自主航海船 |
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| 申请号 | CN201480027607.7 | 申请日 | 2014-03-14 | 公开(公告)号 | CN105228893B | 公开(公告)日 | 2017-10-24 |
| 申请人 | 无人风动力装置航行公司; | 发明人 | 理查德·埃利奥特·詹金斯; 迪伦·欧文斯; | ||||
| 摘要 | 无人自主航行船包括主船体；与该主船体旋转地耦接的刚性翼，其中该刚性翼围绕该刚性翼的旋 转轴 自由旋转； 控制器 ，被配置为保持期望航向；控制面元件，被配置为基于由该控制面元件上的 风 所施加的 力 以空 气动 力控制该刚性翼的翼 角 ，其中该控制器被配置为确定控制面角度并基于该控制面角度生成 信号 以 定位 该控制面元件；船 舵 ，其中该控制器进一步被被配置为确定船舵 位置 并生成信号以将该船舵定位到该船舵位置；和龙骨，包括压载，该压载足以提供足以使该主船体从任何位置被动扶正的正扶正力矩。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种无人航行船，包括： |
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| 说明书全文 | 自主航海船技术领域[0001] 本文描述的本发明的实施例涉及自主运输工具(autonomous vehicle)的领域。更特别而言，但不以限制的方式，本发明的一个或多个实施例实现了自主无人航海船(autonomous unmanned sailing vessel)。 背景技术[0002] 对于自主无人交通工具的需求一直在增加。已经开发了在不同地形(诸如陆地、地面街道，甚至空间)上有了不同程度的成功的无人自主交通工具。然而，无人自主海上交通工具的技术的发展受到了限制。成为横渡大西洋的第一个完全自主船的Microtransat挑战还尚未完成。作为备案，由自主航海船实现的公布的创纪录距离只有78.9海里。参见2012年5月15日的Quick,Darren,"Fully autonomous ASV Roboat to make world record attempt,"Gizmag.com，可在http://www.gizmag.com/asv-roboat-fully-autonomous-sailboat-to-make-world-record-attempt/22559/中看到。 [0003] 开放海洋研究、探索、监控和采集应用的其它数据的传统技术成本过高。一种方法是部署或租用能够留在海上达所需的持续时间的船。操作载人船只的费用很高，特别是如果操作涉及持续时间延长、与陆地的距离，或潜在的恶劣条件。另一种方法是部署一个或多个浮标。然而，在深水位置安装浮标的复杂性和成本很高。因此，使用浮标通常限于浅海区域。远程成像是可用于观察海洋的另一种方法。然而，使用成像技术只可观察到有限数据。 [0004] 任何船可覆盖的距离的一个制约因素是功率的可用性。海洋交通工具必须携带、产生或以其它方式利用在远离陆地的行程过程中其消耗的所有功率。另一个制约因素是在恶劣海洋条件中导航的能力。这对于给定海面的特定危险条件的风力发电船尤其如此。虽然期望无人自主航海船能够进行长距离海洋航行以进行环境、军工、监测、科学、研究和其它活动，但是对发展技术的尝试都没有成功。为了克服如上所述的问题和限制，如本文所述具有对无人自主航海船的需要。 发明内容[0005] 提供了下面的简化概要以便给出本文描述的自主无人航海船的一些方面的基本理解。该概述不是宽泛的综述且不旨在标识关键或重要元件或描述本发明的范围。 [0006] 本文中所描述的自主无人航海船的一个或多个实施例涉及一种无人自主航行船(an unmanned,autonomous ocean-going vessel)。 [0008] 在一个实施例中，无人自主航行船进一步包括：第一舷外支架船体(a first outrigger hull)，该第一舷外支架船体被配置为在主船体在围绕其主轴的第一方向上旋转时提供第一附加扶正力矩(a first additional righting moment)；和第二舷外支架船体(a second outrigger hull)，被配置为在主船体在围绕其主轴的第二方向上旋转时提供第二附加扶正力矩(a second additional righting moment)。该压载(ballast)足以从给定第一附加扶正力矩和第二附加扶正力矩的任意位置被动扶正(right)主船体。 [0010] 无人自主航行船进一步包括被配置为保持期望的航向(heading)的控制器。 [0011] 在一个实施例中，无人自主航行船进一步包括控制面元件(control surface element)，该控制面元件被配置为基于由控制面元件上的风施加的力以空气动力控制刚性翼的翼角。控制面元件可朝向刚性翼的后缘设置在刚性翼上。在一个实施例中，控制面元件设置在尾板，其中刚性翼与包括第一端和第二端的吊杆(boom，帆下桁)相耦接。吊杆的第二端与尾板相耦接并且从刚性翼的后缘(trailing edge)延伸。吊杆的第一端可从刚性翼的前缘延伸且可与配重耦接，所述配重被配置为相对于刚性翼的旋转轴动态地平衡刚性翼、吊杆和尾板。 [0012] 控制器可被配置为确定控制面角度并且基于控制面角度生成信号以定位控制面元件。在一个实施例中，控制器进一步被配置为在导航到至少一个航点(waypoint)位置期间实时计算多个控制面角度。控制器可进一步被配置为基于多个控制面角度生成多个信号以定位控制面元件。 [0013] 在一个实施例中，无人自主航行船进一步包括船舵。在一个实施例中，船舵包括船舵调整片且船舵位置对应于船舵调整片位置。 [0014] 控制器可进一步被配置为确定船舵位置并且生成信号以将船舵定位到船舵位置。在一个实施例中，控制器可进一步被配置为定期确定更新的船舵位置并生成信号以将船舵定位到所述更新的船舵位置。 [0015] 在一个实施例中，无人自主航行船进一步包括在龙骨的第一端与主船体耦接的龙骨(keel)。龙骨包括压载，该压载足以提供足以使所述主船体从任何位置被动扶正的正扶正力矩。 [0016] 在一个实施例中，无人自主航行船进一步包括具有天线的无线通信装置，其中控制器进一步被配置为从无线通信装置获得至少一个航点位置。无线通信装置可进一步被配置为基于与控制器相耦接的至少一个装置传输由控制器所生成的数据。 [0017] 在一个实施例中，主船体包括被定位在至少一个完全密封的舱室上方至少一个完全密封的舱室和至少一个部分密封的舱室。在主船体被定位在正常运行范围内时，至少一个部分密封的舱室定位在水位线上方。至少一个部分密封的舱室包括至少一个排放口，该排放口被定位为在主船体被定位为在正常运行范围内时允许至少一个部分密封的舱室的基本上被完全排放。 [0018] 在一个实施例中，无人自主航行船进一步包括至少一个有效载重舱。该至少一个有效载重舱可以被设置在主船体上。 [0019] 在一个实施例中，无人自主航行船进一步包括下球囊(lower bulb)，该下球囊与龙骨的第二端和船舵的第二端相耦接，其中船舵的第一端与主船体相耦接，且其中下球囊是负浮力的(negatively buoyant)。 [0020] 在一个实施例中，无人自主航行船进一步包括下球囊，该下球囊与龙骨的第二端和船舵的第二端相耦接，其中船舵的第二端从下球囊延伸且其中下球囊是负浮力的。 [0021] 在一个实施例中，无人自主航行船进一步包括至少一个浮力翼舱室，其中主船体和刚性翼中的至少一个包括至少一个密封舱室，该至少一个密封舱室被配置为选择性地涌出水以淹没主船体和刚性翼，而使至少一个浮力翼舱室停留在水位线上方。 [0024] 通过结合以下附图呈现的本发明下面的更具体的描述，本发明的上述和其它方面、特征和优点将更加显而易见，在附图中： [0025] 图1示出根据本文描述的自主无人航海船的一个或多个实施例的自主无人航海船的实施例的透视图。 [0026] 图2示出根据本文描述的自主无人航海船的一个或多个实施例的自主无人航海船的实施例的透视图。 [0027] 图3示出根据本文描述的自主无人航海船的一个或多个实施例的系统图。 [0028] 图4示出根据本文描述的自主无人航海船的一个或多个实施例的主船体的实施例的透明剖视图。 [0029] 图5示出根据本文描述的自主无人航海船的一个或多个实施例的自主无人航海船的实施例的侧视图。 [0030] 图6A至图6C示出根据本文描述的自主无人航海船的一个或多个实施例的控制面元件的实施例。 [0031] 图7A至图7D示出根据本文描述的自主无人航海船的一个或多个实施例的自主无人航海船的实施例的前视图。 [0032] 图8A至8B示出根据本文描述的自主无人航海船的一个或多个实施例的自主无人航海船的实施例。 [0033] 图9示出用于控制根据本文描述的自主无人航海船的一个或多个实施例的自主无人航海船的方法的流程图。 [0034] 图10A至图10B示出用于控制根据本文描述的自主无人航海船的一个或多个实施例的自主无人航海船的方法的流程图。 具体实施方式[0035] 现在将描述自主无人航海船。在下面的描述中，许多具体细节被阐述以便提供对本发明的实施例的更透彻的理解。然而，这对于可实践本发明的普通技术人员将是显而易见的，而不会掺入本文描述的具体细节的所有方面。在其它实例中，本领域的普通技术人员公知的具体特征，数量，或测量没有被详细描述，以便不混淆本发明。