ROV submersível faça você mesmo: 8 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:37

Quão difícil pode ser? Acontece que havia vários desafios para fazer um ROV submersível. Mas foi um projeto divertido e acho que teve muito sucesso. Meu objetivo era que não custasse uma fortuna, fosse fácil de dirigir e tivesse uma câmera para mostrar o que vê debaixo d'água. Não gostei da ideia de ter um fio pendurado nos controles do motorista, e já tenho uma variedade de transmissores de controle de rádio, então essa é a direção que eu fui, com o transmissor e a caixa de controle separados. No transmissor de 6 canais que usei, o manípulo direito é usado para frente / trás e esquerda / direita. O stick esquerdo é para cima / para baixo e gire no sentido horário / anti-horário. Esta é a mesma configuração usada em quadricópteros, etc.

Eu olhei online e vi alguns ROVs caros e alguns com "propulsores vetorizados". Isso significa que os propulsores laterais são montados em ângulos de 45 graus e combinam suas forças para mover o ROV em qualquer direção. Eu já havia construído um rover mecanum e achei que a matemática daria certo. (Ref. Robôs Omnidirecionais de Rodas Mecanum de Condução). Propulsores separados são usados para mergulho e superfície. E "propulsores vetorizados" soa bem.

Para facilitar a direção, eu queria a sustentação de profundidade e a sustentação de rumo. Dessa forma, o motorista não precisa mover o controle esquerdo, exceto para mergulhar / chegar à superfície ou virar para um novo rumo. Acontece que isso também foi um pouco desafiador.

Este Instructable não pretende ser um conjunto de instruções para fazer você mesmo. A intenção é mais fornecer um recurso do qual alguém possa recorrer, caso pretenda construir seu próprio ROV submersível.

Etapa 1: o quadro

Esta foi uma escolha fácil. Olhar para ver o que outras pessoas fizeram me empurrou na direção de um tubo de PVC de 1/2 polegada. É barato e fácil de trabalhar. Eu vim com um projeto geral que acomodaria os propulsores laterais e os propulsores de subida / descida. Logo após a montagem, borrifei de amarelo. Oh sim, agora é um submarino! Eu fiz furos na parte superior e inferior do tubo para permitir que ele inundasse. Para prender coisas, coloquei roscas no PVC e usei 4 40 parafusos de aço inoxidável. Eu usei muitos deles.

Em um estágio posterior, estão os patins que são mantidos afastados da parte inferior por risers impressos em 3D. Os risers foram necessários para que a bateria pudesse ser removida e substituída. I 3d imprimi uma bandeja para conter a bateria. A bateria é presa na bandeja por uma tira de velcro. O tubo seco também é preso à estrutura com tiras de velcro.

Etapa 2: o tubo seco

A primeira foto é o teste de flutuabilidade. A segunda foto tenta mostrar como os fios do propulsor são conduzidos a conectores de bala. A terceira foto é mais do mesmo, mais a saliência adicional para o medidor de profundidade de envasamento e seus fios. A quarta foto mostra separando o tubo seco.

Flutuabilidade

O tubo seco contém os componentes eletrônicos e fornece a maior parte da flutuabilidade positiva. O ideal é uma pequena quantidade de flutuabilidade positiva, portanto, se as coisas derem errado, o ROV acabará flutuando para a superfície. Isso exigiu um pouco de tentativa e erro. A montagem mostrada aqui durante um teste de flutuação levou vários quilos de força para submergir. Isso levou a qualquer decisão fácil de montar a bateria a bordo (em oposição à energia vinda do cabo). Isso também levou ao corte do tubo em comprimento. Acontece que um tubo de 4 polegadas fornece cerca de 1/4 libra de flutuabilidade por polegada de comprimento (eu fiz as contas uma vez, mas isso é um palpite). Também acabei colocando "patins" de PVC no fundo. Eles têm pontas de rosca onde apliquei chumbo para ajustar a flutuabilidade.

