Gerris USV - hydrodron od podstaw!

Dziś „W warsztacie” jest o nieco większym projekcie – czyli o statku bezzałogowym służącym np. do pomiarów batymetrycznych. O naszym pierwszym katamaranie, przystosowanym do wersji sterowanej radiowo, można przeczytać w 6. numerze „Młody Technik” na rok 2015. Tym razem zespół MODELmaniak (grupa doświadczonych modelarzy zrzeszonych w Grupie Warsztatów Modelarskich Kopernik we Wrocławiu) stanął przed przyjaznym wyzwaniem zaprojektowania od podstaw pływającej platformy pomiarowej jeszcze lepiej dostosowanej do szutrowych warunków. kamieniołomu, z możliwością rozbudowy do wersji wolnostojącej, dając operatorowi więcej miejsca do oddychania.

Rozpoczęto od dostosowywania...

Po raz pierwszy napotkaliśmy ten problem, gdy kilka lat temu zapytano nas o możliwość wprowadzenia napędów i przystosowanie do sterowania radiowego batymetryczne przyczepiane (tj. platforma pomiarowa służąca do pomiaru głębokości zbiorników wodnych).

1. Pierwsza wersja platformy pomiarowej, dostosowana tylko do wersji RC

2. Napędy pierwszego hydrodrona były nieco zmodyfikowanymi falownikami akwarystycznymi - i działały całkiem dobrze, choć zdecydowanie nie miały „oporów konstrukcyjnych”.

Zadaniem symulacyjnym było zaprojektowanie i wyprodukowanie siłowników do prefabrykowanych pływaków z PE formowanych z rozciąganiem i rozdmuchiwaniem (RSBM – podobnych do butelek PET). Po przeanalizowaniu warunków pracy i dostępnych opcji wybraliśmy dość nietypowe rozwiązanie - i nie ingerując w kadłuby poniżej linii wodnej zamontowaliśmy jako napędy cyrkulatory-falowniki akwariowe z dodaną możliwością obrotu o 360° i podnoszenia (np. , po uderzeniu w przeszkodę lub podczas transportu) ) . Rozwiązanie to, dodatkowo wsparte oddzielnym układem sterowania i zasilania, pozwoliło na sterowanie i powrót do operatora nawet w przypadku awarii jednej z sekcji (prawej lub lewej). Rozwiązania okazały się na tyle skuteczne, że katamaran nadal działa.

3. Przygotowując własny projekt szczegółowo przeanalizowaliśmy (często osobiście!) wiele podobnych rozwiązań – na tej ilustracji niemieckie…

4.…oto Amerykanin (i jeszcze kilkadziesiąt). Odrzuciliśmy pojedyncze kadłuby jako mniej uniwersalne, a napędy wystające poniżej dna jako potencjalnie problematyczne w eksploatacji i transporcie.

Wadą okazała się jednak wrażliwość dysków na zanieczyszczenie wody. Chociaż możesz szybko usunąć piasek z rotora po awaryjnym dopłynięciu do brzegu, musisz uważać na ten aspekt podczas wodowania i pływania blisko dna. Ponieważ jednak obejmuje rozszerzenie możliwości pomiarowych, a także rozszerzyło się w tym czasie. zakres hydrodronu (na rzekach) nasz znajomy wykazał zainteresowanie nową wersją rozwojową platformy specjalnie zaprojektowanej do tego celu. Podjęliśmy to wyzwanie – zgodnie z profilem dydaktycznym naszych pracowni i jednocześnie dając możliwość sprawdzenia wypracowanych rozwiązań w praktyce!

5. Szybkoskładane skrzynie modułowe bardzo inspirowały swoją uniwersalnością i łatwością transportu 3 (fot. materiały producenta)

Gerris USV - dane techniczne:

• Długość/szerokość/wysokość 1200/1000/320 mm

• Konstrukcja: kompozyt epoksydowo-szklany, aluminiowa rama łącząca.

