基于被动阻尼板与振荡气室耦合增益的小型无人船内置补能装置、方法及系统

本发明涉及一种基于被动阻尼板与振荡气室耦合增益的小型无人船内置补能装置、方法及系统，属于无人船水动力调节。

背景技术：

1、随着海洋环境监测、海上巡检、无人侦察、资源调查以及自主作业等任务的发展，小型无人船因具有体积小、机动性强、部署灵活以及无需人员长期值守等特点，在近海及复杂海域得到越来越广泛的应用。对于需要长时间执行海上任务的小型无人船而言，能源储存容量直接影响其连续作业时间和任务范围。现有小型无人船主要采用蓄电池、燃油动力或混合能源系统提供动力，当无人船执行长时间巡航、定点监测或低速待机任务时，能源消耗会限制其持续工作能力。

2、海洋波浪具有持续存在和分布广泛的特点，将波浪能转换功能集成至小型无人船，可以利用无人船在海上作业过程中受到的波浪作用获取辅助能源，从而在一定程度上降低船载能源系统的能量消耗并延长无人船连续作业时间。然而，若采用外置于船体的取能结构，其结构重量及附加水动力特性会对无人船的性能产生较大影响，容易增加船体迎流面积和湿表面积，并产生额外的水动力阻力，同时可能影响无人船原有的快速性、操纵性和设备布置空间。

3、目前，已有部分技术方案尝试将波浪能采集技术应用于无人船。例如，公开号为cn120537660a的发明专利申请公开了一种基于非线性惯容和x结构的无人船波浪能采集装置，通过x结构能量采集器连接船体与振动平台，利用两者在波浪作用下的相对位移实现发电，但其获能结构较大，增加了装置的部署复杂性和制造成本。公开号为cn115593576a的专利申请公开了一种应用于无人船的多模态波浪能发电降阻增程装置，通过浮子、液压机构及惯性转子的机械运动进行能量转换，其运动调节与能量获取主要相互独立，获能机理不同且未形成通过被动阻尼板调节船体运动并进一步增强能量收集过程的耦合增益机制。公开号为cn122126395a的专利申请公开了一种复合驱动长航时无人艇，其集成有摆板式波浪推进装置，但该装置固定于艇体底部，航行时易产生附加阻力，且主要用于波浪推进而非发电补能，难以满足无人船持续供能需求。

4、对于小型无人船而言，将波浪能转换功能与船体集成时，需在有限船体尺度条件下进行布置。一方面，波浪能获取装置重量应该轻量化，附加结构会减轻船体装载能力同时消耗额外的能量；另一方面，波浪能转换结构不应破坏无人船原有的流线型外形结构，从而保持其快速机动性。因此，利用船体内部的既有舱室空间构建波浪能转换腔体，并利用船体底部或尾部形成与外部水域连通的取水通道，是实现波浪能获取结构与小型无人船一体化部署的一种可行方式——此种方式无需改变船体外廓尺寸，亦不额外增加船体外部附体结构，同时不影响船体内部其他设备舱室的正常布置，原有功率消耗不会增加。

5、内置式振荡气室在工作过程中并非独立于无人船的船体运动而存在。外部波浪作用于船体后，会引起船体产生垂荡、纵荡及纵摇等运动，并进一步影响进入内部及外部水体运动状态。因此，振荡气室的获能性能不仅取决于自身几何结构，还与船体运动响应密切相关。在上述过程中，如果仅通过改变内部腔体结构调节气室响应，难以充分利用船体运动对振荡气室获能性能的影响。因此，现有技术尚未形成"被动阻尼板—船体—振荡气室"的水动力非线性耦合增益机制。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有技术中存在的上述问题，提供一种基于被动阻尼板与振荡气室耦合增益的小型无人船内置补能装置、方法及系统，以解决现有小型无人船在长时间海上作业过程中能源储存能力有限，以及传统波浪能转换装置难以与小型无人船进行高效获能集成的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明所述的基于被动阻尼板与振荡气室耦合增益的小型无人船内置补能方法，应用于无人船，包括以下步骤：

4、s1、在无人船船体内部利用既有舱室空间构建振荡气室，所述振荡气室与船底及外部水域形成水动力连通，用于容纳往复运动的水体，并在水体上方形成随水体往复运动而周期性变化的封闭空气腔，所述封闭空气腔通过气流通道与能量转换模块连通；

