Autonomous Underwater Vehicle

[Arthipex]

Guten Abend liebe Roboterfreunde!

Meine Zeit an einem Aarauer Gymnasium neigt sich schon bald dem Ende zu und ich muss mich um meine Abschlussarbeit kümmern. Da der Ehemaligenverein dieser Schule jedes Jahr die beste Maturaarbeit mit 3000 Schweizer Franken prämiert, habe ich meine Messlatte hoch gesteckt. Ich habe vor (oder besser: bin dabei), ein U-Boot zu konstruieren, welches mittels Kompassmodul und einem selber entwickelten Sonarsystem in der Lage ist, in einem grossen Schwimmbecken ein Suchmuster abzufahren. Gesteuert wird alles ausschlisslich von einem AVR.

Soweit so gut. Nun zum technischen: Ich habe einen Fischfinder ausgeschlachtet und darin einen leistungsstarken Piezo gefunden, dessen Schallwellen (200 kHz) selbst Eisdecken durchdringen können. Das Ding benötigt aber eine Wechselspannung von Peak/Peak = 270 Volt. Deswegen wird ein Push-Pull-Konverter notwendig sein.
Bisher habe ich allerdings nicht mit der Elektronik angefangen, sondern nur mit den mechanischen Komponenten des Bootes.

Ich habe mir aus glasfaserverstärktem Kunststoff (kurz GKF) auf einem Holzmodell eine Hülle für das Boot laminiert. Diese wird jedoch nur aus optischen Aspekten und der Führung von Rudern und Propeller wichtig sein. Die wichtigen Komponenten (Pumpe, Motor, Akku, Elektronik, Tauchtank, Drucksensor usw) befinden sich in einem druckfesten Rohr innerhalb dieser GFK-Hülle. Dieses Rohr ist aus Kunststoff und wird vorne und hinten mit zwei grossen Aludeckeln mit je zwei O-Ringen abgedichtet. Diese bekommen später noch Bohrungen für alle möglichen Durchführungen.
Um eine einfache Montage der Technik zu ermöglichen, habe ich ein Technikgerüst gebaut. Dieses besteht im Wesentlichen aus drei M6-Gewindestangen und vier 5mm PVC-Ringen. Die Gewindestangen werden später aus den Aludeckeln ragen und dort mit Dichtungsringen und Hutmutern wasserdicht zugeschraubt.

Sollte das Thema hier auf Interesse stossen, werde ich gerne weiterhin dokumentieren, wie die Arbeiten vorangehen. Es würde mich auch freuen, wenn die erfahrenen User dieses Forums mir bei Fragen zur Seite stehen würden.

Hier sind noch einige Bilder von den Komponenten, die ich bisher habe:

Bau des Urmusters
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Verspachteln, laminieren und schleifen


Am Dienstag wird die GFK-Hülle aufgesägt, die Kanten verschliffen und das Boot lackiert.

Gruss

Arthipex

[Rabenauge]

Nette Sache- erzähl mal weiter, ich bin gespannt...

[Arthipex]

Hallo zusammen!
Es hat ganz schön gedauert, bis ich hier wieder schreibe, aber in der Zwischenzeit habe ich bereits anständige Fortschritte gemacht.

Die GFK-Arbeiten sind mittlerweile eigentlich fertig, nur die Ruder müssen noch gegossen werden.
Zum mechanischen Aspekt: Die besagten Aludeckel sind eingetroffen. Ein Freund des Vaters hat mir diese zum Unkostenpreis gedreht. Das Technikgerüst in zu grossen Teilen gebenfalls fertig. Für 5 Franken in die Kaffekasse wurden mir ein paar PVC-Platten zurechtgeschnitten, die ich mit Kabelbindern auf den Gewindestangen befestigt habe. Das klingt zwar nach einem Flickwerk, aber ich versichere euch, dass dies bombenfest hält.

Zusätzlich habe ich noch zwei Zahnradpumpen gekauft, die nebeneinander 3.2 Liter/Minute fördern. Das sollte für den Tauchtank ausreichen.

Technikgerüst (https://www.dropbox.com/s/senfo913q2o6pmx/20140601_151454.jpg)
PVC-Platte Technikgerüst (https://www.dropbox.com/sc/umaejyr2f52zy7i/AAApuyHIQUlFW646m5hJCRtPa)

Nun zum elektronischen Teil:
Wie im vorherigen Post erwähnt, benötigt der Piezo eine Wechselspannung von ~270V. Aus diesem Grund habe ich einen Wandler gebaut, welcher eine gleichgerichtete Spannung von 260 Volt ausgibt. Das ganze wird dann durch einen NE555-Oszillator (200kHz) über einen ziemlich spannungsfesten Mosfet getaktet. Das GO zum ganzen kommt vom Mikroprozessor und schaltet dann zwei NAND-Gatter in Serie durch.

Wandler (https://www.dropbox.com/sc/obl6shx872dw7n7/AAD8BMwFjR5FsD7HSoZDkGafa)
Oszillator (https://www.dropbox.com/sc/l7p14r2ttuuh0kp/AAC15K1bcAHwaYi8ES9GDyU2a)
Logikgatter (https://www.dropbox.com/sc/zl5wgpq3nzvn4nd/AABPnj0dJiPSqU_mhKXgu3tNa)
Alle Komponenten mit Board für Mikroprozessor (https://www.dropbox.com/sc/jbxcjzi5xpo4kpo/AADzI3W-oX_wKGFVzdEHQJgya)

Ich hoffe, die Links funktionieren.

Wie immer bin ich sehr offen für Fragen und Anregungen!

[Wsk8]

Die Hülle dient nur zur Optik und läuft dann mit Wasser voll(Gibts davon auch noch ein paar Bilder?)? Das Holzgerüst sollte nämlich komplett dicht sein und nicht mit Wasser in Berührung kommen, sonst weicht es dir alles auf und fällt auseinander!!

Was genau soll das Uboot machen? Per Kompass ein paar Runden drehen und mit dem Echolot Hindernisse erkennen?

Soll es auch eine (Funk)Verbindung geben? Funk Unterwasser ist nämlich so eine Sache...

mfg

[Arthipex]

Die Hülle dient nur zur Optik und läuft dann mit Wasser voll(Gibts davon auch noch ein paar Bilder?)

Abgesehen davon, dass es das Boot etwas stromlinienförmiger macht, ja.
Vielleicht habe ich mich etwas unklar ausgedrückt: Das Holzmodell dient nur als "Schablone" für die GFK-Hülle. Es befindet sich am Ende kein Holz im Boot.


Was genau soll das Uboot machen? Per Kompass ein paar Runden drehen und mit dem Echolot Hindernisse erkennen?

Es fährt ein Suchmuster ab. Das sieht ungefähr so aus. Suchmuster (http://i18.photobucket.com/albums/b117/CV32/ASW_parallel_search_pattern.gif)


Soll es auch eine (Funk)Verbindung geben? Funk Unterwasser ist nämlich so eine Sache...

Nein, es wird keine Funkverbindung geben. Das Boot soll sich vollkommen autonom bewegen und am Ende auftauchen, damit es geborgen werden kann.

Klar gibt es davon Bilder ;)
Es sieht im Moment noch nicht besonders schön aus. Das liegt daran, dass ich die Poren auf der Oberfläche noch nicht gefüllt habe. Zudem hatte ich nach dem Lackieren eine bessere Idee, wie man das ganze verschliessen kann. Deswegen die unlackierten Stellen. Das Stück ist übrigens 140cm lang :mrgreen:

[Wsk8]

Abgesehen davon, dass es das Boot etwas stromlinienförmiger macht, ja.
Das natürlich auch :)


Das Holzmodell dient nur als "Schablone" für die GFK-Hülle. Es befindet sich am Ende kein Holz im Boot.
Achso, war das nur die Positivform? Ist auf den Bildern nicht wirklich zu sehen.


Nein, es wird keine Funkverbindung geben. Das Boot soll sich vollkommen autonom bewegen und am Ende auftauchen, damit es geborgen werden kann.
Wie programmierst du neu? Wie startest du das Programm? Wie beendest du das Programm? Was machst du bei einem Fehler?
Jedes mal den Druckkörper öffnen/schließen erscheint mir ein wenig umständlich..

Und berechne die Größe des Druckkörpers genau!!! Für jeden Liter Luft, brauchst du 1Kg Gewicht!!! Und dein Druckkörper sieht ziemlich groß aus.

mfg

[Arthipex]

Dass das mit dem Programmieren nicht ganz so einfach wird, weiss ich. Ich habe mir überlegt, das ganze am Trockenen zu üben. Der einzige Unterschied zum Wasser ist dann der Koeffizient, wie schnell sich der Schall im Medium ausbreitet.

