OSUG:开源水下滑翔机——使用浮力发动机的多功能自动环保无人机

2019年07月19日 作者:suc1247

 

低成本自主无人机取得了突破性进展,随着这种能力的成熟,各种爱好和商业应用也得到了发展。目前没有负担得起的长时间水下勘探平台,本项目旨在满足这一需求。

利用商品硬件、3D打印部件和开源自动驾驶仪,该项目的目标是生产一种低成本、多功能的水下滑翔机,能够一次完成长达数周的任务。也希望通过这篇文章的分享,它可以降低所有人的水下项目的成本,从业余爱好者、业余科学家到海鲜养殖者。

项目设计展示:

为什么是滑翔机?

传统的无人水下航行器依靠主动推进,限制了其射程和运行时间,不适合长时间的监测任务。水下滑翔机使用浮力引擎来改变滑翔机的质量,允许它们在水中上升和下降。由于动力只是间歇性地为发动机提供动力,滑翔机通常可以连续运行数周或数月而不需要充电,这使其成为环境监测的理想选择。然而,几乎没有商业解决方案可用(而且那些可用的解决方案非常昂贵),而且存在的爱好者的项目更少。

当水下滑翔机在水中缓慢移动时,它们对周围水域的干扰非常小,从而能够准确可靠地记录数据。水下滑翔机通常是AUV(自动水下航行器),可以运行预先确定的路线,而不需要人与人之间的互动。它们的低速度和自主性,加上电池寿命长,使水下滑翔机成为长期环境监测任务的理想选择,能够记录溶解气体水平、酸碱度、温度和光学传感(用于海洋测量和海洋生物记录)。

这种滑翔机是开源的,带有3D打印部件和现成的硬件,可以以低成本组装。考虑到该项目的开放性,该项目可以分为两部分,以产生适合特定场景的替代设计。例如,将油管改为铝管,成为深海滑翔机,或使用独特的传感器阵列进行专门应用。

该项目将使用开源的任务规划器和Pixhawk自动驾驶仪平台相结合,允许使用标准化界面控制滑翔机。

用例示例

随着人们对产品透明度和可追溯性越来越感兴趣,环境监测变得越来越重要。海带养殖户可以使用滑翔机监测生长季节的水环境(温度/酸碱度/营养水平/污染),并将测量结果推向区块链。海带/海鲜可以用二维码包装,二维码会引导你到网络前端,呈现生长季节的情况。将区块链和数据保险进行测量存储将消除测量篡改的可能性,因此消费者将知道他们的食物生长的条件以及他们吃的确切内容。

上图:概述滑翔机如何用于产品可追溯性的方框图

怎么用?

为了使滑翔机移动,浮力发动机吸入水并增加滑翔机的密度。当滑翔机的密度大于周围水的密度时,滑翔机下降。滑翔机的机翼确保滑翔机向前移动,并且可以改变迎角以产生不同的滑翔机特性。当在下降的底部时,浮力引擎将排出所含的水,使滑翔机更具浮力,使其上升,再次向前移动。

该项目中设计的浮力发动机在通过步进电机旋转时使用顶杆来移动注射器的末端,从而使柱塞吸入水。当吸入水时,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。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,以形成相当大的质量,从而对滑翔机有足够的控制。质量应控制滑翔机的俯仰和滚转。音高将由步进电机决定,该步进电机由另一个梯形杆连接以向前和向后移动质心,从而向前和向后移动质心,从而影响音高。辅助步进电机应驱动行星齿轮箱以控制质量的滚动。当质量为底部重物时,当它向左侧滚动时,质心应稍微向左移动,使滑翔机略微向左滚动并在下降时弯曲。将质量向右滚动会产生相反的效果。选择行星齿轮箱是因为它增加了步进电机的扭矩和精度,可以更好地控制滑翔机的侧倾。

每个下降的深度目前基于计时器,但是当前的硬件包括压力传感器,其可以允许滑翔机在达到特定深度时切换滑行状态。此外,IMU可以向微处理器(ATMEGA2560)提供有关音调的信息,这可以使用PID算法来确保滑翔机保持恒定的迎角,同时最小化功率使用。

该板使用Blue Robotics的Fathom-S串行通信板,允许连接中性浮力系绳,因此滑翔机可以在水下进行连接(因此,它也可以在水下进行编程,加快测试/开发)。也可以移除该系绳并用防水帽替换。

显示滑翔机的所有不同部分如何一起工作的系统图如下所示:

许可

这个项目使用与滑翔机相关的所有软件的GPLv3许可证。这个项目使用属性非商业共享类似4.0国际的所有硬件组件。

 

来源:hackaday.io

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