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U-Boot-Experimente

Ich wollte mich mit einem Thema der Robotik beschäftigen und dazu mit dem Design einer tauchfähigen Kameradrohne experimentieren.

Ziel dieses Projekts war eine Basisplattform für Experimente mit öffentlichen, kommerziellen und wissenschaftlichen Unterwasservermessungen. Dazu kann die Überprüfung der Unversehrtheit eines Schiffsrumpfs und anderer Unterwasserstrukturen ebenso zählen wie die Untersuchung von grundlegenden Umweltproblemen, beispielsweise der Gesundheit von Fisch- und Korallenpopulationen.

Stückliste

  • PVC-Abflussrohr, 110 mm
  • PLA-Druckfilament, 1,75 mm
  • Gelber Kunststofflack
  • Kunststoffgrundierung
  • 120-mm-Schlauchschellen (027-7884)
  • Inline-Meerwasserpumpen (763-2544)
  • Versiegelter 12 V-Bleiakku (537-5450)
  • Schraubklemmen (Block) (813-3123)
  • M12-IP68-Kabelverschraubungen (669-4654)
  • 2-adriges Kabel (660-4071)
  • 4-adriges Kabel (660-4037)
  • Drucktasten für Frontplattenmontage (014-4432)
  • Schlüsselschalter (032-1026)
  • Einadriges Kabel
  • Kugelförmige CCTV-Kamera (PAL)
  • M4-Schrauben und Sicherungsmuttern
  • M5-Schrauben und Sicherungsmuttern
  • Perspex-Sichtfenster
  • Crimp-Kabelschuhe (613-9930)
  • BNC-auf-Schraubklemmen-Konverter
  • BNC-auf-RCA-Konverter
  • Dichtungskitt

 

Designmentalität

3D-Zerlegung

Mit diesem Projekt wollte ich mich von den großen teuren kommerziellen Systemen abgrenzen, die bei Tiefseegrabungen und Wrackbergungen eingesetzt werden. Stattdessen wollte ich ein kostengünstiges Design für eine Vielzahl von einfachen Aufgaben entwickeln. Dazu kombinierte ich kommerzielle Standardkomponenten („commercial off-the-shelf“, COTS) und 3D-gedruckte Teile in einem neuartigen, kostengünstigen Design, das eine Reihe von grundlegenden Funktionen in Bezug auf Wasserundurchlässigkeit und Bewegung erfüllen musste.

In dieser Entwicklungsphase konzentriere ich mich auf den Rumpf mit grundlegenden Funktionen für die Zuführung der Kamera und die Oberflächenbewegung. In den nächsten Entwicklungsstufen werden die Tiefensteuerung und ein elektronisches Chassis zur internen Befestigung der Platinen und Akkus hinzugefügt.

Hauptrumpf

So kostengünstig wie möglich war das Motto, weshalb der Hauptrumpf des Boots aus einem Stück PVC-Abflussrohr mit einem Durchmesser von 110 mm besteht. Der Durchmesser des Rohrs eignete sich perfekt für den Einbau des Kameraobjektives sowie für die Montage externer Komponenten. Die dicken Rohrwände halten dem Druck durch Untertauchen in flachem Wasser stand; diese Grenzen müssen später überprüft werden.

Der Rumpf wurde in einer typischen Seefahrerfarbe leuchtend gelb lackiert. Für eine gründliche Deckung und gute Haftung wurden mehrere Schichten Kunststoffgrundierung und -lack verwendet, wobei alle 3D-gedruckten Teile ihre natürliche schwarze Farbe behielten.

U-Boot der HMS Vanguard-Klasse

Dieses Design wurde von U-Booten beeinflusst, die zur Steuerung der Neigung und des allgemeinen Auftriebs Druckluft verwenden, die sie in und aus einer Reihe von Ballasttanks leiten. Bei meiner Konstruktion fungiert der luftgefüllte Rumpf als hypothetischer Ballasttank, wodurch die maximale Auftriebskraft des Boots erreicht wird. Die Errichtung eines Ballasttanksystems in einem so kleinen Maßstab stellt jedoch eine große Herausforderung dar, vor allem aufgrund der Größe der Kompressoren für die Luftbehälter. Es wäre zwar möglich, Druckluft von der Oberfläche mit Hilfe eines Pneumatikschlauchs zuzuführen, aber es erweist sich als praktischer, eine Alternative zu suchen.

Eine gängigere und bei U-Boot-Fans beliebte Methode zur Tiefenkontrolle ist der Einsatz eines vertikalen Strahlruders, um das Boot direkt unter Wasser zu drücken. Damit dies effektiv ist, muss das Boot jedoch neutralisiert werden, indem die Aufwärtskraft der eingeschlossenen Luft mit dem entsprechenden Ballastgewicht nach unten gedrückt wird. In der Praxis haben viele tauchfähige Geräte tatsächlich eine leicht positive Auftriebskraft, wodurch das Boot mit sehr geringem Aufwand tauchen und an die Oberfläche gelangen, aber bei einer Fehlfunktion auch langsam an die Oberfläche aufsteigen kann. Ich werde versuchen, diese Funktionen in späteren Entwicklungen zu integrieren.

