Mentoru Prof. Zoranu Vukiću se ovim putem zahvaljujem na pokazanom iznimnom

strpljenju i danoj podršci prilikom izrade ovog rada ali i na drugim projektima te

aktivnostima.

Zahvaljujem se i Dr.Sc. Nikoli Miškoviću, dipl.ing Đuli Nađu te svom cimeru i

prijatelju dipl.ing Marinu Stipanovu koji su svojim savjetima i podrškom, nekada i u

kasno večernje sate, omogućili da projekt ronilice BubbleBeeII ne zamre te da

ugleda svjetlo dana.

Također se zahvaljujem svim sponzorima BubbleBee II projekta,pogotovo

Fakultetu Elektronike i Računarstva(FER) i Fakultetu Strojarstva i

Brodogradnje(FSB) te Brodarskom Institutu.

Ovaj rad posvećujem cijelom Seadevil timu koji je mnoge besane noći proveo

radeći na ostvarivanju ovog projekta te mojoj mački Miceku Baći.

Sadržaj 1 Uvod...................................................................................................................................4 2 Opis problema....................................................................................................................5 3 Opis komponenata sustava.................................................................................................7

3.1 Elektronika..................................................................................................................8 3.1.1 Opis elektroničkog sustava...............................................................................10

3.1.1.1 Matična ploča................................................................................................................................10 3.1.1.2 Modul za upravljanje motorima................................................................................................................................11 3.1.1.3 Modul za punjenje baterije................................................................................................................................12 3.1.1.4 Modul za hidrofone...................................................................................13 3.1.1.5 Modul za analogno mjernje................................................................................................................................13

3.2 High level senzori i videokamere.............................................................................14 3.2.1 Ins senzor..........................................................................................................14 3.2.2 Video kamere....................................................................................................16 3.2.3 Dodatni senzori.................................................................................................18

3.3 Low level senzori i aktuatori....................................................................................18 3.4 Modul za obradu podataka, odlučivanje i upravljanje..............................................20

4 Trup ronilice.....................................................................................................................21 4.1 Problem otpora ronilice ...........................................................................................21

4.1.1 Otpor i komponente otpora...............................................................................22 4.1.2 Tipovi strujanja oko trupa ronilice i pojave koje mogu uzrokovati povećanje otpora..........................................................................................................................24 4.1.3 Utjecaj forme trupa na otpor.............................................................................26

4.2 Odabrana forma ronilice...........................................................................................27 4.2.1 Odabir profila glavnog rebra.............................................................................29 4.2.2 Forma trupa .....................................................................................................30 4.2.3 Analiza otpora odabrane forme .......................................................................31

4.3 Stabilitet ronilice Bubblebee II................................................................................37 4.4 Čvrstoća i odabir materijala......................................................................................40 4.5 Konstrukcija trupa ronilice.......................................................................................49

5 Propulzija..........................................................................................................................56 5.1 Alokacija propulzora.................................................................................................59

5.1.1 Ronilica na površini vode.................................................................................60 5.1.2 Zaranjanje/izranjanje te horizontalno gibanje pod vodom...............................62 5.1.3 Kriterij odabira alokacijskog moda...................................................................65

6 Programska podrška.........................................................................................................66 6.1 Planer misije.............................................................................................................68 6.2 Kapetan.....................................................................................................................68 6.3 Časnik ......................................................................................................................68 6.4 Navigator .................................................................................................................69

6.5 Kormilar....................................................................................................................69 6.6 Mali_od_palube........................................................................................................69 6.7 Video obrada.............................................................................................................70

6.7.1 Konverzije prostora boja...................................................................................73 6.7.2 Konvolucijske operacije....................................................................................74 6.7.3 Detekcija objekata.............................................................................................74

7 USPOREDBE KOMERCIJALNIH RONILICA S BUBBLEBEE II..............................75 8 Zaključak..........................................................................................................................76

1

1 Uvod

U današnje vrijeme već se dobrano ustoličila praksa korištenja daljinski

upravljanih vozila (ROV) u svrhu istraživanja podmorja, podvodne arheologije i

biologije te za potrebe industrije i sigurnosti. Nedostatci takvog vozila su njegova

ograničenja, prvenstveno kabel-pupkovina kojim mora biti spojen s operaterom na

obali te općenito vrlo zahtjevne logistike u većini slučajeva (pomoćni brod za

operatera, namatač kabla i sl.). Iz toga razloga se sve više radi na razvoju

autonomnih podvodnih vozila (AUV) koja se od daljinski upravljanih vozila razlikuju

u tome što ne zahtijevaju operatera koji s njima upravlja te imaju vlastito napajanje

unutar ronilice (baterijske ćelije). Prednost AUV-a nad ROV-om je to što nije

ograničen kablom te mu je doplov ogrančen samo s autonomijom koju mu njegov

vlastiti energetski sustav dopušta, također to znači i da zahtijeva manje logistike

oko rada s takovom ronilicom. Te prednosti su prve počele koristiti vojne mornarice

diljem svijeta, pa tako i Hrvatska ratna mornarica, prvenstveno za potrebe

razminiravanja, odnosno traženja eksplozivnih sredstava u podmorju, a sve više i

za potrebe sigurnosti luka te sprečavanje krijumčarenja ilegalne te potencijalno

opasne robe. Predvodnici u razvoju autonomnih bespilotnih ronilica su i dalje

privatni i vojni sektor ali se sve više uključuju i Sveučilišta diljem svijeta

(prvenstveno u SAD-u) te se AUV-i počinju koristiti i u znanstveno-istraživačke

svrhe. To je prepoznala i mornarica SAD-a te u suradnji s ONR-om te udrugom

AUVSI već 14. godinu organiziraju studentsko natjecanje autonomnih podvodnih

ronilica u NATO-voj bazi Transdec, San Diego,Californija. Zadatak ovog

natjecanja je demonstrirati mogućnost vozila da samostalno prepozna određene

parametre zadane misije te to uspješno izvrši koristeći razne senzore (video

kamere,navigacijski senzori te sl.).

Problem razvoja te izrade ronilice vrlo je zahtjevan projekt te zahtjeva

visoku dozu multidisciplinarnosti te fuzije raznih grana znanosti pa i interakciju s

potencijalnim korisnicima tog vozila. Tim koji radi na BubbleBee II AUV-u to je

prepoznao te smo u projekt uključili i Fakultet elektrotehnike i računarstva te

2

Fakultet strojarstva i brodogradnje ali i studente i istraživače Prirodoslovno-

matematičkog fakulteta, arheologe i biologe pa i IROS koji je dio HV-a.

Kao što će biti dalje objašnjeno u radu, vidi se da se pri razvoju i dizajnu

ovog vozila pazilo na mnogo detalja, od samog izbora materijala do same izrade

te se, koliko je to bilo u našoj moći, radilo testiranje svakog pojedinog elementa

ronilice prije nego je on ugrađen. To se radilo iz razloga što je ovo vozilo jedino

hrvatsko autonomno vozilo te se pokušalo ga u kratkom vremenu izraditi ga što

kvalitetnije jer nam je namjera bila da se ono koristi u razne svrhe poput

arheologije i biologije, u vojne svrhe (npr. razminiravanje) te kao razvojna

platforma za buduće generacije studenata Zagrebačkog Sveučilišta pa i ostalih

hrvatskih sveučilišta.

2 Opis problema

Do danas je detaljno istraženo i mapirano samo oko 10% morskog dna te

postoji uzrečica da smo više upoznati sa svojim solarnim sustavom nego s

oceanima koji nas okružuju. Razlog tome je prvenstveno nepristupačnost

podmorja ljudima te se tek nedavno razvila tehnologija kojom možemo zaviriti u

dubine mora i oceana. Čak i uz takvu tehnologiju istraživači su ograničeni na

kratko vrijeme boravka u podmorju te općenito svaki zaron predstavlja rizik po

ljudske živote. Prednost robotiziranih podvodnih sustava nad podmornicama s

ljudskom posadom jest prvenstveno u tome što se ne riskiraju ljudski životi, te su

takvi sustavi općenito jeftiniji,izdržljiviji i puno manjih dimenzija. Nažalost razvoj

takovih sustava je skup i dugotrajan proces te se do sada uglavnom time bavila

samo vojna industrija te tvrtke koje su usko povezane s naftnom industrijom.

Iz tog razloga takvo vozilo je i dalje nedostupno većini obrazovnih institucija te se

javlja potreba za izradom sličnog razvojnog sustava koji bi bio dostupan

studentima i općenito znanstveno-istraživačkoj zajednici,prvenstveno pomorskim

biolozima, arheolozima i sl. Sukladno potrebama potencijalnih korisnika razvijeno

je vozilo koje će biti sposobno izvršiti mnoge zadaće poput :

• mapiranje dna

3

• inspekcija trupa broda

• osiguranje luka

• inspekcija cjevovoda

• traženje potencijalno opasnih tvari i eksplozivnih sredstava

• traženje potencijalnih arheoloških nalazišta

• ...

Također sustav koji je razvijan biti će i odlična platforma za rad studentima

strojarstva,brodogradnje, automatike i sl. te će biti izvrstan alat za stjecanje

praktičnih znanja.

Da bi ronilica mogla izvršiti gore navedene zadaće trebala bi udovoljiti sljedećim

zahtjevima:

• brzina napredovanja dovoljna za svladavanje struja u Jadranskom moru

• što veća brzina lateralnog pomaka (min 0.5m/s)

• što manja masa vozila

• radna dubina do 150 m

• 8 sati autonomije

• dinamičko pozicioniranje

• visok stupanj upravljivosti (6DOF)

• mogućnost brze obrade podataka

• modularnost

• jednostavno održavanje

Gore navedeni zahtjevi su prilično jednostavni sami po sebi ali razvoj

ronilice koja bi udovoljila svim tim zahtjevima je vrlo komplicirana i skupa, te se

takve ronilice uobičajeno ne izrađuju već su specijalizirane za pojedine zadatke.

Ronilica BubbleBee II je dizajnirana imajući na umu sve ove zadatke,a način na

koji je to planirano biti ostvareno je objašnjen dalje na tekstu.

4

3 Opis komponenata sustava

Sustav koji zadovoljava gore navedene zahtjeve biti će opisan u daljnjem

tekstu. Najlakši način za objasniti sustav je putem jednostavnog dijagrama koji je

pokazan na slici 1.

Slika 1. Pojednostavljeni dijagram sustava

Na dijagramu sustava nije prikazan energetski dio već je integriran unutar

elektronike. Taj dio će biti zasebno objašnjen u daljnjem tekstu. U daljnjem tekstu

5

biti će objašnjen svaki dio sustava dok će programski dio i trup ronilice biti

objašnjeni u posebnim poglavljima.

3.1 Elektronika

Za potrebe ronilice razvijeni su elektronički moduli koji omogućavaju

upravljanje aktuatorima, punjenje baterije i prikupljanje podataka sa senzora.

Ključan zahtijev prilikom razvoja sistema bila je modularnost cijelog sustava koja je

postignuta korištenjem standardnih modula. Svaki modul ima svoju ulogu u

upravljanju ronilicom i po potrebi, moguće ga je jednostavno zamijenit drugim.

Osim razvoja sklopovske opreme, potrebno je bilo razviti i programsku potporu za

ugradbene računalne sustave, kao i programsku potporu za osobno računalo

pomoću kojega će se vršit upravljanje podmornicom i obrada podataka dobivenih

sa senzora.

Sklopovska podrška sastoji se od matične ploče u koju se utiču moduli i kao i od

nekoliko tipova osnovnih vrsta modula. Moduli su podjeljeni po funkcionalnosti,

tako da svaki modul obavlja specifičnu funkciju. U nastavku navedene su uloge

pojedinih modula:

1. Modul za upravljanje motorima

a. Upravlja sa dva pogonska DC motora

b. Upravlja sa dva digitalna servo motora

c. Mjerenje struje, napona, potrošnje i temperature uz

autodijagnostiku

2. Modul za punjenje baterije

a. Omogućuje punjenje LiFePO4 baterija

b. Implementira sustav za upravljanje baterijama (balansiranje

ćelija, zaštita od prepunjavanja i pretjeranog pražnjenja)

3. Modul za hidrofone

6

a. Određivanje lokacije pomoću tri hidrofona korištenjem

triangulacije

4. Modul za analogno mjerenje

a. Precizno mjernje struje, napona i tlaka (dubine)

5. Matična ploča

a. Izvodi dijagnostiku priključenih modula

b. Komunicira sa računalom i modulima

c. Omogućuje mehaničko i električno povezivanje svih modula s

matičnom pločom

Tiskana pločica fizički je izvedena u dvoslojnoj tehnologiji u cilju smanjenja

troškova. Posebna pažnja posvećena je odvođenju topline i topografiji vodljivih

likova za smanjenje elektromagnetskih smetnji, kako bi se izbjegli problemi vezani

uz pregrijavanje i pojavu smetnji koje mogu uzrokovati nepravilan rad sustava.

