Maturaarbeit Bau eines Tauchroboters · 2020. 3. 28. · Maturaarbeit 2015 / Christian Engler 4dNP 2 2.1 Voraussetzungen Die Vorgaben für den Bau des Tauchroboters sind wie folgt

Kanton St.Gallen Kantonsschule am Burggraben St.Gallen Untergymnasium, Gymnasium

Maturaarbeit

Bau eines Tauchroboters

Eingereicht am: 02.02.2015

Vorgelegt durch Christian Engler 4dNP

Vorgelegt bei: Dr. dipl. phys. Thomas Spirig

Maturaarbeit 2015 / Christian Engler 4dNP

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 1

1.1 Beweggründe 1

2 Konzept 1

2.1 Voraussetzungen 2

2.2 Vorgehen 2

3 Mechanische Komponenten 3

3.1 Antrieb 6

3.2 Kameragehäuse 8

3.3 Schnittstellen mit den Komponenten 9

3.4 Hauptdruckkörper 11

3.5 Auftriebskörper und Ballast 13

3.6 Rahmen 15

4 Elektronik 16

4.1 Steuerung und Kommunikation 17

4.2 Kamerasystem 19

4.3 Tether 20

4.4 Stromversorgung 21

5 Kontrollstation und TMS 23

6 Programmierung 24

6.1 Python Script 25

6.2 Arduino Code 25

6.3 Wertetabelle für die Steuersignale 26

7 Tests 27

7.1 Dichteprüfung 27

7.2 Erster Wassertest 28

7.3 Zweiter Wassertest 29

7.4 Dritter Wassertest 30

8 Erfolge und Rückschläge 33

9 Diskussion 33

10 Danksagung 35

11 Schlusswort 35

Maturaarbeit 2015 / Christian Engler 4dNP

12 Bestätigung der Eigentätigkeit 36

13 Literaturverzeichnis 37

14 Abbildungsverzeichnis 37

Anhang 1: Arduino Quellcode 39

Anhang 2: Python Script 46

Anhang 3: Zusammenfassung 49

Maturaarbeit 2015 / Christian Engler 4dNP 1

1 Einleitung

1.1 Beweggründe

Wo finden wir die letzten “weissen Flecken auf der Landkarte”, Orte an denen noch

niemand vorher war? Diese Frage hat mich schon als kleines Kind beschäftigt. Als es

vor einem Jahr darum ging, ein Thema für die Maturaarbeit auszuwählen, kam mir

dieser Gedanke wieder in den Sinn.

Einerseits interessiere ich mich für technische Dinge, liebe es aber auch, die Natur zu

entdecken und zu erforschen. Um diese Interessen in einem Projekt zusammen zu

bringen, entschied ich mich für den Bau eines ferngesteuerten Tauchroboters, eines

sogenannten ROV (Remotely Operated Vehicle). Unter Wasser gibt es diese letzten

unentdeckten Orte noch, und die sind ziemlich gross. So ist zum Beispiel die

Mondoberfläche besser erforscht als unsere Ozeane. Und auch in den Seen vor

unserer Haustüre gibt es noch vieles zu entdecken. So werden im Bodensee gemäss

Kennern zum Beispiel noch unzählige Schiffswracks vermutet.

Somit stand der Entschluss fest, ein Tauchfahrzeug zu bauen, das in möglichst grosse

Tiefen vorstossen kann, um dort Bildmaterial und Daten (Druck, Temperatur, etc.) zu

sammeln.

2 Konzept

Ziel dieser Arbeit war der Bau eines Tauchroboters, der vorerst mindestens bis in 50 m

Tiefe und später allenfalls tiefer vordringen kann. Ein Freizeittaucher kann mit einer

entsprechenden Ausbildung in Tiefen von bis zu 40 m tauchen. Berufstaucher schaffen

bis zu 100 m, allerdings nur mit grossem Aufwand an Material und Zeit. Es wird

redundante Ausrüstung, u.a. mehrere Druckluftflaschen, mitgeführt und es müssen

Dekompressionsstopps durchgeführt werden, die für einen solchen Tauchgang sehr

viel Zeit in Anspruch nehmen. Somit sind 50 m Tiefe die Grenze, ab der es sinnvoll

wird ein ROV anstelle eines Tauchers einzusetzen.


2.1 Voraussetzungen

Die Vorgaben für den Bau des Tauchroboters sind wie folgt definiert:

Tauchtiefe mindestens 50 m.

Livevideo-Bildübertragung zur Oberfläche.

Steuerbar von der Oberfläche.

Modularer Aufbau, der spätere Erweiterungen ermöglicht und etwaige

Änderungen vereinfacht.

Das ROV soll durch eine Türflucht eines Wracks passen, d.h. eine Breite

von 50cm darf nicht überschritten werden.

2.2 Vorgehen

Das Vorgehen beim Konstruieren eines ROVs wird grundsätzlich bestimmt durch die

Vorgaben, die es erfüllen muss und durch die Art des Einsatzes. Dementsprechend

werden die einzelnen Komponenten, passend für den Einsatzzweck, konstruiert.

In diesem Fall sind die wichtigsten Komponenten (vgl. Abb. 2, Seite 6):

Hauptdruckkörper für die elektronischen Komponenten

Strahlruder für Vortrieb und Steuerung

Kameragehäuse

Lampen

Zu diesen Komponenten werden dann die passenden elektronischen Steuer- und

Kontrollmechanismen entwickelt, z.B. die passenden Motoren oder eine

entsprechend kleine Kamera. Oder es kann sein, dass die Elektronik die

Konstruktionsart der mechanischen Komponente bestimmt (z.B. beim

Hauptdruckkörper mit Kommunikations- und Steuerelektronik).

Danach wird ein Rahmen entworfen, an dem alle Komponenten befestigt werden

können. Schliesslich wird der Tauchroboter gewogen und ein abgestimmtes

Auftriebs- und Ballastsystem gebaut. Nachdem das Gerät auf seine

Funktionstüchtigkeit getestet ist, können allfällige Änderungen vorgenommen

werden.

Dieses Vorgehen wurde bei der vorliegenden Maturaarbeit umgesetzt.


3 Mechanische Komponenten

Als erstes werden die mechanischen Elemente des Tauchroboters beschrieben.

Wichtige Überlegungen hierzu sind vor allem Einsatzgebiet, Funktion und maximale

Tauchtiefe. Bei dieser Arbeit handelt es sich um ein

sogenanntes OCROV – ein Observation Class Remotly

Operated Vehicle. Es trägt als Hauptinstrument eine Kamera

und Sensoren, hingegen keine schweren Werkzeuge, wie die

sogenannten WCROV – Work Class ROV. Die OCROVs

wiegen zwischen 2 und 100 kg. Bei diesem Gerät soll das

Endgewicht nicht über 50 kg liegen und es soll etwa die Grösse

einer grossen Getränkekiste mit einer Breite von ca. 40 cm

haben. Damit passt das ROV durch Türfluchten, was vor allem beim Wracktauchen

wichtig sein kann. Durch das niedrige Gesamtgewicht kann das ROV auch ohne Kran

ins Wasser gelassen werden und ist relativ leicht zu transportieren.

Die Tauchtiefe beeinflusst die Grösse insofern, als dass die einzelnen Komponenten

massiver sein müssen, je tiefer der Roboter tauchen soll. Auf der folgenden Seite ist

eine Übersicht des gesamten ROVs zu sehen.

Abb. 1: Ansichten des ROVs (Front, Rückseite, Seitenansicht)

ROV

In dieser Arbeit wird entweder

von einem ROV oder von

einem Tauchroboter ge-

sprochen, wobei ein und

dasselbe gemeint ist. Die

Bezeichnung ROV ist jedoch

korrekter, weil das Fahrzeug

nur teilautonom ist.


