基于可再生能源的海洋載運(yùn)裝置的設(shè)計(jì)分析（優(yōu)秀含CAD圖紙+設(shè)計(jì)說明書）
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波浪滑翔機(jī)：一種波浪驅(qū)動(dòng)的海洋自主運(yùn)載工具
Roger Hine, Scott Willcox, Graham Hine, and Tim Richardson
Liquid Robotics, Incorporated
1901 Embarcadero Rd., Suite 106
Palo Alto, CA 94303
摘要
波浪滑翔機(jī)是一種新型的自主海洋運(yùn)載工具，它的獨(dú)特性在于具有能利用海洋波浪能直接作為平臺(tái)驅(qū)動(dòng)的能力。本文概述了波浪滑翔機(jī)的結(jié)構(gòu)和功能，并且提出了我們制造的幾種樣機(jī)和當(dāng)前一代的滑翔機(jī)產(chǎn)品通過大量海試得出的測(cè)試結(jié)果。裝置的表現(xiàn)情況在各種海洋環(huán)境條件下得到了描述。裝置完成長時(shí)間大范圍任務(wù)的穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性也已經(jīng)得到驗(yàn)證。裝置的自動(dòng)控制架構(gòu)，也可以解釋為監(jiān)測(cè)平臺(tái)作為外部控制和基于web的接口。最后，我們討論了幾種當(dāng)前已經(jīng)開發(fā)出的或者正在開發(fā)的這種裝置。
介紹
波浪滑翔機(jī)是一種新型的波浪驅(qū)動(dòng)、持續(xù)工作的海洋機(jī)構(gòu)。Roger Hine，這種機(jī)構(gòu)的主要發(fā)明人和Liquid Robotics公司的CEO，在2005年就開始了波浪滑翔機(jī)的開發(fā)工作，夢(mèng)想著設(shè)計(jì)一種新型的無需昂貴的深水錨或者船來運(yùn)作的海洋監(jiān)測(cè)裝置。受到起初樣機(jī)設(shè)計(jì)的立即成功的鼓勵(lì)，Hine先生和幾個(gè)同事建立了Liquid Robotics。在2007年，為了對(duì)此平臺(tái)在科研、商業(yè)和軍事方面的進(jìn)一步的發(fā)展。波浪滑翔機(jī)的關(guān)鍵創(chuàng)新點(diǎn)在于它能利用海洋中豐富的波浪能為機(jī)構(gòu)提供源源不斷的動(dòng)力。兩個(gè)太陽能電池板為這個(gè)裝置的控制電路、信息傳輸系統(tǒng)和負(fù)載持續(xù)的充電。表一給出了第一代波浪動(dòng)力滑翔機(jī)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)能力等各方面的參數(shù)。
平臺(tái)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)原理
波浪滑翔機(jī)是由水下牽引機(jī)和通過柔性纜繩連接的水上浮體組成的雙體結(jié)構(gòu)。波浪滑翔機(jī)受到深水波浪能的驅(qū)動(dòng)并將其轉(zhuǎn)化為向前運(yùn)動(dòng)的推動(dòng)力，且方向獨(dú)立于波浪運(yùn)動(dòng)的方向。圖2。波浪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是純的機(jī)構(gòu)，中間沒有電能的收集與轉(zhuǎn)化。就像一架飛機(jī)在空中向前運(yùn)動(dòng)，機(jī)翼可以產(chǎn)生一個(gè)向上的升力。波浪滑翔機(jī)相對(duì)于深水的垂直運(yùn)動(dòng)可以讓它的翼板將這個(gè)向上的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成一個(gè)向前的推動(dòng)力。當(dāng)波浪經(jīng)過其表面，水下滑翔機(jī)可以拖動(dòng)水上浮體沿著預(yù)定的方向運(yùn)動(dòng)。水上浮體與水下牽引機(jī)的分離是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)點(diǎn)。
工程樣機(jī)和第一代波浪動(dòng)力滑翔機(jī)產(chǎn)品已經(jīng)完成了超過42000海里的運(yùn)動(dòng)和從2009年8月21號(hào)開始最長持續(xù)247天的任務(wù)。
2.推進(jìn)性能和持續(xù)性
