Utformning av dyksystem
Handhållen enhet för sökarbete under vatten
Examensarbete
Erik Lundqvist
David Skantze
Utformning av dyksystem
handhållen enhet för sökarbete under vatten
Examensarbete MMK 2009:16 MCE180 KTH Industriell teknik och management
Maskinkonstruktion SE-100 44 STOCKHOLM
Examensarbete MMK 2009:16 MCE180
Utveckling av dyksystem
Handhållen enhet för sökning under vatten
David Skantze
Erik Lundqvist
Godkänt
2009-02-20
Examinator
Lars Hagman
Handledare
Priidu Pukk
Uppdragsgivare
Ocean Modules Sweden AB
Kontaktperson
Erik Djerf
Sammanfattning
Ocean Modules Sweden AB var ett mindre företag verksamma inom området undervattensteknik.
Företaget var i begrepp att utveckla ett tekniskt system som Försvarets materielverk (FMV) efterfrågade varför två teknologer vid KTH anlitades i syfte att utveckla ett koncept som skulle utgöra en möjlig framtida utformning av systemet.
Systemets användare var i första hand Försvarsmaktens röjdykare som arbetade med minröjning under vattnet. Produkten skulle underlätta röjdykarnas arbete genom att integrera alla de nödvändiga funktioner som arbetet krävde i ett enda system. Dessa funktioner var kommunikation mellan operatör och dykare, videoinspelning, fotografering, positionering och navigering samt sökning med sonar. Systemet bestod av två delar - en del som användes vid ytan och en del som dykaren använde sig av under vattnet. Den del av systemet som teknologerna skulle utveckla var den som användes av dykaren (Diver Unit).
Teknologerna skulle beakta en rad olika konstruktionsmässiga aspekter som lämpliga funktioner, materialval, ergonomi samt modularitet och underhåll. Arbetet utfördes från kravspecifikation till färdigt koncept på ett systematiskt vis enligt en produktutvecklingsprocess. Arbetet som bedrevs var kravdrivet dels från FMV och dels från teknologernas utökade krav på produkten.
Arbetet resulterade i fyra stycken visualiserade koncept och konceptbeskrivningar samt en rapport som beskrev arbetsprocessen och dess resultat. Rapporten innehöll även motiveringar av konstruktionsmässiga detaljer och förklaringar av dellösningar. Som bas för studien upprättades en teoribakgrund som verkade som fundament för de konstruktionsmässiga beslut som togs under projektet. Cylinderkonceptet, vilket utgjorde ett av de fyra koncepten, valdes som det slutgiltiga konceptet varför det utformades mer utförligt. Cylinderkonceptet bedömdes ha potential att uppfylla FMVs kravspecifikation varför det enligt teknologerna utgjorde en god bas för vidare utveckling av Diver Unit.
Master of Science Thesis MMK 2009:16 MCE180
Development of diver system
underwater system for search and documentation
David Skantze
Erik Lundqvist
Approved
2009-02-20
Examiner
Lars Hagman
Supervisor
Priidu Pukk
Commissioner
Ocean Modules Sweden AB
Contact person
Erik Djerf
Abstract
Ocean Modules Sweden AB is a small business active in the field of underwater technology. The company was contacted by the Swedish Defense Materiel Administration (FMV) in order to develop a new system that would conform to their specific requirements. Two students at the Royal Institute of Technology (KTH) were consulted in conjunction of this project in order to aid the development and conceptual design of the system.
The primary users of the system are the divers of the Explosive Ordnance Disposal division (EOD) - a branch of the Swedish Armed Forces. The purpose of the product was to incorporate all necessary functions required by the EOD divers into one single system. The main functions are communication between the surface operator and diver, video recording, still imaging, positioning, navigation and ocean floor mapping with sonar. The system consisted of two main Units – the Surface Unit and the Diver Unit; the student consultants have developed the latter.
The students had to consider a number of design aspects as adequate functions, construction material, ergonomics, modularity and maintenance. The project had a systematic approach where the specification of requirements formed the foundation for the product development. The specification consisted of requirements from FMV but also requirements formed by the students during the project.
The joint project concluded with four visualized concepts and a report describing the procedure as well as the project outcome. The report included design descriptions and considerations. A theoretical frame of reference was formed to function as a foundation for the design references throughout the project. Of the four initial concepts, the final concept was an assimilation of these reference points resulting in a more thorough and complete design.
The final concept had a future potential of fulfilling the requirement specification according to the students. The students considered the final concept to be a proper platform for further development of the Diver Unit.
Innehåll
1 Inledning ... 1
1.1 Bakgrund ... 1
1.2 Projektbeskrivning - examensarbete ... 2
1.3 Slutresultat – Diver Unit ... 4
1.4 Läsanvisning ... 6
2 Teoretisk referensram ... 7
2.1 Undervattensmekanik ... 7
2.1.1 Hydrostatisk lyftkraft ... 7
2.1.2 Tryckförhållande under vatten ... 7
2.1.3 Fartygsstabilitet ... 7
2.1.4 Undervattensbeteende ... 8
2.1.5 Stabilitetsåtgärder för fartyg ... 9
2.1.6 Hydrostatiskt tryck ... 10
2.1.7 Motstånd ... 11
2.2 Batteri ... 12
2.2.1 Krav på kapacitet och spänning ... 12
2.2.2 Krav på ström och användarprofil ... 12
2.2.3 Självurladdning ... 13
2.2.4 Temperatur ... 13
2.2.5 Kostnadsuppskattning ... 13
2.3 Miljöförhållanden och korrosion ... 14
2.3.1 Användare, EOD (Explosive Ordnance Disposal) ... 14
2.3.2 Miljöförhållanden ... 14
2.3.3 Korrosion ... 15
2.4 Begrepp och definitioner av delsystem ... 16
2.4.1 Mätinstrument ... 16
2.4.2 Kamera ... 19
2.4.3 Lysdiod (LED) ... 20
2.4.4 Kartmotor ... 21
2.4.5 Liknande system ... 21
2.5 Människa-dator-interaktion ... 23
2.6 Människa-maskin-interaktion... 24
2.6.1 Huvudets ställning och synkrav ... 24
2.6.2 Handtag handhållna verktyg ... 24
2.6.3 Informationsdon ... 25
2.6.4 Manöverdon ... 25
2.6.5 Arbetsprestation vid kallt klimat ... 26
2.7 Produktutvecklingsteori ... 26
2.7.1 Systematisk konceptutveckling ... 26
2.7.2 Generisk produktutvecklingsprocess ... 27
2.7.3 Stage gate ... 29
2.7.4 VDI - Systematic Approach to the Design of Technical Systems and Products ... 29
2.7.5 Systemsäkerhet ... 31
3 Metod ... 32
3.1 Uppgiftsdefiniering och förtydligande av uppgift ... 32
3.1.1 Inledande planering ... 32
3.1.2 Analys av kravspecifikation ... 32
3.1.3 Upprättande av teoretisk referensram ... 32
3.2 Funktionsanalys ... 32
3.2.1 Identifiering av systemfunktioner ... 32
3.2.2 Utformning av Egna krav... 32
3.2.3 Användarundersökning ... 33
3.2.4 Funktion-medel-träd ... 33
3.2.5 Inledande systemsäkerhetsanalys ... 33
3.3 Indelning och utformning av systemmoduler... 33
3.3.1 Upprättande av delsystem ... 33
3.3.2 Utvärdering av möjliga konfigurationer av delsystem ... 33
3.4 Vidareutveckling av realiserbara moduler ... 33
3.4.1 Geometriantagande och modellering av ingående komponenter ... 33
3.4.2 Realiserbara moduler ... 34
3.5 Konceptframtagning ... 34
3.5.1 Beräkning av flytmaterial för sonar och video ... 34
3.5.2 Beräkning av strömbehov ... 34
3.5.3 Dimensionering av tryckkärl ... 34
3.6 Konceptutvärdering ... 35
3.7 Vidareutveckling av valt koncept ... 35
3.7.1 Identifiering av förbättringsområden ... 35
3.7.2 Dimensionering för flytneutralitet ... 35
3.7.3 Ramverk ... 35
3.7.4 Cylinderkärlets utformning ... 35
3.7.5 Batteribox... 36
3.7.6 System för justerbar flytkraft ... 36
3.7.7 Etiketter och varningstext ... 36
4 Utvecklingsarbete ... 37
4.1 Uppgiftsdefiniering och förtydligande av uppgift ... 37
4.1.1 Analys av kravspecifikation ... 37
4.1.2 Upprättande av teoretisk referensram ... 37
4.2 Funktionsanalys ... 38
4.2.1 Identifiering av systemfunktioner ... 38
4.2.2 Utformning av Egna krav... 39
4.2.3 Användarundersökning ... 39
4.2.4 Funktion/medel-träd ... 39
4.2.5 Inledande systemsäkerhetsanalys ... 40
4.3 Indelning och utformning av systemmoduler... 40
4.3.1 Upprättande av delsystem ... 40
4.3.2 Utvärdering av möjliga konfigurationer av delsystem ... 41
4.4 Vidareutveckling av realiserbara moduler ... 45
4.4.1 Geometriantagande och modellering av ingående komponenter ... 45
4.4.2 Realiserbara moduler ... 54
4.5 Konceptframtagning ... 62
4.5.1 Beräkning av flytmaterial för video och sonar ... 65
4.5.2 Beräkning av strömbehov ... 66
4.5.3 Dimensionering av tryckkärl ... 67
4.6 Konceptutvärdering ... 72
4.7 Vidareutveckling av valt koncept ... 73
4.7.1 Identifiering av förbättringsområden ... 73
4.7.2 Dimensionering för flytneutralitet ... 74
4.7.3 Ramverk ... 77
4.7.4 Cylinderkärlets utformning ... 81
4.7.5 Batteribox... 86
4.7.6 System för justerbar flytkraft ... 87
4.7.7 Etiketter och varningstext ... 89
5 Presentation av slutgiltigt koncept - Cylinderkonceptet ... 90
6 Referenser ... 93
Appendix
Appendix A Appendix B Appendix C Appendix D Appendix E Appendix F Appendix G Appendix H Appendix I
Kravspecifikation Egna krav
Användarundersökning Funktion-medel-träd Systemsäkerhet
Systemkonfiguration – Makro Systemkonfiguration – Medio Egenskaper för litiumjonceller Konceptutvärdering
96 104 108 111 113 121 123 130 131
1 Inledning 1.1 Bakgrund
Försvarets materielverk (FMV) har i skrivande stund lagt ut en teknisk specifikation på ett system som företaget Ocean Modules gärna vill stå som leverantör för. Uppdraget består i att utveckla ett dykningssystem för Försvarets röjdykare (EOD-divisionen). En del av utformningen av systemet kommer att utföras av teknologer från KTH i form av ett examensarbete. Då kontrakt ej är skrivet mellan FMV och Ocean Modules kommer studenternas arbete utgöra ett underlag till ett eventuellt fortsatt projekt.
