EA201591553A1 20160331

	Патентная документация ЕАПВ
Запрос:	ea201591553a*\id
Результат:	ID\|Номер и дата охранного документа

больше ...

Термины запроса в документе

Реферат

[RU]

Группа автономных парусных судов, оборудованных аппаратурой контроля и связи для передачи информации об окружающих и других условиях. Для достижения оптимальной остойчивости автономные парусные суда выполняют многокорпусными судами (катамараны) с возможностями самобалансировки. Каждое парусное судно отправляет и принимает информацию посредством одной или более спутниковых линий связи, с использованием солнечной энергии для приведения в действие аппаратуры связи, а также аппаратуры контроля. Каждое парусное судно содержит систему автоматической балансировки паруса для поддержания желаемого угла атаки с ветром и электрический движитель для использования, при необходимости, для поддержания заданного курса. Модульная конструкция используется для поддержки связанной с конкретной задачей бортовой аппаратуры.

Полный текст патента

(57) Реферат / Формула:

АВТОНОМНЫЙ ПАРУСНИК ДЛЯ ОКЕАНОГРАФИЧЕСКОГО ТЕКУЩЕГО
КОНТРОЛЯ
Настоящая заявка испрашивает приоритет согласно предварительной заявке на патент США 61/616,044, поданной 27 марта 2012 года.
ОБЛАСТЬ И УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ И СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Настоящее изобретение относится к области автономных парусных судов и, в частности, к недорогостоящему высокоэффективному и высокоустойчивому паруснику, содержащему аппаратуру текущего контроля и связи для осуществления контроля и передачи информации об окружающих и других условиях.
[0002] Текущий контроль в океанах является сложным и дорогим отчасти вследствие размеров океанов и времени и ресурсов, требуемых для достижения удаленных районов. Предполагается, что обеспечение укомплектованного судна для текущего контроля в удаленном районе, таком как южная часть Тихого океана, стоило бы примерно 10-100 тысяч долларов в день. Соответственно, фактически выполняется очень незначительный объем океанографического текущего контроля. Подобным образом воздушная разведка может быть очень дорогой и очень ограниченной с точки зрения диапазона и области, которая может контролироваться в течение каждого полета. На укомплектованные суда для текущего контроля или летательный аппарат также воздействуют сложные метеорологические условия, которые могут ограничивать время возможного проведения текущего контроля или могут подвергнуть осуществляющий текущий контроль персонал повышенному риску. Получение изображений с помощью ИСЗ обеспечивает некоторую информацию относительно условий на поверхности и над океаном, но по существу ограничено в отношении условий под океанской поверхностью.
[0003] Таким образом, возрастает потребность обеспечения более детализированного океанографического контроля. Однако имеется большое количество проблем, например, относительно увеличивающихся уровней углеводородов и других материалов, которые вредны для морской флоры и фауны. В прибрежных районах особую проблему представлять азот, выходящий из обработанных удобрениями земель. Текущий контроль рыб, в частности среды обитания, может обеспечить раннее обнаружение увеличения смертности или уменьшение рождаемости. Подобным образом, в случае экологической катастрофы, такой как утечка нефти в Мексиканском заливе, точный текущий контроль размера последствий катастрофы может помочь в проведении спасательных и восстановительный операций.
[0004] Помимо экологических проблем обеспокоенность вызывает повышение пиратской активности в определенных областях мира, а также увеличение незаконного оборота наркотиков через моря. Надзор, осуществляемый человеком, ограничен по дальности и площади и в некоторых случаях опасен для группы, осуществляющей надзор.
[0005] В дополнение к конкретным проблемам текущий контроль океанографических условий может повышать нашу возможность предсказания штормов и цунами и может повышать безопасность морских судов путем их предупреждения об очень опасных условиях. В некоторых случаях наличие удаленных контрольных устройств на морях в области может облегчить поиск и спасательные операции в этом районе.
[0006] Было бы полезно обеспечить доступное средство повышения океанографического контроля. Также было бы полезно обеспечить такой увеличенный океанографический контроль без привлечения персонала на контролируемые места. Также было бы полезно обеспечить возможность надежного и устойчивого контроля с высокой вероятностью выживаемости в опасных условиях.
[0007] Эти и другие преимущества могут быть реализованы группой автономных парусных судов, оборудованных аппаратурой контроля и связи для передачи данных об окружающих и других условиях. Для обеспечения оптимальной устойчивости и скорости автономные парусные суда выполняют многокорпусными (катамаранами) и обладающими остойчивостью. Каждое парусное судно отправляет и принимает информацию посредством по меньшей мере одной спутниковые линии связи с использованием солнечной энергии для питания аппаратуры связи, а также аппаратуры контроля. Каждое парусное судно содержит систему автоматической балансировки паруса для поддержания необходимого угла атаки с попутным ветром ("угол атаки"), и электрический движитель для использования при необходимости, когда доступно достаточное количество электроэнергии. Модульная конструкция использована для поддержания связанной с конкретной задачей полезной нагрузки.
[0008] В примерном варианте реализации парусник содержит множество корпусов, расположенных параллельно друг другу и соединенных вместе ферменной конструкцией, конструкцию крыльевого паруса, которая выполнена с возможностью поворота вокруг первой оси поворота, расположенной перпендикулярно к плоскости корпусов, и второй оси поворота, которая параллельна корпусам, и систему автоматического выпрямления, которая выполнена с возможностью поворота конструкции крыльевого паруса вокруг второй оси поворота при обнаружении опрокидывания парусника.
[0009] Выпрямление опрокинутого парусника может быть выполнено путем поворота плавучей структуры мачты вокруг оси, которая параллельна поверхности акватории, для смещения центра плавучести опрокинутого парусника за центр тяжести опрокинутого парусника.
[0010] В другом примерном варианте реализации парусник содержит множество корпусов, расположенных параллельно друг другу и
соединенных вместе ферменной конструкцией, конструкцию крыльевого паруса, которая выполнена с возможностью поворота вокруг первой оси поворота, которая перпендикулярна к плоскости корпусов, и систему автоматической балансировки, управляющую поворотом конструкции крыльевого паруса вокруг первой оси поворота. Конструкция крыльевого паруса содержит крыльевой парус, обеспечивающий подъемную силу для продвижения парусника вперед, флюгер, который расположен с возможностью поворота на конструкции крыльевого паруса для постоянного выравнивания с текущим направлением ветра, и соединительную тягу, которая управляет расхождением между ориентацией конструкции крыльевого паруса и ориентацией флюгера. Система автоматической балансировки содержит кулачок, который прикреплен к ферменной конструкции и соединен с соединительной тягой для управления различием между ориентацией конструкции крыльевого паруса и ориентацией флюгера на основании ориентации ферменной конструкции.
[ООН] Самобалансировка может быть выполнена путем соединения конструкции крыльевого паруса и структуры флюгера посредством кулачка, управляющего углом атаки крыльевого паруса на основании направления ветра, указанного конструкцией флюгера.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0012] Настоящее изобретение объяснено более подробно, и в качестве примера, со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
На фиг. 1 приведено примерное схематическое изображение группы автономных парусных судов, взаимодействующих с пользователем посредством спутниковых и интернет соединений.
На фиги. 2А-2В изображен примерной автономный парусник в соответствии с аспектами настоящего изобретения.
На фиг. 3A-3I изображен пример автономного парусника, обладающего остойчивостью.
На фиг. 4А-4Е изображен пример автономного парусника, обладающего остойчивостью.
На фиг. 5 изображена примерная блок-схема систем связи и управления примерным автономным парусником.
[0013] На всех чертежах одинаковые ссылочные номера указывают на подобные или соответствующие элементы или функции. Чертежи представлены для иллюстративных целей и не предназначены для ограничения объема настоящего изобретения.
Подробное описание
[0014] В представленном ниже описании, предназначенном для пояснения, а не ограничения настоящего изобретения, представлены конкретные детали, такие как конкретная архитектура, интерфейсы, способы и т.д., для обеспечения полного понимания принципов настоящего изобретения. Однако для специалистов в данной области техники будет очевидно, что настоящее изобретение может быть осуществлено в других вариантах реализации, отступающих от этих конкретных деталей. Подобным образом текст этого описания направлен на примерные варианты реализации согласно изображениям на чертежах и не предназначен для ограничения заявленного изобретения, за исключением ограничений, явно содержащихся в пунктах формулы изобретения. Для простоты и ясности подробные описания известных устройств, схем и способов опущены, чтобы не затенять описание настоящего изобретения ненужными деталями.