Abb. 2: Gesamtansicht des ROVs


Abb. 3: Übersicht über die Komponenten des ganzen Systems


3.1 Antrieb

Grundsätzliche Überlegungen

Um das ROV im Wasser manövrieren zu können, werden in diesem Fall elektrisch

betriebene Strahlruder verwendet. Das sind kleine, von Elektromotoren angetriebene

Propeller, die beliebig am ROV angebracht werden können. Das ROV bewegt sich

entlang von drei Achsen: vorwärts-rückwärts, links-rechts, auf-ab. Daher braucht man

mindestens drei Strahlruder. Diese müssen in einer möglichst idealen Konfiguration am

ROV montiert sein. Das ‚ROV Manual‘ von Robert L. Wernli Sr. Und Robert D. Christ

erwähnt dazu folgende Überlegungen: Die Anbringung der Strahlruder ist ein

Zusammenspiel aus möglichst grossem Hebelarm und möglichst langem Fahrzeug um

eine optimale Stabilität des ROVs zu erreichen. (Robert D. Christ & Robert L. Wernli

Sr, 2014, S. 76)

Abb.4: Anbringung der Strahlruder und entsprechende Fahrzeuglänge/Breite (The ROV-Manual)

Bei diesem Projekt wurde ein Länge-zu-Breite Verhältnis von etwas über 2:1 gewählt.

So können die Strahlruder in einem genügend grossen Abstand angebracht werden

und das Fahrzeug ist immer noch relativ lang. Zudem basiert diese Wahl der Masse

auf der Betrachtung bereits bestehender ROVs.


Magnetkupplungen der Strahlruder

Abb. 5: Plan der Magnetkupplung

Die Dichtungen an der Antriebswelle der Strahlruder sind eine der grössten

Schwachstellen bei jedem Unterwasserfahrzeug. Da bei radialen Achsendichtungen

eine rotierende Fläche auf der statischen Dichtungsfläche liegt, kann es schnell

geschehen, dass die Dichtfläche unterbrochen wird, wodurch Wasser in das

Motorgehäuse eindringen kann. Die beste Lösung ist deshalb das Vermeiden dieser

Rotationsdichtung durch Verwendung einer Magnetkupplung.

Bei der Magnetkupplung gibt es keine physische Verbindung zwischen Motor und

Propeller. Die Kraftübertragung erfolgt mithilfe eines Magnetfeldes. So kann sich der

Motor in einem vom Wasser komplett abgeschotteten Gehäuse befinden. Gleichzeitig

lässt sich damit eine Überlastung der Motoren verhindern, falls die Propeller blockiert

werden (z.B. durch Seegras). Bei einer Blockade der Propeller beginnt die Kupplung zu

rutschen, während der Motor weiter drehen kann.


Erste Versuche mit einer Magnetkupplung, bei der die Magnete in einem Ring um den

zentralen, angetriebenen Magneten angeordnet waren, brachten nicht die gewünschte

Leistung. Die magnetische Verbindung war zu schwach und konnte deshalb das

notwendige Drehmoment nicht übertragen. Die überarbeitete Version basiert auf zwei

sich gegenüberliegenden Aluminiumtrommeln, in denen Magnete angebracht sind.

Dadurch ist die aktuelle Version auch um einiges kompakter ist als der Prototyp.

Abb. 6: Prototyp der ersten Magnetkupplung Abb. 7: Teile der neuen Magnetkupplung

Die Magnetkupplungen wurden vom Autor aus Delrin (einem sehr robusten Kunststoff)

auf einer Drehmaschine gefertigt. Das Material verhindert Wirbelströme, wie sie in

einem Aluminiumgehäuse entstehen könnten und welche den Motor abbremsen

würden. Die Magnettrommeln sind aus Aluminium gefräst und die Magnete wurden mit

Schraubensicherungslack in die Fassungen eingeklebt.

Um zu verhindern, dass die Magnetkupplungen rutschen, muss der Motor möglichst

sanft anlaufen. Dies wird jedoch durch eine entsprechende Routine in der

Programmierung sicher gestellt. (siehe Kapitel 6) Programmierung)

3.2 Kameragehäuse

Die Kamera des ROVs wird in einem Gehäuse aufgenommen, das aus einer

Acrylglasröhre besteht, die an beiden Seiten durch zwei Verschlüsse mit O-Ringen

wasserdicht verschlossen ist. Acrylglas hat den Vorteil, dass es praktisch optisch „echt“

ist. D.h. es spiegelt nur wenig und verzerrt das Bild nur minim. Zudem ist Acrylglas eine

optimale Dichtfläche für die O-Ringe und zerkratzt nicht so leicht.


Abb. 8: Das Kameragehäuse

3.3 Schnittstellen mit den Komponenten

Die Schnittstellen der einzelnen Komponenten mit der Hauptdruckröhre gehören zu

den grössten Herausforderungen beim Bau eines ROVs. Es gibt kommerzielle,

wasserdichte Verbindungsstecker, die speziell für Tauchroboter und andere

Unterwasseranwendungen konzipiert sind. Diese kosten allerdings zwischen 200 und

mehreren tausend Dollar pro Stück (je nach Tiefenzertifizierung: 200 $ entspricht etwa

300 m Wassertiefe). Es gibt auch wasserfeste Stecker, die um einiges günstiger sind.

Diese Stecker sind jedoch nur bis etwa 10 m. wasserdicht. Deshalb wurde bei diesem

Projekt gänzlich auf externe Stecker verzichtet.


Aufbau der Schnittstellen

Abb. 9: Plan der Verbindungen

Alle Verbinder des Tauchroboters basieren auf dem gleichen Prinzip. Das Kabel wird

durch einen mit Epoxidharz abgedichteten Zapfen geführt. Diese Hülse kann dann in

einen Gewindeeingang der Hauptröhre eingeschraubt werden und wird mit einem O-

Ring abgedichtet. Zusätzlich wird das ganze Kabel durch einen PVC Schlauch, der mit

Briden am Verbinderzapfen abgedichtet ist, vom Wasser abgeschottet. Im Inneren der

Röhre werden die Kabel mittels Elektroklemmen angeschlossen.

Abb. 10: Verbinder der Hauptröhre mit Schläuchen Abb. 11: Anschlüsse von der Innenseite gesehen


3.4 Hauptdruckkörper

Der Hauptdruckkörper ist sozusagen das Herzstück des Tauchroboters. Darin befinden

sich die gesamte fahrzeugseitige Steuerungs- und Kommunikationselektronik sowie die

Stromversorgung. Die Steuersignale aus der Kontrollstation werden hier zu

Motorsteuersignalen verarbeitet und Daten (z.B. Live-Video oder Umweltdaten) werden

an die Kontrollstation gesendet. Aus diesem Grund muss dieser Teil des

Tauchroboters besonders robust und gut abgedichtet sein. Ein Wassereinbruch würde

zum Totalausfall des ROVs führen.

Abb. 12: Schema des Hauptdruckkörpers mit den Verschlüssen


Als Material für den Hauptdruckkörper wurde eine Aluminiumröhre mit einer

Wandstärke von 10 mm gewählt. Die Form der Röhre ist besonders druckfest, was

grössere Tauchtiefen ermöglicht. Aluminium korrodiert bei Kontakt mit Wasser nicht, ist

um vieles druckfester als Acrylglas und lässt sich einfacher bearbeiten als Stahl.

Zur Abdichtung der Röhre gegen Wasser dienen zwei O-Ringe auf jeder Seite. Die O-

Ringe sind so in eine Nut eingepasst und bemessen, dass sie beim Aufsetzen der

Verschlüsse auf die Röhre leicht zusammengepresst werden. Durch diese sog.

Verpressung wird eine wasserdichte Barriere erzeugt. Die Nuten beim

Hauptdruckkörper sind so gewählt, dass man entweder einen O-Ring mit 10%

Verpressung verwenden kann, mit dem sich die Röhre noch komfortabel verschliessen

lässt, oder man kann eine „schwere“ Dichtung verwenden, mit 20% Verpressung, die

grössere Tauchtiefen ermöglicht. Allerdings ist es bei dieser Dichtung schwieriger, den

Zylinder zu verschliessen, da die dickeren O-Ringe zu mehr Reibungswiederstand

führen.

