Thiết kế, chế tạo robot lặn phục vụ công nghệ nuôi tôm lồng trên biển

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CƠ KHÍ








VÕ ĐĂNG KHOA
NGUYỄN VĂN THẠCH






THIẾT KẾ CHẾ TẠO ROBOT LẶN PHỤC VỤ CÔNG
NGHỆ NUÔI TÔM LỒNG TRÊN BIỂN







ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
Th.S VŨ THĂNG LONG



NHA TRANG - 2010

- 2 -
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Họ, tên sinh viên: VÕ ĐĂNG KHOA Lớp: 48CTU
Ngành: CƠ ĐIỆN TỬ
MSSV:48132152
Tên đề tài tốt nghiệp:
"Thiết kế, chế tạo robot lặn phục vụ công nghệ nuôi tôm lồng
trên biển”
Số trang: 49 Số chương: 5 Số tài liệu tham khảo: 21
Hiện vật: Robot lặn

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
Kết luận:
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
Nha trang, ngày… tháng….năm 2010
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(ký, ghi rõ họ tên)




- 3 -
PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP

Họ, tên sinh viên: VÕ ĐĂNG KHOA Lớp: 48CTU
Ngành: CƠ ĐIỆN TỬ
MSSV:48132152
Tên đề tài tốt nghiệp:
"Thiết kế, chế tạo robot lặn phục vụ công nghệ nuôi tôm lồng
trên biển”
Số trang: 49 Số chương: 5 Số tài liệu tham khảo: 21
Hiện vật: Robot lặn.

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
………………………………………………………………
Điểm phản biện:
Nha trang, ngày… tháng….năm 2010
CÁN BỘ PHẢN BIỆN
(ký, ghi rõ họ tên)


Nha trang, ngày….tháng năm 2010
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
(ký, ghi rõ họ tên)
ĐIỂM PHẢN BIỆN

Bằng số Bằng chữ
ĐIỂM CHUNG

Bằng số Bằng chữ

- 4 -
MỤC LỤC

Trang
Trang bìa phụ
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình
MỞ ĐẦU 6
Chương 1. GIỚI THIỆU CHUNG
1.1. Khảo sát tình trạng nuôi tôm lồng ở Khánh Hòa 8
1.2. Mục đích và yêu cầu 11
Chương 2. TỔNG HỢP NHỮNG NGHIÊN CỨU ROBOT LẶN
2.1. Robot HROV 15
2.2. Robot l
ặn ROV Kiel 6000 16
2.3. Robot lặn trong nhà máy điện hạt nhân 17
2.4. Robot cá của Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật 17
Chương 3. PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
3.1. Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu 18
3.2. Nội dung nghiên cứu 25
3.3. Chế tạo phần vỏ 32
3.4. Chế tạo mạch 39
3.5. Lưu đồ giải thuật điều khiển 41
Chương 4. THỰC NGHIỆM - PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 44

Chương 5. KẾT LUẬN – ĐỀ XUẤT 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC










- 5 -
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Lồng nuôi thủy sản 11
Hình 1.2: Lồng ươn tôm hùm con 12
Hình 1.3: Lồng nuôi cố định 13
Hình 2.1: Robot HROV 16
Hình 2.2: Robot ROV Kiel 6000 17
Hình 2.3: Robot trong nhà máy điện hạt nhân 18
Hình 2.4: Robot cá 19
Hình 3.1: Sơ đồ tổng quan cấu trúc robot 21
Hình 3.2: Thiết kế sơ bộ về Robot 23
Hình 3.3: Sơ đồ mạch nguồn 28
Hình 3.4: Sơ đồ truyền thông 28
Hình 3.5: Sơ đồ kết nối các chân của khối điều khiển 29
Hình 3.6: Sơ đồ mạch in khối điều khiển 29
Hình 3.7: Sơ đồ

nguyên lý của khối công suất fet và rơ le 30
Hình 3.8: Sơ đồ mạch in khối công suất 31
Hình 3.9: Gamepad Playstation 32
Hình 3.10: Giản đồ xung của Game pad 33
Hình 3.11: Khuôn dạng trả về của Gamepad 33
Hình 3.12: Ổ bi, Phốt và Phe 34
Hình 3.13: Bột chai 35
Hình 3.14: Phần thân của Robot 36
Hình 3.15: Các vật liệu thành phần của composite 38
Hình 3.16: Phần đầu bằng composite sau khi chế tạo 39
Hình 3.17: Modul động cơ 40
Hình 3.18: Nối trục động cơ 40
Hình 3.19: Phần đuôi Robot 41
Hình 3.20: Mạch điều khiển 41
Hình 3.21: Mạch công su
ất 42
Hình 3.22: Giải thuật đọc Gamepad 43
Hình 3.23: Lưu đồ giải thuật điều khiển robot 45