[0015] На фиг. 1 приведено примерное схематическое изображение группы автономных парусных судов, взаимодействующих с пользователем посредством спутниковых и интернет соединений. В
типичном варианте реализации поставщик услуг для группы судов будет компоновать судна на основании требований конкретного заказчика для выполнения связанных с конкретной целью задач текущего контроля. Перемещениями группы судов управляет поставщик услуг для группы судов на основании указаний от заказчика, и сбором специфичной для миссии информации может управлять по меньшей мере частично заказчик.
[0016] Группу судов 110 развертывают в районе, подлежащем текущему контролю, и судна взаимодействуют со станцией 150 контроля и управления для приема управляющей информации и передачи информации о текущем контроле и другой информации. Как правило, взаимодействие с каждым судном будет осуществляться посредством системы 120-130 спутниковой связи, хотя могут быть использованы другие формы взаимодействия. Например, при выполнении задач вблизи побережья связь может быть обеспечена посредством сотовых сетей с использованием береговых вышек 170 сотовой связи.
[0017] В качестве необязательного условия для различных применений могут быть использованы различные системы связи. Например, навигационная информация может быть передана посредством одной системы, а информация о текущем контроле может быть передана посредством другой системы.
[0018] Система 150 текущего контроля и управления передает управляющую информацию группе судов и принимает информацию обратной связи от судов посредством, например, сети 140 Интернет. Другие системы 160 текущего контроля могут принимать контролируемую информацию от судов и дополнительно могут быть выполнены с возможностью управления конкретной аппаратурой контроля.
[0019] В зависимости от используемой коммуникационной системы сообщения будут предоставлять информацию об адресе назначения. Например, если будет использована сеть 140 Интернет, то сообщения будут передавать URL-адрес назначения, или набор адресов, для передачи сообщения к интернет-интерфейсу 135 между системой 120130 спутниковой связи и Интернетом 140. При использовании сотовой сети сообщения могут быть текстовыми сообщениями, адресуемыми одному или более получателям.
[0020] В примерном варианте реализации коммуникационной системы команд каждое судно может иметь отдельный адрес связи, а группа судов может иметь свой адрес связи, что обеспечивает возможность управления группой судов в целом, а также управления отдельными судами во группе. Управление в целом будет в форме сигналов управления навигацией и сигналов управления текущим контролем. Структура команд будет зависеть от возможностей, обеспеченных в судах 110. Например, если судна 110 содержат навигационное программное обеспечение, станции 150 управления может понадобится только передача целевого местоположения (например, широта, долгота), и судна 110 могут определить направление следования и сигналы управления судном (например, рулевое управление) для продвижения в этом направлении. В других вариантах реализации станция 150 управления может сообщать направление следования, и судна 110 определяют сигналы управления судном; или станция 150 управления может передавать сигналы управления судном каждому судну 110. Структура сигналов управления может меняться от базовых сигналов управления судном до самых высоких поддерживаемых навигационных сигналов управления, обеспечивая возможность оператору станции 150 управления осуществлять зависимое от ситуации управление группой судов и отдельными судами в группе.
[0021] Каждое судно предпочтительно содержит блок контроля навигации для обеспечения данных о местоположении и сопровождения,
такой как система GPS, обеспечивающая текущее местоположение судна и скорость и направление следования. Эта информация в целом передается системе 150 управления, а также используется системой управления в судне для облегчения управления судном. Например, данные сопровождения могут быть использованы для управления маршрутом судна для достижения оптимальной "скомпенсированной скорости" (VMG) к целевой области на основании текущих ветровых режимов, включая перемещение по разным "курсам" (направления относительно ветра) для достижения полной оптимальной скорости в направлении цели ("лавирование" к цели).
[0022] Каждое судно также содержит комплекс аппаратуры контроля; в некоторых применениях различные судна могут быть снабжены оборудованием с различной аппаратурой контроля. Аппаратура контроля судна в целом будет содержать, например, вышеупомянутую GPS (Система глобального позиционирования), инерционные измерительные блоки (IMU), температурные датчики и датчики направления ветра и скорости, и может содержать камеры и датчики скорости корабля при создании наименьшего волнового сопротивления.
[0023] Предназначенная для конкретной цели аппаратура контроля может содержать видео и инфракрасные камеры, сканеры, акустические датчики и гидрофоны, датчики проводимости, датчики кислорода и других газов, барометры, оптожидкостные датчики качества воды, детекторы углеводорода, счетчики Гейгера, датчики солесодержания и рН фактора, датчики давления и т.д. Контролируемая информация может передаваться системам 150, 160 текущего контроля постоянно, периодически, по запросу или при инициировании. Инициирование может основываться на изменениях контролируемых значений, изменениях местоположения и т.д. Как отмечено, связанная с конкретной задачей контролируемая информация может быть
предоставлена одной или более системам 160 текущего контроля, и эти системы могут управлять некоторой или всей аппаратурой контроля.
[0024] Следует отметить, что при развертывании группы судов измерения в районе могут быть получены от судов, находящихся в различных местах в районе. Такие множественные измерения могут обеспечивать возможность определения местоположения обнаруженного объекта посредством обычных способов определения местоположения, таких как триангуляция на основании определяемого диапазона, направления или ориентации обнаруженного объекта от различных судов.
[0025] Также важно отметить, что хотя зачастую может быть использовано относительно случайное позиционирование судов в данном целевом районе, тем не менее, могут быть использованы другие схемы развертывания, такие как управляемое позиционирование каждого судна, которое гарантирует, что каждая точка в целевом районе расположена в диапазоне текущего контроля по меньшей мере одного судна, или позиционирование всех судов заданной схемой, такой как линия пикетирования, чтобы гарантировать, что все объекты, приближающиеся или пересекающие линию пикетирования, обнаруживаются. Специалист в данной области техники поймет, что местоположением судна можно управлять так, чтобы судно располагалось в определенном районе путем перемещения (изменения курса) назад и вперед в пределах района, тем самым обеспечивая возможность, например, создания линии пикетов по всему входу к конкретному водному пути с назначением каждому судну района вдоль линии пикетов.
[0026] На фиг. 2А-2В изображен примерной автономный парусник 200 в соответствии с аспектами настоящего изобретения. Предпочтительно парусник 200 является относительно небольшим и легким, чтобы не представляться угрозу для другого судна в случае
столкновения. Примерной парусник 200 имеет длину приблизительно 2,44 м (8 футов), ширину приблизительно 1,83 м (6 футов) и вес приблизительно 90,72 кг (200 фунтов), и оборудован красными, зелеными и белыми ходовыми огнями (не изображены) для использования дополнительно в ночное время, особенно в районах с интенсивным транспортным движением.
[0027] Парусник 200 представляет собой катамаран, содержащий два волнорежущих корпуса 210, соединенных вместе посредством ферменной конструкции 240, на которой установлена мачта (не видима) с поворотной структурой 220 крыльевого паруса. Ферменная конструкция 240 также удерживает киль 230 со вспомогательным движителем 235. По меньшей мере один из корпусов 210 содержит руль 215.
[0028] Структура 220 парусного крыло содержит парусное крыло 222, флюгер 225 и противовес 228, который обеспечивает возможность поворота структуры 220 парусного крыла вокруг мачты с минимальным усилием. В примерном варианте реализации противовес 228 вызывает совмещение центра массы вращающихся деталей со средней линией вращательных подшипников и центром подъемной силы парусного крыла.
[0029] Парусник 200 содержит аппаратуру связи и другую аппаратуру 250 контроля сверху мачты и водонепроницаемые отсеки 260, в пределах которых может быть сконфигурировано дополнительное оборудование. Солнечные панели 223, 245 установлены на крыльевом парусе 220 и ферменных конструкциях 240 и обеспечивают энергию, требуемую для приведения в действие движителя 235, а также встроенных систем связи, управления и текущего контроля. В качестве необязательного условия движитель 235 может быть выполнен с возможностью создания электричества при движении парусника 200 под парусом.
[0030] Пример парусника 200 содержит четыре отсека 260; в обычной конфигурации один из отсеков содержит системы управления навигацией и связью и хранение батарей, а остальные три отсека пригодны для размещения связанных с конкретной целью систем полезной нагрузки. Киль 230 также выполнен с возможностью вмещения контрольных устройств (не изображены) для осуществления надводного и подводного текущего контроля. Корпусы 210 и ферменная конструкция 240 также могут быть выполнены с возможностью размещения других контрольных устройств в зависимости от конкретной миссии.
