基于物联网的水质监测无人驾驶两栖车辆设计
收稿日期:2018年9月13日接受日期:2018年9月28日;2018年10月3日出版
摘要：近年来，无人机(uav)由于适合于各种民用、军事和社会任务，受到了广泛的关注。目前研究的重点是综合多旋翼无人机和气垫船的特点，研制一种无人两栖车辆。本文水陆两栖车辆的部件和子系统的开发充分考虑了空气动力学、结构和环境方面，并且对结构进行了静推力和裙部压力的有限元分析，对结构的强度进行了评价。其中针对不同的风况和迎角(AOA)，采用计算流体动力学(CFD)方法对阻力的影响进行了分析，并提出了相应的设计修改意见。原型机具有7公斤的有效载荷能力，并在飞行和水载模式下成功地进行了稳定操作测试。基于物联网(IoT)的水质测量是在一个典型的湖泊和水质测量使用pH值，溶解氧(DO)，浊度，电导率(EC)传感器。本文开发的车辆预计将满足灾害特派团的功能要求，以满足大型水体水质监测的需要。
关键词:两栖无人机;气垫船;有限元分析;计算流体动力学;原型;水质量;传感器;物联网
1.简介
根据无人机(uav)机翼运动的性能特征，如固定翼、旋转翼和扑翼配置，对无人机进行了分类[1]。uav的各种应用包括监视、交通监视、主动武器交战、野生动物调查、污染监测、精确农业等[2]。本文作者参与了环境监测[3]无人机、结构健康监测[4]无人机的研制，并构建了微型飞行器[5-7]。在水陆两栖车辆的发展上，缺乏专门的研究。Collins[8]描述了两栖无人机在各种应用中的重要性，并讨论了它们在与控制、通信和空域管理相关的问题上的相关性。Boxerbaum等人[9]，开发了一种利用生物概念的机器人两栖车辆，其灵感来自于动物在水下和崎岖地形中导航。Yayla等人对两栖无人机的爬升速度、转弯半径、最大速度等性能特性进行了理论分析。Pisanich和Morris[11]制作了一个海平面概念模型，用于4公斤负载的两栖无人机在空中和水中执行自主飞行任务作为概念的证明。Hasnan和Wahab[12]设计了一种无人机，可以在空中飞行，并沿着陆地和水面滑行。Frejek和Nokleby[13]设计了一种带有超声波传感器的四桨轮两栖车辆来探测障碍物。然而根据已发表的数据表明，在水质评估中部署两栖无人机的发展并不明显。水质测量通常是借助船[14]进行的，这是劳动密集型和昂贵的。遥感水质评价方法费时费力，需要大量的投资。传统上，水体机构采用人工定期采集水样的方式是一种繁琐的方法[16]。很少有湖泊、河流、池塘和水库不能用船收集水样，它们可能被灌木和灌木丛所包围。此外，在指定的水体位置进行水质的现场测量和定期测量，对于解决水质是至关重要的[18]。自主式水下机器人的部署，由于全球定位系统(GPS)无法提供环境，且无法对其进行控制，难以在精确的水下位置采集水样[19]。为克服上述困难，有必要从根本上收集水样和进行现场水质评价。基于无人机的水质可以是一种相对便宜、简单和有效的方法，可以在短时间内访问大型水体。车辆在对人类构成重大威胁的危险水域着陆，并且在无人驾驶飞机的帮助下，可以毫不费力地进入船只无法进入的水域。此外，沿着水体移动可能具有特殊的兴趣，以消耗更少的动力，这就需要具有两栖特性的无人机。水陆两栖车辆为大型不可接近水体的质量评价提供了有效、快速的解决方案。开发一种无人机，可以在收集水样的同时在水面着陆和滑翔，这对材料、能源管理、控制系统和机载传感器提出了几个挑战。本研究将多旋翼无人机的特点与气垫船结合起来，而这种两栖无人机的结构还没有尝试过。垂直起降(VTOL)功能也被集成到系统中，从而产生的两栖车辆提供了几个功能优势，例如在水面上的节能运动，除了确保与多种有效载荷兼容外，还消除了大面积的起降区域。
发展中的概念模型
概念模型是通过集成多旋翼和气垫船的配置来制定的，其中四个同轴螺旋桨和附着在框架上的电机充当一个八旋翼，如图1所示。整个转子组件由高密度聚氨酯泡沫塑料制成的外壳支撑，下面附着着浸有聚氨酯的尼龙，用作裙部。为有效载荷、电池、传感器、电子附件、飞行控制器板(FCB)、带有机械手模块的水采样器和集水箱提供了供应，使车辆的重心(CG)保持稳定飞行。
