Regulering og styring av motorsystem for fjernstyrt undervannsfartøy (ROV)

Abstract

For tiende år på rad har studentorganisasjonen UiS Subsea ved Universitetet i Stavanger jobbet med et tverrfaglig prosjekt. Formålet er å utvikle et fjernstyrt undervannsfartøy for å delta i den internasjonale MATE ROV Competiton. Til sammen har 24 studenter fra ulike ingeniørfaglige retninger som elektro, data og maskin ved Det teknisk-naturvitenskapelige fakultetet blitt fordelt på 9 grupper, som skriver sine bacheloroppgaver for et spesifikt ansvarsområde innen utviklingen av undervannsfartøyet. Denne bacheloroppgaven omfatter utviklingen av styre- og reguleringssystemet. Hvor målet er å designe og konstruerer et system som lar operatøren manøvrere farkosten i vann, samt styre en påmontert manipulator. Dette for å gjennomføre oppgavene fra MATE ROV konkurransen på best mulig måte. Oppsummert er hovedinnholdet i denne oppgaven følgende: For at systemet i oppgaven skal kommunisere med det overordnede systemet og elektronikken i ROV-en, er det designet to kretskort. Det ene inneholder CAN-kommunikasjon, sensorkrets for lokal temperaturmåling, en bufferkrets til opprettholding av dataflyt og integriteten til PWM signaler, krets med syvsegment-display til testing, samt tilkoblingspunkter for et utviklingskort med mikrokontroller. Det andre kretskortet har en krets for lokal temperaturmåling, tre tilkob- lingspunkter til stegmotor kontrollere, og et koblingspunkt til en elektronisk fart motorkontroller. Kretskortene ble designet ved bruk av CAD-programmet AltiumDesigner, og produsert av JL- CPCB. Montering av komponenter ble utført for hånd med loddebolt og mikroskop, videre ble signalbaner verifisert til å fungere som ønsket. En viktig del av systemet er at motorer og drivere må være lette og effektive. Valg av motorer og drivere er basert på teoretisk virkemåte for ulike elektriske motorer samt kravene til sys- temet. For manøvrering av undervannsfartøyet brukes det ferdigutviklede vanntette thrustere, med tilhørende vanntette drivere fra underwater. For å styre manipulatoren er det tatt i bruk tre stegmotorer, som har hver sin vanntette kapsel, samt en børsteløs likestrømsmotor, som er støpt i epoksy for vanntetting. Styringssystemet bruker styredata fra kontrollstasjonen til å beregne pådragene for motorene slik at frihetsgradene jag, svai og gir kan styres av operatøren. Dette er implementert på en mikrokontroller ved hjelp av programkode. I tillegg er det utledet matematiske modeller av undervannsfartøyet for å beskrive hvordan den beveger seg under vann. Disse modellene dannet grunnlaget for å lage et reguleringssystem bestående av tre PID-regulatorer. Regulatorene regulerer frihetsgradene rull, stamp og hiv og sørger for ROV-ens stabilitet. Både styringssystemet og reguleringssystemet gir en god oppførsel for fartøyet. Videre arbeid vil bestå av å implementere flere funksjoner i styresystemet, samt justere regula- torenes parameterverdier ytterligere for å gjøre ROV-en mest mulig optimal før MATE konkurransen.

For the tenth consecutive year, the student organization UiS Subsea at the University of Stavanger has been working on a cross-disciplinary project. The purpose is to develop a remotely operated underwater vehicle to participate in the international MATE ROV Competition. In total, 24 students from various engineering disciplines such as electrical, computer, and mechanical from the Faculty of Science and Technology have been distributed into 9 groups, each writing their bachelor's theses for a specific area of responsibility in the development of the underwater vehicle. This bachelor's thesis encompasses the development of the control and regulation system. The aim is to design and construct a system that allows the operator to maneuver the vessel in water, as well as control a mounted manipulator. This is to carry out the tasks from the MATE ROV competition in the best possible way. In summary, the main content of this thesis is as follows: In order for the system in the thesis to communicate with the overarching system and the electronics in the ROV, two circuit boards have been designed. One contains CAN communication, a sensor circuit for local temperature measurement, a buffer circuit for maintaining data flow and the integrity of PWM signals, a circuit with a seven-segment display for testing, as well as connection points for a development board with a microcontroller. The other circuit board has a circuit for local temperature measurement, three connection points for stepper motor controllers, and a connection point for an electronic speed motor controller. The circuit boards were designed using the CAD program Altium Designer, and produced by JL-PCB. Assembly of components was done by hand with a soldering iron and microscope, and signal paths were verified to function as desired. A crucial part of the system is that the motors and drivers must be lightweight and efficient. The selection of motors and drivers is based on the theoretical functioning of various electric motors as well as the requirements of the system. For maneuvering the underwater vehicle, pre-developed waterproof thrusters are used, along with corresponding waterproof drivers from Underwater. To control the manipulator, three stepper motors are used, each having its own waterproof casing, as well as a brushless DC motor, which is encased in epoxy for waterproofing. The control system uses control data from the control station to calculate the thrusts for the motors so that the degrees of freedom yaw, sway, and surge can be controlled by the operator. This is implemented on a microcontroller using program code. In addition, mathematical models of the underwater vehicle have been derived to describe how it moves underwater. These models formed the basis for creating a control system consisting of three PID controllers. The controllers regulate the degrees of freedom roll, pitch, and heave, ensuring the ROV's stability. Both the control system and the regulation system provide good behavior for the vessel. Further work will consist of implementing more functions in the control system, as well as adjusting the regulator parameter values further to make the ROV as optimal as possible before the MATE competition.