Gerris USV - hydrodron od nuly!

Dnes je „V dielni“ o trochu väčšom projekte – teda o bezpilotnom plavidle používanom napríklad na batymetrické merania. O našom prvom katamarane upravenom na rádiom riadenú verziu sa dočítate v 6. čísle „Mladého technika“ na rok 2015. Tentoraz tím MODELmaniak (skupina skúsených modelárov pridružených k Kopernik Model Workshops Group vo Wroclawi) čelil priateľskej výzve navrhnúť od začiatku plávajúcu meraciu plošinu, ktorá je ešte lepšie prispôsobená štrkovým podmienkam. lomu, rozšíriteľné na samostatnú verziu, čo dáva operátorovi väčší priestor na dýchanie.

Začalo sa s prispôsobením...

Prvýkrát sme sa s týmto problémom stretli, keď sa nás pred niekoľkými rokmi pýtali na možnosť zavedenia pohonov a prispôsobenie sa rádiovému ovládaniu ťahanej batymetrické (t. j. meracia plošina používaná na meranie hĺbky vodných plôch).

1. Prvá verzia meracej platformy, prispôsobená len RC verzii

2. Pohony prvého hydrodronu boli mierne upravené akváriové invertory - a fungovali celkom dobre, aj keď rozhodne nemali „konštrukčný odpor“.

Úlohou simulácie bolo navrhnúť a vyrobiť pohony pre prefabrikované PE plaváky ťahané vyfukovaním (RSBM – obdoba PET fliaš). Po analýze prevádzkových podmienok a dostupných možností sme zvolili dosť neobvyklé riešenie - a bez zásahu do trupov pod vodoryskou sme nainštalovali akváriové obehové čerpadlá-invertory ako pohony s pridanou možnosťou otáčania o 360° a zdvihu (napr. , pri náraze na prekážku alebo počas prepravy) ). Toto riešenie, navyše podporené samostatným riadiacim a napájacím systémom, umožňovalo ovládanie a návrat k operátorovi aj v prípade výpadku jednej zo sekcií (pravej alebo ľavej). Riešenia boli také úspešné, že katamarán je stále v prevádzke.

3. Pri príprave vlastného projektu sme podrobne analyzovali (často osobne!) Mnoho podobných riešení - na tomto obrázku nemecké ...

4....tu je Američan (a niekoľko desiatok ďalších). Odmietli sme jednoduché trupy ako menej univerzálne a pohony vyčnievajúce pod dnom ako potenciálne problematické pri prevádzke a preprave.

Nevýhodou však bola citlivosť diskov na znečistenie vody. Hoci po núdzovom priplávaní k brehu môžete piesok z rotora rýchlo odstrániť, pri spúšťaní a plávaní blízko dna musíte byť s týmto aspektom opatrní. Pretože to však zahŕňa rozšírenie možností merania a v priebehu tejto doby sa tiež rozšírilo. rozsah hydrodronu (na riekach) náš kamarát prejavil záujem o novú vývojovú verziu platformy špeciálne navrhnutú na tento účel. Tejto výzvy sme sa podujali - v súlade s didaktickým profilom našich ateliérov a zároveň dávame možnosť otestovať vyvinuté riešenia v praxi!

5. Rýchloskladacie modulárne kufre boli veľmi inšpirujúce svojou všestrannosťou a jednoduchosťou prepravy 3 (foto: materiály výrobcu)

Gerris USV - technické údaje:

• Dĺžka/šírka/výška 1200/1000/320 mm

• Konštrukcia: epoxidový sklenený kompozit, hliníkový spojovací rám.