图1所示.水陆两栖车辆概念模型
同轴螺旋桨在垂直起飞和降落时驱动，在水面着陆后，任何两个同轴螺旋桨旋转通过90◦使用伺服电机和这些螺旋桨产生推力的前进运动的车辆。车辆的浮力是通过使用风道风扇产生的裙部的缓冲效果来实现的。水陆两栖车辆的裙部与水面之间保持2 - 5mm的悬停间隙。在悬停模式下，所有四个同轴电机都有动力产生升力。
除了这些设计要求外，飞机部件的选型还考虑了以下性能指标:
bull;机载操作
bull;飞行耐力20分钟
bull;有效载荷7公斤
bull;巡航速度40公里/小时
bull;飞行距离2000米
bull;在水面上悬停和移动
bull;40分钟的耐力
bull;巡航速度30公里/小时
bull;2000米范围
根据这些设计要求和性能标准，确定了在偏远水体地点收集水样的任务概况。典型的任务剖面具有垂直起降、空中悬停、水面降落、水面推进和垂直降落的飞行条件。这些任务的先后次序根据业务需要而有所不同。
3.设计过程
水陆两栖车辆的设计过程如图2所示，捕捉了与空气动力学、结构和性能标准符合性相对应的功能。
图2.两栖车辆的设计策
3.1气垫船的设计
气垫船是一种气垫船，可以在多种地形上移动，包括陆地、水面和泥泞的表面。位于中心的风道风扇通过将空气压下，在裙摆和水面之间形成气垫，产生必要的缓冲效果。裙部的膨胀增加了作用于船体底部的气压。气垫船的前进运动是通过推动同轴转子实现的。由于裙部被认为是气垫船实现升力的敏感部件，裙部材料的选择是下一节讨论的一个重要方面。为了设计气垫船，必须确定各种参数。表1给出了用于执行设计计算的假设列表，表2中为流量分析[20]估计了气垫船参数
表1.气垫船参数的假设
表2.气垫船参数的计算
m——气垫船质量，w——气垫船宽度，l——气垫船长度，rho;——空气密度，h——悬停高度
3.1.1。边缘材料的选择
边缘功能的膨胀实现悬停，意味着裙摆材料应具有足够的抗拉强度。对表3所示气垫船的各种裙材[21-25]进行调研，结果表明，聚氨酯浸渍尼龙具有抗拉强度高、重量轻、耐磨性好等特点，是气垫船的最佳选择。
表3.裙子的机械性能
3.1.2。船体材料选择
船体被认为是气垫船的防水部件，它必须支持各种有效载荷、电池和其他电子系统。必须承受裙摆膨胀时通过气垫产生的高向上压力。通过对材料[21-25]选项的调查(表4)，选择聚氨酯泡沫塑料是因为其高强度-重量比。
表4.船体力学性能
3.2．多轴直升机设计
考虑采用空心方形横截面铝通道作为支撑电机副的水平和垂直框架。采用经验关系式计算了电机[26]的转速和推力(表5)。
表5所示.多转子结构参数
3.2.1.推进
根据电机转速的初始估计，选择电机时参考额定电压(125 Kv)为1900 W。表6显示了电池容量为22000毫安，续航25分钟所需的额定电流和电池数量。
表6所示.推进系统参数
3.2.2选择螺旋桨
在选择螺旋桨时，考虑了水陆两栖系统的重量为30公斤。针对车辆对有效载荷和稳定性的要求，设计了一种具有同轴电机-螺旋桨结构的四轴飞行器.考虑到推力与重量之比为2%，由于同轴结构而造成的推力损失为20%，估计最大推力为75公斤。在全油门工况下，考察了不同直径的螺旋桨及其推力[27]特性(图3)。为了举起75公斤，每个同轴臂需要产生大约18.5公斤的推力。因此，选择了直径0.75-0.80 m的同轴螺旋桨结构。
图3.选择同轴螺旋桨直径
3.2.3.电机选型
电机的选择主要取决于螺旋桨的大小，以产生足够的推力，所选择的配置要求每台电机10公斤推力。125kv电机在不同转速下的功耗如图4所示。在全油门条件下，每台电机在4480转/分转速下需要的最大功率为1.86 kW。
图4.所选电机的功耗特性
本文以125kv，理想电流1.4 a，峰值电流45a，最大功率2200 W的t电机MN705-S为研究对象。
3.2.4,电池选型
电池的选择取决于具有足够电压和放电率要求的电流消耗。电子元件的总电流消耗为2.73 A(表7)，考虑到8台电机，估计飞行器在空中飞行所需的总功率为3.78 kW，总电流为79.13 A(表8)。然而，当车辆降落在水面上并沿着水面滑行时，需要启动两对电机。(表9)给出了车辆在水面滑行时的电流和功耗估算，可以看出两栖模式与飞行模式相比只需要一半的功率。
