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

Bằng việc sử dụng các thông số cơ bản hình học của thiết kế chúng ta có thể thấy được khả năng linh hoạt của AUV: Kiểm soát tốc độ về phía trước, điều khiển hướng và kiểm soát độ sâu.. P

i

điều khiển cho các phương tiện ngầm Trong luận văn này trình bày thiết kế cơ khí và

sử các thuật toán, điều khiển để điều khiển AUV Bằng việc sử dụng các thông số cơ bản hình học của thiết kế chúng ta có thể thấy được khả năng linh hoạt của AUV: Kiểm soát tốc độ về phía trước, điều khiển hướng và kiểm soát độ sâu Thực hiện các mô phỏng bằng cách sử dụng các bộ điều khiển được đưa ra để chứng minh việc thực hiện

là đạt được các yêu cầu đề ra Các kết quả mô phỏng cho thấy được hiệu suất của các bộ điều khiển Từ đó lựa chọn ra bộ điều tối ưu để ứng dụng vào trong điều khiển các phương tiện ngầm

Nội dung luận văn gồm có 8 chương:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Tính toán thiết kế cơ khí

Chương 3: Mô hình động học AUV

Chương 4: Các loại cảm biến

Chương 5: Xây dựng hệ thống điện

Chương 6: Thiết kế bộ điều khiển

Chương 7: Kết quả mô phỏng

Chương 8: Kết luận và hướng phát triển

ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN i

DANH MỤC HÌNH VẼ v

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

CÁC TỪ VIẾT TẮT ix

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 2

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 2

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 6

1.3 Phạm vi ứng dụng của đề tài 7

1.4 Mục tiêu đề tài 8

1.5 Nội dung công việc cần thực hiện 9

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ 10

2.1 Yêu cầu thiết kế 10

2.2 Tham khảo các thiết kế 10

2.2.1 Dorado- class autonomous underwater vehicle (AUV) 10

2.2.2 Remus 100 12

2.2 Thông số chi tiết 14

2.3 Biên dạng Robot AUV 15

2.4 Thiết kế module AUV 16

2.5 Thiết kế phần cánh 17

2.5 Tính toán cân bằng cho mô hình 19

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC AUV 22

iii

3.3 Phương trình động học 26

3.3.1 Động học hệ thống 26

3.3.2 Động học vật rắn 27

CHƯƠNG 4 : CÁC LOẠI CẢM BIẾN 43

4.1 Tổng quan các loại cảm biến sử dụng 43

4.2 Cảm biến gia tốc và vận tốc góc GY-521 43

4.3 Cảm biến la bàn (Compass) HMC5883L 45

4.4 Cảm biến đo độ sâu 46

CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỆN 48

5.1 Giới thiệu 48

5.2 Bộ điều khiển trung tâm 49

5.3 Phần điều khiển động cơ 52

5.3.1 Giới thiệu sơ lược về modun ESC brushless 52

5.3.2 Sơ đồ khối điều khiển động cơ 53

5.4 Phần cảm biến 54

5.5 Nguồn điện 55

5.5.1 Nguồn cấp cho driver và vi điều khiển 55

5.5.2 Nguồn cấp cho động cơ 56

CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 58

6.1 Giới thiệu về phương pháp điều khiển AUV 58

iv

6.3 Bộ điều khiển PID 59

6.4 Bộ điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng phương pháp LQR 61

6.5 Lưu đồ giải thuật 62

CHƯƠNG 7: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 65

7.1 Bộ điều khiển PD 65

7.2 Bộ điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng phương pháp LQR 70

7.3 Kết luận 73

CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỄN 74

8.1 Kết quả đạt được 74

8.2 Các hạn chế và hướng phát triển 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

v

Hình 1.4: AUV Epaulard [12] 4

Hình 1.5: REMUS 6000 [13] 5

Hình 1.6: AUV SEAOTTER MKII [14] 5

Hình 1.7: AUV Bluefin-9 [15] 6

