điều khiển chuyển động của phương tiện ngầm điều khiển từ xa (ROV)

Phương tiện ngầm điều khiển từ xa là một trong những phương tiện ngầm được các nhà nghiên cứu đại dương sử dụng nhiều trong những năm gần đây.. Đó chính là một trong những lý do quan trọ

GVHD: TS Võ Tường Quân

MỤC LỤC Mục lục: 1

Danh mục các hình 3

Danh mục các bảng 5

Danh mục các ký hiệu 6

Lời cảm ơn:

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG TIỆN NGẦM 9

1.1 Đặt vấn đề 9

1.2 Tổng quan về phương tiện ngầm điều khiển từ xa 10

1.2.1 Sơ lược quá trình phát triễn phương tiện ngầm điều khiển từ xa 11

1.2.2 Ứng dụng phương tiện ngầm điều khiển từ xa 13

1.3 Tổng quan về phương tiện ngầm tự hành 14

1.3.1 Sơ lược quá trình phát triễn phương tiện ngầm tự hành 15

1.4 Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài 16

1.4.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 16

1.4.2 Các bài báo liên quan đến lĩnh vực đề tài 16

1.5 Mục tiêu đề tài 18

1.6 Nội dung công việc thực hiện 19

1.7 Tóm tắt các chương mục 20

CHƯƠNG II: MÔ HÌNH TOÁN HỌC 22

2.1 Giới thiệu về mô hình vật lý và bộ thông số của phương tiện ngầm 22

2.2 Mô hình toán học của phương tiện ngầm điều khiển từ xa 23

2.2.1 Hệ trục tọa độ 23

GVHD: TS Võ Tường Quân

2.2.2 Tọa độ chuyển đổi 25

2.2.2.1 Chuyển đổi vận tốc tuyến tính 25

2.2.2.2 Chuyển đổi vận tốc gốc 27

2.2.3 Công thức chuyển động của phương tiện ngầm điều khiển từ xa 28

2.2.3.1 Chuyển động tịnh tiến 28

2.2.3.2 Chuyển động xoay 30

2.2.3.3 Công thức chuyển động chung của ROV 31

2.2.4 Các thành phần của công thức chuyển động 32

2.2.4.1 Ma trận quán tính 32

2.2.4.2 Ma trận Coriolis và hướng tâm 33

2.2.4.3 Ngoại lực và moment 33

2.2.4.3.1 Lực thủy tĩnh 34

2.2.4.3.2 Lực và moment thủy động 35

2.2.4.3.3 Lực và moment do các yếu tố bên ngoài 37

2.2.4.3.4 Lực và momnet do động cơ 37

CHƯƠNG III: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 40

3.1 Giới thiệu về phương pháp điều khiển ROV 40

3.2 Bộ điều khiển PD 41

3.3 Bộ điều khiển Fuzzy_PD 42

CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 47

4.1 Bộ điều khiển PD 47

4.2 Bộ điều khiển Fuzzy-PD 50

4.3 Kết luận 54

GVHD: TS Võ Tường Quân

CHƯƠNG V: CÁC LOẠI CẢM BIẾN 55

5.1 Tổng quan các loại cảm biến được sử dụng 55

5.2 Cảm biến gia tốc và vận tốc góc GY-521 55

5.3 Cảm biến la bàn (Compass) 56

5.4 Cảm biến đo độ sâu 60

CHƯƠNG VI: THỰC NGHIỆM 62

6.1 Chương trình giao diện điều khiển 62

6.2 Mô hình thực tế 63

6.3 Kết quả thực nghiệm 64

CHƯƠNG VII: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỄN 68

7.1 Kết luận 68

7.2 Hướng phát triễn 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

PHỤ LỤC 72

GVHD: TS Võ Tường Quân

Danh mục các hình Hinh 1.1: Hệ thống phương tiện ngầm điều khiển từ xa ROV:

Hình 1.2 :ROV CURV-I thu hồi 1 quả bom hạt nhân:

Hình 1.3: ROV Hercules khám phá RMS Titanic năm 2004:

Hình 1.4: ROV GNOM kiểm tra đường ống:

Hình 1.5: Phương tiện ngầm tự hành AUV:

Hình 1.6: Ngư lôi Fish của Robert Whitehead:

Hình 1.7: ROV ROSUB6000 giữ ổn định hướng với bộ điều khiển PD:

Hinh 1.8: ROV bám theo quỹ đạo trong mặt phẳng thẳng đứng với

Hình 1.9: ROV giữ ổn định hướng và độ sâu với bộ điều khiển

Hình 2.1: Mô hình cơ khí phương tiện ngầm điều khiển từ xa:

Hình 2.2: Các tham số chuyển động chính của ROV:

