báo cáo thiết kế chế tạo robot lặn

Tuy nhiên, những thế mạnh của biển vẫn chưa được khai thát hết, những dịch vụ thám hiểm,quan sát cảnh đẹp dưới đáy biển vẫn còn hạn chế trong khi nhu cầu của con người ngày càng tăng, từ

MỤC LỤC:

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 3

PHẦN I : TÌM HIỂU ROBOT LẶN I.TỔNG QUAN VỀ ROBOT LẶN 4

Robot lặn HROV 4

Robot lặn ROV Kiel 6000 5

Robot lặn trong nhà máy điện hạt nhân 5

Robot cá của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật 5

Robot lặn được điều khiển bằng tay đầu tiên 6

Robot lặn biển (ROV Pilot)……… ….… 6

PHẦN II : NỘI DUNG I.YÊU CẦU KỸ THUẬT CỦA ROBOT LẶN:……… …………7

II.PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ……… ……….7

1 Phương án 1……….……….8

2 Phương án 2……… 8

3 Phương án 3……….………….9

4 Lựa chọn phương án ……… ……….……10

III LÀM KÍN NƯỚC CHO ĐỘNG CƠ……….….…… 11

1 Mô đun trục chân vịt……….….…… 13

2 Module động cơ……….……… 14

3 Làm kín nước mô đun động cơ……… …….………16

4 Chân vịt……… …….………18

5 Làm kín mặt sau của modul động cơ……… …….………18

IV.MẠCH ĐIỀU KHIỂN ROBOT LẶN……… ….….…… 19

1 Vi Điều Khiển ……… ….….…… 19

2 Khối nguồn……….……… …….………22

3 Khối điều khiển ……….……….…….……….22

4 Mạch nạp .23

5 Khối LCD hiển thị 25

6 Khối công suất 26

V KIẾN NGHỊ 31TÀI LIỆU THAM KHẢO

2

LỜI NÓI ĐẦU.

Sự phát triển nhanh chóng của xã hội làm nhu cầu của con người ngày càng nâng cao hơn,Không phải ngẫu nhiên mà du lịch đã trở thành ngành mang lại doanh thu ngoại tệ lớn thứ 3 tại Việt Nam, có được điều này cần phải kể đến các điểm đến du lịch nghỉ dưỡng biển các tỉnh duyên hải miền Trung như Đà Nẵng, Nha Trang và các điểm du lịch văn hóa như Hội An, Huế và Hạ Long Mục tiêu trong tương lai của du lịch Việt Nam cũng cần hướng đến là phát triển du lịch thân thiện và bền vững với môi trường, với các sản phẩm du lịch đa dạng gắn liền với phát triển bền vững

Có được các thế mạnh với các điểm đến du lịch kể trên, chúng ta không thể không công nhận một điều là Việt Nam may mắn sở hữu một đường bờ biển dài

và đẹp, nguyên sơ nhất Châu Á và đây là yếu tố quan trọng để Việt Nam xây dựng thương hiệu điểm đến du lịch biển Tuy nhiên, những thế mạnh của biển vẫn chưa được khai thát hết, những dịch vụ thám hiểm,quan sát cảnh đẹp dưới đáy biển vẫn còn hạn chế trong khi nhu cầu của con người ngày càng tăng, từ nhu cầu phát triễn đa dạng hơn nữa các loại hình du lịch biển, và cùng với sự hướng dẫn của thầy ths Vũ Thăng Long nhóm 2 chúng tôi đã tìm hiểu và chế tạo chiếc robot lăn, nó có thể quan sát những cảnh vật dưới đáy biển, giúp ta khám phá được thế giới dưới đáy đại dương

Nhóm 2

PHẦN I : TÌM HIỂU ROBOT LẶN.

I.TỔNG QUAN VỀ ROBOT LẶN:

Thám hiểm, dò tìm… trong điều kiện khắc nghiệt là công việc hết sứckhó khăn và nguy hiểm đối với con người Robot ra đời thay thế con ngườilàm những công việc khó khăn đó.Có những con đang trong giai đoạn nghiêncứu thử nghiệm và có những con đã được sử dụng Chúng không được sảnxuất thương mại mà chủ yếu là sản xuất đơn lẻ, chuyên dụng nên thường giáthành của chúng rất đắt Dưới đây là một số loại robot lặn trên thế giới:

- Robot lặn HROV (viết tắt của

Hybrid Remotely Operated

Vehicle):

