Gerris USV - hidrodrone desde cero!

Hoxe, "In the Workshop" trata dun proxecto un pouco máis grande, é dicir, dun buque non tripulado usado, por exemplo, para medicións batimétricas. Podedes ler sobre o noso primeiro catamarán, adaptado á versión radiocontrolada, no 6o número de “Xove Técnico” do ano 2015. Nesta ocasión, o equipo MODELmaniak (un grupo de modelistas experimentados afiliados ao Kopernik Model Workshops Group en Wrocław) afrontou o reto amigable de deseñar dende cero unha plataforma de medición flotante aínda mellor adaptada ás condicións de grava. canteira, ampliable a unha versión autónoma, dándolle ao operador máis espazo para respirar.

Comezou coa personalización...

Atopamos este problema por primeira vez cando hai uns anos nos preguntaron pola posibilidade de introducir actuadores e adaptación a radiocontrol batimétrico arrastrado (é dicir, unha plataforma de medición utilizada para medir a profundidade das masas de auga).

1. A primeira versión da plataforma de medición, só adaptada á versión RC

2. As unidades do primeiro hidrodrone eran inversores de acuario lixeiramente modificados, e funcionaron bastante ben, aínda que certamente non tiñan "resistencia á construción".

A tarefa de modelado consistiu en deseñar e fabricar actuadores para flotadores de PE prefabricados fabricados mediante a tecnoloxía de estiramento-soplado (PCBM - similar ás botellas de PET). Despois de analizar as condicións de funcionamento e as opcións dispoñibles, escollemos unha solución bastante inusual e, sen interferir cos cascos por debaixo da liña de flotación, instalamos circuladores inversores de acuario como accionamentos coa capacidade adicional de xirar 360 ° e levantar (por exemplo, cando chocar contra un obstáculo ou durante o transporte). Esta solución, apoiada adicionalmente por un sistema de control e alimentación separado, permitiu exercer o control e devolvelo ao operador mesmo en caso de avaría dun dos tramos (dereita ou esquerda). As solucións resultaron tan exitosas que o catamarán aínda está en funcionamento.

3. Ao preparar o noso propio proxecto, examinamos en detalle (moitas veces persoalmente!) moitas solucións similares - nesta ilustración o alemán...

4... aquí está un americano (e varias ducias máis). Rexeitamos os monocascos por ser menos versátiles e as unidades que sobresaen por debaixo do fondo como potencialmente problemáticas no seu funcionamento e transporte.

Non obstante, a sensibilidade dos discos á contaminación da auga resultou ser unha desvantaxe. Aínda que podes eliminar rapidamente a area do rotor despois dun baño de emerxencia ata a costa, debes ter coidado con este aspecto ao lanzar e nadar preto do fondo. Porque, con todo, inclúe a expansión das capacidades de medición, e tamén se expandiu ao longo deste tempo. alcance de hydrodrone (nos ríos) o noso amigo mostrou interese por unha nova versión de desenvolvemento da plataforma especialmente deseñada para estes fins. Asumimos este reto, de acordo co perfil didáctico dos nosos estudos e ao mesmo tempo dando a oportunidade de probar na práctica as solucións desenvolvidas!

5. As maletas modulares de plegamento rápido foron moi inspiradoras pola súa versatilidade e facilidade de transporte 3 (foto: materiais do fabricante)

Gerris USV – datos técnicos:

• Lonxitude/ancho/alto 1200/1000/320 mm

• Construción: composto de vidro epoxi, marco de conexión de aluminio.

