RAPORT Z REALIZACJI PROJEKTU WYKONANIA RAMY NOŚNEJ BATYSKAFU, AUTONOMICZNEGO SYSTEMU STEROWANIA I IDENTYFIKACJI OBIEKTÓW PODWODNYCH

Transkrypt

1 Wiedza i doświadczenie projektowe wizytówką absolwenta kierunku automatyka i robotyka na Wydziale Automatki, Elektroniki i Informatyki Politechniki Śląskiej POKL /10 Program Operacyjny Kapitał Ludzki współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Europejskiejskiego Funduszu Społecznego SKN Robotyki Encoder Wydział Automatyki, Elektroniki i Informatyki Politechnika Śląska Gliwice, Dr hab. Inż. Marek Pawełczyk, prof. nzw. w Politechnice Śląskiej Koordynator Projektu POKL /10 RAPORT Z REALIZACJI PROJEKTU WYKONANIA RAMY NOŚNEJ BATYSKAFU, AUTONOMICZNEGO SYSTEMU STEROWANIA I IDENTYFIKACJI OBIEKTÓW PODWODNYCH Kierownik projektu: Jan Wegehaupt Członkowie zespołu projektowego: Paulina Czech Igor Dmitruk Agnieszka Gabrysiak Mateusz Konieczny Szymon Mansel Agnieszka Oślizło Łukasz Stangrecki Opiekun projektu: mgr inż. Tomasz Grzejszczak

2 Spis treści: Rozdział 1 Założenia i cele projektu 3 Rozdział 2 System zarządzania pracą w projekcie 3 Rozdział 3 Budowa systemu zanurzania i ramy nośnej batyskafu 4 Rozdział 4 Budowa systemu napędowego 6 Rozdział 5 Stworzenie aplikacji wizyjnej i sterującej batyskafem 7 Rozdział 6 Raport z pracy grupy finansowo-ofertowej 10 Rozdział 7 Problemy w realizacji projektu 10 Rozdział 8 Zakupy 11 Rozdział 9 Kontynuacja i podsumowanie projektu 12 2

3 Rozdział 1. Założenia i cele projektu Głównym celem realizowanego projektu było zbudowanie ramy nośnej batyskafu, budowa systemu zanurzania oraz systemu napędowego. Celem projektu była również kontynuacja prac nad systemem wizyjnym. W kolejnych semestrach zaplanowano testowanie batyskafu pod względem sprawności i poprawności zbudowania systemu napędowego, wizyjnego, hydraulicznego i systemu sterowania. Planowane jest ewentualne dopracowanie lub rozbudowanie poszczególnych elementów. W tym semestrze zaplanowano zakończenie prac nad systemem identyfikacji przedmiotów i ruchu za pomocą kamery przystosowanej do działania pod wodą. zakończenie prac nad działaniem systemu napędowego. dopracowanie aplikacji do obsługi wizji. przetestowanie poprawności działania poszczególnych podzespołów i ewentualne wprowadzenie poprawek Rozdział 2. System zarządzania pracą w projekcie Podczas realizacji projektu każda z grup zadaniowych na bieżąco nanosiła zmiany w projekcie budowanego batyskafu. Podczas regularnych spotkań poszczególnych grup zadaniowych możliwy był ciągły przesył informacji i nowych rozwiązań. Od tego semestru zadania realizowane przez grupy były kontrolowane i nadzorowane poprzez wykorzystanie system zgłaszania i śledzenia błędów: Mantis Bug Tracker. Oprogramowanie to pozwoliło każdemu członkowi projektu m.in. na: śledzenie przypisanych do niego zadań zgłaszanie problemów i nowych zadań przepisywanie zleceń do innych członków kontrola czasu poświęcanego na realizacje projektu Podczas trwania projektu wystąpiła również konieczność kontroli wersji pisanego oprogramowania. W związku z występowaniem wielu poprawek, modyfikacji bardzo często dochodziło do konieczności ręcznego odtwarzania starych wersji oprogramowania. Było to spowodowane brakiem kopi zapasowych. Pod koniec projektu udało się uruchomić tymczasowy serwer z oprogramowaniem TortoiseSVN na przechowywanie danych z projektu. Docelowo zostanie on przeniesiony (wraz z oprogramowaniem Mantis Bug Tracker) na zakładany serwer koła mający obsługiwać wszystkie projekty realizowane przez koło naukowe Encoder. 3

