CN114408126A - 一种带有柔性t型翼的三体救援无人艇及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带有柔性T型翼的三体救援无人艇，包括三体艇体、柔性T型翼减摇装置、综合集成救援***与操控***。三体艇体由小水线面主艇体和常规细长型侧体组成，该主艇体首部与尾部的上方外布置有柔性T型翼减摇装置；三体艇体上方甲板布置有综合集成救援***，可对落水人员进行远程综合化救援；操控***包括喷水推进器、能源舱和控制器，其分别布置在主艇体的尾端以及三体艇体上方尾部甲板舱内，各装置均与控制器相连实现远程控制。并提供了其设计方法。本发明不仅改善了三体艇的阻力性能，而且在增加纵摇减摇效果的同时提供了附加推力，提高了其快速性和适航性，同时利用三体无人艇这一载体，可高效、安全的完成海上救援作业。

Description

一种带有柔性T型翼的三体救援无人艇及其设计方法
技术领域
本发明涉及一种艇舶，尤其是涉及一种带有柔性T型翼的三体救援无人艇及其设计方法。
背景技术
目前随着人类对海洋资源的逐步开发，海上运输事业蒸蒸日上，伴随而来的便是海上事故不断出现，各种复杂危险的海难现场给救援人员的生命安全带来了巨大的挑战。救援无人艇的出现为此提供了很好的解决方案，其中三体无人艇以其较大的甲板面积、优良的稳性以及操纵性成为救援艇型的最佳选择。然而，三体无人艇由于在纵摇方面有明显的缺陷和不足，其舒适度和适航性难以达到高要求，甚至将导致被救援人员的二次伤害，因此，降低三体无人艇在中高速航行的纵摇是十分重要的。
为了有效降低纵摇，T型翼作为一种艇舶附体被研发出来，其能根据艇舶航行状态，通过调整襟翼的攻角，进而有效降低纵摇，目前已经得到广泛的应用。然而T型翼作为一种艇舶附体，在艇舶航行中，尤其是在艇舶低速航行时会带来一定的附加阻力，影响艇舶的快速性，浪费艇舶的能源。
另外，目前现有的救援无人艇都是小型化的，而且救援功能较为单一，大部分都是只能给落水人员递送救生设备，或者能将单个的落水人员拖回艇上或岸边，这种救援的效率较低。
发明内容
发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种带有柔性T型翼的三体救援无人艇，减小阻力，实现快速性，提高无人艇综合化救援能力。并提供了其设计方法。
技术方案：一种带有柔性T型翼的三体救援无人艇，包括三体艇体、柔性T型翼减摇装置、综合集成救援***、操控***，三体艇体的首部和尾部的外侧上分别安装有柔性T型翼减摇装置，综合集成救援***安装于三体艇体的顶部，操控***包括喷水推进器、能源舱、控制器，喷水推进器安装于三体艇体的尾部，能源舱、控制器集成安装于三体艇体的顶部，柔性T型翼减摇装置、综合集成救援***、喷水推进器、能源舱分别与控制器信号连接。
进一步的，三体艇体包括小水线面主艇体、常规细长型侧体和连接甲板，小水线面主艇体包括潜体和支柱，支柱在潜体上沿其横向间隔安装有两个，连接甲板安装于两个支柱的顶面上，连接甲板的纵向相对两侧分别安装有常规细长型侧体，两个支柱的相背一侧方分别设有柔性T型翼减摇装置，柔性T型翼减摇装置安装于潜体上部，喷水推进器安装于潜体尾部，综合集成救援***、能源舱、控制器分别安装于连接甲板上。
最佳的，三体艇体的总长为20～30m，长宽比为3.5～5，支柱呈细长对称翼型，支柱长度为三体艇体总长的1/7～1/6倍，宽度为支柱长度的1/9～1/7倍，高度为支柱长度的1.5～2.5倍，第一个支柱位于三体艇体艏段向后1/4～1/6艇长的位置，第二个支柱位于三体艇体艏段向后3/4—5/6艇长的位置，常规细长型侧体为圆舭型细长艇体，其长宽比为11～13，连接甲板分为首甲板和尾甲板。
进一步的，柔性T型翼减摇装置包括垂直翼、水平翼、可调节角度的柔性襟翼、双出轴步进电机，可调节角度的柔性襟翼通过双出轴步进电机安装于水平翼的尾部，三者构成的整体与垂直翼的上部连接，垂直翼的下部与三体艇体连接，双出轴步进电机与控制器信号连接。
