Esperimenti con sommergibili
Desideravo trattare un tema di robotica e sperimentare la progettazione di un drone sommergibile con telecamera.
L'obiettivo di questo progetto era di creare una piattaforma di base per fare esperimenti con applicazioni di rilevamento sottomarine domestiche, commerciali e scientifiche. Ciò include qualsiasi aspetto, dalla scansione dell'integrità dello scafo dell'imbarcazione e di altre strutture subacquee alle preoccupazioni ambientali di base, controllando la salute dei pesci e delle formazioni di corallo.
Distinta base
- Tubo di drenaggio in PVC da 110 m
- Filamento per stampante PLA da 1,75 mm
- Vernice gialla per plastica
- Vernice primer per plastica
- Fascette di serraggio da 120 mm (277-884)
- Pompe per acqua salata in linea (763-2544)
- Batteria al piombo-acido sigillata da 12 V (537-5450)
- Morsetti a vite (813-3123)
- Pressacavi M12 IP68 (669-4654)
- Cavo a 2 conduttori (660-4071)
- Cavo a 4 conduttori (660-4037)
- Pulsanti per montaggio a pannello (144-4321)
- Interruttore a chiave (321-026)
- Filo a conduttore singolo
- Telecamera CCTV eyeball (PAL)
- Viti e dadi di fissaggio M4
- Viti e dadi di fissaggio M5
- Finestra di osservazione in Perspex
- Faston femmina (613-9930)
- Convertitore da BNC a terminale a vite
- Convertitore da BNC a RCA
- Mastice sigillante
Approccio al progetto
Esploso 3D
Il mio obiettivo principale per questo progetto era diversificare il lavoro discostandomi dai grandi e costosi sistemi commerciali utilizzati negli scavi in acque profonde e nel recupero dei relitti, concentrandosi invece sullo sviluppo di un design conveniente adatto a un'ampia gamma di attività leggere. A tale scopo, vorrei utilizzare una combinazione di componenti COTS (commercial off the shelf) e parti stampate in 3D per realizzare un nuovo progetto a basso costo e eseguire test su una serie di requisiti per le funzioni di base per impermeabilizzazione e movimentazione.
Per questa fase di sviluppo, mi concentrerò sulla creazione dello scafo principale con alimentazione base della telecamera e proprietà di movimento di superficie. Le iterazioni successive includeranno il controllo di profondità e un telaio interno per l’elettronica e le batterie.
Scafo principale
In linea con l'idea di economicità, lo scafo principale dell'imbarcazione è stato realizzato con un tubo di drenaggio in PVC da 110 mm. Il diametro del tubo era perfetto per integrare l'obiettivo della telecamera e per montare eventuali componenti esterni. Le pareti del tubo consentono di resistere a pressioni di immersione di acque poco profonde, i cui limiti saranno importanti per i successivi test.
Lo scafo è stato verniciato nel tipico giallo vivo marinaro, utilizzando diversi strati di primer e vernice per plastica per garantire una copertura completa e un buon livello di aderenza, con tutte le parti stampate in 3D lasciate nel colore nero naturale.
Sottomarino classe HMS Vanguard
L'idea per questo design è stata ripresa dall'architettura dei sottomarini che utilizzano aria compressa per controllare il beccheggio e il galleggiamento totale forzandolo dentro e fuori da una serie di serbatoi di zavorra. Per questa struttura, lo scafo riempito d'aria agisce come ipotetico serbatoio di zavorra, offrendo il massimo galleggiamento dell'imbarcazione. Tuttavia, la creazione di un sistema di serbatoi di zavorra su una scala così piccola rappresenta una grande sfida, soprattutto a causa delle dimensioni dei compressori d'aria disponibili e, sebbene sia possibile erogare aria compressa dalla superficie utilizzando un tubo flessibile pneumatico, è più pratico cercare una disposizione alternativa.
Un metodo comune per il controllo della profondità, molto diffuso tra gli appassionati di sommergibili, consiste nell'utilizzare un propulsore verticale per spingere direttamente sott'acqua l'imbarcazione. Per realizzare ciò in modo efficace, tuttavia, l'imbarcazione deve essere resa a galleggiamento neutro combinando la spinta verso l'alto dell'eventuale aria intrappolata con una quantità uguale di peso di zavorra che la spinge verso il basso. In pratica, molti sommergibili esercitano una galleggiamento leggermente positivo che consente comunque all'imbarcazione di immergersi e di stare in superficie con un piccolissimo sforzo, ma consente anche di galleggiare sulla superficie in caso di guasto. Aggiungerò queste funzionalità nei prossimi sviluppi.