Slika gotovog sustava je prikazana na slici 2.

Slika 2. Slika elektroničkog sustava ronilice BubbleBee 2

7

3.1.1 Opis elektroničkog sustava

Sustav je projektiran posebno za potrebe ronilice kako bi zadovoljio sve

karakteristike potrebne za realizaciju upravljanja ronilicom. Prema specifikaciji

zahtjeva za podsustave izabrane su komponente koje svojim karakteristikama i

mogućnostima odgovaraju primjeni.

Cijeli sustav zamišljen je kako bi bio modularan i omogućio brzu izmjenu

neispravnih modula kao i laku nadogradnju novim modulima. Matična ploča može

primiti do osam modula koji se sa matičnom pločom povezuju preko 24-pinskog

konektora koji uz mehaničko učvršćenje omogućuju i ostvarivanje komunikacije i

prijenos električne energije. Moduli sa matičnom pločom komuniciraju preko RS-

485 komunikacijske sabirnice, a uz to dostupna je i 8-bitna paralelna sabirnica.

Svaki modul preko konektora na matičnoj ploči dobiva napajanje od +12V i +5V.

3.1.1.1 Matična ploča

Uz povezivanje svih modula omogućuje i komunikaciju sa računalom putem

USB sabirnice. Na matičnoj ploči nalazi se i dodatni prekidački regulator (DC/DC

konverter LM2679) koji od +12V napajanja stabilizira +5V potrebnih za rad

digitalnih servo motora i ostale periferije. Na matičnoj ploči nalaze se dodatni ulazi

i izlazi opće namjene kao i podsustavi za beskontaktno paljenje elektroničkih

sklopova i osobnog računala na samoj ronilici.

Matična ploča može komunicirati sa svim priključenim modulima i obaviti

osnovne dijagnostičke testove, te po potrebi isključiti napajanje neispravnim

modulima. Na matičnoj ploči nalazi se mikrokontrolerska jedinica PIC 16F1939

koja upravlja svim podsustavima na matičnoj ploči. Za komunikaciju sa modulima

koristi se MAX1483 (RS-485 transiver) koji omogućuje da se na sabirnici nađe do

256 uređaja. Matična ploča sa osobnim računalom komunicira preko USB

sabrinice upotrebom FT232RL integriranog kruga.

8

3.1.1.2 Modul za upravljanje motorima

Modul omogućuje upravljanje sa dva DC motora velike snage (do 20A). Snaga

motora regulira se upotrebom pulsno-širinske modulacije H-mosta kojim se

regulira struja kao i smjer struje kroz motor, a time brzina i smjer vrtnje motora.

Snaga se može regulirati sa 256 razina, a povratna informacija dobiva se

mjernjem trenutne struje kroz motor upotrebom niskopropusnog RC filtra i

operacijskog pojačala. Uz mjerenje struje mjeri se i temperatura pogonskog sklopa

s ciljem spriječavanja pregrijavanja motora i samog modula.

Modul također omogućuje upravljanje sa dva digitalna servo motora kojima se

prezicno regulira kut pomaka, a time i smjer kretanje podmornice. Pomak servo

motora određuje se širinom signala frekvencije 50Hz. Servo motori napajaju se

napon od 5V dobivenim dodatnim regulatorom fizički smještenim na matičnoj ploči.

Zbog pulsno širinske modulacije napona moduli stvaraju značajne smetnje, koje

predstavljaju problem u radu drugih komponenti, te se iz tog razloga dodatnim

elementima i samom izvedbom modula nastoji smetnje potisnut na najmanju

moguću razinu.

Iz razloga što se na matičnoj ploči nalazi više modula za upravljanje motorima,

svaki modul ima jedinstvenu adresu pomoću koje se može komunicirati sa njim.

Komunikacija sa matičnom pločom odvija se preko RS-485 sabrinice. Shema

takovog modula je dana na slici 3.

9

Slika 3. Shema modula za upravljanje aktuatorima

3.1.1.3 Modul za punjenje baterije

Baterija korišena u podmornici temelji se litij željezo fosfat (LiFePO4)

tehnologiji. Baterije karakterizira veliki kapacitet uz malu masu i dimenzije, čime

nam je omogućena velika autonomija podmornice. Baterije su punjive i spadaju u

porodicu litij ionskih baterija pa je potrebno obratiti posebnu pozornost na njihovo

punjenje.

U podmornici se koriste četri baterijska članka spojena u seriju kako bi se

dobio veći napon (12.8V nazivno) potreban za ispravan rad osobnog računala kao

i veća snaga pogonskih motora. Prilikom spajanja baterija u seriju potrebno je

voditi računa o naponu svake ćelije, zbog mogućnosti disbalansa napona baterija.

U slučaju razlike napona među ćelijama potrebno je koristiti aktivno sklopovlje koje

će taj napon izjednačiti i time omogućiti optimalno iskorištenje baterije. Takvo

sklopovlje naziva se balanser ćelija i dio su većeg sustava za nadzor baterija

(BMS). Baterije su osjetljive na napon i potrebno je voditi računa o svakoj ćeliji da

ne dođe da prepunjavanja ili pretjeranog pražnjenja.

Zbog specifičnih zahtijeva za masu i dimenzije ne možemo koristiti gotove

punjače, nego moramo razviti vlastiti u obliku dodatnog modula. Punjenje će se

odvijati u nekoliko stupnjeva. Prvi stupanj punjenje konstantnom strujom od 10A

do određenog napona ćelije. Nakon toga baterija je na odprilike 70% maksimalnog

kapaciteta(SOC). Dalje je potrebno puniti konstantnim naponom dok se ne

postigne puni kapacitet. Nakon toga prelazi se na smanjeni napon na kojem

baterija može ostati trajno priključena.

Da bi se realiziralo punjenje u više stupnjeva, modul mora imati vlastiti prekidački

regulator napona. Time je omogućena digitalna kontrola izlaznog napona i struje.

Regulator može raditi sa većim ulaznim naponima od nazivnog napona baterije

(do 48V), a time se smanjuje opterećenje dovodnih kablova i toplinski gubitci, a

ujedno omogućuje da podmornica bude u pogonu za vrijeme punjenja. LifePO4

Thundersky baterija je prikazana na slici 4.

10

Slika 4. LifePO4 baterijska ćelija

3.1.1.4 Modul za hidrofone

Hidrofoni omogućuju snimanje zvuka pod vodom. Uloga u ronilici im je

odrediti lokaciju izvora iz kojeg dolazi zvuk i omogućiti ronilici da se ispravno

pozicionira pomoću zvuka. Ronilica sadrži tri hidrofona razmještena tako da

razapinju trokut.

Zvuk sa svakog hidrofona dovodi se do operacijskog pojačala gdje se signal

pojačava a zatim do komparatora koji će prilikom detekcije zvučnog signala

aktivirati sklopovlje za lociranje. Vrlo precizno mjeri se vrijeme potrebno da zvučni

signal dođe do svakog hidrofona. Kako su hidrofoni postavljeni u trokut, to vrijeme

će se razlikovat zasebno za svaki hidrofon. Iz razlike vremena triagulacijom

moguće je odrediti smjer iz kojeg dolazi zvuk. Rezultate mjerenja modul će RS-

485 sabirnicom proslijediti do matične ploče koja će podatke proslijediti osobnom

računalu radi daljnje obrade.

3.1.1.5 Modul za analogno mjernje

Analogna mjernja izvedena su s vrlo preciznim analogno digitalnim

pretvornicima koji omogućuju precizno mjerenje napona. Mjerenja uključuju

mjerenje struje preko pada napona na poznatom otporniku, mjernje napona

11

baterije radi određivanja kapaciteta i mjerenje izlaza senzora za tlak radi

određivanja dubine. Mjerenja se izvode upotrebom vanjskog delta-sigma

pretvornika rezolucije 18 bita. Modul sa pretvornikom komunicira preko I2C

sabirnice. Primljene podatke pakira i šalje po RS-485 sabirnici do matične ploče.

Svaki analogni signal prethodno se kondicionira da bude pogodan za analogno-

digitalnu pretvorbu uz maksimalnu točnost. AD pretvornik omogućuje mjerenje

diferencijalnih ulaznih signala a vanjski senzori na modul se spajalu oklopljenim

kabelom što omogućava održavanje razine šuma na minimumu, što je preduvijet

za precizno mjerenje.

3.2 High level senzori i videokamere

U ovom odjeljku će biti nabrojani high level senzori koji se koriste unutar

ronilice te biti navedene kamere, također će biti navedeni senzori i kamere koji

trenutno nisu dio sustava ali se planiraju nabaviti. Bitno je napomenuti da pod high

level senzore smatramo one senzore koji posjeduju vlastitu elektroniku te

komuniciraju direktno s računalom.

3.2.1 Ins senzor

Nemogućnost korištenja GPS sustava za navigaciju ronilice navodi na

korištenje AHRS sustava u kombinaciji sa drugim sustavima kao bi se ostvarilo

točno pozicioniranje ronilice u prostoru. Na ronilici za AHRS sustav je korišten

McroStrain-ov IMU senzor oznake 3DM-GX3-25.

Iako na tržištu postoje mnogi AHRS sustavi po puno manjoj cijeni, odabir baš

ovoga senzora je uvjetovan iz više razloga:

• Veličina – zbog malo prostora potreban je senzor koji zauzima malo

prostora a odlično obavlja traženi zadatak

• Funkcionalnost – sustav nudi troosni akcelerometar, troosni žiroskop,

troosni magnetometar, temperaturu senzora te na temelju mjerenih

vrijednosti unutarnji procesor senzora osigurava točna statičke i dinamičke

12

orijentacije i inercijalna mjerenja. Sustav daje niz izlaznih kalibriranih

podataka inercijalnog mjerenja kutnih brzina, ubrzanja, magnetskog polja te

vektor promjene kuta i vektor promjene brzine sustava

• Točnost – sve mjerene veličine su u potpunosti temperaturno

kompenzirane, što je vrlo bitno budući da zbog vanjskih uvjeta tj.

temperature vode u kojoj se ronilca nalazi unutarnja temperatura može

varirati, te su mjerene veličine matematički svrstane u oktogonalni sustav,

dok su kutne veličine dodatno korigirana za G-faktor osjetljivosti

• Sučelje – USB sučelje omogućuje vrlo jednostavno povezivanje senzora u

sustav upravljanja ronilicom

Iako uz sam senzor dolazi popratna programska podrška ona nije zadovoljavala

potrebe ronilice, pa je zbog toga podrška za upravljanje senzorom i očitavanje

podataka posebno pisana i čini jednu od komponenti za upravljanje vanjskim

jedinicama u sustavu programske podrške. Prilikom rada samog sustava senzor

se koristi blizu granica njegovih mogućnosti, ali i dalje unutar sigurne zone

mjerenja. Vrši se uzorkovanje mjernih podataka na frekvenciji od 50Hz što je i više

nego dovoljno za sam sustav ronilice, a ujedno osigurava točnost mjerenih

podataka te omogućuje kontrolu očitanih podataka unutar samog sustava. Pri radu

na ronilici koriste se slijedeće mogućnosti ovog senzora:

Troosni žiroskop – za određivanje točne pozicije i orijentacije ronilice u prostoru,

kao bi se znalo u kojem je položaju ronilica u sustavu i da li je potrebno vršiti

neke korekcije u njenom položaju

Troosni akcelerometar – za određivanje akceleracija same ronilice na temelju

praćenja ovih podataka i analize rada propulzora možemo točno odrediti u

kojem se smjeru ronilica kreće te koja je njena brzina, iako se teoretski čini da

je moguće odrediti brzinu i put nekog vozila samo i integriranja njegovih

akceleracija zbog ne savršenosti mjernog sustava to i nije moguće, pa je zbog

toga uz mjerene akceleracije u izračun potrebno uzeti i sam rad propulzora

Eullerovi kutevi – pomoću ovih kuteva određuje se zakret ronilice u određenome

smjeru, što je vrlo bitno ukoliko ronilica želi promijeniti kurs kretanja, radom

13

propuloza i praćenje promjene Eulerovih kutova možemo precizno odrediti kut

za koji se ronilica zakrenula po određenoj osi oktogonalnog sustava.

