Gerris USV - sıfırdan hidrodrone!

Сегодня «В мастерской» о чуть более масштабном проекте — то есть о беспилотном судне, используемом, например, для батиметрических измерений. О нашем первом катамаране, адаптированном к радиоуправляемой версии, вы можете прочитать в 6 выпуске «Юного техника» за 2015 год. На этот раз команда MODELmaniak (группа опытных моделистов, связанных с Группой модельных мастерских Kopernik во Вроцлаве) столкнулась с дружеской задачей разработать с нуля плавучую платформу для измерительных устройств, еще лучше приспособленную к условиям работы на гравии. карьер, с возможностью расширения до автономной версии, что дает оператору больше передышки.

Начал с адаптации…

Впервые мы столкнулись с подобной проблемой, когда несколько лет назад нас спросили о возможности постановки на вооружение приводов и адаптация к радиоуправлению прицепным батиметрическим (т.е. измерительная платформа, используемая для измерения глубины водоемов).

1. Первая версия измерительной платформы, адаптированная только к версии RC

2. Приводы первого гидродрона представляли собой слегка модифицированные аквариумные инверторы – и работали вполне неплохо, хотя “строительной стойкости” у них точно не было.

Задача моделирования состояла в том, чтобы спроектировать и изготовить приводы для готовых ПЭ поплавков заводского изготовления, изготовленных по технологии вытягивания и выдувания (РСВМ – по аналогии с ПЭТ-бутылками). Проанализировав условия эксплуатации и имеющиеся варианты, мы выбрали довольно необычное решение – и, не мешая корпусам ниже ватерлинии, установили в качестве приводов аквариумные циркуляторы-инверторы с добавленной возможностью поворота на 360° и подъема (например, при попадании препятствия или во время транспортировки) ). Это решение, дополнительно поддерживаемое отдельной системой управления и электропитания, позволяло осуществлять управление и возвращать его оператору даже в случае выхода из строя одной из секций (правой или левой). Решения оказались настолько успешными, что катамаран работает до сих пор.

3. При подготовке собственного проекта мы подробно разобрали (часто лично!) множество подобных решений – на этой иллюстрации немецкий…

4.… здесь – американец (и еще несколько десятков). Однокорпусники мы отвергли как менее универсальные, а выступающие ниже днища приводы как потенциально проблематичные в эксплуатации и транспортировке.

Однако недостатком оказалась чувствительность дисков к загрязнению воды. Хотя вы можете быстро удалить песок из ротора после аварийного заплыва к берегу, вам нужно быть осторожным с этим аспектом при спуске на воду и плавании близко ко дну. Потому что это, тем не менее, включает в себя расширение возможностей измерения, и оно также расширилось за это время. область применения гидродрона (на реках) наш друг проявил интерес к новой, специально разработанной для этих целей девелоперской версии платформы. Мы взялись за этот вызов – в соответствии с дидактическим профилем наших студий и в то же время давая возможность проверить разработанные решения на практике!

5. Быстро складывающиеся модульные корпуса очень вдохновляли своей универсальностью и удобством транспортировки 3 (фото: материалы производителя)

Геррис УСВ – технические данные:

• Длина/ширина/высота 1200/1000/320 мм

• Конструкция: эпоксидно-стеклянный композит, алюминиевая соединительная рама.

• Водоизмещение: 30 кг, в том числе грузоподъемность: не менее 15 кг

• Привод: 4 двигателя BLDC (с водяным охлаждением)

• Напряжение питания: 9,0 В… 12,6 В

• Скорость: рабочая: 1 м/с; максимальная: 2 м/с

• Время работы на одном заряде: до 8 часов (с двумя батареями по 70 Ач)

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

Учения продолжились – то есть предположения для нового проекта

Руководящие принципы, которые мы поставили перед собой при разработке собственной версии, были следующими:

• двухкорпусный (как и в первом варианте, гарантирующий наибольшую устойчивость, необходимую для получения точных измерений эхолотом);
• дублирующие системы привода, питания и управления;
• водоизмещение, позволяющее установить бортовое оборудование массой мин. 15 кг;
• легкая разборка для транспортировки и дополнительных транспортных средств;
• размеры, позволяющие перевозить в обычном легковом автомобиле даже в собранном виде;
• защищены от повреждений и загрязнений, продублированы приводы в обводе корпуса;
• универсальность платформы (возможность использования в других приложениях);
• возможность обновления до автономной версии.