Do các nhà khoa học ở Đại học

Johns Hopkins và Viện Hải dương

học Woods Hole đang nghiên cứu

chế tạo và sẽ hoàn thành vào năm

2012 HROV được thiết kế theo hai

kiểu, kiểu thứ nhất được kết nối với

một loại vi cáp đặc biệt, dùng để

cung cấp điện và để liên lạc với

trung tâm Với kiểu robot này, các

nhà khoa học có thể thám hiểm do

họ trực tiếp điều khiển mà không

cần phải lặn xuống đáy biển Kiểu

robot thứ hai là loại thiết bị lặn hoạt động theo chương trình lập sẵn từ trước,

có khả năng tự động khảo sát và thu thập dữ liệu trên một khu vực rộng lớndưới đáy biển để chuyển về cho các nhà khoa học nghiên cứu và phân tích.Tuy nhiên robot HROV có kích thước lớn và chủ yếu dùng để tìm hiểu các

vụ động đất và phun của núi lửa dưới

lòng đại dương

- Robot lặn ROV Kiel 6000:

Được phát minh bởi các nhà nghiên

cứu biển Đức, có thể xuống đến độ

sâu 6.000m để chụp ảnh và lấy mẫu

4

Hình 1: Robot HROV

Hình 2: Robot ROV Kiel 6000

vật ROV Kiel 6000” có hai cánh tay thủy lực có khả năng đo đạc, thu gommẫu nước, mẫu trầm tích và đất đá ở đáy biển Thông qua máy quay phimcác nhà khoa học có thể ghi hình những loài sinh vật bí ẩn sống ở đáy biểnsâu Các dữ liệu và hình ảnh được truyền tức thời qua cáp quang tới ngườiđiều khiển rôbốt cũng như các nhà nghiên cứu trong khoang kiểm soát ở trêntàu nghiên cứu Tuy nhiên Rôbốt lặn này rất nặng (khoảng 30 tấn) và rất đắttiền (trị giá 3,2 triệu euro) và chỉ phù hợp cho nhà nghiên cứu muốn tìm hiểucặn kẽ, chính xác đáy biển hy vọng phát hiện được những loài sinh vật bí ẩn

và đặc biệt là phát hiện được “vàng trắng” Methanhydrat có giá trị kinh tếcao

- Robot lặn trong nhà máy điện hạt

nhân:

Robot do các nhà khoa học của Trung

Quốc chế tạo, có chiều dài 42cm, rộng 19,8

cm, cao 13,8 cm và cân nặng 13,8 kg Đây

là robot đầu tiên thuộc loại này được sử

dụng trong các lò phản ứng hạt nhân của

Trung Quốc Robot có thể lặn vào bể nước

sâu 22m của lò phản ứng với điều kiện nước

có tính axít yếu và độ phóng xạ hạt nhân

thấp Do di chuyển trên 6 bánh xe nên robot

này chỉ thích hợp chạy trên các bề mặt đường tương đối bằng phẳng

- Robot cá của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật:

Robot do nhóm sinh viên trường ĐH Sư

phạm kỹ thuật TP.HCM chế tạo Robot

này đã thể hiện khá nhiều những chức

năng của cá thật, như: bơi lên lặn xuống rất

uyển chuyển, có thể bơi ở những vị trí

khác nhau, có cảm biến tránh cản, rẽ phải,

rẽ trái Với trọng lượng 600gr, dài 350mm,

robot cá có thể được điều khiển để lặn sâu

2m, có thể điều khiển xa nhất khoảng

200m, quay tròn trong bán kính 0,5m

Trong tương lai, robot này sẽ được cải tiến, trang bị thêm các cảm biến phát hiện

Hình 3: Robot trong nhà máy

điện hạt nhân

Hình 4: Robot cá

-Robot lặn được điều khiển bằng tay đầu

tiên:

Trung Quốc sẽ thử nghiệm loại robot lặn được

điều khiển bằng tay đầu tiên của mình ở độ sâu 7000m dưới mực nước biển, cho phép các nhà khoa học nước này thám hiểm ở những nơi khó đến nhất

Ông Sun Zhihui, Giám đốc Cơ quan Hải dương Trung Quốc nói rằng nếu thử nghiệm thành công trong năm nay thì đây sẽ là loại robot lặn được điều khiển bằng tay có thể lặn sâu nhất thế giới Ông Sun cũng cho biết, robot lặn dưới đáy biển này có thể chở được 3 người mỗi lần xuống độ sâu nhất từ trước tới nay, có thể xuống sâu hơn 500m so với loại robot lặn sâu kỷ lục hiện nay