读者应注意，虽然在本文中阐述了本发明的实例，但是权利要求，及其任何等同物的全部范围限定本发明的边界和范围。此外，本领域的普通技术人员应认识到，在不脱离本发明的精神或的范围的情况下，本文所描述的方法和过程可以串行、并行和/或在多线程环境中以不同顺序进行。 [0036] 图1示出根据本文描述的自主无人航海船的一个或多个实施例的自主无人航海船的实施例的透视图。自主航海船100包括主船体102。 [0037] 主船体102与从船首104延伸到船尾106的主轴相关联。更具体而言，当所施加的扭矩从直立位置移动自主航海船100时，自主航海船100可围绕主船体102的主轴旋转。 [0038] 在一个实施例中，主船体102具有其具有降低浮力的狭窄的船首104，从而由于船首104的性质允许主船体102穿透波的至少顶部分。 [0039] 自主航海船100进一步包括刚性翼108。刚性翼108与主船体102旋转地耦接，使得刚性翼108沿刚性翼108的旋转轴自由地旋转。刚性翼108的旋转轴可被选择以相对于其旋转轴静态地平衡刚性翼108。 [0040] 更一般地而言，刚性翼108和/或与刚性翼108耦接的任何组件(例如，任何配重、尾板、控制面元件、吊杆、传感器、通信装置、电源、电线，或与刚性翼108耦接的任何其它组件)可相对于刚性翼108的旋转轴静态和/或动态地平衡。 [0042] 在一个实施例中，刚性翼108可拆卸地与主船体102耦接，以便有助于运输、修理、储存或任何其它功能。 [0043] 自主航海船100进一步包括控制面元件110。控制面元件110被配置为基于由控制面元件110上的风施加的力以空气动力控制刚性翼108的翼角。在一个实施例中，控制面元件110被配置为相对于风控制刚性翼108的翼角。更具体而言，控制面元件110对风的流动起作用来控制自由旋转刚性翼108的翼角，从而控制所产生的提升量。 [0044] 在一个实施例中，控制面元件110可被定位在三个不同的位置：第一最大角度、第二最大角度和中间角度。当控制面元件角度被设定为第一最大角度时，控制面元件110使刚性翼108定位在相对于风的第一翼角处，其在垂直于风的方向的第一提升方向上产生提升。当控制面元件角度被设定为第二最大角度时，控制面元件110使刚性翼108定位在相对于风的第二翼角处，其在相对第一提升方向的第二提升方向上产生提升。当控制面元件角度被设定中间角度时，基本上不产生提升。第一最大角度和第二最大角度可被选择为最大化提升。 [0045] 虽然不同于传统航海船，但是改变第一最大角度和第二最大角度之间的控制面元件角度可至少部分地类似于改变航向和顺风转向。在某些情况下不希望任何提升，诸如在遇到过大风的时候或在基本上无需运动的时候。 [0046] 在一个可替代实施例中，控制面元件110可被定位在第一最大角度和第二最大角度之间的任何角度处。当控制面元件角度被设定为位于第一最大角度和第二最大角度之间的中间角度时，基本上不产生提升。由于翼角从中间角度移动到第一最大角度，所以在第一提升方向产生的提升增加。由于翼角从中间角度移动到第二最大角度，所以在第二提升方向产生的提升增加。 [0047] 控制器可被配置为确定与由控制器确定的所需航行方向相关联的控制面角度并产生基于所确定的控制面角度定位控制面元件110的信号。 [0048] 自主航海船100进一步包括尾板112。在自主航海船100中，控制面单元110设置在尾板112，且尾板112经由114与刚性翼108耦接以空气动力控制刚性翼108的翼角。虽然用于以空气动力控制刚性翼108的角度的一种可能构造被示于图1中，但是在不脱离本发明的精神或范围的情况下，控制面元件的其它构造可用于控制刚性翼的角度，包括但不限于图6A至图6C所示的构造。 [0049] 自主航海船100进一步包括龙骨120。龙骨120在第一端处与主船体102耦接。在一个实施例中，龙骨120与主船体102可拆卸地耦接，诸如促进运输、修理、储存，或任何其它功能。如图所示，龙骨120耦接到主船体102，但是在不脱离本发明的精神或范围的情况下，一个或多个龙骨可与自主航海船100的任何水下表面耦接。 [0050] 龙骨120包括足够的压载，其在主船体102围绕其主轴旋转到任何角度时提供正扶正力矩。特别而言，龙骨120包括足够压载，其可从任何位置(包括正常运行范围外的任何位置)被动扶正自主航海船100。合适的压载可包括铅、混凝土、铁或适于用作压载的任何其它高密度材料。 [0051] 如本文所使用，术语“正常运行范围”是指其中刚性翼能够产生提升的主船体的任何取向。 [0052] 如本文所使用，术语“正扶正力矩”是指趋向于使船恢复到直立位置的任何扭矩。浮力舱室(诸如密封的干燥舱室)可提供正扶正力矩，其取决于相对于浮力舱室的取向。