Hình 1.8: Hình ảnh mô phỏng AUV trong công tác giám sát đường ống ngầm [16] 8

Hình 2.1: Dorado-class [23] 11

Hình 2.2: Module thân AUV Dorado-class [23] 11

Hình 2.3: Thruster được nối với phần đuôi bằng khớp cầu.[23] 12

Hình 2.4: Remus 100 12

Hình 2.5: Lắp ghép các module REMUS 100 13

Hình 2.6: Hai module được kẹp chặt với nhau bằng vòng khóa 14

Hình 2.7: Biên dạng Robot: Bán kính biên dạng robot thay đổi theo trục tọa độ 16

Hình 2.8: Module thiết kế theo ống trụ tròn 17

Hình 2.9: Module được kết nối bằng vít xung quanh 17

Hình 2.10: Biên dạng cánh NACA0012 18

Hình 2.11: Trạng thái cân bằng của vật thể trong môi trường nước 19

Hình 2.12 Tính toán trọng tâm cho AUV 19

Hình 2.13 Tính toán trọng tâm cho khối lượng chất lỏng AUV chiếm chổ 20

Hình 2.14: Mô hình thiết kế cơ khí AUV 21

Hình 3.1 : Các hệ tọa độ và tham số chuyển động của AUV 22

vi

Hình 3.4: Kết quả mô phỏng phương trình học độ sâu trên mặt phẳng XOY 41

Hình 3.5: Kết quả mô phỏng phương trình học độ sâu trên mặt phẳng XOZ 41

Hình 3.7: Kết quả mô phỏng phương trình học hướng bẻ lái trên mặt phẳng XOZ 42

Hình 3.8: Kết quả mô phỏng phương trình học hướng bẻ lái trên mặt phẳng XOY 42

Hình 4.1: Cảm biến gia tốc và vận tốc góc MPU6050 44

Hình 4.2: Cảm biến HMC5883L 45

Hình 4.3: Kết nối phần cứng MPU6050 và HMC5883L 46

Hình 4.4: Sơ đồ cảm biến áp suất MPX5050 47

Hình 4.5: Hình ảnh thực tế cảm biến độ sâu 47

Hình 5.1: Sơ đồ khối hệ thống điện 48

Hình 5.2: Arduino Mega 2560 R3 50

Hình 5.3: Sơ đồ khối điều khiển trung tâm 51

Hình 5.4: Sơ đồ mạch điều khiển thruster 53

Hình 5.5: Sơ đồ đấu dây điều khiển 4 RC Servo 53

Hình 5.6: Sơ đồ mạch cảm biến gia tốc và la bàn (IMU) 54

Hình 5.7: Sơ đồ mạch cảm biến áp suất 54

Hình 5.8: Mạch giảm áp DC LM 2596 55

Hình 6.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển dùng PID 60

Hình 6.2: Sơ đồ khối điều khiển phản hồi trạng thái 62

Hình 6.3: Lưu đồ giải thuật bộ điều khiển PID 63

Hình 6.4: Simulink bộ điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng phương pháp LQR 64

Hình 7.1: Đáp ứng góc quay mong muốn -60 độ với bộ điều khiển PD (1) 65

Hình 7.2: Đáp ứng góc quay mong muốn 30 độ với bộ điều khiển PD (1) 66

vii

Hình 7.7: Đáp ứng góc quay mong muốn 30 độ với bộ điều khiển PD có hệ số Kp= 4.5, Kd= 5.5 với nhiễu hệ thống tác động 68Hình 7.8: Đáp ứng góc quay mong muốn -60 độ với bộ điều khiển PD có hệ số Kp= 4.5, Kd= 5.5 với nhiễu tác động 69Hình 7.9: Đáp ứng góc quay mong muốn dạng bậc thang với bộ điều khiển PD có hệ

số Kp= 4.5, Kd= 5.5 với nhiễu hệ thống tác động 69Hình 7.10: Đáp ứng góc quay mong muốn 30 độ với bộ điều khiển phản hồi trạng thái

sử dụng phương pháp LQR 70Hình 7.11: Đáp ứng góc quay mong muốn -60 độ với bộ điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng phương pháp LQR 71Hình 7.12: Đáp ứng góc quay mong muốn dạng bậc thang với bộ điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng phương pháp LQR 71Hình 7.13: Đáp ứng góc quay mong muốn 30 độ với bộ điều khiển phản hồi trạng thái

sử dụng phương pháp LQR khi có nhiễu hệ thống tác động 72Hình 7.14: Đáp ứng góc quay mong muốn -60 độ với bộ điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng phương pháp LQR khi có nhiễu tác động 72Hình 7.15: Đáp ứng góc quay mong muốn dạng bậc thang với bộ điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng phương pháp LQR khi có nhiễu hệ thống tác động 73

