قارب مراقبة رقمي بدون قبطان (الجزء 1)

 قارب مراقبة رقمي بدون قبطان (الجزء 1)

image001 

الهدف من المشروع هو تصميم ودراسة نموذج لقارب مراقبة يتم التحكم به لاسلكياً عن طريق الحاسوب من خلال تغيير سرعته واتجاهه، إضافة إلى التحكم بحركة كاميرا المراقبة الملحقة به. نبدأ في هذا الجزء بتقديم عام حول المشروع وكذا التطرق إلى التصميم الميكانيكي للقارب.


تقديم ملخص

المشروع هو مشروع فصلي مخصص للسنة الثالثة من قسم هندسة الميكاترونيك. نسعى من خلال هذا المشروع أن نحقق اساس لمشروع تخرج مميز في مجال تصنيع قارب مراقبة مع تطبيق نظام تحكم كامل بالسيطرة على  القارب من بعد مع امكانية ارسال بيانات استكشاف الى مركز المراقبة.

 

نرى أنه من المجدي أن تتبنى الشركات الخاصة أو أي جهة مهتمة مشروعاً أكاديمياً كهذا المشروع وبإشراف الخبرات الأكاديمية والصناعية والتجارية ليتم تعميم هذا النموذج الأولي وتصنيعه بمواصفات قياسية، وهذا سيعود بالنفع على جميع المشاركين بسبب عدم الحاجة لشراء النموذج بالسعر المرتفع كما هو الحال في العادة، من أجل ذلك فإن باب التواصل مفتوح من خلال وسائل الاتصال المذكورة لاحقاً.

 image002

 


محتويات الفصول

يقع التقرير في ستة فصول، كل فصل من الفصول يفتتح بمقدمة فيها مفاتيحه ويختتم بخاتمة فيها مضامينه. فيما يلي نورد الخطوط العريضة لموضوعات الفصول:

ü    الفصل 1: يتضمن مقدمة عن المشروع والهدف منه ومراحل العمل بحيث يصبح لدى القارئ فكرة كافية عن ماهية المشروع.

ü    الفصل 2: يتضمن لمحة عن البنية الأساسية للمشروع بكياناته المختلفة وتم التعريف بكل جزء وما هو التوجه العام لهذه الأجزاء.

ü    الفصل 3: عبارة عن شرح مفصل للتصميم الميكانيكي وتشكيل القارب.

ü    الفصل 4: عبارة عن شرح مفصل لتصميم الدارات الالكترونية ودارات التحكم.

ü    الفصل 5: عبارة عن شرح مفصل للجزء البرمجي من المشروع.

ü    الفصل 6: يتضمن مناقشة لكل ما ورد في المشروع وخاتمة تتضمن أهم الأفكار والمقترحات المستقبلية على المشروع.

 

هذا الجزء يتطرق إلى ثلاث فصول الأولى بينما ننهي الفصول الثلاث الأخيرة في الجزء الثاني من المشروع.

 

 


ملفات المشروع

 

قم بالضغط على الرابط التالي لتحميل جميع الملفات المخصصة لصنع الدارات الكهربائية:

 

تصاميم الدارات الكهربائية

 

المخططات التدفقية البرمجية

 


 


الفصل 1: مدخل إلى المشروع

 

1-1 تمهيد

 

تتسارع وتيرة التطور التكنولوجي في أنحاء العالم قاطبة ولا نزال نعـدو محاولين اللحاق بركب العلـم وإننا نشهد أن غراس المتفائلين تورق وتثمر رغم كلام المثبطين، ورغم الواقع المتردي الذي تعيشه المؤسسات الأكاديمية العربية على وجه العموم؛ فإننا نأمل أن تثمر جهودنا لتحويل الواقع والانتقال إلى مراحل أفضل في مضمار السباق التكنولوجي.

 

ومن يتتبع مجالات الهندسة التقنية يلاحظ أن هندسة الميكاترونيك هي فرع جديد من فروع الهندسة ولكن تعريف هندسة الميكاترونيك اختلف منذ نشأة هذا الفرع الهندسي حتى يومنا الحالي بسبب التقدم المستمر والمطرد فيتكنولوجيا المعلومات والاتصالات. ويجب العلم أن هندسة الميكاترونيك هي فرع قائم بحد ذاته وليست تابعة للهندسة الميكانيكية أو الهندسة الكهربائية، وقد تطور علم الميكاترونيك باطراد وبشكل مذهل منذ نشأته في اليابان في ستينات القرن الماضي.

 

وفي سوريا وبعد دخول فرع الميكاترونيك إلى كليات الهندسة في الجامعات السورية ظهر جلياً التفاعل الكبير من قبل الطلبة الجدد في هذا المجال الهندسي التطبيقي فشهدنا مشاركات عدة في معارض تقنية ومشاريع متميزة ساهمت في إثراء المحتوى الهندسي الأكاديمي السوري.

 

وفي السنتين الأوليين من دراستنا في الكلية فقد تعلمنا المبادئ الأساسية وبعض المواد التي تؤهلنا للقيام بمشاريع أولية.. وها نحن في السنة الثالثة بصدد تنفيذ أول مشروع تطبيقي فعلي.


يعتمد المشروع على فكرة التحكم بمتغيرات فيزيائية عن طريق منافذ الحاسب وبناء الدارات الالكترونية اللازمة لعملية التحكم واستخدام لغة برمجة معينة لتنفيذ المشروع، وكل هذا بحدود المعلومات التي تعلمناها في المرحلة السابقة وذلك لخلق التكافؤ والتنافس بين جميع الطلاب على اختلاف مستوياتهم.

 

 


1-2 التعريف بالمشروع

 

هناك من يتساءل، ما هو قارب مراقبة الشواطئ؟ أولاً تجدر الإشارة إلى أننا سعينا في المشروع لتجسيد الجوانب المتعددة في أنظمة الميكاترونيك بالحدود العلمية التي وصلنا لها في المرحلة الأكاديمية الجامعية؛ فعملنا على  تصميم الهياكل الحركية والأجزاء الميكانيكية اللازمة للمشروع.

