MSPIL-AMOS Sensor platform Sensorer for MSPIL (Mobile Sensor Platform Innovation Lab) AMOS (Autonomous Marine Operations and Systems) AUV (Autonomous Underwater Vehicle) UAV (Unmanned Aerial Vehicle) Strategisk Egenfinansiert Prosjekt (SEP) Terje Frøysa Teknologi for et bedre samfunn 1
Sensor system Sensorer for UAV/AUV NCEI 2015-03-25 GPS (Global Positioning System) / GLONASS (GLObal NAvigation Satellite System) Tactical Grade Ten Degrees of Freedom Inertial Sensor (IMU) Gyro-meter/Barometer/Magnetometer Swarm Radio (intra swarm position/communication) GPS GPS Gyro-meter Barometer Magnetometer Processor Swarm Radio Teknologi for et bedre samfunn 2
Sensor data delivery NCEI 2015-03-25 GPS: 1Hz GPIO interrupts relates delivered data (UART) to time-line. IMU: 450Hz GPIO interrupts relates delivered data (SPI) to time-line. Gyro-meter: 8Hz GPIO interrupt relates data (I2C) to time-line. Magnetometer: 8Hz Barometer/Altimeter: 200Hz GPIO interrupts relates data (I2C) to time-line. Swarm Radio: TBD 10Hz? Sensor Sensor Sensor irq irq irq dvr dvr dvr dvr dvr dvr Sensor Task Sensor Task Sensor Task Buf1 Buf2 Buf1 Buf3 Buf2 Buf1 Buf3 Buf2 Buf3 Buffer Administrator Consumer Task Dynamics Model (Kalman- Filter) dvr dvr dvr dvr Actuators Swarm Radio Teknologi for et bedre samfunn 3
Prosessor system NCEI 2015-03-25 Krav Hard real-time Multi tasking Konfigurerbart Tilstrekkelig regnekraft Lett vekt Embedded prosessor (COTS) Beaglebone Black (Sitara 1GHz Cortex A8) Open source design. Hard real-time? OS Linux (preferred over commercial OS'es) Versatile, open source, large community. No hard real-time (1-25ms latency) Xenomai (Provides hard real-time to Linux) +0.027146/-0.027146 ms +0.148593/-0.147991 ms Teknologi for et bedre samfunn 4
Panelisering (6-lag, 75 kort, NOK 7500.-) Partiell montering Custom design As the design exist at CAD-level, it is quickly adaptable to numerous applications. NCEI 2015-03-25 3D modulering/ animasjon forenkler fysisk design. Teknologi for et bedre samfunn 5
Design faktorer som koster eller sparer tid. Software Monteringshus Komponenter COTS? Mekanisk design Loddeprosess Mekanisk PCB leverandør Viktige partnere Start Sim Skjema PCB Sim DFM MFG ASM TEST Mål (?) ECO Dokumentasjon Revisjon Teknologi for et bedre samfunn 6
SINTEF IKT SmartPipe, et produkteksempel Mål: Forene materialdegraderingsmodeller og analyseverktøy med sensordata fra olje- og gassrør for å oppnå kontinuerlig tilstandskontroll. Partnere: SINTEF, Force Technology, Bredero Shaw, ebm-papst, Siemens, Technip, Eni, ConocoPhilips, Petrobras og Total. Underleverandører: Elmatica (Formidling PCB produksjon) Norbitech (PCB assembly, mekanisk montering belter) Force (Mekanisk design kapsling) Siemens (Sub-sea modem for overføring av data) Ebm-Papst (Kapsling batteri og kommunikasjonsmodul) Teknologi for et bedre samfunn 7
Oljerør produsert av Bredero Shaw på Orkanger Diameter: 271mm. Rørtykkelse: 14mm Isolasjon, PP-tykkelse: 70 mm Rørlengde 24m pr. skjøt Skjøtes sammen til 1000m Vekt: 150kg/m Teknologi for et bedre samfunn 8
SmartPipe mekanisk Rørene spoles med en diameter på ca. 16,5m Ved utlegg rettes røret. Når røret er lagt ut er ca. 50% av utmattelsesmarginen brukt opp. SINTEF ICT 9