• Desprazamento: 30 kg, incluída a capacidade de carga: non inferior a 15 kg

• Unidade: 4 motores BLDC (refrixerados por auga)

• Tensión de alimentación: 9,0 V… 12,6 V

• Velocidade: traballo: 1 m/s; máximo: 2 m/s

• Tempo de funcionamento cunha única carga: ata 8 horas (con dúas baterías de 70 Ah)

• Páxina web do proxecto: https://www.facebook.com/GerrisUSV/

Os exercicios continuaron, é dicir, supostos para un novo proxecto

Os principios reitores que nos marcamos ao desenvolver a nosa propia versión foron os seguintes:

• dous cascos (como na primeira versión, garantindo a maior estabilidade necesaria para obter medicións precisas cunha ecosonda);
• sistemas redundantes de accionamento, alimentación e control;
• desprazamento, permitindo a instalación de equipos a bordo de peso mín. 15 kg;
• fácil desmontaxe para transporte e vehículos adicionais;
• dimensións que permiten o transporte nun coche de pasaxeiros común, mesmo cando está montado;
• protexido de danos e contaminación, unidades duplicadas no bypass do corpo;
• universalidade da plataforma (a capacidade de usala noutras aplicacións);
• a posibilidade de actualizar a unha versión independente.

6. A versión orixinal do noso proxecto implicaba a división modular en seccións construídas mediante diferentes tecnoloxías, que, non obstante, podían montarse con tanta facilidade como os bloques populares e recibir diversos usos: desde modelos de rescate por radiocontrol, pasando por plataformas USV, ata botes de pedal eléctricos.

Deseño vs tecnoloxía, é dicir, aprender dos erros (ou ata tres veces máis que a arte)

Ao principio houbo, por suposto, estudos: pasou moito tempo buscando en Internet deseños, solucións e tecnoloxías similares. Inspiráronnos moito hidrodronía diversas aplicacións, así como kayaks modulares e pequenas embarcacións de pasaxeiros para a automontaxe. Entre os primeiros atopamos a confirmación do valor da disposición do dobre casco da unidade (pero en case todas as hélices estaban situadas baixo o fondo do mar - a maioría delas estaban deseñadas para funcionar en augas máis limpas). Solucións modulares Os kayaks industriais impulsáronnos a considerar dividir o casco do modelo (e o traballo do taller) en anacos máis pequenos. Así, creouse a primeira versión do proxecto.

7. Grazas ao editor Jakobsche, creáronse rapidamente opcións de deseño 3D posteriores, necesarias para a implementación na tecnoloxía de impresión de filamentos (os dous primeiros e os dous últimos segmentos do corpo son o resultado das limitacións de espazo de impresión das impresoras propias).

Inicialmente, adoptamos tecnoloxía mixta. No primeiro prototipo, os tramos de proa e popa tiñan que estar feitos do material máis resistente que puidemos atopar (acrilonitrilo-estireno-acrilato - para abreviar ASA).

8. Coa precisión e repetibilidade esperadas das conexións dos módulos, as partes intermedias (medio metro de lonxitude, eventualmente tamén un metro) requirían o equipamento axeitado.

9. O noso tecnólogo superior en plásticos fixo unha serie de módulos de proba antes de imprimir o primeiro elemento ASA extremo.

En definitiva, despois da proba de concepto, para unha implementación máis rápida dos cascos posteriores, tamén imaxinamos usar as impresións como cascos para crear moldes para a laminación. Os módulos intermedios (de 50 ou 100 cm de lonxitude) tiveron que pegarse entre si a partir de placas de plástico - para o que o noso verdadeiro piloto e especialista en tecnoloxía dos plásticos - Krzysztof Szmit (coñecido polos lectores de "At the Workshop", incluso como coautor ( MT 10/2007) ou coche de martelo anfibio radiocontrolado (MT 7/2008).

10. A impresión dos módulos exteriores atrasouse perigosamente, polo que comezamos a crear modelos de corpo positivos, aquí na versión clásica de rebaixa.

11. O revestimento de madeira contrachapada requirirá un pouco de masilla e pintura final, pero, como se viu, esta era unha boa protección en caso de posible falla do equipo de navegación...

