PROSJEKT USAIN BOAT. Ingeniørfaglig yrkesutøvelse og arbeidsmetoder. Gruppe 3: Cato, Magnus, Karianne, Erlend, Tormod og Ken Robert

Transkript

1 PROSJEKT USAIN BOAT Ingeniørfaglig yrkesutøvelse og arbeidsmetoder Gruppe 3: Cato, Magnus, Karianne, Erlend, Tormod og Ken Robert 1

2 Innholdsfortegnelse Ingeniørfaglig yrkesutøvelse og arbeidsmetoder Sammendrag og Innledning Planlegging Planlegging Prosjektverktøyet Trello Oppdraget Gjennomføring Skrog Drone Utsettingsmekanisme Dokumentasjon og valg av skrog Hvorfor valg av skrog Spesifikasjoner på underskrog Spesifikasjoner overbygg Hydrostatikk Konstruksjon Byggematerialer Produksjon skrog Rampe for drone HMS Dokumentasjon på mekanikk, fremdrift og styring Data Motor og servostyring Tekniske spesifikasjoner Fremdriftslinje Batteri Styring i LabView og dynamisk posisjonering Manøvreringsevne ved KVL Koblingsskjema elektronikk Problemer A/D konverter Dokumentasjon av testresultat

3 7.1 Krengeforsøk Slepeforsøk modelltank DP-test Drivstoffmengde, rekkevidde og forbruk Modellens trekkraft (Bollard Pull) Modellens fart og akselerasjon ved ulikt pådrag Oppfyllelse av stabskrav Krav og forutsetninger til systemet: Krav til modell og andre forutsetninger: Produkt Budsjett og arbeidslogg Erfaringer, læring og konklusjon Vedlegg 1 Tekniske spesifikasjoner skrog Vedlegg 2 Styring

4 1. Sammendrag og Innledning Oppdrag: «Et autonomt overvåkningssystem bestående av en liten sjøgående plattform og undervannsdrone(r) skal prosjekteres og demonstreres. Systemet er tenkt operert ut ifra Tromsø/Ramsund området og skal dekke havområdet nord til Spitsbergen og vest/østover. Undervannsdronen(e) skal drive overvåkning av havområdet i alle dybder.» Vi tolket oppgaven slik at moderskipet i korte trekk skal kunne tilbakelegge 1000NM i løpet av 72 timer, og operere selvstendig i opptil 30 dager. I denne perioden skal moderskipet kunne sette ut og hente inn 4 droner som skal kunne drive med overvåkning av havet i designerte soner. Dronene vil kunne operere i timer av gangen, og oppladning skjer via av moderfartøyet. Prosjektgruppen består av ingeniørkadetter fra MM (Maskin), ED (Elektronikk og Data og EA (Elektro og Automasjon). Gruppen er delt inn i respektive ansvarsområder, vist under; Figur 1 Organisasjon Oppdraget startet med prosjektering av skrog og det el-tekniske. Skroget ble tegnet i tegneprogrammet FreeShip og den elektriske delen prosjektert og satt opp i programmeringsprogrammet LabView. Etter ferdigstillelse av dette, ble skroget skåret ut av 20 isoporbiter i sin rette form og i 5 cm bredde og limt sammen. Kanter ble pusset ned og sparklagt for å hindre vanninntrenging. Under testing ble det oppdaget flere feilkilder for å hindre dette, men disse ble raskt utbedret. Alle avvik på både skrog og teknisk del ble rettet opp og fartøyet ble ferdigstilt innen fristen for demonstrasjon. Vi har valgt å kalle prosjektet og fartøyet «Usain Boat», oppkalt etter sprinteren Usain Bolt. Med bakgrunn i at vi ønsket prosjektet skulle ha et navn som gir gode assosiasjoner og vekker konkurranseinstinktet i oss 4

5 alle. Som de fleste vet er Usain Bolt en meget vellykket og rask sprinter man legger merke til, noe vi også ønsket at båten vår skal bli. 2. Planlegging 2.1 Planlegging Ansvarsområdet ble delt ut etter at oppdragets omfang var konkludert. Gruppen innehar god kompetanse på forskjellige felt som er prøvd utnyttet maksimalt iht oppdragets hensikt. I og med at vi ikke hadde noe kunnskap om båtkonstruksjon fra før måtte vi finne en metode for å holde orden på prosjektet. Her benyttet vi oss av et verktøy som er beskrevet i pkt. 2.2 For ikke å ta oss vann over hodet i startfasen, men samtidig være ambisiøse med forventning om et godt resultat, ble planlegging en stor og viktig del av vår løsning. Forarbeidet med skrog og elektronikk er derfor planlagt og prosjektert i detalj, før konstruksjon av skrog i det hele tatt ble vurdert startet på. Dette gjorde at vi sparte oss for mye tid, da utskjæringer og oppkoblinger fungerte ved første forsøk. «A PLAN IS NOTHING, PLANNING IS EVERYTHING.» - DWIGHT D. EISENHOWER 2.2 Prosjektverktøyet Trello I planleggingsfasen og gjennomføringen har vi benyttes oss av et prosjektstyringsverktøy som heter Trello. Her har vi lagt inn arbeidsoppgaver hvor vi har kunnet delegere oppgaver og kunnet se utviklingen i prosjektet. Her har vi forskjellige tavler som vi har definert ut ifra hvor i arbeidsfasen det befinner seg. I planfasen legger vi det i «To do» listen, for så å flytte det til den respektive tavlen etter hvert som jobber er blitt påbegynt eller fullført. Her har vi lagt inn bilder, laget fargekoder etter hvilken kategori det er (dokumentasjon, elektronikk, testing, ol) samt lagt inn tidsfrister for de enkelte oppgavene. Figur 2 Trello 5

