SOUS MARINS RC

Les petits circuits sont des récepteurs FM 3 voies:
moteur + 2 servos magnétiques
Le fil connecté au Rx sert à mesurer l'impédance pour une antenne courte.
Portée entre 50 (indoor bruité) et 300 m
La torpille sera pilotée depuis l’émetteur avec 2 voies libres.
La dérive de direction est libre et deux petits aimants sont incrustés dedans.
Le fil est noyé dans la résine et relié à au récepteur combo contrôleur de servos magnétiques (D,P,Moteur)
tout proportionnel. Quand il envoie du courant pulsé dans la bobine cela crée un champ magnétique dans l’axe de l’hélice
ou a contre sens. Les aimants de la dérive vont s’aligner sur ce champ, provoquant la rotation de la dérive.
La pression est proportionnelle au PWM.
La torpille sera dirigeable de façon précise vers sa cible et le contrôle moteur permet de la démarrer, de l’arrêter ou de la faire revenir.

Une antenne patch raccourcie a été simulée.
Après calcul du gain de l'antenne et de la compression de gain sur le circuit d'accord d’impédance on obtient
environ -20 dBi de gain total réalisé, perte de 3 dB sur l'interface air/eau comprise.
Cela donnera environ 50m de portée en indoor, avec une sensibilité du Rx de -99 db et 30 dB de bruit retranchés.
L'accord à 72.45 Mhz est réalisé par deux inductances série HF Murata à 2% et un condensateur en parallèle, impédances mesurées sur le circuit avec un analyseur de réseaux (VNA).
Le signal PPM de sortie est injecté dans un microcontrôleur Silicon Labs C8051F300 qui va gérer l'activation de la torpille, le contrôle moteur et direction.

CNC
Le dessin du circuit double face: sur Proteus Ares.
Des fichiers Gerber et Excellion sont générés.
Le routage des piste est généré par le logiciel FlatCam.
9 fichiers regroupés en 3 outils (aiguille en V D = 0.127mm , fraise carbure 0.8mm 2 dents, foret 0.5mm)
Le code est GRBL 1.1 compatible Arduino
Les fichiers sont regroupés en 3, un par outil.
La gravure sur époxy FR4 0.8mm 35 microns Cu nécessite un autolevelling sur l'axe Z.
Celui ci est effectué par le logiciel bCNC avant lancement de chaque tache et les petites différences de hauteur
sont retranchées au Gcode avant exécution.
perçage -> gravure piste -0.1mm -> nettoyage cuivre -0.1mm -> routage coutours -0.95mm laissant 4 picots de fixation.
Les 2 circuits (top et bottom en mirror) sont ensuite détachés et collés à l'epoxy, alignés sur les vias pour une carte finale de 1.5 mm.

Après test à l'eau plusieurs problèmes sont apparus:
1) le gain calculé de l'antenne n'était que de 3% en 72 MHz
La perte à l’interface air/eau est plus que ce que j'avais estimé, possiblement 8-10 dB
La liaison radio est donc instable en surface et rapidement perdue sous l'eau.
2) le couple du moteur pager 10 ohms 12 mm en direct est insuffisant et l'hélice cale à mi puissance
3) avec un moteur plus puissant la torpille va tourner sur l'axe longitudinal et la direction sera inopérante

Quelques points positifs cependant:
- le servo magnétique fait bien tourner la torpille
- celle ci placé dans un tube gainé téflon avec des trou pour prévenir l'effet ventouse s'éjecte bien au
moteur à mi puissance

Il faut donc pour la version 2 abandonner le 72 mhz et on n'échappe pas à l'hélice contra rotative.
Voici donc la nouvelle torpille.
Le moteur est un moteur de drone 6mm OD L=15mm que vous utilisez déjà.
J'ai usiné une pièce d'adaptation pour un réducteur planétaire 1/5
L'ensemble est entièrement démontable
Le boîtier en PLA est imprimé à 20% et une partie des pièces peut être en alu ou carbone,
voire paliers en tube Téflon si l'arrière était trop lourd.
Les pièces PLA sont rectifiées au tour

Nouvelle RADIO et SOFTWARE
La première image montre la propagation HF dans l'eau:
La perte à 433 MHz est acceptable par contre l'antenne ne fera que 2.6 cm
Il existe une puce Silicon Labs 433 Mhz Si446x très performante et un circuit construit autour: le HC-12
Tout cela passe dans une torpille de 15.2mm de diamètre et 16 cm de long.
Ce circuit a été testé à 1.8 km de portée, puissance réglée à 10 mW antenne d'origine 0 dBi debit 9600 bauds
La puissance peut monter à 100 mW par software et il existe des antennes +1.9 dBi pour le Rx et +3.3 pour le Tx
(l'antenne de la V1 72 mHz ne faisait que -13 dBi )