然而，根据船的船体的旋转，浮力舱室可防止船的船体的扶正。 [0053] 自主航海船100进一步包括舷外支架船体116至118。自主航海船100被示出具有两个舷外支架船体116至118。虽然在图1中示出两个舷外支架船体，但是在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可使用具有零个、一个或多个舷外支架船体的其它构造，包括但不限于图2所示的自主航海船200。图2示出根据本文描述的自主无人航海船的一个或多个实施例的自主无人航海船的实施例的透视图。 [0054] 在一个实施例中，在自主航海船100处于完全直立位置时，舷外支架船体116至118被定位在水位线上方。在自主航海船100处于正常运行范围内时，舷外支架船体116至118可完全或部分淹没。舷外支架船体116至118被配置为特别是在它们被完全或部分地浸没时提供正常运行范围内的正扶正力矩。例如，第一舷外支架船体116可被配置为在主船体102在第一方向上旋转(引起第一舷外支架船体116淹没)时提供第一附加扶正力矩，并且第二舷外支架船体118可被配置为在主船体102在第二方向上旋转(引起第二舷外支架船体118淹没)时提供第二附加扶正力矩。 [0055] 在一个实施例中，龙骨120包括足够压载，以考虑由舷外支架船体116-118提供的附加扶正力矩，引起自主航海船100从任何位置被动扶正，包括在正常运行范围外的任何位置。具体而言，龙骨120可包括足够压载，以在自主航海船在正常运行范围外时(诸如在自主航海船处于倾覆位置时)考虑由舷外支架船体116至118提供的负扶正力矩。 [0056] 自主航海船100进一步包括船舵122。船舵122被配置为控制主要自主航海船100通过水的移动方向。如图所示，船舵122耦接到主船体102，但在不脱离本发明的精神或范围的情况下，一个或多个方向船舵可与自主航海船100的任何水下表面耦接。 [0057] 船舵122可包括船舵调整片124。船舵调整片124是船舵122的定位组件。在一个实施例中，船舵122与主船体102可拆卸地耦接，诸如促进运输、修理、储存，或任何其它功能。 [0058] 控制器可被配置为确定与由控制器确定的所需航行方向相关联的船舵位置并产生基于所确定的船舵位置生成信号以定位船舵122。在一个实施例中，船舵包括船舵调整片124，且所确定的船舵位置对应于船舵调整片位置。 [0059] 自主航海船100进一步包括至少一个太阳能板126至128。太阳能板126至128可被配置为对自主航海船100的一个或多个系统的一个或多个电源充电。在一个实施例中，太阳能板126至128可被配置为对自主航海船100的一个或多个系统直接提供电源。 [0060] 自主航海船100进一步包括至少一个通信装置130至132。一个或多个通信装置130至132可设置在自主航海船100的外部、内部，或部分在其内部，包括但不限于主船体102、舷外支架船体116至118、吊杆114、尾板112、刚性翼108或自主航海船100的任何其它组件。在一个或多个优选实施例中，在自主航海船100处于正常运行范围内时，与通信装置130至132相关联的传输装置在水位线上方。然而，在不脱离其精神或本发明的范围的情况下，与通信装置130至132相关联的一个或多个传输装置可在正常运行范围内被定位在水位线下方。 [0061] 图3示出根据本文描述的自主无人航海船的一个或多个实施例的系统图。系统300包括控制器302。控制器302被配置为获得和/或保持无人航海船的期望的航向。在一个实施例中，控制器302可被配置为获得一个或多个航点并将无人航海船导航到一个或多个航点，而对直接导航没有附加通信。如本文所用，术语“航点”是指包含地理位置的任何数据。此外，控制器302可被配置为获得一个或多个路径并导航一个或多个路径，而对直接导航没有附加通信。 [0062] 在一个实施例中，控制器302可进一步被配置为处理一个或多个障碍物，包括天气、未经授权的区域、其它船只，或任何其它障碍物或危险。障碍物可能由一个或多个传感器320识别。可替代地，关于障碍物的信息可经由一个或多个通信装置340接收。 [0063] 系统300进一步包括至少一个电源304。电源304可包括一个或多个电源，诸如电池306和太阳能板308。电源304被配置为对控制器302供电。电源304还可被配置为对一个或多个机械组件(诸如控制面元件致动器310和船舵致动器312)供电。在优选的实施例中，电源 304包括至少一个太阳能板308，其被配置为对至少一个可再充电电池306充电，其中电池 306被配置为对控制器302、控制面元件致动器310和船舵致动器312供电。在一个或多个实施例中，电池306进一步被配置为对传感器320和/或通信装置340中的至少一个供电。