Water Tight Seal

Depois que decidi usar epóxi para selar emendas e orifícios, e decidi usar conectores sem cubo de neoprene, o ROV era confiável à prova d'água. Lutei por um tempo com conectores ethernet "à prova d'água", mas no final desisti deles e apenas fiz um pequeno orifício, introduzi o fio e "encapsulei" o orifício com epóxi. Depois que os conectores sem cubo foram apertados no lugar, foi difícil tentar removê-los. Descobri que uma pequena mancha de graxa branca fazia o tubo seco se separar e juntar com muito mais facilidade.

Para montar a cúpula de acrílico fiz um furo em uma tampa de ABS de 4 deixando uma saliência para receber a borda da cúpula. Inicialmente tentei cola quente, mas vazou imediatamente e fui para o epóxi.

Dentro

Todos os componentes eletrônicos internos são montados em uma folha de alumínio de 1/16 pol. (Com espaçadores). Tem pouco menos de 4 polegadas de largura e estende o comprimento do tubo. Sim, eu sei que conduz eletricidade, mas também conduz calor.

Fios passando

A tampa traseira de 4 "ABS tem um orifício de 2" e um adaptador ABS fêmea de 2 "colado. Um plugue de 2" tem um orifício para o fio Ethernet passar e ser encapsulado. Um pequeno pedaço de 3 " O ABS colado também fez uma pequena área circular para "envasamento".

Furei o que parecia ser uma abundância de buracos (2 para cada propulsor), mas gostaria de ter feito mais. Cada buraco tinha um conector de bala fêmea enfiado nele (enquanto quente do ferro de solda). Os fios do propulsor e os cabos da bateria têm os conectores de bala machos soldados.

Acabei adicionando um pequeno relevo de ABS para me dar um lugar para o fio medidor de profundidade passar e ser encapsulado. Ficou mais bagunçado do que eu gostaria e tentei organizar os fios com um pequeno suporte com ranhuras.

Etapa 3: propulsores faça você mesmo

Tive muitas ideias da web e decidi usar cartuchos de bomba de porão. Eles são relativamente baratos (cerca de US $ 20 +) cada e têm a quantidade certa de torque e velocidade. Usei dois cartuchos de 500 galões / hora para os propulsores de subida / descida e quatro cartuchos de 1000 GPH para os propulsores laterais. Estes eram cartuchos de bomba Johnson e eu os comprei via Amazon.

Imprimi os alojamentos do propulsor em 3D usando um projeto da Thingaverse, ROV Bilge Pump Thruster Mount. Eu também imprimi as hélices em 3D, novamente com um design da Thingaverse, ROV Bilge Pump Thruster Propeller. Eles demoraram um pouco para se adaptar, mas funcionaram muito bem.

Etapa 4: amarração

Usei um comprimento de 15 metros de cabo Cat 6 Ethernet. Eu o empurrei em 15 metros de corda de polipropileno. Usei a ponta de uma caneta esferográfica presa ao cabo e levei cerca de uma hora para enfiá-la na corda. Tedioso, mas funcionou. A corda fornece proteção, força para puxar e alguma flutuabilidade positiva. A combinação ainda afunda, mas não tanto quanto o próprio cabo Ethernet.

Três dos quatro pares de cabos são usados.

• Sinal de vídeo da câmera e terra - blindagem OSD do Arduino na caixa de controle
• Sinal PPM ArduinoMega e aterramento <---- receptor RC na caixa de controle
• Sinal de Telemetria ArduinoMega RS485 - compatível com RS485 Arduino Uno na caixa de controle

Com base nos comentários de outro colaborador do Instructables, percebi que não seria bom arrastar a corda no fundo de um lago. No teste da piscina não foi problema. Então, imprimi em 3D um monte de flutuadores clipados, usando PLA e paredes mais grossas do que o normal. A imagem acima mostra os flutuadores implantados na corda, agrupados mais próximos ao ROV, mas com uma média de cerca de 18 polegadas de distância. Novamente, de acordo com os comentários do outro colaborador, coloquei os flutuadores em uma bolsa de malha amarrada ao feixe de corda para ver se tinha o suficiente.

