Studijní program: B 2612 – Elektrotechnika a informatika
Studijní obor: 2612R011 – Elektronické informační a řídicí systémy
Návrh konstrukce experimentální dálkově řízené průzkumné miniponorky
The Design of structure of experimental remote control reconnaissance mini submarine
Bakalářská práce
Autor: Miroslav Roubíček
Vedoucí práce: Ing. Miroslav Holada, Ph.D.
Konzultant: Ing. Ondřej Hnilička
V Liberci 19. 5. 2011
2
Tady bude zadání
3
Prohlášení
Byl jsem seznámen s tím, že na mou bakalářskou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 o právu autorském, zejména § 60 (školní dílo).
Beru na vědomí, že TUL má právo na uzavření licenční smlouvy o užití mé bakalářské práce a prohlašuji, že s o u h l a s í m s případným užitím mé bakalářské práce (prodej, zapůjčení apod.).
Jsem si vědom toho, že užít své bakalářské práce či poskytnout licenci k jejímu využití mohu jen se souhlasem TUL, která má právo ode mne požadovat přiměřený příspěvek na úhradu nákladů, vynaložených univerzitou na vytvoření díla (až do jejich skutečné výše).
Bakalářskou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím bakalářské práce a konzultantem.
Datum
Podpis
4
Poděkování
Na tomto místě bych rád poděkoval panu Ing. Miroslavu Holadovi, Ph.D. za odborné vedení, pomoc při zpracování bakalářské práce, za poskytnuté informace, součástky, materiály a za cenné rady. Děkuji také Martinovi Peklákovi, se kterým jsem na realizaci miniponorky spolupracoval.
5
Abstrakt
Návrh konstrukce experimentální dálkově řízené průzkumné miniponorky
Bakalářská práce měla za úkol seznámit se s problematikou dálkově řízených miniponorek. Navrhnout, zrealizovat a zdokumentovat mechanickou konstrukci miniponorky. Komunikaci s miniponorkou zajišťuje USB Experimentální karta K8055, která je připojena k řídícímu notebooku, který je umístěn uvnitř miniponorky. Pohon je realizován pomocí dvou stejnosměrných motorů a čerpadla, které napouští uzavřenou balastní nádrž. Součástí výbavy miniponorky je vestavěné osvětlení a webkamera.
Součástí práce je ovládací software miniponorky. Cílem práce je funkční prototyp průzkumné miniponorky a také náhled jak by se mohl vývoj miniponorky odvíjet do budoucna.
Klíčová slova:
miniponorka, balastní nádrž, dálkové řízení, konstrukce, DSPack, USB karta K8055
Abstract
The Design of structure of experimental remote control reconnaissance mini submarine
The Bachelor work had to apprise itself with the problems of remote-controlled mini-submarines, design, implement and document the mechanical construction of
USB card K8055, which is attached to a laptop, which is located inside the mini-submarine. The cause implemented using two DC motors and pumps, which fills
a closed ballast tank. The equipment of the mini-submarine is built-in webcam and the lighting. Part of this work is a control software. The objective was a functional prototype of reconnaissance mini-submarine and preview of how it could develop in the development of the mini-submarine in the future.
Keywords:
minisubmarine, ballast tank, remote control, costruction, DS Pack, USB Card K8055
6
Obsah
Prohlášení ... 3
Poděkování ... 4
Abstrakt ... 5
Obsah ... 6
Seznam obrázků ... 8
Seznam použitých zkratek... 10
Úvod ... 11
Vymezení cílů práce ... 11
Robotika ... 11
1 Historie a současnost dálkově řízených miniponorek ... 12
2 Pohon miniponorky ... 14
2.1 Dynamické ponořování ... 14
2.2 Statické ponořování ... 14
2.2.1 Uzavřená balastní nádrž a čerpadlo ... 15
2.2.2 Pneumatické ovládání balastní nádrže ... 15
2.2.3 Pístové ovládání balastní nádrže ... 16
2.3 Druh pohonu miniponorky ... 17
2.3.1 Tři motory ... 17
2.3.2 Dva motory a kormidlo pro vertikální pohyb ... 17
2.3.3 Dva motory a kormidlo pro horizontální pohyb ... 17
2.3.4 Dva motory a balastní nádrž ... 17
2.3.5 Jeden centrální motor a kormidla pro vertikální a horizontální pohyb .... 17
2.3.6 Centrální motor, balastní nádrž a kormidlo pro horizontální pohyb ... 18
2.4 Výběr pohonu miniponorky ... 18
3 Komunikace s miniponorkou ... 20
3.1 Bezdrátová komunikace ... 20
3.1.1 Wi-Fi ... 20
3.1.2 Bluetooth ... 20
3.1.3 RC Vysílače ... 21
3.2 Ethernet ... 22
3.3 Absorpce vody ... 23
7
4 Vývoj miniponorky ... 25
4.1 Návrh miniponorky ... 25
4.2 Realizace miniponorky ... 26
4.3 Vnitřní uspořádání miniponorky ... 28
4.4 Vyvážení miniponorky ... 28
4.4.1 Objem miniponorky ... 30
4.4.2 Hmotnost miniponorky ... 31
4.5 Záchranný systém miniponorky ... 28
5 Ovládací software miniponorky ... 33
5.1 Experimentální USB karta K8055 ... 33
5.1.1 Rozšíření vstupů a výstupů karty ... 34
5.1.2 Nastavení karty ... 34
5.2 Požadavky na ovládací program ... 35
5.3 Programování ovládacího programu ... 35
5.4 Ovládání motorů pomocí Experimentální USB karty 8055 ... 36
5.4.1 Přehled důležitých funkcí knihovny „K8055D.DDL“ ... 36
5.4.2 Připojení Miniponorky ... 37
5.4.3 Ovládání Miniponorky ... 38
5.4.4 Stav Miniponorky ... 39
5.4.5 PWM modulace ... 39
5.4.6 Zapnutí / vypnutí světel ... 40
5.5 Zobrazení obrazu z webkamery ... 40
5.5.1 Výběr kamery a kodeku ... 41
5.5.2 Nahrávání videa ... 41
5.5.3 Zobrazení obrazu z kamery ... 42
6 Další vývoj miniponorky ... 44
Závěr ... 46
Seznam použité literatury ... 47
Přílohy ... 49
Příloha A - Přiložené CD ... 49
Příloha B - Fotografie miniponorky ... 49
Příloha C - Fotografie pořízená miniponorkou I ... 50
Příloha D - Fotografie pořízená miniponorkou II ... 50
8
Seznam obrázků
Obr. 1: Miniponorka MIR-2 [1] ... 12
Obr. 2: Miniponorka Nereus [4]... 12
Obr. 3: Miniponorka ALVIN [5] ... 13
Obr. 4: Miniponorka VICTOR [6] ... 13
Obr. 5: Miniponorka LBV 200 [7] ... 13
Obr. 6: Miniponorka ROV [8] ... 13
Obr. 7: Princip uzavřené balastní nádrže a čerpadla ... 15
Obr. 8: Princip pneumatického ovládání balastní nádrže... 15
Obr. 9: Princip pístového ovládání balastní nádrže ... 16
Obr. 10: Ukázka typckého RC vysílače [15] ... 22
Obr. 11: Kroucená dvojlinka [16] ... 22
Obr. 12: Šíření elektromagnetického vlnění [17] ... 23
Obr. 13: Návrh tvaru miniponorky... 25
Obr. 14: Návrh přední části miniponorky ... 25
Obr. 15: Výrobní výkres ... 25
Obr. 16: Korpus miniponorky ... 26
Obr. 17: Spojovací materiál ... 26
Obr. 18: Precosorový ventilátor ... 26
Obr. 19: Hotová miniponorka ... 27
Obr. 20: Umístění balastní komory ... 28
Obr. 21: Vnitřní uspořádání miniponorky ... 28
Obr. 22: Princip Archimédova zákona ... 29
Obr. 23: Motor miniponorky ... 31
Obr. 24: USB Experimentální karta K8055 ... 33
Obr. 25: Důležité prvky pro nastavení USB karty [20] ... 34
Obr. 26: Připojení miniponorky ... 38
Obr. 27: Úspěšné připojení karty ... 38
Obr. 28: Neúspěšné připojení karty ... 38
Obr. 29: Ovládání miniponorky ... 38
Obr. 30: Formulář nastavení ovládání ... 38
9
Obr. 31: Stav miniponorky ... 39
Obr. 32: Princip PWM modulace ... 40
Obr. 33: Panel PWM modulace ... 40
Obr. 34: Panel Zapnutí / vypnutí světel ... 40
Obr. 35: Výběr kamery a kodeku ... 41
Obr. 36: Panel nahrávání videa ... 42
Obr. 37: Panel zobrazení obrazu z kamery ... 42
Obr. 38: Uživatelské prostředí aplikace ... 43
10
Seznam použitých zkratek
RC Rádiová technologie komunikace DC Stejnosměrný elektrický proud UTP Nestíněná kroucená dvojlinka
Wi-Fi Bezdrátová technologie komunikace
IEEE Institut pro elektrotechnické a elektronické inženýrství WLAN Bezdrátová lokální síť
PAN Osobní síť
AM Amplitudová modulace
FM Frekvenční modulace
LAN Lokální síť
USB Univerzální sériové rozhraní PVC Polyvinylchlorid – umělá hmota DDL Dynamická linková knihovna DVD Digitální optický disk
MP3 Formát komprese zvukových souborů PWM Pulzně šířková modulace
LED Dioda emitující světlo
11
Úvod
Vymezení cílů práce
Cílem bakalářské práce bylo navrhnout mechanickou konstrukci experimentální dálkově řízené průzkumné miniponorky, navrženou konstrukci miniponorky zrealizovat a zdokumentovat. Součástí této práce je i řídící program miniponorky. Při realizaci miniponorky byla nutná spolupráce s Martinem Peklákem, jehož zadáním bakalářské práce bylo navrhnout elektronickou výbavu experimentální dálkově řízené průzkumné miniponorky. Miniponorka by mohla sloužit např. při kontrole stavu mostních konstrukcí nebo při průzkumu zatopeného důlního díla, kde by zastoupila práci potápěče. Miniponorka by šla neustále vylepšovat a rozšiřovat o další technické vybavení, jako je automatické řízení pomocí kamery nebo přidání robotické ruky či sonaru monitorujícího profil dna. Miniponorka by tedy mohla sloužit pro zadání dalších bakalářských nebo diplomových prací. Pro návrh konstrukce miniponorky je třeba mít nejen elektrotechnické znalosti a zkušenosti s programováním, ale i velké množství znalostí z oblasti strojírenství.