在海洋波浪中有易獲得的持續(xù)的能量，水下滑翔機(jī)利用這種能量可以在典型海域一到三英尺浪高的條件下保持1.5kts的平均速度。波浪滑翔機(jī)向前運(yùn)動(dòng)的速度取決于水面波浪的振幅，浮體提供的浮力和水下滑翔機(jī)的重量。波浪滑翔機(jī)的浮力和重力，纜繩的長度調(diào)整保證了它無論是在平靜海域還是波浪較大的海域都可以獲得充足的波浪驅(qū)動(dòng)表現(xiàn)能力。
A.高海況
波浪動(dòng)力滑翔機(jī)裝置在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮到了承受極端海況的能力。最終，波浪滑翔機(jī)的承受能力只受它的翼板的限制，正如它的驅(qū)動(dòng)力是充分的不受限制的。在2007年的Flossie颶風(fēng)中，波浪滑翔機(jī)已經(jīng)證明了其可以承受10英尺的海浪和40+的風(fēng)速。當(dāng)時(shí)“Red Flash”號(hào)波浪滑翔機(jī)正在加利福尼亞海岸進(jìn)行調(diào)查。除了它的工程組件，波浪滑翔機(jī)同樣展現(xiàn)了它海錨的自然特性，這可以幫助它度過極端天氣。當(dāng)海面變得極度波蕩時(shí)，波浪滑翔機(jī)似乎在挖波浪一樣。浮體的浮力可以被水下滑翔機(jī)的垂直拖動(dòng)克服，并且?guī)?dòng)水上浮體穿過中間的大波浪。這種表現(xiàn)就像一個(gè)自然的統(tǒng)治者一樣把施加在機(jī)構(gòu)上的最大力限制住了。未來的設(shè)計(jì)可以通過加強(qiáng)翼板和提供一個(gè)可以限制水翼擺動(dòng)角度的機(jī)構(gòu)來突出這種特點(diǎn)?？偠灾禄铏C(jī)已經(jīng)展示了其可以在極端海況中正常運(yùn)行超過八個(gè)月的令人贊嘆的強(qiáng)度。
B.低海況
相反的非常平靜的海況也給波浪滑翔機(jī)成功的完成任務(wù)制造了挑戰(zhàn)。沒有了可以利用的波浪能，波浪滑翔機(jī)可能將不會(huì)維持制定航線，并且不可以保持它的位置。萬幸的是，海洋極少情況下是平靜的，并且沒有多少時(shí)間可以保持這種平靜。正如在圖4里描述的一樣，波浪滑翔機(jī)已經(jīng)被設(shè)計(jì)成可以實(shí)現(xiàn)充分的前行速度，即使是在非常溫和的海況中（例如波高僅有幾英尺或更少）。即使在這些極端平靜的狀況下，波浪滑翔機(jī)也能夠維持0.25到0.5kts左右的前行速度。這個(gè)速度已經(jīng)充分允許裝置面對(duì)典型海綿狀況時(shí)保持自己的位置。
3.平臺(tái)功能
A．電池板和太陽能
波浪滑翔機(jī)裝有665wh的可充電鋰電池用來提供勘察、控制、信息傳輸和負(fù)載等所需的能量。這個(gè)供電系統(tǒng)由七個(gè)互相隔離的智能電池組組成。只有兩個(gè)電池在任何時(shí)候都在使用，每個(gè)電池都有獨(dú)立的交換和控制模塊。波浪滑翔機(jī)的勘察、控制和信息傳輸系統(tǒng)僅需要平均約0.7w的持續(xù)的能量。波浪滑翔機(jī)在沒有電量供應(yīng)的最長的任務(wù)持續(xù)時(shí)間是大約23天。如果搭載了更多負(fù)載的話，這個(gè)持續(xù)能力將會(huì)下降。
為了實(shí)現(xiàn)波浪滑翔機(jī)長時(shí)序工作的設(shè)計(jì)要求，被導(dǎo)航、控制、信息傳輸所消耗的能量必須得到補(bǔ)充。為了滿足這個(gè)需求，波浪動(dòng)力滑翔機(jī)裝載有兩塊光伏太陽能電池板，每塊估計(jì)可以輸出最高43w電能。但在實(shí)際中，太陽能電池板所能輸出的電量遠(yuǎn)不足兩塊理想狀況下的86w的輸出之和。工作緯度和一年之中所處的季節(jié)對(duì)裝置中太陽能電池板收集和轉(zhuǎn)化太陽能的效率有明顯的影響。這些因素決定了一天之中太陽光的時(shí)間和對(duì)電池板的入射角度。其他因素比如云層也會(huì)影響太陽能電池板的轉(zhuǎn)化功率。圖5描述了一年之中和不同位置下總?cè)肷涮柲芮邥r(shí)/平方米/每天的可變的函數(shù)。（在每個(gè)位置都使用了平均氣候參考）。在低緯度地區(qū)，比如在Liquid Robotic海岸的公司中心夏威夷—整年都會(huì)保持極高的太陽能入射總量。在高緯度地區(qū)，比如Nome, AK and Punta Arenas, Chile，一年之中會(huì)經(jīng)歷夏天的高峰值和冬天的低谷期。這里同樣也有一些其他的因素影響著太陽能電池板的持續(xù)收集的平均能量，包括光級(jí)、溫度、著色、污垢和轉(zhuǎn)化存儲(chǔ)效率等。當(dāng)把這些因素考慮在一起的時(shí)候，就顯著減少了負(fù)載可獲得的持續(xù)的能量供應(yīng)，下降了大約10瓦特。
