ROV sumergible de bricolaje: 8 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:42

¿Qué tan difícil podría ser? Resulta que hubo varios desafíos para hacer un ROV sumergible. Pero fue un proyecto divertido y creo que fue bastante exitoso. Mi objetivo era que no costara una fortuna, que fuera fácil de conducir y tener una cámara para mostrar lo que ve bajo el agua. No me gustó la idea de tener un cable colgando de los controles del conductor, y ya tengo una variedad de transmisores de control de radio, así que esa es la dirección en la que fui, con el transmisor y la caja de control separados. En el transmisor de 6 canales que utilicé, el joystick derecho se usa para avanzar / retroceder e izquierda / derecha. El joystick izquierdo está Arriba / Abajo y gira en el sentido de las agujas del reloj / CCW. Esta es la misma configuración que se usa en quad-helicópteros, etc.

Busqué en línea y vi algunos ROV costosos y vi algunos con "propulsores vectoriales". Esto significa que los propulsores laterales están montados en ángulos de 45 grados y combinan sus fuerzas para mover el ROV en cualquier dirección. Ya había construido un vehículo con ruedas mecanum y pensé que se aplicarían las matemáticas. (Ref. Conducción de Robots Omnidireccionales Mecanum Wheels). Se utilizan propulsores separados para el buceo y la superficie. Y los "propulsores vectoriales" suenan bien.

Para facilitar la conducción, quería mantener la profundidad y el rumbo. De esta forma, el conductor no tiene que mover el joystick izquierdo en absoluto, excepto para zambullirse, salir a la superficie o cambiar a un nuevo rumbo. Resulta que esto también fue un desafío.

Este Instructable no pretende ser un conjunto de instrucciones para hacerlo usted mismo. La intención es más proporcionar un recurso del que alguien pueda aprovechar si tiene la intención de construir su propio ROV sumergible.

Paso 1: el marco

Esta fue una elección fácil. Mirar para ver lo que otras personas habían hecho me empujó en la dirección de una tubería de PVC de 1/2 pulgada. Es barato y fácil de trabajar. Se me ocurrió un diseño general que acomodaría los propulsores laterales y los propulsores arriba / abajo. Poco después del montaje, lo rocié de amarillo. ¡Oh, sí, ahora es un submarino! Perforé agujeros en la parte superior e inferior de la tubería para permitir que se inunde. Para unir cosas, golpeé roscas en el PVC y usé 4 40 tornillos de acero inoxidable. Usé muchos de ellos.

En una etapa posterior se muestran los patines que se mantienen alejados de la parte inferior mediante contrahuellas impresas en 3D. Se necesitaban las bandas para que la batería pudiera ser removida y reemplazada. Imprimí en 3D una bandeja para sostener la batería. La batería está asegurada en la bandeja por una correa de velcro. El Dry Tube también se sujeta al marco con correas de velcro.

Paso 2: el tubo seco

La primera foto es la prueba de flotabilidad. La segunda imagen intenta mostrar cómo los cables del propulsor se introducen en conectores de bala encapsulados. La tercera imagen es más de lo mismo más la protuberancia adicional para el medidor de profundidad de macetas y sus cables. La cuarta imagen muestra cómo se separa el tubo seco.

Flotabilidad

El tubo seco contiene los componentes electrónicos y proporciona la mayor parte de la flotabilidad positiva. Lo ideal es una pequeña cantidad de flotabilidad positiva, por lo que si las cosas salen mal, el ROV eventualmente flotará hacia la superficie. Esto requirió un poco de prueba y error. El conjunto que se muestra aquí durante una prueba de flotación requirió varias libras de fuerza para sumergirlo. Esto llevó a una decisión fácil de montar la batería a bordo (en lugar de que la energía venga a través de la correa). También llevó a reducir la longitud del tubo. Resulta que un tubo de 4 pulgadas proporciona aproximadamente 1/4 de libra de flotabilidad por pulgada de longitud (hice los cálculos una vez, pero esto es una suposición). También terminé poniendo "patines" de PVC en la parte inferior. Tienen extremos atornillados donde coloco perdigones de plomo para afinar la flotabilidad.