Abb. 13 O-Ring unter Last

Ein wichtiger Bestandteil des Hauptdruckkörpers sind seine Verbindungen mit den

restlichen Komponenten. Im hinteren Deckel ist ein M20 Innengewinde eingearbeitet,

an dem der sog. „Tether“ (Versorgungskabel) angeschlossen werden kann. An der

Vorderseite befinden sich neun M10 Anschlüsse, die das Anschliessen von Motoren,

Sensoren und anderen Gerätschaften ermöglichen. Der Hauptdruckkörper wurde

freundlicherweise von der Firma Breu Mechanik hergestellt, weil die eigene

Drehmaschine für Teile dieser Grösse zu klein ist.


3.5 Auftriebskörper und Ballast

Der Auftriebskörper sorgt für die richtige Tarierung des ROVs im Wasser und

zusammen mit dem Ballast für eine gute Stabilität des Fahrzeugs. Indem der Ballast

möglichst weit unter dem Auftriebskörper angebracht wird, und der Auftriebskörper am

höchst möglichen Punkt ist, wird die optimale Stabilität erreicht.

Mit einer guten Tarierung ist das ROV mit wenig Energie optimal manövrierfähig. Ideal

wäre eine neutrale Tarierung. d.h. das Gesamtgewicht des ROV‘s entspricht genau

dem Gewicht des Wasservolumens welches vom Tauchroboter verdrängt wird. Das

ROV wäre also in einem Schwebezustand. Weil eine solche Feinabstimmung praktisch

kaum möglich ist, entscheidet man sich entweder für eine leicht positive Tarierung oder

eine leicht negative Tarierung. Dieses ROV hat eine leicht positive Tarierung, d.h. man

benötigt mehr Schub um das ROV abtauchen zu lassen, hat aber den Vorteil, dass bei

einem Stromausfall das ROV selbständig wieder auftaucht.

Abb. 14: Austarieren des ROVs im Wasser

Als Ballast werden Bleigewichte verwendet, die möglichst weit unter dem

Auftriebskörper am Rahmen befestigt werden.

positiv tariert

neutral tariert

negativ tariert

steigt

schwebt

sinkt


Das sorgt für Stabilität und das ROV kann getrimmt werden, d.h. das Bleigewicht wird

angepasst, wenn z.B. weitere technische Komponenten angebracht werden.

Material des Auftriebskörper

Ein falsch kalkulierter Auftriebskörper ist die häufigste Ursache für den Verlust von

ROVs. Wird ein falsches Material verwendet, wird der Auftriebskörper vom immensen

Wasserdruck zusammen gequetscht. Das reduzierte Volumen verringert den Auftrieb

und das ROV sinkt ab. Dabei besteht die Gefahr, dass das ganze ROV durch den

zunehmenden Druck vollständig zerstört wird.

Ein erster Versuch mit Polystyrolschaumstoff ergab nicht die gewünschten Resultate.

Der Schaumstoff wurde bereits bei ca. 25 Metern Wassertiefe bis auf das halbe

Volumen zusammengepresst. Nun wird ein leichter Spezialhartschaumstoff (Airex C70

von der Firma Bolleter Composites gratis zur Verfügung gestellt) eingesetzt, der bis zu

einem Druck von 30 bar (300 m Wassertiefe) formstabil ist und sich durch eine sehr

geringe Wasseraufnahme auszeichnet. So ändert sich der Auftrieb nur wenig, während

das ROV im Wasser ist. Dieses Material wird vor allem im Bootsbau und in der

Luftfahrt verwendet und lässt sich sehr gut bearbeiten.

Damit der Auftriebskörper auch abriebfest ist, wurde er mit Glasfasergewebe laminiert

und gelb lackiert. Durch die gelbe Lackierung ist das ROV besser zu sehen unter

Wasser.

Abb. 15: Erste Version des Auftriebkörpers aus Polystyrol.

Abb. 16: Zweite und finale Version des Auftrieb- körpers aus speziellem Schaumstoff


3.6 Rahmen

Am Rahmen werden alle Komponenten des ROVs angebracht. Zudem bietet er Schutz

bei Kollisionen und gibt dem ROV Stabilität. Beim Design des Rahmens war die Idee

des modularen Aufbaus und der einfachen Erweiterbarkeit besonders wichtig.

Abb. 17: Der Rahmen des ROVs

Als Material für den Rahmen wurden Item® Systembauprofile verwendet. Diese Profile

ermöglichen einen einfachen Zusammenbau und Änderungen können kurzfristig und

mit wenig Aufwand vorgenommen

werden. Die Profile haben auf allen vier

Seiten Nuten, an denen Gegenstände

und weitere Profile einfach befestigt

werden können. Zudem können Ballast

und Strahlruder am Rahmen

verschoben werden, so dass man die

Lage des ROVs einstellen kann.

Abb. 18: Verbindung am Rahmen


4 Elektronik

Die Elektronik des ROVs ermöglicht dem Bediener das Erlebnis der sog. „virtuellen

Präsenz“. Er kann dadurch an Orten beobachten und agieren, die für Menschen nicht

erreichbar sind, oder an denen er einem zu hohen Risiko ausgesetzt wäre (z.B.

Höhlen, Unterseeische Quellen usw.). Für diese „virtuelle Präsenz“ benötigt man ein

Livevideobild, eine Möglichkeit das ROV zu steuern und optional mehrere Sensoren,

die den Bediener über die am Einsatzort vorherrschenden Umweltbedingungen

informieren. So kann man Daten messen, wie zum Beispiel Umgebungsdruck,

Temperatur, aber auch aufgabenspezifischere Informationen wie PH-Wert, Sauerstoff-

konzentration, etc. oder man kann die Umwelt filmisch dokumentieren.

Die Elektronik eines ROV besteht immer aus der Bordelektronik und der sog.

Benutzerelektronik.

Die Bordelektronik setzt sich zusammen aus:

Kamera

Steuerung

Kommunikation

Beleuchtung

Sensoren

Stromversorgung

Die Bestandteile der

Benutzerelektronik sind:

Laptop mit

Steuersoftware

Monitor zur Anzeige

des Livebilds

Nachfolgend wird die Bordelektronik behandelt. Auf die Benutzerelektronik wird im

Kapitel Kontrollstation genauer eingegangen.

Abb. 19: Bordelektronik vorne

Abb. 20: Bordelektronik hinten


4.1 Steuerung und Kommunikation

Das Herzstück der Steuerung des ROVs ist ein Arduino UNO

R3. Ein Microcontroller der einfach programmiert werden kann,

Sensorinputs verarbeitet und Steuersignale sendet. Um die

Elektromotoren des Tauchroboters ansteuern zu können, wurde

für jeden Motor ein ESC (Electronic Speed Controller) an den

Arduino angeschlossen, der mittels eines PWM Signals

gesteuert werden kann. Diese ESCs werden vom Arduino wie Servos angesteuert, wie

sie im Modellbau Verwendung finden

Da es sich beim Arduino um ein normales USB-Gerät handelt, wäre es am einfachsten,

ihn direkt an einem USB-Port des Computers anzuschliessen. Ein Standard USB-

Protokoll hat jedoch eine maximale Reichweite von ca. 5 m. Die Lösung war ein USB-

Extender der USB-Signale über ein Ethernetprotokoll bis zu 100 m (maximale

Reichweite des Ethernetprotokolls) weit überträgt. Das am Extender angeschlossene

Gerät verhält sich dabei so, als ob es direkt am USB-Port des Computers

angeschlossen wäre. Um die Reichweite des ROVs noch weiter zu erhöhen, ist

zwischen Computer und USB-Extender ein umgebautes Powerlinemodul geschaltet.

Dieses ermöglicht eine 500 Mbit/s Ethernetverbindung von bis zu 300 m Länge durch

ein zweiadriges Kabel.

Variante 1

Es wurden auch noch zwei weitere Möglichkeiten zur Datenübertragung in Erwägung

gezogen. Aufgrund von niedrigen Kosten und grösserer Reichweite wurde Variante 1

ausgewählt. Zudem benötigt Variante 1 nur 2 Kabel um eine Ethernetverbindung

herzustellen und nicht 8, wie Varianten 2 und 3.

