一種節(jié)能航道檢測船的研究

宋勝利

（山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博255049）

1 研制背景及意義

在航道檢測領(lǐng)域，傳統(tǒng)人工檢測存在操作難度大、檢測效率低、危險(xiǎn)系數(shù)高等問題；新興水下機(jī)器人檢測成本高昂、所受干擾較大、能源消耗較多。本團(tuán)隊(duì)所采用的航道檢測無人船可有效避免以上問題，但現(xiàn)有無人船采用單一電池供電，續(xù)航時(shí)間短、通信距離有限，不適合野外長時(shí)間作業(yè)，電池容易損壞會(huì)浪費(fèi)大量電能，造成環(huán)境污染。由此看來，將航道檢測無人船與可再生能源相結(jié)合具有重大發(fā)展意義。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 總體設(shè)計(jì)方案

2.1.1 整體思路設(shè)計(jì)

該太陽能水路航道檢測無人船共由四個(gè)基本單元和一個(gè)系統(tǒng)組成。包括運(yùn)動(dòng)單元、控制單元、動(dòng)能單元、通信單元以及多波束測深系統(tǒng)。此無人船通過采用三元鋰電池、利用太陽能充電，提高電能利用率，以此實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

運(yùn)動(dòng)單元為船體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力，并根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整無人船前進(jìn)的速度和方向；控制單元主要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障功能和巡航功能；動(dòng)能單元由三元鋰電池、太陽能、電機(jī)冷卻系統(tǒng)組成，由電能調(diào)節(jié)系統(tǒng)對電池進(jìn)行管理，為船體提供所需能源；通信單元是通過無線遙控和地面基站實(shí)現(xiàn)通信功能；多波束測深系統(tǒng)利用同時(shí)發(fā)射和同時(shí)接收多個(gè)波束對水底進(jìn)行條帶式全覆蓋測量，能夠一次性給出與航道垂直的垂面內(nèi)多個(gè)被測點(diǎn)的水深值。

2.1.2 設(shè)計(jì)模型與實(shí)體

為了使船體本身的重量對船舶航行時(shí)造成的干擾降低到最小化，無人船二代采用EPO 泡沫板作為主體材料，代替一代的鋼材，這樣可以避免由于船體過重下沉引發(fā)的安全事故出現(xiàn)。此外，我們對無人船的二代的內(nèi)部配件也做了優(yōu)化處理，最主要的部分體現(xiàn)在將冗雜的線路簡單化，使各個(gè)單元之間的聯(lián)系更加清晰，整體設(shè)計(jì)更加簡潔高效，從而可以在一定程度上提高工作效率，如圖1。

2.2 節(jié)能減排的具體應(yīng)用

2.2.1 利用太陽能

圖1

太陽能電池板安裝在無人船尾部使太陽能板呈40°傾斜[5]，使其在降水時(shí)能夠迅速泄水，以保護(hù)太陽能板以及甲板上的儀器設(shè)備。頂部太陽能電池板不受靜態(tài)陰影影響，發(fā)電時(shí)始終保持最高效率。而且這種安裝方式對太陽能電池本身起到一定的保護(hù)作用，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示太陽能板的工作壽命由最初的15 年左右延長至20 年以上，該太陽能航道檢測無人船實(shí)物模型在測試過程中進(jìn)行了太陽能發(fā)電及充電的穩(wěn)定性測試，測試中充電過程可以正常運(yùn)行。通過查閱資料，我們對當(dāng)?shù)厝照涨闆r進(jìn)行分析可知，本地全年日照時(shí)長為1739 h，年日照率為41%，年平均日照當(dāng)量為1350kWh/m2年，標(biāo)準(zhǔn)日照4.5 時(shí)/天。根據(jù)太陽能板面積為0.1344 m2計(jì)算得出，該無人船每年利用太陽能可達(dá)18.114kWh，超出傳統(tǒng)無人船裝置太陽能利用率15%。從而能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)一步降低能量消耗，真正達(dá)到節(jié)能減排。

2.2.2 三元鋰電池

我們在詳細(xì)對比了多種鋰電池的成本、性能、壽命、單位電能等多個(gè)方面，最終選定了三元鋰電池作為無人船的能源供給。三元鋰電池采用鎳鈷錳酸鋰做正極材料，與磷酸鐵鋰電池相比最大的特點(diǎn)是單位電能比較大，具有壽命長、循環(huán)次數(shù)多、自放電少、較高充放電倍率、體積小、重量輕且對環(huán)境無污染等優(yōu)點(diǎn)；并且從能量密度角度來說，三元鋰電池具有絕對優(yōu)勢，相同安時(shí)的電池，三元鋰電池續(xù)航時(shí)間更長，能夠節(jié)省大量電能。商業(yè)化三元電池放電電壓平臺(tái)高、比容量高，三元電池單體和模塊的能量密度超過200Wh·kg，高于磷酸鐵鋰電池（約136Wh·kg），因而可以為電動(dòng)汽車提供較長的續(xù)航里程[6]。相應(yīng)的也可以為無人船提供較長的續(xù)航里程。

表1 三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池的性能比較

經(jīng)過比較，三元鋰電池在環(huán)保、能量密度以及循環(huán)壽命等方面有著明顯的優(yōu)點(diǎn)，續(xù)航里程更長，更適用于本無人船，可以更好的進(jìn)行太陽能充電，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