最佳的，垂直翼为NACA0012翼型，弦长为水平翼弦长的0.8～1倍，高度为三体艇体艇长的8～12％，水平翼为NACA0012翼型，翼展为三体艇体艇宽的90～100％，弦长为翼展的1/2～2/3，可调节角度的柔性襟翼中的柔性翼面占其总面积的1/4～1/3。
进一步的，综合集成救援***包括远程自动捕捞装置、远程自动投放装置、远程对讲机、电暖吹风机、摄像头、小型无人机，远程自动捕捞装置设有两个，在三体艇体后部的相对两侧对称设置，远程自动投放装置在三体艇体中部的相对两侧分别设有一个，远程对讲机安装于三体艇体前部的顶面上，电暖吹风机通过螺栓安装于远程自动捕捞装置上，三体艇体上部的前端以及尾端的四周分别安装有摄像头，小型无人机停泊在三体艇体上表面的中部，远程自动捕捞装置、远程自动投放装置、摄像头、小型无人机分别与控制器信号连接。
最佳的，远程自动捕捞装置包括步进电机、螺杆步进电机、捞网框架、救生网垫，步进电机安装在三体艇体上，其电机轴与螺杆步进电机的底座连接，捞网框架与螺杆步进电机的螺杆连接，捞网框架由救生捕捞网和金属框架组成，救生网垫为弹性的网垫，安装在三体艇体的上表面，步进电机、螺杆步进电机分别与控制器信号连接。
最佳的，远程自动投放装置包括舵机、多锁道机械结构，舵机安装在在三体艇体上，多锁道机械结构通过螺栓与舵机连接，救生圈或救生筏通过绳索与多锁道机械结构连接。
一种上述的带有柔性T型翼的三体救援无人艇的设计方法，包括以下步骤：
步骤一：设计变量：
设无人艇的小水线面主艇体首段长度Lh，中段长度Lm，尾段长度La，支柱高度H，常规细长型侧体长度L1，宽度B1，三体艇体方形系数Cb，吃水T，型深D，设计航速Vs，螺旋桨直径Dp，螺旋桨盘面比Aeo，设计航速下的螺旋桨转速N，浮心纵向位置Lcb，重心纵向位置Xg，盘面比Aeo，螺距比PDP，水平翼弦长L2，水平翼翼展L3，垂直翼弦长L4，垂直翼翼展L5，柔性襟翼弦长L6，柔性翼面面积A1；
步骤二：建立目标函数：
考虑无人艇采用了柔性T水翼，将柔性翼面产生的附加推力考虑到整个推力中，选用海军系数作为快速性目标函数，并设置目标函数值越大越好，因此：
Figure BDA0003466460970000031
式中：Δ——排水量；VS——设计航速；Rt——总阻力；
对于无人艇的操纵性，回转性指数K和稳定性衡准数C常作为检验三体艇操纵性优良的指标，将无因次化的K'和C'采用幂指数乘积的形式组合，则操纵性目标函数h(x2)：
Figure BDA0003466460970000032
式中：0＜gi＜1，g1*g2＝1；
对于救援方面，主要考虑有远程自动捕捞装置的步进电机的功能性θ1、螺杆步进电机的功能性θ2、捞网框架的结构强度φ1与救生网垫的结构强度φ2，远程自动投放装置舵机的功能性θ3和多锁道机械结构的结构强度φ3，远程对讲机的功能性θ4、电暖吹风机的功能性θ5、摄像头的功能性θ6以及小型无人机的功能性θ7，这些功能性与强度指标都是越大越好，构建f3(x)作为功能性目标函数，并且其值越大为性能最优，其表达式为：
Figure BDA0003466460970000041
式中：0＜εi＜1，ε1*ε2*ε3*ε4*ε5*ε6*ε7*ε8*ε9*ε10＝1；
在无人艇横摇运动中，横摇惯性半径作为判断无人艇横摇优劣的关键参数之一,将其作为无人艇横摇性能的判断标准十分合适，根据贝尔斯统计大量船舶耐波性提出的船舶耐波性指数R,其不仅可以用来判断船舶耐波性的优劣，而且还可以作为选择较佳耐波性船型的标准，因此本文使用贝尔斯船舶耐波性指数R作为三体无人艇的耐波性目标函数：
h4(x)＝R＝8.422+45.104Cwf+10.078Cws-378.465(T/L)+1.273(C/L)-23.501CVPf-15.875CVPs
式中：Cwf为舯前水线面系数；Cws为舯后水线面系数；C/L指代表截止比；CVPf表