6. Первоначальный вариант нашего проекта предполагал модульное деление на секции, построенные по разным технологиям, которые, однако, могли собираться так же легко, как популярные блоки и получать различные возможности использования: от радиоуправляемых спасательных моделей, через платформы USV, до электрических водные велосипеды

Дизайн против технологии, т. е. обучение на ошибках (или до трех раз больше, чем искусство)

Сначала были, конечно, исследования — много времени было потрачено на поиск в Интернете похожих конструкций, решений и технологий. Они нас так вдохновили гидродрония различного применения, а также модульные байдарки и небольшие пассажирские катера для самостоятельной сборки. В числе первых мы нашли подтверждение ценности двухкорпусной компоновки агрегата (но практически во всех из них гребные винты располагались под морским дном — большинство из них были рассчитаны на работу в более чистых водах). Modüler çözümler каяки промышленного производства побудили нас рассмотреть вопрос о разделении корпуса модели (и работы в мастерской) на более мелкие элементы. Таким образом, была создана первая версия проекта.

7. Благодаря редактору Jakobsche были быстро созданы последующие варианты 3D-дизайна – необходимые для реализации в технологии филаментной печати (первые два и последние два сегмента корпуса – это результат ограничений полиграфии пространство принадлежащих принтеров).

Изначально мы приняли смешанную технологию. В первом прототипе носовая и кормовая части должны были быть из самого прочного материала, который мы смогли найти (акрилонитрил-стирол-акрилат — сокращенно ASA).

8. При предполагаемой точности и повторяемости соединений модулей средние части (длиной полметра, в конечном итоге тоже один метр) требовали соответствующей аппаратуры.

9. Наш лучший технолог по производству пластмасс изготовил серию тестовых модулей еще до того, как был напечатан первый экстремальный элемент ASA.

В конечном итоге, после проверки концепции, для более быстрой реализации последующих корпусов, мы также предположили использование оттисков в качестве копыт для создания форм для ламинирования. Средние модули (длиной 50 или 100 см) должны были быть склеены из пластиковых пластин – для чего наш настоящий пилот и специалист по технологии пластмасс – Кшиштоф Шмит (известный читателям “На мастерской”, в том числе, как соавтор (МТ 10 / 2007) или радиоуправляемая машина-амфибия-молот (МТ 7/2008).

10. Печать крайних модулей опасно затягивалась, поэтому мы начали создавать позитивные шаблоны корпуса – здесь в классическом, ребейтном варианте.

11. Обшивка из фанеры потребует немного шпаклевки и окончательной покраски – но, как оказалось, и это была неплохая защита на случай возможного выхода из строя штурманской бригады…

3D дизайн новой модели для печати под редакцией Бартломея Якобше (серию его статей, посвященных трехмерным электронным проектам, можно найти в выпусках «Młodego Technika» от 9 / 2018–2 / 2020). Вскоре мы приступили к печати первых элементов фюзеляжа – но тут и начались первые шаги… Точно точная печать длилась неоднозначно дольше, чем мы ожидали, и были дорогостоящие дефекты, возникшие в результате использования гораздо более прочного, чем обычно, материала…

12. …который изготовил аналогичное копыто из корпуса из пеноматериала XPS и технологии ЧПУ.

13. Пенопластовое ядро ​​также должно было быть очищено.

С тревожно быстро приближающейся датой приемки мы решили отказаться от модульной конструкции и 3D-печать для твердой и более известной технологии ламината – и мы начали работать в двух командах параллельно над разными типами позитивных паттернов (копытцев) konut: традиционный (строительный и фанерный) и пенопластовый (с использованием большого фрезерного станка с ЧПУ). В этой гонке «команда новых технологий» во главе с Рафалом Ковальчиком (кстати, мультимедийным игроком национальных и мировых конкурсов конструкторов радиоуправляемых моделей — в том числе соавтором описанного «На мастерской» 6/2018) получил преимущество.

14. … быть пригодным для изготовления негативной матрицы …

15. …где вскоре были сделаны первые стеклоэпоксидные отпечатки поплавков. Был использован один гелькоут, хорошо заметный на воде (поскольку мы уже отказались от модулей, не было причин мешать работе с двухцветными декорациями).

Поэтому дальнейшая работа мастерской шла по третьему конструкторскому пути Рафаля: начиная от создания позитивных форм, затем негативных – через отпечатки эпоксидно-стеклянных корпусов – к готовым платформам УСВ (): сначала полностью оборудованный прототип, а затем последующие, еще более совершенные копии первой серии. Здесь форма и детали корпуса были адаптированы к этой технологии — вскоре третья версия проекта получила уникальное имя от своего лидера.

16. Предположением этого образовательного проекта было использование общедоступного, моделирующего оборудования – но это не значит, что у нас сразу была идея для каждого элемента – наоборот, сегодня трудно сосчитать, сколько конфигураций было опробовано – и на этом совершенствование конструкции не закончилось.

17. Это меньший из используемых аккумуляторов – они позволяют платформе работать четыре часа под рабочей нагрузкой. Также есть вариант удвоить вместимость — благо, сервисные люки и большая плавучесть позволяют многое.