- 6 -
LỜI NÓI ĐẦU
Sự phát triển nhanh chóng của xã hội đó chính là sự đòi hỏi và nhu cầu
của con người ngày càng nâng cao hơn, nhiều hơn và khắt khe hơn. Thước đo
để đánh giá sự phát triển đó chính là sự tiến bộ của khoa học và kĩ thuật.
Trong thập niên đầu của thế kỉ mới cùng với sự bùng nổ của thông tin khoa
học kĩ thuật cũng phát triển nở rộ. Vớ
i nhiều ngành mới với những ứng dụng
mới tiên tiến và hoàn hảo hơn ứng dụng thiết thực hơn trong cuộc sống. Sức
lao động của con người được giải phóng nhiều hơn nhờ các máy móc thiết bị
hiện đại.
Một trong những ngành có đóng góp hết sức quan trọng vào sự tiến bộ
trên là ngành Cở Điện Tử. Tuy ra đời sau các ngành khác như Cơ Khí, Điệ
n
Tử … nhưng nó có vị trí thiết yếu không thể thiếu trong sản xuất cũng như
trong đời sống hiện nay.
Cơ Điện Tử theo tiếng Anh là MECHATRONIC được tổng giám đốc
Tesuro Mori của công ty “Seibu Electric and Machinery” định nghĩa năm
1969. Được ghép bởi hai từ MECHANISM và ELECTRONICS và được trích
dẫn phát triển bởi Harashima, Tomizuka và Fukada vào năm 1996. Trong đó
cơ điện tử được định nghĩa là sự tích hợp của cơ khí,
Điện tử và điều khiển
máy tính thông minh trong một thiết kế, chế tạo các sản phẩm và quy trình
công nghiệp.
Hệ thống Cơ Điện Tử là một hệ thống mà phần cơ khí trực tiếp công
tác,phần điều khiển được đảm nhiệm bởi phần điện tử kết hợp với sức mạnh
của tin học. Xử lí những phép tính toán ph
ức tạp nhanh và chính xác. Giảm
bớt sự can thiệp tính toán của con người, giúp đơn giản hóa trong việc điều

khiển. Tạo ra những sản phẩm hoàn hảo hơn nhiều so với sản phẩm sản xuất
chỉ bằng cơ khí.
Xuất phát từ thực tế phát triển của ngành Cơ Điện Tử trong nước và thế
giới ngành Cơ Điện Tử trường Đại H
ọc Nha Trang đang tích cực đóng góp
vào sự phát triển chung của ngành.
Qua quá trình 4 năm học tập và nghiêng cứu tại trường Đại Học Nha
Trang, chúng em đã được thầy, cô truyền đạt những kiến thức cả lí thuyết và
thực hành, kĩ năng và tác phong công nghiệp, để chúng em có thể áp dụng
vào thực tế và làm quen với công việc của người kĩ sư tương lai thông qua
công việc cụ thể.



- 7 -
Đó là lí do chúng em được nhận đề tài tốt nghiệp có ứng dụng rất thiết
thực trong thực tế khảo sát được đó là đề tài:
THIẾT KẾ CHẾ TẠO
ROBOT LẶN PHỤC VỤ LỒNG NUÔI TÔM.
Trong quá trình thực hiện đồ án chúng em được sự chỉ dẫn tận tình của
các thầy trong khoa cơ khí, bộ môn cơ điện tử, đặc biệt là thầy giáo Th.s Vũ
Thăng Long, trưởng bộ môn cơ điện tử. Tuy vậy trong quá trình thực hiện sẽ
có nhiều sai sót do chưa có kinh ngiệm thực tế, chúng em mong được sự nhận
xét góp ý của các thầy, cô để hoàn thành đồ án và nhiệm vụ học tập ở trường.
Em xin chân thành cảm ơn.

- 8 -

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU CHUNG



- 9 -
1.1. Khảo sát tình trạng nuôi tôm lồng ở Khánh Hòa
Trên thế
giới, tôm hùm phân bố chủ yếu ở các vùng biển nhiệt đới đến
bán nhiệt đới như Úc, Đài Loan, Trung Quốc, Nhật Bản, Indonesia,…
Ở Việt Nam, tôm hùm phân bố chủ yếu ở các tỉnh miền trung từ Quảng
Bình đến Bình Thuận, đặc biệt tập trung ở các tỉnh Khánh Hoà, Ninh Thuận,
Bình Thuận.
Tuỳ theo giai đoạn phát triển mà tôm hùm phân bố ở những độ sâu khác
nhau. Giai đoạn trưởng thành, chúng sống ở độ
sâu 20m trở lên, giai đoạn ấu
trùng và con non chủ yếu tập trung ở các bãi đá, san hô độ sâu từ 2 - 10m.
Tôm hùm thường sống ở các rạn san hô ngầm xa bờ, xen kẽ đá san hô,
nơi có nhiều hang hốc, khe rãnh ven biển, độ sâu từ 5 - 35m, độ mặn khoảng
30 - 34
o
/