Bakgrund och översiktlig förklaring av systemet
En röjdykare (EOD) är försvarsmaktens expertgrupp för minröjning. Röjdykarnas (EOD) arbete sker idag oftast från en båt med en besättning bestående av fyra personer - två dykare och två besättningsmän. Röjdykarnas uppdrag kan se ut på många olika sätt men innefattar oftast avsökning av ett bestämt område under vattnet. Arbetssättet är vanligen att dykarna inleder med sökning och datainsamling som ska ligga till grund för en senare åtgärd som exempelvis röjning av sjömina. Det nya systemet ska användas vid sökning enbart. Vid röjning används annan utrustning.
I skrivande stund sköts sökningsarbetet med hjälp av en mängd olika instrument utan inbördes samverkan, vanligast är stillbildskamera, griffeltavla, blyertspenna och intercom för röstkommunikation. Syftet med det nya systemet är i stort följande:
• Samla alla nödvändiga funktioner i ett system. De viktigaste funktionerna är kommunikation mellan dykare och personal på ytan, videoinspelning, fotografering, positionering av dykare, navigering och sökning med hjälp av sonar.
• Underlätta avrapportering och uppföljning efter slutfört dykuppdrag.
• Möjliggöra integrering med försvarets befintliga utrustning.
Det nya systemet ska bestå av två huvudsakliga delsystem, ett som är verksamt under vattenytan (Diver Unit) och ett som är verksamt ovan vattenytan (Surface Unit). Dessa beskrivs i de två följande avsnitten.
Ovan vattenytan (Surface Unit)
Detta delsystem består av en portabel dator som kan placeras i en båt. Datorn är utformad så att den klarar hårda yttre påfrestningar från exempelvis hårt väder. Detta är den centrala enheten.
Kontakten med det andra delsystemet (Diver Unit) går dels via en kabel som hanteras med hjälp av en kabelvinda och dels via en akustisk transceiver som är placerad under båten. Datorns och båtens position bestäms med hjälp av GPS-mottagare. All information som inhämtas av dykaren och dennes utrustning ska kunna granskas i realtid på den portabla datorns display. Operatören ovan ytan ska kunna ge instruktioner till dykaren via en ljudlänk samt även kunna skicka textmeddelanden till dykaren när ljudöverföring ej är möjlig. All information som inhämtas sparas och behandlas i ett specialtillverkat datorprogram som vid avslutat uppdrag genererar överskådliga och korrekta rapporter för att minimera kravet på tidskrävande efterbehandling.
Under vattenytan (Diver Unit)
Detta delsystem är det som ska hanteras av dykarna vid navigering och sökning under vattnet.
Systemet består av två handburna enheter som gör det möjligt för dykarna att samla in följande typ av information:
• Bottnens beskaffenhet med hjälp av högupplöst sonar.
• Olika typer av visuell information med hjälp av video- och stillbildskamera.
• Positionen för dykarna gentemot båten som bestäms med hjälp av ett akustiskt system.
De handburna enheterna är utrustade med mindre datorer som sköts av dykarna med hjälp av display och ett fåtal reglage. Enheterna är utrustade med gyro för att mätdata ska korrigeras beroende av enheternas vinkling. Systemet drivs av batterier som är monterade på dykarnas utrustning.
Diver Unit kan användas utan kabelförbindelse med Surface Unit som ett självständigt system där information ackumuleras och senare kopplas till Surface Unit för vidare behandling efter avslutat uppdrag.
1.2 Projektbeskrivning examensarbete
Teknologernas uppgift var en deluppgift som utgjordes av utformningen av Diver Unit.
Utformningen sträckte sig endast till konceptstadiet. Diver Units komponenter skulle med inrådan från projektledaren på Ocean Modules uppskattas gällande geometri och tekniska specifikationer på ett sätt som inte äventyrade eventuella komponentbyten när projektet senare blev skarpt.
Projektet innefattade utformning av den handburna enheten (Hand Held Unit, HHU) som härbärgerade sensorer och övrig elektronik samt den batterimodul som skulle ombesörja systemets strömförsörjning. Projektet innefattade också utformningen av den kabel som förband de två dykarna samt infästningen på den kabel som förband dykarna med ytenheten. Uppgiften skulle fokusera på följande områden:
Ergonomi
Diver Unit skulle vara lätthanterlig under vattnet med avseende på instrumentens placering, inställningsmöjligheter och flytegenskaper. Dessutom skulle enheten vara anpassad för dykarnas utrustning och deras fysiska förutsättningar under vattnet.
Funktion och material
Diver Unit skulle utformas och konstrueras så att den uppfyllde alla gällande funktionskrav även i de hårda miljöer den skulle utsättas för. Diver Unit skulle utöver att uppfylla ställda funktionskrav även uttrycka robusthet och kvalitet.
Underhåll
Diver Unit skulle utformas så att komponenter kunde uppgraderas eller repareras på ett lätthanterligt vis.
Modularitet
Diver Unit skulle vara modifierbar för att passa flera olika typer av uppdrag.
Tillverkningstekniska aspekter
Diver Unit skulle konstrueras och utformas med hänsyn tagen till framtida tillverkning för att minimera tillverkningskostnader. Tillverkningen förväntades bli småskalig varför utformningen skulle anpassas efter detta. Som nämnts tidigare skulle de standardkomponenter som användes godkännas av handledare på Ocean Modules.
Utvecklingen skulle utmynna i ett eller flera koncept som skulle uppfylla de krav som fanns beskrivna i FMVs kravspecifikation för systemet.
Dessutom skulle en inledande systemsäkerhetsanalys genomföras för Diver Unit.
Avgränsningar
Projektet innefattade ej:
• Utveckling av mjukvara eller annan elektronik. Detta skulle ombesörjas av ett konsultbolag vid en eventuell projektstart i framtiden.
• Identifiering av eller kontakt med underleverantörer förutom i de fall då komponentdata helt saknades men var nödvändig för utformningen.
