吳 驍，王 穎

基于RTK-GPS導(dǎo)航的燃料電池動(dòng)力無人艇方案研究

吳 驍1,2，王 穎1,2

(1. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064；2. 武漢市氫燃料電池工程技術(shù)中心，武漢 430064)

為提高整體質(zhì)量體積功率密度，延長(zhǎng)無人艇續(xù)航時(shí)間和精確定位，利用風(fēng)冷氫空燃料電池作為主要?jiǎng)恿υ矗訰TK-GPS系統(tǒng)作為定位導(dǎo)航方案，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單無污染排放的燃料電池?zé)o人艇方案，通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，基本完成方案設(shè)計(jì)目標(biāo)。

RTK GPS 無人艇 燃料電池

0 引言

燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)以其高效、節(jié)能、零污染排放的優(yōu)勢(shì)受到越來越多的關(guān)注。隨著豐田、本田、現(xiàn)代等國際汽車大廠的研究推廣，車用燃料電池系統(tǒng)已初具商業(yè)實(shí)用性。燃料電池系統(tǒng)的可靠性、實(shí)用性也逐步得到大眾的認(rèn)可。

在中小型無人艇動(dòng)力系統(tǒng)上，傳統(tǒng)方案是采用小型內(nèi)燃機(jī)或蓄電池組。對(duì)于中小型無人艇來說，以內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力源具有噪聲大、尾氣污染等缺點(diǎn)，且設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜。若以蓄電池組驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為動(dòng)力源則整體質(zhì)量體積功率密度較低，由鋰電池電動(dòng)汽車方案及其他電池放電試驗(yàn)可知選用全鋰電池組其續(xù)航也不理想，并且電池組的充電時(shí)間較長(zhǎng)也限制了該方案的推廣實(shí)用[1]。

本文設(shè)計(jì)的燃料電池?zé)o人艇采用風(fēng)冷氫空燃料電池，利用高壓氫氣瓶作為氣源，氣瓶為碳纖維復(fù)合材質(zhì)，質(zhì)量較輕，使得整體的能量密度較高。風(fēng)冷電堆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于使用和維護(hù)。無人艇采用了較為先進(jìn)的RTK-GPS定位方案，可實(shí)現(xiàn)分米級(jí)的定位精度。

1 無人艇總體架構(gòu)

水面無人艇一般可用于執(zhí)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)，海防偵查等任務(wù)[2]，可攜帶多種傳感器（如攝像頭），本無人艇設(shè)計(jì)采用兩套通信方案，一是利用無線網(wǎng)橋與岸基控制臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制指令通信及攝像頭視頻信息或其他傳感器信息通信，二是利用無線電臺(tái)與岸基RTK基站進(jìn)行GPS定位信息通信，無人艇主控制器為PLC，用于接受控制指令和處理GPS電臺(tái)信息，無人艇信息及控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 無人艇控制系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)動(dòng)力來源為3 kw風(fēng)冷燃料電池電堆系統(tǒng)，系統(tǒng)附帶一48 v12ah小型鋰電池作為啟動(dòng)電源和輔助電源。燃料電池系統(tǒng)為包含兩臺(tái)850 w電機(jī)在內(nèi)的所有設(shè)備進(jìn)行供電，無人艇通過接受岸基控制臺(tái)指令調(diào)整兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速差進(jìn)行轉(zhuǎn)向，其總體外觀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示：

圖2 無人艇外觀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 導(dǎo)航定位方案選擇

GPS即全球定位系統(tǒng)，由美國于上個(gè)世紀(jì)90年代組網(wǎng)完成，傳統(tǒng)的民用GPS系統(tǒng)接收機(jī)接受太空中至少4顆衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行定位，但是民用級(jí)單套接收機(jī)的定位精度在天氣良好的情況下也只能達(dá)到15米左右，對(duì)于在野外河道、湖泊等地區(qū)使用的無人艇來說定位誤差太大。因此，本方案無人艇采用目前廣泛應(yīng)用的RTK-GPS定位技術(shù)來獲得對(duì)無人艇分米級(jí)的定位精度。

