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Primo premio al Maker Faire Trieste 2021
Primo premio al Maker Faire Trieste 2021
ROV Polifemo 1K2
ROV Polifemo 1K2
un ROV subacqueo per grandi profondita'
(1200 metri)
A cosa serve:
- Ricerca di oggetti o relitti sommersi a grande profondità
- Ispezioni tecniche su strutture sottomarine
- Censimento della fauna lacustre o marina
- Controllo oleodotti e dorsali elettriche o telefoniche
- Misure di temperature nel mare (mappa termoclino)
- Campionamento acqua a varie profondità
- Analisi sull'inquinamento da microplastiche o contaminanti chimici
- Controllo della torbidità dell'acqua
- Fotografia o videoriprese per documentari
E’ dotato di:
Camera ad alta risoluzione, zoom motorizzato 4X
Due motori di propulsione con elica tripala
Un Motore di controllo assetto e profondità
Un servomotore per il timone orizzontale
Un sensore di pressione barometrica per la valutazione della profondità
Un termo-igrometro interno allo scafo per monitorare eventuali infiltrazioni
Un termometro esterno allo scafo, per monitorare la temperatura dell'acqua ed eventuali termoclini.
Un voltmetro per tenere sotto controllo la tensione delle batterie.
Un amperometro per controllare l'assorbimento e stimare l'autonomia residua .
Un accelerometro/giroscopio per stimare l'assetto del ROV
Una coppia di illuminatori a LED da 12W
Laser verde per la misura della trasparenza dell'acqua
Provette per la raccolta di campioni di acqua marina.
I dati di tutti questi sensori sono trasmessi all'operatore tramite collegamento in fibra ottica.
I comando remoto avviene tramite un Joystick multifunzione
Il ROV Polifemo in fase di allestimento
Prima parte (struttura e hardware)
Negli ultimi mesi mi sono dedicato allo sviluppo di un lavoretto più impegnativo del solito, forse non troppo originale ma sicuramente innovativo sotto molti aspetti.
Si tratta di un ROV (Remotely Operated Vehicle) subacqueo, progettato per grandi profondità, dunque non il solito giocattolo cinese da 30 euro.
Lo scafo è progettato per resistere ad almeno 120 bar (con coefficiente di sicurezza 2), pressione idrostatica che troviamo a ben 1200 metri sott'acqua.
Nei ROV professionali per grandi profondità in realtà viene usato un sistema diverso dallo scafo resistente, si usa al suo posto uno scafo leggero riempito d'olio minerale, che essendo incomprimibile può resistere a pressioni altissime.
A me, l'idea di mettere sott'olio della raffinata elettronica non andava troppo a genio, soprattutto per le mie perplessità relative alle conseguenze sulla telecamera, relè e batterie.
Penso infatti che l'olio vada bene per il tonno, le cipolline e i peperoni, ma non per i microprocessori ecc. Senza considerare i problemi di pulizia in caso di apertura per riparazioni, modifiche o manutenzioni.
Ho deciso così di progettare e realizzare uno scafo in grado di sopportare alte pressioni senza cedere o deformarsi, possibilmente senza dover (o far) costruire qualcosa ad hoc, per definizione costosissimo.
Nel mio magazzino giaceva da almeno 30 anni una bombola da sub, pensionata per scadenza del certificato di omologazione.
Oggi le bombole per diving le fanno in alluminio o materiali compositi, ma 40 anni fa erano in acciaio forgiato per bollitura, senza saldature, che è il caso della mia vecchia bombola:
Marca FABER, capacità 18 litri, fatta in acciaio al cromo-molibdeno spesso circa 8 mm, l'ideale per la mia applicazione.
Dovete sapere che queste bombole venivano periodicamente collaudate riempiendole d'acqua ad una pressione di 350/400 bar, ma in realtà possono resistere anche al doppio.
In questo caso la pressione è inversa, tende a schiacciarla invece che farla espandere, dunque la resistenza meccanica è inferiore. Ma anche per merito della sua geometria cilindrica con teste emisferiche, la sua "forza" rimane consistente e alcune simulazioni e calcoli FEM eseguiti per me da un amico ricercatore, lo confermano.
Ho dunque stabilito un punto fermo, un limite operativo di -1200 metri, corrispondente a 121 bar.