Bugkonus und Kamerahalterung

Der Bugkonus musste richtig gebaut werden, weil er mehrere Funktionen erfüllt: Hauptsächlich entfernt er Wasser vom Hauptdruckkörper, er dient aber auch als Halterung für die dynamische Kamera. Die erste Herausforderung bei der Montage der Kamera im Inneren des Konus bestand darin, ein Sichtfenster einzubauen, ohne dabei das wasserdichte Gehäuse und die Druckbeständigkeit zu beeinträchtigen.

CAD-Modell des Bugkonus

Ich besorgte eine 4 mm dicke Perspex-Scheibe von einem Kunststoffschneideunternehmen, deren Radius an die Kameraöffnung angepasst wurde. Dann konnte ich die mir bekannten Abmessungen des Perspex-Fensters, des Kameraobjektives und des Rumpfes nutzen, um ein 3D-Modell des Bugkonus zu erstellen und zu drucken. Durch vorsichtiges Auftragen von Sekundenkleber auf die Innenlippe des Bugkonus wurde das Sichtfenster mit dem 3D-Druckmodell verbunden, ohne die hermetische Abdichtung zu beeinträchtigen. Außerdem durfte der Klebstoff nicht auf das Sichtfenster spritzen, da das Lösungsmittel den Kunststoff angreifen würde.

Gesamtkonstruktion Bugkonus mit Kamera

Es gab nur einen sehr kleinen Toleranzbereich, um den Bugkonus dicht am Rumpf zu befestigen. Durch das Messen des Rumpfinnenradius und das Hinzufügen konzentrischer Kerben an der Verbindung des Bugkonusmodells können O-Ringe später für eine wasserfeste Abdichtung hinzugefügt werden; dennoch kann das Boot für Wartungsarbeiten demontiert werden.

Kamera-Feed und Monitor

Die Kamera sollte vorne am Boot angebracht werden, um eine Ich-Perspektive auf alle zu erkundenden Unterwasserumgebungen zu bieten. Das Format des Videosignals in dieser Entwicklungsphase war ein einfacher analoger Feed (PAL), der über ein zweiadriges Kabel übertragen wurde. Dieses Kabel wurde über zwei BNC-auf-Schraubklemmen-Konverter und einen BNC-auf-RCA-Konverter angeschlossen, bevor es in den Videomonitor eingeführt wurde. Die Kamera lieferte ein zuverlässiges und qualitativ hochwertiges Bild, das auch bei schlechten Lichtverhältnissen auf dem Videobildschirm deutlich zu erkennen war, ein Vorteil der Verwendung von recycelten CCTV-Anlagen.

Heckkonus und Kabelverteiler

Ähnlich wie beim Bugkonus dient der Heckkonus hauptsächlich dazu, das Wasser aus dem Hauptdruckkörper zu halten. Er wurde aber auch als Schnittstelle zwischen der inneren und äußeren Elektronik entwickelt. Dazu musste ich eine Reihe von Kabelverschraubungen mit hoher Schutzart unterbringen, um einen Verteiler für die Kabel zu schaffen, der gleichzeitig wasserdicht war.

CAD-Modell des Heckkonus

Insgesamt gab es fünf separate Kabel für verschiedene Funktionen wie Kamera-Feed, Strahlruder links und rechts, externer Akku sowie Fernbedienungsleitung. Eine große Anzahl von Kabeln erhöht die Gefahr von Rumpfleckagen, weshalb ich in späteren Versionen versuchen werde, dies zu verbessern.

Halterungen der Strahlruder

Die Beschaffung der Strahlruder war eine interessante Herausforderung, da sie für einen möglich geringen Strömungswiderstand zum Rumpf passen mussten. Ursprünglich wollte ich mehrere günstige Bilgenpumpen verwenden, aber diese waren asymmetrisch und schwer zu montieren, was das Design beeinträchtigte. Deshalb entschied ich mich, ein Paar Inline-Meerwasserpumpen zu verwenden, die für genug Schub sorgen, damit sich das Boot selbst durch Wasser bewegen kann.

Halterungen der Strahlruder, CAD-Modell

Durch den runden Rumpf gibt es keine direkte Möglichkeit zur Montage der Strahlruder, sodass ich beschloss, mehrere Halterungen im 3D-Druck herzustellen und sie mit Schlauchschellen am Rumpf zu befestigen. Ich verwendete DesignSpark Mechanical, um die CAD-Dateien für meinen Drucker zu modellieren und zu produzieren. Ich verwendete ein neuartiges Design, um die Schlauchschelle durch die Halterung zu führen. Dabei wurde das Bugstrahlruders an das kreisförmige Profil des Rumpfes angepasst, sodass dieses wie geplant bündig am Rumpf befestigt werden konnte.

