Come costruire un drone subacqueo

Ispirati dal libro “20.000 leghe sotto i mari”, molti dilettanti hanno costruito un veicolo telecomandato sottomarino – dotato di motori, videocamera, ed eventualmente di sensori di temperatura/pressione e di strumenti vari (sonar, etc.) – in modo da poter esplorare le profondità della loro piscina e, soprattutto, ben oltre: il mare. I veicoli sottomarini operati a distanza (ROV, o “remotely operated vehicles”) aiutano gli oceanografi a studiare parti dell’oceano troppo scure, troppo fredde o troppo profonde per i subacquei umani. Costruisci anche tu un vero ROV subacqueo che puoi controllare mentre è sott’acqua.

Chi, facendo snorkeling, è abituato a portare con sé la macchina fotografica per catturare alcune scene, dopo diversi tentativi di filmare la fauna e la flora del mare, giunge alla conclusione che fare riprese sott’acqua è davvero impegnativo. Devi concentrarti sulla scena e stabilizzare il tuo corpo senza fare troppi movimenti per assicurarti che l’animale non si spaventi, per non parlare dell’apnea. Perché, dunque, non realizzare dei video attraverso un veicolo subacqueo comandato da remoto tipo quelli in vendita qui ma fatto da te?

Infatti, poiché c’è stata una recente crescita dei droni volanti autonomi, guidati dai progressi della tecnologia e dalle economie di scala, oggi i pensieri si rivolgono ai droni sottomarini, che diventano economici e onnipresenti come le loro controparti aeree. Ma i concetti di base dietro un veicolo aereo senza pilota (UAV) possono essere davvero facilmente adattati per l’uso sott’acqua? I droni sottomarini sembrano, in effetti, presentare delle sfide simili alla varietà di droni dispersa nell’aria.

Una delle tante possibili implementazioni fai-da-te di un drone sottomarino. Il progetto ti darà più soddisfazione che comprare un veicolo già pronto come quelli che trovi qui.

Entrambi, infatti, devono navigare e spostarsi in tre dimensioni e inviare i dati al loro controllore umano. Un veicolo subacqueo ha l’ulteriore vantaggio della galleggiabilità, rendendolo in grado di librarsi in posizione con i motori spenti. A questo proposito è più vicino a un dirigibile senza pilota che a un tipico drone quadrirotore, o quadricottero. Tuttavia, la sfortunata verità è che realizzare un drone sottomarino è tutt’altro che semplice navigazione e non è lo stesso che realizzare un drone aereo.

La comunicazione e navigazione wireless sottomarina

I droni sottomarini affrontano delle sfide sostanziali, poiché molte tecnologie di navigazione e di comunicazione che diamo per scontate sono inefficaci nell’acqua. GPS, cellulare (3G, 4G), WiFi e radar sono tra le tecnologie essenziali per il funzionamento dei droni dispersi nell’aria, ma sono inutili sott’acqua. Anche la navigazione e la comunicazione ottica (come il Lidar) sono inefficaci nell’acqua, ed al massimo limitate a poche decine di metri, a seconda della chiarezza dell’acqua.

In effetti, la gamma dello spettro elettromagnetico che è utile per gli sviluppatori di droni sottomarini è impoverita, rispetto alla ricchezza di larghezza di banda disponibile per i veicoli che operano all’aria aperta. Le onde radio viaggiano male attraverso l’acqua, e ancora peggio attraverso un conduttore elettrico come l’acqua salata. Le frequenze più basse penetrano meglio delle alte frequenze. Ma a  27 MHz, la frequenza più bassa disponibile per l’uso pubblico, la portata subacquea è inferiore a 3 m.

Attenuazione delle radiofrequenze (RF) nell’acqua di mare.

I segnali a frequenza molto bassa (VLF) ed a frequenza estremamente bassa (ELF) hanno un raggio utile da centinaia fino a decine di migliaia di chilometri. Ma queste frequenze possono essere usate solo per la comunicazione unidirezionale dal controller al drone, poiché richiedono trasmettitori affamati di potenza con antenne sulla scala dei km. Inoltre, lunghezze d’onda lunghe offrono una larghezza di banda assai bassa: nella migliore delle ipotesi, 1-2kb/ps su distanze di decine di metri per le VLF.

Le tecnologie di comunicazione e navigazione wireless più adatte per i droni autonomi subacquei sono quelle acustiche. A differenza della radio e della luce, il suono può penetrare nell’acqua per distanze di molti chilometri; da qui il suo utilizzo per la navigazione subacquea e la comunicazione da parte di animali come balene e delfini. Anche con la tecnologia acustica, la diffusione del segnale, la bassa larghezza di banda e l’elevato consumo energetico continuano a presentare delle sfide.