Hình 2.3: Biểu diễn xoay các góc Euler Z-Y-X:

Hình 2.4: Hệ tọa độ trái đất cố định và hệ tọa độ gắn ROV xoay:

Hình 2.5: Sơ đồ lực đẩy của động cơ trong hệ tọa độ {B}:

Hình 3.1: Mô hình bộ điều khiển Fuzzy-PD:

Hình 3.2: Dạng hàm liên thuộc của sai số:

Hình 3.3: Dạng hàm liên thuộc của độ biến đổi sai số:

Hình 3.4: Dạng hàm liên thuộc của Kp:

Hình 3.5: Dạng hàm liên thuộc của Kd:

Hình 3.6: Mối liên hệ giữa input và Kp trong bộ điều khiển Fuzzy-PD:

Hình 3.7: Mối liên hệ giữa input và Kd trong bộ điều khiển Fuzzy-PD:

Hình 4.1: Đồ thị nhiễu góc quay:

GVHD: TS Võ Tường Quân

Hình 4.2: Đồ thị nhiễu độ sâu:

Hình 4.3: Đáp ứng góc quay mong muốn 30 độ với bộ điều khiển PD:

Hình 4.4: Đáp ứng góc quay mong muốn -60 độ với bộ điều khiển PD:

Hình 4.5: Đáp ứng góc quay mong muốn 30 độ với bộ điều khiển PD

Hình 4.6: Đáp ứng góc quay mong muốn -60 độ với bộ điều khiển PD

Hình 4.7: Đáp ứng độ sâu mong muốn 1m với bộ điều khiển PD

Hình 4.8: Đáp ứng độ sâu mong muốn 1m với bộ điều khiển PD

Hình 4.9: Đáp ứng góc quay mong muốn 30 độ với bộ điều khiển Fuzzy-PD

Hình 4.10: Đáp ứng góc quay mong muốn -60 độ với bộ điều khiển Fuzzy-

Hình 4.11: Đáp ứng góc quay mong muốn 30 độ với bộ điều khiển PD

Hình 4.12: Đáp ứng góc quay mong muốn -60 độ với bộ điều khiển

Hình 4.13: Đáp ứng độ sâu mong muốn 1m với bộ điều khiển Fuzzy-PD

Hình 4.14: Đáp ứng độ sâu mong muốn 1m với bộ điều khiển Fuzzy-PD

Hình 5.1: Cảm biến gia tốc và vận tốc góc MPU6050

Hình 5.2: Cảm biến HMC5883L

Hình 5.3: Cảm biến độ sâu

Hình 6.1: Màn hình điều khiển ROVs

Hình 6.2: Kích thước của khung ROVs

Hình 6.3: Mô hình robot thực tế

Hình 6.4: Mô hình robot thực tế

Hình 6.4: Hệ thống mạch điện

Hình 6.5: Đáp ứng góc quay (yaw) của ROV

Hình 6.6: Đáp ứng góc gập (pitch) của ROV

GVHD: TS Võ Tường Quân

Hình 6.7: Đáp ứng góc lắc (roll) của ROV Hình 6.8: Đáp ứng độ sâu của ROV

GVHD: TS Võ Tường Quân

Danh mục các bảng:

Bảng 2.1: Tóm tắt các chuyển động chính của ROV: Bảng 3.1:Bộ luật Fuzzy cho Kp: Bảng 3.2: Bộ luật Fuzzy cho Kd:

GVHD: TS Võ Tường Quân

Danh mục các ký hiệu:

ROV: Phương tiện ngầm điều khiển từ xa

AUV: Phương tiện ngầm tự hành

N : Thành phần của ma trận quán tính cộng thêm được

gây ra bỡi lực thủy động

X

 , Y, Z, K, K, N: Thành phần ngoại lực gây ra theo các trục.

GVHD: TS Võ Tường Quân

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành chương trình cao học và viết luận văn này, tôi đã nhận được

sự hướng dẫn, giúp đỡ và góp ý nhiệt tình của quý thầy cô trường Đại học Giao Thông Vận Tải Thành phố Hồ ChíMinh

Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến thầy – Tiến sĩ VÕ TƯỜNG QUÂN, giảng viên trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu và giúp tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, các em sinh viên đã động viên, giúp đỡ và tạo rất nhiều điều kiện để tôi học tập và hoàn thành tốt khóa học

Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình

và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quí báu của quí thầy cô và các bạn

TP Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015 Học viên

do tính chất phức tạp và nguy hiểm của môi trường làm cho việc thăm dò khó khăn

Do đó, sự trợ giúp của các trang thiết bị tiên tiến để các nhà khoa học tìm hiểu, khảo sát môi trường là rất cần thiết Phương tiện ngầm điều khiển từ xa là một trong những phương tiện ngầm được các nhà nghiên cứu đại dương sử dụng nhiều trong những năm gần đây