• Výtlak: 30 kg, vrátane nosnosti: nie menej ako 15 kg

• Pohon: 4 BLDC motory (vodou chladené)

• Napájacie napätie: 9,0 V… 12,6 V

• Rýchlosť: pracovná: 1 m/s; maximum: 2 m/s

• Prevádzková doba na jedno nabitie: až 8 hodín (s dvomi batériami 70 Ah)

• Webová stránka projektu: https://www.facebook.com/GerrisUSV/

Pokračovali cvičenia – teda predpoklady pre nový projekt

Hlavné zásady, ktoré sme si stanovili pri vývoji našej vlastnej verzie, boli nasledovné:

• dvojplášťový (ako v prvej verzii, zaručujúci najväčšiu stabilitu potrebnú na získanie presných meraní pomocou echolotu);
• redundantné pohonné, napájacie a riadiace systémy;
• výtlak, umožňujúci inštaláciu palubného zariadenia s hmotnosťou min. 15 kg;
• ľahká demontáž pre prepravu a ďalšie vozidlá;
• rozmery, ktoré umožňujú prepravu v bežnom osobnom aute, aj keď sú zmontované;
• chránené pred poškodením a kontamináciou, duplicitné pohony v obtoku tela;
• univerzálnosť platformy (možnosť použiť ju v iných aplikáciách);
• možnosť upgradu na samostatnú verziu.

6. Pôvodná verzia nášho projektu zahŕňala modulárne členenie na sekcie postavené rôznymi technológiami, ktoré sa však dali zostaviť rovnako ľahko ako obľúbené bloky a majú rôzne využitie: od rádiom riadených záchranných modelov, cez platformy USV až po elektrické vodné bicykle.

Dizajn verzus technológia, t. j. učenie sa z chýb (alebo až trikrát viac ako umenie)

Najprv to boli samozrejme štúdie – veľa času sa strávilo hľadaním podobných návrhov, riešení a technológií na internete. Veľmi nás inšpirovali hydrodrone rôzne aplikácie, ako aj modulárne kajaky a malé osobné člny na vlastnú montáž. Medzi prvými sme našli potvrdenie hodnoty dvojtrupového usporiadania jednotky (avšak takmer vo všetkých sa vrtule nachádzali pod morským dnom – väčšina z nich bola navrhnutá na prácu v čistejších vodách). Modulárne riešenia priemyselné kajaky nás podnietili zvážiť rozdelenie trupu modelu (a dielenské práce) na menšie časti. Tak vznikla prvá verzia projektu.

7. Vďaka editoru Jakobsche boli rýchlo vytvorené následné možnosti 3D dizajnu - nevyhnutné pre implementáciu do technológie filamentovej tlače (prvé dva a posledné dva segmenty tela sú výsledkom obmedzení tlačového priestoru vlastných tlačiarní).

Spočiatku sme prijali zmiešanú technológiu. V prvom prototype museli byť predná a zadná časť vyrobené z toho najpevnejšieho materiálu, aký sme našli (akrylonitril-styrén-akrylát – skrátene ASA).

8. Pri očakávanej presnosti a opakovateľnosti spojov modulov si stredné časti (dĺžka pol metra, prípadne aj meter) vyžadovali príslušné vybavenie.

9. Náš špičkový technológ pre plasty vyrobil sériu testovacích modulov pred vytlačením prvého extrémneho prvku ASA.

Nakoniec, po overení konceptu, s cieľom rýchlejšie realizovať následné prípady, sme uvažovali aj o použití odtlačkov ako kopýt na vytvorenie foriem na laminovanie. Stredné moduly (dĺžka 50 alebo 100 cm) museli byť zlepené z plastových doštičiek - k čomu náš skutočný pilot a špecialista na plastikárske technológie - Krzysztof Schmit (známy čitateľom „Na dielni“, aj ako spoluautor ( MT 10 / 2007) alebo rádiom riadený stroj-obojživelník-kladivo (MT 7/2008).

10. Tlač koncových modulov trvala nebezpečne dlho, a tak sme začali vytvárať pozitívne šablóny karosérií - tu v klasickej, falcovanej verzii.

11. Preglejkové opláštenie bude vyžadovať trochu tmelu a konečného náteru - ale ako sa ukázalo, bola to dobrá ochrana v prípade možného zlyhania navigačnej brigády ...

3D návrh nového modelu pre tlač, spracoval Bartłomiej Jakobsche (sériu jeho článkov o 9D elektronických projektoch nájdete vo vydaniach „Młodego Technika“ z 2018/2–2020/XNUMX). Čoskoro sme začali tlačiť prvé prvky trupu - ale potom sa začali prvé kroky ... Presne presná tlač trvala nejednoznačne dlhšie, ako sme očakávali, a vyskytli sa nákladné chyby vyplývajúce z použitia oveľa pevnejšieho materiálu ako je obvyklé ...

