Embedded System for Underwater Data Acquisition

Abstract

En små-skala oppdrftsaktuator, designet for a holde en gitt dybde mellom 0 og 50 meter, har potensial til å bli et nyttig verktøy med bruksområde relatert til kart- legging av undervannsstrømmer og innsamling av data. Ut fra en gjennomført bruksanalyse er det laget en spesifikasjonsliste som danner grunnlag for design kriterier for et nytt innvevd sensor- og styringssystem. Mål for projektet er å de- signe og implementere et system som tilfredsstiller de definerte brukskriteriene.

Det implementerte systemet inneholder en PID kontroll algoritme og grenses- nitt for motor styring; SD minnekort og larging av datalogg; Trådløs Bluetooth grensesnitt, for å overføre datalogg filer og å konfiguere fartøyet; og, sensorer brukt for å operere fartøyet og samle data. Systemet er implementert som et tilpasset kretskort, ulike sensormoduler, programvare/fastvare, og nødvendige mekaniske modifikasjoner. Sensorer som ikke er nødvendig for fartøyets sent- rale funksjoner er ikke konfiguert. Sensorene er derimot koblet til og gjort klar for å konfigueres på et senere tidspunkt. En terminal-applikasjon er utviklet som grensesnitt mot fartøyet for datamaskiner med Bluetooth Low Energy.

Fartøyet er testet på land, i ferskvann, og knapt i saltvann. hovedfunksjoner er testet og verifisert; først i omgivelser uten vann, og deretter i et ferskvannsbas- seng. Et ferskvann er vurdert passende for å stille inn PID regulatoren, hvor PID koeffisienter er funnet med systemrespons som gjør at fartøyet holder den gitte dybden. Fartøyet er testet i saltvann med koeffisientverdiene funnet i ferskvann, der systemresponsen viser seg å være annerledes og ikke egnet for operasjonell bruk. Videre test er nødvendig for å oppnå brukbar systemrespons for saltvann.

Egenskaper for trådløs luft-vann grensesnitt er undersøkt ved å teste to ulike antennekonfigurasjoner i fersk- og saltvann. Det er funnet at en FlexPIFA antenne gir bedre resultat enn en keramisk chip monopol antenne; der stabil forbindelse er opprettholdt for dybder ned til 10 cm i ferskvann, og 5 cm i saltvann.

A small-scale buoyancy vehicle, designed to maintain a target depth between 0 and 50 meters, has potential to become a useful tool with applications related to underwater current tracking and data acquisition. A list of specifications are obtained through a use case analysis that form the design criteria for a new em- bedded sensor- and control system. The goal of this project is to design and im- plement a system that satisfy the use case requirements.

The implemented system include a PID control algorithm and interfacing to motor controller; SD card and data logging; wireless Bluetooth interfacing, to transfer log data and set vehicle configurations; and various sensors for vehicle control and data acquisition. The system is implemented in the form of a custom designed PCB, sensor modules, firmware, and various mechanical modifications. Sensors not critical for the vehicle’s core functionality are not configured, instead they are installed and ready to be configured at a later stage. A terminal application is developed to interface the vehicle with a Bluetooth Low Energy enabled computer.

The vehicle is tested on land, in fresh water, and briefly in salt water. The core functionality is tested and verified; first in dry conditions, then in a freshwater tank. A freshwater lake is found suitable for PID tuning, where a set of PID coeffi- cients are found with a system response that enable the vehicle to maintain target depth. The vehicle is tested in salt water with the same coefficient values found in the freshwater lake, where system response is different and not suitable for oper- ation. Further testing is needed to obtain suitable system response in salt water.

Wireless air-water interface properties are investigated and tested with two an- tenna configurations in fresh- and salt water. A FlexPIFA is found superior to a ceramic chip monopole antenna, where reliable connection is maintained for depths down to 10 cm in fresh water and 5 cm in salt water.