可替代地，传感器320和/或通信装置340中的至少一个可由另一电源供电。 [0064] 系统300进一步包括控制面元件致动器310。控制面元件致动器310被配置为基于从控制器302接收的信号来定位控制面元件。控制面元件致动器310可包括能够重新定位控制面元件的电子和/或机械元件的任何组合，包括但不限于电机、齿轮、皮带、杆和任何其它组件。 [0065] 系统300进一步包括船舵致动器312。船舵致动器312被配置为基于控制器302接收的信号来定位船舵。在一个实施例中，船舵致动器312被特别配置为定位船舵的船舵调整片。船舵致动器312可包括能够重新定位控制面元件的电子和/或机械元件的任何组合，包括但不限于电机、齿轮、皮带、杆，和任何其它组件。 [0066] 系统300进一步包括一个或多个传感器322至332(统称为传感器320)。传感器320可包括能够收集数据的一个或多个传感器。如本文所使用，术语“传感器”是指能够收集和/或接收数据的任何装置。在一个实施例中，传感器320包括能够接收单向通信的一个或多个装置，诸如GPS接收器322。传感器320还可包括罗盘324、翼角传感器326、加速度计328，与导航相关的其它仪器、与船只操作和/或船只状态相关的其它仪器、环境传感器(诸如温度、湿度、化学或任何其它环境传感器)，或能够收集和/或接收数据的任何其它装置。 [0067] 在一个实施例中，传感器320包括其包括作为有效载重舱的一个或多个装置，其可被完全定位在、部分定位在一个或多个有效载重舱内或其外部。 [0068] 传感器320可诸如经由电线、电路或其它电子组件与控制器302通信耦接。传感器320也可与控制器302无线通信。在一个实施例中，一个或多个传感器320不与控制器302通信耦接。例如，不与控制器302通信耦接的传感器可与独立的控制器、通信装置(例如通信装置340)、记录装置，或者能够利用由传感器收集的数据的任何其它装置中的一个或多个通信耦接。 [0069] 系统300进一步包括一个或多个通信装置342至350(统称为通信装置340)。如本文所使用，术语“通信装置”是指能够传输数据的任何装置，包括能够仅传输的单向装置以及能够发射和接收数据的装置。在一个实施例中，通信装置340包括能够双向通信的一个或多个装置，诸如卫星装置342、无线电装置344、无线电装置346，或任何其它通信装置。 [0070] 通信装置340可诸如经由电线、电路或其它电子组件与控制器302通信耦接。通信装置340也可诸如经由无线装置346或与控制器302耦接的其它无线装置与控制器302无线通信。在一个实施例中，一个或多个通信装置340不与控制器302通信耦接。例如，不与控制器302通信耦接的通信装置可与独立的控制器、传感器(例如传感器320)、记录装置，或者能够利用通信装置的任何其它装置中的一个或多个通信耦接。 [0071] 在一个实施例中，至少一个通信装置340被配置为基于至少一个传感器320传输由控制器302生成的数据。 [0072] 在一个实施例中，控制器302被配置为从任何通信装置340(优选但不限于卫星装置342)获得至少一个航点位置。 [0073] 在一个实施例中，有效载重单元包括至少一个独立的控制器、独立的电源、独立的有效载重传感器、独立的有效载重通信装置，和/或独立的记录装置。 [0074] 在一个实施例中，控制器302被配置为确定并保持期望的航向。通过获得传感器信息来确定期望的航向。控制器302可使用从传感器320接收的任何信息(包括但不限于来自环境传感器、导航仪，和与船只操作和/或船只状态相关的传感器的信息)来确定期望的航向。在一个实施例中，控制器302被配置为基于罗盘324的罗盘读数和翼角传感器326的刚性翼角来估计风向。基于传感器信息，控制器302确定所需要的控制面角和船舵位置以保持期望的航向。控制器302基于所确定的控制面角度和船舵位置将信号传输到控制面元件致动器310和船舵驱动器312。 [0075] 控制器302可定期获得更新的传感器信息并更新控制面元件角度和/或船舵位置。在一个实施例中，船舵位置在一秒的约100倍和一分钟的约一倍之间更新。更具体而言，船舵位置可在一秒的约60倍和一秒钟的约10倍之间更新。在一个实施例中，控制面元件角度可从第一最大角度、第二最大角度，和中间角度中来选择，并且在跨越风的方向的期望的航向存在变化的时候，或在几乎不需要提升的时候更新。在另一个实施例中，控制面元件角度在第一最大角度和第二最大角度之间连续，并且控制面元件角被定期更新。 [0076] 控制器302可被配置为计算实时导航时的多个控制面角度，并且基于多个控制面角度产生多个信号并将多个信号传输到控制面元件致动器310以使控制面元件致动器310来定位控制面元件。 [0077] 图4示出根据本文描述的自主无人航海船的一个或多个实施例的主船体的实施例的透明剖视图。船体400是自主航海船的船体。在一个实施例中，船体400是自主航海船的主船体。 [0078] 在一个实施例中，船体400包括至少一个完全密封的舱室402。完全密封的舱室402可以是在舱室内部基本上没有任何固体或液体的密封的舱室。可替代地，完全密封的舱室402可以是基本上不透水的固体浮力材料，诸如闭孔泡沫或任何其它适当的浮力材料。 [0079] 在一个实施例中，至少一个完全密封的舱室402包括选择性浸水舱室。一个或多个选择性浸水舱室也可位于自主航海船的刚性翼中，补充或替代船体400中的选择性浸水舱室。当一个或多个选择性浸水舱室被水淹没时，自主航海船是部分或基本降低到低于水位线。控制器可被配置为生成信号以降低自主航海船到一个或多个条件下，诸如当需要隐形模式的时候，当海面的天气条件对自主航海船构成了威胁或处于其中降低浮力是合适的任何其它条件。当控制器生成信号以降低自主航海船时，一个或多个选择性浸水舱室启封以充满水，从而将自主航海船的浮力减小到所需水平。 [0080] 在一个实施例中，船体400进一步包括至少一个部分密封的舱室404。在一个实施例中，部分密封的舱室404位于完全密封的舱室402上方。当自主航海船被定位在正常运行范围内时，部分密封的舱室404被定位在水位线上方。 [0081] 在一个实施例中，船体400进一步包括至少一个排放口406至408。排放口406至408被定位为在自主航海船被定位在正常运行范围内时允许部分密封的舱室404基本上完全排出。例如，一个或多个排放口406至408可设置在船体400的最低点。一个或多个排放口406至408的定位可考虑到船体400的任何转动，诸如船体400的滚动和/或纵摇。 [0082] 在一个实施例中，船体400进一步包括至少一个舱门410。舱门410是被配置为允许进入船体400的内部的完全或部分可移动的船体组件。舱门410与船体400之间的接口可包括水密封。可替代地，舱门410与船体400之间的接口不防水，且在自主航海船被定位在正常运行范围内时，从接口进入船体400的水通过排放口406至408排出。 [0083] 在一个实施例中，船体400进一步包括至少一个有效载重舱412。有效载重舱412可以是完全密封的或部分密封的船体400。有效载重舱412被配置为保持设备、传感器、监测装置、通信装置、武器，或适于放置在设置在下船体400中的有效载重舱中的任何其它装置中的一个或多个。在一个实施例中，有效载重舱412包括至少一个出口，其被配置为允许设备、传感器、监测装置、通信装置、武器，或任何其它装置中的一件的至少一部分进入400的内部，例如以进入空气和/或水，包括海水。出口414可包括或省略防水密封。 [0084] 在一个实施例中，出口414被配置为允许有效载重舱412内的水位自然升至平衡水平，从而在自主航海船定位在正常运行范围内时填充有效载重舱412的至少一部分。逸出有效载重舱412的水可通过一个或多个排放口406至408排出船体400。 [0085] 在一个实施例中，有效载重舱412包括至少一个有效载重舱罩。舱门410与船体400之间的接口可包括或省略防水密封。 [0086] 在一个实施例中，控制器位于船体400内，诸如完全密封的舱室402内或定位在船体400的部分密封的舱室404内的防水外壳。 [0087] 图5示出根据本文描述的自主无人航海船的一个或多个实施例的自主无人航海船的实施例的侧视图。示出了自主航海船500的主轴502和自主航海船500的刚性翼的旋转轴504。刚性翼与自主航海船500的船体在旋转接头506处旋转地耦接，使得刚性翼围绕旋转轴 504自由旋转。刚性翼和与刚性翼耦接且被配置为随刚性翼旋转的任何组件可相对于旋转轴504静态地和/或动态地平衡。 [0088] 图6A至图6C示出根据本文描述的自主无人航海船的一个或多个实施例的控制面元件的实施例。图6A示出根据本文描述的自主无人航海船的一个或多个实施例的机翼组件的实施例。机翼组件600包括刚性翼602。控制面元件604设置在尾板606上。 [0089] 控制器可被配置为确定与由控制器确定的所需航行方向相关联的控制面角度并基于控制面角度生成信号以定位控制面元件604。尾板606可通过吊杆608与刚性翼602耦接。刚性翼组件600可相对于刚性翼602的旋转轴动态地平衡。在一个实施例中，吊杆608的第一端从刚性翼602的前缘延伸并与被配置为相对于刚性翼602的旋转轴动态地平衡刚性翼组件600的配重耦接。吊杆608的第二端从刚性翼602的后缘608延伸并与尾板606相耦接。 [0090] 图6B示出根据本文描述的自主无人航海船的一个或多个实施例的机翼组件的实施例。机翼组件620包括刚性翼622。