Attualmente, i migliori modem acustici subacquei disponibili in commercio, che offrono una migliore alternativa rispetto ai modem ottici, offrono comunque una comunicazione con larghezza di banda inferiore a 20kb/ps su intervalli da decine a centinaia di metri. Ciò è molto inferiore alla larghezza di banda richiesta per i video in tempo reale. Un operatore umano in superficie può controllare un drone tramite segnali acustici, ma volerà alla cieca, incapace di vedere cosa vede il veicolo.

Esempi di modem acustici subacquei per la comunicazione wireless sottomarina.

Oltre a fornire un canale di comunicazione, le onde sonore offrono un mezzo di navigazione. Il sonar può fornire una vista in tempo reale del fondale marino e degli oggetti sommersi, a distanze fino a migliaia di metri per l’imaging a bassa risoluzione. Ad es. il veicolo subacqueo autonomo Bluefin-21 (AUV), utilizzato nella ricerca dell’aereo di linea malese perduto, MH370, utilizzava la tecnologia acustica per mappare il fondo del mare e per integrare i suoi sensori di navigazione inerziale.

Il sistema USBL (Ultra Short Base-Line) è un metodo di posizionamento acustico subacqueo utilizzato per i droni sottomarini, ed emette segnali acustici regolari da un faro sospeso appena sotto la superficie dell’acqua. Questo viene quindi utilizzato per determinare la posizione del drone (dotato di un trasponder) rispetto al faro. La distanza fra il ricetrasmettitore-faro ed il drone viene calcolata dai diversi tempi, mentre l’angolo viene determinato con una piccola serie di trasduttori.

In pratica, un impulso acustico viene trasmesso dal ricetrasmettitore e rilevato dal transponder, che risponde con il proprio impulso acustico. Questo impulso di ritorno viene rilevato dal ricetrasmettitore di bordo. Il tempo dalla trasmissione dell’impulso acustico iniziale fino al rilevamento della risposta viene misurato dal sistema USBL e convertito in un intervallo. La testa del ricetrasmettitore (e a volte anche il drone) hanno tre o più trasduttori separati da una linea di base di 10 cm o meno.

Schema di un sistema USBL.

Un metodo chiamato “differenziazione di fase” all’interno di questo array di trasduttori viene utilizzato per calcolare la direzione verso il transponder sottomarino (o verso la nave: gli USBL più sofisticati possono prevedere anche configurazioni “invertite”, con il faro montato sul veicolo subacqueo autonomo e il transponder sul bersaglio). Un computer, o “unità superiore”, dotato di opportuno software viene utilizzato per calcolare una posizione dalle distanze e dagli angoli così determinati.

Dunque, oggi il veicolo sottomarino stesso può determinare la sua posizione basandosi solo sui segnali di uno stupido faro. In conclusione, sebbene i droni sottomarini manchino delle tecnologie di comunicazione e di navigazione che diamo per scontate, adattandosi al loro ambiente e sfruttando il potere del suono sono in grado di avere successo in un ambiente molto diverso da quello a cui siamo abituati, e senza avere un eccessivo impatto sull’alimentazione e sulla riproduzione degli animali sottomarini.

Come realizzare il telaio e la propulsione di un ROV

Questo tutorial ti mostrerà a grandi linee il processo di costruzione di un ROV controllato via cavo in grado di raggiungere una profondità di 15 metri o più. Puoi creare questo ROV da solo o con l’aiuto di altre persone che hanno già realizzato ROV. Per ulteriori informazioni, puoi consultare il sito Homebuilt ROV, che ha numerosi progetti di ROV e collegamenti ad altri siti web di ROV. Ho trovato questo sito prezioso per costruire un ROV e lo consiglierei a chiunque sia interessato a costruirne uno proprio.

Al fine di mantenere stabile il ROV nell’acqua, è necessario un design che sia più pesante sul fondo e abbia dei galleggianti sulla parte superiore. Per il tuo ROV una semplice possibilità è optare per un grande tubo centrale con due tubi più piccoli situati su entrambi i lati, leggermente sotto il tubo centrale. In questo modo, puoi realizzare un semplice telaio per il ROV. Puoi usare tubi in ABS, comunemente usati per le acque reflue e reperibili a una cifra modesta insieme ai relativi tappi.

Vari possibili tipi di telaio per un veicolo subacqueo fai-da-te.

