2021“Polymaker杯”中國(guó)（國(guó)際）3D打印創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽作品——雙體救援船

來(lái)源：Polymaker

2021年10月13日，由Polymaker贊助，上海交通大學(xué)學(xué)生創(chuàng)新中心3D打印服務(wù)中心主辦的2021“Polymaker杯”中國(guó)（國(guó)際）3D打印創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽成功舉辦，45支團(tuán)隊(duì)強(qiáng)強(qiáng)對(duì)決，展現(xiàn)精彩創(chuàng)意構(gòu)想，展示精美設(shè)計(jì)作品。最終經(jīng)過(guò)兩輪初選和現(xiàn)場(chǎng)復(fù)賽，國(guó)內(nèi)外共計(jì)評(píng)選出了32支團(tuán)隊(duì)晉級(jí)決賽。

△基于3D打印無(wú)人雙體船

抗險(xiǎn)救災(zāi)
2021年七月的一天，上海下起了傾盆大雨，周暢和其團(tuán)隊(duì)成員們?cè)谏虾＝煌ù髮W(xué)木蘭樓208辦公室商量著模型船舶下水試驗(yàn)和定位控制的事項(xiàng)，閑聊中，大家談起了當(dāng)時(shí)鄭州洪水災(zāi)情的最新情況。

“我們正準(zhǔn)備試驗(yàn)的動(dòng)力定位技術(shù)，可以保證船舶自動(dòng)定位在固定的地點(diǎn)，這不正能利用在洪水中，幫助救災(zāi)嗎？”隨著這一想法的提出，大家開(kāi)始了頭腦風(fēng)暴。平時(shí)做試驗(yàn)常采用的3D打印技術(shù)，正好可以應(yīng)用在小型無(wú)人船的設(shè)計(jì)制作中。夏日的煩悶和試驗(yàn)的苦惱，在這一刻被大雨和靈感的交流清洗一空。

△3D 模型

很快大家決定將想法付諸于實(shí)踐。通過(guò)過(guò)去一年一起參加的各種各樣的比賽，小組成員們?cè)缫驯舜耸熳R(shí)來(lái)。根據(jù)各自的優(yōu)勢(shì)和專長(zhǎng)，有了不同的分工。周暢將大家的想法進(jìn)行了梳理，并逐條列出，最終將要做的工作分成了兩個(gè)大的方向，分別是：模型制作和軟件編寫。

△模型制作

關(guān)于船舶模型實(shí)體，小組內(nèi)部進(jìn)行了充分的討論。首先確定模型的原型將使用樹(shù)脂材料，采用SLA 光固化技術(shù)，進(jìn)行3D打印配合。后期如需增加模型強(qiáng)度，將改為使用含有碳纖維和玻璃纖維的材料。與此同時(shí)，也總結(jié)出了當(dāng)下需要解決的問(wèn)題：

1.為了使船舶在洪水中具有足夠的操縱性，需要采用足夠多的全回轉(zhuǎn)螺旋槳來(lái)應(yīng)對(duì)洪水中復(fù)雜的環(huán)境，那么如何來(lái)設(shè)置無(wú)人船的螺旋槳？
2.為了實(shí)現(xiàn)立體化、空間化搜救，如何加載空中搜救和水下搜救的功能？
3.不同部分如何互相聯(lián)絡(luò)、并快速到達(dá)搜救地點(diǎn)，完成搜救工作？

△3D模型

為了解決主船體部分的控制問(wèn)題，成員們自主設(shè)計(jì)了小型船的全回轉(zhuǎn)螺旋槳，并采用四槳設(shè)計(jì)來(lái)完成無(wú)人船部分的全驅(qū)動(dòng)控制和動(dòng)力定位功能。

對(duì)于水下部分，主船體在設(shè)計(jì)上采用了自設(shè)的水下無(wú)人艇。由于洪水災(zāi)情中，水下的環(huán)境尤其復(fù)雜，水下無(wú)人艇和主船體部分將通過(guò)有線操控一起行動(dòng)，以避免在復(fù)雜環(huán)境中水下無(wú)人艇與主船體斷聯(lián)和丟失。

空中搜救部分將采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行搜救，無(wú)人機(jī)將和主船體進(jìn)行組網(wǎng)，同時(shí)將在主船體中設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)機(jī)艙，便于無(wú)人機(jī)的聯(lián)絡(luò)和起降。這樣做使得，無(wú)人機(jī)和主船體形成了類似于航空母艦和艦載機(jī)的關(guān)系，主船體部分能搭載物資，也能提高無(wú)人機(jī)的搜救范圍，同時(shí)無(wú)人機(jī)將反饋需救援點(diǎn)，由主船舶派遣子船舶運(yùn)送物資或者提供救援需求。

成員們預(yù)計(jì)自主開(kāi)發(fā)一款軟件來(lái)進(jìn)行集成，以實(shí)現(xiàn)四個(gè)部分實(shí)體的聯(lián)絡(luò)工作，即：無(wú)人機(jī)、水下無(wú)人艇、主控船舶和次級(jí)船舶。

