專利名稱：無(wú)人值守海洋運(yùn)載工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及海用的無(wú)人值守(unmanned)、自控、水運(yùn)運(yùn)載工具，在此稱為無(wú)人值守海洋運(yùn)載工具(UOV)。更具體地，但非窮舉地，本發(fā)明涉及一種利用可再生能源的無(wú)人值守海洋運(yùn)載工具，其使得能夠延長(zhǎng)諸如遠(yuǎn)程海洋水面監(jiān)視中的操作時(shí)段。
背景技術(shù)：
在海上的戰(zhàn)爭(zhēng)、勘探、科研以及監(jiān)控應(yīng)用中，UOV的軍事、政治以及商業(yè)應(yīng)用為數(shù)眾多。諸如船舶和浮標(biāo)(buoy)的傳統(tǒng)平臺(tái)(platform)在上述這些應(yīng)用中收集數(shù)據(jù)和信息的能力是有限地，特別是當(dāng)與世界海洋的浩瀚相比時(shí)。在建造、人工以及操作方面，船舶的花費(fèi)昂貴。固定或者漂浮的浮標(biāo)通常僅覆蓋極微小的范圍。雖然現(xiàn)在可通過(guò)衛(wèi)星遠(yuǎn)程收集一些另外的數(shù)據(jù)，但這些衛(wèi)星更為昂貴，并且它們的傳感器可提供的海洋數(shù)據(jù)非常有限。
可用于直接收集海洋學(xué)數(shù)據(jù)和信息的傳感器和工具得到很好的發(fā)展。顯然，可將現(xiàn)代通信和信息技術(shù)應(yīng)用于充分開(kāi)拓工具和傳感器的擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，如Schmidt等人的美國(guó)專利No.5,894,450中所述。然而，所期望的元件是能夠?yàn)橐竽秃搅?endurance)的海洋監(jiān)視、通信、科研以及其它應(yīng)用提供動(dòng)力和連貫性的廉價(jià)、移動(dòng)且自續(xù)航(self-sustaining)的平臺(tái)。
傳統(tǒng)無(wú)人值守水面運(yùn)載工具，例如Shiffler等人的美國(guó)專利No.5,713,293中所述，或者由US Naval Undersea Warfare Centre of Newport，Rhode Island，USA提出的斯巴達(dá)(Spartan)“偵察”運(yùn)載工具，典型地采用提供有限航程和耐航力的礦物燃料動(dòng)力單元。傳統(tǒng)的無(wú)人值守水面運(yùn)載工具，至少當(dāng)在半自動(dòng)模式中運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，也要經(jīng)受由與更大型船體碰撞或者近距離遭遇所引起的威脅。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的
本發(fā)明的目的是提供一種海用UOV，該UOV解決了針對(duì)海上的戰(zhàn)爭(zhēng)、勘探、科研和監(jiān)控應(yīng)用而提出的現(xiàn)有技術(shù)的無(wú)人值守水面運(yùn)載工具的缺點(diǎn)，以期望延長(zhǎng)操作時(shí)段并且/或者覆蓋更長(zhǎng)的操作航程。
本發(fā)明的公開(kāi)
本申請(qǐng)人在國(guó)際專利公開(kāi)No.WO 98/21089中已經(jīng)例示出使用太陽(yáng)能來(lái)補(bǔ)充用于海船的諸如礦物燃料或者風(fēng)能的傳統(tǒng)能源，該國(guó)際專利公開(kāi)描述了包括太陽(yáng)能收集器的翼帆(wing sail)。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了可由混合推進(jìn)系統(tǒng)(諸如具有太陽(yáng)能收集器的翼帆)為無(wú)人值守水面運(yùn)載工具提供能源，由此改進(jìn)操作航程。這種翼帆可以樞軸地安裝到UOV的船身或者主體上，由此當(dāng)豎起該翼帆時(shí)該UOV能夠在風(fēng)動(dòng)力下航行，并且如果該翼帆與太陽(yáng)成最優(yōu)角度，還能夠收集太陽(yáng)能。另選地，該翼帆可以沿著UOV船身的長(zhǎng)度方向傾斜，以便減少在不理想的風(fēng)條件下的UOV的阻力和受風(fēng)面積(silhouette)，同時(shí)繼續(xù)收集太陽(yáng)能。
在一個(gè)廣泛方面中，本發(fā)明在于一種用于在水體的表面之上或者之下操作的UOV，所述運(yùn)載工具包括
·具有有效載荷艙(payload bay)的封閉船身；
·具有能力收集裝置和能量存儲(chǔ)裝置的混合推進(jìn)系統(tǒng)，其適于至少利用太陽(yáng)能和風(fēng)能；
