自動風帆之可行性

flyerboy

原帖由 kennethsu 於 2012年4月20日 12:31 PM 發表
繼續研究！

先前一樓的圖片中帆型是四角橫形帆，無法逆風航行，不是現今大部份單桅遙控帆船的帆型，所以將圖修改了一下繼續研究逆風航行時帆的角度。
如下圖：
698171
根據某文件某段文字“ 正頂風帆船不能行駛。 需要帆和風 ...

大大很有實驗精神喔！

對了，您先前那艘 "豐富電裝"的順風號首航了嗎？
要多航行幾次，就會比較有概念：
帆船的操控不能只化約成迎風角而已！

舉例來說，圖中那兩種航行姿態，主帆 "橫桿" 與風的角度是無法依 "白努力定律"而固定或預測的。
同樣是迎風航行(逆風)，橫桿可收近來一點、也可以多放出一些：這是要依當時風速、帆弧、梶杆(傾斜度)、船舵 (補償)等而定。
無法預測何種角度是最適合的，因為這角度與船速有關，也會影響船體的平衡。

順風航行也是一樣的，橫桿與風的角度也是無法事先設定。
同樣是順風 "正順航行"(running)，有些船的橫桿可放出與船中線成80度；有些船的橫桿與船中線成60度：這角度與風速、船速，甚至與船體的設計都有關係。

因此，帆船航行的自動化只限於導航。
最大的困難，如上所言，就是影響帆船航行的變數過多，無法線性的規畫。

大大若真有心研究此問題，除了要多親自操作、多開幾趟帆船，還要參考這篇論文(跟您想的是同樣問題)：

http://med.ee.nd.edu/MED9/Papers/Neural_nets/Marine/med01-129.pdf

如這篇論文指出，帆船自動化的重點在於控制船舵與維持航向。
但前提是必須 "簡化" 許多變因，才能達成。
一旦這些變因超出原始設計範圍，就很難達成自動化。

因此，自動風帆是很困難的。帆船之所以是帆船，正因不能自動！
不過，帆船航行的自動化(航向、船舵)，是可能、也是有需要的！

[ 本帖最後由 flyerboy 於 2012年4月20日 07:19 PM 編輯 ]

kennethsu

感謝您的教導，那艘順風已經下水幾趟了，沒有遇到什麼困擾，航行的很愉快。

其內裝設備比原設計多導致重心有點偏後，但這不是問題只要將電池往前移動以調整航行姿勢。
抽水馬達是沒用過，每次航行後內部都是乾乾的，代表傳動軸軸心水密還不錯，但是還是不會拆掉，因為下次想挑戰有浪的海域。

惟帆面的控制沒那麼順手，於是就想找些資料來看看，如果搞得清楚就來給它程式數據化。
有時碰到風很細風向又很亂不知要如何操控是好，就想也許電子設備的靈敏度能夠幫的上忙，也才有自動帆之構想產生。

先前就是有看過國外無人控制的全自動帆船的比賽網頁，就像無人汽車自動行駛一樣。
是比我們在玩的遙控船較大，上面塞了許多感應器，一堆學生在幫它寫程式讓它可以完成比賽的規定路線。

這樓的一些問題、建議與文件正在緩慢的閱讀尋求答案中，有新的心得再上來報告。

[ 本帖最後由 kennethsu 於 2012年4月20日 08:06 PM 編輯 ]

kennethsu

剛才想了一下，可能要增加許裝備先當成實驗船記錄一些數據，才能應付帆船上頭多樣的變化。
這種方法我稱之為智能學習模式。

1. 首先要裝風向、風速、船向、船速、船體 3D 軸向與帆角和舵角感應器，透過微處理器將這些數據每分每秒的記錄下來。
2. 再由傳統的手控方式將船開出去好好遊玩一番。
3. 回家後慢慢比對這些資料的彼此相關連性，畫畫圖表、找尋公式與建立常數數值。
4. 調整帆型後再來一次。

透過這艘船的實際航行數據我就不相信找不到自動帆的運作模式。
還是有更簡單的方法？

[ 本帖最後由 kennethsu 於 2012年4月20日 08:43 PM 編輯 ]

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原帖由 kennethsu 於 2012年4月20日 08:41 PM 發表
剛才想了一下，可能要增加許裝備先當成實驗船記錄一些數據，才能應付帆船上頭多樣的變化。
這種方法我稱之為智能學習模式。

1. 首先要裝風向、風速、船向、船速、船體 3D 軸向與帆角和舵角感應器，透過微處理器將這些數據 ...