oo
, nhiệt độ từ 22 – 32
o
C và độ trong suốt cao. Chúng có tập tính
sống quần tụ chủ yếu ở tầng đáy với chất đáy sạch, không bùn.
Tôm hùm gai, Panulirus spp là loài thuỷ sản có giá trị kinh tế cao thuộc
họ Palinuridae. Ở Việt Nam, giống Panulirus có 7 loài: tôm hùm bông P.
onatus, tôm hùm đá P.homarus, tôm hùm sỏi P.stimpsoni, tôm hùm đỏ
P.longipes, tôm hùm ma P.penicilatus, tôm hùm sen P.versicolor, tôm hùm
bùn P.polyphagus. Trong đó, tôm hùm bông là loài có kích thước lớn nhất,
tăng trưởng nhanh nhất và có giá trị kinh tế cao nhất, là đối tượng được ưu
tiên trong nuôi lồng.
Tôm hùm lớn lên nhờ quá trình lột xác. Tôm càng nh
ỏ, quá trình lột xác
càng ngắn và tôm lớn càng nhanh. Tôm hùm có chu kỳ lột xác dài hơn so với
các loài giáp xác khác, do đó, tốc độ tăng trưởng của chúng cũng chậm hơn.
Tôm hùm là loài ăn tạp, trong tự nhiên thức ăn chủ yếu là cá, tôm, cua
ghẹ nhỏ, cầu gai,…ngoài ra, chúng còn ăn các loại rong rêu. Tôm hùm bắt
mồi tích cực về đêm và gần sáng. Ở giai đoạn tiền lột xác 2 - 4 ngày, chúng
ăn rất khoẻ. Trong giai đoạn lột xác, sức ăn gi
ảm xuống rõ rệt.
Tôm hùm sinh sản rải rác quanh năm nhưng mùa vụ sinh sản của giống
Palinurus chủ yếu từ tháng 4 - 5 và tháng 9 hàng năm.
Đến mùa sinh sản, tôm thành thục kết đàn di cư ra các vùng biển sâu 10-
35 m và có độ mặn 30 - 34
o
/
oo
để đẻ. Tôm thụ tinh ngoài, con đực gửi khối túi
tinh trên mảnh ức của con cái. Túi tinh được làm rách nhiều giờ trước khi con

- 10 -
cái đẻ để thụ tinh với trứng ở phần bụng và chân bơi. Tôm giữ trứng ở các đôi
chân bụng cho đến khi trứng nở.
Ấu trùng Phyllosoma qua 12 lần lột xác và biến thái thành ấu trùng
Puerulus. Ấu trùng Puerulus qua 4 lần lột xác thành tôm hùm con. Tôm con
sống đáy, thường tập trung ở những vùng rạn trong các kẽ đá hoặc bám chác
vào những lỗ nhỏ của đá ghềnh thành từng nhóm vài con hoặc vài trăm con
trong 1 vùng rạn hẹ
p.
Hiện nay, Khánh Hòa có gần 30 ngàn lồng nuôi tôm hùm, tập trung chủ
yếu ở các huyện: Ninh Hòa, Vạn Ninh, thị xã Cam Ranh và TP. Nha Trang.
Hàng năm, sản lượng thu hoạch tôm hùm lồng đạt hơn 1.000 tấn, thu nhập
hàng trăm tỷ đồng.
Các lồng được đặt ở vùng vịnh eo biển nơi nước ít bị ảnh hưởng bởi lũ
lụt, sóng gió lớn, nhiệt độ nước ổn định, có nguồn nước sạch, không bị ô
nhiễ
m bởi các chất thải công nghiệp, sinh hoạt, các yếu tố thuỷ lý hoá phù
hợp với đặc điểm sống của tôm hùm,thường đặt chỗ nướ có độ sâu khoảng
15m.
Độ sâu 3 - 5 m đối với lồng cố định, 6 - 8 m đối với lồng nổi.

Hình 1.1: Lồng nuôi thủy sản
Lồng ương tôm hùm con là lồng chìm. Kích thước 0,7 x 0,8 x 1m; 1,5 x
1,5 x 1,2m hoặc 2 x 2 x 1,2m.
Khung lồng làm bằng sắt có đường kính 2 mm, được hàn lại với nhau.
Khung được sơn bằng d
ầu hắc để chống rỉ, bên ngoài quấn thêm 1 lớp bao



- 11 -
nylon. Lưới bọc khung được kéo căng ở cả 6 mặt, có thể là lưới sắt hoặc lưới
nylon, cước; nên làm 2 lớp lưới (lớp bên ngoài có đường kính mắt lưới 2 - 3
cm) để tránh các loài cá dữ cắn phá lưới.

Hình 1.2: Lồng ươn tôm hùm con
Mặt trên lồng có cửa (nắp) để kiểm tra và làm vệ sinh lồng. Dùng 1 ống
nhựa có đưòng kính 10 - 12mm buộc giữa lồng để đưa thức ăn vào lồng, ống
được đặt dài đến sát
đáy lồng, đầu còn lại nổi trên mặt nước để có thể cho ăn
từ trên thuyền.
Lắp lồng cách đáy biển sao cho khi thuỷ triều cạn nhất lồng cũng không
ảnh hưởng bởi lớp bùn đáy.
Lồng nuôi tôm thương phẩm thường là lồng chìm. Ưu điểm của loại lồng
này là không bị ảnh hưởng bởi sóng gió, có thể di chuyển nếu gặp điều kiệ
n
không thuận lợi. Kích thước lồng 3 x 3 x 1,5m; 2 x 3 x 1,5m; 3 x 2,5 x 1,2m.
Sắt làm khung có đường kính 12 - 14mm, được hàn lại với nhau theo kích
thước lồng nuôi. Khung được sơn bằng dầu hắc để chống rỉ, bên ngoài quấn
thêm 1 lớp bao nylon. Lưới bọc khung được kéo căng ở cả 6 mặt, có thể là
lưới sắt hoặc lưới nylon, cước, kích thước mắt lưới 3 - 4cm.
Lồng cố định (bè nuôi) loại lồng này được ráp ngay tại bãi nuôi. Ưu
điể
m là người nuôi có thể ở tại chỗ để chăm sóc, quản lý, số lượng tôm nuôi
cũng nhiều hơn so với lồng chìm. Tuy nhiên, lồng này bị ảnh hưởng nhiều của
sóng gió, khi gặp điều kiện thời tiết bất lợi không thể di chuyển đi nơi khác,

chi phí làm lồng cao hơn.



