2021“Polymaker杯”中国（国际）3D打印创新创业大赛作品——双体救援船

来源：Polymaker

2021年10月13日，由Polymaker赞助，上海交通大学学生创新中心3D打印服务中心主办的2021“Polymaker杯”中国（国际）3D打印创新创业大赛成功举办，45支团队强强对决，展现精彩创意构想，展示精美设计作品。最终经过两轮初选和现场复赛，国内外共计评选出了32支团队晋级决赛。

△基于3D打印无人双体船

抗险救灾
2021年七月的一天，上海下起了倾盆大雨，周畅和其团队成员们在上海交通大学木兰楼208办公室商量着模型船舶下水试验和定位控制的事项，闲聊中，大家谈起了当时郑州洪水灾情的最新情况。

“我们正准备试验的动力定位技术，可以保证船舶自动定位在固定的地点，这不正能利用在洪水中，帮助救灾吗？”随着这一想法的提出，大家开始了头脑风暴。平时做试验常采用的3D打印技术，正好可以应用在小型无人船的设计制作中。夏日的烦闷和试验的苦恼，在这一刻被大雨和灵感的交流清洗一空。

△3D 模型

很快大家决定将想法付诸于实践。通过过去一年一起参加的各种各样的比赛，小组成员们早已彼此熟识来。根据各自的优势和专长，有了不同的分工。周畅将大家的想法进行了梳理，并逐条列出，最终将要做的工作分成了两个大的方向，分别是：模型制作和软件编写。

△模型制作

关于船舶模型实体，小组内部进行了充分的讨论。首先确定模型的原型将使用树脂材料，采用SLA 光固化技术，进行3D打印配合。后期如需增加模型强度，将改为使用含有碳纤维和玻璃纤维的材料。与此同时，也总结出了当下需要解决的问题：

1.为了使船舶在洪水中具有足够的操纵性，需要采用足够多的全回转螺旋桨来应对洪水中复杂的环境，那么如何来设置无人船的螺旋桨？
2.为了实现立体化、空间化搜救，如何加载空中搜救和水下搜救的功能？
3.不同部分如何互相联络、并快速到达搜救地点，完成搜救工作？

△3D模型

为了解决主船体部分的控制问题，成员们自主设计了小型船的全回转螺旋桨，并采用四桨设计来完成无人船部分的全驱动控制和动力定位功能。

对于水下部分，主船体在设计上采用了自设的水下无人艇。由于洪水灾情中，水下的环境尤其复杂，水下无人艇和主船体部分将通过有线操控一起行动，以避免在复杂环境中水下无人艇与主船体断联和丢失。

空中搜救部分将采用无人机进行搜救，无人机将和主船体进行组网，同时将在主船体中设计无人机机舱，便于无人机的联络和起降。这样做使得，无人机和主船体形成了类似于航空母舰和舰载机的关系，主船体部分能搭载物资，也能提高无人机的搜救范围，同时无人机将反馈需救援点，由主船舶派遣子船舶运送物资或者提供救援需求。

成员们预计自主开发一款软件来进行集成，以实现四个部分实体的联络工作，即：无人机、水下无人艇、主控船舶和次级船舶。

△软件编写

关于软件编写，需要解决的主要问题和难点是如何实现不同子模块的通信，以及实现子模块的自主控制和位置保持的算法。首先是不同模块之间的通信，因为只有实现不同模块之间的通信，不同模块之间才能知道相互之间的位置，从而实现不同模块之间的配合。目前采用的是实验室的位置采集系统，然后通过终端电脑进行统一控制，在实际环境中将换成高精度的GPS进行位置采集。

△3D打印的小型无人船

然后实现自主控制和位置保持也不简单，比如想实现动力定位，保证主船舶在洪水中不随波逐流，就要有算法，确保不同的螺旋桨实时提供不同的推力以及方向，同时要尽量减少电量的损耗。

这个过程中我们需要有恰当的滤波算法，来得到准确的环境载荷，有了正确的外力，我们才有了控制的基础，然后迅速对推力分配进行最优化，并反应到推进器上去，这样就能实现无人船各种行为的控制，和位置保持。

模型的制作，软件的编写，在有条不紊进行的过程着，一次一次进行着试验。

△测试

每一次试验中，总是会有各种各样的问题，仍记得一天傍晚，满怀期待的少男少女们，搬着作品走向试验室，每个模块都很重，搬运起来十分不便，好不容易将作品放到了试验地点，便出现了一个大问题。

全回转螺旋桨的连接处在搬运过程中发生了损坏，但预约好的试验室使用时间马上就要到了，成员们只能对螺旋桨进行些简单处理让其能暂时使用。之后，尝试让船舶下水，在水中，船舶按照指令可以顺利地做很多动作，但到了关键的一步时，又出现了问题。

成员们构想的是船舶能在急流中保持稳定，但当在下达这样的指令后，主船只能在水中缓慢地进行打转。这与预设的效果完全不一致。不过大家没有灰心，很快重整旗鼓，首先重新设计了螺旋桨的连接处，以保证其强度。

随后分析船舶打转的原因，他们发现，其中一个重要的原因是直接购买的螺旋桨主机的输出并不稳定，导致算法输出与实际输出之间存在着极大的差异，因此船舶会出现打转的现象。为了解决这个问题，xx和成员们对几个螺旋桨主机进行了推力试验，得到了推力曲线。并依据试验数据对算法进行了修改。

此作品以郑州洪水灾情为起点，下一步，将进一步优化不同子模块之间的协同控制，以及子模块控制的模糊化处理，以此来应对更加复杂的环境，应用到更广泛的领域。比如海难事故的搜救，海边浴场的安全警戒和一定空间的全方位立体监控，甚至可以探索在军事领域应用的可能性。

“我们的这项作品可以大大提高洪水搜救的效率，帮助救助更多的人，但本项目的应用场景及前景应该更加广阔，可以为我国的无人化作战提供更多的思路”。

蒋晨悦    军事迷，项目的主力

关于Polymaker：
Polymaker是一家专注于3D打印材料的高新技术企业，致力于用卓越领先的技术、高质量的产品和细致专业的服务，推动3D打印技术在各个行业的深入应用，目前已成为世界一流的挤出式3D打印材料的创新者和供应者。产品远销世界各大洲，被广泛应用在汽车、航空航天、工业制造、医疗、消费等多个领域中。