• Surface Unit eller dess komponenter. Inte heller den kabel som förband dykarna med ytenheten (Surface Unit) bortsett från infästningen av denna i Diver Unit.
Leveranser
Arbetet skulle resultera i visualiserade koncept och konceptbeskrivningar samt en rapport som beskrev arbetsprocessen och dess resultat. Rapporten skulle även innefatta en teoristudie som skulle verka som ett fundament för de beslut som fattades under arbetsprocessen. I teoriavsnittet diskuterades teori kring arbetsprocessen samt tekniken bakom systemets omgivning och ingående komponenter.
Konceptbeskrivningarna skulle innehålla motiveringar för utformningen och förklaring av dellösningar.
1.3 Slutresultat – Diver Unit
I detta avsnitt beskrivs det slutliga konceptet, cylinderkonceptet översiktligt. Konceptet beskrivs mer noggrant i rapportens utvecklingsavsnitt. I figurerna nedan visas Diver Unit från två olika vinklar.
LED-lampa Attitydmätare placerad innanför kåpa
Dator, hårddisk och skärm placerad i trycksäker cylinder
tillverkad i polykarbonat
Fålla för nylonrem och karbinhake för
upphängning
Utrymme på ramverket används
som handtag Joystick för
datorinteraktion
USBL för akustisk trådlös positionering
Tunnväggigt ramverk i rostfritt stål
Dragavlastning för kablar
Batteri placerat i trycksäker cylinder
Battericylindern placeras på dykarens luftpaket och
utnyttjas som tyngd Ramverkets konstruktion gör det möjligt för systemet
att placeras på marken
Tryckmätare
Video- och stillbildskamera Handtag för
transport på land Sonar för sökning under
förhållanden med dålig sikt
Figurerna ovan är skisser av examensarbetets resultat - Diver Unit, där de viktigaste funktionerna är utmärkta och kortfattat beskrivna.
Diver Unit är ett instrument som röjdykare kan använda för navigering och datainsamling under pågående uppdrag. Den är dimensionerad för att bibehålla dess funktion under höga hydrostatiska tryck på stora vattendjup.
Röjdykarna, som alltid dyker i par, har möjlighet att välja om de ska använda sig utav en eller två Diver Units beroende av uppdragets karaktär. Enheten kan också modifieras beroende av uppdragets karaktär och dykarnas behov genom att video och/eller sonar avlägsnas. På så vis kan dykarna dela upp arbetsuppgifter sinsemellan under uppdraget, såsom exempelvis navigering och sökning. Diver Unit finns i två olika utföranden, en avancerad och en förenklad. Den förenklade enheten innehåller varken dator eller hårddisk.
Röjdykarnas uppdrag utgår som tidigare nämnts oftast från en mindre, öppen båt, en så kallad RIB- båt. Enheterna förbinds med denna båt av en kabel som överför information mellan dykarna och besättningen vid ytan. Kabeln fungerar också som en säkerhetsdetalj som kan användas för att dra upp dykarna samt hjälpa dem att hitta tillbaka till båten. Diver Unit kan också användas utan båtkabel, i ett frisimningsutförande.
I figuren ovan beskrivs en typ av scenario som är vanlig för hela systemet. Två dykare utrustade med varsin handhållen enhet söker av ett område. Kablar förbinder dykarna med varandra och ytenheten. Besättningen på båten kan med hjälp av informationen från dykarna se vad som äger rum under ytan. Besättningen kan även kommunicera med dykarna med hjälp av en ytenhet som i stora drag består av en robustare dator. (Figuren ovan är en icke skalenlig principskiss.)
1.4 Läsanvisning
Då denna rapport beskriver en produktutvecklingsprocess och dess resultat har följande rapportstruktur använts:
Teoretisk referensram
I detta avsnitt presenterar teknologerna en teoristudie som innehåller teori kring systemets ingående komponenter, undervattensmekanik samt metoder för produktutveckling. Avsnittet innehåller även en konkurrentanalys. Avsnittets syfte är att ge läsaren utökad förståelse för produkten och den kontext som den verkar vilket är betydelsefullt för full förståelse av rapporten som helhet.
Metod
I detta avsnitt beskrivs tillvägagångssättet, de metoder och de verktyg som använts under projektet. Metoddelens syfte är att ge läsaren en inblick i hur arbetet har fortlöpt.
Utvecklingsarbete
De steg som beskrevs i metodavsnittet resulterade i flertalet delresultat vilka presenteras i detta avsnitt. Under varje delresultat återfinns en tillhörande analysdel som innehåller motiveringar och rekommendationer. I vissa fall tillkommer också ett diskussionsavsnitt där arbetssättet analyseras.
Syftet med detta avsnitt är att utforma rapporten så att läsaren direkt får en inblick i hur teknologerna har resonerat kring varje delresultat. Läsaren bör se avsnittet som en kronologisk uppställning över utvecklingsarbetet.
Presentation av slutgiltigt koncept - Cylinderkonceptet
Detta avsnitt presenterar det slutliga konceptet för Diver Units utformning. Det presenteras även översiktligt i inledningen i syfte att tidigt väcka ett intresse för vad som komma skall.
Den ovan nämnda rapportstrukturen har använts för att teknologerna ansåg den som lämplig för att beskriva projektet. Av denna anledning har rapporten givits ett kronologiskt upplägg istället för ett strikt vetenskapligt.
2 Teoretisk referensram 2.1 Undervattensmekanik
2.1.1 Hydrostatisk lyftkraft
Enligt Archimedes princip påverkades alla föremål nedsänkta i en vätska av en uppåtriktad kraft som var lika stor som tyngden av den undanträngda massan. För att finna bärkraftens storlek användes förhållandet mellan vätskans densitet, , volymen av den undanträngda massan, och gravitationskonstanten för luft 9.81 m/ . Detta uttryck gällde oavsett om föremålet var i jämvikt eller ej. Storleken av var således oberoende av föremålets form men angreppspunkten var kraftigt formberoende då den angrep i föremålets volymcentrum till skillnad från tyngdkraften som alltid angrep i föremålets masscentrum.
Formel 1
ä ö å ·
En viktig variabel i sammanhanget var densiteten för saltvatten som var 1030 kg/ medan sötvattens densitet var 1000 kg/ .
(Önnermark, 1997)
2.1.2 Tryckförhållande under vatten
Enligt Pascals lag var trycket på ett föremål nedsänkt i vatten beroende av det omgivande trycket, ovanför vattenytan samt vattnets densitet, på det aktuella djupet h. Detta samband var givet endast om vätskan hade en homogen densitet.
Formel 2
Mättrycket på det aktuella djupet var således
Formel 3
ä
(Önnermark, 1997)
2.1.3 Fartygsstabilitet
När ett fartyg var symmetriskt lastat och stabil jämvikt förelåg sammanföll tyngdkraften och lyftkraften längs samma vertikal sett över fartygets tvärsnitt i enlighet med Figur 1. Med stabil jämvikt avsågs det faktum att fartyget återgick till ursprungsläget efter att ha blivit utsatt för en yttre kraft som rubbat systemets jämvikt. Yttre störningar på sjön bestod av vågor, vind etc.
Figur 1 TV Tyngdkraftens och lyftkraftens resultant sammanfaller, stabil jämvikt. TH Ändrad kraftbalans på grund av yttre påverkan av systemet
När geometrin under vattnet ändrades, rubbades läget för deplacementcentrum, B (se Figur 1 TH).
För att fartyget inte skulle kantra var lyftkraften tvungen att förskjutas i sidled utanför tyngdkraftens verkningslinje. Då uppstod en så kallad rätande hävarm, ∆GZ, som skapade ett roterande moment som tvingade fartyget tillbaka mot jämviktsläget.
Den rätande hävarmen var beroende av krängningsvinkeln , fartygets masscentrum samt fartygets skrovform i aktuellt tvärsnitt.
(Önnermark, 1997)
2.1.4 Undervattensbeteende
Under vattnet var det också deplacementskraftens och tyngdkraftens storlek och angreppspunkter som avgjorde farkostens beteende. För en flytande farkost, oavsett om den befann sig under eller vid vattenytan, var deplacementet lika stort som tyngdkraften varför man erhöll ett jämviktssystem.