- 12 -

Hình 1.3: Lồng nuôi cố định


Kích thước lồng có thể là 4 x 4
x 5m; 3 x 4 x 5m; 5 x 5 x 6m; 6 x 6
x 5m. Cọc đóng đáy có đường kính
15 - 20cm, dài 8 - 9m, đà ngang
bằng gỗ có đường kính 6 - 10cm,
dài 4 - 5m.
Cọc đóng đáy được vát nhọn 1
đầu, hai người đứng trên thuyền
dùng sức lắc mạnh và đóng xuống
đáy sâu ít nhất 1 - 1,5m. Đóng xong
4 cọc chính, chuyển sang đóng các thanh đà ngang và nẹp để cố định lồng.
Sau khi tạo khung lồng xong, người ta cho lồng lưới xuống và cột các
góc lồng vào các trụ để cố định lồng. Nên cột lưới lồng cách xa các cột để
tránh sóng gió xô đẩy, lưới cạ vào cọc sẽ mau hư, rách. Lồng thường sử dụng
lưới nhựa, cước. Kích thước mắt lưới 2a = 20 - 30mm tuỳ theo cỡ giống thả
nuôi. Phía trên có nắp đậy bằng lưới để cho ăn và kiểm tra tôm, tránh thất
thoát tôm do bắt trộm. Phía dưới đáy lồng có lót thêm một tấm bạt ở phân n
ửa
đáy là nơi cho ăn và tôm lên nghỉ sau khi ăn. Nửa đáy bên kia để trống để dọn
phân và thức ăn thừa của tôm. Đáy lồng nên cách đáy biển 1 - 2m. Thường
làm lồng cao hơn mực nước cao nhất khoảng 1m. Bên cạnh việc dựng lồng

(rọ) thì mỗi hộ nuôi phải dựng thêm một trại gác để ở và chăm sóc, bảo vệ
tôm.
1.2. Mục đích và yêu cầu
1.2.1. Mục đ
ích
Tôm hùm là loại tạp ăn, thức ăn chủ yếu là cá tạp, cua, ghẹ, cầu gai, và
các loại nhuyễn thể. Cho ăn chủ yếu là cho ăn tươi, tuỳ vào kích cở tôm, cở
mồi mà ta có thể băm nhỏ thức ăn hay không. Có thể cho tôm hùm ăn 2
lần/ngày nhưng phải đặc biệt chú ý cho ăn nhiều vào các buổi sáng sớm và
chiều tối. Lượng cho ăn hằng ngày từ 15 - 20% trọng lượng đàn tôm. Trong
nhữ
ng ngày trước lúc lột xác 4 - 5 ngày tôm ăn rất mạnh và đang trong thời kì
lột xác nhiều tôm giảm ăn chính vì vậy ta cần chú ý vào các thời điểm này mà
điều chỉnh lượng thức ăn cho phù hợp. Quá trình lột xác của tôm phụ thuộc
vào chu kì con nước, thường thì tôm sẽ lột xác nhiều vào cuối kì con nước
lớn.
Thường xuyên lặn kiểm tra lồng, kiểm tra tình trạng tôm, kiểm tra lượng
thức ăn thừa hay thiếu để
từ đó có hướng giải quyết kịp thời. Ðịnh kỳ 10 - 15
ngày vệ sinh lồng nuôi một lần đảm bảo môi trường sạch sẽ thông thoáng.

- 13 -
Trong khi, các lồng được đặt khá sâu nên người nuôi sẽ rất khó khăn
trong việc phải thường xuyên kiểm tra, và có thể gặp nguy hiểm. Vì những
nguyên nhân ấy mà chúng em đã quyết định nghiên cứu thiết kế robot lặn để
phục cho công việc theo dõi, chăm sóc tôm, cũng như giảm nguy hiểm cho
người chăm sóc, dọn thức ăn thừa.
1.2.2. Yêu cầu
Với những đặc điểm của lồng, bè nuôi tôm nh
ư vậy, có những yêu cầu

đặt ra cho robot như sau:
- Robot phải có kích thước 40 x 40cm trở lại, không được vượt quá nếu
không sẽ không xuống được lồng.
- Nó phải chịu được áp lực nước ở độ sâu thả lồng (tối thiểu là 10m nước).
- Nó không được phép có những góc cạnh sắc nhọn nhô ra để không mắc
vào lưới của lồng.
- Robot phải mang được camera và ống mềm để quan sát tôm, thức ăn thừa
cũng như lượng chất bẩn dưới đáy lồng.
- Camera phải đặt ở vị trí nào mà đảm bảo góc quan sát tốt nhất, cũng như
ít bị vướng vào lưới.
- Robot phải đảm bảo chạy với tốc độ chậm vừa phải khoản 1 m/s, có thể
đứng yên ở một vị trí để quan sát.
- Phải đảm bảo trồi lên và lặn xuống theo chiều thẳng đứng.
- Không đượ
c nghiêng quá mức so với vị trí cân bằng, nó phải có khả năng
tự cân bằng tĩnh.
- Phải đảm bảo không bị chúi đầu khi hút chất bẩn.

