Gerris USV - hydrodron från grunden!

Idag handlar ”In the Workshop” om ett lite större projekt – det vill säga om ett obemannat fartyg som till exempel används för batymetriska mätningar. Du kan läsa om vår första katamaran, anpassad till den radiostyrda versionen, i det sjätte numret av "Ung tekniker" för 6. Den här gången stod MODELmaniak-teamet (en grupp erfarna modellerare associerad med Kopernik Model Workshop Group i Wroclaw) inför den vänliga utmaningen att från grunden utveckla en flytande plattform för mätinstrument, ännu bättre anpassad till grusförhållanden. stenbrott, med möjlighet att expandera till en fristående version, vilket ger föraren mer andningsutrymme.

Jag började med anpassning...

Vi stötte först på ett liknande problem när vi för flera år sedan fick frågan om möjligheten att införa drivningar och anpassning till radiostyrning av bogserad batymetri (dvs. en mätplattform som används för att mäta djupet på vattenförekomster).

1. Första versionen av mätplattformen, endast anpassad till RC-versionen

2. Drivningarna av den första hydrodronen var något modifierade akvarieväxelriktare - och de fungerade ganska bra, även om de definitivt inte hade "konstruktionsmotstånd".

Simuleringsuppgiften var att designa och tillverka ställdon för prefabricerade PE-stretchblåsgjutna flottörer (RSBM – liknande PET-flaskor). Efter att ha analyserat driftsförhållandena och tillgängliga alternativ valde vi en ganska ovanlig lösning - och, utan att störa skroven under vattenlinjen, installerade vi akvariecirkulationsväxelriktare som drivsystem med den extra förmågan att rotera 360° och lyfta (till exempel , när ett hinder träffar eller under transport) ) . Denna lösning, som dessutom stöds av ett separat styr- och strömförsörjningssystem, möjliggjorde kontroll och återgång till operatören även i händelse av fel på en av sektionerna (höger eller vänster). Lösningarna var så framgångsrika att katamaranen fortfarande är i drift.

3. När vi förberedde vårt eget projekt analyserade vi i detalj (ofta personligen!) Många liknande lösningar - i den här illustrationen, tyska ...

4.…här är en amerikan (och några dussin till). Vi förkastade enkelskrov som mindre mångsidiga och drivningar som sticker ut under botten som potentiellt problematiska i drift och transport.

Nackdelen var dock skivornas känslighet för vattenföroreningar. Även om du snabbt kan ta bort sand från rotorn efter ett nödsim till land, måste du vara försiktig med denna aspekt när du sjösätter och simmar nära botten. För det innebär dock utökning av mätmöjligheter, och det har också utökats under denna tid. användningsområde för hydrodron (på floderna) vår vän visade intresse för en ny utvecklingsversion av plattformen speciellt designad för detta ändamål. Vi tog oss an denna utmaning - i enlighet med våra studios didaktiska profil och samtidigt ge möjlighet att testa de utvecklade lösningarna i praktiken!

5. Snabbvikbara modulfodral var mycket inspirerande för sin mångsidighet och enkla transport 3 (foto: tillverkarens material)

Gerris USV - tekniska data:

• Längd/bredd/höjd 1200/1000/320 mm

• Konstruktion: epoxiglaskomposit, anslutningsram i aluminium.

• Deplacement: 30 kg, inklusive bärkraft: inte mindre än 15 kg

• Drivning: 4 BLDC-motorer (vattenkylda)

• Matningsspänning: 9,0 V… 12,6 V

• Hastighet: arbete: 1 m/s; max: 2 m/s

• Drifttid på en laddning: upp till 8 timmar (med två 70 Ah batterier)

• Projektets webbplats: https://www.facebook.com/GerrisUSV/

Övningarna fortsatte – det vill säga antaganden för ett nytt projekt

De vägledande principerna vi satte upp oss när vi utvecklade vår egen version var följande:

• dubbelskrov (som i det första alternativet, garanterar den största stabiliteten som krävs för att få exakta mätningar med ett ekolod);
• redundanta driv-, kraft- och kontrollsystem;
• förskjutning som tillåter installation av utrustning ombord som väger min. 15 kg;
• enkel demontering för transport och ytterligare fordon;
• dimensioner som tillåter transport i en vanlig personbil, även när den är monterad;
• skyddade mot skador och kontaminering, drivenheter dupliceras runt huset;
• plattformsmångsidighet (kan användas i andra applikationer);
• möjlighet att uppdatera till en fristående version.