4 Rozdział 3. Budowa systemu zanurzania i ramy nośnej batyskafu Prace nad budową systemu zanurzania i ramy nośnej można podzielić na kilka etapów: analiza zmian wymagań konstrukcyjnych wynikających z wymagań stawianych budowanemu batyskafowi (maksymalne zanurzenie, warunki pracy, sposób mocowania kamery), które zostały zgłoszone podczas spotkań zespołu projektowego. wyszukania odpowiednich części i wykonanie (modyfikacja) projektu, złożenie zamówień budowa systemu zanurzania i konstrukcji ramy nośnej. Podczas serii spotkań całego zespołu projektowego zgłoszono uwagi i nowe wymagania jakie musi spełnić budowany batyskaf. W związku z tym zespół projektowy wyszukał odpowiednie części i zaproponował aby elektronika i cały układ zanurzenia został umieszczony w specjalnej skrzynce spełniającej normę IP68. Najciekawszą ofertą okazała się wykonana z poliwęglanu skrzynka IP68, której producentem jest firma Busch Polska. Wybór tej skrzynki był spowodowany wytrzymałością materiału z jakiego została wykonana, wodoszczelnością i małą wagą własną. Grupa projektowa zaprojektowała również układ zanurzania precyzując potrzebne części i rozwiązania które są niezbędne do poprawnego działania układu zanurzania. Projekt układu zanurzania stworzony podczas jednego ze spotkań grupy projektowej Specyfikacja potrzebnych części wiązała się z zakupem specjalistycznych podzespołów, które były w większości sprowadzane z zagranicy (skrzynka IP68, elektrozawory do wody i gazu). Niestety w wyniku oczekiwania na części powstały niezależne od członków grupy opóźnienia. 4

5 Po otrzymaniu wszystkich części grupa projektowa rozpoczęła prace nad budową układu zanurzenia. Udało się zbudować: układ redukcji ciśnienia z zamontowanych butli CO 2 układ przetłaczający gaz z dużej butli do małych w celu ich nabicia dopracować układ i rozmieszczenie wyprowadzeń przewodów gazowych i wodnych listwę zasilającą elektrozawory Obecnie grupa projektowa czeka na wykonanie precyzyjnych otworów w skrzynce IP68 w których zamontowane zostaną specjalne dławice kablowe, które zapewniając normę szczelności IP68 pozwolą wyprowadzić wyprowadzenia z gazem i wodą, oraz wprowadzić kable zasilające. Wykończenie ramy nośnej która ma być przytwierdzona do skrzynki IP68 i stanowić bezpośrednią powierzchnię do montażu pływaków zostało przesunięte w czasie z powodu oczekiwania na części i konieczności rozpoczęcia prac wewnątrz skrzynki. Zamieszczone po prawej zdjęcia pokazują postępy podczas budowy układu zanurzenia. Pomimo zakończenia i złożenia raportu końcowego z realizacji projektu zespół dalej kontynuuje prace nad budową reszty elementów układu zanurzenia i ramy nośnej. Zespół chce kontynuować budowę i w kontynuacji projektu zaprojektować układ mikroprocesorowy mający obsługiwać wszystkie mechanizmy i funkcje batyskafu. 5

