無人帆船柔性風帆技術發展現狀與展望

方澤江，譚俊哲*,2，紀光英，袁鵬,2，孫澤，王樹杰,2

1 中國海洋大學 工程學院，山東 青島 266100

2 山東省海洋工程重點實驗室，山東 青島 266100

0 引 言

人類已有數千年的帆船航海史，隨著完全自主航行的無人帆船的研發成功[1-2]，帆船又煥發了新的生機。無人帆船可以利用幾乎無限的能源（如風能、太陽能和波浪能），是一種集綠色環保、智能、新能源等概念于一身的先進海洋技術平臺[3]。各類無人帆船在結構、運動機理和航行控制等方面具有相似性。目前，無人帆船可采用的推進裝置包括柔性風帆、剛性翼帆、水輪機[4]、牽引風箏[5]。其中，柔性風帆主要采用薄紡織物制作，是最常用的一種風帆類型[6]，具有收放方便、維護簡單、質量輕和價格低等優點[7-8]。作為為帆船提供航行動力而在船體上安裝的風帆系統，其氣動特性對帆船動力性能起著重要作用。無人帆船的小型化、自主調帆特性決定了風帆的氣動性能結果需要更精確，同時需要發揮柔性風帆的最佳動力性能。然而，學者們對于柔性風帆的研究大多集中于其在逆風和順風條件下的氣動性能方面，對于無人帆船的柔性風帆系統及其氣動性能的全面研究則非常少。

鑒此，本文將首先介紹國際上具有代表性的柔性風帆無人帆船，總結及分析柔性風帆的空氣動力學性能研究方法。最后，展望無人帆船及柔性風帆未來發展需要的幾項關鍵技術。

1 柔性風帆無人帆船的發展現狀

無人帆船的發展得益于國際賽事和會議的推動，如國際機器人帆船賽[9]、橫跨大西洋挑戰賽[10]、世界機器人帆船錦標賽（WRSC）和國際機器人航行大會（IRSC）[11]等，這些專業賽事及會議很大程度上促進了無人帆船各項技術的進步[12-13]。目前，國外有許多機構從事無人帆船的研究。本節將梳理近年來最具代表性的柔性風帆無人帆船，對其設計特點及性能進行歸納。

德國富特旺根應用科學大學（HFU）是最早開展柔性風帆無人帆船研究的機構，其在1995 年即開展了RelationShip 研究項目[14]。此后，許多研究機構也開展了類似研究，設計出了許多獨具特色的柔性風帆無人帆船。圖1（a）為奧地利創新計算機科學學會（INNOC）設計的Roboat I 無人帆船。該船長1.38 m，高1.73 m，總排水量17.5 kg，風帆總面積0.855 m2。其后，INNOC 又設計了一種抗橫傾能力很強的ASV Roboat 自主無人帆船[15]（圖1 （b））。該船長3.75 m，重300 kg（其中龍骨和壓載重60 kg，可搭載50 kg 的科學儀器），風帆總面積4.5 m2，甲板上裝有285 W 峰值功率的太陽能電池板，以甲醇燃料電池（功率65 W）為備用能源，由皮帶傳動滑軌組成的線性驅動器調帆，可降低繩索打結的可能性[16]。Stelzer 等[17]以ASV Roboat 帆船為對象，對傳統和平衡兩種軟帆系統的耗能進行了仿真分析，結果表明，后者可節省約三分之二的調帆功率；該團 隊還針對ASV Roboat帆船平臺進行了航行路徑規劃、避障算法的開發與試驗[18]。

圖1 具有代表性的柔性風帆無人帆船Fig. 1 Representative design of unmanned sailboats with flexible sail

圖1 （c）為美國海軍學院（USNA）設計的一種2 m 長的Gill the Boat 無人帆船，采用傳統軟帆，風帆面積3 m2[14]。圖1（d））為Miller 等[19]在Gill the Boat 基礎上推出的SOA 無人帆船，采用平衡軟帆，風帆面積1.9 m2，具有活動部件少、結構簡單、功耗低、可操縱性能好的特點。USNA 以Gill the Boat 為基準船，還設計出了Sea Quester，如圖1（e）所示[20]。該船重25 kg，龍骨長1.5 m，采用傳統軟帆系統，桅桿由外徑17 mm、厚度1.75 mm的OTS 碳管制作，橫桿和吊桿使用外徑5 mm 厚度1 mm 的不銹鋼管，由90 g/m2dynac 材料制作輕質風帆，主帆和前帆面積分別為2.12 和0.91 m2。在Sea Quester 基礎上，USNA 又研發了如圖1（f）所示的MF 無人帆船，該船長2 m，桅高3.4 m，主帆和前帆的面積分別為1.904 和0.989 m2。Miller 等[21]對MF 無人帆船進行了速度預測程序（VPP）[22]測試和水上測試，結果表明，在較高風速下VPP 對船速的預測置信度低，總體預測值偏高。

