This projects purpose was to build an underwater remote operated vehicle with software controlled self-stabilisation for evaluation of the response time, propulsion and steering to see what could be achieved. A prototype was constructed and tested in dry conditions at first. The prototype features an Arduino and a Raspberry Pi as control units, controlling six thrusters. With the help of a controller the user can manoeuvre the vehicle and when exposed to unexpected forces sensors detect this allowing the software to counteract it. Due to risk of massive electrical failure as a result of failed waterproofing tests underwater were postponed until the end. Unfortunately this made full optimisation of the software difficult. The results in a dry enviroment were positive, the system was able to fully perform the desired outputs at the thrusters, the PID controller kicked in when it detected a disturbance in its position. Testing the propulsion system in the water gave positive results as well, the propeller held and the motor kept working while submerged. The response time performed adequately at an average of 50ms. / Detta projektets syfte var att bygga en fjärrstyrd undervattensdrönare med mjukvarustyrd själstabilisering för utvärdering av responstid, framdrivningen, och styrningen för att se vad som går att uppnå. En prototyp byggdes och testades först i torra förhållanden. Prototypen har kontrolleras med en Arduino och en Raspberry Pi, som styr sex drivmotorer. Genom en kontroller kan användare styra farkosten och om den utsätts för oväntade krafter kan mjukvaran motverka dom. På grund av risken för massivt elhaveri om vattentätningen inte är tillräcklig sköts tester i vatten upp. Tyvärr gjorde detta att fullständig optimering av mjukvaran blev svår. Resultaten i torr miljö var positiv, systemet utförde sin önskade funktion vid motorerna, och PID kontrollern försökte ställa om positionen till rätta när den märkte av en felaktig position. Propulsion systemet testades i vatten och gav positiva resultat också, propellern höll och motorn fortsatte fungera fastän sänkt i vatten. Responstiden gav ett adekvat utfall på ungefär 50 ms.

This bachelor thesis is about the design and construction of a self-stabilizing platform. The purpose of this system is to balance objects placed upon the platform by keeping the platform level regardless of how the mechanism itself is rotated. Its uses include stabilization of sensors, cameras and vehicle cockpits. The prototype was constructed using 3D printing and basic machining. It uses two DC motors, an inertial measurement unit, an Arduino Uno microcontroller and a motor driver. The inertial measurement unit acts as an accelerometer and gyroscope, it measures the change in position and angle relative to its starting position. The controller algorithm processes the sensor signal and calculates an appropriate output signal. This output signal regulates the two DC motors in such a way that compensates for any angle changes in the platform. This project is based on, and is the continuation of the work by J. Larsson, titled ”Gimbal stabilizer for cockpit bases of terrain vehicle or combat boat: A proof of concept”. The task is to develop it to a functioning physical prototype and implement a control system which is fast, responsive and precise. The controller tuning process involved a trial and error approach, using binary search between parameters that give a performance that is too slow and a performance that is too fast and unstable. A satisfactory performance was achieved and the platform could effectively stabilize objects that weigh 400 grams at its center, 200 grams at its edges and 100 grams at its corners. This takes 100 milliseconds on average. Besides bearing loads, the platform could also compensate for sudden forced angle changes and any tilting of the mechanism the platform is attached to. / Det här kandidatexamensarbetet handlar om konstruktionen och framtagningen av en prototyp för en självstabiliserande plattform med ändamålet att hålla ett objekt horisontellt stabil. Det innebär att oberoende av hur mekanismen vrids eller rör sig kommer plattformen alltid vara parallell med marken. Appliceringsområden för plattformen kan vara att stabilisera kameror och sensorer, samt att hålla förarkabinen i en båt horisontellt stabil oavsett hur vattnet runtomkring rör sig. Prototypen består av en 3D-printad mekanism med två likströmsmotorer, en tröghetssensor, Arduino och motordrivare. Tröghetssensorn fungerar som en accelerometer och gyroskop - den avläser hur mycket plattformen ändrar sitt läge och vinkel relativt de ursprungliga. Data från tröghetssensorn bearbetas i en Arduino Uno-mikrokontroller med hjälp av reglerteknik, där en så kallad PID-regulator beräknar utsignal beroende på insignal. Arduinon skickar sedan utsignalen till motordrivaren som reglerar likströmsmotorerna för att kompensera för eventuella vinkeländringar. Detta projekt ¨ar ett utvecklingsarbete av ett tidigare masterexamensarbete av J. Larsson, med titeln ’ ’Gimbal stabilizer for cockpit bases of terrain vehicle or combat boat: A proof of concept”. Målet är att gå från ett koncept till en praktisk och verklighetsbaserad prototyp, samt att designa en regulator med god precision, stabilitet och responstid. För att bestämma hur regulatoralgoritmen ska fungera användes binärsökning för att hitta vilka P, I och D-värden PID-regulatorn ska ha. Det innebär att man ständigt tar ett medelvärde av en för långsam regulator och en som är för snabb och aggressiv tills önskad prestanda uppnås. Den slutgiltiga prestandan ansågs vara tillräcklig och plattformen kunde effektivt stabilisera 400 gram i mitten på den, 200 gram på dess sidor och 100 gram på dess hörn på ungefär 100 millisekunder. Vidare kunde den kompensera för plötsliga påtvingade vinkeländringar och för lutning hos mekanismen som den sitter fast i.