Sello hermético al agua

Una vez que me decidí por usar epoxi para sellar uniones y agujeros, y me decidí por usar conectores sin cubo de neopreno, el ROV era hermético de manera confiable. Luché por un tiempo con los conectores ethernet "a prueba de agua", pero al final los abandoné y simplemente hice un pequeño agujero, introduje el cable y "tapé" el agujero con epoxi. Después de que los conectores sin cubo se ajustaron en su lugar, tratar de quitarlos fue difícil. Descubrí que una pequeña mancha de grasa blanca hacía que el tubo seco se separara y se juntara mucho más fácilmente.

Para montar la cúpula acrílica hice un agujero en una tapa de ABS de 4 dejando un reborde para recibir el borde de la cúpula. Inicialmente probé pegamento caliente, pero se filtró inmediatamente y pasé a epoxi.

Dentro

Todos los componentes electrónicos internos están montados en una hoja de aluminio de 1/16 de pulgada (con separadores). Tiene poco menos de 4 pulgadas de ancho y se extiende a lo largo del tubo. Sí, sé que conduce electricidad, pero también conduce calor.

Cables que pasan

La tapa trasera de ABS de 4 "tiene un orificio de 2 pulgadas y un adaptador hembra de ABS de 2" pegado. Un enchufe de 2 "tiene un orificio para que el cable Ethernet pase y se encapsule. Un pedacito de 3" El ABS pegado también hizo un pequeño círculo para "encapsular".

Perforé lo que parecían muchos agujeros (2 para cada propulsor), pero desearía haber hecho más. En cada orificio se insertó un conector de bala hembra (mientras estaba caliente por el soldador). Los cables del propulsor y los cables de la batería tienen los conectores macho de bala soldados.

Terminé agregando una pequeña protuberancia de ABS para darme un lugar para que el cable del medidor de profundidad pasara y se encajara. Se puso más desordenado de lo que me hubiera gustado y traté de organizar los cables con un pequeño soporte con ranuras.

Paso 3: propulsores de bricolaje

Obtuve muchas ideas de la web y decidí usar cartuchos para bombas de achique. Son relativamente baratos (alrededor de $ 20 +) cada uno y tienen la cantidad adecuada de torque y velocidad. Usé dos cartuchos de 500 galones / hora para los propulsores de subida / bajada y cuatro cartuchos de 1000 GPH para los propulsores laterales. Estos eran cartuchos de bomba Johnson y los obtuve a través de Amazon.

Imprimí en 3D las carcasas del propulsor utilizando un diseño de Thingaverse, montaje del propulsor de la bomba de achique del ROV. También imprimí en 3D las hélices, nuevamente con un diseño de Thingaverse, ROV Bilge Pump Thruster Propeller. Tomaron un poco de adaptación pero funcionaron bastante bien.

Paso 4: Tether

Usé un cable Ethernet Cat 6 de 50 pies de longitud. Lo metí en 50 pies de cuerda de polipropileno. Usé el extremo de un bolígrafo pegado al cable y tardé aproximadamente una hora en empujarlo a través de la cuerda. Tedioso, pero funcionó. La cuerda proporciona protección, fuerza para tirar y cierta flotabilidad positiva. La combinación todavía se hunde, pero no tanto como el cable Ethernet por sí solo.

Se utilizan tres de los cuatro pares de cables.

• Señal de video de la cámara y tierra - Arduino OSD shield en la caja de control
• Señal y tierra ArduinoMega PPM <---- Receptor RC en la caja de control
• Señal de telemetría ArduinoMega RS485 - a juego RS485 Arduino Uno en la caja de control

Según los comentarios de otro colaborador de Instructables, me di cuenta de que tener la correa arrastrando el fondo de un lago no sería bueno. En la prueba de piscina no fue un problema. Así que imprimí en 3D un montón de flotadores con clip, usando PLA y paredes más gruesas de lo habitual. La imagen de arriba muestra los flotadores desplegados en la correa, agrupados más cerca del ROV pero con un promedio de aproximadamente 18 pulgadas de distancia. Nuevamente, según los comentarios del otro colaborador, puse flotadores en una bolsa de malla atada al paquete de sujeción para ver si tenía suficiente.