圖1（g）為英國亞伯大學與USNA 聯合研制的ARRTOO 無人帆船。該船原型船長2 m， 采用V 型底船體、雙桅桿、雙三角帆的設計，桅桿由外徑25 mm 的OTS 管制作，螺旋槳驅動，螺旋槳推進時通過齒形皮帶傳動降帆，在4.85 m 的甲板上安裝有峰值功率260 W 的光伏太陽能電池板和平均功率45 W 的Forgen 1 000 NT 垂直軸風力發電機[23]。

USNA 和亞伯大學還聯合研制了一種小型、廉價和易于制造的MaxiMOOP 無人帆船[24]，用于海洋學研究和自主航行系統的開發。該船基本船長1.2 m，重約20 kg，有多種風帆樣式，面積為0.24 ～1 m2，可搭載多種有效載荷，穩定性好，耐用性高。

此外，USNA 在MaxiMOOP 基礎上又推出了ABoat Time 和Trawler Bait 兩種無人帆船，如圖1（h）和圖1（i））所示。兩船均采用1.2 m 的基本船長，由連桿機構調整單面風帆，面積分別為0.27 和0.3 m2。甲板均安裝有太陽能電池板為船載鋰電池充電，安裝傾角約15°，最遠航程分別為477 和2 113 km[10,25]。前者安裝有兩種平均功率為15 和3 W的太陽能電池板，后者安裝有平均功率為20 W的太陽能電池板。英國亞伯大學的設計則采用了1.3 m 船長方案，推出了采用傳統軟帆、帆高2 m 的Dewi 無人帆船，如圖1（j）所示。

Miller 等[25]以MaxiMOOP 無人帆船作為風帆系統測試平臺，進行了不同展弦比（AR）及帆邊條數的風帆性能的VPP 測試和水上測試。VPP 測試結果表明高展弦比（AR= 6）的風帆性能較好，水上測試結果表明低展弦比（AR= 3）的風帆性能較好。

Schr?der 等[26]基 于MaxiMOOP 船 的1.2 m 基本船體，設計了一種低成本無人帆船，船體材料為泡沫聚苯乙烯，重13 kg。采用平衡軟帆，桅高1.65 m，橫桿長1.15 m，兩面帆面積分別為0.287 5和0.2 m2。

圖1（k）和圖1 （l）分別為瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH ） 推出的Avalon 和Aeolus 無人帆船。前者最初是作為自主穿越大西洋而設計[27-28]，船長3.95 m，采用平衡軟帆，桅高5.7 m，風帆面積8.4 m2，由安裝在甲板上的回轉軸承支撐和驅動，結構簡單、可靠。后者為一種自主控制的微型無人帆船，船長1 m，船頭安裝有AIRMAR WS-200WX氣象站，可獲取更準確的風數據[29-30]。

圖1 （m）為法國國立高等先進技術學校和海洋開發研究院共同研制的Vaimos 無人帆船。該船長4 m，采用平衡軟帆，搭載有溫度傳感器，可進行兩種深度的溫度測量[31]。

圖1 （n）為Anthierens 等[32]設計的Marius 無人帆船，船長2 m，桅高2.4 m，主帆和前帆面積分別為2.2 和0.7 m2。該船創新性設計主要體現在控帆方案，采用了甲板安裝的圓形導軌滑塊作為調帆機構，并配有旋轉電位計，能夠對主帆的帆位角進行絕對角度的測量。

葡萄牙波爾圖大學設計的FSAt 自主無人帆船船長2.5 m，桅高3.4 m，桅桿、橫桿和吊桿采用碳纖維管，風帆總面積3.7 m2。甲板安裝的太陽能電池板平均功率為45 W，可為兩節97 Wh 鋰電池充電（船載電源）[33]。

