自主移动式太阳能水车增氧平台设计

海　涛， 李朝伟， 王　路， 纪昌青， 周楠皓， 周明雨

(广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004)



自主移动式太阳能水车增氧平台设计

海涛， 李朝伟， 王路， 纪昌青， 周楠皓， 周明雨

(广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004)

针对目前增氧设备不能移动、能源利用单一、自动化及智能化程度低、不具备溶氧检测系统的问题，设计了一种自主移动式太阳能水车增氧平台。通过整体性能的研究分析，设计了增氧平台的整体结构，提出了以超声波测距传感器实时检测和水车左右电机差速控制的自主移动式增氧的实现方法；根据增氧平台工作时间、功率消耗以及阴雨天措施等要求，理论分析了系统太阳能电池板和蓄电池组的配置方法，设计了系统硬件并对各功能模块进行了选型；研究了增氧平台的软件系统以及远程监控端的上位机系统。通过离岸测距实验，验证了增氧平台能够按设定安全距离沿岸边平行移动，并在前方遇到障碍物时进行转向避障，初步实现了增氧平台的自主巡岸移动，扩大了水域的增氧范围。相比传统电力供电固定式增氧设备，增氧平台的增氧范围更大、更灵活，自动化和智能化程度更高。

增氧平台；自主移动；光伏；水产养殖

增氧机作为水产养殖的必备设备对溶氧的调控起着重要作用[1-2]。包括水车式增氧机、叶轮式增氧机、微孔增氧机和浪涌机在内的池塘增氧设备[3-5]，均为通过配电站有线电缆送电的固定式增氧装置，依靠常规电力，能源利用单一，装置不能移动，限制了水域的增氧范围和效果。随着近年来水产养殖规模的不断扩大和养殖面积的不断增加，传统增氧设备逐渐满足不了要求[6]。

我国大部分地区太阳能资源丰富，将太阳能发电应用于水产养殖中的增氧，将有效改善能源利用单一的问题，并起到节能减排的作用。目前国内外关于移动式光伏增氧设备方面的研究还较少[7-14]。

本研究设计了一种自主移动式光伏水车增氧平台(以下简称“增氧平台”)。该增氧平台由太阳能供电，具备水面自主移动增氧功能，通过左右叶轮的转动为增氧平台提供动力，同时也进行水体增氧；平台上搭载了溶氧检测模块，能够实时监测水体的溶氧状况，并配置有GPRS无线模块，能够与地面站上位机进行远程实时通信。

1　增氧平台总体设计

1.1增氧平台的构成和设计原理

增氧平台由太阳能电池板、主控室、左右电机室、叶轮、轴承座、浮筒、测距传感器等组成(图1)，并且配置上位机远程监控系统。主控室作为增氧平台的核心区域主要由主控电路、充放电控制器、最大功率跟踪控制电路、蓄电池组、无线通信模块和溶氧检测模块组成；左右电机室内配有电机驱动模块和直流无刷电机。

太阳能电池板吸收太阳能作为增氧平台的动能，并通过蓄电池给电机和控制系统供电，控制系统控制左右电机室内的电机带动叶轮搅动水层以达到增氧的目的。同时，通过左右电机的差速转动，实现增氧机的转向和移动，实现移动式增氧。

2.2增氧平台的自主移动

为实现增氧平台的自主移动，需要对其进行水面定位并进行路径规划。本研究通过实时测量增氧平台与池塘堤岸的距离来确定其在鱼塘的位置，并按预先设定航行轨迹自主行驶，离岸距离选用超声波测距传感器来测量。测距传感器实时检测增氧平台与池塘边缘的距离，控制系统实时调整增氧平台的行驶方向，使其离岸距离保持在设定范围内，确保按预定的航道航行。

图1　增氧平台整体结构

增氧平台设计有电机差速转向机制，通过测距传感器实时采集数据，经算法分析，控制增氧平台转向以及航行轨迹。控制方式分为远程手动方式和自主移动方式，后者可以按设定距离以巡岸方式进行自主移动增氧(图2)。