• Wyporność: 30 kg, w tym nośność: nie mniej niż 15 kg

• Napęd: 4 silniki BLDC (chłodzone wodą)

• Napięcie zasilania: 9,0 V… 12,6 V

• Prędkość: robocza: 1 m/s; maksymalna: 2 m/s

• Czas pracy na jednym ładowaniu: do 8 godzin (z dwoma akumulatorami 70 Ah)

• Strona projektu: https://www.facebook.com/GerrisUSV/

Ćwiczenia ciąg dalszy - czyli założenia do nowego projektu

Przy tworzeniu własnej wersji wyznaczyliśmy sobie następujące zasady przewodnie:

• dwukadłubowy (jak w pierwszej wersji, gwarantujący największą stabilność niezbędną do uzyskania dokładnych pomiarów echosondą);
• redundantne układy napędowe, zasilania i sterowania;
• wyporność, pozwalająca na montaż wyposażenia pokładowego o wadze min. 15 kg;
• łatwy demontaż do transportu i dodatkowych pojazdów;
• wymiary umożliwiające transport zwykłym samochodem osobowym, nawet po zmontowaniu;
• zabezpieczone przed uszkodzeniem i zanieczyszczeniem, zduplikowane napędy w obejściu nadwozia;
• uniwersalność platformy (możliwość wykorzystania w innych aplikacjach);
• możliwość uaktualnienia do wersji samodzielnej.

6. Pierwotna wersja naszego projektu zakładała podział modułowy na sekcje zbudowane w różnych technologiach, które jednak można było składać równie łatwo jak popularne klocki i mieć różne zastosowania: od modeli ratowniczych sterowanych radiowo, przez platformy USV, po elektryczne rowery wodne

Design vs technologia, czyli uczenie się na błędach (lub nawet trzy razy więcej niż sztuka)

Na początku były oczywiście studia - dużo czasu poświęcono na przeszukiwanie Internetu w poszukiwaniu podobnych projektów, rozwiązań i technologii. Tak bardzo nas zainspirowali hydrodroniu do różnych zastosowań, a także kajaki modułowe i małe łodzie pasażerskie do samodzielnego montażu. Wśród pierwszych znaleźliśmy potwierdzenie wartości dwukadłubowego układu jednostki (ale prawie we wszystkich śmigła znajdowały się pod dnem - większość z nich została zaprojektowana do pracy w czystszych wodach). Rozwiązania modułowe Kajaki przemysłowe skłoniły nas do rozważenia podzielenia modelu kadłuba (i pracy warsztatowej) na mniejsze części. W ten sposób powstała pierwsza wersja projektu.

7. Dzięki edytorowi Jakobsche szybko powstały kolejne opcje projektowania 3D – niezbędne do wdrożenia w technologii druku filamentowego (dwa pierwsze i dwa ostatnie segmenty korpusu wynikają z ograniczeń powierzchniowych posiadanych drukarek).

Początkowo przyjęliśmy technologię mieszaną. W pierwszym prototypie sekcje dziobowe i rufowe musiały być wykonane z najmocniejszego materiału, jaki udało nam się znaleźć (akrylonitryl-styren-akrylan - w skrócie ASA).

8. Przy oczekiwanej dokładności i powtarzalności połączeń modułów części środkowe (długość pół metra, ewentualnie również jeden metr) wymagały odpowiedniego wyposażenia.

9. Nasz czołowy technolog tworzyw sztucznych wykonał serię modułów testowych przed wydrukowaniem pierwszego ekstremalnego elementu ASA.

Ostatecznie, po sprawdzeniu koncepcji, w celu szybszej realizacji kolejnych przypadków, rozważaliśmy również wykorzystanie odcisków jako kopyt do wykonania form do laminacji. Moduły środkowe (o długości 50 lub 100 cm) trzeba było skleić z plastikowych płyt – o co zadbał nasz prawdziwy pilot i specjalista od technologii tworzyw sztucznych – Krzysztof Schmit (znany czytelnikom „Na warsztacie”, m.in. jako współautor ( MT 10/2007) lub sterowana radiowo maszyna-płaz-młot (MT 7/2008).

10. Drukowanie modułów końcowych trwało niebezpiecznie długo, więc zaczęliśmy tworzyć pozytywowe szablony korpusów - tutaj w wersji klasycznej, z przylgą.

11. Poszycie ze sklejki będzie wymagało szpachlowania i ostatecznego malowania - ale jak się okazało było to dobre zabezpieczenie na wypadek ewentualnej awarii brygady nawigacyjnej...