Etapa 5: Eletrônicos a bordo

A primeira foto mostra a câmera e a bússola. A segunda foto mostra o que acontece quando você continua adicionando coisas. A terceira foto mostra controladores de motor montados na parte inferior com placas de alumínio como dissipadores de calor alternativos.

Seco

• Câmera - Micro 120 graus 600TVL FPV cam

  Montado em suporte impresso em 3D que se estende para dentro da cúpula

• Bússola com compensação de inclinação - CMPS12

  • As leituras do giroscópio e do acelerômetro integradas automaticamente às leituras do magnetômetro para que a leitura da bússola permaneça correta enquanto o ROV oscila
  • A bússola também fornece leitura de temperatura

• Motoristas - Ebay - BTS7960B x 5

  • Grandes dissipadores de calor tiveram que ser removidos para economizar espaço
  • Montado com graxa de transferência de calor em placas de alumínio de ¼"
  • Placas de alumínio montadas diretamente em ambos os lados da prateleira eletrônica de alumínio
  • A experiência mostra que os motoristas operam bem abaixo da capacidade, então o calor não é um problema
• Arduino Mega
• Módulo RS485 para reforçar o sinal de telemetria serial

• Módulo de energia do sensor de corrente

  • Fornece até 3A de 5v de energia para eletrônicos
  • Mede amperagem de até 90A indo para drivers de motor de 12v
  • Mede a tensão da bateria
• Relé (5v) para operar luzes de 12v

Molhado

• Módulo Sensor de Pressão (profundidade) - Amazon - MS5540-CM

  Também fornece leitura da temperatura da água

• Bateria AGM de 10 amperes / hora 12 volts

Tive a preocupação de que muitos contatos elétricos fossem expostos à água. Aprendi que na água doce não há condutividade suficiente para causar um problema (curtos-circuitos etc.), que a corrente segue o "caminho de menor resistência" (literalmente). Não tenho certeza de como tudo isso se sairia na água do mar.

Esquema de fiação (consulte SubDoc.txt)

Etapa 6: Software SubRun

O primeiro vídeo mostra Depth Hold funcionando muito bem.

O segundo vídeo é um teste do recurso Heading Hold.

Pseudo-código

O Arduino Mega executa um esboço que executa a seguinte lógica:

1. Recebe sinal PPM RC por meio de tether

   1. A interrupção de alteração de pino nos dados calcula os valores PWM do canal individual e os mantém atualizados
   2. Usa filtro de mediana para evitar valores de ruído
   3. Valores PWM atribuídos a Esquerda / Direita, Avançar / Voltar, Para cima / Para baixo, CW / CCW e outros ctls.
2. Obtém a profundidade da água
3. Lógica para permitir que a torção CW ou CCW termine
4. Olha para os controles do motorista
   1. Usa Fwd / Back e Left / Right para calcular a força e o ângulo (vetor) para impulsionar os propulsores laterais.
   2. Verifica para Armar / Desarmar
   3. Usa CW / CCW para calcular o componente de torção ou
   4. Lê a bússola para ver se há erro de rumo e calcula o componente de torção corretiva
   5. Usa fatores de força, ângulo e torção para calcular a potência e a direção de cada um dos quatro propulsores
   6. Usa Up / Down para executar propulsores Up / Down (dois propulsores em um controlador) ou
   7. Lê o medidor de profundidade para ver se o erro de profundidade e executa os propulsores para cima / para baixo para corrigir
5. Lê dados de energia
6. Lê dados de temperatura do medidor de profundidade (temperatura da água) e bússola (temperatura interna)

