太阳能无人艇平台系统设计

张克 汪佳乐 赵峰 王宏明

摘要：本文研发了一台太阳能无人艇科研平台，该平台包含有电源控制系统、无人艇推进系统、无人艇主控系统、4G传输系统、水质监测系统及声呐系统等。该无人艇能够实现远程自主航行功能，并能够将摄像头及水质检测的数据实时地传输到岸基，从而为科研和教学工作的开展奠定了基础。

关键词：太阳能;无人艇;4G传输;水质检测

随着信息时代的发展，无人艇在军事和民用方面的应用越来越重要。目前，国内外很多学者都在开展智能无人艇的研究工作。2017年发布的国家“新一代人工智能”发展规划中，无人艇是主要的研究方向之一。国外Redding等人提出了无人艇的编队及协同任务工作技术，提出了一种基于随机树算法的快捷路径规划方法。Kim等人研究了角速率约束路径规划算法在无人机上的应用。国内范云生等人建立了无人艇航行环境模型的遗传算法，结合电子海图，从而实现了在局部区域无人艇能够快速搜索目标。吴博等人在总结了前人成果后，利用红外线和高清摄像头，解决了在指定水域内无人艇的航行壁障问题。

一、无人艇平台的设计

（一）电气系统设计

无人艇供电系统包括两块太阳电池板、太阳能控制器、两组硅酸盐电池、一键启停系统、主控和数据传输通信系统、水质检测和无人艇姿态测量系统、无人艇主推进和侧推系统、声呐系统和4G传输系统等。无人艇供电系统示意图如图1所示。

1.电源系统

（1）硅酸盐电池系统

本项目在设计过程中，考虑到要长期定点监测、温度跨度大等特点，因此选用了硅酸盐电池作为无人艇的储能设备。硅酸盐电池对温度的适应能力强，能够在-40℃～70℃之间的温度下正常工作。普通铅酸电池在零下温度时，容量会大大减少，高温的安全性又不稳定。硅酸盐电池总设计容量为12V，100AH。满足整船满功率300W持续运行4小时;如果仅定点监测过程中，仅需要动力定位与传感器系统工作，基本满足全天候工作要求。

（2）太阳能电源系统

本项目选用了两片40W的太阳能电池为系统供电。根据长江流域日照条件，两块电池版每天产生的能量约等于500WH（等价于12V，42AH），这意味着自航模在使用太阳能电池充电系统后，每天可以增加50%的续航能力。这个能量增加远超过系统平时使用的电量。

太阳能管理系统选用的是20A的电能输出系统。这套系统能够在两块太阳能电池板满功率负载下正常充电，同时这套系统可以实现电池在工作时进行充电。

2.控制系统布局和传感器

（1）核心控制板

核心控制面板包括姿态传感器、板载无线通信、12V电源供电、5V电源供电、3.3V电源供电、A&D共地端子、TF卡、8路PWM（可扩展到12路）、混控解决方案、GPS接口、无线数传接口、温度计接口、深度计接口、步进电机接口、CAN通信总线通信接口、惯导接口、激光雷达接口、照明LED接口等。

（2）溶解氧和水温传感器

传感器用于测量水中溶解氧含量，进而反应水质状况。本传感器主要用于水产养殖、环境监测、自然科学测量等领域的水质检测。使用新的溶解氧电极前，位于电极头部的膜帽需要加入0.5mol/L氢氧化钠溶液作为电极的填充液。如果电极使用有一段时间后，误差明显增大时，需要更换填充液。膜帽上透明的氧渗透膜为敏感元件，不能用指甲或者其他尖锐物体碰触，有划痕需要更换新的膜帽。溶解氧电极在测量过程中需耗氧，测量时，周围水应当有慢速流动，使得溶解氧均匀分布在液体中。此外，要视水质状况更换膜帽，水质越清，更换时间可以适当延长一些。通常情况下2个月更换一次。

水温度传感器的工作电压为5V，静态电流小于10mA，探测范围为-55～125℃，探测精度达到0.1℃。通过试验可知，本项目所选用的温度传感器，测量结果与实际结果基本一致。

（3）电子罗盘和声呐

电子罗盘采用Modbus工业总线协议，通信接口选用RS485接口。能够测量出较为精准的横摇和纵摇参数。同时具备电子罗盘，能够为导航提供较高品质的艏向数据。

劳伦斯侧扫声呐，安装需要位于水面以下15～30厘米。因为声呐自身原因，目前只能与舱内的显示器配合使用，不适用于远程显示。

3.推进操纵系统

主推进系统选用本团队自主设计研发的，型号为YL-SXTJQ-350的水下推进器，该推进器具备推力大、可长久浸没水中工作等优势，能够保证自航模在任何水质状态下工作。本项目使用双桨差动系统，实现操纵。电机分正反桨、正反转四种情况。如果转向反向，可以产生推力，但推力会减小。

侧推器选用本团队自主设计研发的，型号为YL-CTQ46D的侧推器。侧推器具备双向推进能力，可以通过PWM控制实现正反转。

4.一键启停和4G图传系统

一键启停按钮，是为了解决传统自航模上电困难，或者大功率下开关承受能力、安全性等方面存在的安全隐患。这套系统选用低压驱动高压、小功率启动大功率的思路，解决了自航模供电问题。极大的增加了自航模的美观性和整体性。

一键启停按钮目前以人工操作为主，后续可以升级为智能型一键启停，可以实现远程控制全船的电源开关。增加无人船的可控性。

4G图传系统，通过4G本地存储一体机与双光夜视监控球机组成，这两个硬件可以实现远程视频传输。

（二）通信系统

通信系统模块包含数传电台、手持遥控器、测试阮籍和4G图传软件。其中数传电台的工作电压为5～36V，通信范围为0～3000m，串口形式为RS485。手持遥控器的工作电压为12V，信号频段为2.4G，通信范围为0～1000m，通道数达到12个，其中1、3通道分别对应了左右推进器，7、8通道对应了首尾侧推器。测试软件是由本团队开发的，开发界面如图7所示。软件打开后，需要设置串口、从机地址为（0x02）;然后可以观察到无人传数据。4G传输软件用于远程控制、以自航模为第一视角观测环境的软件。该软件分两个版本，PC端软件登录和手机端登录两种。由中国移动公司的4G服务卡进行通信服务。

三、结语

本文通过对无人艇研究现状进行分析，利用本团队的科研和人力资源优势，结合本专业的特点，研发了一台集科研和教学于一体的无人艇平台。该平台科研利用太阳能电池板对蓄电池充电，从而实现24小时不间断续航，通过主推进和侧推进系统，能够对无人艇的姿态进行自主调节，利用艇载摄像头及水质检测传感器，能够实时地将航线及水质信息传回到岸基，对后期科研和教学的应用，都具有较大的积极意义。

参考文献：

[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，赵永生，石林龙，张月，基于电子海图栅格化的无人水面艇全局路径规划，中国航海，2017，40（1）：47-52.

[4] 吴博，文元桥，吴贝，周思杨，肖长诗，水面无人艇避障方法回顾与展望，武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2016，40（3）：456-461.

本文系：江蘇省高等学校大学生创新创业训练计划项目“太阳能无人艇科研平台的研发”的结题成果，编号：202012679026Y。