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Unterwasser-Roboter

Ein Unterwasser-Roboter, kurz ROV (remote operated vehicle) ist ein praktisches Gerät wenn man Unterwasser Bilder machen, Filme aufnehmen oder andere Arbeiten vornehmen möchte ohne selbst ins kalte, verschmutzte oder tiefe Wasser zu müßen. Obwohl der Bau eines ROVs nicht ganz in des bisherige Arbeitsgebiet von Rapp-Instruments fällt wurde doch der Bau eines solchen Geräts beschlossen, geplant und ausgeführt.

Aufbau:
Die meistens kommerziellenund Selbstbau-ROVs werden in Open-Frame-Bauweise ausgeführt. Alle Bauelemente wie Druckkörper, Schwimmkörper, Antrieb, Sensoren und Werkzeuge werden an einem offenen Rahmen montiert, so sind spätere Änderungen und Anbauten leicht möglich. Eine stromlinien förmige Verkleidung des Geräts ist bei den meist langsamen Geschwindigkeiten nicht notwendig.
Das ROV besteht aus zwei übereinander stehenden Röhren die in einem Rahmen aus Flachalubändern befestigt sind. In der unteren Aluröhre befindet sich der Camcorder, das Akupack und die Leistungselektronik zur Motorsteuerung.
Die obere Röhre ist aus Plexiglas und beinhaltet den Steuerrechner (Arduino Mega), diverse Interfaces, die Echolotelektronik (umgebauter Fishfinder), und die Elektronik eines Metalldetektors.
Im Bug und Heck des ROVs sind die beiden senkrechten Antriebe zum Auf- und Abtauchen, seitlich die beiden Antriebe zur Vor- und Rückwärtsfahrt angebracht. Ebenfalls seitlich sind die beiden Auftriebskörper aus Aluflaschen angebracht. Die Außeneinheiten, Manöverkamera, Echolotsensor, LED-Scheinwerfer und Metallsuchspule befinden sich im Bug des ROVs.

Seitenansicht mit entferntem Backbord-Auftriebskörper
Akkupack und Motorelektronik
Camcorder
Der Akkupack besteht aus 10 NiMH-Zellen mit einer Kapazität on 2400 mAh und einer Gesamtpannung on 12V. Die Leistungelektronik zur Motorsteuer verwendet H-Brückentreiber L298 die vom Arduinoboard mit PWM-Signalen gesteuert werden. Durch die effektive Wasserkühlung der Leistungshalbleiter über den hinteren Aluflansch können die Grenzwerte der Treiber voll ausgereizt werden.
Der Toshiba HD-Camcorder wird über seine IR-Schnittstelle ferngesteuert.
Bugmotor
Backbordmotor
Die 4 Antriebe des ROVs sind umgebaute Bilgepumpen. Solche Pumpen sind vergleichsweise billig zu erhalten und zumindest bis zu Tiefen von eingen Metern wasserdicht. Sollte dennoch mal eine durch Wassereinbruch ausfallen ist sie leicht zu ersetzen. Zur Verwendung als Antrieb wird das eigentliche Pumpengehäuse entfernt und statt des Impellers passende Schiffschrauben auf die Motorachse gesetzt. Der Antrieb ist allerdings nicht sehr kräftig und entwickelt einen Schub von etwa 1,5 N bei 12 V. Für langsames Fahren und Ab- und Auftauchen reicht das aber aus ansonsten müßten stärke Pumpen erwendet und/oder die Batteriespannung erhöht werden.
Sensoren: zur Navigation und für sonstige Aufgaben sind diverse Sensoren eingebaut.
Drucksensor MPX5200 Sensor zur Messung des Wasserdrucks und damit der Tauchtiefe
Temperatursensor Pt1000 Sensor zur Messung der Wassertemperatur
Magnetfeldsensor HMC5883LH 3-Achsenmagnetfeldsensor als elektronischer Kompass
Beschleunigungssensor ADXL330 3-Achsenbescleunigungssensor zur Lageregelung
Echolot Fishfinder umgebauter Fishfinder zur Messung der Höhe Grund
SW-Kamera   Außenkamera zur Navigation
Metalldetektor   VLF-Detektor zur Ortung von Metallgegenständen
Leifähigkeitsmesser   Detektor für Wassereinbrüche in der oberen und unteren Röhre
Verbindungskabel:
Die Verbindung des ROVs zur mit der Landeinheit erfolgt über ein 100m langes Netzwerkkabel. Dieses Cat5-Kabel hat vier Aderpaare die folgender maßen benützt werden.
blau, blau/weiß Videokanal, durch Baluns symmetriert
braun, braun/weiß RS485 Daten zum ROV
orange, orange/weiß RS485 Daten vom ROV
grün, grün/weiß +12V, Hauptrelais
Landstation:
mit der Landstation wird das Rov vom Ufer oder von einem Boot aus gesteuert. Die von den Seuerknüppeln und den Schaltern kommenden Signale werden mit einem Arduino Nano Controller in RS485 Kommandos gewandelt und zum ROV gesandt. Die Sensordaten und die Videosignale werden in einem Labtop aufgenommen und dargestellt. Sowohl das Programm im Steuercontroller wie im ROV sind mit der bei Arduinos üblichen Sprache Wiring (eine Abart von C ) geschrieben. Das Aufzeichnungsprogramm im Labtop ist mit der Pascal-Sprache Delphi programmiert.
Labtop und Steuereinheit sind in einen Alukoffer eingebaut sodass eine kompakte und leicht transportable Einheit entsteht. Die Steuereinheit besitzt zwei Steuerknüppel die das Tauchen und Steigen, die Vorwärts- und Rückwärtsfahrt und das Drehen auf der Stelle bewerkstelligen. Weitere Schalter steuern die Funktionen der Kamera wie Aufnahme, Schnappschuss und Zoom sowie das Schalten des LED-Scheinwerfers.
Das GUI-Programm im Labtop speichert alle wichtigen Daten des ROVs und stellt sie grafisch dar. Links oben ein künstlicher Horizont der die Daten des Lagesensors verarbeitet, daneben die Anzeige des Kompasssensors. Unter dem Kompass die Anzeige der Wassertiefe, der Wassertemperatur, der Batteriespannung und die beiden Leckdetektoren. Links in der Mitte die Anzeige des Echolots und Metalldetektors, darunter die Kamerafunktionen. Unten links die Funktionen zum Abspielen aufgezeichneter Tauchgänge, daneben die Anzeige der Motorspannungen. Rechts oben der zeitliche Verlauf der Parameter und darunter das eingeblendete Videobild.
Einsatz:
das ROV hat mittlerweile fünf Tauchgänge in über vier Meter Tiefe absolviert und dabei einige Wassereinbrüche durchgemacht. Erstaunlich ist dass selbst der nass gewordene Camcorder nach dem Trocknen wieder einwandfrei funktioniert. Mittlerweile sind aber alle Lecks gefunden und beseitigt.
Ein Problem ist der geringe Kontrast des Labtopbildschirms der ein Arbeiten bei hellem Sonnenlicht schwierig macht. Ein weiteres Problem war die geringe Standzeit des Akkupack( 2,4 Ah), das mittlerweile aber durch eine Bleigelbatterie von 14 Ah ersetzt wurde.
Erfreulich hingegen ist die hohe Qualität der Camcorderbilder, die sauberes Wasser vorausgesetzt, Aquariumqualität erreichen.