Gerris USV: ¡hidrodrone desde cero!

Hoy, "In the Workshop" trata sobre un proyecto un poco más grande, es decir, sobre una embarcación no tripulada utilizada, por ejemplo, para mediciones batimétricas. Puedes leer sobre nuestro primer catamarán, adaptado a la versión radiocontrolada, en el número 6 de "Joven Técnico" de 2015. Esta vez, el equipo de MODELmaniak (un grupo de modelistas experimentados afiliados al Grupo de Talleres de Modelos de Kopernik en Wrocław) se enfrentó al amistoso desafío de diseñar desde cero una plataforma de medición flotante aún mejor adaptada a las condiciones de la grava. cantera, ampliable a una versión independiente, dando al operador más espacio para respirar.

Comenzó con la personalización...

Nos encontramos por primera vez con este problema cuando hace unos años nos preguntaron sobre la posibilidad de introducir actuadores y adaptación a radio control batimétrico arrastrado (es decir, una plataforma de medición utilizada para medir la profundidad de cuerpos de agua).

1. La primera versión de la plataforma de medición, solo adaptada a la versión RC

2. Las unidades del primer hidrodrone eran inversores de acuario ligeramente modificados, y funcionaban bastante bien, aunque definitivamente no tenían "resistencia de construcción".

La tarea de simulación consistía en diseñar y fabricar actuadores para flotadores moldeados por estirado-soplado de PE prefabricados (RSBM, similar a las botellas de PET). Después de analizar las condiciones de funcionamiento y las opciones disponibles, elegimos una solución bastante inusual y, sin interferir con los cascos debajo de la línea de flotación, instalamos inversores de circulación de acuario como unidades con la capacidad adicional de girar 360 ° y levantar (por ejemplo , cuando golpea un obstáculo o durante el transporte) ) . Esta solución, apoyada adicionalmente por un sistema de control y alimentación independiente, permitía controlar y devolver al operador incluso en caso de avería de uno de los tramos (derecho o izquierdo). Las soluciones tuvieron tanto éxito que el catamarán sigue en funcionamiento.

3. Al preparar nuestro propio proyecto, analizamos en detalle (¡a menudo personalmente!) Muchas soluciones similares: en esta ilustración, alemán ...

4.…aquí hay un estadounidense (y algunas docenas más). Rechazamos los cascos simples por considerarlos menos versátiles, y las transmisiones que sobresalen por debajo del fondo como potencialmente problemáticas en la operación y el transporte.

Sin embargo, la sensibilidad de los discos a la contaminación del agua resultó ser una desventaja. Aunque puede quitar rápidamente la arena del rotor después de un nado de emergencia hacia la orilla, debe tener cuidado con este aspecto cuando se lanza y nada cerca del fondo. Porque, sin embargo, incluye la expansión de las capacidades de medición, y también se ha expandido durante este tiempo. alcance de hidrodrone (sobre los ríos) nuestro amigo mostró interés en una nueva versión de desarrollo de la plataforma especialmente diseñada para este propósito. ¡Asumimos este desafío, de acuerdo con el perfil didáctico de nuestros estudios y al mismo tiempo dando la oportunidad de probar las soluciones desarrolladas en la práctica!

5. Las maletas modulares de plegado rápido fueron muy inspiradoras por su versatilidad y facilidad de transporte 3 (foto: materiales del fabricante)

Gerris USV - datos técnicos:

• Largo/ancho/alto 1200/1000/320 mm

• Construcción: compuesto de vidrio epoxi, marco de conexión de aluminio.

• Desplazamiento: 30 kg, incluida la capacidad de carga: no menos de 15 kg

• Accionamiento: 4 motores BLDC (refrigeración por agua)

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

• Velocidad: trabajo: 1 m/s; máximo: 2 m/s

• Autonomía con una sola carga: hasta 8 horas (con dos baterías de 70 Ah)

• Sitio web del proyecto: https://www.facebook.com/GerrisUSV/

Los ejercicios continuaron, es decir, supuestos para un nuevo proyecto.