[0031] Согласно фиг. 2В конструкция 220 крыльевого паруса и киль 230 выполнены с возможностью поворота вокруг оси 242 на ферменной конструкции 240, которая проходит параллельно корпусам 210. В противоположность повороту конструкции крыльевого паруса вокруг мачты, проходящей выше ферменной конструкции, поворот конструкции 220 крыльевого паруса на оси 242 приводит в результате к повороту вокруг оси поворота, которая параллельна корпусам 210, тогда как поворот конструкции 220 крыльевого паруса вокруг мачты приводит в результате к повороту вокруг оси, которая перпендикулярна плоскости корпусов 210.
[0032] В этом примерном варианте реализации конструкция 220 крыльевого паруса и киль 230 жестко соединены таким образом, чтобы для поворота комбинации вокруг оси 242 можно было использовать один привод (не изображен). В качестве необязательного условия могли бы быть использованы двойные приводы для независимого управления поворотом конструкции 220 крыльевого паруса и киля 230.
[0033] В примерном варианте реализации центр масс расположения конструкции 220 крыльевого паруса и киля 230 значительно выше центра поворота, оси 242. Соответственно поворотный киль 230 может быть размещен для стабилизации парусника
в условиях сильного ветра путем вращения конструкции 220 крыльевого паруса по направлению ветра, тем самым смещая центр тяжести парусника к наветренному корпусу, снижая вероятность отрыва наветренного корпуса от воды ("полет корпуса").
[0034] В варианте реализации с низким центром масс вращающейся структуры 220-230 конструкция 220 крыльевого паруса может быть повернута от ветра для снижения эффективной площади парусности, направленной к ветру, подобным образом снижая вероятность отрыва наветренного корпуса от воды.
[0035] Поворотный киль также дает возможность уменьшения осадки парусника 200, обеспечивая паруснику 200 возможность движения в мелководных фарватерах. Поворотная конструкция 220 крыльевого паруса обеспечивает возможность паруснику 200 дополнительно наклонять крыльевой парус для направления своих солнечных панелей 223 к солнцу или во избежание затенения солнечных панелей 245 на ферменной конструкции 240. Наклон конструкции 220 крыльевого паруса также снижает возможность обнаружения парусника 200, что может быть полезным при выполнении секретных заданий. Поворотная конструкция 220 крыльевого паруса также обеспечивает возможность выравнивания парусника 200 после опрокидывания, которая подробно будет рассмотрена в приведенном ниже описании.
[0036] На фиг. 3A-3I изображен пример обеспечения остойчивости парусника 200 с использованием поворотной конструкции 220 крыльевого паруса. В этом примере конструкция 220 крыльевого паруса жестко прикреплена к килю 230 таким образом, что один привод поворачивает оба этих элемента 220, 230 вокруг оси 242. Как было отмечено в приведенном выше описании может быть обеспечен независимый поворот конструкции 220 крыльевого паруса и киля 230.
[0037] На фиг. ЗА изображена ориентация устойчивого состояния парусника 200; в этой ориентации центр тяжести и центр плавучести парусника 200 приблизительно расположены в центре парусника 200. На фиг. ЗВ усилие ветра 301 на крыльевом парусе вводит крутящий момент 305, который вызывает наклон (крен) парусника от ветра, поднимая левый корпус от воды и смещая центр тяжести 350 немного вправо, одновременно с этим центр плавучести 360 смещается к правому корпусу 220, вызывая результирующий момент 365 в направлении против часовой стрелки, служащий для противодействия силе ветра 301 и стремящийся к возвращению парусника в устойчивое положение на фиг. ЗА.
[0038] Если усилие ветра 301 будет чрезмерным, то парусник будет наклонится дальше, смещая центр тяжести 350 дальше вправо, уменьшая момент 365. Когда момент 305, вызванный ветром, превышает момент 365, результирующий момент будет направлен по часовой стрелке, вызывая опрокидывание парусника согласно изображению на фиг. ЗС. Поскольку крыльевой парус 222 является плавучим, как правило представляющий собой герметичную полую или пенистую структуру, опрокинутый парусник 200 не переворачивается полностью. В качестве необязательного условия к верхней части крыльевого паруса 222 может быть прикреплен бульбообразный поплавок (не изображен), который дополнительно будет увеличивать плавучесть крыльевого паруса 222. Этот бульбообразный поплавок может также служить для обеспечения водонепроницаемой среды для оборудования 250 на фиг. 2А сверху мачты.
[0039] К сожалению, даже если парусник перевернут не полностью , опрокинутый парусник на фиг. ЗС находится в устойчивом положении, потому что центр тяжести 350 опять совпадает с центром плавучести 360 (между правым корпусом и верхней частью крыльевого паруса 222). Поэтому парусник будет оставаться в этом положении в течение неопределенного времени, пока не будет приложено достаточное
направленное против часовой стрелки восстанавливающее усилие/момент для выведения парусника из устойчивого положения, представленного на фиг. ЗС, и в устойчивое положение, представленное на фиг. ЗА.
[0040] Согласно приведенному выше описанию парусник 200 содержит поворотный крыльевой парус 222 и киль 230. При обнаружении опрокидывания активируется двигатель для поворота крыльевого паруса; в этом случае необходимым поворотом 310 будет поворот в направлении по часовой стрелке, как изображено на фиг. 3D. По мере поворота крыльевого паруса 222 вокруг оси 242 в направлении по часовой стрелке, поворот пытается утопить крыльевой парус 222 дальше в воду. Вследствие плавучести крыльевого паруса 222 такая попытка утопить крыльевой парус 222 дальше в воду вызывает смещение центра плавучести 360 вправо, вводя момент 370 выравнивания согласно изображению на фиг. ЗЕ. Этот поворот крыльевого паруса 222 также вызывает смещение центра тяжести 350 влево, дополнительно увеличивая момент выравнивания.
[0041] В зависимости от конструктивного построения крыльевого паруса 222 и других элементов парусника крыльевой парус 222 также может быть повернут вокруг оси поворота, совпадающей с мачтой парусника, в "нейтральное" положение во избежание повреждения при повороте крыльевого паруса 222 вокруг оси 242.
[0042] При дальнейшем повороте 310 крыльевого паруса 222 и киля 230 по часовой стрелке вокруг оси 242, парусник дальше поворачивается против часовой стрелки, смещая центр плавучести 360 дальше вправо, а центр тяжести 350 влево, увеличивая момент 370, как изображено на фиг. 3F-3G.
[0043] В некоторый момент, согласно изображению на фиг. 3G, продолжающийся поворот 310 против часовой стрелки вызовет
дальнейшее смещение центра тяжести 350 парусника влево от центра плавучести 360, дополнительно увеличивая момент 370, направленный против часовой стрелки. Когда этот момент 370 становится достаточным для преодоления усилия ветра 301 на нижней стороне парусника, парусник будет продолжать поворачиваться против часовой стрелки, пока левый корпус не достигает поверхности воды согласно изображению на фиг. ЗН. В этом положении центры тяжести и плавучести парусника приблизительно выровнены, и наклон крыльевого паруса 222 дает уменьшенную эффективную площадь поверхности для ветра 301, уменьшая вероятность другого опрокидывания.
[0044] Когда ветер утихает, конструкция 220 крыльевого паруса и киль 230 могут быть повернуты в направлении 315 против часовой стрелки, возвращая парусник в ориентацию устойчивого положения согласно фиг. 31, которая также является исходной устойчивой ориентацией, представленной на фиг. ЗА. Таким образом, путем вращения конструкции 220 крыльевого паруса вокруг оси 242 после опрокидывания, парусник 200 будет самостоятельно выравниваться.
[0045] Указанная в приведенном выше описании система 200 управления парусником выполнена с возможностью текущего контроля вертикальной ориентации (угол крена) парусника 200 и инициирования поворота конструкции 220 крыльевого паруса и киля 230 при обнаружении опрокидывания. В качестве необязательного условия поворот конструкции 220 крыльевого паруса и киля 230 может быть инициирован, когда угол крена превышает заданный пороговый угол, для уменьшения эффективной площади поверхности крыльевого паруса, представленной ветру, и для смещения центра тяжести к наветренному корпусу (предполагается, что CG поворотных компонентов расположен выше центра поворота (242), тем самым снижая кренящие воздействия ветра и уменьшая вероятность опрокидывания.
[0046] Приведенный пример автономного парусника 200 также обладает способностью автономного регулирования балансировки паруса на основании направления ветра относительно направления движения парусника. В области техники, относящейся к мореходству, известно, что для достижения оптимальной скорости парус выравнивается/регулируется для обеспечения предпочтительного угла атаки против ветра для максимального увеличения подъемной силы (сила вперед, приложенная на парусе ветром). При изменении направления ветра относительно направления движения парусника, парус должен быть выровнен для компенсации такого изменения направления ветра. Подобным образом, когда парусник изменяет свой курс, направление ветра относительно нового направления движения изменяется, и парус должен быть выровнен для компенсации такого изменения курса.