viii

Bảng 2.1: Thông số kích thước của AUV 16

Bảng 2.2: Thông số của cánh Naca 0012 18

Bảng 2.3 Tọa độ trọng tâm của AUV 20

Bảng 2.4 Tọa độ trọng tâm khối chất lỏng AUV chiếm chổ 20

Bảng 2.5: Trọng lượng và lực nổi của AUV 20

Bảng 2.6 Tọa độ Moment 21

Bảng 3.1: Tóm tắt các chuyển động chính của AUV 23

Bảng 3.2: thông số kỹ thuật thruster 40

Bảng 3.3: Thông số cơ bản của mô hình 40

ix

UUV: Untethered Unmanned Vehicle

SPURV: Special Purpose Underwater Research Vehicle

INS: Inertial Navigation System

IMU: Inertial Measurement Unit

I2C: Inter-integrated circuit

SRAM: Static random access memory

EFPROM: Electrically Erasable Programmable

PWM: Pulse Width Modulation

về đại dương rất hạn chế Một trong những nguyên nhân đó là 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 tự hành được chọn làm đề tài nghiên cứu trong luận văn này

2

(UUVs)

Ngày nay, UUVs phát triển rất mạnh mẽ, chúng gồm có 3 loại chính: Autonomous Underwater Vehicle (AUV), Remotely Operated Vehicles (ROV) và Untethered Unmanned Vehicle (UUV)

Hình 1.1: Các dạng Unmanned Undersea Vehicles

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

- Lặn sâu 3000m và thời gian lặn liên tục trong 4 giờ

Untethered Unmanned Vehicle (UUV)

Remotely Operated Vehicle (ROV)

Autonomous Underwater Vehicle (AUV) Type of Unmanned

Undersea vehicles

3

- Có khả năng đo nhiệt độ và độ truyền được sử dụng để hổ trợ nghiên cứu hải dương học, bao gồm nghiên cứu truyền tải âm thanh và phát hiện tàu ngầm

Hình 1.2: Special Purpose Underwater Research Vehicle [10]

 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 1.3: Ngư lôi Fish của Robert Whitehead [11]

 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

- Thời gian hoạt động : lên đến 22 giờ, tùy vào cấu hình và nhiệm vụ

- Động cơ : DC brushless dẫn động trực tiếp với chân vịt 2 cánh

- Tốc độ : lên đến 2.3m/s Tùy thuộc cầu hình sensor

- Điều khiển: điều khiển yaw và pitch bằng cánh Độ sâu, track-line

5

- Điều hướng: Long Baseline Transducer (7-15 kHz upward looking transducer)

and Dead Reckon with ADCP Inertial Navigation System (INS)

- Phục vụ nghiên cứu giám sát, thăm dò và lập bản đồ đại dương

- Dễ dàng tùy biến cho các tác vụ dân sự và quân khác khi trang bị các Sonar

chức năng

Hình 1.5: REMUS 6000 [13]

 Đến năm 2007 SEAOTTER MKII được chế tạo bởi tập đoàn Atlas Elektronik,

Đức

- Chiều dài 3,65m, Trọng lượng 1000 kg, Chiều sâu lặn tới 600m, tải trọng mang

thêm đến 160kg và thời gian hoạt động một lần 20 giờ

- Tác vụ: thăm dò và khai khoáng tài nguyên biển, chống xâm nhập tàu ngầm,

trinh sát và giám sát vùng kinh tế biển đảo và lập bản đồ

Hình 1.6: AUV SEAOTTER MKII [14]

 Năm 2010 Bluefin-9 được phát triển bởi tập đoàn Bluefin Robotics, Mỹ

6

Hình 1.7: AUV Bluefin-9 [15]

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

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

AUV có khả năng áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt trong quân sự

và thương mại, nên được nhiều quốc gia đầu tư phát triển Đặc biệt, lĩnh vực quân sự hiện là khách hàng chủ yếu của AUV-tương tự như những gì diễn ra trên bầu trời đối với phương tiện bay không người lái (UUV)

Ở trong nước với kỷ nguyên công nghệ và nền kinh tế đa chiều, toàn cầu hóa và tri thức, việc phát triển các hệ thống công nghiệp có một vai trò quan trọng trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa và bảo vệ đất nước Hệ thống điều khiển công nghiệp

là một phần của lĩnh vực sản xuất công nghiệp; nó ngày càng được nhiều doanh nghiệp

sử dụng và phát triển để góp phần tạo ra giá trị cạnh tranh Đặc biệt là các hệ thống điều khiển cho các phương tiện phục vụ cho việc khảo sát, thăm dò, khai khoáng tài nguyên

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…

Một số đề tài nghiên cứu tại trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh

 Để tài luận văn tốt nghiệp Đại học năm 2007 “Nghiên Cứu Thiết Kế Bộ Định

Hướng và Bộ Điều Khiển Cho AUV” của Tạ Đức Anh Đề tài đã dựa vào các tài liệu

nghiên cứu ở nước ngoài để đưa ra thiết kế cơ khí cũng như mô hình hóa hệ thống AUV,

đồng thời trình bày một số thiết kế bộ định hướng và bộ điều khiển AUV và ROV Tác

giả đã mô phỏng rất tốt bộ định hướng và bộ điều khiển cho AUV, tiếc là ở đề tài này

chỉ dừng lại ở việc mô phỏng

1.3 Phạm vi ứng dụng của đề tài

Trước kia, giới hạn công nghệ của AUV khiến cho khả năng ứng dụng bị hạn chế

trong một số nhiệm vụ nhất định Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ xử lý cao

cấp hơn và nguồn năng lượng cao hơn, AUV hiện đang ngày càng mở rộng phạm vi ứng

dụng của mình

- Thực hiện giám sát, do thám, bảo vệ các mục tiêu dưới nước, rà phá thủy lôi…(ứng

dụng trong quân sự)

8

Hình 1.8: Hình ảnh mô phỏng AUV trong công tác giám sát đường ống ngầm [16]

- Ứng dụng trong công tác khảo sát thực địa khi xây dựng các công trình dưới nước như: đê, hải cảng, cầu…

- Ngành công nghiệp dầu khí sử dụng AUV để xây dựng các bản đồ đáy biển chi tiết trước khi xây dựng cơ sở hạ tầng dưới biển, hệ thống đường ống dẫn và các lắp đặt cần thiết sao cho phi phí sử dụng hiệu quả nhất

- Xây dựng bản đồ khu vực để xác định vị trí mục tiêu, có thể là một cảng biển, hoặc giám sát một khu vực quân sự AUV cũng được sử dụng trong chiến tranh, như phát hiện và tiêu diệt tàu ngầm địch (tàu ngầm có người lái)

- Ứng dụng trong việc khảo sát, lắp đặt các thiết bị viễn thông…

- Khảo sát thâm dò bề mặt địa chất dưới đáy biển, thu thập thông tin địa chất, các nơi con người không thể xuống được, trong công tác nghiên cứu đại dương…

1.4 Mục tiêu đề tài

Mục tiêu chính của đề tài là: Nghiên cứu thiết kế và điều khiển hướng di chuyển của robot lặn dạng AUV (Autonomous Underwater Vehicle) Từ các thông tin các

AUV đã tham khảo, AUV được xác định các thông số yêu cầu ban đầu như sau:

- Độ sâu lặn tối đa: 10m

- Vận tốc di chuyển tối đa v= 1.5 m/s

- Sai số cho phép: 0.1*Góc mong muốn hay 100 sai số 10 ( bộ điều khiển hướng)

- Môi trường làm việc: nước ngọt

9

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

quan sát)

1.5 Nội dung công việc cần thực hiện

- 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 để có thể điều khiển AUV di chuyển tự

động theo phương cho trước

- 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

động của AUV bằng Matlab

Giải quyết được các vấn đề trên sẽ là tiền đề quan trọng để có thể tiến hành xây

dựng mô hình thực tế, từng bước phát triển đề tài lên cao hơn để phục vụ nhu cầu trong

nước, nhằm giải giá thành so với các robot nhập khẩu từ nước ngoài

10

định các thông số điều khiển vây cần thiết

2.1 Yêu cầu thiết kế

- Robot di chuyển linh hoạt dễ dàng, dễ chế tạo, có tính đối xứng để dễ dàng cho việc điều khiển

- Robot chỉ sử dụng 1 thruster nhưng vẫn đảm bảo các chuyển động cần thiết Tiết kiệm được nguồn năng lượng hoạt động, từ đó hạn chế được khối lượng của AUV

- Robot có thể hoạt động ổn định ở độ sâu là 10 m dưới mặt nước

- Trong mặt phẳng thẳng đứng, robot có thể di chuyển lên xuống, không yêu cầu xoay trong mặt phẳng đứng

- Trong mặt phẳng ngang: robot có thể di chuyển theo bất kì phương nào

2.2 Tham khảo các thiết kế

Từ yêu cầu thực tế trên, nhóm đã tham khảo các thiết kế của các hãng sản xuất tàu lặn trên thế giới Đây là các mẫu thiết kế trong thực tế được chứng minh là hiệu quả và

có giá trị thương mại cao

2.2.1 Dorado- class autonomous underwater vehicle (AUV)

 Thông số kỹ thuật:

 Kích thước: đường kính 0.53 m, dài 5.3m

 Gồm có 3 modun

 Thân : bằng vật liệu ABS plastic

 Syntactic foam between housings provides buoyancy

 Khối lượng: 680 Kg trong không khí

 Thời gian hoạt động: 17.5 giờ

 Tốc độ: 1.5m/s và độ sâu tối đa 6000m

 Tỷ lệ lặn tối đa: 30 ( m/ phút)

 Các Module kết nối thiết bị với nhau thông qua giắc cấm

Hình 2.2: Module thân AUV Dorado-class [23]

- Ưu điểm: dễ lắp ráp, sửa chữa, dễ dàng lắp ghép thêm các module chuyên dụng

- Nhược điểm: Kết cấu phức tạp, khó khăn trong việc điều khiển góc quay của thruster

2.2.2 Remus 100

Hình 2.4: Remus 100

 Độ sâu tối đa : 100m

 Thời gian hoạt động : 8-10 giờ, tùy vào cấu hình và nhiệm vụ

 Động cơ : DC brushless dẫn động trực tiếp với chân vịt 3 cánh

 Tốc độ : lên đến 2.3m/s Tùy thuộc cầu hình sensor

 Kết cấu cơ khí:

Hình 2.5: Lắp ghép các module REMUS 100

 Các module của REMUS 100 được thiết kế là các ống trụ tròn và khả năng tụ chống thấm tốt Các thiết bị bên trong được cố định trên các khung có sẵn

 Hai module nối với nhau bằng vít Đồng thời để đảm bảo lực siết đều nhau người

ta dùng vòng kẹp để kẹp hai module lại với nhau như hình 2.6

 Các Module kết nối thiết bị với nhau bằng các giắc cấm

14

Hình 2.6: Hai module được kẹp chặt với nhau bằng vòng khóa

 Nhận xét: AUV REMUS 100 thiết kế theo kiểu module là các ống trụ tròn Các

module có khả năng tự chống thắm tốt Cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, dễ dàng lắp ghép thêm các module chuyên dụng

 Kết luận: Với hai dạng thiết kế module trên ta nhận thấy dạng thiết kế module

REMUS 100 có nhiều ưu điểm hơn thuận lợi cho việc chế tạo mô hình thực nghiệm sau này Do đó chúng ta sẽ chọn mô hình thứ 2 làm mô hình thiết kế cho đề tài này

2.2 Thông số chi tiết

Hình dáng phần khung là một phần quan trọng trong thiết kế AUV Các hình dạng AUV thường thấy là: hình ngư lôi, khối hộp chữ nhật và hình dang mô phỏng sinh học.Từ yêu câu AUV chỉ sử dụng 1 thruster hình dạng AUV được chọn là hình ngư lôi Hình ngư lôi: giảm lực cản tốt, số chân vịt cần dùng ít (khoảng 1-2 chân vịt), nhưng khó điều khiển và đòi hỏi phải có một khoảng không gian tối thiểu để có thể thực hiện các động tác như bẻ lái v.v… do đó yêu cầu đặt ra là giải quyết 2 bài toán hướng di chuyển và độ sâu cho AUV Có thể được chế tạo thành các module để tháo lắp dễ dàng Giả định môi trường hoạt động:

- Môi trường nước ngọt

- Độ sâu hoạt động 10m ( áp suất chịu đựng:

𝑃 = 𝜌𝑔ℎ + 𝑝0 = 98100 𝑁 𝑚⁄ 2 = 0.981 𝐵𝑎𝑟)

- Thiết bị ngập sâu trong một chất lỏng đồng nhất Nói cách khác, thiết bị nằm xa

bề mặt tự do (không có hiệu ứng bề mặt, tức là không có sóng )

- Dòng chảy ngầm

15

2.3 Biên dạng Robot AUV

Hình dạng Robot được dựa trên phương trình hình dạng thân [9], trong đó mô tả một đường viền cơ thể với hệ số kéo tối thiểu cho một tỷ lệ độ mịn nhất định (cơ thể dài / đường kính tối đa) Những phương trình này được xác định theo các thông số sau:

 a, b, c, toàn bộ chiều dài của mũi cắt, phần trung tâm có bán kính không đổi,

và phần đuôi của robot tương ứng

 n, một tham số mũ có thể được thay đổi để thiết lập cho cơ thể hình dạng khác nhau