·用于檢測(cè)預(yù)定環(huán)境參數(shù)的多個(gè)傳感器；以及
·通信系統(tǒng)，用于將來(lái)自所述傳感器的關(guān)于選定環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)發(fā)送到一個(gè)或更多個(gè)遠(yuǎn)程站和/或協(xié)同操作的UOV，并用于從所述一個(gè)或更多個(gè)遠(yuǎn)程站和/或協(xié)同操作的UOV接收命令信號(hào)。
UOV的船身或者主體的外部結(jié)構(gòu)合適地具有水生動(dòng)物的通常外觀，如魚、海豚、鯨魚、海龜、魷魚、章魚或者其它合適的水生動(dòng)物。
優(yōu)選地，封閉船身適于促進(jìn)選擇性地在水面之上或者之下操作。該船身可以合適地包括用于選擇性地下沉和上浮UOV的壓載艙(ballasttank)。
更優(yōu)選地，混合推進(jìn)系統(tǒng)包括翼帆，所述翼帆具有用于使用風(fēng)能推進(jìn)運(yùn)載工具的翼型結(jié)構(gòu)，并具有設(shè)置在該翼帆的表面上的諸如光電池組件的太陽(yáng)能收集器。優(yōu)選地，該翼帆可以沿著所述UOV的主體下降到一傾斜位置，以便減少阻力同時(shí)繼續(xù)收集太陽(yáng)能。
混合推進(jìn)系統(tǒng)的能量存儲(chǔ)裝置合適地包括與太陽(yáng)能收集器耦合的諸如電池或者電容器的儲(chǔ)電電池組件?；旌贤七M(jìn)系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括與流體驅(qū)動(dòng)元件(如推進(jìn)器、噴射器或者擺動(dòng)末端部件(oscillating tailmemeber))機(jī)械耦合的電機(jī)構(gòu)。
在電機(jī)模式下，可以由所述儲(chǔ)電電池組件對(duì)電機(jī)構(gòu)供電來(lái)驅(qū)動(dòng)所述元件，或者另選地，在發(fā)電機(jī)模式下，可以由驅(qū)動(dòng)元件通過(guò)波浪作用、水流或者在再生航行(regenerative sailing)中驅(qū)動(dòng)電機(jī)構(gòu)來(lái)對(duì)所述儲(chǔ)電電池組件進(jìn)行充電。電容器或者其它快速能量釋放設(shè)備(如流體蓄電池)可以為UOV提供短程疾速能力(short sprint capability)。
有效載荷艙優(yōu)選地是內(nèi)部動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的，以便承載包括海洋學(xué)或者軍事應(yīng)用的環(huán)境傳感器的設(shè)備、用于搜索和營(yíng)救的救生或者消防裝備，以及涉及期望UOV操作的武器。環(huán)境傳感器可以包括風(fēng)速表、風(fēng)向標(biāo)、雷達(dá)、光波段傳感器、紅外波段傳感器、化學(xué)和/或生物傳感器、聲敏元件以及深海測(cè)量傳感器。
通信系統(tǒng)可以包括GPS接收機(jī)、LFB/SWB/海用頻段接收機(jī)、衛(wèi)星接收機(jī)、以及適于上述各接收機(jī)的天線陣列，該天線陣列包括可以卷入運(yùn)載工具并從運(yùn)載工具中放出，并可以拖動(dòng)以運(yùn)行的天線陣列。
最合適的是，UOV能夠使用所存儲(chǔ)的能量，長(zhǎng)時(shí)間地潛入水面以下，來(lái)避開(kāi)船只、風(fēng)暴或者進(jìn)行秘密行動(dòng)。如果需要，混合推進(jìn)系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括用于緊急應(yīng)用(如排空壓載艙以在長(zhǎng)時(shí)間潛水操作之后浮出水面)的燃料電池組件。
在其它操作模式中，UOV將配置并使用指揮和控制中繼中心，指揮各個(gè)UOV或者例如多達(dá)1000或者更多的UOV成組操作。UOV可以通過(guò)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)(例如太空系統(tǒng)(如衛(wèi)星)或者航空智能系統(tǒng)(如飛機(jī)或者氣球))來(lái)操作，或者與諸如甚低頻(VLF)或者極低頻(ELF)傳輸?shù)能娪瞄L(zhǎng)距離無(wú)線電傳輸系統(tǒng)相結(jié)合來(lái)操作。如果需要，UOV可以使用中繼型通信系統(tǒng)，該中繼型通信系統(tǒng)使用設(shè)置在所述組中的各個(gè)UOV之間的通信信道，由此經(jīng)由一系列命令將消息中繼回船只上或者陸地基地中的指揮中心。