 

إن المشروع هو عبارة عن قارب تم تصميمه لمهمة المراقبة في الأحواض المائية التي يمنع بها الصيد أو مناطق السباحة الخطرة، فمن خلال منظومة المراقبة والتحكم اللاسلكي يمكن للقارب التعويض عن العامل المتواجد في المكان والذي أصبح يجلس في غرفة تحكم بمساعدة القارب ويراقب الحالة من خلال نافذة العرض التي تتلقى بث الفيديو بشكل مباشر من البيئة المحيطة بالقارب بواسطة الكاميرا الملحقة بالقارب، واعتماداً على ما تبثه الكاميرا إلى غرفة التحكم يقوم بالتدخل عند الحاجة أو الحالات الخطرة.

 image003

 


1-3 مراحل الدراسة والعمل

 

1- أولاً اخترنا نواة فكرة المشروع بعد تفكير وتمحيص مسبق وحددنا الخطوط العريضة للفكرة.

 

2- مع بداية تحضيرنا للعمل بالمشروع قمنا بتحضير الأدوات اللازمة بالعمل واخترنا مكاناً مناسباً  للاجتماع والعمل.


كان المخبر الصغير الذي جهزناه كفيلاً إلى حد ما بتوفير الأدوات اللازمة وورشة العمل الحاضنة لجميع نشاطات واجتماعات المشروع المتتابعة. وهذه صورة للأدوات التي رتبناها بطريقة تؤمن أريحية نسبية في العمل:

 image004

الشكل (1-1) تجهيزات العمل

 

3- قمنا بعد ذلك بوضع النقاط الأساسية للمشروع من أجل التخطيط الأمثل للعمل وأخذ عامل الوقت بالحسبان إضافة إلى عامل الجودة في التصنيع وتحقيق متطلبات نجاح المشروع والتميز به.

 

4- بدأنا بوضع المخططات الصندوقية لمراحل المشروع المتعاقبة وتم تقسيم العمل في مخبرنا الصغير حسب مهارات كل عضو في الفريق بما يضمن سير العمل بالشكل الأكثر كفاءة.

 

5- جرت الكثير من عمليات البحث المتواصل خلال تصميم المشروع وتم تغيير عدة تصاميم حتى الوصول إلى التصميم الأفضل خلال الزمن المحدد والتقنيات المستخدمة.

 

6- تقييم الأداء خلال كامل فترة العمل على المشروع وبعد تنفيذ المشروع لتلافي الأخطاء في المشاريع القادمة والتعريج على كافة السلبيات والإيجابيات ونقاط الضعف والقوة التي ظهرت خلال عملنا كفريق في تنفيذ المشروع.

 


1-4 التحديات التي واجهت المشروع

 

من المعروف أن العمل لكي يسير نحو النجاح فلا بد له من مواجهة عقبات جمة وصعوبات مختلفة ولكن من الأهمية بمكان عدم الشعور بالإحباط ومواجهتها بحافز التحدي والإصرار.


إن من أولى التحديات التي واجهتنا هي عدم تمكننا من استخدام بعض التقنيات التي لو أتيح لنا استخدامها لوفرت علينا تصميم دارات متعددة لأداء غرض يمكن للمتحكمات الصغرية مثلاً أن تقوم به بسهولة ويسر أكبر وزمن اقل.

 

إن التحدي الأكبر الذي واجهنا هو ضخامة المشروع وتعدد الأفكار وأننا قمنا بتصميم مجمل المشروع بأنفسنا (في مخبرنا) ومن المعروف أن التصميم الميكانيكي يحتاج إلى وقت وتقنيات دقيقة ولكن تم التغلب على هذه المشاكل بامتياز.

 

إن نظام التحكم المبني في المشروع يعتمد على التحكم اللاسلكي ولاحظنا قلة توافر المرسلات والمستقبلات اللاسلكية الجيدة (اقتصر وجودها على الألعاب) ورأينا في السوق مرسل ومستقبل سريع يعرف بـ "RF Module" ولكن بسبب الحاجة إلى ربطه مع متحكم صغري (غير الـمسموح استخدامه) فقد تعذر تضمينه في نظام التحكم؛ تم التغلب على جميع هذه المشاكل والقيام بنفس الوظائف المخطط لها.

 

كان أيضاً من المشاكل الأساسية عدم توافر جميع المستلزمات والقطع الالكترونية في السوق وهذه السمة غالبة على الأسواق العربية خلال عمل هذا المشروع.

 

 


1-5 ميزات المشروع

 

نحن نحاول من خلال هذا المشروع أن نقدم نموذجاً جديداً في مشاريع الميكاترونيك يكون فيه كل شيء من تصميمنا وليس بمساعدة خبراء أو استقدام أجزاء أو تصاميم جاهزة ونرى أن هذا من شأنه دعم المحتوى الأكاديمي من المشاريع التطبيقية الطلابية.

 

سعينا إلى أن يكون هدف المشروع هو الأول من نوعه بين المشاريع المقدمة في السنة الثالثة من قسم الميكاترونيك وأن يكون مختلفاً عما سبق تقديمه في هذا المجال.

 

حاولنا أن نقدم نموذجاً جديداً من القوارب تشبه إلى حد ما "الطائرة بدون طيار" بحيث يكون القارب "قارب بدون ربان". ويمكن تطوير هذا القارب مستقبلياً ليندرج تحت مسمى القوارب الذكية. إذا مضينا قدماً في هذا المجال فإنه يفتح باباً واسعاً في مجالات المراقبة والتحكم والمجالات العسكرية التي هي السباقة في أي مجال تقني. بعد تنفيذ هذا المشروع سيصبح نواة لأي قارب سيجري العمل عليه لأغراض تكنولوجية أو تطويره ليدخل الصناعة المحلية ويُسوَّق للجهات التي تحتاجه.