Prima di tutto, devi decidere la lunghezza dello scafo o tubo principale (se presente). Non dovrebbe essere né troppo piccolo (potresti non avere spazio per inserire l’elettronica e la batteria all’interno) né eccessivamente alto (dovrai aggiungere molto peso affinché il ROV possa affondare). Ti sarà utile inoltre un telaio interno al tubo principale appositamente progettato per collegare insieme i componenti elettronici e impedire lo scivolamento della batteria quando si sposta il ROV.

Quando si uniscono questi tubi, utilizzare (più volte) la colla solvente appositamente creata per incollare l’ABS. Il normale cemento per PVC non funzionerà, oppure creerà un legame scadente che potrebbe non garantire la sigillatura. Usa anche un sigillante marino per sigillare le parti (ad es. quelle in plastica o in plexiglass) con cui proteggere batterie e componenti elettronici e prevenire l’ingresso di acqua. Avrai inoltre bisogno di avvolgere i fili in nastro di teflon per renderli impermeabili.

Una delle caratteristiche più importanti di un ROV è il movimento. La maggior parte delle persone che realizzano un ROV fai-da-te usano le pompe di sentina marine come mezzo di spinta. Tali pompe hanno molti vantaggi. Sono progettate per essere sommerse, sono abbastanza potenti e sono facili da aggiungere a un ROV esistente. Molti le usano nella loro configurazione normale, ma è possibile usare delle eliche per aumentare la spinta. A riguardo, potete seguire le istruzioni sul sito Homebuilt ROV.

Il possibile collegamento fai-da-te di un’elica a un motore.

Nelle sezioni How To, il sito in questione fornisce le istruzioni su come convertire una pompa di sentina per usare un puntello. Le eliche, invece, sono abbastanza facilmente reperibili online. In pratica, potete usare 4 pompe di sentina “Rule 1100 GPH” (con alimentazione elettrica a 12 V): 2 per l’avanzamento, l’andare indietro e la rotazione e 2 per il muoversi verso l’alto e verso il basso. Tali pompe possono essere facilmente acquistate online con una spesa di circa 50 euro cadauna.

Taglia tutto l’alloggiamento bianco della pompa di sentina, ma fai attenzione a non tagliare l’alloggiamento rosso del motore. Utilizza un cacciavite per sollevare la girante, la parte blu, per esporre l’albero del motore. Usa un adattatore per elica per aeroplano per fissare l’elica all’albero. Ha una vite di fermo e basta appena stringere il dado contro il mozzo filettato sull’elica per bloccarlo in posizione. Può essere necessario del lavoro aggiuntivo per bloccare e sigillare insieme le due parti.

Sistemi di bordo utili: videocamera, luci, energia

Ovviamente hai bisogno di una videocamera per poter vedere cosa sta succedendo sott’acqua, giusto? Esistono diversi modi per dotare di una videocamera il proprio drone subacqueo. Se hai intenzione di andare abbastanza in profondità, una videocamera a infrarossi in bianco e nero sarebbe una buona scelta. Per acque poco profonde, invece, una videocamera a colori funziona altrettanto bene, inoltre mostra più dettagli. Se vuoi davvero una buona qualità, scegli una videocamera subacquea dedicata.

Questi ultimi costano un po’ di più, ma non devi preoccuparti di dotarli di un involucro e spesso passano automaticamente alla visione notturna con illuminazione IR integrata quando non c’è abbastanza luce. Puoi andare a risparmiare molto con una videocamera a colori da 30 euro di Spark Fun. Ha un’uscita RCA che puoi collegare al tuo computer. La scheda PC si collega alla videocamera tramite RCA e ha anche un programma per visualizzare e acquisire gli spezzoni video delle tue riprese.

La videocamera con uscita RCA collocata in uno dei tubi del drone. Puoi trovare diversi modelli di queste telecamere online, ad es. qui.

In alternativa, puoi utilizzare una webcam per la visualizzazione live e una GoPro per registrare. Puoi progettare un alloggiamento per videocamera rotondo: ad es. un pezzo di tubo che possa adattarsi alla tua cam e alle luci. Una volta assemblata la parte, devi impermeabilizzarla più volte. Il modo migliore per avere il compartimento impermeabile e accessibile tutto il tempo è quello di avere a un’estremità un tappo a vite e all’altra estremità del plexiglass. Sigilla poi con il silicone il foro dove passano i cavi.

Per le riprese subacquee hai bisogno di alcune luci abbastanza luminose e anche efficienti. I LED garantiscono esattamente questo e ne puoi trovati diversi online, ad es. qui. Puoi usare due LED da 3 watt (sono accecanti) o un paio di torce a led. I primi scaldano molto, quindi usa un dissipatore di calore per prolungare la loro vita. Spark Fun vende una scheda breakout in alluminio che ha punti di saldatura per filo e funge anche da dissipatore di calore. Hanno anche LED di diversi colori.

