USV CZAJKA Artur Kamieniecki Igor Rusiecki ZDJCIE ZESPOU

USV „CZAJKA” Artur Kamieniecki Igor Rusiecki ZDJĘCIE ZESPOŁU dr inż. Zbigniew Usarek III Liceum Ogólnokształcące im. Marynarki Wojennej RP

Co chcemy osiągnąć? Naszym celem jest stworzenie stosunkowo małej i taniej platformy, pozwalającej władzom portowym monitorować w czasie rzeczywistym stan wód portowych w celu zapobiegania i zwalczania zanieczyszczeń - w myśl zasady, że trzeba najpierw wykryć, żeby móc przeciwdziałać. Całość projektu została konceptualnie osadzona w „porcie przyszłości”, a zatem w środowisku silnie zautomatyzowanym, zdominowanym przez sztuczną inteligencję oraz z ograniczoną liczbą ludzkich pracowników. Dziś zadania związane z ochroną czystości wód portowych spełniają jego pracownicy, którzy mogą zauważyć zanieczyszczenia przy okazji wykonywania swoich obowiązków, bądź w czasie patrolowania portu w poszukiwaniu zanieczyszczeń. Przy obecnym tempie zastępowania ludzi przez maszyny możemy spokojnie zakładać, że za kilkanaście lat większość tych miejsc pracy nie będzie po prostu istnieć. Nie będzie komu zauważyć ewentualnego zagrożenia. Dlatego niezbędne będą drony, takie jak nasz. Przyświeca nam idea, że o przyszłości trzeba myśleć dziś, bo jutro może być za późno. Opracowujemy nasze rozwiązanie dziś, żeby być gotowym na problemy jutra.

Jak chcemy to osiągnąć? W momencie pisania tego slajdu (07. 02. 2021 r. ) trwają ostatnie przygotowania do budowy demonstratora technologii, którą planujemy na początek marca. Za nami jest faza koncepcyjno-analityczna oraz projektowa. Demonstrator da nam szansę na przetestowanie kluczowych rozwiązań oraz założeń, dostarczy danych niezbędnych do kontynuowania pracy, a także mamy nadzieję, że umożliwi zebranie środków finansowych potrzebnych do dalszej pracy nad projektem, co oznacza budowę prototypu i przyszłą komercjalizację naszego rozwiązania.

Jakie są główne cechy naszego projektu? W pracy nad naszym dronem położyliśmy szczególny nacisk na kilka obszarów: a) Intuicyjność – rynek pracy za kilka lat będzie pełen osób posiadających doświadczenie w… grach komputerowych. W trakcie prac nad software’em wykorzystywaliśmy schematy i mechaniki powszechne w grach komputerowych, przez co cały system będzie dla operatora maksymalnie prosty w obsłudze. b) Niskie koszty zakupu i eksploatacji – niskie koszty pozwalają na zakup większej liczby dronów, co z kolei zapewni lepsze pokrycie powierzchni basenów portowych. „Port przyszłości” to nie tylko port europejski lub amerykański, ale każdy port, w tym porty z Afryki, Ameryki Południowej, czy też Azji. Budujemy platformę w miarę możliwości małą i prostą, której naprawy mogą dokonać elektryk i mechanik w przyportowym magazynie, zamiast wysyłać ją do producenta przez ocean.

Jakie są główne cechy naszego projektu? c) Autonomiczność – nowy system monitorowania stanu czystości wód basenów portowych ma przede wszystkim ograniczyć liczbę pracowników potrzebnych do tego zadania. Autonomiczna platforma to jedyny sposób na to, żeby jeden lub kilku operatorów mogło sterować całą flotą. Na chwilę obecną zaprojektowany przez nas system nawigacyjny zapewnia tzw. półautonomiczność. Dalsze prace będą miały na celu osiągnięcie pełnej autonomiczności.