6 2.3 Oppdraget Sjøforsvaret skal anskaffe 10 ubemannede spesialfartøy som kan operere som basefartøy for ROV (undervannsroboter) som skal overvåke nordområdene. 6 prosjektgrupper skal konkurrere om oppdraget Hver prosjektgruppe skal spesifisere og konstruere en skalert prototype av fartøyet og en ROV. ROV skal ikke ha styresystem/fremdriftssystem Prosjektgruppene skal kalkulere kostnadene for prototype og for eventuell serieproduksjon av fartøyet. Konkurranse mellom prosjektgruppene om beste prosjekt mandag 27. juni Framdriftsmaskineri skal være type robbe EF 76 II elektromotor der elektrisk og mekanisk effekt og dreiemoment som funksjon av turtall skal dokumenteres. Slepekraft, slepemotstand og fart med mer skal dokumenteres. Fartøyet skal kunne transportere i stabilt stativ, kunne sette ut, fange inn og ta ombord 1 stk ROV Navigering av fartøy skal kunne datastyres via internett (drone) Fartøyet skal ha system for dynamisk posisjonering Fartøyet skal navigeres i samsvar med sjøveisreglene gjennom hinder. Det er også satt opp en del «MÅ» krav og «BURDE» krav, disse finnes i pkt Gjennomføring Prosjektet omhandlet blant annet utvikling, produksjon og testing av moderfartøyet. I denne fasen vil dronen være en såkalt «dummy». Fartøyet skal kunne opereres som en drone, fjernstyrt med kontroller eller over internett. I prosjekteringsfasen ble gruppen delt opp i 3 deler, hvor MM jobbet med skrog, ED jobbet med programmering og ED/EA jobbet med dronefartøyet og tilhørende mekanisme for å sette ut og hente opp fra vannet. Dette syntes vi var hensiktsmessig iht det å utnytte erfaring og interesser på best mulig måte, samtidig som vi prøvde å vikariere hos de forskjellige for at alle skulle prøve å få et generelt utbytte av prosjektet innen de forskjellige arbeidsområdene. 3.1 Skrog Det er stilt følgende krav til skroget og dens egenskaper før prosjektering (fartøyet i faktisk størrelse): - Lengde skal ikke overstige 24m - Bredde overalt skal ikke overstige 6,5m - Skroget skal ha plass til å frakte opptil fire overvåkningsdroner - Skroget skal være stabilt med tomme/fulle tanker og drone om bord - Skroget skal ha en lav radarsignatur Skroget har blitt prosjektert og tegnet i programmet FreeShip. Ferdige tegninger ble skrevet ut for utskjæring i skrogmaterialet (isopor for modellen). Ved liming av utskjæringene ble det oppdaget et avvik på lengde, som ble rettet opp ved å justere en detalj på den opprinnelige tegningen i FreeShip. Detaljer og skrogspesifikasjoner er angitt i pkt

7 Krav til drone: 3.2 Drone Dronen lages til av en 0.5l brus/vannflaske med lengde/bredde forhold på om lag 6. Den skal ha et lite tårn og være i skala 1:24. Dronen er laget av en 0,5l brusflaske med lengde/bredde forhold på om lag 4,5 etter forlengelse i front. Den flyter stabilt med tårnet over vannoverflaten på grunn av isoporens oppdrift, og jernets tyngde som er sentrert i kjølen. Figur 4 Drone under konstruksjon Førsteutkast besto av en tett 0,5l flaske. Oppdriften i selve flasken hadde et volum på tilsvarende 5N, og vi ble derfor nødt til å legge 440g jern sentrert i kjølen for å få dronen i ønsket dybde. Ut i fra utregningene i FreeShip, ville tyngden på dronen føre til at totalvekten ble for stor om fire droner skulle vært om bord. Vi måtte derfor finne en ny løsning for å redusere vekten på dronene. I andreutkastet ble det brukt isopor som oppdrift i stedet for flaskens volum. Flasken ble perforert slik at den kan fylles med vann, dette for å redusere oppdriften. På denne måten ble totalvekten på dronen reduser med 70%, og alle fire dronene kan plasseres om bord uten at totalvekten blir for stor. Figur 6 Drone i basseng Figur 5 Ferdig lakket Figur 3 7

