基于RTK-GPS導(dǎo)航的燃料電池動力無人艇方案研究

吳 驍，王 穎

基于RTK-GPS導(dǎo)航的燃料電池動力無人艇方案研究

吳 驍1,2，王 穎1,2

(1. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2. 武漢市氫燃料電池工程技術(shù)中心，武漢 430064)

為提高整體質(zhì)量體積功率密度，延長無人艇續(xù)航時間和精確定位，利用風(fēng)冷氫空燃料電池作為主要動力源，以RTK-GPS系統(tǒng)作為定位導(dǎo)航方案，設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單無污染排放的燃料電池?zé)o人艇方案，通過樣機實驗，基本完成方案設(shè)計目標(biāo)。

RTK GPS 無人艇 燃料電池

0 引言

燃料電池動力系統(tǒng)以其高效、節(jié)能、零污染排放的優(yōu)勢受到越來越多的關(guān)注。隨著豐田、本田、現(xiàn)代等國際汽車大廠的研究推廣，車用燃料電池系統(tǒng)已初具商業(yè)實用性。燃料電池系統(tǒng)的可靠性、實用性也逐步得到大眾的認(rèn)可。

在中小型無人艇動力系統(tǒng)上，傳統(tǒng)方案是采用小型內(nèi)燃機或蓄電池組。對于中小型無人艇來說，以內(nèi)燃機作為動力源具有噪聲大、尾氣污染等缺點，且設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜。若以蓄電池組驅(qū)動電機作為動力源則整體質(zhì)量體積功率密度較低，由鋰電池電動汽車方案及其他電池放電試驗可知選用全鋰電池組其續(xù)航也不理想，并且電池組的充電時間較長也限制了該方案的推廣實用[1]。

本文設(shè)計的燃料電池?zé)o人艇采用風(fēng)冷氫空燃料電池，利用高壓氫氣瓶作為氣源，氣瓶為碳纖維復(fù)合材質(zhì)，質(zhì)量較輕，使得整體的能量密度較高。風(fēng)冷電堆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，便于使用和維護。無人艇采用了較為先進的RTK-GPS定位方案，可實現(xiàn)分米級的定位精度。

1 無人艇總體架構(gòu)

水面無人艇一般可用于執(zhí)行水質(zhì)監(jiān)測，海防偵查等任務(wù)[2]，可攜帶多種傳感器（如攝像頭），本無人艇設(shè)計采用兩套通信方案，一是利用無線網(wǎng)橋與岸基控制臺進行運動控制指令通信及攝像頭視頻信息或其他傳感器信息通信，二是利用無線電臺與岸基RTK基站進行GPS定位信息通信，無人艇主控制器為PLC，用于接受控制指令和處理GPS電臺信息，無人艇信息及控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 無人艇控制系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)動力來源為3 kw風(fēng)冷燃料電池電堆系統(tǒng)，系統(tǒng)附帶一48 v12ah小型鋰電池作為啟動電源和輔助電源。燃料電池系統(tǒng)為包含兩臺850 w電機在內(nèi)的所有設(shè)備進行供電，無人艇通過接受岸基控制臺指令調(diào)整兩臺電機的轉(zhuǎn)速差進行轉(zhuǎn)向，其總體外觀結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示：

圖2 無人艇外觀結(jié)構(gòu)簡圖

2 導(dǎo)航定位方案選擇

GPS即全球定位系統(tǒng)，由美國于上個世紀(jì)90年代組網(wǎng)完成，傳統(tǒng)的民用GPS系統(tǒng)接收機接受太空中至少4顆衛(wèi)星信號進行定位，但是民用級單套接收機的定位精度在天氣良好的情況下也只能達(dá)到15米左右，對于在野外河道、湖泊等地區(qū)使用的無人艇來說定位誤差太大。因此，本方案無人艇采用目前廣泛應(yīng)用的RTK-GPS定位技術(shù)來獲得對無人艇分米級的定位精度。