[0047] Несмотря на то, что парусник может быть выполнен с возможностью ручного/удаленного самовосстановления, тем не менее, способность самовосстановления по существу уменьшает сложность управления и, если способность самобалансировки реализована исключительно механическими средствами, по существу уменьшает количество энергии, необходимой для обеспечения надлежащей самобалансировки. В предпочтительном варианте реализации автономного парусника 200 управление направлением движения осуществляется путем управления рулем для ориентации парусника в необходимом направлении, и управление самобалансировкой паруса, требуемое для продвижения парусника вперед в необходимом направлении, осуществляется автоматически. Если парус не может достичь достаточной подъемной силы с текущим курсом и текущими ветровыми режимами, то может быть активирована вспомогательная двигательная установка 235 или может быть изменен курс для обеспечения более эффективного направления относительного ветра (обычно называемый "изменением курса" вдоль изменяющихся
направлений следования для достижения необходимого направления движения).
[0048] На фиг. 4А-4Е изображен вид сверху парусника 200, показывающий примерную конфигурацию автоматической балансировки паруса для обычного парусника 200. Конструкция 220 крыльевого паруса содержит крыльевой парус 222, флюгер 225 и балансир 228. Конструкция 220 крыльевого паруса свободно поворачивается вокруг мачты 410, которая жестко присоединена к ферме 440 между корпусами 210. В этом примере для простоты иллюстрации ферма 440 изображена в виде простой балки, расположенной между корпусами 210. Согласно фиг. 2А настоящая ферменная конструкция 240 может содержать множество распорок, которые поддерживают такие элементы как солнечные панели 245.
[0049] В настоящем описании для простоты ссылки термины "направление движения" парусника и "ориентация" парусника (т.е. направление, которое указывается паруснику) используются взаимозаменяемо, потому что, за исключением потенциального дрейфа, направление движения парусника в целом определяется ориентацией парусника при движении парусника вперед.
[0050] Кроме того, для простоты ссылки и понимания в настоящем описании особо не выделено отличие между "действительным ветром" и "относительным ветром". Как известно в уровне техники для наблюдателя, находящегося на движущемся паруснике, или для объекта, расположенного на паруснике, такого как крыльевой парус, относительный ветер является комбинацией действительного ветра и скоростью парусника. Например, если парусник движется прямо со скоростью 4 узла и заходит в зону с ветром 5 узлов, то относительный ветер составляет 9 узлов спереди парусника. Если парусник движется со скоростью 4 узла с ветром 5 узлов сзади лодки, относительный ветер составляет 1 узел сзади лодки. Если парусник движется под ненулевым
углом к ветру, то относительный ветер будет представлять разность векторов между скоростью ветра и скоростью лодки. Силы, созданные ветром, скользящим по поверхностям крыльевого паруса, зависят от относительного ветра; в настоящем описании термины направление относительного ветра, или направление ветра относительно ориентации, или направление движения парусника, могут считаться направлением относительного ветра.
[0051] В примере на фиг. 4А направление движения 450 парусника 200 представлено прямо в (противоположно) направление ветра 460, такая ситуация может произойти, когда парусник 200 продвигается вперед вспомогательным средством движения (235 на фиг. 2А). В этом состоянии, с углом атаки к ветру, равным нулю, ветер будет равномерно обтекать по обеим сторонам крыльевого паруса 222 и флюгера 225, приводя в результате к "нейтральному" состоянию или состоянию "нулевой подъемной силы" крыльевого паруса 222, которое не создает подъемной силы для парусника 200.
[0052] Если конструкция 220 крыльевого паруса немного отклоняется от ветра, то на крыльевом парусе 222 создается градиент давления, который создает силу по направлению к "подветренной" стороне крыльевого паруса согласно приведённому ниже описанию. Если направление движения 450 парусника 200 ориентировано в направлении 460 ветра, как изображено на фиг. 4А, то усилие, вызванное отклонением крыльевого паруса 222 от направления ветра 460, будет прикладываться таким образом, чтобы проталкивать парусник 200 назад, приводя в результате к торможению, препятствующему перемещению лодки в назначенном направлении движения 450.
[0053] Для создания подъемной силы, продвигающей парусник 200 вперед, парусник 200 должен быть направлен в направлении, которое является направлением без угла по отношению к ветру, и парус должен быть выровнен для создания этой подъемной силы от движения ветра по
всей его поверхности. Как правило, парусники могут двигаться вперед, когда относительное направление ветра больше, чем минимальный угол поворота, который варьируется исходя из конструкции парусника и в целом составляет примерно 40-50°. Под углами в ветре, которые меньше минимального угла повтора, созданный градиент давления противоположен направлению движения лодки, что создает составляющую силы в обратном направлении парусника согласно приведённому выше описанию. Под углами, большими чем минимальный угол поворота, различие потока ветра слева и справа от крыльевого паруса 222 создает силу с составляющей в направлении вперед парусника, что более подробно раскрыто в приведённом ниже описании.
[0054] На фиг. 4В изображен парусник 200, который движется в направлении 455, которое проходит под углом к направлению 460 ветра. Как изображено пунктирными линиями 462, 464, когда ветер приближается к передней кромке крыльевого паруса 222, он отклоняется влево и право по крыльевому парусу 222. В этом примере ветер 464 на правой (подветренной) стороне крыльевого паруса 222 огибает переднюю кромку крыльевого паруса 222 и следует вдоль подветренной поверхности крыльевого паруса 222 к задней части крыльевого паруса 222. Ветер 462 на левой (наветренной) стороне крыльевого паруса 222 следует вдоль наветренной поверхности крыльевого паруса 222 к задней части крыльевого паруса. Давление, созданное на наветренной поверхности, больше, чем давление, созданное на подветренной поверхности, что приводит в результате к созданию силы, которая ориентирована в направлении от наветренной поверхности к подветренной поверхности.
[0055] В примере на фиг. 4В сила в направлении от наветренной поверхности к подветренной поверхности крыльевого паруса 222 приблизительно изображена стрелкой 480. Относительно парусника 200 эта сила 480 имеет составляющую 480а, которая толкает парусник 200 в сторону, и составляющую 480Ь, которая проталкивает парусник 200
вперед. Киль 230, размещённый в воде, оказывает сопротивление перемещению парусника 200 в сторону, и создан в форме, обеспечивающей возможность преобразования по меньшей мере части этой силы 480а в движение вперед. Общим результатом прохождения ветра по крыльевому парусу 222 является продвижение парусника 200 вперед в направлении движения 455, исходя из ориентированной вперед составляющей 480Ь силы ветра 480 и отклонения продвижения в сторону корпусами 210, вызванного ориентированной в сторону составляющей 480а, и остатка от движения парусника в сторону в подветренном направлении ("дрейф"). Этот дрейф в целом корректируется незначительным изменением угла руля для ориентации парусника 200 немного на ветер.
[0056] Согласно приведенному выше описанию угол, под которым ориентирован крыльевой парус 222 относительно направления 460 ветра (угол атаки), определяет величину подъемной силы, которая может быть создана на основании заданной скорости ветра и направления. Например, согласно фиг. 4В если крыльевой парус 222 повернут вокруг мачты 410 в направлении против часовой стрелки, уменьшив угол атаки и ориентировав крыльевой парус 222 более прямо по одной линии с направлением 460 ветра, то отклонение ветра на любой стороне крыльевого паруса 222 будет равномернее, уменьшая градиент давления между подветренной и наветренной поверхностями крыльевого паруса 222. С другой стороны, если крыльевой парус 222 согласно фиг. 4В повернут вокруг мачты 210 дальше в направлении по часовой стрелке, увеличив угол атаки, ветер 464 на подветренной стороне сможет пройти по изгибу передней кромки крыльевого паруса 222 на подветренную поверхность, вызывая остановку, и плавное течение по подветренной поверхности не будет достигнуто, уменьшая градиент давления между подветренной и наветренной поверхностями.
[0057] Идеальный угол атаки также варьируется в зависимости от направления движения 455 парусника 220 относительно направления
460 ветра. При "полном бейдевинде" с направлением движения 455, близком к минимальному углу лавирования ("близко к ветру"), малый угол атаки обеспечивает лучшую подъемную силу; при "галфвинде", с направлением движения 455, почти перпендикулярным к направлению ветра ("на траверзе"), больший угол атаки может поддерживаться при сохранении плавного течения по подветренной поверхности; и при "бакштаге", с направлением движения 455 приблизительно 135° относительно направления 460 ветра, можно поддерживать еще больший угол атаки. Больший угол атаки в целом вызывает увеличение ориентированной вперед составляющей 480а силы, созданной потоком ветра по подветренной поверхности крыльевого паруса 222; обычно парусник достигает максимальной скорости при движении в галфвинде или бакштаге, в зависимости от конкретной конструкции парусника.
