Gerris USV – гідродрону з нуля!

Сьогодні «У майстерні» про трохи масштабніший проект — тобто про безпілотне судно, яке використовується, наприклад, для батиметричних вимірювань. Про наш перший катамаран, адаптований до радіокерованої версії, ви можете прочитати у 6 випуску «Юного техніка» за 2015 рік. Цього разу команда MODELmaniak (група досвідчених моделістів, пов'язаних із Групою модельних майстерень Kopernik у Вроцлаві) зіткнулася з дружнім завданням розробити з нуля плавучу платформу для вимірювальних пристроїв, яка ще краще пристосована до умов роботи на гравії. кар'єр, з можливістю розширення до автономної версії, що дає оператору більше перепочинку.

Почав з адаптації.

Вперше ми зіткнулися з подібною проблемою, коли кілька років тому нас запитали про можливість постановки на озброєння приводів та адаптація до радіоуправління причіпним батиметричним (тобто вимірювальна платформа, що використовується для вимірювання глибини водойм).

1. Перша версія вимірювальної платформи, адаптована лише до версії RC

2. Приводи першого гідродрону були трохи модифіковані акваріумні інвертори - і працювали цілком непогано, хоча "будівельної стійкості" у них точно не було.

Завдання моделювання полягало в тому, щоб спроектувати та виготовити приводи для готових ПЕ поплавців заводського виготовлення, виготовлених за технологією витягування та видування (РСВМ – за аналогією з ПЕТ-пляшками). Проаналізувавши умови експлуатації та наявні варіанти, ми вибрали досить незвичайне рішення – і, не заважаючи корпусам нижче ватерлінії, встановили як приводи акваріумні циркулятори-інвертори з доданою можливістю повороту на 360° та підйому (наприклад, при попаданні перешкоди або під час транспортування). . Це рішення, що додатково підтримується окремою системою управління та електроживлення, дозволяло здійснювати управління та повертати його оператору навіть у разі виходу з ладу однієї з секцій (правої чи лівої). Рішення виявилися настільки успішними, що катамаран працює досі.

3. Під час підготовки власного проекту ми докладно розібрали (часто особисто!) безліч подібних рішень – на цій ілюстрації німецька…

4.… тут – американець (і ще кілька десятків). Однокорпусники ми відкинули як менш універсальні, а приводи, що виступають нижче днища, як потенційно проблематичні в експлуатації та транспортуванні.

Проте недоліком виявилася чутливість дисків до забруднення води. Хоча ви можете швидко видалити пісок з ротора після аварійного запливу до берега, вам потрібно бути обережним із цим аспектом при спуску на воду та плаванні близько до дна. Тому що це, тим не менш, включає розширення можливостей вимірювання, і воно також розширилося за цей час. область застосування гідродрону (На річках) наш друг виявив інтерес до нової, спеціально розробленої для цих цілей девелоперської версії платформи. Ми взялися за цей виклик – відповідно до дидактичного профілю наших студій і водночас даючи можливість перевірити розроблені рішення на практиці!

5. Модульні корпуси, що швидко складаються, дуже надихали своєю універсальністю і зручністю транспортування 3 (фото: матеріали виробника)

Герріс УСВ – технічні дані:

• Довжина/ширина/висота 1200/1000/320 мм

• Конструкція: епоксидно-скляний композит, алюмінієва сполучна рама.

• Водотоннажність: 30 кг, у тому числі вантажопідйомність: не менше 15 кг

• Привід: 4 двигуни BLDC (з водяним охолодженням)

• Напруга живлення: 9,0 В… 12,6 В

• Швидкість: робоча: 1 м/с; максимальна: 2 м/с

• Час роботи на одному заряді: до 8 годин (з двома батареями по 70 Ач)

• Сайт проекту: https://www.facebook.com/GerrisUSV/

Навчання продовжилися – тобто припущення нового проекту

Керівні принципи, що ми поставили собі при створенні власної версії, були такими:

• двокорпусний (як і в першому варіанті, що гарантує найбільшу стійкість, необхідну для отримання точних вимірів ехолот);
• дублюючі системи приводу, живлення та управління;
• водотоннажність, що дозволяє встановити бортове обладнання масою мін. 15 кг;
• легке розбирання для транспортування та додаткових транспортних засобів;
• розміри, що дозволяють перевозити у звичайному легковому автомобілі навіть у зібраному вигляді;
• захищені від пошкоджень та забруднень, продубльовані приводи в обведенні корпусу;
• універсальність платформи (можливість використання інших додатках);
• можливість оновлення до автономної версії.

6. Початковий варіант нашого проекту передбачав модульний поділ на секції, побудовані за різними технологіями, які, однак, могли збиратися так само легко, як популярні блоки та отримувати різні можливості використання: від радіокерованих рятувальних моделей, через платформи USV, до електричних водних велосипедів.