图2　增氧平台巡岸增氧轨迹

2　硬件设计

2.1太阳能电池板与蓄电池选择

2.1.1理论计算

增氧平台设计每天工作时间为6 h，能在阴雨天连续工作3 d，左右电机选用2台12 V/150 W直流无刷电机。我国的太阳年辐射量平均为5 852 MJ/m2，广西辐射值为5 000～5 500 MJ/m2，全年日照时数为1 400～2 200 h，南宁日辐射量为12 515 MJ/m2[15]。根据负载参数和增氧平台工作要求，太阳能电池板功率P(W)和蓄电池容量Q(Ah)的计算公式[16]：

H=Ht×2.778/10 000 h

(1)

QL=P0×H/U0

(2)

A×QL×NL×T0/Cc

(3)

(4)

式中：Ht—太阳能电池方阵安装地点的太阳能日辐射量，南宁日辐射量为12 515 MJ/m2；H—平均日辐射时数，h；QL—负载日平均耗电量，为工作电流乘以日工作小时数；U0—负载额定工作电压，12 V；P0—负载功率，2台150 W直流无刷电机；Q—蓄电池的容量，Ah；A—安全系数，取1.2；NL—无太阳光连续工作天数，d；T0—温度修正系数，在0℃以上取1；CC—蓄电池放电深度，一般铅蓄电池取0.75；t—负载日平均工作时间，h；—充电损耗，取0.7。

经计算得，平均日辐射时数H≈3.48 h，蓄电池的容量Q=720 Ah，太阳能电池板功率P=738.9 W。

2.1.2组件选择

根据市售太阳能光伏板的规格，选择4块功率200 W光伏板并联供电，输出电压12 V；选择6块12 V/120 Ah的铅蓄电池作为储能装置；选择使用2台12 V/150 W的直流无刷电机作为增氧平台左右电机。

2.2增氧平台各模块选型

为了实现增氧平台自主移动控制算法，实现多传感器检测、远程上位机实时通信、双电机PID调速，控制器选用内核为ARM 32位的Cortex-M3 CPU的STM32F103ZET6芯片，它能快速处理多传感器检测和实时数据通信，并容易实现PID、MPPT、路径规划等高性能控制算法。考虑到直流无刷电机要满足重量轻、体积小、出力大、可靠性高等要求，选用双直流无刷电机作为动力装置；选用DO30G溶氧传感器和DO402G溶氧变送器构成溶氧检测模块，测量范围0～20 mg/L；选用超声波测距模块KS103，测距范围在0.01～8 m，精度可达1 mm，供电电压为3.3～5 V[17]；无线模块选用SIM900A模块(属于工业级的GPRS模块)[18-19]。增氧平台整体硬件设计框图如图3所示。

图3　增氧平台整体硬件设计框图

3　软件设计

增氧平台的软件系统主要包括STM32F103ZET6嵌入式控制器的主程序和增氧平台的上位机远程监控软件。主程序主要用于初始化增氧平台的各硬件模块，读取上位机控制指令并发送数据给上位机，采集传感器检测参数，并控制电机速度等。上位机监控软件系统的设计是为了实现增氧平台的远程控制、状态监测和溶氧监测。

3.1控制器主程序设计

增氧平台STM32控制器主程序采用模块化编程方法，在Keil uvision5环境下开发设计。增氧平台控制器的主程序流程如图4所示。

3.2上位机软件监控系统

增氧平台上位机软件监控系统选择组态王6.55开发[20]。通过开发上位机软件监控系统，可以实现远程手动和自主移动两种控制方式的变换，同时上位机软件系统可以实时监测增氧平台的行驶状况，包括增氧平台的速度、加速度、与岸边夹角和离岸距离等参数，监测太阳能电池板的电流、电压以及发电量，监测溶氧参数，并把这些参数信息实时通过界面组态显示出来。

图4　增氧平台控制器的主程序流程图

4　试验与分析

4.1离岸测距实验方案设计

选择在池长50 m、池宽21 m、水深2 m的长方形清水池中进行试验(图5)，主要测试增氧平台在自主移动方式下沿水池边沿设定的安全距离自主移动，并在前方遇到障碍时能够自主转向。增氧平台放置后开始进行试验，分析在1 min内放置于增氧平台正前方和右侧边2个测距传感器采集到的数据。