 

نرى أنه من المجدي أن تتبنى الشركات الخاصة أو أي جهة مهتمة مشروعاً أكاديمياً كهذا المشروع وبإشراف الخبرات الأكاديمية والصناعية والتجارية ليتم تعميم هذا النموذج الأولي وتصنيعه بمواصفات قياسية، وهذا سيعود بالنفع على جميع المشاركين بسبب عدم الحاجة لشراء النموذج بالسعر المرتفع كما هو الحال في العادة، من أجل ذلك فإن باب التواصل مفتوح من خلال وسائل الاتصال المذكورة لاحقاً.

 


 


الفصل 2: بنية المشروع

 

2-1 مقدمة

 

اعتماداً على مقدمة المشروع في الفصل السابق لاحظنا أن المشروع مكون من عدة كيانات تتكامل مع بعضها لتكون المشروع ككل. تم تنظيم بنية المشروع وفق ثلاث فروع أساسية وهي:

1.    التصميم الميكانيكي والتشكيل.

2.    التصميم الالكتروني والتحكم.

3.    التصميم البرمجي.

 


2-2التصميم الميكانيكي والتشكيل

 

2-2-1 هيكل القارب

إن أهم جزء في المشروع والذي بنجاحه يتم قطع نصف الطريق نحو نجاح المشروع هو هيكل القارب الذي يجب أن يطفو بشكل نظامي وفق الوزن الذي سيُحمَّل به القارب.

 

من الجدير بالذكر أننا كنا نستطيع أن نأتي بهيكل جاهز للقارب وتركيب ما يلزمنا من دارات وهياكل حركية عليه ولكننا فضلنا أن نعول على ما لدينا من معلومات ومهارات وبحثنا بجد حتى وصلنا إلى التصميم الأفضل الذي نفذناه وعدلنا عليه بما يخدم المشروع وراعينا الناحية الجمالية حتى ظهر بحلته النهائية.

 

قمنا بتصميم القارب من معدن التنك (Tin). وهو معدن أبيض خفيف الوزن ومتوفر بكثرة وقد استخدمنا علبة سمن كبيرة فارغة وقصصنا الأجزاء الزائدة منها واستخدمنا اللوح المعدني المتبقي في تصميم القارب.

 

من أجل تحريك القارب فقد استعملنا محركات تيار مستمر مع علبة سرعة وقمنا بتصميم الرفاصات بأنفسنا أيضاً من أجل دفع المياه وتحريك القارب؛ تم تصميم الرفاصات من معدن الصاج واخترناه بسماكة كبيرة نوعاً ما من أجل تقوية الرفاصات وعدم تأثرها بالصدمات خلال حركتها في الماء.

 

2-2-2 هيكل تحريك الكاميرا

كما أسلفنا فإن مهمة القارب الرئيسية هي المراقبة ما يفرض وجود كاميرا لنقل الصورة والفيديو إلى غرفة التحكم، وجود هذه الكاميرا وضلوعها في مهمة المراقبة يعني ضرورة حركتها بالاتجاهات المختلفة من أجل مسح البيئة المحيطة بالقارب.

 

قمنا بتأمين حركة الكاميرا في جميع الاتجاهات:

-         أعلى، أسفل

-         يمين، يسار

-         أعلى يمين، أعلى يسار

-         أسفل يمين، أسفل يسار

 


2-3 التصميم الالكتروني والتحكم

 

من أجل تأدية الوظائف المطلوبة من القارب والتحكم به لا بد من دارات قيادة وتحكم تقوم بهذا الغرض بدءاً من الإرسال والاستقبال اللاسلكي الذي يجري من خلال مرسل ومستقبل - للعبة أطفال لاسلكية – موصول إلى منفذ الطابعة في جهاز حاسوب يلعب دور الرأس من الجسم في عملية التحكم بالقارب حيث ترد جميع المعلومات من جهاز الحاسوب هذا إلى منفذ المتوازي LPT ومن ثم إلى المرسل اللاسلكي الموصول معه ومنه إلى المستقبل ثم إلى الدارات الموصولة مع المستقبل للتحكم بالقارب وتأدية الوظائف المختلفة. احتوى نظام التحكم الالكتروني على عدد من الدارات سنوجزها تباعاً.

 

2-3-1 دارة مسجل إزاحة 4 أزواج (Shift Register-4bits)

هذه الدارة هي عبارة عن دارة مسجل إزاحة مهمتها تحويل البيانات من تسلسلية إلى تفرعية. إن دارة المرسل اللاسلكي هي دارة محدودة المخارج وبالتالي فهي لا تكفي لإرسال إشارات التحكم إلى الدارات الالكترونية.

باستخدام هذه الدارة تُرسَل البيانات المطلوبة تسلسلياً على المرسل اللاسلكي من قبل الحاسوب ومن ثم تخرج هذه البيانات على مخارج المستقبل اللاسلكي ومنه إلى دارة مسجل الإزاحة التي تحول البيانات المرسلة تسلسلياً إلى بيانات تفرعية ترسل إلى الدارات المطلوبة بالشكل المناسب.

 

يكون خرج هذه الدارة عبارة عن 4 أزواج (4bits) ترسل إلى محركي التحكم بهيكل تحريك الكاميرا. حيث يرسل زوجين (2bits) منها من أجل تحديد اتجاه الدوران الأفقي (يمين أو يسار) وذلك عن طريق التحكم بدارة محرك خطوي المسؤولة عن هذه الحركة. الـزوجين (2bits) الأخريين يرسلا من أجل التحكم بالحركة العمودية للكاميرا (أعلى أو أسفل) وذلك من خلال التحكم بالمحرك المستمر الذي يرتبط مع علبة سرعة مسؤولة عن الحركة العمودية.

 

2-3-2 دارة مسجل إزاحة 8 أزواج (Shift Register-8bits)

هذه الدارة لها نفس وظيفة الدارة السابقة غير أن عدد مخارجها مختلف وهو 8 أزواج (8bits) بدلاً من 4 أزواج (4bits). تستخدم هذه الدارة لإرسال إشارات التحكم إلى محركات القارب للتحكم بحركتها سرعةً واتجاهاً.