PWM

Der Begriff Pulse Width

Modulation beschreibt ein

digitales Signal, das dazu

verwendet werden kann

Servos und Fahrtenregler

(ESC) zu steuern.


Variante Reichweite Kosten

1 300 m 130.-

2 100 m 400.-

3 100 m 200.-

Tab 1: Kostenvergleich Datenübertragung

Variante 2

Variante 3

Variante 2 hätte den Vorteil gehabt, dass sie mit wenigen Elementen ausgekommen

und sicher stabil gewesen wäre. Allerdings ist die Reichweite auf 100m limitiert und der

benötigte High-Speed USB-Extender wäre sehr teuer.

Variante 3 wäre auch relativ günstig, hat aber den Nachteil, dass sehr viele zusätzliche

Komponenten benötigt werden.


4.2 Kamerasystem

Die Schwierigkeit beim Kamerasystem des ROVs bestand darin, dass der Video-

Stream mit einer möglichst geringen Verzögerung übertragen werden muss um eine

komfortable ‚real-time‘ Steuerung des Fahrzeugs zu ermöglichen.

Der Versuch eine USB-Webcam als Livekamera einzusetzen

scheiterte daran, dass der Minicomputer (ein Raspberry Pi Model

B) der zum Streamen des Signals verwendet wurde zu wenig

Rechenleistung hatte, und das Bild nur mit einer grossen

Verzögerung und stark stockend empfangen werden konnte.

Jetzt wird eine einfache Boardkamera eingesetzt, die ein

Analogsignal sendet. Dieses Signal kann mithilfe eines Video-

Baluns durch ein zweiadriges Kabel über eine Reichweite von bis

zu 600 m gesendet werden. Das Bild ist selbst bei einer Distanz von 100 m noch

nahezu live, jedoch nur von mittlerer Qualität (670 TVL entspricht etwa einer VGA

Auflösung)

Zur filmischen Dokumentation der Tauchfahrten dient eine zweite, externe Full-HD

Kamera. Diese nimmt die gesamte Tauchfahrt auf und speichert das Video auf einer

SD-Karte, die nach dem Einsatz ausgelesen werden kann.

Die Steuerkamera ist vorne am ROV fixiert und kann während der Fahrt weder bewegt

werden noch zoomen. So verhindert man, dass der Bediener die Entfernung zu

Objekten nicht mehr einschätzen kann, oder die Position des ROVs relativ zum

Sichtfeld falsch wahrnimmt.

Abb. 21: Die Livevideokamera ist in einem Plexiglasgehäuse, vorne am ROV angebracht

Video-Balun

Ein Video Balun ist ein Gerät,

das die Videosignale einer

Kamera über weitere

Distanzen senden kann.

Dazu ist im Balun ein kleiner

Transformator eingebaut, der

die Spannung des Signals

erhöht, um Spannungs-

verluste im Kabel zu

verringern.


4.3 Tether

Da Funksignale, die unter Wasser gesendet werden, nur eine Reichweite von wenigen

Metern haben, muss die ganze Kommunikation zwischen ROV und Kontrollstation über

ein Kabel erfolgen. Dieses Versorgungskabel wir im Fachjargon auch Tether genannt.

Durch ihn werden alle Daten- und Steuersignale übertragen. Für dieses Projekt wurde

ein Cat 5 Ethernetkabel gewählt, das folgende Vorteile hat:

Der Tether wird möglichst klein gehalten, da alle Daten durch dieses Kabel

übertragen werden können. Ein Cat 5 Kabel besteht aus 4 Kabelpaaren. Von

diesen wird eines für die Ethernetverbindung und eines für die

Videoübertragung verwendet. Zwei Paare dienen als Ersatz oder für mögliche

Erweiterungen.

Cat 5 Kabel ist fast neutral tariert. So kann verhindert werden, dass das ROV

ein zu grosses Gewicht hinter sich herschleppen muss.

Cat 5 Kabel ist preislich sehr günstig

Abb. 22: Querschnitt eines Cat 5 Kabels

Das Kabel wird auf einer eigens dafür konstruierten Rolle

aufbewahrt und wird bei einem Einsatz abgewickelt. Am

Kabel ist auch der Zapfen zu sehen, mit dem der Tether an

den Hauptdruckkörper angeschlossen wird.

Abb. 23: Kabelrolle für den Tether


4.4 Stromversorgung

Die Stromversorgung des Tauchroboters versorgt alle elektrischen und elektronischen

Komponenten der Bordelektronik mit Strom. Die momentane Stromversorgung basiert

auf zwei NiMH Akkus und einem LiPo-Akku. Eine Stromversorgung über Kabel wurde

verworfen (siehe Diskussion)

Beide NiMH Akkus liefern je 7.2 V. Einer der Akkus versorgt die Motoren, der zweite

versorgt die Kommunikations- und Steuerelektronik. Der LiPo-Akku versorgt das

Internetmodul und die Livekamera, da diese 12 V benötigen. Allerdings wird dieser

Akku so bald wie möglich durch einen NiMh Akku ersetzt, da LiPo-Akkus nicht für

feuchte Umgebungen geeignet sind.

Spannungsregler

Da die Akkus eine Spannung zwischen 8.5 und 7 Volt liefern, muss die Spannung auf

die passende Betriebsspannung der Geräte angepasst werden.

Gerät Spannung Leistung

Arduino 5-19 V 11 W

USB-Extender 5 V 5 W

FPV-Kamera 12 V 10 W

Internetmodul 12 V 3 W

Tab. 2: Übersicht der erforderlichen Spannung und Leistung der Geräte

Das Problem bei Spannungsreglern ist die sogenannte Dropout-Voltage. Das ist die

Mindestspannung, die über dem geregelten Wert liegen muss, damit der

Spannungsregler noch funktionieren kann. Die eingebauten Spannungsregler haben

eine Dropout-Voltage von 2 V. Das bedeutet, dass zum Beispiel der USB-Extender

bereits bei einer Akkuspannung von 7 V keinen Strom mehr erhält.


Abb. 24: Schaltung für einen 5V Spannungsregler, wie er im ROV eingesetzt wird (STmicroelectronics)

Abb. 25: Stromversorgung der Bordelektronik. Gut zu erkennen sind die beiden Filterkondensa- toren und dahinter der Spannungsregler L79

Für die Schaltung der Stromversorgung wurden ausschliesslich

Keramikkondensatoren verwendet. Das lässt die Möglichkeit

offen, die Behälter der elektronischen Komponenten des ROVs

mit Mineralöl zu druckkompensieren. Würden Elektrolyt

kondensatoren verwendet, wäre das nicht möglich, da diese

druckempfindlich sind. Die Möglichkeit einer Druck-

kompensation wurde als Notfalllösung in Erwägung gezogen,

falls sich die Dichtungen als zu schwach erwiesen hätten.

Druckkompensation

Füllt man einen Druckkörper

mit nichtleitendem Mineralöl

auf, kann man diesen effizient

gegen Druck schützen. Da

sich das Mineralöl nicht

komprimieren lässt, besteht

keine Druckdifferenz mehr

zwischen Wasser und

Innenraum. Der O-Ring muss

dann nur noch das Öl im

Inneren halten. Allerdings ist

es besser, diese Methode zu

vermeiden, da Wartungs-

arbeiten an der Elektronik

erschwert werden

VIN VOUT


5 Kontrollstation und TMS

Die Kontrollstation dient dazu, das ROV vom Ufer oder einem Wasserfahrzeug aus zu

steuern. Sie besteht aus folgenden Komponenten

Laptop mit Steuersoftware

Bildschirm zur Anzeige des Signals der FPV-Kamera

Internetmodul

Kabelrolle

Stromversorgung

Die ganze Kontrollstation findet in einer Kiste Platz. Beim Einsatz wird das

Internetmodul an den Ethernetport des Laptops und den Tether angeschlossen und der

Bildschirm wir ebenfalls über einen Video-Balun mit dem Tether verbunden. Der Strom

für den Bildschirm und das Internetmodul wird von einer 12 V Autobatterie geliefert.

