太陽能無人艇平臺系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張克 汪佳樂 趙峰 王宏明

摘要：本文研發(fā)了一臺太陽能無人艇科研平臺，該平臺包含有電源控制系統(tǒng)、無人艇推進(jìn)系統(tǒng)、無人艇主控系統(tǒng)、4G傳輸系統(tǒng)、水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)及聲吶系統(tǒng)等。該無人艇能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程自主航行功能，并能夠?qū)z像頭及水質(zhì)檢測的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳輸?shù)桨痘?，從而為科研和教學(xué)工作的開展奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：太陽能;無人艇;4G傳輸;水質(zhì)檢測

隨著信息時(shí)代的發(fā)展，無人艇在軍事和民用方面的應(yīng)用越來越重要。目前，國內(nèi)外很多學(xué)者都在開展智能無人艇的研究工作。2017年發(fā)布的國家“新一代人工智能”發(fā)展規(guī)劃中，無人艇是主要的研究方向之一。國外Redding等人提出了無人艇的編隊(duì)及協(xié)同任務(wù)工作技術(shù)，提出了一種基于隨機(jī)樹算法的快捷路徑規(guī)劃方法。Kim等人研究了角速率約束路徑規(guī)劃算法在無人機(jī)上的應(yīng)用。國內(nèi)范云生等人建立了無人艇航行環(huán)境模型的遺傳算法，結(jié)合電子海圖，從而實(shí)現(xiàn)了在局部區(qū)域無人艇能夠快速搜索目標(biāo)。吳博等人在總結(jié)了前人成果后，利用紅外線和高清攝像頭，解決了在指定水域內(nèi)無人艇的航行壁障問題。

一、無人艇平臺的設(shè)計(jì)

（一）電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無人艇供電系統(tǒng)包括兩塊太陽電池板、太陽能控制器、兩組硅酸鹽電池、一鍵啟停系統(tǒng)、主控和數(shù)據(jù)傳輸通信系統(tǒng)、水質(zhì)檢測和無人艇姿態(tài)測量系統(tǒng)、無人艇主推進(jìn)和側(cè)推系統(tǒng)、聲吶系統(tǒng)和4G傳輸系統(tǒng)等。無人艇供電系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

1.電源系統(tǒng)

（1）硅酸鹽電池系統(tǒng)

本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)過程中，考慮到要長期定點(diǎn)監(jiān)測、溫度跨度大等特點(diǎn)，因此選用了硅酸鹽電池作為無人艇的儲能設(shè)備。硅酸鹽電池對溫度的適應(yīng)能力強(qiáng)，能夠在-40℃～70℃之間的溫度下正常工作。普通鉛酸電池在零下溫度時(shí)，容量會大大減少，高溫的安全性又不穩(wěn)定。硅酸鹽電池總設(shè)計(jì)容量為12V，100AH。滿足整船滿功率300W持續(xù)運(yùn)行4小時(shí);如果僅定點(diǎn)監(jiān)測過程中，僅需要動力定位與傳感器系統(tǒng)工作，基本滿足全天候工作要求。

（2）太陽能電源系統(tǒng)

本項(xiàng)目選用了兩片40W的太陽能電池為系統(tǒng)供電。根據(jù)長江流域日照條件，兩塊電池版每天產(chǎn)生的能量約等于500WH（等價(jià)于12V，42AH），這意味著自航模在使用太陽能電池充電系統(tǒng)后，每天可以增加50%的續(xù)航能力。這個(gè)能量增加遠(yuǎn)超過系統(tǒng)平時(shí)使用的電量。

太陽能管理系統(tǒng)選用的是20A的電能輸出系統(tǒng)。這套系統(tǒng)能夠在兩塊太陽能電池板滿功率負(fù)載下正常充電，同時(shí)這套系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)電池在工作時(shí)進(jìn)行充電。

2.控制系統(tǒng)布局和傳感器

（1）核心控制板

核心控制面板包括姿態(tài)傳感器、板載無線通信、12V電源供電、5V電源供電、3.3V電源供電、A&D共地端子、TF卡、8路PWM（可擴(kuò)展到12路）、混控解決方案、GPS接口、無線數(shù)傳接口、溫度計(jì)接口、深度計(jì)接口、步進(jìn)電機(jī)接口、CAN通信總線通信接口、慣導(dǎo)接口、激光雷達(dá)接口、照明LED接口等。

（2）溶解氧和水溫傳感器

傳感器用于測量水中溶解氧含量，進(jìn)而反應(yīng)水質(zhì)狀況。本傳感器主要用于水產(chǎn)養(yǎng)殖、環(huán)境監(jiān)測、自然科學(xué)測量等領(lǐng)域的水質(zhì)檢測。使用新的溶解氧電極前，位于電極頭部的膜帽需要加入0.5mol/L氫氧化鈉溶液作為電極的填充液。如果電極使用有一段時(shí)間后，誤差明顯增大時(shí)，需要更換填充液。膜帽上透明的氧滲透膜為敏感元件，不能用指甲或者其他尖銳物體碰觸，有劃痕需要更換新的膜帽。溶解氧電極在測量過程中需耗氧，測量時(shí)，周圍水應(yīng)當(dāng)有慢速流動，使得溶解氧均勻分布在液體中。此外，要視水質(zhì)狀況更換膜帽，水質(zhì)越清，更換時(shí)間可以適當(dāng)延長一些。通常情況下2個(gè)月更換一次。