Việc lắp ráp robot này đã kết thúc năm 2008 và dự kiến bắt đầu các thử nghiệm phức tạp theo từng bước năm 2009 Đầu tiên là thử nghiệm ở độ sâu 2000m tới 3000m và cuối cùng là 7000m Nếu thử nghiệm thành công ở độ sâu 7000m thì

đó sẽ là kỷ lục vì từ trước tới nay chỉ có robot lặn được ở độ sâu 6500m Độ sâu trung bình của các đại dương trên thế giới là 3790m

Các robot lặn dưới nước đóng vai trò quan trọng trong thám hiểm đáy đại dương

và các cực Trái đất Ngoài ra chúng còn được sử dụng trong các thí nghiệm dưới lớp băng hoặc những nơi có điều kiện nhiệt độ và áp suất đặc biệt để thu thập dữ liệu

- Robot lặn biển (ROV Pilot):

-6

Sản phẩm của công ty chuyên lắp ráp robot lặn biển đầu tiên ở Việt

Nam, một thành viên trong 300 thành viên chính thức của Hiệp hội Thế giới các nhà thầu dưới đáy biển IMCA

Robot lặn biển là những “con” robot chuyên làm nhiệm vụ dưới đáy đại dương thay mặt con người, một công nghệ mới tới mức ngay cả quốc gia sản sinh ra nó là Anh quốc cũng chưa kịp đưa nó vào tự điển Vậy mà đã có một người Việt Nam tiếp cận được công nghệ này, và trở thành đại diện duy nhất, đại lý độc quyền bán, huấn luyện và sửa chữa robot lặn biển tại Việt Nam chotập đoàn chuyên sản xuất robot lặn biển của Anh quốc mang tên Hydro, Vision and Seaeye Marine (Nước, Tầm nhìn và Mắt biển)

PHẦN II : NỘI DUNG I.YÊU CẦU KỸ THUẬT CỦA ROBOT LẶN:

- Tốc độ di chuyển tiến lùi tối đa là 0.5m/s

- Tốc độ di chuyển lên xuống tối đa là 0.2m/s

- Dộ sâu lặn tối đa là 10m

- Có khả năng tự cân bằng tĩnh

II.PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ :

1 Phương án 1 :

+Bốn động cơ còn lại có nhiệm vụ giúp robot lặn xuống và nổi lên Khi robotlặn xuống theo phương thẳng đứng ta điều khiển 4 động cơ 3, 4, 5, 6 cùng quaytheo chiều thuận Khi muốn robot vừa tiến vừa lặn xuống ta điều khiển cùng 6động cơ quay theo chiều thuận.

Ưu điểm:

- Lặn xuống và nổi lên, tiến lùi tương đối dễ dàng do sử dụng 6 động cơ

- Giữ được thăng bằng tốt trong quá trình điều khiển robot lặn ổn định.Nhược điểm:

- Do sử dụng tới 6 động cơ điện một chiều nên robot sẽ cồng kềnh, khốilượng lớn

- Giá thành robot cao

+Ba động cơ còn lại có nhiệm vụ giúp robot lặn xuống và nổi lên Khi robot lặnxuống theo phương thẳng đứng ta điều khiển 3 động cơ 1, 2, 3 cùng quay theochiều thuận Khi muốn robot vừa tiến vừa lặn xuống ta điều khiển cùng 5 động

cơ quay theo chiều thuận,trong đó tốc độ quay động cơ 1 luôn nhỏ hơn tốc độquay của động cơ 2 và 3

- Giá thành thấp hơn so với cách sử dụng 6 động cơ

Nguyên lý:

Trong thân robot có chế tạo riêng một khoang chứa nước Khi muốn chìmxuống ta chỉ cần bơm nước vào trong khoang, như vậy sẽ làm tăng trọng lượngcủa robot lên như vậy robot sẽ chìm xuống Khi muốn nổi lên ta lại thay đổitrọng lượng bằng cách bơm nước trong khoang ra ngoài Robot di chuyển tiến lùithông qua hệ thống chân vịt và bánh lái

- Khó khăn trong việc chế tạo bơm thủy lực để hút và xả nước

- Tốc độ đáp ứng khi nổi và lặn chậm hơn sử dụng động cơ

- Tính năng động lực học chưa đáp ứng yêu cầu phục vụ nuôi trồng thủysản

3 Lựa chọn phương án :

Qua phân tích các phương án được đưa ra, phương án 2 có nhiều ưu điểm vàđược chọn để thiết kế:

10

- Nó có cả ưu điểm của phương án 1 và 3.