12. …ktorý vyrobil podobné kopyto z penového tela XPS a CNC technológie.

13. Penové jadro bolo tiež potrebné vyčistiť.

Keďže dátum prijatia sa blíži alarmujúco rýchlo, rozhodli sme sa upustiť od modulárneho dizajnu a 3D tlač pre tvrdé a známejšie laminátové technológie - a začali sme pracovať v dvoch tímoch paralelne na rôznych typoch pozitívnych vzorov (kopytá) bývanie: tradičné (konštrukcia a preglejka) a pena (pomocou veľkej CNC frézky). V týchto pretekoch sa predstavil „tím nových technológií“ pod vedením Rafala Kowalczyka (mimochodom multimediálneho hráča národných a svetových súťaží pre konštruktérov rádiom riadených modelov – vrátane spoluautora opísaného „Na dielni“ 6/ 2018) získali výhodu.

14. ... byť vhodný na vytvorenie negatívnej matrice ...

15. …kde boli čoskoro vyrobené prvé sklenené epoxidové plavené výtlačky. Použitý bol jeden gélový lak, ktorý je na vode dobre viditeľný (keďže sme už moduly opustili, nebol dôvod zasahovať do práce dvojfarebnými dekoráciami).

Preto ďalšia práca dielne sledovala Rafalovu tretiu dizajnovú cestu: počnúc tvorbou pozitívnych foriem, potom negatívnych - cez odtlačky epoxidových sklenených puzdier - až po hotové platformy IVDS (): po prvé, plne vybavený prototyp a potom ďalšie, ešte pokročilejšie kópie prvej série. Tu sa tvar a detaily trupu prispôsobili tejto technológii – čoskoro dostala tretia verzia projektu od svojho lídra jedinečné meno.

16. Predpokladom tohto vzdelávacieho projektu bolo použitie verejne dostupného, ​​modelárskeho vybavenia – to však neznamená, že sme mali hneď nápad na každý prvok – práve naopak, dnes je ťažké spočítať, koľko konfigurácií sa vyskúšalo – a tým sa vylepšenie dizajnu neskončilo.

17. Toto je najmenšia z použitých batérií – umožňujú platforme bežať štyri hodiny pri pracovnej záťaži. Nechýba ani možnosť zdvojnásobiť kapacitu – našťastie veľa umožňujú obslužné poklopy a väčší vztlak.

Gerris USV je živé, pracujúce dieťa (a so svojou mysľou!)

Gerris toto je latinský generický názov pre kone - pravdepodobne dobre známy hmyz, ktorý sa pravdepodobne preháňa vodou na široko rozmiestnených končatinách.

Cieľové trupy hydrodronov Vyrobené z viacvrstvového skleneného epoxidového laminátu – dostatočne pevné pre drsné, piesčité/štrkové podmienky zamýšľanej práce. Spájal ich rýchlo demontovateľný hliníkový rám s posuvnými (na uľahčenie nastavenia ťahu) nosníkmi pre montáž meracích prístrojov (echolot, GPS, palubný počítač a pod.). Ďalšie vymoženosti pri preprave a používaní sú uvedené v náčrtoch prípadov. pohony (dva na plavák). Duálne motory tiež znamenajú menšie vrtule a väčšiu spoľahlivosť, pričom zároveň dokážu využiť ešte viac simulácií ako priemyselné motory.

18. Pohľad do salónu s motormi a elektrickou skrinkou. Viditeľná silikónová trubica je súčasťou vodného chladiaceho systému.

19. Pri prvých vodných skúškach sme zavážili trupy, aby sa katamaran správal adekvátne podmienkam zamýšľanej práce – ale už sme vedeli, že plošina to zvládne!

V ďalších verziách sme testovali rôzne pohonné systémy, postupne sme zvyšovali ich účinnosť a výkon - preto si nasledujúce verzie platformy (na rozdiel od prvého katamaranu spred mnohých rokov) s bezpečnou rezervou rýchlosti poradia aj s tokom každej poľskej rieky.