Đặc biệt nước ta có một bờ biển dài hơn 3000 km và một diện tích rất lớn ao

hồ đầm lầy… Việc thăm dò và khai thức những nguồn tài nguyên trong lòng đại dương đã gặp phải những hạn chế trong những vùng biển sâu Đối với các công trình trên biển như giàn khan, đường ống dẫn dầu, đường dây cáp quang… trong quá trình xây dựng và khai thác thì nhu cầu thăm dò, khảo sát, tiến hành các công việc dưới nước là tất yếu Trong quân sự, việc rà quét và tháo gỡ thủy lôi, mìn làm sạch các vùng nước sau chiến tranh và chuẩn bị cho việc đổ bộ tác chiến… cũng được tiến hành dưới nước Các công việc cứu hộ, cứu nạn, trục vớt trên biển cũng phát sinh khi việc lưu thông ngày càng phát triển

Vấn đề đặt ra là các công việc dưới nước được thực hiện trong môi trường khắc nghiệt như độ sâu, sóng, gió, ô nhiễm, nguy hiểm …, với các công cụ thô sơ, các thợ lặn làm việc dưới nước thì khả năng còn giới hạn và tính rủi ro cao Vì vậy,

sự trợ giúp của các công cụ nghiên cứu, giám sát hiện đại là việc làm tất yếu Đó chính là một trong những lý do quan trọng để nghiên cứu và phát triển các loại phương tiện, thiết bị ngầm phục vụ cho các nhiệm vụ dưới nước và phương tiện ngầm điều khiển từ xa được chọn làm đề tài nghiên cứu trong luận văn này

GVHD: TS Võ Tường Quân

Hiện nay, trên thế giới có nhiều loại phương tiện ngầm khác nhau để thực hiện các công việc dưới nước nhưng phổ biến có 2 loại sau: phương tiện ngầm điều khiển từ xa (tên tiếng anh :Remotely Operated Vehicles, tên viết tắt: ROV), phương tiện ngầm tự hành (tên tiếng anh :Autonomous Underwater Vehicles, tên viết tắt: AUV)…Mỗi loại có tính ưu việt và ứng dụng riêng, trong phạm vi luận văn này chúng tôi nghiên cứu về phương tiện ngầm điều khiển từ xa và được gọi là ROV Tuy nhiên, tôi cũng giới thiệu sơ lược về phương tiện ngầm tự hành, được gọi là AUV, nhằm cung cấp các kiến thức tổng quan về các loại phương tiện ngầm

1.2 Tổng quan về phương tiện ngầm điều khiển từ xa (ROV)

Phương tiện ngầm điều khiển từ xa (ROV) được liên kết với trung tâm điều khiển, trạm năng lượng trên tàu mẹ bằng hệ thống cáp trong quá trình hoạt động Vì vậy phương tiện ngầm điều khiển từ xa này dễ điều khiển, cấp nguồn và truyền tín hiệu thông qua dây cáp ROV thường làm việc trong điều kiện phức tạp hoặc trong vùng nước sâu, vì vậy sợi cáp liên kết và truyền tín hiệu được sử dụng cùng với một

hệ thống điều khiển cáp Mục đích của hệ thống điều khiển cáp là để kéo dài và rút ngắn cáp vì vậy hiệu quả của việc kéo cáp nơi có dòng chảy ngầm được đảm bảo Phần thân ROV được trang bị các thiết bị đẩy, hệ thống tạo sức nổi, hộp chứa thiết

bị điện tử, camera, hệ thống chiếu sáng Thiết bị bổ sung thường được trang bị thêm vào để mở rộng khả năng của ROV như là: máy ảnh; tay máy có khớp nối được sử dụng để lấy các vật nhỏ, cắt đường dây, gắn móc để nâng các vật lớn hơn và các

GVHD: TS Võ Tường Quân

Hinh 1.1: Hệ thống phương tiện ngầm điều khiển từ xa ROV [1]

1.2.1 Sơ lược quá trình phát triễn phương tiện ngầm điều khiển từ xa (ROV)

Phương tiện ngầm điều khiển từ xa (ROV) đầu tiên được chế tạo mang tên Poole do Dimitri Rebikoff vào năm 1953 Khi sử dụng lần đầu tiên vào năm 1954, Poodle gửi lên video của hai xác tàu Phoenician trước đây chưa được khám phá ở

là các thiết bị đã góp phần thu thập lại những gì còn sót lại của Titanic, chuyến tàu

xấu số nổi tiếng nhất trong lịch sử loài người

Hình 1.3: ROV Hercules khám phá RMS Titanic năm 2004 [14]