Slika 5. INS senzor

3.2.2 Video kamere

Da bi ispunila zahtjeve navedene u poglavlju 2.Opis problema ronilica treba

biti opremljena sa dvije video kamere. Zbog ograničenog buđeta te za potrebe

testiranja korištene su dvije web kamere, te kamere će se u budućnosti zamijeniti

sa profesionalnim industrijskim kamerama radi poboljšanja performansi ronilice.

Web kamere se koriste za snimanje te kao pomoć navigaciji, također u budućnosti

uz prikladne algoritme kamere će se moći koristiti i kao alat za pronalaženje

eksplozivnih uređaja, za identifikaciju bioloških uzoraka ili pomoć pri arheološkim

istraživanjima. Na slikama 5. i 6. su prikazane korištene web kamere.

14

Slika 5. Logitech Orb web kamera

Logitech Orb kamera se koristi kao prednja kamera u ronilici te snima 30 slika u

sekundi (30fps) pri rezoluciji od 800x600 piksela.Također posjeduje i dva servo

motora te se može upravljati s nagibom leće (189° horizontalno te 102°

vertikalno).U režimu rada kada pilot upravlja ronilicom ova kamera se može

koristiti i kao fotoaparat koji može slikati s rezolucijom od 1600x1200 piksela (HD).

Slika 6.Donja web kamera

Donja kamera na ronilice se koristi za potrebe praćenja cjevovoda, obrisa algi i sl.

Ova web kamera je slabijih performansi od prednje kamere ali je za potrebe

testiranja sasvim dovoljna. Video se može snimati pri rezoluciji od 640x480 te

brzinom od 24fps-a.

Problem koji se javlja pri upotrebi web kamera je taj što je okruženje u

kojem ronilica radi premračan te su web kamere nedovoljno osjetljive pri tom

15

osvjetljenu. Iz tog razloga se za ronilicu planiraju nabaviti industrijske kamere koje

su prilagođene tim uvjetima.Također jedna od prednosti ove kamere jest i

mogućnost mjenjanja leće ovisno o potrebi misije. Takva kamera je prikazana na

slici 7.

Slika 7. Guppy industrijska kamera

3.2.3 Dodatni senzori

Za potrebe bolje navigacije te prikupljanja podataka ronilici su potrebni

dodatni senzori koji još nisu ugrađeni zbog ograničenog buđeta ali se planiraju

ugraditi. Neki od tih senzora su :

• kompas

• sonar

• DVL

Potreba za ugradnjom dodatnih senzora se prvenstveno javlja kod navigacije

ronilice, naime za sada se za navigaciju prvenstveno koristi gore navedeni

inercijski senzor te "dead reckoning" metoda. Zbog nesavršenosti senzora prilikom

računanja se javljaju pogreške koje onemogućavaju točno određivanje položaja

ronilice. Da bi se riješio taj problem, tj. da bi se smanjila pogreška namjerava se

koristiti kompas, DVL senzor te sonar. Iz razloga što ovi senzori nisu

implementirani neće biti detaljnije objašnjeni.

16

3.3 Low level senzori i aktuatori

Pod low level senzore smatramo one senzore koji komuniciraju s računalom posredno putem elektronike ugrađene u ronilici, tu spadaju svi integrirani senzori koji su opisani u poglavlju 3.1 Elektronika te tlačni senzor koji se koristi za određivanje dubine na kojoj se ronilica nalazi. Tlačni senzor je prikazan na slici 8.

Slika 8. Keller 20Bar senzorOvaj senzor ima opseg od 0.2-20 Bara, što znači da možemo mjeriti dubine do otprilike 200 metara. Izlaz iz senzora je strujni od 4-20 mA ili naponski od 0-10V DC. Karakteristika senzora na tom rangu je skoro linearna te se izlaz dobiva iz jednadžbe pravca (uz opciju strujng izlaza) :

f (x )= 1619.8

x+4.1616 (1)

gdje je f(x) funkcija tlaka koja daje struju, a x je tlak izmjeren na senzoru. Za pokretanje ronilice se koristi 10 aktuatora od čega su 6 DC motora te 4

servo motora. Za pokretanje 4 Schottel propulzora se koristi kombinacija 4 DC motora Speed 900S te 4 Futaba S3010 servo motora, princip rada ovog propulzora biti će objašnjen kasnije u tekstu. Za pokretanje dva vertikalna bočna propulzora koristi se 2 DC motora Speed 500.

Specifikacije aktuatora:1. Speed 900 BB Torque:

Nominalna voltaža: 12VDCOperativni naponi: 6-40VDC

17

RPM bez opterećenja: 6500 Struja praznog hoda: 1,1 AStruja pri optimalnom opterećenju: 8AStruja kratkog spoja: 54 A

2. Speed 500 BB:Nominalna voltaža: 7.2VDCOperativni naponi: 7.2-12VDCRPM bez opterećenja: 16400Struja praznog hoda: 0,5AStruja pri optimalnom opterećenju: 3,3AStruja kratkog spoja: 21A

3. Futaba S3010 Servo:Brzina: 0,20 sec/60° pri 4.8V

0,16sec/60° pri 6V

Moment: 5,2 kg/cm pri 4,8V 6,5 kg/cm pri 6V

3.4 Modul za obradu podataka, odlučivanje i upravljanje

Zbog ograničenog buđeta te iz razloga jednostavnijeg programiranja za

računalo na kojemu se izvodi obrada, odlučivanje i upravljanje odabrano je

standardno kućno računalo Asrock Ion CUDA 330. Ovo računalo je odabrano i iz

razloga što posjeduje NVIDIA ION grafičku karticu koja omogućava pisanje

programa direktno za GPU koji je nekoliko puta brži od klasičnog CPU-a, što nam

omogućava da izvodimo video obradu na grafičkom procesoru te oslobodimo CPU

za druge zadaće.

Neke od specifikacije ovog računala su dane ovdje:

Tablica 1. Specifikacije računala

Specifikacije ASROCK ION 330

CPU Intel®Atom™ 330 1.6GHz (Dual core)

18

CHIPSET NVIDIA®ION™ graphics processor

RAM 2GB DDR2 800 MHz memory, support dual channel, maximum memory capacity 4GB

VGA NVIDIA®ION™ graphics, support DX10 / Full HD 1080p

U/I 1 x HDMI (with HDMI to DVI adapter), 1 x D-Sub VGA, 6 x USB 2.0, 1 x S/PDIF (Optical)

Potrošnja 65W/19V

Masa 1.7kg

4 Trup ronilice

Trup ronilice BubbleBee II razvijan je u suradnji s Fakultetom strojarstva i

brodogradnje u Zagrebu. Prilikom razvoja dizajna trupa pazilo se na mnogo detalja

da bi se ostvarili navedeni ciljevi. U daljnjem tesktu proći ćemo kroz stupnjeve

razvoja dizajna trupa. Autor ovog rada je sudjelovao prilikom svih stupnjeva

razvoja unatoč tome što nije student FSB-a, to je razlog zašto je i taj dio projekta

opisan unutar ovog rada.

4.1 Problem otpora ronilice

Pogon podvodnog plovila jedan je od najutjecajnijih faktora pri određivanju

njegove veličine. Pogonski sustav zauzima veliki dio težine i prostora ronilice.

Nekih 60% mase i čak oko 65% ukupnog volumena zauzimaju baterije i pogonski

dio. Kako će se kasnije pokazati, snaga baterija i veličina pogonskog sustava usko

je povezana s brzinom i veličinom plovila. Nadalje, povećanje otpora samo po sebi

traži i povećanje snage propulzora što izravno utječe na masu i veličinu vozila.

Glavni faktori koji diktiraju zahtjeve pogonskog sustava su dakle:

• maksimalna brzina i vrijeme plovidbe pri maksimalnoj brzini,

• maksimalni doplov,

• vrijeme boravka ronilice pod morem.

19

Uzevši u obzir sve gore navedeno, jasno je da se projektant nalazi u petlji

projektnih zahtjeva koji u većini slučajeva izravno utječu jedan na drugoga. Upravo

zbog toga je projektiranje trupa iterativan proces koji se može kretati u oba smjera,

tj. može rezultirati ili smanjenjem ili porastom dimenzija, cijene i kompleksnosti

proizvoda. Varijacije bi se odmicanjem iterativnog procesa trebale sve više i više

smanjivati, a konačan rezultat bi trebao dati ''idealnu'' formu plovila.Naravno,cilj je

ostvariti sve projektne zahtjeve uz minimalnu cijenu, ali to gotovo nikada nije

moguće.

Što se otpora i forme trupa tiče cilj gotovo svakog projekta je približiti se obliku

idealnog strujnog tijela. U konkretnom slučaju također se težilo tome, no zbog

specifičnosti zahtjeva i forme trupa ostvarivanje tog oblika nije bilo u potpunosti

moguće.

4.1.1 Otpor i komponente otpora

Najjednostavnije rečeno, otpor je sila kojom se fluid opire gibanju tijela. No, ipak

nije sve tako jednostavno. Na otpor utječe mnogo faktora, te zbog toga otpor

dijelimo na komponente od kojih neke, u posebnim slučajevima, možemo

zanemariti. Npr. ronilice su specifične upravo zbog toga što se tijekom plovidbe

ispod površine otpor valova može zanemariti.

Kroz povijest su postojale mnoge podjele otpora, od kojih je većina gotovo

identična. Primjer jedne od podjela prikazan je na slijedećoj slici, a neke od tih

komponenata bit će detaljnije opisane u slijedećem tekstu.

Slika 9. Raspodjela otpora

Ukupni otpor može se prikazati kao:

20

T F RR R R= + (2)

R WP WB F PVR R R R R= + + ∆ + (3)

gdje je:

TR - ukupni otpor,

FR - otpor trenja ekvivalentne ravne ploče,

RR - preostali otpor,

WPR - otpor slike vala, (zanemaruje se pri plovidbi dovoljno ispod

površine)

WBR - otpor lomljenja vala, (zanemaruje se pri plovidbi dovoljno ispod

površine)

F∆ R - otpor trenja uslijed zakrivljenosti oplate,

PVR - viskozni otpor tlaka (otpor forme).

Otpor golog trupa ronilice zajedno čine otpor tlaka i otpor trenja. Tlak djeluje

pod pravim kutem na svaku točku površine. Tlak varira duž površine, a najveći je

na samom pramcu ronilice, točki stagnacije, oko koje se strujnice razilaze. Tlak je

najmanji na mjestima gdje su strujnice najbliže jedna drugoj, a raste na mjestima

gdje se strujnice razilaze (Bernoullijeva jednadžba). U neviskoznom fluidu tlak na

samoj krmi ronilice imao bi vrijednost tlaka u točki stagnacije na pramcu, tada bi

integral svih tlakova koji djeluju na elementarne površine iznosio nula, tj.

∫ pdA=0 (4)

Međutim, fluid je viskozan i upravo to svojstvo izaziva pojavu tangencijalnih sila ili

otpora trenja. Granični sloj,koji je i početno prilično tanak, podebljava se prema

krmi i strujnice se ne razilaze toliko koliko bi se razilazile u neviskoznom fluidu, što

uzrokuje otpor forme. Stvarni oblik forme trupa je promijenjen postojanjem

graničnog sloja i njegov otpor se može izračunati primjenom jednadžbe

kontinuiteta.

21

Dvije komponente otpora,ona koja je uzrokovana normalnim silama i ona koja je

uzrokovana tangencijalnim silama (otpor forme i otpor trenja), su otprilike jednake

kod strujnog tijela. Kako se omjer dužine naprema širine vozila povećava, forma

postaje dulja i vitkija, te se otpor forme smanjuje.

Slika 10. Komponente sila ukupnog otpora

Na slici 10 prikazane su komponente sile otpora tlaka i otpora trenja čija

integracija u smjeru brzine v daje otpor tijela.

Hrapavost tijela može značajno povećati otpor. Pod hrapavost tijela

podrazumijevamo bilo kakve neravnine na trupu, kao i loše pozicionirane i

nepokrivene otvore.

Otpor privjeska, bez obzira kako precizno strujno oblikovani i kako pažljivo

izvedeni, može dostići, a u nekim slučajevima čak i premašiti 50% ukupnog otpora

golog trupa.

