ArduROV

Technische Daten:
Länge: 350 mm
Lange mit Greifer: 600 mm
Breite: 320 mm
Höhe: 280 mm
Gewicht: ca. 8 kg

Antriebe:
2 horizontale Thruster Robbe Roxxy 120 Watt BL-Outrunner
2 vertikale Thruster Robbe Roxxy 120 Watt BL-Outrunner

Akku:
4S LiPo 16 Ah vergossen

Elektronik:
Arduino Mega Controllerboard
Arduino pro mini OSD-board
20 A Afro Motorregler
diverse Sensoren

Tether: 
50 m auftriebsneutral

Beleuchtung: 
LEDs dimmbar gesamt 18 Watt

Kamera:
GoPro Hero 3 black mit live-out

Der Grundkörper des WTC ist ein 100 mm Aluminiumrohr mit  3mm Wandstärke.

Bugseitig wird es von einem Aluflansch verschlossen, der eine Acrylglaskuppel trägt. Hechseitig sitzt ebenfals ein Drehteil aus Aluminium, dass alle Steckverbindungen aufnimmt, die nach aussen führen.
Die Stecker sind  Souriau UTS Series, mit verschiedenen Polzahlen, die ich nochmal zusätzlich mit ein bisschen Epoxi abdichte um die Wasserdichtigkeit zu erhöhen.


Der vordere Deckel trägt die Acrylglaskuppel, die von einem O-Ring abgedichtet wird. Bei der Endmontage werde ich noch zusätzlich Dichtungsmasse verwenden um ganz sicher zu gehen, das alles dicht bleibt.
Die Deckel selbst werden mit 2 O-Ringen verschlossen, die in einer Nut gegen das Rohr abdichten. Ich habe zwei Ringe verwendet, um sicher zu gehen. Falls ein Ring beim Schließen beschädigt wird, ist immer noch ein zweiter da.

Im hinteren Deckel sind alle Verkabelungen über 4 Stecker durchgeführt.

4 - polig für den Akku
10 - polig für das Steuerkabel (es werden nur 6 Adern benutzt)
10 - polig für Beleuchtung, Temperatursensor und noch ein paar freie Leitungen für Erweiterungen
12 - polig für die Thruster

Der Akkutank befindet sich an der Unterseite des ROVs und kann mit 2 Gewindestangen schnell montiert werden um einen einfachen Wechsel zu erlauben.
Der Tank besteht aus 10 mm PVC Platten, die mit Tangit verklebt und zusätzlich verschraubt sind.
Obwohl die Akkus nicht gasen sollten, habe ich eine Entlüftungsöffnung vorgesehen, die beim Laden geöffnet werden kann. Für größere Tauchtiefen kann der Tank mit Öl gefüllt werden aber zunächst werde ich es ohne versuchen.

Der Hauptrahmen entsteht hauptsächlich aus PVC- und PE- Platten die ich auf meiner Bandsäge aussäge. Die Einzelteile werden mit Edelstahlschrauben verbunden.
Ich versuche das Verkleben der Bauteile zu vermeiden, um Alles jederzeit wieder demontieren zu können.
Beim ersten Versuch ein ROV zu bauen, habe ich für den Rahmen PVC-Platten verwendet und sie mit Tangit verklebt. Dies war soweit auch recht erfolgreich und es entstand ein sehr stabiler Rahmen. Die Freude war jedoch schnell verflogen als ich an einer schwer zugänglichen Stelle noch schnell ein Loch bohren musste...

Um ein bisschen Farbe ins Spiel zu bringen, habe ich die Seitenteile des Frames heute lackiert. Auf dem PVC Material hält der Lexan Lack von Tamiya am besten. Bei einigen anderen Lacksorten blättert der Lack sehr schnell wieder ab. 

Das ROV wird durch vier bürstenlose Elektromotoren angetrieben. Jeweils zwei vertikale und zwei horizontale Thruster werden verbaut.
Die Motoren sind Robbe Roxxy Outrunner Motoren mit 110 Watt, die durch Elektronikschutzlack zusätzlich versiegelt sind.

fertiger Thruster

Erste Tests

Hier zwei kleine Videos vom Test der Motoren mit einem 45 mm 3-Blatt Propeller von Graupner.

Propeller

Zunächst habe ich mi ein paar billige Modellbaupropeller von Graupner gekauft und wie in den beiden Videos oben zu sehen getestet. Es ergab sich, das der dreiblättrige 45 mm Standardpropeller den besten Wirkungsgrad hat. Einige Rennschrauben lieferten zwar erheblich mehr Schub, aber der Regler wurde bis an seine Grenzen belastet und der Stromverbrauch rechtfertigt nicht den zusätzlichen Vortrieb.

Nun ergab es sich, dass ich vor einiger Zeit kurzfristig einen 3D Drucker nutzen konnte. Was lag da näher, als mal einen Versuch zu starten und ein paar Propeller zu "drucken". Das 3D Modell war schnell erstellt. Als Grundlage wählte ich die Flächen und Steigungsverhältnisse des Graupner-Propellers und rechnete diese auf den neuen Propeller um. Um die Thruster möglichst kompakt zu machen, verschwindet der Motor komplett in der Propellernarbe. Das ist zwar nicht gerade die günstigste Form, aber immer noch ein guter Kompromiss zwischen kompakter Bauweise, Einfachheit und Leistung.