Deseño 3D do novo modelo para impresión, editado por Bartłomiej Jakobrze (pódese atopar unha serie dos seus artigos dedicados a proxectos electrónicos tridimensionais nos números de "Młodego Technika" do 9/2018 ao 2/2020). Axiña comezamos a imprimir os primeiros elementos da fuselaxe, pero despois comezaron os primeiros pasos... A impresión precisa levou máis tempo do que esperabamos, e houbo custos defectos derivados do uso de material moito máis resistente do habitual...

12. ...que fixo un casco semellante con corpo de escuma XPS e tecnoloxía CNC.

13. Tamén houbo que limpar o núcleo de escuma.

Coa data de aceptación aproximándose alarmantemente rápido, decidimos afastarnos do deseño modular e Impresión 3D para tecnoloxía de laminado duro e máis coñecida – e comezamos a traballar en dous equipos en paralelo en diferentes tipos de patróns positivos (pezuñas) corpo: tradicional (construción e madeira contrachapada) e escuma (utilizando unha gran fresadora CNC). Nesta carreira, o "equipo de novas tecnoloxías" dirixido por Rafal Kowalczyk (por certo, un reprodutor multimedia en competicións nacionais e mundiais para construtores de modelos radiocontrolados -incluído o coautor do descrito "On the Workshop" 6/). 2018) obtivo vantaxe.

14. ... ser axeitado para facer unha matriz negativa ...

15. …onde pronto se fixeron as primeiras impresións flotantes de vidro epoxi. Utilizouse un gel coat, que é claramente visible na auga (xa que xa tiñamos abandonados os módulos, non había motivos para interferir no traballo con decoracións de dúas cores).

Polo tanto, o traballo posterior do taller seguiu o terceiro camiño de deseño de Rafal: dende a creación de formas positivas, despois de negativas -a través de impresións de vidro epoxi- ata plataformas USV preparadas (): primeiro un prototipo totalmente equipado, e posteriormente, copias aínda máis avanzadas da primeira serie. Aquí a forma e os detalles do corpo adaptáronse a esta tecnoloxía; pronto a terceira versión do proxecto recibiu un nome único do seu líder.

16. O suposto deste proxecto educativo consistía en empregar equipamentos de simulación accesibles ao público -pero iso non quere dicir que de inmediato tivésemos unha idea para cada elemento -polo contrario, hoxe é difícil contar cantas configuracións se probaron- e o as melloras no deseño non remataron aí.

17. Estas son as baterías máis pequenas utilizadas: permiten que a plataforma funcione durante catro horas baixo carga de traballo. Tamén hai unha opción para duplicar a capacidade -afortunadamente, as escotillas de servizo e unha maior flotabilidade permiten moito.

Gerris USV é un neno animado e traballador (e coa súa mente!)

Garris este é o nome xenérico latino dos cabalos, probablemente insectos coñecidos, probablemente correndo pola auga en extremidades moi espaciadas.

Cascos de hidrodrones de destino Feito con laminado epoxi de vidro multicapa - o suficientemente resistente para as duras condicións de area e grava do traballo previsto. Estaban unidos por un marco de aluminio desmontado rapidamente con vigas deslizantes (para facilitar o calado) para a fixación de instrumentos de medida (ecosonda, GPS, ordenador de a bordo, etc.). As comodidades adicionais no transporte e uso residen nos esquemas dos casos. discos (dous por flotador). Os motores dobres tamén significan hélices máis pequenas e máis fiabilidade, ao mesmo tempo que poden utilizar aínda máis simulacións que os motores industriais.

18. Unha ollada ao salón con motores e caixa eléctrica. O tubo de silicona visible forma parte do sistema de refrixeración por auga.

19. Para as primeiras probas na auga, fixemos os cascos máis pesados ​​para que o catamarán se comportase adecuadamente ás condicións da operación prevista, pero xa sabiamos que a plataforma podía manexalo!