4.1.2 Tipovi strujanja oko trupa ronilice i pojave koje mogu uzrokovati povećanje otpora

Na samom trupu podmornice može doći do pojave laminarnog ili

turbulentnog strujanja, ili kombinacije ova dva tipa strujanja. Između područja

laminarnog i turbulentnog strujanja nalazi se prijelazno područje. Laminarno

strujanje sastoji se od više slojeva fluida koji glatko klize jedan preko drugoga

različitim brzinama. Brzina se mijenja od nule na površini do brzine slobodnog

strujanja na maloj udaljenosti okomito na površinu. Laminarni granični sloj ima

22

malo trenje, no nažalost pojavljuje se pri malim brzinama strujanja i u

promatranom fluidu (morska voda) se rijetko pojavljuje pri većim brzinama

strujanja.

Kriterij za procjenu tipa strujanja je Reynoldsov broj:

X×= v LRe

ν (5)

gdje je:

−v brzina,

−L duljina trupa,−ν kinematički koeficijent. viskoznosti.

Iz gornjeg izraza vidljivo je da se uz konstantnu vrijednost brzine i viskoznosti

tekućine, Reynoldsov broj mijenja s promjenom duljine, i to tako da se povećanjem

duljine povećava i vrijednost Reynoldsovog broja. Može se zaključiti da je pojava

laminarnog strujanja, najvjerojatnija na pramcu.

Pri većim Reynoldsovim brojevima slojevi tekućine više ne klize jedan preko

drugoga kao kod laminarnog strujanja, već se međusobno isprepliću i rotiraju što

dovodi do pojave vrtloga. To je sve praćeno velikom bukom i otpor trenja je mnogo

veći zbog energije potrošene na turbulenciju. Tada imamo turbulentni granični sloj.

Kod strujno oblikovanog tijela, gdje se tlak mijenja ovisno o obliku, područje

pada tlaka u smjeru strujanja dulje održava laminarno strujanje u graničnom sloju.

Suprotno, područje porasta tlaka u smjeru strujanja onemogućava održavanje

laminarnog strujanja. Hrapavost i valovitost površine također negativno utječu na

održavanje laminarnog strujanja i potpomažu turbulentno strujanje.

Jako je teško, ako ne čak i nemoguće, zadržati laminarno strujanje oko velikih

objekata koji se gibaju kroz fluid. Kada bi se laminarno strujanje moglo održati na

značajnom dijelu površine ronilice tada bi se ostvarili značajni dobici ne samo u

23

brzini i doplovu, nego i u uštedi energije.

Ako je područje povećanog tlaka u smjeru strujanja jako izraženo, to usporava

fluid u graničnom sloju, može ga zaustaviti ili čak može doći do strujanja u

suprotnom smjeru. Tada strujanje više nije priljubljeno uz površinu i odvaja se od

nje. Naravno da je dio fluida i dalje u kontaktu s površinom tj. nema praznine. Ova

pojava naziva se odvajanje strujanja

Dok kod laminarnog graničnog sloja odvajanje nastupa lako, kod turbulentnog

graničnog sloja veća energija u slojevima tekućine blizu površine omogućava

česticama tekućine da prodru dublje u područje povećanog tlaka prije nego se

zaustave i strujanje se odvoji od površine.

U području gdje dolazi do odvajanja otpor se drastično povećava, te odvajanje

treba izbjegavati.

Slika 11. Strujanje oko tijela

4.1.3 Utjecaj forme trupa na otpor

Forma trupa ima velik utjecaj na otpor, a jako bitna varijabla kod određivanja

hidrodinamičkih performansi ronilica je omjer duljine L i širine B. Kako je prethodno

navedeno teži se tome da se forma ronilice približi formi idealnog strujnog tijela.

Čak ni idealno strujno tijelo nije točno definirano. Naime, mnoga su istraživanja

dala različite podatke o omjeru L/B idealnog tijela. Opće je prihvaćeno da se za

idealno tijelo uzima slijedeći raspon:

24

5≤L / B≤6 (6)

Nakon mnogo istraživanja koja su provedena tijekom projektiranja podmornice

Albacore, došlo se do toga da je omjer L/B = 7,723 izabran kao optimalni omjer

duljine i širine.

Otpor trenja je proporcionalan oplakanoj površini, tako da dulja i vitkija ronilica

mora imati veću oplakanu površinu od kraće i šire ronilice jednake istisnine.

Promjena ovih komponenti otpora i njihov zbroj u ovisnosti o omjeru L/B prikazani

su na slici 4. Iz dijagrama je vidljivo da je minimum ukupnog otpora negdje oko

L/B=7, no krivulja je u ovom području ravna, tako da ne postoji točno određen

minimum.

Komponente otpora za podvodnu formu konstantnog volumena

0 2 4 6 8 10 12

L/B

Otp

or

Ukupni otporOtpor trenjaOtpor forme

Slika 12. Komponente otpora za formu zadane istisnine

Sve prethodno navedeno odnosi se na otpor golog trupa, te ne uključuje

propulzore, ostale kontrolne površine, izbočine, otvore i razne druge privjeske.

4.2 Odabrana forma ronilice

Prije nego se krene u osnivanje forme, dobro bi bilo ponovno navesti

25

zahtjeve iz 2. poglavlja koji su direktno vezani uz problem osnivanja forme :

• brzina napredovanja dovoljna za svladavanje morskih struja u Jadranskom

moru

• brzina lateralnog pomaka što veća ( min. 0.5 m/s) kako bi se omogućilo brzo

pozicioniranje

• brzina vertikalnog zaranjanja dovoljna za izvršavanje misije

• minimalna masa (max. 38 kg)

• visok stupanj upravljivosti i sposobnost manevriranja u malom prostoru

Potrebno je pronaći što hidrodinamičniji oblik trupa ( kako bi se smanjio otpor

forme), ali takav, da za zadani volumen ima najmanju moguću oplakanu površinu

(kako bi se otpor trenja koji je dominantan pri manjim brzinama sveo na najmanji

mogući iznos).

Kao najpovoljnija forma nameće se tradicionalna ''torpedo forma'', međutim,

ronilica takvog oblika je neupotrebljiva za naše potrebe budući da nije predviđena

za brzo pozicioniranje, te je gotovo nemoguće kvalitetno postaviti nama dostupne

propulzore na takvu formu. Ronilice s ''torpedo'' formom nisu dovoljno upravljive u

malom, ograničenom prostoru kakav uvjetuje misije za koje je ronilica dizajnirana.

Prije donošenja bilo kakvih odluka glede forme, razmotrene su forme ostalih

ronilica koje se nude na tržištu i ronilica koje će nastupiti na AUVSI natjecanju,

kako bi se uvjerili u njihove prednosti i nedostatke. Cilj je osnovati takvu formu,

koja bi na natjecanju bila superiorna ostalima ali i u svijetu komercijalnih ronilica.

Dakle potrebno je smanjiti otpor frontalnom i bočnom nastrujavanju.

Primjeri sličnih ronilica dani su na slijedećim slikama:

26

Slika 13. Cornell ''Nova'' Slika 14. Cornell ''Triton''

Slika 15. ''Seawolf'' Slika 16. ''Sonia''

4.2.1 Odabir profila glavnog rebra

Ono što je već na prvi pogled vidljivo je da su sve ronilice osim ''Seawolfa'',

ronlice ''kaveznog'' tipa. Takva konstrukcija ima prednost u jednostavnosti

postavljanja različitih modula. Međutim, već je i laiku vidljivo da takve ronilice imaju

loša hidrodinamička svojstva. Kako je naš cilj izrazito upravljiva ronilica, odlučili

smo se za zatvorenu formu.

Zbog posebnosti konstrukcije i propulzije, već smo imali viziju kako bi ronilica

otprilike trebala izgledati, ali je ipak trebalo provesti opsežne analize. Prva analiza

koju smo proveli bila je analiza različitih oblika glavnog rebra, odnosno poprečnog

presjeka ronilice. U skladu s iskustvom i pravilima struke odabrali smo tri presjeka

koja ćemo ispitati. Potrebno je napomenuti da svi presjeci imaju jednaku površinu i

da je volumen ispitivanih tijela jednak, kako bi se osigurala konzistentnost

rezultata. Ti presjeci vidljivi su na slijedećoj slici.

Profil 1 Profil 2 Profil 3

Slika 17. Prikaz različitih profila glavnog rebra

Nakon izrade 3D modela uz pomoć računalnog programa Rhinoceros 4.0, krenulo

se u ispitivanje profila računalnom aplikacijom Star CCM. Ispitivanje je za svaki

27

profil provedeno pri brzini nastrujavanja fluida od 1 m/s. Ispitivanja su izvedena uz

pomoć dipl.ing. brodogradnje Marina Rajića.

Rezultati ispitivanja su:Tablica 2.

Profil koji daje najmanji otpor je profil 2.

Slika 18. Rezultati CCM analize presjeka profila br. 2

Nakon analize rezultata taj profil je i odabran za poprečni presjek ronilice.

4.2.2 Forma trupa

Nakon odabranog profila mogli smo pristupiti dizajnu same ronilice.

Potrebno je da forma ronilice bude takva da stvara što manji otpor pri bilo kakvom

kretanju kroz vodu, ali i da volumen bude ispod cca. 38 L. Kao polaznu točku uzeli

smo omjer radijusa i duljine ronilice s torpedo formom koji se općenito u literaturi

spominje kao najpovoljniji (1:5-1:7), te je pokušali ''razvući'' na prethodno dobiveni

profil. Na tu smo formu dodali privjeske koji su zapravo nosači motora, tuneli za

bočne propulzore te otvori za kamere. Naravno da privjesci uvjetuju povećanje

vrijednosti otpora, ali nismo ih mogli izbjeći zbog konfiguracije prijenosa snage te

rasporeda propulzora i kamera. Vodili smo računa i o maksimalno dozvoljenoj

masi ronilice, pokušavajući je u procesu smanjiti što je više moguće. Slijedeća

slika prikazuje usvojenu formu.

28

Slika 19. Tlocrt-nacrt-bokocrt te izometrija forme trupa u CAD-u

Odabrana forma ima slijedeće dimenzije:

L = 1.05 m

B = 0,5 m

D= 0,21 m

V= 0,0279 3m

gdje je:

L- duljina [ m ]

B- širina [ m ]

D- visina [ m ]

V- zapremnina [ 3m ]

Analiza otpora usvojene forme provedena je programom STAR CCM+.

4.2.3 Analiza otpora odabrane forme

Star CCM+ je program najnovije generacije koji se koristi za analizu

dinamike fluida. Proračun otpora programom CCM+ proveden je za više brzina

29

kako bi mogli kreirati potrebne dijagrame, a sastoji se od slijedećih koraka:

1. unos forme,

2. formiranje mreže,

3. postavljanje rubnih uvjeta,

4. simulacija,

5. ispis i analiza rezultata.

U ovom slučaju forma podmornice dobivena je programom Rhinoceros 4.0.

Prilikom postavljanja mreže treba voditi računa o veličini ćelija. Pri tome treba uzeti

u obzir oblik ćelije, kao i činjenicu da mreža od prevelikih ćelija daje nepouzdane

rezultate, a mreža od premalih ćelija nepotrebno produljuje trajanje proračuna.

Zbog toga je uzeta veličina osnovne ćelije od 0,015 m, a na mjestima gdje se

pojavljuju diskontinuiteti ta je veličina još manja kako bi se osigurali točniji rezultati.

Kontrolni volumen je ima dimenzije 2,3 x 2 x 1,04 m. Pogodno je da ćelija ima što

veći broj stranica, pa je korištena poliedarska mreža

Rezultati su analizirani nakon 1000 iteracija za svaku brzinu.

Tijek proračuna prikazan je i slijedećim slikama:

Slika 20. Kontrolni volumen podmornice nakon formiranja mreže

30

Prije provođenja simulacije postavljeni su uvjeti ispitivanja. Točnije uvjeti

kontinuuma u kojem se nalazi ronilica.

Uvjeti modela ispitivanja:

1. 3D model

2. stacionarno ispitivanje ( znači da se ne pomiču kontrolni volumeni već da se

simulira protjecanje tekućine kroz njih)

3. voda kao medij

4. ''coupled flow'' model rješavanja jednadžbi, u kojem se jednadžbe očuvanja

mase i momenata istodobno rješavaju.