圖1（o）為德國呂貝克大學面向算法開發而設計的rrMM 微型柔性風帆無人帆船。該船船長0.53 m，總重1.03 kg，小巧輕便，成本低[34]。Neumann等[35]以rrMM 為試驗平臺，在船頭搭載攝像頭，基于圖像航行策略進行了地平線、浮標等檢測。Hertel 等[36]以rrMM 為試驗平臺，搭載各類傳感器，在55 天中航行了110 余小時，采集到200 余萬條航行時的風況、帆船航行狀態等數據。

綜上所述，柔性風帆無人帆船項目主要以學術研究為目的，首先是為了滿足教學需要，使學習者能夠將造船和系統工程技術運用到實際項目之中，其次是參加競賽以收獲經驗和發展小型自主無人帆船技術，再就是力求使項目得到進一步發展，作為水上移動監測和探測平臺。

目前，柔性風帆無人帆船大多采用單體龍骨型的船體，整體阻力小、重量輕、扶正力矩大是此類無人帆船龍骨和壓載的設計目標，且還具有如下特點：

1） 一般在船艉安裝單個艉舵，但也有例外，如Avalon 無人帆船采用了2 個艉舵，以實現各種航向的轉向效果；

2） 采用太陽能電池板為船載電池充電，作為船載電池的能量來源；

3） 控制系統軟硬件、傳感器具有可擴展性；

4） 著力研究獲能效率高、耗能低、調帆容易的柔性風帆系統作為無人帆船的主要動力裝置，從風帆樣式、調帆機構等方面進行柔性風帆系統的創新設計，如平衡軟帆、ABoat Time 的連桿機構調帆、Marius 的圓形導軌滑塊機構調帆等。

2 柔性風帆系統

風帆系統是帆船研究者關注的焦點，對于能源自給自足及船載能源有限的無人帆船而言，研究獲能效率高和耗能低的風帆系統至關重要[12]。脫胎于現代帆船的柔性風帆無人帆船，二者在獲能機理、風帆樣式、帆布材料等方面的區別并不大。然而，后者更加小型化，可自主調帆，這就要求其柔性風帆系統具備輕質、控制功耗低、風帆易于收放等特點。

無人帆船的柔性風帆系統主要由舵機、繩索、支索、桅桿、布帆、橫桿和吊桿等部分組成。無人帆船的風帆系統從材料上可分為柔性風帆和剛性翼帆，從平衡性上又可分為不平衡風帆和平衡風帆，絕大多數剛性翼帆都被視為平衡風帆。本節將分析的是柔性不平衡風帆（如傳統軟帆）和柔性平衡風帆（如平衡軟帆）系統，其中使用傳統軟帆的歷史最悠久，也最常用。圖2 為柔性風帆的基本樣式，圖中所示的平衡軟帆系統的桅桿可繞底部旋轉，調整主帆和前帆的尺寸（L2＞L1），使主帆受力略大于前帆受力，整個風帆的受力中心（CE）位于桅桿后面，具有很大的節能潛力[17]。

圖2 柔性風帆基本樣式Fig. 2 Basic styles of flexible sail

2.1 形狀、尺寸和材料特點

隨著無人帆船技術的發展，學者們開發出了多種不同的風帆和形狀，如ASV Roboat 無人帆船使用的是最常用的傳統軟帆。平衡軟帆是一種新的風帆形式，其因具有許多優點而得到了廣泛使用，如IBOAT[37]，Avalon，Vaimos 等。帆面的樣式通常為三角形（如Dewi），也有四邊形（如ABoat Time）和形狀不規則的多邊形（如SOA）。

風帆尺寸應根據船長來選取，以保證無人帆船獲得足夠的動力及穩定航行能力。圖3 為針對柔性風帆無人帆船繪制的船長和風帆面積統計圖。圖中統計的柔性風帆無人帆船船長均不超過4 m，柔性風帆的類型多為傳統軟帆。其中，帆船船長為1～1.2 m 的，風帆面積多為0.27～0.6 m2；船長1.3～1.5 m 的，風帆面積多為0.8～1.2 m2；船長為2 m 的，風帆面積多為1.7 ～3 m2；船長超過2 m的，風帆面積一般在2 m2以上。

圖3 柔性風帆無人帆船長度和風帆面積統計Fig. 3 Statistical diagram of length and sail area of unmanned sailboat with flexible sails