Nas versións posteriores, probamos varios sistemas de propulsión, aumentando gradualmente a súa eficiencia e potencia, polo que as versións posteriores da plataforma (a diferenza do primeiro catamarán hai moitos anos) tamén se adaptan ao caudal de cada río polaco cunha marxe de velocidade segura.

20. Conxunto básico: cun sonar (aínda non conectado aquí). Dúas vigas de montaxe proporcionadas polo usuario tamén permiten a duplicación de dispositivos de medición e, polo tanto, aumentan a fiabilidade das propias medicións.

21. O ambiente de traballo adoita ser grava con auga moi turbia.

Xa que a unidade está deseñada para funcionar de 4 a 8 horas continuamente, cunha capacidade de 34,8 Ah (ou 70 Ah na seguinte versión), un en cada un dos edificios. Con tempos de funcionamento tan longos, é obvio que os motores trifásicos e os seus controladores deben ser arrefriados. Isto faise usando un circuíto de auga simulado típico tomado detrás das hélices (unha bomba de auga adicional resultou ser innecesaria). Outra protección contra posibles fallos causados ​​pola temperatura no interior dos flotadores é a lectura telemétrica de parámetros no panel de control do operador (é dicir, un transmisor típico da simulación moderna). En particular, a velocidade do motor, a temperatura do motor, a temperatura do regulador, a tensión da batería de subministración, etc., son diagnosticados de forma continua.

22. Este non é o lugar para modelos recortados elegantes!

23. O seguinte paso no desenvolvemento deste proxecto foi a incorporación de Sistemas de Control Autónomo. Despois de rastrexar o depósito (usando un mapa de Google ou manualmente - ao fluír ao redor da unidade de contorno do depósito medido), o ordenador recalcula a ruta segundo os parámetros esperados e despois de activar o piloto automático cun interruptor, o operador pode sentarse convenientemente. e observa o funcionamento do dispositivo cun refresco na man...

A tarefa principal de todo o complexo é medir e gardar nun programa xeodésico separado os resultados das medicións de profundidade da auga, que se usan posteriormente para determinar a capacidade total do encoro interpolada (e así, por exemplo, para comprobar a cantidade de grava seleccionada desde a última medición). Estas medicións pódense facer ben mediante o control manual da embarcación (idéntica a un modelo flotante con control remoto convencional) ou mediante o funcionamento totalmente automático dun interruptor. A continuación, as lecturas actuais do sonar en termos de profundidade e velocidade de movemento, o estado da misión ou a localización do obxecto (desde un receptor GPS RTK extremadamente preciso, situado cunha precisión de 5 mm) transmítense ao operador de forma continua. baseado polo despachador e a aplicación de control (tamén pode establecer os parámetros da misión planificada) .

Versións prácticas do exame e desenvolvemento

descrito hidrodrón Superou con éxito unha serie de probas en diversas condicións, normalmente de traballo, e leva máis dun ano atendendo ao usuario final, "arado" con esmero novos encoros.

O éxito do prototipo e a experiencia acumulada levaron ao nacemento de unidades novas e aínda máis avanzadas desta unidade. A versatilidade da plataforma permite que se use non só en aplicacións xeodésicas, senón tamén, por exemplo, en proxectos de estudantes e moitas outras tarefas.

Creo que grazas ás decisións exitosas e á dilixencia e talento do director do proxecto, pronto haberá barcos xerris, tras converterse nun proxecto comercial, competirán coas solucións americanas ofrecidas en Polonia, moitas veces máis caras en termos de compra e mantemento.

Se estás interesado en detalles non tratados aquí e a información máis recente sobre o desenvolvemento desta interesante estrutura, visita o sitio web do proxecto: GerrisUSV en Facebook ou tradicionalmente: MODElmaniak.PL.

Animo a todos os lectores a reunir os seus talentos para crear proxectos innovadores e gratificantes xuntos, independentemente do (familiar!) "Aquí nada paga". Autoconfianza, optimismo e boa cooperación para todos nós!