- 14 -

















CHƯƠNG 2
TỔNG HỢP NHỮNG NGHIÊN
CỨU ROBOT LẶN



- 15 -
Cho đến nay hơn 90% diện tích đại dương vẫn chưa được khám phá mặc

dù nước biển chỉ bao phủ hai phần ba diện tích bề mặt trái đất. Chúng ta biết
rõ về địa hình mặt trăng hơn là địa hình đáy biển nơi hành tinh mà chúng ta
đang sống.
Thám hiểm, dò tìm,… trong điều kiện khắc nghiệt là công việc hết sức
khó khăn và nguy hiểm đối với con người. Robot ra đời giúp chúng ta có thể
đi đến lấy mẫu những nơi mà con người khó có thể đến được. Một số nước
trên thế giới đã và đang tạo ra những con Robot lặn phục vụ việc nghiên cứu
trong các điều kiện khắc nghiệt đó. Có những con đang trong giai đoạn
nghiên cứu thử nghiệm và có những con đang được sử dụng. Chúng không
được sản xuất thương mại mà chủ yếu là s
ản xuất đơn lẻ, chuyên dụng nên giá
thành của chúng rất đắt. Dưới đây là một số loại Robot trên thế giới.
2.1. Robot HROV ( viết tắt của Hybrid
Remotely Operated Vehicle)
Với khả năng lặn sâu tới hơn 11km,
đây là loại thiết bị cho phép các nhà hải
dương học thám hiểm hầu hết tất cả các
vùng biển sâu nhất của thế giới và có
khả năng thực hiện rất nhiề
u công việc
phức tạp như quay phim, chụp ảnh, lấy
mẫu đất đá và sinh vật, lập bản đồ địa
hình đáy biển… với mức chi phí thấp
hơn so với các cuộc thám hiểm bằng tàu
ngầm có người lái.
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,ki
ểu thứ nhất được

kết nối với trung tâm 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 lớn
để chuyển về cho các nhà khoa học nghiên cứu và phân tích. Bộ acqui của
robot cho phép nó hoạt động độc lập liên tục 36 giờ mà không phải nạp năng
lượng, đủ để hoàn thành một cuộc thám hiểm với nhiều công việc phức tạp.
Hình 2.1: Robot HROV




- 16 -
2.2. Robot lặn ROV Kiel 6000
Các nhà nghiên cứu biển người Đức ở thành phố Kiel hy vọng với robot
lặn hiện đại bậc nhất thế giới “ROV Kiel 6000” sẽ khai phá được một vài
điểm vàng trắng trên bản đồ đáy đại dương. Robot lặn này có thể xuống đến
độ sâu 6.000m để chụp ảnh và lấy mẫu
vật.
Theo các chuyên gia thuộc viện
nghiên cứu biển Leibnitz (IFM - Geomar)
thì với robot lặn này con ng
ười tiếp cận
tới 95% diện tích đáy đại dương. Chỉ có
những vùng biển chuyên biệt như vùng
rãnh Marian ở độ sâu 11.000m vẫn là
vùng đất mà con người chưa thể nào với
tới. “ROV Kiel 6000” đã có chuyến “xuất
quân” đầy thắng lợi vào tháng 8 năm ngoái ở ngoài khơi vùng biển phía đông

Newzealand.

Hình 2.2: Robot ROV Kiel 6000
“ROV Kiel 6000” có trọng lượng 30 tấn và trị giá 3,2 triệu euro, ngoài ra
giá trị thiết bị kỹ thuật bổ sung là 1,5 triệu euro. Robot lặn “ROV” có nghĩ
a là
“Remotely Operated Vehicle” gắn với tàu nghiên cứu bằng một tuyến cáp
quang bọc thép dài 6.500m và do tàu nghiên cứu điều khiển từ xa.
“ROV Kiel 6000” có hai cánh tay thủy lực có khả năng đo đạc, thu gom
mẫu nước, mẫu trầm tích và đất đá ở đáy biển. Thông qua máy quay phim có
độ phân giải cao các nhà khoa học có thể ghi hình những loài sinh vật bí ẩn
sống ở đáy biển sâu.
Các dữ liệu và hình ảnh được truyền tức thời qua cáp quang tới người
điều khiển robot cũng như các nhà nghiên cứu trong khoang kiểm soát ở trên
tàu nghiên cứu.
Giám đốc dự án Colin Devey cho biết: “Robot này sẽ giúp chúng tôi đạt
được những tầm vóc mới trong nghiên cứu như sử dụng robot mới để nghiên
cứu vấn đề về tuần hoàn vật chất toàn cầu, về sự hình thành nguyên liệu
khoáng và nguyên liệu sinh học hoặc để nghiên cứu về khả năng tang trữ CO
2

dưới đáy biển”.
2.3. Robot lặn trong nhà máy điện hạt nhân
Các nhà khoa học Trung Quốc đã chế tạo một loại robot có khả năng tìm
kiếm và thu nhặt các vật thể lạ dưới nước trong lò phản ứng hạt nhân.
Các vật thể bị long ra hoặc vật thể lạ trong lò phản ứng sẽ gây hư hại
nghiêm trọng cho các nhà máy điện hạt nhân. Để điề
u tra, thu nhặt các vật thể

- 17 -
đó nhanh chóng và an toàn, cần phải có các hệ thống điều khiển từ xa, có thể
hoạt động trong môi trường độc hại.
Robot do Trung Quốc chế tạo dài chừng
42cm, rộng 19,8cm, cao 13,8cm và nặng
chừng 13,8kg. Đây là robot đầu tiên thuộc
loại này được sử dụng trong các lò phản ứng
hạt nhân của Trung Quốc.
Robot do Viện Quang học và điện tử
(thuộc Viện Khoa học Trung Quốc) ở thành
ph
ố Thành Đô chế tạo. Nó đã được thử
nghiệm thành công và đang được sử dụng tại
nhà máy điện hạt nhân Daya Bay, tỉnh Quảng
Đông, một trong những nhà máy điện hạt nhân thương mại lớn nhất Trung
Quốc.