RTK-GPS技術(shù)是一種較為成熟的實(shí)時(shí)精確定位技術(shù)，多用于野外測(cè)繪或?qū)Ш较到y(tǒng)。一套R(shí)TK-GPS系統(tǒng)有一個(gè)基準(zhǔn)站和多個(gè)接收站。RTK系統(tǒng)工作時(shí)，固定基準(zhǔn)站將其固化的坐標(biāo)和當(dāng)前觀測(cè)值實(shí)時(shí)的發(fā)送給接受站，接受站接受到固定基準(zhǔn)站的載波相位信息后和自身的GPS信號(hào)進(jìn)行比較，并利用差分校準(zhǔn)技術(shù)實(shí)時(shí)的解算數(shù)據(jù)，在信號(hào)良好的條件下可獲得分米甚至厘米級(jí)的精確定位[3]。岸基定位基站由GPS接受器和電臺(tái)發(fā)送器組成，岸基GPS接受器處于固定位置，采用長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量GPS信號(hào)后求均值固化定位數(shù)據(jù)，無人艇GPS電臺(tái)接受載波相位信息后在結(jié)合自身的定位信息通過差分校準(zhǔn)得到精確定位坐標(biāo)。一對(duì)多RTK-GPS無人艇定位系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 RTK-GPS定位導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)

除了精確的定位信息外，無人艇艇載GPS接收器還可以實(shí)時(shí)解算出航向信息，如圖3所示，無人艇有主從兩套GPS接受天線布置于軸線上，可形成由主天線到從天線的一條向量，GPS接收機(jī)可利用兩套天線的數(shù)據(jù)進(jìn)行差分解算，從而獲得當(dāng)前無人艇軸線相對(duì)于正北方向的偏差角，從而確定航向。

3 動(dòng)力方案選擇

為了獲得較高的整體能量密度和更長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間，本方案采用燃料電池系統(tǒng)替代傳統(tǒng)無人艇的電池組或小型內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)。根據(jù)無人艇驅(qū)動(dòng)螺旋槳的功率和其他傳感器等用電設(shè)備的功耗估算，采用3 kW風(fēng)冷燃料電池電堆，輸出48 V直流電。電堆采用具有高性價(jià)比的復(fù)合雙極板工藝，3 kW電堆系統(tǒng)的重量約為6 kg，相較于石墨堆來說功率密度更高，相較于金屬堆來說價(jià)格更低且可靠性也更高。電堆系統(tǒng)利用合理分布的軸流風(fēng)扇對(duì)陰極提供空氣并且自動(dòng)調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速使得電化學(xué)反應(yīng)維持在合理的溫度，電堆外形如圖4所示。

圖4 風(fēng)冷燃料電池電堆外形

燃料電池電堆需要的是恒壓，穩(wěn)定的氣源。本方案應(yīng)用于無人艇系統(tǒng)則應(yīng)選用高質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度的氣源。目前成熟的高質(zhì)量密度供氫方式為高壓儲(chǔ)氫技術(shù)，國內(nèi)目前成熟的高壓儲(chǔ)氫氣瓶為35 Mpa碳纖維復(fù)合材料氣瓶，該型氣瓶20 L可儲(chǔ)氫約630 g，每個(gè)氣瓶可供給3kW電堆滿功率使用170分鐘。瓶身為圓柱體重7kg，瓶口集成組合減壓閥，可將35 Mpa壓力的氫氣減壓為0.05Mpa供給電堆使用，組合減壓閥重量約200 g，每個(gè)20 L碳纖維氣瓶長(zhǎng)660 mm，直徑230 mm，無人艇上可根據(jù)任務(wù)需求的續(xù)航放置多個(gè)20L級(jí)別氣瓶。碳纖維氣瓶及減壓閥外形如圖5所示。

圖5 35 Mpa碳纖維瓶閥一體套裝

燃料電池輸出特性較軟，不能快速響應(yīng)負(fù)載功率變化要求并且不能長(zhǎng)時(shí)間工作在大于額定功率工況下[4]，因此本方案配備了一小型48 V鋰電池作為啟動(dòng)電源和輔助電源，負(fù)責(zé)系統(tǒng)功率變化的“削峰填谷”。系統(tǒng)混合動(dòng)力架構(gòu)如圖6所示。

圖6 無人艇混合動(dòng)力輸出架構(gòu)