6. Den ursprungliga versionen av vårt projekt innebar en moduluppdelning i sektioner byggda med olika teknologier, som dock kunde monteras lika enkelt som populära block och få olika användningsmöjligheter: från radiostyrda räddningsmodeller, genom USV-plattformar, till elektriska trampbåtar

Design kontra teknik, det vill säga att lära sig av misstag (eller upp till tre gånger mer än konst)

Först var det förstås forskning – mycket tid gick åt till att söka på Internet efter liknande design, lösningar och teknologier. De inspirerade oss så mycket hydrodron för olika applikationer, samt modulära kajaker och små passagerarbåtar för självmontering. Vi var bland de första som hittade bevis på värdet av enhetens tvåskrovsdesign (men i nästan alla av dem var propellrarna placerade under havsbotten - de flesta av dem var designade för att fungera i renare vatten). Modulära lösningar Industriellt tillverkade kajaker fick oss att överväga att dela upp modellkroppen (och verkstadsarbetet) i mindre delar. Därmed skapades den första versionen av projektet.

7. Tack vare Jakobsche-redaktören skapades de efterföljande 3D-designalternativen snabbt - nödvändiga för implementering i filamentutskriftsteknik (de två första och sista två segmenten av kroppen är resultatet av begränsningarna i utskriftsutrymmet hos de ägda skrivarna).

Till en början använde vi en blandad teknik. I den första prototypen skulle för- och aktersektionerna vara gjorda av det starkaste material vi kunde hitta (akrylnitrilstyrenakrylat - förkortat ASA).

8. Med tanke på den förväntade noggrannheten och repeterbarheten av modulanslutningarna krävde mellandelarna (en halv meter långa, slutligen även en meter) lämplig utrustning.

9. Vår bästa plastteknolog producerade en serie testmoduler innan den första ASA-extremen trycktes.

I slutändan, efter proof of concept, för att realisera efterföljande fall snabbare, övervägde vi också att använda avtryck som hovar för att skapa formar för laminering. De mellersta modulerna (50 eller 100 cm långa) måste limmas ihop från plastplattor - för vilka vår verkliga pilot och specialist inom plastteknik - Krzysztof Schmit (känd för läsarna av "At the Workshop", inklusive som medförfattare ( MT 10 / 2007) eller radiostyrd maskin-amfibiehammare (MT 7/2008).

10. Utskriften av slutmodulerna tog farligt lång tid, så vi började skapa positiva kroppsmallar - här i den klassiska, rabatterade versionen.

11. Plywoodhölje kommer att kräva lite kitt och slutmålning - men som det visade sig var detta ett bra skydd i händelse av ett eventuellt misslyckande av navigationsbrigaden ...

3D-design av den nya modellen för tryck, redigerad av Bartłomiej Jakobsche (en serie av hans artiklar om elektroniska 9D-projekt finns i numren av "Młodego Technika" daterad 2018/2–2020/XNUMX). Snart började vi skriva ut de första delarna av flygkroppen - men sedan började de första stegen ... Exakt exakt utskrift tog tvetydigt längre tid än vi förväntade oss, och det fanns kostsamma defekter som följde av användningen av mycket starkare än vanligt material ...

12. ...som gjorde en liknande hov med hjälp av ett XPS-skumskal och CNC-teknik.

13. Skumkärnan måste också rengöras.

När acceptdatumet närmar sig oroväckande snabbt har vi beslutat att gå bort från modulär design och 3D-utskrift för solid och mer känd laminatteknik - och vi började arbeta i två team parallellt med olika typer av positiva mönster (hovar) hölje: traditionell (konstruktion och plywood) och skum (med en stor CNC-router). I det här loppet, "teamet av ny teknik" ledd av Rafal Kowalczyk (förresten, en multimediaspelare i nationella och internationella tävlingar för design av radiostyrda modeller - inklusive medförfattaren till den beskrivna "At the Workshop" 6/2018) fick ett övertag.

14. ... vara lämplig för att göra en negativ matris ...

15. ...där de första glasepoxitrycken av flöten snart gjordes. En gelcoat användes, som var tydligt synlig på vattnet (eftersom vi redan hade övergett modulerna fanns det ingen anledning att störa arbetet med tvåfärgsdekorationer).

Därför följde det fortsatta arbetet i verkstaden Rafals tredje designväg: från skapandet av positiva former, sedan negativa - genom avtrycken av epoxiglasfodral - till färdiga IVDS-plattformar (): först en fullt utrustad prototyp , och sedan efterföljande, ännu mer avancerade kopior av den första serien. Här anpassades formen och detaljerna på skrovet till denna teknik - snart fick den tredje versionen av projektet ett unikt namn från sin ledare.

16. Antagandet för detta utbildningsprojekt var användningen av allmänt tillgänglig modelleringsutrustning - men detta betyder inte att vi omedelbart hade en idé för varje element - tvärtom, idag är det svårt att räkna hur många konfigurationer som prövades - och designförbättringen slutade inte där.

17. Detta är det minsta av batterierna som används - de gör att plattformen kan köras i fyra timmar under arbetsbelastning. Det finns även en möjlighet att fördubbla kapaciteten – som tur är tillåter serviceluckor och större flytkraft mycket.

Gerris USV är ett livligt, hårt arbetande barn (och med sitt eget sinne!)

Gerris detta är det latinska generiska namnet för hästar - förmodligen välkända insekter, troligen rusande genom vattnet på lemmar med stora avstånd.