 

نستخدم من 8 أزواج (8bits) ستة فقط، كل ثلاثة منها تستخدم للتحكم بمحرك من محركي القارب المسؤولين عن تحريكه.

 

يرسل زوجين (2bits) إلى مفكك إليكتروني (decoder) موجود في دارة التحكم بمحرك القارب، وذلك من أجل تحديد حالة من أربع حالات لسرعة المحرك حيث لدينا حالة التوقف و3 سرعات أخرى. الزوج (bit) الثالث يرسل من أجل التحكم باتجاه دوران المحرك ويرسل مباشرة إلى جسر H في دارة التحكم بمحرك القارب. مثل هذه 3 أزواج (3bits) ترسل إلى دارة التحكم الأخرى بالمحرك الثاني للقارب.

 

2-3-3 دارة التعديل العرضي النبضي للتحكم بمحرك القارب (PWM)

هذه الدارة معنية بالتحكم بسرعة واتجاه أحد المحركين المسؤولين عن حركة القارب ويوجد دارتين منها لأن القارب يحوي محركين اثنين.

 

تعتمد الدارة في تعديل السرعة على مبدأ التعديل العرضي لنبضة الجهد والمعروف اختصارا بـ PWM في اللغة الإنجليزية، وتؤمن ثلاث سرعات مختلفة للمحرك (50% و75% و100%) إضافة إلى إمكانية إيقاف المحرك وعكس اتجاه دورانه.

 

2-3-4 دارة قيادة محرك خطوي لتحريك الكاميرا أفقياً

نستخدم في تحريك الكاميرا بالاتجاه الأفقي (يمين ويسار) محرك خطوي يحتاج من أجل التحكم به إلى دارة قيادة. من خلال دارة الخطوة سنقوم بالتحكم باتجاه الدوران وبإيقاف وتشغيل المحرك ويتم هذا التحكم عن طريق إشارات التحكم المرسلة من دارة مسجل الإزاحة الآنفة الذكر.

 

2-3-5 دارة قيادة محرك تيار مستمر لتحريك الكاميرا عمودياً

هذه الدارة ستؤمن التحكم بالمحرك المسؤول عن حركة الكاميرا بالاتجاه العمودي (أعلى وأسفل). سيتم التحكم بجهة الدوران وإيقاف وتشغيل المحرك، إضافة إلى وجود قاطعي نهاية شوط عند وصول الحركة إلى نقطة معينة في كلا الاتجاهين فعندها يعكس اتجاه الحركة تلقائياً عن طريق تفعيل أحد قاطعي نهاية الشوط.

 


2-4 التصميم البرمجي

تمت برمجة المشروع باستخدام البيئة البرمجية Matlab وذلك من أجل إرسال إشارات التحكم إلى منفذ الطابعة الذي يمثل صلة الوصل بين جهاز الحاسوب والمرسل اللاسلكي وبالتالي جميع دارات نظام التحكم الالكتروني.

عند القيام بعملية البرمجة تم ترتيب جميع الدارات وإشارات التحكم اللازمة لكل منها من أجل معرفة ما هو مطلوب إرساله على منفذ LPT.

 


 


الفصل 3: التشكيل والتصميم الميكانيكي

 

3-1 مقدمة

إن التصميم الميكانيكي هو القاعدة الأساسية التي يبنى عليها المشروع فبدون بنية ميكانيكية ناجحة ومتينة فلن يفيد عمل النظام الالكتروني في شيء، وإن التصميم الهندسي للهيكل أو التشكيلهام جداً في التصنيع الهندسي فهو الذي يعطي الانطباع العام للمنتج المصنع وهذا ما يظهر جلياً في عالم تصميم السيارات حيث ينحصر التنافس أحياناً في جمالية تشكيل السيارة فقط.

 

سعينا إلى تصميم مجسم القارب بأنفسنا بعد الاطلاع على عدة نماذج اخترنا أفضلها وقد تم إطلاع قسم الهندسة البحرية - الذي يعتبر مرجعاً في هذا المجال ضمن جامعة تشرين – على التصميم الذي نجريه فأبدوا التعاون وأفادونا برأيهم بشأن التصميم وقد عدلنا جزئية من هيكل القارب لاحقاً بناء على اقتراح من القسم.

 


3-2 تصميم هيكل القارب

 

3-2-1 تمهيد

توجد اعتبارات عدة لتصميم القارب حاولنا أخذها بعين الاعتبار، منها أن يكون التصميم بأقل وقت وكلفة ممكنة مع مراعاة المواصفات المطلوبة.

image005

الشكل (3-1) التمثيل النظري للقارب

 

من أهم الموضوعات التي تعتبر منطلقاً لبناء القوارب هي رسم المخطط النظري لبدن القارب وحساب الحمل الأعظمي الذي يمكن للقارب حمله من دون أن يقترب من مرحلة الخطر أي دون أن يتجاوز الجزء الغاطس الحد المسموح به إضافة إلى وجوب تحقيق التوازن في الماء. يبين الشكل 3-1 تمثيلاً نظرياً تقريبياً للقارب الذي قمنا بتصميمه ويبين الشكل 3-2 تمثيلاً جانبياً للقارب.

 image006

الشكل (3-2) التمثيل الجانبي للقارب

 

3-2-2 مبدأ الطفو

كيف تطفو السفينة على الماء؟ ولماذا لا تغرق؟

 

إن السفينة مهما كبرت أو صغرت عندما تضعها في البحر سوف تزيح من الماء ما يعادل وزنها. والسفينة قد تغرق اذا لم تستطع إزاحة ما يعادلها وزنا من الماء، اي عندما تكون صغيرة الحجم ووزنها كبير.

image007

 

دافعة أرخميدس: هي قوة شاقولية تتجه إلى الأعلى وتؤثر على الأجسام غير الذوابة في السائل، وتساوي أيضاً وزن السائل المزاح، وتمثل بالعلاقة التالية:

f = ρ.v.a

حيث أن:

·       ρ : يمثل كثافة السائل (الماء).