20. Základná zostava - s jedným (tu ešte nezapojeným) sonarom. Dva užívateľom objednané montážne nosníky umožňujú aj duplikáciu meracích zariadení a tým zvyšujú spoľahlivosť samotných meraní.

21. Pracovným prostredím je zvyčajne štrk s veľmi zakalenou vodou.

Keďže jednotka je navrhnutá na nepretržitú prevádzku od 4 do 8 hodín, s kapacitou 34,8 Ah (alebo 70 Ah v ďalšej verzii) - jeden v každom z prípadov. Pri tak dlhej dobe chodu je zrejmé, že trojfázové motory a ich regulátory je potrebné chladiť. Robí sa to pomocou typického modelovacieho vodného okruhu prevzatého spoza vrtúľ (dodatočné vodné čerpadlo sa ukázalo ako zbytočné). Ďalšou ochranou pred prípadnou poruchou spôsobenou teplotou vo vnútri plavákov je telemetrické odčítanie parametrov na ovládacom paneli operátora (t.j. vysielač typický pre moderné simulácie). Pravidelne sa diagnostikujú najmä otáčky motora, ich teplota, teplota regulátorov, napätie napájacích batérií a pod.

22. Toto nie je miesto pre elegantné skrátené modely!

23. Ďalším krokom vo vývoji tohto projektu bolo pridanie autonómnych riadiacich systémov. Po vysledovaní vodojemu (na mape Google alebo ručne - podľa prietoku okolo obrysovej jednotky meraného vodojemu) počítač prepočíta trasu podľa odhadnutých parametrov a po zapnutí autopilota jedným spínačom môže obsluha pohodlne sadnite si a sledujte fungovanie zariadenia s nealkoholickým nápojom v ruke ...

Hlavnou úlohou celého komplexu je merať a v samostatnom geodetickom programe ukladať výsledky meraní hĺbky vody, ktoré slúžia neskôr na určenie interpolovanej celkovej kapacity nádrže (a teda napr. na kontrolu množstva vybraného štrku od r. posledné meranie). Tieto merania je možné vykonávať buď manuálnym ovládaním člna (identické s konvenčným diaľkovo ovládaným plávajúcim modelom) alebo plne automatickým ovládaním spínača. Potom sa operátorovi priebežne prenášajú aktuálne namerané hodnoty zo sonaru, pokiaľ ide o hĺbku a rýchlosť pohybu, stav misie alebo polohu objektu (z extrémne presného prijímača GPS RTK, polohovaného s presnosťou 5 mm). základe dispečerom a riadiacou aplikáciou (môže nastaviť aj parametre plánovanej misie) .

Cvičné verzie skúšky a rozvoja

popísané hydrodrone Úspešne prešiel množstvom testov v rôznych, typických pracovných podmienkach a už viac ako rok slúži konečnému užívateľovi pri usilovnom „oraní“ nových nádrží.

Úspech prototypu a nahromadené skúsenosti viedli k zrodu nových, ešte vyspelejších jednotiek tejto jednotky. Univerzálnosť platformy umožňuje jej využitie nielen v geodetických aplikáciách, ale napríklad aj pri študentských projektoch a mnohých iných úlohách.

Verím, že vďaka úspešným rozhodnutiam a usilovnosti a talentu projektového manažéra čoskoro bude gerris člny, budú po prerobení na komerčný projekt konkurovať americkým riešeniam ponúkaným v Poľsku, ktoré sú z hľadiska nákupu a údržby mnohonásobne drahšie.

Ak vás zaujímajú tu neuvedené detaily a najnovšie informácie o vývoji tejto zaujímavej štruktúry, navštívte webovú stránku projektu: GerrisUSV na Facebooku alebo tradične: MODElmaniak.PL.

Vyzývam všetkých čitateľov, aby spojili svoje talenty a spoločne vytvorili inovatívne a hodnotné projekty – bez ohľadu na (aké známe!) „Tu sa nič nevypláca.“ Sebadôvera, optimizmus a dobrá spolupráca nám všetkým!