用于海洋地理監(jiān)測的自主帆船的制作方法
【專利說明】用于海洋地理監(jiān)測的自主帆船
[0001]本申請要求2012年3月27日提交的美國臨時專利申請61/616，044的權(quán)益。
[0002]本發(fā)明的【背景技術(shù)】及

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明涉及自主航海帆船領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種低成本、高效并且堅固耐用的帆船，這種帆船包括用于監(jiān)測和報告環(huán)境及其他狀況的監(jiān)測和通信設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0004]全世界的海洋大多在監(jiān)測起來非常困難并且代價昂貴的區(qū)域中，一部分的原因是由于被海洋包圍的區(qū)域的大小以及到達遙遠區(qū)域所要求的時間和資源。據(jù)估計每天要花費約1到10萬美元來在遙遠區(qū)域(諸如南太平洋)中提供有人駕駛的監(jiān)測船。因此，實際進行了非常少的海洋地理監(jiān)測。類似地，航空勘察也是非常昂貴的，并且在每次飛行期間能夠進行監(jiān)測的范圍和區(qū)域方面非常受限。有人駕駛的艦船或飛行器也受制于惡劣天氣條件，這會限制可能進行監(jiān)測的次數(shù)或者可能將監(jiān)測人員置于風險增加的境地。衛(wèi)星成像提供了與海洋表面及之上的狀況有關(guān)的一些信息，但在海洋表面之下的情況中基本上是受限的。
[0005]存在對于提供更詳細的海洋地理監(jiān)測的增長的需求。例如，關(guān)注于對海洋生物有害的碳氫化合物及其他物質(zhì)的增長的水平。在沿海地區(qū)，特別關(guān)注于從肥沃的土地流失的氮。對特定棲息地中的魚類的監(jiān)測可以提供對增加的死亡率或降低的出生率的早期警告。類似地，如果發(fā)生環(huán)境災害(諸如海灣石油泄漏)，對災難的影響程度的準確監(jiān)測能夠有助于救援和修復行動。
[0006]除了環(huán)境問題之外，在世界某些地區(qū)中海盜活動的增加以及經(jīng)由海運的毒品走私的增加也是令人關(guān)注的。人工監(jiān)視在范圍和區(qū)域方面是受限的，并且在一些情況下，對于監(jiān)視人員而言是危險的。
[0007]除了處理特定問題之外，對海洋地理狀況的監(jiān)測還可以增強我們預報風暴和海嘯的能力，并且還可以通過向船只警告特別危險的狀況來加強海事安全。在一些情況下，在一個區(qū)域中海上遠程監(jiān)測器的可用性可以加強在該區(qū)域中的搜索和營救行動。
[0008]提供用于增強海洋地理監(jiān)測的可負擔的裝置將會是有益的。還將有益的是能夠在所監(jiān)測的地點不需要人員的情況下提供這種增強的海洋地理監(jiān)測。還將有益的是在危險的狀況下提供具有高存活可能性的可靠并且魯棒的監(jiān)測能力。
[0009]這些及其他益處可以由一種自主帆船船隊來實現(xiàn)，這種自主帆船裝備有用于報告環(huán)境及其他狀況的監(jiān)測和通信設(shè)備。為了最佳的穩(wěn)定性和速度，該自主航行帆船是具有自動扶正能力的多體船(雙體船)。每個帆船通過一個或多個衛(wèi)星鏈路來發(fā)送和接收信息，使用太陽能來為通信設(shè)備以及監(jiān)測設(shè)備供電。每個帆船包括:自動調(diào)帆系統(tǒng)，其用于保持與風向的期望的攻角(“迎角”)；以及電動推進器，其在有足夠的電力可用時根據(jù)需要來使用。使用模塊化設(shè)計來支持特定于任務(wù)的有效負載。
[0010]在一個示例性實施例中，所述帆船包括:彼此平行布置的并且通過桁架裝置連接在一起的多個船體；翼帆結(jié)構(gòu)，其可圍繞與所述多個船體的平面垂直的第一旋轉(zhuǎn)軸以及與所述船體平行的第二旋轉(zhuǎn)軸進行旋轉(zhuǎn)；以及自動扶正系統(tǒng)，其配置為當檢測到所述帆船的傾覆時使翼帆結(jié)構(gòu)圍繞第二旋轉(zhuǎn)軸進行旋轉(zhuǎn)。