Abb. 26: Die Kontrollstation im zusammengelegten (Bild links) und aufgebauten Zustand (Bild rechts)


Abb. 27: Flussdiagramm der Software

6 Programmierung

Die Programmierung des

ROVs besteht, wie die

Elektronik, aus zwei

verschiedenen Teilen. Das

Steuerprogramm des

Arduinos, der im ROV

eingebaut ist und die

Computersoftware zur

Steuerung des Tauch-

roboters vom Laptop aus.

Für die Maturaarbeit ist die

ROV-Software auf das

Minimum reduziert. Nur das

Steuern des ROVs ist in

das Programm implemen-

tiert.

Die Computersoftware ver-

arbeitet den Userinput der

Tastatur in Zahlen, die über

einen Serial Port an den

Arduino gesendet werden.

Auf diesem läuft ein

Programm, das jeder

ankommenden Zahl eine

Aktion zuweist. Drückt der

Benutzer z.B. „W“ sendet

die Computersoftware die

Zahl 119 (ASCII-Code für

den Buchstaben W) an den Arduino. Dieser führt dann eine Funktion aus, die das linke

und rechte Strahlruder einschaltet, so dass der ROV vorwärts fährt.


6.1 Python Script

Die Kontrollsoftware, die auf dem Laptop läuft, wurde mit Python programmiert. Eine

sehr einfach zu erlernende Sprache, die mit vielen sogenannten Modulen erweitert

werden kann. Für dieses Projekt wurde das Modul PySerial benötigt. Dieses ermöglicht

es der Software eine serielle Verbindung mit dem Arduino herzustellen. Dazu wird mit

einem Befehl im Programmcode ein sogenannter Serialport geöffnet und eine Baudrate

gewählt. Die Baudrate bestimmt die Übertragungsgeschwindigkeit der Signale zum

Arduino. Für diese Anwendung wurde der tiefst mögliche Wert von 4800 Baud gewählt,

da nur sehr wenige Daten übertragen werden müssen und so der Arduino nicht

überfordert wird.

Nach dem Setup wartet die Kontrollsoftware auf die Tastatursignale. Durch eine if-else

Schleife wird dauernd überprüft, ob einer der gedrückten Tasten eine Aktion

zugewiesen ist. Wenn dies so ist, wird der Wert der entsprechenden Taste an den

Arduino gesendet. Obwohl im Code des Python-Scripts der Buchstabe gesendet wird,

sendet die Serial-Software den entsprechenden ASCII-Wert. Wird die Taste gedrückt

gehalten wiederholt sich dieser Prozess laufend, bis die Taste losgelassen wird.

6.2 Arduino Code

Der Arduino-Code besteht aus einem sog. Setup Loop und der eigentlichen

Programmschleife. In der Setup Schleife werden die Serial Verbindung initialisiert, die

Pins bestimmt, an denen die ESCs angeschlossen sind, sowie die einzelnen Servos

zugewiesen. So weiss der Arduino, dass er es mit Servos, resp. ESCs, zu tun hat und

die Servos kalibrieren muss. In der Programmschleife wartet der Arduino dann auf eine

ankommende Zahl. Mit einer If-else Schleife wird überprüft, ob und welche Aktion der

Zahl zugeordnet ist. Für jede Aktion sendet der Arduino anschliessend die passenden

Steuersignale an die ESCs. Da die ESCs eigentlich dafür konzipiert sind mit einer RC

Fernsteuerung angesteuert zu werden, sind die Befehle, die der Arduino an die ESCs

senden muss, etwas speziell. Der Wert 90 entspricht der Neutralstellung des

Steuerknüppels an der Fernsteuerung, es passiert also nichts. Werte unter 90 sorgen

für Schub vorwärts, während Werte über 90 für Schub rückwärts sorgen.


Die Kontrolle der Strahlruder ist so programmiert, dass sie so lange und in

entsprechender Kombination laufen wie die für die Bewegung bestimmte Taste

gedrückt wird und die entsprechende Zahl beim Arduino ankommt. Das Tauchruder ist

etwas anders programmiert. Dadurch, dass das ROV positiv tariert ist, muss das

vertikale Ruder während des gesamten Tauchgangs laufen, um das ROV unter

Wasser zu halten. Mit der Taste T wird die sogenannte Tarierungskontrolle

eingeschaltet. Mit den Tasten Z und U kann dann der Auftrieb entweder erhöht oder

erniedrigt werden. So kann man ganz einfach die gewünschte Sinkrate einstellen oder

den ROV im „Schwebeflug“ halten. Drückt man wieder auf T wir das vertikale Ruder

ausgeschaltet und das ROV taucht auf. Man kann aber auch mit den Tasten O und L

die Leistung des Tauchruders kurzzeitig erhöhen, um schneller auf- oder abzutauchen.

Um zu verhindern, dass dabei die Kupplung des Tauchruders rutscht, wurde eine

Rampe einprogrammiert, die die Leistung des Tauchruders proportional erhöht, bis der

eingestellte Wert erreicht wird. Wie langsam diese Anpassung an den Maximalwert

dauert, kann durch das Verändern einer Variablen eingestellt werden.

6.3 Wertetabelle für die Steuersignale

Befehl Taste ASCII-Wert

Vorwärts W 119

Rückwärts S 115

Links A 97

Rechts D 100

Rotieren UZS E 101

Rotieren GUZS Q 113

Tarieren aktivieren T 116

Auftrieb verringern Z 122

Auftrieb erhöhen U 117

Aufwärts O 111

Abwärts L 108

Tab. 3: Werte für Steuerbefehle


7 Tests

7.1 Dichteprüfung

Die erste Dichteprüfung des ROVs stellt einen kritischen Punkt beim Bau des

Tauchroboters dar. Dabei zeigt sich, ob das Design des Tauchroboters dem

Einsatzdruck standhält und dicht ist. Wenn möglich wird der Drucktest unter simulierten

Bedingungen durchgeführt, was das Beobachten und Bergen der Teile einfacher

macht.

Für den Drucktest stellte der Badische Tauchsportverein freundlicherweise seine

Hyperbarische Druckkammer in Überlingen zur Verfügung. Diese Druckkammer wird

normalerweise zur Behandlung von Dekompressionserkrankungen verwendet und

kann eine Tauchtiefe von bis zu 50 m (entspricht 6 bar Absolutdruck) simulieren.

Abb. 28: Testanordnung, zu sehen sind Druckkörper, Tauchcomputer und ein Block Schaumstoff des Auftriebkörers

Abb. 29: Druckkammer des BTSV in Überlingen, links im Bild ist das Kontrollpult, durch das Bullauge konnte die Versuchsanordnung beobachtete werden.

Die zu testenden Komponenten werden in einen mit Wasser gefüllten Behälter gelegt,

um den Luftdruck in Wasserdruck umzuwandeln. Dann wird in der Druckkammer der

entsprechende Druck aufgebaut. Dieser Druck wird über eine gewisse Zeitspanne

aufrecht gehalten. Der Behälter kann während der „Tauchfahrt„ durch ein Bullauge

beobachtet werden. Steigen Bläschen aus dem Behälter auf, deutet dies auf undichte

Stellen hin, die so lokalisiert werden können. Nach der Tauchfahrt wird der Behälter

geöffnet und auf allfällig eingedrungenes Wasser überprüft.


Es wurde nur der Hauptdruckkörper geprüft. Dieser erwies sich zumindest bis zu dem

in der Kammer erreichten Maximaldruck von 6 bar als wasserdicht.

Abb. 30: Tauchprofil des Tests

Auf der rechten Seite ist das Abtauchen zu sehen. Die flache Linie in der Mitte stellt die

12 min dar, während denen der Versuchsaufbau 6 Bar ausgesetzt war. Die steile

Gerade auf der linken Seite entsteht dadurch, dass der Druck relativ schnell aus der

Druckkammer abgelassen wurde.

7.2 Erster Wassertest

Der Tauchroboter wurde ins Wasser gelassen, um zu ermitteln wie viel Ballast

hinzugefügt werden muss und ob das Gerät stabil im Wasser liegt.

