一種節能航道檢測船的研究

宋勝利

（山東理工大學機械工程學院，山東 淄博255049）

1 研制背景及意義

在航道檢測領域，傳統人工檢測存在操作難度大、檢測效率低、危險系數高等問題；新興水下機器人檢測成本高昂、所受干擾較大、能源消耗較多。本團隊所采用的航道檢測無人船可有效避免以上問題，但現有無人船采用單一電池供電，續航時間短、通信距離有限，不適合野外長時間作業，電池容易損壞會浪費大量電能，造成環境污染。由此看來，將航道檢測無人船與可再生能源相結合具有重大發展意義。

2 設計方案

2.1 總體設計方案

2.1.1 整體思路設計

該太陽能水路航道檢測無人船共由四個基本單元和一個系統組成。包括運動單元、控制單元、動能單元、通信單元以及多波束測深系統。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，以此實現節能減排的目的。

運動單元為船體的機械運動提供動力，并根據實際情況調整無人船前進的速度和方向；控制單元主要實現自動避障功能和巡航功能；動能單元由三元鋰電池、太陽能、電機冷卻系統組成，由電能調節系統對電池進行管理，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現通信功能；多波束測深系統利用同時發射和同時接收多個波束對水底進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多個被測點的水深值。

2.1.2 設計模型與實體

為了使船體本身的重量對船舶航行時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的安全事故出現。此外，我們對無人船的二代的內部配件也做了優化處理，最主要的部分體現在將冗雜的線路簡單化，使各個單元之間的聯系更加清晰，整體設計更加簡潔高效，從而可以在一定程度上提高工作效率，如圖1。

2.2 節能減排的具體應用

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]，使其在降水時能夠迅速泄水，以保護太陽能板以及甲板上的儀器設備。頂部太陽能電池板不受靜態陰影影響，發電時始終保持最高效率。而且這種安裝方式對太陽能電池本身起到一定的保護作用，試驗數據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物模型在測試過程中進行了太陽能發電及充電的穩定性測試，測試中充電過程可以正常運行。通過查閱資料，我們對當地日照情況進行分析可知，本地全年日照時長為1739 h，年日照率為41%，年平均日照當量為1350kWh/m2年，標準日照4.5 時/天。根據太陽能板面積為0.1344 m2計算得出，該無人船每年利用太陽能可達18.114kWh，超出傳統無人船裝置太陽能利用率15%。從而能夠實現進一步降低能量消耗，真正達到節能減排。

2.2.2 三元鋰電池

我們在詳細對比了多種鋰電池的成本、性能、壽命、單位電能等多個方面，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是單位電能比較大，具有壽命長、循環次數多、自放電少、較高充放電倍率、體積小、重量輕且對環境無污染等優點；并且從能量密度角度來說，三元鋰電池具有絕對優勢，相同安時的電池，三元鋰電池續航時間更長，能夠節省大量電能。商業化三元電池放電電壓平臺高、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），因而可以為電動汽車提供較長的續航里程[6]。相應的也可以為無人船提供較長的續航里程。

表1 三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池的性能比較

經過比較，三元鋰電池在環保、能量密度以及循環壽命等方面有著明顯的優點，續航里程更長，更適用于本無人船，可以更好的進行太陽能充電，達到節能減排的目的。

2.2.3 電機智能冷卻系統降低額外能耗

本產品的電機智能冷卻系統采用水冷方式，大幅度節約了散熱消耗的電能，并保證電機的正常運作。為維持電機正常工作溫度，采用DS18B20 溫度傳感器控制冷卻系統的執行與停止。產品模型的轉向舵內部中空，下部有孔。船體內部有一個節流閥，若電機實際溫度高于電機正常工作溫度，則節流閥打開；反之，則節流閥關閉。節流閥的開孔大小和溫度成正比，若溫度太高，單片機會發出警報提醒，并控制停止電機運轉。

圖2 內置的溫度傳感器模塊

圖3 內置的光線傳感器模塊

圖4 冷卻系統工作原理

2.3 電能調節

信息傳輸安全性、動力裝置穩定性以及遠程操縱可靠性是無人船發展所面臨的三個挑戰。團隊就動力裝置穩定性方面，制定了電能輸出調節系統。其功能是在無人船航行過程中，保證各個部件工作電壓、電流的穩定，對電池電能進行合理分配，提高電能的利用率，從而使得各個部件能夠保持正常工作，快速反饋有效數據。作品采用了STM32F103RBT6，該系列處理器功耗超低，性能優越，集成度高且擁有豐富外設，其涵蓋了GPIO、ADC、CAN 等標準外設。

2.4 更精準的多波束測深系統

無人船上采用多波束測深系統，利用同時發射和接收多個波束對海底進行條帶式全覆蓋測量，它能夠一次測量出與航向方向多個垂直面內幾十個甚至上百個被測點的水深值。傳統的單波束測深儀，是利用振蕩電路產生一個振蕩電壓，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將產生的聲波發射出去。對于多波束系統來說，其單個波束發射過程與單波束測深儀相似，但多波束系統需要同時發射多個波束，所以二者電路組成有所不同。在多波束系統工作過程中，船姿傳感器感知的船姿信號和發射模式信號一同傳給信號處理器，信號處理器將處理好的信息送到多通道變換器，形成多個波束發射信號。之后這些信號經過功率放大等過程分別被送到相應的換能器單元，并發射出去。因此它能精確地、快速地測出一定寬度內水底地貌的大小、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特征。

3 節能分析

3.1 在并入太陽能電池板后，經過實際充電測算，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間約為40 分鐘，比傳統充電方式節約約29 分鐘的時間。

3.2 在加入三元鋰電池并改進電能調節系統后，無人船的續航能力大大提高，單次航行可節約30%的能源，實現了能源的節約。

4 結論

長期以來，我國地方政府多次強調提高技術是節能減排的有效手段，它是在保證經濟發展的同時達到節能減排的目標。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，利用無人船進行海洋地形測繪將成為海洋資源開發的重要技術革新；未來無人船救援市場及使用領域也會更加廣闊。

本項目參考未來無人船的發展趨勢，設計了一種靈活、實用、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傳統地形測繪工作中成本高、周期長、操作復雜、安全性差等問題?？梢约皶r進行航道路況的檢測，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生。可用于未知河道或海洋領域的航道安全規劃，提前規劃好輪船運行路線，減少人力勞動，降低水路航道探測成本。