[0011]對傾覆的帆船的扶正可以通過以下操作來進行:使浮力桅桿結(jié)構(gòu)圍繞與水體表面平行的軸進行旋轉(zhuǎn)，使得傾覆的帆船的浮力中心移至該傾覆的帆船的重心之外。
[0012]在另一個示例性實施例中，所述帆船包括:彼此平行布置的并且通過桁架裝置連接在一起的多個船體；翼帆結(jié)構(gòu)，其可圍繞與所述多個船體的平面垂直的第一旋轉(zhuǎn)軸進行旋轉(zhuǎn)；以及自動調(diào)校系統(tǒng)，其控制翼帆結(jié)構(gòu)圍繞所述第一旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)。所述翼帆結(jié)構(gòu)包括:翼帆，其提供升力來推動所述帆船前進；風向標，其以所述翼帆結(jié)構(gòu)為樞軸轉(zhuǎn)動以便始終與當前風向?qū)剩灰约斑B接桿，其控制翼帆結(jié)構(gòu)的方位和風向標的方位之間的差。所述自動調(diào)校系統(tǒng)包括:凸輪，其附接到所述桁架裝置并且連接到所述連接桿以基于桁架結(jié)構(gòu)的方位來控制所述翼帆結(jié)構(gòu)的方位和所述風向標的方位之間的所述差。
[0013]所述自調(diào)?？梢酝ㄟ^以下操作來進行:將所述翼帆結(jié)構(gòu)和所述風向標結(jié)構(gòu)通過凸輪連接起來，該凸輪基于所述風向標結(jié)構(gòu)指示的風向來控制翼帆的攻角。
【附圖說明】
[0014]下面參照附圖通過舉例的方式來進一步詳細地解釋本發(fā)明，其中:
[0015]圖1示出了通過衛(wèi)星和因特網(wǎng)連接與用戶通信的自主航行船隊的示例性概念簡圖。
[0016]圖2A-2B示出了依據(jù)本發(fā)明的方面的示例性自主帆船。
[0017]圖3A-3I示出了具有自扶正能力的示例性自主帆船。
[0018]圖4A-4E示出了具有自調(diào)校能力的示例性自主帆船。
[0019]圖5示出了示例性自主帆船的通信和控制系統(tǒng)的示例性框圖。
[0020]在所有附圖中，相同的附圖標記指示類似或相應(yīng)的特征或功能。所包括的附圖是為了解釋說明的目的，而非旨在限制本發(fā)明的范圍。
【具體實施方式】
[0021]在下面的說明書中，出于解釋而非限制的目的，給出了諸如特定架構(gòu)、接口、技術(shù)等具體細節(jié)，以便提供對本發(fā)明的概念的徹底理解。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)意識到的是，本發(fā)明可以在脫離這些具體細節(jié)的其它實施方式中實踐。類似地，該說明書的文字是針對于附圖中示出的示例性實施例的，但并非旨在限制所要求保護的發(fā)明超出權(quán)利要求中明確包括的限制。出于簡要和清楚的目的，忽略了對公知的設(shè)備、電路以及方法的詳細描述，以便不使本發(fā)明的描述與不必要的細節(jié)相混淆。
[0022]圖1示出了通過衛(wèi)星和因特網(wǎng)連接與用戶通信的自主帆船船隊的示例性概念簡圖。在一個典型的實施例中，船隊的提供商將基于特定的客戶針對特定于任務(wù)的監(jiān)測任務(wù)的需求來配置艦船。該船隊的移動由船隊的提供商基于來自客戶的指示來控制，并且對特定于任務(wù)的信息的收集可以至少部分地由客戶來控制。
[0023]艦船110的船隊被部署在待監(jiān)測的區(qū)域，并且與監(jiān)測和控制站150進行通信以便接收控制信息和發(fā)送監(jiān)測和其它信息。典型地，艦船彼此間的通信將通過衛(wèi)星通信系統(tǒng)120-130，雖然也可以使用其它形式的通信。例如，在靠近海岸的任務(wù)中，可以使用岸上蜂窩塔170，通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)來提供通信。