Los principios rectores que nos fijamos al desarrollar nuestra propia versión fueron los siguientes:

• doble caparazón (como en la primera versión, garantizando la mayor estabilidad necesaria para obtener medidas precisas con una ecosonda);
• sistemas redundantes de accionamiento, potencia y control;
• desplazamiento, lo que permite la instalación de equipos a bordo con un peso mínimo. 15 kg;
• fácil desmontaje para transporte y vehículos adicionales;
• dimensiones que permitan el transporte en un turismo ordinario, incluso montado;
• protegido contra daños y contaminación, unidades duplicadas en la derivación del cuerpo;
• universalidad de la plataforma (la capacidad de usarla en otras aplicaciones);
• la posibilidad de actualizar a una versión independiente.

6. La versión original de nuestro proyecto consistía en la división modular en secciones construidas con diferentes tecnologías, que, sin embargo, podían ensamblarse con la misma facilidad que los bloques populares y recibir diversos usos: desde modelos de rescate controlados por radio, pasando por plataformas USV, hasta hidropedales eléctricos.

Diseño vs tecnología, es decir, aprender de los errores (o hasta tres veces más que el arte)

Al principio hubo, por supuesto, estudios: se dedicó mucho tiempo a buscar en Internet diseños, soluciones y tecnologías similares. nos inspiraron mucho hidrodronio diversas aplicaciones, así como kayaks modulares y pequeñas embarcaciones de pasajeros para autoensamblaje. Entre los primeros encontramos la confirmación del valor del diseño de doble casco de la unidad (pero en casi todos ellos las hélices estaban ubicadas debajo del fondo del mar; la mayoría de ellos estaban diseñados para funcionar en aguas más limpias). Soluciones modulares Los kayaks industriales nos impulsaron a considerar dividir el modelo del casco (y el trabajo del taller) en partes más pequeñas. Así, se creó la primera versión del proyecto.

7. Gracias al editor Jakobsche, se crearon rápidamente las opciones de diseño 3D posteriores, necesarias para la implementación en la tecnología de impresión de filamentos (los dos primeros y los dos últimos segmentos del cuerpo son el resultado de las limitaciones de espacio de impresión de las impresoras propias).

Inicialmente, adoptamos tecnología mixta. En el primer prototipo, las secciones de proa y popa tenían que estar hechas del material más fuerte que pudimos encontrar (acrilonitrilo-estireno-acrilato - ASA para abreviar).

8. Con la precisión y repetibilidad esperadas de las conexiones del módulo, las partes intermedias (de medio metro de largo, eventualmente también de un metro) requerían el equipo adecuado.

9. Nuestro tecnólogo superior en plásticos realizó una serie de módulos de prueba antes de que se imprimiera el primer elemento ASA extremo.

Finalmente, después de la prueba de concepto, para una implementación más rápida de casos posteriores, también consideramos usar impresiones como cascos para crear moldes para laminación. Los módulos intermedios (de 50 o 100 cm de largo) debían pegarse entre sí a partir de placas de plástico, para lo cual nuestro verdadero piloto y especialista en tecnología de plásticos, Krzysztof Schmit o máquina-anfibio-martillo controlada por radio (MT 10/2007).

10. La impresión de los módulos finales tomaba un tiempo peligrosamente largo, por lo que comenzamos a crear plantillas de cuerpo positivo, aquí en la versión clásica rebajada.

11. El revestimiento de madera contrachapada requerirá un poco de masilla y pintura final, pero resultó que esta era una buena protección en caso de una posible falla de la brigada de navegación ...

