李颜伸 王大志 姜鑫 刘娜
青岛黄海学院 山东 青岛 266427
摘要：由大扭力直流电机带动的动力系统、红外传感避障系统、基于STM32F103C8T6单片机的控制系统、无线遥控系统、永磁交流微型发电系统、水陆两栖转换系统[1]、无线摄像传输系统、太阳能智能追光发电控制系统、除污系统九大系统组成的水陆空移动救援除污环保船。它不仅可以水陆两栖自由运动，在水中可由上下移动清洁铲清理水面漂浮垃圾，还可以由永磁交流微型发电机借助风力水力发电，带动LED闪烁验证其发电量。机器人上装有智能陀螺仪式跟踪器、光敏传感器可感知太阳具体位置，闭环控制，经单片机控制系统处理后,控制跟踪器旋转寻阳，大大提高太阳能的利用率。
关键词：三栖；救援除污；智能追光；STM32
引言
当今世界主要的能源是化石能源，主要有煤炭，石油，天然气等，这些都是不可再生能源。每年因各种化石能源开采带来的灾难时有发生。然而，在这种情况下还在发生因资源短缺而造成缺电问题，据统计国内已有24个省市区严重缺电,缺电问题面临20年来最严重时刻。全国煤炭供应存在巨大缺口,各地用煤紧张，国内不可再生能源紧缺。能源利用后产生大量无法解决的有害气体，严重污染大气环境，损害人体健康。介于以上的国内现状我们加以联想到了海洋。海洋含有大量可再生能源，多国目前也正大力研究。我们对此展开了讨论、研究和相关实验。经调查，我们了解到通过多种易被人们忽视的能源（波浪能、风能）加以回收利用，以此来缓解能源紧缺的问题，且风险小，不过度需求人力的参与，解放了劳动力，能源环保污染小。
基于上述结论我们策划了一下水陆两栖发电方案：以水陆两栖底盘为主的驱动模块运行，内置永磁交流微型发电机，通过水陆风能、波浪能带动风叶高速旋转，将风能转为机械能，风叶带动发电机旋转，将机械能转化为电能，整流后输出，加之太阳能辅助充电系统，所得电能传输后可用于家庭等供电系统，加大了能源的利用率。此发电方式必将成为未来的一种发展趋势，同时这种发电方式也为节能减排政策带来了新的发展契机。
1设计方案
1.1超声波避障传感器
超声波传感器是工业领域内第一款在产品上带有按键设定功能和自诊断功能的小型传感器。它虽然体积小，但是具有其它大型传感器所具有的功能，安装使用方便而且不受被测物体的颜色影响，有许多特设功能，如：具有自诊断LED 显示和按键设定功能、温度补偿功能、可选择模拟量或开关量输出等；其供电电压为10~30V，测量范围为30mm~300mm，输出电压0V~10V，输出电流为4mA~20mA，最小负载阻抗2.5Ω，精度可达到0.5mm，外形分为直线型和直角型，感应口径为18mm。
超声波传感器所具有的条件满足设计所需要0~25cm 的液位控制，以及液位误差不超过±0.3cm 的要求，并且解决了安装不方便的难题。所以本设计选择了精度高，体型小的超声波传感器。?超声波是指频率高于20KHz的机械波。为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为；超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。
超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（time of flight）。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离，即其中D为传感器与被测障碍物之间的距离，c为声波在介质中的传输速率。在空气中声波的传波传输速率,其中T为绝对温度，在测距精度不是很高的情况下，一般认为c为常数340m/s。[2]
1.2光耦继电器模块
光电继电器模组是把电气控制柜中的多组继电器集成化、系列化、模块化设计，为设备节省空间，减少了中间接线环节，提高了效率及产品的性能。支持双电源，达到信号与继电器驱动隔离的目的，安全稳定?。当控制电压与继电器控制电压一致时，可通过跳线帽将两电源短路，使用单电源供电。光电继电器指利用光电效应而动作的继电器。它是由发光元件（如小型白炽灯、磷化镓二极管等）和光敏器件构成的。当加在发光元件上的信号达到某一定值时，光的作用使光敏器件的阻值发生急剧变化，从而起到闭合或开断电路的作用。[3]
1.3太阳能板辅助发电模块
太阳能发电：现在已经较为成熟的发电模式。系统相互独立，可自行控制，避免发生大规模停电事故，安全性高；弥补大电网稳定性的不足，在意外发生时继续供电，成为集中供电不可或缺的重要补充；可对区域电力的质量和性能进行实时监控，非常适合向农村、牧区、山区，发展中的中、小城市或商业区的居民供电，大大减小环保压力；输配电损耗低，甚至没有，无需建配电站，降低或避免附加的输配电成本；土建和安装成本低；调峰性能好，操作简单。太阳能发电被称为最理想的新能源。①无枯竭危险；②安全可靠，无噪声，无污染排放外，绝对干净(无公害)；③不受资源分布地域的限制，可利用建筑屋面的优势；④无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电；⑤能源质量高；⑥使用者从感情上容易接受；⑦建设周期短，获取能源花费的时间短。.
