יצירת Clear Block Diagrams for Underwater Robotics Systems

דיאגרמות בלוק הן כלי יסוד בהנדסה של מערכות רובוטיות תת-ימיות. הן הופכות ארכיטקטורות מערכת מופשטות לנצ'מטיות חזותיות ברורות שממפות מערכות יחסים בין אספקת חשמל, חיישנים, מתמריצים ולשלוט בלוגיקה.עבור כלי רכב תת-ימיים אוטונומיים (AUVs), כלי רכב המופעלים מרחוק (ROVs), ופלטפורמות היברידיות, דיאגרמות משופרות, שיטות יעילות של בלוקים, ותוכנות, ותוכנות, כדי ליצור שיטות הפעלה יעילות, כדי ליצור שיטות הפעלה, ותוכנות מודרניות, שיטות הפעלה, כדי ליצור חסימות, שיטות מכניות, כדי ליצור שיטות הפעלה, שיטות הפעלה, כדי ליצור סודיות, כדי ליצור חסימות יעילות, כדי ליצור חסימות יעילות, כדי ליצור שיטות הפעלה, כדי ליצור סודיות, כדי ליצור שיטות הפעלה, כדי ליצור סודיות, שיטות הפעלה, כדי ליצור סודיות, שיטות הפעלה, שיטות הפעלה, שיטות הפעלה, כדי ליצור סודיות, שיטות הפעלה, שיטות הפעלה, שיטות הפעלה, מערכות הפעלה, מערכות הפעלה, כדי ליצור חסימות יעילות, שיטות הפעלה, מערכות הפעלה, כדי למנוע חסימות יעילות, כדי למנוע חסימות יעילות, כדי ליצור חסימות יעילות, כדי ליצור חסימות יעילות, כדי ליצור חסימות יעילות, כדי ליצור חסימות יעילות,

מדוע לחסום את החומר ב-Black Robotics

מערכות רובוטיות תת-ימיות כרוכות בעשרות תת-מערכות מקושרות הפועלות בסביבה קשה.אגרמת בלוק מתכנסת לסקירה אינטואיטיבית, ברמה העליונה של מהנדסים משתמשים ב-block דיאגרמות ל:

  • (ב) ,0) ויישואליזציה של ארכיטקטורת המערכת: FLT:1 מראה כיצד כוח, נתונים, אותות שליטה זורמים ממודול אחד למשנהו.
  • (FLT:0) הערכת סיכונים לשילוב מוקדם: FIRLT:1) ect לא תואם ממשקים, נקודות בודדות של כישלון, או צווארי בקבוק חשמל לפני בניית חומרה.
  • (FLT:0) תיעוד והדרכה: FLT:1 לספק התייחסות אחת לחברי צוות חדשים, בעלי עניין ומבקרים טכניים.
  • (FLT:0) עיצוב מודולרי:FLT:1, Define גבולות ברורים בין תת-מערכות, מה שהופך את זה קל יותר להחליף או לשדרג רכיבים מבלי לעצב מחדש את המערכת כולה.

בהתחשב בעלות גבוהה של פיתוח רובוטיקה תת-ימי (ROV יחיד יכול לעלות על 500,000 $), הדמיה מוקדמת באמצעות דיאגרמות בלוק מפחיתה באופן ישיר את העבודה מחדש ואת זמן הבדיקה.

סוגים של בלוקים עבור מערכות תת-קרקעיות

מהנדסים בדרך כלל משתמשים במספר שכבות של דיאגרמות בלוק במהלך פרויקט:

  • (FLT:0Functionalblock דיאגרמות (FBDsib): FLT:1 להתמקד בפונקציות המערכת (למשל, "הטבעה", "שליטה של הסטר") מבלי לציין פרטים חומרה.
  • (FLT:0) דיאגרמות חסימת פיזיות: FLT:1show מרכיבים אמיתיים ואת הקשרים הפיזיים שלהם (קלידים, מחברים, קווי חשמל) המשמש לתכנון שילוב.
  • (FLT:0) תרשיםי בלוקים:FreaLT:1) משלבים תפקידים פונקציונליים עם שמות מרכיבים פיזיים.

