NCEI 2015-03-25
MSPIL-AMOS Sensor platform
Sensorer for
• MSPIL (Mobile Sensor Platform Innovation Lab)
• AMOS (Autonomous Marine Operations and Systems)
•
•
AUV (Autonomous Underwater Vehicle)
UAV (Unmanned Aerial Vehicle)
Strategisk Egenfinansiert Prosjekt (SEP)
Terje Frøysa
Teknologi for et bedre samfunn
1
NCEI 2015-03-25
Sensor system
Sensorer for UAV/AUV
• GPS (Global Positioning System) / GLONASS (GLObal NAvigation Satellite System)
• Tactical Grade Ten Degrees of Freedom Inertial Sensor (IMU)
• Gyro-meter/Barometer/Magnetometer
• Swarm Radio (intra swarm position/communication)
GPS
GPS
Gyro-meter
Barometer
Magnetometer
Processor
Swarm Radio
Teknologi for et bedre samfunn
2
NCEI 2015-03-25
Sensor data delivery
• GPS: 1Hz GPIO interrupts relates delivered data (UART) to time-line.
• IMU: ≤450Hz GPIO interrupts relates delivered data (SPI) to time-line.
• Gyro-meter: ≤ 8Hz GPIO interrupt relates data (I2C) to time-line.
• Magnetometer: ≤ 8Hz
• Barometer/Altimeter: ≤ 200Hz GPIO interrupts relates data (I2C) to time-line.
• Swarm Radio: TBD…10Hz ?
Sensor
Sensor
irq
irq
Buf1
Buf2
Buf1
Buf3
Buf2
Buf1
Buf3
Buf2
Buf3
Consumer
Task
Dynamics
Model
(KalmanFilter)
dvr
dvr
dvr
dvr
Actuators
Sensor
dvr Sensor
Task
dvr
dvr Sensor
Task
dvr Sensor
dvr
Task
dvr
Buffer Administrator
irq
Swarm
Radio
Teknologi for et bedre samfunn
3
Prosessor system
NCEI 2015-03-25
Krav
•
•
•
•
•
Hard real-time
Multi tasking
Konfigurerbart
Tilstrekkelig regnekraft
Lett vekt
Embedded prosessor (COTS)
• Beaglebone Black
(Sitara 1GHz Cortex A8)
• Open source design.
• Hard real-time?
OS
• Linux (preferred over commercial OS'es)
• Versatile, open source, large community.
• No hard real-time (1-25ms latency)
• Xenomai (Provides hard real-time to Linux)
+0.027146/-0.027146 ms
+0.148593/-0.147991 ms
Teknologi for et bedre samfunn
4
Panelisering (6-lag, 75 kort, NOK 7500.-) Partiell montering
Custom design
NCEI 2015-03-25
As the design exist at CAD-level, it is quickly adaptable to numerous applications.
3D modulering/ animasjon forenkler fysisk design.
Teknologi for et bedre samfunn
5
NCEI 2015-03-25
Design faktorer som koster eller sparer tid.
Mekanisk design
Viktige
partnere
Monteringshus
Komponenter Loddeprosess Mekanisk
Software
Start
COTS?
Sim
Skjema
PCB leverandør
PCB
Sim
DFM
MFG
ASM
TEST
ECO
Dokumentasjon
Mål
(?)
Revisjon
Teknologi for et bedre samfunn
6
NCEI 2015-03-25
SINTEF IKT – SmartPipe, et produkteksempel
•
Mål:
Forene materialdegraderingsmodeller og analyseverktøy med sensordata fra olje- og
gassrør – for å oppnå kontinuerlig tilstandskontroll.
•
Partnere:
SINTEF, Force Technology, Bredero Shaw, ebm-Papst, Siemens, Technip, Eni,
ConocoPhilips, Petrobras og Total.
•
Underleverandører:
• Elmatica (Formidling PCB produksjon)
• Norbitech (PCB assembly, mekanisk montering belter)
• Force (Mekanisk design kapsling)
• Siemens (Sub-sea modem for overføring av data)
• Ebm-Papst (Kapsling batteri og kommunikasjonsmodul)
Teknologi for et bedre samfunn
7
NCEI 2015-03-25
•
•
•
•
•
•
•
Oljerør produsert av Bredero Shaw
på Orkanger
Diameter: 271mm.
Rørtykkelse: 14mm
Isolasjon, PP-tykkelse: 70 mm
Rørlengde 24m pr. skjøt
Skjøtes sammen til 1000m
Vekt: 150kg/m
Teknologi for et bedre samfunn
8
NCEI 2015-03-25
SmartPipe mekanisk
•
•
•
Rørene spoles med en diameter på ca. 16,5m
Ved utlegg rettes røret.
Når røret er lagt ut er ca. 50% av
utmattelsesmarginen brukt opp.
SINTEF ICT
9
NCEI 2015-03-25
SmartPipe utfordringer
•
•
•
•
•
•
•
Lang levetid (25 år).
Høyt trykk, store havdyp (3000m).
Høy temperatur
• 250 °C / 200 Bar ved innstøping.
• 120 °C rørtemperatur ved drift.
Krevende mekanikk (reeling 3% bøying).
Kommunikasjon langs røret.
Signalbehandling.
Mekanisk utforming og montering.
Teknologi for et bedre samfunn
10
NCEI 2015-03-25
SmartPipe produktdisipliner