Qualcuno penserà: dove trovi profondità del genere nel mediterraneo? che c**** ci vai a cercare laggiù?
Osservazione giusta ed inconfutabile, dopotutto io non lavoro sulle piattaforme petrolifere nel mare del nord e sicuramente in caso di necessità non chiameranno me, ma visto che disponevo della bombola, tanto valeva usarla.
Poi ho saputo che qui Italia esistono dei laghi e inghiottitoi carsici mooolto profondi, alcuni persino inesplorati ma superiori ai -400 metri. Vedremo se sarà possibile organizzare una spedizione esplorativa sul fondo...
Il nome Polifemo mi è venuto in mente guardando il ROV, con la sua telecamera che sembra un occhio solo mi pare adeguato, corredato dalla sigla 1K2, che indica la profondità massima progettuale.
Ma passiamo senza indugio alle sue specifiche:
Visione remota:
Camera PTZ (Pan Tilt Zoom) con risoluzione 2Mp (1920x1080 pixel), sensibilità 0.005 lux, zoom motorizzato 4X, web server integrato, dotata anche di microSD da 32Gb, interfacciata ethernet.
Il che garantisce una visione eccellente dei particolari con possibilità di zoomare e puntare l'obiettivo.
Propulsione:
- Due thruster di propulsione da 150W, reversibili, con elica tripala diam.180mm
- Un thruster di controllo profondità da 150W, reversibile, con elica tripala diam.180mm
- Un servomotore per il timone orizzontale da 30W, corsa 80+80 mm.
- Due controller duali per motori, da 30A, 24V, composti da 2+2 chipset VNH5019 della ST
I segnali di controllo propulsione sono gestiti tramite un Joystick multiasse
Sensoristica:
- Un sensore di pressione barometrica da 100 Psi (6.89 bar) per profondità max 50 metri, oppure da 300, 1000 o 2000 Psi per profondità superiori (1370m max).
Oltre per per indicare la profondità, viene usato anche dal sistema di assetto automatico.
- Un termometro/igrometro interno allo scafo, per monitorare eventuali infiltrazioni o formazione di rugiada.
- Un termometro esterno allo scafo, per monitorare la temperatura dell'acqua ed eventuali termoclini.
- Un voltmetro per tenere sotto controllo la tensione delle batterie.
- Un amperometro per controllare l'assorbimento e stimare l'autonomia residua .
- Un accelerometro/giroscopio per stimare l'assetto del ROV e controllare automaticamente il timone di profondità.
- Una coppia di illuminatori a LED da 12W, 4000 Kelvin
- Un relè per attivare i faretti a LED
- Laser DPSS per la misura della trasparenza dell'acqua
- Due relè per attivare i contenitori per la raccolta di campioni di acqua marina.
I dati di tutti questi sensori sono trasmessi all'operatore tramite collegamento in fibra ottica.
La bombola ex sub riciclata come scafo resistente
La bombola ex sub riciclata come scafo resistente
Sensoristica:
- Un sensore di pressione barometrica da 100 Psi (6.89 bar) per profondità max 50 metri, oppure da 300, 1000 o 2000 Psi per profondità superiori (1370m max).
Oltre per per indicare la profondità, viene usato anche dal sistema di assetto automatico.
- Un termometro/igrometro interno allo scafo, per monitorare eventuali infiltrazioni o formazione di rugiada.
- Un termometro esterno allo scafo, per monitorare la temperatura dell'acqua ed eventuali termoclini.
- Un voltmetro per tenere sotto controllo la tensione delle batterie.
- Un amperometro per controllare l'assorbimento e stimare l'autonomia residua .
- Un accelerometro/giroscopio per stimare l'assetto del ROV e controllare automaticamente il timone di profondità.
- Una coppia di illuminatori a LED da 12W, 4000 Kelvin
- Un relè per attivare i faretti a LED
- Laser DPSS per la misura della trasparenza dell'acqua
- Due relè per attivare i contenitori per la raccolta di campioni di acqua marina.
I dati di tutti questi sensori sono trasmessi all'operatore tramite collegamento in fibra ottica.
Equipaggiamento elettronico:
- Una webcam per videosorveglianza Dahua SD 22204UE, 2 Mpx, PTZ.