采用棉和亞麻天然纖維作為帆的制作材料始于19 世紀。在紫外線照射下，這兩種材料會退化，其吸水性也很強。隨著生產技術的進步，各類型風帆的制作材料轉向了低成本的合成纖維，如尼龍、聚酯、芳綸等。Calì等[43-45]通過拉伸試驗獲得了常用帆布的材料特性，如表1 所示。通過纖維在經、緯度方向的不同楊氏模量值可知材料的正交各向異性，這為研究者選擇帆布材料，或進行柔性風帆材料對無人帆船空氣動力學性能影響的研究提供了有價值的參考數據。表1 中Ewarp，Eweft分別為經、緯度方向的楊氏模量值。

表1 常用帆布的材料特性Table 1 Characteristics of commonly-used sail cloths

2.2 安裝和固定方案

一般方案是將桅桿插入在船體內部預先加工好的套筒內，從甲板延伸至船底，桅桿頂部通過3 根左右的支索固定在甲板上，使風帆系統具有更高的剛度。風帆與桅桿、橫桿等之間的連接一般是在帆面上制作扣眼并通過繩索捆綁。圖4 所示為幾種風帆安裝方法及固定的實例。

圖4 風帆安裝與固定實例Fig. 4 Installation and fixing example of sails

2.3 調帆方案

根據已有的文獻和實際運用案例可知，絕大多數柔性風帆無人帆船都采用絞盤繩索調帆系統，如圖5 所示。圖5 中主帆和前帆使用的調帆繩共用一個結點。有的調帆繩在兩側各用一個結點（如Sea Quester），這是為了降低繩索打結的可能性。盡管各用一個結點方式的技術相對成熟，使用最廣泛，但是復雜且還是存在繩索打結的可能性。還有一小部分無人帆船采用了連桿機構（如ABoat Time）或直接由回轉軸承支撐和驅動來進行調帆（如Avalon）。采用這兩種調帆方式的無人帆船其主桅桿可轉動，結構簡單，機械效率高，更容易在同一艘無人帆船上兼容使用柔性風帆和剛性翼帆，但調帆機構較重，會增加帆船的負載。

圖5 絞盤繩索調帆系統Fig. 5 Sail trim system using winches and ropes

為了避免繩索纏繞，INNOC 研究小組為ASV Roboat 無人帆船研制了由皮帶傳動的滑軌組成的線性驅動器，如圖6 所示。該無人帆船的主帆驅動繩的減速比為2:1，滑軌的最大行程75 cm，主帆和前帆驅動繩分別被收緊和放松了150 和75 cm。調整前帆的第1 個導向輪安裝在固定于桅桿前的橫桿上，導向輪可在橫桿上左右滑動，帶動前帆向左右兩側擺動，使前帆調整更容易且獲能更大[16]。

圖6 ASV Roboat 無人艇線性驅動器[16]Fig. 6 Linear actuator on ASV Roboat[16]

3 柔性風帆空氣動力學性能研究方法

風帆是無人帆船航行的推進器，風帆空氣動力學性能對無人帆船的動力性能起著關鍵作用。柔性風帆研究的復雜性主要體現在：

1） 柔性風帆薄而柔軟，在風載荷作用下其形狀變化無常且變形較大，屬于非線性大變形問題，同時需要不斷調整風帆角度以獲取持續的航行動力。

2） 帆船與兩種流體相互作用，既要考慮水動力學特性又要考慮空氣動力學特性[46]。柔性風帆的形狀可以用關鍵截面的帆形參數表征，如圖7所示。柔性風帆空氣動力學性能通常用力系數等無量綱系數來表征，攻角是空氣動力學分析的主要參數，氣動力系數隨著攻角的變化而變化。

圖7 帆形參數和形狀模型Fig. 7 Geometric parameters and shape of sail

3.1 影響因素

風帆氣動性能受風速、風向等外界環境因素和風帆調整的影響，同時柔性風帆的材料、帆布的面板布置和纖維取向、設計形狀也是影響柔性風帆性能的重要因素。采用具有合理的帆面板布置、纖維方向的高性能輕質材料[44]制作風帆能夠顯著提高帆船的動力性能。Calì等[43-44]通過試驗測試獲得了10 種常用帆布的材料特性，先后研究了帆布的材料特性和帆面板布置、纖維方向對柔性風帆空氣動力學性能的影響。Miller 等[25]通過比較不同展弦比、帆邊條數的單面風帆的VPP 測試結果與水上測試結果，評估了不同設計形狀的風帆性能。在柔性風帆無人帆船航行過程中，由于柔性風帆的材料特性和對風帆的調整，其帆形參數會發生變化，從而力系數和受力中心位置也會發生變化，最終導致風帆的氣動性能發生變化。