5、s2、在无人船船体底部设置通过铰接机构连接的被动阻尼板，所述被动阻尼板具有相对于无人船船体的受限转动夹角，并在铰接机构处设置用于限制被动阻尼板绕铰接轴转动的旋转阻尼机构；

6、s3、在波浪能获取模式下，使外部波浪经无人船船体尾部波浪进水通道进入振荡气室并驱动被动阻尼板展开至工作位置，波浪作用使被动阻尼板产生受限被动运动并与无人船船体形成耦合响应，使无人船船体纵荡运动由持续单向漂移状态转变为以波浪周期性作用为主的受限往复运动状态，从而实现无需锚链或动力定位系统的等效系泊，并同时调节无人船船体垂荡与纵摇运动状态；

7、s4、无人船船体运动带动振荡气室内部水体产生往复运动，使封闭空气腔内空气发生周期性压缩和膨胀，形成往复气流进入能量转换模块，将波浪能转换为机械能或电能，构成被动阻尼板—无人船船体—振荡气室的非线性耦合增益。

8、进一步地，还包括步骤s5：航行模式切换步骤：在航行模式下，关闭振荡气室与外部水域之间的进水控制机构，并开启排水机构排出振荡气室内的残余水体，同时驱动被动阻尼板收回至靠近或贴合船体底部的位置并通过锁止机构固定，使无人船船体底部恢复流线型外形。

9、进一步地，所述s1步骤中，所述振荡气室包括相互连通的竖向振荡腔段和水平导流腔段，所述竖向振荡腔段的上部形成所述封闭空气腔，所述水平导流腔段与设置于无人船尾部的波浪进水通道连通；所述封闭空气腔采用曲线面型空气腔，几何构型通过计算流体力学方法确定，用以减弱气流分离和回流涡旋。

10、进一步地，所述s2步骤中，根据无人船船体的主尺度、质量、重心位置及转动惯量确定振荡气室和被动阻尼板的布置位置，并根据无人船船体与被动阻尼板之间的耦合运动关系确定被动阻尼板的几何参数、铰接位置、转动范围及旋转阻尼参数；所述被动阻尼板绕铰接轴转动时，其转角β满足-45°≤β≤45°，所述旋转阻尼机构的旋转阻尼系数为10000n·m/rad。

11、进一步地，所述s3步骤中，所述被动阻尼板在波浪作用下通过旋转阻尼机构产生受限往复振荡运动，使无人船船体纵荡运动由持续单向漂移状态转变为以波浪周期性作用为主的受限往复运动状态，实现无需借助锚链或动力定位系统的等效系泊功能。

12、进一步地，所述s1步骤中，通过建立无人船船体坐标系与被动阻尼板随体坐标系，构建数值波浪水池，采用计算流体动力学方法建立三维数值波浪水槽，模拟装置在波浪作用下的流体动力响应及能量转换性能，对被动阻尼板的几何参数与旋转阻尼参数进行优化。

13、进一步地，所述s4步骤中，采用气室顶部孔口模拟动力系统的阻尼效应，通过孔口截面处空气流量与气室内外瞬时压差的乘积计算瞬时气动功率，并在装置运动响应稳定后计算时间平均气动功率及捕获宽度比，用以评价装置的获能性能。

14、本发明所述的基于被动阻尼板与振荡气室耦合增益的小型无人船内置补能装置，应用于所述的基于被动阻尼板与振荡气室耦合增益的小型无人船内置补能方法，包括：

15、无人船船体；

16、被动阻尼板，通过铰接机构连接于无人船船体底部；

17、旋转阻尼机构，设置于所述铰接机构处，用于限制被动阻尼板绕铰接轴的转动；

18、驱动机构，用于驱动被动阻尼板在展开位置与收回位置之间切换；

19、进水控制机构，设置于波浪进水通道处，用于控制外部波浪进入无人船船体内部振荡气室的开启与关闭；

20、排水机构，设置于无人船船体底部，用于在航行模式下排出振荡气室内的残余水体；

21、其中，所述被动阻尼板展开时与船体形成受限耦合运动，使船体纵荡由持续单向漂移转变为受限往复运动，实现无需锚链或动力定位系统的等效系泊，并同时调节船体垂荡与纵摇，船体运动带动振荡气室内部水体往复运动并产生往复气流。

22、进一步地，所述无人船船体底部为v型结构，所述被动阻尼板通过铰接机构安装于无人船船体底部，所述无人船船体前部设有船首流线型结构；所述旋转阻尼机构为黏性阻尼器或摩擦阻尼器，用于使被动阻尼板在波浪作用下产生受限的往复振荡运动，并吸收部分波浪能量。