8 3.3 Utsettingsmekanisme Utsettingsmekanismen ble planlagt og konstruert separat fra skroget. Den la få føringer for utformingen av skroget bortsett fra at hekken måtte være mulig å få tilpasset den endelige formen til rampen. Konstruksjonen blir nærmere forklart i pkt 6.8 Figur 7 Dronen plassert på utsettingsrampe 4. Dokumentasjon og valg av skrog 4.1 Hvorfor valg av skrog I valg av skrogfasong, ønsket vi et skrog som hadde liten motstand i vannet og som ville gi gode manøvreringsegenskaper. Med utgangspunkt i et undervannsdesign lignende en fregatt, der akterparti ikke går så dypt som baugen, vil vi få et skrog med gode manøvreringsegenskaper. 4.2 Spesifikasjoner på underskrog Se vedlegg tekniske spesifikasjoner, skrog for detaljerte beregninger gjort i FreeShip Det er lagt ved to skrog, der skrog #1 er første utkast og kort nevnt, mens skrog # 2 er vårt endelige skrog som prosjekteringen tar utgangspunkt i. 8

9 Skrog # 1 (Utkast) Figur 8 Profil skrog #1 Figur 9 Linjetegning side skrog #1 Dette skrogutkastet ble vedtatt endret i aktre ende, der vi forlenget den aktre enden slik at rampen som er vist på skissene over falt bort. Dette skyldtes komplikasjoner med modellskrogets lengde etter utskjæring og sammensetting. Det ble også vurdert at rampen ikke ville ha noen betydning for skrogets egenskaper. Ytterligere spesifikasjoner på utkast # 1 anses som relevant videre. Skrog # 2 (Endelig) Etter justering av aktre ende, er endelig utkast med spesifikasjoner gitt i videre dokumentasjon. Total lengde og bredde er uendret. Figur 10 Profil skrog #2 Figur 11 Skrog # 2 fra siden 9

10 10 Figur 12

11 11 Figur 13

12 Figur 14 12

13 Plassering av tanker og materiell illustrert fra styrbord side 13

14 Vektregnskap fullskalamodell Vekter Mi(kg) Xi(m) Yi(m) Zi(m) mi*xi mi*yi mi*zi Stor tank ,6-0,9 1, Stor tank ,6 0,9 1, Stor tank ,1-1,1 1, Stor tank ,1 1,1 1, Liten tank ,8-0,5 1, ,2-2004,5 6013,5 Liten tank ,8 0,5 1, ,2 2004,5 6013,5 Liten tank ,8-0,5 3, ,2-2004, ,9 Liten tank ,8 0,5 3, ,2 2004, ,9 Liten tank ,1-1,3 2, ,9-5211,7 8819,8 Liten tank ,1 1,3 2, ,9 5211,7 8819,8 Liten tank ,1-1,3 3, ,9-5211, ,8 Liten tank ,1 1,3 3, ,9 5211, ,8 Liten tank ,5-1,1 2, ,5-4409, ,2 Liten tank ,5 1,1 2, ,5 4409, ,2 Motor ,5 0 1, , ,5 Batteri ,7 0 2, , ,6 Servo ror 650 3,5 0 3, Servo vinsj ,9 0 4, , ,4 Strømfordeler 746 8,3 0 2,2 6191, ,2 Ror 166 3, Propell 28 4, ,4 0 0 Propellstag 332 8,16 0 0,7 2709, ,4 Propellfutteral 263 8, , Drone # ,12 0 4,8 9057, ,4 Drone # ,2 0 4, , ,4 Drone # ,4 4, , ,4 Drone # ,4 4, , ,4 Rampe , ,6 Mottaker 111 9,24 0 2,2 1025, ,2 Skrog ,86 0 3, , ,8 Traverskran ,86 0 7, Sum ,7 Vertikalt KG = VCG = 2, Langskips = LCG = 11,88927 Tverrskips = TCG = 0 14

15 4.3 Spesifikasjoner overbygg Overbygget er prosjektert etter krav om lav radarsignatur, beskyttelse og lagring av overvåkningsdroner og med høyde nok til å kunne inneha en traverskran for flytting av overvåkningsdronene på dekk. Figur 15 Figur 16 Mål og lengder for modell og (faktisk størrelse i fullskala): Lengde: 86 cm (20,64m) Høyde utvendig: 12cm (2,88m) Høyde innvendig: 10cm (2,4m) 15

16 4.2 Hydrostatikk Se vedlegg 1 for hydrostatikk fra FreeShip. Her er et diagram over de hydrostatiske kurvene med last fra 0 til 200% med krengevinkler fra 0-60 Figur 17 Hydrostatiske kurver hentet fra FreeShip 5. Konstruksjon 5.1 Byggematerialer Moderfartøy: Drone: Overbygg: Isopor 0,5l flaske Isopor Finerplater Isopor Super epoxy Sikaflex Jern Veggsparkel LW Veggsparkel LW Sikaflex Superlim Superlim Vingemutter montert med skrue Magnet 16