Come inserire una lampadina a led nel tubo laterale superiore.

Puoi inserire un LED (o una torcia) in ciascuno dei due tubi laterali superiori. Per facilitare il cambio, puoi imbullonarli su un supporto di alluminio in modo che possano essere regolati o sostituiti. Mentre i led assorbono relativamente poca energia, i propulsori assorbiranno molta corrente. Pertanto, anche per ridurre il numero di cavi che vanno in superficie, è opportuno dotare il ROV di batterie (ad esempio due batterie da 12 volt e 2,5 Ah), così da renderlo più indipendente.

A causa della corrente assorbita dai propulsori, potrebbe essere necessario (o comunque opportuno per fornire potenza aggiuntiva ai propulsori qualora necessario) incorporare un circuito di ricarica per mantenere le batterie ricaricate, così quando la corrente non viene usata dai motori va a ricaricare le batterie. Puoi trovare facilmente online dei circuiti di ricarica per batterie da 12 V. Le batterie saranno trasportate nei due tubi laterali del telaio e aggiungeranno il peso necessario al ROV.

Una possibile batteria per il drone sottomarino.

Gli apparati di navigazione e controllo del veicolo

Per determinare la direzione verso cui è rivolto il ROV, si può usare una bussola elettronica. Quella mostrata in figura è una bussola elettronica Dinsmore 1490. Puoi usare lo schema in figura per creare una rappresentazione visiva della direzione con i led. Questa bussola non ha il Nord, ma basta selezionare una direzione come nord, dopodiché il gioco è fatto. È anche molto sensibile ai campi magnetici (quindi non collocare i motori o dei magneti vicino) e all’inclinazione: se è di alcuni gradi, va in tilt.

In questo caso, quattro fili andranno in superficie e si interfacciano con il computer per mostrarmi in quale direzione sono rivolto. Se voglio mantenere le cose semplici, potrei semplicemente usare i LED. L’ideale sarebbe usare una bussola con compensazione dell’inclinazione (e magari meno sensibile all’interferenza magnetica rispetto al campo magnetico terrestre), altrimenti potreste essere incapaci di mantenere una rotta costante. È sicuramente il top di gamma, ma ha anche un prezzo molto più alto.

Una bussola elettronica (a sinistra, componente bianco al centro) e il circuito a led, citato nel testo, che rende visibile in quale direzione il ROV è rivolto (a destra). Puoi trovare vari moduli di bussola elettronica già pronti qui.

Il controllo del ROV è probabilmente la parte più difficile dell’intero processo di costruzione. Ho visto numerosi approcci diversi al controllo del ROV. Alcuni utilizzano un microcontrollore, che è davvero il modo migliore per risolvere il problema. Infatti, ha il pieno controllo analogico di tutti i motori ed i dati ci vengono  trasmessi tramite un cavo Ethernet Cat 5e lungo 30 m. Tuttavia, a meno che tu non voglia programmare un microcontrollore (ad es. Arduino), questo non è il sistema più facile da attuare.

L’ideale sarebbe quindi di realizzare 4 semplici controller di velocità che potete usare per il controllo della spinta. In alternativa, è possibile utilizzare dei relè per accendere e spegnere i motori. Questo approccio non è buono come il controllo della completa gamma di spinta, ma è molto più semplice e diretto. In Homebuilt ROV, viene mostrato come usare i relè per controllare un ROV come Seafox e potete trovare una buona guida per assemblare un numero qualsiasi di motori controllati da relè.

Il drone subacqueo illustrato nel testo è pronto per il collaudo.

Ora entriamo nella questione più difficile del pilotaggio.  La maggior parte dei dilettanti usano un laptop per controllare il loro ROV, usando invece una tastiera o un joystick per spostare il ROV. Ciò è fantastico perché tutto ciò di cui hai bisogno è il ROV, il cavo di controllo e il tuo laptop. Se volete avere il pieno controllo analogico del ROV senza l’uso di un microcontrollore, potete utilizzare semplicemente i cosiddetti “Electronic Speed Controls” (ESC), o controller elettronici di velocità.

Questi dovrebbero essere familiari a tutti coloro che hanno un modello di aereo o di auto radiocomandato. Si tratta di un circuito elettronico usato per modificare la velocità di un motore elettrico, il suo percorso e anche per funzionare come un freno dinamico. Un ESC può essere un’unità separata collegata al canale di controllo del ricevitore o presente nel ricevitore stesso, come nella maggior parte dei veicoli R/C di tipo giocattolo. Così, potete controllare il drone subacqueo con un telecomando a joystick.

