Utvikling av stabilisert plattform for hydroakustiske transducere

hydroakustiske transducere

Asbjørn Vinje

Oppgave for graden

Master i Elektronikk og Datateknologi 60 studiepoeng

Fysisk institutt

Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet UNIVERSITETET I OSLO

Våren 2017

hydroakustiske transducere

Asbjørn Vinje

Utvikling av stabilisert plattform for hydroakustiske transducere http://www.duo.uio.no/

Trykk: Reprosentralen, Universitetet i Oslo

Denne masteroppgaven beskriver prosessen rundt design, konstruksjon og testing av en ROV (Remote Operated Vehicle).

ROV-en skal kunne benyttes som et verktøy for biologer og andre som utvikler hydroakustiske målemetoder. ROV-en ble utstyrt med fremdriftsmotor, styrefinner og et komplett styringssystem.

Styringssystemet var basert på FreeRTOS og kjørte på en microkontroller. Systemet inkluderte målinger av dybde, hastighet, og orientering i vannet. Målesystemene ble karakterisert og testet.

Et reguleringsystem for kontroll av ROV-ens bevegelse rundt lengdeaksen ble implementert og testet. Systemet var ikke optimalt, men resultatene var likevel lovende. Et grafisk brukergrense- snitt (GUI) ble utvilket for å kunne styre ROV-en fra en datamaskin. ROV-en ble testet både i kontrollerte omgivelser og in situ med gode resultater. Med optimalisering og videreutvikling vil ROV-en kunne møte mange behov innenfor forskning på organismer i ferskvann ved bruk av hydroakustikk.

i

Dette arbeidet ble gjort ved Fysisk institutt, Universitetet i Oslo, i tidsrommet August 2014 - Juni 2017. Det har vært en lang reise og tidvis svært frustrerende, men også inspirerende og veldig lærerikt. I løpet av denne tiden har jeg selv blitt far til 2 gutter, samtidig som min egen far, morfar og tante har reist fra livet på jorden. Det har mildt sagt vært en begivenhetsrik periode.

Først og fremst vil jeg takke min veileder 1.amanuensis Helge Balk for all veiledning, støt- te og inspirasjon. Din kombinasjon av engasjement for både fag og student er et eksempel til etterfølgelse.

Jeg vil også gi takk til Erlend Bårdsen med kolleger på Elektronikklaboratoriet, UiO, for hjelp og råd knyttet til elektronikkdesign og utlegg til PCB.

Takk til medstudenter Bendik S. Søvegjarto, Anwar Nazih Shaban og Emily Quing Zang Moen for faglige diskusjoner og generelt hyggelig arbeidsmiljø på rom 323. Spesielt vil jeg takke Emily for god hjelp under feltarbeidet.

En spesiell takk til mine gode kamerater Bendik Melling Grøthe og Andreas Aanonsen Nor- mann som har hjulpet til med korrekturlesning og gode tilbakemeldinger på det skriftlige arbeidet.

Jeg vil også takke øvrig familie og venner for jevnlige oppmuntringer og positiv energi. Dere har bidratt til å holde meg oppe i vanskelige perioder.

Til slutt vil jeg takke min kjære kone, elsker, venn og partner, Kristine. Uten deg hadde jeg vært barnløs, ensom og forlatt uten mål og mening i livet. Takk for din godhet og kjærlighet. Du er der alltid for meg.

Blindern, juni Asbjørn Vinje

ii

Sammendrag i

Forord ii

Forkortelser vii

1 Innledning 1

1.1 Generelt . . . 1

1.2 Esimering av biomasse . . . 1

1.3 Hydroakustiske undersøkelser i grunne innsjøer . . . 2

1.3.1 Horisontal stråle . . . 2

1.3.2 Vertikal stråle - mot overflaten . . . 3

1.4 Målsetting og motivasjon . . . 4

1.5 Konsept for plattform . . . 4

1.6 Design av Remote Operated Vehicle (ROV) . . . 5

1.6.1 Generelt . . . 5

1.6.2 Kraftmodell . . . 6

1.6.3 Fluid friksjon . . . 7

1.6.4 Estimering av friksjonskrefter . . . 7

1.6.4.1 ROV . . . 8

1.6.4.2 Kabel . . . 8

1.6.5 Forventet ytelse . . . 10

1.7 Stabilisering . . . 11

1.7.1 Aksesystem . . . 11

1.7.2 Naturlig stabilitet . . . 11

1.7.3 Praktisk stabilisering . . . 12

2 Teori 13 2.1 Romlig orientering . . . 13

2.2 Måling av dybde . . . 13

2.3 Måling av hastighet . . . 14

2.4 Sanntids operativsystem . . . 15

2.5 PID-regulator . . . 16 iii

3 Materiale og metode 17

3.1 Mekanisk . . . 17

3.1.1 Generelt . . . 17

3.1.2 Skrog . . . 17

3.1.3 Sidefinner og ror . . . 18

3.1.4 Feste til fremdriftsmotor . . . 18

3.1.5 Elektronikk og tranducer . . . 18

3.2 Hardware . . . 21

3.2.1 Servomotorer . . . 21

3.2.2 Fremdriftsmotor . . . 22

3.2.3 Strømforsyning . . . 22

3.2.3.1 Forsyningskabel . . . 23

3.2.3.2 Forsyning til kontrollsystem . . . 23

3.2.3.3 Forsyning til servomotorer . . . 24

3.2.4 Microcontroller Unit (MCU) . . . 25

3.2.5 Attitude Heading Reference System (AHRS) . . . 25

3.2.6 Dybdemåler . . . 26

3.2.7 Speed Through Water (STW) . . . 26

3.2.8 Måling av strøm . . . 27

3.2.9 Kretsdesign og Printed Circuit Board (PCB) . . . 28

3.3 Firmware . . . 30

3.3.1 Generelt konsept . . . 30

3.3.2 Styringssystem . . . 30

3.3.2.1 Oppgave for kontroll- og regulatoralgoritmer . . . 32

3.3.2.2 Oppgave for TCP/IP-stacken . . . 34

3.3.2.3 Oppgave for håndtering av data fra AHRS . . . 34

3.3.2.4 Oppgave for avlesning av trykksensor MS5803 . . . 36

3.3.2.5 I2C-driver til MS5803 . . . 36

3.3.2.6 Oppgave for avlesning av trykksensor MP3v5004DP . . . 36

3.3.2.7 Oppgave for måling av strøm . . . 36

3.3.3 Utviklingsverktøy . . . 37

3.4 Software . . . 37

3.4.1 Angular JS . . . 37

3.4.2 Generell virkemåte . . . 38

3.4.3 Kommunikasjon med ROV . . . 38

4 Resultater 41 4.1 Introduksjon . . . 41

4.2 Tester fra laboratoriet . . . 41

4.2.1 Karakterisering av målesystem . . . 41

4.2.1.1 Roll . . . 41

4.2.1.2 Pitch . . . 42

4.2.1.3 Yaw . . . 42

4.2.1.4 Dybde - absolutt trykk . . . 44

4.2.1.5 STW - differansetrykk . . . 45

4.2.2 Regulatortest . . . 45

4.3 Feltarbeid . . . 46

4.3.1 Generelt . . . 46

4.3.2 Dybdemåling . . . 47

4.3.3 Måling av STW . . . 50

4.3.4 Dynamisk respons . . . 50

4.3.4.1 Roll . . . 50

4.3.4.2 Pitch . . . 52

4.3.4.3 Yaw . . . 52

5 Diskusjon 56 5.1 Generelt . . . 56

5.2 Målesystemene . . . 56

5.3 Stabilisering av roll . . . 57

5.4 Finnestørrelse . . . 57

5.5 Strømforbruk servomotorer . . . 58

5.6 Væskefylling . . . 58

5.7 Måling av hastighet . . . 59

5.8 Kommunikasjon over TCP/IP . . . 59

5.9 Fremtidig arbeid og utvikling . . . 60

5.9.1 Robuste servoer . . . 60

5.9.2 Test og optimalisering av regulatorer . . . 61

5.9.3 Videreutvikle funksjonalitet . . . 61

5.9.4 ROV - AUV . . . 61

6 Konklusjon 62 A Skjema kontrollsystem 64 B Skjema lineærregulatorer til servoer 71 C PCB-utlegg kontrollsystem 72 D Kode for kontrollsystem i MCU 74 D.1 rov_controller.c . . . 75

D.2 rov_controller.h . . . 77

D.3 priorities.h . . . 77

D.4 control_task.c . . . 77

D.5 control_task.h . . . 90

D.6 lwip_task.c . . . 93

D.7 lwip_task.h . . . 96

D.8 AHRS_task.c . . . 96

D.9 AHRS_task.h . . . 98

D.10 MS5803_task.c . . . 99

D.11 MS5803_task.h . . . 104

D.12 MP3v5004DP_task.c . . . 105

D.13 MP3v5004DP_task.h . . . 108

D.14 convert_print.c . . . 108

D.15 convert_print.h . . . 111

D.16 io_fs.c . . . 111

D.17 MS5803_i2c_driver.c . . . 122

D.18 MS5803_i2c_driver.h . . . 126

D.19 uart.c . . . 128

D.20 uart.h . . . 131

E Kode for GUI 133

Bibliografi 134

ADC Analog to Digital Converter . . . 6–9, 16 AHRS Attitude Heading Reference System . . . iii, 4, 6, 7, 14

API Application Programming Interface . . . 14

ARM Advanced RISC Machine . . . 6

CPU Central Processing Unit . . . 6, 14 CSS Cascading Style Sheets . . . 14

DHCP Dynamic Host Configuration Protocol . . . 14

DNS Domain Name System . . . 14

GPIO General-Purpose Input/Output . . . 6

GUI Graphical User Interface . . . 10, 13, 14, 17–20 HTML Hyper Text Markup Language . . . 14