三体艇舯前棱形系数；CVPs代表三体艇舯后棱形系数；
综合以上三个方面构建总目标函数H(x)，表达式如下：
Figure BDA0003466460970000042
式中：
Figure BDA0003466460970000043
上述方法的约束条件包括：
各设计变量合理的上下限；
螺旋桨要满足空泡要求；
按照《艇舶入级规范》，舵的总面积要求；
按照艇舶的稳性规范，正浮初稳性高要大于0.3米；
计算得出的排水量与设计排水量相等；
螺旋桨的有效推力与艇体总阻力相等；
主机供给螺旋桨的转矩与螺旋桨承受的水动力转矩相等；
转矩平衡约束；主机供给螺旋桨的转矩与螺旋桨承受的水动力转矩相等。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：
1.本发明在艇型方面采用双支柱小水线面的主艇体和常规细长型的侧体组合而成的三体艇，使得该艇航行的兴波阻力和汹涛阻力大幅下降，推进效率大幅提升，艇的快速性能得到明显改善。
2.本发明针对普通T型翼在艇航行中，尤其是低速航行时增加三体艇阻力的缺点，采用了柔性T型翼减摇装置，其可以在波浪摇摆中产生类似鱼类游动时的反卡门涡街，提供附加推力，进一步减少了能源消耗，提高了续航能力。
3.本发明的艇型参数确定是基于兼顾多性能和主要功能***综合最优的设计并制造，因此，该类艇型与现有类似无人艇比较不但具有最优的综合性能，还有最优的***功能，即：具有最优的适航性和工作效费比。
4.本发明针对救援无人艇救援功能单一、救援效率低的缺点，发明了具有远程自动捕捞装置、远程自动投放装置、远程对讲机、电暖吹风机、摄像头以及小型无人机的综合救援***的无人艇，其可以在具有复杂危险情况时的大型海难事故现场通过远程自动捕捞装置捕捞、远程投递救援设备、远程对话救援指挥等方式对现场进行快速救援，具有救援效率高、成本低等优点。
5.本发明设计的远程自动捕捞装置，结构简单，可以通过远程控制将落水人员捕捞到艇上救生网垫中，在艇体航行过程中远程自动捕捞装置安置于艇上对行驶阻力也无影响，提高救援效率，而且节省了人工费用，保护了救援人员的安全。
6.本发明设计的远程自动投放装置，结构简单，可以通过远程控制舵机将携带的救生圈、救生筏等救援设备投放给落水人员，救援成本低，救援效率高。
附图说明
图1为本发明的俯视结构示意图；
图2为三体艇体的正视图；
图3为三体艇体的侧视图；
图4为柔性T型翼减摇装置的结构示意图；
图5为远程自动投放装置的结构示意图；
图6为远程自动捕捞装置的侧视图；
图7为远程自动捕捞装置的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
一种带有柔性T型翼的三体救援无人艇，如图1～7所示，包括三体艇体1、柔性T型翼减摇装置2、综合集成救援***3、操控***4。
操控***4包括喷水推进器4-1、能源舱4-2、控制器4-3，柔性T型翼减摇装置2、综合集成救援***3、喷水推进器4-1、能源舱4-2分别与控制器4-3信号连接。整个无人艇的通讯以及控制通过艇上的基站和陆上控制站提供，艇上各部分的运作均通过指令传输给控制器4-3进行反应作用，控制器4-3为STM32控制器。
三体艇体1包括小水线面主艇体1-1、常规细长型侧体1-2和连接甲板1-3，其总长为20～25m，长宽比为3.5～5.5，设计航速为8～30km，排水量为100～150t。小水线面主艇体1-1包括潜体和支柱，支柱在潜体上沿其横向间隔安装有两个，潜体为回转体，其首部呈半椭球型或近似半椭球型，中部的横剖面为圆形、或椭圆形、或近似椭圆形、或上半部分半个近似椭圆形和下半部分半个近似圆形，尾部为向尾收缩的回转锥体，潜体的长宽比为8～12，支柱为细长对称翼型的NACA系列翼，具体尺寸大小可根据结构强度的需求来选定，支柱高度为潜体高度的3～5倍，并采用双支柱的结构形式，与常规的单支柱小水线面艇相比能有效降低兴波阻力的影响，减少阻力。
