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无人船毕设进展

智能无人测量船设计进度(硬件系统)

  • 目录
    • 前言
    • 课题目的
    • 研究现状
    • 控制系统(Pixhawk)
    • 动力系统
    • 供电系统
    • 通讯系统
    • 传感器系统
    • pixhawk2.4.8接口分析
    • 详细分析控制系统
    • 技术路线
    • 参考文献

目录

前言

    面对毕业季,由于研究生入学考试失败,本科测绘,与项目相关性较早开始完成任务。毕业已经三个月了,我和你分享了一些当前的结果,我希望能给你一些帮助,并希望第二次世界大战的结果能上岸。 

课题目的

    为了获取河底地貌信息,学者们对河流水域的测量提出了不同的技术解决方案。最实用的是将声纳与实时动态载波相位差结合起来(Real - time kinematic,RTK)定位自动测量河深和河底地貌,最终获取河底地貌信息,并为海洋中鱼群位置的定位和跟踪提供技术支持。 

研究现状

  1. 研究无人平台控制系统的现状 飞行控制器(飞行控制器)作为无人船的控制大脑,是无人船保持稳定航行的核心硬件[1]。主要用于起飞、巡航、降落等阶段无人机[2][3]其他系统的协同辅助控制元件,通常有集成惯性测量单元(IMU)、气压计、加速度计、磁罗盘等,保证了无人机运行状态的稳定性。 无人控制系统发展迅速。目前,它在无人机室内自主避障[4][5]、路径规划[6]和抗干扰[7][8]方面取得了良好的成绩。然而,就无人测量船而言,这些技术还没有系统地应用,无人机领域也没有真正实现智能化,这与水面环境的变化有关。基于控制系统方迅等(2018)APM对系统中的通用配置和对Mavlink了解通信协议RTPS协议设计控制系统,混合干扰无人船航向控制过程中的风浪PX4平台原生mahony算法与导航控制算法相结合PID提出有效的控制技术PD控制方法,实现控制参数自适应调整和优化[9]。
  2. 研究无人船动力系统的现状 无人船是一种通过预设任务在水面上独立航行的新型无人设备,其动力技术是决定其航程和工作能力的关键[10]。 国内外无人机动力系统主要采用电池动力或柴油机动力,2019年提出了混合动力系统设计,针对市场电池动力持续航行能力和柴油机动力系统容易造成环境污染问题,提出了方便的混合动力系统、电池和柴油机,解决了当前单一动力系统的根本问题。在无人船的不同工况下,动力系统可以保证柴油机在最佳工作区运行,从而降低油耗和排放。柴油机不与负载直接连接,可降低整船的冲击振动,提高测量精度。 目前,基于无人船的混合动力研究仍处于试验阶段,这一方向的研究相对较少。近年来,何新英和陈剑龙在这一领域做出了核心贡献。
  3. 研究无人船定位系统的现状 全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)使用越来越普遍[12],在无人测量船领域也起着关键作用。传统的水域测量方法是在浅滩、近岸等地方使用RTK人工直接测量[13],这种方法很难满足当前的测绘需求。在无人系统的发展下,装载RTK、声纳等设备的无人船可以快速准确地获取水下地形数据。
  4. 无人船应用领域的现状 无人船的发展起源于第二次世界大战。目前,无人船已应用于漂浮物清洗[14]、水质检测[15][16][17]、水下地形测量[18][19]、海洋检测[20][21]等。

控制系统(Pixhawk)

飞行控制器是在起飞、巡航、降落等阶段辅助或独立控制飞机其他系统和部件的部件。通常与惯性测量单元(IMU)、飞行控制系统由气压计、磁罗盘等部件组成。在飞机飞行过程中,飞行控制感知飞机的飞行高度、速度、角度和位置信息,根据预先设定的飞行计划或临时接收的飞行指令,控制飞机的不同系统,调整舵面,调整多旋翼输出功率,改变飞行姿势。 市场上大约有六种飞行控制,1)KK飞行控制:价格低,但扩展性低,不稳定,不能设定高度GPS。2)qq飞行控制:价格也便宜,性能比KK好,多了一个自稳功能,且操作简单。3)MWC飞行控制:分为高配置和低配置版本,最高价格不超过400元,最低价格超过90元。高配能实现自稳,GPS,定高等功能。但是MWC调试非常复杂,卖方不提供技术支持!4)APM/pixhawk飞控:调试有些复杂,但它扩展极高,支持几乎所有功能,极客首选。价格在100~开源在300之间。5)零度,大疆飞控两款都很贵,但调参简单。 扩展安装简单。功能强大,性能突出,外观友好,价格不低于1000元。 对于无人测量船来说,需要各传感器的集成和同样的稳定性,APM/pixhawk飞行控制完全符合要求,比零度和大疆价格更优惠,系统完全开源配置相对容易。故选取APM/pixhawk飞行控制作为无人测量船的控制系统,pixhawk相对APM界面更简洁,将每个插座分开,方便新手学习。APM开发人员不再更新,开发人员Pixhawk还在优化。故采用pixhawk作为无人测量船的控制系统。 Pixhawk2.4.8