為了使本發(fā)明可以更容易理解并更具有實(shí)踐效果，現(xiàn)在對(duì)例示出本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的附圖進(jìn)行說(shuō)明，其中
圖1是適用于本發(fā)明的第一實(shí)施例和第二實(shí)施例的混合推進(jìn)系統(tǒng)的整體視圖2是表示適于低成本構(gòu)造的第一實(shí)施例的UOV的側(cè)面正視圖3是表示第一實(shí)施例的UOV的頂視圖4是表示適于秘密行動(dòng)的本發(fā)明的第二實(shí)施例的UOV的側(cè)面正視圖5是表示第二實(shí)施例的UOV的正面正視圖6是表示第二實(shí)施例的UOV的頂視圖7是表示適于高負(fù)荷容量操作的本發(fā)明第三實(shí)施例的UOV的頂視圖8是第三實(shí)施例的UOV的側(cè)面正視圖9是適于搜索和營(yíng)救操作的本發(fā)明第四實(shí)施例的UOV的橫截側(cè)面正視圖10是第四實(shí)施例的UOV的端視圖11是第四實(shí)施例的頂視圖12是示出翼帆的另選結(jié)構(gòu)的第四實(shí)施例的UOV的又一頂視圖；以及
圖13是這些實(shí)施例的UOV的指揮和控制模塊的示意性框圖。
具體實(shí)施例方式
圖1描繪了用于本發(fā)明的UOV的實(shí)施例的混合推進(jìn)系統(tǒng)100。該推進(jìn)系統(tǒng)包括光電池組件101的陣列，該光電池組件101的陣列可以安裝在運(yùn)載工具的能夠收集太陽(yáng)能102的表面上或者與其集成在一起。這些收集表面包括如下所述能夠?yàn)槭占?yáng)能而有選擇地放置的翼帆(未示出)的表面103。光電池組件101對(duì)諸如電池104的儲(chǔ)電電池組件提供電能。電池又將DC電力提供給運(yùn)載工具的負(fù)載(hotel load)105以及在“電機(jī)”模式下驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器107的電機(jī)/發(fā)電機(jī)106。
當(dāng)將固定于運(yùn)載工具的翼帆豎起時(shí)，它們能夠使用可用風(fēng)能來(lái)推進(jìn)運(yùn)載工具，使運(yùn)載工具處于“駛帆航行”108中。推進(jìn)器106也可以被配置成從相對(duì)于運(yùn)載工具的水的流動(dòng)收集能量，即從經(jīng)過(guò)的水流或者再生航行收集能量，并由此通過(guò)在“發(fā)電機(jī)”模式下驅(qū)動(dòng)電機(jī)/發(fā)電機(jī)來(lái)幫助對(duì)電池進(jìn)行再充電。當(dāng)環(huán)境條件不滿足時(shí)，對(duì)電池進(jìn)行再充電或者提供緊急備用電力的另一選擇是通過(guò)使用輔助燃料電池組件109。
轉(zhuǎn)到圖2和圖3，這里表示出能夠以較低成本構(gòu)造出的本發(fā)明的第一實(shí)施例的UOV 200。該運(yùn)載工具包括封閉船身201，該封閉船身201由玻璃纖維材料構(gòu)成，具有3到15米(10到50英尺)的長(zhǎng)度，大約1到10米(3到35英尺)的橫梁，并且重量在100到8000千克(220到17600磅)的范圍內(nèi)。該船身包圍用于重量在50到500千克(110到11000磅)范圍內(nèi)的有效載荷的有效載荷艙室(payload compartment)202。包括龍骨(keel)和舵(未示出)的船身外延部可伸縮以便于存儲(chǔ)和操作。
UOV包括具有兩個(gè)伸縮翼帆203的混合推進(jìn)系統(tǒng)，這些翼帆203附接到船身201以便收集風(fēng)能來(lái)推進(jìn)該運(yùn)載工具。帆204的表面以及船身或者甲板205的上表面都包括覆蓋有光電池組件的部分。光電池組件將環(huán)境太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，以便提供給電池組206。電池組又電耦合到與推進(jìn)器208機(jī)械耦合的電機(jī)構(gòu)207?？刂颇K209與混合推進(jìn)系統(tǒng)的這些部件中的每一個(gè)耦合，并且還與舵210耦合，以便為運(yùn)載工具導(dǎo)航并且優(yōu)化對(duì)于可用太陽(yáng)能和風(fēng)能的使用，從而沿著希望航程推進(jìn)運(yùn)載工具?？刂颇K209包括具有全球定位系統(tǒng)接收機(jī)的制導(dǎo)系統(tǒng)，該全球定位系統(tǒng)接收機(jī)具有自動(dòng)定序、跟蹤和存儲(chǔ)能力。