Hình 2.3: Robot trong nhà
máy đi
ệnhạt nhân
Robot có thể lặn vào bể nước sâu 22m của lò phản ứng hạt nhân với điều
kiện nước có tính axit yếu và độ phóng xạ hạt nhân thấp. Nó di chuyển linh
hoạt và rất nhanh nhẹn. Tốc độ của robot có thể điều chỉnh được trong phạm
vi từ 0 tới 9m/giây. Di chuyển trên 6 bánh xe, robot có thể leo lên vùng dốc
30 độ.
Robot gồm một bộ máy bò dưới nước, một camera, hệ thống lưu và nén
hình ảnh, một cánh tay cơ học, một máy quét, một chiếc bơm chân không và
một bộ điều khiển từ xa.
Cánh tay máy chủ yếu được sử dụng để nh

ặt những vật tương đối lớn
chẳng hạn như cờ lê và tua vít. Trong khi đó máy quét xử lí những vật nhỏ
hơn chẳng hạn như đinh vít. Bơm được sử dụng để hút các mẩu thủy tinh vỡ
và cặn lắng.
Robot này có giá thành chỉ bằng 1/8 robot nhập ngoại và có khả năng
mang vác nặng. Tổng trọng lượng của các vật thể mà robot có thể thu nhặt tối
đa là 1kg. Việc ch
ế tạo thành công robot này đặt nền tảng vững chắc cho việc
chế tạo các robot dưới nước khác ở Trung Quốc.
2.4. Robot cá của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật
Robot cá đầu tiên ở Việt Nam đã được nghiệm thu tại sở KH – CN TP
HCM vào ngày 16/12. Chú cá này được điều khiển từ xa, có thể bơi lộ giống
thật.
Robot cá có kích thước khoảng 35cm x 70cm x 110cm , nặng 600g, được
điều khiển từ
xa bằng song vô tuyến. Nó có thể bơi trong hồ bơi (môi trường
nước trong và yên tĩnh) gần giống với cá thật, với tốc độ bơi khoảng 0,6m



- 18 -
mỗi giây, ở độ sâu tối đa khoảng 2m, đồng thời thực hiện các động tác bơi lên
lặn xuống, chuyển hướng một cách nhịp
nhàng.

Hình 2.4: Robot cá
Tuy nhiên, robot cá vẫn còn một số nhược
điểm như: các khớp nối chưa thật sự tối ưu
làm hạn chế khả năng bơi lội uyển chuyển
trong nước cũng như khả năng bơi lên, l

ặn
xuống chưa nhanh. Khả năng bơi xuống
sâu còn hạn chế do song vô tuyến chưa đủ
đáp ứng. Khi các bơi xuống sâu, camera
không thể truyền tín hiệu được.

- 19 -











CHƯƠNG 3
PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG
NGHIÊN CỨU

- 20 -
3.1. Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu
3.1.1 Cách tiếp cận
Nhằm thực hiện chức năng trợ giúp nuôi lồng thủy sản, robot được thiết
kế dự kiến có sơ đồ cấu tạo và mối tương quan các bộ phận như sau:

1. DISPLAY: Bộ hiển thị dữ liệu, dữ liệu từ camera quan sát sẽ được
truyền về trạm điều khiển trung tâm trên bờ và hiển thị lên trên màn hình máy
vi tính hoặc màn hình bất kỳ phụ thuộc vào camera sẽ sử dụng.
Hình 3.1: Sơ đồ tổng quan cấu trúc robot
2. INTERFACING BOARD:
Mạch vi điều khiển dùng để điều khiển
tốc độ các motor điện, giúp robot chuyển động theo các phương bất kỳ theo
người sử dụng điều khiển. Trên khung robot được gắn các cảm biến xác định
góc nghiêng của robot theo phương ngang và phương dọc, dựa vào góc
nghiêng này mà Bộ điều khiển sẽ điều khiển lực đẩy của các motor nhằm đảm
bảo tính ổ
n định robot.
3. MOVING_MOTORS:
Bao gồm 2 motor chuyển động tiến, lùi tạo
nguồn động lực đẩy robot di chuyển trong nước.
4. DIVING_MOTORS:
Bao gồm 4 motor chuyển động lên xuống, tạo
nguồn động lực nâng robot lặn xuống hay trồi lên.
5. SCREW-PROPELLER:
Chân vịt, được gắn vào trục motor.
6. FRAME:
Bộ khung của robot, là nơi gá đặt động cơ, bộ cảm biến cân
bằng…