Robotika
Robotika se zabývá studiem robotů a jejich konstrukcí. V dnešní době je velmi zajímavým a perspektivním oborem. Dodnes však neexistuje přesné vyjádření pojmu robot. Obecně je robot chápán jako stroj, který pomáhá lidem nebo vykonává lidskou práci. Robot je velmi často využíván v průmyslu jako manipulační či svařovací robot.
Roboti se také používají v situacích, které jsou pro člověka nebezpečné. Do této kategorie spadají i miniponorky. Mezi nebezpečné situace lze zařadit např. potápění do velkých hlubin a studených vod, kde by na potápěče působil příliš velký tlak, chlad a jiná nebezpečí. Výhodou miniponorky mohou být i její rozměry. Ponorka menších rozměrů se může dostat do míst, kam by se potápěč nedostal. Mezi tato místa se řadí např. vraky lodí a letadel, kanalizace nebo vodovodní potrubí. Miniponorky se dělí do několika základních skupin podle použití. Existují miniponorky pro vojenské, experimentální, průzkumné nebo záchranné účely.
12
1 Historie a současnost dálkově řízených miniponorek
Historie miniponorek sahá až do války za nezávislost ve Spojených státech amerických, kdy byla poprvé miniponorka použita. Tato miniponorka měla za úkol sabotování a ničení nepřátelských zakotvených lodí, kde pohon tehdy zajišťoval jeden člověk. Velký rozvoj miniponorek nastal ve válce Jihu proti Severu a později ve druhé světové válce [1]. Dnešní miniponorky už neslouží pouze k vojenským účelům, ale převážně pro vědecký výzkum. Miniponorky lze rozdělit na bezpilotní miniponorky a miniponorky s lidskou posádkou. Bezpilotní dálkově ovládané miniponorky jsou schopny se potopit hlouběji a na delší dobu než ponorky s lidskou posádkou. Mezi nejznámější bezpilotní miniponorky patří miniponorka MIR-2 (Obr. 1). Tato miniponorka se dokázala ponořit na dno jezera Bajkal, které je nejhlubším jezerem na světě s hloubkou 1637 m [2]. Největší miniponorkou dosažená hloubka je 10 902 m.
Miniponorka Nereus (Obr. 2) se ponořila ke dnu Mariánského příkopu v západním Tichém oceánu. Toto místo je označováno za nejhlubší místo na světě [3].
Obr. 1: Miniponorka MIR-2 [1] Obr. 2: Miniponorka Nereus [4]
Mezi velmi známé, dálkově řízené miniponorky, také patří miniponorka ALVIN (Obr. 3), která se proslavila tím, že mimo jiné prozkoumala a zdokumentovala vrak Titaniku. Další dálkově řízenou miniponorkou je Victor (Obr. 4). Tato miniponorka pomáhá při leteckých a lodních katastrofách, při hledání černých skříněk, ale také pomáhala zastavit únik ropy ze ztroskotaných tankerů. Všechny tři zde uvedené miniponorky stojí mnoho milionů korun a jsou v majetku velkých univerzit nebo vlád.
13
Obr. 3: Miniponorka ALVIN [5] Obr. 4: Miniponorka VICTOR [6]
Pravděpodobně jediné ponorky, které jsou na komerčním trhu k dostání, kromě malých dětských RC ponorek, jsou ponorky řady LBV (Obr. 5) od firmy SeaBotix.
Jejich hmotnost je 11 kg a maximální dostupnost je 200 m. Ponorky jsou vybaveny natáčecí kamerou, navijáky, senzory teploty a hloubky [7]. Další dostupnou ponorkou jsou miniponorky ROV (Obr. 6) od firmy QRV System s r.o. Maximální hloubka ponoru ponorek ROV je 150 m [8]. Cena těchto miniponorek se pohybuje okolo 1,5 milionu korun.
Obr. 5: Miniponorka LBV 200 [7] Obr. 6: Miniponorka ROV [8]
14
2 Pohon miniponorky
V současné době existuje několik možných druhů pohonu miniponorek, které se dále dělí na dva základní podle principu ponořování:
• dynamické ponořování,
• statické ponořování.
2.1 Dynamické ponořování
Dynamické ponořování využívá soustavy kormidel pro vertikální pohyb (hloubkových kormidel). Ponorka musí být vyvážena podle Archimédova zákona tak, aby plovala na hladině. Pokud ponorka jede vpřed, je schopna se pomocí hloubkových kormidel ponořit. Z toho vyplívající nevýhodou je, že ponorka není schopna se ponořit bez pohybu vpřed. Výhodou je naopak to, že při ztrátě komunikace nebo poruše napájení se miniponorka sama vynoří a nepotřebuje žádný záchranný systém.
2.2 Statické ponořování
Statické ponořování využívá balastní nádrže, do které načerpá vodu. Tím vzroste hmotnost miniponorky a začne se ponořovat. Pro vynoření musí miniponorka vodu z nádrže zase vyčerpat. Tento systém ponořování používají v mnohem složitějším provedení i skutečné ponorky. Výhodou statického ponořování je schopnost miniponorky se ponořit bez jakéhokoliv zčeření vody. Nevýhodou je, že při poruše napájení nebo komunikace se ponorka sama nevynoří.
Existuje několik typů provedení balastní nádrže. Zde jsou popsány alespoň tři nejčastější:
• uzavřená balastní nádrž a čerpadlo,
• pneumatické ovládání balastní nádrže,
• pístové ovládání balastní nádrže.
15 2.2.1 Uzavřená balastní nádrž a čerpadlo
Čerpadlo načerpá do uzavřené balastní nádrže (Obr. 7) vodu a součastně stlačuje v balastní nádrži vzduch. Balastní nádrž se tedy nikdy nezaplní celá, ale pouze částečně, tj. do jedné poloviny.
Obr. 7: Princip uzavřené balastní nádrže a čerpadla
Ve vrchní části balastní nádrže by mohl být otvor, který by propojil tlak vzduchu v nádrži s tlakem vzduchu v ponorce. Tím by se mohla celá balastní nádrž zaplnit vodou, ale je zde riziko, že by voda mohla proniknout i do ostatních prostor miniponorky a poničit zde řídící elektroniku. Aby bylo této situaci zabráněno, muselo by to být ošetřeno čidlem, které měří výšku hladiny vody v balastní nádrži. Čerpadlo by se pak automaticky vypnulo. Také by bylo možné použít plovákové čidlo, které by otvor ucpalo. Nevýhodou tohoto typu balastní nádrže je, že tlak stlačeného vzduchu v nádrži po vypnutí čerpadla vodu vytlačuje ven a ponorka se pomalu začíná vynořovat.
