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开源水下滑翔机

2017/12/22
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描述:

低成本的自主式无人机已经取得了突破性的进展,并且随着这一能力的成熟已经形成了广泛的业余爱好和商业应用。没有负担得起的延长水下勘探平台,这个项目旨在解决这个需求。

利用商品硬件,3D打印部件和开源自动驾驶仪,我的目标是生产一种低成本和多功能的水下滑翔机,能够一次完成长达数周的任务。我希望通过建立这个平台,可以降低从业余爱好者,业余科学家到海产养殖者的水下项目的成本。


为什么滑翔机?

传统的无人水下航行器依赖于主动推进,限制了其航程和运行时间,使其不适合长时间的监视任务。水下滑翔机使用浮力引擎来改变滑翔机的质量,使其能够在水中上升和下降。由于动力仅用于间歇性地驱动发动机,因此滑翔机通常可以运行数周或数月而不需要再充电,使其成为环境监测的理想选择。然而,现有的商业解决方案却很少(而且可用的解决方案非常昂贵),而且还有更少的爱好者项目。

由于水下滑翔机在水中缓慢行驶,所以它们很少干扰周围的水,从而实现准确可靠的数据记录。水下滑翔机通常是AUV(自主水下航行器),可以运行预定的路线,而不需要人为干预。它们的低速和自主性,加上电池寿命长,使得水下滑翔机非常适合长期使用,环境监测任务,能够记录溶解气体水平,pH值,温度和光学传感(用于海洋勘测和海洋生物记录)。

这款滑翔机是开源的,3D打印部件与现成的硬件相结合,使其成本低廉。考虑到项目的开放性,项目可以被分解以产生适合于特定场景的替代设计。例如; 将管材改为铝材,成为深海滑翔机或使用独特的传感器阵列进行专业应用。

我正在寻找使用与Pixhawk自动驾驶仪平台相结合的开放源代码Mission Planner,允许使用标准化界面控制滑翔机。

示例用例

随着对产品透明度和可追溯性的兴趣越来越高,环境监测变得越来越重要。海带农民可以使用滑翔机监测生长季节的水分状况(温度/ pH值/营养水平/污染),并将测量结果推向区块链。海带/海鲜可以包装一个二维码,这将引导你到一个网络前端,呈现增长的季节条件。将区块链和数据保险用于测量存储将消除测量篡改的可能性,因此消费者会知道他们的食物生长的条件以及他们正在吃什么。

怎么样?

对于滑翔机的移动,浮力引擎吸水并增加滑翔机的密度。当滑翔机的密度变得比周围水的密度大时,滑翔机下降。滑翔机的机翼确保滑翔机前进,攻角可以改变,从而产生不同的滑翔机特性。当在下降的底部,浮力引擎将排出含水,使滑翔机更加浮力,使其上升,再次前进。

我设计的浮力引擎,用步进电机旋转时,用一个顶杆来移动针筒的端部,使柱塞进水。当进水时,滑翔机的体积保持不变,但整体质量增加,因此滑翔机的整体密度增加,滑翔机的浮力减小。

在滑翔机的中心将是一个控制俯仰和滚转的质量。质量应由锂离子电池和钢棒组成,形成实质性的质量,以便对滑翔机有足够的控制。质量应控制滑翔机的俯仰和滚转。步调马达将由另一个顶杆连接的步进电机控制,以使质心向前和向后移动,从而使质心向前和向后移动,从而影响俯仰。辅助步进电机将驱动一个行星齿轮箱来控制质量的摇摆。由于质量较重,向左侧滚动时,质心向左侧略微移动,使滑翔机向左侧稍微滚动,下降时弯曲。向右滚动质量会产生相反的效果。

每次下降的深度目前都是基于一个计时器,但是当前的硬件包括一个压力传感器,当达到一定的深度时,这个传感器可以允许滑翔机切换滑行状态。此外,IMU可以向微处理器(ATMEGA2560)提供有关俯仰的信息,并且这可以使用PID算法来确保滑翔机保持恒定的攻角,同时最小化功率使用。

该主板使用蓝色机器人公司的Fathom-S串行通信板卡,可以连接中性浮力绳索,使滑翔机可以在水下操作(因此也可以在水下进行编程,加速测试/开发)。这个系绳也可以取下,并用一个水密的帽子来代替。

显示滑翔机功能的所有不同部分如何在一起的系统图如下所示(单击图像查看完整大小的图像):

  • demo.ino
    描述:Arduino-ino
  • Control_board_v0.2.1.brd
    描述:Control_board_v0.2.1.brd
  • Calibration.ino
    描述:Calibration.ino

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