GVHD: TS Võ Tường Quân

Các bước tiếp theo trong việc thúc đẩy cho sự phát triễn của công nghệ này

là phát triễn các ROV hổ trợ cho sự phát triễn ngành công nghiêp dầu mỏ ngoai khơi ROV trở nên cần thiết trong những năm 1980 khi sự phát triển ra đại dương vượt quá tầm của các thợ lặn Trong thời gian giữa những năm 1980, ngành công nghiệp ROV biển bi sa sút nghiêm trọng do sự sụt giảm của giá dầu và một cuộc suy thoái kinh tế toàn cầu Nhưng sau đó, phát triển công nghiệp ROV đã tăng tốc

và ngày nay ROV thực hiện nhiều nhiệm vụ quan trọng trong nhiều lĩnh vực

1.2.2 Ứng dụng phương tiện ngầm điều khiển từ xa (ROV)

Tùy thuộc vào loại công việc và phạm vi ứng dụng mà người ta thiết kế robot với những kích cỡ khác nhau, chúng có thể tích từ 0,15m3 đến 10m3và khối lượng

từ vài chục kg đến hàng chục tấn

Trong khoa học: phương tiện ngầm điều khiển từ xa được dùng để lập bảng

đồ đáy biển, lấy mẫu địa chất, giám sát hải dương học, quan sát đời sống của các loài thủy sinh vật học…

Trong ngành công nghiệp gas và dầu khí, phương tiện ngầm điều khiển từ xa được sử dụng để làm những công việc như khảo sát và đánh giá tài nguyên, xây dựng và bảo trì các cấu trúc dưới nước

Hình 1.4: ROV GNOM kiểm tra đường ống [15]

GVHD: TS Võ Tường Quân

Trong ngành viễn thông, ROV được sử dụng để khảo sát đáy biển trước khi đặt cáp trong lòng biển và để thanh kiểm tra hiện trạng cáp truyền Nếu phải chôn cáp dưới đáy biển thì ROV cũng được thiết kế để đáp ứng công việc này

Trong lĩnh vực môi trường, phương tiện ngầm điều khiển từ xa được sử dụng như một giá di động trên đó có lắp các sensor để thu thập dữ liệu về độ phóng xạ,

độ rò rỉ, ô nhiễm

Trong lĩnh vực quân sự, phương tiện ngầm điều khiển từ xa được sử dụng để cài hoặc tìm kiếm và tháo gỡ thủy lôi, mìn Nó có thể phối hợp cùng con người trong việc tác chiến dưới nước

Ngoài ra, trong các lĩnh vực khác trong ngành thủy sản robot dưới nước được

sử dụng để theo dõi việc sinh sản của các đàn cá Trong ngành năng lượng nguyên

tử các robot dưới nước cỡ nhỏ được dùng để kiểm tra các thiết bị trong nhà máy điện nguyên tử Phương tiện ngầm điều khiển từ xa đã được sử dụng để xác định vị trí nhiều vụ đắm tàu trong lịch sử như RMS Titanic, Bismarck, USS Yorktown, và

SS Trung Mỹ

1.3 Tổng quan về phương tiện ngầm tự hành (AUV)

Phương tiện ngầm tự hành (AUV) là một dạng robot hoạt động dưới nước

mà việc cấp nguồn và điều khiển không đòi hỏi sự can thiệp từ bên ngoài trong quá trình hoạt động AUV được lập trình sẵn, có thể điều hướng và định vị bằng hệ thống GPS Vì vậy robot này có thể hoạt động độc lập trong thời gian vài giờ hoặc vài ngày; tính di động và phạm vi không gian hoạt động rộng hơn ROV Hầu hết các AUV có hình dạng ngư lôi, nhưng một số có cấu hình phức tạp hơn cho phép chúng di chuyển chậm hơn trên những địa hình phức tạp Tùy thuộc vào khả năng chịu áp lực, hiện nay các AUV trong nghiên cứu khoa học có thể hoạt động ở độ sâu

6000 m dưới đáy biển Trong các ứng dụng quân sự AUV được sử dụng thường xuyên hơn và được gọi đơn giản là phương tiện không người lái dưới nước (UUV – Unmanned Underwater Vehicle)

GVHD: TS Võ Tường Quân

Hình 1.5: Phương tiện ngầm tự hành AUV [15]