3.2 柔性風帆飛行形狀測量

帆在航行過程中的真實形狀，也稱為飛行形狀[47]。帆的設計形狀和飛行形狀具有很大差異，采集帆的飛行形狀很有必要[48]，這是因為其可為數值模擬提供特定風況下風帆的真實形狀，為準確預測空氣動力學性能和驗證數值模擬結果提供寶貴信息。

學者們已經使用坐標測量機[48]、光學輪廓測量技術[49]、雷達檢測系統[50]、攝影測量法[45-47,51-52]（圖8（a））和飛行時間（time of flight, TOF)技術[53-55]（圖8（b））來測量柔性材料的形狀。其中攝影測量法被認為是相對準確和快速的測量方法，但存在需進行大量的數據后處理、遮擋以及需要大量照相機等缺點。而新出現的基于TOF 的測量方法，采用的是激光掃描儀對整個風帆飛行形狀進行測量，具有無接觸、范圍廣、對環境光線不敏感且適用于室內室外等優點。

圖8 飛行形狀測量方法[54]Fig. 8 Solutions for flying sail shape reconstruction[54]

3.3 研究方法

當前用于無人帆船柔性風帆空氣動力學性能的研究方法包括數值模擬[56]、風洞試驗[57-59]和水上試驗。其中，水上試驗是指無人帆船在真實水上環境下的試驗，此方法費時、費力，成本較高，但試驗結果最可靠。 風洞試驗是指運用比例模型或原型在風洞中進行的試驗，其試驗結果較可靠，但成本也很高，且還會受試驗條件的限制。風洞循環水槽試驗是目前采用的最新試驗研究方法，試驗水槽由多功能風洞和分層流循環水槽兩部分構成，二者既可獨立使用，也可相互關聯，可形成風浪流及分層流環境條件下船舶與海洋結構物的流體動力性能試驗能力，同時，還可對無人帆船進行水動力學特性和空氣動力學特性試驗研究。運用仿真軟件（如計算流體力學（CFD））進行數值模擬則是應用最廣泛的方法，該方法使用方便、成本較低，但通常需要試驗驗證，模擬結果才具備可靠性。圖9 所示為柔性風帆空氣動力學性能研究基本技術路線框圖。

圖9 柔性風帆空氣動力學性能研究基本技術路線Fig. 9 Basic technical route for research on aerodynamic performance of flexible sails

通過CFD 數值模擬，研究者可以得到風帆的最優設計方案[60]。在優化設計中，考慮到柔性風帆非常薄，可將風帆結構模型視為無厚度面或殼體的結構。在研究低雷諾數下湍流模型對空氣動力學性能預測方面，Aftab 等[61]研究了湍流模型對低雷諾數機翼的影響，Persson 等[60]研究了湍流模型對低雷諾數柔性風帆的影響，二人得出了相似的結論：Spalart-Allmaras 模型能更準確地預測風帆的升力和阻力，與實驗數據吻合較好；k-ω SST模型預測顯示流動分離現象會提前發生，在大攻角下對升力和阻力的預測不佳，而采用AVANTI無黏性流體模型[52,62]的計算量小，常被用于風帆設計的初步階段。

Bak 等[63]將風帆視為殼體結構，運用CFX 和LS-DYNA 軟件進行了柔性風帆變形的流固耦合分析。Fossati 等[46]對柔性風帆的1:10 比例模型進行風洞試驗研究，由紅外攝像系統采集飛行形狀，測量了逆風條件下的風帆性能。Calì等[44]通過CFD-CSM 方法對大三角帆進行流固耦合分析，評估了順風條件下風帆的性能，通過水上試驗，使用載荷傳感器測力及攝影測量法采集飛行形狀，然后對比驗證數值模擬結果。Fossati 等[53]和Bayati 等[55]在逆風條件下進行柔性風帆的風洞試驗研究，在帆面上粘貼薄而軟的壓力條紋進行力和壓力分布的測量，基于TOF 技術，采用激光掃描儀測量柔性風帆的飛行形狀，將飛行形狀用于CFD 數值模擬，更準確地預測了風帆的空氣動力學性能。