6 Rozdział 4. Budowa systemu napędowego Prace grupy zajmującej się budową układu zanurzenia miały bezpośredni wpływ na przebieg prac zespołu ds. budowy systemu napędowego. W ramach realizacji projektu zorganizowano spotkania obydwu grup, które miały na celu ponowne określenie wymagań i stworzenie ostatecznego projektu batyskafu, który musiał spełniać rygorystyczne wymagania szczelności. W trakcie trwania projektu grupa prowadziła badania nad najbardziej optymalnym rozmieszczeniem śrub napędowych w batyskafie. Postanowiono zredukować ilość śrub z trzech do dwóch zwiększając średnicę śrub. Zmiana ta powinna zapewnić odpowiednią siłę, która pozwoli osiągnąć zadowalającą prędkość. Istnieje wiele rozwiązań technicznych i systemowych dla napędów wielośrubowych, ale nie wszystkie są stosowane w powszechnej praktyce. Na statkach dwuśrubowych są możliwe następujące rozwiązania: 1) obie śruby lewoskrętne 2) obie śruby prawoskrętne 3) lewa śruba prawoskrętna a prawa lewoskrętna (do wewnątrz skrętne). 4) lewa śruba lewoskrętna a prawa prawoskrętna (na zewnątrz skrętne). W praktyce dwa pierwsze układy nie znalazły zastosowania ze względu na znaczne pogorszenie stateczności kursowej. Aktualnie grupa projektowa jest w trakcie testów i próby wykonania odpowiednich modeli w programach symulujących, które pozwolą wybrać pomiędzy widocznymi powyżej rodzajami napędu dwuśrubowego. W trakcie trwania projektu uszczelniono części mechaniczne i opracowano system wyprowadzenia napędu z batyskafu. Zespół dokonał również rozruchu silników i testów nawodnych, które potwierdziły konieczność wymiany śrub na większe. Zauważono również konieczność opracowania systemu dokładnej regulacji prędkości obrotu śrub. Zespół postanowił kontynuować prace po zakończeniu projektu w celu zrealizowania wszystkich postawionych sobie zadań, które były spowodowane m.in. zależnością od grupy budującej system zanurzenia i ramę nośną. Montaż silników i układu sterowania będzie możliwy dopiero po wykonaniu otworów na wyprowadzenia w zakupionej skrzynce IP68. 6

7 Rozdział 5. Stworzenie aplikacji wizyjnej i sterującej batyskafem Podczas realizacji projektu i szeregu spotkań grup projektowych wystąpiła konieczność modyfikacji zadania postawionego grupie zajmującej się stworzeniem aplikacji do identyfikacji przedmiotów i kształtów. Po dyskusji na forum grupy projektowej postanowiono rozszerzyć zakres działań grupy zadaniowej o rozpoczęcie prac nad oprogramowaniem służącym do sterowania budowanym batyskafem z komputera. Konieczność rozszerzenia zakresu zadań grupy była spowodowana bezpośrednią zależnością wykorzystania obrazu do sterowania batyskafem (sterowanie silnikami, serwomechanizmami, elektrozaworami i systemem regulacji ciśnienia). Podczas trwania projektu udało się stworzyć: interfejs użytkownika aplikacji sterującej batyskafem zoptymalizować algorytmy przechwytywania obrazu z kamery przebudować architekturę aplikacji pod katem obróbki wizji Członkowie grupy zadaniowej nawiązali również współprace z członkami Koła Naukowego Inżynierii Biomedycznej, którzy pomogli wyznaczyć cele i zadania stawiane projektowanemu oprogramowaniu. Udało się również nawiązać stałą współpracę w dziedzinie obróbki obrazu i detekcji obiektów. W ramach współpracy rozpoczęto szereg spotkań (w ramach grupy zadaniowej) doszkalających z różnych dziedzin obróbki obrazu. Na najbliższy miesiąc zaplanowane są testy filtracji obrazu w warunkach rzeczywistych, jak również zebranie serii nagrań z różnych akwenów. Zebranie próbek (nagrań) obrazu z zanurzonej kamery umożliwi pracę nad obróbką obrazu bez konieczności ciągłej pracy w terenie. Szczegółowy opis interfejsu graficznego batyskafu (element panelu sterowania batyskafem) W stosunku do poprzedniego stanu prac, podgląd z kamery pokładowej został wyposażony w nowe elementy. Stanowią one kontrolki wskazujące wartości różnych wielkości opisujących ruch batyskafu: Głębokość zanurzenia Kierunek przemieszczania (kompas) Kąt inklinacji wzdłużnej (przechyłu przód-tył) Kąt inklinacji poprzecznej (przechyłu lewo-prawo) Prędkość względna przemieszczania się Kąty działania silników Wartości chwilowego ciągu silników Kontrolki te zostały napisane od zera w języku C#. 7