·       a : يمثل تسارع الجاذبية الأرضية.

·       v : يمثل حجم الجسم المغمور في السائل.

·       f : يمثل قوة ضغط السوائل (دافعة أرخميدس).

 

قد يتساءل المرء عن حاجة السفن إلى الجسم المغمور. ويأتي الجواب من ملاحظة أن دافعة أرخميدس تزداد بزيادة حجم الجسم المغمور في الماء، لذلك يكون حجم السفينة كبير، وهو شرط من شروط توازنها.

 

الحجم: تزداد دافعة أرخميدس بزيادة الحجم ويزداد الحجم بزيادة السطح، وبالتالي تزداد قوة الضغط لأن الضغط يتناسب عكسياً مع السطح وفق العلاقة التالية:

p = f/s

حيث أن:

·       p : يمثل الضغط.

·       f  : يمثل القوة الضاغطة.

·       s : يمثل سطح الجسم الذي تؤثر عليه القوة.

 

مع العلم أن القوارب تصنع مجوفة لكي يزداد حجمها وبالتالي تقل كثافتها عن كثافة الماء فتطفو، فكيف تتم عملية طفو السفينة إذن؟

-       إذا كان وزن جسم السفينة أقل من وزن الماء المزاح بحجم القسم المغمور منها في الماء فإن كثافة الجسم أقل من كثافة الماء المحيط، وبالتالي فإن السفينة ستطفو إلى أن يصبح وزن السفينة مساوياً لوزن الماء المزاح. ذلك بسبب أن القوة الناشئة من وزن السفينة أقل من قوة رد فعل الماء الممانعة لها فتطفو على سطح الماء.

-       أما إذا كان وزن السفينة أكبر من وزن الماء المزاح الناتج عن المساحة المغمورة من السفينة، فإن كثافة السفينة سوف تصبح أكبر من كثافة الماء مما يؤدي إلى غرق الجسم في الماء المحيط بسبب أن قوة وزن السفينة أصبحت أكبر من قوة رد فعل الماء الممانعة لغمر جسم السفينة غير القابل للذوبان أو الانتشار.

-       أما إذا كانت السفينة مصنوعة من مادة ذات كثافة أعلى من كثافة الماء، كالحديد مثلا، فإن باستطاعتها الطفو في حال كان لها شكل مناسب، بحيث تحتفظ بحجم كافٍ من الهواء فوق سطحها. وفي هذه الحالة، فإن معدل كثافة السفينة، متضمنة الحديد والهواء، سوف يصبح أقل من كثافة السائل وبالتالي تطفو على سطحه. وهذا يفسر كيف أن المسمار يغطس ولا يطفو على الماء لأن وزنه بالنسبة لحجمه كبير واكبر من كثافة الماء.

 

3-2-3 توازن السفينة

إن قانون التوازن يقضي بأن السفينة يجب أن تتوازن على الماء لكي لا تنقلب. وهناك حالات للتوازن تدرس في ميكانيك السوائل، وقد استغرق اكتشاف قوانين هندسة السفن أكثر من مئة سنة. وتبين بأن هناك قوانين دقيقة جداً تتحكم في السفينة أثناء رحلتها. فتصميم السفينة له دور كبير في توازنها وتحملها للصدمات المفاجئة. وكذلك نوع المعدن الذي تصنع منه السفينة له دور مهم أيضاً، وهناك دور للمحركات وقدرتها على تحمل الأوزان وقدرتها على مواجهة الأمواج.

 

3-2-4 تنفيذ التصميم

 

3-2-4-1 إجراءات التصميم

في بادئ الأمر كان هنالك عدة اقتراحات للمادة التي سنصنع منها هيكل القارب وهي:

1.    الزجاج الليفي (Fiber Glass)

2.    الخشب

3.    المعدن

 

وقد وقع الاختيار على معدن التنك (Tin) وهو معدن أبيض خفيف قابل للثني والتشكيل بسهولة متوفر عادة؛ وقد اعتمدنا على فكرة إعادة الاستعمال، ما يشكل عاملاً اقتصادياً مهماً لأننا لم نضطر إلى البحث عن المعدن وشراء الكمية المطلوبة، بل كل ما فعلناه هو جلب علبة معدنية فارغة وقمنا بقص الجزء المطلوب واستخدامه كمادة أساس في صناعة هيكل القارب. يبين الشكل 3-3 اللوح المعدني المأخوذ من علبة سمن فارغة وذلك قبل تسويته.

image008

الشكل (3-3) اللوح المعدني

بعد ذلك تم رسم المخطط التصميمي على اللوح المعدني ومن ثم قصه وثنيه في الأماكن المناسبة. بعد الثني تم تثبيت الأجزاء الحرة ببعضها بوساطة مرابط معدنية ومن ثم تعبئة أماكن الربط بمعجون حديد، وهو مادة سريعة الجفاف تستعمل لتثبيت المعادن أو إخفاء عيوبها بملء الفراغات لصقل السطح المتعرج. تبين الصورة 3-4 مخطط تصميم بدن القارب والذي تم رسمه على التنك:

image009

الشكل (3-4) مخطط تصميم بدن القارب

حيث:

-         الخط المنقط يعبر عن الخطوط الواجب قصها.

-         الخط المحوري يعبر عن الخطوط الواجب ثنيها.

 

بعد أن قمنا بالخطوات اللازمة حصلنا على بدن القارب وكان يحتاج إلى غطاء خلفي عند قطعة تثبيت المحرك فقمنا بقص هذا الغطاء وتركيبه، بعد ذلك تمت تعبئة جميع الفراغات بمعجون الحديد من أجل منع تسرب المياه إلى الداخل وزيادة متانة الهيكل.