连接甲板1-3安装于两个支柱的顶面上，连接甲板1-3的纵向相对两侧分别安装有常规细长型侧体1-2，常规细长型侧体1-2采用圆舭型细长艇体，长宽比达11～13，顶部和尾部均与小水线面主艇体1-1的顶部与尾部对应平齐，排水量占三体艇体1的5％--8％；连接甲板1-3分为首甲板、尾甲板，首甲板占整个连接甲板1-3的前40％-50％，尾甲板占整个连接甲板1-3的后50％-60％，整个连接甲板1-3设计成流线型，降低空气阻力的影响，常规细长型侧体1-2与连接甲板1-3相连部分为弹性甲板，这使得常规细长型侧体1-2可随小水线面主艇体1-1吃水的变化调整自身合适的高度，避免可能出现腾空进而产生失稳的现象。
两个支柱的相背一侧方分别设有柔性T型翼减摇装置2，柔性T型翼减摇装置2安装于潜体上部，柔性T型翼减摇装置2包括垂直翼2-1、水平翼2-2、可调节角度的柔性襟翼2-3、双出轴步进电机2-4，可调节角度的柔性襟翼2-3通过双出轴步进电机2-4安装于水平翼2-2的尾部，三者构成的整体与垂直翼2-1的上部连接，垂直翼2-1的下部与三体艇体1连接，双出轴步进电机2-4与控制器4-3信号连接。
垂直翼2-1为NACA0012翼型，弦长为水平翼2-2弦长的0.8～1倍，高度为三体艇体1艇长的8～12％，水平翼2-2为NACA0012翼型，翼展为三体艇体1艇宽的90～100％，弦长为翼展的1/2～2/3，可调节角度的柔性襟翼2-3中的柔性翼面占其总面积的1/4～1/3。
为更好起到减摇效果，将柔性T型翼减摇装置2安装在小水线面主艇体1-1潜体上距最前端1/10-1/9艇长和距尾端1/4-1/3的上方位置处，其中可调节角度的柔性襟翼2-3通过联轴器与双出轴步进电机2-4相连，并由能源舱4-2和控制器4-3提供电力和控制，控制器4-3根据反馈的艇舶运动的实时状态，控制双出轴步进电机2-4转动，双出轴步进电机2-4带动联轴器进而带动可调节角度的柔性襟翼2-3旋转到相应的攻角，进而起到降低纵摇的效果，同时由于其自身柔性的特点，其柔性翼面会在波浪中来回摆动，在理想条件下对其进行运动学分析如下：
其柔性翼面长度为L,柔性翼面在摆动过程中任意时刻的弯曲曲线都是与其原先静止状态位置相切的曲线，该曲线为半径为r的圆弧，其圆心角c随时间变化，但r×c＝L始终成立。摆动角d＝c/2。
假设弯曲与回摆时间相同，则其柔性翼面在一个周期内的r的变化规律可由下式表示：
Figure BDA0003466460970000071
其中：
Figure BDA0003466460970000072
为常数，其决定着柔性翼面能达到的最大弯曲角度，T为一个周期的时间。则在某一时刻t时，柔性翼面上的任意质点此时的位置为：
z(y,t)＝f(y)sinwt
其中y为每个质点横坐标值，w为其运动的角频率，且0＜y≤gsind,g代表柔性襟翼的弦长。
因为翼面的厚度很小，所以可以利用细长体理论对其进行分析，假设柔性翼面一边进行摆动，一边以速度U向y轴的负方向前进，则翼面上任意位置的侧向速度v(y,t)为其对坐标方程的物质导数，即：
Figure BDA0003466460970000073
则虚质量m(y)的水能产生的瞬时动量为：
Figure BDA0003466460970000074
根据作用力与反作用力，单位翼面受到的瞬时侧向力为：
Figure BDA0003466460970000081
进而整个翼面产生的瞬时推进力为：
Figure BDA0003466460970000082
假设柔性翼面摆动幅度不变，摆动周期为0.4s的话，经过计算验证，柔性翼面随着波浪发生一定程度的摆动，进而产生推力。而且在向上摆动阶段，翼面产生的推力会逐渐增大，由此可看出与常规的T型翼相比，这种柔性T型翼减摇装置的确还能提供附加推力，起到提高艇舶快速性，节省能源增大续航力的效果。
喷水推进器4-1安装于潜体尾部，综合集成救援***3、能源舱4-2、控制器4-3分别安装于连接甲板1-3上。