[0024]可選地，可以針對不同的應(yīng)用使用不同的通信系統(tǒng)。例如，可以通過一個系統(tǒng)來傳送導航信息，并且可以通過另一個系統(tǒng)來傳送監(jiān)測信息。
[0025]監(jiān)測和控制系統(tǒng)150通過例如因特網(wǎng)140來將控制信息傳送到船隊并且從艦船接收反饋信息。其它監(jiān)測系統(tǒng)160可以從艦船接收監(jiān)測到的信息，并且可以可選地配置成控制特定的監(jiān)測設(shè)備。
[0026]依據(jù)所使用的通信系統(tǒng)，這些消息將提供目的地信息。例如，如果使用因特網(wǎng)140，則這些消息將傳送目的地URL地址或地址集合，用以將消息遞送給衛(wèi)星通信系統(tǒng)120-130和因特網(wǎng)140之間的因特網(wǎng)接口 135。如果使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)。這些消息可以是定址(addressed)到一個或多個目的地的文本消息。
[0027]在命令通信系統(tǒng)的示例性實施例中，每個艦船可以具有一個各自的通信地址，并且該船隊可以具有一個船隊通信地址，從而允許將船隊作為一個整體來進行控制以及控制船隊中的單個艦船。該控制通常將以導航命令和監(jiān)測命令的形式。這些命令的結(jié)構(gòu)將取決于艦船110中提供的能力。例如，如果艦船110包括導航軟件，則控制站150可以僅需要傳送目標位置(例如，瑋度、經(jīng)度)，并且艦船110可以確定行駛方向以及以該方向行進的艦船命令(例如，方向舵控制)。在其它實施例中，控制站150可以傳送行駛方向，并且艦船110確定艦船命令；或者，控制站150可以向每個艦船110傳送艦船命令。命令結(jié)構(gòu)可以范圍從基本的艦船命令到最高支持的導航命令，從而允許控制站150處的操作員對船隊以及船隊中的單個艦船行使取決于情況的控制。
[0028]每個艦船優(yōu)選地包括用于提供位置和跟蹤信息的導航監(jiān)測器，諸如提供艦船的當前位置以及行駛的速度和方向的GPS系統(tǒng)。這些信息通常將被傳送給控制站150，以及由艦船內(nèi)的控制系統(tǒng)使用以促進艦船控制。例如，可以使用跟蹤信息來控制艦船的路徑，以基于當前風況來實現(xiàn)朝著目標區(qū)域的最佳“沿計劃航線上的航速”(VMG)，包括在不同的“搶風航行路線(tack)”上(相對于風的方向)行駛以實現(xiàn)在目標方向上的整體最佳速度(“搶風航行(tacking) ”到目標)。
[0029]每個艦船還包括各種監(jiān)測設(shè)備；在一些應(yīng)用中，不同的艦船可以裝備不同的監(jiān)測設(shè)備。艦船的監(jiān)測設(shè)備通常包括例如前述的GPS(全球定位系統(tǒng))、慣性測量單元(MU)、溫度傳感器以及風向和速度傳感器，并且可以包括攝像機和船體速度傳感器。
[0030]特定于任務(wù)的監(jiān)測設(shè)備可以包括視頻和紅外攝像機、掃描儀、聲學傳感器和水聽器、電導傳感器、氧氣及其他氣體傳感器、氣壓計、光流控水質(zhì)傳感器、碳氫化合物檢測器、蓋革(Geiger)計數(shù)器、鹽度及pH傳感器、壓力傳感器等。監(jiān)測到的信息可以連續(xù)地、周期性地、在需要時、或者當被觸發(fā)時傳送給監(jiān)測系統(tǒng)150、160。所述觸發(fā)可以基于所監(jiān)測到的值的改變、位置的改變等。如所提到的，可以將特定于任務(wù)的監(jiān)測到的信息提供給一個或多個監(jiān)測系統(tǒng)160，并且這些系統(tǒng)可以控制監(jiān)測設(shè)備中的一些或全部。
[0031]值得注意的是，船隊被部署為一個船隊，一個區(qū)域內(nèi)的測量可以從該區(qū)域內(nèi)的不同位置處的艦船獲得。這種多測量可以允許通過公共位置確定技術(shù)來確定檢測到的物體的位置，諸如基于確定的范圍、從不同的艦船檢測到的物體的方向或方位進行三角測量。
[0032]還值得注意的是，雖然通?？梢允褂脤o定目標區(qū)域內(nèi)的艦船的相對自由的定位，