Diseño 3D del nuevo modelo para impresión, editado por Bartłomiej Jakobsche (una serie de sus artículos sobre proyectos electrónicos 9D se pueden encontrar en los números de "Młodego Technika" del 2018/2 al 2020/XNUMX). Pronto comenzamos a imprimir los primeros elementos del fuselaje, pero luego comenzaron los primeros pasos... La impresión precisa tomó mucho más tiempo de lo que esperábamos, y hubo defectos costosos como resultado del uso de un material mucho más resistente que el habitual...

12. …que hizo un casco similar con cuerpo de espuma XPS y tecnología CNC.

13. También hubo que limpiar el núcleo de espuma.

Con la fecha de aceptación acercándose alarmantemente rápido, decidimos alejarnos del diseño modular y Impresión 3D para tecnología de laminados duros y más conocidos - y comenzamos a trabajar en dos equipos en paralelo en diferentes tipos de patrones positivos (pezuñas) viviendas: tradicional (construcción y madera contrachapada) y espuma (usando un enrutador CNC grande). En esta carrera, el "equipo de nuevas tecnologías" liderado por Rafal Kowalczyk (por cierto, reproductor multimedia en concursos nacionales y mundiales de constructores de modelos radiocontrolados - incluido el coautor del descrito "On the Workshop" 6/ 2018) obtuvo una ventaja.

14. ... ser adecuado para hacer una matriz negativa ...

15. …donde pronto se hicieron las primeras impresiones flotantes de epoxi de vidrio. Se utilizó una capa de gel, que es claramente visible en el agua (dado que ya habíamos abandonado los módulos, no había razón para interferir con el trabajo con decoraciones de dos colores).

Por lo tanto, el trabajo posterior del taller siguió el tercer camino de diseño de Rafal: comenzando con la creación de formas positivas, luego negativas, a través de las impresiones de cajas de vidrio epoxi, hasta plataformas IVDS listas para usar (): primero, un prototipo completamente equipado , y luego copias posteriores, incluso más avanzadas de la primera serie. Aquí, la forma y los detalles del casco se adaptaron a esta tecnología; pronto, la tercera versión del proyecto recibió un nombre único de su líder.

16. El supuesto de este proyecto educativo fue el uso de equipos de modelado disponibles públicamente, pero esto no significa que tuviéramos una idea inmediata para cada elemento, por el contrario, hoy en día es difícil contar cuántas configuraciones se probaron, y la mejora del diseño no terminó ahí.

17. Esta es la batería más pequeña utilizada: permiten que la plataforma funcione durante cuatro horas bajo carga de trabajo. También existe la opción de duplicar la capacidad; afortunadamente, las escotillas de servicio y una mayor flotabilidad permiten mucho.

Gerris USV es un niño activo y trabajador (¡y con su mente!)

garris este es el nombre genérico en latín de los caballos, probablemente insectos bien conocidos, probablemente corriendo por el agua con extremidades muy separadas.

Cascos de hidrodrone objetivo Fabricado con laminado de epoxi de vidrio multicapa, lo suficientemente resistente para las duras condiciones de arena/grava del trabajo previsto. Estaban conectados por un marco de aluminio de desmontaje rápido con vigas deslizantes (para facilitar el calado) para el montaje de instrumentos de medición (ecosonda, GPS, computadora de a bordo, etc.). Las conveniencias adicionales en el transporte y el uso están cubiertas en los esquemas de los casos. Discos (dos por flotador). Los motores duales también significan hélices más pequeñas y más confiabilidad, mientras que al mismo tiempo pueden usar aún más simulación que los motores industriales.

18. Una mirada al salón con motores y una caja eléctrica. El tubo de silicona visible forma parte del sistema de refrigeración por agua.

19. Para las primeras pruebas de agua, pesamos los cascos para que el catamarán se comportara adecuadamente para las condiciones del trabajo previsto, ¡pero ya sabíamos que la plataforma podría manejarlo!

En versiones posteriores, probamos varios sistemas de propulsión, aumentando gradualmente su eficiencia y potencia; por lo tanto, las versiones posteriores de la plataforma (a diferencia del primer catamarán de hace muchos años) con un margen seguro de velocidad también hacen frente al flujo de todos los ríos polacos.