图6是增氧平台离岸距离测距示意图。

图5　增氧平台实验放置位置

图6　增氧平台离岸距离测距示意图

将测距传感器测得的数据换算成增氧平台与岸边的实际距离，计算公式如下：

(5)

L1=S1cosθ

(6)

L2=S2cosθ

(7)

L3=S3cosθ

(8)

式中：S1—增氧平台正前方测距传感器1测得的离岸距离，m；S2—增氧平台右前方测距传感器2测得的离岸距离，m；S3—增氧平台右后方测距传感器3测得的离岸距离，m；L1—传感器1距岸边的垂直距离，m；L2—传感器2距岸边的垂直距离，m；L3—传感器3距岸边的垂直距离，m；θ—测距传感器测得距离与传感器距岸边垂直距离的夹角，度(°)；D—传感器2和传感器3之间的距离，m。

4.2离岸测距实验数据分析

安全离岸距离设为4 m，3个测距传感器每秒采集1次距离信息，在1 min内采集60组。由于测距传感器的测量范围为0.01～8 m，传感器1在实验前30 s测得的数据均大于8 m或在8 m左右，为保证数据的可靠性，只取了后30 s采集到的30组数据。传感器1～3采集到的原始数据作为S1、S2、S3经计算得到L1、L2、L3三条数据曲线(图7)。从L1曲线可以看出，当增氧平台不断接近前方岸边并在56 s接近设置的安全距离4 m时开始转向；L2和L3的曲线说明，在试验开始的56 s内，增氧平台能够按设定的安全离岸距离，距岸边沿4 m平行前进，56 s后的曲线变化说明由于传感器1检测到前方障碍，增氧平台开始转向，所以传感器2检测到的距离数据开始增大，而传感器3检测的数据减小。试验表明，增氧平台能够按设定安全距离沿岸边平行移动，并在前方遇到障碍物时进行转向蔽障，基本上能实现了增氧平台的自主巡岸移动。

图7　离岸距离数据曲线

5　结论

研究设计了一种自主移动式光伏水车增氧平台，并进行了离岸测距试验。结果表明，该增氧平台能够按设定安全距离沿岸边平行移动，并在前方遇到障碍物时进行转向蔽障，初步实现了增氧平台的自主巡岸移动。相比传统的固定式增氧设备，该增氧平台的增氧范围更大、更灵活，自动化和智能化程度更高。

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Design of autonomous mobile photovoltaic waterwheel aeration platform

HAI Tao, LI Chaowei, WANG Lu, JI Changqing, ZHOU Nanhao, ZHOU Mingyu

(CollegeofElectricalEngineering,GuangxiUniversity,Nanning530004,China)

Focusing on the problems of current aerating devices such as immovability, limited power source, low degree of automation and intelligence, and lack of dissolved oxygen detection system, a kind of autonomous mobile photovoltaic waterwheel aeration platform is designed. Based on the analysis of overall performance, the overall structure of the aerating platform was designed and the autonomous mobility was realized using the real-time detection of ultrasonic distance-measuring sensor and the speed difference control of motors; according to the requirements on device working time, power consumption and rainy day counter measures, the configuration method of solar panels and batteries was theoretically analyzed, the system hardware was designed and function modules were selected; then, the software system as well as the remote monitor and control PC system were studied. As is verified by offshore distance measuring experiment, the aerating platform can move in parallel to the water shore following the set distance, and can escape from obstacles ahead; the design has preliminary realized the autonomous moving of aeration devices and expanded the aerated water scope. Compared with the stationary aerators using traditional power supply, this platform has a larger aerating range, more flexibility, and higher automatic and intelligent levels.

aeration platform; autonomous mobile; photovoltaic; aquaculture

10.3969/j.issn.1007-9580.2016.04.002

2016-05-08

2016-07-21

国家自然科学基金项目(51267001)

海涛(1963—)，男，教授级高级工程师，研究方向：太阳能综合应用及自动控制与检测。E-mail：haitao5913@163.com

S969.32+9

A

1007-9580(2016)04-006-05