為準確評估風帆性能或優化風帆設計，在柔性風帆空氣動力學研究中，飛行形狀及其力和壓力分布的測量是需要解決的3 個要素。從前文可知，當前用于無人帆船柔性風帆空氣動力學性能的研究方法包括數值模擬、風洞試驗和水上試驗。試驗研究結果的可靠性高。風洞試驗或水上試驗的作用在于，通過將測得的特定工況下柔性風帆的飛行形狀、力和壓力分布與在相同工況下數值模擬的相應結果進行比較，可全面評估風帆性能，驗證數值模擬的準確性；此外，測得的在特定工況下柔性風帆的飛行形狀，還可為數值模擬提供真實的形狀模型，從而更準確地預測風帆性能。風洞試驗是運用得較為普遍的方法。在試驗中，目前主要采用攝影測量法或TOF 技術捕獲柔性風帆在特定工況下的飛行形狀，使用力傳感器和壓力條紋來測量力和壓力分布。然而，在現有的研究中仍主要關注的是順風或逆風條件下風帆的氣動性能，并未考慮實際航行下的各種工況，而即使是帆船水上試驗，考慮到高昂的成本和條件受限等因素，也僅是固定在岸邊進行研究。

在無人帆船柔性風帆的空氣動力學性能研究中，數值模擬方法方便、成本低。目前，用于空氣動力學性能預測的計算平臺主要有CFX，FLUENT和STAR-CCM+。柔性風帆的形狀模型是性能預測的關鍵。由于柔性風帆本身的材料特性，在實際航行時，風帆形狀隨不同工況的變化而改變，難以對其進行捕獲和測量，故通常假設風帆在各個工況下均為不變形的剛性帆面，如此則難以準確預測風帆性能，無法發揮不同類型風帆的最優性能。針對柔性風帆在風載荷下的非線性大變形問題，用非線性有限元分析程序（如LS-DYNA 和AUTODYN），可以相對較好地計算柔性風帆的變形，近似地構建出風帆變形的形狀。

總之，研究無人帆船動力性能需要結合運用空氣動力學和水動力學技術，而目前在研究中采用的數值模擬和試驗方法都未系統地研究風帆與船體的耦合作用，在此方面仍需進一步研究。

4 總結與展望

本文介紹了國際上具有代表性的柔性風帆無人帆船，總結和分析了柔性風帆的空氣動力學性能研究方法。在無人帆船中，柔性風帆是運用得較廣泛的風帆，具有剛性翼帆無法替代的優點。風帆系統和風帆空氣動力學性能是決定無人帆船性能的重要因素。目前，無人帆船領域中的一些技術仍未達到期望的目標，有待進一步提高，例如堅固的船體、耗能低和獲能效率高的風帆、魯棒性和可靠性強的軟硬件、具有長航時和在各種海洋環境下的適航性，以及可搭載的海洋監測儀器。展望無人帆船及柔性風帆的未來發展，需在如下方面開展關鍵技術的研究。

1） 柔性風帆的氣動性能。

柔性風帆因形狀多變而給其氣動性能的研究帶來了困難，運用試驗或數值模擬方法測量得到與不同工況相適應的風帆飛行形狀尤為重要。目前，對于在逆風條件或順風條件下現代帆船的風帆氣動性能研究已取得重要進展，但針對無人帆船柔性風帆氣動性能的研究案例極少。事實上，上述兩種帆船的研究方法和原理是相通的。無人帆船柔性風帆尺寸較小，隨著試驗條件的完善，結合數值模擬與試驗，未來可進一步探究不同工況下風帆的性能、帆裝與空氣的耦合以及帆裝與船體的耦合作用，建立較為全面的風帆形狀與風帆性能的數據庫，這對指導制定控帆策略、提高帆船操縱性都具有重要意義。

2） 可靠和高效的風帆技術。

風帆類型?，F有的風帆有多種類型，既有傳統軟帆、平衡軟帆，也有剛性翼帆。平衡軟帆的節能潛力很大，剛性翼帆絕大多數被視為平衡風帆。柔性風帆的材料特性、展弦比、固定和調帆方案對風帆性能影響很大，一般使用的絞盤繩索系統驅動方式容易造成繩索打結，若主帆和前帆的調帆繩各用一個結點，則可減少繩索打結的可能性，而有些無人帆船采用的機械調帆（如Marius的圓形導軌滑塊機構、ASV Roboat 的皮帶傳動線性驅動器和ABoat Time 的連桿機構）又會增加機械結構的復雜性和帆船負載。因此，有必要提出更具創新性的調帆方案，設計出與航行要求相適應（如競賽側重速度，遠洋航行側重耐疲勞性），可兼顧使用柔性風帆和剛性翼帆的支撐以及驅動方案并共享一套軟硬件的風帆類型，如此既能夠滿足不同航行的要求，又可以節約開發成本。