△軟件編寫

關(guān)于軟件編寫，需要解決的主要問(wèn)題和難點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)不同子模塊的通信，以及實(shí)現(xiàn)子模塊的自主控制和位置保持的算法。首先是不同模塊之間的通信，因?yàn)橹挥袑?shí)現(xiàn)不同模塊之間的通信，不同模塊之間才能知道相互之間的位置，從而實(shí)現(xiàn)不同模塊之間的配合。目前采用的是實(shí)驗(yàn)室的位置采集系統(tǒng)，然后通過(guò)終端電腦進(jìn)行統(tǒng)一控制，在實(shí)際環(huán)境中將換成高精度的GPS進(jìn)行位置采集。

△3D打印的小型無(wú)人船

然后實(shí)現(xiàn)自主控制和位置保持也不簡(jiǎn)單，比如想實(shí)現(xiàn)動(dòng)力定位，保證主船舶在洪水中不隨波逐流，就要有算法，確保不同的螺旋槳實(shí)時(shí)提供不同的推力以及方向，同時(shí)要盡量減少電量的損耗。

這個(gè)過(guò)程中我們需要有恰當(dāng)?shù)臑V波算法，來(lái)得到準(zhǔn)確的環(huán)境載荷，有了正確的外力，我們才有了控制的基礎(chǔ)，然后迅速對(duì)推力分配進(jìn)行最優(yōu)化，并反應(yīng)到推進(jìn)器上去，這樣就能實(shí)現(xiàn)無(wú)人船各種行為的控制，和位置保持。

模型的制作，軟件的編寫，在有條不紊進(jìn)行的過(guò)程著，一次一次進(jìn)行著試驗(yàn)。

△測(cè)試

每一次試驗(yàn)中，總是會(huì)有各種各樣的問(wèn)題，仍記得一天傍晚，滿懷期待的少男少女們，搬著作品走向試驗(yàn)室，每個(gè)模塊都很重，搬運(yùn)起來(lái)十分不便，好不容易將作品放到了試驗(yàn)地點(diǎn)，便出現(xiàn)了一個(gè)大問(wèn)題。

全回轉(zhuǎn)螺旋槳的連接處在搬運(yùn)過(guò)程中發(fā)生了損壞，但預(yù)約好的試驗(yàn)室使用時(shí)間馬上就要到了，成員們只能對(duì)螺旋槳進(jìn)行些簡(jiǎn)單處理讓其能暫時(shí)使用。之后，嘗試讓船舶下水，在水中，船舶按照指令可以順利地做很多動(dòng)作，但到了關(guān)鍵的一步時(shí)，又出現(xiàn)了問(wèn)題。

成員們構(gòu)想的是船舶能在急流中保持穩(wěn)定，但當(dāng)在下達(dá)這樣的指令后，主船只能在水中緩慢地進(jìn)行打轉(zhuǎn)。這與預(yù)設(shè)的效果完全不一致。不過(guò)大家沒(méi)有灰心，很快重整旗鼓，首先重新設(shè)計(jì)了螺旋槳的連接處，以保證其強(qiáng)度。

隨后分析船舶打轉(zhuǎn)的原因，他們發(fā)現(xiàn)，其中一個(gè)重要的原因是直接購(gòu)買的螺旋槳主機(jī)的輸出并不穩(wěn)定，導(dǎo)致算法輸出與實(shí)際輸出之間存在著極大的差異，因此船舶會(huì)出現(xiàn)打轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。為了解決這個(gè)問(wèn)題，xx和成員們對(duì)幾個(gè)螺旋槳主機(jī)進(jìn)行了推力試驗(yàn)，得到了推力曲線。并依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)算法進(jìn)行了修改。

此作品以鄭州洪水災(zāi)情為起點(diǎn)，下一步，將進(jìn)一步優(yōu)化不同子模塊之間的協(xié)同控制，以及子模塊控制的模糊化處理，以此來(lái)應(yīng)對(duì)更加復(fù)雜的環(huán)境，應(yīng)用到更廣泛的領(lǐng)域。比如海難事故的搜救，海邊浴場(chǎng)的安全警戒和一定空間的全方位立體監(jiān)控，甚至可以探索在軍事領(lǐng)域應(yīng)用的可能性。

“我們的這項(xiàng)作品可以大大提高洪水搜救的效率，幫助救助更多的人，但本項(xiàng)目的應(yīng)用場(chǎng)景及前景應(yīng)該更加廣闊，可以為我國(guó)的無(wú)人化作戰(zhàn)提供更多的思路”。

蔣晨悅    軍事迷，項(xiàng)目的主力

關(guān)于Polymaker：
Polymaker是一家專注于3D打印材料的高新技術(shù)企業(yè)，致力于用卓越領(lǐng)先的技術(shù)、高質(zhì)量的產(chǎn)品和細(xì)致專業(yè)的服務(wù)，推動(dòng)3D打印技術(shù)在各個(gè)行業(yè)的深入應(yīng)用，目前已成為世界一流的擠出式3D打印材料的創(chuàng)新者和供應(yīng)者。產(chǎn)品遠(yuǎn)銷世界各大洲，被廣泛應(yīng)用在汽車、航空航天、工業(yè)制造、醫(yī)療、消費(fèi)等多個(gè)領(lǐng)域中。