有效載荷艙室容納支持環(huán)境監(jiān)控的電子系統(tǒng)211和數(shù)據(jù)記錄裝備，包括風(fēng)速表/風(fēng)向標(biāo)212、雷達(dá)213以及光和紅外波段傳感器214、安裝于船身的化學(xué)/生物傳感器215、固定聲敏元件216和可任意展開(kāi)聲敏元件217、以及深海測(cè)量傳感器218。還為GPS接收機(jī)和通信目的提供了適合的天線陣列219。
使用結(jié)合圖1所述類型的風(fēng)能和太陽(yáng)能電推進(jìn)系統(tǒng)100，可預(yù)期當(dāng)運(yùn)載工具在大約15海里每小時(shí)的風(fēng)中航行時(shí)，該運(yùn)載工具能夠達(dá)到大約4到8海里每小時(shí)的船體速度。在太陽(yáng)能供電的操作模式中，運(yùn)載工具能夠在最少24小時(shí)的時(shí)段中保持大約2到4海里每小時(shí)。估計(jì)有效載荷所需的功率一般為0.5到1.2千瓦，并且通過(guò)可選燃料電池組件220即可提供10到40千瓦的備用功率。
在圖4到圖6中，描述了本發(fā)明第二實(shí)施例的UOV 300，其適于需要可潛水或者潛水的運(yùn)載工具操作的秘密行動(dòng)、監(jiān)視以及額外任務(wù)。封閉船身301由碳纖維合成材料構(gòu)成并且具有水生動(dòng)物(在此為海豚或者小鯨魚)的通常外觀。因此船身具有1到10米(3到30英尺)的長(zhǎng)度、大約0.1到3米(0.5到9英尺)的寬度、以及50到500千克(110到1100磅)的重量。封閉船身301包括內(nèi)部有效載荷艙302以容納10到100千克(22到220磅)的有效載荷重量。
UOV包括混合推進(jìn)系統(tǒng)，該混合推進(jìn)系統(tǒng)包括電機(jī)303、燃料電池組件304、諸如電池組305的儲(chǔ)電電池組件以及用于收集太陽(yáng)能的光伏陣列306。光伏陣列306設(shè)置在附接到船身301的翼帆308的表面上。預(yù)期1平方米的翼帆在18海里每小時(shí)的信風(fēng)中的操作將提供大約50瓦特并以3到4海里每小時(shí)驅(qū)動(dòng)運(yùn)載工具。
使用太陽(yáng)能，預(yù)期光伏陣列306能夠每天產(chǎn)生1.2千瓦，這將提供給電機(jī)303以便驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器307，從而提供2到3海里每小時(shí)的運(yùn)載工具平均速度。電機(jī)303可能短時(shí)間地超過(guò)額定值，在短爆發(fā)時(shí)間內(nèi)提供20海里每小時(shí)以上的疾速。電池組305、燃料電池組件304和電容組(未示出)能夠根據(jù)需要提供輔助/備用功率。這種應(yīng)用包括緊急卸空壓載艙313以便使運(yùn)載工具在長(zhǎng)時(shí)間的潛水操作之后浮出水面。提供舵309和升降機(jī)310的組合用于輔助在制導(dǎo)系統(tǒng)的控制下對(duì)運(yùn)載工具進(jìn)行制導(dǎo)。
如圖中所示，UOV被布置為在相對(duì)于水線311半潛的位置中操作，翼帆308豎立在水線上方，以收集環(huán)境太陽(yáng)能并推進(jìn)運(yùn)載工具。UOV 300進(jìn)一步包括具有GPS接收機(jī)的制導(dǎo)系統(tǒng)315，該GPS接收機(jī)可遠(yuǎn)程進(jìn)行自動(dòng)定序和跟蹤存儲(chǔ)。將用于氣壓數(shù)據(jù)的傳感器、用于截獲無(wú)線電頻率發(fā)射的傳感器、以及其它傳感器集成到翼帆組件中，同時(shí)將聲納320和其它海洋學(xué)傳感器321集成到船身301或者龍骨312中。
轉(zhuǎn)到圖7和圖8，描繪了適于以更高速度傳送更大容量有效載荷的本發(fā)明第三實(shí)施例的UOV 400。該運(yùn)載工具具有船身組件，該船身組件包括中央船身401和具有各自的舷外浮桿(outrigger)403的兩個(gè)浮體402，該船身組件由合成材料構(gòu)成，具有8到20米(25到65英尺)的總體長(zhǎng)度、6到16米(20到50英尺)的橫梁以及400到8000千克(880到17600磅)的重量。一對(duì)其上設(shè)置有光電池組件405的翼帆404設(shè)置在中央船身401上以便既捕獲風(fēng)能又捕獲太陽(yáng)能。各翼帆404附接到船身上，使得它可在不需要風(fēng)推進(jìn)時(shí)，沿著船身組件傾斜或者橫向傾斜。翼帆的傾斜位置減少了運(yùn)載工具的受風(fēng)面積，同時(shí)可選地允許進(jìn)行太陽(yáng)能的收集。此外，光電池組件406安裝在舷外浮桿403之間，來(lái)增加可用于進(jìn)行收集的表面面積。
