Сибирский федеральный университет

Тип публикации: статья из журнала

Год издания: 2020

Идентификатор DOI: 10.31772/2587-6066-2020-21-2-163-169

Ключевые слова: robotics, underwater archaeology, underwater vehicle, quadcopter, control system, hardware-software complex, робототехника, подводная археология, подводный аппарат, квадрокоптер, система управления, программно-аппаратный комплекс

Аннотация: Inspection of underwater objects, such as underwater archaeological sites, sunken technical objects, and under water located technical structures, requires the use of specially trained divers, manned or unmanned, remotely operated or autonomous underwater vehicles. A relatively rarely used design for such underwater vehicles is a design in the form of a quadrotor with positive buoyancy. This article discusses the design and the control system of the remotely operated underwater vehicle in the form of a quadrotor. The aim of the work is the selection and justification of the shape of the vehicle, the selection of the optimal structure of the control system with the expectation of the subsequent use of the vehicle as an autonomous one. The potential advantages of the selected design in the form of a quadcopter with a cylindrical body are described, in particular, the large volume of the sealed space of the vehicle, the possibility of installing capacious power sources, the potential for stabilizing the vehicle in a given position if there is a current at the place of work. The sealed case of the device is designed to place control electronics, power electronics and battery power of the device. The selection and justification of the shape of the sealed enclosure were made using a hydrostatic modeling apparatus and theoretical mechanics. A solid cylinder made of polycarbonate was selected as a form of the sealed housing of the vehicle. The advantage of the selected form in comparison with the parallelepipedhaped case is shown under the condition of the same material parameters. The control system of the device includes software and hardware components. The choice of hardware components is justified, their key characteristics are described. As the control device of the top level, a single board computer (SBC, Single Board Computer) Orange Pi PC was selected, the direct control of the motor of the vehicle is performed using the Cortex-M3 microcontroller. The software architecture of the device is described. The choice of architecture is determined by the requirements of poorly connected components (which makes it easy to replace particular software elements without the need to modify the other elements), the simplicity of the potential replacement of the top-level control modules (which potentially allows switching from a remote control model to an autonomous control model). Some software components are described. The control system is implemented with the high-level language Python version 3.7, the basis of the control mechanism is message passing, the MQTT protocol maintained by the Mosquitto server is selected as a messaging mechanism. Testing of the vehicle was carried out in pools with standing water and with a simulated current. Testing showed the need to gain experience to control the underwater vehicle. The study will allow us to further develop a new version of the underwater vehicle, taking into account the wishes and identified problems. Обследование подводных объектов, таких как подводные археологические памятники, затонувшие технические объекты, технические сооружения, расположенные под водой, требует использования специально подготовленных водолазов, обитаемых или необитаемых дистанционно-управляемых или автономных подводных аппаратов. Относительно редко используемой конструкцией для таких подводных аппаратов является конструкция квадрокоптера с положительной плавучестью. В предлагаемой статье рассматривается конструкция и система управления подводного необитаемого дистанционно-управляемого аппарата в форме квадрокоптера. Целью работы является выбор и обоснование формы корпуса аппарата, оптимальной структуры системы управления с расчетом на последующее использование аппарата в качестве автономного. Описаны потенциальные преимущества выбранной конструкции в форме квадрокоптера с цилиндрическим корпусом, в частности, большой объем герметичного пространства аппарата, возможность установки емких источников питания, потенциальная возможность стабилизации аппарата в заданном положении при наличии течения в месте проведения работ. Герметичный корпус аппарата предназначен для размещения управляющей электроники, силовой электроники и элементов питания аппарата. Выбор и обоснование формы герметичного корпуса выполнены с использованием аппарата гидростатического моделирования и теоретической механики. В качестве формы герметичного корпуса аппарата выбран цельный цилиндр, выполненный из поликарбоната. Показано преимущество выбранной формы по сравнению с корпусом в форме параллелепипеда при условии одинаковых параметров материала. Управляющая система аппарата включает в себя программные и аппаратные компоненты. Обоснован выбор аппаратных компонентов, описаны их ключевые характеристики. В качестве управляющего устройства верхнего уровня выбран одноплатный компьютер (SBC, Single Board Computer) Orange Pi PC, непосредственно управление двигателями аппарата осуществляется при помощи микроконтроллера Cortex-M3. Описана архитектура программного обеспечения аппарата. Выбор архитектуры обусловлен требованиями слабой связности компонентов (что позволяет легко заменять отдельные элементы программного обеспечения без необходимости модификации остальных элементов), простотой потенциальной замены управляющих модулей верхнего уровня (что потенциально позволяет перейти от модели дистанционного управления аппаратом к автономной модели управления). Описаны отдельные компоненты программного обеспечения. Управляющая система реализована на языке высокого уровня Python версии 3.7, основой механизма управления является передача сообщений, в качестве среды обмена сообщениями выбран протокол MQTT с реализацией в виде сервера Mosquitto. Тестирование аппарата проводилось в бассейнах со стоячей водой и имитацией течения. Тестирование показало необходимость получения опыта для управления подводным аппаратом. Проведённое исследование позволит в дальнейшем разработать новую версию подводного аппарата с учётом пожеланий и выявленных проблем. (Русскоязычная версия представлена по адресу https://vestnik.sibsau.ru/articles/?id=677)

Журнал: Сибирский журнал науки и технологий

Выпуск журнала: Т. 21, № 2

Номера страниц: 163-169

ISSN журнала: 25876066

Место издания: Красноярск

Издатель: Сибирский государственный университет науки и технологий им. акад. М.Ф. Решетнева

• Volkov D.A. (Reshetnev Siberian State University of Science and Technology)
• Sayapin A.V. (Reshetnev Siberian State University of Science and Technology)
• Safonov K.V. (Reshetnev Siberian State University of Science and Technology)
• Kuznetsov A.A. (Reshetnev Siberian State University of Science and Technology)

• РИНЦ (eLIBRARY.RU)