Om fartyget var tyngre än deplacementet så erhölls en kraftresultant i gravitationskraftens riktning vilken ledde till rörelse i denna riktning - fartyget sjönk. I det motsatta fallet erhölls en kraftresultant motsatt gravitationsriktningen och fartyget skulle röra sig mot ytan tills det att flytläge erhölls. (Fast, 1996)
Om de två ovan nämnda krafterna hade samma angreppspunkt skulle fartyget vara stabilt runt sin egen axel så länge ingen ytterligare kraft påverkade den. Om deplacementskraftens angreppspunkt däremot var placerad ovanför tyngdkraftens angreppspunkt så skulle fartyget endast vara stabilt i ett läge och det var när krafterna var i samma longitudinella position.
För att uppnå ett stabilt läge i undervattensläge krävdes trimning. Genom att lägga till krafter kunde man finjustera de två ovan nämnda krafternas resultant. Genom att exempelvis placera tyngder i väl valda delar av farkosten kunde man ändra tyngdkraftens angreppspunkt och storlek medan deplacementkraftens angreppspunkt inte flyttades. Dessa tyngder kallades ”solid ballast” och var i praktiken ofta blyvikter på grund av den höga densiteten hos bly.
Ett annat alternativ var att placera tankar på väl valda platser i farkosten som kunde fyllas med luft eller vatten från omgivningen. Det var ofta denna teknik som användes när en undervattensbåt steg respektive dök. Vid dykning fylldes ballasttankarna med vatten så att tyngdkraften ökade och blev större än deplacementskraften vid vilket tillfälle farkosten sjönk. Vid stigning inträffade det omvända förfarandet. Ballasttankarna tömdes på vatten genom blåsning med hjälp av komprimerad luft. Det bränsle som farkosten hade med sig under färd klassades också som ballast. Denna minskades givetvis under resans gång vilket påverkade behovet av ökande variabel ballast oftast i
form av havsvatten. De bränsletankar som fanns på farkosten användes i stor utsträckning som vanliga ballasttankar när bränslet var förbrukat. För att avhjälpa detta användes så kallade vattenkompenserande system där vatten successivt fylldes på i takt med bränsleförbrukningen och tankens massa hölls konstant. Man skiljde ofta på den huvudsakliga och den variabla ballasten.
Den huvudsakliga ballasten hade egentligen bara två lägen, fylld och blåst, vilket gjorde att den inte användes för trimning. Den variabla ballasten hade förmågan att variera mellan fylld och blåst varför den användes för trimning av farkostens stabilitet och flytläge. Genom att med dessa så kallade trimtankar förflytta vatten runt till olika delar av farkosten samt variera mängden vatten kunde tyngdkraftens storlek och angreppspunkt förflyttas och stabilitet uppnås.
Den totala massan hos en undervattensfarkost varierade ofta mellan olika nyttjandetillfällen men även under det enstaka nyttjandetillfället. Man talade om den ”varierande lasten” som syftade till den variation av massa som uppkom beroende av personaluppsättning, missiler, torpeder, proviant, lagermaterial, last, syre med mera. Med hjälp av de tidigare nämnda trimtankarna kunde man kompensera för dessa variationer och hålla farkostens tyngdkraft konstant både till storlek och angreppspunkt. När farkosten skulle ligga i det så kallade döda läget (avstängda motorer; vanligt förekommande i militära sammanhang) kunde mycket små skillnader i trimtankarna göra att stabilitet inte uppnåddes och att farkosten långsamt sjönk eller steg.
En undervattensfarkost var ofta konstruerad så att den i ytläge befann sig i så kallat dykläge. Med detta menades att massan var så stor att när ballasttankarna fylldes hamnade farkosten i stabilitet i undervattensläget. I praktiken betydde detta att reservdeplacementet som var definierat som det deplacement som befann sig ovan ytan i ytläget var lika stort som ballastens.
För en farkost som skulle röra sig på flera olika djup krävdes även trimning på grund av förlust av deplacement i och med ökande djup. Det hydrostatiska trycket på farkostens mantelyta ökade linjärt som funktion av djupet den befann sig på. Detta ledde till att farkosten deformerades och dess volym minskade vid större djup. Detta ledde i sin tur till att deplacementet minskade vilket i enlighet med tidigare resonemang minskade flytkraften.
(Tupper, 1996) (Lewis., 1988)(Fast, 1996) 2.1.5 Stabilitetsåtgärder för fartyg
Enligt (Tupper, 1996) fanns fyra huvudsakliga åtgärder för att öka stabiliteten hos ett fartyg. Dessa var som följer:
• Genom att placera en köl på fartyget ökades trögheten för rotation i färdriktningen.
• Genom att placera fenor på skrovet kunde man påverka fartygets tröghet på samma vis som med en köl. Fenornas påverkan berodde av fartygets hastighet varför det var nödvändigt att kunna justera utseendet hos dessa. Aktiva fenors längd och riktning kunde situationsanpassas vilket gjordes automatiskt med hjälp av system med inbyggda accelerationssensorer.
• Genom att placera vätsketankar för exempelvis bränsle i formen av ett U sett från fartygets tvärsnitt vinkelrätt längdriktningen försvårade man för vätskan att förflytta sig från den ena sidan till den andra. Vid snabba rotationsrörelser hann inte vätskan förflytta sig från den ena sidan av fartyget till den andra, vilket resulterade i en minimerad förflyttning av masscentrum.
• Den typ av vätsketankar som nämndes ovan hade två fria vätskeytor. Dessa var placerade med en på varje sida av fartyget. Med hjälp av ett ventilsystem kunde dessa vattenmassor trycksättas så att vätskan kunde fördelas olika på olika sidor av fartyget. På det sättet kunde
man till viss del styra var fartygets masscentrum skulle placeras. På liknande sätt som med fenorna kunde denna trycksättning skötas av system som var beroende av signaler från accelerationssensorer.
Enligt (Önnermark, 1997) kunde instabilitet hos en undervattensfarkost på grund av fria vätskeytor även lindras genom att dela in dessa i mindre avdelningar med hjälp av täta skott. På så vis hindrade man att farkosten drabbades av stor förflyttning av masscentrum vid krängning.
2.1.6 Hydrostatiskt tryck
I enlighet med den teori som nämndes i avsnitt 2.1.1 och 2.1.2 krävdes åtgärder för farkoster och andra kroppar som skulle användas i undervattensläge. Detta avsnitt behandlar vanliga åtgärder för framförallt undervattensfarkoster.
Undervattensfarkoster var ofta tillverkade i två delstrukturer i form av ett tryckskrov och ett formskrov. Tryckskrovet var utformat för att klara av det hydrostatiska tryck som uppkom i undervattensmiljö. Detta tryckskrov utgjorde kärnan i konstruktionen.
För att farkosten även skulle ha acceptabla strömningsmekaniska egenskaper var ofta tryckskrovet inbyggt i ett formskrov som hade till uppgift att förbättra farkostens hydromekaniska egenskaper.
Känslig eller skrymmande utrustning placerades ofta utanför tryckskrovet men innanför formskrovet.
(Fast, 1996)
Materialval för undervattensfarkoster
Undervattensfarkoster var ofta tillverkade i höghållfasta stål, lättmetaller och kompositmaterial.
Genom att använda sig av förstyvningar och konstruktionsmässiga finesser kunde man optimera farkosten så att den blev både lätt och trycktålig.
Av traditionella och tillverkningstekniska skäl användes ofta stål som konstruktionsmaterial. Många fördelar fanns dock i nya kompositmaterial. Framför allt kunde flytbarhetsfaktorn minskas drastiskt.
Flytbarhetsfaktorn var kvoten mellan kroppens vikt (skalets vikt) och farkostens deplacement vilket gav att en lägre strukturvikt hos farkosten gav en minskad flytbarhetsfaktor. Nackdelen med dessa material var dock svårigheter i tillverkning och den höga kostnaden.
(Fast, 1996)
Geometrival för undervattensfarkoster
En sfärisk skrovform var bäst ur hållfasthetssynpunkt för kroppar under vatten och borde väljas om farkosten skulle dyka djupt.
Cylindrisk skrovform var den vanligaste för ubåtar som skulle vistas på mindre djup. Denna skrovform hade relativt goda hydrodynamiska egenskaper och låga tillverkningskostnader.
Sammanbundna sfärer var en teknik som förenade de två övriga teknikerna. Genom att förena flertalet sfärer till en cylindrisk formation kunde man erhålla både sfärens hållfasthetsegenskaper och cylinderns hydrodynamiska egenskaper. Denna konstruktion ledde dock till höga tillverkningskostnader.
(Fast, 1996)
Tillverkning
En undervattensfarkosts hydrostatiska egenskaper och även hydrodynamiska egenskaper var starkt beroende av farkostens yttre symmetri varför noggrann tillverkning var essentiell. Som exempel kunde fenomenet buckling nämnas. Buckling kunde begynna vid en spänningskoncentration och vidare leda till förändring i farkostens yttre geometri och på så vis reducera farkostens egenskaper.