SmartPipe utfordringer Lang levetid (25 år). Høyt trykk, store havdyp (3000m). Høy temperatur 250 C / 200 Bar ved innstøping. 120 C rørtemperatur ved drift. Krevende mekanikk (reeling 3% bøying). Kommunikasjon langs røret. Signalbehandling. Mekanisk utforming og montering. Teknologi for et bedre samfunn 10
SmartPipe produktdisipliner Fysisk utforming (krevende miljø) Betjening (kunde) Programvare (Software/OS) FPGA/CPLD-design (Styring av ultralydmålinger) Sensorteknologi (Ultralyd, Strekk, Temperatur, Orientering) Energiforsyning (25 år på batteri) Kretsdesign (lave toleranser) PCB-design (høy temperatur) Sammenstilling (Mekanikk og elektronikk) Dokumentasjon Logistikk/marked Service/vedlikehold (testmuligheter, fjernoppgradering) Revisjoner/videre utvikling Teknologi for et bedre samfunn 11
SmartPipe Produkt skisser Kunde(r) Produkt Programvare (Software/OS) FPGA/CPLD-design Sensorteknologi Energiforsyning Fjernoppgradering Teknologi for et bedre samfunn 12
SmartPipe produktskisser Sensormodul må få plass inne i PP-isolasjonen. Modulen kapsles og monteres på røret i en skjøt. Batteripakke + kommunikasjon (30-40 kg) monteres ved legging av røret. Beltet en del av antennedesignet. Teknologi for et bedre samfunn 13
SmartPipe sensorbelte Strekklapper. Temperaturfølere. Ultralyd sensorer Høytemperatur lodding Antennekomponent. Galvaniske forhold Beltestramming Mekanikk God akustisk kopling Rask montering Sensorkapsling 250 C SINTEF ICT 14
SmartPipe problemløsninger Utprøving av alternativ metodikk for ultralydmålinger. Lav driftsspenning. Signalbehandling i stedet for analoge kretser. Generisk løsning. Innenfor 2x7 cm. Test av strekklapper. Mekanisk oppspenning. Trykk / kapsling. 8 kanaler 1 kanal Teknologi for et bedre samfunn 15
Termisk design Mekanisk match Kjøleflens Varmeavledning mot lavere temperaturer. PCB design for varmeavledning (Rogers 4350B substrat). Lavtemperatur komponenter på "kald" side av PCB Plassering så høyt i PP-kappen som mulig. Kjøletårn i boksen. Sensorbeltet designet for minst mulig varmeoverføring til Sensormodulen. Teknologi for et bedre samfunn 16
SmartPipe i produksjon Sensorbelte må monteres manuelt. Ingen nåværende løsninger for automasjon. Sensormodulen er designet for: Automatisk produksjon. Automatisk konfigurasjon og test. Kommunikasjonsmodulen er designet for: Automatisk produksjon. Automatisk konfigurasjon og test. Prototype serien i automatisk produksjonslinje. Teknologi for et bedre samfunn 17
SmartPipe mesotest 200m rørledning. 8 målenoder. Kopling offerelektrode Montering Montering batteripakke Kopling til on-shore Teknologi for et bedre samfunn 18
microstrain Storage and analysis Mesotesten (1 år) Reeling test linear regression curve Strain Temperature Teknologi for et bedre samfunn 19
SmartPipe neste versjon. Redesign av sensormodul Redesign av kommunikasjonsmodul Flytte elektronikken inn til røret? Høytemperatur VLSI design? Ny mekanisk belteløsning trengs. Tilrettelegging for serieproduksjon Teknologi for et bedre samfunn 20
Takk for oppmerksomheten! Spørsmål? Teknologi for et bedre samfunn 21