2.2.3 電機(jī)智能冷卻系統(tǒng)降低額外能耗

本產(chǎn)品的電機(jī)智能冷卻系統(tǒng)采用水冷方式，大幅度節(jié)約了散熱消耗的電能，并保證電機(jī)的正常運(yùn)作。為維持電機(jī)正常工作溫度，采用DS18B20 溫度傳感器控制冷卻系統(tǒng)的執(zhí)行與停止。產(chǎn)品模型的轉(zhuǎn)向舵內(nèi)部中空，下部有孔。船體內(nèi)部有一個(gè)節(jié)流閥，若電機(jī)實(shí)際溫度高于電機(jī)正常工作溫度，則節(jié)流閥打開；反之，則節(jié)流閥關(guān)閉。節(jié)流閥的開孔大小和溫度成正比，若溫度太高，單片機(jī)會(huì)發(fā)出警報(bào)提醒，并控制停止電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖2 內(nèi)置的溫度傳感器模塊

圖3 內(nèi)置的光線傳感器模塊

圖4 冷卻系統(tǒng)工作原理

2.3 電能調(diào)節(jié)

信息傳輸安全性、動(dòng)力裝置穩(wěn)定性以及遠(yuǎn)程操縱可靠性是無人船發(fā)展所面臨的三個(gè)挑戰(zhàn)。團(tuán)隊(duì)就動(dòng)力裝置穩(wěn)定性方面，制定了電能輸出調(diào)節(jié)系統(tǒng)。其功能是在無人船航行過程中，保證各個(gè)部件工作電壓、電流的穩(wěn)定，對電池電能進(jìn)行合理分配，提高電能的利用率，從而使得各個(gè)部件能夠保持正常工作，快速反饋有效數(shù)據(jù)。作品采用了STM32F103RBT6，該系列處理器功耗超低，性能優(yōu)越，集成度高且擁有豐富外設(shè)，其涵蓋了GPIO、ADC、CAN 等標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)。

2.4 更精準(zhǔn)的多波束測深系統(tǒng)

無人船上采用多波束測深系統(tǒng)，利用同時(shí)發(fā)射和接收多個(gè)波束對海底進(jìn)行條帶式全覆蓋測量，它能夠一次測量出與航向方向多個(gè)垂直面內(nèi)幾十個(gè)甚至上百個(gè)被測點(diǎn)的水深值。傳統(tǒng)的單波束測深儀，是利用振蕩電路產(chǎn)生一個(gè)振蕩電壓，然后將此電壓施加在換能器中的壓電陶瓷塊上，利用電壓陶瓷的壓電效應(yīng)將產(chǎn)生的聲波發(fā)射出去。對于多波束系統(tǒng)來說，其單個(gè)波束發(fā)射過程與單波束測深儀相似，但多波束系統(tǒng)需要同時(shí)發(fā)射多個(gè)波束，所以二者電路組成有所不同。在多波束系統(tǒng)工作過程中，船姿傳感器感知的船姿信號(hào)和發(fā)射模式信號(hào)一同傳給信號(hào)處理器，信號(hào)處理器將處理好的信息送到多通道變換器，形成多個(gè)波束發(fā)射信號(hào)。之后這些信號(hào)經(jīng)過功率放大等過程分別被送到相應(yīng)的換能器單元，并發(fā)射出去。因此它能精確地、快速地測出一定寬度內(nèi)水底地貌的大小、形狀和高低變化，從而比較可靠地測定水深、描繪水底地形地貌的精細(xì)特征。

3 節(jié)能分析

3.1 在并入太陽能電池板后，經(jīng)過實(shí)際充電測算，得出在天氣晴好的條件下，模型船所配電池充滿電量所用時(shí)間約為40 分鐘，比傳統(tǒng)充電方式節(jié)約約29 分鐘的時(shí)間。

3.2 在加入三元鋰電池并改進(jìn)電能調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，無人船的續(xù)航能力大大提高，單次航行可節(jié)約30%的能源，實(shí)現(xiàn)了能源的節(jié)約。

4 結(jié)論

長期以來，我國地方政府多次強(qiáng)調(diào)提高技術(shù)是節(jié)能減排的有效手段，它是在保證經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)。本無人船裝置充分利用太陽能充電、三元鋰電池供能等多種節(jié)能減排的方式，有效減少能源消耗。隨著海洋資源的不斷探索和開發(fā)，利用無人船進(jìn)行海洋地形測繪將成為海洋資源開發(fā)的重要技術(shù)革新；未來無人船救援市場及使用領(lǐng)域也會(huì)更加廣闊。

本項(xiàng)目參考未來無人船的發(fā)展趨勢，設(shè)計(jì)了一種靈活、實(shí)用、操作簡便、高效利用可用能源的無人船航道檢測裝置?？梢杂行Ы鉀Q傳統(tǒng)地形測繪工作中成本高、周期長、操作復(fù)雜、安全性差等問題?？梢约皶r(shí)進(jìn)行航道路況的檢測，有效避免輪船在航道中因天氣惡劣、無法拋錨而造成的觸礁事故發(fā)生?？捎糜谖粗拥阑蚝Ｑ箢I(lǐng)域的航道安全規(guī)劃，提前規(guī)劃好輪船運(yùn)行路線，減少人力勞動(dòng)，降低水路航道探測成本。