Gerris USV - hidrodrone des de zero!

Avui, "Al taller" tracta d'un projecte una mica més gran, és a dir, d'un vaixell no tripulat utilitzat, per exemple, per a mesures batimètriques. Podeu llegir el nostre primer catamarà, adaptat a la versió radiocontrolada, al 6è número de "Jove Tècnic" del 2015. Aquesta vegada, l'equip de MODELmaniak (un grup de modelistes experimentats afiliats al grup de tallers de model de Kopernik a Wrocław) es va enfrontar al repte amigable de dissenyar des de zero una plataforma de mesura flotant encara millor adaptada a les condicions de grava. pedrera, ampliable a una versió autònoma, donant més espai per respirar a l'operador.

Va començar amb la personalització...

Aquest problema ens vam trobar per primera vegada quan ens van preguntar fa uns anys sobre la possibilitat d'introduir unitats i adaptació al radiocontrol arrastrat batimètric (és a dir, una plataforma de mesura que s'utilitza per mesurar la profunditat de les masses d'aigua).

1. La primera versió de la plataforma de mesura, només adaptada a la versió RC

2. Els accionaments del primer hydrodrone eren inversors d'aquari lleugerament modificats, i funcionaven força bé, tot i que definitivament no tenien "resistència de construcció".

La tasca de simulació va ser dissenyar i fabricar actuadors per a flotadors prefabricats de PE modelat per bufat (RSBM - similar a les ampolles de PET). Després d'analitzar les condicions de funcionament i les opcions disponibles, vam triar una solució força inusual i, sense interferir amb els cascs per sota de la línia de flotació, vam instal·lar inversors-circuladors d'aquari com a accionaments amb la capacitat afegida de girar 360 ​​° i aixecar (per exemple, , quan toca un obstacle o durant el transport) ). Aquesta solució, recolzada addicionalment per un sistema de control i subministrament d'alimentació independent, permetia el control i retorn a l'operador fins i tot en cas d'avaria d'un dels trams (dreta o esquerra). Les solucions van tenir tant èxit que el catamarà encara està en funcionament.

3. Quan preparem el nostre propi projecte, vam analitzar en detall (sovint personalment!) Moltes solucions similars: en aquesta il·lustració, alemany ...

4... aquí hi ha un americà (i unes quantes desenes més). Vam rebutjar els cascs individuals com a menys versàtils i les unitats que sobresurten per sota del fons com a potencialment problemàtics en el funcionament i el transport.

Tanmateix, el desavantatge era la sensibilitat dels discos a la contaminació de l'aigua. Encara que es pot treure ràpidament la sorra del rotor després d'una natació d'emergència fins a la costa, cal anar amb compte amb aquest aspecte en llançar i nedar a prop del fons. Perquè, però, inclou l'ampliació de les capacitats de mesura, i també s'ha ampliat durant aquest temps. abast de l'hydrodrone (als rius) el nostre amic va mostrar interès per una nova versió de desenvolupament de la plataforma especialment dissenyada per a aquest propòsit. Vam assumir aquest repte, d'acord amb el perfil didàctic dels nostres estudis i alhora donant l'oportunitat de provar les solucions desenvolupades a la pràctica!

5. Les maletes modulars de plegat ràpid van ser molt inspiradores per la seva versatilitat i facilitat de transport 3 (foto: materials del fabricant)

Gerris USV - dades tècniques:

• Llarg/amplada/alçada 1200/1000/320 mm

• Construcció: compost de vidre epoxi, marc de connexió d'alumini.