17 5.2 Produksjon skrog Modellfartøyet er konstruert av polyfoamplater med en tykkelse på 5cm. Skroget er delt inn i 20 seksjoner á 5 cm, totalt 1 m. Skåret ut etter tegninger fra FreeShip, limt, sparklet, pusset og lakkert. Ved komplettering av skrog ble komponenter satt inn iht beregninger og testing startet for kartlegging av egenskaper. Figur 19 Finsliping av skrog Figur 18 Lakkering av skrog Figur 20 Utskjæring av skrog 5.3 Rampe for drone For å få opp dronen fra vannet falt valget på en rampeløsning som skulle kunne kjøres ut fra hekken på båten for å hente opp dronen. Tanken var at en servo skulle kjøre den ut og inn ved hjelp av en vinsj. Vi benyttet oss av en gammel kableføringskanal som ble tilpasset til dronens størrelse og lengde. Det ble laget hull for drenering av vann og føringsvei for en kabel som ville være festet i bakre ende av rampen. Hekken på skroget ble utformet etter mal av rampen, med en vinkel for at den skulle kunne gli ut av seg selv ved hjelp av tyngdekraften i og med at vi ikke hadde nok maskinvare til å kunne kjøre den ut ved hjelp av kraft. Etter et forsøk i labben kom vi frem til at dette ville kunne fungere etter hensikten. Spørsmålet som deretter ble gjeldende var hvordan vi skulle kunne få dronen om bord og ut igjen i vannet. For å få testet det skikkelig måtte vi vente til vi fikk skroget på vannet for å kunne få en realistisk vinkel på rampen og for å se hvor langt vi kunne kjøre den ut i vannet. Ved første test viste det seg at konseptet vårt fungerte, men at det fremdeles måtte gjøres utbedringer for å løse et nytt problem som gikk på at dronen ble skjøvet vekk i fra rampen ved at den forskjøv vannet. Dette løste vi ved hjelp av magneter som gjorde at dronen ble tiltrukket av rampen. I fullskala ville dronen ha hatt fremdrift til å kunne kjøre frem til rampen av seg selv og vil derfor ikke ha bruk for magneter. Om bord på fartøyet ble det montert et hjul i øvre kant for å gjøre ut og innkjøring enklere. Servoen ble koblet med en trinse som etter enkle modifikasjoner kunne trekke inn og slippe ut to tau samtidig. Under testing fungerte dette tilfredsstillende, men med små problemer hvor servoen levde sitt eget liv. 17

18 Figur 33 Testing av rampeløsning 5.4 HMS Under byggingen har vi tatt i bruk en del produkter der HMS har spilt en viktig rolle for å unngå skader. Nedenfor finner du tiltakene vi har gjort for de forskjellige produktene. Glassfibersparkel og våtroms sparkel. Figur 21 18

19 Sikaflex og Super epoxy. Figur 22 Hobbylakk og Grunning. Figur 23 19

20 6. Dokumentasjon på mekanikk, fremdrift og styring 6.1 Data Tabell 1 Måldata til komponenter Gjenstand Masse (gram) Lengde (mm) Bredde (mm) Dybde (mm) Massesenter (mm) Batteri ,00 45,00 24,00 (60 x 23 x 12) Forlengelsesstag, propell ,00 4,00 4,00 Futteral til propel ,00 6,00 6,00 Motor ,00 37,00 37,00 (24 x 19 x 19) Mottaker (13,5x12,5x4,5) Proppel 2 23,00 40,00 13,00 Ror ,00 5,00 35,00 Servo #1 - styring 47 40,00 18,00 35,00 (20 x 9 x 18) Servo #2 - rampe 51 39,00 18,00 36,00 (20 x 9 x 18) Strømfordeler 54 40,00 35,00 11,00 (20x17,5x5,5) Totalt Motor og servostyring Ovenfra og ned ser vi henholdsvis høyde, fart og akselerasjonsgrafen til vekten som ble løftet av motoren. U = 2V I = 1A Gjennomsnittsakselerasjonen ble 0.05 m/s 2 og med masse lik 50g gir en kraft F = m*a = 2.5 *10-3 N K =F + G= 0.05kg ( ) m/s 2 K = 0.49N K er kraften motoren yter. Dreiemomentet er gitt ved T = K*r = 0.49*0.002 T = 9.85*10-4 Nm Pmek = F * v = 0.22 Pel = U * I = 2 Virkningsgrad = Pmek / Pel = 0.1 Figur 24 20

21 U = 2V I = 0.8A Med utgangspunkt i verdiene over og målinger gjort med «Photogate» en, fikk vi målt vinkelhastigheten til 140 rad/s og gjennomsnittsfrekvens på 22.1 Hz. U = 3V I = 0.9A U = 5V I = 1.1A U = 6V I = 1.2A U = 7.2V I = 1.5A Figur Tekniske spesifikasjoner Motor: Robbe EF 76 Diameter 38mm Vekt 210g Lengde 57mm Spenning V Maks RPM Antall celler 7 Virkningsgrad Ca 0.7 Servo: Futaba S rampe Figur 26 Robbe EF 76 Dreiemoment Hastighet 4.8V: 6.0V: 4.8V: 6.0V: 5.18 kg/cm 6.48 kg/cm 60deg 60deg Figur 27 Futuba S

22 Servo: HiTEC Deluxe HS styring Dreiemoment Hastighet 4.8V: 6.0V: 4.8V: 6.0V: 3.3 kg/cm 4.1 kg/cm 60deg 60deg Figur 28 HiTEC Deluxe 6.3 Fremdriftslinje Fremdriftslinjen brukt i dette prosjektet er en Robbe Navy Direct 2000, Dette er et fremdriftssystem som er relativt robust, samt at den leverer god kraft. Settet inneholder Robbe motor, aksling, skrog-gjennomføring, kraftoverføring og propell. Totalvekt på samtlige deler i fremdrift linjen er 270 gram. 6.4 Batteri Vi har målt kapasiteten til batteriene med den hensikt å finne ut tilstanden til batteriet og hvor lenge vi kan kjøre båten når den er satt på vannet. Vi brukte PASCO Capstone til å lese av verdiene den fikk fra en sensor koblet i parallell mellom batteriet og en 2.2Ω motstand. Sensoren leste av spenningen over motstanden, noe vi benyttet til å lage egne grafer for strøm og effekt. Figur 29 Figur 30 22