[0058] Идеальный угол атаки для заданного направления ветра относительно направления движения, или ориентация лодки относительно направления ветра ("направление относительного ветра"), прежде всего определяется формой передней кромки и формой подветренной поверхности крыльевого паруса 222. Соответственно, учитывая конкретную форму крыльевого паруса 222, если направление относительного ветра может быть определено, крыльевой парус 222 может быть установлен в соответствующий идеальный угол атаки для этого направления относительного ветра.
[0059] Флюгер 225 обычного парусника 200 способствует определению направления 460 ветра относительно направления движения 455 парусника. Флюгер 225 установлен с возможностью поворота на конструкции 220 крыльевого паруса с минимальным трением на поворот. Соответственно, флюгер 225 будет постоянно выравниваться с направлением ветра 460, независимо от ориентации конструкции 220 крыльевого паруса. При увеличении и уменьшении угла 430 между флюгером 225 и конструкцией крыльевого паруса 220 соединительная тяга 435 будет преобразовывать этот поворот по
существу в поперечное движение относительно фермы 440 и, соответственно, будет обеспечивать поперечное движение относительно ориентации парусника 200 на основании угла 430 конструкции 220 крыльевого паруса относительно направления 460 ветра.
[0060] Другими словами, с точки зрения управления: поперечное движение соединительной тяги 435 относительно фермы 440 будет управлять поворотом флюгера 225 относительно конструкции 220 крыльевого паруса. Поскольку флюгер 225 постоянно выровнен с направлением 460 ветра, то управление поворотом флюгера 225 относительно конструкции 220 крыльевого паруса фактически является управлением конструкции 220 крыльевого паруса относительно направления 460 ветра. Т.е. поперечное управление соединительной тягой 435 выполняет регулировку угла атаки крыльевого паруса 222 по отношению к направлению 460 ветра.
[0061] При ручном/дистанционном управлении углом атаки электрический привод, такой как электромагнитный клапан, может быть отрегулирован для управления углом атаки путем поперечного перемещения соединительной тяги 235. Как правило, угол атаки будет регулироваться при одновременном осуществлении текущего контроля скорости парусника 220, и предпочтительный угол атаки устанавливается на угол, обеспечивающий максимальную скорость.
[0062] В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения парусник 200 выполнен с возможностью автоматического управления углом атаки для данного направления относительного ветра. Например, вышеупомянутый электрический привод может быть управляемым компьютером приводом для достижения максимальной скорости, как в случае с ручным/дистанционном управлением, или может быть установлен на вышеупомянутый "идеальный" угол атаки на основании определённого направления относительного ветра с использованием,
например, таблицы параметров настройки привода для множества направлений относительного ветра.
[0063] Однако согласно приведенному выше описанию электронное управление балансировкой паруса для достижения необходимого угла атаки потребляет электрическую энергию, а механическое управление балансировкой паруса не потребляет. Кроме того, механическое управление может быстрореагирующим на мгновенные изменения ветра, потому что контуром обратной связи, по сути, является тяга 435 управления. В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения присоединение соединительной тяги 435 к ферме 440 механическим путем изменяет поперечное положение соединительной тяги 435 относительно фермы 440, так как изменяется направление движения 455 (и, соответственно, относительная ориентация парусника 200) относительно направления 460 ветра.
[0064] На. Фиг. 4С изображен кулачок 470, который жестко прикреплен к ферме 440 и, таким образом, жестко прикреплен к паруснику 200. Соединительная тяга 435 содержит штырь, заходящий в криволинейный паз 471, и криволинейный паз 471 имеет форму, обеспечивающую возможность осуществления поперечного движения соединительной тяги 435 по мере вращения фермы 440 и прикрепленного кулачка 470 относительно конструкции 220 крыльевого паруса; или, другими словами, возможность выполнения поперечного движения соединительной тяги 435 по мере поворота конструкции 220 крыльевого паруса относительно ориентации парусника 200. Т.е. если ориентация парусника 200 будет изменяться вследствие смены курса, или если изменение направления 460 ветра будет вызывать изменение ориентации конструкции 220 крыльевого паруса относительно ориентации парусника 220, то кулачок 470 будет вызывать соответствующее поперечное изменение для соединительной тяги 435, тем самым изменяя угол атаки крыльевого паруса 222 (для ясность иллюстрации на фиг. 4С-4Е не изображено) на основании этого
изменения направления 460 ветра относительно направления движения парусника 200.
[0065] Согласно приведенному выше описанию идеальный угол атаки может быть определен для заданного направления относительного ветра и заданной формы крыльевого паруса 222. Соответственно криволинейный паз 471 может быть создан для обеспечения поперечного изменения для достижения идеального угла атаки для всех направлений относительного ветра. Т.е. форма кулачка является механическим вариантом реализации алгоритма управления.
[0066] На фиг. 4С изображен примерной кулачок 470 с криволинейным пазом 471, когда парусник 200 и конструкция 220 крыльевого паруса находится в "нейтральном" положении относительно направления ветра, в котором крыльевой парус 222 и флюгер 225 выровнены с направлением 460 попутного ветра. Согласно изображению на фиг. 4С криволинейный паз 471 будет вводить по существу линейное поперечное перемещение соединительной тяги 435 при повороте кулачка 470 по часовой стрелке или против часовой стрелки посредством поворота жестко прикрепленной фермы 440 (т.е. изменение ориентации парусника относительно нейтрального положения на ветер 460).
[0067] Согласно фиг. 4D поворот кулачка 470 по часовой стрелке вызовет перемещение соединительной тяги 435 к центру кулачка 470, как показано стрелкой 478, вызывая поворот флюгера 225 в направлении против часовой стрелки вокруг его оси 425 поворота, размещённой на конструкции 220 крыльевого паруса. Поскольку при минимальном сопротивлении вращению флюгер 225 будет постоянно выравниваться с направлением ветра, то такой поворот флюгера 225 против часовой стрелки относительно конструкции 220 крыльевого паруса будет отклонять крыльевой парус 222 относительно направления 462 ветра в направлении поворота по часовой стрелке, устанавливая
угол атаки, размещающей правую поверхность крыльевого паруса 222 на подветренном борту от ветра 462 подобно ориентации конструкции 220 крыльевого паруса относительно парусника 200, которая изображена на фиг. 4В. Эта ориентация правой поверхности крыльевого паруса 222 на подветренном борту от ветра 462 вводит подъемную силу с составляющей, ориентированной вперед относительно парусника 200, и составляющей дрейфа вправо.
[0068] Согласно фиг. 4Е поворот кулачка 470 против часовой стрелки будет вызывать перемещение соединительной тяги 435 от центр кулачка 470, как показано стрелкой 479, инициируя поворот флюгера 225 по часовой стрелке вокруг его оси 425 поворота, расположенной на конструкции 220 крыльевого паруса. Этот поворот по часовой стрелке вызывает поворот крыльевого паруса 222 против часовой стрелки относительно направления 464 ветра, устанавливая угол атаки крыльевого паруса 222, который размещает левую поверхность крыльевого паруса 222 на подветренном борту от ветра. Эта ориентация левой поверхности крыльевого паруса 222 на подветренном борту от ветра вызывает подъемную силу с составляющей, ориентированной вперед относительно парусника 200, и составляющей дрейфа влево.
[0069] Поперечный градиент, обеспеченный криволинейным пазом 471, определяет угол атаки, который обеспечивается по мере вращения кулачка 470 (или парусника 200) относительно направления ветра. Согласно фиг. 4D и 4Е, поскольку поворот кулачка 470 против часовой стрелки на фиг. 4Е больше, чем поворот кулачка 470 по часовой стрелке на фиг. 4D, угол атаки на фиг. 4Е больше, чем угол атаки на фиг. 4D. То есть угол атаки, основанный на повороте кулачка 470, варьируется в зависимости от угла поворота, обеспечивая возможность управления угла атаки криволинейным пазом 471 для достижения идеального угла атаки для всех направлений относительного ветра.
[0070] Кроме того, согласно изображению формы криволинейного паза 471 на фиг. 4Е дальнейший поворот кулачка 470 против часовой стрелки за пределами изображенной ориентации будет создавать незначительное изменение поперечного положения соединительной тяги 435, соответствующего идеальному углу атаки, который перекрывает широкий диапазон направлений относительного ветра. В некоторый момент дальнейший поворот кулачка 470 против часовой стрелки вызовет подтягивание соединительной тяги 435 к центру кулачка 470, уменьшающее угол атаки.