- 21 -
3.1.2. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu chế tạo robot dựa trên tính toán lý thuyết kết
hợp với thực nghiệm, trong đó chủ yếu vào phép “thử và sai”. Đây là phương
pháp sử dụng rất nhiều trong những trường hợp hệ thống điều khiển chịu tác
động bởi nhiều yếu tố. Cụ thể:
- Dựa vào kết quả khảo sát tình hình nuôi tôm lồng sẽ xác định
được các
tính năng động lực học robot lặn của robot.
- Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến sự chuyển động của robot dưới nước,
các yếu tố bao gồm lực cản chuyển động, độ sâu, vận tốc, gia tốc, tính ổn
định… để từ đó xác định hình dáng robot và vị trí đặt nguồn động lực thích
hợp.
- Xây dựng phương án và tiến hành thiết kế chế tạo h
ệ thống cơ khí và điều
khiển: Nhằm lựa chọn được kết cấu tốt nhất, phù hợp công nghệ nuôi lồng,
một số phương án thiết kế sẽ được xây dựng. Mỗi phương án sẽ được phân
tích kỹ lưỡng để chọn phương án thích hợp. Sau khi lựa chọn phương án thiết
kế, nhóm tác giả sẽ tiến hành thiết kế kỹ thuật, công việc này bao gồ
m tính
chọn động cơ, tính toán các thông số hình học, lựa chọn loại cảm biến… và
thiết kế mạch điều khiển. Sau khi tính toán xong, phiên bản đầu tiên robot sẽ
được chế tạo để tiến hành thử nghiệm.
- Thử nghiệm, kiểm tra và hoàn chỉnh robot: Việc thử nghiệm của robot sẽ
được tiến hành trong bể thử để kiểm tra tính năng động lực học của robot như
khả n
ăng chuyển động đến các vị trí mong muốn, tính ổn định của robot, khả
năng mang camera và ống mềm để hút chất thải. Quá trình này được tiến hành
nhiều lần để phát hiện và sửa chữa các nhược điểm. Sau khi thử nghiệm trong
bể thử thành công, robot sẽ được đưa đến các lồng nuôi trên biển để thử
nghiệm các chức năng cần thiết của công việc nuôi tôm lồng. Số liệ
u thực

nghiệm sẽ được ghi chép cụ thể để làm cơ sở đánh giá kết quả nghiên cứu.
3.2. Nội dung nghiên cứu
Robot lặn có khả năng mang camera quan sát và ống mềm hút chất thải
trong quá trình nuôi phù hợp với công nghệ nuôi tôm lồng trên biển.
3.2.1. Thiết kế phần cơ khí (vỏ tàu và thiết bị đẩy)
A. Thiết kế vỏ tàu
1. Yêu cầu và đặc tính của vỏ
Để tàu có thể hoạt động an toàn
ở độ sâu dưới 10m nước (1 atm), phải
chịu áp lực khá lớn thì vỏ phải đáp ứng những yêu cầu sau:
- Có kết cấu, hình dạng chịu lực tối ưu (dạng trụ tròn).



- 22 -
- Để giảm sức cản của nước thì đầu tàu phải có dạng tròn hoặc cầu, không
được có quá nhiều chi tiết nhô ra, tất cả các chi tiết nhô ra đó phải được vát
cho có góc tù, không được có góc cạnh, phẳng.
- Để giảm sức cản ma sát thì bề mặt của tàu càng nhẵn càng tốt, không được
có những chỗ lồi lõm.
- Vì có những bo mạch chứa bên trong nên tàu phải tuyệt đối kín nước.
- Trọng tâm của vỏ
phải được tính toán thận trọng để đảm bảo khả năng tự
cân bằng khi trạng thái tĩnh. Để giảm đi việc phải dùng lực để điều chỉnh, sẽ
khó khăn hơn.

Hình 3.2: Thiết kế sơ bộ về Robot
2. Tính toán sức bền và thiết kế hình dáng
Tính toán ứng suất chính của modul thân robot hình trụ tròn kín 2 đầu
chịu áp suất phân bố đều bên ngoài
a
p
= 1atm, đường kính ống trong a =
159.4mm , đường kính ống ngoài b = 168mm.
Vậy ứng suất pháp dọc trục sẽ là :

()()()()
22 22 22 2 2
101325 0.1594
0.301
0.168 0.1594
aa
z
pa pa
P
M

Pa
ba ba ba
π
σ
ππ
×
==== =
−−− +

Tại mép trong của thành ống dày, các ứng suất pháp theo phương tiếp
tuyến và bán kính sẽ là :

101325 0.101
ra
p
MPa
σ
=− =− =−

() ()
22
22
22
22 2 2
0.168
1 101325 0.1594 1
0.084
0.24
0.168 0.1594
a

t
b
Pa
r
M
Pa
ba
σ
⎛⎞ ⎛ ⎞
+×+
⎜⎟ ⎜ ⎟
⎝⎠ ⎝ ⎠
== =
−+




- 23 -
Do đó, các ứng suất chính ở mép trong là :

1 t
σ
σ
=


2 z
σ
σ

=


3 r
σ
σ
=

Ứng suất tính theo thuyết bền thế năng biến đổi hình dạng:

222
d1 1 2 3 1 2 2 3 3 1
22 2
0.24 0.3 0.101 0.24 0.3 0.3 0.101 0.101 0.24 0.1768
t
M
Pa
σσσσσσσσσσ
=++−−−
=++−×−×−×=

Tính toán ứng suất chính của modul động cơ hình trụ tròn kín 2 đầu chịu
áp suất phân bố đều bên ngoài
a
p
= 1atm, đường kính ống trong a = 8.1mm,
đường kính ống ngoài b = 42.3mm.
Ứng suất pháp dọc trục :
()()()()
22 22 22 2 2

101325 0.0381
1.19
0.0423 0.0381
aa
zd
pa pa
P
M
Pa
ba ba ba
π
σ
ππ
×
==== =
−−− +