 2𝜃, góc ở chóp đuôi

 d: đường kính cơ thể tối đa

Những phương trình sau giả định có gốc tọa độ ở mũi robot

Hình dạng mũi được đưa ra bởi sự phân phối của sự thay đổi bán kính elip

𝑟(𝜀) = 1

2𝑑 [1 − (𝜀−𝑎

𝑎 )2]

1 𝑛

Trong đó :

- r là bán kính thay đổi biên dạng của robot có tâm nằm trên trục tâm

- 𝜀 là trục tọa độ vị trí dọc theo đường trung tâm

- Hình 2.4 là sơ đồ thể hiện các thông số này

16

Hình 2.7: Biên dạng Robot: Bán kính biên dạng robot thay đổi theo trục tọa độ Bảng 2.1: Thông số kích thước của AUV

2.4 Thiết kế module AUV

Auv hoạt động hoàn toàn trong môi trường nước, vì vậy yếu tố chống thấm nước vô cùng quan trọng.Module được thiết kế theo ống trụ tròn, đối xứng nhau như hình 2.8 Các module được ngăn cách riêng biệt với nhau bằng các tấm chắn hai đầu Ở hai đầu

Hình 2.9: Module được kết nối bằng vít xung quanh

Vì các module là các ống trụ tròn nên kích thước các module cần quan tâm là chiều dài (a, b, c ) và đường kính ( d ) được thể hiện trong bảng 2.1

2.5 Thiết kế phần cánh

Robot được trang bị bốn cánh được kiểm soát giống hệt nhau, gắn kết trong một

mô hình chữ thập gần cuối phía sau của robot Các NACA0008, NACA0012, NACA0016, NACA0020 và NACA0025 thường được sử dụng cho các bánh lái của thu nhỏ phương tiện dưới nước, đặc điểm thủy động lực của chúng đã được tính toán bằng cách sử dụng động lực học chất lỏng Trong luận văn này, bề mặt cắt ngang của cánh có hình dạng NACA 0012 ; có hệ số lực nâng cao và lực cản thấp ; kích thước còn lại được đưa ra trong hình 2.3 Các thông số vây có liên quan được đưa ra trong Bảng 2.2

18

Hình 2.10: Biên dạng cánh NACA0012 Trong đó:

c : là chiều dài đường Chord, là đường trục đối xứng bề dày của cánh

x : là vị trí trên đường Chord có giá trị từ 0 đến c

y : là một nữa độ dày tại vị trí x

t : độ dày tối đa tại một vị trí của chord ( được xác định bằng hai số cuối cùng của Naca 4 chữ số )

Bảng 2.2: Thông số của cánh Naca 0012

t 0.12 mm Độ dày tối đa tại một vị trí của Chord

tâm

19

2.5 Tính toán cân bằng cho mô hình

Khi không có tác dụng của lực từ chân vịt, AUV chịu sự tác động của lực trọng trường W (có điểm đặt lực tại trọng tâm G của AUV) chiều hướng xuống và lực đẩy Archimède B (có điểm đặt tại trọng tâm C của khối chất lỏng bị AUV chiếm chỗ) chiều hướng lên Có ba trạng thái của AUV trong môi trường nước:

 Trạng thái cân bằng ổn định: khi G thấp hơn C

 Trạng thái cân bằng không ổn định: khi G cao hơn C

 Trạng thái cân bằng phiếm định: khi G trùng với C

Hình 2.11: Trạng thái cân bằng của vật thể trong môi trường nước

Ta cần thiết kế AUV sao cho rơi vào trường hợp cân bằng ổn định khi đó sẽ đơn giản hóa việc điều khiển cũng như giảm thiểu lực tác dụng lên AUV AUV đã được thiết

kế đối xứng qua mặt phẳng Oxz

Sử dụng phần mềm Solidworks ta dễ dàng tính toán được trọng tâm yêu cầu Chiều dương của trục Oz là chiều hướng xuống cùng chiều với lực trọng trường

Hình 2.12 Tính toán trọng tâm cho AUV

20

Hình 2.13 Tính toán trọng tâm cho khối lượng chất lỏng AUV chiếm chổ

Kết quả tính toán được thể hiện trong bảng 2.3 và 2.4

Bảng 2.3 Tọa độ trọng tâm của AUV

Thông số Giá trị Đơn vị

Bảng 2.4 Tọa độ trọng tâm khối chất lỏng AUV chiếm chổ

Thông số Giá trị Đơn vị

Kết luận: Theo phương của trọng lực ta thấy G và C trùng nhau AUV ở trạng thái

cân bằng ổn định Khối lượng chênh lệch không nhiều, ta chỉ cần tác dụng một lực tương đối là AUV có thể di chuyển dễ dàng Thỏa yêu cầu đặt ra

