太陽能無人艇平臺系統設計

張克 汪佳樂 趙峰 王宏明

摘要：本文研發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、無人艇推進系統、無人艇主控系統、4G傳輸系統、水質監測系統及聲吶系統等。該無人艇能夠實現遠程自主航行功能，并能夠將攝像頭及水質檢測的數據實時地傳輸到岸基，從而為科研和教學工作的開展奠定了基礎。

關鍵詞：太陽能;無人艇;4G傳輸;水質檢測

隨著信息時代的發展，無人艇在軍事和民用方面的應用越來越重要。目前，國內外很多學者都在開展智能無人艇的研究工作。2017年發布的國家“新一代人工智能”發展規劃中，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及協同任務工作技術，提出了一種基于隨機樹算法的快捷路徑規劃方法。Kim等人研究了角速率約束路徑規劃算法在無人機上的應用。國內范云生等人建立了無人艇航行環境模型的遺傳算法，結合電子海圖，從而實現了在局部區域無人艇能夠快速搜索目標。吳博等人在總結了前人成果后，利用紅外線和高清攝像頭，解決了在指定水域內無人艇的航行壁障問題。

一、無人艇平臺的設計

（一）電氣系統設計

無人艇供電系統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、主控和數據傳輸通信系統、水質檢測和無人艇姿態測量系統、無人艇主推進和側推系統、聲吶系統和4G傳輸系統等。無人艇供電系統示意圖如圖1所示。

1.電源系統

（1）硅酸鹽電池系統

本項目在設計過程中，考慮到要長期定點監測、溫度跨度大等特點，因此選用了硅酸鹽電池作為無人艇的儲能設備。硅酸鹽電池對溫度的適應能力強，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，容量會大大減少，高溫的安全性又不穩定。硅酸鹽電池總設計容量為12V，100AH。滿足整船滿功率300W持續運行4小時;如果僅定點監測過程中，僅需要動力定位與傳感器系統工作，基本滿足全天候工作要求。

（2）太陽能電源系統

本項目選用了兩片40W的太陽能電池為系統供電。根據長江流域日照條件，兩塊電池版每天產生的能量約等于500WH（等價于12V，42AH），這意味著自航模在使用太陽能電池充電系統后，每天可以增加50%的續航能力。這個能量增加遠超過系統平時使用的電量。

太陽能管理系統選用的是20A的電能輸出系統。這套系統能夠在兩塊太陽能電池板滿功率負載下正常充電，同時這套系統可以實現電池在工作時進行充電。

2.控制系統布局和傳感器

（1）核心控制板

核心控制面板包括姿態傳感器、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（可擴展到12路）、混控解決方案、GPS接口、無線數傳接口、溫度計接口、深度計接口、步進電機接口、CAN通信總線通信接口、慣導接口、激光雷達接口、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，進而反應水質狀況。本傳感器主要用于水產養殖、環境監測、自然科學測量等領域的水質檢測。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間后，誤差明顯增大時，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，周圍水應當有慢速流動，使得溶解氧均勻分布在液體中。此外，要視水質狀況更換膜帽，水質越清，更換時間可以適當延長一些。通常情況下2個月更換一次。

水溫度傳感器的工作電壓為5V，靜態電流小于10mA，探測范圍為-55～125℃，探測精度達到0.1℃。通過試驗可知，本項目所選用的溫度傳感器，測量結果與實際結果基本一致。

（3）電子羅盤和聲吶

電子羅盤采用Modbus工業總線協議，通信接口選用RS485接口。能夠測量出較為精準的橫搖和縱搖參數。同時具備電子羅盤，能夠為導航提供較高品質的艏向數據。

勞倫斯側掃聲吶，安裝需要位于水面以下15～30厘米。因為聲吶自身原因，目前只能與艙內的顯示器配合使用，不適用于遠程顯示。

3.推進操縱系統

主推進系統選用本團隊自主設計研發的，型號為YL-SXTJQ-350的水下推進器，該推進器具備推力大、可長久浸沒水中工作等優勢，能夠保證自航模在任何水質狀態下工作。本項目使用雙槳差動系統，實現操縱。電機分正反槳、正反轉四種情況。如果轉向反向，可以產生推力，但推力會減小。

側推器選用本團隊自主設計研發的，型號為YL-CTQ46D的側推器。側推器具備雙向推進能力，可以通過PWM控制實現正反轉。

4.一鍵啟停和4G圖傳系統

一鍵啟停按鈕，是為了解決傳統自航模上電困難，或者大功率下開關承受能力、安全性等方面存在的安全隱患。這套系統選用低壓驅動高壓、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，后續可以升級為智能型一鍵啟停，可以實現遠程控制全船的電源開關。增加無人船的可控性。

4G圖傳系統，通過4G本地存儲一體機與雙光夜視監控球機組成，這兩個硬件可以實現遠程視頻傳輸。

（二）通信系統

通信系統模塊包含數傳電臺、手持遙控器、測試阮籍和4G圖傳軟件。其中數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，通道數達到12個，其中1、3通道分別對應了左右推進器，7、8通道對應了首尾側推器。測試軟件是由本團隊開發的，開發界面如圖7所示。軟件打開后，需要設置串口、從機地址為（0x02）;然后可以觀察到無人傳數據。4G傳輸軟件用于遠程控制、以自航模為第一視角觀測環境的軟件。該軟件分兩個版本，PC端軟件登錄和手機端登錄兩種。由中國移動公司的4G服務卡進行通信服務。

三、結語

本文通過對無人艇研究現狀進行分析，利用本團隊的科研和人力資源優勢，結合本專業的特點，研發了一臺集科研和教學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，從而實現24小時不間斷續航，通過主推進和側推進系統，能夠對無人艇的姿態進行自主調節，利用艇載攝像頭及水質檢測傳感器，能夠實時地將航線及水質信息傳回到岸基，對后期科研和教學的應用，都具有較大的積極意義。

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本文系：江蘇省高等學校大學生創新創業訓練計劃項目“太陽能無人艇科研平臺的研發”的結題成果，編號：202012679026Y。