- Tính năng động lực học tốt

- Kích thước nhỏ gọn phù hợp với việc quan sát trong các lồng nuôi

II.LÀM KÍN NƯỚC CHO ĐỘNG CƠ :

Robot hoạt động với 5 động cơ điện một chiều 24V, công suất mỗi động cơ

là 60W Các động cơ thực hiện các chức năng: Tạo nguồn động lực giúp robot dichuyển tiến lùi và chuyển động lên xuống Lực đẩy robot di chuyển được tạo ranhờ chân vịt gắn trên đầu trục động cơ, chân vịt có đường kính cánh là 120mm,bước xoắn cánh quạt là 40o

Do robot hoạt động trong môi trường nước nên động cơ được gắn lênrobot phải được bảo vệ kín nước

Hình 1: Hình dáng bên ngoài mô đun động cơ.

12

Hình 2 : Mặt cắt module động cơ.

1: Nắp làm kín phía trước; 2: Động cơ; 3: Vỏ động cơ; 4: Vỏ làm kín phía sau;5: Chân vịt; 6: Vòng liên kết giữa module và khung robot; 7: Ống nối trục;

8: Thanh nối giữa hai ống nối trục; 9: Trục nối động cơ và chân vịt ; 10:Đai ốc

1 Mô đun trục chân vịt :

Năp làm kín này cấu tạo gồm: hai ổ bi chặn kích thước 8 x 22, 2 phốt chắndầu kích thước 8 x 22, 1 ống bao ngoài bằng nhựa PVC kích thước  23 x 35,

mỡ bò, keo dán nhựa PVC, keo dán cố định AB

Hình 3 : Trục, ổ bi, phe và phốt.

Hình 4 : Các chi tiết bên trong sau khi lắp ráp

Hình 5: Mô đun trục chân vịt sau khi hoàn thiện.

4 Module động cơ :

Trước tiên ta phải nối trục giữa trục động cơ và mô đun trục chân vịt Để nốitrục ta dùng ống nối trục chế tạo bằng gang

14

Hình 6 : Bản vẽ thiết kế ống nối trục

Hình 7 : Sau khi chế tạo thành công

Hình 8 : Sau khi nối với động cơ và khớp mềm.

3.Làm kín nước mô đun động cơ:

Module làm gồm một ống  42 được tiện ren ngoài ở 2 đầu thân, với bướctiến ren là 2mm, chiều dài chạy ren là 25mm (hình 2.26), và 2 nắp đậy 55, 1nắp được khoét một lỗ nhỏ  23 để liên kết với phần trục nối với chân vịt saukhi được làm kín ra ngoài Nắp còn lại thì khoan một lỗ  6 để đưa dây tín hiệuđiều khiển động cơ ra ngoài

16

Hình 9 : Phần thân được tiện ren ngoài.

Hình 10 : Bản vẽ thiết kế nắp đậy mô đun động cơ.

Do vị trí trục động cơ không nằm tại tâm điểm, nên việc khoan các lỗ  23

để gắn phần trục nối chân vịt sẽ phụ thuộc vào từng vị trí của trục động cơ Côngviệc này sẽ được tiến hành trong khi ghép nối các chi tiết lại với nhau

Muốn nối chúng lại với nhau ta cho các đầu nắp đậy ăn khớp với thân baođộng cơ, để đảm bảo kín nước hoàn toàn ta dùng cao su non quấn một số vòngnhỏ ở các đầu tiện ren trước khi ta cho các phần này ăn khớp lại với nhau

Hình 11 : Nắp đậy sau khi hoàn thiện.

Sau khi tất cả các chi tiết đã được lắp ghép với nhau để gắn cố định, và đảmbảo kín nước hoàn toàn ta dùng dung dịch keo AB quét một lớp bên ngoài phầntiếp xúc giữa ống bao ổ bi và môi trường nước.

5 Làm kín mặt sau của modul động cơ:

Việc làm kín nước phần nối trục đã được giải quyết tuy nhiên trên mô đunđộng cơ vẫn còn chi tiết cần phải làm kín đó là phần đưa dây tín hiệu ra ngoàiđiều khiển

18

Hình 12 : Thân bao và nắp đậy được ăn khớp với nhau.

Phương pháp ở đây là sử dụng một ống mềm bao bên ngoài dây tín hiệu,sau đó liên kết cứng ống mềm này với nắp bằng composite như vậy sẽ đảm bảokín nước phần ống mềm với nắp, tiếp theo cần làm kín phần ống mềm và dây.Như vậy khi cần tháo lắp chỉ cần tháo kết nối giữa dây điện và ống mềm màkhông ảnh hưởng tới mối nối bên ngoài.