在一个实施例中，控制面元件624通过吊杆628与刚性翼622直接耦接。控制面元件624被配置为基于由控制面元件624上的风施加的力以空气动力控制刚性翼622的翼角。控制器可被配置为确定与由控制器确定的所需航行方向相关联的控制面角度并基于控制面角度生成信号以定位控制面元件624。刚性翼组件620可相对于刚性翼622的旋转轴动态地平衡。在一个实施例中，吊杆628的第一端从刚性翼622的前缘延伸并与被配置为相对于刚性翼622的旋转轴动态地平衡刚性翼组件620的配重耦接。 [0091] 图6C示出根据本文描述的自主无人航海船的一个或多个实施例的机翼组件的实施例。机翼组件640包括刚性翼642。在一个实施例中，控制面元件644设置在刚性翼642上。控制面元件644可朝向刚性翼642的后缘设置。控制器可被配置为确定与由控制器确定的所需航行方向相关联的控制面角度并基于控制面角度生成信号以定位控制面元件644。刚性翼组件640可相对于刚性翼642的旋转轴动态地平衡。 [0092] 图7A至图7D示出根据本文描述的自主无人航海船的一个或多个实施例的自主无人航海船的实施例的前视图。虽然在图7B至图7C中未示出第二舷外支架船体706的方向的倾斜，但是会发生对称效果。与本文描述的一个或多个特征组合，如图7A至图7D所示的自扶正构造可有助于对自主航海船承受恶劣海况(包括风、其它天气、波浪和/或海涌)的影响的能力，包括返回到正常运行范围内的位置的能力。 [0093] 在图7A中，自主航海船700被示出处于完全直立位置A。在一个实施例中，在自主航海船720处于完全直立位置时，第一舷外支架船体706和第二舷外支架船体708位于水位线702以上。主船体704和龙骨712的正扶正力矩有助于自主航海船700在完全直立位置A的稳定性。 [0094] 在图7B中，自主航海船700被示出处于位置B。位置B在自主航海船700的正常运行范围内。自主航海船700在第一舷外支架船体706的方向上围绕主船体704的主轴旋转。第一舷外支架船体706被部分浸没并产生正扶正力矩，而第二舷外支架船体708保持在水位线702以上。主船体704的、第一舷外支架船体706和龙骨712的正扶正力矩有助于自主航海船 700在位置B的稳定性。 [0095] 在图7C中，自主航海船700被示出处于位置C。位置C在自主航海船700的正常运行范围内。与位置B相比，自主航海船700进一步在第一舷外支架船体706的方向上围绕主船体704的主轴旋转。第一舷外支架船体706被完全浸没并产生正扶正力矩，而第二舷外支架船体708保持在水位线702以上。因为第一舷外支架船体706的整个体积被淹没，所以第一舷外支架船体706的浮力引起的向上力被最大化。主船体704、第一舷外支架船体706和龙骨712的正扶正力矩有助于自主航海船700在位置C的稳定性。 [0096] 在图7D中，自主航海船700被示出处于倾覆位置D，这在自主航海船700的正常运行范围外。主船体704、第一舷外支架船体706和第二舷外支架船体708产生负扶正力矩(即倾覆力矩)，这往往会造成自主航海船700保留在倾覆位置D。然而，位置D本质上是不稳定的，因为龙骨712包括压载，其足以提供正扶正力矩，其足以从任何位置(包括位置D和正常运行范围外的任何其它位置)被动扶正自主航海船700。龙骨712包含足够压载以考虑主船体704的负扶正力矩以及第一舷外支架船体706和第二舷外支架船体708在位置D的负扶正力矩。因此，自主航海船700的正常运行范围外的位置本质上是不稳定的，而正常运行范围内的位置本质上是稳定的。 [0097] 图8A至图8B示出根据本文描述的自主无人航海船的一个或多个实施例的自主无人航海船的实施例。 [0098] 图8A示出根据本文描述的自主无人航海船的一个或多个实施例的自主无人航海船的实施例的部分视图。自主航海船800包括下球囊804。龙骨806在第一端处与主船体802耦接并在第二端处与下球囊804耦接。船舵808在第一端处与主船体802耦接并在第二端处与下球囊804耦接。下球囊804可以是负浮力并可提供和/或有助于正扶正力矩，其足以使自主航海船800恢复至垂直位置，其包括正常运行范围内的位置。 [0099] 下球囊804可包括一个或多个有效载重舱，其被配置为保持设备、传感器、监测装置、通信装置、武器，或适于放置在设置在下球囊804中的有效载重舱中的任何其它装置中的一个或多个。在一个实施例中，下球囊804包括壳体，其被配置为保持设备、传感器、监测装置、通信装置、武器，或任何其它装置中的一个或多个。可替代地，龙骨806的第二端和船舵808的第二端可与设备、传感器、监测装置、通信装置、武器，或任何其它合适装置中的一个或多个直接耦接。 [0100] 图8B示出根据本文描述的自主无人航海船的一个或多个实施例的自主无人航海船的实施例的部分视图。