综合集成救援***3包括远程自动捕捞装置3-1、远程自动投放装置3-2、远程对讲机3-3、电暖吹风机3-4、摄像头3-5、小型无人机3-6，除了小型无人机3-6具备内置电源和wifi模块，其余以上部件均通过延长线与控制器4-3和能源舱4-2相连。远程自动捕捞装置3-1设有两个，在三体艇体1后部的相对两侧对称设置，远程自动捕捞装置3-1包括步进电机3-7、螺杆步进电机3-8、捞网框架3-9、救生网垫3-10，步进电机3-7通过电机支座和螺栓安装在连接甲板1-3尾甲板的两侧，其电机轴与螺杆步进电机3-8的底座连接，螺杆步进电机3-8通过与自身螺杆螺纹相配合的连接件与捞网框架3-9焊接相连，捞网框架3-9则由救生捕捞网和金属框架组成，整个金属框架成圆筒状，金属框架四周内布满弹性的救生捕捞网，并在前方的下部留有人员入口。救生网垫3-10为弹性的网垫，安装在三体艇体1的上表面，步进电机3-7、螺杆步进电机3-8分别与控制器4-3信号连接。
救生网垫3-10为弹性的网垫安装在连接甲板1-3尾甲板的中间位置，当陆上人员通过摄像头3-5发现落水人员时，控制无人艇停到合适地点，通过控制器4-3远程控制螺杆步进电机3-8的反转进而带动捞网框架3-9下降到水下一定位置，待落水人员进入到捞网框架内后，控制螺杆步进电机3-8的正转带动捞网框架3-9上升的一定高度，再通过控制器4-3远程控制步进电机3-7转动，进而带动螺杆步进电机3-8与捞网框架3-9转动到救生网垫3-10的上方，最终将落水人员最终放置到救生网垫3-10中。
远程自动投放装置3-2在三体艇体1中部的相对两侧分别设有一个，远程自动投放装置3-2包括舵机3-11、多锁道机械结构3-12，舵机3-11安装在连接甲板1-3首甲板尾部两侧的舱壁上，多锁道机械结构3-12通过螺栓与舵机3-11连接，救生圈或救生筏通过绳索与多锁道机械结构3-12连接，艇体舷侧外挂的若干救生圈以及救生筏通过绳索与多锁道机械结构3-12相连，通过控制器4-3远程控制舵机3-11的舵杆的转动，进而释放外挂的救生圈或救生筏。
远程对讲机3-3固定于连接甲板1-3的首端，能使得救援人员远程安抚现场落难人员的情绪，展开必要的自救。电暖吹风机3-3通过螺栓固定于远程自动捕捞装置3-1的内侧，能为落水人员维持体温，等待救援；摄像头3-3包括5个摄像头，分别固定在连接甲板1-3首甲板的前端以及尾甲板的四周，为陆上救援人员提供最佳的救援视角。小型无人机3-5停泊在连接甲板1-3的中部，其与艇上的基站信号相连，其自带的摄像头可以为救援人员快速寻找到落水人员位置以及了解海难事故现场环境，更好的开展后续救援提供帮助。
喷水推进器4-1采用单泵装置，通过螺栓安装在三体艇体1的主艇体尾端的艇底板上，通过线路与能源舱4-2和控制器4-3相连，通过控制器4-3远程操控喷水推进器(4-1)的操舵喷嘴、倒车档位以及喷水泵等实现无人艇的转向、前进和倒退。
本无人艇在工作时，首先能源舱4-2给所有设备供电运作，控制器4-3输出控制指令，通过控制喷水推进器4-1实现无人艇的自主航行。当海况恶劣波浪大时，通过控制器4-3对此时航行状态计算的结果控制双出轴步进电机2-4转动，进而带动可调节角度的柔性襟翼2-3达到最佳减摇攻角，在降低纵摇影响的同时，可调节角度的柔性襟翼2-3的尾部柔性翼面会随波浪来回摆动，在摆动的每个周期内都会产生一定的附加推力，降低附加阻力影响的同时提高了无人艇的快速性。
为更高效的完成海上救援作业，无人艇设计的综合集成救援***，当无人艇高速行驶到海难现场时，通过携带的摄像头3-5对周围海域进行监测，控制小型无人机3-6升空提供更广阔的探测视角，当发现落水人员位置时，无人艇行驶到落水人员的附近，通过控制器4-3远程对讲机3-3对落水人员进行安抚并指挥落水人员进行有效的自救，同时控制舵机3-11转动舵杆，进而释放多锁道机械结构3-12上悬挂的救生筏或救生圈等救援设备，让落水人员尽快获得第一时间的救援。
