Gerris USV - hidrodrone do zero!

Hoje, "Na Oficina" é sobre um projeto um pouco maior - ou seja, sobre uma embarcação não tripulada usada, por exemplo, para medições batimétricas. Você pode ler sobre o nosso primeiro catamarã, adaptado para a versão rádio-controlada, na 6ª edição do "Jovem Técnico" de 2015. Desta vez, a equipe MODELmaniak (um grupo de modeladores experientes afiliados ao Kopernik Model Workshops Group em Wrocław) enfrentou o desafio amigável de projetar do zero uma plataforma de medição flutuante ainda melhor adaptada às condições do cascalho. pedreira, expansível para uma versão autônoma, dando ao operador mais espaço para respirar.

Começou com a customização...

Encontramos este problema pela primeira vez quando nos perguntaram há alguns anos sobre a possibilidade de introduzir atuadores e adaptação ao rádio controle rebocado batimétrico (ou seja, uma plataforma de medição utilizada para medir a profundidade de massas de água).

1. A primeira versão da plataforma de medição, apenas adaptada à versão RC

2. Os acionamentos do primeiro hidrodrone eram inversores de aquário ligeiramente modificados - e funcionavam muito bem, embora definitivamente não tivessem “resistência de construção”.

A tarefa de simulação foi projetar e fabricar atuadores para flutuadores pré-fabricados PE moldados por sopro (RSBM – semelhante a garrafas PET). Depois de analisar as condições de operação e as opções disponíveis, optamos por uma solução bastante inusitada - e, sem interferir nos cascos abaixo da linha d'água, instalamos circuladores-inversores de aquário como acionamentos com capacidade adicional de girar 360° e levantar (por exemplo , quando um obstáculo bate ou durante o transporte) ). Esta solução, suportada adicionalmente por um sistema separado de controlo e alimentação, permitia o controlo e retorno ao operador mesmo em caso de avaria de um dos troços (direito ou esquerdo). As soluções deram tão certo que o catamarã ainda está em operação.

3. Ao preparar nosso próprio projeto, analisamos em detalhes (muitas vezes pessoalmente!) Muitas soluções semelhantes - nesta ilustração, alemão ...

4.…aqui está um americano (e mais algumas dezenas). Rejeitamos os cascos simples como menos versáteis e os acionamentos salientes abaixo do fundo como potencialmente problemáticos na operação e no transporte.

No entanto, a desvantagem foi a sensibilidade dos discos à poluição da água. Embora você possa remover rapidamente a areia do rotor após um mergulho de emergência até a costa, é preciso ter cuidado com esse aspecto ao lançar e nadar perto do fundo. Porque inclui, no entanto, a expansão das capacidades de medição e também se expandiu ao longo desse tempo. escopo do hidrodrone (nos rios) nosso amigo mostrou interesse em uma nova versão de desenvolvimento da plataforma especialmente desenhada para este fim. Assumimos este desafio - de acordo com o perfil didáctico dos nossos estúdios e ao mesmo tempo dando oportunidade de testar na prática as soluções desenvolvidas!

5. As malas modulares de dobragem rápida foram muito inspiradoras pela sua versatilidade e facilidade de transporte 3 (foto: materiais do fabricante)

Gerris USV - dados técnicos:

• Comprimento/largura/altura 1200/1000/320 mm

• Construção: composto de vidro epóxi, moldura de ligação em alumínio.

• Deslocamento: 30 kg, incluindo capacidade de carga: não inferior a 15 kg

• Acionamento: 4 motores BLDC (refrigerados a água)

• Tensão de alimentação: 9,0 V… 12,6 V

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

• Tempo de operação com uma única carga: até 8 horas (com duas baterias de 70 Ah)

• Site do projeto: https://www.facebook.com/GerrisUSV/

Os exercícios continuaram - ou seja, premissas para um novo projeto

Os princípios orientadores que estabelecemos para nós mesmos ao desenvolver nossa própria versão foram os seguintes:

• concha dupla (como na primeira versão, garantindo a maior estabilidade necessária para obter medições precisas com uma sonda);
• sistemas redundantes de acionamento, energia e controle;
• deslocamento, permitindo a instalação de equipamentos de bordo pesando min. 15kg;
• fácil desmontagem para transporte e veículos adicionais;
• dimensões que permitem o transporte em um carro de passeio comum, mesmo montado;
• protegido contra danos e contaminação, acionamentos duplicados no desvio do corpo;
• universalidade da plataforma (a capacidade de usá-la em outros aplicativos);
• a capacidade de atualizar para uma versão independente.