[0071] При дальнейшем приращении направления относительного ветра, с направлением движения, совпадающим с направлением ветра (движение "по ветру"), конструкция 220 крыльевого паруса продолжает вращаться, размещая крыльевой парус 222 перед фермой 440. В конечном счете конструкция 220 крыльевого паруса может быть выровнена с направлением ветра, исходящего сзади парусника 200. Такое выравнивание не будет создавать перепада давлений и, соответственно, не будет создавать подъемной силы. Как известно в уровне техники, относящейся к мореходству, движение под парусом непосредственно по ветру не является эффективной точкой паруса, даже если поверхность паруса ориентирована перпендикулярно ветру, и движение под парусом на запасных рекомендованных курсах (галсы) в направлениях, которые не являются непосредственно подветренными, в целом обеспечит более быстрый маршрут к подветренной цели. Соответственно, в варианте реализации настоящего изобретения система навигации и управления может быть выполнена с возможностью исключения крайнего движения под парусом по ветру, тем самым избегая ориентации крыльевого паруса 222 в одну линию с направление ветра, заходящего сзади парусника 200.
[0072] В качестве альтернативного варианта реализации криволинейный паз 471 может быть создан для обеспечения "разрывности" таким образом, чтобы конструкция 220 крыльевого
паруса была ограничена минимальным углом атаки (положительным или отрицательным) при движении по ветру. В направлениях ветра, которые обычно обеспечивали бы угол атаки между положительным и отрицательным минимальными углами, состояние кулачка "неустойчиво", что вызывает перемещение соединительной тяги 235 в положение, которое создает положительный или отрицательный минимальный угол атаки ("поворот через фордевинд" на один или другой галс). Таким образом, крыльевой парус будет всегда представлять некоторое сопротивление ветру, исходящему сзади парусника 200, вызывая продвижение вперед.
[0073] Несмотря на то, что для снижения энергопотребления предпочтительным является использование раскрытой в приведенном выше описании механической системы самобалансировки, тем не менее, для обеспечения прямого управления поворотом конструкции 220 крыльевого паруса при необходимости также может быть обеспечен двигатель. Например, согласно приведенному выше описанию перед инициированием процесса самовыравнивания может возникнуть необходимость расположения конструкции 220 крыльевого паруса в "нейтральное" положение относительно вращения вокруг мачты 410 во избежание столкновения с другими элементами парусника при повороте конструкции 220 крыльевого паруса вокруг оси 242, и для обеспечения такого управляемого поворота вокруг мачты 410 может быть использован двигатель.
[0074] В качестве необязательного условия, если для вращения конструкции 220 крыльевого паруса вокруг мачты 410 обеспечен двигатель, то такой двигатель может быть использован для обеспечения других функций. Например, двигатель также может быть выполнен с возможностью функционирования в качестве генератора. В режиме механического самобалансировки изменения ветра, или изменения углу атаки при перемещении парусника по волнам, будут вызывать случайные колебания конструкции 220 крыльевого паруса вокруг мачты
410. Если двигатель будет сконфигурирован в качестве генератора, то эти колебания вокруг мачты 410 будут создавать электрическую энергию, которая может быть использована или аккумулирована. Кроме того, поскольку генератор вводит инерционное сопротивление, которое пропорционально его нагрузке, то такой нагрузкой можно управлять для введения необходимой величины демпфирования колебаний, чтобы обеспечить более устойчивое продвижение и уменьшить износ, вызванный чрезмерными колебаниями.
[0075] При любых обстоятельствах, независимо от направления относительного ветра и обеспеченного угла атаки, система навигации и управления парусника 200 предпочтительно выполнена с возможностью активации вспомогательной двигательной установки 235, если определено, что парусник 200 не продвигается в достаточной степени к целевой зоне или перемещается за пределы назначенного ему района наблюдения. В течение этих периодов вышеупомянутое использование генератора, создающего электричество при колебании конструкции 220 крыльевого паруса вокруг мачты 410, может быть применено для компенсации части энергии, потребленной вспомогательной двигательной установкой 235, и демпфирования колебаний, особенно при изменении ветров или сильном волнении моря.
[0076] На фиг. 5 изображена примерная блок-схема систем связи, управления и контроля обычного автономного парусника.
[0077] Управляющая вычислительная машина 510 прежде всего координирует работу оборудования на паруснике, несмотря на то, что часть оборудования может работать автономно или полуавтономно. Например, в некоторых вариантах реализации всеми внешними взаимодействиями управляет вычислительная машина 510, тогда как в других вариантах реализации устройства отправляют и принимают сообщения непосредственно к отдельным устройствам связи и от них. Подобным образом степень взаимодействия и управления бортовой
аппаратурой, выполняющей связанный с конкретной миссией текущий контроль, осуществляемых управляющей вычислительной машиной 510, может изменяться в зависимости от конкретной миссии и/или конкретного типа текущего контроля.
[0078] Несмотря на то, что на фиг. 5 управляющая вычислительная машина 510 изображена в виде одного блока, такая вычислительная машина может содержать множество систем обработки данных, включая, например, системы резервирования для отказоустойчивой работы и/или встроенные системы, настроенные для конкретных задач, таких как навигация. Функционирование управляющей вычислительной машины 510 лучше всего можно понять в контексте оборудования, расположенного на борту, с которым вычислительная машина 510 взаимодействует следующим образом.
[0079] Основным элементом оборудования для автономного парусника является GPS-приемник 515, который принимает сообщения от множества спутников, из которых определяются широта и долгота приемника 515 (и таким образом положение парусника). В зависимости от возможностей GPS-приемника 515 также может быть предоставлена другая информация, такая как скорость и направление движения; или другой элемент, такой как управляющая вычислительная машина 510 может определить скорость и направление движения на основании переданных данных о местоположениях относительно времени. Эта информация предоставляется по коммуникационной шине 501 для использования любым из устройств на этой шине 501. Согласно приведенному выше описанию управляющая вычислительная машина 510 может использовать текущее положение парусника для определения маршрута к целевой зоне, может использовать скорость и информацию о направлении движения для регулировки руля для введения поправки на дрейф и т.д. Информация о местоположении также может быть включена в каждое из сообщений контроля, которые передаются от парусника.
[0080] Другим основным элементом оборудования для автономного парусника является устройство связи, предназначенное для передачи контролируемой информации. В примере на фиг. 5 обеспечено множество устройств 520, 525 спутниковой связи, хотя может быть обеспечено меньшее или большее количество устройств связи. Примерной приемопередатчик 520 спутниковой связи является традиционной спутниковой системой обмена сообщениями, такой как приемопередатчик на основе Иридия. Приемопередатчик 520 принимает сообщения, которые адресованы паруснику, и предоставляет эти сообщения на шине 501. Конкретный парусник может иметь множество адресов, такие как адрес для приема связанных с парусником сообщений (например, навигационные сообщения) и другой адрес для приема сообщений, связанных с бортовой аппаратурой (например, сообщения управления контрольной аппаратурой); в качестве альтернативы все сообщения могут быть направлены на один адрес, и протокол сообщений может быть установлен для распознавания принятых сообщений. В некоторых конфигурациях группам парусников присвоен общий адрес для приема сообщений, относящихся к " группе судов" или "под группе судов". Управляющая вычислительная машина 510 может быть выполнена с возможностью приема и обработки сообщений для передачи конкретной информации конкретным устройствам, и/или некоторые устройства могут быть выполнены с возможностью непосредственного приема и обработки конкретных сообщения.
[0081] Подобным образом сообщения могут быть переданы от парусника посредством приемопередатчика 520. Эти сообщения могут быть отформатированы управляющей вычислительной машиной 510 на основании информации, принятой от устройств на паруснике, или некоторые устройства могут быть выполнены с возможностью предоставления сообщений непосредственно приемопередатчику 520. Сообщения могут быть адресованы на общий адрес, полагаясь на приемник в этом адресе, который направит сообщения надлежащим
получателям, и/или могут быть использованы различные адреса для непосредственной передачи конкретных сообщений конкретным получателям.
[0082] Возможность использования коммерческой системы спутниковой связи для передачи и приема сообщений обеспечивает существенную гибкость формы и содержания сообщений. Пользовательские форматы могут быть определены для этих сообщений с использованием, например, схем HTML. В некоторых вариантах реализации может быть использовано сочетание пользовательских и стандартных форматов. Например, Национальная ассоциация судовой электронной аппаратуры (NMEA) предоставляет стандарт протокола, NMEA 2000, используемый для передачи навигационной, управляющей, контрольной и другой информации среди судовых устройств. Управляющая вычислительная машина 510 может быть выполнена с возможностью, например, отправки и приема отформатированных NMEA-сообщений к и от береговой станции контроля и управления (обозначенной ссылочным номером 50 на фиг. 1) посредством приемопередатчика 520.