Dabei zeigte sich:

Es müssten ca. 15 kg Ballast hinzugefügt werden, was eindeutig zu viel ist.

Der ROV liegt sehr stabil und waagrecht im Wasser.

In die Hauptröhre dringt Wasser ein. Vermutlich wegen einer Dichtung, in der

sich ein Kabel verklemmt hatte.

Der Tether ist abgerissen.


Abb. 31: Erste Testfahrt

Nach diesem Test wurden die notwendigen Änderungen vorgenommen:

Der Auftriebskörper wurde verkleinert, so dass nur noch 7-8 kg Ballast

zugeladen werden müssen.

Die Dichtungen wurden überprüft und gereinigt.

Am Tether wurde eine Zugentlastungsklemme angebracht um zu verhindern,

dass der Tether bei zu starkem Zug aus dem Anschlusszapfen gerissen wird.

7.3 Zweiter Wassertest

Beim zweiten Test im Bodensee sollte die Funktionstüchtigkeit der Elektronik und die

Manövrierfähigkeit des ROVs überprüft werden.

Folgende Testresultate wurden erreicht:

Die Bordelektronik funktioniert einwandfrei.

Kamerabild und Steuerung funktionieren nahezu in Echtzeit (keine

wahrnehmbare Verzögerung).

Das ROV lässt sich gut steuern, ist allerdings sehr träge.

Die Magnetkupplung des Tauchruders rutscht unter Last. Dadurch ist das

Abtauchen nicht möglich.

Es gibt immer noch einen leichten Wassereinbruch in der Hauptröhre. Die

Verbindung mit dem Backbordakku wurde als mutmassliche Leckstelle

identifiziert.

8 kg Ballast sind immer noch zu wenig.

Folgende Massnahmen wurden getroffen:

Überarbeitung der Magnetkupplung

des Tauchruders. Der Abstand

zwischen den beiden

Magnetscheiben wurde verkleinert,

indem die Zwischenwand ein wenig

abgedreht, und die Welle verlängert

wurde.

Überarbeitung der Schnittstelle des

Backbordakkus

Weitere Verkleinerung des Auftriebskörpers


Abb. 32: Letzte Arbeiten am ROV vor der Testfahrt Abb. 33: Inbetriebnahme der Kontrollstation

7.4 Dritter Wassertest

Beim dritten Wassertest wurden Tauchfunktion, Manövrierfähigkeit und allgemeine

Funktionstüchtigkeit des Tauchroboters überprüft. Der Test war auf ca. 4 m Tiefe

beschränkt, da sich im Bodensee nur wenige Stellen in Ufernähe finden lassen, die

tiefer sind.

Folgende Testresultate wurden erreicht:

Roboter konnte problemlos auf 4 m abgetaucht werden.

Die horizontale Manövrierfähigkeit ist sehr gut.

Magnetkupplung des vertikalen Strahlruders funktioniert.

Tauchfunktion funktioniert, allerdings ist das vertikale Strahlruder etwas

schwach motorisiert, so dass das ROV nur sehr träge reagiert.

Nach 15 Minuten Tauchzeit stellten sich Probleme mit dem vertikalen

Strahlruder ein. Es reagierte nicht mehr auf Steuersignale.


Kamerabild funktioniert einwandfrei

Immer noch leichte Wasseraufnahmen in der Hauptdruckröhre. ( < 1 dl bei 20

Minuten Tauchzeit in 4 m Wassertiefe.)

Verbindungen des Internetmoduls der Kontrollstation müssen besser befestigt

werden. Eine Lötstelle löste sich bei den Vorbereitungen des Tests, konnte

aber repariert werden.

Das ROV war mit 11 kg Ballast ein wenig zu schwer.

Abb. 34: ROV im Wasser

Fazit:

Weitere Schwimmtests zur Anpassung des Ballasts sind nötig

Die Steuerung und Software für das vertikale Strahlruder muss überarbeitet

werden.

In das vertikale Strahlruder muss ein stärkerer Motor eingebaut werden.

Die Dichtigkeit der verschiedenen Verbinder muss überprüft werden und

gegebenenfalls müssen sie überarbeitet werden.

Installieren von Wassereinbruchsensoren.


Abb. 35: Erste Unterwasseraufnahmen

Abb. 36: Das ROV beim Abtauchen


8 Erfolge und Rückschläge

Grundsätzlich kam das Projekt gut voran. Das ROV war nach nur drei Tests

einsatzfähig und die Dichtigkeit der Komponenten war in den meisten Fällen schon

nach den ersten Tests in der Badewanne gegeben.

Doch bei einem Projekt dieser Art war natürlich auch mit einigen Rückschägen zu

rechnen. Insbesondere bei der Elektronik gab es diverse Probleme. Da die Elektronik

im Moment noch in einem frühen Prototypenstadium ist, gibt es viele verschiedene

Kabel, was zu Kurzschlüssen führen kann. So wurde zum Beispiel das bordseitige

Internetmodul kurzgeschlossen und ein Bauteil auf der Platine brannte ab.

Glücklicherweise konnte es mit den Bauteilen aus einer alten Grafikkarte repariert

werden. Ein grösseres Problem stellte allerdings ein Schaden an einem der

Motorcontrollerchips dar. Dadurch, dass die Motoren zu viel Strom brauchten

überhitzte der Chip und brannte aus. Der Chip wurde durch ein leistungsfähigeres ESC

ersetzt und ein Grossteil der Programmierung musste umgeschrieben werden.

9 Diskussion

Die in Kapitel 1.2 formulierten Voraussetzungen wurden fast alle erfüllt. Der

Tauchroboter lässt sich von einem Laptop aus steuern und überträgt ein Livevideobild.

Allerdings erreichte das ROV in den Tests aufgrund der Versuchsanordnung, d.h.

Einwassern und Tauchfahrt in Ufernähe, nur eine maximale Tiefe von 4 m.

Die mechanischen Komponenten sind bis 50 m wasserdicht. Das Problem liegt mehr

bei den Verbindern, die auch beim letzten Test noch nicht ganz dicht waren. Für

Expeditionen in grössere Tiefen muss das Dichtmaterial in den Hülsen (Heissleim)

durch Silikonmasse ersetzt werden. Der Vorteil von Silikon ist, dass es elastisch ist.

Dadurch legt es sich immer noch dicht um den flexiblen Kabelmantel, auch wenn sich

dieser unter Druck verformt.

Auch die Elektronik muss noch so umgebaut werden, dass sie zuverlässig funktioniert,

wenn das ROV in grosser Tiefe ist und nicht sofort aufgetaucht werden kann. Eine der

wichtigsten Änderungen wäre das Einbauen von Feuchtigkeitssensoren, die eine

Meldung an den Laptop senden, sobald Wasser in die Hauptdruckröhre eindringt.

Ein Relais, das zwischen Akkus und Elektronik geschaltet ist, könnte dann

ausgeschaltet werden um die Stromversorgung zu unterbrechen.


So könnte ein Schaden an der Elektronik verhindert werden und man hätte Zeit, das

ROV an Land zu ziehen.

Beim Thema Software gibt es ebenfalls noch Optimierungspotential. Es wäre sinnvoll,

dass dem Benutzer die Daten des Feuchtigkeitssensors und Drucksensors auf dem

Laptop angezeigt werden. So weiss er immer, wie tief das ROV im Moment ist.

Des Weiteren würde auch eine Änderung an der Verarbeitungsfunktion der

Tastatursignale viel zu einer sicheren und stabileren Steuerung beitragen. Im Moment

kann immer nur eine Taste gleichzeitig gedrückt werden und es wird nur der Status der

gedrückten Taste abgefragt. Wird die Taste zu lange gedrückt kann das dazu führen,

dass der Serialspeicher des Arduino „überläuft“ und die Software abstürzt. Um das zu

vermeiden, könnte man die Programmierung so anpassen, dass nur noch ein Signal

gesendet wird, wenn die Taste gedrückt wird und wenn sie wieder losgelassen wird.