Paso 5: Electrónica a bordo

La primera imagen muestra la cámara y la brújula. La segunda imagen muestra lo que sucede cuando sigues agregando cosas. La tercera imagen muestra controladores de motor montados en la parte inferior con losas de aluminio como disipadores de calor alternativos.

Seco

• Cámara - Micro 120 grados 600TVL FPV cam

  Montado en un soporte impreso en 3D que lo extiende hacia la cúpula

• Brújula con compensación de inclinación - CMPS12

  • Las lecturas del giroscopio y el acelerómetro incorporadas se integran automáticamente con las lecturas del magnetómetro para que la lectura de la brújula se mantenga correcta a medida que el ROV gira alrededor
  • La brújula también proporciona lectura de temperatura

• Controladores de motor - Ebay - BTS7960B x 5

  • Se tuvieron que quitar los grandes disipadores de calor para ahorrar espacio
  • Montado con grasa de transferencia de calor en losas de aluminio de ¼”
  • Losas de aluminio montadas directamente en ambos lados del estante de electrónica de aluminio
  • La experiencia muestra que los conductores funcionan muy por debajo de su capacidad, por lo que el calor no es un problema.
• Arduino Mega
• Módulo RS485 para reforzar la señal de telemetría en serie
• Sensor de corriente Módulo de potencia
  • Proporciona hasta 3 A de alimentación de 5 V para electrónica
  • Mide un amperaje de hasta 90 A que va a los controladores de motor de 12 V
  • Mide el voltaje de la batería
• Relé (5v) para operar luces de 12v

Mojado

• Módulo de sensor de presión (profundidad) - Amazon - MS5540-CM

  También proporciona lectura de temperatura del agua

• Batería AGM de 10 amperios / hora y 12 voltios

Me preocupaba que muchos contactos eléctricos estuvieran expuestos al agua. Aprendí que en agua dulce, no hay suficiente conductividad para causar un problema (cortocircuitos, etc.), que la corriente toma el "camino de menor resistencia" (literalmente). No estoy seguro de cómo le iría todo esto en agua de mar.

Esquema de cableado (consulte SubDoc.txt)

Paso 6: Software SubRun

El primer video muestra Depth Hold funcionando bastante bien.

El segundo video es una prueba de la función Mantener rumbo.

Pseudocódigo

El Arduino Mega ejecuta un boceto que realiza la siguiente lógica:

1. Obtiene señal PPM RC a través de tether

   1. La interrupción de cambio de pin en los datos calcula los valores PWM de los canales individuales y los mantiene actualizados
   2. Utiliza un filtro de mediana para evitar valores de ruido
   3. Valores PWM asignados a Izquierda / Derecha, Adelante / Atrás, Arriba / Abajo, CW / CCW y otros ctls.
2. Obtiene la profundidad del agua
3. Lógica para permitir que el giro CW o CCW termine

4. Mira los controles del conductor

   1. Utiliza Adelante / Atrás e Izquierda / Derecha para calcular la fuerza y el ángulo (vector) para impulsar los propulsores laterales.
   2. Comprobaciones para armar / desarmar
   3. Utiliza CW / CCW para calcular el componente de torsión o
   4. Lee la brújula para ver si hay un error de rumbo y calcula el componente de giro correctivo
   5. Utiliza factores de fuerza, ángulo y torsión para calcular la potencia y la dirección de cada uno de los cuatro propulsores.
   6. Utiliza Up / Down para ejecutar los propulsores Up / Down (dos propulsores en un controlador) o
   7. Lee el medidor de profundidad para ver si hay un error de profundidad y ejecuta los propulsores Arriba / Abajo para corregir
5. Lee datos de energía
6. Lee datos de temperatura del medidor de profundidad (temperatura del agua) y la brújula (temperatura interna)