5. konstantna gustoća

6. gravitacija je uključena

7. k-e model turbulencije

Rezultati nakon simulacije prikazani su na slijedećim slikama:

Slika 21. Raspored tlaka na kraju simulacije

31

Slika 22.Relativna brzina čestica na modelu, simulacija u CCM-u

Slika 23. Prikaz iteriranja sile otpora tijekom ispitivanja

Slike koje su prikazane su snimljene pri simulaciji frontalnog nastrujavanja fluida

brzinom od 2 m/s. Budući da smo proveli više simulacija za različite brzine mogli

smo analizirati rezultate.

32

Tablica 3. Sile otpora za različite brzine nastrujavanja

Sila otpora

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

0 1 2 3 4 5Brzina [ m/s]

Sila

otp

ora

[N]

Sila otpora

Slika 24. Odnos sile otpora i brzine napredovanja ronilice

Vidljivo je da sila otpora raste s drugom potencijom brzine, što je u skladu s

analitičkom formulom:

212T TR S v Cρ= × × × × (7)

gdje je:

TR - ukupna sila otpora

ρ - gustoća medija (morska voda )

S - oplakana površinav - brzina

33

TC - ukupni koeficijent otpora

Rezultati te analize su izrazito ohrabrujući. Naime, ispitivanjem azipodnih

propulzora u bazenu Laboratorija za podvodne sustave i tehnologije na FER-u,

zaključili smo da svaki azipod uz pripadni motor razvija poriv od cca. 15 N. S

obzirom da je ronilica opremljena s četiri takva azipodna propulzora, ukupni poriv

je dakle 60 N. Iz dijagrama možemo lako očitati postiživu brzinu ronilice koja za

silu otpora od 60 N iznosi 3.6 m/s.

Naravno predviđeni su i gubici od cca. 15 % zbog nesavršenosti izrade te

hrapavosti trupa. Uz te gubitke brzina iznosi 3,3 m/s, odnosno 6,4 čvora. Koliko je

forma superiorna ostalima, govori i podatak da ronilica sveučilišta Cornell, koja je

osvojila prvo mjesto 2009 godine na natjecanju AUVSI AUV, postiže maksimalnu

brzinu od 1.2 čvora. Dapače, ronilica je brzinom konkurentna i mnogim ronilicama

''torpedo'' forme.

Budući da je jedan od uvjeta bio i da ronilica mora imati brzinu bočnog pomaka

veću od 0,5 m/s, analiziran je i otpor bočnom nastrujavanju fluida. Kako je proces

ispitivanja, odnosno provođenja simulacije isti kao i kod frontalnog nastrujavanja

dani su samo rezultati.Tablica 4. Otpori pri bočnim nastrujavanjima

Budući da se u bočnom hodu može ostvariti poriv od 21 N, jasno je da će ronilica

bočno postizati brzinu veću od 1 m/s, čime je uvjet zadovoljen.

34

4.3 Stabilitet ronilice Bubblebee II

Bitna stavka kod projektiranja plovnog objekta općenito, a tako i ronilice jest

njezin stabilite.Najviše se vodilo računa upravo o odnosu mase i istisnine, budući

da ronilica mora biti malo pozitivno plovna, što znaći da masa mora biti nešto

manja od istisnine, kako bi ronilica u slučaju zatajenja motora mogla sama izroniti.

Dakle, potrebno je rasporediti elemente unutar ronilice, tako da težišta mase i

istisnine leže na istom pravcu koji mora biti okomit na osnovicu ronilice. Kod

podvodnih objekata uvjet je da se težište mase nalazi ispod težišta volumena.

Kako je težište volumena određeno samom formom, trebalo je provesti centraciju

masa i elemente unutar trupa rasporediti tako da težište mase padne u točku koja

se nalazi približno ( približno budući da ronilica ima i utege kojima se nakon

ugradnje elemenata može dodatno izbalansirati) ispod težišta volumena.

Prije provođenja centracije potrebno je odrediti koordinatni sustav. U ovom slučaju,

koordinatni sustav određen je tako da je za ishodište odabrana točka na sredini

samog prednjeg dijela. Os x usmjerena je prema stražnjem kraju ronilice, os y

udesno, a os z prema gore.

Nakon određivanja koordinatnog sustava, provedena je centracija. ( Potrebno je

napomenuti da su mase dane u kilogramima, a udaljenosti u milimetrima ).

35

Slika 25. Koordinatni sustav korišten pri centraciji

Tablica 5. Komponente unutar ronilice te račun centracije

36

Ovakvim rasporedom elemenata konstrukcije osigurali smo da težište mase padne

približno ispod težišta volumena, a i zadovoljili uvjet da ronilica mora biti malo

pozitivno plovna.

Poznavajući uvjet da kod podvodih objekata vrijedi:

sinsM BG ϕ= ∆ × × (8)

gdje je:

sM - moment statičkog stabiliteta

∆ - sila istisnine

BG - udaljenost između težišta volumena i težišta maseϕ - kut nagiba

-moguće je izraditi krivulju statičkog stabiliteta za naš slučaj.

Krivulja stabiliteta

-6

-4

-2

0

2

4

6

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

Kut nagiba

Mom

ent s

tatič

kog

stab

ilitet

a

Krivulja stabiliteta

Slika 26. Krivulja stabiliteta

Ovime zaključujemo da su ispunjena sva tri u prethodnom tekstu navedena uvjeta

plovnosti.

- Neutralna plovnost - W = ∆ ( sila težine jednaka je sili uzgona)

- Ravna vodna linija - sile težine i uzgoa moraju biti kolinearne pri čemu je

37

pravac na kojem djeluju okomit na x-y ravninu podmornice.

- Stabilna ravnoteža – težište mase mora biti ispod težišta uzgona

Nakon završetka dizajna vanjskog trupa te izračuna stabiliteta te hidrodinamičkih

svojstava trebalo je izabrati materijale i način izrade samog vozila. Kako je zahtjev

od početka bio da se smanji težina ronilice, te je sama forma ronilice komplicirana

za izraditi od standardnih materijala, ideja je u samom početku bila da se ronilica

izradi od kompozitnih materijala kao što su karbon, kevlar, i sl. U nastavku rada

vidjet će se razlozi za takav odabir takove vrste materijala.

4.4 Čvrstoća i odabir materijala

Ideja projekta bila je da ronilica može funkcionirati u realnim uvjetima i

poslije natjecanja, te je zbog toga trebalo provesti potrebne proračune čvrstoće.

Samo natjecanje se odvija u bazenu dubine otprilike 20 m, a da bi ronilica bila

donekle funkcionalna u realnim istraživačkim i znanstvenim misijama opterećeni

dio kučišta bi morao izdržati i tlak do 15bara. Ako bi to uspjeli to bi značilo da bi

ronilica mogla zaroniti u najveći dio jadrana, to jest 90% jadrana i ne prelazi

150m, odnosno 15bara.

U skladu sa ovim glavnim zahtjevom, kućište se nije moglo samo

predimenzionirati, već je trebalo i težiti i najmanjoj mogućoj masi, jer je istisnina

zamišljenog kućišta bila ograničena, a i na natjecanju se dobivaju dodatni bodovi

što je težina ronilice manja. Sam proces projektiranja je išao tako da se trup

ronilice prvo optimizirao u svrhu dobivanja što povoljnijih hidrodinamičkih

svojstava ronilice i naravno pravljenja kompromisa najpovoljnijeg razmještaja

opreme i uređaja uz zadovoljenje stabilteta i što manje istisnine .

Takav način rada nije dopuštao preveliko utjecanje čvrstoće na vanjski izgled

ronilice. Ono što su nam proračuni čvrstoće omogućili jest:

• dimenzioniranje debljine oplate trupa

• dimenzioniranje zadebljanja oplate trupa na kritičnim mjestima (otvori za

38

okna, diskontinuiteti forme, itd.)

• dimenzioniranje pojedinih konstruktivnih elemenata (rebra, upore)

• izbor materijala

• određivanje glavne smjerove naprezanja.

Uz glavni zahtjev, mogućnost zarona do 150m, postoji još cjeli niz problema

koje optimiranje glavnog zahtjeva povlači za sobom. Rješavanje tih problema

predstavlja samu srž inženjerskog pristupa projektiranju, koji treba dovesti do

kvalitetnog projekta. Neki od tih problema su nabrojani ovdje:

• smanjenje težine trupa

• svođenje koncentracije naprezanja na minimum

• pokušaj izbjegavanja pojave zamora materijala

• onemogučavanje izvijanja i savijanja trupa

Razlozi zašto treba smanjiti težinu trupa već su obrazloženi. Osim optimizacije

debljine oplate, na ovom se polju može mnogo učiniti i izborom kvalitetnih i

modernih materijala koji imaju dobar omjer dozvoljenog naprezanja i specifične

težine.

Velike koncetracije naprezanja vode do velikog broja pojava (općenito govoreći to

predstavlja nesklad konstrukcije) i ukazuju da već prvi zahtjev smanjenja težine

vjerojatno nije ispoštovan iako su možda naprezanja i ispod dopuštenih.

Onemogućavanje oštećenja usljed zamora je obično problem na lokalnoj razini

strukture. Lomovi uslijed zamora se sprečavaju smanjenjem amplituda

naprezanja, odnosno povećanjem dimenzija ili promjenom geometrije strukturnog

detalja radi smanjenja koncentracije naprezanja.

39

Slika 27. Prikazi krivulja naprezanja

Zadnja stavka je sprečavanje bilo kakvih elastičnih deformacija. Pomake je

nemoguće spriječiti u potpunosti, ali ih treba staviti u granice dozvoljenog. Razlog

je to što se radi o malom o objektu koji je blago pozitivno plovan, pa bi deformacije

mogle dovesti do gubitka istisnine i ronilica bi nepovratno potonula. Poglavito ako

plovi iznad dubina većih od 150m. Ronilica bi propadala dok nebi bila potpuno

zdrobljenja. Ovaj zahtjev je jako bitan, jer se ronilica može nalaziti unutar

dopuštenih naprezanja, a da bude uništena.

Rješavanje ovih problema je iznimno teško i komplicirano ako bi se proračuni radili

ručno. Za rješavanje problema čvrstoće korišten je računalni program Femap

v.9.3, proizvođača Siemens Product Lifecycle Management Software, čiju licencu

posjede Fakultet strojarstva i brodogradnje. Samo računanje obavlja Nastran 6.1,

koji računa metodom konačnih elemenata. Nastran može rješavati brojne

probleme (statičku, dinamičku analizu, temperaturnu provodljivost, izvijanje itd.) ,

čiji opisi neće biti detaljno objašnjeni ovdje, samo će se kratko osvrnuti na linearnu

statičku analizu kao osnovu po kojoj se dimenzioniralo kućište i na pločasti

konačni element sa kojim je modelirana oplata (rebra i neki detalji su modelirani

trodimenzionalnim elementom).

Linearna statička analiza predstavlja najosnovniji tip analize. Izraz „linearna“ znači

da traženo rješenje –deformacija ili naprezanje je linearno narinutoj sili. Izraz

„statička“ znači da sila nije varijabla vremena ili da je vremenska domena nebitna i

da se stoga može sigurno ignorirati.

40

Jednadžba statičke analize je

[K]{u} = {f}

Gdje je „K“ matrica krutosti (generirana automatski NX Nastran za Femap,

bazirano na geometriji i svojstvima materijala), „f“ je vektor narinute sile (koju

korisnik specificira) i „u“ je vektor pomaka koji računa NX nastran. Jednom kad su

pomaci izračunati, NX Nastran koristi ih da bi izračunao sile, naprezanja i reakcije

u elementu. Narinute sile mogu bi korištene neovisno ili kombinirane jedna sa

drugom.

Slika 28. Rezultat FEMAP analize s vidljivim područjima zamora

Konstrukcija se modelira sustavom pločastih konačnih elemenata (trokutasti,

pravokutni), te se problem svodi na određivanje progiba, nagiba i unutarnjih sila u

spojnim točkama elemenata, tj. u čvorovima. Ovdje će se prikazati modeliranje

samo s pravokutnim pločastim elementima.

Pravokutni pločasti element prikazan je sa svojim značajkama na slici

41

Slika 29. Pravokutni pločasti element korišten u FEMAP analizi

Element sa 4 čvora, a u svakome čvoru su 3 stupnja slobode i to progib ω i kutevi

zakreta φ i ψ, zatim poprečna sila W i momenti savijanja Φ i Ψ.