HTTP Hypertext Transfer Protocol . . . 14, 15, 18 I2C Inter-Integrated Circuit . . . iii, 6, 7, 16 IMU Inertial Measurement Unit . . . 6

IP Internet Protocol . . . iii, 10, 14 MAC Media Access Control . . . 6, 17 MCU Microcontroller Unit . . . iii, 2, 4, 6, 17, 18 MEMS Micro Electro Mechanical System . . . 6, 7 NMEA National Merine Electronics Association . . . 16 PCB Printed Circuit Board . . . iii, 9, 10

vii

PHY Physical layer . . . 6

PID Proposjonal Intergral Derivative . . . 10, 11, 13, 15 PVC Polyvinyl Chloride . . . 1

PWM Pulse Width Modulation . . . 1, 2 RAM Random Access Memory . . . 14

RISC Reduced Instruction Set Computer . . . 6

ROM Read-only Memory . . . 14

ROV Remote Operated Vehicle . . . iv, 1, 3, 4, 6–10, 13, 14, 18–20, 81 RTOS Real Time Operating System . . . 10

SNMP Simple Network Management Protocol . . . 14

SPI Serial Pheripheral Interface . . . 7

SRAM Static Random Access Memory . . . 6

STW Speed Through Water . . . iii, 7 TCP Transmission Control Protocol . . . iii, 10, 14 TI Texas Instruments . . . 6, 17 UART Universial Asynchronous Receiver/Transmitter . . . 2, 6, 7, 9, 11, 14, 17 UDP Use Datagram Protocol . . . 14 URL Uniform Resource Locator (adresse) . . . 14, 15

1.1 Fartøy med tranducer montert for vertikal stråle. Brukes på dypt vann. . . 2

1.2 Fartøy med tranducer montert for horisontal stråle. Små bevegelser av transduceren fører til store bevegelser på litt avstand. . . 3

1.3 Ren mekanisk løsning for “bottom-up”-metoden. Dette systemet er sårbart, og po- tensialet for ødeleggelse stort. . . 4

1.4 Ideskisse av ROV-system i 3D. ROV-en beveger seg foran båten et stykke under overflaten, og er knyttet til den med kabel. Laget med OpenSCAD. . . 5

1.5 Kraftmodell for ROV. . . 6

1.6 Kraftmodell for kabel. . . 7

1.7 Friksjonskoeffisient 𝐶𝐷 for ulike former. [11] . . . 8

1.8 Ideskisse av ROV i 3D. Laget med OpenSCAD. . . 9

1.9 Friksjonskrefter som virker på ROV-en, som funksjon av hastighet, ved kabellengde på 10 m. Tilgjengelig kraft fra fremdriftsmotor er markert med rød strek. . . 10

1.10 Aksesystem som viser vinklene yaw Ψ, pitch 𝜃 og roll Φ. XYZ-koordinatsystemet følger ROV-ens bevegelser, mens xyz-systemet er fiksert. ROV-ens Y- og Z-akser er ikke vist her. [12] . . . 11

1.11 Krefter som virker rundt X-aksen. . . 12

2.1 Konseptuelt pitotrør med innganger for både stagnasjons- og statisk trykk. Stag- nasjonsinngangen har flate normalt på strømningsvektoren. . . 15

3.1 . . . 19

3.2 . . . 19

3.3 . . . 20

3.4 . . . 20

3.5 Profilen til sidefinnene. Hver finne målte 10 x 13 cm. . . 20

3.6 Pulsmodulert servosignal vs Pulse Width Modulation (PWM). For servosignalet er perioden mindre interessant, pulsbredden er definerende. . . 21

3.7 Strømforsyning til ROV. . . 22

3.8 Resultat fra endring av posisjon ved lett belastning. Viser spenningen over1 Ωmot- stand i serie med servomotor, og man kan lese av strømmen direkte som differansen mellom de to. Blå: 𝑉_power, rød: 𝑉_servo. . . 24

3.9 Snitt av ROV, med konsept for sammenkobling av pitotrør og differansetrykksensor MP3v5004DP. . . 28

ix

3.10 Utviklingskortet EK-TM4C1294XL ble brukt både under utviklingen og som de-

bugger og programmerer for den egenproduserte PCB-en. . . 29

3.11 . . . 29

3.12 Kontrollsystem bygget på FreeRTOS. Sensordata og kontrolldata er minneområder beskyttet med semaforer. De 6 prioriterte oppgavene utveksler informasjon gjennom disse minneområdene. . . 31

3.13 Tilstandsmaskin som styrer modusen til hastighetsregulatoren. THRUST: motor- effekten settes manuelt fra Graphical User Interface (GUI). SPEED: Et setpunkt settes i GUI, og Proposjonal Intergral Derivative (PID)-regulatoren for hastighet aktiveres. . . 32

3.14 Tilstandsmaskin som styrer regulatorene som kontrollerer ROV-ens orientering og har overordnet kontroll. STOP: Alle servoer beveger seg tilbake til 0-punktet, og hastighet settes til 0. AUTO: PID-regulator for roll, pitch og yaw aktiveres. MA- NUAL: Kun roll-regulator aktiveres. Hastighet fungerer som normalt. . . 33

3.15 Skjermbilde fra GUI. Hovedskjermen viser målinger og har knapper for å styre ROV-en og sette parametre. Snarveier på tastaturet er tilgjengelig for de fleste funksjoner. En oversikt over snarveiene kommer opp ved å trykke på “?”. . . 39

3.16 Skjermbilde fra GUI. Kalibreringsbildet gir mulighet for enkle nullkalibreringer og servo-trim. . . 39

3.17 Skjermbilde fra GUI. Trendbildet plotter valgte måledata i sanntid. Har også en funksjon som logger data til fil. . . 40

3.18 Skjermbilde av GUI. Regulatorbildet inneholder parametre til alle PID-regulatorene. Endringer her lastes opp til ROV-en umiddelbart. . . 40

4.1 Vi ser at måleverdien svinger rundt en middelverdi på 0.812^𝑜. Dataene kan anses som støy, og vi ser at den er tilnærmet normalfordelt. Presisjonen er betydelig bedre enn antatt nøyaktighet. . . 42

4.2 Dataserie fra nullkalibrering av roll. Metoden er simpel: Offset i kalibreringsøye- blikket lagres og trekkes fra måledataene. . . 42

4.3 Vi ser at måleverdien svinger rundt en middelverdi på 1.466^𝑜. Dataene kan anses som støy, og vi ser at den er tilnærmet normalfordelt. Presisjonen er betydelig bedre enn antatt nøyaktighet, på samme måte som for roll. . . 43

4.4 Måledata fra ROV i ro. Målingene drifter med nesten 1^𝑜 i løpet av 110s. . . 43

4.5 Dersom man antar at driften er lineær, kan den trekkes fra og det blir mulig å studere andre støybidrag. På samme måte som for roll og pitch svinger måleverdien rundt en middelverdi. . . 44

4.6 Hurtige fluktuasjoner rundt en middelverdi på 994.8 mBar. Atmosfæretrykket er relativt stabilt, så dette er støy. Støyen er normalfordelt med standardavvik på1.5 mBar. Vi ser at samtlige målinger ligger innenfor et intervall på±5 mBar. . . 44

4.7 Data fra ROV i ro i et stativ. Vi ser støy. . . 45

4.8 Test av PID-regulator med𝐾_P= 1,𝐾_I= 1 1/s og 𝐾_D= 0.1s. . . 46

4.9 Viser trykkdata logget mens ROV-en flyter like under overflaten. . . 47

4.10 Viser sammenhengen mellom dybdemålinger, pitch og kontroll-utgangene til side- finnene i et typisk testforløp. Når motoren var aktivert gav den30 % effekt. . . 49

4.11 Viser differansetrykk over pitotrøret i en av de første testsekvensene. Trykket følger

forventet forløp og indikerer en hastighet på 0.5knop gjennom testen. . . 50

4.12 Måledata fra 3 av de mest vellykkede testsekvensene. Kun P-leddet i regulator var aktivert. Når motoren var aktivert gav den 30% effekt. Forventet forløp ville være økt stabilitet med tiden. . . 51

4.13 Viser sammenligning av målt roll og pitch, samt roll-regulatorutgang og kontroll- utgangene til sidefinnene. Sidefinnene gikk ved flere anledninger i metning ved±45^𝑜. Ved eksakt disse tidspunktene har roll målingene lokale maximaer. Pitchstyringen induserer støy i roll. . . 54

4.14 Yaw . . . 55

5.1 Fra forsøk på oljefylling av elektronikkboks. Olja lakk ut gjennom en dårlig tettet kabelgjennomføring i bunnen av boksen. . . 58

5.2 Tidsdifferansen mellom motatte datapakker. Viser at dataraten var høyst variabel. 60 B.1 3 identiske kretser ble brukt, én for hver servo. . . 71

C.1 Kobbermønster i bunnlaget. . . 72

C.2 Kobbermønster i topplaget. . . 72

C.3 PCB-utlegg med kobbermønster og komponenter. . . 73

Innledning

1.1 Generelt

Hydroakustiske målemetoder, ekkolodd- og sonarteknologi brukes i stor skala for kartlegging av fiskeressurser. Både i kystområder og de store verdenshavene er fiskerinæringen avhengig av denne teknologien for å drive effektivt og økonomisk. De samme metodene brukes i vitenskapelig kart- legging. Estimering av biomasse; fisk, krill og plankton er essensielt for bærekraftig forvaltning og regulering av ressursuttak.