Prua e supporto telecamera
Era importante progettare correttamente l’ogiva di prua perché serve per più funzioni, principalmente per impedire l'ingresso dell'acqua nello scafo, ma anche per alloggiare la telecamera. La prima sfida da affrontare quando si monta la telecamera all'interno dell’ogiva è l'integrazione di una finestra trasparente per consentire la visibilità senza compromettere il contenitore a tenuta stagna e per resistere a una leggera pressione esterna.
Ogiva di prua, modello CAD
Per fare ciò, mi sono procurato un disco di Perspex da 4 mm di spessore da una società per taglio della plastica, facendo attenzione a abbinare il diametro della finestrella all'apertura della telecamera. Quindi ho utilizzato le dette dimensioni della finestrella in Perspex, della telecamera e dello scafo per creare un modello 3D e stampare l’ogiva di prua. Applicando con cautela la colla super rapida sul labbro interno del cono della prua, la finestra di osservazione viene incollata al modello stampato in 3D mantenendo al contempo una tenuta ermetica. È stato inoltre importante accertarsi che non ci siano schizzi di colla sulla finestra di osservazione, in quanto eventuali solventi per la rimozione potrebbero opacizzare la plastica.
Gruppo completo telecamera/ogiva di prua
Le tolleranze dovevano essere strette per poter sigillare correttamente l’ogiva di prua contro lo scafo. Misurando il raggio interno dello scafo e aggiungendo scanalature concentriche al manicotto dell’ogiva, è possibile aggiungere successivamente O-ring per creare una tenuta stagna, mantenendo al contempo la possibilità di smontaggio per eventuali interventi di manutenzione.
Alimentazione e monitor della telecamera
La telecamera è stata progettata per essere montata nella parte anteriore dell'imbarcazione per offrire una visione ravvicinata di qualsiasi ambiente subacqueo da esplorare. Il formato del segnale video in questa fase di sviluppo era un semplice SD analogico (PAL) che veniva trasmesso tramite un cavo a due conduttori collegato da due convertitori da BNC a terminale a vite e da un convertitore da BNC a RCA prima di essere trasmesso nel monitor video. La telecamera ha fornito un'immagine affidabile e di buona qualità, chiaramente visibile sullo schermo anche a bassi livelli di luminosità, un vantaggio dovuto all'uso di apparecchiature CCTV riciclate.
Ogiva di poppa e collettore per cavi
Analogamente all’ogiva di prua, la funzione principale di quella di poppa è di impedire l'uscita dell'acqua dallo scafo, ma è stata progettata anche per agire come interfaccia tra i componenti elettronici interni ed esterni. A tale scopo, ho dovuto alloggiare una serie di pressacavi a elevata tenuta per creare un collettore nel quale far entrare i cavi senza far entrare l'acqua.
Ogiva di poppa, modello CAD
In totale, vi erano cinque cavi separati, tutti destinati a diverse funzioni, tra cui l'alimentazione della telecamera, i propulsori destro e sinistro, la batteria esterna e il cavo di controllo remoto. La presenza di un elevato numero di cavi aumenta le possibilità di perdite dello scafo e, pertanto, cercherò di migliorarlo nelle versioni successive.
Staffe del propulsore
Trovare i propulsori è stata una sfida interessante, perché dovevano essere in linea con lo scafo per ridurre la resistenza. In origine, progettavo di utilizzare una serie di pompe di sentina economiche, ma la loro struttura era poco pratica e asimmetrica, nonché difficile da montare, e di conseguenza era difficile realizzare un progetto per il sommergibile. Pertanto, ho deciso di utilizzare una serie di pompe in linea per acqua salata, accertandomi di trovarne un paio che avrebbero prodotto una spinta sufficiente perché l'imbarcazione potesse spostarsi autonomamente nell'acqua.
Staffa del propulsore, modello CAD
Con lo scafo arrotondato e non disponendo di un modo ovvio per montare direttamente i propulsori, ho deciso di stampare in 3D una serie di staffe e di fissare il gruppo allo scafo con una serie di fascette di serraggio. Ho utilizzato DesignSpark Mechanical per modellare e produrre i file CAD per la mia stampante, utilizzando un nuovo progetto per inserire la fascetta di serraggio attraverso la staffa, facendo attenzione a far corrispondere il profilo circolare dello scafo, che consentiva il fissaggio del propulsore contro e in linea con lo scafo stesso, come previsto.
