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前沿|PaddlePaddle开源项目DeepNav“无人船”炼成记(二)

飞桨PaddlePaddle 2018-07-01

前言:本篇继续讲述DeepNav自动驾驶船项目,本次讲解无人船的设计思路和硬件搭建过程。文章素材来源于百度美国研究院王益老师的知乎专栏,欢迎小伙伴们持续关注。

同时,对项目理论基础感兴趣的小伙伴,可以同时回顾上一篇内容。如果这篇能够为大家带来启发,也欢迎小伙伴们留言新想法。

设计意图


我们希望我们的船

1 足够平稳和可靠,从而可以承载研究人员和设备。

2 尽量小巧,方便搬运和组装,也不要消耗太多能源来推进。

3 可拆装,这样可以装在我的皮卡上,运到水边再组装起来。

4 安静,这样方便未来帮助斯坦福大学的生物学家们去观测水生动植物。


设计概要


对皮卡的大小和运载能力感兴趣的同学们,可以看看我的皮卡的介绍:王益:为什么美国销量前三的车都是皮卡?

(https://www.zhihu.com/question/31129937/answer/190521680)

这篇文章里大家可以看到,我有一个双人划艇,平时就架在我的皮卡车顶上,这样车厢(bed)里可以放其他的东西。从可拆装和便于运输的角度出发,我们自然就想到利用这条划艇了。

不过划艇很窄,很容易翻船。实际上,划艇有两种:我的是 sit-on-top,相对稳定,用来钓鱼;还有一种叫 site-inside,是专门设计为容易翻船,也容易用船桨一拨就正过来的,用来搞飞身跃下瀑布和倒立观察鱼群等刺激玩法的。

为了有一个稳定的平台,让我们可以自信地把电脑等设备搬上船,我们决定做条双体船。为此,我们购买了第二个划艇,也就是题图中浅绿色的儿童划艇。

为了能把他们组装成双体船,我们需要一个支架 —— 这是我们结构设计的主要内容,下面会详述。

双体船也意味着更多的承载能力。在我的皮卡的介绍中,大家可以看到我把两块太阳能板用两条凹形钢梁(unistrut)连为一体,为我的车载电冰箱供电。我们想到把太阳能板固定在小艇上,提供能源。

既然有电能,我们当然就要买一个电机来驱动了。亚马逊上有不少划艇用的电机。电机规格的选择是一个麻烦事儿,我们在下一篇《机电设计》中再说。

按照以上逻辑,我们的船应该包括以下部分:

1 一条大划艇,乘坐两个人,一个做记录,一个舵手(司机)。舵手的操控数据就是训练数据;

2 一条小划艇,用来承载太阳能板;

3 蓄电池;

4 推进电机。

 

此外,船上还会有

运行机器学习和控制程序的电脑;

舵机,用来控制电机的转动方向,从而控制船的行驶方向;

电机和舵机的控制电路,一端链接电脑,一端连接电机和舵机;游戏控制器(游戏杆儿),司机用来操控电脑,然后电脑通过控制电路操控电机和舵机。


支架设计


上述设备基本都是可以购买了,除了为了把两条划艇能连为一体的支架,需要我们自己设计和制作。

支架设计的核心是材料的选择。我们有过三种考虑:

1 unistrut

unistrut 是一种通常镀锌、截面为凹字形的钢梁,被广泛地用在建筑中。在美国最大的连锁建材市场 Home Depot 有售。很多家庭用来制作承放太阳能板的结构。

有很多连接件可以用来把 unistrut 连接成各种复杂结构:

前沿|PaddlePaddle开源项目DeepNav“无人船”炼成记(二)

单位长度的 unistrut 的重量可以在网上查到。根据连接两条船需要的钢梁长度计算,一个壮汉也扛不起来 unistrut 制作的支架。 果断放弃。


2 PVC管子

PVC 有两种强度的:(1)furniture quality:可以用来制作家具。如下图。(2)用来输水的,在管壁外侧印有能承担的水压。

前沿|PaddlePaddle开源项目DeepNav“无人船”炼成记(二)

陈曦提醒我,有一对夫妇用 furniture quality 的PVC 管子和绑带把两条划艇连成了一只双体划艇(Kayak Catamaran):CatamaYak: How to Build a Kayak Catamaran

前沿|PaddlePaddle开源项目DeepNav“无人船”炼成记(二)

图中的结构很简单 —— 其实根本就没有结构,只有两根棒子,或者说是个“二字形“。可是我们希望支架是比较刚性的,也需要有特定的支点,能架我们的太阳能板。

所以,我们设计了一个PVC做的支架。如题图所示。大致是个日字形的结构。相对于上面的“二字形”,日字形更坚固,而且中间那一横和下面那一横一起,恰好可以支撑用来连接两块太阳能板的 unistrut。

为了完善设计,我们仔细查询了 PVC 管子的规格。需要注意的是,大家说 2'' PVC 的时候,2''指的是管子的内径,而不是外径。因为对于特定的内径,管壁厚度有据可查,所以外径也就知道了:.pvcfittingsonline.com/resource-center/pvc-pipe-od-size-chart/

随后,陈曦和我兴高采烈地在亚马逊上订购了PVC管子以及各种连接件(fittings)

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结果,等到货的时候我们都傻眼儿了 —— 所有连接件儿内部都有凸起,所以没法让一根PVC管子贯穿一个连接件儿。可是如果裁成两段,又会破坏PVC管子的结构强度。上图中的椅子,每一段PVC管子都很短,所以还是可以支持比较高的强度的,但是我们的船架子不行。于是只要放弃。此后,我们购买任何材料,都去实体店,看清楚了再下单。


3 方形铝管

有了PVC的教训,陈曦的父亲和我俩一起去了一趟 Home Depot 实体店,发现了一个好东西 —— aluminum square pipe(方形铝管)。如下图所示,也有很多规格。我们选择了宽度是1''的。

我们惊喜地发现,铝管比PVC管子还要轻!

接下来,就在我家车库里排开了阵势 —— 电锯电钻一起上,差点儿动用了电焊。具体的工作内容,请看后文讲解。


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