Links im Rohzustand rechts schon mit der ersten Lackschicht

Nachdem die Motorhalter fertig sind, habe ich die Propeller das erste mal laufen lassen. Daraus ergeben sich mehrere Erkenntnisse: 

• Die Propeller erzeugen einen höllischen Schub. (etwa im Bereich der Graupner Rennpropeller)
• Die Stromaufnahme liegt bei Vollast bei 11 A. Leider sind damit die angestrebten 8 A etwas überschritten.   Da die Regler aber 18 A Dauerstrom aushalten, habe ich kein Problem.
• Die Oberfläche der Propeller ist noch sehr uneben. Die Propeller müssen noch ein bisschen nachbearbeitet werden. Das sollte den Wirkungsgrad noch weiter verbessern.
• Der Test fand in einem Rohr mit 70 mm Durchmesser statt.

Die Motorhalter für die Thruster sind an einem Nachmittag an der Drehbank und an der Standbohrmaschine entstanden. Dabei ist es wichtig, das die Bolzen, die den Propeller und den Motor halten, nicht zu weit in den Motor hinein ragen. Wenn sie zu weit gehen, kann man sich die Wicklungen des Motors beschädigen, und den Motor gleich wegwerfen.

Die Motorhalter sind auf vier M4 Gewindestangen befestigt und sind damit eine ziemlich steife Angelegenheit. Die Motoren sollten sich auch bei vollem Schub nicht bewegen können, da sonst der Propeller an das Thrusterrohr kommen könnte. Das könnte zu einer Beschädigung des Propellers und zu Leistungsverlust führen.

Die zentrale Steuerung des ROVs übernimmt ein Arduino Mega.

Ich habe mich für den etwas teureren Arduino Mega entschieden, weil er im Gegensatz zum Grundmodell vier serielle Schnittstellen hat und auch einige weitere nette Features um die Steuerung des ROVs weiter auszubauen.
Sicherlich ließe sich eine Grundfunktion auch mit einem Arduino UNO realisieren aber ich möchte mir noch weitere Möglichkeiten offen halten um die Elektionik Stück für Stück weiter auszubauen.

Übersicht der Elektronik

Steuerungsablauf

Der Arduino Mega ist mit einer Prototyping-Platine erweitert um die zusätzlichen Komponenten zu tragen.
Auf der Platine befinden sich zur Zeit:

- Serieller Servo Controller um die Motorregler anzusteuern
- MAX 490 IC für die Kommunikation
- Temperatursensor zu Testzwecken und um die Temperatur im WTC zu messen
- Drucksensor für die Tiefenmessung

Steuerplatine

Um die Zahl der Steckverbindungen am WTC auf ein Minimum zu reduzieren, habe ich im frei durchfluteten Bereich eine Verteilerbox angeordnet, die dann die Kabel auf die Verbraucher aufsplittet.

Verteilerbox

Zur Navigation verwende ich eine MinIMU von Pololu. Die Messeinheit ist im eigentlichen Sinne nur ein Sensorträger, den man über I2C mit einem Mikrocontroller ausliest. Die Berechnung der Lage des ROVs übernimmt dann der Mikrocontroller.
Die einzelnen triaxialen Sensoren sind ein Beschleunigungssensor, ein Drehratensensor und ein Magnetometer. 
Der Mikrocontroller liest auf Anforderung die Sensordaten aus, errechnet aus diesen mit Hilfe einiger Trigonometrie und eines Kalmann-Filters die absoluten Winkel im Raum und gibt diese seriell an das Steuerungsboard weiter.

Den gezeigten Aufbau habe ich mir zum Ausprobieren der Fuktionen erstellt. Er besteht aus der MinIMU ( grünes Board ), einem Arduino Pro Mini ( rotes Board links ) und einem FTDI Adapter der per USB mit dem Rechner verbunden ist.

Das System arbeitet mit dem Beispielcode von Pololu nach einigen Veränderungen schon recht zuverlässig. Die Roll- und Pitch-Winkel sind recht genau (+/- 1°). Lediglich der Heading-Winkel ( also wo Norden ist ) ist etwas ungenauer. Nach dem Kalibrieren des Sensors und einigen weiteren Einstellungsveränderungen funktioniert es mit ca 3° Genauigkeit auf dem Tisch. Lediglich lässt sich der Sensor mit großen ferritischen Gegenständen schnell verwirren. Wenn ich einen Hammerkopf in 5 cm Entfernung vom Sensor ablege, registriert er eine 100° Drehung.

Zum Glück besteht mein ROV fast ausschließlich aus amagnetischen Materialien aber eben nur fast. Leider sind da noch die 4 Motoren mit wunderbar starken Neodymmagneten. Ob sich diese wegkalibrieren lassen wird nur ein praktischer Versuch zeigen.