Staffe della batteria
Per ottimizzare la stabilità dell'imbarcazione, ho deciso di abbassare il baricentro posizionando i componenti più pesanti sul fondo dello scafo. Considerando il centro della spinta verso l'alto (galleggiamento), ho deciso di prendere una batteria piombo-acido sigillata per impieghi pesanti che utilizzavo come alimentazione e di montarla sotto lo scafo come una chiglia improvvisata. In questo modo, l'imbarcazione può rimanere stabile anche negli ambienti oceanici più difficili.
Staffa della batteria, modello CAD
Utilizzando DesignSpark Mechanical per modellare una staffa di montaggio, ho modificato la struttura delle staffe dei propulsori adattandola alle dimensioni della batteria, utilizzando fascette di serraggio per fissarle sotto lo scafo.
Telecomando
I sommergibili telecomandati sono unici nel loro genere perché richiedono un collegamento cablato con l'operatore per funzionare. Ciò è dovuto all'elevata attenuazione del segnale che le onde elettromagnetiche incontrano durante lo spostamento in acqua, e rende quindi necessario un collegamento cablato per esplorare a qualsiasi profondità.
Telecomando, modello CAD
Il telecomando utilizzato in questo esperimento era molto primitivo, con due pulsanti per attivare rispettivamente il propulsore sinistro e destro. Uno spezzone di cavo a quattro conduttori è stato utilizzato per effettuare questi collegamenti con un conduttore per ciascun propulsore, uno per l'alimentazione e uno comune collegato all'interruttore a chiave per accendere e spegnere tutti i componenti.
Gruppo completo del telecomando
Anche se ho utilizzato solo un cavo di due metri per la costruzione iniziale, questo dovrà essere più lungo per esplorare ulteriormente i reali ambienti oceanici. Verrà inoltre adottato un bus di comunicazione seriale più affidabile, come RS485, per controllare con maggiore precisione il movimento e la telemetria dell'imbarcazione utilizzando meno cavi.
Test della vasca da bagno
La costruzione di un mini-sommergibile non sarebbe completa senza il test obbligatorio della vasca da bagno, che rappresenta un discreto ambiente controllato, dove ho potuto mettere alla prova con precisione le mie teorie di progetto. Come si può vedere, è presente molto galleggiamento per mantenere l'imbarcazione in superficie con la chiglia improvvisata che abbassa il baricentro per renderla estremamente stabile.
È interessante notare che l'imbarcazione ha un leggero beccheggio in avanti dovuto al peso della telecamera che può essere facilmente regolato spostando la chiglia verso la poppa utilizzando le fascette di serraggio e bilanciandola. All'occorrenza, questa anomalia potrebbe essere utile in seguito utilizzando intenzionalmente un sistema di zavorra in movimento per modificare dinamicamente l'angolo di beccheggio durante l'uso.
Il test iniziale di immersione ha avuto un buon esito senza la formazione di bolle d'aria dallo scafo e, sebbene sia stata individuata una piccola quantità di acqua nello scafo nel controllo successivo, per essere un primo test è andato molto bene. Un buon inizio, ma sarà necessario perfezionarlo prima di qualsiasi prova in mare.
Conclusioni
Nonostante le complessità della costruzione e il termine mensile che mi ero proposto, il progetto ha avuto un ottimo esito e ho appreso molto sull'attenzione ai dettagli richiesta durante la realizzazione di questi sistemi. L'uso di materiali stampati in 3D in questo progetto ha inoltre mostrato risultati eccellenti e continuerà a essere un argomento ricorrente nella mia prossima costruzione. La domanda di parti in 3D di questo progetto mi ha spinto a familiarizzare ulteriormente con il software CAD DesignSpark Mechanical, che ha reso il mio lavoro di progettazione molto semplice, soprattutto per l'esportazione per la stampa 3D, e consiglierei a chiunque stia tentando di realizzare un progetto simile di approcciare questa tecnica.
Dopo aver completato la creazione iniziale e aver appreso le lezioni, sono molto interessato a sviluppare il progetto in una piattaforma funzionale per applicazioni pratiche e reali.
A keen electronic engineer with a passion for automotive systems and autonomous robotics. A progressive love of cars, engines and classic mechanics. Advocate for clean energy, transport and alternative fuels. Compulsive tea drinker. BrightSpark 2017.
Leggi l’articolo originale su DesignSpark e scarica i file CAD 3D in formato DesignSpark Mechanical