(Fast, 1996) 2.1.7 Motstånd
En kropps motstånd i vatten var svårt att beräkna. Följande faktorer spelade in:
Friktionsmotståndet var det motstånd som uppkom på grund av friktion mellan vattnet och kroppens mantelyta. Här var det vattnets viskositet och kroppens yttyp som avgjorde motståndet.
För att beräkna friktionsmotståndet användes således Reynolds tal, Re som var ett mått på en fluids viskositet. Följande algoritm var en grov skattning av friktionsmotståndskoefficienten, Cf:
Formel 4
0.075 2
Vågbildningsmotståndet uppkom, som namnet antyder, av att en kropp i rörelse och i närhet av fria vätskeytor bildade vågor. Denna vågbildning blev mindre desto längre ifrån en fri vätskeyta kroppen var. På stort djup var till exempel vågbildningsmotståndet försumbart medan det på ytan inte var det. Kroppens hastighet var starkt kopplad till vågbildningsmotståndets storlek, högre hastighet gav högre motstånd. Empiriskt framtagna tabellverk var det som används för att kunna förutspå en kropps vågbildningsmotstånd.
Bihangsmotståndet uppkom på grund av oregelbundenhet hos en kropps yta. En farkost med mycket eller stor extern utrustning kunde komma att få ett högt bihangsmotsånd medan en helt strömlinjeformad kropp antagligen fick ett lägre. För att kunna uppskatta hur högt motståndet var för en given konstruktion så fanns empiriskt framtagna tabellverk där värdet på motståndskoefficienten, Ct fanns uppmätta för olika typer av konstruktioner såsom exempelvis antenner eller cylindrar.
Restmotståndet utgjordes ungefär av övriga motståndsskapare såsom virvelbildning eller tryckskillnaderna utefter kroppens mantelyta. För att kunna göra en god uppskattning av restmotståndskoefficienten krävdes modellförsök.
För att approximativt uppskatta det totala motståndet hos en kropp användes ofta färdiga algoritmer som framtagits empiriskt. Dessa var inte generella utan ofta anpassade efter givna skrovformer eller/och andra egenskaper hos kroppen i fråga.
För undervattensfarkoster var det ofta användningsområdet som avgjorde hur den utformades. Om farkosten skulle ha lågt ytmotstånd skedde detta ofta på bekostnad av motståndet under vatten och vice versa.
(Fast, 1996) (Benford, 1991)
2.2 Batteri
Det förelåg många frågor när man skulle välja batteri till en komplex elektronisk produkt. Nedan följer en sammanfattning av viktig teori inom området för att på ett bättre sätt kunna utse ett på marknaden lämpligt batteri. (MPower, 2008, 9 oktober) (Johansson, 2005)
2.2.1 Krav på kapacitet och spänning
Ett batteri var uppbyggt av olika celler vilka kopplades på ett sådant sätt och i ett sådant antal att erforderlig kapacitet eller spänning uppnåddes. Med flera seriekopplade celler ökades spänningen på batteriet medan kapacitet i amperetimmar (Ah) förblev lika stort som varje enskild cell alstrade.
Med flera seriekopplade celler ökade däremot batteriets förmåga att lagra energi som angavs i wattimmar (Wh). För att öka både antalet amperetimmar (Ah) och wattimmar (Wh) så kunde cellerna kopplas parallellt. I förekommande fall förblev spänningen densamma som varje enskild cell levererade.
Hur mycket spänning en enskild cell alstrade var beroende av cellens sammansättning av kemiska ämnen och material, se Figur 2. Cellens kapacitet avgjordes av ytan på elektroderna och volymen av elektrolyten. Elektrolyt var den substans som medförde att joner kunde röra sig mellan två elektroder i cellen. En riktlinje när man komponerade ihop celler i olika kopplingar var att aldrig koppla celler av olika spänning eller kemiska sammansättning i samma krets.
Figur 2 Diagrammet visar olika typer av cellers spänningskurva vid olika urladdningsnivå.
(MPower, 2008, 9 oktober)
Tilläggas skulle även att i en specifik applikation kunde det komma att krävas att olika spänning användes för att de ingående komponenterna skulle fungera optimalt. För att kunna utforma en sådan lösning krävdes DC/DC konverterare tillsammans med tillhörande styrelektronik.
(MPower, 2008, 9 oktober)
2.2.2 Krav på ström och användarprofil
När man undersökte batteriet med avseende på ström var det viktigt att beräkna en medelström vid normal användning och eventuella strömtoppar (ofta orsakade vid systemstart eller vid olika elektronikfel). För att undvika strömtoppar kunde styrelektronik som kunde fördröja strömflödet i kretsarna användas. För att kunna välja rätt batteri var det av största vikt att så mycket information
som möjligt togs fram om hur strömuttaget skulle komma att se ut. Skulle batteriet 80 % av tiden använda endast halva sin kapacitet och resterande 20 % behöva prestera riktigt stora effektuttag?
(MPower, 2008, 9 oktober) 2.2.3 Självurladdning
Samtliga batterier på marknaden hade en viss självurladdning, det vill säga att de tappade energi när de inte användes. Vid beställning av batteri var det viktigt att känna till att alla batterier på marknaden hade en viss livstid. För att minimera risken för att drabbas av dåliga batterier skulle batterier med väldigt låg självurladdning väljas. Ofta fanns dessa parametrar angivna i batteriets datablad. (MPower, 2008, 9 oktober)
2.2.4 Temperatur
Alla batterier hade ett specificerat temperaturområde där de klarade av att arbeta. Spänningen varierade ofta kraftigt beroende på omgivande temperatur, se Figur 3. Att använda batterier utanför denna temperaturzon ledde oftast till att man orsakade batteriet permanent skada eller förstörde batteriet helt. När man beräknade den temperaturzon som batteriet skulle komma att arbeta inom var det viktigt att ta hänsyn till att den ofta var högre än den omgivande temperaturen. Detta eftersom batteriet alstrade värme under användning beroende på effektuttag. För att bestämma temperaturen runt batteriet kunde det bli aktuellt att utföra en analys av hur mycket värme som fördes bort via värmeledning och värmestrålning i de medier som omgärdade batteriet. Normalt sätt skulle inte batterier kapslas in i lufttäta utrymmen då temperaturen tenderade att ackumuleras och på sikt skada batteriet. Dessutom avgav en del batterier gaser (ofta syre och väte) som lätt ansamlades vilket kunde få till följd att batteriet antändes. (MPower, 2008, 9 oktober)
Figur 3 Visar ett litiumjonbatteris spänningskurva vid olika temperatur (MPower, 2008, 9 oktober)
2.2.5 Kostnadsuppskattning
Kostnaden på ett batteri kunde utgöra en avgörande faktor i ett beslutsunderlag. Kostnaden varierade ofta beroende av vilken typ av material och kemiska substanser som batteriet innehöll.
Ofta hade ett dyrare batteri finare komponenter och erbjöd därför en längre livscykel innan det var dags att bytas ut. Ett bra sätt att jämföra kostnad för olika batterier som tar hänsyn till detta var att mäta kostnaden per användningscykel. Ett annat sätt att mäta var kostnad per wattimme (Wh).
(MPower, 2008, 9 oktober)
2.3 Miljöförhållanden och korrosion
2.3.1 Användare, EOD (Explosive Ordnance Disposal)
EOD var det färdiga systemets huvudanvändare varför denna användargrupp kortfattat beskrivs i detta avsnitt.
EOD var en grupp inom militären som var utbildade specialister inom desarmering av sprängämnen. Desarmering syftade till att oskadligöra sprängämnet vilket innefattar alla slags minor, bomber, kärnvapen samt även biologiska- och kemiska vapen.
EOD utförde främst militära uppdrag men arbetade även inom det civila. Uppdrag i syfte att desarmera sprängämnen skedde på land såväl som under vatten.
(Wikipedia, 2008, 17 oktober) 2.3.2 Miljöförhållanden
Omgivningen i vilken det slutliga systemet skulle operera i var från projektstart bestämd. Detta gjorde att flera miljöaspekter visade sig vara viktiga att utreda och detta avsnitt syftar till att tydliggöra dessa och dess inverkan på systemet.