7. Envia periodicamente dados de telemetria até Serial1

   Profundidade, direção, temperatura da água, temperatura do tubo seco, tensão da bateria, ampères, status do braço, status das luzes, pulsação

8. Olha para o sinal PWM de controle de luz e liga / desliga a luz por meio do relé.

Propulsores Vetorizados

A mágica para controlar os propulsores laterais está nas etapas 4.1, 4.3 e 4.5 acima. Para prosseguir com isso, consulte o código na guia Arduino intitulada runThrusters functions getTransVectors () e runVectThrusters (). A matemática inteligente foi copiada de várias fontes, principalmente daquelas que lidavam com rovers de roda mecanum.

Etapa 7: Estação de controle flutuante (atualizado)

Transmissor RC de 6 canais

Caixa de controle

A caixa de controle original (caixa de charutos antiga) que continha componentes eletrônicos que não estavam no submarino foi substituída por uma estação de controle flutuante.

Estação de controle flutuante

Comecei a me preocupar com o fato de que minha corda de quinze metros não era longa o suficiente para chegar a qualquer lugar. Se eu estiver em uma doca, grande parte da corda será tirada apenas para sair no lago e não sobrará nada para mergulhar. Como eu já tinha um link de rádio com a caixa de controle, tive a noção de uma caixa de controle flutuante à prova d'água.

Então, acabei com a velha caixa de charutos e coloquei os componentes eletrônicos da caixa de controle em um pedaço estreito de compensado. A madeira compensada desliza para a boca de 3 polegadas de uma jarra de plástico de três galões. A tela de TV da caixa de controle teve que ser substituída por um transmissor de vídeo. E o transmissor RC (a única parte ainda em terra) agora tem um tablet com receptor de vídeo montado na parte superior. O tablet pode, opcionalmente, gravar o vídeo que exibe.

A tampa do jarro tem o botão liga / desliga e o voltímetro, conexão de cabo, antenas de bigode RC e antena transmissora de vídeo de borracha. Quando o ROV entra no lago, eu não queria que ele inclinasse o jarro de controle muito longe, então instalei um anel perto do fundo onde a corda é conduzida e onde uma linha de recuperação será anexada. Também coloquei cerca de 5 centímetros de concreto no fundo do jarro como lastro para que flutue na vertical.

A estação de controle flutuante contém os seguintes eletrônicos:

• Receptor RC - com saída PPM
• Arduino Uno
• OSD Shield - Amazon
• Módulo RS485 para reforçar o sinal de telemetria serial
• Transmissor de Vídeo
• Voltímetro para monitorar a saúde da bateria 3s Lipo
• Bateria lipo 2200 mah 3s

Exibição na tela (OSD)

No mundo quad-copter, os dados de telemetria são adicionados ao visor FPV (First Person Video) na extremidade do drone. Eu não queria colocar mais nada no tubo seco já lotado e bagunçado. Então optei por enviar a telemetria para a estação base separadamente do vídeo e colocar a informação na tela lá. Um OSD Shield da Amazon era perfeito para isso. Tem uma entrada de vídeo, uma saída de vídeo e uma biblioteca Arduino (MAX7456.h) que esconde qualquer bagunça.

Software SubBase

A seguinte lógica é executada em um esboço em um Arduino Uno na estação de controle:

1. Lê mensagem de telemetria serial pré-formatada
2. Grava a mensagem no escudo de exibição na tela

Etapa 8: Coisas Futuras

Eu adicionei um módulo mini DVR à caixa de controle para ficar entre o OSD (On Screen Display) e a pequena TV para gravar o vídeo. Mas, com a mudança para a Estação de Controle Flutuante, agora conto com o aplicativo do tablet para gravar vídeo.

Posso, se ficar realmente ambicioso, tentar adicionar um braço de agarramento. Existem canais de controle de rádio não utilizados e um par de cabos não utilizado na corda, apenas procurando trabalho.

Segundo prêmio no concurso Make it Move