Matrica jednadžbe konačnog elementa ima svoj uobičajeni oblik

(9)

gdje je

(10)

matrica krutosti

(11)

površina elementa (12)

42

Izbor materijala morao je udovoljavati već navedenim zahtjevima. Opće poznato je

da kompoziti daju najbolji omjer dopuštenog naprezanja i težine. Primjena

kompozita u pomorskim aplikacijama je široko rasprostranjena. Dvije glavne

prednosti vlaknima ojačanih plastika ispred metala je otpornost na utjecaj okoline

mora, praktički eliminiraju galvansku koroziju i jednostavnije sastavljanje strukture.

Od materijala mogli smo kombinirati sa sljedećim

Smole:

- ortoftalna smola

- izoftalna smola

- epoksi smola

Vlakna:

-E-staklo

-karbon

Međutim njihova mana je to što je njihova čvrstoća usmjerena, u jednom smjeru. A

vlakna praktički nemaju nikakvu čvrstoću na savijanje. Međutim u stvarnosti nije

tako nego se debeli laminat ponaša kako je prikazano na skici ispod. Pravilnim

modeliranjem konačnih elemenata može se i ovaj problem riješiti.

Slika 30. Presjek laminata u odnosu na sile

Ovo je jedan od razloga i zašto nismo koristili armidna vlakna. Zbog njihovih jako

loših svojstava u tlačnom smjeru. Mogli bi se koristiti jedino vlačnoj zoni zajedno

sa kombinacijom stakla ili karbona u tlačnoj zoni. Prednost karbona pred staklom

je što se jako malo deformira pri istom naprezanju. Iako je karbon desetak puta

43

skuplji od stakla, svojim karakteristikama opravdava cijenu, pogotovo u ovakvoj

jednoj ronilici od koje se zahtijevaju vrhunske performanse. Sve se to može lako

iščitati iz sljedećih grafova.

Slika 31. Prikaz karakteristika različitih kompozita u odnosu na silu

Ovi grafovi pokazuju granicu popuštanja i maksimalno istezanje različitih

kompozita do pucanja. Gradient svakog grafa zasebno također pokazuje modul

elastičnosti kompozita. Što je okomitiji gradijent veća je krutost. Graf također

pokazuje neka vlakna, kao što je armid, daju jako različita svojstva kad je

opterećen vlačno, u usporedbi sa kad je opterećen tlačno.

Važno svojstvo svake smole, osobito u pomorskim uvjetima, je sposobnost da se

odupre degradaciji od prodiranja vode. Sve smole absorbiraju malo vlage, dodano

težini laminata, ali što je još važnije je kako voda utječe na smolu i smola/vlakna

vezu u laminatu, što dugoročno vodi gubitku mehaničkih svojstava. Poliesterska i

vinilesterska smola su sklone propadanju od vode uslijed prisutnosti hidrolisablinih

ester grupa u njihovim molekularnim strukturama. Kao rezultat, za tanki poliesterni

laminat može se očekivati da zadrži 65% od njegove unutar-laminarne međuslojne

čvrstoće nakon što je bila uronjena u vodu u perioda od jedne godine, dok će

uronjeni epoksilni laminat u istom periodu zadržati oko 90%.

44

Slika 32. Odnos utjecaja vode na različite vrste smole

Donji graf prikazuje da epoksi daje čak malo veći modul elastičnosti nakon sušenja

na sobnoj temperaturi nego kad se suši na 80°C. Istina granica popuštanja je

manja, ali i dalje se su mehanička svojstva mnogo bolja nego kod ostalih smola.

Slika 33. Prikaz snage te čvrstoće različitih smola

Na kraju treba reći da konačna čvrstoća ronilice ovisi o tehnologiji izrade, koja je u

okviru naših mogućnosti. Tako da se može nažalost može dogoditi da proračun ne

bude točan, jer ovisi o toliko varijabli. Poput načina slaganja plahti, temperaturi

sušenja laminata ili volumnom udjelu smole kako je prikazano na grafu ispod

45

Slika 34. Odnos čvrstoće s obzirom na volumni udio smole

Ukupna svojstva kompozita su dakle određena sa:

• Svojstvima vlakana

• Svojstvima smole

• Omjerom vlakana i smole u kompozitu (volumski udio u vlakna)

• Geometrijom i orjentacijom vlakana u kompozitu

Na temelju pokazanih podataka za izradu konačnog trupa odabrana je epoksivna

smola te karbonska vlakna, zbog nedostupnosti tvorničke izrade radi testiranja je

izrađena I ronilica od staklo plastike s čeličnim rebrima.

46

4.5 Konstrukcija trupa ronilice

Od samog početka projekta, postojalo je više idejnih rješenja same

konstrukcije, budući da nije bila poznata niti dostupna tehnologija, niti materijali.

Zbog praktičnih razloga (održavanje, popravci...) bilo je potrebno osmisliti

jednostavan i funkcionalan način otvaranja ronlice. Iako je u početku zamišljeno

uzdužno otvaranje ronilice, iz praktičnih razloga izbor je ipak pao na

poprečno.Kako bi umetanje odnosno vađenje opreme bilo olakšano, na najširem

dijelu ronilice izrađeno je rebro. To rebro, osim što osigurava kvalitetno brtvljenje,

daje i čvrstoću konstrukciji.

Budući da je isplanirana izrada više trupova ( različiti materijali ), a količina opreme

je ograničena,trebalo je osmisliti način na koji bi se sva oprema mogl izvaditi iz

jednog trupa i brzo i efikasno montirati na drugi. Problem je riješen montažom

baterija i ostalih uređaja na kolica koja se jednostavno izvade iz vodilica u trupu.

Motori i magnetske spojke jednostavno su montirane na nekoliko vijaka.

Slika 35. Prikaz otvora na glavnom rebru

Najvažniji dio konstrukcije su rebra. Ona pridonose čvrstoći ronilice, služe kao

nosivi element magnetski spojki i motora, i mjesto su velikog brtvenog spoja.

Njihova kvalitetna izrada jedan je od ključnih problema.

47

Slika 36. Nacrt glavnog rebra

Za potrebe prve verzije trupa ronilice rebra su radi jednostavnosti laserski rezana

iz plahte čelika te zavarivana u oblik prikazan na slici 36. Također se za potrebe

konačne verzije ronilice koja bi trebala biti od karbonskih vlakana u kombinaciji s

epoksijem izradio kalup za rebra, također od čelika.

Ostatak kučišta je izrađen od različitih kombinacija različitih smola i vlakana te je

za njihovu izradu prvo bilo potrebno napraviti kalupe. Kalupi za trup su iz

praktičnih razloga podijeljeni na dva dijela, prednji i zadnji. Oba djela su

prilagođena 3 osonoj glodalici dostupnoj na FSB-u. Osim toga trebalo je i paziti da

se kalupi mogu jednostavno izvaditi iz trupa jednom kad se laminat osuši. Konačni

oblik kalupa za oplatu ronilice je prikazan na slici 37. Kalupi su izrađeni od

stirodura i premazani smjesom epoksidne smole i staklenih mikro balona, radi

dodatne tvrdoće, tako da su se kalupi mogli koristiti više puta.

48

Slika 37. Nacrt stirodurskih kalupa

Slika 38. Stirodurski kalupi

49

Uz glavne dijelove ronilice dizajnirani su i kalupi za nosače motora te rep ronilice.

Slika 39. Kalup nosača motora

Za potrebe ovog rada te projekta BubbleBee II napravljena su dva trupa, od

stakloplastike i čelika te od karbona, kao tehnologiju se koristilo ručno laminiranje

te vakum tehnologija.

Prilikom samostalne izrade trupa naišlo se na mnoge probleme te je zaključak da

se ovako komplicirani trup ne može izvesti s tehnologijom dostupnom fakultetima.

Iz tog razloga se nacrt trupa poslao na izradu tvrtci AB Plastika te se za vrijeme

pisanja ovog rada nažalost još nije izradio. Pokušaj samostalne izrade trupa te

rezultati su prikazani na nekoliko slika ispod. Nažalost zbog kompliciranog dizajna

rebra nije se uspjela postići dovoljna kvaliteta brtvljenja te su stoga samostalno

izrađeni trupovi neupotrebljivi za testiranje u vodi.

50

Slika 40. Priprema kalupa Slika 41. Sušenje laminata rebra

Slika 42. Izgled laminiranog trupa Slika 43. Postavljanje donjeg okna

Slika 44. Postavljanjeg prednjeg okna Slika 45. Vakum tehnika

51

Slika 46. Prototip bez nosača motora

Slika 47. Testiranje nepropusnosti

52

Slika 48. Testiranje nažalost neuspješno – spašavanje trupa

53

5 Propulzija

Jedan od glavnih zahtjeva ronilice je bila izrazito dobra upravljivost te

manevirabilnost u malom prostoru. Ronilice za propulziju obično koriste klasični

vijak no da bi se ostvarila upravljivost sa 6 stupnjeva slobode bilo bi potrebno oko

8 takovih vijaka.

Ronilica BubbleBee koristi tzv. azimutne propulzore koji se uz to što

stvaraju potisak u jednom smjeru mogu i okretati uz pomoć malog servo motora te

tako stvarati potisak u jednoj ravnini. Na taj način se upravljanje sa šest stupnjeva

slobode može ostvariti samo s četiri propulzora, nažalost zbog drugih zahtjeva

dodana su još dva pramčana porivnika koji pomažu pri vertikalnom zaranjanju.

Slika 49. Prikaz BubbleBee II azimutnog propulzora

Važno je za napomenuti da se ovi propulzori inače koriste na

remorkerima,ledolomcima i sličnim plovilima specijalne namjene zbog velike

mogućnosti upravljanja u malim prostorima te se do sada nikada nisu koristili na

ronilicama. Također, ni već spomenuti pramčani porivnik se do nije do sada

korišten na ronilicama, a razlog tome je što se ronilice uobičajeno rade za

specifičnu namjeru dok se BubbleBee II AUV dizajnirao da bude sposoban izvršiti

razne zadaće te mu je samim time potrebna i nekonvencionalna propulzija.

54

Slika 50. Prikaz pramčanog porivnik

Svaki od četiri azipodna propulzora pogonjen je vlastitim elektromotorom snage

100 W, dok su pramčani porivnici pogonjeni elektromotorima snage 30 W.

Jedna od posebnosti ronilice BubbleBee II je zasigurno i način prijenosa snage od

pogonskih motora do propulzora. Naime, kako bi se izbjegle nepotrebne rupe na

tlačnom dijelu ronilice, a samim time i smanjila mogućnost propuštanja vode te

uništenja visokovrijedne opreme , korišten je magnetski prijenos.

Magnetski prijenos sastoji se od dva permanentna magneta te kućišta između njih,

pri čemu se rotacija magneta na pogonskoj osovini prenosi kroz kućište na

pogonjenu osovinu.

Slika 51. Magnetic coupling

55

Raspored azimutnih i pramčanih propulzora može se vidjeti na slici ispod.

Važno je napomenuti da zelene strelice pokazuju rotacije propulzora oko svoje osi.

Slika 52. Raspored propulzora

56

5.1 Alokacija propulzora

Da bi se ovaj raspored propulzora mogao koristiti za kretanje ronilice

potrebno je napraviti alokaciju sila za pojedino gibanje. Na slikama dolje je

prikazan koordinatni sustav pretpostavljen ronilici te su imenovani propulzori na

ronilici.

Slika 53. Koordinatni sustava gibanja ronilice sa rotacijama

Slika 54. Imenovani propulzori

57

Zbog kompleksnosti alokacije sustava te nemogućnosti da se riješenja

jednadžaba dobiju kao jedinstvena riješenja za propulzore alokacija se radila za

nekoliko modova rada te su uvedena određena ograničenja. Napomena je da će

se u daljnjem radu posvetiti mnogo pažnje za alokaciju propulzora te će se probati

naći optimalno rješenje tog problema ili bolje nego postojeće. Također zbog

pojednostavljenja problema alokacije isključena je mogućnost upravljanja s

pokvarenim jednim od propulzora, tome će se također pridodati više pažnje u

daljnjem radu na projektu.