8 Ich głównymi cechami są: Wskazywanie chwilowej wartości wielkości mierzonej (w sposób graficzny i poprzez liczbę) Kolorystyczne zaznaczenie przedziałów wartości ostrzegawczych, bądź skrajnych W razie potrzeby zaznaczanie się i miganie całej kontrolki po osiągnięciu wartości ostrzegawczych oraz wysyłanie informacji do klasy przetwarzania ostrzeżeń i błędów Na panelu znajdują się ponadto różne rodzaje kontrolek, które można podzielić ze względu na: Kształt (prostokąt, przechylony prostokąt, wycinek koła) Typ podziałki (ruchoma, nieruchoma) Sposób wskazania wartości (za pomocą strzałki lub wypełnienia) W celu napisania jak najbardziej optymalnego kodu, zostało szeroko zastosowane programowanie obiektowe ze szczególnym użyciem dziedziczenia. Zwiększa to nieznacznie ilość klas, lecz pozwala na bardziej efektywną pielęgnację kodu źródłowego. Ponadto ze względu na sposób konstrukcji kodu, klasy kontrolek mogą być użyte wielokrotnie nie tylko w aplikacji zarządzającej pracą batyskafu Interfejs graficzny (podgląd z kamery) 1. Głębokość zanurzenia 2. Kierunek przemieszczania (kompas) 8

9 3. Kąt inklinacji wzdłużnej (przechyłu przód-tył) 4. Kąt inklinacji poprzecznej (przechyłu lewo-prawo) 5. Prędkość względna przemieszczania się 6. Kąty działania silników 7. Wartości chwilowego ciągu silników Interfejs graficzny (podgląd z kamery) podczas wystąpienia dwóch ostrzeżeń Na powyższym rysunku widać jak wartości kontrolek przechyłu poprzecznego i prędkości względnej osi osiągają wartości ostrzegawcze przez co zostają całe oznaczone na kolor żółty. 9

10 Rozdział 6. Raport z pracy grupy finansowo-ofertowej Zespół na bieżąco współpracował z grupami zadaniowymi i wyszukiwał potrzebne elementy i części. Podczas planowania i dokonywania zakupów pojawiły się trudności z zdobyciem wymaganej ilości ofert na niektóre produkty, które były zazwyczaj sprowadzane z zagranicznych magazynów. W skutek czego czas ofertowania był dłuższy niż zespół przewidywał. Z powodu dużej ilości cenników i katalogów sprzętu nie było możliwości dołączenia ich bezpośrednio do raportu z realizacji projektu. Rozdział 7. Problemy w realizacji projektu Podczas realizacji zadań pojawiło się wiele trudności z którymi przyszło zmierzyć się każdemu zespołowi. W większości przypadków była to konieczność zdobycia dodatkowej, specjalistycznej wiedzy bez której realizacja postawionych zadań była niemożliwa. Problem okazał się również zakup specjalistycznych części, które musiały spełnić rygorystyczne normy wytrzymałości i szczelności. W dużej mierze firmy oferujące potrzebny sprzęt zaznaczały, że okres oczekiwania może być wydłużony ponieważ nie posiadają tych elementów na stanie i muszą je sprowadzić z zagranicznych magazynów. Kluczowym elementem jest skrzynka IP68, której brak pociągnął za sobą opóźnienia w dwóch zespołach zajmujących się budową najważniejszych podzespołów: systemu zanurzania i układu napędowego. Wszystkie zadania których nie udało się zrealizować będą dalej realizowane ponieważ wszyscy członkowie zespołu projektowego chcą skończyć budowę batyskafu. Zespół projektowy planuje kontynuację projektu w celu wykonania brakujących podzespołów elektronicznych i dokończenia aktualnej budowy. Rozdział 8. Zakupy W ramach projektu zostało złożone zamówienie na następujące podzespoły: 8.1. Skrzynka elektryczna IP68 z wyposażeniem Skrzynka elektryczna IP68 z wyposażeniem (płyta montażowa i zestaw śrub mocujących) 1 szt. Skrzynka elektryczna IP68 jest niezbędna do realizacji projektu ponieważ stanowi zabezpieczenie elektroniki, układu gazowo/wodnego i napędowego przed uderzeniami i zalaniem. Skrzynka ta jako jedyna spełnia normę przeciwuderzeniową IK10 i normę wodoodporności IP68 co czyni ją najlepszym zabezpieczeniem dla układów batyskafu. 10