Thông qua kết quả tính toán, ta thấy được AUV sẽ nổi khi ở trongn môi trường nước Giá trị tính toán được thể hiện trong bảng 2.5

Bảng 2.5: Trọng lượng và lực nổi của AUV

Thông số Giá trị Đơn vị

21

Hình 2.9 cho thấy biên dạng 3D hoàn chỉnh của AUV, được vẽ trên phần mềm Solidworks Các thông thông trung bình được thể hiện qua bảng 2.6

Kết quả thiết kế ta được mô hình cơ khí AUV:

Hình 2.14: Mô hình thiết kế cơ khí AUV Bảng 2.6 Tọa độ Moment

Thông số Giá trị Đơn vị

22

nhiều nguyên nhân như lực cản thủy động học, sự giảm chấn, lực đẩy Archimede, lực coriolis, lực hướng tâm, lực trọng trường và lực thruster

3.1 Hệ tọa độ quy chiếu

Hệ tọa độ NED: hình biểu điển hệ tọa độ không gian thường được gắn với trái đất ,phổ biến nhất trong điều khiển phương tiện tự hành dưới nước là hệ NED Như trên cho thấy, ba thành phần trục của hệ tọa độ này có trục x chỉ hướng tới phía bắc, trục y trỏ về phía đông trục z theo hướng đi xuống vuông góc với bề mặt trái đất Nói chung, các điểm dẫn đường được định nghĩa với tham chiếu đến một điểm cố định trên trái đất; do đó nó thuận tiện trong việc tiến hành dẫn đường và định vị trọng

hệ tọa độ này

Hình 3.1 : Các hệ tọa độ và tham số chuyển động của AUV

Hệ tọa độ Body: là hệ tọa độ tham chiếu chuyển động gắn với AUV Do tính chất

khác nhau mà tồn tại ở điểm đặc trưng khác nhau trong AUV, như trọng tâm và tâm nổi của nó Như qui định chung, trục x của hệ này chỉ từ phía sau theo trục dọc của AUV,

Các chuyển động chung của phương tiện ngầm dưới nước trong hệ tọa độ 6 bậc tự do

có thể được mô tả bởi các vector sau:

𝜂 = [ 𝜂1𝑇 , 𝜂2 𝑇]𝑇 , 𝜂1 = [ 𝑥, 𝑦, 𝑧 ]𝑇 , 𝜂2 = [ 𝜙, 𝜃, 𝜓 ]𝑇

𝑣 = [ 𝑣1𝑇, 𝑣2𝑇 ] , 𝑣1 = [ 𝑢, 𝑣, 𝑤 ]𝑇 , 𝑣2 = [ 𝑝, 𝑞, 𝑟 ]𝑇 (3.1)

𝜏 = [ 𝜏1𝑇, 𝜏2𝑇 ] , 𝜏1 = [ 𝑋, 𝑌, 𝑍 ]𝑇 , 𝜏2 = [ 𝐾, 𝑀, 𝑁 ]𝑇

Trong đó:

𝜂: là vector vị trí và hướng của AUV trong hệ trục tọa độ trái đất {NED}

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

𝜏: là lực và moment tác động lên AUV trong hệ trục tọa độ gắn AUV {Body}

Bảng 3.1: Tóm tắt các chuyển động chính của AUV

24

vector vận tốc góc trong hệ trục tọa độ cố định trên AUV và vector vị trí và định hướng trong hệ trục tọa độ trái đất

3.2.1 Chuyển đổi vận tốc tuyến tính

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

Trong đó: s = sin, c = cos

Chúng ta kết hợp 3 phép biến đổi xoay ở trên để có được ma trận chuyển đổi J1( ) 2 Đặt XBYBZB là hệ trục tọa độ gắn AUV, 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 AUV được viết như sau:

𝐽1(𝜂2) = 𝑅(𝜓, 𝜃, 𝜙) = 𝑅𝑧,𝜓𝑇 𝑅𝑦,𝜃𝑇 𝑅𝑥,𝜙𝑇

−𝜃̇𝑠𝜙 + 𝜓̇𝑐𝜙𝑐𝜃

] = [100

0𝑐𝜙

−𝑠𝜓

−𝑠𝜃𝑠𝜙𝑐𝜃𝑐𝜙𝑐𝜃] [

M𝑉̇ + C(𝑉)𝑉 + D(𝑉)𝑉 + g(𝜂) = 𝜏 (3.10)