Programmiert wird alles daheim. Ich möchte nicht mit dem Laptop ins Schwimmbad rennen. Das Problem mit dem Druckrohr ist nicht so gross, es ist nämlich mit nur 3 Muttern verschlossen.

Gestartet und gestoppt soll das Programm mit einem Magnetschalter werden.

[Rabenauge]

Pack den Lapi trotzdem ein, wenns so weit ist.
Kaum ein Programm tut, auch nach ausgiebigsten Labortests, in der Wirklichkeit das, was man erwartet...;)

[Crazy Harry]

Interessantes Teil, also bitte weiter berichten.

Eines hab ich aber noch nicht verstanden: Du pumpst Wasser in die Tauchtanks zum untertauchen und unter Wasser aus den Tanks zum auftauchen ..... aber wo kommt die Luft her, die dann in den Tanks ist ?

Noch was zu deinem Sonar: bei meinem steht ausdrücklich in der Anleitung, daß man es auf keinen Fall über Wasser einschalten darf und Schwimmer/Taucher mindestens 8m Abstand halten müssen.

Weiter viel Erfolg .... ich lese mit :)

[Geistesblitz]

@Harry: ich denk mal, die Luft wird einfach zusammengedrückt, ähnlich wie bei einem Flaschenteufel. Die Pumpe kann dann ja, je nachdem, in welche Richtung sie betrieben wird, einen Über- oder Unterdruck erzeugen, der dann die Luft zusammendrückt oder expandieren lässt.

[Crazy Harry]

@Harry: ich denk mal, die Luft wird einfach zusammengedrückt, ähnlich wie bei einem Flaschenteufel. Die Pumpe kann dann ja, je nachdem, in welche Richtung sie betrieben wird, einen Über- oder Unterdruck erzeugen, der dann die Luft zusammendrückt oder expandieren lässt.

Dann benötigt er aber ein Ventil, das verhindert, daß bei geflutetem Tank der Überdruck den Tank leert ..... oder eine äußerst dichte Pumpe. Eigentlich könnte er den Tank mit dem vorhandenen Überdruck leeren, aber das wird je tiefer immer schwieriger ;)

[michiE]

Hallo Harry, ich habe gestern ein kleines Experiment zum Thema ROV gebaut, besteht hauptsächlich aus Boschprofilen mit Wasserrohren als Druckkörper für die Elektronik, Akkus, ...
Mein Tauchtank besteht aus einem Rohr mit 2,6l Volumen. Das Rohr ist zunächst luftgefüllt und besitzt an der Unterseite einen Anschluss für die Füllleitung. Daneben, in einem der beiden Technikrohre, befindet sich eine Spritpumpe aus dem Modellbau. Es handelt sich um eine Zahnradpumpe welche bis zu 2 Bar Druck erzeugen kann (zumindest laut Messung, der Hersteller behauptet weniger). Diese Pumpe ist nicht dicht. Muss sie auch nicht sein. Ein Drucksensor im Tank gibt ganz guten Aufschluss über den aktuellen Füllstand. Drückt die Pumpe Wasser in den Tank steigt der Druck der eingeschlossenen Luft, Saugt die Pumpe das Wasser herraus, sinkt der Druck wieder. Es reicht also eine Regelung des Innendrucks im Rohr. Diese Methode funktionierte zumindest bei den ersten beiden Tests echt klasse. Mit dem 2,6l Rohr komme ich auf ungefähr 1,5l Wasser, es ist so austariert, dass es bei ungefähr 900ml Wasser anfängt langsam zu sinken, so ist genug Reserve in beide Richtungen. Einziger Nachteil ist, dass auf Grund der Undichtigkeit der Pumpe diese ab und zu anläuft und dann etwas Strom verbraucht.

[EDIT:] Was steckt da denn für ein controller drin und welche Sensoren hast du denn dabei ?

[Crazy Harry]

Was steckt da denn für ein controller drin und welche Sensoren hast du denn dabei ?

Hi Michi,

auf was ist das bezogen ? Bei mir steckt nirgends ein Controller oder Sensor ..... ich bin nur neugierig :)

Gruss
Harry

[michiE]

Hi Harry, die Frage war eigentlich an Artipex ;)