IPklassning
För elektrisk eller elektronisk utrustning i krävande miljöer, där damm, korrosiva ämnen, fukt och vatten kunde tränga in, var en god kapsling av yttersta vikt för att nedbringa riskerna för elchock, brand och explosion. För att klassificera utrustningens motståndskraft fanns en svensk standard för test som i sin tur byggde på en europeisk standard. Genom att testa utrustningen kunde en IP-klass tilldelas.
Djup och temperatur
Såsom nämndes i 2.1.6 påverkade djupet det omgivande hydrostatiska trycket. Vid ökat djup ökade trycket. Detta ställde givetvis olika krav på trycktålighet för utrustning som skulle användas vid olika djup. Ofta måste utrustningen vara anpassad för att dels vara verksam vid atmosfärstryck ovan vattenytan men även under högre tryck på större djup. Utrustning som skulle användas av dykare behövde sällan användas vid allt för stora djup eftersom människor lätt kunde skadas av för stora djup. En dykare kunde inte gå ned till större djup än 50 m utan speciella gasblandningar och mer avancerad utrustning som dykarklocka. (Einarsson, 2005)
Om inga speciella omständigheter rådde såsom varma djupgående vattenströmmar minskade också vattentemperaturen vid ökande djup.
Salinitet
I hav och sjöar varierade salthalten, eller saliniteten kraftigt. Saliniteten mättes i kg/m3, promille eller som vanligast i psu. En psu motsvarade ungefär en promilles salinitet. Saliniteten i havet låg oftast mellan 32 och 38 psu. Hav med lägre salinitet än 30 psu klassificerades som brackvatten. Östersjön var ett av världens största brackvatten. (Nationalencyklopedin, 2008, 9 oktober) (Wikipedia, 2008, 9 oktober ) Vattnets densitet varierade beroende av saliniteten. Eftersom densiteten var direkt kopplat till vattnets deplacement så påverkades även deplacementskraften. Flytkraften blev med andra ord större vid ökande salinitet. Detta ledde till att utrustning som skulle användas under
vatten antingen skulle kunna anpassa sig till olika deplacement eller skräddarsys för specifik salinitet.
(Fast, 1996) Luftfuktighet
Luftfuktighet mättes oftast i relativ luftfuktighet, RH. Det maximala värdet på RH var 100 procent, då var luften mättad vilket betydde att den inte kunde uppta mer vattenånga. Luftens förmåga att uppta vattenånga berodde av temperatur, varm luft kunde uppta större vattenmassa än svalare luft.
Hög luftfuktighet påverkade teknisk utrustning på grund av ökad kondens vilket kunde skada utrustning som var luftkyld. (Nationalencyklopedin, 2008, 9 oktober)
CEmärkning
För att en produkt skulle kunna CE-märkas krävdes att den uppfyllde vissa fastställda krav gällande hälsa, miljö och säkerhet. Det var tillverkarens ansvar att se till att en CE-märkt produkt också uppfyllde kraven. En CE-märkt produkt kunde utan hinder marknadsföras i hela EU (Europeiska Unionen). (Nationalencyklopedin, 2008, 9 oktober)
2.3.3 Korrosion
Vid marin farkostkonstruktion var det viktigt att ta hänsyn till den korrosiva miljö som påverkade metaller av olika slag. Ett vanligt scenario var att marina strukturer försvagades av korrosion ofta i kombination med utmattning av materialet. Det handlade alltså om en försvagning av strukturen som pågick och förvärrades under lång tid. Marina konstruktioner som byggdes av vanliga konstruktionsstål påverkades lika mycket oavsett sin draghållfasthet.
En vanlig typ av korrosion till havs var den som orsakades av att havsvatten bildade en galvanisk cell mellan olika eller samma metall. Havsvattnet utgjorde då en elektrolyt i vilken joner kunde röra sig fritt. Det som drev jonerna genom elektrolyten var en potentialskillnad mellan ytor som var beroende av följande:
• Olika material med olika elektriska potential.
• Tidigare bearbetning av material (inre spänningar.)
• Förekomst av tidigare lokala oxidskikt.
För att undvika korrosion till följd av potentialskillnad skulle man eftersträva att använda material där potentialskillnaden var lägre än 0,25 volt. Om detta överstegs riskerade man betydande korrosion där den metall med den största potentialen angreps. I Tabell 1 följer en lista på några vanliga metaller som gäller havsvatten vid 25°C med en salthalt på 3,5 %.
Tabell 1 Potential för olika metaller
Magnesium -1,58 V
Galvaniserat järn -1,06 V Aluminium legering (5% Mg) -0,82 V Austenitiskt rostfritt stål -0,25 V
Koppar -0,25 V
För att skydda strukturen mot korrosion kunde lämplig ytbehandling väljas. Det vanligaste var att man målade den rena metallytan och på det sättet hindrade ett galvaniskt element från att uppstå.
Ytterligare ett skydd som var vanligt inom marin design var användning av offeranoder. Dessa placerades på lämpliga ställen där metallen som man önskade skydda stod i kontakt med elektrolyten (havsvatten). Offeranoden var tillverkad av material med hög potential. Korrosion uppstod då i dessa offeranoder i större utsträckning än de omkringliggande metaller som hade en lägre potential. Offeranoderna konstruerades på ett sådant vis att de var utbytbara efter det att de helt korroderat.
Det effektivaste sättet att hindra korrosion var att placera en svag spänning över de metaller som riskerade att korrodera. Spänningen skulle vara precis så stark att den neutraliserade materialets egen potential vilket ledde till att drivkraften för jonerna då helt försvann – ingen korrosion kunde uppstå. Detta system användes på ett effektivt sätt för att skydda tankar av olika slag inom en mängd användningsområden.
Sammanfattningsvis kunde nämnas att vid konstruktion där korrosion kunde utgöra en risk förespråkade Christer Leygraf, professor i Materialvetenskap följande: (Leygraf, 2006)
• Undersök materialet med avseende på ytbehandling, värmebehandling och ädelhet (låg potential = ädel metall).
• Undvik att blanda metaller av olika ädelhet samt undvik spalter där vätska kunde ansamlas.
• Undvik även starka flöden över metallytan.
Viktiga miljöfaktorer att ta hänsyn till var temperatur, pH och eventuella föroreningar.
(Tupper, 1996)
2.4 Begrepp och definitioner av delsystem
2.4.1 Mätinstrument Djupmätare
Det fanns flera tekniker för att mäta djup. Vid dykning utnyttjades vanligen tryckskillnaden som uppkom vid olika djup. Vanligen användes ett membran som påverkades av trycket. Via utväxling påverkade denna formförändring en visare eller en digital mätenhet. Djupmätare tillverkades med olika noggrannhet för olika ändamål - där vissa djupmätare kunde ha några centimeters noggrannhet. En enklare variant av djupmätare bestod av ett rör innehållande en kompressibel gas som påverkades av det hydrostatiska trycket. Gasen komprimerades vid ökande hydrostatiskt tryck och ändringen kunde läsas av i djup på rörets graderade skala. (dykopedia, 2008, 9 oktober)
Gyro och kompass
Ett gyro bestod av en skiva på en fritt upphängd axel. När denna skiva som var ortogonal mot axeln roterade strävade den efter att behålla sin ursprungliga position så länge ingen yttre kraft påverkade den. Anledningen till detta beteende var lagen om rörelsemängdens bevarande.
Rörelsemängden bestämdes av massa och hastighet. Om den fritt upphängda axeln och skivan var helt opåverkad av yttre krafter skulle den komma att behålla sin rörelsemängd och därmed sin riktning i all oändlighet. Detta var svårt att åstadkomma i praktiken och noggrannheten påverkades av yttre faktorer som exempelvis friktion i upphängningssystemet vilket gjorde att rotationshastigheten med tiden minskades.
Genom att installera två gyro rätvinkliga varandra på en plattform och sedan använda flertalet kardanupphängningar kunde man åstadkomma ett system där plattformen var stabil. Om hela
systemet placerades på en farkost kunde man genom att mäta rotation i kardanaxlarna få reda på med vilken vinkelhastighet farkosten hade rört sig i förhållande till plattformen. Genom att integrera vinkelhastigheten över tiden kunde man få reda på farkostens orientering eller dess, så kallade attityd, vid olika tidpunkter. Genom att ställa in gyrot så att det pekade i ett bestämt väderstreck kunde det också användas som en kompass. Eftersom denna kompass inte var beroende av det geomagnetiska fältet blev den inte känslig för magnetiska störningar i omgivningen. (Brain, 2008, 10 oktober) (Kjelsson, 2007)(Microsoft® Encarta® Online Encyclopedia, 2008)
En magnetisk kompass använde sig av jordklotets geomagnetiska fält för att bestämma riktningen mot nordpolen. En klassisk kompass bestod av en magnetisk laddad nål som i princip fungerade som en stavmagnet. Kompassen fungerade om den verkade i horisontalplanet och inte stördes av andra magnetiska fält. På fartyg fanns tekniker för att neutralisera magnetfält från övrig utrustning.