23 Resultatene var meget oppløftende og batteriet viser seg å være i god stand med 3.7Ah når fulladet. Spenningsfallet ila 15 minutter var godt innenfor marginene vi har tenkt. Spenningen startet på rett i overkant av 8V og etter 15 minutter var den på 7.4V, noe som er godt innenfor spesifikasjonene til motoren til båten. Testen er kjørt over en tidsperiode på 15 minutter, noe vi mener er tilstrekkelig med tanke på kjøretid under testing. Batteriet holder nok betydelig lengre om testing skulle gå utover denne tiden. Indre motstand 10 Ω For å finne den indre motstanden i batteriet vårt startet vi med å måle null-last-spenningen. Deretter koblet vi en motstand (R) på 10 i serie med batteriet, dog ikke i mer enn et par sekunder av gangen grunnet mye varmeutvikling i motstanden. Vi målte så spenningen over denne motstanden. U 0 = 7.88V U 1 = 7.66V U 1 = U 0 R R + r, r = indre motstand r = 287m Dette gir en teoretisk kortslutningsstrøm på 25.1A. Figur 31 Da utstyret ikke er nøyaktig på så lave målinger, er det vanskelig å bedømme hvor realistiske tall dette er. 6.6 Styring i LabView og dynamisk posisjonering Se vedlegg styring for bilder av frontpanel og blokkdiagram. Hensikten var å lage en PID-regulatoren, men grunnet mye støy på signalet fra potensiometeret resulterte det i uønskede pådragsverdier fra deriverte-leddet. Løsningen ble å sløyfe D-leddet. Formelen for pådraget er gitt ved Pådrag = nominelt pådrag + pådrag fra + P-ledd + I-ledd + D-ledd U = u 0 + K p (e + K i e + K d e) 23

24 6.6.1 Manøvreringsevne ved KVL Erfaringer gjort når båten har blitt kjørt med fult deplasement er at den har en tendens til å rulle sidelengs i vannet. Dette skjedde spesielt når man ga fart inn i en sving. Båten evner å svinge begge veier når den kjøres fremover, dog har den svært begrenset utslag ved bakking. Endringer i fartøyets egenskaper ved vektvariering (færre droner og drivstofforbruk): Ved fulle drivstofftanker og antall droner: - Drone #1: VCG = 2,8m LCG = 12,07m D = kg KVL = 1,97m - Drone #1 og #2: VCG = 2,76m LCG = 11,92m D = kg KVL = 1,95m - Drone #2, #3 og #4: VCG = 2,7m LCG = 11,67m D = kg KVL = 1,95m Ved 50% drivstoff og antall droner: - Drone #1: VCG = 3m LCG = 11,93m D = kg KVL = 1,71m - Drone #1 og #2: VCG = 2,95m LCG = 11,73m D = kg KVL = 1,68m - Drone #2, #3 og #4: VCG = 2,89m LCG = 11,4m D = kg KVL = 1,65mm Ved tilnærmet 0 drivstoff og alle droner om bord (sluttfasen av operasjonen); VCG 3,05m LCG = 11,69 D = kg KVL = 1,73m Beregningene viser tilfredsstillende egenskaper mht stabilitetskrav; KM > KG = GM > 0. Tyngdepunkt vil endre seg i liten forstand ved vektendringer. Deplasement og KVL vil endre seg i større grad underveis i en evt operasjon der vekten reguleres. 24

25 6.7 Koblingsskjema elektronikk Figur 32 koblingskjema elektronikk 6.9 Problemer A/D konverter NI USB-6009 er koblingsboksen vi bruker for at datamaskinen kan snakke med fjernkontrollen. Det dukket opp et problem tidlig da denne boksen kun to analoge outputs, og vi trenger tre for å kunne styre tre forskjellige kanaler samtidig. En forholdsvis enkel løsning er å bruke de digitale ut-portene, og bruke en D/A-konverterer. Denne vil motta fire digitale signaler, gjøre det om til et analogt og sende dette ut til fjernkontrollen. Figur 33 25

26 De første målingene ga oss resultatet i tabellen under. Det vi ser er at spenning ut er 1.7V når den digitale inputen er 5 til D/A-konverteren. Problemet da er at servoen som er tenkt å stå på denne kanalen, har en hvilespenning på 1.6V, og ved noe mer vil servoen gå rundt. Dig # VB VB VB VB VBOUT 0, ,00 1,30 1,70 2,00 2,30 2,70 3,00 3,40 3,70 4,00 4,30 4,70 5,00 Måten vi prøvde å løse dette på var ved å erstatte motstanden på 80kΩ som lå på utgang 1 med en motstand på 36kΩ i serie med et regulerbart potensiometer på 10kΩ. Da var det enkelt å justere spenningen sent ut og servoen står nå i ro. 7. Dokumentasjon av testresultat 7.1 Krengeforsøk Hensikten med krengeforsøket er å bestemme metasenterhøyden (GM) og tyngdepunktets vertikale plassering (KG) til et skip ved gitt deplasement. Et stativ med en pendel ble montert i bunn av båten, deretter målte vi utslaget som ble gitt på pendelen ettersom en vekt ble flyttet tverrskips. Metasenterhøyden skal ideelt sett være konstant, dvs at den skal være lik for både på stb og bb side. Om dette avviker vil det kunne si oss noe om skipets symmetri og stabilitet. 26

