2021「ポリメーカーカップ」中国（国際）3Dプリントイノベーションと起業家精神コンテスト作品 - カタマラン救助艇

この投稿は、Little Soft Bear によって 2022-2-11 14:10 に最後に編集されました。

出典: ポリメーカー

2021年10月13日、Polymakerがスポンサーとなり、上海交通大学学生イノベーションセンター3Dプリントサービスセンターが主催する2021年「Polymakerカップ」中国（国際）3Dプリントイノベーションおよび起業コンテストが盛大に開催されました。45チームが競い合い、素晴らしいクリエイティブアイデアと精巧なデザイン作品を披露しました。 2回の予選と現地での準決勝を経て、国内外から合計32チームが決勝に進出しました。

△ 3Dプリントによる無人双胴船
災害救援
2021年7月のある日、上海は大雨に見舞われた。周昌と彼のチームメンバーは上海交通大学木蘭ビル208号室で模型船の進水試験と位置制御について話し合っていた。雑談の中で、全員が当時の鄭州の水害の最新状況を話した。

「私たちが試験を準備しているダイナミックポジショニング技術は、船を一定の場所に自動的に配置することができます。これを洪水時の災害救助に役立てることはできないでしょうか？」このアイデアが提案されると、全員がブレインストーミングを始めました。日常の実験でよく使われる3Dプリント技術は、小型無人ボートの設計と製造に応用できます。夏の退屈と実験の苦痛は、この瞬間、激しい雨とインスピレーションの交換によって洗い流されました。

△3Dモデルすぐに全員がそのアイデアを実行に移すことを決定しました。過去1年間、さまざまな競技に一緒に参加することで、チームメンバーはすでにお互いを知るようになりました。それぞれの強みと専門知識に基づいて、さまざまな分業が行われます。周昌は全員のアイデアを整理し、一つずつリストアップしました。最終的に、行うべき作業は、モデル作成とソフトウェア作成という 2 つの主要な方向に分割されました。

△模型製作船の模型の実体については、チーム内で徹底的に議論しました。まず、モデルのプロトタイプは樹脂材料で作られ、SLA光硬化技術を使用して3Dプリントされることが決定されました。後でモデルの強度を高める必要がある場合は、代わりにカーボンファイバーとガラスファイバーを含む材料が使用されます。同時に、現在解決すべき問題点をまとめると次のようになります。

1. 洪水時に船を十分に操縦できるようにするには、洪水時の複雑な環境に対応できる十分な全回転プロペラを使用する必要があります。では、無人船のプロペラはどのように設定すればよいのでしょうか。
2. 三次元・空間捜索救助を実現するために、空中捜索救助と水中捜索救助の機能をどのように搭載するか？
3. 各部署はどのようにして相互に連絡を取り合い、捜索救助現場に迅速に到着して捜索救助作業を完了するのでしょうか?

△3Dモデル主船体部分の制御問題を解決するために、メンバーは小型船の全回転プロペラを独自に設計し、4つのプロペラ設計を採用して、無人船部分の全駆動制御と動的位置決め機能を完成させました。

水中部分は、主船体を自作の水中無人艇で設計。洪水災害時には水中環境が特に複雑となるため、複雑な環境下において水中無人艇と主船体が分離して失われることを回避するため、有線制御により水中無人艇と主船体が連動して移動します。

航空捜索救助部では、捜索救助にドローンを使用します。ドローンは主船体とネットワーク化されます。同時に、通信やドローンの離着陸を容易にするために、主船体にドローンキャビンが設計されます。このように、ドローンと主船体の関係は、航空母艦と艦載機の関係に似ています。主船体は物資を運ぶことができ、ドローンの捜索救助範囲も広がります。同時に、ドローンは救助地点をフィードバックし、主船は子船を派遣して物資を輸送したり、救助ニーズに対応したりします。