I mange år har det vært drevet aktiv forvaltning av havfiske, knyttet til de store kommersielle interessene som ligger her. I senere tid har det vært en økning i forståelse og interesse for vannkva- litet og biodiversitet i innsjøer og vassdrag, og dette har økt fokuset på kartlegging og overvåkning av disse områdene. I 2008 ble EUs vanndirektiv, EU Water Framework Directive [1], innlemmet i EØS-avtalen og direktivet ble dermed gjort forpliktende for Norge. En av implikasjonene er at alle innsjøer over en viss størrelse må kartlegges.

1.2 Esimering av biomasse

For å estimere fiskebestander brukes primært hydroakustiske metoder og garn. Å videreutvikle disse metodene er viktig for å få mer pålitelige og nøyaktige bestandsestimat. Bruk av garn har flere problematiske sider, blant annet kan det være vanskelig å få en representativ størrelsesdistribusjon [2] [3]. I innsjøer med små fiskebestander kan man ved garnfiske ganske enkelt risikere å fiske opp en betydelig del av bestanden, og kartleggingen kan gi en uheldig påvirkning i økosystemet. På grunn av dette er det ønskelig å øke bruken av hydroakustikk.

Hydroakustikk er et effektivt verktøy, men anvendt i innsjøer reises problemstillinger som ikke er aktuelle i åpne fjorder og hav. I dype innsjøer av en viss størrelse kan man bruke den vanlige metoden med vertikal stråle, som vist i Figur 1.1. Når dybden avtar reduseres volumet i lydkjeglen raskt, begrenset av transducerens åpningsvinkel. Dermed vil det dekke en stadig mindre andel av vannmassene, og bli lite effektivt. Den akustiske blindsonen kan føre til grov underestimering.

Når dybden avtar blir også fenomenet “fish avoidance” av større betydning, båten skremmer bort fisken den skal kartlegge. For virkelig grunne innsjøer er metoden med vertikal stråle ubrukelig, i stedet har man begynt å bruke en metode med horisontal stråle [4] [5]. Tranduceren er da rettet horisontalt og ikke ned mot bunnen, slik at større deler av vannmassene dekkes av lydkjeglen og

1

Figur 1.1:Fartøy med tranducer montert for vertikal stråle. Brukes på dypt vann.

undersøkelsene blir mer effektive, se Figur 1.2. Denne metoden er også interessant fordi den gir informasjon om fiskenes posisjon i vannsøylen.

Et annet tiltak som kan øke effektiviteten ved hydroakustiske undersøkelser i grunne innsjøer er bruk av ubemannede fjernstyrte fartøy i kombinasjon med svermteknologi, som foreslått av Søvegjarto [6]. Ved å la et større antall små båter kjøre i smale transekter vil det være mulig å dekke store områder relativt raskt. Anskaffelse og drift av et større antall båter utstyrt med avanserte ekkoloddsystem kan likevel fort bli kostbart, og dette vil trolig begrense bruken. Denne løsningen adresserer heller ikke problemet med underestimering på grunn av den akustiske blindsonen i overflatesjiktet.

1.3 Hydroakustiske undersøkelser i grunne innsjøer

1.3.1 Horisontal stråle

En utfordring med horisontal hydroakustikk i grunne innsjøer er at lydpulsen beveger seg mellom to svært definerte grenselag, innsjøens bunn og overflate. En transducer har en gitt åpningsvinkel og lydbølgene er gjenstand for sfærisk spredning, slik at deler av lydpulsen på et tidspunkt vil treffe enten bunnen eller overflaten, eller begge deler. Da vil lydbølgene delvis bli reflektert og delvis absorbert/transmittert og vi får multipath-effekter som gir uønskede refleksjoner og ekko.

Dette bidrar til økt bakgrunnsstøy og reduserer ytelsen til systemet. Noen ganger kan bunnen kan være av en type med bløtt mudder og da blir mye av energien absorbert. Andre ganger består bunnlaget av mer sand, silikat og silt som reflekterer større andel av lyden. I vannoverflaten blir det meste reflektert, og dersom overflaten er glatt kan man få interferensproblemer som Lloyds speileffekt [7]. Ved å bruke transducere med liten åpningsvinkel og sterk dempning av sidelobene, samt å gjøre en nøyaktig posisjonering av transducerne, reduseres energien som treffer overflaten og bunnen, og problemene kan reduseres.

En utfordring ved hydroakustiske undersøkelser i grunne innsjøer er at tilgjengelige fartøy ofte er små, lette og ustabile. Det gjør det vanskelig å holde transducerne i en stabil posisjon.

Dersom en i mannskapet flytter på seg vil båten krenge og transduceren, som er festet under båten,

Figur 1.2:Fartøy med tranducer montert for horisontal stråle. Små bevegelser av transduceren fører til store bevegelser på litt avstand.

følger med. Dersom det er vind og bølger vil også dette bidra til bevegelse i skroget. Bevegelse av transducerne er svært uheldig og fører til at objektene i pulsvolumet tilsynelatende beveger seg, uten at det er tilfelle. Spesielt ved horisontal stråle er man interessert i informasjonen om objektenes vertikale posisjon i pulsvolumet, og selv den minste bevegelse av transduceren fører til degradering av denne informasjonen. Dersom transduceren for eksempel roteres 5^𝑜 vil et objekt på20 m avstand bevege seg med hele1.7 m, se Figur 1.2.

Stabilitetsproblemet kan løses på flere måter. En mulighet er å stabilisere transduceren fysisk, eller elektronisk medbeamforming. En annen er å måle bevegelsene og korrigere dataene gjennom bearbeiding i etterkant. I masteroppgaven til Jensen [8] i 2013 ble det sistnevne demonstrert med interessante resultater.

1.3.2 Vertikal stråle - mot overflaten

I mange innsjøer er den biologiske aktiviteten størst i overflatesjiktet. Planteplankton trenger sollys til sin fotosyntese og for mange insekter er vannoverflaten en viktig del av deres naturlige habitat. Dette forplanter seg oppover i næringskjeden, og fisk tiltrekkes av smådyrene.

Dette området er altså av stor biologisk interesse, men hydroakustisk kartlegging med konven- sjonelle metoder er vanskelig. Horisontal stråle kan benyttes [9], men best er den såkalte “bottom- up”-metoden. Denne metoden går ut på å plassere transduceren på bunnen, eller et stykke ned i vannet, med strålen opp mot overflaten. Metoden er mest brukt i stasjonære oppsett, utstyret festes da på bunnen og passerende organismer registreres. Mobile undersøkelser av denne typen er veldig krevende fordi transduceren må bevege seg under en uforstyrret overflate. Slepelegemer er uegnet siden båten forstyrrer alt liv i overflatesjiktet når den passerer.

I havet brukes metoden blant annet til å måle istykkelse, og systemene er montert på ubåter eller Aerial Unmanned Vehicle (AUV)-er. Disse farkostene ligger i en prisklasse som gjør dem lite aktuelle for bruk ved forskning på innsjøer, det blir ganske enkelt for kostbart. Fysisk størrelse taler dessuten for at farkoster beregnet på de store verdenshavene ikke ville fungere særlig godt i grunne innsjøer.

Figur 1.3: Ren mekanisk løsning for “bottom-up”-metoden. Dette systemet er sårbart, og potensialet for ødeleggelse stort.

1.4 Målsetting og motivasjon

Dette prosjektet dreier seg om utviklingen av en plattform for transducere og sensorer som er stabil, og som samtidig kan bevege seg gjennom vannet foran en båt på overflaten. Den overordnede målsettingen var å imøtekomme behov for stabilisering av transduceren, og samtidig gi mulighet for mobile undersøkelser med “bottom-up”-metoden. Dette skulle løses ved aktiv stabilisering av platformen, det vil si med sensorer, kontrollsystem og pådragsorgan. Det var ønskelig å undersøke fysisk stabilisering, som forklart i Seksjon 1.3.2, for å kunne sammenligne denne metoden med resultatene til Jensen [8].

Det har har vært vanskelig å finne publisert materiale som spesifikt omhandler fysisk stabili- sering av transducere. Slepelegemer er ofte i bruk og her finnes mer materiale, som for eksempel dette arbeidet av Mous, Kemper og Schelvis [10]. Publikasjoner som omhandler styring og stabili- sering av plattformer som ROV-er og AUV er det mange av, dette forskes det på i stor skala både eksperimentelt og teoretisk.

1.5 Konsept for plattform

Det ene hovedmålet for dette prosjektet var at platformen skulle være stabil. Dermed var det viktig å minimere overføring av krefter fra båten direkte til plattformen. Slepelegemer er mye brukt i hydroakustikk, og de er mekanisk frikoblet skroget på båten bortsett fra gjennom slepekabelen.

Slepelegemer kan være stabile, men passive systemer blir fort ustabile når hastigheten øker. En annen ulempe er at posisjonen er begrenset til en sektor bak båten. Oter-løsninger er i bruk og dette får transduceren et stykke ut på siden av båten, men “Fish avoidance” ville fortsatt ha vært et stort problem. På grunn av dette ble metoden med slepelegemer avskrevet.