- Un Arduino Mega(micro ATmega2560)
- Una shield Ethernet con chipset W5100
- Un media-converter Ethernet-Fibra ottica a 100Mb
- Un HUB (switch) Ethernet a 5 canali: TP-Link TL-SF1005D
- Un partitore resistivo con due resistenze per la misura della tensione batterie
- Un sensore di corrente ad effetto Hall: ACS712 da 30A f.s.
- Un sensore di temperatura one-wire: DS18B20.
- Un sensore di temperatura/umidità DHT11.
- Due motor driver Pololu duali: VNH5019 da 30A
- Un regolatore di tensione Stepdown da 5V 3A
- Un regolatore di tensione Stepdown da 12V 5A
- Giroscopio/Accelerometro MPU6050
- Un accumulatore al LitioFerroFosfato a 4 celle, Out 14V e 25000 mAh
- Una card con 4 relè con fotoaccoppiatore
- Un Mosfet IRFZ44, 60V, 25A
- Un cordone ombelicale in fibra ottica armata con kevlar, a 12 fibre, per il momento lungo 150 metri ma espandibile ad alcuni Km (max 25).
- Componenti e minuterie assortite (resistori, fusibili, portafusibili, interruttori, led, condensatori, morsettiere, millefori ecc.
Equipaggiamento di superficie:
- Un media-converter Ethernet-Fibra ottica 100Mb
- Notebook Winzozz10 con prestazioni decenti, per la CAM
- Eventuale secondo Notebook per i soli dati telemetrici
- Un HUB Ethernet o in alternativa un AccessPoint WiFi
- Un Joystick USB multiasse
- Un caricatore/equalizzatore per batterie LiFePh
- Un tamburo per avvolgere il cavo in fibra ottica.
- Cavi ethernet, patch in fibra, adattatori e minuterie varie.
- Eventuale gruppo di alimentazione inverter a 230V
Equipaggiamento opzionale ma non ancora implementato:
- Sonar a scansione
- Magnetometro per il rilevamento di masse ferrose
- Bearing magnetico (bussola)
- Sensore per la misura della salinità
- Telecamera posteriore
- Braccio manipolatore (necessita di telaio aggiuntivo e sorgente di energia ausiliaria)
Scopi ed utilità del ROV:
- Ricerca di oggetti o relitti sommersi
- Ispezioni tecniche su strutture sottomarine
- Censimento della fauna lacustre o marina
- Controllo oleodotti e dorsali elettriche o telefoniche
- Misure di temperature nel mare (mappa termoclino)
- Campionamento acqua a varie profondità
- Analisi sull'inquinamento da microplastiche o contaminanti chimici
- Controllo della torbidità dell'acqua
- Fotografia o videoriprese per documentari
La realizzazione meccanica:
Mi serviva un telaio dove fissare la bombola e i propulsori, così ho disegnato una struttura in acciaio inox per evitare la corrosione dei tubi interni, dovuta soprattutto all'acqua di mare.
Ho realizzato un frame lungo 880 mm, alto 430 mm e largo 610 mm (vedi disegno), dotato dei vari ancoraggi per fissare bombola, motori, galleggianti, zavorre e timone. Ho notato che durante l'immersione in vasca di prova l'acqua penetrava nel telaio dai fori dei bulloni di fissaggio dei vari elementi. Invece di impermeabilizzarli ho facilitato l'allagamento del tubi del telaio praticando dei fori, che servono anche allo svotamento al momento del riporto in superficie.
La testata della bombola è stata tagliata con la flex e rifinita al tornio, saldando internamente una flangia dove inserire un o-ring in gomma da 3 mm. Il dispositivo di chiusura è realizzato con 4 bulloni M8 ancorati alla superficie esterna della bombola per mezzo di tubi in acciaio passanti. Per ricavare l'oblò in policarbonato da 15 mm ho proceduto allo stesso modo, inserendo in mezzo delle guarnizioni gomma sintetica.
Ho poi forato la bombola sulla parte superiore per far passare il sensore di temperatura, di pressione e il cavo in fibra ottica. Quest'ultimo, per essere affidabile, ha richiesto la costruzione di un "passacavo" in tubo d'acciaio, successivamente riempito di resina. Nella zona inferiore ho praticato un foro per far uscire i cavi dei motori, illuminatore a led e i campionatori.
