Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4374
Main Title: Entwicklung und Aufbau eines aktiven Trimmsystems für autonome Unterwasserfahrzeuge
Translated Title: Development and design of an active trim system for autonomous underwater vehicles
Author(s): Schmidt, Tino
Advisor(s): Lehr, Heinz
Referee(s): Lehr, Heinz
Meyer, Henning
Lück, Martin
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die steigende Nachfrage nach tiefseefähigen Unterwasserfahrzeugen wie ROVs und AUVs lässt sich auf den wachsenden Rohstoffbedarf der Menschen zurückführen. Mit zunehmender Tauchtiefe erhöht sich die Dichte des Meerwassers aufgrund des hydrostatischen Drucks der Wassersäule. Gleichzeitig erzeugt die Druckzunahme in der Tiefe eine Volumenabnahme kompressibler Fahrzeugmaterialien. Dies ist besonders bei heutigen Unterwasserfahrzeugen zu beachten, da diese geflutet sind, so dass der Umgebungsdruck auf jede Einzelkomponente wirkt. Insgesamt vergrößert sich die Auftriebskraft des Fahrzeugs, wobei die Gewichtskraft nahezu konstant bleibt, so dass sich der Auftriebstrimm mit der Tauchtiefe ändert. Die vorliegende Dissertation beschreibt die Entwicklung eines aktiven Trimmsystems, das sich in der Tiefsee zur Auftriebs- und Lagetrimmung des AUVs PreToS einsetzen lässt. Es besteht aus zwei baugleichen ölgepumpten Systemen, von denen sich eines im Bug und eines im Heck der PreToS befindet. Durch die Nutzung verschiedener Einsatzarten lässt sich sowohl die Auftriebskraft des AUVs einstellen als auch der Nickwinkel des Fahrzeugs verändern. Zum Ändern des Systemvolumens, und damit der erzeugten Auftriebskraft, lässt sich das Hydraulikfluid zwischen Druckkörper und flexiblem Behälter verschieben. Dabei bleibt die Systemmasse konstant und das verdrängte Volumen variiert. Die Verschiebung des Hydraulikfluids erfolgt mit einer Hochdruckpumpe und dem auf Tiefseebedingungen umgestalteten Hochdruckventil. Die Überwachung des Fluidtransports gelingt mit zwei neu entwickelten druckneutralen Sensoren, dem Durchflusssensor und dem Füllstandssensor. Die für das Trimmsystem eingesetzten Einzelkomponenten wurden im Drucktank des Fachgebiets Mikrotechnik der Technischen Universität Berlin einer Tauglichkeitsprüfung für den Tiefseeeinsatz unterzogen. Nachdem das Versuchsmuster des aktiven Trimmsystems aufgebaut war, erfolgten Erprobungen in einem Geräteträger in der Ostsee und im Atlantik. Anschließend wurden zwei Trimmsysteme in das AUV PreToS integriert und in der Schlepprinne der Technischen Universität Berlin sowie in der Ostsee getestet. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass ein aktives Trimmsystem für alle Arten von tiefseefähigen Unterwasserfahrzeugen Vorteile bietet. Durch den Entfall aufwendiger Trimmprozesse nach dem Einbau oder Ausbau von Geräten lässt sich die begrenzte und teure Schiffszeit einsparen, da kein manueller Trimmvorgang notwendig ist. Weiterhin ermöglicht ein Trimmsystem für AUVs ein energiesparendes Ab- und Auftauchen, da die energieaufwendigen Hauptantriebe ausgeschaltet werden können. Zusätzlich muss kein Anteil des Schubs in die Vertikalbewegung des AUVs umgesetzt werden, da das Fahrzeug neutral getrimmt ist. Durch die Verwendung von Trimmsystemen sind so deutlich längere Einsatzzeiten für AUVs möglich.
The increasing demand of underwater vehicles for deep sea applications like ROVs and AUVs can be attributed to the growing request of resources by mankind. With an increasing diving depth, the density of the sea water increases due to the hydrostatic pressure of the water column. At the same time, the increasing pressure leads to a decrease in volume of the vehicle materials. This especially needs to be considered with recent AUVs since they are flooded and the ambient pressure effects every single component. Altogether, the buoyancy force of the vehicle increases, whereas the weight remains almost constant. As a consequence, the buoyancy trim changes with the diving depth. This dissertation describes the development of an active trim system which can be used in the deep sea to trim both buoyancy and position of the AUV PreToS. It consists of two oil-pumped systems which are identical in construction. One oil-pumped system is located in the fore, and the other one in the aft of the PreToS. Through the use of different applications, both buoyancy force and pitch angle of the AUV can be changed. To change the volume of the system, and therefore the generated buoyancy force, the hydraulic fluid can be shifted between pressure hull and flexible container. During this process, the mass of the system remains constant and the displaced volume varies. The displacement of the hydraulic fluid can be accredited to a high pressure pump and to a high pressure valve, adapted to deep sea conditions. Besides, the monitoring of the fluid movement with two newly-developed pressure tolerant sensors was successful using the low rate sensor and liquid level sensor. Single components deployed in the trim system underwent a suitability test for deep sea usage in the pressure tank of the Department of Electromechanical and Optical Systems of the Technical University Berlin. After successfully establishing a prototype of an active trim system, experiments in a steel frame in the Baltic Sea and the Atlantic Ocean were carried out. Afterwards, two trim systems were integrated into the AUV PreToS and tested in the water tank of the Technical University Berlin and in the Baltic Sea. The results of these tests show that an active trim system has advantages for different kinds of deep sea compatible underwater vehicles. Through the lack of complex and manual trim processes after the integration and removal of scientific devices, expensive research time on survey vessels can be saved. Furthermore, a trim system allows an energy saving descending and emerging since the energy extensive main propulsion can be switched off. Moreover, no part of the thrust needs to be transferred into the vertical movement of the AUV since the vehicle has a neutral trim. Through the use of trim systems, the operating time of AUVs can increase significantly.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-63938
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4671
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4374
Exam Date: 13-Feb-2015
Issue Date: 9-Mar-2015
Date Available: 9-Mar-2015
DDC Class: 623 Militär- und Schiffstechnik
Subject(s): Auftriebssystem
Trimmsystem
Unterwasserfahrzeug
Buoyancy system
Trim system
Underwater vehicle
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