27 Utregning av KG For å finne KM har vi gått tilbake til modellen i Freeship. Her har vi regnet nytt deplasement på modellen med den nye vekten uten last. s = m ρ s ρ m 24 3 Deplasementet i ny skala er regnet ut til å være 33,17 tonn. Deretter justerte vi dypgangen på modellen inntil man fikk et deplasement på ca 33 tonn. Man kunne deretter lese av KM i kalkulasjonene. KM i Freeship er avlest til 3.126m som blir 13cm i modellen. 27

28 Beregnet fullskalavekt 33,17 KM (modell) = 13cm KG (modell) = KM-GM KG = 13 0,2 = 12,8 KG lettskip = s KG (W Krengevekt KG + W stativ KG) s W Vi regner modellens tyngepunkt til 12.8cm som gir 3.07m i fullskala. Skrogets tyngdepunkt er derfor ganske nærme metasentret. Dette er dog målinger ved et gitt deplasement. Ved fullt deplasement vil metasenteret være 3,25 m (fullskala fra Freeship) og tyngdepunktet G vil ligge på 11,88 m (se vektregnskap). Fartøyet oppfyller derfor kravene til stabilitet; GM > Slepeforsøk modelltank I slepetanken ble det kjørt en slepetest av fullastet skrog med forskjellige vekter for å simulere forskjellige pådrag. Dette ble så plottet inn i en tabell som så beregnet de forskjellige forholdstallene som trengtes. Bilde av plot med fartsvektoren til skroget i slepetanken Usain Boat i slepetanken 28

29 29 Tabell 2 Fullstendig tabell med resultater

30 Plott av motstandkoeffisientene som funksjon av Reynoldstallet ( Rn) for modell og skip ( Rn tallet på en logaritmisk skala) og som funksjon av Froudes tall (Fn). 30

31 7.3 DP-test I vedlegg «Styring» ligger bilder av hvordan programmet laget i LabView. Hensikten med denne testen er å finne konstantene som er lagt inn i programmet som gjør at båten klarer å holde samme posisjon i en akseretning. Metoden for testing kort beskrevet; Båten ligger i vannet med en snor festet i hver ende som gjennom et trinsesystem ender i et lodd på 50g på hver side. Snoren går igjennom et potensiometer, og når båten flyttes, snurrer potensiometeret og den nye posisjonen registreres og sendes til datamaskinen. Programmet prosesserer dette og sender ut et signal om at motoren må kjøres en av veiene for å nå den nye posisjonen. Ordforklaring: K p en konstant som ganges med alle leddene i PIDregulering. T i en konstant som brukes i forbindelse med integrering. T d en konstant som brukes i forbindelse med derivering Figur 34 Vi startet med å finne verdien K p burde ha, og satte Ti til 1000 og Td til 0. Videre satte vi K p til en høy verdi, 10, kjørte programmet og dyttet båten ut av posisjon slik at den måtte jobbe seg tilbake. Resultatet ble at programmet ga for store utslag. Vi prøvde så med K p = 5 og K p = 7.5. Figur 35 31

32 Figur 1 Kp = 10 Figur 2 Kp = 5 Figur 3 Kp = 7.5 K p = 5 ga for lite utslag, men 7.5 fungerte som ønsket og vi kunne jobbe videre på konstanten T i. Vi tok utgangspunkt i formelen gitt av Lars Olav Tveita i dokumentet «LabView øvinger Innføringskurs.pdf» Og satte da Ti = 36 som ga resultatet i grafen til venstre. Programmet brukte unødvendig lang tid på å korrigere for små endringer så vi valgte å minske verdien til 28. Figur 36 Ti = 36 Resultatet ble at båten evnet å regulere posisjonen sin med stor nøyaktighet og vi sa oss fornøyd. Figur 37 Kp = 7.5 og Ti = 28 32

33 Det siste forsøket innenfor DP-testingen var å simulere motstrøm og se hvordan båten reagerte. Vi hadde 100gram mer i tauet festet i hekken, slik at båten nå ville bli dratt akterover. Resultatet vises i grafen til venstre. Det første halvannet sekundet ligger båten i ro før vi legger på den ekstra vekten. Figur 38 Motstrømsforsøk Drivstoffmengde 7.4 Drivstoffmengde, rekkevidde og forbruk Vekt stor drivstofftank (fullskala) Vekt liten drivstofftank (fullskala) 7880 kg 4009 kg Beregner med 1 cm vegg i tankene. Volum stor tank: 7337 L Volum liten tank: 4020 L Total drivstoffmengde i fartøyet: L Rekkevidde og forbruk Full hastighet: Fart: Effektbruk motor: Drivstofforbruk: Rekkevidde i timer: Rekkevidde i nautiske mil: Halv hastighet: Fart: Effektbruk motor: Drivstofforbruk: Rekkevidde i timer: Rekkevidde i nautiske mil: 14 kts 1120 kw 207 L/t 336 t 4704 Nm 7 knop 56 kw 10 L/t 6955 t Nm 33

