15 June 2010

Подводный робот Юниор-2 для MATE International ROV Competition 2010

Robotics
До MATE International ROV Competition 2010 осталось около недели, поэтому сейчас идёт доводка подводного аппарата, отладка программного обеспечения и процедуры таможенного оформления, ибо чемпионат мира по подводной робототехнике среди студенческих команд в этом году будет проходить на Гаваях.

image

В этом посте, который является продолжением поста про российскую команду, хотелось бы подробнее раскрыть технические детали подводного необитаемого аппарата «Юниор-2».

Intro


Про прошлогодние достижения команды было написано ранее.
Предлагается к рассмотрению техническое описание телеуправляемого необитаемого подводного аппарата (ТНПА) «Юниор-2». Этот аппарат был разработан с учетом миссий, которые необходимо выполнить на MATE International ROV Competition в 2010 году.
ТНПА «Юниор-2» имеет полипропиленовый каркас, систему из 8 движителей, манипулятор, обеспечивающий захват объекта до 40 мм в диаметре с силой до 6,5 кгс, широкоугольную светочувствительную навигационную видеокамеру высокого разрешения, 2 цветных видеокамер, два кластерных светильника, шесть герметичных контейнеров для электроники, пенопластовую плавучесть, датчики глубины, затекания и тока.

image

Каркас


Каркас сделан из полипропиленовых листов: двух горизонтальных (подложек) и двух вертикальных (щек). Полипропилен имеет плотность 0,9. Дополнительную плавучесть также обеспечивает пенопластовая пластина. Габаритные размеры каркаса 600х510х400 мм.
image

image

Движительно-рулевой комплекс (ДРК)


В состав движительно-рулевого комплекса входят восемь движителей, четыре из которых направлены на создание тяги в горизонтальной плоскости (ход, курс, лаг), и четыре для тяги в вертикальном направлении и компенсаций реакции кабеля связи. Указанное количество движителей было выбрано с целью обеспечения высоких эксплуатационных характеристик и возможности выполнения заданий миссии.
Движитель представляет собой бесколлекторный двигатель, расположенный в герметичном корпусе обтекаемой формы, на конце выходного вала которого установлен гребной винт диаметром 100 мм, защищенный насадкой. Эта насадка также несет в себе функцию направляющей струи воды. Выбор данного варианта двигателя основан на требованиях к массе (650 г), потребляемой электрической мощности (120 Вт) и эксплуатационной надёжности.

image

image

Блок управления ДРК расположен в четырех специальных прочных контейнерах (один контейнер обеспечивает управление двумя движителями), который обеспечивает защиту от воздействия внешней среды. Каждый контейнер является полностью герметичным, а также обладает датчиком воды, который подает сигнал в случае протечки контейнера.

Манипуляционный комплекс


Ряд операций под водой может быть выполнен только при наличии на борту ТПА манипуляционного устройства. Основные требования, предъявляемые к манипулятору – грузоподъемность до 1 кг в воде, возможность осуществлять захват объектов, в том числе без посадки на грунт, а также удобное положение при транспортировке.

image

В состав манипуляционного комплекса входят:
1. Мотор-редуктор и червячный редуктор, расположенные в герметичном корпусе и позволяющие производить плавный поворот манипулятора на угол до 220º;
2. Граббер, позволяющий производить захват малоразмерных объектов от 1,45 до 40 мм в диаметре с силой сжатия до 6,5 KGF;
3. Труба граббера, увеличивающая зону обслуживания манипулятора и позволяющая осуществлять захват объектов без посадки на грунт.

image

Видеосистема


В состав видеосистемы входят:
1. Светильники (2 шт.) (источник света – кластер XLD-AC-007WHT из 7 сверхярких светодиодов белого цвета XL7090 яркостью в диапазоне 56,8-62,0 Лм (ток потребления 350 мА));
2. Видеокамера широкоугольная навигационная QNB209 (110°, 0,003 Люкс, 570 строк);
3. Вертикальная видеокамера и поворотная видеокамера VM32HQ-B36.

Датчик глубины


В качестве датчика глубины используется датчик давления КРТ5-33, обеспечивающий измерение давления на глубине до 40 м с точностью ±1%, что соответствует глубине рабочему диапазону измеряемых погружений 40±0,4 м. Сигнал с датчика в блок управления поступает в аналоговом виде. Внешний вид датчика показан на фотографии.

image

Датчики затекания воды внутрь контейнера аппарата


Датчик затекания воды представляет собой изолированный от корпуса контейнера медный проводник. На фото видна ориентация проводника относительно корпуса. Проводник представляет собой медную фольгу, расположенную на стеклотекстолитовой основе. Расстояние между проводником и корпусом составляет 1 мм. При попадании в это пространство воды происходит существенное уменьшение сопротивления между пластиной и контейнером, что вызывает срабатывание соответствующего компаратора электронной схемы.

