Gerris USV - hydrodron od nuly!

Dnes je „V dílně“ o trochu větším projektu – tedy o bezpilotním plavidle používaném například pro batymetrická měření. O našem prvním katamaranu, upraveném na rádiem řízenou verzi, se dočtete v 6. čísle „Mladého technika“ pro rok 2015. Tentokrát tým MODELmaniak (skupina zkušených modelářů přidružených k Kopernik Model Workshops Group ve Wrocławi) čelil přátelské výzvě navrhnout od začátku plovoucí měřicí plošinu, která je ještě lépe přizpůsobena štěrkovým podmínkám. lomu, rozšiřitelný na samostatnou verzi, která dává obsluze více prostoru pro dýchání.

Začalo to přizpůsobením...

Poprvé jsme se s tímto problémem setkali, když jsme byli před pár lety dotázáni na možnost zavedení akčních členů a přizpůsobení rádiovému ovládání vlečené batymetrické (tedy měřící plošina sloužící k měření hloubky vodních ploch).

1. První verze měřicí platformy, přizpůsobená pouze verzi RC

2. Pohony prvního hydrodronu byly mírně upravené akvarijní invertory - a fungovaly docela dobře, i když rozhodně neměly „stavební odpor“.

Simulačním úkolem bylo navrhnout a vyrobit aktuátory pro prefabrikované plováky PE stretch-blow molded (RSBM – obdoba PET lahví). Po analýze provozních podmínek a dostupných možností jsme zvolili poněkud neobvyklé řešení - a bez zásahu do trupů pod čarou ponoru jsme nainstalovali akvarijní cirkulační měniče jako pohony s přidanou schopností otáčení o 360° a zdvihu (např. , při nárazu na překážku nebo během přepravy) ). Toto řešení, navíc podpořené samostatným řídicím a napájecím systémem, umožňovalo ovládání a návrat k obsluze i v případě výpadku jedné ze sekcí (pravé nebo levé). Řešení byla tak úspěšná, že katamaran je stále v provozu.

3. Při přípravě vlastního projektu jsme podrobně (často osobně!) analyzovali mnoho podobných řešení - na tomto obrázku německé ...

4.…tady je Američan (a několik desítek dalších). Odmítli jsme jednoduché trupy jako méně univerzální a pohony vyčnívající pod dno jako potenciálně problematické při provozu a přepravě.

Nevýhodou však byla citlivost disků na znečištění vody. I když po nouzovém doplavání ke břehu můžete písek z rotoru rychle odstranit, musíte být s tímto aspektem opatrní při spouštění a plavání blízko dna. Protože to však zahrnuje rozšíření možností měření a během této doby se také rozšířilo. rozsah hydrodronu (na řekách) náš kamarád projevil zájem o novou vývojovou verzi platformy speciálně navržené pro tento účel. Této výzvy jsme se chopili - v souladu s didaktickým profilem našich ateliérů a zároveň dáváme možnost otestovat vyvinutá řešení v praxi!

5. Rychle skládací modulární kufry byly velmi inspirativní svou všestranností a snadnou přepravou 3 (foto: materiály výrobce)

Gerris USV - technické údaje:

• Délka/šířka/výška 1200/1000/320 mm

• Konstrukce: epoxidový skleněný kompozit, hliníkový spojovací rám.

• Výtlak: 30 kg, včetně nosnosti: ne méně než 15 kg

• Pohon: 4 BLDC motory (vodou chlazené)

• Napájecí napětí: 9,0 V… 12,6 V

• Rychlost: pracovní: 1 m/s; maximum: 2 m/s

• Provozní doba na jedno nabití: až 8 hodin (se dvěma bateriemi 70 Ah)

• Web projektu: https://www.facebook.com/GerrisUSV/

Pokračovala cvičení – tedy předpoklady pro nový projekt

Hlavní zásady, které jsme si stanovili při vývoji naší vlastní verze, byly následující:

• dvoutrupový (stejně jako v první verzi, zaručující největší stabilitu nezbytnou pro získání přesných měření pomocí echolotu);
• redundantní pohonné, napájecí a řídicí systémy;
• výtlak, umožňující instalaci palubního zařízení o hmotnosti min. 15 kg;
• snadná demontáž pro přepravu a další vozidla;
• rozměry, které umožňují přepravu v běžném osobním automobilu, a to i ve smontovaném stavu;
• chráněné před poškozením a znečištěním, zdvojené pohony v bypassu těla;
• univerzálnost platformy (možnost použití v jiných aplikacích);
• možnost upgradu na samostatnou verzi.

6. Původní verze našeho projektu zahrnovala modulární členění na sekce postavené různými technologiemi, které se však daly sestavit stejně snadno jako oblíbené bloky a našly různé využití: od rádiem řízených záchranných modelů, přes platformy USV až po elektrická šlapadla

Design versus technologie, tedy učení se z chyb (nebo až třikrát více než umění)

Zpočátku to byly samozřejmě studie – hodně času se na internetu hledalo po podobných návrzích, řešeních a technologiích. Tolik nás inspirovali hydrodronium různé aplikace, stejně jako modulární kajaky a malé osobní lodě pro vlastní montáž. Mezi prvními jsme našli potvrzení hodnoty dvoutrupového uspořádání jednotky (ale téměř u všech byly vrtule umístěny pod mořským dnem - většina z nich byla navržena pro práci v čistších vodách). Modulární řešení průmyslové kajaky nás přiměly zvážit rozdělení trupu modelu (a dílenské práce) na menší kusy. Vznikla tak první verze projektu.

7. Díky editoru Jakobsche byly rychle vytvořeny následné možnosti 3D návrhu - nutné pro implementaci do technologie filamentového tisku (první dva a poslední dva segmenty těla jsou výsledkem omezení tiskového prostoru vlastněných tiskáren).

Zpočátku jsme přijali smíšenou technologii. U prvního prototypu musely být příď a záď vyrobeny z nejpevnějšího materiálu, jaký jsme mohli najít (akrylonitril-styren-akrylát - zkráceně ASA).

8. Při očekávané přesnosti a opakovatelnosti zapojení modulů vyžadovaly střední části (délka půl metru, případně i metr) odpovídající vybavení.

9. Náš špičkový technolog pro plasty vyrobil řadu testovacích modulů, než byl vytištěn první extrémní prvek ASA.

Nakonec, po ověření konceptu, abychom mohli další případy realizovat rychleji, jsme také zvažovali použití otisků jako kopyt k vytvoření forem pro laminaci. Střední moduly (50 nebo 100 cm dlouhé) musely být slepeny dohromady z plastových desek – k čemuž se podílel náš skutečný pilot a specialista na technologii plastů – Krzysztof Schmit (známý čtenářům „Na dílně“, mimo jiné jako spoluautor ( MT 10 / 2007) nebo rádiem řízený stroj-obojživelník-kladivo (MT 7/2008).

10. Tisk koncových modulů trval nebezpečně dlouho, a tak jsme začali vytvářet pozitivní šablony těl - zde v klasické, falcované verzi.

11. Překližkové opláštění bude vyžadovat trochu tmelu a konečného nátěru - ale jak se ukázalo, byla to dobrá ochrana pro případ možného selhání navigační brigády ...

3D návrh nového modelu pro tisk, upravil Bartłomiej Jakobsche (sérii jeho článků o 9D elektronických projektech najdete ve vydáních „Młodego Technika“ ze dne 2018. 2–2020. XNUMX). Brzy jsme začali tisknout první prvky trupu - ale pak začaly první kroky ... Přesně přesný tisk trval nejednoznačně déle, než jsme očekávali, a vyskytly se nákladné vady vyplývající z použití mnohem pevnějšího materiálu, než je obvyklé ...

12. …který vyrobil podobné kopyto z pěnového těla XPS a CNC technologie.

13. Vyčistit se muselo i pěnové jádro.

Vzhledem k tomu, že datum přijetí se blíží znepokojivě rychle, rozhodli jsme se opustit modulární konstrukci a 3D tisk pro tvrdé a známější laminátové technologie - a začali jsme pracovat ve dvou týmech paralelně na různých typech pozitivních vzorů (kopyta) корпус: tradiční (konstrukce a překližka) a pěna (pomocí velké CNC frézky). V tomto závodě "tým nových technologií" v čele s Rafalem Kowalczykem (mimochodem multimediálním hráčem národních i světových soutěží konstruktérů rádiem řízených modelů - včetně spoluautora popisovaného "Na dílně" 6/ 2018) získal výhodu.

14. ... být vhodný pro vytvoření negativní matrice ...

15. …kde byly brzy vyrobeny první skleněné epoxidové plavené tisky. Byl použit jeden gel coat, což je na vodě dobře vidět (jelikož jsme moduly již opustili, nebyl důvod zasahovat do práce dvoubarevnými dekoracemi).

Další práce dílny proto sledovala Rafalovu třetí designovou cestu: počínaje tvorbou pozitivních forem, poté negativních - přes otisky epoxidových skel - až po hotové platformy IVDS (): nejprve plně vybavený prototyp , a pak následné, ještě pokročilejší kopie první série. Zde byl tvar a detaily trupu přizpůsobeny této technologii - brzy získala třetí verze projektu od svého vůdce jedinečné jméno.

16. Předpokladem tohoto vzdělávacího projektu bylo použití veřejně dostupného modelářského vybavení - to ale neznamená, že jsme měli hned nápad na každý prvek - naopak, dnes je těžké spočítat, kolik konfigurací bylo vyzkoušeno - a tím vylepšení designu neskončilo.

17. Jedná se o nejmenší z použitých baterií – umožňují plošině běžet čtyři hodiny při pracovní zátěži. Nechybí ani možnost zdvojnásobení kapacity – naštěstí obslužné poklopy a větší vztlak umožňují mnohé.

Gerris USV je živé, pracující dítě (a s rozumem!)

Garris toto je latinské druhové jméno pro koně - pravděpodobně dobře známý hmyz, který se pravděpodobně řítí vodou na široce rozložených končetinách.

Zaměřte se na trupy hydrodronů Vyrobeno z vícevrstvého skleněného epoxidového laminátu – dostatečně pevné pro drsné, písčité/štěrkové podmínky zamýšlené práce. Spojoval je rychle demontovatelný hliníkový rám s posuvnými (pro usnadnění nastavení tahu) nosníky pro montáž měřicích přístrojů (echolot, GPS, palubní počítač atd.). Další vymoženosti při přepravě a použití jsou popsány v obrysech případů. disky (dva na plovák). Duální motory také znamenají menší vrtule a větší spolehlivost, přičemž zároveň mohou využívat ještě více simulací než průmyslové motory.

18. Pohled do salonu s motory a elektro boxem. Viditelná silikonová trubice je součástí systému vodního chlazení.

19. Při prvních vodních zkouškách jsme zatěžovali trupy, aby se katamaran choval adekvátně podmínkám zamýšlené práce – ale už jsme věděli, že plošina to zvládne!

V dalších verzích jsme testovali různé pohonné systémy, postupně jsme zvyšovali jejich účinnost a výkon - proto si následující verze platformy (na rozdíl od prvního katamaránu před mnoha lety) s bezpečnou rezervou rychlosti poradí i s tokem každé polské řeky.

20. Základní sestava - s jedním (zde dosud nepřipojeným) sonarem. Dva uživatelsky objednané montážní nosníky také umožňují duplikaci měřicích zařízení a zvyšují tak spolehlivost samotných měření.

21. Pracovním prostředím je obvykle štěrk s velmi zakalenou vodou.

Vzhledem k tomu, že jednotka je navržena pro nepřetržitý provoz od 4 do 8 hodin, s kapacitou 34,8 Ah (nebo 70 Ah v další verzi) - jeden v každém z případů. Při tak dlouhé době chodu je zřejmé, že třífázové motory a jejich regulátory potřebují chlazení. To se provádí pomocí typického modelářského vodního okruhu odebraného za vrtulemi (přídavné vodní čerpadlo se ukázalo jako zbytečné). Další ochranou proti případné poruše způsobené teplotou uvnitř plováků je telemetrický odečet parametrů na ovládacím panelu operátora (tedy vysílač typický pro moderní simulace). Pravidelně jsou diagnostikovány zejména otáčky motoru, jejich teplota, teplota regulátorů, napětí napájecích baterií atd.

22. Toto není místo pro elegantní oříznuté modely!

23. Dalším krokem ve vývoji tohoto projektu bylo přidání autonomních řídicích systémů. Po vysledování nádrže (na mapě Google nebo ručně - podle průtoku kolem vrstevnicové jednotky měřené nádrže) počítač přepočítá trasu podle odhadnutých parametrů a po zapnutí autopilota jedním spínačem může obsluha pohodlně posaďte se a pozorujte provoz zařízení s nealkoholickým nápojem v ruce ...

Hlavním úkolem celého areálu je změřit a uložit v samostatném geodetickém programu výsledky měření hloubky vody, které slouží později k určení interpolované celkové kapacity nádrže (a tím např. ke kontrole množství vybraného štěrku od r. poslední měření). Tato měření lze provádět buď ručním ovládáním člunu (identické s konvenčním dálkově ovládaným plovoucím modelem) nebo plně automatickým ovládáním spínače. Poté jsou operátorovi průběžně předávány aktuální hodnoty sonaru, pokud jde o hloubku a rychlost pohybu, stav mise nebo polohu objektu (z extrémně přesného přijímače GPS RTK, polohovaného s přesností 5 mm). základ dispečerem a řídicí aplikací (může také nastavit parametry plánované mise) .

Cvičné verze zkoušky a rozvoje

popsaný hydrodron Úspěšně prošel řadou testů v různých, typicky pracovních podmínkách a více než rok slouží konečnému uživateli a pracně „orá“ nové nádrže.

Úspěch prototypu a nasbírané zkušenosti vedly ke zrodu nových, ještě pokročilejších jednotek této jednotky. Univerzálnost platformy umožňuje její využití nejen v geodetických aplikacích, ale také například ve studentských projektech a mnoha dalších úkolech.

Věřím, že díky úspěšným rozhodnutím a píli a talentu projektového manažera brzy bude gerris lodě, po přeměně na komerční projekt budou konkurovat americkým řešením nabízeným v Polsku, která jsou z hlediska nákupu a údržby mnohonásobně dražší.

Pokud vás zajímají podrobnosti zde neuvedené a nejnovější informace o vývoji této zajímavé struktury, navštivte prosím web projektu: GerrisUSV na Facebooku nebo tradičně: MODElmaniak.PL.

Vyzývám všechny čtenáře, aby spojili svůj talent a společně vytvářeli inovativní a přínosné projekty – bez ohledu na (známé!) „Tady se nic nevyplácí.“ Sebevědomí, optimismus a dobrá spolupráce nám všem!