U daljnjem tekstu biti će objašnjen postupak alokacije za pojedine misije

ronilice. Podijelit ćemo misije na nekoliko osnovnih, a te su :

• ronilica je na površini vode

• zaranjanje/izranjanje te horizontalno gibanje pod vodom

5.1.1 Ronilica na površini vode

U ovom načinu rada, ronilica se nalazi na površini te se propulzori T1 i T2

ne koriste, te su njihove vrijednosti jednake nuli. Također u tom slučaju ronilica

nema mogućnost lateralnog gibanja u smjeru (y), postoji mogućnost rotacije i

nagiba te je uračunat ali na površini zbog premale sile propulzora sloboda tih

gibanja je ograničena.

Alokacija će se zbog jednostavnosti računati direktno iz željenog položaja

koji je dobiven iz autopilota ili upravljača te će se linearno dovesti u vezu sa

snagom pojedinih motora.Onda alokaciju propulzora možemo opisati na sljedeći

način:

Vektor η= [x,y,z,α,β,γ]T neka nam predstavlja skup ulaznih podataka iz upravljačke

jedinice gdje su :

η – vektor pozicije i orijentacije u odnosu na zemaljski koordinatni sustav

58

x,y,z – pozicijske koordinate

α,β,γ – orijentacijske koordinate (Eulerovi kutevi)

Vektor T=[T1,T2,T3,T4,H1,H2] T neka nam predstavlja skup propulzora čiji je

raspored pokazan na slici 54.

Neka nam a bude matrica alokacije za ovaj scenario,odnosno matrica statusa

propulzora gdje je

a= ∣0 0 1 1 0 00 0 0 0 −1 −10 0 0 0 1 −10 0 0 0 0 00 0 1 −1 0 0

∣a(x,y)=0 propulzor ne radi,

a(x,y)<0 propulzor radi u obrnutom smjeru,

a(x,y)>0 propulzor radi u nominalnom smjeru

, tada vrijedi:

η=aT (13)

da bi se dobile potrebne snage koje se prosljeđuju propulzorima trebamo izračunati pseudoinvers matrice a (aᵼ) te ga pomnožiti sa vrijednostima vektora η.

59

aᵼ= ∣0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0

0.5 0 0 0 0 0.50.5 0 0 0 0 −0.50 0 −0.5 0.5 0 00 0 −0.5 −0.5 0 0

∣rezultat te operacije možemo zapisati i u obliku jednadžbaT=aᵼη za pojedine

propulzore:

T1=0 (14)

T2=0 (15)

T3=0.5x+0.5γ (16)

T4=0.5x-0.5γ (17)

H1=-0.5z+0.5α (18)

H1=-0.5z+0.5α (19)

Bitno je također napomenuti da su vrijednosti vektora η od -127 do 128 te tako

direktno mapirane kao PWM na propulzore.

5.1.2 Zaranjanje/izranjanje te horizontalno gibanje pod vodom

U ovom slučaju ronilica je pod vodom te sudjeluju svi propulzori, u ovom

slučaju postoje dva ograničenja:

• T3 i T4 su postavljeni okomito na os x u smjeru z, odnosno servo motori su

na 90°

• T1 i T2 su ograničeni na kut od 0-180° kao što je prikazano na slici.

60

Slika 55. Ograničenje zakretanja propulzora

Vektor η= [x,y,z,α,β,γ]T neka nam predstavlja skup ulaznih podataka iz upravljačke

jedinice gdje su :

η – vektor pozicije i orijentacije u odnosu na zemaljski koordinatni sustav

x,y,z – pozicijske koordinate

α,β,γ – orijentacijske koordinate (Eulerovi kutevi)

Vektor T=[T1,T2,T3,T4,H1,H2] T neka nam predstavlja skup propulzora čiji je

raspored pokazan na slici 54.

Neka nam b bude matrica alokacije za ovaj scenario,odnosno matrica statusa

propulzora gdje je

b= ∣0 0 1 1 0 00 0 0 0 −1 −10 0 0 0 1 −10 0 0 0 0 00 0 1 −1 0 0

∣61

a(x,y)=0 propulzor ne radi,

a(x,y)<0 propulzor radi u obrnutom smjeru,

a(x,y)>0 propulzor radi u nominalnom smjeru

φ – kut zakreta servo motora kao što je prikazano na slici 55.

, tada vrijedi:

η=bT (20)

da bi se dobile potrebne snage koje se prosljeđuju propulzorima trebamo

izračunati pseudoinvers matrice b (bᵼ) te ga pomnožiti sa vrijednostima vektora η.

Zbog jednostavnijeg računanja izbaciti ćemo kut zakreta servo motora φ te ga

dodati kasnije.

bᵼ= ∣0.25 0.25 0 0 0 0.50.25 0.25 0 0 0 −0.5

0 0 −0.25 0.25 0.25 00 0 −0.25 −0.25 0.25 00 0 −0.25 0.25 −0.25 00 0 −0.25 −0.25 −0.25 0

∣T=bᵼη (21)

Također sada možemo raspisati jednadžbe za pojedini propulzor te nakon toga

unijeti varijablu φ.

T1=0.25x+0.25y+0.5γ (22)

T2=0.25x+0.25y-0.5γ (23)

T3=-0.25z+0.25α+0.25β (24)

T4=-0.25z-0.25α+0.25β (25)

H1=-0.25z+0.25α-0.25β (26)

H1=-0.25z-0.25α-0.25β (27)

62

Kako propulzori T1 i T2 djeluju samo na horizontalnoj ravnini kut njihovog zakreta

φ ovisi samo o x,y i γ. Također kako zaošijanje (γ) utječe samo na smjer rada

motora možemo ga izbaciti iz proračuna tako da konačno kut φ ovisi samo o

iznosu x i y. Kut φ se onda računa izrazom

φ=atan2 (∣x∣, y ) 180Π (28)

te je onda set parametara koji se zadaje propulzorima T1 i T2 jednak:

T1=[(0.25x+0.25y+0.5γ), φ] (29)

T2=[(0.25x+0.25y-0.5γ), φ ] (30)

5.1.3 Kriterij odabira alokacijskog moda

Kriterij odabira alokacijske matrice a ili b je u suštini vrlo jednostavan te se

oslanja samo na dvije varijable iz dva različita senzora, tj. iz INS senzora te

tlakomjera. Matematički zapisano to izgleda ovako.

fA (dubina , nagib)={a ,dubina<0.30m∨nagib<100

b ,dubina≥0.30m∨nagib≥100} (31)

gdje je:

fA (dubina ,nagib) - funkcija odluke

dubina - vrijednos dobivena iz tlakomjera

nagib - vrijednost nagiba dobivena iz INS senzora

a , b - matrice alokacija definirane u tekstu iznad

63

6 Programska podrška

Do sada su navedene i opisane sve hardverske komponente sustava te je

opisana propulzija kao zasebna cijelina, u daljnjem tekstu biti će prezentiran

dijagram komunikacijskog sustava te programske podrške koja je potrebna da bi

cijeli sustav radio kao cijelina.

Programska podrška je pisana za Windows 7 operativni sustav te u

programskim alatima Visual Studio 2008 s .NET frameworkom te u National

Instruments Labview 8.5 programskoj okolini, također je korišten i već navedeni

CUDA framework koji omogućava programiranje grafičkog procesora. Za vrijeme

pisanja ovog rada sustav još nije bio razvijen do kraja.

Na slici je prikazan pojednostavljeni dijagram sustava programske podrške nazvan

BubbleBee2 PCPilot.

64

Slika 56. Dijagram BubbleBee II PcPilot sustava

Prikazani sustav može raditi u dva različita moda, jedan je autonomni gdje se

ronilica upravlja po već navedenim parametrima misije koji su zadani iz Planera Misije, dok drugi mod zaobilazi Kapetana te prepušta kontrolu pilotu, odnosno

operateru, u tom slučaju uključena je i Vizualizacija gdje se prikazuju podatci iz

senzora te slika s video kamera direktno operateru. U daljnjem tekstu biti će

objašnjeni pojedini dijelovi sustava.

65

6.1 Planer misije

Planer misije je zasebna aplikacija koja se razvija u C# programskom jeziku

te služi za zadavanje parametara misije. Prvenstveno se razvija za misije zadane

na natjecanju AUVSI AUV koje se sastoje od praćenja kursa, vizualnog traženja

objekata, traženja hidroakustičkog izvora zvuka i slično. Korisnik odabire već

predefinirane misije te samo zadaje parametre, poput kursa ili boje i oblika

objekta. Podaci o pojedinim zadacima se spremaju u listu po prioritetima te se

zapisuju u tekstualnu datoteku koja se onda po potrebi učitava u Kapetana.

6.2 Kapetan

Kapetan je glavni izvršni proces koji upravlja ronilicom po već

predefiniranom setu parametara koji je dobiven iz Planera misije. On na temelju

podataka iz senzora te sa video kamera koje dobija iz Časnika odlučuje o

izvođenju misije. Ideja je da na temelju prikupljenih podataka nađe najpogodniju

misiju iz liste te je počne izvršavat. U slučaju da na temelju podataka iz senzora te

video kamere ne nalazi prikladni zadatak iz misije onda pokušava izvršiti sljedeći

zadatak po prioritetu zadanom u Planeru Misije. Ako to nije moguće u zadanom

vremenu onda naređuje ronilici da se vrati u ishodišni položaj te pokreće misiju

ispočetka, nakon trećeg pokretanja vraća se u ishodišnu točku, izranja i prekida

misiju. Ovaj proces se može zaustaviti ako se tokom misije operater spoji na

računalo ronilice ili prisloni maknetski ključ tokom misije.

6.3 Časnik

Časnik je jedan od najbitnijih procesa unutar sustava te se bavi

prikupljanjem podataka sa senzora i iz procesa video obrade te prosljeđivanjem

istih Kapetanu, u slučaju da sustav radi u korisničkom modu onda se podaci

66

prosljeđuju Vizualizaciji. Isto tako na temelju zahtjeva Kapetana za pojedinom

obradom može zatražiti predefinirane podatke od procesa Video obrade. Podatci

se spremaju u listu te se na taj način prosljeđuju dalje.

6.4 Navigator

Navigator je proces koji na temelju podataka iz senzora bitnih za navigaciju

koje mu proslijedi Kapetan računa trenutnu lokaciju te ukoliko Kapetan zatraži

računa i sljedeću lokaciju, odnosno odredište pojedinog zadatka misije.Te podatke

prosljeđuje Kapetanu koji na temelju toga zadaje kormilaru koordinate mjesta te

rotacije, odnosno već navedeni vektor η= [x,y,z,α,β,γ]T.

Navigator trenutnu lokaciju i ciljnu računa na temelju podataka iz AHRS

senzora te pomoću hidroakustičke navigacije koja je opisana u radu Lokalizacija

akustičkog semafora uz pomoć hidrofona (Dean Ivošević,Završni rad, FER,

2010.).

6.5 Kormilar

Proces koji na temelju vektora η= [x,y,z,α,β,γ]T odabire prikladnu

alokacijsku matricu te računa potiske pojedinih propulzora. Ovaj proces radi

neovisno o načinu rada cjelokupnog sustava, odnosno može primati podatke

direktno sa upravljačke palice korisnika ili iz procesa Kapetan. U daljnjem radu na

projektu ovom procesu će se pridodati mnogo pažnje da bi se optimizirala

alokacija potisaka propulzora.

6.6 Mali_od_palube

Jest karika između programske podrške više razine i elektronike ronilice, on

se brine da se sve naredbe prevedu u jezik razumljiv elektroničkom modulu po već

predefiniranom protokolu te na taj način omogućava razmjenu informacija izmedju

programske podrške više razine te hardvera. Kormilar predaje informacije o

potiscima koje se onda prevode u PWM unutar ovog modula te šalju određenim

67

propulzorima, također signali iz low level senzora se preko ovog modula prevode

te šalju Časniku.

Komunikacija s elektronikom se ostvaruje preko USB kabla, a parametri

komunikacije su :

• Baud rate: 9600• Parity: None• Data bits: 8• Stop bits: 1

Protokol je zadana naredbama koji se nalaze u tablici prikazanoj ispod.Tablica 6.

6.7 Video obrada

Za ovakav složen sustav, kao što je ronilica, potreban je i napredan

68

Motor modulPWMFormat Start Sender Receiver Command Motor_index Direction PWM_ValuePrimjer ( P A P 1 A 50

ServoFormat Start Sender Receiver Command Motor_index Kut zakretna StopPrimjer ( P A S B 123 )

TemperaturaFormat Start Sender Receiver Command Senzor_index Stop CRCPrimjer ( P A T 1 ) ..

StrujaFormat Start Sender Receiver Command Senzor_index Stop CRCPrimjer ( P A C 0 ) ..

