Utvikling av sensorsystem på et fjernstyrt undervannsfartøy

Abstract

UiS Subsea er en studentoransiasjon ved Universitetet i Stavanger, som siden 2013 har hatt som mål om å bygge et fjernstyrt undervannsfarkost i form av en ROV, for å delta i den internasjonale konkurransen MATE ROV competition. Årets prosjekt engasjerer 24 studenter ved Det tekniske- naturvitenskaplige fakultet fra fagdisiplinene elektro, data og maskin. Prosjektet er delt opp i totalt ni bacheloroppgaver, hvor hver gruppe er tildelt sitt ansvarsområde for utvikling av ROV- en. Konkurransen i år finner sted i Colorado, USA, og stiller en rekke krav og spesifikasjoner som ROV-en må bygges rundt. Denne rapporten omhandler utviklingen av sensorsytemet som skal benyttes i årets ROV, og beskriver prosessen bak utviklingen av systemet. Dette innebærer valg av sensorer, utvikling av kretskort og programmering av mikrokontroller, samt testing og evaluering av ytelsen til de ulike sensorene. Sensorene som er valgt dekker behovet til ROV-en for sensordata, samt de nødvendige sikker- hetsfunksjonene. Dette innebærer måling av dybde, vanntemperatur, rull- og stampvinkler. I tillegg er det implementert lekkasjedeteksjon for å forhindre at elektronikken skal ta skade der- som det oppstår lekkasje. For å overvåke forholdene inne i elektronikkhuset, er det inkludert temperatursensorer i elektronikkhuset. Det er plassert en temperatursensor på hvert kretskort inne i elektronikkhuset. Under valg av sensorer har man tatt høyde for erfaringer fra tidligere års prosjekter. For å realisere sensorsystemet er det utviklet et kretskort med en mikrokontroller. Kretskortet inkluderer nødvendig tilleggselektronikk, slik at det kan samhandle med alle sensorene, samt kommunisere med resten av ROV-en sine delsystemer. Alle de valgte sensorene er digitale. Kom- munikasjonene med de resterende delsystemene på ROV-en skjer via CAN-protokollen. Mikrokontrolleren er programmert i språket C, og det er skrevet drivere til hver av sensorene. Mikrokontrolleren henter data fra sensorer ved faste intervall. Forskjellige filteralgoritmer er utforsket for å behandle, og øke påliteligheten til måledataen. Mikrokontrolleren distribuerer også den nødvendige sensordataen til reguleringsystemet og operatørstasjonen ved faste intervaller. Dersom det oppstår feil på noen av sensorene, eller lekkasje i elektronikkhuset, sendes denne informasjonen til operatørstasjonen. Sluttproduktet er et fungerende sensorsystem, og totalt sett er prosjektet godt gjennomført. Sys- temet som er laget fungerer i henhold til spesifikasjonen, og viser gode testresultater på de fleste områdene. Under utvikling av et stort system som dette vil det alltid være rom for forbedring. Disse områdene er påpekt underveis i rapporten. Prosjektet har bydd på store utfordringer, som har ført til et enormt læringsutbytte. Det er fremdeles noe videreutvikling som gjenstår, men systemet er funksjonelt og implementert i ROV-en.

UiS Subsea is a student organization at the University of Stavanger that, since 2013, has had the goal of building a remotely operated underwater vehicle in the form of an ROV to participate in the international MATE ROV competition. This year's project engages 24 students from the Faculty of Science and Technology, specializing in electrical engineering, computer science, and mechanical engineering. The project is divided into a total of nine bachelor's assignments, with each group assigned its area of responsibility for the development of the ROV. The competition this year takes place in Colorado, USA, and imposes various requirements and specifications that the ROV must be built around.

This report focuses on the development of the sensor system to be used in this year's ROV and describes the process behind the system's development. This includes sensor selection, circuit board development, microcontroller programming, as well as testing and evaluation of the performance of the different sensors.

The selected sensors fulfill the ROV's need for sensor data, as well as the necessary safety features. This includes measuring depth, water temperature, roll and pitch angles. Additionally, leak detection has been implemented to prevent damage to the electronics in case of a leak. To monitor the conditions inside the electronics housing, temperature sensors have been included. A temperature sensor has been placed on each circuit board inside the electronics housing. Previous years' project experiences have been taken into account when selecting the sensors.

To realize the sensor system, a circuit board with a microcontroller has been developed. The circuit board includes the necessary additional electronics to interact with all the sensors and communicate with the other subsystems of the ROV. All the selected sensors are digital. Communication with the remaining subsystems on the ROV is done through the CAN protocol.

The microcontroller is programmed in the C language, and drivers have been written for each of the sensors. The microcontroller retrieves data from the sensors at regular intervals. Different filtering algorithms have been explored to process and enhance the reliability of the measurement data. The microcontroller also distributes the necessary sensor data to the control system and the operator station at regular intervals. If there are any errors with the sensors or leaks in the electronics housing, this information is sent to the operator station.

The end product is a fully functioning sensor system, and overall, the project has been successfully executed. The developed system operates according to the specifications and demonstrates excellent test results in most areas. During the development of such a large-scale system, there will always be room for improvement, and these areas have been highlighted throughout the report. The project has presented significant challenges, leading to a tremendous learning experience. Some further development remains, but the system is functional and implemented in the ROV.