2 km range test (DIY TECH BROS):
https://www.youtube.com/watch?v=awOPJK5He28

test sous marin HC12 433 mhz en lac
https://www.youtube.com/watch?v=oLuW4o6 ... e=youtu.be

piscine plongée 1.5m en 433 mhz
https://www.youtube.com/watch?v=T84hvI7wjPE
https://www.youtube.com/watch?v=oLuW4o6 ... e=youtu.be

J'ai du réécrire le software pour l’adapter à nos émetteur, branchement sur la prise écolage, Tx-Rx 9600 bauds
Pour la réception idem; il ne faut pas utiliser le programme (librairie arduino) donné avec le HC12 sous peine d'voir un débit
de données lent et incertain
Les registres de l'ATmega on été reprogrammés pour une synchro avec le PPM à 22.5 ms
Portable sur UNO aussi
Cela étend notre nombre de canaux à 20 30 40 si besoin donc gestion des canons, lumières etc
et en full duplex c'est à dire retour de données vers le Tx possible par exemple profondeur ou présence d'eau
Pour la torpille la version arduino est portée sur un C8051F300 pour liaison avec le HC-12

LE MONTAGE
Devis de poids et coefficient de friction CONTRAINTES MECANIQUES

- L'accu doit fournir suffisamment de puissance pour une tension stable avec une vitesse de propulsion suffisante
Pour s'en assurer il faut mesurer la consommation hélice dans l'eau par exemple 800 mA/3.7V
On utilise une alimentation stabilisée de laboratoire avec Voltage et Intensité réglables (V= constante et Imax)
Ensuite, accu chargé, faire une courbe de décharge Y=volts X = temps
On utilisera une résistance de décharge R = 3.7/I
avec I = intensité mesurée du moteur dans l'eau à 3.7V
La courbe doit maintenir un plateau stable et suffisamment long à la tension nominale (3.7V) d'une lipo.
Si la tension s'effondre rapidement l'accu est en surcharge. Cela provoquera des erreurs dans le circuit radio et des reset du microcontrôleur.

- On ne peux placer aucune masse métallique ou accu sous l'antenne. Cela provoquerait (si accu) une résonance proche de celle d'une petite lipo
(environ 60 mHz mesuré au VNA), une modification de l'impédance et une perte d'accord du circuit d'antenne.
On placera donc un bac imprimé 3D avec du sable de quartz dedans.
L'accu relié à la masse et placé sous le plan de masse du circuit ne modifie pas l'impédance de l'antenne mais augmente son gain
(mesuré au VNA)

- La poussée d'Archimède doit rester supérieur au poids total et l’arrière ne doit pas couler
voir figure ci dessus pour les combinaisons possibles
L'arrière sera en ABS imprimé à 20% nid d'abeille hauteur de couche 0.12mm vitesse 20 mm/s
tube alu 2.38mm pour l'arbre rotatif axe inox 1mm pour l'arbre contrarotatif paliers téflon

- Éliminer au maximum les frottements de transmission:
j'ai mesuré un rendement réduit de moitié avec une transmission mal conçue, avec augmentation de I et chute de Vlipo
voir figure ci dessus les coefficients de frottement
acier imprégné avec de la graisse sèche PTFE (Téflon) en Spray donne un coefficient de frottement statique
63 fois plus faible que notre traditionnel acier/palier-laiton graissé !
Les paliers d'axe seront donc en tube PTFE haute température et graissage au spray PTFE WD-40
Cependant après impression et test les paliers PTFE niveau axes/boite ABS ne fonctionnent pas bien.
Je les ai remplacés par des roulements beaucoup plus précis car le PTFE se déforme et ne peut pas être collé.


CONTRAINTES ELECTROMAGNETIQUES
documents de référence
https://www.researchgate.net/publicatio ... resh_Water
https://www.researchgate.net/figure/Att ... _260850687
https://www.robkalmeijer.nl/techniek/el ... index.html
Il s'agit d'étudier comment se propage l'onde radio fréquence (RF wave)
On distingue la perte en transmission, c'est à dire au passage de l'interface air/eau
et la perte en propagation, c'est à dire sous l'eau.
Les 2 premiers documents utilisent le modèle Debye qui est un modèle complexe, le troisième un autre mode de calcul qui n'est pas décrit.
Pour ce dernier on aurait 88 dB de perte totale en 433 Mhz et 46 dB en 41 c'est à dire pas de signal
Or nous naviguons bien en 41 sous l'eau et le 433 marche aussi.
Nous allons donc nous intéresser aux deux premiers.
Vous voyez que la propagation à 433 mhz en eau de ville ou de lac est entre 16 et 18 dB/m soit inférieure à 2 dB quand la torpille
affleure la surface (<= 10cm) soit pas plus de 6 dB de perte en ajoutant l'interface air eau.
Et surtout, et là c'est vraiment notre chance, la longueur d'onde à 433 Mhz dans l'air et dans l'eau ne change que de 5%
A 41 mhz le 1/4 d'onde = 1.8 m dans l'air et 4 fois moins dans l'eau. L'accord de nos récepteurs calculé dans l'air est donc faux sous l'eau.
Le second document explique comment faire la mesure sous l'eau avec un VNA en 433 Mhz et vous voyez que les points de résonance air et eau sont très proches.
(En corrigeant l'accord de la version 72 et avec une antenne de même taille j'ai calculé plus de 32% de rendement antenne dans l'eau au lieu des 3% actuels.)


