Nghiên cứu thiết kế và điều khiển hướng di chuyển của robot lặn dạng AUV (autonomous underwater vehicle)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINHTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ – BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN HƯỚNG DI CHUYỂN CỦA ROBOT LẶN DẠNG AUV AUTONOMOUS UNDER

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ – BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN

HƯỚNG DI CHUYỂN CỦA ROBOT LẶN DẠNG AUV

(AUTONOMOUS UNDERWATER VEHICLES)

BÁO CÁO LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

1

4 - 1- 2016

1 Tổng quan về đề tài

3

Cần phát triển các loại phương tiện, thiết bị ngầm phục

vụ cho các nhiệm vụ dưới nước

Đặt vấn đề

1 Tổng quan về đề tài

4

Mục tiêu đề tài:

 Nghiên cứu thiết kế và điều khiển hướng di chuyển của robot lặn dạng AUV

(Autonomous Underwater Vehicle)

Nhiệm vụ đề tài:

 Tìm hiểu tổng quan về robot hoạt động dưới nước dạng AUV

 Tìm hiểu về quy trình thiết kế,quy luật chuyển động và quy luật điều khiển của AUV

 Nghiên cứu tính toán thiết kế hệ thống cơ khí của AUV

 Tìm hiểu các cảm biến tích hợp trên AUV

 Tính toán động học, động lực học và xây dựng mô hình toán của AUV di chuyển theo hướng cho trước

 Phân tích động lực học robot

 Nghiên cứu tính toán hệ thống điều khiển hướng di chuyển của AUV Mô phỏng hoạt

 Vận tốc di chuyển tối đa v= 2.9158 knot

 Môi trường làm việc: nước ngọt

 Môi trường thử nghiệm: hồ bơi

 Sai số góc cho phép: 0.1*Góc mong muốn hay 10 độ sai số 1 độ

 Ứng dụng: dùng để khảo sát trong môi trường nước ngọt (AUV có gắn camera

quan sát)

2 Tính toán thiết kế cơ khí

Mục tiêu của thiết kế cơ khí

 Thiết kế robot theo dạng

module, dể chế tạo, linh hoạt

 Thiết kế cơ cấu chống thấm

3 Mô hình động học

7

Phương trình chuyển động chung của AUV

Hình 3: Hệ tọa độ quy chiếu

M + C( + D( + g() =

Trong đó :

 V là vector vận tốc của AUV

 M là ma trận khối lượng và momen quán tính

(1)Công thức chuyển động chung của AUV trong hệ trục 6 bậc tự do:

 C(V) là ma trận Coriolis và lực hướng tâm

4 Các loại cảm biến cho AUV

9

MPU-6050 tích hợp 6 trục cảm biến bao gồm:

+ con quay hồi chuyển 3 trục (3-axis MEMS gyroscope)

+ cảm biến gia tốc 3 chiều (3-axis MEMS accelerometer)

Hình 5: Cảm biến gia tốc và vận tốc góc MPU6050

Cảm biến gia tốc và vận tốc góc GY-521

Thông số kỹ thuật:

 Chip: MPU-6050

 Chip 16-bit AD converter, 16-bit data Output

 Nguồn điện sử dụng từ 3VDC đến 5VDC

 Sử dụng chuẩn giao tiếp I2C với vi điều khiển

 Giá trị vận tốc góc lớn trong khoảng: ±250, 500, 1000, 2000 độ/giây

 Giá trị gia tốc góc trong khoảng: ±2±4±8±16g

 Board mạch mạ vàng, linh kiện hàn tự động bằng máy chất lượng tốt, ổn định chống nhiễu cao

4 Các loại cảm biến cho AUV

Hình 6: Cảm biến HMC5883L.

Cảm biến la bàn (Compass) HMC5883L.

Thông số kỹ thuật:

 Điện áp cung cấp: 3~5 VDC

 Chuẩn giao tiếp I2C giao tiếp với vi điều khiển

 Giá trị từ trường đo được: ± 8.1 Ga

Kết nối phần cứng MPU6050 và HMC5883 thông qua hướng dẫn của nhà sản xuất ta được khối IMU

4 Các loại cảm biến cho AUV

11

Hình 8: Sơ đồ cảm biến áp suất MPX5050

Cảm biến đo độ sâu.

Thông số kỹ thuật:

 Điện áp sử dụng: 4.75 VDC-5.25VDC

 Độ lớn áp suất đo được: 0-50 kPa

 Độ phân giải: 90mV/kPa

 Giao tiếp: ADC

 Giá trị đầu ra từ 0.2-4.7 V

GND

V S

VOUT1

3

2

THIN FILM TEMPERATURE COMPENSATION AND GAIN STAGE #1

GAIN STAGE #2 AND GROUND REFERENCE SHIFT CIRCUITRY

X–ducer SENSING ELEMENT

5 Xây dựng hệ thống điện

Mục tiêu thiết kế mạch điện:

 Đọc tín hiệu từ các cảm biến về,xác định vị trí của AUV

 Truyền giá trị góc điều khiển các động cơ RC điều khiển cánh lái

 Truyền giá trị moment để điều khiển thruster

Hình 9: Mạch giảm áp LM256

Hình 10: Arduino Mega 2560

Hình 11: ESC 60A #920102

Hình 12: Pin

6 Thiết kế bộ điều khiển

Từ (1) ta có các phương liên quan đến điều khiển hướng:

6 Thiết kế bộ điều khiển

15

Ta có ảnh hưởng của lực trược ngang ( Sway) là rất nhỏ, do đó ta bỏ qua thành phần và

Vì vậy (2) được viết thành:

( )

r

r r

6 Thiết kế bộ điều khiển

Bộ điều khiển PD

Các hệ số KP và KD được xác định theo phương

pháp “try error”

PD Process

6 Thiết kế bộ điều khiển

17

Bộ điều khiển PD

6 Thiết kế bộ điều khiển

Bộ điều khiển PD

6 Thiết kế bộ điều khiển

19

Bộ điều khiển PD

K P =4.5 và K D =5.5 với nhiễu hệ thống tác động

6 Thiết kế bộ điều khiển

Bộ điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng phương pháp LQR

Tổng quát, một hệ thống được mô tả bởi :

u r

6 Thiết kế bộ điều khiển

21

Bộ điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng phương pháp LQR

Hình: Bộ điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng phương pháp LQR

6 Thiết kế bộ điều khiển

Bộ điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng phương pháp LQR

Hình: Bộ điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng phương pháp LQR

6 Thiết kế bộ điều khiển

23

Bộ điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng phương pháp LQR

Hình: Bộ điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng phương pháp LQR khi có nhiễu hệ

thống

 Nghiên cứu thiết kế cơ khí cho AUV.

 Nghiên cứu thiết kế lý thuyết bộ điều khiển hướng cho AUV

 Mô phỏng chuyển động của AUV dựa trên mô hình hóa và bộ điều

khiển đã thiết kế

 Nghiên cứu sử dụng hệ thống mạch điều khiển AUV (bao gồm mạch

7 Kết Luận

25

Hạn chế

 đề tài còn hạn chế về khả năng di chuyển của AUV

 Chưa có điều kiện thực nghiệm Chỉ dừng lại ở kết quả mô phỏng

Hướng phát triển

 Xây dựng phương trình động học và động lực học cho Robot Rắn di

chuyển linh hoạt hơn trong không gian 3D

 Trang bị thêm các thiết bị để thực hiện các tác vụ chuyên biệt

 Tiến hành thực hành thực nghiệm bộ điều khiển và kiểm nghiệm bài toán cân bằng

trên lý thuyết, mở rộng để nâng cao khả năng di chuyển cho AUV

8 Tài liệu tham khảo

[5] Ola-Erik Fjellstad (1994), Control of Unmanned Underwater Vehicles in Six Degrees

of Freedom – A Quaternion Feedback Approach, PhD thesis, Dept of Engineering Cybernetics, The Norwegian Institute of Technology, University of Trondheim.

[6] Chen Yang (2007), Modular Modeling And Control For Autonomous Underwater

Vehicle (AUV), A Thesis Submitted For The Degree of Master of Engineering

Depart-ment of Mechanical Engineering National University of Singapore.

[7] J Guo and S.H Huang (1996), Control of an Autonomous Underwater Vehicle Tested Using Fuzzy Logic and Genetic Algorithms, Autonomous Underwater VehicleTechnol- ogy, IEEE

[8] Sebastian O.H Madgwick (2010), An efficient orientation filter for inertial and

CẢM ƠN QUÝ THẦY VÀ CÁC

BẠN ĐÃ LẮNG NGHE !