•








•

•
Fysisk utforming (krevende miljø)
Betjening (kunde)
Programvare (Software/OS)
FPGA/CPLD-design (Styring av ultralydmålinger)
Sensorteknologi (Ultralyd, Strekk, Temperatur, Orientering)
Energiforsyning (25 år på batteri)
Kretsdesign (lave toleranser)
PCB-design (høy temperatur)
Sammenstilling (Mekanikk og elektronikk)
Dokumentasjon
Logistikk/marked
Service/vedlikehold (testmuligheter, fjernoppgradering)
Revisjoner/videre utvikling
Teknologi for et bedre samfunn
11
NCEI 2015-03-25
SmartPipe Produkt skisser
Kunde(r)
Produkt





Programvare (Software/OS)
FPGA/CPLD-design
Sensorteknologi
Energiforsyning
Fjernoppgradering
Teknologi for et bedre samfunn
12
NCEI 2015-03-25
SmartPipe produktskisser
•
•
•
•
Sensormodul må få plass inne i PP-isolasjonen.
Modulen kapsles og monteres på røret i en skjøt.
Batteripakke + kommunikasjon (30-40 kg) monteres ved
legging av røret.
Beltet en del av antennedesignet.
Teknologi for et bedre samfunn
13
NCEI 2015-03-25
SmartPipe sensorbelte
•
•
•
•
Strekklapper.
Temperaturfølere.
Ultralyd sensorer
Høytemperatur lodding
•
•
•
•
Antennekomponent.
Galvaniske forhold
Beltestramming
Mekanikk
God akustisk kopling
Sensorkapsling
Rask montering
250 °C
SINTEF ICT
14
NCEI 2015-03-25
SmartPipe problemløsninger
•
•
•
•
Utprøving av alternativ metodikk for ultralydmålinger.
• Lav driftsspenning.
• Signalbehandling i stedet for analoge kretser.
• Generisk løsning.
• Innenfor 2x7 cm.
Test av strekklapper.
Mekanisk oppspenning.
Trykk / kapsling.
8 kanaler
1 kanal
Teknologi for et bedre samfunn
15
NCEI 2015-03-25
Termisk design
Mekanisk match
Kjøleflens
•Varmeavledning mot lavere temperaturer.
•PCB design for varmeavledning (Rogers 4350B substrat).
•Lavtemperatur komponenter på "kald" side av PCB
•Plassering så høyt i PP-kappen som mulig.
•Kjøletårn i boksen.
•Sensorbeltet designet for minst mulig varmeoverføring til
Sensormodulen.
Teknologi for et bedre samfunn
16
NCEI 2015-03-25
SmartPipe i produksjon
•
•
•
•
Sensorbelte må monteres manuelt.
• Ingen nåværende løsninger for automasjon.
Sensormodulen er designet for:
• Automatisk produksjon.
• Automatisk konfigurasjon og test.
Kommunikasjonsmodulen er designet for:
• Automatisk produksjon.
• Automatisk konfigurasjon og test.
Prototype serien i automatisk produksjonslinje.
Teknologi for et bedre samfunn
17
NCEI 2015-03-25
•
•
SmartPipe mesotest
Kopling offerelektrode
200m rørledning.
8 målenoder.
Montering
Montering batteripakke
Kopling til on-shore
Teknologi for et bedre samfunn
18
NCEI 2015-03-25
microstrain
Mesotesten (1 år)
Reeling test
Storage
and
analysis
linear regression curve
Strain
Temperature
Teknologi for et bedre samfunn
19
NCEI 2015-03-25
SmartPipe neste versjon.
•
•
•
•
•
•
Redesign av sensormodul
Redesign av kommunikasjonsmodul
Flytte elektronikken inn til røret?
Høytemperatur VLSI design?
Ny mekanisk belteløsning trengs.
Tilrettelegging for serieproduksjon
Teknologi for et bedre samfunn
20
NCEI 2015-03-25
Takk for oppmerksomheten!
Spørsmål?
Teknologi for et bedre samfunn
21