估計(jì)包括與第一實(shí)施例類似的裝備的有效載荷需要大約1到2千瓦的功率。提供結(jié)合圖1所述種類的風(fēng)能-太陽(yáng)能混合推進(jìn)系統(tǒng)。估計(jì)該推進(jìn)系統(tǒng)利用在15到25海里每小時(shí)的風(fēng)中豎起的翼帆，可提供10到15海里每小時(shí)的速度，并且估計(jì)太陽(yáng)能收集使得可以使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的推進(jìn)器406持續(xù)最少24小時(shí)地提供4海里每小時(shí)的平均速度。該系統(tǒng)能夠在更高風(fēng)速下提供高達(dá)25海里每小時(shí)的速度，并且用發(fā)動(dòng)機(jī)航行數(shù)小時(shí)。該運(yùn)載工具進(jìn)一步包括制導(dǎo)系統(tǒng)，該制導(dǎo)系統(tǒng)包括具有自動(dòng)定序和跟蹤存儲(chǔ)能力的GPS接收機(jī)。
圖9到圖11描繪了本發(fā)明的第四實(shí)施例的UOV 500。該運(yùn)載工具包括封閉船身501，該封閉船身501大約4米(12英尺)長(zhǎng)，并且在表面上的船尾502附近的最寬處為1米(3英尺)寬。該運(yùn)載工具包括單個(gè)翼帆503，該翼帆503附接到船身501上，使得其可豎起，或者沿著船身的503a(如圖12中的陰影所示)傾斜，或者沿船身的503b橫向傾斜(如圖12中所示)。翼帆的表面在至少一側(cè)上覆蓋有用于收集太陽(yáng)能的光電池組件504。翼帆503的橫向傾斜減少了運(yùn)載工具的受風(fēng)面積，同時(shí)使得既可從設(shè)置在翼帆上的電池組件504收集太陽(yáng)能，也能從設(shè)置在船身的(翼帆頭部和翼帆尾部的)上表面或者甲板部分上的光電池組件505收集太陽(yáng)能。
內(nèi)部電力驅(qū)動(dòng)的有效載荷艙506設(shè)置在船身501的前部，同時(shí)后艙室包括可展開(kāi)的傳統(tǒng)構(gòu)造的救生船。救生船通過(guò)按壓在船身的一側(cè)上標(biāo)識(shí)有紅十字的板507，或者通過(guò)其它遠(yuǎn)程裝置(未示出)而展開(kāi)。提供該運(yùn)載工具以用于在人落水或者飛行器迫降的情況下的搜索和營(yíng)救應(yīng)用。可以在甲板上設(shè)置扶桿來(lái)幫助水中的人。作為用于遠(yuǎn)程消防應(yīng)用或者危險(xiǎn)物質(zhì)溢出響應(yīng)的另選實(shí)施例，該運(yùn)載工具可以包括消防裝備。
當(dāng)以搜索模式操作時(shí)，設(shè)置在位于甲板前方的前甲板室中的光學(xué)、紅外以及其它傳感器508幫助找尋人。當(dāng)這些和其它環(huán)境傳感器514被這樣連接到導(dǎo)航控制系統(tǒng)時(shí)，該運(yùn)載工具如智能救生工具那樣操作，在“人員落水”的情況下，其能夠從較大船只調(diào)出，去尋找受害人并和其在一起。該智能機(jī)器人的性能可以與可能在受害者的救生工具上的活動(dòng)GPS定位系統(tǒng)相耦合，來(lái)引導(dǎo)UOV到受害者的發(fā)送裝置的GPS位置處。
運(yùn)載工具500包括控制模塊515，該控制模塊515提供用于執(zhí)行預(yù)編程任務(wù)的智能機(jī)器人。這使得UOV能夠避開(kāi)船只、執(zhí)行“人員落水”營(yíng)救任務(wù)、并使能量?jī)?yōu)化，例如，以環(huán)狀進(jìn)行航行以便通過(guò)順流到達(dá)一點(diǎn)、使用突發(fā)模式通信子系統(tǒng)來(lái)報(bào)告反常行為等。各種用于通信目的的天線陣列509可以集成到翼帆中或者安裝在船尾，如圖9所示。通信系統(tǒng)可以包括GPS(全球定位系統(tǒng))接收機(jī)，以及用于所有形式的模擬和數(shù)字通信的收發(fā)機(jī)，這些通信包括無(wú)線電、無(wú)線電話和/或蜂窩式移動(dòng)電話通信。
該運(yùn)載工具包括結(jié)合圖1所討論的通用類型的混合推進(jìn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括由電池組511供電并機(jī)械地驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器512的電機(jī)510?？紤]電機(jī)需要40瓦來(lái)驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器以達(dá)到3海里每小時(shí)的典型巡航航速。提供壓載艙516來(lái)增加穩(wěn)定性。應(yīng)該理解巡航速度受到可再生能量以及任何可用的儲(chǔ)存能量的限制。
