[0001] 本发明涉及旋筒帆助航技术领域，尤其涉及一种基于旋筒帆的船用助航系统及方法。

[0002] 旋筒帆助航技术是一种利用旋转的圆柱形帆来推动船只前进的技术。它与传统的帆船相比具有更高的效率和更好的操控性能，因此在航海领域具有广阔的应用前景；与传统燃油推进系统相比，旋筒帆助航技术还可以减少对化石燃料的依赖，降低碳排放，实现更环保的航运。

[0003] 中国专利公开号：CN115027652A公开了一种基于旋筒风帆的风帆推进装置及船舶，用于船舶，基于旋筒风帆的风帆推进装置包括：支撑组件设置于所述船舶；升降旋转组件设置于所述支撑组件的顶部；旋筒风帆设置于所述升降旋转组件，所述旋筒风帆通过所述升降旋转组件的带动，以实现升降和旋转。该基于旋筒风帆的风帆推进装置通过升降杆的升降和旋转，进而带动旋筒风帆进行升降和旋转，实现了在风向、风力合适，满足风力助航的条件时的风力助航；在风向、风力不合适，不满足风力助航的条件时，旋筒风帆可以自动伸缩进船体的内部；由此可见，所述基于旋筒风帆的风帆推进装置及船舶存在以下问题：没有考虑在周围环境对船只航行产生反向影响时，如何使用旋筒帆减小环境对航行负面影响。

[0048] 为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

[0049] 下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。

[0050] 需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0051] 此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0052] 请参阅图1所示，其为本发明实施例基于旋筒帆的船用助航系统的结构示意图；本发明提供一种基于旋筒帆的船用助航系统，包括：

[0053] 定位导航模块，其用以确定船只航行目的地与当前的预期航向，并确定船只的预期航行信息；

[0054] 信息检测模块，其与所述定位导航模块相连，用以周期性检测所述船只在当前航行状态下的实际航行信息，以及检测所述船只在当前航行状态下的环境信息；

[0055] 检测分析模块，其分别与所述定位导航模块和所述环境检测模块相连，用以根据所述预期航行信息和所述实际航行信息确定所述船只的航行准确度，根据所述环境信息确定船只航行环境对船只的环境影响度；

[0056] 助航调整模块，其与所述检测分析模块相连，用以根据航行准确度确定对船只航行使用的助航方式，并确定各助航方式下船只的旋筒帆的工作状态；

[0057] 助航模块，其分别与所述助航调整模块和所述信息检测模块相连，用以根据助航调整模块确定的助航方式调整旋筒帆的工作状态，并根据所述实际航行信息和所述环境信息确定旋筒帆的旋转速度。

[0058] 在实施中，预期航行信息包括阶段预期航向与预期航行速度；信息检测模块的检测方式分为周期检测与航行状态切换检测，航行状态切换检测在船只的航行状态发生切换时进行，例如船只的驱动力增加或者航向改变等情况。

[0059] 位导航模块确定船只的目的地和预期航向，信息检测模块确定船只的实际航行信息和环境信息，检测分析模块根据预期航行信息和实际航行信息确定船只的航行准确度，根据环境信息确定环境对船只的影响度，助航调整模块根据航行准确度确定使用的助航方式，并确定旋筒帆的工作状态，助航模块调整旋筒帆的工作状态和旋转速度；本发明通过考虑风向因素和水流因素对船只形式的影响，使用对应的助航方式，提高了系统的适用范围，并且减小了船只的航行压力。

[0060] 请参阅图2所示，其为本发明实施例基于旋筒帆的船用助航系统的信息检测模块结构示意图，所述信息检测模块包括：

[0061] 船只检测单元，其用以检测所述船只在当前航行状态下的所述实际航行信息，实际航行信息包括实际航向与实际航行速度；

[0062] 环境确定单元，其与所述船只检测单元相连，用以检测所述船只在当前航行状态下的所述环境信息，环境信息包括风向信息和水流信息。

[0063] 在实施中，船只的实际航行与实际航行速度可以通过现有的任意一种船只上的定位技术进行确定，在此不做具体限定；

[0064] 风向信息与水流信息的检测方式同样使用现有技术中任意一种获得；

[0065] 风向信息包括风向与风力等级；水流信息包括流向与水流速度。

[0066] 具体而言，所述检测分析模块根据所述预期航行信息和所述实际航行信息确定所述船只在当前航行状态下的航行准确度；

[0067] 航行准确度根据下式确定：

[0068]