Trong đó : - V là vector vận tốc của AUV (vận tốc tuyến tính và vận tốc góc)

- M là ma trận khối lượng và momen quán tính

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

27

Ma trận Coriolis và hướng tâm, C(Ѵ) cũng bao gồm hai thành phần, ma trận Coriolis và hướng tâm tác dụng lên vật rắn, 𝐶𝑅𝐵(Ѵ), do 𝑀𝑅𝐵; ma trận giả Coriolis (Coriolis-like matrix), C(Ѵ), do khối lượng thủy động lực học thêm vào, 𝑀𝐴, gây ra:

Ma trận D là ma trận giảm chấn thủy động học được biễu diễn bởi ma trận 6 x 6 D(ν);

D biểu diễn đại lượng giảm chấn tuyến tính; Dn(ν) biểu diễn đại lượng giảm chấn phi

tuyến D(𝑉) = 𝐷 + 𝐷𝑛(𝑉) (3.13) 𝑔(𝜂) là véc tơ 6 x 1 của lực trọng trường, các lực và mô men nổi

3.3.2 Động học vật rắn

Công thức chuyển động chung của AUV 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 [9]

Viết dạng khai triển ta được :[1]

𝜏1𝑅𝐵 = 𝑚𝑣̇1 + 𝑚𝑣2̇ × 𝑟𝐺 + m𝑣2 × 𝑣1 + m𝑣2 × (𝑣2 × 𝑟𝐺) (3.16)

𝜏2𝑅𝐵 = 𝐼𝐾𝑣2̇ + 𝑣2 × (𝐼𝐾𝑣2) + m𝑟𝐺 × 𝑣̇1 + m𝑟𝐺 × (𝑣2 × 𝑣1) (3.17)

Trong đó: m là khối lượng AUV

𝐼𝐾 là momen quán tính đối với trục tọa độ {Body}:

Sử dụng phần mềm Solidworks ta tính toán được các giá trị moment quán tính của AUV

3.3.2.1 Ma trận khối lượng và momen quán tính

𝑟𝐺=[𝑥𝐺 𝑦𝐺 𝑧𝐺]𝑇 = [0 0 0]𝑇 AUV đối xứng qua mặt phẳng Oxz và mặt phẳng Oxy, tuy không đối xứng qua mặt phẳng Oyz nhưng có thể xem như đối xứng bỡi vì vận tốc nhỏ Ma trận 𝑀𝑅𝐵 được viết lại như sau:

3.3.2.2 Ma trận Coriolis và lực hướng tâm

Thành phần 𝐶𝑅𝐵(Ѵ)Ѵ trong phương trình có thể viết thành:

𝐶𝑅𝐵(Ѵ) Ѵ = [ vmv2× v1 + mv2× (v2 × 𝑟𝐺)

2× (𝐼𝐾v2) + m𝑟𝐺 × (v2 × v1)] [5] (3.22)

3.3.2.3 Khối lượng thủy động học thêm vào ( Hydrodynamic Added Mass)

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 AUV chuyển động trong chất lỏng thì sẽ mang đi một thể tích chất lỏng di chuyển theo nó Hiện tượng này bằng với quán tính cộng thêm

và được gọi là khối lượng thủy động học cộng thêm của AUV

Khối lượng thủy động học thêm vào tương ứng với một vật rắn định bởi [5]:

30

𝜕𝑢̇

Những thành phần của ma trận quán tính cộng thêm này phụ thuộc vào hình dáng AUV, tuy nhiên nó là hằng số khi tàu lặn hoàn toàn dưới nước Thông thường MA rất khó tìm được Tuy nhiên do AUV được cho là đối xứng ở tất cả các mặp phẳng và gốc tọa độ gắn AUV đặt tại tâm trọng lực nên chúng ta có thể đơn giản hóa MA bằng cách chỉ sử dụng các thành phần đường chéo

-L: chiều dài AUV

-r: bán kính phần hình tròn

31

-𝜌: khối lượng riêng của chất lỏng xung quanh

3.3.2.4 Ma trận giả coriolis do tác dụng của khối lượng thủy động học thêm vào -

Hydrodynamic Added Mass Coriolis-Like Matrix

Để đơn giản ta viết 𝑀𝐴 thành: MA=[A11 A12

A21 A22] [5] (3.29) Trong đó A11, A12, A21và A22 là 4 ma trận thành phần của MA

Tương tự như ma trận Coriolis cho vật rắn, Hydrodynamic Added Mass Coriolis-Like

Matrix, CA(Ѵ), có thể thông số hóa :