Tento nežádoucí jev je možné potlačit vstupním obousměrným ventilem nebo regulátorem, který by udržoval nastavenou konstantní hloubku ponoření miniponorky.
2.2.2 Pneumatické ovládání balastní nádrže
Další, velmi jednoduché provedení balastní nádrže, je pneumatické ovládání balastní komory (Obr. 8)
Obr. 8: Princip pneumatického ovládání balastní nádrže
16
V miniponorce je umístěn zásobník na stlačený vzduch, do spodní části nádrže je přivedena hadička, která propojuje balastní nádrž s vodou. Ve vrchní části balastní komory jsou dva ventily. První ventil, ventil 1, je určen na vstup stlačeného vzduchu.
Stlačený vzduch vytlačí vodu z nádrže a ponorka se vynoří. Druhý ventil, ventil 2, je určen na výstup stlačeného vzduchu, kterým se vzduch vypouští. Do balastní nádrže se dostane voda a ponorka se opět ponoří. Hlavní nevýhodou tohoto řešení je omezená kapacita zásobníku na stlačený vzduch. V této situaci by se dal použít i malý kompresor umístěný přímo v ponorce, který by při každém vynoření doplňoval stlačený vzduch do zásobníku. Kompresor má ale velkou spotřebu proudu, což je pro většinu miniponorek nepřijatelné.
2.2.3 Pístové ovládání balastní nádrže
Třetím typem je pístové ovládání balastní komory. (Obr. 9) Pístové balastní komory se dají přesně nastavit do určité polohy. Nevýhodou je, že se v průběhu ponořování a vynořování mění těžiště miniponorky. Tento problém se dá odstranit použitím dvou synchronizovaných pístových balastních komor [9].
Obr. 9: Princip pístového ovládání balastní nádrže
17
2.3 Druh pohonu miniponorky
2.3.1 Tři motory
• Dva motory zajišťují pohyb vpřed a vzad (pomocí H-můstku) a směr ponorky,
• třetí motor zajišťuje ponořování ponorky,
• využívá dynamický systém ponořování.
2.3.2 Dva motory a kormidlo pro vertikální pohyb
• Motory zajišťují pohyb vpřed a vzad (pomocí H-můstku) a směr ponorky,
• kormidlo pro vertikální pohyb zajišťuje ponořování ponorky,
• využívá dynamický systém ponořování.
2.3.3 Dva motory a kormidlo pro horizontální pohyb
• Jeden motor zajišťuje pohyb vpřed a vzad (pomocí H-můstku),
• kormidlo pro horizontální pohyb zajišťuje směr ponorky,
• druhý motor zajišťuje ponořování ponorky.
• využívá dynamický systém ponořování 2.3.4 Dva motory a balastní nádrž
• Motory zajišťují pohyb vpřed a vzad (pomocí H-můstku) a směr ponorky,
• balastní nádrž zajišťuje ponořování ponorky,
• využívá statický systém ponořování.
2.3.5 Jeden centrální motor a kormidla pro vertikální a horizontální pohyb
• Motor zajišťuje pohyb vpřed a vzad (pomocí H-můstku),
• kormidlo pro vertikální pohyb zajišťuje ponořování ponorky,
• kormidlo pro horizontální pohyb zajišťuje směr ponorky,
• využívá dynamický systém ponořování.
18
2.3.6 Centrální motor, balastní nádrž a kormidlo pro horizontální pohyb
• Motor zajišťuje pohyb vpřed a vzad (pomocí H-můstku),
• balastní nádrž zajišťuje ponořování ponorky,
• kormidlo pro horizontální pohyb zajišťuje směr ponorky,
• využívá statický systém ponořování.
2.4 Výběr pohonu miniponorky
Pro pohon miniponorky byl z uvedených možností vybrán druh pohonu s dynamickým systémem ponořování pomocí tří motorů. Stejný systém pohonu používá i již zmíněná miniponorka ROV (Obr. 6). Dva motory jsou umístěny na bočních stranách miniponorky, s jejichž pomocí se řídí směr miniponorky vpřed a vzad, tj. v případě, že se oba motory budou točit směrem vpřed nebo vzad. Pro pohyb vlevo či vpravo postačí, aby se točil pouze jeden motor, a miniponorka se začne otáčet. Pokud by tento princip otáčení nebyl dostatečně efektivní, je možné použít druhý motor, který by se točil opačným směrem a tím pomohl ponorku otáčet. Pohyb nahoru a dolů měl být realizován motorem umístěným horizontálně nad nebo pod trupem ponorky. Tento systém pohonu byl vybrán proto, jelikož se jevil z nabízených pohonů jako nejjednodušší na provedení. Bohužel se však během realizace ukázalo, že funkčnost tohoto systému pohonu velmi záleží na vyvážení miniponorky. To se ale projevilo jako velký problém. Další možností bylo použití pouze jednoho centrálního motoru a miniponorku řídit pomocí kormidel pro vertikální a horizontální pohyb. Tento princip je také poměrně složitý na realizaci, protože kormidla a jejich ovládací táhla jsou zpravidla citlivá na manipulaci a zacházení s ponorkou. Bylo rozhodnuto ponorku předělat a použít statický systém ponořovaní, kde pohyb vpřed, vzad a směr zajišťují již zmíněné dva motory. O vertikální pohyb ponorky se stará čerpadlo, které napouští a vypouští vodu do uzavřené balastní nádrže. Jako motory mohou být použity stejnosměrné DC motory nebo krokové motory. Krokové motory se používají tam, kde je potřeba přesně řídit otáčky motoru nebo kde je nutné přesné nastavení polohy motoru. Krokový motor je speciální druh synchronního motoru, je tvořen sadou cívek, kterými prochází proud. Cívka vytvoří magnetické pole a přitáhne opačný pól magnetu rotoru. Mezi nevýhody krokového motoru patří menší rychlost otáčení a trvalý odběr
19
proudu, i když se motor netočí, jelikož drží zadanou polohu [10]. Pro pohon miniponorky byly použity stejnosměrné motory. Princip stejnosměrného motoru je následující. Komutátor mění směr elektrického proudu a tím i polaritu magnetického pole, které prochází kotvou, dvakrát během jedné otáčky [11]. Stejnosměrné motory byly použity hlavně z důvodu, že neodebírají tolik proudu jako krokové motory a předpokládalo se, že nastavení přesné polohy motoru bude zbytečné.
20
3 Komunikace s miniponorkou
Miniponorka je konstruována tak, aby ji mohl ovládat člověk pomocí vzdáleného řízení, což znamená, že miniponorka není autonomní robot. Z tohoto důvodu je nutné zajistit komunikaci mezi řídícím notebookem a notebookem uživatelským. K těmto účelům přicházeli v úvahu dvě řešení. Bezdrátová komunikace nebo komunikace pomocí UTP kabelu.
3.1 Bezdrátová komunikace
Bezdrátovou komunikaci můžeme rozdělit podle typu nosného média na komunikaci rádiovou pomocí rádiových vln, komunikaci optickou pomocí světla nebo komunikaci pomocí zvuku, tedy sonickou. Dostupná bezdrátová komunikace pro miniponorku by byla možná pomocí RC vysílače, který používají modeláři. Další možností je Bluetooth. V dnešní době asi nejrozšířenější a nejdostupnější je komunikace pomocí Wi-Fi.
3.1.1 Wi-Fi
Bezdrátová technologie Wi-Fi (Wireless Fidelity) je definována standardem IEEE 802.11. Wi-Fi patří do kategorie bezdrátových počítačových sítí, tzv. WLAN (Wireless Local Area Network) a je určena jako náhrada kabelového ethernetu. Jde o bezdrátovou technologii pracující v bezlicenčním pásmu 2,4 GHz, založenou na protokolu 802.11b.
Hlavní výhodou a velké plus pro použití Wi-fi je fakt, že v dnešní době je tato technologie celkem levná. Samozřejmě má ale také své nevýhody. Vzhledem k tomu, že tato zařízení pracují v pásmu 2,4 GHz, mohou kolidovat a být rušeny například mikrovlnnými troubami, bezdrátovými telefony nebo technologií Bluetooth, která také používá stejné pásmo. Existuje také ještě standard 802.11.a, který používá pásmo 5 GHz, čímž by se tento problém vyřešil [12].