一般遙控帆船 船身有到1公尺長
目前有遙控帆船專用的這一些類型的感測器嗎?  
船向、船體3D軸向與 舵角 可以用 一般微處理器用的 電子羅盤、姿態感測、陀螺儀與 旋轉編碼器 來感測
那風向、風速、船速 該如何感測  如果感測器都裝置在船體上時，那風向、風速、船速(風、水相對於船的速度) 該如何感測 ?
這是我目前想到的問題

kennethsu

這裡有些資料可以看http://www.roboat.at/en/home/，先前就是看到這個才有此想法。

那艘船是 3.75 米長所以能夠裝上多現成的標準零組件，包含了電腦與面積夠大的太陽電池。
我想用的是1米不到的順風號，她的肚量夠大能夠裝上許多額外的電子裝備，雖然已經多裝上減速馬達與電變、抽水幫浦、積水與電壓檢測線路、兩組 7.4V 3000mAH 電池與自動切換電路，還有空間能夠再裝上更多的電子裝備，如微處理器與各類感測器。

但是有些小型化感測器市面上買不到現成的，例如風向與風速計都得自己做微小型才能放在桅桿上，還好都已經找到關鍵零件可以做到一小塊橡皮擦大。風向靠磁鐵與磁角感應 IC、風速靠風杯與小型直流馬達而船速就用小小的 GPS 晶片就能解決。

根據風向計的風向與電子羅盤或 GPS 的航向可以得到適當的帆迎風角，風速與船速就比較不那麼重要了，但有必要的話還是可以檢測 GPS 的船速多寡來自動修正與微調帆的迎風角。
風速與帆迎風角較無關係，跟船速與帆面積有直接關係，在這裡帆面大小是固定的所以只影響船速。
水流速也是影響船速較多跟帆迎風角沒什麼關係，所以也不想去管它。

所以自動控制只有帆的部分，方向舵還是傳統人手遙控，其實要做自動循跡導航也不難，只是在小小水池中發揮不出來所以不想作。
今年還暫時不會作自動帆這部分，目前還在收集與看資料中。
還有要把手中做一半的遙控水中馬達先給完成，就是將玩具船船底的防水水中馬達作成 RC 化，整體結構就像潛艇一樣但少了浮潛裝置。

[ 本帖最後由 kennethsu 於 2012年6月7日 02:11 AM 編輯 ]

flyerboy

原帖由 kennethsu 於 2012年6月7日 02:01 AM 發表
這裡有些資料可以看http://www.roboat.at/en/home/，先前就是看到這個才有此想法。

那艘船是 3.75 米長所以能夠裝上多現成的標準零組件，包含了電腦與面積夠大的太陽電池。
我想用的是1米不到的順風號，她的肚量夠大能夠 ...

帆船的操控有很多細節是很複雜的，不能只化約成 "風速"、"船速" 等。

舉例來說，風速有分 "真風" 與 "可視風"  (true wind, apparent wind)，會依照帆面與風的角度而有所不同。
就主帆而言，"帆面"上、中、下三段的apparent wind都會不同，因主帆有弧度。
船速也會因船的航向、與風或與水流的交互作用，而有所不同。

另外，帆船的航行還需考量船體的平衡，這就是所謂 thwartship stability，也就是要考量風對於船體的橫向施力。
同樣的風速下，主帆的收放會影響船體的傾斜，會影響速度的 (這時，又要考慮船舵的角色了......)

總之，單是掌握 "迎風角" 、"風速"是不足以有效操控帆船的！

關於以上問題，這本書寫得很清楚，Amazon有賣，這裡有預覽 (第4-5頁)。