上盖与所述箱体的上端固接、并用于盖住所述箱体的上端开口，所述箱体底盖与所述箱体的下端固接、并用于盖住所述箱体的下端开口，所述箱体底盖与无人帆船船体直接固接；
16、所述下支架、侧支撑座、下安装板、下轴承座、轴承a、上卡箍件、上轴承座、轴承b、转子保护壳均位于所述箱体的内腔中，所述箱体底盖的上表面上设有若干个所述下支架，所述侧支撑座设有两个，两个所述侧支撑座分别位于所述传动轴的外侧，两个所述侧支撑座组成的整体与各所述下支架分别固定连接，所述下安装板安装于两个所述侧支撑座之间，所述下安装板的中部安装有所述下轴承座，所述轴承a设置于所述下轴承座中、并与所述传动轴转动连接，所述上卡箍件也设有两个，每个所述上卡箍件均分别与两个所述侧支撑座的上端固接，两个所述上卡箍件相接的整体之间形成上轴承座卡接口，所述上轴承座安装于所述上轴承座卡接口处，所述轴承b设置于所述上轴承座中、并与所述传动轴转动连接，所述编码器的定子固定于所述上轴承座的下侧，所述编码器的转子固定于所述转子保护壳上，所述转子保护壳与所述传动轴固定。
17、所述箱体底盖上与所述箱体的内腔相对应处开设有手孔，所述手孔处安装有手孔盖。
18、所述传动轴的内部为中空结构，所述轴承a与轴承b之间的所述传动轴的外周面上向外周延伸设有法兰部，所述法兰部用于与所述转子保护壳通过螺栓固定，所述法兰部与所述轴承a之间的所述传动轴的外周套有传动轴轴套，所述传动轴轴套与所述传动轴之间通过键连接；
19、所述转帆控制箱的箱体内腔中还设有导电滑环，所述导电滑环的定子固定于所述下安装板上，所述导电滑环的转子与所述传动轴轴套固定连接，所述导电滑环的转子用于连接对所述舵机供电的舵机供电导线，所述传动轴轴套与所述传动轴上对应设有供舵机供电导线穿过的穿线孔。
20、本发明的优点与积极效果为：
21、1.本发明通过控制舵机的驱动端动作，并通过尾翼绳驱组件带动尾翼主体转动，调节尾翼主体相对主帆整体的偏转角，通过尾翼主体对主帆整体的力矩驱动主帆整体转动，实现主帆整体与风之间夹角(攻角)的调节，主帆整体达到预定攻角并保持稳定平衡状态后则结束航向的调节。
22、2.本发明的刚性翼帆自平衡转帆系统中，其主帆整体的桅杆可以绕无人帆船船体自由旋转，实现了刚性翼帆与船身的转动解耦，无人帆船的艏摇运动不会影响刚性翼帆的攻角，刚性翼帆可以自动保持在风中的攻角，刚性翼帆迎风角度控制更容易。
23、3.本发明中调节尾翼主体相比调节主帆整体偏转所需要的电机力矩更小，能够有效地降低控制功耗。
技术特征：
1.无人帆船刚性翼帆自平衡转帆系统，其特征在于：包括主帆骨架(1)、主帆外壳(2)、转帆控制箱(3)、尾翼连接杆组件(4)、尾翼主体(5)、舵机(6)、尾翼绳驱组件(7)；
2.根据权利要求1所述的一种无人帆船刚性翼帆自平衡转帆系统，其特征在于：所述尾翼连接杆组件(4)包括前置配重杆(401)、中心配重套筒(402)及后置空心杆(403)，所述中心配重套筒(402)通过中心承重杆(8)与所述主帆骨架(1)的顶端连接，所述中心配重套筒(402)的前后两端分别延伸穿出所述主帆外壳(2)，所述中心配重套筒(402)的前端与所述前置配重杆(401)的后端连接，所述中心配重套筒(402)的后端与所述后置空心杆(403)连接，所述前置配重杆(401)的前端作为所述尾翼连接杆组件(4)整体的前端，所述后置空心杆(403)的后端作为所述尾翼连接杆组件(4)整体的后端、并与所述尾翼主体(5)之间通过尾翼转接件(404)及尾翼旋转轴(405)转动连接。
3.根据权利要求2所述的一种无人帆船刚性翼帆自平衡转帆系统，其特征在于：所述前置配重杆(401)的前端设有若干个前置配重块(406)。
4.根据权利要求2所述的一种无人帆船刚性翼帆自平衡转帆系统，其特征在于：所述中心配重套筒(402)的前端穿设有用于固定连接所述前置配重杆(401)的后端的固定螺栓a，所述前置配重杆(401)的后端沿该前置配重杆(401)的长度方向开设有若干个调节通孔a，所述前置配重杆(401)的后端从所述中心配重套筒(402)的前端穿入，通过使所述固定螺栓a穿过不同的调节通孔a、以调节所述中心配重套筒(402)与前置配重杆(401)连接后的整体长度；