101325 0.101
rd a
p
MPa
σ
=− =− =−
() ()
22
22
22
22 2 2
0.0423
1 101325 0.0381 1

0.02115
0.227
0.0423 0.0381
a
td
b
Pa
r
M
Pa
ba
σ
⎛⎞ ⎛ ⎞
+×+
⎜⎟ ⎜ ⎟
⎝⎠ ⎝ ⎠
== =
−+

1dtd
σ
σ
=

2dzd
σ
σ
=
3drd
σ

σ
=
Ứng suất tính theo thuyết bền thế năng biến đổi hình dạng:

22 2
d2 1 2 3 1 2 2 3 3 1
22 2
0.227 1.19 0.101 0.227 1.19 1.19 0.101 0.101 0.227 1.03
tddddddddd
M
Pa
σσσσσσσσσσ
=++− − −
=++−×−×−×=

Kiểm tra khả năng chịu lực của vật liệu làm thân robot :
Theo số liệu cung cấp của nhà sản xuất ta có :
+ Đối với ống có d = 168mm : PN : 5 Bar
+ Đối với ống có d = 42.3mm : PN : 9 Bar
(PN : áp suất danh nghĩa)
P
lv
= PN
×
K (P
lv
: áp suất làm việc )
Với K =1: hệ số giảm áp đối với nhiệt độ ở môi trường
≤ 25
0

C
Tính cho ống có d = 168mm :
P
lv
= 5.1 = 5 Bar
= 5
× 10
^5
N/
m





- 24 -
B. Tính toán phần động lực
Để tính toán công suất động cơ phù hợp với yêu cầu tốc độ tàu, ta cần
tính toán được sức cản khi tàu chạy. Nói chung sức cản của nước là thành
phần sức cản chủ yếu. Sức cản này phụ thuộc vào tốc độ và hình dáng của tàu.
Vì tàu của ta chỉ chạy dưới mặt nước nên chỉ chịu sức cản ma sát và sức cản
áp suấ
t.
1. Tính toán sức cản ma sát
1.825
ms ms
RCSv=××

Trong đó:
ms

R
- sức cản ma sát (kG)

- hệ số ma sát
ms
C

- vận tốc tàu (hải lý/h)
1.825
v
S - diện tích mặt ướt (m
2
)
1-hệ số sức cản ma sát được tính theo công thức:

0,053 0,053
0,00871 0,00871 0,00931
88 88 0,5
ms
C
L
=+=+=
++

2-diện tích mặt ướt:

(
)
2
0, 31Sm=

3-vận tốc tàu:
v = 1m/s = 2 (hải lý/h)


1,825 1,825
2 3,453v ==
4-sức cản ma sát của tàu:

(kG) 0,00931 3,453 0,31 0,01
ms
R =××=
2. Tính toán sức cản áp suất

2
2
cc
R
CvS
ρ
=×××

Trong đó:
c
R
- sức cản áp suất (kG)

- hệ số áp suất
c
C

ρ
- mật độ của nước (kGs
2
/m
4
)

- vận tốc tàu (m/s)
v
1 - hệ số áp suất

0,09
2
x
x
c
F
F
C
Sr
=××

Trong đó:
- diện tích sườn giữa (m
x
F
2
)

- chiều dài đoạn thon trục (m) r

m0,0016
x
F =
2
m
0,15r =



- 25 -

0,0016 0,0016
0,09 0,0002
0,31 0,15
c
C =× × =

2 - mật độ nước biển


24
102,5 /kGs m
ρ
=
3 - vận tốc


1/vm= s

4 - sức cản áp suất

2
102,5
0,0002 1 0,31 0,0032
2
c
R =×××=
(kG)
3. Xác định công suất động cơ
Sức cản toàn phần của vỏ tàu
0,0132
ms c
RR R
=
+= (kG)
Công suất kéo là công suất cần thiết để thắng được sức cản của vỏ tàu ở
vận tốc v = 1m/s là :

(Kw) 0.0132
R
NRv=×=
3.2.2. Điện tử
Gồm có 2 khối: khối điều khiển và khối công suất.
A. Khối điều khiển
1. Kiến trúc Vi Điều Khiển :
Khối điều khiển sử dụng vi điều khiển ATMEGA 32, AVR là họ vi điều
khiển 8 bit theo công nghệ mới, với những tính năng rất mạnh được tích hợp
trong chip của hãng Atmel theo công nghệ RISC, nó mạnh ngang hàng với h
ọ

vi điều khiển 8 bit khác như PIC, Pisoc. Do ra đời muộn hơn nên họ vi điều
khiển AVR có nhiều tính năng mói đáp ứng được tối đa nhu cầu của người sử
dụng, so với họ 8951,89XX nó có sự ổn định, khả năng tích hợp, sự mềm dẻo
trong lập trình và rất tiện lợi.
* Tính năng mới của họ AVR
- Giao diện SPI đồng bộ.
- Các đường vào/ra (in/out) l
ập trình được.
- Giao tiếp I
2
C.
- Bộ biến đổi ADC 10 bit.
- Các kênh băm xung PWM.
- Các chế độ tiết kiệm năng lượng như : sleep,standby v…v…
- Một bộ định thời Watchdog.
- Ngắt ngoài.
- Hiển thị LCD.
- 3 bộ Timer/Counter 8 bit.
- 1 bộ Timer/Counter 10 bit.
- 1 bộ so sánh analog.