Projekt 3D nowego modelu do druku pod red. Bartłomieja Jakobsche (seria jego artykułów na temat projektów elektronicznych 9D znajduje się w numerach „Młodego Technika” z dn. 2018–2). Wkrótce zabraliśmy się za drukowanie pierwszych elementów kadłuba - ale potem zaczęły się pierwsze kroki... Precyzyjnie dokładny wydruk trwał niejednoznacznie dłużej niż się spodziewaliśmy, a do tego pojawiły się kosztowne wady wynikające z zastosowania znacznie mocniejszego niż zwykle materiału...

12. …który wykonał podobne kopyto z pianki XPS i technologii CNC.

13. Rdzeń piankowy również musiał zostać oczyszczony.

Ponieważ termin akceptacji zbliżał się niepokojąco szybko, postanowiliśmy odejść od modułowej konstrukcji i Druk 3D w twardej i lepiej znanej technologii laminowania - i zaczęliśmy pracować w dwóch zespołach równolegle nad różnymi typami pozytywnych wzorców (kopyt) obudowa: tradycyjna (konstrukcyjna i sklejkowa) oraz piankowa (przy użyciu dużej frezarki CNC). W tym wyścigu „drużyna nowych technologii” kierowana przez Rafała Kowalczyka (swoją drogą odtwarzacz multimedialny w ogólnopolskich i światowych zawodach dla konstruktorów modeli sterowanych radiem – w tym współautor opisywanego „Na warsztacie” 6/ 2018) zyskał przewagę.

14. ...nadaje się do wykonania matrycy ujemnej ...

15. …gdzie wkrótce powstały pierwsze nadruki typu float na szkle epoksydowym. Zastosowano jeden żelkot, co wyraźnie widać na wodzie (ponieważ zrezygnowaliśmy już z modułów, nie było powodu, aby przeszkadzać w pracy przy dwukolorowych zdobieniach).

Dlatego dalsza praca warsztatu podążała trzecią drogą projektową Rafała: począwszy od tworzenia form pozytywowych, następnie negatywowych - poprzez odciski gablot epoksydowo-szklanych - aż po gotowe platformy IVDS (): najpierw w pełni wyposażony prototyp , a potem kolejne, jeszcze bardziej zaawansowane egzemplarze pierwszej serii. Tu do tej technologii dostosowano kształt i detale kadłuba – wkrótce trzecia wersja projektu otrzymała od swojego lidera unikalną nazwę.

16. Założeniem tego projektu edukacyjnego było wykorzystanie publicznie dostępnego, modelarskiego sprzętu – nie oznacza to jednak, że od razu mieliśmy pomysł na każdy element – ​​wręcz przeciwnie, dziś trudno policzyć, ile wypróbowano konfiguracji – i ulepszenia projektu na tym się nie skończyły.

17. To najmniejszy z zastosowanych akumulatorów - pozwalają one pracować pod obciążeniem przez cztery godziny. Jest też opcja podwojenia pojemności – na szczęście luki serwisowe i większa wyporność pozwalają na wiele.

Gerris USV to energiczny, pracujący dzieciak (i ​​umysłem!)

Garris to łacińska nazwa rodzajowa koni - prawdopodobnie dobrze znanych owadów, prawdopodobnie pędzących przez wodę na szeroko rozstawionych kończynach.

Docelowe kadłuby hydrodronów Wykonany z wielowarstwowego laminatu epoksydowo-szklanego – wystarczająco mocnego, aby sprostać trudnym piaskowo-żwirowym warunkom zamierzonej pracy. Połączono je szybko demontowaną aluminiową ramą z przesuwanymi (ułatwiającymi ustawienie zanurzenia) belkami do mocowania przyrządów pomiarowych (echosonda, GPS, komputer pokładowy itp.). Dodatkowe udogodnienia w transporcie i użytkowaniu opisane są w rysunkach walizek. dyski (dwa na pływak). Podwójne silniki oznaczają również mniejsze śmigła i większą niezawodność, a jednocześnie umożliwiają korzystanie z jeszcze większej liczby symulacji niż silniki przemysłowe.

18. Spojrzenie na salon z silnikami i skrzynką elektryczną. Widoczna silikonowa rurka jest częścią systemu chłodzenia wodą.

19. Na pierwsze próby wodne wyważyliśmy kadłuby, aby katamaran zachowywał się adekwatnie do warunków zamierzonej pracy - ale już wiedzieliśmy, że platforma sobie z tym poradzi!

W kolejnych wersjach testowaliśmy różne układy napędowe, stopniowo zwiększając ich wydajność i moc – dlatego kolejne wersje platformy (w przeciwieństwie do pierwszego katamaranu sprzed wielu lat) z bezpiecznym zapasem prędkości radzą sobie również z nurtem każdej polskiej rzeki.

20. Zestaw podstawowy - z jednym (tu jeszcze nie podłączonym) sonarem. Dwie zamawiane przez użytkownika belki montażowe umożliwiają również powielanie urządzeń pomiarowych, a tym samym zwiększają niezawodność samych pomiarów.

21. Środowisko pracy to zazwyczaj żwir z bardzo mętną wodą.

Ponieważ jednostka jest przystosowana do pracy ciągłej od 4 do 8 godzin, przy pojemności 34,8 Ah (lub 70 Ah w kolejnej wersji) - po jednej w każdym z przypadków. Przy tak długim czasie pracy oczywiste jest, że silniki trójfazowe i ich sterowniki wymagają chłodzenia. Odbywa się to za pomocą typowego modelarskiego obiegu wody pobieranego zza śmigieł (dodatkowa pompa wody okazała się zbędna). Kolejnym zabezpieczeniem przed ewentualną awarią spowodowaną temperaturą wewnątrz pływaków jest telemetryczny odczyt parametrów na panelu operatora (czyli typowym dla współczesnych symulacji przekaźniku). Na bieżąco diagnozowane są w szczególności obroty silnika, ich temperatura, temperatura regulatorów, napięcie akumulatorów zasilających itp.

22. To nie jest miejsce dla eleganckich, przyciętych modeli!

23. Kolejnym krokiem w rozwoju tego projektu było dodanie Autonomicznych Systemów Sterowania. Po prześledzeniu zbiornika (na mapie Google lub ręcznie - według opływu jednostki konturu mierzonego zbiornika) komputer przelicza trasę według oszacowanych parametrów i po włączeniu autopilota jednym przełącznikiem operator może wygodnie usiąść i obserwować działanie urządzenia z napojem w dłoni...

Głównym zadaniem całego kompleksu jest zmierzenie i zapisanie w osobnym programie geodezyjnym wyników pomiarów głębokości wody, które następnie służą do określenia interpolowanej całkowitej pojemności zbiornika (a tym samym np. do sprawdzenia ilości wyselekcjonowanego żwiru, ponieważ ostatni pomiar). Pomiary te mogą być dokonywane poprzez ręczne sterowanie łodzią (identyczne jak w przypadku konwencjonalnego zdalnie sterowanego modelu pływającego) lub poprzez w pełni automatyczną obsługę przełącznika. Następnie aktualne odczyty sonaru w zakresie głębokości i prędkości ruchu, stanu misji czy lokalizacji obiektu (z niezwykle dokładnego odbiornika GPS RTK, ustawionego z dokładnością do 5 mm) są na bieżąco przesyłane do operatora. podstawie przez dyspozytora i aplikację kontrolną (może również ustawić parametry planowanej misji).

Ćwicz wersje egzaminu i rozwoju

opisane hydrodron Z powodzeniem przeszedł szereg testów w różnych, typowo roboczych warunkach, i służy użytkownikowi końcowemu od ponad roku, mozolnie „orując” nowe zbiorniki.

Sukces prototypu i zgromadzone doświadczenie doprowadziły do ​​narodzin nowych, jeszcze bardziej zaawansowanych jednostek tej jednostki. Uniwersalność platformy pozwala na wykorzystanie jej nie tylko w zastosowaniach geodezyjnych, ale także np. w projektach studenckich i wielu innych zadaniach.

Wierzę, że dzięki trafnym decyzjom oraz pracowitości i talentowi kierownika projektu niedługo będzie łodzie gerrisowe, po przekształceniu w projekt komercyjny, będą konkurować z amerykańskimi rozwiązaniami oferowanymi w Polsce, wielokrotnie droższymi w zakupie i utrzymaniu.

Wszystkich zainteresowanych nieopisanymi tutaj szczegółami oraz najnowszymi informacjami na temat rozwoju tej interesującej konstrukcji zapraszamy na stronę projektu: GerrisUSV na Facebooku lub tradycyjnie: MODElmaniak.PL.

Zachęcam wszystkich czytelników do łączenia swoich talentów w celu wspólnego tworzenia innowacyjnych i satysfakcjonujących projektów – niezależnie od (znajomego!) „Tu nic nie popłaca”. Pewność siebie, optymizm i dobra współpraca dla nas wszystkich!