Dazu wäre allerdings Python als Programmiersprache ungeeignet, da Python vor allem

auf Programmieren von Datenbanken ausgelegt ist und nicht unbedingt für

hardwarebasierte Software geeignet ist. Für eine nächste Version der ROV-

Kontrollsoftware wäre z.B. Java geeigneter.

Natürlich gab es im Verlaufe dieses Projekts auch Ideen und Pläne, die aus zeitlichen,

finanziellen oder technischen Gründen nicht mehr umgesetzt werden konnten.

So wurde das ROV ursprünglich mit einer Stromversorgung über Kabel geplant. Dies

erwies sich jedoch als zu kompliziert. Um die ungefähr benötigten 200 Watt zum ROV

zu liefern, wäre entweder ein sehr dickes Kabel notwendig, das den Tether zu schwer

machen würde, oder man bräuchte eine Spannung von etwa 120 V was ein zu grosses

Sicherheitsrisiko darstellen würde.

Zu den Ideen, die aus zeitlichen Gründen noch nicht umgesetzt wurden, gehört eine

Lageanzeige und Stabilisierungskontrolle. Diese basiert auf einem sogenannten IMU

(Inertial Measurement Unit). Ein IMU besteht aus einem Beschleunigungsmesser,

Kompasssensor und einem Gyroskop. Mithilfe dieses Sensorpakets kann das ROV

bestimmen, wie es im Wasser liegt und allfällige Steuerkorrekturen vornehmen. Für

den Bediener besonders praktisch wären natürlich die Daten, die der Kompasssensor

ausgibt. So könnte man das ROV auch bei schlechter Sicht zu einem Ziel manövrieren.

In diesen Bereich gehören auch der Tiefenmesser und die Lampen, von denen Pläne

und Teile schon vorhanden wären, aber keine Zeit mehr blieb sie einzubauen.


10 Danksagung

Mein herzlicher Dank gilt:

Stefan Bertschi von der ETH Zürich für die Beratung in Sachen Tauchroboter.

Der Firma Bolleter Composites, Arbon für die Spezialschaumstoffplatten für den

Auftriebskörper.

Der Firma Breu Mechanik AG, Au für die Herstellung des Hauptdruckkörpers.

Markus Engler für die Beratung beim Bau und die Unterstützung beim Testen

des ROVs.

Stephan Greiner vom Badischen Tauchsportverein für das zur Verfügung

stellen der Druckkammer.

Marc Gschwend für die Beratung zur Stromversorgung und die tatkräftige Hilfe

bei der letzten Testfahrt bei winterlichen Temperaturen.

Der Firma KUBO TECH AG, Effretikon für alle O-Ringe.

Markus Rohner für die Beratung zu Fragen der Internet-verbindung

Bastian Schildknecht für die wertvolle Beratung bei der Programmierung der

Software.

Daniel Schildknecht fürs Fotografieren beim letzten Test.

Patrick Schildknecht fürs Fotografieren beim letzten Test.

Ivo Schulthess für die LEDs

Thomas Spirig für die motivierende Betreuung meiner Maturaarbeit.

Christoph Zingg für den Tauchcomputer.

11 Schlusswort

Durch diese Arbeit bin ich dem in der Einleitung erwähnten Kindheitstraum sicher

einiges näher gekommen. Obwohl das ROV bereits funktionstüchtig ist, betrachte ich

es im Moment eher als Prototyp und habe vor, es weiter zu verbessern und

auszubauen. Mein Ziel ist eine Tauchfahrt mit dem ROV zum Wrack der DS „Jura“, das

vor Bottighofen in 40 m Tiefe im Bodensee liegt.

Nebst dem Erschaffen des Produkts habe ich aber auch viel Neues gelernt. Dinge, die

mir auch später im Studium sicher sehr nützlich sein werden und von denen ich noch

lange profitieren werde.


Dadurch dass dieses Projekt Elemente aus Physik, Mechanik, Elektronik und

Informatik vereinte, war für mich der Gewinn an neuem praktischem Wissen enorm.

Was für mich aber die wertvollste Erfahrung im Zusammenhang mit diesem Projekt ist,

sind die vielen Kontakte zu verschiedensten Leute, die dank dieser Arbeit entstanden

sind.

12 Bestätigung der Eigentätigkeit

Der Unterzeichnende bestätigt mit seiner Unterschrift, dass die Arbeit selbstständig

verfasst und in schriftliche Form gebracht worden ist, dass sich die Mitwirkung anderer

Personen auf Beratung und Korrekturlesen beschränkt hat und dass alle verwendeten

Unterlagen und Gewährspersonen aufgeführt sind. Er weiss, dass die erstellte Arbeit

Eigentum der Schule ist. Eine Veröffentlichung oder Weitergabe bedarf der

Zustimmung von Autor, Betreuer und Schulleitung.

St. Gallen 02.02.15 Christian Engler


13 Literaturverzeichnis

Christ Robert D., Wernli Robert L. Sr. (2014). The ROV Manual. Waltham: Butterwoth-

Heinemann

Theis, Thomas. (2011). Einstieg in Python. Bonn: Galileo Press

Holm, Walt. Teardown of a HomePlug Adapter. Zugriff am 20. November 2014 unter

http://community.openrov.com/forum/topics/teardown-of-a-homeplug-adapter

The Software Servo Library. Zugriff am 20. Dezember 2014 unter

http://playground.arduino.cc/ComponentLib/Servo

Wikipedia. Balun. Zugriff am 25. Februar 2015 unter http://de.wikipedia.org/wiki/Balun

PySerial. Zugriff am 15. November 2014 unter http://pyserial.sourceforge.net/

Wikipedia. Category 5 Cable. Abgerufen am 11. Oktober 2014 unter

http://en.wikipedia.org/wiki/Category_5_cable

Datenblatt DocID2149 Rev 22 (2014) von STMicroelectronics

14 Abbildungsverzeichnis

Alle Abbildungen wurden vom Autor erstellt, mit folgenden Ausnahmen:

Abb. 4: Christ Robert D., Wernli Robert L. Sr. (2014). The ROV Manual. Waltham:

Butterwoth-Heinemann. Abbildung 3.12 und 3.13. S. 76

Abb. 13: O-Ringe. Zugriff am 20. Januar 2015 unter http://www.hug-

technik.com/inhalt/fb/o-ring.html

Abb. 22: Cables & intterconnect. Zugriff am 20 Januar 2015 unter

http://www.rmhgroup.co.uk/products/cables-interconnect/

http://community.openrov.com/forum/topics/teardown-of-a-homeplug-adapterhttp://playground.arduino.cc/ComponentLib/Servohttp://de.wikipedia.org/wiki/Balunhttp://pyserial.sourceforge.net/http://en.wikipedia.org/wiki/Category_5_cablehttp://www.hug-technik.com/inhalt/fb/o-ring.htmlhttp://www.hug-technik.com/inhalt/fb/o-ring.htmlhttp://www.rmhgroup.co.uk/products/cables-interconnect/


Abb. 24 : Datenblatt DocID2149 Rev 22 (2014) von STMicroelectronics

Abb. 35 : Mit freundlicher Genehmigung von Daniel Schildknecht

Anhang 1


Arduino Quellcode

#include

Servo servor; //Benennen der Motoren

Servo servol;

Servo servov;

int x = 0; // SerialInput Variable

int i = 0; //Zählvariable für Rampe

int posV = 60; //Standardgeschwindigkeit pos.

int negV = 120; //Standardgeschwindigkeit neg.

int neutV = 90; //Neutralstellung der Motoren

int vPosV = 110; //Standadwert für Auftauchen

int vNegV = 70; //Standartwert für Abtauchen

int vNeutV = 90; //Neutralposition

boolean bCont = false;

boolean upTog = false;

boolean downTog = false;

int brDelay = 2000; //Verzögerug für Rampe der Tarierungskkontrolle

int bDelay = 128;

void setup() {

Serial.begin(4800); // Serial Verbindung aufbauen

Serial.println("Arduino-ROV Steuerungssoftware");

servol.attach(9); //Anschliessen der ESCs an die Pins

servor.attach(11);

servov.attach(10);

servol.write(neutV); //Alle Motoren auf neutral stellen

Anhang 1


servor.write(neutV);

servov.write(neutV);

bCont = false;

upTog = false; //Anfangsstatus der Auftriebskontrolle

downTog = false;