PingFormat Start Sender Receiver Command Stop CRCPrimjer ( P A @ )

AdresaFormat Start Sender Receiver Command New_address Stop CRCPrimjer ( P B A C )

DAC nije implementiranoFormat Start Sender Receiver Command ... Stop CRCPrimjer ( P A D ...

upravljački sustav koji će nam omogućiti izvođenje različitih kompleksnih

zadataka. Jedan od podsustava koji nam to omogućuje je sustav za računalni vid.

Računalni vid je područje obrade informacije koje nastoji omogućiti računalima da

"vide", odnosno korištenjem informacija dostupnih iz senzora prepoznati objekte u

vizualnom okruženju računala. Da bi se takav sustav ostvario potrebno je riješiti

mnogobrojne probleme, od kojih su neki jako računalno intenzivni. Upravo zbog

toga što je većina algoritama izuzetno kompjutorski zahtjevna, potrebno je

iskoristiti sve dostupne računalne resurse.

Svjesni smo naglog napretka performansi računala, ali trebamo biti svjesni da se

unutar ovakvih sustava mora ugraditi računalo koje prvenstveno ima malu

potrošnju energije, a ne velike performanse. Zato smo mi u našem sustavu

odabrali malo drugačiji postupak razvoja algoritma, nastojali smo iskoristiti

performanse jednog drugog procesora koji se nalazi gotovo u svakom računalu, to

je grafički procesor. Kad pogledamo sliku jasno je zašto nastojimo koristiti grafičke

procesore jer njihov rast performansi prošlih godina je strahovito velik te su postali

daleko efikasniji od većine dostupnih običnih procesora.

Slika 57. Usporedba rasta performansi GPU i CPU

69

Za usporedbu, najjači procesor u vrijeme pisanja ovog rada po većini mjerenja je

Intelov Core i7-975 XE , a on ima vršnu snagu od 79.9 gigaflopsa dok najjače

grafičke kartice imaju vršnu snagu od preko 1000 gigaflopsa, što je oko deset

puta veća snaga. Tako smo i mi izabrali računalo koje ima snažniji grafički od

običnog procesora. Prema dostupnim podacima, naš grafički procesor ima vršnu

snagu od 54 gigagflopsa pa je po svojim performansama prilično blizu najjačem

procesoru uz znatno manju potrošnju energije jer naš grafički procesor ima snagu

od 12 W, dok Intelov procesor ima snagu od preko 145 W. Jasno je da je naš

grafički procesor daleko efikasniji i primjereniji uporabi u ovakvim sustavima.

Jasno da upotreba grafičkih procesora ima i svoje nedostatke jer programski

model nije tako razvijen kao za obične procesore, posebno zato jer je to jako nova

tehnologija koja se tek prije nekoliko godina počela širiti pa se dobar dio dobro

poznatih algoritama mora modificirati ukoliko se želi koristiti u ovom programskom

modelu.

Grafički procesori se mogu koristiti za programiranje opće namjene na dva načina,

i to korištenjem programskih alata koji se inače koriste za izradu video igara, a uz

manje modifikacije se može koristiti za naše potrebe ili korištenjem sustava koji su

napravljeni upravo za programiranje opće namjene na grafičkim procesorima.

Jasno je da nema mnogo alata koji su specijalno prilagođeni upotrebi grafičkih

kartica za programiranje opće namjene, ali postoji jedan novi sustav koje je stekao

relativno veliku popularnost, a djelo je jednog od najpoznatijih proizvođača

grafičkih kartica, Nvidije i naziva se CUDA(Compute Unified Device Architecture).

To je programski model koji omogućuje programiranje u blago modificiranoj verziji

C-a, jednog od najpoznatijih programskih jezika uopće. Programski model nam

omogućava da iskoristimo stvarno veliki potencijal koji leži u grafičkim procesorima

te na taj način omogućimo rad naših algoritama u stvarnom vremenu. Treba imati

na umu da grafičke kartice nisu zapravo po svojoj arhitekturi prilagođene za

ovakav programski model.

Upravo zbog navedenih razloga postoje neki algoritmi za koje nije moguće postići

ubrzanje. U daljnjem dijelu teksta navodimo par algoritama te o tome kakva su

ubrzanja moguća.

70

6.7.1 Konverzije prostora boja

Jedan od prvih koraka u ostvarenju je pretvorba iz RGB prostora boja u

HSV prostor koje je po svojom značajkama bliži ljudskom vizualnom

sustavu.Pretvorba se vrši prema sljedećom algoritmu

r=r/255 (32)

g=g/255 (33)

b=b/255 (34)

x=min(r,g,b) (35)

val=max(r,g,b) (36)

ako x==val onda h nedefinirano

ako r==x onda d1=g-b

inace ako g==x onda d1=b-r

inace d1=r-g

ako r==x onda d2=3

inace ako g==x onda d2=5

inace d2=1

H=floor(((d2-d1)/(val-x))*60)%360 (37)

S=floor(((val-x)/val)*100) (38)

V=floor(val*100); (39)

Vidimo da konverzija nije pretjerano zahtjevna, ali ipak ako se uzme u obzir da se

taj algoritam mora primijeniti nad svakim pikselom svakog kanala naše ulazne

slike onda dolazimo do jako velikog problema za naše računalo jer za tipičnu sliku

VGA rezolucije potrebno je 640*480*3 konverzija za svaku sliku.

Ovaj problem je idealan za izvedbu na grafičkim procesorima jer nema nikakve

ovisnosti o susjednim pikselima pa se može u potpunosti paralelizirati. U našem

slučaju povećanje brzine je uistinu značajno, brzina konverzije je povećana u

odnosu na običan procesor više od 10 puta što je jako važno jer kao što je već

71

prije rečeno, konverzija prostora boja je tipična operacija u obradi slike.

6.7.2 Konvolucijske operacije

Konverzija prostora boja je tipični predstavnik algoritma koji radi u jednoj točki

naše slike. Osim takvih algoritama postoje i konvolucijski algoritmi koji, kako im

samo ime kaže rade konvolucije nad ulaznom sliku i time vršimo nekakvu korisnu

transformaciju naše ulazne slike.

U ovisnosti u odnosu koliko je konvolucijska matrica velika, mogu se postići

različiti stupnjevi ubrzanja. Jedan od najpoznatijih konvolucijskih algoritama je

Median filter koji služi za uklanjanje tkz. salt and pepper šuma. Ovaj šum je česta

pojava u kamerama pa je i našem slučaju napravljen paralelna verzija tog

algoritma.

I u ovom slučaju je vidljivo značajno ubrzanje u odnosu na obične procesore pa

vidimo da su i konvolucijski algoritmi prikladni za paralelizaciju, jasno samo onda

kad konvolucijske matrice nisu prevelike.

6.7.3 Detekcija objekata

Jedan od najpoznatijih koraka nakon segmentacije slike je detekcija objekata te je

tijekom razvoja sustava napravljena verzija detektora za grafičke procesore. Ovo

je jedan od onih algoritama kod kojih se paralelna arhitektura ne može

najoptimalnije iskoristiti. Glavni razlog tome je ovisnost jednog piksela o okolnim

pikselima što otežava izradu efikasnih algoritama. U ovom slučaju je korištena

podijeli pa vladaj tenhika u kojoj se problem razluči na više manjih problema koji

se mogu paralelno riješiti, a konačno rješenje se dobije spajanjem tako dobivenih

međurješenja. Ovako predloženi postupak nije idealan, ali ipak u nekoj mjeri

omogućuje iskorištavanja ugrađenog paralelizma u ovom programskom modelu.

Na kraju treba napomenuti da smo postigli i kod ovog algoritma ubrazanje, samo

to ubrzanje nije tako izraženo kao u ostalim slučajevima, ali ipak je ovako rješenje

72

dvostruko brže od rješenja koje koristi obični procesor.

Slika 58. Primjer detekcije objekta

Na kraju možemo vidjeti da grafički procesori omogućuju daleko brže izvođenje

nekih tipičnih operacija u računalnom vremenu. Tijekom ovog projekta razvijeno je

još mnogo algoritama, ali ova gore tri navedena su izabrana jer su oni tipični

predstavnici određene klase algoritma i u skladu s time kojoj klasi algoritama

konkretni algoritam pripada možemo dobiti različite stupnjeve ubrzanja.

Uporaba grafičkih procesora nam je omogućila da naše računalo bude

rasterećeno složenih operacija koje su neophodan dio svakog algoritma, a opet

mogu se jako dobro paralelizirati.

7 USPOREDBE KOMERCIJALNIH RONILICA S BUBBLEBEE II

Uobičajeno je na kraju usporediti dobivene rezultate s ostalim ronilicama

dostupnim na tržištu kako bi drugi, a i mi sami mogli vrednovati rezultate projekta.

Slijedi tablica usporedbe s nekim od najprodavanijih AUV-ova na tržištu kao i s

nekim od studentskih ronilica koje se već tradicionalno natječu na natjecanju

autonomnih robota AUVSI AUV. Treba napomenuti da je do podataka jako teško

doći budući da mnogi proizvođači nisu voljni dijeliti tehničku dokumentaciju.

73

Tablica 7. Usporedba nekih tehničkih detalja

Iz tablice je vidljivo da BubbleBee II ni po čemu ne zaostaje za ostalim ronilicama,

osim možda po količini opreme koje nose, a koja je nama zbog ograničenih

sredstava nedostupna.

8 Zaključak

BubbleBee II AUV je ronilica koja će biti sposobna izvršavati raznovrsne

misije te smatram da će zadovoljavati sve zahtjeve koji su bili navedeni na početku

ovog rada. Sam dizajn ronilice i izvedba uključuje mnogo inovacija, kao što su

azimutni propulzori, magnetski prijenos, korištenje GPU-a za obradu podataka te

sama forma trupa ronilice koja je u mnogočemu bolja od uobičajenih komercijalnih

formi. Moram napomenuti da je BubbleBee II još uvijek projekt koji traje te postoje

i mnogi nedostatci koje treba ukloniti, poput nedostataka trupa i sl. Cilj ovog

projekta je bio i stvoriti interes za ovu granu znanosti u Hrvatskoj te na

Zagrebačkom Sveučilištu te smatram da je BubbleBee II (Seadevil Auv) tim uz

pomoć medija to donekle i uspio.Također, studenti se već uključuju u projekt te ga

koriste kao podlogu za svoj znanstveno istraživački rad .Također pri završetku

ovog projekta ronilica će biti prezentirana na međunarodnim natjecanjima i

smotrama te na taj način promovirati matični fakultet te Republiku Hrvatsku u

inozemstvu.

74

Sažetak

BubbleBee II je studentska razvojna autonomna ronilica dizajnirana i izrađena za

potrebe znanstveno-istraživačkih projekata Sveučilišta u Zagrebu od strane

SeaDevil tima, također će biti predstavljena na studentskom natjecanju

autonomnih robota AUVSI AUV u San Diegu, California koje organizira NATO te

Ured za pomorska istraživanja mornarice Sjedinjenih Američkih Država. U ovom

radu će se detaljno objasniti proces dizajniranja te izrade kućišta ronilice te

mehanička konstrukcija iste, također će se objasniti i elektronički dio ronilice te

upravljački softver sa senzorikom te video obradom. Ovaj rad stvoren je u suradnji

Fakulteta strojarstva i brodogradnje te Fakulteta elektrotehnike i računarstva,

također u realizaciji projekta sudjelovala je i udruga CEPOST (Centar za

podvodne sustave i tehnologije) te je projekt realiziran uz mentorstvo prof.dr.sc.

Zorana Vukića te docenta dr.sc. Vedrana Slapničara.

Abstract

BubbleBee II Student autonomous underwater vehicle is designed and

manufactured for the purpose of scientific research projects at the University of

Zagreb by the SeaDevil team,and will also be presented at the student competition

of autonomous robots AUV AUVSI in San Diego, California organized by NATO

and the Office of Naval Research. This paper will explain in detail the process of

designing the housing for AUV ,mechanical construction of the same and the

electronic part of the underwater vehicle and driver software with sensors and

video processing. This work is cooperative project of Faculty of Mechanical

Engineering and Naval Arhitecture and the Faculty of Electrical Engineering and

Computer Science. CEPOST (Centre for Underwater Systems and Technology)

NGOs also participaded in this project which is mentored by Prof. Zoran Vukić

and assistant professor, Ph.D. Vedran Slapničar.

75