3.1.2 Bluetooth
Bezdrátové spojení pomocí bluetooth je definováno standardem IEEE 802.15.1.
Technologie Bluetooth patří do kategorie osobních počítačových sítí, tzv. PAN (Personal Area Network) a byla vytvořena v roce 1994 jako bezdrátová náhrada za
21
sériové rozhraní RS-232. Bluetooth pracuje v bezlicenčním pásmu 2,4 GHz a pro přenos využívá rozprostřené kmitočtové spektrum, kdy je možno během jedné sekundy provést až 1600 přeladění mezi frekvencemi s rozestupem 1 MHz, což zvyšuje odolnost vůči rušení. Zařízení Bluetooth se dále dělí dle výkonnosti do tří tříd (Tab.1).
Tab. 1: Rozdělení Bluetooth dle výkonnostních tříd [13]
Třída Výkon (mW) Výkon (dBm) Dosah (m)
1 100 mW 20 dBm 100
2 2,5 mW 4 dBm 10
3 1 mW 0 dBm 1
Třída 1 by s maximálním dosahem 100 metrů byla pro komunikaci s průzkumnou miniponorkou dostačující, ale jak již bylo uvedeno, pracuje v pásmu 2,4 GHz, a proto má stejné problémy s rušením signálu jako technologie Wi-Fi [13].
3.1.3 RC Vysílače
RC (Radio Controled) je zkratka pro systém přenosu informace z vysílače do přijímače. Signál se nejprve moduluje na kmitočty vyšších frekvencí, které se pomocí vysílačů převádějí na elektromagnetické vlnění. Existují dva základní typy modulace.
Při Amplitudové modulaci (AM) je informace kódování v amplitudě nosného signálu.
U Frekvenční modulace (FM) je informace kódování ve frekvenci nosného signálu.
Nosný kmitočet určuje frekvenci systému. V České republice se používá několik druhů vysílačů s pásmy 27 MHz, 35 MHz nebo 40 MHz. Každé pásmo se dále dělí na kanály, které jsou důležité při provozování více RC vysílačů na jednom místě. Bohužel je většina RC vysílačů pouze jednosměrných, to znamená, že by miniponorka ztratila možnost zobrazovat obraz z kamery a používat čidla. RC vysílače (Obr. 10) jsou také v porovnání s Wi-Fi technologií několikanásobně dražší [14].
22
Obr. 10: Ukázka typického RC vysílače [15]
3.2 Ethernet
Ethernet je název pro technologii budování počítačových sítí typu LAN (Local Area Network). Kromě koaxiálního kabelu a optického vlákna je dnes nejrozšířenější propojení pomocí UTP (Unshielded Twisted Pair) kabelu. Český název pro tento typ kabelu je kroucená dvojlinka (Obr. 11). Kroucená dvojlinka je tvořena čtyřmi páry vodičů, které jsou zakrouceny vedle sebe v pravidelné spirále a následně jsou do sebe zakrouceny i tyto páry. Kroucení slouží ke snížení rušivých vlivů, tzv. přeslechů.
Výhody kroucené dvojlinky oproti koaxiálnímu kabelu jsou takové, že kroucená dvojlinka má větší mechanickou odolnost a dovoluje přenášet data vyšší rychlostí na maximální vzdálenost 100 m [16].
Obr. 11: Kroucená dvojlinka [16]
23
3.3 Absorpce vody
Dalším faktem, který se nesmí u bezdrátového řízení opomenout je, že se ponorka bude pohybovat pod vodou. Z tohoto důvodu si lze položit otázku, jak je to s šířením Wi-Fi signálu a obecně bezdrátového signálu pod vodou. Signál Wi-Fi se šíří pomocí elektromagnetického vlnění. Elektromagnetická vlna se skládá z elektrické a magnetické složky. Při průchodu elektromagnetických vln vodou jsou části elektromagnetického spektra absorbovány na molekuly vody. Voda je silný absorbent elektromagnetických vln mimo úzké pásmo ve viditelném spektru. Pro kmitočty v rozsahu 1-10 GHz, kam spadá i Wi-Fi a Bluetooth, je absorpční konstanta větší než 10 cm-1. Následující graf (Obr. 12) ukazuje, jak je to s šířením elektromagnetického vlnění v rozsahu 0,1-10 GHz, ve třech prostředích. V horní části grafu jsou modré křivky, které znázorňují šíření ve volném prostoru (vzduchu) pro frekvence 100 MHz, 1 GHz, 5 GHz, 10 GHz. Zelenou přerušovanou čarou je zobrazena ztráta výkonu ve sladké vodě. Např. na frekvenci 5 GHz (třetí zelená křivka shora) je výše útlumu 300 dB už ve vzdálenosti 350 mm. Červené křivky znázorňují šíření ve vodě slané [17].
Obr. 12: Šíření elektromagnetického vlnění [17]
24
Z grafu tedy vyplívá, že nejvhodnějšími frekvencemi pro radiovou komunikaci pod vodou jsou frekvence nižší než 100 MHz. V anglicky psané literatuře se uvádí, že dosah Wi-Fi signálu pod vodou je 4 až 5 stop. Stopa je 30,48 cm, dosah je tedy maximálně 1-2 m, což je pro miniponorku velmi málo. Pro komunikaci s miniponorkou nelze použít Wi-Fi ani Bluetooth. RC vysílače by teoreticky mohly být použity, ale je u nich problém s přenosem obrazu z kamery v reálném čase. Toto je i důvod, proč skutečné ponorky nemohou použít radar, místo kterého používají sonar. Pro komunikaci s miniponorkou je tedy nutné použít Ethernet a UTP kabel.
25
4 Vývoj miniponorky 4.1 Návrh miniponorky
Nejprve bylo nutné navrhnout tvar miniponorky a nakreslit výrobní výkres. Tvar ponorky vychází z toho, že má být v ponorce umístěn řídící notebook, dvě baterie balastní komora a další nezbytné části, např. USB karta, čerpadlo a H-můstek, Tato zařízení jsou však menších rozměrů. Ponorka byla navržena do tvaru písmene T.
V dolní části se nachází balastní nádrž a baterie, v horní části je umístěn řídící notebook.
Model ponorky (Obr. 13) a výrobní výkres (Obr. 15) byl vytvořen v programu Autocad.
V programu Autocad byl také zhotoven návrh přední části miniponorky (Obr. 14).
V přední části jsou umístěna světla a webkamera.
Obr. 13: Návrh tvaru miniponorky Obr. 14: Návrh přední části miniponorky
Obr. 15: Výrobní výkres
26
4.2 Realizace miniponorky
Navržený korpus miniponorky byl vyroben v odborné dílně. Poté bylo nutné celý korpus důkladně obrousit (Obr. 16) a přivařit matice, které budou použity k uchycení motorů. Korpus byl opatřen silikonovým těsněním, na které bude dosedat víko ponorky, které bylo vyrobeno ve stejné firmě. Do korpusu i těsnění bylo vyvrtáno 16 otvorů pro šroub M6x20, který stáhne víko ke korpusu miniponorky přes silikonové těsnění. Tím se zamezí vnikání vody do trupu ponorky. Pro větší spolehlivost byl gumovým těsněním opatřen i tento spojovací materiál (Obr.17).
Obr. 16: Korpus miniponorky Obr. 17: Spojovací materiál
Do ponorky byl nainstalován ventilek, pomocí kterého je v miniponorce možné zvýšit tlak a sledovat případnou netěsnost při úniku vzduchových bublin. Samostatnou kapitolou je modul s motorem. Nejprve byly jako motory zamýšleny čtyři procesorové ventilátory (Obr. 18) od firmy Intel, které se ale během testů ukázaly jako málo výkonné a tudíž nevyhovující.
Obr. 18: Procesorový větrák
27
Ventilátory byly nahrazeny motory, které byly vymontovány z mechanismu stahování okének u vozidla Peugeot. Tyto motory jsou v porovnání s větrákem o poznání silnější. Pomocí tzv. gufera, které slouží jako těsnění mezi motorem a vodou, byla na motor umístěna 7listá vrtule o průměru 80 mm. Motor s vrtulí byl umístěn do plastové roury o průměru 100 mm a byl opatřen mřížkou. Mřížka zamezuje vniknutí listů, řas a dalších nečistot do blízkosti motoru a tím zamotání se a zastavení vrtule.