Det andre hovedmålet for prosjektet var at det skulle være mulig å endre plattformens posisjon relativt til båten i alle retninger. Det er mulig å se for seg en ren mekanisk løsning som baserer seg på båtens fremdrift med en bjelke festet i båten og en vinge i enden, som vist i Figur 1.3. Vingen ville gitt løft som balanserte de fluide friksjonskreftene på bjelken når den beveget seg gjennom

Figur 1.4:Ideskisse av ROV-system i 3D. ROV-en beveger seg foran båten et stykke under overflaten, og er knyttet til den med kabel. Laget med OpenSCAD.

vannet. Bjelken og vingen kunne hatt justerbare vinkler, kontrollert av for eksempel hydrauliske aktuatorer. Det er imidlertid klart at når hastigheten gjennom vannet øker, og bjelkens lengde øker, øker friksjonen og vingen måtte hatt større areal. Både vingen og bjelken måtte ha vært store og tunge konstruksjoner. Dette ville også gjort dem tunge å operere, og et kraftig hydraulisk system er komplisert og dyrt i anskaffelse. En betydelig ulempe med et slikt mekanisk system er dessuten sårbarheten for ødeleggelse. Dersom man i fart støtte på en større stein på bunnen, eller utstikkende fjellformasjoner, ville belastningene på vingen, bjelken eller båten bli store, med mulighet for kraftig ødeleggelse.

En mer robust løsning ville være en plattform helt eller delvis løsrevet fra båten, med kon- trollsystem og styrefinner som gir aktiv stabilisering og et eget fremdriftssystem som sørger for at den kan posisjoneres fritt i forhold til båten. En slik plattform kalles en ROV. Ved kollisjon med steiner eller andre objekter ville bare ROV-en bli skadet og ikke båten. En ROV vil være kom- plisert å konstruere, men langt mer fleksibel og praktisk i drift en en fast mekanisk konstruksjon.

Av disse grunnene ble dette konseptet valgt for prosjektet. I Figur 1.4 vises en ideskisse av av et slikt ROV-system.

1.6 Design av ROV

1.6.1 Generelt

Det var ønskelig at ROV-en skulle kunne bære en konvensjonell transducer. Kommersielt tilgjen- gelige, anerkjente ekkoloddsystem for vitenskapelig bruk har ofte stor, tung og dyr elektronikkdel som ikke lar seg plassere i en liten kapsel under vann. Et eksempel er Simrads EK60 GPT som måler10 x 24 x 30 cm og i tillegg krever en tilkoblet datamaskin. Å spesialtilpasse et slikt sys- tem til en liten ROV som potensielt kan skades eller gå tapt under testing er uaktuelt. Det var likevel viktig å kunne bruke slike systemer for referanse. Ved å la ROV-en være knyttet til båten på overflaten med kabler kunne elektronikken plasseres i båten mens bare transduceren sto mon- tert i ROV-en. Dette forenklet også strømforsyningen, det var mulig å ha batterier i båten og en strømkabel ned til ROV-en.

G F

D

B T

Figur 1.5: Kraftmodell for ROV.

Tilgjengelig på forskningsgruppen var blant annet transduceren ES200-7CD fra Simrad og denne ble brukt som dimensjonerende nyttelast for konstruksjon av ROV-en.

For å konstruere et funksjonelt helhetlig system ble det sett nærmere på kreftene på ROV-en og gjort enkle beregninger på forventet ytelse. Det ble også sett nærmere på stabilitet og regulering med PID-regulator, se forøvrig Seksjon 2.5.

Ved design av en neddykket farkost er i hovedsak to ulike typer dykkesystem aktuelle: Dyna- misk, statisk, eller en kombinasjon. Ved dynamisk dykk har farkosten i seg selv nøytral oppdrift og presses ned i vannet når den beveger seg fremover, ved hjelp av bevegelige styreflater. Ved sta- tisk dykk har farkosten ballasttanker og trykkluftbeholder ombord. Ballasttankenes fyllingsgrad regulerer oppdriften og farkosten kan på den måten dykke uten å bevege seg fremover i van- net. Et dynamisk system for dykking er mindre komplisert fordi ballasttanker og trykkluftsystem kan unngås. Siden ROV-en uansett skulle brukes i bevegelse ble det satset på dynamisk dykking fremfor statisk.

1.6.2 Kraftmodell

ROV En ROV med kabel vil påvirkes av primært fem krefter, se Figur 1.5: Oppdrift 𝐵, gra- vitasjon 𝐺, spenning fra kabelen 𝑇, friksjonskraft fra ROV-skroget 𝐷 og drivkraften fra frem- driftsmotoren𝐹. En ROV til hydroakustiske undersøkelser må kunne bevege seg gjennom vannet i god fart for å være effektiv, gjerne opp mot 5 knop, 2.6 m/s. For å oppnå dette må skyvet fra motoren maksimeres og kraften fra kabelen og friksjonskreftene på ROV-skroget minimeres.

ROV-ens maksimale hastighet vil være gitt av balansen mellom disse kreftene. Spenningen fra kabelen kommer fra friksjonskrefter på denne, som igjen er gitt av hastighet, utforming, lengde og geometri.

Kabel Kabelen vil også påvirkes av fem krefter, se Figur 1.6: Oppdrift 𝐵_𝑘, gravitasjon 𝐺_𝑘, spenning fra festepunktet på båten𝑇_𝐵, spenning fra festepunktet på ROV-en𝑇 og fluid friksjon 𝐷𝑘.𝜃er vinkelen mellom𝑇 og x-aksen. Spenningene ved festepunktene vil ha komponenter i x og z- retning og størrelsen er avhengig av vinkelen, som igjen er gitt av lengden på kabelen og avstanden

B_k

G_k

D_k T_b

T T_z

T_x z x

Figur 1.6: Kraftmodell for kabel.

mellom festepunktene. Etterhvert som hastigheten øker vil friksjonen dominere tyngdekraften og kabelen vil ta form som en katenær kurve som vist i Figur 1.6.

For å finne kraften fra kabelen på ROV-en må kabelens eksakte geometri bestemmes. Når kabelen er i likevekt ved en gitt hastighet er summen av kreftene lik 0, og det kan vises at forholdet mellom x og z-komponenten til𝑇 er gitt ved følgende ligning:

𝑇𝑥

𝑇_𝑧 = 𝑇 𝑐𝑜𝑠(𝜃)

𝑇 𝑠𝑖𝑛(𝜃) =𝑐𝑜𝑡(𝜃) (1.1)

Vinkelen𝜃kan beregnes som en løsning på katenærkurvens karakteristiske differensialligning, men det resulterer i en transcendental ligning som må løses nummerisk. Jeg valgte å ikke gå videre med dette.

1.6.3 Fluid friksjon

Fra fluidmekanikken har vi friksjonsligningen, 𝐹𝐷 = 1

2𝜌𝑢²𝐶𝐷𝐴 (1.2)

der 𝐹_𝐷 er friksjonskraften, 𝜌 er massetettheten til fluidet, 𝑢 er hastigheten relativt til objek- tet, 𝐶_𝐷 er friksjonskoeffisienten og 𝐴 er referansearealet. Den kombinerer friksjonseffekter som skyldes objektets form og interaksjonen mellom overflaten og fluidet. Ligning 1.2 er nøyaktig så- lenge strømningsregimet er turbulent, og det benyttes som en antagelse videre i oppgaven. Som referanseareal brukes såkalt “wetted surface area”, areal i kontakt med væsken.

1.6.4 Estimering av friksjonskrefter

For å få en pekepinne på ROV-ens forventede ytelse ble det gjort enkle beregninger basert på kraftmodellene og spesifikasjonene til den valgte fremdriftsmotoren, se Seksjon 3.2.2.

Figur 1.7: Friksjonskoeffisient𝐶𝐷 for ulike former. [11]

1.6.4.1 ROV

For å minimere friksjonskreftene på et objekt må det ha minst mulig areal og utformes mest mulig strømlinjeformet siden friksjonskoeffisienten er knyttet til objektets profil, se Figur 1.7.

Dersom man antar at ROV-en har form som en sylinder, som for eksempel som vist i Figur 1.8, er det rimelig å anslå en friksjonskoeffisient mellom0.82 (Long sylinder) og0.04(Streamlined body), se Figur 1.7. Koeffisienten antas å ligge rundt𝐶𝐷 = 0.4. ROV-en antas med diameter på 200 mm, lengde 1500 mm og med haleparti på 400 mm, overflaten får da følgende areal:

𝐴=halvkule+sylinder+kjegle (1.3)

= 4𝜋𝑟²

2 + 2𝜋𝑟𝑙+𝜋𝑟(︁

𝑟+√︀

(ℎ²+𝑟²))︁

(1.4)

= 4𝜋0.1²

2 + 2𝜋0.1·1 +𝜋0.1(︁

0.1 +√︀

(0.4²+ 0.1²))︁

(1.5)

= 0.85 m² (1.6)

og friksjonskraften blir:

𝐷_𝑅= 1

2𝜌𝑢²𝐶_𝐷𝐴= 1

2·1000·0.4·0.85·𝑢² = 170𝑢² N (1.7) Styrefinner, kabeloppheng og andre irregulariteter vil ha en effekt på både friksjonskoeffisienten og arealet, slik at faktisk kraft muligens vil være høyere enn estimert. Anslaget av friksjonskoeffisient er også svært usikkert, kanskje så mye som rundt 50 %.

1.6.4.2 Kabel

Det vil normalt være 3 kabler fra båten til ROV-en. En kabel for styresignaler, en strømkabel og en kabel til transduceren. Kablene vil være buntet sammen og muligens med ulik tykkelse. I denne

Figur 1.8: Ideskisse av ROV i 3D. Laget med OpenSCAD.

oppgaven har de for enkelhets skyld blitt behandlet som om de var like og hver for seg, på den måten kan informasjon om en kabel enkelt multipliseres.