Jakie są główne cechy naszego projektu? d) Elastyczność – w świecie technologii zmieniających się z dnia na dzień ważnym kryterium stał się potencjał modernizacyjny oraz możliwość tworzenia wersji specjalistycznych danego produktu, będących odpowiedzią na specyficzne potrzeby kupującego. Nasza platforma to konstrukcja modułowa, a co za tym idzie otwarta na wszelkiego rodzaju zmiany. Pojawienie się na rynku nowych kamer, czujników, systemów komunikacji nie będzie oznaczało dla użytkownika konieczności wymiany całej floty, a jedynie dokonanie modernizacji niektórych modułów. Jak zostało to już wspomniane, USV „Czajka” ma stosunkowo nieskomplikowaną budowę, a to znaczy, że użytkownik będzie mógł przeprowadzać niektóre modyfikacje we własnym zakresie. W przypadku konieczności wprowadzenia poważniejszych zmian konstrukcyjnych, producent ma ten komfort, że kadłub jest w całości drukowany w drukarce 3 D, która jest narzędziem uniwersalnym. Nie zachodzi zatem potrzeba przebudowy całej linii produkcyjnej w celu wykonania nowego zadania. Ta sama fabryka, te same maszyny mogą produkować zarówno wersje podstawowe, jak i specjalne. Jedynymi ograniczeniami są kreatywność projektantów i możliwości drukarek 3 D.

Jak to wszystko działa? Cała elektronika podzielona jest na dwie części: niskonapięciową (5 V) i wysokonapięciową (ok. 17 V). Pierwsza z nich odpowiedzialna jest za zasilanie sensorów oraz komputera sterującego (Raspberry Pi 3 B+). Druga, przystosowana do dużego natężenia prądu, zapewnia zasilanie obu silnikom.

Jak to wszystko działa? Wykorzystując własności silników bezszczotkowych wymyśliliśmy sposób na odwrócenie kierunku obrotu silnika. Jest to kluczowe dla poprawnego działania drona. Poprzez „zamianę” dwóch przewodów, z których każdy zasila jedną z cewek znajdujących się w silniku, możemy odwrócić kolejność ich uruchamiania. Na schemacie widać w jaki sposób udało nam się to osiągnąć z wykorzystaniem czterech przekaźników, dwóch na każdy silnik. Komputer w prosty sposób może „zmienić kolejność przewodów” za pomocą jednego impulsu. Podobny efekt można uzyskać stosując specjalny, często trudno dostępny ESC. Jednak mając na uwadze koszty eksploatacji oraz nasz nacisk na uniwersalność konstrukcji opracowaliśmy rozwiązanie umożliwiające zastosowanie dowolnego ESC.

Jak to wszystko działa? Dron komunikuje się z użytkownikiem poprzez Web Interface, działający w lokalnej sieci WIFI, gdzie przesyłane w czasie rzeczywistym i wyświetlane są obraz z kamery, odczyty z amperomierzy, woltomierzy i sensorów, mapa pozwalająca na szybkie sprawdzenie położenia drona oraz podgląd danych zebranych w poprzednich punktach nawigacyjnych. Dron co sekundę odczytuje nowe informacje, a następnie zapisuje je lokalnie z możliwością pobrania w celu głębszej analizy. Zamontowane obecnie sensory obejmują: termometr, czujnik zmętnienia oraz czujnik p. H. Wybór tych konkretnych czujników wynika z ich powszechnej dostępności na rynku. Jak już zostało to wspomniane, platforma jest uniwersalna, więc w jej ostatecznej wersji zapewne będzie ona wyposażona w inny zestaw, bardziej specjalistycznych sensorów.

Jak to wszystko działa? Korzystając z komputera podkładowego Raspberry Pi stworzyliśmy od podstaw własny, półautonomiczny system nawigacyjny. Operator ma możliwość wybrania dowolnych punktów nawigacyjnych (ang. waypoints) na mapie, po czym dron, dzięki zastosowaniu magnetometru i modułu GPS, płynie w ich stronę bez dalszej ingerencji człowieka. Niestety system ma swoje ograniczenia. Jednym z nich jest brak możliwości wykrycia kursu kolizyjnego z innymi obiektami oraz dokonania samodzielnej korekty trasy. Natomiast operator mając do dyspozycji obraz z kamery oraz intuicyjną cyfrową manetkę może w każdej chwili dokonać korekty kursu, wyznaczając nowy punkt nawigacyjny, wydając komendę awaryjnego zatrzymania, bądź przechodząc na sterowanie ręczne. Osiągnięcie pełnej autonomiczności drona w tym zakresie jest jednym z celów dalszych prac nad projektem.

Podziękowania W tym miejscu chcielibyśmy podziękować wszystkim osobom, które miały wpływ na nasz projekt: dr inż. Zbigniewowi Usarkowi – za opiekę naukową, Annie Rzepie – za pomoc merytoryczną, Barbarze Mindak – za przygotowanie wizji artystycznej naszego drona oraz ilustracji do tej prezentacji, oraz wszystkim tym, których jeszcze spotkamy na naszej drodze w przyszłości.

Dziękujemy za uwagę!