RTK-GPS技術(shù)是一種較為成熟的實時精確定位技術(shù)，多用于野外測繪或?qū)Ш较到y(tǒng)。一套RTK-GPS系統(tǒng)有一個基準(zhǔn)站和多個接收站。RTK系統(tǒng)工作時，固定基準(zhǔn)站將其固化的坐標(biāo)和當(dāng)前觀測值實時的發(fā)送給接受站，接受站接受到固定基準(zhǔn)站的載波相位信息后和自身的GPS信號進行比較，并利用差分校準(zhǔn)技術(shù)實時的解算數(shù)據(jù)，在信號良好的條件下可獲得分米甚至厘米級的精確定位[3]。岸基定位基站由GPS接受器和電臺發(fā)送器組成，岸基GPS接受器處于固定位置，采用長時間測量GPS信號后求均值固化定位數(shù)據(jù)，無人艇GPS電臺接受載波相位信息后在結(jié)合自身的定位信息通過差分校準(zhǔn)得到精確定位坐標(biāo)。一對多RTK-GPS無人艇定位系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 RTK-GPS定位導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)

除了精確的定位信息外，無人艇艇載GPS接收器還可以實時解算出航向信息，如圖3所示，無人艇有主從兩套GPS接受天線布置于軸線上，可形成由主天線到從天線的一條向量，GPS接收機可利用兩套天線的數(shù)據(jù)進行差分解算，從而獲得當(dāng)前無人艇軸線相對于正北方向的偏差角，從而確定航向。

3 動力方案選擇

為了獲得較高的整體能量密度和更長的續(xù)航時間，本方案采用燃料電池系統(tǒng)替代傳統(tǒng)無人艇的電池組或小型內(nèi)燃機系統(tǒng)。根據(jù)無人艇驅(qū)動螺旋槳的功率和其他傳感器等用電設(shè)備的功耗估算，采用3 kW風(fēng)冷燃料電池電堆，輸出48 V直流電。電堆采用具有高性價比的復(fù)合雙極板工藝，3 kW電堆系統(tǒng)的重量約為6 kg，相較于石墨堆來說功率密度更高，相較于金屬堆來說價格更低且可靠性也更高。電堆系統(tǒng)利用合理分布的軸流風(fēng)扇對陰極提供空氣并且自動調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速使得電化學(xué)反應(yīng)維持在合理的溫度，電堆外形如圖4所示。

圖4 風(fēng)冷燃料電池電堆外形

燃料電池電堆需要的是恒壓，穩(wěn)定的氣源。本方案應(yīng)用于無人艇系統(tǒng)則應(yīng)選用高質(zhì)量儲氫密度的氣源。目前成熟的高質(zhì)量密度供氫方式為高壓儲氫技術(shù)，國內(nèi)目前成熟的高壓儲氫氣瓶為35 Mpa碳纖維復(fù)合材料氣瓶，該型氣瓶20 L可儲氫約630 g，每個氣瓶可供給3kW電堆滿功率使用170分鐘。瓶身為圓柱體重7kg，瓶口集成組合減壓閥，可將35 Mpa壓力的氫氣減壓為0.05Mpa供給電堆使用，組合減壓閥重量約200 g，每個20 L碳纖維氣瓶長660 mm，直徑230 mm，無人艇上可根據(jù)任務(wù)需求的續(xù)航放置多個20L級別氣瓶。碳纖維氣瓶及減壓閥外形如圖5所示。

圖5 35 Mpa碳纖維瓶閥一體套裝

燃料電池輸出特性較軟，不能快速響應(yīng)負(fù)載功率變化要求并且不能長時間工作在大于額定功率工況下[4]，因此本方案配備了一小型48 V鋰電池作為啟動電源和輔助電源，負(fù)責(zé)系統(tǒng)功率變化的“削峰填谷”。系統(tǒng)混合動力架構(gòu)如圖6所示。

圖6 無人艇混合動力輸出架構(gòu)