פרויקטים רובוטיים תת-ימיים מתחילים לעתים קרובות עם דיאגרמה פונקציונלית ברמה גבוהה ובאופן הדרגתי לחדד אותו לתוך דיאגרמה פיזית כמו בחירות רכיב מוצק.

המונחים: Underwater Robotics Block Diagrams

כל רובוט תת-ימי מכיל תת-מערכות ליבה מסוימות.הבנת כל אחד ואת מקומו בתרשים מבטיח שלמות.

כוח אספקה ופצה

בלוק הכוח כולל סוללות, רגולטורים מתח, יחידות ניהול חשמל (PMUs), ופתיחות. עבור מים עמוקים ROVs, כוח לעתים קרובות מגיע משורה, כך מערכת ניהול tether (TMS) בלוק מופיע במקום סוללה על הסיפון. יחידת חלוקת החשמל (PDU) מסלולים שונים מתחים (למשל, 12V דחף, 12Vers, 12V, 5Vir) לזהות בעיות לחץ על גבי זרם 1.

מערכת בקרה (Onboard Computer)

יחידת הבקרה המרכזית – לעתים קרובות מחשב לוח יחיד (למשל, Raspberry Pi, NVIDIA Jetson) או מיקרובקר (STM32, Teensy) - מעביר את התוכנה המתאמת את כל המודולים. בתרשים, בלוק זה מקבל קלט מחיישנים ומעביר פקודות לפעולת פקודות.

חיישן Suite

בדרך כלל, חיישנים מחולקים לבלוק אחד או מחולקים לבלוקים תת-קרקעיים:

  • (FLT:0)Navigationחיישנים:FLT:1IMU, לחץ / חיישן מעמיק, Doppler מהירות יומן (DVL), transponder USBL, GPS (כאשר מעוקל).
  • (במבט לאחור:0) חיישנים של Environmental:FLT:1 Sonar (מבט קדימה, ציסטן, רבבים), מצלמה, טמפרטורה, מוליכות, חמצן מתמוסס.
  • (ב) חיישנים בטוחים:0 (FLT:1) Leak Detection, לחות, צגים מתח / temperature.

כל חסימת חיישן צריכה להראות את ממשק התקשורת שלה (I2C, SPI, UART, Ethernet) ואת דרישות הכוח.FLT:0 אינטגרציה הנחיות מ-Mupr ElectronicsFLT:1 יכול לעזור בעת ציון ממשקי החיישן.

תגית: Thrusters

Actuators כולל דחפורים (DC מנועים ללא מכחול עם ESCs), סרבוסים עבור מניפולטורים, ולעתים משאבות הידראוליות עבור ROVs כבד. בתרשים בלוק, כל בלוק דחף מראה את בקר המנוע שלו (למשל, PWM קלט, CAN אוטובוס) והזנת חשמל.לוודא כי מערכת הבקרה יש מספיק ערוצים כדי להניע את כל הפעולות.

מודול תקשורת

שני מסלולי תקשורת הם קריטיים:

  • (ב) ⁇ :0) ⁇ (התקבלה): ⁇ 1 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ,0) ,Acousticure: FLT:1 מודמים אשר מעבירים נתונים דרך מים (למשל, WHOI Micro-Modem, EvoLogics).

כולל חסימת מודם אקוסטית עבור AUVs כי יש לעמוד רק לעתים רחוקות.הבלוק צריך להצביע על שיעור נתונים, תדירות הלהקה וצריכת חשמל, אשר הם מוגבלים היטב בסביבות תת-קרקעיות.

Payload Interfaces

רובוטים תת-ימיים רבים נושאים מטען ספציפי למשימה: מדגמי מים, גלקסיות בנאריות, זרועות מניפולטור או חיישנים מדעיים.אגרמת בלוק צריכה להראות בלוק "Payload Interface" כללי גנרית עם כוחות מוגדרים ומחברים נתונים כדי להתאים את החילופים העתידיים.

שלב-בי-שלב תהליך כדי ליצור דימום רובוטי תת-ימי

בצע גישה זו מובנים כדי לייצר דיאגרמה ברורה ומדויקת.

שלב 1: כל הפונקציות של המערכת וממשקים שלהם

גליונות נתונים של Gather ו- pin דיאגרמות עבור כל רכיב מתוכנן: סוללות, רגולטורים מתח, דחף, חיישנים, לוח הבקרה, tether, וכו ' עבור כל אחד, להקליט:

  • מתח קלט חשמל וזרם
  • פרוטוקול תקשורת וסוג המחבר
  • ממדים פיזיים ומגבלות הרים
  • דרישות שיעור נתונים (אם ישים)

צור גליון להפיץ כדי לעקוב אחר התכונות האלה; זה ישמש כמלאי בעת ציור הדיאגרמה.

שלב 2: Define Top-Level Architecture

ההחלטה על המבנה ברמת המערכת.גישה נפוצה עבור AUVs קטן היא בלוק מרכזי "מוח" המחובר ל"אוטובוס רגיש" ו"אוטובוס הפעלה" בלוקים. עבור ROVs גדולים יותר, בנפרד "מחשב הניווט" ו"מחשב ההפניה" בלוקים עשויים להיות נחוצים.

שלב 3: בחר כיוון

רוב דיאגרמות בלוק תת-ימיות משתמשות בזרימת ימין (כוח משמאל, מרכז הבקרה של מרכז שמאל, פועל ימין) או בטופ-למטה (שליטה בראש, חיישנים ומבצעים מתחת).

שלב 4: השתמש בסמלים סטנדרטיים ו Notation

בעוד שאין תקן אוניברסלי עבור רובוטים חוסמים דיאגרמות, מוסכמות מ IEC 60617 או IEEE Std 315 מועילות.עבור קהלים שאינם מעוררי השראה, השתמש במבנים פשוטים המתוייגים בשמות וסמלים.המפתח הוא עקביות: להשתמש באותה צורה עבור כל בלוקים הקשורים לחשמל, נוסף עבור בלוקים, וכו 'F: תמיד לכלול אגדה FLT: 1 שימוש במקרה של סמלים מותאם אישית אם אתה משתמש.

שלב 5: הוספת פרטים

צייר קווים בין בלוקים לייצג כבלים כוח (קווי טיק) וכבלי נתונים (קווים שונים) חיבורים tether שונים, אוטובוסים פנימיים (CAN, I2C), ו- Ethernet. Color-coding מסייע: אדום עבור חשמל, כחול עבור נתונים, כתום עבור אותות אנלוגיים.אם חיבור נושא את שני הכוח והמידע (למשל, USB-C), השתמש קו מלוטש עם פתק.

שלב 6: Annotate with Key Parameters

הוסף תוויות ליד קווי חיבור: מתח וזרם לקווי חשמל, שאלון או פרוטוקול לקווי נתונים.דוגמה: "48V 20A" או "CAN 1Mbps" בתוך כל בלוק, רשימת מודל הרכיב או מפרט מפתח (למשל, "כחול רובוטיקה T200 דחף" או "מדיישן 02000m" הופך את ה- ⁇ לקובץ מהיר.

שלב 7: ביקורת נגד Constraints

בדוק את הדיאגרמה עבור:

  • תקציב:0 (Power Budget:BuildFLT:1) האם ל-PDU יש מספיק יכולת לכל המתרגלים והחיישנים?
  • (ב) ⁇ :0) צווארי בקבוק נתונים: 1FLT: האם לוח הבקרה יכול לטפל בנתוני המשולבים ממצלמות, בנדר וטלמטארי?
  • (ב) קישוריות פיזית:0) האם יש מספיק נמלים במחשב?
  • (ב) האם יש חיישן עומק גיבוי?(החזקות הקריטיות) יש ממזגי חשמל נפרדים?

חשוב על הדיאגרמה עד שכל המגבלות שבע רצון.

שלב 8: בקרת ושיתוף

שמור את קובץ הדיאגרמה עם מספר גירסה (למשל, "ROV block diagram v2.1.Returnio") לייצא ל- PDF או PNG לשיתוף עם חברי צוות שאין להם תוכנת עריכה. שמור את הדיאגרמה בכונן משותף שכל בעלי העניין יכולים לגשת אליו.

מלכודות נפוצות להימנע

אפילו מהנדסים מנוסים יכולים ליצור דיאגרמות בלוק מטעות.לשמור על נושאים אלה:

  • (FLT:0) יותר מדי פרטים מוקדם מדי: FLT:1hil להימנע כולל פייתול ברמת הסיטואמים המוקדמים. לשמור על הנוף ברמה העליונה נקי; ליצור schematics מפורט עבור כל בלוק.
  • (FLT:0) העברת פרטים על חלוקת החשמל: FLT:1hil אם הדיאגרמה מציגה רק בלוק "כוח" אחד, היא מטביעה את הרגולטורים, הפתיחות, והממירים שהם קריטיים לאמינות.
  • (FLT:0) אבחון אורך כבל: FLT:1 דיור תת-קרקעי יש מוגבל עוברי דרך.אם הדיאגרמה מציעה כבל ארוך עובר דרך צר, זה סיכון פיזי.
  • (ב) אין נתיב חירום: 1FLT לכל ROV, יש להכניס לבלוק חירום (E-stop) בין ה- tether לבין PDU.
  • (ב) ,0) למערכות תת-קרקעיות של 1FLT צריך להתמודד עם לולאות קרקעיות, במיוחד כאשר משתמשים בדומיינים שונים של מתח.ל.ל.ל.ל.

כלי תוכנה ליצירת פולוטיקה תת-קרקעית בלוק דיגרמה

בחירת הכלי הנכון תלויה בגודל הצוות, צרכי שיתוף פעולה ותקציב. להלן הן האפשרויות הפופולריות ביותר בשימוש במעבדות להנדסה באוקיינוס וחברות.

לוסיד

מבוסס ענן, עם שיתוף פעולה בזמן אמת. מציעה ספריית צורות הנדסיות כולל סמלים כוח, אוטובוסים נתונים ורכיבי רובוט גנריים.ממשק הגרור-אנדרופ שלו אידיאלי עבור דיאגרמות קונספט מוקדמות.צוותים יכולים להשאיר הערות ולעקוב אחר שינויים.

דיאגרמות (Draw.io)

חינם, קוד פתוח, זמין כמו אפליקציית שולחן עבודה או משולבים ב-Google Drive, Confluence ו- VS Code. תומך בספריות צורה אישית.קבוצות רובוטיות ימיות רבות לשמור על קצבי הצורה שלהן עבור משחתים נפוצים (בלוביוטי, Seabotix) וחיישנים (Teledyne, Ocean Instruments).

Microsoft Visio

כלי ברמה ארגונית עם אוספים נרחבים של צורה (סמלי חיזוי חשמל, תחזיות הנדסת חשמל) טוב לארגונים גדולים שכבר משתמשים ב- Microsoft 365.

Inkscape (Vector Graphics)

עבור צוותים שרוצים שליטה מלאה על אסתטיקה - סמלים של לקוחות, ⁇ ממלא, היישור מדויק - Inkscape הוא עורך וקטור חופשי חזק.לא כלי דיאגרמה עבור סי, אבל זה יכול לייצר דיאגרמות בלוק באיכות הפרסום. שימושי עבור מענק הצעות או כתבי עת שבו נושאים ויזואליים של ליטוש.

אלטום מעצב / EAGLE (Schematic Capture)

אם דיאגרמת בלוק צריכה להאכיל ישירות לתוך עיצוב PCB, להשתמש בכלים לכידת סכימטיים שיכולים לייצג בלוקים פונקציונליים ולאחר מכן להרחיב אותם לתוך schematics מעגלים. Altium 'schematicסמלים סכימטיים' ניתן לחלק לתוך בלוקים היררכיים, המקשר את תרשים בלוקים לתכנון החשמלי בפועל.זה overkill עבור נופים ברמה גבוהה אבל יקר עבור מערכות מקרוכות.

דוגמה: בלוק דיאגר של ROV של מים בינוניים

כדי להמחיש את המושגים, שקול ROV טיפוסי של מחלקת הביקורת שפועלת עד 1000 מטרים.אגרמת בלוק שלה (הגדלה) עשויה לכלול:

TOP-LEVEL BLOCKS:

| Tether (power + fiber optic) |
 | (48V, 100Mbps Ethernet)
| Power Management Unit (PMU) | -> 48V rail to thrusters
| | -> 12V rail to sensors
| | -> 5V rail to control board
| Control Board (NVIDIA Jetson Nano) | <-> ESCs (CAN bus)
| | <-> IMU, depth sensor (I2C)
| | <-> camera (USB 3.0)
| | <-> sonar (Ethernet)
| 4x Thrusters (Blue Robotics T200) | <- ESC signals via PWM/CAN
| Sensor Suite:
| - IMU (Polaris)
| - Depth sensor (Keller 33X)
| - Forward-looking sonar (Tritech)
| - Camera (Basler ace)
| Acoustic Modem (Teledyne Benthos) | <- serial RS-232 from control
| Payload Interface (24V, Ethernet) | <- for future sensor sled

כל בלוק בתרשים בפועל יהיה קופסה מלבנית עם שם הרכיב בתוך.חץ מצביע על כוח וכיוון נתונים. הפריסה זו מקלה לראות כי הטטר מספק גם כוח ונתונים, PMU מחלק את הכוח לשלוש מסילות, ואת לוח הבקרה מרכזי את כל החיישן ואת הקשרים אקטוטור.

הפרקטיקה הטובה ביותר לתיעוד ותחזוקה

תרשים בלוק הוא מסמך חי. שמור אותו עד כה כרכיבים משתנים או המערכת מתפתחת.

  • (FLT:0)קישור לגליונות נתונים:FLT:1 בקבצים דיגיטליים, היפרקישור לכל בלוק בגליון הנתונים של הרכיב.זה חוסך שעות חיפוש במהלך אבחון.
  • כולל את ההיסטוריה של תיקון: 1FLT [בתחתית העמוד, להוסיף שולחן עם תאריך, גירסה, המחבר, ושינויים שנעשו.E.g., "v2.0 - תוספת ממשק מטען; שינוי דחף ESC מ- PWM כדי CAN".
  • (FLT:0)Generate as-Build ⁇ s:cioFLT:1) הדיאגרמת בלוק הסופי צריכה לשקף את המערכת הבנויה בפועל, לא רק את התוכנית המקורית.
  • (FLT:0) קידוד היררכי: אנדרל 1 (FLT:1) צור תרשים בלוק ברמה גבוהה אחד ולאחר מכן דיאגרמות ברמה נמוכה עבור כל בלוק.לדוגמה, בלוק "כוח ניהול" ניתן להרחיב לתוך תת-דיגרמה המציגה את מסנן קלט, DC-DC ממירים, ופתיחת.
  • (ב) ,0) ,הסברים שמות מוסכמות: FIRLT:1) השתמשו באותו שם בלוק על פני כל דיאגרמות, קוד, ותוויות מתפתלות.

מסקנה

דיאגרמות בלוק אינן רק רישומים - הן הטביעות הכחולות של מערכת רובוטית תת-ימית.על ידי זיהוי בקפידה כל רכיב, ממשקיה וזרימת הכוח / הנתונים שלה, מהנדסים יכולים לזהות בעיות לפני שחוט יחיד נחתך.לאחר תהליך יצירה שיטתי, הימנעות ממלכודות נפוצות, ושימוש בכלים התוכנה הנכונה מבטיח כי הדיאגרמה נשארת התייחסות אמינה לאורך מחזור החיים.

לקריאה נוספת על אדריכלות כלי תת-ימית ושילוב, להתייעץ עם 0 (Ocean RoboticsFLT:1 for Community Best Practices and the FLT:2Woods Holeographic Institution's DocumentFLT 3 עבור דוגמאות בעולם האמיתי.