但對(duì)于某些設(shè)備，雖然只有幾瓦特也足夠使用了—比如相機(jī)和接收器，其余的能量可以用來實(shí)現(xiàn)波浪滑翔機(jī)平臺(tái)上搭載的負(fù)載的全部潛力和功能，尤其是當(dāng)波浪動(dòng)力滑翔機(jī)在更高的緯度運(yùn)行的時(shí)候。Liquid Robotics公司正在開發(fā)一種機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)利用波浪能收集小規(guī)模能量（2—20W）的概念，用來滿足這些裝置的能量需求。正如在圖6中展示的那樣，這些平均的能量在海面波浪中是持續(xù)且易獲得的，即使是小的長的波浪。另外，更大型號(hào)的光伏電池板也可以安裝在波浪動(dòng)力滑翔機(jī)上，通過增加波浪動(dòng)力滑翔機(jī)的表面積來實(shí)現(xiàn)。
B.航向和位置保持。
波浪滑翔機(jī)主要依賴擁有12個(gè)頻道的GPS接收器作為主要的導(dǎo)航傳感器，同時(shí)也帶有陀螺儀和三軸加速度計(jì)。一些新興的機(jī)構(gòu)也帶有水速度傳感器用來短期的航跡推算。波浪滑翔機(jī)典型的航行精度是高于3米。
波浪滑翔機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航來實(shí)現(xiàn)航跡和位置保持。它已經(jīng)展示了可以在開放海域保持位置或者在沿海誤差只有25米的能力。如圖6所示。這與在深海狀況下系泊工具保持能力形成了鮮明的對(duì)比。
C.信息傳輸、操作和控制。
波浪動(dòng)力滑翔機(jī)的信息傳輸和控制系統(tǒng)在圖7中展示了出來。波浪動(dòng)力滑翔機(jī)通過一個(gè)簡(jiǎn)單的基于web的控制和指揮接口來實(shí)現(xiàn)操控。每一個(gè)波浪動(dòng)力滑翔機(jī)通過銥調(diào)制解調(diào)器通訊會(huì)話來實(shí)現(xiàn)與海岸上基站的聯(lián)系，這些可以通過衛(wèi)星接收信息并且把數(shù)據(jù)傳送到互聯(lián)網(wǎng)上去。這些傳輸發(fā)生在可配置的間隔時(shí)間段內(nèi)，通常是每隔五到十五分鐘左右。通過使用基于web的網(wǎng)絡(luò)控制和指揮接口，每一個(gè)操作者（被授權(quán)）可以從任何的可以網(wǎng)絡(luò)連接的電腦上、PDA、個(gè)人電話上控制任何波浪動(dòng)力滑翔機(jī)。類似的，用戶可以監(jiān)控裝置的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和在需要的基礎(chǔ)上查看數(shù)據(jù)。
波浪動(dòng)力滑翔機(jī)同樣攜帶者短范圍、高帶寬廣播的調(diào)制調(diào)解器，主要用來岸邊基站和裝置運(yùn)行之間的信息交流。射頻調(diào)制調(diào)解器給裝置指揮和控制提供了更快的更新速率，并且允許大量的裝置狀態(tài)和負(fù)載的數(shù)據(jù)從機(jī)構(gòu)上轉(zhuǎn)化出來。最終，每周通訊調(diào)制解調(diào)器已經(jīng)由波浪動(dòng)力滑翔機(jī)裝載著并進(jìn)行著試驗(yàn)應(yīng)用。
圖9展示了波浪滑翔機(jī)指揮和控制的交互界面。這個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的工具允許操作者利用單個(gè)程序?qū)讉€(gè)裝置實(shí)現(xiàn)命令和監(jiān)控。一個(gè)基于賬戶登錄的方案允許操作者利用各種方式進(jìn)行操作活動(dòng)，從任何可以連接的電腦，包括支持網(wǎng)頁瀏覽的手機(jī)。
D負(fù)載
波浪動(dòng)力滑翔機(jī)已經(jīng)模塊化各種機(jī)械、電器和軟件來允許接受各種各樣的接口和有效負(fù)載模塊。圖10.所有的指揮、控制、信息傳輸和航行電器包含在一個(gè)核心的電力模塊之中，這個(gè)模塊也同樣安裝著電池和他們的傳輸設(shè)備。船頭和船尾安裝著大多數(shù)負(fù)載模塊，支持電子負(fù)載傳感器系統(tǒng)。