Siden kabelen ikke vil stå i en rett linje mellom båten og ROV-en, vil profilen relativt til hastighetsvektoren variere langs kabelen. Friksjonskoeffisienten vil også variere, og det er ikke trivielt å beregne friksjonskreftene som virker på kabelen. Ved å se bort fra kabelens kurveform i den sammenhengen og anta at den står i en rett linje, er det likevel mulig å gjøre et forenklet estimat. Dersom vi antar at kabelen er 10 m lang, og har en diameter på 12 mm får vi arealet:

𝐴= 2𝜋𝑟𝐿= 2·𝜋·0.012·10 = 0.75 m² (1.8) Under antagelsen𝐶𝐷 = 0.5vil følgende friksjonskraft virke på en 10 m lang kabel:

𝐷_𝑘= 1

2𝜌𝑢²𝐶_𝐷𝐴= 1

2 ·1000·𝑢²·0.5·0.75 = 187.5𝑢² N≈190𝑢² N (1.9) For 3 kabler blir det570𝑢² N. Denne kraften fordeles mellom festepunktene på båten og ROV-en.

Dersom ROV-en er plassert rett under båten vil kreftene fordeles lik. Det vil si at på ROV-en blir kraften 𝑇 = ^570𝑢₂ ² = 285𝑢² N. Hvis man i denne situasjonen antar 𝜃 = 45^𝑜, får man at den horisontale og vertikale komponenten blir𝑇_𝑥 = 𝑇_𝑧 = 𝑇cos(45^𝑜) = 285𝑢² N·cos(45) ≈200𝑢² N.

Det er altså en betydelig vertikal komponent og systemet er avhengig av at styrefinnene klarer å balansere den. Styrefinnene induserer da mer friksjon, det er rimelig å anta at den ligger i området rundt𝐷_𝑖 .40𝑢² N. I et ønsket scenario befinner ikke ROV-en seg direkte under båten, snarere noen meter foran. Jo lenger foran båten den befinner seg, jo større del av friksjonskreftene på kablene vil virke på ROV-en. For enkelhets skyld ble dette likevel tatt som utgangspunkt, det sier fortsatt mye om dynamikken i systemet.

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 hastighet [m/s]

0 500 1000 1500 2000

Kraft [N]

Friksjonskraft

Funksjon Tilgjengelig kraft

Figur 1.9: Friksjonskrefter som virker på ROV-en, som funksjon av hastighet, ved kabellengde på 10 m. Tilgjengelig kraft fra fremdriftsmotor er markert med rød strek.

1.6.5 Forventet ytelse

Kreftene som kommer fra friksjon som virker på ROV-en i horisontalplanet under disse omsten- dighetene er da:

𝐹_𝐷 =𝐷_𝑅+𝑇+𝐷_𝑖 = (170 + 200 + 40)𝑢² N= 410𝑢² N (1.10) Vi ser resultatet grafisk i Figur 1.9.

Fremdriftsmotoren (Seksjon 3.2.2) har en spesifisert drakraft på 15.4 kg, altså𝐹 = 15.4kg·9.81 m/s² ≈150N. Det er denne kraften som jobber mot friksjonskreftene. I Figur 1.9 ser vi at dersom antagelsene gjort ved estimeringen av friksjonskreftene var tilstede, ville denne motoren være i stand til å trekke ROV og kabel gjennom vannet i en hastighet på ca0.6km/t. Med så lav hastighet ville det ikke være sikkert at styrefinnene ville klare å balansere den vertikale kraftkomponenten fra kabelen. Vi ser av Ligning 1.8 og 1.9 at 𝐷_𝑘 ∝𝐴 ∝𝐿, slik at dersom kabellengden reduseres til 5m hadde resultatet blitt:

𝐹𝐷 =𝐷𝑅+𝑇+𝐷𝑖 = (170 + 100 + 20)𝑢² N= 290𝑢² N (1.11) Ved å sette inn motorytelse kan ligningen løses med hensyn på hastighet:

𝐹𝐷 =𝐹 (1.12)

290𝑢² = 150 (1.13)

𝑢=

√︂150

290 = 0.7m/s≈1.4 knop (1.14) Dette er også forholdsvis lavt, og det blir tydelig hvordan motoreffekten vil begrense ytelsen til systemet med hensyn på hastighet og dybde. Det bør poengteres at kraftestimatene som er gjort

x

y z

ψ θ X Φ

Figur 1.10:Aksesystem som viser vinklene yaw Ψ, pitch𝜃 og rollΦ. XYZ-koordinatsystemet følger ROV-ens bevegelser, mens xyz-systemet er fiksert. ROV-ens Y- og Z-akser er ikke vist her. [12]

er svært usikre, slik at disse resutatene av begrenset verdi. Det blir uansett tydelig at for å få høyere hastigheter må motoreffekten økes eller ROV-en opereres høyere i vannet.

1.7 Stabilisering

1.7.1 Aksesystem

For å se nærmere på stabilisering av en ROV som i Figur 1.8, er det nødvendig å etablere et rammeverk for ROV-ens orientering i rommet. Euler-vinkler benyttes fordi de er enkle å jobbe med. Se forøvrig Seksjon 2.1. I Figur 1.10 vises koordinatsystemene xyz og XYZ. Aksene er definert etter normen DIN 9300 for ballistisk og aerodynamisk arbeide, med unntak av retningen til z- aksen. Det vil si at z-aksen står normalt på horisontalplanet i et xyz-koordinatsystem fiksert på jordoverflaten. XYZ-systemet er fiksert til ROV-en, med X-aksen i hastighetsretningen. Bevegelse rundt X-, Y-, og z-aksen omtales som henholdsvis roll, pitch og yaw, og betegnes medΦ,𝜃og Ψ.

Se Seksjon 2.1.

1.7.2 Naturlig stabilitet

For en sylinderformet ROV som beveger seg fremover i X-retning vilΨog𝜃 være relativt stabile på grunn av geometrien. På grunn av lengden vil skroget naturlig motsette seg brå endringer, og faste stabiliseringsfinner vil forsterke denne effekten. Høyfrekvente forstyrrelser vil dempes slik at ustabiliteter vil være av lavfrekvent karakter. Rundt X-aksen er situasjonen annerledes. Selve ROV-skroget er her rotasjonssymmetrisk og har i seg selv ingen dempende effekt. Eventuelle faste

F G

B D F

Figur 1.11: Krefter som virker rundt X-aksen.

stabiliseringsfinner vil virke dempende, menΦvil uansett være mer ustabil ennΨog𝜃. På grunn av dette ble det sett nærmere på stabilisering avΦog ikke Ψeller𝜃.

1.7.3 Praktisk stabilisering

Effekten av faste stabiliseringsfinner er vanskelig å beregne og måtte ha vært estimert gjennom simuleringer med finite-element-metoden eller lignende. Det samme gjelder effekten av kabelfes- ter og andre irregulariteter. Dersom disse effektene sees bort fra kan systemet betraktes som en avansert form for pendel som det er mulig å modellere matematisk ved hjelp av Newtons 2. lov for roterende bevegelse. For dynamisk dykking bør ROV-en være balansert slik at den totale oppdrif- ten er nøytral. Da kan styrefinnene lett bevege den nedover og oppover under fart. For å beholde en viss stabilitet uten korreksjon fra styrefinner bør elementer med positiv oppdrift plasseres mot skrogets rygg. Elementer med negativ oppdrift bør plasseres lavt i skroget. ROV-en vil inneholde en rekke elementer med ulik vekt og oppdrift. En del er viktige komponenter i konstrollsystemet, noe er nyttelast, ballast og flyteelementer. Elementene vil være uregelmessig fordelt i skrogets tverrsnitt, slik at momentet de genererer ikke nødvendigvis vil være rundt lengdeaksen (X) direk- te. På grunn av vannets relativt høye tetthet og skrogets symmetri vil ROV-en trolig tendere mot å rotere rundt X-aksen. Denne antagelsen ligger til grunn for videre beregninger.

Netto moment kan finnes ved å beregne momentene fra alle elementene skroget inneholder og summere dem. Vi antar for enkelhets skyld at denne summen er rundt X-aksen. Oppdrifts- og gravitasjonskreftene kan da samles og uttrykkes symbolsk som −→

𝐵 og −→

𝐺. Styrefinner vil virke på skroget med kraften −→

𝐹, og fluid friksjon på skroget vil være −→

𝐷 i motsatt retning av rota- sjonshastigheten. Hvis ROV-en har to styrefinner foran vil kreftene virke som vist i Figur 1.11.

Dette systemet kan beskrives av en 2. orden differensialligning og ved å gjøre nøyere undersøkelser kunne overføringsfunksjonen til systemet ha vært identifisert. Man hadde da hatt et verktøy til hjelp ved optimalisering av parameterne til PID-regulatoren. Frekvensanalyse kunne videre sagt mye om systemets respons på forstyrrelser. For å begrense oppgavnes omfang gikk jeg ikke videre med disse tingene.

Teori

2.1 Romlig orientering

Romlig orientering kan representeres på ulike måter, noen av de mest brukte er Euler-vinkler, quaternioner og rotasjonsmatriser. Representasjonene beskrives bare overfladisk, mer omfattende beskrivelser kan finnes i for eksempel arbeidet til Diebel [13].

Euler-vinkler er tre vinkler som brukes til å beskrive orienteringen til et legeme i det 3- dimensjonale rommet. Enhver vektor i dette rommet kan oppnås ved en rotasjon rundt hver av de tre aksene, hver rotasjon er kvantifisert med en vinkel. Rotasjonene kan gjøres i ulik rekkefølge og resultatet vil alltid bli det samme. Denne representasjonen er kanskje den som brukes aller mest, blant annet fordi den er intuitiv og enkel. En stor svakhet med metoden er at det eksisterer singulariteter som må behandles som spesialtilfeller, og helst unngås i implementasjoner.

Quaternioner er en utvidelse av komplekse tall til 4 dimensjoner. De kan også brukes som representasjon av det 3-dimensjonale rommet og hovedfordelen er en komplett representasjon, uten singulariteter. De inneholder færre parametre enn rotasjonsmatriser og er dermed lettere å regne med, men hvert enkelt parameter har ingen fysisk tolkning som med Euler-vinkler.