Ho poi sistemato una scatola di derivazione per impianti elettrici e dopo aver collegato e testato i collegamenti ho iniettato della resina epossidica per sigillare il tutto.
I bulloni saldati alla bombola ed incorporati nella colata di resina, che si possono vedere in foto, hanno lo scopo di ancorare stabilmente il blocco di resina e cavi.
Saldatura della sede O-ring.
Scatola dei connettori prima della sigillatura con resina epoxy.
Sulla parte superiore sul telaio ho installato tre cilindri d'acciao (ex estintori a polvere adeguatamente svuotati, verniciati e pressurizzati a 8 bar), che hanno lo scopo di fornire una spinta positiva e di spostare il centro di galleggiamento verso l'alto, in modo da evitare il rischio di rovesciamento.
La pressurizzazione serve a scongiurare lo schiacciamento dovuto alla pressione idrostatica. Il tutto è stato verniciato a spruzzo con smalto poliuretanico bicomponente. L'assembly ha un diametro di 220 mm e una lunghezza di 640 mm fuori tutto, il peso del veicolo completo è risultato essere sui 52 Kg.
Nella zona inferiore laterale ho fissato delle canalette per impianti elettrici che servono a contenere le zavorre.
Il primo test è stato fatto in una cisterna di acqua dolce, immergendo il ROV completamente e aggiungendo sezioni di catena zincata in modo da ottenere un assetto neutro, cioè a pelo d'acqua.
In mare le cose saranno diverse, avendo l'acqua di mare una densità superiore, in questo caso basterà aggiungere zavorra per un altro 3,5 % di peso, equamente distribuita.
I Thruster:
Mi servivano dei motori per la propulsione e l'assetto, ma dopo varie ricerche in rete non ho trovato niente di idoneo alle mie esigenze. Però avevo a disposizione una ventina di trapani a batteria, gettati in discarica senza pietà e prontamente recuperati dai miei agenti segreti.
Una volta smantellati ho ricavato degli eccellenti motori elettrici dotati di riduttore epicicloidale, potenti ed affidabili (la gente li butta via quando la batteria è esaurita).
Scelgo tre motori con tensione uguale, li provo accuratamente per controllare l'assorbimento, poi disegno e stampo qualche accessorio con la Stratos 3D, tornisco delle chiusure in PVC, aggiungo un asse lappato e filettato, un case in alluminio, degli o-ring, un paraolio, un'elica, "et voilà", costruiti i propulsori. Semplice ed economico, ma soprattutto molto... "maker".
Dalle foto si possono vedere tutti i componenti sopradescritti, i motori hanno un diametro di 60 mm e sono lunghi 210 mm (280 mm elica compresa). Le eliche di provenienza cinese le ho comperate in rete, sono in nylon caricato con fibre e sono costate circa 12 euro l'una. Il tappo passacavo è stato sigillato con resina epoxi per evitare infiltrazioni.
I motori semiassemblati
Installazione delle eliche
Motore completo
Il motore del timone di profondità è molto simile ma ha una potenza di soli 30W e aziona una barra filettata dotata di cursore e relativo meccanismo di snodo. Serve all'immersione rapida durante la navigazione.
La stabilizzazione della profondità la otterremo con l'impiego dell'apposito thruster azionato in automatico.
Consiste nel terzo motore, quello posto in verticale sopra la bombola ed ha lo scopo di mantenere la quota costante, senza usare i propulsori di crociera.
Può essere azionato manualmente dal joystick oppure in automatico, leggendo la pressione idrostatica istantanea ed attivando l'elica in modo opportuno per posizionarsi alla profondità prefissata.
La funzione non è ancora presente nel software attuale ma ci sto lavorando.
Prima di proseguire con l'allestimento ho preferito fare un collaudo di tenuta all'acqua.
Non avendo laghi disponibili all'interno del laboratorio mi sono inventato questa soluzione:
Una cisterna da 1000 litri alla quale ho tagliato la copertura superiore per ricavare una sorta di minipiscina, ci ho calato il ROV e l'ho lasciato immerso per alcune ore.
Fortunamente non ci sono state infiltrazioni, almeno per ora.
Vedremo cosa succederà a profondità serie...
Vedremo cosa succederà a profondità serie...
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