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      太陽能無人艇平臺系統(tǒng)設(shè)計(jì)

      2021-10-21 19:24:25張克汪佳樂趙峰王宏明
      三悅文摘·教育學(xué)刊 2021年37期
      關(guān)鍵詞:航模溶解氧無人

      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。

      參考文獻(xiàn):

      [1] Redding,J.,J.Amin,J.D.Boskovic,et a1.Collaborative mission planning , autonomy and control technology(COMPACT)for unmanned surface vehicles,Proceedings of the AIAA Guidance , Navigation , and Control Conference,Chicago,USA,2009:1-23.

      [2] Kim,H.,D.Kim,J.U.Shin,et al.,Angular rate-constrained path planning algorithm for unmanned surface vehicles,Ocean Engineering,2014,84(4):37-44.

      [3] 范云生,趙永生,石林龍,張?jiān)拢陔娮雍D柵格化的無人水面艇全局路徑規(guī)劃,中國航海,2017,40(1):47-52.

      [4] 吳博,文元橋,吳貝,周思楊,肖長詩,水面無人艇避障方法回顧與展望,武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版),2016,40(3):456-461.

      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。

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