20. Conjunto básico: con un sonar (aún no conectado aquí). Las dos vigas de montaje ordenadas por el usuario también permiten duplicar los dispositivos de medición y, por lo tanto, aumentan la confiabilidad de las propias mediciones.

21. El ambiente de trabajo suele ser de grava con agua muy turbia.

Ya que la unidad está diseñada para operar de 4 a 8 horas continuas, con una capacidad de 34,8 Ah (o 70 Ah en la próxima versión) - uno en cada uno de los casos. Con un tiempo de funcionamiento tan largo, es obvio que los motores trifásicos y sus controladores deben enfriarse. Esto se hace utilizando un circuito de agua de modelado típico tomado de detrás de las hélices (una bomba de agua adicional resultó ser innecesaria). Otra protección contra posibles fallas causadas por la temperatura dentro de los flotadores es la lectura telemétrica de los parámetros en el panel de control del operador (es decir, un transmisor típico de las simulaciones modernas). Periódicamente, en particular, se diagnostican las revoluciones del motor, la temperatura de los mismos, la temperatura de los reguladores, la tensión de las baterías de alimentación, etc.

22. ¡Este no es el lugar para elegantes modelos recortadas!

23. El siguiente paso en el desarrollo de este proyecto fue la adición de Sistemas de Control Autónomo. Después de rastrear un embalse (en un mapa de Google o manualmente, según el flujo alrededor de la unidad de contorno del embalse medido), la computadora vuelve a calcular la ruta de acuerdo con los parámetros estimados y después de encender el piloto automático con un interruptor, el operador puede cómodamente sentarse a observar el funcionamiento del aparato con un refresco en la mano...

La tarea principal de todo el complejo es medir y guardar en un programa geodésico separado los resultados de las mediciones de la profundidad del agua, que luego se utilizan para determinar la capacidad total del embalse interpolada (y así, por ejemplo, para verificar la cantidad de grava seleccionada desde la última medición). Estas mediciones se pueden realizar mediante el control manual de la embarcación (idéntico a un modelo flotante controlado a distancia convencional) o mediante la operación completamente automática de un interruptor. Luego, las lecturas actuales del sonar en términos de profundidad y velocidad de movimiento, el estado de la misión o la ubicación del objeto (desde un receptor GPS RTK extremadamente preciso, posicionado con una precisión de 5 mm) se transmiten al operador de forma continua. por el despachador y la aplicación de control (también puede establecer los parámetros de la misión planificada) .

Versiones de práctica del examen y desarrollo.

descrito hidrodrone Ha superado con éxito una serie de pruebas en diversas condiciones de trabajo típicas, y ha estado sirviendo al usuario final durante más de un año, "arando" minuciosamente nuevos depósitos.

El éxito del prototipo y la experiencia acumulada llevaron al nacimiento de nuevas unidades aún más avanzadas de esta unidad. La versatilidad de la plataforma permite su uso no solo en aplicaciones geodésicas, sino también, por ejemplo, en proyectos de estudiantes y muchas otras tareas.

Creo que gracias a las decisiones acertadas y la diligencia y el talento del director del proyecto, pronto habrá barcos gerris, después de convertirse en un proyecto comercial, competirán con las soluciones estadounidenses que se ofrecen en Polonia, que son muchas veces más caras en términos de compra y mantenimiento.

Si está interesado en los detalles no cubiertos aquí y la información más reciente sobre el desarrollo de esta interesante estructura, visite el sitio web del proyecto: GerrisUSV en Facebook o tradicionalmente: MODElmaniak.PL.

Animo a todos los lectores a unir sus talentos para crear juntos proyectos innovadores y gratificantes, independientemente de (¡qué familiar!) “Aquí nada paga”. ¡Confianza en sí mismo, optimismo y buena cooperación para todos nosotros!