ملاحظة: إن عملية التصنيع تمت خلال مرحلتين. المرحلة الأولى كان الجسم فيها يمثل نموذجاً أولياً استفدنا منه في التدرب على العمل مع أدوات التصميم وعرضناه على المختصين لأخذ بعض الآراء المفيدة ووجهات النظر الجديدة، وقد أخذنا ببعض هذه الآراء وأضفنا إليها من جعبتنا بعض الأفكار الجديدة وقمنا بتصميم النموذج النهائي في المرحلة الثانية للهيكل.

 

يبين الشكل 3-6 النموذج الأولي لهيكل القارب الذي قمنا بتصنيعه.

image010

الشكل (3-6) نموذج أولي لهيكل القارب

من أجل إكمال تصميم الهيكل والأجزاء الملحقة به يجب أن يتم إغلاق البدن من الأعلى بغطاء لكي تُحمل عليه الدارات والكاميرا وما إلى ذلك.

 

عند تنفيذ النموذج النهائي (بعد تعديل تصميم الـنموذج الأولي) أصبح حجم المجسم أكبر وقمنا باختبار توازن القارب في الماء وحساب الوزن الأعظمي عند التحميل.

 

يبين الشكلين 3-8 و 3-9 هيكل القارب بالنموذج النهائي.

image011

الشكل (3-7) غطاء القارب

image012

 image013

الشكل (3-8) نموذج الهيكل النهائي

الشكل (3-9) صورة من زاوية أخرى

 

يبين الشكل 3-10 صورة للقارب عند إجراء اختبار التوازن في الماء وقد تم تحميل القارب بوزن معين من الحديد الصب لتحديد خط مستوى الجزء الغاطس:

 image014

الشكل (3-10) توازن القارب في الماء

       

 

3-2-4-2 دراسة الوزن الأعظمي للقارب مع الحمل

من أجل حساب أعظم وزن يتحمله القارب نستخدم القانون:

 

P = ɣ.V

حيث أن:

-         Ɣ: يمثل الوزن النوعي للماء العذب ويساوي 1000kgf/m3.

-         V: يمثل حجم الجزء الغاطس ويقدر بالمتر مكعب (m3).

-         P: يمثل الوزن الإجمالي ويقدر بالوحدة kgf.

 

تم تحميل القارب بالحمولة الأعظمية وعندها تمت ملاحظة مستوى وصول الماء من سطح القارب، إن الجزء الغاطس يتحدد بين هذا الخط وأسفل القارب أي جميع ما يغطس في الماء من الجسم.

 

من أجل حساب حجم الجزء الغطس لاحظنا أنه هندسياً يمكن أن يحسب من العلاقات التكاملية، ولكن لصعوبة ذلك وجدنا أن نقسم الجزء الغاطس إلى ثلاثة أشكال هندسية شهيرة وحساب حجم كل جزء على حدى. هذه الأجزاء هي شبه المنحرف، والهرم ومتوازي مستطيلات. تصبح المعادلة التي تعبر عن الحجم الكلي للجزء الغاطس هي:

 

v = v1+v2+v3

حيث أن:

-         v1: يمثل حجم متوازي المستطيلات.

-         V2: يمثل حجم الهرم.

-         V3: يمثل حجم شبه المنحرف.

 

ملاحظة: جميع الحسابات أجريت بالقياس ومن ثم تطبيق القوانين وهي قابلة للخطأ لأن القياس كان يدوياً وهذا ما يجعل الدقة غير كبيرة ولكنها مقبولة.

 

حساب حجم متوازي المستطيلات:

v1 = L1.B.T

حيث أن:

-         l1:يمثل طول متوازي المستطيلات وتساوي بالقياس 33 سنتمتر.

-         B:يمثل عرض متوازي المستطيلات وتساوي بالقياس 21 سنتمتر.

-         T:يمثل ارتفاع الجزء الغاطس وهو ثابت لكل الأجزاء ويساوي بالقياس 9 سنتمتر.

 

V1 = 33 × 21 × 9 = 6237 × 10-6 [m3]

 

حساب حجم الهرم:

v2 = b.l2.t.1/2

حيث أن:

-         b:يمثل طول قاعدة المثلث (قاعدة الهرم) وهو نفسه B السابق.

-         L2:يمثل ارتفاع الهرم ويساوي بالقياس 16 سنتمتر .

-         T: يمثل ارتفاع الجزء الغاطس.

V2 = 21 × 16 × 9 × 1/2 = 1512 × 10-6[m3]

 

حساب حجم شبه المنحرف:

V3 = l4.t.(l3+b)/2

حيث أن:

-         B وt : نفسها من الطلبات السابقة.

-         l3 : يمثل ارتفاع شبه المنحرف الفراغي ويساوي بالقياس 11 سنتمتر.

-         L4: يمثل القاعدة الصغيرة لشبه المنحرف وتساوي بالقياس 23 سنتمتر.

 

ملاحظة: bهي القاعدة الكبيرة لشبه المنحرف.

 

V3 = (23+21)/2 × 11 × 9 = 2178 × 10-6 [m3]

 

نعود للقانون الرئيسي والذي ينص على أن الحجم الكلي هو مجموع هذه الحجوم الثلاثة، أي أن الحجم الكلي أصبح يساوي:

V = 9927 × 10-6 [m3]

نطبق القانون:

 P = ɣ.V

 

وبتعويض قيمة الحجم الكلي الأخيرة وتعويض الوزن النوعي للماء العذب ويساوي 1000kgf/m3، نحصل على قيمة الوزن الأعظمي للقارب مع تحميله.

 

3-2-4-3 لمسات على التصميم

كما أسلفنا في المقدمة أنه من العوامل الهامة جداً في التشكيل والتصميم الميكانيكي مراعاة الناحية الجمالية والمتانة التي تعتبر معياراً من معايير جودة التصنيع.