För att kompassen skulle befinna sig i horisontellt läge användes ofta liknande kardanupphängningar som för ett gyroskop. En annan teknik var att placera en eller flera kompassnålar på en skiva som i sin tur fick flyta i en vätska och på så vis hållas parallell gentemot horisontalplanet. Vätskan gjorde också att friktionen mellan skivan och vätskan blev liten vilket minskade påverkan från yttre krafter. (Nyberg, 2003)(Nationalencyklopedin, 2008, 9 oktober)
Sonar
Sonar var en förkortning av ”Sound Navigation and Ranging” vilket kunde översättas med ljudbaserad navigation och avståndsmätning. (Nationalencyklopedin, 2008, 9 oktober) Det fanns många olika typer av sonarer och de indelades därför i olika kategorier. En första distinktion kunde göras mellan aktiva och passiva sonarer. Där en passiv sonar endast tog emot akustiska signaler till skillnad från en aktiv dito som samtidigt skickade ut signaler och inväntade svar från dessa.
Huvudprincipen för en sonar var att en elektrisk puls gjordes om till en akustisk våg som färdades genom vattnet. Den akustiska signalen reflekterades när objekt hindrade dess utbredning i vattnet.
Den reflekterade signalen återsändes sedan och kunde tas upp via en mottagare som transformerade signalen från akustisk till en elektrisk puls. Denna signal återgavs på en skärm vilket visas i Figur 4. Mottagaren filtrerade och förstärkte den inkommande signalen och resultatet av skanningen kunde avläsas som en bild av omgivningen inom sonarens arbetsområde. (Philips, 2008)
Figur 4 Visar grundprincipen för en sonar. Signalen (röd) rör sig i mediet tills den träffar på ett objekt som reflekterar signalen. Reflekterad signal (grön) detekteras av mottagaren. (Chen, 2008)
Med hjälp av den reflekterade signalen kunde avståndet till föremålet samt i många fall även objektets reflekterande yta analyseras. Detta var beroende av ljudets utbredningshastighet i vatten vilket ofta varierade med en mängd faktorer. Några av dessa var vattentemperatur, salthalt och vattentryck. Detta påverkade ljudets utbredning och hastighet varför absolut noggrannhet var svår att uppnå. Om den reflekterande signalen var stark var bottenskiktet jämnt och slätt. (Philips, 2008)
Trådlös undervattenskomunikation
Det fanns många tillämpningar inom marinteknologi som krävde att information kunde överföras trådlöst i vatten. Ett exempel var undervattensrobotar som utförde uppdrag där en kabelförbindelse var omöjlig. Då var man helt beroende av ett trådlöst, akustiskt system för undervattenskommunikation. (QineticQ, 2008, 14 oktober)
Vatten var ett mycket tätare medium än luft vilket gjorde att konventionella trådlösa kommunikationssystem som användes i luft inte gick att använda. I dessa luftburna system som använde sig av elektromagnetiska vågor var hastigheten avsevärt mycket högre än de som gick att uppnå med hjälp av akustiska vågor under vattnet. Detta berodde på att den utsända signalen påverkades avsevärt av de varierande miljöfaktorer som var en realitet under ytan. En del av dessa faktorer var temperatur, salthalt och varierande tryckförhållanden. Dessa faktorer påverkade vattnets densitet vilket i sin tur påverkade ljudvågens framfart genom vattnet. (Wikipedia, 2008, 14 oktober)(Federation of American Scientists, 2008, 14 oktober)
Figur 5 Visar ett exempel på hur ett kommunikationssystem för undervattensbruk kan se ut (Fiorillo, Irza, &
Ekhaus)
De viktigaste delarna av det akustiska kommunikationssystemet var dator, signalprocessor, sändare/mottagare och transceiver – se Figur 5.
Signalen uppkom och färdades genom vattnet på följande sätt:
En dator vid ytan skapade en digital informationssträng som skickades till signalprocessorn.
Huvuduppgiften för signalprocessorn var att modulera signalen med hjälp av ett modem. Modemet omvandlade digital information som skulle skickas från datorn ovan ytan till enheten under vattenytan. Signalen skickades sedan vidare till en transceiver. (HowStuffWorks, 2008, 14 oktober) Den akustiska signalen skapades med hjälp av sändare/mottagare inbyggda i en transceiver. Den akustiska signalen uppkom när en spänning lades över ett piezoelektriskt element som fick elementet att ändra form. Till följd av ändringar i spänningsfältet vibrerade det piezoelektriska materialet. Vibrationerna skapade tryckförändringar i det omgivande vattnet och en ljudvåg uppstod som sedan kunde fortplanta sig i vattnet. (HowStuffWorks, 2008, 14 oktober) (Urick, 1983)
När signalen sedermera nådde transpondern som befann sig under ytan (ofta fastmonterad på en undervattensfarkost) skedde samma procedur - fast omvänt, för att ta emot signalen. Det piezoelektriska elementet kände av tryckförändringarna i ljudvågen och en spänning inducerades som på motsvarande sätt kunde behandlas av ett modem för att presenteras digitalt till datorn i undervattensenheten. (HowStuffWorks, 2008, 14 oktober)
Akustisk positioneringssystem USBL
Akustiskt positioneringssystem av typen USBL bestod av två stycken huvudkomponenter, en transducer baserad vid ytan och en transponder som ofta var positionerad på en undervattensfarkost. Transducern bestod av flera stycken akustiska sänd/mottagnings-enheter placerade i olika vinklar. Vid positionering sände transducern ut en akustisk puls som sedan emottogs av transpondern i vattnet. Transpondern reflekterade signalen tillbaka till transducern som registrerade den inkommande signalens bäring, , och djupvinkel, enligt systemskiss i Figur 6. Detta utfördes genom att jämföra fasläget på den inkommande signalen mellan de vinkelförskjutna mottagningsenheterna. Genom att kombinera den utsända signalens svarstid med ljudets utbredningshastighet i vattnet kunde läget på transpondern uttryckas som en vektor enligt Formel 5.
Formel 5
USBL-systemet mätte transponderns läge i det tredimensionella koordinatsystemet XtYtZt med utgångspunkt från transducern vid ytan. På det här viset erhölls en lokal position men med hjälp av en GPS vid ytan kunde systemet sätta en global position även på transponderns läge under vattnet.
(Chen, 2008)
Figur 6 Visar uppbyggnad och terminologi för ett akustiskt positioneringssystem USBL (Ultra Short Base Line).
2.4.2 Kamera
Video och stillbildskamera
Detta avsnitt syftar till att förklara de begrepp som används vid val och användning av kamera med video- och stillbildsfunktion. Kamerans grundläggande funktioner och uppbyggnad lämnades därhän. Många av dagens kameror klarade av att både ta stillbilder och spela in videofilm.
Belysning
Ett viktigt begrepp var styrkan på belysning, lux. Belysningen avgjordes således av ljusstyrkan från ljuskällan samt avståndet mellan den och den belysta ytan. (Peros, 2008, 7 oktober) (Nationalencyklopedin, 2008, 7 oktober ). När man talade om en kamera eller en videokameras ljuskänslighet menade man att den skulle vara kapabel att filma eller fotografera trots låg belysning, alltså lågt luxvärde. Ett annat sätt att benämna ljuskänslighet var med ISO-tal, där ett högt ISO-tal motsvarade hög ljuskänslighet hos kamerasensorn. Man kunde således med ett högt ISO-tal ta funktionsdugliga foton trots svag belysning. (Wikipedia, 2008, 8 oktober)
Upplösning
Upplösning angavs oftast i antalet bildpunkter som en bild innehöll. En vanlig benämning för bildpunkt var pixel. Desto högre antal pixlar desto större var bilden. En högupplöst bild hade således fler antal pixlar än en lågupplöst. (Wikipedia, 2008, 8 oktober)
Bildvinkel
Bildvinkel kunde beskrivas som kamerans synfält och mättes i tre riktningar, horisontalt, vertikalt och diagonalt. Bildvinkeln var beroende av kamerans sensorstorlek och brännvidd. Brännvidden var avståndet mellan linsen och dess brännpunkt. Sensorstorleken var bredd-, höjd- eller diagonallängden på sensorytan, det vill säga den yta som belystes i kameran. Bildvinkeln mättes oftast i grader och avsåg vinkeln mellan de extremer i synfältet som befann sig längst från varandra vare sig man mätte på bredden, höjden eller diagonalen. (Wikipedia, 2008, 8 oktober)
Fokus
När man talade om fokus för kameror menade man det avstånd mellan sensoryta och lins som gav en skarp bild av det som avbildas. Om föremålet för avbildning befann sig på långt avstånd skulle avståndet mellan sensoryta och lins vara detsamma som linsens brännvidd. För närbilder var detta avstånd tvunget att öka för att bilden skulle bli skarp. Om föremålet hade kommit så pass nära linsen att det inte gick att få en skarp bild hade man passerat gränsen för kamerans fokusområde.