通过摄像头3-5无人艇行驶到落水人员的附近，通过控制器4-3控制螺杆步进电机3-8正转，带动与自身螺杆螺纹相配合的连接件与其焊接相连的捞网框架3-9下降到固定位置，等待落水人员从捞网框架3-9正前方下面的入口进入到捞网框架3-9内后，通过控制器4-3控制螺杆步进电机3-8反转，带动与自身螺杆螺纹相配合的连接件与其焊接相连的捞网框架3-9上升到固定位置，再通过控制器4-3控制步进电机3-7转动，进而带动螺杆步进电机3-8与捞网框架3-9转动到救生网垫3-10的上方，最终将落水人员最终放置到救生网垫3-10中，待落水人员到达救生网垫3-10之后，通过控制器4-3控制电暖吹风机3-3为落水人员提供热量保持体温，并先后控制步进电机3-7与螺杆步进电机3-8相反的转动，进而继续下一步救援作业，有效实现了高效、远程和多次的救援作业。
为了更好的达到目的，上述的带有柔性T型翼的三体救援无人艇的设计方法为以下步骤：
步骤一：设计变量：小水线面主艇体首段长度Lh，中段长度Lm，尾段长度La，支柱高度H，常规细长型侧体长度L1，宽度B1，三体艇体方形系数Cb，吃水T，型深D，设计航速Vs，螺旋桨直径Dp，螺旋桨盘面比Aeo，设计航速下的螺旋桨转速N，浮心纵向位置Lcb，重心纵向位置Xg，盘面比Aeo，螺距比PDP，水平翼弦长L2，水平翼翼展L3，垂直翼弦长L4，垂直翼翼展L5，柔性襟翼弦长L6，柔性翼面面积A1。
步骤二：确定目标函数：
艇舶快速性是指在推力和阻力共同作用下，航行时所消耗主机功率大小以及艇舶能够达到的最大航速的讨论，本三体无人艇采用了柔性T水翼，在航行过程中柔性翼面也起到了作用，将柔性翼面产生的附加推力考虑到整个推力中，选用海军系数作为快速性目标函数，且目标函数值越大越好：
Figure BDA0003466460970000101
式中：Δ——排水量；VS——设计航速；Rt——总阻力。
对于三体艇的操纵性，回转性指数K和稳定性衡准数C常作为检验三体艇操纵性优良的指标，将无因次化的K'和C'采用幂指数乘积的形式组合，则操纵性目标函数h(x2)：
Figure BDA0003466460970000111
式中：0＜gi＜1，g1*g2＝1。
对于救援方面，主要考虑有远程自动捕捞装置的步进电机的功能性θ1、螺杆步进电机的功能性θ2、捞网框架的结构强度φ1与救生网垫的结构强度φ2，远程自动投放装置舵机的功能性θ3和多锁道机械结构的结构强度φ3，远程对讲机的功能性θ4、电暖吹风机的功能性θ5、摄像头的功能性θ6以及小型无人机的功能性θ7，这些功能性与强度指标都是越大越好，构建f3(x)作为功能性目标函数，并且其值越大为性能最优，其表达式为：
Figure BDA0003466460970000112
式中：0＜εi＜1，ε1*ε2*ε3*ε4*ε5*ε6*ε7*ε8*ε9*ε10＝1。
在无人艇横摇运动中，横摇惯性半径作为判断无人艇横摇优劣的关键参数之一,将其作为无人艇横摇性能的判断标准十分合适，根据贝尔斯统计大量船舶耐波性提出的船舶耐波性指数R,其不仅可以用来判断船舶耐波性的优劣，而且还可以作为选择较佳耐波性船型的标准，因此本文使用贝尔斯船舶耐波性指数R作为三体无人艇的耐波性目标函数：
h4(x)＝R＝8.422+45.104Cwf+10.078Cws-378.465(T/L)+1.273(C/L)-23.501CVPf-15.875CVPs
式中：Cwf为舯前水线面系数；Cws为舯后水线面系数；C/L指代表截止比；CVPf代
表三
体艇舯前棱形系数；CVPs代表三体艇舯后棱形系数。
综合以上三个方面构建总目标函数H(x)，表达式如下：
Figure BDA0003466460970000113
式中：
Figure BDA0003466460970000114
约束条件
各设计变量合理的上下限；
螺旋桨要满足空泡要求；
按照《艇舶入级规范》，舵的总面积要求；
按照艇舶的稳性规范，正浮初稳性高要大于0.3米；
计算得出的排水量与设计排水量相等；
螺旋桨的有效推力与艇体总阻力相等；