动力系统

本次设计的动力系统主要以电机和电调为主,还增加了处理水生植物的设计(小众不详细介绍)。 
  1. 电机(2,正反浆):直流电机分为刷电机和无刷电机。 无刷电机的优点:1)无电火花大大降低了无线电设备的干扰。2)摩擦大大降低噪音。3)使用寿命长-几乎是免维护设备 有刷电机的优点:1)低速扭矩大扭矩。2)便宜 选用电机规格:https://item.jd.com/10044071352956.html#crumb-wrap 价格:447*2元 当电机效率最高时,电流为:12.5A。一般模型电机的空载电流为2A左右,每个电机的最大负载电流不同。如果电机堵塞,此时使用大功率电调和高放电倍率电池,会导致电流在短时间内急剧上升。如果时间稍长,电机就会被烧毁。选择大电流电调,必须配合大功率电机,使其相互配合。

  2. 电调(esc)(2):国内电调电调市场主要有两个更好的品牌,一个是中威特,另一个是好利润。目前,好利润涵盖了高、中、低等级的定位。经调查,大多数无人机爱好者一致推荐好利润天行人,在无人船项目中选择天行人电调。 我们电机的最大效率电流是12.5A:所以电调的最低选择是12.5A ,但一般出门安全考虑,电调要选大一点的! 如:15A -20A。选择电机的推力达到2.4kg工作电压为24V,每节电池电压3.6V,工作电压为24V至少需要6节电池串联。电调输入应满足6S锂电池,同时工作电流不过太多,以免损坏电机。 选用电调规格:https://item.jd.com/19997922526.html 价格:75*2元

供电系统

   供电系统由电池、充电器和分电板组成。电池通过分电板直接连接到电机上供电,电调有降压模块,可输出5V左右电压给pixhawk与其他需要较小电压的模块供电。 
  1. 电池选择(1): 能量密度高、安全性能好、循环寿命长、耐久性强、安全环保、防护等级高(如防尘、防水等)是现代高功能锂电池的主要特点,也是无人船所需的电池特点。无人船和无人机使用的电池原理基本相同,涉及暴力放电,因此高倍率电池将是无人船的首选。同时,由于无人船需要长时间工作,需要控制无人船的重量,高压电池成为不错的选择。深圳市格瑞普电池有限公司是深圳工业百强企业之一,集电池设计、研发、生产、销售为一体。同时,格瑞普也是国家高新技术企业和深圳高新技术企业,因此格瑞普电池被用作所需的电池。 当电池给出放电率和容量时,通常先看电池容量,比如22000MA , 容量确定了,就看倍率了! 如:2200MA 10C ,所以这个电池可以是:2.2A(2200MA =2.2A ) 10=22A , 该电池最大放电电流为22A显然,如果与上述电调不匹配,则需要选择15C 2.215=33A ,这可以满足以前的要求! 如果是20C 电池可以:2.2*20=44A 电流放电。当无人船最大功率时,两个电机的电流只有25A ,这个电池可以44A 来放电,无疑,电池会更加轻松. 马达一直以最大功率运行!获得的动力将是非常满意的。配合2200MA 20C最大负载电流为12的电池.5A最大输出30的电机A电调配置合理。 合作就是 最大电流12.5A的电机,30A电调,2200MA 20C电池是最好的配合。 确定电机,确定电调,最后确定电池。不要盲目选择电池,电调,不顾电机情况,容易烧坏电机。 请注意,如果我们为两个推进器选择电池,如果使用两组电调,请注意A所以我们必须使用20个电调A X2个=40A以上的电池,为了无人船的续航能力,我们一般选用10000MA,25C的电池,就是10 X 25C = 250A,已达到最优的重量,容量的匹配关系。同时插头需要改为T插。 选用电池规格:

    价格:1460 https://detail.tmall.com/item.htm?spm=a1z10.1-b.w5003-23169480373.17.6c72197bURYhe8&id=600896068868&rn=72cf4724a31dd75fd4a9802cb3505e95&abbucket=5&scene=taobao_shop