由圖1、2無人艇總體架構(gòu)可知無人艇兩套螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)由燃料電池系統(tǒng)供電，由PLC主控制器控制啟停和轉(zhuǎn)速，PLC通過無線網(wǎng)橋接受到岸基控制臺(tái)的目標(biāo)位置信息，實(shí)時(shí)的解算出與無人艇的相對(duì)距離和航向，通過控制兩臺(tái)螺旋槳電機(jī)的不同轉(zhuǎn)速，調(diào)整航向使得無人艇航向?qū)?zhǔn)目標(biāo)位置，PLC還可讀取螺旋槳電機(jī)自帶的轉(zhuǎn)速傳感器從而對(duì)輸出轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行校正，無人艇位置及航向控制原理圖如圖7所示。

4 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

依據(jù)以上設(shè)計(jì)和常用淡水湖無人艇結(jié)構(gòu)，本項(xiàng)目利用玻璃鋼材質(zhì)制作了一艘適合武漢地區(qū)實(shí)驗(yàn)的無人艇樣機(jī)，并在洪山區(qū)喻家湖進(jìn)行了初步的動(dòng)力系統(tǒng)、導(dǎo)航定位系統(tǒng)和簡(jiǎn)易遙控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)前已在岸邊固定校準(zhǔn)過GPS基準(zhǔn)站，利用上位機(jī)C#-winform開發(fā)了一個(gè)簡(jiǎn)易的無人艇軌跡監(jiān)控界面，可在衛(wèi)星地圖上實(shí)時(shí)的顯示當(dāng)前無人艇的位置，同時(shí)可設(shè)置無人艇電機(jī)的轉(zhuǎn)速差來實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易方向的控制。實(shí)驗(yàn)圖片如下所示：

圖7 無人艇位置航向控制原理圖

圖8 無人艇碼頭下水調(diào)試

實(shí)驗(yàn)中，GPS系統(tǒng)定位準(zhǔn)確，無人艇與上位機(jī)之間通信正常，能在上位機(jī)衛(wèi)星地圖界面準(zhǔn)確的顯示當(dāng)前位置和航向，燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)能充足的提供無人艇所需的動(dòng)力，上位機(jī)控制界面能完成基礎(chǔ)無人艇航向的操控，避開水面的障礙物，基本完成方案設(shè)計(jì)目標(biāo)。圓圈為湖面障礙物示意圖。

圖9 無人艇湖面避障運(yùn)動(dòng)軌跡

圖10 無人艇遠(yuǎn)程遙控運(yùn)動(dòng)位置坐標(biāo)

5 小結(jié)

本文對(duì)燃料電池?zé)o人艇方案進(jìn)行了簡(jiǎn)單研究，在導(dǎo)航系統(tǒng)上選用了電動(dòng)無人艇成熟的RTK-GPS導(dǎo)航方案。在動(dòng)力裝置上，采用風(fēng)冷燃料電池搭配碳纖維高壓氣瓶，實(shí)現(xiàn)了較高的質(zhì)量能量密度和體積能量密度，大幅延長(zhǎng)了無人艇的續(xù)航時(shí)間。隨著以后材料技術(shù)的發(fā)展，電堆可以更換為重量更輕且體積更小的金屬堆，碳纖維氣瓶灌充更高壓力的氫氣，使得整體能量密度更上一個(gè)臺(tái)階。

[1] 李家良. 水面無人艇發(fā)展與應(yīng)用[J]. 火力與指揮, 2012(6): 203-205.

[2] 李寧寧, 吳天昊, 蔡群. 美國海軍無人系統(tǒng)淺析[J]. 飛航導(dǎo)彈, 2010(7): 48-54.

[3] 張照杰. 網(wǎng)絡(luò)RTK定位原理與算法研究[D]. 山東:山東科技大學(xué), 2007.

[4] 崔志祥. 燃料電池多旋翼無人機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 浙江: 浙江大學(xué), 2018．

Overall Framework Design of Fuel Cell Powered Unmanned Surface Vessel Based on RTK-GPS Navigation

Wu Xiao1,2,Wang Ying1,2

(1.Wuhan Institute of Marine Electric propulsion, Wuhan 430064,China; 2.Wuhan Hydrogen Fuel Cell Engineering Research Center, Wuhan 430064,China)

P228.4

A

1003-4862（2021）06-0095-03

2020-11-10

吳驍（1994-）,男，碩士。研究方向：燃料電池。E-mail：759389913@qq.com