图5太阳能板
太阳能发电方式太阳能发电有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。
(1) 光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光—热转换过程；后一个过程是热—电转换过程，与普通的火力发电一样.太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵5~10倍。
(2) 光—电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染
由此在本作品平台上加上的太阳能光伏板，将太阳能转化为电能，进而转化为机器人的机械能、动能，为机器人源源不断的提供动力。
太阳能电池主要由硅、砷化镓、硒铟铜等材料制成，它们地发电原理基本相同。以晶体硅为例，当太阳照射到硅地表面时，一部分光子地能量会被硅原子吸收，使原子内地电子发生跃迁，从而在材料内部形成一定地电位差，这样光能就转化为电能储存了起来。当太阳能电池接通电路时，电压就可以产生电流流过外部电路了。
本设计采用9V充电电池为系统供电，太阳能电池板正负极通过一个三极管与电池正负极相连。有一个电压比较器比较电池电压与太阳能板的压差，如果压差高于某值，比较器控制三极管导通，太阳能电池板对充电电池充电。充电电池电压上升，当高于某值时控制三极管关断，结束充电。[4]
1.4电压比较器
电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。本设计采用LM324，其显著特点是：输入阻抗高，再输出阻抗低，起到缓冲、隔离、提高带载能力的作用。
图6 LM393电压比较器
简单的电压比较器结构简单，灵敏度高，但是抗干扰能力差，因此我们就要对它进行改进。改进后的电压比较器有：滞回比较器和窗口比较器。电压比较器工作原理图如图7。
图7 电压比较器电路原理图
2 机械部分
2.1直流减速电机
直流减速电机，即齿轮减速电机，是在普通直流电机的基础上，加上配套齿轮减速箱。齿轮减速箱的作用是，提供较低的转速，较大的力矩。同时，齿轮箱不同的减速比可以提供不同的转速和力矩。这大大提高了，直流电机在自动化行业中的使用率。减速电机是指减速机和电机（马达）的集成体。这种集成体通常也可称为齿轮马达或齿轮电机。
我们设计的水陆两栖机器船采用伺服强力电机驱动，超声波避障模块与STM32F103C8单片机控制相结合进行控制，实现机械装置的自由运动，充分体现了本装置的运动可行性。
2.2永磁交流微型发电机C8
小型风力发电机发出的电能首先经过蓄电池贮存起来，然后再由蓄电池向用电器供电。利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。[5]
风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。[6]其具体尺寸如图8。
图8 发电机尺寸
风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。?小型风能发电装置的原理图如图9；
图9发电机原理图
2.3陀螺仪式跟踪器
跟踪器所具有的结构:传动箱Ⅰ安装在支架上,并将其固定；马达1安装在传动箱Ⅰ上，传动箱Ⅰ的内部是由蜗杆、蜗轮组成的运动副，马达1输出轴连接蜗杆，环形支架安装在支架上面(环形支架相对于支架可以转动)，传动箱Ⅰ的输出轴连接环形支架，传动箱Ⅱ固定安装在环形支架上，马达2安装在传动箱Ⅱ上，传动箱Ⅱ内也是由蜗杆、蜗轮组成的运动副。马达2的输出轴连接蜗杆，接收器安装在环形支架上面(接收器相对于环形支架可以转动)，传动箱Ⅱ的输出轴连接接收器。?
跟踪器朝向安装有很多种选择，根据图中所示的安装，跟踪器执行的原则如下：当太阳的光线偏离发生时，所述控制部分会发出的信号，此信号会驱动马达2带动传动箱Ⅱ中的蜗轮蜗杆旋转，驱动接收器输出相对于支撑环旋转，跟踪太阳从东到西的运动，在同一时间，控制部分发出的信号驱动马达1带动传动箱Ⅰ中的蜗杆和蜗轮的旋转，第二次输出带动环支撑架和接收器旋转，跟踪太阳北部和南部方向的运动，从而最终实现两个方向的太阳跟踪。[7]具体机械原理如图10所示；
图10 跟踪器
本系统的优势：跟踪机构结构简单。追踪在两个方向上，使用蜗杆和蜗轮副传动，传动比大，结构紧凑，可以使用小功率电动机，且同一时间，使用小功率电动机，不仅降低能源成本和制造成本，而且提供足够的电力；蜗杆蜗轮对自锁性能好，可防风防雨。结构紧凑，运动空间是很大的。传动装置安装在传动箱，受到了良好的保护，提高了设备的使用寿命。
3 结论
随着社会的发展进步，国内大小产业能源用量必将加大，环境问题不容乐观。本作品以节能减排，低碳环保为突破点。针对国内能源利用率为出发点，提出了相对来说可行性高的解决方案。此机器采用太阳能智能追光发电系统，配合多个永磁交流微型发电机实现风力水力发电，所转化的电能经储存装置为机器人或其他电力设备供电，有效节约了能源，也减少了发电给环境带来的各中污染，充分符合节能减排的设计理念，此发电方式必将成为未来的一种趋势，为节能减排政策带来了新的发展契机。
参 考 文 献
[1]吴珂,杨定富,赵又群. 水陆两栖汽车出入水特性研究[J]. 农业装备与车辆工程,2008,12:20-22.
[2]孙涛.基于超声波传感器的工业机器人遗传算法避障策略设计研究[J].科学技术创新,2020(31):88-89.
[3]蔺金元,马虎林,李居强. 基于单片机的太阳能最大功率自动追踪系统[J]. 宁夏工程技术,2012,01:16-18.
[4]孙艳玲,罗友,张东清. 一种基于单片机实时显示太阳能充放电控制器设计[J]. 电子器件,2012,04:435-439.
[5]陈荣. 永磁同步电机伺服系统研究[D].南京航空航天大学,2005.
[6]郁亚南. 伺服用永磁同步电动机设计与转子结构方案优化[D].湖南大学,2010.
[7]奚峥皓. 基于数据关联优化算法的多目标跟踪器设计[D].北京科技大学,2015.
作者简介：
李颜伸，2000.06，山东省临沂市，本科学士，机械工程。
姜鑫，1998.11，山东省聊城市，本科学士，机械工程。
王大志，2000.10，山东省济宁市，本科学士，控制工程。
刘娜，（1984-），出生地山东省滨州市，硕士，副教授，研究方向：控制工程。
该项目由青岛黄海学院校级国创项目《三栖救援除污机器人》（X202013320046）支持。