Takto upravený motor je připraven k uchycení k trupu miniponorky pomocí šroubů M8x12 na již připravené matice. Další kapitolou je balastní nádrž, která byla vytvořena z plastové nádoby, do které bylo umístěno pět děrovaných přepážek. Přepážky mají zamezit vzniku vln uvnitř balastní nádrže a tím zhoršení stability miniponorky. Dále bylo do ponorky umístěno čerpadlo, které nasává vodu z vně ponorky a čerpá jí do nádrže. Tímto způsobem ponorka mění svoji hmotnost a při správném vyvážení je schopna se ponořit nebo vynořit. Čerpadlo je z automobilu Škoda 120, má průtok 1,6 l/min a dokáže načerpat tlak okolo 3,7 atm. Poté byla vytvořena přední část ponorky, která byla koncipována nejen tak, aby byla ponorka více aerodynamičtější a lépe se pohybovala ve vodě, ale i z funkčního hlediska. V přední části miniponorky je umístěna webová kamera Genius Eye 110, a také 30 LED diod. Na závěr byla miniponorka (Obr. 19) celkově rozebrána a opatřena žlutou barvou, která ponorku chrání nejen před korozí, ale také zlepšuje její viditelnost.
Obr. 19: Hotová miniponorka
28
4.3 Vnitřní uspořádání miniponorky
Vnitřní uspořádání miniponorky bylo koncipováno tak, aby případné vniknutí vody způsobilo co nejméně škod. Balastní komora (Obr. 20) je umístěna v nejnižší části trupu miniponorky také proto, aby bylo těžiště celé miniponorky co nejníže a tím se zvětšila stabilita celého modelu. Vedle balastní nádrže jsou dva hermeticky uzavřené olověné akumulátory o kapacitě 7,2 Ah, které mohou být umístěny v jakékoliv poloze.
Oba akumulátory pomáhají držet těžiště miniponorky co nejníže. Při případném zaplavení spodní části miniponorky by nevznikla tak velká škoda, jako kdyby byla zaplavena řídící elektronika. Kontakty baterií jsou umístěny 12 cm od spodní části ponorky. Řídící elektronika se skládá z USB experimentální karty K8055, na kterou je připojen H-můstek ovládající čerpadlo a reléový můstek ovládající směr a spuštění obou motorů. V horní části je umístěn řídící notebook s procesorem 1,7 GHz, pamětí 512MB a pevným diskem o kapacitě 20 GB, která je pro ukládání videa dostačující. Vnitřní uspořádání miniponorky je zobrazeno na obrázku (Obr. 21).
Obr. 20: Umístění balastní komory Obr. 21: Vnitřní uspořádání miniponorky
4.4 Vyvážení miniponorky
Vyvážení miniponorky je velmi důležité. Později se také ukázalo, že je velmi složité. Miniponorka, jako všechno ostatní, podléhá Archimédovu zákonu.
„Těleso ponořené do kapaliny je nadlehčováno silou, rovnající se tíze kapaliny
stejného objemu jako je ponořená část tělesa.“
Archimédes
29
Je-li hmotnost ponorky nižší než její objem, vyplave na hladinu. Je-li hmotnost stejná, bude miniponorka volně plovat. Pokud je hmotnost vyšší než hmotnost vody objemem ponorky vytlačené, bude ponorka klesat na dno. Princip Archimédova zákona je znázorněn na obrázku (Obr. 22) a lze ho písemně vyjádřit pomocí vzorce (1) [18].
Obr. 22: Princip Archimédova zákona
Archimédův zákon:
F =FG −FVZ =V×g(ρt −ρk)
(1)
Tíhová síla:
FG =m×g =V×ρt×g (2) Hydrostatická vztlaková síla:
FVZ =V ×ρk ×g
(3)
Objem tělesa
V =m /ρt
(4)
Vysvětlivky:
m … hmotnost tělesa, V … objem tělesa,
g … gravitační konstanta (9,806 65 m·s-2), ρ k …hustota kapaliny, ρ t …hustota tělesa.
30 4.4.1 Objem miniponorky
Prvním krokem, který je nutný při vyvažování miniponorky udělat, je výpočet jejího objemu. Rozdělení objemu miniponorky je znázorněno v tabulce (Tab. 2).
Tab. 2: Objem miniponorky
část ponorky objem [dm^2]
Hlavní tělo ponorky 20,2
Přední část ponorky včetně kamery 3,05
Přední světla 0,65
Víko ponorky 0,44
PVC trubka pro motor 2x 2x 0,44
Motor včetně vrtule 2x 2x 0,22
Celkový objem ponorky 25,66
Největší část z celkového objemu, téměř 80 %, zabírá tělo miniponorky. Objem byl vypočten ze znalosti rozměrů hlavního těla miniponorky, stejně tak tomu bylo u přední části a předních světel ponorky. Objem PVC trubky pro motor lze také spočítat. Vzhledem k tomu, že jde pouze o objem daného materiálu, lze ho spočítat minimálně dvěma způsoby. První způsob vychází ze znalosti rozměrů a tloušťky materiálu. Tímto způsobem byl vypočten objem 0,44 dm3. Druhý způsob závisí na znalosti hustoty materiálu a hmotnosti. Dosazením do vzorce (4) byl vypočten objem 0,36 dm3. Ve výsledku je vidět, že obě tyto hodnoty se mírně liší. Tento postup byl aplikován i na víko ponorky, kde byl pomocí výpočtu se znalostí rozměrů a tloušťky materiálu vypočítán objem 0,44 dm3. Pomocí hustoty materiálu a hmotnosti vychází objem víka miniponorky jen nepatrně odlišný, a to 43,3 dm3. Nejsložitější bylo zjištění objemu motoru miniponorky (Obr. 23). Zde nešel použít ani jeden z předchozích postupů. Proto bylo při výpočtu tohoto objemu využito Archimédova zákona, vzorec (1). Motor byl vložen do vody a byl změřen objem vody, kterou motor vytlačil.
Celkový objem miniponorky je 25,66 dm3. Hustota sladké vody je závislá na teplotě vody. Pro teplotu 20°C je hustota vody 998,2 kg·m-3. Aby miniponorka plovala ve vodě, musí vážit 25,61 Kg. Pokud by měla miniponorka pracovat v mořské vodě, musela by být o něco těžší. Hustota mořské vody je 1024 kg·m-3. Miniponorka by tedy pro použití v mořské vodě měla vážit 26,27 kg [18].
31
Obr. 23: Motor miniponorky
4.4.2 Hmotnost miniponorky
Druhým, neméně důležitým, krokem při vyvažování je zjištění hmotnosti miniponorky a dovážení popřípadě odlehčení miniponorky. Celková váha miniponorky je 21,24 kg. Hmotnost jednotlivých komponent je rozepsána v tabulce (Tab. 3).
Tab. 3: Hmotnost miniponorky
část ponorky hmotnost [g]
Hlavní tělo ponorky 6100
Víko ponorky 3400
Baterie 2x 2 x 2400
Přední část ponorky včetně kamery 1265
Řídící notebook 1047
Přední světla 981
Motor včetně vrtule 2x 2x 610
Balastní komora 568
PVC trubka pro motor 2x 2x 437
Čerpadlo 274
Spojovací materiál 226
USB karta K8055 včetně kabelu 154
H - můstek na čerpadlo 149
H - můstek na motory 92
Polystyren 90
Celková hmotnost ponorky 21240
Miniponorku je tedy nutné dovážit o 4,37 kg. Při dovažování miniponorky je nutné brát ohled na to, že by těžiště mělo být položeno co nejníže, aby měla ponorka potřebnou stabilitu. Balastní nádrž by měla mít své těžiště v celkovém těžišti ponorky,
32
aby se při napouštění nebo vypouštění balastní nádrže neměnil náklon ponorky. Ve skutečnosti bylo nutné miniponorku dovážit o 5,2 kg. Je to dáno nepřesným výpočet objemu a nepřesným zjištěním hmotnosti miniponorky.
4.5 Záchranný systém miniponorky
Každá miniponorka by měla mít svůj vlastní bezpečnostní systém neboli záchranné zařízení. Nejčastější situací, kdy je toto zařízení potřebné, je ztráta řídícího signálu. Miniponorka by měla okamžitě začít vypouštět balastní komoru. Další situací, která by mohla zapříčinit ztrátu miniponorky, je vybití baterií. I v tomto případě by měla miniponorka začít vypouštět balastní komoru. Tyto funkce by mohl zajistit jednoduchý obvod s mikroprocesorem, který by monitoroval napětí na bateriích.
