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

來源：Polymaker

2021年10月13日，由Polymaker贊助，上海交通大學學生創(chuàng)新中心3D打印服務中心主辦的2021“Polymaker杯”中國（國際）3D打印創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽成功舉辦，45支團隊強強對決，展現(xiàn)精彩創(chuàng)意構想，展示精美設計作品。最終經(jīng)過兩輪初選和現(xiàn)場復賽，國內(nèi)外共計評選出了32支團隊晉級決賽。

△基于3D打印無人雙體船

抗險救災
2021年七月的一天，上海下起了傾盆大雨，周暢和其團隊成員們在上海交通大學木蘭樓208辦公室商量著模型船舶下水試驗和定位控制的事項，閑聊中，大家談起了當時鄭州洪水災情的最新情況。

“我們正準備試驗的動力定位技術，可以保證船舶自動定位在固定的地點，這不正能利用在洪水中，幫助救災嗎？”隨著這一想法的提出，大家開始了頭腦風暴。平時做試驗常采用的3D打印技術，正好可以應用在小型無人船的設計制作中。夏日的煩悶和試驗的苦惱，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踐。通過過去一年一起參加的各種各樣的比賽，小組成員們早已彼此熟識來。根據(jù)各自的優(yōu)勢和專長，有了不同的分工。周暢將大家的想法進行了梳理，并逐條列出，最終將要做的工作分成了兩個大的方向，分別是：模型制作和軟件編寫。

△模型制作

關于船舶模型實體，小組內(nèi)部進行了充分的討論。首先確定模型的原型將使用樹脂材料，采用SLA 光固化技術，進行3D打印配合。后期如需增加模型強度，將改為使用含有碳纖維和玻璃纖維的材料。與此同時，也總結出了當下需要解決的問題：

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螺旋槳來應對洪水中復雜的環(huán)境，那么如何來設置無人船的螺旋槳？
2.為了實現(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、并快速到達搜救地點，完成搜救工作？

△3D模型

為了解決主船體部分的控制問題，成員們自主設計了小型船的全回轉螺旋槳，并采用四槳設計來完成無人船部分的全驅動控制和動力定位功能。

對于水下部分，主船體在設計上采用了自設的水下無人艇。由于洪水災情中，水下的環(huán)境尤其復雜，水下無人艇和主船體部分將通過有線操控一起行動，以避免在復雜環(huán)境中水下無人艇與主船體斷聯(lián)和丟失。

空中搜救部分將采用無人機進行搜救，無人機將和主船體進行組網(wǎng)，同時將在主船體中設計無人機機艙，便于無人機的聯(lián)絡和起降。這樣做使得，無人機和主船體形成了類似于航空母艦和艦載機的關系，主船體部分能搭載物資，也能提高無人機的搜救范圍，同時無人機將反饋需救援點，由主船舶派遣子船舶運送物資或者提供救援需求。

成員們預計自主開發(fā)一款軟件來進行集成，以實現(xiàn)四個部分實體的聯(lián)絡工作，即：無人機、水下無人艇、主控船舶和次級船舶。

△軟件編寫

關于軟件編寫，需要解決的主要問題和難點是如何實現(xiàn)不同子模塊的通信，以及實現(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，因為只有實現(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，從而實現(xiàn)不同模塊之間的配合。目前采用的是實驗室的位置采集系統(tǒng)，然后通過終端電腦進行統(tǒng)一控制，在實際環(huán)境中將換成高精度的GPS進行位置采集。

△3D打印的小型無人船

然后實現(xiàn)自主控制和位置保持也不簡單，比如想實現(xiàn)動力定位，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時提供不同的推力以及方向，同時要盡量減少電量的損耗。

這個過程中我們需要有恰當?shù)臑V波算法，來得到準確的環(huán)境載荷，有了正確的外力，我們才有了控制的基礎，然后迅速對推力分配進行最優(yōu)化，并反應到推進器上去，這樣就能實現(xiàn)無人船各種行為的控制，和位置保持。

模型的制作，軟件的編寫，在有條不紊進行的過程著，一次一次進行著試驗。

△測試

每一次試驗中，總是會有各種各樣的問題，仍記得一天傍晚，滿懷期待的少男少女們，搬著作品走向試驗室，每個模塊都很重，搬運起來十分不便，好不容易將作品放到了試驗地點，便出現(xiàn)了一個大問題。

全回轉螺旋槳的連接處在搬運過程中發(fā)生了損壞，但預約好的試驗室使用時間馬上就要到了，成員們只能對螺旋槳進行些簡單處理讓其能暫時使用。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作，但到了關鍵的一步時，又出現(xiàn)了問題。

成員們構想的是船舶能在急流中保持穩(wěn)定，但當在下達這樣的指令后，主船只能在水中緩慢地進行打轉。這與預設的效果完全不一致。不過大家沒有灰心，很快重整旗鼓，首先重新設計了螺旋槳的連接處，以保證其強度。

隨后分析船舶打轉的原因，他們發(fā)現(xiàn)，其中一個重要的原因是直接購買的螺旋槳主機的輸出并不穩(wěn)定，導致算法輸出與實際輸出之間存在著極大的差異，因此船舶會出現(xiàn)打轉的現(xiàn)象。為了解決這個問題，xx和成員們對幾個螺旋槳主機進行了推力試驗，得到了推力曲線。并依據(jù)試驗數(shù)據(jù)對算法進行了修改。

此作品以鄭州洪水災情為起點，下一步，將進一步優(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，以此來應對更加復雜的環(huán)境，應用到更廣泛的領域。比如海難事故的搜救，海邊浴場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域應用的可能性。

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

蔣晨悅    軍事迷，項目的主力

關于Polymaker：
Polymaker是一家專注于3D打印材料的高新技術企業(yè)，致力于用卓越領先的技術、高質(zhì)量的產(chǎn)品和細致專業(yè)的服務，推動3D打印技術在各個行業(yè)的深入應用，目前已成為世界一流的擠出式3D打印材料的創(chuàng)新者和供應者。產(chǎn)品遠銷世界各大洲，被廣泛應用在汽車、航空航天、工業(yè)制造、醫(yī)療、消費等多個領域中。