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(zhuān)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(xiě)。

△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(xiàn)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(lèi)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(xiě)

關(guān)于軟件編寫(xiě)，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(xiě)，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(mǎn)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(mǎi)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(xiàn),。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(zhuān)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(zhuān)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(xiāo)世界各大洲,，被廣泛應(yīng)用在汽車(chē),、航空航天,、工業(yè)制造、醫(yī)療,、消費(fèi)等多個(gè)領(lǐng)域中,。