表7所示.机载电子设备功率和电流的估计
表8所示.功耗(机载模式)
表9所示.动力消耗(水上滑行)
为了满足这些电力和电流消耗的要求，选择了22000毫安容量的电池。据估计，它在空中飞行时的续航时间为22分钟，在水中悬停或滑翔时的续航时间为46分钟。
3.3.估计重量
根据气垫船和多旋翼部件的早期材料选择，两栖车辆的重量估计为27.31公斤，包括7公斤有效载荷。
表10.为气垫船和多转子系统各部件的重量
4.两栖车辆结构分析
由于其轻量化的特点，多转子结构有垂直和水平框架，由铝通道制成。在水平框架的顶端，连接着电机和同轴螺旋桨。垂直框架被锚定在气垫船船体的顶部表面。螺旋桨产生的推力[29-31]被认为作用于水平框架的固定支座，水平框架四角施加相同的垂直轴向载荷。在车架顶部施加轴向载荷，分析了位于车体中心的风道风机所产生的垫层压力的影响。压力载荷作用于裙部内表面和船底。通过结构分析，评价了这些加载条件的影响。水平框架顶部位移0.6 mm(图5)，遥控应力图(图6)显示水平框架与垂直框架交界处最大应力区域约为25mpa。两栖结构的其他部分经历了相当低的应力水平。
图5.两栖结构变形图
图6.两栖结构的应力轮廓
5.空气动力学分析
在不同攻角(AOA)下，通过在5到10米/秒范围内改变风速(0◦和8◦)对两栖车辆进行空气动力学评估。利用ANSYS FLUENT平台(ANSYS, Canonsburg, PA, USA)进行了计算流体动力学(CFD)分析，研究了前向飞行条件下的速度和压力等值线，并确定了气动系数。通过正交性和偏度特性(0.9)评价网格划分质量(图7)。考虑入口为速度，出口为压力，边界距离较远(10倍)，以减小水平浮力效应和壁面推断。采用对称平面和无传热的方法进行了数值模拟。
图7.网状的几何学
仿真结果表明，在不同攻角下，由于滞止压力(图9)，空气与前缘体表碰撞导致速度下降(图8)，动能损失。在水陆两栖车辆的中部，形成了一个低压区，造成涡流和流动分离。这种现象可能造成了车辆的不平衡，这可以通过提供肋条来简化。在车辆后部，由于无人机结构的不均匀和钝形，导致了再循环流动。
图8.速度流线4◦AoA
图9.详细轮廓4◦AoA
对不同攻角下的阻力系数进行估算，计算出相应的阻力(表11)。很明显，经历了巨大的阻力，这降低了无人机的续航力。为了减少阻力的影响，我们考虑了倾斜的前面板(图10)和混合的机头配置(图11)。
表11所示.阻力估算
图10.前面板的表面轮廓
图11.混合机头轮廓
6.使用机械臂收集水样
采用伺服电机驱动的二自由度机械手采集水样，如图12所示。末端执行器携带一个吸水泵，这个吸水泵通过软管连接。抽取的水收集在各自容量为1l的储罐中。水的收集深度由步进电机驱动的绳索控制。编码器的反馈被发送到一个基于Arduino的控制器(Arduino Srl, Strambino, Italy)来监控水的收集深度。机械手的手臂由碳纤维材料制成，在机械手的每个环节都安装了防水伺服电机。在水样采集过程中，采用双向控制值配水，保证了车辆的稳定性。利用水位传感器测量水量，并发送相应的反馈控制泵和机械手的缩回。缓冲板放置在储水罐内，以抑制储水罐内由于水的湍流引起的振动。
图12.带吸力泵总成的机械臂，(a)折叠臂(b)伸直臂
图13显示了负载控制单元，其中发送脉宽调制(PWM)信号来驱动伺服电机。水位传感器、水质监测传感器、水泵和编码器用于提供模拟和数字形式的反馈。
图13.主控制单元
7.发展地面控制站
地面控制站(图14)由一台携带有效载荷控制、任务管理和飞行数据监测的便携式计算机组成，并有相应的通信链路。水陆两栖车辆的任务是在地面控制站预先计划的，该车辆作为多旋翼飞行器飞行，以识别水体的污染区域，并使用5.8 GHz视频数据链在线播放
英语原文共 23 页
资料编号：[5169]
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