IV.MẠCH ĐIỀU KHIỂN ROBOT LẶN:

Sơ đồ:

Hình 14 : Sau khi bọc ống mềm vào dây điện.

mạnh ngang hàng với các họ vi điều khiển 8 bit khác như PIC, PISOC Ngoài ra,

do ra đời muộn hơn nên họ vi điều khiển AVR có nhiều tính năng mới đáp ứngtối đa nhu cầu của người sử dụng, so với họ 8051 89xx thì nó độ ổn định, khảnăng tích hợp, sự mềm dẻo trong việc lập trình và tiện lợi hơn

a.Tính năng mới của họ AVR:

- Giao diện SPI đồng bộ

- Giao tiếp I2C

- Bộ biến đổi ADC 10 bit

- Các kênh băm xung PWM

- Các đường dẫn vào/ra (I/O) lập trình được

- Giao tiếp USART

b Giới thiệu về họ vi điều khiển Atmega32L

20

Hình 1 : Sơ đồ chân ATEMEGA32L.

có đầy đủ tính năng của họ AVR, về giá thành so với các loại khác thì giáthành vừa phải khi nghiên cứu và làm các công việc ứng dụng tới vi điều khiển

c Tính năng

- Bộ nhớ 16K(flash), 512 byte (EEPROM), 1 K (SRAM)

- Đóng vỏ 40 chân , trong đó có 32 chân vào ra dữ liệu chia làm 4 PORTA,B,C,D Các chân này đều có chế độ pull_up resistors

- Giao tiếp SPI - Giao diện I2C - Có 8 kênh ADC 10 bit

- 1 bộ so sánh analog

- 4 kênh PWM

22

- 2 bộ Timer/Counter 8 bit, 1 bộ Timer/Counter 16 bit.

- 1 bộ định thời Watchdog

- 1 bộ truyền nhận UART lập trình được

d Mô tả các chân:

- Vcc và GND: Cấp nguồn cho vi điều khiển hoạt động

- Reset: chân reset cứng khởi động lại mọi hoạt động của hệ thống

- XTAL1, XTAL2: Tạo bộ dao động ngoài cho vi điều khiển, các chân nàyđược nối với thạch anh (hay sử dụng loại 8M, 11.0592M hoặc 12M), tụgốm (22p, 28p…)

- Vref: Thường nối lên 5V (Vcc), khi sử dụng bộ ADC thì chân này được sửdụng làm điện thế so sánh, khi đó phải cấp cho nó điện áp cố định

- Chân Avcc: Thường được nối lên Vcc nhưng khi sử dụng bộ ADC thì chânnày được nối qua 1 cuộn cảm lên Vcc với mục đích ổn định điện áp cho bộ biếnđổi

2 Khối nguồn :

Khối nguồn có vai trò rất quan trọng, ảnh hưởng rất lớn tới tính ổn định của

hệ thống, nó cung cấp điện áp ra ổn định ở mức 5V để cung cấp cho các vi mạchsố

a Mạch nguyên lý :

b.Phân tích

-Diot D3 có tác dụng ngăn dòng xoay chiều, cho dòng một chiều đi qua.-Các tụ điện có tác dụng san phẳng điện áp sau chỉnh lưu

3 Khối điều khiển :

a Mạch nguyên lý :

b.Phân tích:

Tụ điện ở chân Reset có tác dụng xác định thời gian khởi động lại cho chip,giá trị tụ càng cao thì thời gian reset càng lâu, chip sẽ hoạt động sau khoảng thờigian lâu hơn

Khối program để nạp chương trình vào cho ATMEGA 32, thạch anh được

sử dụng có tần số 11.0592Mhz

Khối LCD hiển thị các thông tin lên màn hình nhỏ từ AVR Có 4 PORTA,B,C,D vừa có thể là đầu vào, vừa có thể là đầu ra tùy theo cách khai báo Dorobot sử dụng 5 động cơ, và mỗi động cơ cần có 2 chân điều khiển (một chânkích relay đảo chiều, một chân kích IRF cho động cơ hoạt động), do đó 10 châncủa vi điều khiển AVR được sử dụng để điều khiển đông cơ

Để điều khiển tốc độ động cơ được như mong muốn ta sử dụng phươngpháp PWM (điều chế độ rộng xung) Do vi điều khiển phần cứng chỉ có 3 chế độ

24