}

void loop() {

//s = 100;

x = Serial.read(); // Variable für den Serialspeicher

//Vorwärts fahren

if (x == 119) { // Serialsignal empfangen

Serial.write("Info erhalten"); //Nur für Diagnose

servol.write(60); //Linker und rechte Motor einschalten

servor.write(60);

delay(128); //Verzögerung auf die Baudrate angepasst

servol.write(90); //Motoren wieder ausschalten

servor.write(90);

Serial.flush(); //Serialspeicher leeren um Platz für

//das nächst Signal zu machen

}

// Links:

else if (x == 97) {

Serial.write("Info erhalten");

servor.write(60);

delay(128);

Anhang 1


servor.write(90);

Serial.flush();

}

// Rechts:

else if (x == 100) {


servol.write(60);

delay(128);

servol.write(90);

Serial.flush();

}

// Rückwärts:

else if (x == 115) {


servol.write(120);

servor.write(120);

delay(128);

servol.write(90);

servor.write(90);

Serial.flush();

}

//Rotieren im Gegenuhrzeigersinn

else if (x == 113) {


Anhang 1


servol.write(120);

servor.write(60);

delay(128);

servol.write(90);

servor.write(90);

Serial.flush();

}

//Rotieren im Uhrzeigersinn

else if (x == 101) {


servol.write(60);

servor.write(120);

delay(128);

servol.write(90);

servor.write(90);

Serial.flush();

}

// Aufwärts:

else if (x == 111) {

if (!(downTog)) {

if (upTog) {

Ramp(servov, vNeutV, brDelay);

upTog = false;

}

else {

Ramp(servov, vNegV, brDelay);

upTog = true;

}

}

Serial.flush();

}

//Abwärts:

Anhang 1


else if (x == 108) {

if (!(upTog)) {

if (downTog) {


downTog = false;

}

else {

Ramp(servov, vPosV, brDelay);

downTog = true;

}

}

Serial.flush();

}

//Einschalten der Tarierkontrolle

else if (x == 116) {

if (!(bCont)) {


bCont = true;

}

else {


bCont = false;

}

Serial.flush();

}

//Auftrieb verringern

else if (x == 122) {

vNeutV++;

Anhang 1


if (bCont) {

Ramp(servov, vNeutV, bDelay);

}

Serial.flush();

}

//Auftrieb erhöhen

else if (x == 117) {

vNeutV--;

if (bCont) {

Ramp(servov, vNeutV, bDelay);

}

Serial.flush();

}

//Alles Abbrechen – Motoren Stoppen

else if (x == 107) {


servor.write(neutV);

servol.write(neutV);

bCont = false;

upTog = false;

downTog = false;

Serial.flush();

}

}

//Rampe für das vertikale Strahlruder

void Ramp (Servo S, int V, int Delay) {

int deltaV = abs(S.read() - V);

Anhang 1


if (S.read() > V) {

for (int i = S.read(); i >= V; i--) {

S.write(i);

delay(Delay/deltaV);

}

}

else if (S.read() < V) {

for (int i = S.read(); i

Anhang 2


Python Script

import serial //PySerial Modul Importieren

import tkinter as tk

import time

ser = serial.Serial('COM5', 4800) //Serialverbindung herstellen

time.sleep(2)

def keypress(event): //Auf Tastatursignale warten

if event.keysym == 'Escape':

root.destroy()

x = event.char

if x == "w":

print (‘vorwärts’) //Buchstaben senden

ser.write(b'w')

time.sleep(0.1)

elif x == "a":

print (‘links’)

ser.write(b'a')

time.sleep(0.1)

elif x == "s":

print ('rückwärts')

ser.write(b's')

time.sleep(0.1)

elif x == "d":

print ('rechtst')

ser.write(b'd')

time.sleep(0.1)

elif x == "q":

print ('rot GUZS')

Anhang 2


ser.write(b'q')

time.sleep(0.1)

elif x == "e":

print ('rot UZS')

ser.write(b'e')

time.sleep(0.1)

elif x == "o":

print (‘aufwärts’)

ser.write(b'o')

time.sleep(0.1)

elif x == "l":

print (‘abwärts’)

ser.write(b'l')

time.sleep(0.1)

elif x == "t":

print (‘Auftriebskontrolle einschalten’)

ser.write(b't')

time.sleep(0.1)

elif x == "z":

print ('Auftrieb verringern')

ser.write(b'z')

time.sleep(0.1)

elif x == "u":

print (‘Auftrieb erhöhen')

ser.write(b'u')

time.sleep(0.1)

Anhang 2


elif x == "k":

print (‘alles angehalten')

ser.write(b'k')

time.sleep(0.1)

else:

print ('keine Aktion')

root = tk.Tk()

print ('Programm geladen --> Steuerung aktiv:')

root.bind_all('', keypress)

# Fenster nicht zeigen

root.withdraw()

root.mainloop()

Anhang 3


Zusammenfassung

Verfasser: Christian Engler

Betreuer: Thomas Spirig

Thema: Bau eines Tauchroboters

Das Ziel der Arbeit war es ein Tauchfahrzeug zu bauen, ein sogenanntes ROV

(Remotely Operated Vehicle), das mit einem Laptop an Land verbunden ist, mit dem es

sich steuern lässt. Während des Tauchgangs soll es Livevideobilder an die Oberfläche

senden. Zudem sollte es als modulare Plattform gebaut sein, die es ermöglicht, einfach

Änderungen vorzunehmen und das ROV für verschiedene Einsatzzwecke auszurüsten.

Der Antrieb erfolgt mit 3 Motoren, die wasserdicht abgekapselt sind und über

Magnetkupplungen je einen Propeller antreiben. Zwei dieser sogenannten Strahlruder

ermöglichen horizontale Bewegungen, während mit dem dritten Strahlruder, oben auf

dem ROV montiert, das Auf- und Abtauchen gesteuert wird.

Der Hauptdruckkörper des ROVs bildet das Herzstück. Er enthält die gesamte

Bordelektronik des ROVs und muss deshalb besonders dicht sein. Er besteht aus einer

Aluminumröhre mit 110 mm Durchmesser, die an beiden Enden durch Verschluss

deckel mit je zwei O-Ring Dichtungen abgedichtet sind.

Um ein Livevideobild zu übertragen, wurde eine analoge Videokamera am ROV

montiert, welche in einem Plexiglasgehäuse sitzt. Um die Komponenten wie Kamera

und Motoren mit dem Hauptdruckkörper und der sich darin befindlichen Elektronik zu

verbinden, braucht man Schnittstellen, die dem hohen Wasserdruck standhalten. Da

komerziell erhältliche Unterwasserstecker viel zu teuer sind, wurden speziell für dieses

Projekt Schnittstellen entwickelt, die ohne Stecker auskommen.

Die Elektronik des ROVs besteht aus einem umgebauten Powerline-Modul, das die

Signale vom Laptop über ein 100 m langes Kabel an einen USB-Extender an Bord des

ROVs sendet. An diesem Extender ist ein Arduino Mikrocontroller angeschlossen, der

so programmiert ist, dass er die ankommenden Signale in Aktionen umwandelt, die

dann von den Motorreglern ausgeführt werden.

Auf dem Laptop läuft ein Programm, das die Tastatursignale, die der Benutzer eingibt,

an das ROV sendet. Nebst dem Laptop gehört ein Monitor zur landseitigen Kontroll-

und Steuereinheit. Auf diesem Monitor ist das Livebild der Kamera zu sehen, die vorne

am ROV angebracht ist.

Teil der Arbeit waren auch eine Reihe von Tests, bei denen Dichtigkeit und

Funktionsweise des Tauchroboters überprüft wurden.

Documents

Maturaarbeit Bau eines Tauchroboters · 2020. 3. 28. · Maturaarbeit 2015 / Christian Engler 4dNP 2 2.1 Voraussetzungen Die Vorgaben für den Bau des Tauchroboters sind wie folgt