Rotasjonsmatriser beskriver på samme måte som Euler-vinkler tre rotasjoner men i form av matriser. Disse har ikke singulariteter men mange flere parametre enn både quaternioner og Euler- vinkler for å representere det samme. De krever derfor mer datakraft ved prosessering og er mindre populære i de fleste applikasjoner.

2.2 Måling av dybde

Måling av avstand i vertikalaksen i vann kan gjøres på flere måter. Hydroakustiske metoder er mye brukt for å finne den fulle dybden, avtanden fra et overflatefartøy til havbunnen, såkalt

“bathymetri”. For dykkere, ROV-er og ubåter er trykkmåling dominerende, selv om hydroakustiske metoder i enkelte tilfeller også kunne vært brukt. Trykket er en svært nøyaktig indikator på dybden på grunn av vannets tetthet. Med MEMS-teknologi kan man lage sensorer med svært god nøyaktighet for det aktuelle trykkområdet. Sensorene er både billige, robuste og enkle i bruk og drift. Hydroakustiske systemer er til sammenligning både kostbare og kompliserte.

For et fluid i ro blir alle friksjons- og inertielle krefter borte og det kalles et hydrostatisk system. I de aller fleste sammenhenger kan vann anses som et inkompressibelt fluid, og dermed

13

kan Navier-Stokes ligning forenkles til følgende:

𝑝−𝑝₀=𝜌𝑔ℎ, (2.1)

den såkalte hydrostatiske ligningen, der:

𝑝 er hydrostatisk trykk [Pa],

𝑝₀ er trykket ved nullreferansepunktet [Pa], 𝜌 er vannets tetthet [kg/m³],

𝑔 er tyngdeaksellerasjonen [m/s²],

ℎ er høyden til vannsøylen mellom nullreferansepunktet og målepunktet [m].

Dersom nullreferansepunktet plasseres nær vannets overflate, gir dette et uttrykk for avstanden mellom overflaten og målepunktet, dybden𝑑, gitt ved:

𝑑=ℎ= 𝑝−𝑝₀

𝜌𝑔 (2.2)

2.3 Måling av hastighet

Måling av strømningshastighet med Pitotrør er basert på å måle det statiske trykket i et stagna- sjonspunkt i strømningen. Et stagnasjonspunkt er et punkt der hastigheten til fluidet er lik null, og all kinetisk energi har blitt omdannet til trykkenergi. Dersom vi antar at mediet er inkompres- sibelt, er dette trykket gitt ved en forenklet versjon av Bernoullis ligning:

𝑝𝑠𝑡𝑎𝑔 = 𝜌𝑣²

2 +𝑝𝑠𝑡𝑎𝑡𝑖𝑠𝑘, (2.3)

der:

𝑝_{𝑠𝑡𝑎𝑔} er stagnasjonstrykket, trykket i et stagnasjonspunkt [Pa], 𝑝_{𝑠𝑡𝑎𝑡𝑖𝑠𝑘} er det statiske trykket i ethvert punkt i strømningen [Pa], 𝜌 er mediets tetthet [kg/m³],

𝑣 er hastigheten til strømningen relativt til måleelementet [m/s²].

Hastigheten kan da uttrykkes ved:

𝑣=

√︂2

𝜌(𝑝_{𝑠𝑡𝑎𝑔}−𝑝_{𝑠𝑡𝑎𝑡𝑖𝑠𝑘}), (2.4)

og vi ser at differansen mellom stagnasjon- og statisk trykk er et uttrykk for hastigheten gjennom en kvadratisk relasjon.

Stagnation Static

Static

Figur 2.1:Konseptuelt pitotrør med innganger for både stagnasjons- og statisk trykk. Stagnasjons- inngangen har flate normalt på strømningsvektoren.

Et pitotrør er et rør som stikker ut i strømningen og tjener som trykkinngang for høytrykks- siden på en differansetrykksensor. Denne trykkinngangen må ha en åpen flate normalt på has- tighetsvektoren i strømningen. Røret stikker ut fra objektet det står montert på for å unngå det ofte turbulente grenselaget som omgir det og stå i mest mulig laminær strømning, se Figur 2.1. I noen systemer er røret dobbelt og inkluderer trykkinnganger for statisk trykk. I flyindustrien er denne teknikken de facto standard for måling av hastighet, airspeed, men den kan også egne seg for måling i vann [14] [15] [16] .

Det er verdt å understrekte at metoden gir hastigheten til objektet relativt til mediet. Ved måling av hastigheten til objekter er jordens koordinater gjerne referanseramme, som med GPS.

I målinger av denne typen vil mediet gjerne være i bevegelse, som for eksempel strøm i vannet, og det kan være store avvik mellom hastigheten relativt til vannet og relativt til jordens koordinater.

Det er viktig å skille disse to, og i den sammenhengen benyttes begrep som Speed Over the Ground (SOG) og Speed Through Water (STW). I denne oppgaven må hastighet forstås i betydningen Speed Through Water (STW).

2.4 Sanntids operativsystem

Et sanntids operativsystem, Real Time Operating System (RTOS), er et operativsystem som sikrer forutsigbar og konsistent eksekvering i tidsdomenet. Systemene skal kunne garantere at predefinerte tidsfrister overholdes. Denne typen operativsystemer kjører gjerne på dedikerte data-

maskiner eller microcontrollere som skal utføre veldefinerte spesifikke oppgaver. Programmereren definerer oppgaver og en planleggingsalgoritme(scheduler), som er kjernen i et Real Time Ope- rating System (RTOS), bestemmer hvilke oppgaver som skal få kjøre på CPU og når. Dette står i sterk kontrast til alminnelige operativsystem der det er fullstendig tilfeldig hvilke programmer som får kjøre på CPU og når.

Et RTOS løser dette i hovedsak på to måter. Én er at alle oppgavene får en gitt kjøretid før neste oppgave tar over, dette kalles Round-Robin. Den andre er at oppgavene har en rangert prioritet og planleggingsalgoritmen sørger for at oppgaven med høyest prioritet alltid får kjøre dersom den ønsker det. Dette kalles priority pre-emptive.

Systemet tar seg av alt forbundet med såkalte kontekstskifter. Når en annen oppgave skal kjøre på CPU, avbrytes den kjørende oppgaven og alle nødvendige variable mellomlagres, slik at det er mulig å fortsette på samme sted når oppgaven igjen får lov til å kjøre. For at de ulike oppgavene skal kunne dele ressurser og kommunisere seg i mellom sikkert og effektivt må ekstra forhåndsregler tas. En oppgave kan avbrytes mens den holder på å skrive data til et delt minneområde eller et register i en delt ressurs på en slik måte at verdien i registeret eller minnelokasjonen blir ugyldig. Da er det viktig å hindre at andre oppgaver forsøker å bruke ressursen eller lese data fra minnelokasjonen før skrivingen er fullført og verdiene gyldige. Til dette brukes semaforer, en lås som hindrer andre oppgaver i å få tilgang under kritiske operasjoner. Semaforene har også et annet viktig bruksområde: synkronisering mellom oppgaver.

Køer er en annen nyttig måte å kommuniser på. De fungerer slik at andre oppgaver kan sende meldinger inn i en kø, når oppgaven til køen får lov til å kjøre kan den gå gjennom køen og lese meldingene.

2.5 PID-regulator

En PID-regulator er en reguleringsmekanisme med tilbakekobling, som er svært allsidig. Metoden er mye brukt i industrielle kontrollsystemer, og blir stadig mer populær i alle former for elektroniske kontrollsystemer. Regulatoren bruker avviket 𝑒(𝑡) mellom den målte tilstanden til systemet og ønsket tilstand (settpunkt). Avviket forsterkes, integreres og deriveres i de tre ulike delene av regulatoren før bidragene summeres:

𝑢(𝑡) =K_P𝑒(𝑡) +K_I

∫︁ 𝑡

0

𝑒(𝜏)𝑑𝜏 +K_d𝑑𝑒(𝑡)

𝑑𝑡 (2.5)

Proposjonal-delens bidrag er proposjonalt med avviket. Integraldelen summerer opp avviket mens tiden går og bidrar hovedsaklig til å fjerne såkalte stasjonæravvik. Derivasjonsdelen reagerer på endringer i avviket, og kan virke stabiliserende, men er sårbar for støy i måleverdien. Effekten av de ulike bidragene styres med parameterne K_P,𝐾_I og 𝐾_d. Reguleringssystemet er robust og kan implementers i de fleste typer prosesser, men det har konstante parametre og vil fungere mindre godt i ulineære systemer. Det er ikke avhengig av å modellere selve prosessen, men derfor gir det heller ikke optimal kontroll. De vanligste forbedringene er såkalt forover-kobling og adaptive parametre.

Materiale og metode

3.1 Mekanisk

3.1.1 Generelt

I utgangspunktet var det meningen at det mekaniske verkstedet på instituttet skulle bygge ROV- en, og det var gitt klarsignal om dette. Før byggingen kom i gang gikk tiden og verkstedet fikk andre større oppdrag, blant annet ett på bygging av satelittdeler til ESA. Dermed ble ROV- prosjektet nedprioritert og det var klart at dersom testing av konseptet skulle kunne gjennomføres før sommeren 2017 måtte jeg finne alternativer. Jeg besluttet å bygge ROV-en selv uten verkstedets hjelp. Byggingen ble gjort i lokaler verkstedet stilte til disposisjon.