  2. 充电器(1个):根据选取电池规格选取充电器,为保证充电电压与电池一致选取电压为25.2V的充电器,为保证充电较快采用充电电流为3A。

https://detail.tmall.com/item.htm?spm=a1z10.5-b.w4011-17445661225.54.7af3673d3Rciby&id=573107896083&rn=0370a4397615346610ccc54f19444fe0&abbucket=5&skuId=4463448114756 价格:76.5 3. 分电板:将电池与多个电调连接,已有电流计为T插头的接口,选取分电板时需要采用T插头输入电流的分电板,输出端接口可以自由配置。 选用规格:

https://item.taobao.com/item.htm?spm=a230r.1.14.22.fe663c90330fIz&id=560309079816&ns=1&abbucket=11#detail 价格:25

通讯系统

  1. 数传:数传是通过地面站和无人船连接传递信息的工具,在地面站显示出当前无人船的各种姿态、位置、以及水深等情况,同样可通过地面站对无人船进行控制,设定航点的情况等。 数传参数: 价格:559 https://item.jd.com/10039687393318.html?cu=true&utm_source=kong&utm_medium=jingfen&utm_campaign=t_1000124725_pc_19811319&utm_term=e8b297ec1309463298d5263c3e1b3e69
  2. 遥控器(1个):https://item.jd.com/10034370850960.html#product-detail(可带有接收机)
  3. 接收机(1个):无人船动力系统仅在二维平面运动和无人机不同其通道数并不多故仅采用9通道的接收机便可达到最优方案。 接收机规格:富斯iA6B接收机,支持SBUS IBUS PPM PWM信号 ,4.0-6.5V供电,价格64元 https://item.taobao.com/item.htm?id=648697598311&ali_refid=a3_430673_1006:1121220214:N:YjAe8D1xRlwzEtALkSjS3Q%3D%3D:0324b6586b045c1036c98df3b83d3142&ali_trackid=1_0324b6586b045c1036c98df3b83d3142&spm=a2e0b.20350158.31919782.1

传感器系统

  1. RTK 为保定位精度要求,采取RTK进行定位,要求精度在2cm之内,本设计方案的RTK采用Blicube RTK,G-RTK 是 BLI(北力电子)独立研发的双天线高精度差分定位定向模块(Real Time Kinematics),通过两个 G-RTK 模块(一个移动端,一个基站端)可组成完整 的 RTK 系统。该RTK采用国产定位芯片,支持双天线侧向,支持北斗、GLONASS、Galileo、GPS、QZSS(日本)导航系统。主要面向无人机、机器人及智 能驾驶等高精度定位定向需求。其单点平面定位精度是1.5m、高程定位精度是2.5m,RTK平面定位精度是1cm+1ppm、高程定位精度是1.5cm+1ppm,向精度为0.2度/m基线。 说明书链接:http://blicube.com/

价格:6500元 https://item.taobao.com/item.htm?spm=a230r.1.14.1.39f254adN9X2GO&id=643614974982&ns=1&abbucket=10#detail 2. 声呐: Blue Robotics Ping 回声测深仪和高度计是一种低成本的水下声纳,用于测量与水下物体的距离。Ping 具有 50 米的射程、30 度的光束宽度和 300 米的深度等级。它可以用作 ROV 或 AUV 上的高度计,用于 USV 或船上的水深测量,或用作任何海洋机器人的避障声纳。 Blue Robotics 为 Ping Echosounder 提供并维护了一套丰富的支持开源软件和文档:Ping-Viewer 配置:价格299$ 3. 温度传感器: 摄氏温度传感器是一种快速响应、高精度的温度传感器,与水密封,由铝制笼子保护,可随时安装在防水外壳中。使用它可以在任何流体中进行深度/温度分布、表面温度分布和精确测量。 该传感器是 Measurement Specialties TSYS01,精度为 ±0.1°C,并通过 I 2 C 进行通信。它标配 4 针 DF13 连接器,并与大多数DroneCode兼容板兼容,包括 APM2.6、PixHawk 等. TSYS01 传感器本身具有快速的时间响应,我们设计了整个封装以保持该速度,即使在快速下降/上升时也能实现准确的温度曲线测量。摄氏温度传感器的响应时间常数为 1 秒(流量为 0.5 m/s)和 2 秒(在静水中)。