Akkuhalterungen

Für maximale Stabilität des Boots beschloss ich, den Schwerpunkt zu senken, indem ich die schwersten Komponenten unten am Rumpf platzierte. Da die Mitte des Aufwärtshubs (Auftrieb) um den luftgefüllten Rumpf zentriert war, entschied ich mich, den schweren, versiegelten Bleiakku, meine lokale Stromversorgung, als improvisierten Kiel unter dem Rumpf zu montieren. Dadurch bleibt das Boot selbst in anspruchsvollen Meeresumgebungen sehr stabil.

CAD-Modell der Akkuhalterung

Mit den Abmessungen des Akkus und DesignSpark Mechanical für die Modellierung einer Klemmhalterung konnte ich das Design von den Halterungen der Strahlruder aufgreifen und die Schlauchschellen verwenden, um ihn unter dem Rumpf zu befestigen.

Fernsteuerung

Ferngesteuerte tauchfähige Geräte sind einzigartig, da sie für ihre Funktion eine Kabelverbindung zum Bediener benötigen. Dies liegt an der starken Dämpfung der elektromagnetischen Wellen im Wasser. Eine Kabelverbindung ist daher erforderlich, um in jeder Tiefe zu erkunden zu können.

CAD-Modell der Fernsteuerung

Die in diesem Experiment verwendete Fernsteuerung war sehr einfach und verfügte über zwei Drucktasten, um das rechte und das linke Strahlruder zu aktivieren. Über ein vieradriges Kabel wurde eine Verbindung direkt mit den Bugstrahlrudern hergestellt, wobei eine Ader für jedes Bugstrahlruder, eine Ader für die Stromversorgung und ein gemeinsamer Anschluss an den Schlüsselschalter zum Ein- und Ausschalten verwendet wurden.

Gesamtkonstruktion Fernsteuerung

Während ich für das erste Experiment nur ein 2 Meter langes Kabel verwendet habe, muss dieses für die Erkundung in echten Meeresumgebungen länger sein. Ein zuverlässigerer serieller Kommunikationsbus, wie z. B. RS485, wird dann ebenfalls verwendet, um die Bewegung und Telemetrie des Boots mit weniger Kabel präziser zu steuern.

Test in der Badewanne

Ein Miniatur-U-Boot wäre ohne den obligatorischen Badewannentest nicht komplett, da das stillstehende Wasser in der Wanne für eine gut kontrollierte Umgebung sorgt, in der ich meine Konstruktionstheorien genau überprüfen kann. Wie man sieht, gibt es viel Auftrieb, um das Boot an der Oberfläche zu halten, während der provisorische Kiel für einen niedrigeren Schwerpunkt und so maximale Stabilität sorgt.

Interessant ist, dass sich das Boot durch das Gewicht der Kamera leicht nach vorne neigt. Dies lässt sich durch das Verschieben des Kiels in Richtung Heck über die Schlauchschellen leicht ausgleichen. Später kann dieses Problem sogar nützlich sein, wenn man ein bewegliches Ballastsystem verwendet, um den Neigungswinkel des Boots während des Betriebs dynamisch zu verändern.

Der erste Tauchtest war einigermaßen erfolgreich, da keine Luftblasen aus dem Rumpf kamen. Obwohl bei der späteren Inspektion eine geringe Menge Wasser im Rumpf gefunden wurde, war es ein guter erster Test und ein guter Anfang. Hierauf lässt sich aufbauen, bevor echte Tests im Meer vorgenommen werden.

Schlussfolgerungen

Trotz der Komplexität des Aufbaus und der Frist von einem Monat, die ich mir selbst gesetzt hatte, hat sich das Projekt als sehr erfolgreich erwiesen und ich habe viel über die Detailgenauigkeit gelernt, die für den Aufbau dieser Systeme erforderlich ist. Die Verwendung von 3D-Druckmaterialien in diesem Projekt hat ebenfalls hervorragende Ergebnisse gezeigt und wird auch bei meinem nächsten Aufbau eine Rolle spielen. Aufgrund der vielen 3D-Modelle in diesem Projekt musste ich mich mit der CAD-Software DesignSpark Mechanical vertraut machen. Dadurch war die Entwicklung sehr einfach, insbesondere beim Export für den 3D-Druck. Ich empfehle sie jedem, der ein ähnliches Projekt plant.

Nach dem ersten Entwurf und den daraus gewonnenen Erkenntnissen bin ich sehr daran interessiert, das Projekt jetzt zu einer funktionalen Plattform für echte Anwendungen zu entwickeln.

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. BEng MIET

15 Jul 2019, 12:58

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