1.3.1 Sơ lược quá trình phát triễn phương tiện ngầm tự hành (AUV)

Các phương tiện ngầm tự hành (AUV) đầu tiên được nghiên cứu tại phòng thí nghiệm Vật lý ứng dụng tại trường Đại học Washington vào đầu năm 1957 bởi Stan Murphy, Bob Francois và sau đó là Terry Ewart được gọi là Thiết bị nghiên cứu dưới nước với mục đích đặc biệt - SPURV (Special Purpose Underwater Research Vehicle) Các SPURV đã được sử dụng để nghiên cứu sự lan truyền ánh sáng, âm thanh trong nước ngầm Năm 1966, Robert Whitehead đã thiết kế, chế tạo

và thử nghiệm ngư lôi đầu tiên được đặt tên là “ Fish ” Ngư lôi này có khả năng di chuyển 3m/s và đi được 700m được xem là AUV đầu tiên, bắt đầu cho sự nghiên cứu và phát triễn AUV sau này

Hình 1.6 : Ngư lôi Fish của Robert Whitehead [17]

GVHD: TS Võ Tường Quân

Vào những năm 1970, các phiên bản AUV bắt đầu được phát triển tại Viện Công nghệ Massachusetts Các AUV đầu tiên cụ thể triển khai cho khoa học địa chất biển có lẽ là Ifremer L’Epaulard AUV, được sử dụng trong những năm đầu thập niên 1980 để phát hiện các trường mangan nằm ở biển sâu (Galerne, 1983) Đến đầu năm 1990, hơn 56 AUV khác nhau đã được mô tả trong các tài liệu được công bố Tuy nhiên đến năm 2007, có tổng cộng 92 Remus AUV đã được sử dụng trong các lĩnh vực, trong đó 82 là dùng cho quân đội, còn lại mười cho mục đích khoa học Việc tăng cường sử dụng AUV trong môi trường biển được phản ánh trong các ấn phẩm khoa học địa chất biển Sự bùng nổ này cũng được phản ánh trong các số lượng thông tin đăng tải trên internet toàn cầu

1.4 Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài

1.4.1 Nghiên cứu trong nước

Hiện nay việc nghiên cứu hoạt động của phương tiện ngầm bắt đầu được quan tâm ở trường ĐH Bách khoa Hà Nội và trường ĐH Bách khoa TP HCM, trường ĐH Giao thông vận tải TP.HCM, Học viện Hải quân Chắc chắn việc nghiên cứu chế tạo và sử dụng phương tiện ngầm sẽ được quan tâm nhiều hơn, góp phần giải quyết nhiều nhiệm vụ trong kỹ thuật khai thác dầu khí, viễn thông, trong quốc phòng và trong giao thông đường thủy…

1.4.2 Các bài báo nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực đề tài

Nhiều bộ điều khiển đã được thiết kế cho phương tiện ngầm điều khiển từ xa

và phương tiện ngầm tự hành Nhiều bộ điều khiển được thiết kế dựa vào tính chất của ROV, một số thiết kế khác là bộ điều khiển phi tuyến để đạt hiệu quả và tối ưu đối với các thông số không chắc chắn của ROV Sau đây là một vài bộ điều khiển được thiết kế liên quan đến đề tài

Ngày nay, bộ điều khiển PID là bộ điều khiển được sử dụng rộng rãi trong các bộ điều khiển công nghiệp Bộ điều khiển PID có ưu điểm là thời gian đáp ứng nhanh, giảm sai số xát lập, giảm độ vọt lố Tuy nhiên cũng tùy từng đối tượng mà

có đủ các thành phần K , P K , I K hay không Các mô hình động học ROV là phi D

Hình 1.7: ROV ROSUB6000 giữ ổn định hướng với bộ điều khiển PD [1] Với thiết kế bộ điều khiển cuốn chiếu trong [2], ROV di chuyển trong mặt phẳng thẳng đứng Kết quả đạt được là hệ thống giữ được trạng thái ổn định khi bám theo quỹ đạo với sai số gần như bằng 0

Hinh 1.8: ROV bám theo quỹ đạo trong mặt phẳng thẳng đứng với bộ điều

khiển cuốn chiếu [2]

GVHD: TS Võ Tường Quân

Trong [3] là sự kết hợp bộ điều khiển trượt và cuốn chiếu để bám theo quỹ đạo 3D, điều khiển độ sâu và giữ ổn định hướng ROV Với ảnh hưởng của dòng chảy và 20ung nước bộ điều khiển vẫn đáp ứng tốt

Hình 1.9: ROV giữ ổn định hướng và độ sâu với bộ điều khiển trượt và cuốn chiếu kết hợp [3]

Trong luận văn này, tôi thiết kế bộ điều khiển Fuzzy-PD để điều khiển giữ

ổn định hướng và độ sâu ROV Bộ điều khiển PD thực hiện tốt khi các thành phần phi tuyến được tuyến tính hóa Tuy nhiên do ảnh hưởng của môi trường thì các thông số K , P K , I K ban đầu không đáp ứng tốt ở những thời điểm khác nhau khi D