5.根据权利要求2所述的一种无人帆船刚性翼帆自平衡转帆系统，其特征在于：所述后置空心杆(403)上安装有舵机舱(9)，所述舵机(6)设置于所述舵机舱(9)内部；所述尾翼绳驱组件(7)包括延长杆(701)、转动臂(702)、牵拉绳连接座(703)及牵拉绳(705)，所述延长杆(701)的一端与所述舵机(6)的驱动轴连接，所述延长杆(701)的另一端延伸至所述后置空心杆(403)的内部、并与所述转动臂(702)的中部连接，所述牵拉绳连接座(703)固接于所述尾翼主体(5)上，所述牵拉绳连接座(703)的左右两端分别位于所述尾翼连接杆组件(4)整体的长度方向的左右两侧，所述牵拉绳连接座(703)的左端连接有第一条牵拉绳(705)的一端，第一条所述牵拉绳(705)的另一端与所述转动臂(702)的一端连接，所述牵拉绳连接座(703)的右端连接有第二条牵拉绳(705)的一端，第二条所述牵拉绳(705)的另一端与所述转动臂(702)的另一端连接。
6.根据权利要求5所述的一种无人帆船刚性翼帆自平衡转帆系统，其特征在于：所述牵拉绳连接座(703)的左右两端分别设有用于连接对应的牵拉绳(705)的牵拉绳张紧器(704)，每个所述牵拉绳张紧器(704)均包括张紧器底座(7041)、张紧滑块(7042)、张紧螺杆(7043)、压线板(7044)，每个所述牵拉绳张紧器(704)的张紧器底座(7041)均固定于所述牵拉绳连接座(703)上，每个所述牵拉绳张紧器(704)的张紧滑块(7042)均滑动连接于同一个牵拉绳张紧器(704)的张紧器底座(7041)中，每个所述牵拉绳张紧器(704)的张紧螺杆(7043)均转动安装于同一个牵拉绳张紧器(704)的张紧器底座(7041)上、并与同一个牵拉绳张紧器(704)的张紧滑块(7042)通过螺纹连接，每个所述牵拉绳张紧器(704)的压线板(7044)均固定于同一个牵拉绳张紧器(704)的张紧滑块(7042)上、并与该张紧滑块(7042)共同压住对应的牵拉绳(705)的一端。
7.根据权利要求2所述的一种无人帆船刚性翼帆自平衡转帆系统，其特征在于：所述尾翼转接件(404)固接于所述后置空心杆(403)的后端，所述尾翼旋转轴(405)设置于所述尾翼转接件(404)上；所述尾翼主体(5)包括尾翼骨架(501)、尾翼外壳(502)及旋转轴套筒(503)，所述旋转轴套筒(503)安装于尾翼骨架(501)上，所述尾翼外壳(502)与所述尾翼骨架(501)固接、并罩住所述尾翼骨架(501)及尾翼外壳(502)构成的整体，所述旋转轴套筒(503)套设于所述尾翼旋转轴(405)外侧、并与所述尾翼旋转轴(405)转动连接。
8.根据权利要求1所述的一种无人帆船刚性翼帆自平衡转帆系统，其特征在于：所述转帆控制箱(3)还包括箱体上盖(304)、箱体底盖(305)、下支架(306)、侧支撑座(307)、下安装板(308)、下轴承座(309)、轴承a(310)、上卡箍件(311)、上轴承座(312)、轴承b(313)、转子保护壳(314)；
9.根据权利要求8所述的一种无人帆船刚性翼帆自平衡转帆系统，其特征在于：所述箱体底盖(305)上与所述箱体(301)的内腔相对应处开设有手孔(3051)，所述手孔(3051)处安装有手孔盖(315)。
10.根据权利要求8所述的一种无人帆船刚性翼帆自平衡转帆系统，其特征在于：所述传动轴(302)的内部为中空结构，所述轴承a(310)与轴承b(313)之间的所述传动轴(302)的外周面上向外周延伸设有法兰部，所述法兰部用于与所述转子保护壳(314)通过螺栓固定，所述法兰部与所述轴承a(310)之间的所述传动轴(302)的外周套有传动轴轴套(316)，所述传动轴轴套(316)与所述传动轴(302)之间通过键(317)连接；
技术总结
本发明属于无人帆船技术领域，具体地说是一种无人帆船刚性翼帆自平衡转帆系统，包括主帆骨架、主帆外壳、转帆控制箱、尾翼连接杆组件、尾翼主体、舵机、尾翼绳驱组件。通过控制舵机的驱动端动作，并通过尾翼绳驱组件带动尾翼主体转动，进而调节尾翼主体相对主帆整体的偏转角，实现主帆整体与风之间夹角(攻角)的调节，使主帆整体达到预定攻角并保持稳定平衡状态。本发明的主帆整体的桅杆可以绕无人帆船船体自由旋转，实现了刚性翼帆与船身的转动解耦，无人帆船的艏摇运动不会影响刚性翼帆的攻角，通过尾翼对主帆攻角进行调节的方式可以把尾翼视为主帆的空气舵，该方法使得主帆攻角调节更加高效迅速，也降低了调节功耗。
技术研发人员：孙朝阳,冯傲,俞建成,黄琰,李春阳
受保护的技术使用者：中国科学院沈阳自动化研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23