[0069] 其中，σ为航行准确度，v1为实际航行速度，v0为预期航行速度，θ1为实际航向与航行目的地所成夹角，θ0为预期航向与航行目的地所成夹角。

[0070] 在实施中，实际航向与航行目的地所成夹角与预期航向与航行目的地所成夹角的夹角原点均为船只的当前位置。

[0071] 在船只航行过程中，航行准确度的取值大于0，航行准确度越趋近于0或者大于1越多，说明当前船只的实际航行状态与阶段预期航向与预期航行速度差距越大。

[0072] 具体而言，所述检测分析模块根据所述环境信息确定环境影响度；

[0073] 所述环境影响度包括风向影响度和水流影响度，检测分析模块根据所述风向信息和所述船只的自身参数确定风向影响度，以及根据所述水流信息与所述预期航行信息确定水流影响度。

[0074] 在实施中，风向影响度f1＝cosψ1×α；

[0075] 水流影响度f2＝cosψ2；

[0076] 其中，ψ1为风向与阶段预期航向所成夹角，ψ2为流向与阶段预期航向所成夹角，α为风力与船只体积关系系数；风力为0～2级(无风至轻微风)：这个范围的风力对所有吨位的船舶影响较小。大多数船只可以在这种条件下正常航行，而大型船只可能需要一些辅助推动，此时任意船只的α取值均为0；

[0077] 3～4级(微风至和风)：小型船只可能在这个范围内受到一些影响，但大多数船只仍能正常航行，此时小型船只α取值为0.5，中型船只与大型船只的α取值均为0；

[0078] 5～6级(中风至强风)：这个范围的风力对中小型船只可能会产生一些影响，尤其是在开放水域。大型船只需要更强大的动力来克服风的阻力，但仍然可以正常运行，此时小型船只α取值为0.6，中型船只α取值为0.5，大型船只的α取值为0.3；

[0079] 7～9级(疾风至大风)：这个范围的风力可能对中小型船只产生明显的影响，需要谨慎操控，大型船只可能需要采取进一步的预防措施，如调整航向和降低速度，以确保安全航行；此时小型船只α取值为0.7～1，中型船只α取值为0.6～0.9，大型船只的α取值为0.4～0.7；

[0080] 10～12级(暴风至飓风)：这个范围的风力是极端的，对所有船只都会造成极大的影响，大多数船只需要寻找安全的避风港，避免在这种条件下航行，此时不计算环境影响度。

[0081] 可以理解的是，风向影响度与水流影响度越趋近于1，说明当前的风向信息与水流信息越有利于当前航行状态的船只继续航行，风向影响度与水流影响度越趋近于‑1，说明当前的风向信息与水流信息越不利于当前航行状态的船只继续航行。

[0082] 在本发明基于旋筒帆的船用助航系统中，通过对风向和水流等环境信息的检测和分析，可以更准确地确定环境对船只航行的影响程度，提高了预测的准确性；根据船只自身参数和预期航行信息来确定环境影响度，能够更贴合具体船只的情况，提供个性化的环境影响评估；通过准确评估风向和水流对船只航行的影响，有助于更准确的提高航行的安全性。

[0083] 请参阅图3所示，其本发明实施例基于旋筒帆的船用助航系统的助航方式判断逻辑图，所述助航调整模块根据所述航行准确度确定所述助航模块使用的助航方式；

[0084] 若所述航行准确度不在航行允许范围，则所述助航调整模块确定助航方式为纠正航行方式；

[0085] 若所述航行准确度在航行允许范围，则所述助航调整模块确定助航方式为高效航行方式；

[0086] 所述纠正航行方式调整旋筒帆的转动方式，所述高效航行方式调整旋筒帆的转动速度。

[0087] 在实施中，航行允许范围为航行准确度大于等于0.7且小于等于1.3。

[0088] 可以理解的是，航行准确度小于0.7时，说明实际航行速度与预期航行速度的比值小于1，此时，水流对船只航行速度的影响较大，同理航行准确度大于1.3时，说明此时风向对船只的航行影响较大，此时需要通过旋筒帆工作来减少环境对船只航行的影响；

[0089] 航行准确度处于允许范围内时，说明此时的航行速度与预期航行速度的比值接近于1，表明实际航行速度与预期航行速度基本一致，而此时风向对船只的航行影响程度同样较小，此时需要通过旋筒帆进行工作来扩大环境对船只航行的有利影响。

[0090] 在本发明基于旋筒帆的船用助航系统中，根据实际航行速度与预期航行速度的比值来调整助航方式，以应对不同的环境影响，当航行准确度不在允许范围内时，系统可以通过纠正航行方式来调整船只的航行路线，以保证船只的安全和目的地的准确到达，而当航行准确度在允许范围内时，系统可以通过高效航行方式来优化船只的航行路线，以提高船只的效率和节约能源。