(Wikipedia, 2008, 8 oktober) 2.4.3 Lysdiod (LED)
Förkortningen LED stod för ”Light Emitting Diod” och dess funktion var densamma som för en lysdiod. (Nationalencyklopedin, 2008, 13 oktober)
En lysdiod var en viss typ av diod. Dioder användes i många tekniska sammanhang på grund av dess funktion – att likrikta elektrisk ström. Dioden bestod av två elektroder med ett halvledarmaterial emellan. Halvledarmaterialet var uppdelat i två områden med olika egenskaper.
Det ena, så kallade P-området, var positivt laddat och saknade elektroner. Det andra, så kallade N- området, var negativt laddat och hade ett överflöd av elektroner. När ingen spänning lades mellan elektroderna skapades ett tredje område där halvledarematerialet var neutralt laddat varför inget elektronutbyte kunde ske. Om spänning däremot lades mellan elektroderna kom elektronerna från N-området att färdas till det positivt laddade P-området så länge spänningskällan var kopplad med den negativa polen till N-området och vice versa. Om katod och anod kopplades tvärtom gick ingen ström genom dioden bortsett från en mycket liten så kallad läckström. Således fungerade dioden som en enkelriktad strömledare.
En ytterligare effekt av elektronströmningen var att elektronerna vid förflyttningen förlorade energi i form av ljus. Beroende av halvledarens material blev ljuset olika, för vissa material blev ljuset infrarött och kunde inte uppfattas av det mänskliga ögat. För ett vanligt förekommande material som aluminium-gallium-arsenide blev energiförlusten så stor att ljuset blev kraftfullt och fullt tillräckligt för att användas i flertalet ljusalstrande applikationer.
Den stora fördelen med att använda lysdioder istället för konventionella glödlampor var framförallt verkningsgraden. Konventionella glödlampor alstrade, i jämförelse med en lysdiod, mycket mer värme. Så länge man inte kunde ta vara på värmet så kunde den betraktas som en energiförlust. Ett ytterligare argument var att lysdiodens livslängd vanligen blev högre än en glödlampas eftersom den inte hade någon glödtråd som kunde brinna sönder.
(HowStuffWorks, 2008, 13 oktober) 2.4.4 Kartmotor
Med kartmotor ämnades en programvara som hanterade GIS-information. GIS var en förkortning av Geographic Information System som var den generella benämningen på alla system som hanterade datoriserade lägesbundna data. GIS var uppbyggt som en kombination av kartor bundet till koordinater med tillhörande tabeller som beskrev information som kunde presenteras på kartan.
Dessa tabeller lagrades ofta i stora databaser och kunde härbärgera olika slags information som symboler och statistik över ett visst geografiskt område. Dessa databaser och även kartinformation var ofta tillgänglig via uppkoppling mot en server men kunde även ligga lagrat lokalt på den enhet där informationen visades. Med hjälp av GIS kunde analys av kartmaterial ske på ett effektivt sätt då bara den av användaren efterfrågade informationen kunde presenteras på en karta.
(Pilesjö, 2008, 17 oktober)(Carmenta, 2008, 17 oktober) 2.4.5 Liknande system
MapTac – Teledyne RD Instruments
MapTac (se Figur 7) var en handhållen enhet som användes av dykare för att undersöka havsbottens beskaffenhet. Enligt tillverkaren skulle denna enhet kunna samla information om botten med hjälp av en UIS (Underwater Imaging Sonar). Denna sonar byggde på sektorskanning vilket gjorde att dykaren kunde upptäcka, klassificera och samla information om föremål på havsbottnen (se Figur 8) samt hjälpa dykaren att hitta objekt som skulle kunna vara potentiellt farliga – ex. minor av olika slag. Denna produkt var i första hand framtagen för att underlätta sökuppdrag för amerikanska militären men även för att assistera inom civila uppdrag inom bottensökning.
MapTac var utrustad med en intern GPS och tillverkaren menade att positioneringen skulle ske helt automatiskt utan att flytande bojar eller akustisk korrigering av position från ytan (ex. USBL – Ultra Short Base Line) behövde användas. Istället användes tryckmätare, kompass och gyro för att mäta hur dykaren rörde sig under bottensökningen. Detta medförde att dykaren inte fick avvika mer än 25 meter från startpositionen om noggrannheten på positioneringen skulle kunna upprätthållas.
MapTac kunde användas på djup mellan 0,5-90 m djup och skulle enligt specifikation klara av sju timmars operativ drift på en laddning. Den maximala hastigheten för loggning var 7,5 m/s vilket motsvarade 14,6 knop. (Industries, 2008, 9 oktober)
The Navigator – Shark Marine
Enligt (Shark Marine, 2008, 17 oktober) innehöll deras handhållna enhet ”the Navigator” (se Figur 9) följande komponenter:
• LCD-skärm 5 tum
• Flerfrekvenssonar
• Batteri som kunde bytas under vatten
• Kopplingar för fästande till DPV (Diver Propulsion Vehicle)
• GPS för navigering ovan vattenytan Följande komponenter fanns som tillval:
• WAAS GPS/DGPS för ökad noggrannhet. DGPS (Differential Global Positioning System) var en förbättring av GPS som använde markstationer för att öka positionsbestämningens noggrannhet. (Wikipedia, 2008, 17 oktober)
• Kompass och djupmätare
• Magnetometer
• Akustisk positionering
• Digitalkamera
• Sub-bottom Profiler som enligt (Geoacoustics, 2008, 17 okober) var ett akustiskt instrument som användes för sökning under bottenskiktet.
• Multi-beam Sonar som enligt (Philips, 2008) var effektivare än en traditionell Side-Scan- Sonar eftersom den bland annat kunde mäta aktuellt djup.
Figur 8 beskaffenhet på en havsbotten där dykarens framfart framgår av den röda
linjen Figur 7 Teledyne RD Instruments handhållna
enhet för bottenundersökning
Figur 9 the Navigator, Shark marines system för undervattenssökning (Shark Marine, 2008, 17 oktober)
DNC100 RJE Corporation
DNC-100 erbjöd dykpositionering i ett litet format med inbyggd dykdator, se Figur 10. Navigering skedde utan flytande GPS-boj eller akustiskt positioneringssystem, USBL. Istället bestämdes ytpositionen innan dyk av den inbyggda GPS-enheten. Under vattnet ansvarade inbyggda sensorer för djup-, riktning-, roll/pitch vilket användes för att bestämma dykarens framfart under vattnet.
Tillsammans med den tillhörande mjukvaran erbjöds möjligheten till uppdragsplanering och ruttplanering innan dyk. Programvaran kunde även användas för att analysera position. DNC-100 klarade av åtta timmars operativ drift och ett maximalt arbetsdjup om 30 m. Denna dyknavigator lämpade sig för sökuppdrag på begränsad yta eftersom det relativa felet, orsakat av positioneringssensorer och vattenströmmar, ökade med avståndet från den initiala GPS- koordinaten vid ytläge. (RJE, 2008, 17 oktober)
Figur 10 Visar DNC-100 dyknavigeringssystem från RJE Corporation(RJE, 2008, 17 oktober)
2.5 Människadatorinteraktion
Människa-dator-interaktion var en del inom området ergonomi. På senare år hade fokus vid utveckling av tekniska system i större utsträckning varit att utforma dessa på ett sätt som förenklade hanteringen för användaren av systemet. Ett resultat av detta fokusområde hade lett till att kommunikationen mellan dator och användare hade gått från rent språklig interaktion till så kallad direkt manipulation. Med språklig kommunikation avsågs kommandon eller information som i form av text förmedlades mellan dator och användare. Med direkt manipulation använde man