Self-stabilizing systems can be found in many contexts. They are used in aircraft and camera gimbals to name a few. In this project, a self-stabilizing container was constructed. The construction consists of three parts. An inner ring which rotates around the Z-axis, an outer ring which rotates around the Y-axis and a handle with space for three DC motors and a microcontroller. In this project an Arduino Nano was used. To detect inclination an IMU (Inertial Measurement Unit) was deployed. An IMU is a sensor consisting of three gyroscopes and three accelerometers, one for each coordinate axis. The software for the construction consists of four parts; angle reading, a Kalman filter, two PID-controllers and a motor controller. When a container is inserted into the construction the four-part system keeps the container horizontal and stable. Experimental data shows that in 84% of the tests the construction could stabilize the container. / Självstabiliserande system kan man finna i många olika sammanhang. Några exempel på självstabiliserande system är flygplan och kamerastabilisatorer. I detta projekt konstruerades en självstabiliserande behållare. Konstruktionen består av tre delar. En ring som kan rotera runt Z-axeln, en ring som kan rotera runt Y-axeln och ett handtag med plats för likströmsmotorer och mikrokontroller. I detta projekt användes Arduino Nano. För att avläsa vinklarna användes en tröghetsmäatare. En tröghetsmätare är en sensor som består av tre gyroskop och tre accelerometrar, en för varje axel. Mjukvaran i konstruktionen består av fyra delar; vinkelavläsning, ett Kalmanfilter, två PID-regulatorer och motorkontroller. Beroende på vilken vinkel konstruktionen har kommer någon av motorerna att korrigera vinkeln på behållaren. Testerna visade att konstruktionen kunde stabilisera behållaren i 84% av alla tester.

Two models of a self-stabilizing hydrofoil system is developed where the effects from the struts and hydrofoil give torques for angular rotations. Lifting line theory for the hydrofoil which can twist is used. Nonlinear versions of the models are also developed and compared to find that the linear models use valid approximations. Backward Differentiation Formula is used to get numerical solutions, and eigenvalues of linear system matrices are used to get stability regions. The models did not accurately capture what has been seen in testing. / Två modeller för ett självstabiliserande bärplanssystem utvecklas där effekter från stöttor och bärplan ger vridmoment för vinkelrotationer. Lyftande linjeteori för det skevande bärplanet används. Icke-linjära versioner av modellerna tas också fram och jämförs för att finna att de linjära modellerna använder giltiga approximationer. Backward Differentiation Formula används för att fram numeriska lösningar, och egenvärden i det linjära systemetsmatriser används för att hitta stabilitetsregioner. Modellerna fångade inte korrekt vad som har setts i testning.