34 7.5 Modellens trekkraft (Bollard Pull) Hensikten med testen er å finne trekkraften til båten når den kjører med 1/3 -, 2/3 og 3/3 av maksfart. Testen ble utført ved at båten ligger i ro i vannet med en snor festet i bakenden, og videre til en thrustmåler. Vi kjørte testen tre ganger, der båten ble liggende i 0-hastighet, og drar med forskjellige pådrag. På grafene nedenfor kan vi se hvor grafen rettet seg ut, og hvilken trekkraft båten har ved de forskjellige pådragene. Figur Modellens fart og akselerasjon ved ulikt pådrag Testens hensikt er å finne modellens fart og akselerasjon ved ulike pådrag. Gjennomføringen av testen ble gjort med en posisjonssensor montert i en stillestående rigg bak båten. Sensoren måler endring i posisjon i forhold til tid og på det grunnlag gjør kalkuleringer for å finne farten og akselerasjonen til båten. For å få så nøyaktige målinger som mulig, trenger sensoren et størst mulig areal på det den skal måle posisjonen til. Løsningen var å montere en papplate dekt med sølvteip på hekken. Testen ble utført i tre steg, der vi økte pådraget fra 1/3 til 3/3. 34

35 Fartøyets fart og akselerasjon ved 1/3 av maksfart Figur 40 Fartøyets fart og akselerasjon ved 2/3 av maksfart Figur 41 35

36 Fartøyets fart og akselerasjon ved 3/3 av maksfart Figur 42 Akselerasjonsverdiene som ble målt er ikke realistiske verdier og skyldes feilkilder. Dette kan være at sensoren ikke har truffet hekken på båten på samme sted, eller bommet helt. Det vises også i måling nummer 72 og 73 av fult pådrag. Der endres posisjonen fra 2.2 til 1.8, selv om båten hadde konstant fartsretning. 8. Oppfyllelse av stabskrav 8.1 Krav og forutsetninger til systemet: 1. Det skal tilstrebes en lav-kost løsning. Fartøyet er designet rundt målet å få et fullt ut operativt fartøy med de krav som medfølger anskaffelse av militært utstyr. Prisen er satt med hensyn til oppfyllelse av disse krav. 2. Framdrift skal bestå av en enkel framdriftslinje - motor/aksel/propell/ror. Fremdrift består av angitte deler 3. Lengde overalt skal ikke overstige 24 m Fartøyet er 24 m langt 4. Største bredde overalt skal ikke overstige 6.5 m. Største bredde er 6.5 m 36

37 5. Undervannsdronen skal kunne settes ut og tas inn på sikker måte. Undervannsdrone kommer om bord via en rampe som opereres på en sikker og skånsom måte. 6. Plattformen skal kunne frakte opptil 4 stk droner Det er klargjort plass til 4stk droner på dekk under overbygg. 7. Plattformen bør minimum kunne tilbakelegge 1000 NM ila 72 timer Beregninger er oppgitt 8. Driftsprofil for plattformen, i operasjonsområdet, er 5 kts fart /døgn Oppfylt 9. Skal kunne drive operasjoner i 30 dager i operasjonsområdet Oppfylt 10. Undervannsdronen vil ha timers operasjonstid per ladning. Ladning skjer vha plattformen. Dronen inneholder batterier som dekker operasjonsmønsteret. 11. Fartøyet skal være stabilt med tomme/fulle tanker og drone(r) ombord. GM > Lav radarsignatur - RCS (radar cross section) skal tilstrebes. Fartøyet er designet med lett skråstilte skott som gjør at fartøyet får en lav RCS. 13. Undervannsdronen(e) skal ha en sjøsikker lagring når ombord. Droner er forsvarlig sikret når de er om bord. 14. Fartøyet skal operere autonomt og/eller via avstandskommunikasjon. Fartøyet kan styres ved hjelp av fjernstyring, både med fjernkontroll og via datastyring. 8.2 Krav til modell og andre forutsetninger: 1. Plattform og drone fremstilles i skala 1:24. Oppfylt 2. Dronen lages til av en 0.5l brus/vannflaske med lengde/bredde forhold på om lag 6. Den skal ha et lite tårn. Drone er laget av en 0.5l flaske med tårn og fremdrift/propell. 3. Dronen skal flyte stabilt med akkurat nok oppdrift til å flyte. Dronen flyter med bare tårnet over vannoverflaten. 4. Dronen skal kunne settes ut fra moderskip og tas inn vha fjernstyrt system. 37