Дизайн проти технології, тобто навчання на помилках (або до трьох разів більше, ніж мистецтво)

Спочатку були, звичайно, дослідження — багато часу було витрачено на пошук в Інтернеті схожих конструкцій, рішень та технологій. Вони нас так надихнули гідродронія різного застосування, а також модульні байдарки та невеликі пасажирські катери для самостійного збирання. У числі перших ми знайшли підтвердження цінності двокорпусної компоновки агрегату (але практично у всіх їх гребні гвинти розташовувалися під морським дном — більшість з них були розраховані на роботу в чистіших водах). Модульні рішення каяки промислового виробництва спонукали нас розглянути питання про розподіл корпусу моделі (і роботи в майстерні) на дрібніші елементи. Таким чином, було створено першу версію проекту.

7. Завдяки редактору Jakobsche були швидко створені наступні варіанти 3D-дизайну – необхідні для реалізації в технології філаментного друку (перші два та останні два сегменти корпусу – це результат обмежень поліграфії простір принтерів, що належать).

Спочатку ми прийняли змішану технологію. У першому прототипі носова і кормова частини повинні були бути з міцного матеріалу, який ми змогли знайти (акрилонітрил-стирол-акрилат - скорочено ASA).

8. При передбачуваній точності та повторюваності з'єднань модулів середні частини (довжиною півметра, зрештою теж один метр) вимагали відповідної апаратури.

9. Наш найкращий технолог із виробництва пластмас виготовив серію тестових модулів ще до того, як було надруковано перший екстремальний елемент ASA.

Зрештою, після перевірки концепції, для більш швидкої реалізації наступних корпусів, ми також припустили використання відбитків як копит для створення форм для ламінування. Середні модулі (довжиною 50 або 100 см) повинні були бути склеєні з пластикових пластин – для чого наш справжній пілот та спеціаліст з технології пластмас – Кшиштоф Шміт (відомий читачам “На майстерні”, зокрема співавтор (МТ 10 / 2007) або радіокерована машина-амфібія-молот (МТ 7/2008).

10. Друк крайніх модулів небезпечно затягувався, тому ми почали створювати позитивні шаблони корпусу – тут у класичному ребейтному варіанті.

11. Обшивка з фанери вимагатиме трохи шпаклівки та остаточного фарбування – але, як виявилося, і це був непоганий захист на випадок можливого виходу з ладу штурманської бригади…

3D дизайн нової моделі для друку під редакцією Бартломея Якобше (серію його статей, присвячених тривимірним електронним проектам, можна знайти у випусках «Młodego Technika» від 9/2018–2/2020). Незабаром ми почали друку перших елементів фюзеляжу – але тут і почалися перші кроки… Точно точний друк тривав неоднозначно довше, ніж ми очікували, і були дорогі дефекти, що виникли в результаті використання набагато міцнішого, ніж зазвичай, матеріалу…

12. …який виготовив аналогічне копито з корпусу з піноматеріалу XPS та технології ЧПУ.

13. Пінопластове ядро ​​також мало бути очищене.

З датою приймання, що тривожно швидко наближається, ми вирішили відмовитися від модульної конструкції і 3D-друк для твердої та більш відомої технології ламінату – і ми почали працювати у двох командах паралельно над різними типами позитивних патернів (копитців) корпус: традиційний (будівельний та фанерний) та пінопластовий (з використанням великого фрезерного верстата з ЧПУ). У цій гонці «команда нових технологій» на чолі з Рафалом Ковальчиком (до речі, мультимедійним гравцем національних та світових конкурсів конструкторів радіокерованих моделей, зокрема співавтором описаного «На майстерні» 6/2018) отримав перевагу.

14. … бути придатним виготовлення негативної матриці …

15. …де невдовзі було зроблено перші склоепоксидні відбитки поплавців. Було використано один гелькоут, добре помітний на воді (оскільки ми вже відмовилися від модулів, не було причин заважати роботі з двоколірними декораціями).

Тому подальша робота майстерні йшла третьим конструкторським шляхом Рафаля: починаючи від створення позитивних форм, потім негативних – через відбитки епоксидно-скляних корпусів – до готових платформ УСВ (): спочатку повністю обладнаний прототип, а потім наступні, ще більш досконалі копії першої серії. Тут форма та деталі корпусу були адаптовані до цієї технології – незабаром третя версія проекту отримала унікальне ім'я від свого лідера.

16. Припущенням цього освітнього проекту було використання загальнодоступного, моделюючого устаткування – але це отже, що ми відразу була ідея кожного елемента – навпаки, сьогодні важко порахувати, скільки змін було випробувано – і цьому вдосконалення конструкції не закінчилося.

17. Це менший з акумуляторів, що використовуються – вони дозволяють платформі працювати чотири години під робочим навантаженням. Також є варіант подвоїти місткість – благо, сервісні люки та велика плавучість дозволяють багато.

Герріс УСВ - жвавий, працюючий малюк (і зі своїм розумом!)