Un esempio di telecomando a joystick utilizzabile per pilotare il drone subacqueo.

La funzione di base dell’ESC è quella di modificare la quantità di energia del motore elettrico fornita dalla batteria del velivolo o altro radiomodello in base alla posizione della leva dell’acceleratore. La considerazione significativa numero uno da tenere a mente è quella di abbinare il controllo elettronico della velocità al tipo di motore utilizzato. Assicurati di acquistare l’ESC corretto per il motore impiegato – ESC per motore a spazzole (2 fili) o ESC per motore senza spazzole (a 3 fili) – e mai viceversa.

Esistono, infatti, due tipi di regolatori di velocità elettronici basati: ESC “brushed” (per motore a spazzole) e ECS “brushless” (per motore senza spazzole). Il primo esiste da diversi anni, ed è molto economico da usare in vari veicoli elettrici radiocomandati. Il secondo rappresenta il moderno progresso tecnologico nel settore. È anche un po’ più costoso. Collegato a un motore brushless, offre più potenza e prestazioni più elevate rispetto a quelli a spazzole. Può anche durare per un periodo di tempo più lungo.

Gli ESC vengono oggi spesso utilizzati per motori brushless alimentati a bassa tensione con energia elettrica trifase prodotta elettronicamente per il motore. Il controllo elettronico della velocità avrà 3 serie di fili. Un filo si collegherà alla batteria principale del modello da radiocomandare. Il secondo filo avrà un tipico filo servo che si collega al canale dell’acceleratore del ricevitore. E infine, un terzo del filo viene utilizzato per alimentare il motore. In tal modo, si può regolare la velocità del motore.

Un esempio di controllo elettronico della velocità. Ne trovi vari qui.

Infine, per collegare il ROV al controller, puoi usare 30 metri di cavo Ethernet Cat 5e. Ha 8 fili, che si adattano quindi ai vostri piani. Dovrete aggiungere dei galleggianti al cavo, perché probabilmente affonderà a causa del suo peso. Il connettore che potete usare è un connettore Ethernet tipo il Bulgin Buccaneer. Esso semplifica il trasporto del ROV, separando il cavo e il robot. Bulgin verifica accuratamente il suo connettore, che è valutato resistere a 10 metri per 2 settimane ed a 60 metri per alcuni giorni.

Il test in acqua del ROV e la sua equilibratura

A questo punto non vi resta che testare il ROV. La prima volta, vi conviene farlo in una piscina. All’inizio, il ROV potrebbe essere troppo “vivace”. In tal caso, potete aggiungere dei pesi di piombo (acquistabili ad es. in un negozio di caccia e pesca) per aggiungere peso alle slitte. Il piombo consente anche di regolare la zavorra con un ragionevole grado di precisione nel caso in cui doveste cambiare il peso sul posto. La zavorra totale richiesta potrebbe essere qualcosa tipo 3-4 kg: un bel carico!

Se immergi il tuo ROV in questa fase del progetto, osserverai un significativo squilibrio del veicolo: il motivo principale è la posizione della batteria. Inoltre, il ROV può affondare o galleggiare, a seconda della sua massa e del volume totale. Qui è dove i “piedi” di cui è dotato entrano in scena. Poiché sono completamente a tenuta stagna, è possibile riempirli con qualcosa di pesante o, al contrario, lasciarli vuoti per correggere l’orientamento e l’assetto in acqua del ROV.

Test casalingo di un drone subacqueo in una vasca da bagno.

Per aggiungere peso, in generale è possibile utilizzare sabbia, ghiaia o persino barre di metallo. In quest’ultimo caso, assicurati che non si muovano mentre il ROV accelera o cambia direzione, poiché cambierà la ripartizione del carico durante l’immersione, che può essere drammatica per la navigazione. Puoi anche aggiungere un tubo vuoto aggiuntivo sul retro dello scafo per compensare il peso della batteria o aggiungere peso all’interno dello scafo, attorno al telaio interno.

Il ROV è bilanciato quando sono soddisfatte le due seguenti condizioni: non affonda né galleggia nell’acqua, ma rimane nella posizione in cui lo lasci, ed il suo orientamento è corretto. Se regoli il carico in acqua dolce, sappi che, se lo userai nell’acqua di mare, dovrai aggiungere un po’ di carico poiché la presenza di sale nell’acqua aumenta la sua densità. Inoltre, se hai intenzione di usare il drone subacqueo in acqua salata, non sarebbe una cattiva idea risciacquarlo in seguito per ridurre la corrosione.