Подводный робот для забора проб воды и грунта

Актуальность

С древних времен люди стремились селиться по берегам рек, чтобы всегда иметь доступ к водным ресурсам. Они использовали сырьё для самостоятельного питания, кормления скота, орошения овощных и зерновых культур, а также ловили рыбу и переправляли грузы по водным путям. Со временем вода не потеряла своей значимости; она надёжно закрепилась в списке необходимых человеческих потребностей, но, несмотря на это, люди не научились самому главному – ценить то, что имеют.

Многочисленные достижения прогресса во многом улучшили и упростили жизнь людей, нанеся при этом непоправимый ущерб природе. Помимо антропогенного фактора, на состав гидросферы оказали влияние климатические условия, повлекшие за собой опасные осадки и стоки. Загрязнение пресных вод, пригодных для поддержания жизнедеятельности, – это актуальная экологическая проблема современности.

Для мониторинга состояния и отслеживания динамики изменения экологического состояния водоёма необходимо регулярно брать пробы воды и грунта со дна водоёма. Для данных целей можно привлекать человеческий труд, но в некоторых ситуациях он нецелесообразен или опасен. В таких случаях на помощь могут прийти подводные роботы.

Цель

Разработать подводного робота для забора проб воды и грунта.

Задачи

1. Проанализировать существующие конструкции подводных роботов.
2. Подготовить конструкторскую документацию подводного робота.
3. Разработать устройства для взятия проб воды и грунта.
4. Подобрать материалы и оборудование для сборки робота.
5. Собрать и отладить робота.
6. Создать программное обеспечение.
7. Провести испытания устройства по взятию воды и грунта.
8. Провести тестирование на суше / в водоёме.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Компьютер с установленным ПО (Autodesk Inventor, Cura)
• 3D-принтер Anet E10
• Движитель
• Камера
• Микроконтроллер Arduino UNO
• Плата для управления движителями
• Плата с джойстиком и кнопками
• Провод с поплавками

Описание

На начальном этапе работы над проектом авторы изучили несколько моделей подводных роботов и их комплектацию. В качестве основы проектной конструкции был выбран подводный робот Elementary ROV. Далее он был масштабирован и адаптирован в соответствии со способом изготовления 3D-печати.

На следующем шаге в соответствии с размерами прототипа были изготовлены необходимые детали в среде 3D-моделирования Autodesk Inventor.

Далее для отбора проб воды и грунта была разработана соответствующая конструкция устройства. Устройство представляет собой закрытый электромагнитный клапан, к которому присоединена колба. Принцип работы клапана при взятии пробы воды: под водой в определённом месте водоёма на клапан подаётся сигнал для открытия. Клапан открывается, и постепенно вода вытесняет воздух из колбы. Через определённое время колба заполняется водой, подача сигнала прекращается, и клапан закрывается.

При взятии пробы грунта воздух из колбы предварительно откачивается вакуумным насосом. Под водой в определённом месте водоёма подводный робот упирается открытым концом клапана в грунт, и на клапан подаётся сигнал для открытия. Клапан открывается, и постепенно под действием перепада давления взвесь грунта и воды попадает в колбу. Через определённое время колба заполняется, подача сигнала прекращается, и клапан закрывается.

На следующем этапе автор напечатал на 3D-принтере Anet E10 составные части устройства. Прототип был успешно собран с первой попытки. Далее была проведена сборка грунтосборного и водосборного элементов и их испытание.

Этап, связанный с испытанием устройства, выполнялся на испытательном стенде, который представляет собой аквариум с водой и землёй и позволяет проверить работоспособность устройства.

По завершении работ подводный робот подлежит обязательным испытаниям на суше, включающим в себя проверку работы движителей, камеры, клапанов, а также подводным испытаниям в аквариуме, включающим в себя проверку герметичности движителей, камеры, клапанов и проверку работы движителей, камеры, клапанов через час после погружения на глубину 50 см.

Результаты работы/выводы

В ходе работы были проанализированы различные конструкции подводных роботов. На основе анализа была выбрана оптимальная конфигурация. Подготовлена конструкторская документация подводного робота, смоделированы его составные компоненты, произведена сборка, создано программное обеспечение.

Подводный робот был успешно протестирован на «суше». Также было разработано устройство для взятия проб воды и грунта. Поставленная цель по сборке подводного робота нами достигнута.

Перспективы использования результатов работы

Данный агрегат может использоваться в научных целях для мониторинга экологического состояния водоёмов.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

АНО «НОЦ МГТУ им. Н.Э. Баумана»