水溫度傳感器的工作電壓為5V，靜態(tài)電流小于10mA，探測范圍為-55～125℃，探測精度達(dá)到0.1℃。通過試驗(yàn)可知，本項(xiàng)目所選用的溫度傳感器，測量結(jié)果與實(shí)際結(jié)果基本一致。

（3）電子羅盤和聲吶

電子羅盤采用Modbus工業(yè)總線協(xié)議，通信接口選用RS485接口。能夠測量出較為精準(zhǔn)的橫搖和縱搖參數(shù)。同時(shí)具備電子羅盤，能夠?yàn)閷?dǎo)航提供較高品質(zhì)的艏向數(shù)據(jù)。

勞倫斯側(cè)掃聲吶，安裝需要位于水面以下15～30厘米。因?yàn)槁晠茸陨碓?，目前只能與艙內(nèi)的顯示器配合使用，不適用于遠(yuǎn)程顯示。

3.推進(jìn)操縱系統(tǒng)

主推進(jìn)系統(tǒng)選用本團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)研發(fā)的，型號為YL-SXTJQ-350的水下推進(jìn)器，該推進(jìn)器具備推力大、可長久浸沒水中工作等優(yōu)勢，能夠保證自航模在任何水質(zhì)狀態(tài)下工作。本項(xiàng)目使用雙槳差動系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)操縱。電機(jī)分正反槳、正反轉(zhuǎn)四種情況。如果轉(zhuǎn)向反向，可以產(chǎn)生推力，但推力會減小。

側(cè)推器選用本團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)研發(fā)的，型號為YL-CTQ46D的側(cè)推器。側(cè)推器具備雙向推進(jìn)能力，可以通過PWM控制實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。

4.一鍵啟停和4G圖傳系統(tǒng)

一鍵啟停按鈕，是為了解決傳統(tǒng)自航模上電困難，或者大功率下開關(guān)承受能力、安全性等方面存在的安全隱患。這套系統(tǒng)選用低壓驅(qū)動高壓、小功率啟動大功率的思路，解決了自航模供電問題。極大的增加了自航模的美觀性和整體性。

一鍵啟停按鈕目前以人工操作為主，后續(xù)可以升級為智能型一鍵啟停，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制全船的電源開關(guān)。增加無人船的可控性。

4G圖傳系統(tǒng)，通過4G本地存儲一體機(jī)與雙光夜視監(jiān)控球機(jī)組成，這兩個(gè)硬件可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻傳輸。

（二）通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)模塊包含數(shù)傳電臺、手持遙控器、測試阮籍和4G圖傳軟件。其中數(shù)傳電臺的工作電壓為5～36V，通信范圍為0～3000m，串口形式為RS485。手持遙控器的工作電壓為12V，信號頻段為2.4G，通信范圍為0～1000m，通道數(shù)達(dá)到12個(gè)，其中1、3通道分別對應(yīng)了左右推進(jìn)器，7、8通道對應(yīng)了首尾側(cè)推器。測試軟件是由本團(tuán)隊(duì)開發(fā)的，開發(fā)界面如圖7所示。軟件打開后，需要設(shè)置串口、從機(jī)地址為（0x02）;然后可以觀察到無人傳數(shù)據(jù)。4G傳輸軟件用于遠(yuǎn)程控制、以自航模為第一視角觀測環(huán)境的軟件。該軟件分兩個(gè)版本，PC端軟件登錄和手機(jī)端登錄兩種。由中國移動公司的4G服務(wù)卡進(jìn)行通信服務(wù)。

三、結(jié)語

本文通過對無人艇研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，利用本團(tuán)隊(duì)的科研和人力資源優(yōu)勢，結(jié)合本專業(yè)的特點(diǎn)，研發(fā)了一臺集科研和教學(xué)于一體的無人艇平臺。該平臺科研利用太陽能電池板對蓄電池充電，從而實(shí)現(xiàn)24小時(shí)不間斷續(xù)航，通過主推進(jìn)和側(cè)推進(jìn)系統(tǒng)，能夠?qū)o人艇的姿態(tài)進(jìn)行自主調(diào)節(jié)，利用艇載攝像頭及水質(zhì)檢測傳感器，能夠?qū)崟r(shí)地將航線及水質(zhì)信息傳回到岸基，對后期科研和教學(xué)的應(yīng)用，都具有較大的積極意義。

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本文系：江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“太陽能無人艇科研平臺的研發(fā)”的結(jié)題成果，編號：202012679026Y。