Rikta på hydrodronekroppar Tillverkad av flerlagers glasepoxilaminat – stark nog för de tuffa sandiga/grusiga förhållandena för det avsedda jobbet. De var sammankopplade med en snabbt demonterad aluminiumram med skjutbara (för att underlätta draginställning) balkar för montering av mätinstrument (ekolod, GPS, färddator etc.). Ytterligare bekvämligheter vid transport och användning behandlas i konturerna av ärenden. enheter (två per flottör). Dubbla motorer innebär också mindre propellrar och större tillförlitlighet, samtidigt som de tillåter ännu mer simulering än industrimotorer.

18. En titt på interiören med motorer och ellåda. Det synliga silikonröret är en del av vattenkylningssystemet.

19. För de första vattenförsöken viktade vi skroven för att få katamaranen att bete sig adekvat för förhållandena för det avsedda arbetet - men vi visste redan att plattformen kunde hantera det!

I efterföljande versioner testade vi olika framdrivningssystem, och ökade gradvis deras effektivitet och kraft - därför klarar efterföljande versioner av plattformen (till skillnad från den första katamaranen för många år sedan) med en säker hastighetsmarginal också flödet av varje polsk flod.

20. Grundsats - med ett (ännu ej anslutet här) ekolod. De två användarbeställda monteringsbalkarna gör också att mätinstrumenten kan dupliceras och ökar därmed tillförlitligheten av själva mätningarna.

21. Arbetsmiljön är vanligtvis grus med mycket grumligt vatten.

Eftersom enheten är konstruerad för att fungera från 4 till 8 timmar kontinuerligt, med en kapacitet på 34,8 Ah (eller 70 Ah i nästa version) - en i vart och ett av fallen. Med så lång drifttid är det uppenbart att trefasmotorer och deras styrenheter behöver kylas. Detta görs med hjälp av en typisk modellerande vattenkrets tagen bakom propellrarna (en extra vattenpump visade sig vara onödig). Ett annat skydd mot eventuella fel orsakade av temperaturen inuti flottörerna är den telemetriska avläsningen av parametrarna på operatörens kontrollpanel (dvs en sändare som är typisk för moderna simuleringar). Regelbundet diagnostiseras i synnerhet motorvarvtal, deras temperatur, regulatorernas temperatur, spänningen på matningsbatterierna etc.

22. Det här är ingen plats för snygga beskurna stilar!

23. Nästa steg i utvecklingen av detta projekt var tillägget av autonoma styrsystem. Efter att ha spårat en reservoar (på en Google-karta eller manuellt - enligt flödet runt konturenheten för den uppmätta reservoaren), beräknar datorn om rutten enligt de uppskattade parametrarna och efter att ha slagit på autopiloten med en omkopplare kan operatören bekvämt sitta ner för att observera enhetens funktion med en läsk i handen ...

Hela komplexets huvuduppgift är att mäta och lagra i ett separat geodetiskt program resultaten av vattendjupsmätningar, som sedan används för att bestämma den interpolerade totala reservoarkapaciteten (och därmed t.ex. kontrollera mängden grus som provats sedan sista mätningen). Dessa mätningar kan göras antingen genom att manövrera båten manuellt (identiskt med en konventionell flytande fjärrkontrollmodell) eller genom att manövrera en omkopplare helt automatiskt. Sedan sänds de aktuella ekolodsavläsningarna i djup och hastighet, uppdragsstatus eller objektplacering (från en extremt noggrann RTK GPS-mottagare placerad med en noggrannhet på 5 mm) till operatören löpande av avsändaren och kontrollapplikationen (den kan också ställ in parametrarna för det planerade uppdraget).

Öva versioner av tentamen och utveckling

Beskriven hydrodron Den har framgångsrikt klarat ett antal tester under olika typiska driftsförhållanden och har framgångsrikt betjänat slutanvändaren i mer än ett år, och mödosamt "plogat" nya reservoarer.

Framgången för prototypen och den samlade erfarenheten ledde till födelsen av nya, ännu mer avancerade komponenter i denna enhet. Plattformens mångsidighet gör att den kan användas inte bara i geodetiska applikationer, utan också till exempel i studentprojekt och många andra uppgifter.

Jag tror att tack vare bra beslut och projektledarens flit och talang kommer det snart att finnas Gerris båtar, efter att ha omvandlats till ett kommersiellt projekt, kommer de att ge betydande konkurrens till amerikanska lösningar som erbjuds i Polen, som är många gånger dyrare när det gäller inköp och underhåll.

Om du är intresserad av detaljer som inte beskrivs här och den senaste informationen om utvecklingen av denna intressanta struktur, vänligen besök projektets webbplats: GerrisUSV på Facebook eller traditionellt: MODElmaniak.PL.

Jag uppmuntrar alla läsare att slå samman sina talanger för att samskapa innovativa och användbara projekt – oavsett (hur välbekant!) "Ingenting betalar här." Tro på dig själv, optimism och gott samarbete för oss alla!