由圖1、2無人艇總體架構(gòu)可知無人艇兩套螺旋槳推進系統(tǒng)由燃料電池系統(tǒng)供電，由PLC主控制器控制啟停和轉(zhuǎn)速，PLC通過無線網(wǎng)橋接受到岸基控制臺的目標(biāo)位置信息，實時的解算出與無人艇的相對距離和航向，通過控制兩臺螺旋槳電機的不同轉(zhuǎn)速，調(diào)整航向使得無人艇航向?qū)?zhǔn)目標(biāo)位置，PLC還可讀取螺旋槳電機自帶的轉(zhuǎn)速傳感器從而對輸出轉(zhuǎn)速信號進行校正，無人艇位置及航向控制原理圖如圖7所示。

4 樣機實驗

依據(jù)以上設(shè)計和常用淡水湖無人艇結(jié)構(gòu)，本項目利用玻璃鋼材質(zhì)制作了一艘適合武漢地區(qū)實驗的無人艇樣機，并在洪山區(qū)喻家湖進行了初步的動力系統(tǒng)、導(dǎo)航定位系統(tǒng)和簡易遙控系統(tǒng)實驗。實驗前已在岸邊固定校準(zhǔn)過GPS基準(zhǔn)站，利用上位機C#-winform開發(fā)了一個簡易的無人艇軌跡監(jiān)控界面，可在衛(wèi)星地圖上實時的顯示當(dāng)前無人艇的位置，同時可設(shè)置無人艇電機的轉(zhuǎn)速差來實現(xiàn)簡易方向的控制。實驗圖片如下所示：

圖7 無人艇位置航向控制原理圖

圖8 無人艇碼頭下水調(diào)試

實驗中，GPS系統(tǒng)定位準(zhǔn)確，無人艇與上位機之間通信正常，能在上位機衛(wèi)星地圖界面準(zhǔn)確的顯示當(dāng)前位置和航向，燃料電池動力系統(tǒng)能充足的提供無人艇所需的動力，上位機控制界面能完成基礎(chǔ)無人艇航向的操控，避開水面的障礙物，基本完成方案設(shè)計目標(biāo)。圓圈為湖面障礙物示意圖。

圖9 無人艇湖面避障運動軌跡

圖10 無人艇遠(yuǎn)程遙控運動位置坐標(biāo)

5 小結(jié)

本文對燃料電池?zé)o人艇方案進行了簡單研究，在導(dǎo)航系統(tǒng)上選用了電動無人艇成熟的RTK-GPS導(dǎo)航方案。在動力裝置上，采用風(fēng)冷燃料電池搭配碳纖維高壓氣瓶，實現(xiàn)了較高的質(zhì)量能量密度和體積能量密度，大幅延長了無人艇的續(xù)航時間。隨著以后材料技術(shù)的發(fā)展，電堆可以更換為重量更輕且體積更小的金屬堆，碳纖維氣瓶灌充更高壓力的氫氣，使得整體能量密度更上一個臺階。

[1] 李家良. 水面無人艇發(fā)展與應(yīng)用[J]. 火力與指揮, 2012(6): 203-205.

[2] 李寧寧, 吳天昊, 蔡群. 美國海軍無人系統(tǒng)淺析[J]. 飛航導(dǎo)彈, 2010(7): 48-54.

[3] 張照杰. 網(wǎng)絡(luò)RTK定位原理與算法研究[D]. 山東:山東科技大學(xué), 2007.

[4] 崔志祥. 燃料電池多旋翼無人機混合動力系統(tǒng)設(shè)計[D]. 浙江: 浙江大學(xué), 2018．

Overall Framework Design of Fuel Cell Powered Unmanned Surface Vessel Based on RTK-GPS Navigation

Wu Xiao1,2,Wang Ying1,2

(1.Wuhan Institute of Marine Electric propulsion, Wuhan 430064,China; 2.Wuhan Hydrogen Fuel Cell Engineering Research Center, Wuhan 430064,China)

P228.4

A

1003-4862（2021）06-0095-03

2020-11-10

吳驍（1994-）,男，碩士。研究方向：燃料電池。E-mail：759389913@qq.com