بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله طراحی و ساخت یک ربات هوشمند زیرسطحی نوع هاورینگ ارائه شده است. انجام عملیات پیچیده زیر سطحی تنها با استفاده از رباتی که قابلیت هاورینگ ،کنترل پذیری و مانور بالارا دارد انجام پذیر است و این امر با سرعت و دقت بالا، سبب کاهش هزینه های مصرفی و کاهش خطر بکارگیری نیروی انسانی می شود. .به منظور یک ترکیب ایده آل از نظر مصرف انرژی و پیچیدگی کنترلر، جهت ،تعداد وموقعیت تراستر ها به بهترین نحو بهینه سازی شده است تا قدرت مانور بالا برای ربات تامین گردد. ربات مورد ارائه رباتی با انعطاف پذیری بالاست که امکان تغییر و پایدار سازی در شش درجه آزادی را فراهم می کند. از ویژگی ها مهم در ساخت این شناور استفاده از وسایل و مواد ارزان قیمت و قابل دسترس مانند لوله های پلی اتیلن ،تفلون و... می باشد. استفاده از موتورهای موجود و قابل دسترس و آببندی آنها به کمک تجهیزات داخلی از دیگر مزایای شناور ساخته شده می باشد.
مقدمه
در حالی که بیش از 70 درصد از سطح زمین توسط آب پوشیده شده و این سطح معادل بیش از 10برابر سطح ماده است امروزه تنها کمتر از 10 درصد اقیانوس ها و دریاها مورد جستجو قرار گرفته است. در دهه های اخیر با رشد روز افزون جمعیت نیاز به منابع جدید انرژی بیش از پیش احساس میشود و این در حالی است که دریاها سرشار از منابع انرژی و معدنی است اکنون سرمایه گذاریهای گسترده در صنایع دریایی این صنعت را به عنوان صنایع پیشرو در توسعه اقتصادی بسیاری از کشورها تبدیل کرده، همچنین تنوع فعالیتهای زیر سطحی در بعد صنعت مواردی نظیر نصب تأسیسات، بهرهبرداری، تعمیر و نگهداری تجهیزات زیر سطحی را در برگرفته و از نظر ابعاد نظامی و دفاعی قلمرو زیر دریا به عنوان یک مکان استراتژیک در تأمین امنیت پایدار محسوب می شود .[1]
از دهه 1960ربات های زیرآبی که بیشتر آن ها اهداف اکتشافی دارند در دو بخش اصلی توسعه داده شده اند. هر بخش نقش خود را در تحقیقات اقیانوسی دارد و آن ها اغلب از یکدیگر پشتیبانی کرده و مکمل توانمندهای یکدیگر هستند. اولین نوع از ربات های زیر آبی ربات های زیر آبی .1HOV هستند که ربات های سر نشین دار می باشند که توسط نیروی انسانی که در داخل محفظه فشار هستند کنترل می شود.
دستهی دوم وسایل بدون سرنشین 2ROV است که نیازی به نیروی انسانی نیست. اما برای کنترل و تامین انرژی آن نیاز به اتصال کابل بین شناور و ایستگاه ساحلی وجود دارد. که از جمله معایب آن کوچک بودن حوزه فعالیت و عدم انجام مانورهای پیچیده است چرا که امکان برخورد کابل به موانع زیرسطحی و خود شناور وجود خواهد داشت. دسته دیگر شناورهای زیرسطحی خودکار - 3AUV - هستند. این دسته از پرکاربرد ترین ربات های آبی هستند که با استفاده تجهیزات و سنسور ها ماموریت خود را انجام می دهند.
در واقع AUV ماشین زیر آبی خودکار وهوشمندی است که قادر به پیمودن یک مسیر داده شده و انجام عملیاتهایی مانند نقشه برداری، شناسایی، مین یابی و استفاده در محدوده ای وسیع بدون استفاده از کابل می باشد. از انواع ربات های زیر سطحی شناورهای ODIN .و Remus که در شکل 1 آمده اند. سهم زیادی از مقالات را به خود اختصاص دادهاند. شناور Remus توسط یک پروانه و دو محموعه بالک کنترل می شود و شناور ODIN توسط 8 عدد تراستر کنترل می گردد.
دستهی آخر از ربات های بدون سرنشین ربات هایی هستند که از نیروی شناوری به عنوان نیروی پیشران استفاده می کنند و این ربات ها به ربات های گلایدر مشهورند .[2] اکنون دانش و فناوری این تجهیزات عمدتا در اختیار کشورهای آمریکا،انگلستان، نروژ ، ژاپن و سوئد بوده، که تامین کننده ی نیاز های کاربران می باشند. همچنین تلاش در جهت کسب این دانش در کشور های در حال توسعه مانند مالزی، اندونزی و... نیز به شدت در جریان است. این تلاش ها هم در حوزه تحقیقاتی پژوهشی و هم در حوزه تجاری در حال پی گیری است .[3]
در کشور ما نیز استفاده از وسایل زیر آبی بدون سرنشین به علت وجود منابع نفت و گاز در اعماق دریاها و با توجه به این که در آینده این منابع در اعماق بیشتری قرار دارند، وجود مرز های گسترده و لزوم صیانت از این مرزها اهمیت زیادی دارد. رباتهای هوشمند زیرسطحی با قابلیت هاورینگ یک ایدهی جدید در صنعت رباتهای زیرسطحی میباشد که از ادغام قابلیت مانوردهی بالای رباتهای زیرسطحی کنترل از راه دور و انعطاف پذیری رباتهای هوشمند زیرسطحی اژدرگون به وجود آمده که دارای قابلیت انجام ماموریتهای با حجم اطلاعات بالا و دقیق در ارتباط با سازههای دریایی است4]،.[5 در این راستا شناور زیر سطحی تحقیقاتی حکیم - 4HRUV - ساخته شده است که در این مقاله به شرح آن پرداخته خواهد شد.
طراحی شناور
طراحی یک فرآیند برای امکان سنجی و ایجاد نقشه ی راه برای مراحل بعدی از جمله مرحله ی ساخت است .در طراحی شناور بعد از انتخاب نوع و ابعاد به بررسی مسایل هیدرواستاتیکی و هیدرودینامیکی با توجه به وسایل وزنی پرداحته می شود تا ضمن حصول اطمینان از پایداری شناور، توان مورد نیاز سیستم رانش برای دستیابی به سرعت مورد نظر محاسبه شود. یکی ازنکات مهم در تعیین ابعاد اصلی شناور در نظر گرفتن ابعاد اقلام وزنی شناور است.[6]
اسکلت شناور
اسکلت شناور میلگرهایی از جنس آلومنیوم است. از مزایای آلومنیوم استحکام بالا، مقاومت در برابر خستگی، حفظ خواص در دماهای پایین و مقاومت دربرابر خوردگی است.[7] برای فرم دهی اسکلت شناور از جوشکاری آرگون استفاده شده که ضمن استحکام بالا با دقت و ظرافت مناسب قابل انجام است. ویژگی دیگر آلومینیوم مقاومت در برابر زنگ زدن در اثر رطوبت آب است که این مورد نیز بایستی مورد توجه طراحان قرار گیرد.
طراحی و ساخت مخازن
برای طراحی مخازن، مهم ترین فاکتور ها وزن مناسب،استحکام بالا و مقاومت در برابر آب و رطوبت می باشد.از طرفی مخازن باید طوری طراحی شود که بتوان از فضای درون آن برای اقلام برقی نظیر باتری ها،سنسورها ،برد های کنترلی و... برای جلوگیری از آب خوردگی استفاده کرد. به این منظور برای ساخت مخازن این شناور ابتدا مخازن با ابعاد و انداره های مختلف و با جنس های متفاوت در نرم افزار Solidworks شبیه سازی شد. با توجه به نوع شناور بهترین جنس پلی اتیلن بود که از لوله های موجود در بازار استفاده شده است .
شناور دارای 4 مخزن از جنس پلی اتیلن است.دلیل انتخاب این جنس وزن مناسب و استحکام بالا و در عین حال هزینه ی بسار پایین آن در مقابل مواد دیگر است مخازن بالای شناور دارای قطر 11 سانتی متر و با قابلیت پر وخالی شدن توسط آب در زیر سطح را دارد که به راحتی میتواند تغییر جرم را در مواقع مورد نیاز به وسیله ی پمپ های تعبیه شده فراهم نماید. مخازن اصلی شناور که درون اسکلت شناور قرار دارند دارای قطر 20 سانتی متر هستند که وظیفه ی اصلی آن نگهداری از وسایل برقی شناور از جمله باتری ها ،سنسور ها و....در مقابل محیط آبی اطراف شناور است . درب مخازن طوری ساخته شده است که ضمن فراهم ساختن شرایط لازم برای عدم ورود آب، به راحتی باز و بسته شود. این مخازن توسط ابزار مناسب به سازه شناور بسته شدهاند.
تراسترهای شناور
یک شناور زیرسطحی در حالت کلی دارای6 درجه آزادی میباشد که شامل حرکات انتقالی در سه جهت محور مختصات کارتزین و حرکات دورانی حول هر کدام از این محور ها می باشد. اکثر شناورهای زیر سطحی دارای تراستر های ثابت می باشند و لذا جهت حرکت در یک مسیر خاص و انجام کنترل همزمان چند درجه آزادی مجبور به استفاده از 6 تا 8 تراستر می باشند. با توجه به محاسبات هیدرو دینامیکی انجام شده و تحقیقات صورت گرفته در گذشته [4] در این شناور 6 موتور با توان مصرفی 300 وات استفاده شده است که نیروی مورد نیاز برای حرکت این شناور در جهات مختلف را فراهم می کند.
در واقع به کمک شبیه سازی های دقیق دینامیکی مشخص شد [4] که نیروی تراست در حدود 30 نیوتن می تواند مسیرهای متنوعی از عملیات های مختلف زیر آب را توسط این شناور به انجام رساند. با توجه به نیروی تراست، مجموعه از موتور به همراه پروانه و دیگر متعلقات تامین گردید تا بتواند این نیروی تراست را تامین کند. نتایج تست های واقعی نشان داده است که مجموعه ارائه شده در این شناور می تواند نیروی تراست مورد نیاز را تولید نماید. برای آب بندی موتور ها از محفظه هایی از جنس تفلون کمک گرفته شده است.در شکل 3 نمونه ای موتور این شناور بدون آب بندی آورده شده است.
باتری های شناور
باتری های استفاده شده در این شناور باتری های اتمی 9 آمپر است که قابلیت شارژ مجدد را دارا می باشد. این باتری ها در مخازن اصلی شناور نصب شده اند. این شناور دارای 4 باتری مجزا است که برق مورد نیاز قسمت های مختلف شناور را تامین میکنند. برای ثابت کردن باتری ها از فضای های خالی که در تفلون ها تعبیه شده است استفاده می شود.
تعادل هیدرواستاتیکی شناور
برای تعادل نیروهای وزنی و بایونسی شناور و به علت حجم نسبتا زیادی مخازن شناور نسبت به اقلام جرمی، از تفلون با چگالی و شکل و ابعاد مناسب در داخل محفظه ها کمک گرفته شده است. بعد از قرار گرفتن تمام اقلام وزنی و تراستر ها این شناور برای ایجاد تعادل کامل در شناور، جرم های کوچک مناسب در موقعیت های لازم در شناور قرار داده شد. به علت این که قرار است در آینده ی نزدیک از وسایلی مانند دوربین,پرژکتورو...استفاده شود در حال حاضر به میزان وزن آنها وزنه های کوچک جایگزین شده است.