本實(shí)施例的控制模塊進(jìn)一步包括電力管理系統(tǒng)來(lái)持續(xù)地為電子支撐控制、監(jiān)視和通信需求提供大約40到200瓦的功率。估計(jì)當(dāng)單獨(dú)用太陽(yáng)能操作時(shí)，該運(yùn)載工具將能夠操作54小時(shí)，并且行駛接近160海里的毗連巡航范圍。在有利的天氣條件下，陽(yáng)光和風(fēng)都是可用的，UOV在不定向巡航速度(loiter speed)下具有幾乎無(wú)限的能量供給。
圖13描繪了適于運(yùn)載工具的任何實(shí)施例的指揮、控制和通信系統(tǒng)600。該系統(tǒng)包括處理單元或者CPU 601，該處理單元或者CPU 601連接到具有執(zhí)行控制程序603的只讀存儲(chǔ)器ROM 602，并且連接到具有數(shù)據(jù)記錄區(qū)域605的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM 604。基于計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)600控制該運(yùn)載工具的各方面，包括通過(guò)導(dǎo)航控制系統(tǒng)606進(jìn)行掌舵和導(dǎo)航；通過(guò)電力管理系統(tǒng)608進(jìn)行電力消耗和分布管理；通過(guò)推進(jìn)控制系統(tǒng)609對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)607進(jìn)行管理；通過(guò)運(yùn)載工具控制系統(tǒng)601進(jìn)行航程規(guī)劃和執(zhí)行；以及通過(guò)有效載荷/傳感器控制系統(tǒng)612對(duì)各種變化的有效載荷及傳感器611(如上所述)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)收集。通信控制系統(tǒng)613具有針對(duì)各種通信收發(fā)機(jī)615(如上所述)的通信接口614。
設(shè)置用戶接口617用于根據(jù)需要維護(hù)和/或更新控制模塊。設(shè)置執(zhí)行控制程序603，以協(xié)調(diào)輔助系統(tǒng)的活動(dòng)以便遵照任務(wù)計(jì)劃、保持對(duì)情況的獲悉、執(zhí)行避免碰撞的操縱、在惡劣天氣、事故或者人員干擾的情況下防護(hù)運(yùn)載工具、傳輸傳感器收集的數(shù)據(jù)和信息，以及與運(yùn)載工具之間針對(duì)運(yùn)載工具狀態(tài)報(bào)告和遠(yuǎn)程控制或者再分配進(jìn)行通信。
考慮到以使用可再生能量為特征(即，非地球、非礦物燃料提供動(dòng)力)的混合推進(jìn)系統(tǒng)的操作，該系統(tǒng)可以以幾種不同的模式操作，其中包括
1、僅使用風(fēng)能(直航)
2、使用風(fēng)能和電再生(“再生航行”)，即，風(fēng)推進(jìn)的運(yùn)載工具運(yùn)動(dòng)，其提供了流體動(dòng)力能量來(lái)旋轉(zhuǎn)推進(jìn)器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)生成電力。
3、使用波浪能(當(dāng)在預(yù)定位置不定向巡航時(shí))；以及
4、單獨(dú)使用或者與上述1到3相結(jié)合使用太陽(yáng)能。其它提出的可再生能源包括利用溫差、洋流、鹽度(使用海水作為電池或者燃料電池組件的一部分)、磁力、離子、從衛(wèi)星上的反射鏡進(jìn)行激光再充電、以及允許運(yùn)載工具可在無(wú)地球動(dòng)力源的情況下基本無(wú)限期地停留在海上的其它可再生能源。UOV的網(wǎng)絡(luò)可以布置成各種覆蓋模式，包括偵察、集群、蜂巢(hive)、魚群(school)、直線、柵格、隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)、周長(zhǎng)、Chi模式等。
工業(yè)應(yīng)用
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例構(gòu)造的，利用現(xiàn)有傳感器和儀器的UOV能夠完成目前通過(guò)(相對(duì)少)人員操作的船只進(jìn)行的工作，但卻相當(dāng)大地減少了成本。該UOV補(bǔ)充了已經(jīng)在衛(wèi)星和航空成像和感測(cè)中實(shí)現(xiàn)的發(fā)展。該UOV還提供一種移動(dòng)且自供動(dòng)力的平臺(tái)，該平臺(tái)將提供戰(zhàn)爭(zhēng)、勘測(cè)、科研和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控所需的停留時(shí)間。該UOV將能夠使用諸如太陽(yáng)能和風(fēng)能的可再生能量，出航長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的延長(zhǎng)時(shí)段而無(wú)需加油或維護(hù)。