La combinaison retenue avec pignons coniques laiton ou couronne nylon.
Le nylon est vraiment plus léger, le module 0.5 laisse plus de marge que le 0.2 et nous n'avons qu'un axe de réglage:
monter/descendre la couronne au lieu de 3 avec les pignons coniques.
Par contre nous avons peu de hauteur disponible sous la couronne et elle doit être bien horizontale.
L'idéal serait le module 0.4 mais introuvable en petite couronne nylon ou POM.
J'ai commandé du matériel pour taille de pignons/couronne M0.4 sur mesure, ce sera un autre thread; pour le moment test avec le M0.5

Pour la suite, un petit tour précis est indispensable ainsi qu'un jeu d'alésoirs, des équarrissoirs d'horlogerie et un jeu de limes de formes diverses.
Le montage est difficile sans le tour, c'est de la micro mécanique d'horlogerie. L'impression 3D est imprécise sur la taille des trous et
sur les diamètres extérieurs. Il faudra rectifier les axes et surfaces externes.
PLA et ABS se tournent bien à la main ou à vitesse lente mais se brident mal.
Il va falloir fabriquer des pièces de bridage en particulier pour tailler en biseau la pointe de l'axe du moteur de 75/100 à 47/100mm
pour engagement de celui-ci dans le réducteur planétaire
Cependant après essai le montage avec de la version sur roulement est assez délicate
J'ai trouvé ce pignon kyosho dont la forme est idéale.
Un seul plan de support avec rondelle teflon et beaucoup plus de place sous la couronne.
Il est cependant coûteux et difficile à trouver et le trou central est difficile à réusiner car il est constitué d'un plastique qui s'éfritte. Voici donc une "customisation" du pignon C152A M0.5 pour reduction de la hauteur et suppression de la partie sous le plateau
La pièce d’adaptation a été usinée sur plaque POM 2mm et vissage vu qu'on ne peut pas coller le POM. réalésage coller le roulement à la cyano taille de l'axe des moteurs 6mm passe de 0.75mm à 0.47mm biseautage sur meule en carbure de Silicium
Bague de bridage de l'axe en laiton usinée trou 0.75mm

Le premier prototype 433 mHz est terminé et le bassin du jardin a été rempli.
Cependant au test d'équilibrage dans l'eau il y a 200 mg de flottant négatif sur l’arrière qui coule.
Si par contre on place 2g de plomb tout à l'avant la torpille est équilibrée, sauf que le plomb est interdit ou il faut refaire l'accord d'antenne.
Le métal placé prés de l'antenne augmente le gain mais change l'impédance et sur la tête HF il y a deux filtres en PI calculés par les ingénieurs (top level) de Silabs et je préfère ne pas trop toucher à cela. L'antenne spirale est une antenne "high Q" (haut facteur de qualité) cela signifie qu'elle a une bande de résonance étroite contrairement à une antenne fil. Cette propriété est utilisé pour faire les 100 canaux de la radio qui ne vont donc pas baver l'un sur l'autre et cela la protège du milieu bruité du 433 mHz (clés de voitures, portails etc.)
Donc je privilégie de plutôt ramener le CG vers l'avant. Pour cela le gros roulement 6mm de diamètre sera remplacé par un palier Teflon, l'axe 1mm en acier par du tube capillaire 1/0.75mm acier ou une tige en titane commandés mais pas encore reçus.
Surtout j'ai fabriqué un moule en polystyrène extrudé à la fraiseuse CNC pour refaire le bac d'équilibrage avant. J'ai mesuré le poids volumique du sable de quartz à 1.6g/cm3, plus lié à la résine époxy fluide. La pièce me permettra d'avoir trois grammes sous l'antenne sans trop modifier son impédance.
Enfin en dernier recours un petit tube en polystyrène de quelques mm peut être collé à l'arrière.




LES VIDEOS
test tout droit
100% puissance après réglage
https://youtu.be/lwJhXmxOSjs
70% puissance aprés réglage
https://youtu.be/9Pu2hfqX9s8
https://youtu.be/k4R6-TUDAg8

rotation basse vitesse (queue mal équilibrée, bulles d'air)
https://youtu.be/3xg1GJwoRyA
https://youtu.be/vPsSInrKydM

grand bassin fête de la marine Cannes
longue
https://www.youtube.com/watch?v=IlGAJr0OdNQ

courtes
https://www.youtube.com/watch?v=pZF_BPKKS84
https://www.youtube.com/watch?v=vHQ3vDcRdzw