[0083] Однако гибкость, обеспеченная использованием традиционной спутниковой системы обмена сообщениями, может потребовать существенного расходования ресурсов на паруснике и может повлечь значительные денежные расходы для получения доступа к этой услуге. Особенно следует отметить, что перед отправкой или приемом каждого сообщения со спутником должно быть установлено линия синхронизации, и эта линия связи должна сохраняться в течение приема/передачи сообщения. Кроме того, каждый парусник в группе судов "борется" друг с другом за спутниковый канал связи для установления линии синхронизации. Создание, передача, прием и декодирование этих сообщений расходует электрическую энергию, и, после электрической двигательной установки, может выступать крупнейшим потребителем электрической энергии на паруснике.
[0084] В качестве необязательного условия для передачи обычной информации может быть использована маломощная система спутниковой связи с ограниченными возможностями. Например, активируемая датчиками система оповещения (SENS) специально предназначен для эффективной передачи контролируемой информации. В примере на фиг. 5 SENS-трансмиттер (или SENS-приемопередатчик) 525 используются для передачи части контролируемой информации, тем самым разгружая программный модуль передачи этой информации посредством высокоэнергоемкого приемопередатчика 520.
[0085] SENS-трансмиттер 525 передает относительно короткие сообщения (примерно 80 байтов) периодически и/или когда инициировано событие передачи информации. Эти сообщения обычно содержат идентификатор трансмиттера 525, текущее GPS-положение и значения параметров, передаваемых от одного или более датчиков/контрольных устройств. SENS-трансмиттер 525 осуществляет широковещательную передачу каждого сообщения автономно, не требуя установления линии синхронизации со спутниковой системой, тем самым экономит значительное количество времени и энергии, обычно требуемой для спутниковой связи. Поскольку сообщения SENS используют фиксированный формат, создание этих сообщений может быть оптимизировано, дополнительно уменьшая время и ресурсы, используемые для каждого сообщения.
[0086] В примерном варианте реализации SENS-трансмиттер 525 может быть использован в качестве первоисточника данных местоположения и датчика, и приемопередатчик 520 спутниковой связи может быть использован только при необходимости, в зависимости от требований ситуации. Например, приемопередатчик 520 спутниковой связи может быть использован для приема командного сигнала, предписывающего движение к целевой зоне, и все сообщения, отправляемые парусником по пути следования к целевой зоне,
отправляются посредством SENS-трансмиттера 525. Подобным образом, в момент размещения в целевой зоне регулярные сообщения местоположения и датчика отправляются посредством SENS-трансмиттера 525, а информация от других контрольных устройств может быть передана посредством приемопередатчика 520 спутниковой связи при наступлении конкретных событий.
[0087] Другие коммуникационные системы также могут быть использованы вместо приемопередатчика 520 спутниковой связи. Например, при движении вдоль побережья или на внутренних водных путях могут быть использованы приемопередатчик сотового телефона или WiFi-приемопередатчик 530. В некоторых вариантах реализации WiFi-приемопередатчик 530 использован для соединения вычислительной машины 510 с сетью для приема информации о конфигурации и другой информации перед ее развертыванием и/или для тестирования оборудования на паруснике перед каждым развертыванием. С учетом настоящего описания для специалиста в данной области техники будут очевидны другие средства взаимодействия с оборудованием на паруснике.
[0088] На фиг. 5 также изображено общее оборудование 535-555, используемое для управления парусником. В дополнение или в качестве альтернативного варианта реализации оборудование для специалиста в данной области техники будет очевидно.
[0089] Вспомогательная двигательная установка 535 обеспечивает движение вперед и назад, прежде всего когда крыльевой парус не может обеспечить достаточного продвижения к целевой зоне, не может сохранять свое положение в назначенном районе или когда требуется "независимое от погоды" управление, например, в районах с интенсивным движением.
[0090] Ходовые огни 540 обеспечены прежде всего для использования в районах с интенсивным движением и содержат набор из красных, зеленых и белых ходовых огней.
[0091] Множество связанных с судном контрольных устройств 545 обеспечено для определения состояния парусника и его окружающей среды. Эти контрольные устройства 545 могут содержать, например, контрольное устройство направления и скорости ветра, преобразователь скорости по воде, устройства контроля напряжения и тока, инерционные контрольные устройства, устройство контроля ориентации крыльевого паруса, устройство контроля ориентации руля, устройство контроля угла крена, устройство контроля компасного курса и т.д.
[0092] Система 550 рулевого управления управляет ориентацией руля для поддержания заданного курса, изменения курса, корректировки дрейфа и т.д.
[0093] Система 555 активации выравнивания содержит привод (приводы), необходимый (необходимые) для реализации указанной в приведенном выше описании остойчивости. Приводом можно управлять посредством командных сигналов от управляющей вычислительная машина 510, или система 555 может содержать необходимую электронику для автономного выполнения операций выравнивания и корректировки крена, указанных в приведенном выше описании, на основании переданного или вычисленного угла крена.
[0094] В качестве необязательного условия внешний интерфейс 560 может быть обеспечен, прежде всего, для конфигурации и тестирования оборудования в течение развертывания и до и после каждого развертывания.
[0095] Как отмечено выше, парусник предназначен для транспортировки к целевой зоне груза с оборудованием 570 для
решения специальных задач; это оборудование 570 обычно содержит набор устройств текущего контроля, таких как камеры, преобразователи и т.п., хотя могут быть использованы другие типы устройств. Например, может быть обеспечена трансляционная связь для уведомлений при наступлении конкретных ситуаций, например, при обнаружении судна вблизи зоны ограниченного доступа; также может быть обеспечен микрофон для двухсторонней речевой связи.
[0096] Для включения системы полезной нагрузки в состав системы управления парусника обеспечен интерфейс 565 полезной нагрузки. Такой интерфейс может быть использован для передачи любых командных сигналов текущего контроля, принятых от приемопередатчика 520, передачи контролируемой информации управляющей вычислительной машине 510 или непосредственно приемопередатчикам 520, 525.
[0097] Для подачи питания различному оборудованию на паруснике система 560 регулировки мощности и управления принимает энергию от множества источников и предоставляет требуемую мощность каждому из компонентов парусника. Хотя на чертежах не изображено, каждый из отсеков 260 парусника 200 на фиг. 2А предварительно соединяется проводом для обеспечения доступа к энергии от системы 560, а также доступа к шине 501 данных или другим бортовым сетям. В некотором варианте реализации применяется система приоритетов, согласно которой ответственное оборудование в случае необходимости гарантированно обеспечивается энергией. Например, если располагаемая мощность уменьшается, часть оборудования может быть отключена, а ответственное оборудование, такое как системы рулевого управления и приведения в действие выравнивания, остается активированным.
[0098] Система 560 регулирования мощности принимает энергию от солнечных панелей 585, которые установлены на паруснике, и
система 590 аккумуляторов аккумулирует часть этой энергии для обеспечения питания, когда солнечные панели 585 не создают электричество. При необходимости оборудование электрического движителя (235 на фиг. 2А) может быть выполнено включающим генератор, вырабатывающий электричество, когда крыльевой парус продвигает парусник. Предпочтительно электрическая двигательная установка создает минимальное сопротивление при движении парусника под парусом с малыми скоростями и создает нагрузку генератора, только когда созданная подъемная сила достаточна для поддержки этой нагрузки, одновременно поддерживая заданную минимальную скорость.
[0099] Представленное выше описание только поясняет принципы настоящего изобретения. Таким образом, будет понятно, что специалисты в данной области техники смогут придумать различные расположения, которые, несмотря на то, что явным образом не описаны или не показаны в настоящем описании, реализуют принципы настоящего изобретения и, таким образом, охватываются сущностью и объемом настоящего изобретения. Например, несмотря на то, что парусник разработан с возможностью сохранения работоспособности при столкновении с большими судами, тем не менее, парусник может быть выполнен с возможностью вмещения А15-(система автоматической идентификации) приемника, принимающего информацию о положении, переданную торговыми судами и другими судами, оборудованными AIS-приемопередатчиком. Во избежание столкновений управляющая вычислительная машина 510 может быть выполнена с возможностью временной регулировки направления движения на основании принятой информации AIS. Эти и другие особенности системной конфигурации и оптимизации будут очевидны для специалиста в данной области техники ввиду настоящего изобретения и содержатся в объеме представленных ниже пунктов формулы изобретения.