可將本發(fā)明的UOV構(gòu)造成用于下列功能
·長(zhǎng)期巡邏；
·地球同步浮標(biāo)功能；
·目標(biāo)攔截；
·秘密/隱秘操作；
·情報(bào)收集；
·水和空氣的污染、走私非法行為的檢測(cè)；
·電磁波傳輸?shù)慕孬@；
·探測(cè)；
·監(jiān)視；
·水雷戰(zhàn)(使水雷失效或者對(duì)水雷的部署)
·對(duì)躲避攻擊而泊入海灣的船只的保護(hù)；
·海上營(yíng)救和救援；
·水下救援；以及
·水下監(jiān)視。
應(yīng)該理解，已經(jīng)提供的上述實(shí)施例僅是本發(fā)明的示例，并且對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見(jiàn)的其進(jìn)一步的修改和改進(jìn)應(yīng)被視為落入隨后的權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的廣泛范圍和領(lǐng)域內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種無(wú)人值守海洋運(yùn)載工具，用于在水體表面之上或者之下進(jìn)行操作，所述運(yùn)載工具包括
·具有有效載荷艙的封閉船身；
·具有能力收集裝置和能量存儲(chǔ)裝置的混合推進(jìn)系統(tǒng)，其適于至少利用太陽(yáng)能和風(fēng)能；
·用于檢測(cè)預(yù)定環(huán)境參數(shù)的多個(gè)傳感器；以及
·通信系統(tǒng)，用于將來(lái)自所述傳感器的關(guān)于選定環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)發(fā)送到一個(gè)或更多個(gè)遠(yuǎn)程站和/或協(xié)同操作的海洋運(yùn)載工具，并用于從所述一個(gè)或更多個(gè)遠(yuǎn)程站和/或協(xié)同操作的海洋運(yùn)載工具接收命令信號(hào)。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)人值守海洋運(yùn)載工具，其中，所述船身的外部結(jié)構(gòu)具有水生動(dòng)物的通常外觀。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)人值守海洋運(yùn)載工具，其中，所述封閉船身適于促進(jìn)所述運(yùn)載工具選擇性地在水面之上或者之下操作。
4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的無(wú)人值守海洋運(yùn)載工具，其中，船體包括用于使所述運(yùn)載工具選擇性下沉和上浮的壓載艙。
5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)人值守海洋運(yùn)載工具，其中，所述混合推進(jìn)系統(tǒng)包括翼帆，所述翼帆具有用于利用風(fēng)能推進(jìn)所述運(yùn)載工具的翼型結(jié)構(gòu)，并具有設(shè)置在所述翼帆的表面上的太陽(yáng)能收集器。
6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的無(wú)人值守海洋運(yùn)載工具，其中，所述翼帆可以沿著所述運(yùn)載工具的船身下降到一傾斜位置，以便減少阻力同時(shí)繼續(xù)收集太陽(yáng)能。
7、根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)人值守海洋運(yùn)載工具，其中，所述能量存儲(chǔ)裝置包括與太陽(yáng)能收集器耦合的諸如電池或者電容器的儲(chǔ)電電池組件。
8、根據(jù)權(quán)利要求7所述的無(wú)人值守海洋運(yùn)載工具，其中，所述混合推進(jìn)系統(tǒng)包括與流體驅(qū)動(dòng)元件機(jī)械耦合的電機(jī)構(gòu)，其中，在電機(jī)模式下，可以由所述儲(chǔ)電電池組件對(duì)電機(jī)構(gòu)供電以驅(qū)動(dòng)所述流體驅(qū)動(dòng)元件，或者另選地，在發(fā)電機(jī)模式下，可以由所述驅(qū)動(dòng)元件通過(guò)波浪作用、水流或者在再生航行過(guò)程中驅(qū)動(dòng)所述電機(jī)構(gòu)來(lái)對(duì)所述儲(chǔ)電電池組件進(jìn)行充電。