38 Dronen kan settes ut av fjernkontroll og via datastyring. 5. Plattformen skal frakte den angitte last på sikker måte, se tabell nedenunder. Fartøyet har plass til alt materiell. 6. Framdrift og manøvrering av moderskip og handtering av drone skal være basert på utlevert elektrisk motor, aksling, propell, ror, servoer, batteri, motorkontroller og radio(rc). Fjernstyring og handtering av drone skal også kunne foregå via PC. Oppfylt 7. Elektriske komponenter skal plasseres og/eller beskyttes slik at de ikke blir ødelagt av vannsprut. Komponenter ligger beskyttet. 8. Skroget skal designes vha dataprogrammet Freeship, versjon 2.6 Oppfylt 9. Hovedskroget skal lages i polyfoam (hard isopor - se utlevert byggeveiledning). Oppfylt 10. Konstruksjonsvannlinjen (KVL), nullkryss og dypgangsmerker forut og akter skal tegnes på modellen. Oppfylt 11. Skal utstyres med fjernstyrte innretninger for flytting/oppbevaring av dronen. Dronen blir hentet inn av en fjernstyrt innretning. Om bord vil de bli flyttet av en kranløsning som ikke er med på modellen. 12. Skal ha slepe/feste anretning i akter- og i forskipet. Kraften skal gå i senterlinjen til fartøyet. Kan monteres i testøyemed. 13. Skal kunne montere en horisontal montert list, på tvers av skipets lengde. Skal nyttes til slepeforsøk. Den skal monteres rett over fartøyets oppdriftssenter (LCB) ved KVL og må kunne tåle en kraft på 10 kg i horisontal retning. Skrues fast i skroget ved angitte festepunkt. 38

39 9. Produkt Usain Boat har et skrog, med hydrodynamisk utførelse som fører til liten vannmotstand og gode manøvreringsegenskaper. Fartøyet frakter med seg 4 droner som kan lastes og losses ved hjelpe av en påmontert rampe. Overbygget på fartøyet er konstruert for stealth og beskyttelse av dronene mot omgivelsene, i tillegg til å kunne føre en traverskran slik at utladede droner kan lastes inn på ladestasjoner mens andre droner blir stilt i rett posisjon til å kunne losses ut med rampen. Fartøyet leveres med et avansert styringssystem som kan opereres ved noen få enkle tastetrykk. Styringen er konstruert slik at all relevant informasjon er tilgjengelig til enhver tid, samt brukervennlig informasjonsfremstilling. Styringen kan enkelt justeres fra automatisk posisjonsregulering (PID) til manuell styring. Det er også verdt å nevne produktets massesenter, som endrer seg minimalt ved varierte vekter (færre droner og mindre drivstoff). Dette gir fartøyet gode og nesten uendrede egenskaper mtp stabilitet. I henhold til forsvarets behov for diskret fremtoning må overbyggets utforming og fasong trekkes frem. Vinklene på overbygget gjør det svært vanskelig å detektere på radar. 39

40 10. Budsjett og arbeidslogg Diagramtittel 10 % 9 % 1 % 24 % 15 % 41 % Engineering Motorer Elektronikk Skrog Arbeidskraft Uforutsette utgifter 40

41 Dato: Dag: Tormod Ken Robert Cato Magnus Karianne Erlend Timer pr.dag Merknad Dette er et grovt overslag på hvor mange timer gruppa bruker på prosjektet Fredag og hvor mye som faktureres for disse Lørdag Søndag ,- Faktureres per time, per pers Mandag Tirsdag Timer her regnes kun som disponert tid til prosjektet, og ikke forelesninger Onsdag Torsdag Fredag Lørdag Totalt antall timer: 648 Timer Søndag Timepris 1200 Kr Mandag Kostnad for arbeidstimer Kr Tirsdag Onsdag Et dagsverk er 7,5 timer Torsdag Dagsverk totalt 86,4 Dagsverk Fredag Lørdag Søndag Mandag Design av skrog ferdig Tirsdag Onsdag Torsdag Fredag Lørdag Søndag Mandag Skrog ferdig tegnet Tirsdag Onsdag Torsdag Fredag Lørdag Søndag Skrog ferdig produsert Mandag Tirsdag Onsdag Torsdag Fredag Lørdag Søndag Mandag Konkurranse Tirsdag Onsdag Torsdag Navn Totalt per person Tormod Ken Robert Cato Magnus Karianne Erlend Totalt

42 11. Erfaringer, læring og konklusjon Til tross for høy selvtillit etter teorileksjoner i temaer og dataprogrammer, viste det seg at det å sette teorien i praksis var vanskeligere en antatt. Som erfaring og læring vil testen som ga størst utbytte for valgte løsninger trekkes fem. For gruppen var dette selve slepetesten. Her ble det blant annet kartlagt at båten ikke var tett, og moderate mengder vann kom gjennom akslingen. Første løsning var å legge sikaflex rundt akslingen og de andre skjøtene i båten. Dette gav ikke ønsket resultat, og fartøyet måtte sparkles på nytt. I tillegg viste det seg at med valgt skipskonstruksjon kom vi ikke opp i ønsket hastighet, selv om kravet ble nådd. Uforutsigbarheter er også et punkt som må nevnes. Når man blant annet må vente i 24 timer på at sparkel skal tørke, byr dette på utfordringer med tanke på tid i en kritisk og travel fase av prosjektet. Etter seks uker med prosjektarbeid har gruppen blitt bevisst på hva det innebærer å ha en velfungerende struktur, samt kontinuerlig informasjonshenting. Med prosjektdeltagernes forutsetninger og ulikt kompetansenivå har prosjektet likevel blitt gjennomført på en god og tilfredsstillende måte. 42

43 Vedlegg 1 Tekniske spesifikasjoner skrog

44 44

45 Vedlegg 2 Styring

46 46

47 47