幾個(gè)波浪動(dòng)力滑翔機(jī)上的負(fù)載模塊已經(jīng)被展示出來，包括被動(dòng)聲吶系統(tǒng)、拖水聽器陣列，海洋氣象站、相機(jī)、攝像機(jī)和聲學(xué)多普勒流速剖面儀。最近一代的波浪動(dòng)力滑翔機(jī)拖一個(gè)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)，其本身的聲學(xué)調(diào)制調(diào)解器拖曳著很長的電纜。最近，支持電子已經(jīng)集成到波浪動(dòng)力滑翔機(jī)的浮體上，未來計(jì)劃有效載荷包括水文傳感器,如電導(dǎo)率、溫度、和深度(供)傳感器和單波束基底分析聲波等。
在于PMEL實(shí)驗(yàn)室合作的過程中，我們正努力將二氧化碳分壓和海水PH傳感器裝置搭載到平臺(tái)上，這種裝置的發(fā)展和集成到波浪滑翔機(jī)平臺(tái)上的有效負(fù)載的描述、對(duì)于二氧化碳學(xué)科的發(fā)展將會(huì)通過網(wǎng)絡(luò)控制這個(gè)機(jī)構(gòu)，并且在公司的文件中提供出來。
4.工程試驗(yàn)和測(cè)試能力。
在過去的兩年半的時(shí)間內(nèi)，Liquid Robotics公司在追求一個(gè)更好的海上速度性能,耐力和適航性作為主要驅(qū)動(dòng)力的樣機(jī)原型和裝置結(jié)構(gòu)的發(fā)展規(guī)劃。表3. 當(dāng)前一代的波浪動(dòng)力滑翔機(jī)受益于超過五年的聯(lián)合海上時(shí)間和累計(jì)超過42000海里的任務(wù)。LRI已經(jīng)獲得許可，由美國海岸警衛(wèi)隊(duì)保持波浪滑行測(cè)試，范圍在中斷區(qū)域離岸從Puako到夏威夷島。這個(gè)測(cè)試范圍是毗鄰LRI附近的海洋作戰(zhàn)中心Kawaihae港口。所有最初的工程試驗(yàn)和操作都在 Puako內(nèi)部通過了驗(yàn)收測(cè)試。
一旦最初的試驗(yàn)已經(jīng)圓滿完成,額外的測(cè)試暴露出波滑翔機(jī)更廣泛的海洋條件進(jìn)行離岸更遠(yuǎn)的地方。例如,圖11(左)顯示的軌跡滑翔機(jī)車輛“紅色閃光”的浪潮，環(huán)顧夏威夷的大島在國際水域,2009年1月這9到18,2009年,敝中斷任務(wù)的車輛 在9天完成,2小時(shí)平均速度超過地面的1.57節(jié)。在此任務(wù)估計(jì)海洋條件10英尺海洋和15 kt風(fēng)(Ses狀態(tài)5),圖11(中)。類似的工程試驗(yàn)和示范是同時(shí)進(jìn)行的加州海岸,從莫斯蘭丁(蒙特雷灣)圣地亞哥17-28 4月,2009年,圖11(右)。這個(gè)任務(wù)持續(xù)了11天,2小時(shí),覆蓋403敝中斷,平均速度超過地面的1.53節(jié)。額外的長期任務(wù)正在進(jìn)行中,包括數(shù)月,盆地規(guī)模的海洋運(yùn)輸。最后,作為一個(gè)工程持久試驗(yàn),一個(gè)波滑翔機(jī)進(jìn)行位置保持任務(wù)在我們的Puako測(cè)試范圍、使用頻繁的公海。到目前為止,這波滑翔機(jī)積累了6200多個(gè)敝中斷和八個(gè)月的連續(xù)操作。我們的目標(biāo)是證明波浪動(dòng)力滑翔機(jī)可以完成超過一整年的連續(xù)操作任務(wù)。
結(jié)論
通過廣泛的工程實(shí)驗(yàn)和示范，波浪動(dòng)力滑翔機(jī)可以在開放的海洋和沿岸海洋上進(jìn)行長期獨(dú)立運(yùn)作的能力已經(jīng)牢固確立。我們堅(jiān)信波浪動(dòng)力滑翔機(jī)在經(jīng)濟(jì)、對(duì)于開放海域和沿海地帶的科學(xué)研究、商業(yè)、軍事工作等領(lǐng)域代表著一個(gè)重大的進(jìn)步。幾個(gè)能夠進(jìn)行科學(xué)研究和適用于軍事領(lǐng)域的負(fù)載裝置正處于集成到波浪動(dòng)力滑翔機(jī)的過程之中。
參考文獻(xiàn)
[1] S. Willcox, C. Meinig, C. Sabine, N. Lawrence-Slavas, T. Richardson, R. Hine, and J. Manley, “An Autonomous Mobile Platform for Underway Surface Carbon Measurements in Open-Ocean and Coastal Waters,” to appear in Proceedings of MTS/IEEE Oceans 2009 Conference, Biloxi, MS, Oct 26-29, 2009
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