自主航海船820包括下球囊824。龙骨826在第一端处与主船体822耦接并在第二端处与下球囊824耦接。船舵828在第一端处与下球囊824耦接并在第二端832处从下球囊804延伸。下球囊824可以是负浮力并可提供和/或有助于正扶正力矩，其足以使自主航海船820恢复至垂直操作位置。 [0101] 下球囊824可包括一个或多个有效载重舱，其被配置为保持设备、传感器、监测装置、通信装置、武器，或适于放置在设置在下球囊824中的有效载重舱中的任何其它装置中的一个或多个。在一个实施例中，下球囊824包括壳体，其被配置为保持设备、传感器、监测装置、通信装置、武器，或任何其它装置中的一个或多个。可替代地，龙骨826的第二端和船舵828的第二端可与设备、传感器、监测装置、通信装置、武器，或任何其它合适装置中的一个或多个直接耦接。 [0102] 图9示出用于控制根据本文描述的自主无人航海船的一个或多个实施例的自主无人航海船的方法的流程图。例如，过程900可在一个或多个计算装置(诸如但不限于控制器302)中进行。 [0103] 在框902中，获得航点。航点可通过无线通信(诸如经由卫星通信、蜂窝通信、WLAN通信，或者任何其它无线通信)来获得。在一个实施例中，航点可通过获得可根据其来计算航点的数据(诸如相对于另一地理位置(诸如另一航点、当前位置，或任何其它地理位置)的距离或坐标)来获得。可获得和/或存储被访问的航点的序列。在一个实施例中，可计算一个或多个航点，诸如以提供预定区域的所需覆盖。例如，一个或多个航点可包括其中实施采样、监测、检测，或者任何其它操作的位置。在一个实施例中，在两个或多个航点之间的导航路径内实施连续或定期采样、监测、检测，或任何其它操作。 [0104] 在框904中，获得传感器信息，包括但不限于来自环境传感器、导航仪，和传感器的与船只操作和/或船只状态相关的信息。 [0105] 在框906中，基于来自一个或多个传感器的传感器信息来确定风向。在一个实施例中，基于罗盘读数和刚性翼角度来估计风向。 [0106] 在框908中，确定导航到航点的航线。航线可包括沿类似于传统航海船的改变航向和顺风转向的路径的一系列控制面元件变化。 [0107] 在框910中，确定控制面角度。在一个实施例中，控制面元件角度可选自第一最大角度、第二最大角度和中间角度，并且在跨越风的方向的期望的航向存在变化的时候，或在几乎不需要提升的时候更新。在另一个实施例中，控制面元件角度在第一最大角度和第二最大角度之间连续。 [0108] 在框912中，基于所确定的控制面角度生成信号以定位控制面元件。 [0109] 在框914中，确定船舵位置。船舵位置可对应于船舵的船舵调整片组件的位置。 [0110] 在框916中，基于所确定的船舵位置生成信号以定位船舵。 [0111] 图10A至图B示出用于控制根据本文描述的自主无人航海船的一个或多个实施例的自主无人航海船的方法的流程图。 [0112] 图10A示出用于控制根据本文描述的自主无人航海船的一个或多个实施例的自主无人航海船的方法的流程图。例如，过程1000可在一个或多个计算装置(诸如但不限于控制器302)中进行。 [0113] 在框1002中，获得传感器信息。可使用先前处理的传感器信息，以及更新的传感器信息。 [0114] 在判定框1004中，确定是否改变控制面角度。可定期更新控制面角度。在一个实施例中，在跨越风的方向的期望的航向存在变化的时候，或在几乎不需要提升的时候更新控制面角度。如果确定控制面角度是不改变，则处理返回到框1002。否则，处理继续到框1006。 [0115] 在框1006中，确定更新的控制面角度。 [0116] 在框1008中，基于所更新的控制面角度生成信号以重新定位控制面元件。 [0117] 图10B示出用于控制根据本文描述的自主无人航海船的一个或多个实施例的自主无人航海船的方法的流程图。例如，过程1020可在一个或多个计算装置(诸如但不限于控制器302)中进行。 [0118] 在框1022中，获得传感器信息。 [0119] 在判定框1024中，确定是否改变船舵位置。船舵位置可定期更新。在一个实施例中，船舵位置在一秒约100倍和一分钟约一倍之间进行更新。更具体而言，船舵位置可在一秒约60倍和一秒约10倍之间进行更新。如果确定船舵位置不改变，则处理返回到框1022。否则，处理继续到框1026。 [0120] 在框1026中，确定更新的船舵位置。船舵位置可对应于船舵的船舵调整片组件的位置。 [0121] 在框1028中，基于所更新的船舵位置生成信号以重新定位船舵。在一个实施例中，生成信号以重新定位船舵的船舵调整片组件。 |
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