Dalšími bezpečnostními prvky jsou elektronická čidla monitorující průnik vody do miniponorky. Jejich výstup by mohl být přiveden na analogové nebo digitální vstupy USB Experimentální karty K8055. Program by upozornil operátora nebo by mohl ponorku automaticky vynořit. V této souvislosti by bylo dobré zmínit jeden velmi starý a zajímavý trik, který je používán od dob prvních miniponorek. Je jím čidlo vytvořené z obyčejného dětského piškotu sevřeného kolíčkem mezi dva plíšky. Když se do ponorky dostane voda, piškot se rozpustí, kontakty se spojí a signál může být opět přiveden na analogový nebo digitální vstup řídící karty. Mezi další problémy, do kterých se může miniponorka dostat, lze zařadit zaseknutí ponorky pod vodou o nějaký kmen stromu nebo zamotání do vodních řas. Pro tento případ je možné na spodní část miniponorky umístit elektromagnet, který drží závaží. V případě nouze se elektromagnet vypne, závaží se uvolní a miniponorka získá dostatečný vztlak k tomu, aby se uvolnila a vyplula na hladinu. Elektromagnet lze použít i na vybité baterie.
Pokud se baterie vybije, elektromagnet se vypne a ponorka díky vyššímu vztlaku vypluje na hladinu. Tento systém má dvě nevýhody - nevratnou ztrátu závaží a stálý odběr proudu. Mezi další záchranné zařízení patří záložní baterie nebo nouzová signální bóje, která vypluje na hladinu a označí místo havárie ponorky. Realizovaná miniponorka nemá nainstalovaný žádný záchranný systém. Je připevněna k řídícímu kabelu, pomocí kterého lze miniponorku v případu nouze vytáhnout, což se už několikrát velmi dobře osvědčilo [19].
33
5 Ovládací software miniponorky 5.1 Experimentální USB karta K8055
Miniponorka, respektive řídící notebook v miniponorce, je připojen pomocí UTP kabelu k uživatelskému notebooku. Uživatelským notebookem se rozumí notebook na souši, přes který ovládá operátor řízení miniponorky. Počítače jsou tedy připojeny do společné sítě. Řídící aplikace je spuštěna na řídícím počítači umístěném v ponorce, ale je ovládána z uživatelského notebooku pomocí tzv. vzdálené plochy. K řídícímu notebooku je přes USB rozhraní připojena USB Experimentální karta K8055 (Obr. 24).
Tato karta obsahuje 5 digitálních vstupů a 8 digitálních výstupů, dále jsou na desce k dispozici 2 analogové 8 bitové vstupy a 2 analogové 8 bitové výstupy. Ke kartě je připojeny 2x digitální výstup pro levý motor, 2x digitální výstup pro pravý motor, 2x digitální výstup pro čerpadlo a 1x digitální výstup pro světla. V ponorce je také Webkamera, která je stejně jako USB karta připojena přes USB k řídícímu notebooku.
Obr. 24: USB experimentální karta K8055
34 5.1.1 Rozšíření vstupů a výstupů karty
Počet vstupů a výstupů je možné rozšířit. K jednomu počítači lze pomocí USB rozhraní připojit až 4 karty. Každé kartě se musí přiřadit identifikační číslo neboli adresa pomocí jumperů SK5 a SK6, jak je to zobrazeno v tabulce (Tab. 4).
Tab. 4: Vyjádření Adresy karta pomocí jumperů SK5 a SK6 [20]
SK5 SK6 ADRESA
ON ON 0
OFF ON 1
ON OFF 2
OFF OFF 3
5.1.2 Nastavení karty
Obr. 25: Důležité prvky pro nastavení USB karty [20]
Vysvětlení odkazů ve schématu:
1. pět digitálních vstupů 2. dva analogové vstupy
3. jumper pro nastavení vstupního napětí – SK3 4. jumper pro nastavení vstupního napětí – SK2 5. nastavení interního napětí vstupu A1
35 6. nastavení interního napětí vstupu A2 7. nastavení adresy karty
8. analogové výstupy 9. digitální výstupy
10. propojení pomocí USB s počítačem
5.2 Požadavky na ovládací program
• Připojení karty,
• připojení kamery,
• online obraz z kamery,
• videozáznam obrazu z kamery,
• světla = zapnout/vypnout,
• pohyb vpřed = levý i pravý motor vpřed,
• pohyb vzad = levý i pravý motor vzad,
• pohyb vlevo = pravý motor vpřed + levý motor vzad,
• pohyb vpravo = levý motor vpřed + pravý motor vzad,
• pohyb dolu (ponořit) = čerpadlo napustit balastní nádrž,
• pohyb nahoru (vynořit) = čerpadlo vypustit balastní nádrž,
• možnost nastavení pulzně šířkové modulace na čerpadlo,
• ovládání pomocí kláves,
• možnost nastavení vlastních kláves,
• zobrazení stavu miniponorky.
5.3 Programování ovládacího programu
Celý ovládací program pro miniponorku byl napsán v jazyce Pascal v prostředí Delphi 7 Second Edition. Delphi je integrované grafické prostředí od firmy Borland určené pro tvorbu aplikací pod operačním systémem Windows. Programování v Delphi je z velké části založeno na použití komponent. Bohužel standardní verze Delphi obsahuje pouze základní knihovny potřebné pro běh aplikace pod operačním systémem Windows. Bylo nutné nainstalovat knihovnu pro práci s videem, pomocí níž by bylo možné realizovat zobrazování a nahrávání videa. Nejvhodněji se jevila knihovna
36
s názvem DSPack. Poslední verze má označení DSPack 2.3.4 a je volně ke stažení ze zdroje [21]. DS v názvu pochází z anglického slova DirectShow. Tento balík tříd a objektů slouží právě k vytváření multimediálních aplikací s využitím rozhraní DirectShow a DirectX od Microsoftu. Pomocí DSPacku lze vytvořit aplikaci pro práci s DVD a MP3, pro snímání a kompresi videa a také pro práci s webovými kamerami nebo televizními kartami.
Program pro ovládání miniponorky lze rozdělit do dvou hlavních částí. První částí programu je ovládání motorů, čerpadla a světel miniponorky pomocí Experimentální USB karty 8055. Druhá část programu se týká zobrazení obrazu z webkamery a pořízení jeho videozáznamu.
5.4 Ovládání motorů pomocí Experimentální USB karty 8055
Nejprve bylo nutné do Delphi přidat knihovnu s názvem “K8055D.DDL”
(Dynamic Link Library). Tato knihovna obsahuje funkce pro navázání a ukončení komunikace s kartou, pro čtení dat z analogových či digitálních vstupů a pro zápis dat na analogové nebo digitální výstupy [22].
5.4.1 Přehled důležitých funkcí knihovny „K8055D.DDL“
Otevření a uzavření komunikace s kartou:
• OpenDevice (Adresa karty) – Otevření komunikace s kartou,
• CloseDevice – Ukončení komunikace s kartou.
Analogové vstupy:
• ReadAnalogChannel (Číslo vstupu) – Načtení stavu analogového vstupu,
• ReadAllAnalogChannel – Načtení stavu všech analogových vstupů.
Analogové výstupy:
• OutputAnalogChannel (Číslo výstupu, Data) – Nastavení analogového výstupu podle dat,
• OutputAllAnalogChannel (Data1, Data2) – Nastavení analogových výstupů podle dat,
37
• ClearAnalogChannel (Číslo výstupu) – Nastavení jednoho analogového výstupu na minimum,
• ClearAllAnalogChannel – Nastavení všech analogových výstupů na minimum,
• SetAnalogChannel (Číslo výstupu) – Nastavení jednoho analogového výstupu na maximum,
• SetAllAnalogChannel – Nastavení všech analogových výstupů na maximum.
Digitální výstupy:
• WriteAllDigital (Data) – Nastavení všech digitálních výstupů podle dat,
• ClearDigitalChannel (Číslo výstupu) – Vymazání jednoho digitálního výstupu,
• ClearAllDigital – Vymazání všech digitálních výstupů,
• SetDigitalChannel (Číslo výstupu) – Nastavení jednoho digitálního výstupu,
• SetAllDigital – Nastavení všech digitálních výstupů.
Digitální vstupy:
• ReadDigitalChannel (Číslo vstupu) – Načtení stavu jednoho digitálního vstupu,
• ReadAllDigital (Buffer) – Načtení stavu všech digitálních vstupů.
Funkce čítače:
• ResetCounter (Číslo čítače) – Nastavení 16 bitového čítače 1 nebo 2 na nulu,
• ReadCounter (Číslo čítače) – Načtení obsahu čítače 1 nebo 2,
• SetCounterDebounceTime (Číslo čítače, doba trvání) – Nastavení doby trvání skoku čítače.