主机供给螺旋桨的转矩与螺旋桨承受的水动力转矩相等；
转矩平衡约束；主机供给螺旋桨的转矩与螺旋桨承受的水动力转矩相等。

Claims (9)

1.一种带有柔性T型翼的三体救援无人艇，其特征在于：包括三体艇体(1)、柔性T型翼减摇装置(2)、综合集成救援***(3)、操控***(4)，三体艇体(1)的首部和尾部的外侧上分别安装有柔性T型翼减摇装置(2)，综合集成救援***(3)安装于三体艇体(1)的顶部，操控***(4)包括喷水推进器(4-1)、能源舱(4-2)、控制器(4-3)，喷水推进器(4-1)安装于三体艇体(1)的尾部，能源舱(4-2)、控制器(4-3)集成安装于三体艇体(1)的顶部，柔性T型翼减摇装置(2)、综合集成救援***(3)、喷水推进器(4-1)、能源舱(4-2)分别与控制器(4-3)信号连接。
2.根据权利要求1所述的一种带有柔性T型翼的三体救援无人艇，其特征在于：三体艇体(1)包括小水线面主艇体(1-1)、常规细长型侧体(1-2)和连接甲板(1-3)，小水线面主艇体(1-1)包括潜体和支柱，支柱在潜体上沿其横向间隔安装有两个，连接甲板(1-3)安装于两个支柱的顶面上，连接甲板(1-3)的纵向相对两侧分别安装有常规细长型侧体(1-2)，两个支柱的相背一侧方分别设有柔性T型翼减摇装置(2)，柔性T型翼减摇装置(2)安装于潜体上部，喷水推进器(4-1)安装于潜体尾部，综合集成救援***(3)、能源舱(4-2)、控制器(4-3)分别安装于连接甲板(1-3)上。
3.根据权利要求2所述的一种带有柔性T型翼的三体救援无人艇，其特征在于：三体艇体(1)的总长为20～30m，长宽比为3.5～5，支柱呈细长对称翼型，支柱长度为三体艇体(1)总长的1/7～1/6倍，宽度为支柱长度的1/9～1/7倍，高度为支柱长度的1.5～2.5倍，第一个支柱位于三体艇体(1)艏段向后1/4～1/6艇长的位置，第二个支柱位于三体艇体(1)艏段向后3/4—5/6艇长的位置，常规细长型侧体(1-2)为圆舭型细长艇体，其长宽比为11～13，连接甲板(1-3)分为首甲板和尾甲板。
4.根据权利要求1所述的一种带有柔性T型翼的三体救援无人艇，其特征在于：柔性T型翼减摇装置(2)包括垂直翼(2-1)、水平翼(2-2)、可调节角度的柔性襟翼(2-3)、双出轴步进电机(2-4)，可调节角度的柔性襟翼(2-3)通过双出轴步进电机(2-4)安装于水平翼(2-2)的尾部，三者构成的整体与垂直翼(2-1)的上部连接，垂直翼(2-1)的下部与三体艇体(1)连接，双出轴步进电机(2-4)与控制器(4-3)信号连接。
5.根据权利要求4所述的一种带有柔性T型翼的三体救援无人艇，其特征在于：垂直翼(2-1)为NACA0012翼型，弦长为水平翼(2-2)弦长的0.8～1倍，高度为三体艇体(1)艇长的8～12％，水平翼(2-2)为NACA0012翼型，翼展为三体艇体(1)艇宽的90～100％，弦长为翼展的1/2～2/3，可调节角度的柔性襟翼(2-3)中的柔性翼面占其总面积的1/4～1/3。
6.根据权利要求1所述的一种带有柔性T型翼的三体救援无人艇，其特征在于：综合集成救援***(3)包括远程自动捕捞装置(3-1)、远程自动投放装置(3-2)、远程对讲机(3-3)、电暖吹风机(3-4)、摄像头(3-5)、小型无人机(3-6)，远程自动捕捞装置(3-1)设有两个，在三体艇体(1)后部的相对两侧对称设置，远程自动投放装置(3-2)在三体艇体(1)中部的相对两侧分别设有一个，远程对讲机(3-3)安装于三体艇体(1)前部的顶面上，电暖吹风机(3-4)通过螺栓安装于远程自动捕捞装置(3-1)上，三体艇体(1)上部的前端以及尾端的四周分别安装有摄像头(3-5)，小型无人机(3-6)停泊在三体艇体(1)上表面的中部，远程自动捕捞装置(3-1)、远程自动投放装置(3-2)、摄像头(3-5)、小型无人机(3-6)分别与控制器(4-3)信号连接。
7.根据权利要求6所述的一种带有柔性T型翼的三体救援无人艇，其特征在于：远程自动捕捞装置(3-1)包括步进电机(3-7)、螺杆步进电机(3-8)、捞网框架(3-9)、救生网垫(3-10)，步进电机(3-7)安装在三体艇体(1)上，其电机轴与螺杆步进电机(3-8)的底座连接，捞网框架(3-9)与螺杆步进电机(3-8)的螺杆连接，捞网框架(3-9)由救生捕捞网和金属框架组成，救生网垫(3-10)为弹性的网垫，安装在三体艇体(1)的上表面，步进电机(3-7)、螺杆步进电机(3-8)分别与控制器(4-3)信号连接。
8.根据权利要求6所述的一种带有柔性T型翼的三体救援无人艇，其特征在于：远程自动投放装置(3-2)包括舵机(3-11)、多锁道机械结构(3-12)，舵机(3-11)安装在在三体艇体(1)上，多锁道机械结构(3-12)通过螺栓与舵机(3-11)连接，救生圈或救生筏通过绳索与多锁道机械结构(3-12)连接。
9.一种权利要求1～8任一所述的带有柔性T型翼的三体救援无人艇的设计方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：设计变量：
设无人艇的小水线面主艇体首段长度Lh，中段长度Lm，尾段长度La，支柱高度H，常规细长型侧体长度L1，宽度B1，三体艇体方形系数Cb，吃水T，型深D，设计航速Vs，螺旋桨直径Dp，螺旋桨盘面比Aeo，设计航速下的螺旋桨转速N，浮心纵向位置Lcb，重心纵向位置Xg，盘面比Aeo，螺距比PDP，水平翼弦长L2，水平翼翼展L3，垂直翼弦长L4，垂直翼翼展L5，柔性襟翼弦长L6，柔性翼面面积A1；
步骤二：建立目标函数：
考虑无人艇采用了柔性T水翼，将柔性翼面产生的附加推力考虑到整个推力中，选用海军系数作为快速性目标函数，并设置目标函数值越大越好，因此：
Figure FDA0003466460960000031
式中：Δ——排水量；VS——设计航速；Rt——总阻力；
对于无人艇的操纵性，回转性指数K和稳定性衡准数C常作为检验三体艇操纵性优良的指标，将无因次化的K'和C'采用幂指数乘积的形式组合，则操纵性目标函数h(x2)：
Figure FDA0003466460960000032
式中：0＜gi＜1，g1*g2＝1；
对于救援方面，主要考虑有远程自动捕捞装置的步进电机的功能性θ1、螺杆步进电机的功能性θ2、捞网框架的结构强度φ1与救生网垫的结构强度φ2，远程自动投放装置舵机的功能性θ3和多锁道机械结构的结构强度φ3，远程对讲机的功能性θ4、电暖吹风机的功能性θ5、摄像头的功能性θ6以及小型无人机的功能性θ7，这些功能性与强度指标都是越大越好，构建f3(x)作为功能性目标函数，并且其值越大为性能最优，其表达式为：
Figure FDA0003466460960000033
式中：0＜εi＜1，ε1*ε2*ε3*ε4*ε5*ε6*ε7*ε8*ε9*ε10＝1；
在无人艇横摇运动中，横摇惯性半径作为判断无人艇横摇优劣的关键参数之一,将其作为无人艇横摇性能的判断标准十分合适，根据贝尔斯统计大量船舶耐波性提出的船舶耐波性指数R,其不仅可以用来判断船舶耐波性的优劣，而且还可以作为选择较佳耐波性船型的标准，因此本文使用贝尔斯船舶耐波性指数R作为三体无人艇的耐波性目标函数：
h4(x)＝R＝8.422+45.104Cwf+10.078Cws-378.465(T/L)+1.273(C/L)-23.501CVPf-15.875CVPs
式中：Cwf为舯前水线面系数；Cws为舯后水线面系数；C/L指代表截止比；CVPf表三体艇舯前棱形系数；CVPs代表三体艇舯后棱形系数；
综合以上三个方面构建总目标函数H(x)，表达式如下：
Figure FDA0003466460960000041
式中：
Figure FDA0003466460960000042
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