23、进一步地，本发明所述的基于被动阻尼板与振荡气室耦合增益的小型无人船内置补能系统，包括所述的基于被动阻尼板与振荡气室耦合增益的小型无人船内置补能装置以及储能单元和用电设备；所述基于被动阻尼板与振荡气室耦合增益的小型无人船内置补能装置通过能量转换模块将波浪能转换为电能，并输入所述储能单元存储，所述储能单元向无人船用电设备供电；所述基于被动阻尼板与振荡气室耦合增益的小型无人船内置补能装置还包括控制单元，所述控制单元根据无人船船体所处的工作状态控制驱动机构实现被动阻尼板在展开位置与收回位置之间的切换，并控制进水控制机构与排水机构的开启或关闭，以实现波浪能获取模式与航行模式的切换。

24、与现有的技术相比，本发明的基于被动阻尼板与振荡气室耦合增益的小型无人船内置补能装置、方法及系统，在技术性能与实际应用中展现出以下有益效果：

25、（1）构建被动阻尼板—船体—振荡气室的非线性耦合增益机制，实现运动调节与能量获取的协同增效。本发明通过船底可收放式被动阻尼板与船体形成受限耦合运动，被动阻尼板在波浪作用下产生受限的往复振荡运动，并主动调节船体的垂荡、纵荡及纵摇运动响应，进而影响振荡气室内部水体的往复运动状态，使气室内空气压力和往复流量发生变化，形成"被动阻尼板—船体—振荡气室"的水动力非线性耦合增益机制。与现有技术中运动调节与能量获取相互独立的技术方案相比，本发明将船体运动调节与波浪能获取有机统一，被动阻尼板既作为船体运动调节机构，又通过调节气室工作状态间接增强能量捕获，实现船体运动调节与波浪能获取之间的耦合增益，突破了现有技术中二者相互割裂的技术瓶颈。

26、（2）拓宽有效能量捕获频带，显著提升全周期能量捕获效率。被动阻尼板随不同波周期的波浪产生不同的受限运动响应，使装置在不同波浪周期下均能形成高效的水动力耦合响应，扩大了有效能量捕获频带，有效解决了现有无人船波浪能获取装置在中短周期波浪工况中获能普遍偏低的问题。数值验证表明，在目标海域各波浪周期下装置的捕获宽度比均有提高，其中在3.5s波浪周期下捕获宽度比相较于单一模态提高约72.6%，在4.5s波浪周期下提高约52.0%，在5.5s波浪周期下提高约16.7%，实现了无人船在大部分时间内依靠非线性耦合效应进行高效获能的目的，减少了能量补给所需的时间。

27、（3）实现获能增效与船体运动控制一体化，兼具航行适配性。被动阻尼板在波浪能获取模式下通过旋转阻尼机构产生受限的往复振荡运动，抑制船体运动、减小漂移，使船体由明显的持续漂移状态转变为以波浪周期性作用为主的受限往复运动状态，有效提高了波浪能装置运行过程中的运动稳定性。航行模式下，驱动机构驱动被动阻尼板收回至船体底部并通过锁止机构固定，使船体底部恢复流线型外形，同时关闭进水控制机构、开启排水机构排出腔体内残余水体，降低航行阻力，实现补能增效与航行性能的兼顾。

28、（4）实现无需锚链或动力定位系统的等效系泊功能。当无人船无需航行时，通过被动阻尼板与船体的耦合作用，使船体在波浪作用下由自由漂移状态转变为受约束的往复振荡状态，从而实现无需借助锚链或动力定位系统即可实现等效系泊功能，降低了无人船定点作业时的系泊设备依赖和能源消耗。

29、（5）轻量化集成设计，无额外船体载重与航行能耗负担。本发明充分利用小型无人船体内部的既有舱室空间构建振荡气室，无需改变船体外廓尺寸，亦不额外增加船体外部附体结构；被动阻尼板通过铰接机构安装于船体底部，附属装置轻量化、集成度高，不改变船体原有载重分布，不增加额外航行能耗。波浪能转换腔体与无人船船体形成一体化布置，使波浪能转换结构主要位于船体内部，主要依靠船体固有结构进行获能，可高效适配特定海域高频海况，适用于小型无人船海上长期自主作业、海洋环境监测、海上巡检及波浪能辅助供能等领域。