ROV hoạt động Vì vậy việc lựa chọn bộ điều khiển Fuzzy-PD là sự kết hợp giữa

bộ điều khiển tuyến tính và bộ điều khiển phi tuyến sẽ khắc phục được khuyết điểm trên

1.5 Mục tiêu đề tài

Mục tiêu chính của đề tài là điều khiển chuyển động của phương tiện ngầm điều khiển từ xa (ROV) với một số chức năng chính như sau:

1.6 Nội dung công việc cần thực hiện

 Nghiên cứu cơ sở lý luận và thực tiễn của phương tiện ngầm điều khiển từ xa (ROV)

 Mô hình hóa phương tiện ngầm điều khiển từ xa: Phân tích động học/động lực học, lực và moment tác động lên phương tiện ngầm điều khiển từ xa trong hệ tọa độ 6 bậc tự do

 Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển để phương tiện ngầm điều khiển từ xa thực hiện chức năng giữ ổn định hướng và giữ ổn định độ sâu bằng các bộ điều khiển Fuzzy-PD

 Mô phỏng chuyển động của phương tiện ngầm điều khiển từ xa dựa trên mô hình hóa phương tiện ngầm điều khiển từ xa và bộ điều khiển đã thiết kế

 Nghiên cứu thiết kế hệ thống mạch điều khiển cho phương tiện ngầm điều khiển từ xa (bao gồm mạch điều khiển, hệ thống cảm biến, hệ thống truyền nhận và

xử lý tín hiệu,…)

 Từ yêu cầu thực tế là phương tiện ngầm điều khiển từ xa làm việc trong môi trường nước dưới tác động của dòng chảy, độ sâu, nhiệt độ…thì ta thấy mục tiêu rõ ràng và cụ thể hơn là xây dựng bộ điều khiển chuyển động của phương tiện ngầm điều khiển từ xa Chuyển động chính của phương tiện ngầm điều khiển từ xa bao gồm các cách di chuyển sau:

 Các chế độ di chuyển cơ bản: di chuyển tới, lui; thay đổi hướng di chuyển; xoay tròn quanh tâm

 Di chuyển theo hướng cho trước và duy trì hướng không đổi

GVHD: TS Võ Tường Quân

 Di chuyển và giữ tại độ sâu mong muốn

- Mô hình thực nghiệm dự kiến với bộ thông số sau:

 Kích thước phương tiện ngầm điều khiển từ xa dự kiến (dài x rộng x cao): 400mm x 300mm x 250mm

 Môi trường hoạt động: nước ngọt Lý do chọn môi trường hoạt động nước ngọt nhằm giảm bớt các công việc chống ăn mòn cho robot khi robot làm việc

ở môi trường biển

 Độ sâu hoạt động tối đa: 10m Phần 10m này sẽ được dùng để tính công suất của động cơ Tuy nhiên, độ sâu hoạt động thực tế có thể thay đổi tùy thuộc và điều kiện thực nghiệm

 Vận tốc di chuyển tối đa: 1.5 Knot

 Thực nghiệm kiểm chứng kết quả

1.7 Tóm tắt các chương mục

Các nội dung chính được trình bày trong luận văn như sau

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu; tổng quan về phương tiện ngầm trong đó có 2 loại là phương tiện ngầm điều khiển từ xa và phương tiện ngầm tự hành; tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài

Chương 2 trình bày mô hình vật lý và mô hình toán của phương tiện ngầm điều khiển từ xa, các thành phần trong công thức chuyển động

Chương 3 giới thiệu về phương pháp điều khiển đối với yêu cầu giữ ổn định hướng và độ sâu chuyển động của ROV bằng việc tuyến tính hóa phương trình chuyển động của ROV, sau đó dùng 2 bộ điều khiển là bộ điều khiển PD cho đối tượng tuyến tính và bộ điều khiển Fuzzy-PD là sự kết hợp của để điều khiển cho đối tượng phi tuyến và tuyến tính

Chương 4 là kết quả mô phỏng ROV với bộ điều khiển PD và bộ điều khiển Fuzzy-PD

Chương 7 là kết quả đạt được ở luận văn này và hướng theo là phát triễn ROV có thể di chuyển linh hoạt hơn trong không gian 3D hoặc gắn thêm tay máy để thực hiện các nhiệm vụ chuyên biệt.