5.4.2 Připojení Miniponorky
Prvním úkolem, který je po spuštění aplikace nutný udělat, je připojení Experimentální USB karty K8055. K připojení slouží panel Připojení Miniponorky (obr. 26). Zde musí být zadána adresa karty, která je nastavená pomocí jumperů na kartě, podle již zmíněné tabulky 4. Po stisknutí tlačítka PŘIPOJIT a úspěšném připojení karty se zobrazí hláška, která oznamuje úspěšné připojení miniponorky (Obr. 27).
Pokud se zobrazí hláška, oznamující že karta nebyla nalezena (Obr. 28), je nutné
38
překontrolovat nastavenou adresu karty, jestli souhlasí s adresou nastavenou pomocí jumperů SK5 a SK6.
Obr. 26: Připojení miniponorky
Obr. 27: Úspěšné připojení karty Obr. 28: Neúspěšné připojení karty
5.4.3 Ovládání Miniponorky
Panel Ovládání Miniponorky (Obr. 29) slouží převážně operátorovi miniponorky k tomu, aby věděl, jaká klávesa zastupuje jakou funkci. Klávesy jsou při spuštění programu automaticky přiřazeny daným funkcím, tudíž je obsluha miniponorky nemusí po každém zapnutí nastavovat. Nastavení kláves lze změnit. Po stisknutí tlačítka Změnit Klávesy se objeví nový formulář (obr. 30), ve kterém lze klávesy jednoduše změnit.
Obr. 29: Ovládání miniponorky Obr. 30: Formulář nastavení ovládání
39 5.4.4 Stav Miniponorky
Panel Stav Miniponorky (Obr. 31) podává obsluze miniponorky informace o svém stavu. Zobrazuje, zda se ponorka pohybuje vpřed, vzad, vlevo nebo vpravo. Tyto funkce se samozřejmě vzájemně vylučují. Jedna funkce vypne všechny ostatní funkce, ponorka nemůže jet zároveň vpřed a vzad. Pokud by byl poslán požadavek na pohyb ponorky zároveň vpřed i vzad a nebylo to takto ošetřeno, mohly by být zničeny motory nebo řídící elektronika. Dále panel informuje o ponořování a vynořování miniponorky. Tyto funkce se také vzájemně vylučují. Panel zobrazuje informaci o tom, jestli je čerpadlo modulováno nebo nikoliv. V poslední řade je zde informace o funkci světel a nahrávání záznamu z kamery. Panel Stav Miniponorky, je společně s panelem Zobrazení obrazu z kamery nejdůležitějším panelem pro obsluhu miniponorky, protože je to jediná informace o tom, co se s ponorkou děje.
Obr. 31: Stav miniponorky
5.4.5 PWM modulace
Pulzně šířková modulace, dále jen PWM (Pulse Width Modulation), je způsob diskrétní modulace pro přenos analogového signálu. Jde o signál s konstantní periodou, kde se mění střída napětí. Střída je poměr délky impulzu k délce mezery, uvádí se zápisem 2:1 (67%), 1:1 (50%) nebo 1:5 (17%). V zahraniční literatuře se střída označuje anglickým výrazem Duty Cycle. Princip PWM je zobrazen na (Obr 32). Panel s názvem PWM modulace (Obr. 33) je určen k modulování napětí na čerpadle, které napouští a vypouští vodu z balastní nádrže. Tím lze regulovat jak rychlost napouštění a vypouštění nádrže, tak i sílu čerpadla, kterou je u silnějšího čerpadla třeba omezit.
Mohlo by se stát, že čerpadlo stlačí vzduch v balastní nádrži natolik, že nádrž tento tlak nevydrží.
40
Obr. 32: Princip PWM modulace Obr. 33: Panel PWM modulace
5.4.6 Zapnutí / vypnutí světel
Panel Zapnutí / vypnutí světel (obr. 34), jak už název napovídá, slouží pouze pro zapnutí nebo vypnutí světel. Tuto operaci lze provádět pomocí tlačítek umístěných na panelu nebo pomocí klávesy, která reprezentuje tuto funkci.
Obr. 34: Panel Zapnutí / vypnutí světel
5.5 Zobrazení obrazu z webkamery
V této části programu jsou kromě základních knihoven použity i knihovny z balíku knihoven DSPack, konkrétně DSUtils, DSPack a DirectShow9. Pro zobrazení obrazu z kamery a jeho nahrávání slouží tři panely. Mezi ně patří Výběr kamery a kodeku, Nahrávání videa a Zobrazení videa z kamery. Jsou zde použity čtyři hlavní komponenty ze zmíněného balíku. První komponentou je TFilterGraph. Tato komponenta je centrálním prvkem v DirectShow, která zařizuje synchronizaci ostatních komponent. Další je TFilter, který připojuje konkrétní filtr ke komponentě TFilterGraph. Třetí komnopentou je TSampleGrabber, který zajišťuje zaznamenávání
41
jednotlivých snímků videa. Poslední komponentou použitou z knihovny DSPack je TVideoWindow, což je vizuální komponenta pro zobrazení videa v aplikaci.
5.5.1 Výběr kamery a kodeku
Po zapnutí aplikace se na panelu Výběr kamery a kodeku (Obr. 35) v prvním Listboxu zobrazí seznam kamer připojených k řídícímu notebooku umístěném v ponorce. Po vybrání kamery se do druhého Listboxu načte seznam kodeků, které tato kamera podporuje a obsluha miniponorky si zde může vybrat, jakým formátem bude video streemováno a jaké bude mít rozlišení.
Obr. 35: Výběr kamery a kodeku
5.5.2 Nahrávání videa
V panelu Nahrávání videa (Obr. 36) si obsluha může vybrat složku a název souboru, kam bude video ukládáno. Pokud tak neučiní, bude video ukládáno do složky automaticky. Zde nastává problém, že by mohlo být video přemazáno videem se stejným názvem. Tento problém se dá ošetřit minimálně dvěma způsoby. Prvním způsobem je, že si program otevře složku a načte nejvyšší prefix z názvu souboru. Ten poté postupně inkrementuje a ukládá video postupně do souborů např. jako Capture1, Capture2 a Capture3. Druhý způsob, který je použitý i v tomto program, je pomocí data a času. Datum a čas je v každém okamžiku unikátní, a proto nemůžou vzniknout dva stejné názvy. Program při stisku tlačítka start nahrávání zjistí datum a čas, který následně převede do názvu souboru. Formát názvu souboru je pak následující:
captureDD.MM.RR.hod-min-sec.avi.
42
Obr. 36: Panel nahrávání videa
5.5.3 Zobrazení obrazu z kamery
Na panel Zobrazení obrazu z kamery (Obr. 37) se zobrazuje obraz z kamery umístěné v ponorce. I když se tato část programu zdá nejjednodušší, je tomu přesně naopak. Tato část byla při psaní programu nejsložitější. Pro vysvětlení této problematiky je zde ukázán kus zdrojového kódu.
Obr. 37: Panel zobrazení obrazu z kamery Ukázka zdrojového kódu:
FilterGraph1.ClearGraph;
FilterGraph1.Active := false;
Filter1.BaseFilter.Moniker := SysDev.GetMoniker(index);
FilterGraph1.Active := true;
with FilterGraph1 as ICaptureGraphBuilder2 do
RenderStream(@PIN_CATEGORY_PREVIEW, nil, Filter1 as IBaseFilter, SampleGrabber1 as IBaseFilter, VideoWindow1 as IbaseFilter);
FilterGraph1.Play;
43
Nejprve program provede proceduru ClearGraph, která vymaže obsah Filtergraph1 a nastaví vlastnost jeho Active na false. Poté proběhne očíslování kamery, která se přiřadí komponentě Filter1 a aktivuje se Filtegraph1. Filtergraph1 pomocí parametrů PIN_CATEGORY_PREVIEW, zobrazí náhled obrazu přes Filter1 do vizuální komponenty VideoWindow1, kde může operátor miniponorky sledovat obraz z kamery.
Na obrázku (obr. 38) je celkový pohled na uživatelské prostředí celého programu.
Obr. 38: Uživatelské prostředí aplikace
44
6 Další vývoj miniponorky
Realizace miniponorky je zajímavá také tím, že vývoj miniponorky nikdy nekončí. Na miniponorce se vždycky najde něco, co by se dalo vylepšit. Miniponorku lze dále rozšiřovat o různé technické vybavení. Během testování a provozování se také ukázalo několik menších nedostatků.