7. Envía periódicamente datos de telemetría a Serial1

   Profundidad, rumbo, temperatura del agua, temperatura del tubo seco, voltaje de la batería, amperios, estado del armado, estado de las luces, latido del corazón

8. Mira la señal PWM de control de luz y enciende / apaga la luz a través de un relé.

Propulsores vectorizados

La magia para controlar los propulsores laterales está en los pasos 4.1, 4.3 y 4.5 anteriores. Para continuar con esto, busque en el código en la pestaña Arduino titulada runThrusters functions getTransVectors () y runVectThrusters (). Las matemáticas inteligentes se copiaron de varias fuentes, principalmente las que se ocupan de los rovers de rueda mecanum.

Paso 7: estación de control flotante (actualizado)

Transmisor RC de 6 canales

Caja de control

La caja de control original (vieja caja de puros) que contenía la electrónica que no estaba en el subwoofer ha sido reemplazada por una estación de control flotante.

Estación de control flotante

Comencé a preocuparme de que mi correa de quince metros no fuera lo suficientemente larga para llegar a ninguna parte. Si estoy parado en un muelle, gran parte de la correa se tomará al salir al lago y no quedará nada para bucear. Como ya tenía un enlace de radio a la caja de control, tuve la idea de una caja de control flotante a prueba de agua.

Así que eliminé la vieja caja de puros y puse los componentes electrónicos de la caja de control en una pieza estrecha de madera contrachapada. La madera contrachapada se desliza en la boca de 3 pulgadas de una jarra de plástico de tres galones. La pantalla del televisor de la caja de control tuvo que ser reemplazada por un transmisor de video. Y el transmisor RC (la única parte que aún está en tierra) ahora tiene una tableta con un receptor de video montado en la parte superior. Opcionalmente, la tableta puede grabar el video que muestra.

La tapa de la jarra tiene el interruptor de encendido y el voltímetro, el accesorio de sujeción, las antenas de bigotes RC y la antena transmisora de video de patito de goma. Cuando el ROV entra en el lago, no quería que inclinara demasiado la jarra de control, así que instalé un anillo cerca de la parte inferior donde se lleva la correa y donde se conectará una línea de recuperación. También coloco aproximadamente 2 pulgadas de concreto en el fondo de la jarra como lastre para que flote en posición vertical.

La estación de control flotante contiene los siguientes componentes electrónicos:

• Receptor RC - con salida PPM
• Arduino Uno
• Escudo OSD - Amazon
• Módulo RS485 para reforzar la señal de telemetría en serie
• Transmisor de video
• Voltímetro para monitorear el estado de la batería Lipo 3s
• Batería Lipo de 2200 mah 3 s

Visualización en pantalla (OSD)

En el mundo de los cuadricópteros, los datos de telemetría se agregan a la pantalla FPV (Video en primera persona) en el extremo del dron. No quería poner más cosas en el Dry Tube ya abarrotado y desordenado. Así que opté por enviar la telemetría a la estación base por separado del video y poner la información en la pantalla allí. Un OSD Shield de Amazon fue perfecto para esto. Tiene una entrada de video, una salida de video y una biblioteca Arduino (MAX7456.h) que oculta cualquier desorden.

Software de subbase

La siguiente lógica se ejecuta en un boceto en un Arduino Uno en la estación de control:

1. Lee el mensaje de telemetría en serie preformateado
2. Escribe un mensaje en el escudo de visualización en pantalla

Paso 8: Cosas futuras

Agregué un módulo mini DVR a la caja de control para ubicarlo entre el OSD (visualización en pantalla) y el pequeño televisor para grabar el video. Pero con el cambio a la estación de control flotante, ahora confío en la aplicación de la tableta para grabar videos.

Puedo, si me vuelvo realmente ambicioso, intentar agregar un brazo de agarre. Hay canales de control de radio sin usar y un par de cables sin usar en la correa solo en busca de trabajo.

Segundo premio en el concurso Make it Move