風帆快速收放技術。對于風帆-螺旋槳混合驅動的無人帆船，在螺旋槳驅動模式下，可以收帆降阻；對于水下、水面兩用的剛性翼帆無人帆船，在執行水下作業時，需能夠將翼帆快速收入船體中； 在強風航行條件下，可以調整風帆尺寸，以達到顯著減小帆船航行阻力的目的。

3） 船載能源管理策略。

若要保證無人帆船既可長期滯留海上執行任務，又可為種類繁多、用途各異的船載傳感器的運行提供充足能量，則需要設計出合理的船載能源管理策略。例如，船載的風速儀、姿態儀慣性測量單元（IMU）、伺服電機編碼器等傳感器可在不同工況下采集大量的數據，用于優化控制無人帆船航行的設置參數，從而優化航行性能；溫度傳感器、水質監測儀器、水聽器等船載傳感器可以將采集的數據用于科學研究。

總之，船載能源管理策略的研究需要重點考慮獲能和耗能這兩個問題。前者的關鍵是解決航行時蓄電池的充電問題。目前，船載太陽能電池板組、小型風力發電機、水輪發電機均可實時為蓄電池充電。 后者需要解決機械自動駕駛系統（如風向標自動轉向系統）在不消耗功率的情況下使無人帆船保持期望航向的問題。

為了保持無人帆船的內在方向穩定性（即無論初始航向如何，都無需頻繁控帆或使用復雜的機械操縱系統而能夠返回到期望的航向），可利用的理想方案有：直接將尾翼附著在風帆上；優化調帆機構的設計，使其質量輕、可靠性和操縱效率高；合理規劃各類船載儀器的工作與休眠策略。

混合驅動技術（例如風帆-螺旋槳混合驅動）對長期航行有著重要作用，但螺旋槳電機運轉需要耗能，因此，流體獲能-驅動關鍵技術的研究可成為潛在的解決方案，目標是使安裝在帆船下的水輪機在風帆驅動模式下能夠作為水輪發電機為電池充電，而在螺旋槳驅動模式下，水輪機作為螺旋槳推動帆船航行。

4） 避險研究。

主要針對無人帆船航行、自身設備的安全性和可靠性而提出。無人帆船航行時難免會受到大的風浪流影響，因此有必要研究出帆船的自保功能（例如風帆快速收放技術），這在一定程度上可以起到保護帆船的作用。另外，自檢功能可以用于監測和診斷船載設備的運行狀態，如將冗余的執行器、傳感器等引入無人帆船，當組件出現故障時可以自啟動冗余組件，以保證無人帆船持續航行。

5) 航行控制算法研究。

通過路徑規劃確定起始點與目標點間的最佳路線和轉向點。無人帆船路徑規劃需要解決的關鍵技術包括：可靠地檢測和規避障礙物，在地圖上預先標出靜態障礙物（例如暗礁、島嶼等）；實時檢測動態障礙物（例如航行船、流動浮標等）；同時，還要考慮風浪流、航行目的等條件。

通過路徑跟蹤計算出執行器所需輸入，以跟蹤預先確定的路徑，并優化航速，縮短航行耗時?？囟妫ê较蚩刂婆c航跡保持）和控帆的策略研究需要解決的問題是路徑跟蹤。通常，在操縱過程中，舵和帆是分開控制的，舵控制采用模糊PID 控制方法，帆控制多采用經驗公式。研究控帆策略需要基于風帆的氣動性能研究結果。在控帆策略方面，現代帆船的使用歷史悠久，積累了豐富的經驗，可以通過采集船員在控舵和控帆方面的經驗數據，建立數據庫并借助機器學習方法學習船員的帆-舵控制策略，對帆-舵進行耦合控制，以此提升無人帆船的路徑跟蹤性能。

綜上，低成本、長航時、多功能、安全可靠、全自主航行是無人帆船各項關鍵技術的研究目標。