Kamerový systém
Vylepšení by si nejvíce zasloužil kamerový systém miniponorky. V současné době je v miniponorce umístěna pouze jedna kamera, která je pouze statická a má malé rozlišení. Kvalita obrazu byla také zhoršena působením vlivu slunečního záření, které se odráželo od přední části miniponorky, a obraz byl příliš přeexponovaný. Bylo by vhodné, aby byla miniponorka opatřena kamerou, která by měla kvalitnější rozlišení a snímání obrazu, byla schopna otáčení a naklápění např. pomocí servomotorů. Další možností vylepšení by bylo vybavit miniponorku více kamerami a snímat tak její okolí z více úhlů.
Osvětlení
Kvalita obrazu je také závislá na kvalitě osvětlení ponorky. Miniponorka disponuje 30 LED diodami. Bylo by vhodné její osvětlení rozšířit a přidat další světelné LED diodové panely.
Měření hloubky
Hloubku ponoření ponorky by bylo možné měřit pomocí velmi citlivého čidla tlaku. Údaj z tohoto čidla lze přepočítat ze znalosti, že hydrostatický tlak roste v kapalině s hloubkou. Další možností jak měřit hloubku ponoru miniponorky je použití ultrazvukového čidla vzdálenosti.
Regulace hloubky ponoru
Velmi užitečnou funkcí by bylo regulování hloubky ponoru. Hloubka ponoru miniponorky by šla regulovat užitím výstupu z měření hloubky miniponorky a pomocí
45
regulátoru udržovat konstantní hloubku. Další možností je měřit a udržovat výšku hladiny v balastní komoře.
Měření teploty
Teplotu vody lze měřit pomocí odporového snímače teploty, bimetalovými teploměry, infračervenými teploměry nebo pomocí termočlánku. Nejjednodušší měření teploty je pomocí termočlánku. Termočlánek se skládá ze dvou různých kovů, které jsou na jednom konci spojené. Změna teploty v tomto spoji dvou kovů způsobí změnu termoelektrické síly.
Ostatní vylepšení
Pokud by měla ponorka za úkol průzkum jezera nebo řeky, asi by se neobešla bez přístroje monitorujícího profil dna. Velmi zajímavým doplňkem miniponorky by mohla být také robotická ruka, která by byla schopna sbírat vzorky ze dna. Dalším krokem ve vývoji miniponorky by mohlo být její bezdrátové řízení, které již bylo zmíněno v kapitole 3. K uživatelskému notebooku by šlo připojit joystick nebo gamepad, pomocí kterého by bylo možné miniponorku pohodlněji řídit.
46
Závěr
Cílem bakalářské práce bylo navrhnout a zrealizovat mechanickou konstrukci dálkově řízené miniponorky.
Konstrukce byla rozdělena do několika samostatných funkčních bloků, mezi které lze zařadit motory, světla, přední část s kamerou a samostatné tělo miniponorky. Tyto bloky se dají jednoduše odmontovat a nahradit novými. V souladu se zadáním byl navržen a vytvořen korpus miniponorky, který byl opatřen těsněním s otvory pro uchycení víka. K bočním stranám miniponorky byly přidělány moduly s motorem, které mohou pomocí H-můstku měnit svůj směr. Miniponorka používá statický systém ponořování pomocí balastní nádrže a čerpadla. V práci jsou popsány i další možné systémy pohonu. Přední část miniponorky tvoří modul s osvětlením a webkamerou, ze které je obraz přenášen pomocí UTP kabelu a vzdálené plochy až do aplikace ovládající miniponorku. V práci je zmíněna možnost bezdrátového řízení miniponorky. Možnost bezdrátového řízení je vzhledem k absorpci vody značně omezená.
Již zmíněná aplikace ovládající miniponorku je také součástí práce. Pomocí této aplikace může operátor miniponorku řídit, sledovat její stav a pořizovat záznam z webkamery. Aplikace využívá volně šiřitelné knihovny DSPack, která slouží k vytváření multifunkčních aplikací.
Dle zadání byl vytvořen funkční prototyp miniponorky a nastíněny možnosti dalšího vývoje miniponorky v dalších letech.
47
Seznam použité literatury
[1] Military. Německé zbraně [online]. [cit. 2011-05-16].
URL: <www.military.cz/german/miniponorky.htm>.
[2] EnviWeb. Ruské miniponorky zkoumají Bajkal [online]. [cit. 2011-05-16].
URL: <www.enviweb.cz/clanek/priroda/71687/>.
[3] HNTech. Podmořský robot uskutečnil ponor do Mariánského příkopu [online].
[cit. 2011 05-16]. URL: <www.tech.ihned.cz/c1-37324930-podmorsky-robot- uskutecnil-ponor-do-marianskeho-prikopu>.
[4] Athena. Exploring the depths with Nereus [online]. [cit. 2011-05-16].
URL:<www.athenadr.wordpress.com/2009/06/03/exploring-the-depths-with nereus/>.
[5] NoRNC Pictures. Alvin [online]. [cit. 2011-05-16].
URL: <www.nornc.com/stuff/liners/titanic/alvin.gif>.
[6] INSU cnrs. Le Victor 6000 [online]. [cit. 2011-05-16].
URL: <www.insu.cnrs.fr/image1602,victor-6000.html>.
[7] SeaBotix. LBV200-4 [online]. [cit. 2011-05-16].
URL: <www.seabotix.com/products/lbv200-4.htm>.
[8] QRV Systems. ROV Sentinel 2.1 [online]. [cit. 2011-05-16].
URL: <www.qrv.cz/aurel_sel.php?tema=8>.
[9] RC Revue. Potichu a rychle – dolů II. 2001/6,s.43-45 [10] Robotika. Krokové motory. [online]. [cit. 2011-05-16].
URL: <www.robotika.cz/articles/steppers/en>.
[11] Elektrika. Princip stejnosměrných motorů. [online]. [cit. 2011-05-16].
URL: <www.elektrika.cz/data/clanky/princip-stejnosmernych-motoru>.
[12] HW. Co je to WiFi – úvod do technologie. [online]. [cit. 2011-05-16].
URL: <www.hw.cz/ethernet/wifi/wifi_co_to_je.html>.
[13] Sony Ericsson. Vše o Bluetooth. [online]. [cit. 2011-05-16].
URL: <www.sonyericssony.cz/ostatni/vse-o-bluetooth.html>.
48
[14] KolmanL. Principy řízení modelu rádiem. [online]. [cit. 2011-05-16].
URL: <http://www.kolmanl.info/index.php?show=radio_princip>.
[15] RC Modely. Módy RC vysílačů [online]. [cit. 2011-05-16].
URL: <www.volny.cz/vladimir__p/ModyVysilacu.html>.
[16] ARI. Průmyslová komunikace [online]. [cit. 2011-05-16].
URL: <www.ari.wikidot.com/prumyslova-komunikace>.
[17] Science. Ask a scientist [online]. [cit. 2011-05-16].
URL: <www.science.ca/askascientist/viewquestion.php?qID=1767>.
[18] MATEMATICKÉ, FYZIKÁLNÍ A CHEMICKÉ TABULKY. Havlíčkův Brod:
Fragment, 2003. 287 s. ISBN 80-7200-521-9.
[19] RC Revue. Potichu a rychle – dolů. 2001/5,s.44-45
[20] Valleman. Konstrukční návod + návod k obsluze [online]. [cit. 2011-05-16].
URL: <www.vellemanusa.com/us/enu/download/files/>.
[21] DSPack. Multimedia components for Delphi. [online]. [cit. 2011-05-16].
URL: <www.dspack.googlecode.com/files/dspack2.3.4.zip >.
[22] Electrokit. K8055dll [online]. [cit. 2011-05-16].
URL: <www.electrokit.se/download/k8055dll.pdf>.
49
Přílohy
Příloha A - Přiložené CD
Přiložené CD obsahuje:
• Bakalářská práce (ve formátu PDF)
• Aplikace pro ovládání miniponorky
• Zdrojový kód aplikace pro ovládání miniponorky (ve formátu PDF)
• Návrhy miniponorky (ve formátu DWG)
• Fotografie a videa miniponorky
Příloha B - Fotografie miniponorky
Příloha B: Fotografie miniponorky
50
Příloha C - Fotografie pořízená miniponorkou I
Příloha C: Fotografie pořízená miniponorkou I
Příloha D - Fotografie pořízená miniponorkou II
Příloha D: Fotografie pořízená miniponorkou II