[00100] При интерпретации признаков формулы изобретения нужно понимать, что:
a) слово "содержащий" не исключает присутствие других элементов или действий, отличных от перечисленных в данном пункте формулы изобретения;
b) единственное число элемента не исключают множество таких элементов;
c) любая ссылочные знаки в пунктах формулы изобретения не ограничивают свой объем;
d) несколько "средств" могут быть представлены одинаковым элементом или аппаратно- или программно-реализованной структурой или функцией;
e) каждый из раскрытых элементов может состоять из комбинации аппаратных частей (например, включающих отдельную и встроенную электронную схему) и частей программного обеспечения (например, программирование вычислительной машины).
f) аппаратные части могут содержать процессор, и части программного обеспечения могут быть запомнены на постоянном компьютером считываемом носителе и могут быть выполнены с возможностью предписания процессору выполнения некоторых или всех функций одного или более раскрытых элементов;
д) аппаратные части могут состоять из аналоговых и/или цифровых частей;
п) любое из раскрытых устройств или его частей может быть объединено вместе или разделено на дополнительные части, если иное явным образом не оговорено;
i) никакая конкретная последовательность действий не требуется, пока прямо не указано; и
j) термин "множество" элементов содержит два или более заявленных элементов и не предполагает конкретного диапазона числа элементов; т.е. множество элементов может быть только двумя элементами и может содержать неизмеримое число элементов.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Парусник, содержащий:
множество корпусов, расположенных параллельно друг другу и соединенных вместе ферменной конструкцией,
конструкцию крыльевого паруса, которая выполнена с возможностью поворота вокруг первой оси поворота, перпендикулярной к плоскости корпусов, и второй оси поворота, параллельной корпусам, и
систему обеспечения остойчивости, выполненную с возможностью поворота конструкции крыльевого паруса вокруг второй оси поворота при обнаружении опрокидывания парусника.
2. Парусник по п. 1, в котором конструкция крыльевого паруса содержит элемент обеспечения плавучести, служащий для облегчения выравнивания парусника при повороте конструкции крыльевого паруса системой обеспечения остойчивости.
3. Парусник по п. 2, в котором элемент обеспечения плавучести содержит крыльевой парус.
4. Парусник по п. 3, в котором элемент обеспечения плавучести содержит бульбообразный поплавок над крыльевым парусом.
5. Парусник по п. 1, содержащий киль, который выполнен с возможностью поворота вокруг оси поворота киля, параллельной корпусам.
6. Парусник по п. 5, в котором киль жестко прикреплен к конструкции крыльевого паруса, и ось поворота киля соответствует второй оси поворота.
7. Парусник по п. 1, содержащий систему управления, которая выполнена с возможностью обнаружения, произошло ли опрокидывание,
2.
и активации системы обеспечения остойчивости при обнаружении опрокидывания.
8. Парусник по п. 7, в котором система управления выполнена с возможностью обнаружения угла крена и активации системы обеспечения остойчивости до обнаружения опрокидывания на основании обнаруженного угла крена.
9. Парусник по п. 1, содержащий одну или более солнечных панелей, которые обеспечивают энергию, требуемую для активации системы обеспечения остойчивости.
10. Парусник по п. 1, содержащий руль и систему навигации и управления, которая выполнена с возможностью управления ориентацией руля для создания направления движения парусника к целевой зоне.
11. Парусник по п. 1, в котором конструкция крыльевого паруса содержит крыльевой парус, обеспечивающий подъемную силу для продвижения парусника вперед.
12. Парусник по п. 11, в котором конструкция крыльевого паруса содержит флюгер, поворачивающийся на конструкции крыльевого паруса таким образом, чтобы постоянно совпадать с текущим направлением ветра.
13. Парусник по п. 12, в котором конструкция крыльевого паруса содержит элемент баланса для облегчения поворота конструкции крыльевого паруса вокруг первой оси поворота.
14. Парусник по п. 12, содержащий соединительную тягу, которая выполнена с возможностью управления различием между ориентацией конструкции крыльевого паруса и ориентацией флюгера.
8.
15. Парусник по п. 14, в котором ферменная конструкция содержит кулачок, соединенный с соединительной тягой для управления различием между ориентацией конструкции крыльевого паруса и ориентацией флюгера на основании ориентации ферменной конструкции.
16. Парусник по п. 15, в котором кулачок содержит паз, имеющий форму, обеспечивающую необходимый угол атаки крыльевого паруса на основании ориентации ферменной конструкции.
17. Парусник по п. 1, содержащий один или более водонепроницаемых отсеков для установки аппаратуры контроля.
18. Парусник по п. 17, содержащий одну или более коммуникационных систем для передачи информации от аппаратуры контроля к станции дистанционного контроля.
19. Парусник по п. 18, в котором одна или более коммуникационных систем содержат спутниковый приемопередатчик.
20. Парусник по п. 19, в котором одна или более коммуникационных систем содержат трансмиттер активируемой датчиками системы оповещения (SENS-трансмиттер).
21. Парусник по п. 1, содержащий двигатель, который выполнен с возможностью управления поворотом конструкции крыльевого паруса вокруг первой оси поворота.
22. Парусник по п. 21, в котором двигатель выполнен с возможностью работы в качестве генератора, вырабатывающего энергию по мере колебания конструкции крыльевого паруса вокруг первой оси поворота.
8.
23. Парусник, содержащий:
множество корпусов, расположенных параллельно друг другу и соединенных вместе ферменной конструкцией,
конструкцию крыльевого паруса, которая выполнена с возможностью поворота вокруг первой оси поворота, перпендикулярной к плоскости корпусов, и
систему автоматической балансировки, которая выполнена с возможностью управления поворотом конструкции крыльевого паруса вокруг первой оси поворота;
причем:
конструкция крыльевого паруса содержит:
крыльевой парус, обеспечивающий подъемную силу для продвижения парусника вперед,
флюгер, поворачивающийся на конструкции крыльевого паруса таким образом, чтобы постоянно совпадать с текущим направлением ветра, и
соединительную тягу, выполненную с возможностью управления различием между ориентацией конструкции крыльевого паруса и ориентацией флюгера; а
система автоматической балансировки содержит кулачок, прикрепленный к ферменной конструкции и соединенный с соединительной тягой для управления различием между ориентацией конструкции крыльевого паруса и ориентацией флюгера на основании ориентации ферменной конструкции.
24. Парусник по п. 23, в котором конструкция крыльевого паруса содержит элемент баланса для облегчения поворота конструкции крыльевого паруса вокруг первой оси поворота.
25. Парусник по п. 23, в котором кулачок содержит криволинейный паз, имеющий форму, обеспечивающую необходимый
24.
угол атаки крыльевого паруса на основании ориентации ферменной конструкции.
26. Парусник по п. 23, содержащий двигатель, выполненный с возможностью управления поворотом конструкции крыльевого паруса вокруг первой оси поворота.
27. Парусник по п. 26, в котором двигатель может быть сконфигурирован как генератор, выполненный с возможностью создания энергии по мере колебания конструкции крыльевого паруса вокруг первой оси поворота.
28. Способ выравнивания опрокидываемого парусника в акватории, содержащий поворачивание плавучей структуры мачты вокруг оси, которая параллельна поверхности акватории, для перемещения центра плавучести опрокидываемого парусника от центра тяжести опрокидываемого парусника, тем самым вводя момент выравнивания.
29. Способ самобалансировки парусника, содержащий:
обеспечение конструкции крыльевого паруса, которая
обеспечивает подъемную силу для парусника под заданным углом атаки;
обеспечение конструкции флюгера, которая указывает направление ветра относительно парусника;
соединение конструкции крыльевого паруса и конструкции флюгера посредством кулачка, выполненного с возможностью управления углом атаки крыльевого паруса на основании направления ветра, указанного конструкцией флюгера.
30. Способ по п. 29, в котором кулачок жестко прикреплен к
паруснику таким образом, что его относительная ориентация совпадает с
ориентацией парусника, и соединен с конструкцией флюгера таким
образом, что поворот структуры флюгера вызывает поворот конструкции крыльевого паруса относительно ориентации парусника.
2/6
510
515
Управляющая вычислительная машина
G PS-приемник
6/6
Приемопередатчик спутниковой связи
SENS-трансмиттер
530
Приемопередатчик сотовой связи/WiFi
Вспомогательный движитель
535
540
Ходовые огни
Связанная с судном аппаратура контроля
545
Рулевое управление
550
Активация стабилизации
555
585
580
Внешний интерфейс
565
Интерфейс полезной нагрузки
Оборудование полезной нагрузки
570
К заявке № 201591553
К заявке № 201591553