Дополнительные устройства


На аппарат был установлен гидрофон для измерения амплитуды и частоты звука под водой. Также был установлен пробоотборник для взятия проб со дна.

Система управления


Управление аппаратом осуществляется с помощью ноутбука, работающего под операционной системой Windows. Чтобы связать аппарат и ноутбук, был создан блок коммутации.
В блок коммутации входит два TV-тюнера, что позволяет обрабатывать два видеосигнала, пришедших с аппарата. Считывание/отправка данных осуществляется через USB-порт, т.к. в настоящий момент это наиболее удобный и легкий в эксплуатации интерфейс для внешних устройств.
Для отображения всей поступающей информации и получения управляющих команд реализовано Windows-приложение на C++. В его возможности входит не только отображение параметров аппарата и двух потоков видео, но и параметры, предназначенные для успешного выполнения заданий: отображение параметров звука, отображение графика температуры, счетчик времени до окончания миссии, состояние датчиков затекания. Кроме того, ведется лог состояния аппарата, запись видеоизображения (или двух видеоизображений) на жесткий диск для дальнейшего анализа. Для сжатия видео используется open-source codec xvid, который предоставляет хорошее качество и скорость записи.
Аппаратом можно управлять как с помощью клавиатуры, так и с помощью джойстика, который рассматривается как основной орган управления. Дублирование обеспечивает большую надежность в случае, например, поломки джойстика или клавиатуры.

Кабель


Кабель является основным средством для связи аппарата с поверхностью, по нему ведется питание аппарата и обмен информацией, посылка команд управления. Так же кабель обеспечивает механическую прочность связи с аппаратом. В качестве основы кабеля была использована резиновая трубка внешним диаметром 12 мм. Что позволило вместить необходимые провода:
• коаксиальный кабель РК-50 для передачи видеосигнала на поверхность
• 2 провода для подачи питания на аппарат
• провода интерфейса RS-485 для управления аппаратом

Электроника


Электроника управления аппаратом располагается в герметичном, металлическом контейнере, цилиндрической формы. Он обеспечивает защиту электронных плат от давления, воздействия воды и механических воздействий.
В контейнер входят: плата питания, платы контроллера, платы датчиков, платы гидрофона, видеомультиплексора, видеомодулятора и индукционного компаса ИД-6.
Плата питания осуществляет преобразования входных 48 В в 24 В, 12, ±12 В, 5, ±5 В, которые необходимы для питания электронных систем аппарата. Также на ней размещен стабилизатор тока, который питает светодиодные светильники.
Плата контроллера является сердцем системы управления. На ней размещен микроконтроллер, который осуществляет обработку полученных навигационных данных и их отправку на пульт, и размещены микросхемы драйверы интерфейсов CAN и RS-485. По интерфейсу CAN осуществляется связь между компонентами аппарата, а по RS-485 связь аппарата с пультом управления.
Плата датчиков состоит из 16 –битного АЦП, осуществляющего преобразование аналоговых сигналов с датчиков в цифровой код, и датчика угловой скорости и акселерометра. Датчики глубины и температуры располагаются в отдельных герметичных контейнерах. Особенностью аппарата является использование индукционного компаса ИД-6. Данный тип компаса применяется в Российских вертолетах, что говорит о его высокой надежности и высокой устойчивости к помехам.

Видеомультиплексор осуществляет выбор пары необходимых видео сигналов, после чего они передаются на видеомодулятор, где происходит их смешивания в один сигнал. Это позволяет передавать два видеосигнала по одному проводу одновременно.

Плата гидрофона предназначена для усиления и фильтрации сигнала с гидрофона от помех и на ней расположен DSP процессор, осуществляющий быстрое преобразование Фурье и передает на поверхностное оборудование.

image

Процесс сборки и отладки


image
Каркас и ящик для транспортировки

image
Блоки плавучести

image
Элементы системы управления

image
Совместная работа

image
Вид внутри каркаса



Ну и напоследок хочется пожелать, чтобы наша команда в этом году выступила успешно.
Пожелания можно также адресовать moun. Он собирается вести трансляцию с самого чемпионата MATE International ROV Competition 2010.
Tags:роботыразработкаотладкаподготовкаиспытания
Hubs: Robotics
+36
5k 9
Comments 16
Popular right now