Bổ sung phần tiêu chí thiết kế là gì? Mục tiêu thiết kế để đạt được các yêu cầu gì

Mô hình cơ khí của phương tiện ngầm điều khiển từ xa được thiết kế bằng phần mềm Solidworks như sau:

Hình 2.1: Mô hình cơ khí phương tiện ngầm điều khiển từ xa

Phương tiện ngầm điều khiển từ xa được thiết kế trong luận văn này gồm 4 động cơ (thruster) trong đó: 2 động cơ để điều khiển chuyển động trên mặt phẳng thẳng đứng, 2 động cơ điều khiển chuyển động trên mặt phẳng nằm ngang

Mô hình thiết kế với bộ thông số sau:

ở môi trường biển

 Độ sâu hoạt động tối đa: 10m Phần 10m này sẽ được dùng để tính công suất của động cơ Tuy nhiên, độ sâu hoạt động thực tế có thể thay đổi tùy thuộc và điều kiện thực nghiệm

 Vận tốc di chuyển tối đa: 1.5 Knot

 Chế độ điều khiển: Bán tự động Phương tiện ngầm điều khiển từ xa phải tự động thực hiện được bài toán tự giữ hướng và tự giữ độ sâu hoạt động

 Chức năng: quan sát (trang bị Camera trên phương tiện ngầm điều khiển từ xa để thu nhận hình ảnh)

2.2 Mô hình toán học của phương tiện ngầm điều khiển từ xa

Để xây dựng mô hình toán học cho phương tiện ngầm điều khiển từ xa, đầu tiên ta phân tích chuyển động của ROV để được mô hình động học, sau đó phân tích xác định các lực bên ngoài tác động vào ROV ở từng phương trình chuyển động, đặc biệt là các lực thủy động Chương này giới thiệu hai hệ trục tọa độ được sử dụng để mô tả chuyển động của ROV, sau đó đưa ra công thức di chuyển chung của ROV [4, 5]

Các chuyển động chung của phương tiện ngầm điều khiển từ xa trong hệ tọa

độ 6 bậc tự do có thể được mô tả bởi các vector sau:

: là vector vị trí và hướng của ROV trong hệ trục tọa độ trái đất {E}

v: là vector vận tốc tuyến tính và vận tốc góc của ROV trong hệ trục tọa độ gắn ROV {B}

: là lực và moment tác động lên ROV trong hệ trục tọa độ gắn ROV {B} Bảng 2.1: Tóm tắt các chuyển động chính của ROV

Bậc tự do Chuyển động Lực và

moment

Vận tốc tuyến tính và vận tốc góc

Tọa độ và các góc Euler

GVHD: TS Võ Tường Quân

Hình 2.2: Các tham số chuyển động chính của ROV

2.2.2 Tọa độ chuyển đổi

Khi hai hệ trục tọa độ được sử dụng cùng nhau để mô tả chuyển động của phương tiện ngầm điều khiển từ xa, thì cần thiết để làm rõ mối quan hệ của việc chuyển đổi giữa hai hệ trục tọa độ Phần sau đây sẽ giới thiệu việc chuyển đổi giữa vector vận tốc tuyến tính và vector vận tốc góc trong hệ trục tọa độ cố định trên ROV và vector vị trí và định hướng trong hệ trục tọa độ trái đất

2.2.2.1 Chuyển đổi vận tốc tuyến tính

Vận tốc tuyến tính của ROV trong hệ trục tọa độ trái đất được xác định bởi công thức chuyển đổi sau:

GVHD: TS Võ Tường Quân

2

Trong đó: s = sin(∙), c = cos(∙)

Chúng ta kết hợp 3 phép biến đổi xoay ở trên để có được ma trận chuyển đổi

1 ( 2 )

J  Đặt XBYBZB là hệ trục tọa độ gắn ROV, XEYEZE là hệ trục tọa độ song song với hệ trục tọa độ trái đất Hệ trục tọa độ XEYEZE xoay lần lượt theo thứ tự quanh trục z, y, x Một ma trận xoay liên hệ giữa hệ trục tọa độ trái đất và hệ trục tọa độ gắn ROV được viết như sau:

Tổng hợp lại kết quả ở phần này, ma trận chuyển đổi có thể diễn đạt dưới dạng vector như sau:

1

1

1 2

2

0( )

( )0

v J

2.2.3 Công thức chuyển động của phương tiện ngầm điều khiển từ xa

Dựa vào định luật 2 Newton, nếu xem phương tiện ngầm điều khiển từ xa là

1 vật rắn, chúng ta có thể tìm được công thức chuyển động của ROV như sau:

độ trái đất Ký tự trên biểu diễn vector trog hệ tọa độ gắn ROV

Ta xét đạo hàm theo thời gian của một vector vị trí r liên hệ giữa một hệ quy chiếu cố định E và hệ quy chiếu xoay B với vận tốc góc w như sau:

Theo [4], ta có moment quán tính I O của ROV:

Trong đó r Glà tâm trọng lực trong hệ tọa độ gắn ROV

Trong hệ trục tọa độ gắn ROV, công thức động học của ROV trong hệ trục 6 bậc tự do được mô tả bỡi hai phương trình sau:

2.2.3.3 Công thức chuyển động chung của ROV

Theo (2.22), (2.23), (2.24) chúng ta có công thức chuyển động chung của ROV trong hệ trục 6 bậc tự do 3 công thức đầu tiên mô tả chuyển động tịnh tiến, 3 công thức sau mô tả chuyển động xoay

2 2

m u vr  qx q r y pq r z prq X

2 2+( ) ( +qr)I +(p -r )I +(qp- )I +m[z ( -vr+w )-x ( w -uq )]

2 2+( ) ( +rp)I +(q -p )I +(rq- )I +m[x ( -wp+ur)-y ( -vr w )]

2.2.4 Các thành phần của công thức chuyển động

Để xây dựng các mô hình động cho ROV, công việc chính là phải xác định các thành phần trong công thức chuyển động hoặc các hệ số liên quan đến công thức Phần sau đây sẽ trình bày các phương pháp tính toán hoặc chọn các hệ số này

GVHD: TS Võ Tường Quân

ROV đối xứng qua mặt phẳng Oxz và mặt phẳng Oyz, tuy không đối xứng qua mặt phẳng Oxy nhưng có thể xem như đối xứng bỡi vì vận tốc nhỏ Chọn hệ trục tọa độ gắn ROV {B} trùng với tâm trọng lực nên r G 0, 0, 0T và ma trận quán tính M RB được viết lại như sau:

I I I

2.2.4.2 Ma trận Coriolis và lực hướng tâm C RB

Khi hệ trục tọa độ gắn ROV trùng với tâm trọng lực, r G 0, 0, 0T và ROV tương đối đối xứng qua các mặt phẳng nên M RB v. được viết gọn lại như sau:

Trong môi trường lưu chất, có rất nhiều lực từ môi trường tác động lên ROV,

ở đây ta cố gắng đưa ra mô hình toán gần đúng nhất để mô tả những lực đó, việc xác định những lực này có ý nghĩa quan trọng trong quá trình mô phỏng, từ đó áp dụng những luật điều khiển, phân tích các kết quả thu được, đánh giá luật điều khiển và thực hiện những tính toán có được từ quá trình mô phỏng vào thực tế

Ta có thể đưa ra 1 số lực tác động lên ROV như sau :

W Wind

RB Hydrostatic Addmass Damp ave Control

J  là ma trận chuyển đổi tọa tọa độ góc Euler

Moment của lực trọng trường:

 Lực nổi:

GVHD: TS Võ Tường Quân

Khi một vật chìm trong lưu chất sẽ bị đẩy lên bằng 1 lực bằng với khối lượng lưu chất mà vật đó chiếm chỗ Vị trí tác động là tâm nổi cũng là tâm thể tích của ROV Trong hệ trục tọa độ trái đất vector lực trọng trường được biểu diễn như sau:

 Khối lượng cộng thêm

Trong cơ học chất lỏng, sự tăng tốc hoặc giảm tốc của vật rắn phải di chuyển một thể tích chất lỏng xung quanh nó Khi ROV chuyển động trong chất lỏng thì sẽ mang đi một thể tích chất lỏng di chuyển theo nó Hiện tượng này bằng với quán

GVHD: TS Võ Tường Quân

tính cộng thêm và được gọi là khối lượng cộng thêm của ROV Khối lượng cộng

thêm gồm hai thành

Xem lại công thức chuyển động (3.28), vế trái trình bày đặc tính chuyển

động của ROV có khối lượng m Tương tự ảnh hưởng khối lượng cộng thêm cũng

có thể được diễn đạt như sau:

ở tất cả các mặt phẳng và gốc tọa độ gắn ROV đặt tại tâm trọng lực nên ma trận

quán tính cộng thêm có thể đơn giản như sau:

p

q

r

X Y Z M

K M N

w w

2.2.4.3.3 Lực và moment do các yếu tố bên ngoài như sóng Wave, gió, Wind:

Lực do sóng, gió Wave, Wind không gây ảnh hưởng và có thể giả sử bằng 0 khi ROV hoạt động ở một độ sâu >= 20m

2.2.4.3.4 Lực và moment của động cơ

GVHD: TS Võ Tường Quân

Lực và moment động cơ của ROV được cung cấp bởi 4 motor

ROV trong đề tài có 4 động cơ cung cấp lực và moment và có thể chuyển động theo 5 bậc tự do như sau: surge, heave, roll, pitch, yaw Lực và moment động

cơ Control được diễn đạt như sau:

Hình 2.5: Sơ đồ lực đẩy của động cơ trong hệ tọa độ {B}

Các thành phần T1, T2, T3, T4là lực đẩy của động cơ

L là ma trận bố trí lực đẩy của động cơ để tạo ra lực và moment cho ROV như sau: