Ανάπτυξη και έλεγχος συστήματος κατευθυντικής κεραίας σε ωκεανογραφικούς πλωτήρες μέτρησης δεδομένων.

Abstract

Λόγω της ταχείας τεχνολογικής ανάπτυξης, μια μεγάλη ποικιλία υφιστάμενων και νέων αισθητήρων μπορεί ενδεχομένως να φιλοξενηθεί σε έναν ωκεανογραφικό πλωτήρα. Για να αντιμετωπιστεί η εγκατάσταση πολλών αισθητήρων και η απόκτηση μεγάλου όγκου δεδομένων σε πραγματικό χρόνο, αυξήθηκε η ανάγκη για μία νέα γενιά πλωτήρων με συνδέσεις μεγάλου εύρους ζώνης. Σε παράκτια παρατηρητήρια, που έχουν οπτική επαφή με τη ξηρά (LOS), όπως ο σταθμός POSEIDON HCB, μια κατευθυντική κεραία μεγάλης εμβέλειας μπορεί να προσφέρει υψηλότερη ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων, μειώνοντας παράλληλα το κόστος σε σύγκριση με το δίκτυο κινητής τηλεφωνίας. Στην εργασία αυτή, παρουσιάζεται η ανάπτυξη και ο έλεγχος ενός πρωτότυπου ρομποτικού συστήματος σταθεροποίησης το οποίο μπορεί ενδεχομένως να φιλοξενηθεί σε έναν αγκυροβολημένο πλωτήρα. Το σύστημα αποτελείται από έναν μηχανισμό τριών περιστροφικών αρθρώσεων που σχηματίζουν μια κινηματική διάταξη ενός σφαιρικού καρπού ενώ μια κατευθυντική κεραία χρησιμοποιείται στο άκρο του. Με βάση την κινηματική ανάλυση, το σύστημα επιλύει το πρόβλημα της στόχευσης και σταθεροποίησης της κεραίας, κατά τη διάρκεια της μετάδοσης δεδομένων, για την ευθυγράμμιση της κατευθυντικής κεραίας που είναι τοποθετημένη πάνω στον πλωτήρα με την κεραία που βρίσκεται στο χερσαίο σταθμό. Ο μηχανολογικός σχεδιασμός και η συναρμολόγηση του πρωτοτύπου παρουσιάζονται λεπτομερώς μαζί με την αρχιτεκτονική ελέγχου, η οποία βασίζεται στο αντίστροφο κινηματικό μοντέλο του συστήματος και στους βρόχους ανάδρασης που περιλαμβάνει δεδομένα από μια αδρανειακή μονάδα (IMU) και ένα σύστημα εντοπισμού παγκόσμιας θέσης (GPS). Κάθε άρθρωση οδηγείται από ένα βηματικό κινητήρα, ενώ ο αλγόριθμος ελέγχου αντισταθμίζει τις επιδράσεις εξωτερικών διαταραχών που περιλαμβάνουν την παγκόσμια θέση του πλωτήρα, τον κυματισμό, δυνάμεις πλεύσης και ροπές κτλ. Τέλος, δίνονται πειραματικά αποτελέσματα για την αξιολόγηση της πρακτικότητας και της αποτελεσματικότητας του πρωτότυπου ρομποτικού συστήματος σταθεροποίησης.

Due to the rapid technological development, a large variety of existing and new sensors can potentially be hosted in an oceanographic buoy. To cope with the installation of many sensors and the acquisition of large amount of real-time data, the need for a new generation of buoys with high bandwidth connections has increased. In coastal observatories, with land-based contact (LOS), such as the POSEIDON HCB station, a long range directional antenna could offer higher data transfer speed, while reducing the cost as compared to mobile network. In this work, we present the development and control of a prototype robotic stabilization system which can potentially be hosted in a moored buoy. The system consists of a three joint mechanism forming a kinematic configuration of a spherical manipulator while a directional antenna is used as its end effector. Based on kinematic analysis, the system solves the antenna’s pointing and stabilization problem, during data transmission, for a particular alignment of a directional transmitter antenna placed on the buoy along with a land station receiver. The mechanical design and assembly of the prototype are also presented in detail along with the control architecture which is based on the inverse kinematic model of the system and feedback loops that includes data from an Inertial Measurement Unit (IMU) and a Global Positioning System (GPS) sensor. Each joint is driven by a stepper motor while the control algorithm counteracts effects of external disturbances which include the global position of the buoy, sea waves, buoyant forces and moments e.t.c. Finally, experimental results are given to evaluate the practicability and effectiveness of the prototype robotic stabilization system.