6. A versão original do nosso projeto envolvia a divisão modular em seções construídas com diferentes tecnologias, que, no entanto, podiam ser montadas tão facilmente quanto blocos populares e receber vários usos: desde modelos de resgate controlados por rádio, passando por plataformas USV, até pedalinhos elétricos

Design versus tecnologia, ou seja, aprender com os erros (ou até três vezes mais do que a arte)

No início houve, é claro, estudos - muito tempo foi gasto pesquisando na Internet projetos, soluções e tecnologias semelhantes. Eles nos inspiraram muito hidrodrônio diversas aplicações, bem como caiaques modulares e pequenos barcos de passageiros para automontagem. Entre as primeiras encontramos a confirmação do valor do layout de casco duplo da unidade (mas em quase todas as hélices estavam localizadas sob o fundo do mar - a maioria delas foi projetada para trabalhar em águas mais limpas). Soluções modulares caiaques industriais nos levaram a considerar a divisão do casco modelo (e trabalho de oficina) em pedaços menores. Assim, foi criada a primeira versão do projeto.

7. Graças ao editor Jakobsche, as opções de design 3D subsequentes foram criadas rapidamente - necessárias para implementação na tecnologia de impressão de filamentos (os dois primeiros e os dois últimos segmentos do corpo são o resultado das limitações de espaço de impressão das impressoras possuídas).

Inicialmente, adotamos tecnologia mista. No primeiro protótipo, as seções de proa e popa tinham que ser feitas do material mais forte que pudéssemos encontrar (acrilonitrila-estireno-acrilato - ASA para abreviar).

8. Com a precisão e repetibilidade esperadas das conexões dos módulos, as partes intermediárias (meio metro de comprimento, eventualmente também um metro) exigiam equipamentos apropriados.

9. Nosso top tecnólogo de plásticos fez uma série de módulos de teste antes que o primeiro elemento ASA extremo fosse impresso.

Por fim, após a prova de conceito, a fim de realizar os casos subsequentes mais rapidamente, também consideramos usar impressões como cascos para criar moldes para laminação. Os módulos do meio (50 ou 100 cm de comprimento) tiveram que ser colados a partir de placas de plástico - para o qual nosso verdadeiro piloto e especialista em tecnologia de plásticos - Krzysztof Schmit (conhecido pelos leitores de "At the Workshop", inclusive como co-autor ( MT 10/2007) ou máquina-martelo-anfíbio rádio-controlada (MT 7/2008).

10. A impressão dos módulos finais estava demorando perigosamente, então começamos a criar modelos de carroceria positivos - aqui na versão clássica, rebatida.

11. O revestimento de compensado exigirá um pouco de massa e pintura final - mas, como se viu, foi uma boa proteção em caso de possível falha da brigada de navegação ...

Projeto 3D do novo modelo para impressão, editado por Bartłomiej Jakobsche (uma série de seus artigos sobre projetos eletrônicos 9D pode ser encontrada nas edições de "Młodego Technika" datadas de 2018/2–2020/XNUMX). Logo começamos a imprimir os primeiros elementos da fuselagem - mas então começaram os primeiros passos ... A impressão com precisão demorou ambiguamente mais do que esperávamos e houve defeitos caros resultantes do uso de material muito mais resistente do que o normal ...

12. …que fez um casco semelhante com o corpo de espuma XPS e a tecnologia CNC.

13. O núcleo de espuma também teve que ser limpo.

Com a data de aceitação se aproximando assustadoramente rápido, decidimos nos afastar do design modular e Impressão 3D para tecnologia de laminado duro e mais conhecida - e começamos a trabalhar em duas equipes em paralelo em diferentes tipos de padrões positivos (cascos) carcaça: tradicional (construção e compensado) e espuma (usando um grande roteador CNC). Nesta corrida, a "equipe de novas tecnologias" liderada por Rafal Kowalczyk (aliás, um player multimídia em competições nacionais e mundiais de construtores de modelos rádio-controlados - incluindo o co-autor do descrito "On the Workshop" 6/ 2018) ganhou uma vantagem.

14. ... ser adequado para fazer uma matriz negativa ...

15. …onde logo foram feitas as primeiras impressões flutuantes de vidro epóxi. Foi usado um gel coat, que é bem visível na água (como já havíamos abandonado os módulos, não havia motivo para interferir no trabalho com decorações bicolores).

Portanto, o trabalho posterior da oficina seguiu o terceiro caminho de design de Rafal: começando com a criação de formas positivas, depois negativas - através das impressões de caixas de vidro epóxi - para plataformas IVDS prontas (): primeiro, um protótipo totalmente equipado , e depois cópias subsequentes ainda mais avançadas da primeira série. Aqui, a forma e os detalhes do casco foram adaptados a essa tecnologia - logo a terceira versão do projeto recebeu um nome exclusivo de seu líder.

16. O pressuposto deste projeto educacional foi o uso de equipamentos de modelagem publicamente disponíveis - mas isso não significa que tivemos imediatamente uma ideia para cada elemento - pelo contrário, hoje é difícil contar quantas configurações foram experimentadas - e a melhoria do design não parou por aí.

17. Esta é a menor das baterias utilizadas - elas permitem que a plataforma funcione por quatro horas sob carga de trabalho. Também existe a opção de dobrar a capacidade - felizmente, escotilhas de serviço e maior flutuabilidade permitem muito.

Gerris USV é um garoto animado e trabalhador (e com sua mente!)

Garris este é o nome genérico latino para cavalos - provavelmente insetos bem conhecidos, provavelmente correndo pela água em membros amplamente espaçados.

Cascos de hidrodrone alvo Fabricado a partir de laminado epóxi de vidro multicamadas - forte o suficiente para as duras condições de areia/cascalho do trabalho pretendido. Eles foram conectados por uma estrutura de alumínio rapidamente desmontada com vigas deslizantes (para facilitar o ajuste do calado) para montagem de instrumentos de medição (ecobatímetro, GPS, computador de bordo, etc.). Conveniências adicionais no transporte e uso são abordadas em resumos de casos. discos (dois por flutuação). Motores duplos também significam hélices menores e mais confiabilidade, ao mesmo tempo em que podem usar ainda mais simulação do que motores industriais.

18. Um olhar sobre o salão com motores e uma caixa elétrica. O tubo de silicone visível faz parte do sistema de refrigeração a água.

19. Para os primeiros testes de água, pesamos os cascos para que o catamarã se comportasse adequadamente para as condições do trabalho pretendido - mas já sabíamos que a plataforma aguentaria!

Nas versões subsequentes, testamos vários sistemas de propulsão, aumentando gradualmente sua eficiência e potência - portanto, as versões subsequentes da plataforma (ao contrário do primeiro catamarã de muitos anos atrás) com uma margem segura de velocidade também lidam com o fluxo de todos os rios poloneses.

20. Conjunto básico - com um (ainda não conectado aqui) sonar. As duas vigas de montagem encomendadas pelo usuário também permitem que os dispositivos de medição sejam duplicados e, assim, aumentam a confiabilidade das próprias medições.

21. O ambiente de trabalho é geralmente cascalho com água muito turva.

Já a unidade foi projetada para operar de 4 a 8 horas contínuas, com capacidade de 34,8 Ah (ou 70 Ah na próxima versão) - uma em cada um dos casos. Com um tempo de funcionamento tão longo, é óbvio que os motores trifásicos e seus controladores precisam ser resfriados. Isso é feito usando um circuito de água de modelagem típico retirado de trás das hélices (uma bomba de água adicional acabou sendo desnecessária). Outra proteção contra possíveis falhas causadas pela temperatura no interior das bóias é a leitura telemétrica dos parâmetros no painel de controle do operador (ou seja, um transmissor típico de simulações modernas). Regularmente, em particular, são diagnosticadas as rotações do motor, sua temperatura, temperatura dos reguladores, tensão das baterias de alimentação, etc.

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

23. O próximo passo no desenvolvimento deste projeto foi a adição de Sistemas de Controle Autônomo. Depois de traçar um reservatório (em um mapa do Google ou manualmente - de acordo com a vazão ao redor da unidade de contorno do reservatório medido), o computador recalcula a rota de acordo com os parâmetros estimados e após ligar o piloto automático com um botão, o operador pode confortavelmente sentar para observar o funcionamento do aparelho com um refrigerante na mão...

A principal tarefa de todo o complexo é medir e salvar em um programa geodésico separado os resultados das medições de profundidade da água, que são usados ​​posteriormente para determinar a capacidade total do reservatório interpolado (e assim, por exemplo, para verificar a quantidade de cascalho selecionado desde a última medição). Essas medições podem ser feitas pelo controle manual do barco (idêntico a um modelo flutuante convencional controlado remotamente) ou pela operação totalmente automática de um interruptor. Em seguida, as leituras atuais do sonar em termos de profundidade e velocidade de movimento, o status da missão ou a localização do objeto (de um receptor GPS RTK extremamente preciso, posicionado com precisão de 5 mm) são transmitidos ao operador em um fluxo contínuo. base pelo despachante e pelo aplicativo de controle (também pode definir os parâmetros da missão planejada).

Versões práticas do exame e desenvolvimento

descrito hidrodrone Ele passou com sucesso em vários testes em várias condições, normalmente de trabalho, e atende o usuário final há mais de um ano, “arando” meticulosamente novos reservatórios.

O sucesso do protótipo e a experiência acumulada levaram ao nascimento de novas unidades ainda mais avançadas desta unidade. A versatilidade da plataforma permite que ela seja usada não apenas em aplicações geodésicas, mas também, por exemplo, em projetos de alunos e muitas outras tarefas.

Acredito que graças às decisões bem-sucedidas e à diligência e talento do gerente de projetos, em breve haverá barcos gerris, depois de convertidos em projeto comercial, competirão com as soluções americanas oferecidas na Polônia, muitas vezes mais caras em termos de compra e manutenção.

Se você estiver interessado em detalhes não abordados aqui e as últimas informações sobre o desenvolvimento desta estrutura interessante, visite o site do projeto: GerrisUSV no Facebook ou tradicionalmente: MODElmaniak.PL.

Eu encorajo todos os leitores a reunir seus talentos para criar projetos inovadores e gratificantes juntos – independentemente de (como é familiar!) “Nada compensa aqui”. Autoconfiança, otimismo e boa cooperação para todos nós!