 

إن نوع المعدن الخفيف الذي صنعنا منه وطريقة التصنيع اليدوية خلقت بعض العيوب في الهيكل وهذا شيء طبيعي. من أجل ذلك كنا بحاجة إلى تمليس جسم القارب وصقله وتم ذلك باستخدام معجون الحديد. وهذه العملية كانت على مرحلتين:

 

المرحلة الأولى كانت عبارة عن معجون أولي ودهان أساس، والصورة 3-11 تبين شكل القارب بعد هذه المرحلة.

 image015

الشكل (3-11) القارب بعد المعجون ودهان الأساس

 

المرحلة الثانية تم فيها التمليس بالمعجون لعدة أدوار أخرى من أجل الحصول على الشكل الانسيابي الأمثل الذي من شأنه أن يزيد من انسيابية الحركة من جهة وإضفاء الصبغة الجمالية على هيكل القارب. بعد ذلك تم بخ القارب بالألوان المناسبة وتم تحديد الجزء الغاطس باللون الأحمر كما في جميع نظم تصميم السفن العالمية المعروفة.

الصورة 3-12 تبين شكل القارب بعد إتمام هذه المرحلة وقد صممنا له قواعد تثبيت خشبية من أجل وضعية العرض المناسبة.

 image016

الشكل (3-12) القارب بالشكل النهائي

 

3-2-5 تحريك القارب

كما أسلفنا سابقاً فإن حركة القارب تنتج عن حركة محركين وبدون وجود دفة، التفاوت بين سرعة المحركين هو العامل الأساس في توجيه حركة القارب. تم اختيار محركين متماثلين مع علبة سرعة لكل منهما تحتوي على ثلاث مسننات:

1.     مسنن قائد متصل مباشرة مع المحرك.

2.     مسنن وسيط.

3.     مسنن منقاد وهو المتصل بمحور طويل في نهايته شفرة ثلاثية.

 

تبين الصورة 3-13 علبة السرعة مع محورها والمحرك المستخدم.

 image017

الشكل(3-13) علبة السرعة مع محرك القارب

إن المسنن المنقاد أكبر من المسنن القائد مما يجعل السرعة الواصلة إلى المحور الطويل أصغر من السرعة الاسمية للمحرك. إن المسنن الوسيط لا يؤثر على نسبة السرعة للمسننين القائد والمنقاد ولكنه يستخدم فقط في تغيير اتجاه حركة المسنن المنقاد. الصورة 3-14 توضح ما ذكر عن المسننات.

 image018

الشكل (3-14) المسننات

تبين العلاقة الموضحة بالشكل النسبة بين سرعتي المسنني القائد والمنقاد وعلاقتها بنسبة قطري المسننين وعلاقتها بنسبة عدد أسنان المسننين القائد والمنقاد.

حيث:

-         n: تعبر عن السرعة.

-         n: تعبر عن عدد الأسنان.

-         D: تعبر عن قطر المسنن.

 

بعد اختيار المحركات قمنا بتصميم الشفرات التي تضطلع بمهمة دفع الماء من أجل تحريك القارب بالاتجاه المناسب. قمنا بتصميم الشفرات بأنفسنا من مادة الصاج وكانت بسماكة كبيرة نسبياً من أجل تحمل الصدمات وتأمين قوة الدفع المناسبة للماء. وقد انتبهنا إلى جعل ميل الشفرات متماثلاً من أجل الحركة الصحيحة. تبين الصورة 3-15 الشفرات الثلاثية التي قمنا بتصميمها. وتبين الصورة 3-16 شكل خلفية القارب بعد تركيب المحاور والشفرات.

 image019

الشكل(3-15) الشفرات

 image020

الشكل (3-16) الخلفية بعد تثبيت المحاور والشفرات

     

 

3-2-6 عزل القارب والمحركات عن الماء

إن من أهم النقاط المفصلية في كامل عمل القارب هي عزله عن الماء. فلنتخيل تسرب الماء دون أخذه بالحسبان. ستكون كارثة بطيئة وستصل الماء إلى المحركات والتجهيزات الأخرى وتعطل عملها.

 

3-2-6-1 عزل جسم القارب

بداية عند تصميم هيكل القارب كان لا بد من عزله وقد تكلمنا مسبقاً عن استخدام مادة المعجون لتعبئة الأماكن الفارغة وسد الثغرات الناتجة عند التصميم، بعد ذلك قمنا بصب مادة الزفت العازلة في جميع الأماكن التي يمكن أن تتسرب الماء منها. يبين الشكل 3-17 صورة القارب عند صب الزفت في الأماكن اللازمة.

 image021

الشكل (3-17) صب الزفت من أجل العزل

 

3-2-6-2 عزل المحركات عن الماء

عند ثقب أماكن توضع محاور المحرك عمدنا إلى تقليل الخلوص بين المحور والثقب بحيث تتأمن حرية الحركة بدون وجود فراغ كبير يتسرب من خلاله الماء.

 

وعند العمل على تثبيت المحركات في أماكنها بشكل نهائي وضعنا على السطح الداخلي للقارب في أماكن دخول محاور المحركات قطعة مطاطية بحيث يخترقها المحور وتضغط على أطرافها بطبيعتها المطاطية ما يجعل تسرب الماء أمراً شبه مستحيل.

 

من الجدير بالملاحظة أننا بأساليبنا الشخصية التي نحاول أن نكتسب من خلالها خبرة عملية لا يمكننا أن نوفر الجودة التصنيعية العالية التي تحتاج لآلات خاصة لأداء هذه الوظائف.  وهذا ما جعل من البديهي وجود أخطاء في القياس وإن كانت لا تؤثر على العمل الكلي بشكل كبير فإننا نسعى لتلافيها قدر الإمكان.