• Desplaçament: 30 kg, inclosa la capacitat de càrrega: no menys de 15 kg

• Accionament: 4 motors BLDC (refrigerats per aigua)

• Tensió d'alimentació: 9,0 V… 12,6 V

• Velocitat: treball: 1 m/s; màxim: 2 m/s

• Temps de funcionament amb una sola càrrega: fins a 8 hores (amb dues bateries de 70 Ah)

• Web del projecte: https://www.facebook.com/GerrisUSV/

Els exercicis van continuar, és a dir, hipòtesis per a un nou projecte

Els principis rectors que ens vam establir a l'hora de desenvolupar la nostra pròpia versió van ser els següents:

• doble carcassa (com en la primera versió, garantint la màxima estabilitat necessària per obtenir mesures precises amb una ecosonda);
• sistemes d'accionament, potència i control redundants;
• desplaçament, permetent la instal·lació d'equips a bord de pes min. 15 kg;
• fàcil desmuntatge per al transport i vehicles addicionals;
• dimensions que permeten el transport en un cotxe de passatgers normal, fins i tot muntat;
• protegides de danys i contaminació, unitats duplicades al bypass del cos;
• universalitat de la plataforma (la capacitat d'utilitzar-la en altres aplicacions);
• la possibilitat d'actualitzar a una versió independent.

6. La versió original del nostre projecte implicava la divisió modular en seccions construïdes amb diferents tecnologies, que, tanmateix, podien muntar-se amb la mateixa facilitat com els blocs populars i rebre diversos usos: des de models de rescat radiocontrolat, passant per plataformes USV, fins a pedals elèctrics.

Disseny vs tecnologia, és a dir, aprendre dels errors (o fins a tres vegades més que l'art)

Al principi, per descomptat, hi havia estudis: es va dedicar molt de temps a buscar a Internet dissenys, solucions i tecnologies similars. Ens van inspirar molt hidrodrònia diverses aplicacions, així com caiacs modulars i petites embarcacions de passatgers per a auto-muntatge. Entre els primers, vam trobar la confirmació del valor de la disposició de doble casc de la unitat (però en gairebé totes les hèlixs estaven situades sota el fons marí; la majoria d'elles estaven dissenyades per funcionar en aigües més netes). Solucions modulars Els caiacs industrials ens van impulsar a considerar dividir el casc del model (i el treball del taller) en peces més petites. Així, es va crear la primera versió del projecte.

7. Gràcies a l'editor Jakobsche, es van crear ràpidament les opcions de disseny 3D posteriors, necessàries per a la implementació en la tecnologia d'impressió de filaments (els dos primers i els dos últims segments del cos són el resultat de les limitacions d'espai d'impressió de les impressores propietat).

Inicialment, vam adoptar la tecnologia mixta. En el primer prototip, les seccions de proa i popa havien d'estar fetes amb el material més resistent que hem pogut trobar (acrilonitril-estirè-acrilat - per abreviar ASA).

8. Amb la precisió i repetibilitat esperades de les connexions dels mòduls, les parts mitjanes (mig metre de llarg, eventualment també un metre) requerien un equipament adequat.

9. El nostre tecnòleg de plàstics superior va fer una sèrie de mòduls de prova abans d'imprimir el primer element ASA extrem.

Finalment, després de la prova de concepte, per tal de realitzar casos posteriors més ràpidament, també ens vam plantejar utilitzar les impressions com a peülles per crear motlles per a la laminació. Els mòduls intermedis (de 50 o 100 cm de llarg) s'havien d'enganxar a partir de plaques de plàstic, per la qual cosa el nostre veritable pilot i especialista en tecnologia de plàstics - Krzysztof Schmit (conegut pels lectors de "At the Workshop", inclòs com a coautor ( MT 10 / 2007) o màquina-amfibi-martell radiocontrolat (MT 7/2008).

10. La impressió dels mòduls finals portava un temps perillosament llarg, així que vam començar a crear plantilles de cos positives, aquí en la versió clàssica amb rebaixes.

11. El revestiment de fusta contraxapada requerirà una mica de massilla i pintura final, però, com va resultar, aquesta era una bona protecció en cas d'una possible fallada de la brigada de navegació ...