Jeg forsøkte å gjøre ROV-en så lik designskissene som mulig, se Figur 1.8 side 9. Som det kommer frem i Seksjon 1.6 har en sylinderform mange fordeler i denne sammenhengen. Enda en fordel er at det faktisk er mulig å bygge den av ferdige materialer, uten å måtte støpe hele kon- struksjonen selv. For å minimere arealet måtte sylinderen være så liten som mulig, men samtidig stor nok til å romme motor, transducere og nødvendig mekanikk og elektronikk. Transduceren ble plassert lengst mulig frem i skroget for at strømningen skulle være mest mulig laminær i vinduet foran den. Motoren ble plassert bakserst for å gjøre ROV-en mest mulig manøvrerbar, men også for å unngå turbulens og luftbobler foran transduceren.

I Figur 3.1a og 3.1b vises ROV-en mot slutten av byggeprosessen.

3.1.2 Skrog

Det ble tidlig avgjort at skroget ikke skulle være vanntett, men at andre metoder skulle prøves ut for å beskytte kritiske komponenter mot vanninntrenging. Et vanntett skrog ville ha vært vanskelig å lage, spesielt med tanke på gjennomføring av roterende akslinger til fremdriftsmotor og sidefinner. Istedet ble sårbare komponenter som servomotorer, fremdriftsmotor og elektronikk, fylt med ikke-ledende væske.

Et 200mm avløpsrør i Polyvinyl Chloride (PVC) ble brukt som primært byggemateriale for skroget. Materialt var veldig solid, men samtidig fleksibelt og enkelt å tilpasse. Dette reduserte behovet for invendige støttestrukturer til et minimum. Skroget ble bygget modulært, med seksjoner for de ulike funksjonene: Mekanikk og servoer til sidefinner, “lasterom” med plass til transducer, en modul for elektronikk og styresystem, og en modul med bakre stabiliseringsfinner og fester til

17

fremdriftsmotoren. I hulrom i den øvre halvdelen av skroget ble flytemateriale i form av skumplast plassert for å balasere skrogets naturlige negative oppdrift. Spesielt i det bakre partiet rundt motoren viste det seg å være behov for dette. Oppdriften ble senere justert under testingen. Se bilde av skrogmodulene i Figur 3.2a.

3.1.3 Sidefinner og ror

Finner og ror ble laget av PVC-plater. Dette materialet var tilgjengelig og lett å bearbeide. PVC har termoplastiske egenskaper og kan lett formes ved oppvarming. Sidefinnene ble laget ved å varme og forme en tynn plate rundt en kjerne. PVC-lim ble brukt til sammenføyning, med suksess.

Se bilde av finneprofilen i Figur 3.5. På både sidefinner og ror ble opplagringspunktet plassert mot midten av styreflaten for å minimere momentet på akslingen. Akslingene til sidefinnene ble drevet av servomotorer gjennom korte stag. Roret ble drevet av en servomotor med et lengre stag opplagret langs nedre stabiliseringsfinne.

Det ble ikke gjort beregninger på krefter og hydrodynamikk rundt sidefinner eller ror, både størrelse og form ble valgt på grunnlag av skjønnsmessige vurderinger. Hver av sidefinnene hadde et areal på130 cm², roret var på rundt400 cm². I ettertid ble det klart at sidefinnene burde ha vært større, mer om dette i Seksjon 5.4.

3.1.4 Feste til fremdriftsmotor

Konstruksjonen rundt motorfestet var noe av det mest kompliserte av det mekaniske arbeidet.

Forsterkninger med vannfaste finerplater samt braketter i aluminium utgjorde selve motorfestet og støttet de faste stabiliseringsfinnene. I Figur 3.4a vises festesystemet med motoren på plass. Se også Figur 3.4b og 3.1a.

3.1.5 Elektronikk og tranducer

En seksjon med lengde på drøye40cm ble laget for å inneholde transduceren. I denne seksjonen ble det satt inn et fleksibelt festesystem med mulighet for justering av transduceren i alle retninger.

I et hulrom bak festesystemet plasserte jeg en spenningsregulerende elektrolyttkondensator, mer om den i Seksjon 3.2.3. I Figur 3.3a vises et bilde av en åpnet tranducerseksjon.

En romslig boks med lokk ble anskaffet til elektronikken. Boksen ble plassert i en skrogmodul med et lett avtagbart deksel for å forenkle tilgangen. Det var behov for en boks for å hindre elektronikken i å bli ødelagt av vann. Kabler og slanger ble ført inn gjennom skrunipler med gummipakning. Selve boksen hadde også en solid gummipakning. Det ble gjort forsøk med fyl- ling av både desillert vann og olje i denne boksen, se Seksjon 5.6. Figur 3.3b viser et bilde av skrogseksjonen med boksen.

(a)ROV bakfra. (b)ROV forfra.

Figur 3.1

(a)Skrogdeler av avløpsrør. (b)Servomotor, stag og akslinger til sidefinnene.

Figur 3.2

(a)Lasterom med system for fiksering a tranducer. (b)Module med boks for elektronikk.

Figur 3.3

(a)Motorfeste og stabiliseringsfinner. (b)Bakpart med ror og finner.

Figur 3.4

Figur 3.5:Profilen til sidefinnene. Hver finne målte 10 x 13 cm.

PWM

25%

50%

75%

Duty cycle Pulsbredde

Periode

Servosignal

0%

50%

100%

Periode:

20 ms @ 50Hz 1 ms

1.5 ms

2 ms

Figur 3.6:Pulsmodulert servosignal vs PWM. For servosignalet er perioden mindre interessant, puls- bredden er definerende.

3.2 Hardware

Til fremdrift ble en elektrisk utenbordsmotor fra Biltema valgt. Denne motoren hadde vært i bruk ved feltarbeid i forskningsgruppen tidligere, og i forbindelse med masteroppgaven til Søvegjarto [6]

ble en H-bro med driverkrets utviklet sammen med nettopp denne motoren. For å styre bevegelsene til ROV-en i vertikalplanet og horisontalplanet, ble ror og sidefinner brukt. Disse ble drevet av digitale servomotorer. Servomotorene som ble brukt var av typen Traxxas 2075, en type beregnet på hobbybruk til radiostyrte biler, båter ol. Denne typen servomotorer er enkle i bruk, har kort responstid, yter kraftig moment og har relativt lav pris.

3.2.1 Servomotorer

Servomotorene har nominell driftsspenning på6.0V. Det er ikke uvanlig å øke spenningen noe for å hente ut mer ytelse fra slike servoer,7.2V ble derfor brukt for alle servoene. Typen Traxxas 2075 er i “waterproof” utførelse, det vil si at alle åpninger i servohuset er forseglet med gummipakninger for å hindre lekkasje. Den er likevel ikke beregnet på varig neddykking, iallefall ikke flere meter.

Servohuset ble modifisert for eksperimentering med væskefylling. Servomotorene styres av et puls- modulert signal, der pulsbredden dikterer servoens posisjon. Dette signalet må ikke forveksles med et standard PWM-signal, der forholdet mellom periodetiden og pulsbredden (duty-cycle), er det definerende parameteret se Figur 3.6.

Servotypen Traxxas 2075 har en vandring på 90^𝑜, og ytterpunktene nås ved pulsbredder på 1000 𝜇s og 2000 𝜇s, midtpunktet er da ved 1500 𝜇s. Frekvensen til signalet er mindre relevant, servoen vil holde posisjonen sin inntil en ny puls mottas. Digitale servomotorer er laget for opp-

M

Båt

R_k

Vann ROV

7.2v servo 1

Switch Mode

7.2v servo 2

Switch Mode

7.2v servo 3

Switch Mode

3.3v MCU

Switch Mode

V_ROV V_BAT

C= 2F Batteri, 12V

Figur 3.7: Strømforsyning til ROV.

dateringsfrekvens opp mot 300 Hz, men for det aktuelle systemt ville ikke så høy frekvens være hensiksmessig. Oppdateringsfrekvens på 50 Hz ble brukt, altså en ny puls hvert 20 ms. Pulsene ble generert av hardware-timere i MCU, dette er beskrevet i Seksjon 3.3.2.1. MOSFET signal- transistorer av typen BSS138 ble brukt til å omdanne signalet på 3.3 V fra utgangene til MCU, til7.2V til servomotorene. Servomotorene fikk hver sin egen power-krets, det var kjent at de ville trekke en del strøm i situasjoner der de belastes hardt.

3.2.2 Fremdriftsmotor

Motoren var en standard elektrisk utenbordsmotor fra Biltema. Den hadde 2-blads propell, og en oppgitt trekkkraft på 15,4 kg. Den måtte gjennom en omfattende modifisering for å passe til formålet. Stammen ble saget av og alle gjennomføringer støpt igjen. Det ble også montert nipler for eksperimentering med væskefylling. Elektromotoren var en DC-motor med børster og permanentmagnetstator. Den ble drevet av H-broen og driverkretsen utviklet av Søvegjarto [6].

Driverkretsen kan styres på flere vis, i dette prosjektet ble kommandoer sendt over Universial Asynchronous Receiver/Transmitter (UART) med baudrate på 9600. Dette gir mulighet til å regulere pådraget fra H-broen i 64 trinn.

3.2.3 Strømforsyning

Fremdriftsmotoren er beregnet på bruk med 12V batteri, blyakkumulator eller lignende. For en- kelhets skyld ble derfor12V batteri valgt som strømforsyning til hele systemet. Kontrollsystemet, servoer og fremdriftsmotoren får alle strøm gjennom samme kabel fra båten på overflaten. I Figur 3.7 ser vi en skisse av forsyningssystemet.

For å stabilisere spenningen 𝑉_ROV ble en elektrolyttkondensator i ROV-en på 2 F koblet opp parallellt. Det er et velkjent fenomen at elektromotorer med børster produserer en del transienter som forplanter seg i strømforsyningen. Disse var det ønskelig å undertrykke i størst mulig grad.