 


3-3 هيكل حركية الكاميرا

كما أسلفنا سابقاً فإن الغاية من الكاميرا هي مراقبة البيئة المحيطة بالقارب ما يعني حركتها بالاتجاهات المختلفة لمسح البيئة المحيطة بشكل يخدم مهمة المراقبة. من أجل ذلك تم تجزئة الحركة إلى حركتين:

 

1-    حركة أفقية (دورانية في المستوي الأفقي): يستخدم لتنفيذ آلية الحركة هذه محرك خطوة على محوره بكرة ترتبط من خلال قشاط مع بكرة ذات نصف قطر أكبر، وبذلك تكون السرعة أقل ولكن نحصل على عزم أكبر وهو المطلوب لتدوير حامل الكاميرا بالمستوي الأفقي. يبين الشكل 3-18 محرك خطوي مع البكرة المساعدة والقشاط الواصل بينما يبين الشكل 3-19 تمثيل للبكرتين والسير الواصل بينهما:

 image022

 image023

الشكل(3-18) محرك خطوي والبكرة

الشكل (3-19) تمثيل البكرتين والسير

في بداية تصميم قمنا بعمل النموذج الأولي من الكرتون من أجل اختبار صحة التخيل للتصميم وكان التصميم ناجحاً، الشكل 3-20 يبين النموذج الأولي الكرتوني.

 image024

الشكل (3-20) نموذج أولي لهيكل تحريك الكاميرا

بعد ذلك قمنا بتصميم الشكل النهائي لهيكل الحركية واخترنا للتصميم معدن الصاج لأنه خفيف ومتوفر وسهل التشكيل، الصورة 3-21 تبين التصميم النهائي المعدني بعد تثبيت المحرك والبكرات أيضاً.

image025 

الشكل (3-21) هيكل تحريك الكاميرا

2-    حركة شاقولية: من أجل تأمين الحركة الشاقولية اعتمدنا استخدام هيكل حركية بمحرك تيار مستمر مع علبة سرعة ذات مسننات معدنية. إن ميزة هذا الهيكل الحركي أنه يستطيع العمل بعزم عالي فقد تم تجريبه على وزن كبير نسبياً ولم يتوقف المحرك بل بقي محافظاً على حركته. يقاد المحرك في هذا الهيكل الحركي بدارة قيادة لتغيير اتجاهه حسب ما نريد من الكاميرا أن تتحرك. الشكل 3-21 يبين صورة الهيكل الحركي مع علبة السرعة.

 image026

image027

الشكل (3-21) الهيكل الحركي مع علبة السرعة

       

قاموس المصطلحات

العربية

الإنجليزية

الفرنسية

نموذج أولي

Prototype

Prototype

هندسة الميكاترونيك

Mechatronics Engineering

Mécatronique

الهيكل الحركي

Mechanism

Mécanisme

زوج

Bit

Bit

مفكك

Decoder

Décodeur

مسجل إزاحة

Shift Register

Registre à décalage

جسر H

H bridge

Pont H

التعديل العرضي النبضي

Pulse Width Modulation

(PWM)

Modulation de largeur d'impulsions (MLI)

 التشكيل

Shaping

Fonderie

زجاج ليفي

Fiberglass

Un plastique à renfort de verre

التصميمالبرمجي

Programming design

Conception de programmation

التشكيل والتصميم الميكانيكي

Forming & Mechanical Design

Conception mécanique

تحليل وتصميم النظام

System Analyze & Design

Analyse de systeme

التصميم والتحكم الالكتروني

Electronic design & Control

Conception Electronique

محركات تيار مستمر

DC Motors

Moteur à courant continu

مرحل إليكتروني

Relay

Relais

الـساعة

Clock

Horloge

 الخرج

Output

Sortie

إعادة ضبط (تبدئة)

Reset

Reset

الدوار

Rotor

Roteur

مادة فيرومغناطيسية

Ferromagnetic material

Matériau ferromagnétique

الراسم

Plotter

Traceur

الدارة المتكاملة

Integrated Circuit

Cicruit Integre

حساس

Sensor

Capteur

المخططات التدفقية

Flowchart

Organigramme

 


شعار المؤلفين

{ربِّ إنِّي لما أنزلت إليَّ من خير فقير}

 


معلومات عن المشروع

المؤسسة

جامعة تشرين،
كلية الهندسة الميكانيكية والكهربائية،

 

قسم الميكاترونيك،

السنة الثالثة 2011-2012.

 image028

المؤلفـين

بسام خويلد

أحمد صهيوني

أسامة ياسين

البريد

عنوان البريد الإلكتروني هذا محمي من روبوتات السبام. يجب عليك تفعيل الجافاسكربت لرؤيته.

المشرفـين

الـدكتور بسام عطية

المهندس أيمن امهيجة

نوع البحث

مشروع نهاية السنة الثالثة

الملفات

النسخة الأصلية بصيغة pdf

 

{jumi [*3]}

 


المراجع

 

المراجع العربية

 

1- م. أحمد عفيفي سلامة، دورة الماتلاب خطوة بخطوة، ملتقى المهندسين العرب، 2006

2- م. عماد الكردي، الربط باستخدام البوابات التفرعية، دار شعاع للنشر

3- د. سليم ادريس، الالكترونيات العملية للمبتكرين، دار شعاع للنشر

4- د. معروف أحمد، منشورات جامعة تشرين

5- د. معروف أحمد، نظرية السفينة 1، منشورات أكاديمية الأسد للهندسة العسكرية، حلب 2004.

 

المراجع الأجنبية

 

1- Matlab، Creating Graphical User Interfaces، Inc

2- Newton C.Braga، "Mechatronics for the Evil Genius"، McGraw-Hill، Inc، 2006

3- Stan Gibilisco،" Teach yourself Electricity and Electronics"، McGraw-Hill، Inc، 2002

4- Patrick Marchand and O.Thomas Holland، "Graphics and GUIs with Matlab"، CRC Press LCC، 2003

5- Brian R-Hunt and Ronald L.Lipsman and Jonathan M.Rosenberg، "A Guide to Matlab"، Cambridge University Press، 2001

 

المواقع الالكترونية

 

www.qariya.com

www.boosla.com

www.mikroe.com

www.4electron.com

www.expertvillage.com

www.qariya.com/vb/showthread.php?t=54606&page=1 Downloaded on 30/9/2011

 

أضف تعليق


كود امني
تحديث


Go to top