9、根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的無(wú)人值守海洋運(yùn)載工具，其中，所述電容器或者諸如流體蓄電池的其它快速能量釋放設(shè)備為所述運(yùn)載工具提供短程疾速能力。
10、根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)人值守海洋運(yùn)載工具，其中，所述有效載荷艙是內(nèi)部動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的，以便承載對(duì)用于海洋學(xué)或者軍事應(yīng)用的環(huán)境傳感器進(jìn)行支撐的電子裝備、用于搜索和營(yíng)救的救生或者消防裝備、和/或涉及期望的運(yùn)載工具操作的武器。
11、根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)人值守海洋運(yùn)載工具，其中，所述環(huán)境傳感器可以包括從具有下列裝置的組中選出的傳感器
風(fēng)速表，
風(fēng)向標(biāo)，
雷達(dá)，
無(wú)線電頻率截獲器，
光波段傳感器，
紅外波段傳感器，
化學(xué)/生物傳感器，
洋流傳感器，
聲敏元件，以及
深海測(cè)量傳感器。
12、根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)人值守海洋運(yùn)載工具，其中，所述通信系統(tǒng)可以包括全球定位系統(tǒng)發(fā)送機(jī)和/或接收機(jī)、LFB/SWB/海用頻段接收機(jī)、寬頻段接收機(jī)和衛(wèi)星接收機(jī)，以及適合的天線陣列。
13、根據(jù)權(quán)利要求12所述的無(wú)人值守海洋運(yùn)載工具，其中，所述天線陣列包括可展開(kāi)天線陣列，該可展開(kāi)天線陣列適于當(dāng)接收從極低頻段到超高頻段的范圍中的信號(hào)時(shí)進(jìn)行拖拉操作，并且其能夠在這些頻段中進(jìn)行發(fā)送和接收。
14、根據(jù)權(quán)利要求2所述的無(wú)人值守海洋運(yùn)載工具，其中，所述運(yùn)載工具能夠利用所存儲(chǔ)的能量，延長(zhǎng)時(shí)段地潛入水面以下，來(lái)避開(kāi)船只、風(fēng)暴或者進(jìn)行秘密行動(dòng)。
15、根據(jù)權(quán)利要求2所述的無(wú)人值守海洋運(yùn)載工具，其中，所述混合推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)一步包括用于諸如排空壓載艙的緊急應(yīng)用的燃料電池組件，以在延長(zhǎng)時(shí)段的潛水操作之后浮出水面。
16、根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)人值守海洋運(yùn)載工具，其中，所述混合能量推進(jìn)系統(tǒng)除了利用風(fēng)能和太陽(yáng)能之外，還可利用包括以下的只要可再生的能源
波浪能；
溫差；以及
海水激活型電池或者燃料電池組件。
全文摘要
一種海用的無(wú)人值守、自控、水運(yùn)運(yùn)載工具(500)，在一方面能夠在水體表面之上和之下操作，所述運(yùn)載工具包括具有有效載荷艙(506)的封閉船身(501)；混合推進(jìn)系統(tǒng)(100)，具有合適地采用覆蓋有光電池組件的翼帆(503)形式的能量收集裝置(504，505)和適于至少利用太陽(yáng)能和風(fēng)能的能量存儲(chǔ)裝置(511)；用于檢測(cè)預(yù)定環(huán)境參數(shù)的多個(gè)傳感器(508，514)；以及通信系統(tǒng)(509，515)，用于將來(lái)自所述傳感器的關(guān)于選定環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)發(fā)送到一個(gè)或更多個(gè)遠(yuǎn)程站和/或協(xié)同操作的運(yùn)載工具，并且用于從所述一個(gè)或更多個(gè)遠(yuǎn)程站和/或協(xié)同操作的運(yùn)載工具接收命令信號(hào)。
文檔編號(hào)B63G8/00GK1829629SQ20048002188
公開(kāi)日2006年9月6日 申請(qǐng)日期2004年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月31日
發(fā)明者羅伯特·A·達(dá)內(nèi), 愛(ài)德華·佩恩·基爾伯恩 申請(qǐng)人:日光水手有限公司