Kontrollsystemet og de tre servoene har egne reguleringskretser som tar spenningen ned fra 12 V til henholdsvis 3.3 V og7.2 V.

𝐴[𝑚𝑚²] Δ𝑉 𝑉_𝑅𝑂𝑉 𝐼 = 10𝐴 1.5 2.3 9.7

2.5 1.4 10.6

4.5 0.8 11.2

𝐼 = 20𝐴 1.5 4.6 7.4

2.5 2.8 9.2

4.5 1.6 10.4

Tabell 3.1:Spenningsfall i tre alternative forsyningskabler.

3.2.3.1 Forsyningskabel

Motoren var den viktigste faktoren med hensyn på strømforbruk, den skulle kunne trekke opptil 35A ved belastning på propellen. Dokumentasjonen var dessverre mangelfull, og det ble ikke gjort nærmere undersøkelser på strømforbruket. Produsenten oppgir en omtrentlig driftstid på2 timer ved full effekt og bruk av batteri med kapasitet på75Ah. Det ble antatt at motoren ikke ville bli brukt på full effekt, men at strømmen ville ligge i området rundt10−20A. Kabelen mellom båten og ROV-en ble dimensjonert slik at spenningstapet ved disse strømmene ikke ble uakseptable. En kabellengde på 10 m ble valgt. Den ohmske motstanden i kabelen er gitt ved:

𝑅_𝑘 = 𝜌𝑙

𝐴, (3.1)

der resistiviteten for kobber𝜌 = 1.724·10⁻⁸ Ωm og kabelens lengde 𝑙 = 2·10 m= 20 m. 𝐴 er kabelens tverrsnitt. I Tabell 3.1 kan man se spenningsfallet i strømkabelen for ulike tverrsnitt og strømmer. Disse tverrsnittene ble undersøkt fordi slike kabler var billige og lett tilgjengelig. Ved å gå opp til større tverrsnitt ville kostnadene steget uforholdsmessig, ulempene ved fysisk håndtering ville også økt. Motoren kunne nok fungert godt ved ganske lave spenninger, det samme gjelder regulatorkretsene til servoer og kontrollsystem. Det var likevel et ønske å ha minst mulig effekttap i kabelen og i tillegg hindre varmgang. Lineærregulatorene til servoene måtte ha forsyningsspen- ning på minimum3 V høyere en ønsket utgangsspenning, som var7.2 V. Ved lavere enn 10.2 V inn, ville altså forsyningen til servoene ha blitt trukket ned. Servomotorene fungerer normalt ned til iallefall6V, slik at absolutt minimum forsyningsspenning måtte være 9V. Fra Tabell 3.1 kan man se at ved20 A tilfredsstiller både2.5 og 4.5 mm² kabel dette kravet. Tverrsnittet 4.5 mm² ble valgt for å få større margin.

3.2.3.2 Forsyning til kontrollsystem

Kontrollsystemet ble forsynt med strøm gjennom en switch-krets basert på step-down-regulatoren LTC3621 fra Linear Technology, se skjemaet “ROV transducer rig - PSU” på side 70, Tillegg A. Denne regulatoren er liten, effektiv, fleksibel og kan levere inntil 1 A kontinuerlig. Spennin- gen velges enkelt med en spenningsdeler i feedbackkretsen, systemet ble kjørt på 3.3 V. MCU- komponenten kan i teorien trekke inntil et par hundre mA, men i dette designet var forbruket

(a)Forsyning med LTC3621. Spenningsfall på rundt2V.

(b)Forsyning med både LTC3621 og LM317. Spenningsfall på rundt1V.

Figur 3.8: Resultat fra endring av posisjon ved lett belastning. Viser spenningen over1 Ωmotstand i serie med servomotor, og man kan lese av strømmen direkte som differansen mellom de to. Blå:𝑉_power, rød:𝑉_servo.

trolig i størrelesorden10mA. Det samme gjelder sensorer og øvrige komponenter. AHRS-en hadde sin egen strømforsyning, en enkel lineærregulator som også fikk12 V fra hovedkabelen.

3.2.3.3 Forsyning til servomotorer

De tre servomotorene hadde hver sin forsyningskrets, se skjemaet på side 67, Tillegg A. Kretsene var basert på samme komponent som for kontrollsystemet, LTC3621. Servomotorene som ble brukt var mangelfullt dokumentert fra produsent slik at karakteristikk med hensyn på strømtrekk og belastning var ukjent. Det var likevel grunner til å anta et strømtrekk på100mA på tomgang og rundt1A ved vandring. Det første designet ble basert på at servomotorene ikke trakk mer enn1 A og at en kapasitans på 200𝜇F ville være et tilstrekkelig filter på utgangen.

Som vist i Figur 3.8 førte en strømpuls til et spenningsfall i𝑉_power på rundt2V, ved en typisk bevegelse på servoen. Kondensatorene på utgangen var for små, og LTC3621 var ikke i sand til å levere nok strøm. Designet med LTC3621 var allerede produsert, montert og testet, og det ikke var tid til redesign. Derfor ble en enkel krets med lineærregulatoren LM317, som vist på skjemaet i vedlegg B, koblet opp parallellt med switch-kretsen. Spenningen fra lineærregulatorkretsen ble lagt noe lavere enn fra switch-kretsen for at den kun skulle være aktiv ved større belastning.

Utgangskapasitansen ble økt til 1200 𝜇F. Dette reduserte problemet slik at spenningsfallet var

akseptabelt under belastning, se Figur 3.8.

3.2.4 MCU

Microkontrolleren TM4C1294 fra Texas Instruments (TI) ble valgt som kontrollsystemets kjer- ne. Microkontrolleren er fra TIs populære Tiva-C-familie, og er bygget på en ARM Cortex-M4 kjerne med 32-bits RISC arkitektur. CPU-en kan kjøre på opptil 120 MHz, systemet har 1024 kB FLASH minne og 256 kB SRAM. En 32-bits microkontroller er mer komplisert, men har mye større muligheter enn de mindre 8-bits systemene som er populære i undervisnings- og hobby- sammenheng. TM4C1294 har mange integrerte moduler, blant annet opptil 90 General-Purpose Input/Output (GPIO), integrerte moduler for UART og I2C, 12-bits Analog to Digital Converter (ADC), og integrert Ethernet MAC og Physical layer (PHY) interface. Jeg ønsket å bruke Ether- net til kommunikasjon mellom kontrollsystem og et GUI, derfor var denne funksjonaliteten viktig.

Andre microkontrollere ble vurdert og det var flere gode kandidater. PIC18-familien fra Microchip har for eksempel integrert MAC og PHY men er 8-bits kontrollere med mindre muligheter, fær- re I/O, færre UART moduler osv. PIC32-familien har tilsvarende muligheter og kapasiteter som TM4C1294, men har ikke PHY modul integrert. Det betyr at man må ha en separat chip for å implementere Ethernet. Det samme gjaldt de aller fleste sammenlignbare microkontrollere; de manglet integrert PHY. I tillegg til dette hadde TI et oppegående forum, TI E2E Community, med et stort felleskap av utviklere og gode nettsider til støtte i utviklingen. Alt dette talte i TM4C1294s favør. I forbindelse med masteroppgaven til Søvegjarto [6] ble det dessuten utviklet på TM4C1294, og det ville være svært gunstig å kunne gjenbruke noe av kodebasen derfra. I en viss utstrekning ble det også gjort, se Tillegg D primært Seksjon D.19 og D.20.

3.2.5 Attitude Heading Reference System (AHRS)

For å kunne styre og kontrollere ROV-en som ønsket var det avgjørende å ha gode målinger på orienteringen i rommet. Dette kunne ha vært gjort med avstandmålinger til objekter med kjent posisjon, men istedet ble bruk av Inertial Measurement Unit (IMU)-teknologi valgt. I vannet er det mangel på faste objekter som kunne ha tjent som referanse for et avstandssystem. En IMU består av gyroer og akselerometre, og har i senere tid blitt lett tilgjengelige gjennom utviklingen av MEMS-komponenter. Gyroer måler vinkelene mot de 3 aksene i rommet ved hjelp av treg- hetsprinsippet, mens akselerometere måler jordas gravitasjonsfelt. Et gyro drifter, men har rask respons. Akselerometre har tregere resopons men ingen drift. Ved å kombinere disse to får man et gunstig kompromiss mellom nøyaktighet og responstid. Det finnes flere produsenter som lager kombinerte sensorer i ulike prisklasser og ytelser, for eksempel InvenSense og ST-electronics. Som en del av masteroppgaven til Søvegjarto [6], ble det utviklet en AHRS-modul og denne ble brukt i sin helhet. Modulen var delvis testet og dessuten lett tilgjengelig for prosjektet. Modulen bygger på microkontrolleren TM4C1294 og IMU-chipen MPU-9150 fra InvenSense. Denne inkluderer et 3-aksers MEMS-gyro, 3-aksers akselerometer samt 3-aksers magnetometer. Søvegjarto kombinerte disse til et operativt AHRS. Fullstendig kartlegging av nøyaktigheten ble ikke gjort men Søve- gjarto antyder at en nøyaktighet nær repeterbarheten på±0.1^𝑜 kan oppnås gjennom kalibrering.

Det kommer frem av målingene han gjorde at lineariteten er svært god. Man vil trolig oppnå gode resultater med en enkel nullkalibrering, og dette ble implementert i systemet. MPU-9150 er kapabel til gi ut data med frekvens på opptil200Hz, likevel gir denne AHRS-en ut data med kun 10Hz. Datapakkene sendes via UART med baudrate 115200.