11 8.2. Układ zasilania IP68 składający się z: Kabel zasilający z łączkami IP68 24V Przetwornica napięcia 24V-230V Zestaw dławic kablowych IP68 20 mb 1 szt. 1 szt. Zestaw ten zawiera wszystkie części, które są nam niezbędne do realizacji naszego projektu. Zestaw części został wybrany po analizie wymagań jakie muszą spełniać poszczególne podzespoły, by dobrze współpracowały ze sobą w trakcie eksploatacji obiektu oraz zapewniły oczekiwane osiągi. Oferowane przez inne firmy zamienniki nie spełniały rygorystycznych wymagań wodoszczelności Układ redukcji ciśnienia składający się z: Reduktorów ciśnienia z manometrami Zbiornika z dwutlenkiem węgla 2 szt. 1 szt. Zestaw ten zawiera wszystkie części, które są nam niezbędne do budowy układu redukcji ciśnienia. Układ ten stanowi kluczowy element w układzie zanurzenia batyskafu. Zestaw ten jako jedyny zapewnia dokładne dozowanie dwutlenku węgla. Zamienniki oferowane przez inne firmy miały ograniczoną pojemność zbiornika i mniejszą maksymalną redukcję ciśnienia Układ Station składający się z: Akwarystyczne zbiorniki CO 2 350g Elektrozawory do CO 2 Elektrozawory do H 2 O Końcówki redukcyjne Zestaw zaworów przeciwzwrotnych Wąż do CO 2 i H 2 O 6mm 2 szt. 4 szt. 4 szt. 4 szt. 2 szt. 7 mb Zestaw ten zawiera wszystkie części, które są nam niezbędne do budowy układu zanurzania. Podzespoły wchodzące w skład zestawu są dostosowane do stawianych warunków wytrzymałościowych. Oferowane przez inne firmy zamienniki nie spełniały rygorystycznych wymagań wytrzymałości na wysokie ciśnienie i wymagały by przerabiania co spowodowałoby utratę wytrzymałości. 11

12 Rozdział 9. Kontynuacja i podsumowanie projektu Podczas realizacji projektu napotkaliśmy na trudności, których rozwiązywanie w większości przypadków było przyjemnością ponieważ mogliśmy zajmować się tym czym się interesujemy. Duża część zadań wymagała uzupełnienia brakującej wiedzy, która była niezbędna do realizacji postawionych zadań. W ramach projektu nawiązaliśmy kontakt z Kołem Naukowym Inżynierii Biomedycznej, którego członkowie chętnie służyli nam radą i pomocą w opanowaniu zagadnień z obróbki sygnału wideo, układów mikroprocesorowych i mechanice. Jesteśmy bogatsi o doświadczenie i nadal pełni zapału i chęci by kontynuować projekt. Uzyskaliśmy wsparcie od starszych kolegów, nawiązaliśmy nowe znajomości i zdobyliśmy kontakty z osobami chcącymi wspierać Nas w dalszej realizacji Naszego projektu. Każde z Nas pragnie dalej zagłębiać się w problematykę, z którą zaczął się teraz zapoznawać. Jesteśmy świadomi, że przed nami jeszcze długi okres budowy, projektowania i testowania zanim będziemy mogli z dumą powiedzieć, że udało nam się zbudować autonomiczny batyskaf. Nasze zmagania i osiągnięcia można śledzić na stronie internetowej koła naukowego ENCODER: 12