参数配置 价格:60$ https://bluerobotics.com/store/sensors-sonars-cameras/sensors/celsius-sensor-r1/ 4. 压力传感器: Bar30压力传感器是一种高压、高分辨率压力传感器,与水密封,可安装在ROV 或 AUV的防水外壳中。凭借 0.2 mbar 的分辨率,它在水柱中拥有 2mm 的惊人深度测量分辨率! 该传感器是 Measurement Specialties MS5837-30BA,可测量高达 30 bar(300m/1000ft 深度)并通过 I 2 C 进行通信。它在 3.3VI 2 C 电压下工作,但可接受高达 5.5V 的电源输入。它标配 4 针 DF13 连接器,与大多数飞行控制器板兼容,包括 PixHawk 等。ArduPilot和ArduSub默认支持 Bar30 传感器,因此它可以用于任何 ArduSub 控制的 ROV,如BlueROV2。我们还提供有关如何将 Bar30 与Arduino和Raspberry Pi设备一起使用的指南。 该传感器包括一个精确到 ±1°C 的温度传感器,数据也可以通过 I 2 C 访问。如果您需要温度精度更高的东西,请查看摄氏温度传感器。

参数配置: 价格:72$ https://bluerobotics.com/store/sensors-sonars-cameras/sensors/bar30-sensor-r1/

pixhawk2.4.8接口分析

控制系统详细分析

技术路线

参考文献

[1] 孟常.Pixhawk飞控在无人机中的应用研究[J].信息记录材料,2021,22(05):151-153.DOI:10.16009/j.cnki.cn13-1295/tq.2021.05.081. [2] 胡玉柱,冼俊衡,任姝萍,段岳廷,李永培.基于PIXHAWK飞控的四旋翼机械臂无人机设计[J].电子世界,2020(07):181-182.DOI:10.19353/j.cnki.dzsj.2020.07.104. [3] 崔玉博. 基于PIXHAWK的无人机室内通道自主避障飞行研究[D].沈阳理工大学,2020.DOI:10.27323/d.cnki.gsgyc.2020.000312. [4] 杨旗,崔玉博,陈杰,王家楠.基于Pixhawk的无人机室内通道自主避障研究[J].内燃机与配件,2019(07):172-174.DOI:10.19475/j.cnki.issn1674-957x.2019.07.088. [5] 陈希.基于激光传感器的农业无人机避障路径控制系统设计[J].机械制造与自动化,2021,50(06):170-173.DOI:10.19344/j.cnki.issn1671-5276.2021.06.043. [6] 姜琼阁. 基于PX4的地面无人车避障系统及路径规划研究[D].北方工业大学,2019. [7] 王少辉. 接触式作业空中机器人抗扰控制技术研究[D].南京航空航天大学,2020.DOI:10.27239/d.cnki.gnhhu.2020.002269. [8] 赵元魁. 室外环境下旋翼飞行器抗干扰研究[D].太原理工大学,2019. [9] 方洵,黄辉.基于Ardupilot的微型无人船航向控制系统设计[J].科技创新与应用,2018(30):27-31. [10] 王天龙. 5kW混合动力无人船电源管理系统的设计与实现[D].海南大学,2020.DOI:10.27073/d.cnki.ghadu.2020.000092. [11] 何新英,叶永权,徐曼平,苏一丹.便携式无人测量船混合动力系统设计[J].机电工程技术,2019,48(11):16-18. [12] Hetherington C . Effectiveness of real time kinematic global navigation satellite system suveying (RTK GNSS). 2008. [13] 申佳亮.GNSS结合无人船技术在水系综合治理勘测中的应用研究[J].科技资讯,2021,19(24):52-54.DOI:10.16661/j.cnki.1672-3791.2109-5042-9670. [14] 史浩辉,李莉莉,付宗国,罗准,官俊.一种水面漂浮物自动清理机器人结构设计[J].机械工程师,2019(01):110-112. [15] 何惠彬,王伟丽.花蛤养殖水质监测的物联网无人船设计[J].木工机床,2021(03):7-9. [16] 谭平玉.无人船水质监测系统设计与应用研究[J].科学技术创新,2021(15):58-60. [17] 蒋星宇. 一种水质监测无人船系统的设计与实现[D].南京信息工程大学,2018. [18] 贾治平.无人船测深系统在水下地形测量中的应用[J].经纬天地,2021(04):20-23. [19] 陈俊任,周晓华.无人船测量系统在水下地形测量中的应用[J].测绘技术装备,2020,22(04):65-68. [20] 李远芳,张莉,陈钜龙.水下无人船构建海洋环境监测系统研究[J].舰船科学技术,2021,43(10):166-168. [21] 金久才,张杰,邵峰,崔廷伟.一种海洋环境监测无人船系统及其海洋应用[J].海岸工程,2015,34(03):87-92.

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