加盟国は、ドローン、水中無人機、マスターコントロール船、補助船の4つの主体間の連絡を可能にする統合ソフトウェアを独自に開発することが期待されています。

△ソフトウェア作成ソフトウェア作成に関して、解決すべき主な問題と困難は、異なるサブモジュール間の通信をどのように実現するか、サブモジュールの自律制御と位置維持のためのアルゴリズムをどのように実装するかです。 1 つ目は、異なるモジュール間の通信です。異なるモジュール間の通信を実現することによってのみ、異なるモジュールが互いの位置を認識し、異なるモジュール間の調整を実現できるためです。現在は研究室の位置収集システムを利用して端末コンピュータで一元管理していますが、実際の環境では高精度GPSを利用して位置収集を行う予定です。

△小型の3Dプリント無人船の自律制御と位置維持を実現するのは簡単ではありません。例えば、洪水時に主船が流れに流されないように動的位置決めを実現するには、異なるプロペラが異なる推力と方向をリアルタイムで提供し、電力損失を最小限に抑えるアルゴリズムが必要です。

このプロセスでは、正確な環境負荷を得るために適切なフィルタリングアルゴリズムが必要です。正しい外力があれば、制御の基盤が得られます。その後、推力分布を迅速に最適化し、それをスラスタに反映することができます。このようにして、無人船のさまざまな動作を制御し、その位置を維持することができます。

モデルの作成とソフトウェアの作成は順序立てて行われ、実験が何度も繰り返されます。

△テストには必ずさまざまな問題があります。ある晩、期待に胸を膨らませた少年少女たちが作品を研究室に運んだことを今でも覚えています。各モジュールは非常に重く、運ぶのに非常に不便でした。ようやく作品をテスト現場に置いた後、大きな問題が発生しました。

全回転プロペラは輸送中に接続部分が破損したが、研究室での使用予定時間が迫っていたため、メンバーはプロペラに簡単な加工を施して暫定的に使用できる状態にした。その後、私たちは船を水上に進水させようとしました。水中では、船は指示に従って多くの動作をスムーズに実行できましたが、重要なステップになると再び問題が発生しました。

乗組員は船が急流でも安定した状態を保てると想定していたが、そのような命令が下されると、主船は水中でゆっくりと旋回することしかできなかった。これは期待された効果とは全く矛盾しています。しかし、全員が意気消沈することなく、すぐに態勢を立て直しました。まず、プロペラの接続部を再設計して強度を確保しました。

その後、船が回転する原因を分析したところ、重要な原因の1つは、直接購入したプロペラメインエンジンの出力が安定せず、アルゴリズムの出力と実際の出力に大きな差が生じ、船が回転することであることが分かりました。この問題を解決するために、xx と彼のメンバーはいくつかのプロペラ主エンジンの推力テストを実施し、推力曲線を取得しました。実験データに基づいてアルゴリズムが変更されました。

この研究は、鄭州の洪水災害を出発点としており、次のステップでは、異なるサブモジュール間の協調制御とサブモジュール制御のファジー処理をさらに最適化し、より複雑な環境に対応し、より幅広い分野に適用する予定です。例えば、海難事故の捜索救助、海水浴場での安全警報、特定空間の全方位3次元監視などに活用でき、軍事分野での応用の可能性も探ることができます。

「私たちの仕事は洪水捜索救助の効率を大幅に向上させ、より多くの人々の救助に貢献できるが、このプロジェクトの応用シナリオと展望はさらに広く、我が国の無人戦闘にさらに多くのアイデアを提供できるはずだ。」

プロジェクトの主力である江晨月軍事ファン

Polymakerについて:
Polymaker は 3D プリント材料を専門とするハイテク企業です。優れた先進技術、高品質の製品、きめ細やかでプロフェッショナルなサービスにより、さまざまな業界で 3D プリント技術の徹底的な応用を推進することに注力しています。現在では、押し出し 3D プリント材料の世界クラスのイノベーターおよびサプライヤーとなっています。製品は世界各国に輸出されており、自動車、航空宇宙、工業製造、医療、消費者向けなど多くの分野で広く使用されています。