[0091] 具体而言，所述助航调整模块根据所述风向影响度和水流影响度确定所述助航模块在所述纠正航行方式的工作方式；

[0092] 若风向影响和水流影响均为负面影响，则所述助航调整模块将所述旋筒帆进行逆风向旋转，减缓风向因素对船只航行带来的负面影响；

[0093] 若风向影响和水流影响其中一个为负面影响，则所述助航调整模块将所述旋筒帆进行固定。

[0094] 在实施中，风向影响和水流影响均为负面影响时，旋筒帆进行逆风向旋转后，原本为船舶提供推进力的一侧变为逆向推进，而原本逆向推进的一侧则变为正向推进，旋筒帆的反转可以增加船只的侧推力，减小风向对船只航行的影响，使得船只可以更好的去应对水流的负面影响；

[0095] 风向影响和水流影响其中一个为负面影响时，若风向影响为负面影响，水流影响为正面影响时，停止旋筒帆转动，避免旋筒帆顺风转动进一步扩大负面影响，若风向影响为负面影响，水流影响为负面影响时，停止旋筒帆转动，避免因为旋筒帆转动使得船只顺风前进速度过快，导致船只在消除水流的负面影响时，尤其是方向方面的负面影响难度增加，如果流向与预期航向之间的夹角大于45度，小于90度时，可以允许旋筒帆旋转，但让其旋转速度为自由旋转速度的一半。

[0096] 在本发明基于旋筒帆的船用助航系统中，系统能够根据实际情况灵活调整旋筒帆的工作方式，以适应不同的环境影响和航行需求，为船只提供更好的航行保障；通过根据环境影响调整旋筒帆的工作方式，系统有助于减轻环境对船只航行的不利影响，提高航行的安全性和航行效率。

[0097] 具体而言，所述助航调整模块根据所述风向影响度和水流影响度确定所述助航模块在所述高效航行方式的工作方式；

[0098] 若实际航行速度在允许范围内，则所述助航调整模块不对所述旋筒帆的转动进行控制；

[0099] 若实际航行速度超过最大允许速度，则所述助航调整模块减小所述旋筒帆的转动速度。

[0100] 在实施中，实际航行速度的最大允许速度，根据当前水域的实际情况和船只自身的性能确定；

[0101] 减小所述旋筒帆的转动速度时，转动速度的减小量减小为实际航行速度与最大允许速度的差值乘以旋筒帆的当前转动速度。

[0102] 可以理解的是，在实际航行速度过快时，需适应性减小船只的航行速度，避免船只的航行速度过快难以操控，在行驶时发生危险，因此，需要降低旋筒帆对船只航行的加速作用。

[0103] 在本发明基于旋筒帆的船用助航系统中，在实际航行速度过快的情况下，通过减小旋筒帆的转动速度，系统有助于减缓船只的航行速度，避免航行速度过快导致操控困难和安全隐患，在保证了船只航行速度的同时提高了航行的安全性。

[0104] 具体而言，所述旋筒帆进行逆风向旋转时的旋转速度根据所述风向信息和所述水流信息确定。

[0105] 在实施中，旋转速度v2＝(v1×f1+v0×f2)×0.1，其中，旋转速度v2为旋筒帆的表面线速度，v1为风速，v0为流速。

[0106] 请参阅图3所示，其本发明实施例应用于基于旋筒帆的船用助航系统的方法流程图，本发明还提供一种方法，包括：

[0107] 确定船只航行目的地与当前的预期航向，并确定船只的预期航行信息；

[0108] 周期性检测所述船只在当前航行状态下的实际航行信息，以及检测所述船只在当前航行状态下的环境信息；

[0109] 根据检测结果确定所述船只的航行准确度、风向影响度以及水流影响度；

[0110] 根据所述航行准确度确定所述助航模块使用的助航方式；

[0111] 根据确定的助航方式确定旋筒帆的工作方式；

[0112] 其中，所述助航方式包括纠正航行方式和高效航行方式，纠正航行方式调整旋筒帆的转动方式，高效航行方式调整旋筒帆的转动速度。

[0113] 具体而言，在所述助航方式为纠正航行方式时，根据所述航行准确度确定检测周期的减小量，提高检测频率。

[0114] 在实施中，检测周期的减小量为航行准确度与航行允许范围上限或下限的差值的绝对值乘以当前检测周期，若航行准确度超出航行允许范围时，差值用上限计算，若航行准确度低于航行允许范围时，差值用下限计算。

[0115] 至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

[0116] 以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。