Disseny 3D del nou model per a imprimir, editat per Bartłomiej Jakobsche (una sèrie dels seus articles sobre projectes electrònics 9D es poden trobar als números de "Młodego Technika" del 2018/2–2020/XNUMX). Aviat vam començar a imprimir els primers elements del fuselatge, però aleshores van començar els primers passos... La impressió amb precisió i precisió va trigar molt més temps del que esperàvem, i hi va haver defectes costosos com a resultat de l'ús d'un material molt més resistent del que és habitual...

12. …que va fer una peülla similar amb el cos d'escuma XPS i la tecnologia CNC.

13. També s'havia de netejar el nucli d'escuma.

Amb la data d'acceptació que s'acostava alarmantment ràpid, vam decidir allunyar-nos del disseny modular i Impressió 3D per a una tecnologia de laminat dur i més coneguda - i vam començar a treballar en dos equips en paral·lel sobre diferents tipus de patrons positius (peülles) cos: tradicional (construcció i fusta contraxapada) i escuma (utilitzant un gran router CNC). En aquesta cursa, l'"equip de noves tecnologies" dirigit per Rafal Kowalczyk (per cert, un reproductor multimèdia en competicions nacionals i mundials per a constructors de maquetes radiocontrolades, inclòs el coautor del descrit "On the Workshop" 6/ 2018) va obtenir un avantatge.

14. ... sigui adequat per fer una matriu negativa ...

15. …on aviat es van fer les primeres impressions flotants de vidre epoxi. Es va utilitzar una capa de gel, que es veu clarament a l'aigua (com que ja havíem abandonat els mòduls, no hi havia cap motiu per interferir en el treball amb decoracions de dos colors).

Per tant, el treball posterior del taller va seguir el tercer camí de disseny de Rafal: començant des de la creació de formes positives, després de negatives -a través de les empremtes de les caixes de vidre epoxi- fins a plataformes IVDS ja fetes (): primer, un prototip totalment equipat. , i posteriorment, còpies encara més avançades de la primera sèrie. Aquí, la forma i els detalls del casc es van adaptar a aquesta tecnologia; aviat la tercera versió del projecte va rebre un nom únic del seu líder.

16. L'assumpció d'aquest projecte educatiu va ser l'ús d'equips de modelatge disponibles públicament -però això no vol dir que de seguida tinguéssim una idea per a cada element -al contrari, avui és difícil comptar quantes configuracions es van provar- i la millora del disseny no va acabar aquí.

17. Aquesta és la més petita de les bateries utilitzades: permeten que la plataforma funcioni durant quatre hores sota càrrega de treball. També hi ha l'opció de doblar la capacitat -afortunadament, les escotilles de servei i una major flotabilitat permeten molt.

Gerris USV és un nen animat i treballador (i amb la seva ment!)

Garris aquest és el nom genèric llatí dels cavalls: probablement insectes coneguts, probablement corren per l'aigua amb extremitats molt espaciades.

Cascs d'hidrodrone objectiu Fabricat amb laminat de vidre epoxi multicapa, prou resistent per a les dures condicions de sorra/gravesa del treball previst. Estaven connectats per un bastidor d'alumini ràpidament desmuntat amb bigues lliscants (per facilitar l'ajust del corrent d'aire) per al muntatge d'instruments de mesura (sonda, GPS, ordinador de bord, etc.). Les comoditats addicionals en el transport i l'ús es cobreixen als esquemas de casos. discs (dos per carrossa). Els motors duals també signifiquen hèlixs més petites i més fiabilitat, alhora que poden utilitzar encara més simulacions que els motors industrials.

18. Una ullada al saló amb motors i caixa elèctrica. El tub de silicona visible forma part del sistema de refrigeració d'aigua.

19. Per a les primeres proves d'aigua, vam ponderar els bucs perquè el catamarà es comportés adequadament a les condicions de l'obra prevista, però ja sabíem que la plataforma podia fer-ho!

En versions posteriors, vam provar diversos sistemes de propulsió, augmentant gradualment la seva eficiència i potència; per tant, les versions posteriors de la plataforma (a diferència del primer catamarà de fa molts anys) amb un marge de velocitat segur també fan front al cabal de cada riu polonès.

20. Conjunt bàsic: amb un sonar (encara no connectat aquí). Les dues bigues de muntatge ordenades per l'usuari també permeten duplicar els dispositius de mesura i així augmentar la fiabilitat de les mesures en si.

21. L'entorn de treball sol ser de grava amb aigua molt tèrbol.

Atès que la unitat està dissenyada per funcionar de 4 a 8 hores contínues, amb una capacitat de 34,8 Ah (o 70 Ah en la següent versió), una en cadascun dels casos. Amb un temps de funcionament tan llarg, és obvi que cal refredar els motors trifàsics i els seus controladors. Això es fa mitjançant un circuit d'aigua de modelatge típic extret de darrere de les hèlixs (una bomba d'aigua addicional va resultar innecessària). Una altra protecció contra possibles avaries provocades per la temperatura a l'interior dels flotadors és la lectura telemètrica dels paràmetres al tauler de control de l'operador (és a dir, un transmissor típic de les simulacions modernes). Periòdicament, en particular, es diagnostiquen les velocitats del motor, la seva temperatura, la temperatura dels reguladors, la tensió de les bateries d'alimentació, etc.

22. Aquest no és el lloc per a models retallats elegants!

23. El següent pas en el desenvolupament d'aquest projecte va ser la incorporació de Sistemes de Control Autònom. Després de traçar un embassament (en un mapa de Google o manualment, segons el flux al voltant de la unitat de contorn de l'embassament mesurat), l'ordinador recalcula la ruta segons els paràmetres estimats i després d'encendre el pilot automàtic amb un interruptor, l'operador pot còmodament seure a observar el funcionament de l'aparell amb un refresc a la mà...

La tasca principal de tot el complex és mesurar i guardar en un programa geodèsic separat els resultats de les mesures de profunditat de l'aigua, que s'utilitzen posteriorment per determinar la capacitat total interpolada del dipòsit (i així, per exemple, per comprovar la quantitat de grava seleccionada des de l'última mesura). Aquestes mesures es poden fer mitjançant el control manual de l'embarcació (idèntica a un model flotant controlat a distància convencional) o bé mitjançant el funcionament totalment automàtic d'un interruptor. A continuació, les lectures actuals del sonar en termes de profunditat i velocitat de moviment, l'estat de la missió o la ubicació de l'objecte (des d'un receptor GPS RTK extremadament precís, posicionat amb una precisió de 5 mm) es transmeten a l'operador de manera continuada. en funció del despatxador i de l'aplicació de control (també pot establir els paràmetres de la missió planificada).

Versions pràctiques de l'examen i desenvolupament

descrit hydrodron Ha superat amb èxit una sèrie de proves en diverses condicions, habitualment de treball, i fa més d'un any que presta servei a l'usuari final, "llaurant" minuciosament nous embassaments.

L'èxit del prototip i l'experiència acumulada van portar al naixement de noves unitats encara més avançades d'aquesta unitat. La versatilitat de la plataforma permet utilitzar-la no només en aplicacions geodèsiques, sinó també, per exemple, en projectes d'estudiants i moltes altres tasques.

Crec que gràcies a les decisions reeixides i a la diligència i el talent del director del projecte, aviat n'hi haurà gerris boats, després de convertir-se en un projecte comercial, competiran amb les solucions americanes que s'ofereixen a Polònia, moltes vegades més cares en compra i manteniment.

Si esteu interessats en els detalls no tractats aquí i la informació més recent sobre el desenvolupament d'aquesta interessant estructura, visiteu el lloc web del projecte: GerrisUSV a Facebook o tradicionalment: MODElmaniak.PL.

Animo a tots els lectors a reunir el seu talent per crear projectes innovadors i gratificants junts, independentment del (conegut!) "Aquí no paga res". Confiança en un mateix, optimisme i bona cooperació per a tots nosaltres!