Гарріс це латинська родова назва скакунів - напевно, всім відомих комах, які, ймовірно, носяться по воді на широко розставлених кінцівках.

Корпуси гідродрону-мішені виготовлені із багатошарового склоепоксидного ламінату – досить міцного для важких, піщано-гравійних умов передбачуваних робіт. Їх з'єднувала швидко розбирається алюмінієва рама з розсувними (для полегшення постановки осідання) балками для кріплення вимірювальних приладів (ехолота, GPS, бортового комп'ютера та ін.). Додаткові зручності у транспортуванні та використанні криються в контурах корпусів. диски (По два на поплавок). Подвійні двигуни також означають менші гвинти та більшу надійність, і водночас можливість використання ще більшого моделювання, ніж промислові двигуни.

18. Погляд на салон з моторами та коробкою електрообладнання. Видима силіконова трубка є частиною системи водяного охолодження.

19. Для перших випробувань на воді ми обтяжили корпуси, щоб катамаран поводився адекватно умовам передбачуваної роботи – але ми вже знали, що платформа впорається з цим!

У наступних версіях ми тестували різні рухові установки, поступово збільшуючи їхню ефективність і потужність – тому наступні версії платформи (на відміну від першого катамарану багаторічної давності) з безпечним запасом швидкості також справляються з кожною польською річкою.

20. Базовий комплект – з одним (тут ще не підключеним) гідролокатором. Дві монтажні балки, які замовляється користувачем, також дозволяють дублювати вимірювальні пристрої і, таким чином, підвищують достовірність самих вимірювань.

21. Робоче середовище зазвичай є гравій з дуже каламутною водою.

Так як агрегат розрахований на роботу від 4 до 8 годин безперервно, ємністю 34,8 Ач (або 70 Ач у наступному варіанті) - по одному в кожному корпусі. При такому тривалому часі роботи очевидно, що трифазні двигуни та їх регулятори необхідно охолоджувати. Робиться це за допомогою типового моделюючого водяного контуру, взятого через гребні гвинти (додатковий водяний насос виявився непотрібним). Ще одним захистом від можливої ​​відмови, викликаної температурою всередині поплавців, є телеметричне зчитування параметрів на операторському пульті управління (тобто типовий для сучасного моделювання передавач). На постійній основі діагностуються, зокрема, обороти двигунів, їх температура, температура регуляторів, напруга акумуляторів і т.д.

22. Тут не місце для гладких укорочених моделей!

23. Наступним кроком у розвитку цього проекту стало додавання Автономних систем управління. Після трасування водоймища (по карті Google або вручну – по обтіканню контурною одиницею вимірюваної водойми) комп'ютер перераховує маршрут за передбачуваними параметрами і після включення автопілота одним перемикачем оператор може зручно сісти на спостерігати за роботою пристрою з прохолодним напоєм у руці.

Головним завданням всього комплексу є вимірювання та збереження в окремій геодезичній програмі результатів вимірювань глибини води, що використовуються в подальшому для визначення інтерполованої загальної ємності водосховища (і таким чином, наприклад, для перевірки кількості вибраних гравію з моменту останнього виміру). Ці вимірювання можуть бути виконані або за допомогою ручного керування човна (ідентично звичайної плавучої моделі з дистанційним керуванням) або повністю автоматичним натисканням перемикача. Потім поточні показання сонара за глибиною та швидкістю руху, статус місії або місцезнаходження об'єкта (від надзвичайно точного RTK GPS-приймача, позиціонованого з точністю до 5 мм) передаються оператору на постійній основі диспетчером та керуючим додатком (у ньому також можна задати параметри планованої місії) .

Практичні версії іспиту та розробки

Описаний гідродрону Він успішно пройшов ряд випробувань у різних, типово робочих умовах, і вже більше року справно служить кінцевому споживачеві, ретельно «пропахуючи» нові водойми.

Успіх прототипу та накопичений досвід призвели до народження нових, ще досконаліших вузлів цього агрегату. Універсальність платформи дозволяє використовувати її не тільки в геодезичних додатках, а й, наприклад, у студентських проектах та багатьох інших завданнях.

Я вірю, що завдяки вдалим рішенням та старанності та таланту керівника проекту скоро буде Герріс човна, після перетворення на комерційний проект вони складуть вагому конкуренцію американським рішенням, запропонованим Польщі, багаторазово дорожчим з погляду купівлі та обслуговування.

Якщо вас цікавлять деталі, які не описані тут, і найсвіжіша інформація про розвиток цієї цікавої структури, будь ласка, відвідайте сайт проекту: GerrisUSV на Facebook або за традицією: MODElmaniak.PL.

Я закликаю всіх читачів об'єднувати таланти для спільного створення новаторських та корисних проектів – незалежно від (як знайомо!) «Тут нічого не окупається». Віри у свої сили, оптимізму та доброї співпраці всім нам!