Геррис УСВ — бойкий, работающий малыш (и со своим умом!)

Гэррис это латинское родовое название скакунов – наверное, всем известных насекомых, вероятно, носящихся по воде на широко расставленных конечностях.

Корпуса гидродрона-мишени изготовлены из многослойного стеклоэпоксидного ламината – достаточно прочного для тяжелых, песчано-гравийных условий предполагаемых работ. Их соединяла быстро разбираемая алюминиевая рама с раздвижными (для облегчения постановки осадки) балками для крепления измерительных приборов (эхолота, GPS, бортового компьютера и др.). Дополнительные удобства в транспортировке и использовании кроются в очертаниях корпусов. диски (по два на поплавок). Двойные двигатели также означают меньшие винты и большую надежность, и в то же время возможность использования еще большего моделирования, чем промышленные двигатели.

18. Взгляд на салон с моторами и коробкой электрооборудования. Видимая силиконовая трубка является частью системы водяного охлаждения.

19. Для первых испытаний на воде мы утяжелили корпуса, чтобы катамаран вел себя адекватно условиям предполагаемой работы – но мы уже знали, что платформа справится с этим!

В последующих версиях мы тестировали различные двигательные установки, постепенно увеличивая их эффективность и мощность – поэтому последующие версии платформы (в отличие от первого катамарана многолетней давности) с безопасным запасом скорости также справляются с течением каждой польской реки.

20. Базовый комплект – с одним (здесь еще не подключенным) гидролокатором. Две монтажные балки, заказываемые пользователем, также позволяют дублировать измерительные устройства и, таким образом, повышают достоверность самих измерений.

21. Рабочая среда обычно представляет собой гравий с очень мутной водой.

Так как агрегат рассчитан на работу от 4 до 8 часов непрерывно, емкостью 34,8 Ач (или 70 Ач в следующем варианте) – по одному в каждом из корпусов. При столь длительном времени работы очевидно, что трехфазные двигатели и их регуляторы необходимо охлаждать. Делается это с помощью типичного моделирующего водяного контура, взятого из-за гребных винтов (дополнительный водяной насос оказался ненужным). Еще одной защитой от возможного отказа, вызванного температурой внутри поплавков, является телеметрическое считывание параметров на операторском пульте управления (т.е. типичный для современного моделирования передатчик). На постоянной основе диагностируются, в частности, обороты двигателей, их температура, температура регуляторов, напряжение питающих аккумуляторов и т.д.

22. Здесь не место для гладких укороченных моделей!

23. Следующим шагом в развитии этого проекта стало добавление Автономных систем управления. После трассировки водоема (по карте Google или вручную – по обтеканию контурной единицей измеряемого водоема) компьютер пересчитывает маршрут по предполагаемым параметрам и после включения автопилота одним переключателем оператор может удобно сесть на наблюдать за работой устройства с прохладительным напитком в руке…

Главной задачей всего комплекса является измерение и сохранение в отдельной геодезической программе результатов измерений глубины воды, используемых в дальнейшем для определения интерполированной общей емкости водохранилища (и таким образом, например, для проверки количества выбранных гравия с момента последнего измерения). Эти измерения могут быть выполнены либо с помощью ручного управления лодки (идентично обычной плавучей модели с дистанционным управлением), либо полностью автоматическим нажатием переключателя. Затем текущие показания сонара по глубине и скорости движения, статус миссии или местонахождение объекта (от чрезвычайно точного RTK GPS-приемника, позиционированного с точностью до 5 мм) передаются оператору на постоянной основе диспетчером и управляющим приложение (в нем также можно задать параметры планируемой миссии).

Практические версии экзамена и разработки

Описанный гидродрон Он успешно прошел ряд испытаний в различных, типично рабочих условиях, и уже более года исправно служит конечному потребителю, кропотливо «пропахивая» новые водоемы.

Успех прототипа и накопленный опыт привели к рождению новых, еще более совершенных узлов этого агрегата. Универсальность платформы позволяет использовать ее не только в геодезических приложениях, но и, например, в студенческих проектах и ​​многих других задачах.

Я верю, что благодаря удачным решениям и усердию и таланту руководителя проекта скоро будет Геррис лодки, после преобразования в коммерческий проект они составят весомую конкуренцию американским решениям, предлагаемым в Польше, многократно более дорогим с точки зрения покупки и обслуживания.

Если вас интересуют детали, не описанные здесь, и самая свежая информация о развитии этой интересной структуры, пожалуйста, посетите сайт проекта: GerrisUSV на Facebook или по традиции: MODElmaniak.PL.

Я призываю всех читателей объединять таланты для совместного создания новаторских и полезных проектов — вне зависимости от (как знакомо!) «Здесь ничего не окупается». Веры в свои силы, оптимизма и доброго сотрудничества всем нам!