UiS Subsea: Kommunikasjon og video

Abstract

UiS Subsea er en studentorganisasjon som har formål med å utvikle undervannssystem. Vi har i år bestått av ni grupper som har basert sine bacheloroppgaver på å lage ROV-en Yme og flyteren Balder. Fartøyene skal konkurrere i MATE ROV Competition, og er derav utformet for å løse oppgavene knyttet til konkurransen. Prosjektet er et tverrfaglig prosjekt, der det har vært et samarbeid på tvers av ulike studieretninger.

Denne rapporten omhandler vår oppgave rundt utvikling av et system for kommunikasjon og videosending til et undervannsfartøy. I rapporten er prosessen for design, utvikling, produksjon og testing dokumentert. Det blir gjenomgått relevant teori for alle delene av oppgaven. Teorien av temaene og dokumentasjonen, legger grunnlaget for valgene som er tatt for de enkelte kapittelene. Kapittelene er seksjonert i ulike deler av oppgaven som tar for seg problemstillinger og løsninger rundt disse.

Kommunikasjonen internt ombord i ROV-en går over CAN-buss. Det ble valgt å kombinere en CAN-modul sammen med kommunikasjonskontrolleren Nvidia Jetson Nano, for å realisere dette grensesnittet. For at de andre kretskortene i ROV-en skal kommunisere på CAN-bussen, ble det lagd en CAN-busskrets som alle inkluderte på sine kort. Kontroll og tilbakemeldinger mellom ROV-en og kontrollstasjonen blir sendt med TCP-protokollen over Ethernet. Video blir hentet inn fra tre ulike kamera gjennom kommunikasjonskontrollen, hvor de deretter blir komprimert. Det brukes et stereokamera og to USB-kamera, der stereokamera brukes av bildebehandlingsgruppen. Videodataen sendes med RTP-protokollen til kontrollstasjon over Ethernet med UDP-protokollen.

Design av elektronikkhus og kamerahus er tegnet i Fusion 360. Innvendig design for montering av kretskort er så produsert ved bruk av 3D-printing. Vanntette kamerahus er maskinert for å utvendig montering av USB-kamera. Kretskort for sammenkobling av systemene og kretskort for kommunikasjonskontroller er designet i \textit{Altium}, og bestilt fra JLCPCB.

Kommunikasjonskontrolleren opererer som et bindeledd mellom ROV-en og kontrollstasjonen. For å realisere bindeleddet er det utviklet kode i Python for mottak, sending og behandling av CAN-bussmeldinger samt TCP-meldinger. Det er tatt i bruk tråder for at programvaren skal operere som et sanntidssystem. Behandling av videodataen som sendes blir gjort med gStreamer og tar i bruk maskinvareakselerert enkoding og dekoding for energieffektiv og rask komprimering av videostrømmene. Et rammeverk for implementering av CAN-buss på mikrokontrollerene i systemene er også utviklet.

Prosjektmedlemmene har gjort en stor innsats for å få ferdigstilt ROV-en. I slike omfattende prosjekt, vil det alltid være rom for forbedringspotensiale i sin egen oppgave - samt prosjektet i sin helhet. Diskusjonskapittelet tar for seg erfaringene vi har gjort gjennom prosjektet. Her vil også hva som har fungert bra og hva som er eventuelle forbedringer bli diskutert. Gruppen har et fungerende sluttprodukt og er fornøyd med resultatet.

UiS Subsea is a student organization with the aim of developing underwater systems. This year, we consisted of nine groups that based their bachelor's theses on creating the Yme ROV and the Balder float. The vessels are designed to compete in the MATE ROV Competition and are thus designed to solve the tasks related to the competition. The project is interdisciplinary, involving collaboration across different fields of study.

This report concerns our task of developing a communication and video transmission system for an underwater vehicle. The process of design, development, production, and testing is documented in the report, with relevant theory discussed for each part of the task. The theory of the topics and documentation lays the foundation for the choices made for each chapter, which is divided into different sections of the task that address issues and solutions around them.

The internal communication on board the ROV is done over a CAN bus. We chose to combine a CAN module with the communication controller Nvidia Jetson Nano to realize this interface. To allow the other circuit boards in the ROV to communicate on the CAN bus, a CAN bus circuit was created and included on all boards. Control and feedback between the ROV and the control station are sent with the TCP protocol over Ethernet. Video is obtained from three different cameras through the communication controller, where it is then compressed. A stereo camera and two USB cameras are used, with the stereo camera being used by the image processing group. Video data is sent with the RTP protocol to the control station over Ethernet with the UDP protocol.

Designs of the electronics housing and camera housing were drawn in Fusion 360. Internal designs for mounting circuit boards were then produced using 3D printing. Watertight camera housings were machined for external mounting of USB cameras. Circuit boards for connecting the systems and circuit boards for the communication controller were designed in Altium and ordered from JLCPCB.

The communication controller acts as a link between the ROV and the control station. To realize the link, code was developed in Python for receiving, sending, and processing CAN bus messages, as well as TCP messages. Threads were used to enable the software to operate as a real-time system. Video data that is sent is processed with gStreamer, which uses hardware-accelerated encoding and decoding for energy-efficient and fast compression of the video streams. A framework for implementing CAN bus on microcontrollers in the systems was also developed.

The project members have made a great effort to complete the ROV. In such extensive projects, there will always be room for improvement in one's own task, as well as the project as a whole. The discussion chapter addresses the experiences we have gained throughout the project, including what has worked well and what improvements could be made. The group has a functioning end product and is satisfied with the results.