Đồ án công nghệ chế tạo máy nghiên cứu, thiết kế mô hình tàu ngầm

Kể từ khi chiếc tàu ngầm chiến đấu đầu tiên trên thế giới ra đời ở Mỹ vào thế kỷ 18,
với sự phát triển mạnh mẽ của Khoa học-Công nghệ, nhất là trong lĩnh vực điều khiển và
truyền thông, ngày nay, tàu ngầm không chỉ được phát triển trong lĩnh vực quân sự mà nó
còn được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong vận chuyển hàng hải và
nghiên cứu khoa học ở đại dương cũng như ở vùng nước ngọt, nó giúp đạt tới độ sâu vượt
quá khả năng lặn của con người, nó có thể làm việc được trong môi trường độc hại, những
điều kiện khắc nhiệt mà con người không thể làm được... Đặc biệt, ngày nay, các mô hình
tàu ngầm còn đang được phát triển trong ngành du lịch khám phá sự đa dạng của đại
dương…
Mặc dù tầm quan trọng và vai trò của tàu ngầm thì ai cũng biết tuy nhiên trên thế giới
những quốc gia có thể sản suất chế tạo tàu ngầm là không nhiều đặc biệt là trong lĩnh vực
quân sự chỉ có một số nước như Mĩ, Nga, Anh, Đức…Trong vài năm trở lại đây do tình
hình bất ổn trên thế giới, chạy đua vũ trang và ước muốn chinh phục đại dương mà tàu
ngầm được rất nhiều nước mua về từ những nước trên tuy nhiên giá của nó khá đắt tới phải
bỏ ra hằng trăm triệu tới vài tỉ USD cũng chưa chắc có thể mua được một chiếc tàu
ngầm…
Ở Việt Nam tài liệu về lĩnh vực này còn hạn chế, và đây là một lĩnh vực khó nên tàu
ngầm còn ít được nghiên cứu. Vì vậy, đề tài “ Nghiên cứu, thiết kế mô hình tàu ngầm ”
thực sự là một thử thách. Tuy nhiên đó cũng chính là động lực để nhóm làm việc. Nhóm
bọn em hi vọng và tin tưởng rằng đề tài này sẽ là một trong những viên gạch đầu tiên để
một tương lai không xa nước Việt Nam chúng ta có thể nghiên cứu chế tạo thành công tàu
ngầm cho việc nghiên cứu khoa học, phát triển kinh tế và giữ vững an ninh quốc phòng.
Qua đề tài, các thành viên của nhóm đã phát triển được nhiều kĩ năng như làm việc nhóm,
cách tiếp cận với vấn đề mới, cách giải quyết vấn đề…Hơn thế nữa trong quá trình làm đề
tài, nhóm đã vận dụng được những kiến thức đã học như thiết kế cơ khí, lập trình điều
khiển, truyền thông, thiết kế hệ thống… để giải một bài toán rất thực tế.
Sau một thời gian làm đồ án nhóm chúng em đã hoàn thành được một số nhiệm vụ
của đồ án, nhưng để có được thành quả đó không thể không nói đến sự động viên giúp đỡ
của gia đình, bạn bè và sự chỉ bảo tận tình của các thầy cô. Chúng em xin chân thành cảm
ơn gia đình, bạn bè và thầy cô đã giúp đỡ chúng em suốt thời gian làm đồ án vừa qua, và
đặc biệt chúng em xin gửi lời cảm ơn đến:

-

Thầy Lưu Vũ Hải – Giảng viên ngành Cơ điện tử, trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội –
Người đã trực tiếp hướng dẫn chúng em thực hiện đồ án này.
Các thầy trong Trung tâm Việt-Hàn trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội, đặc biệt là thầy Đàm
Quang Hưng đã nhiệt tình tư vấn và giúp đỡ chúng em thực hiện mô hình cơ khí của đề tài.
Các bác công nhân trong Xưởng cơ khí HanSon, thị trấn Phùng-Hoài Đức-Hà Nội đã nhiệt
tình giúp đỡ chúng em gia công mô hình cơ khí.
CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG
1


1.1)Giới thiệu chung
1.1.1. Tầm quan trọng
Tàu ngầm là một loại phương tiện đặc biệt hoạt động dưới nước. Ngày nay, tàu
ngầm đã được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực quân sự, vận chuyển hàng hải, trong
nghiên cứu khoa học và đang được phát triển trong ngành du lịch. Nó giúp đạt đến độ sâu
mà con người không thể lặn tới được, các môi trường độc hại...
1.1.2. Nguyên lí hoạt động
Nguyên lý hoạt động của tàu ngầm dựa vào hai định luật cơ bản của Vật lý:
Định luật Ac-si-mét: Với bất cứ một vật nào chìm trong nước, đều chịu một lực đẩy,
thẳng đứng, hướng lên trên và có độ lớn đúng bằng phần chất lỏng mà vật đang chiếm
chỗ.
Định luật Pascal: Áp suất mà một bề mặt phải chịu tỉ lệ thuận cùng lực tác dụng lên
bề mặt, tỉ lệ nghịch với diện tích bề mặt đó.
Đối với một tàu ngầm thông thường, có hai lớp vỏ, lớp vỏ trong dầy hơn nhiều và
cũng là lớp vỏ của khoang nhân viên, giữa hai lớp vỏ là khoang trống có chứa các giàn ép
nước. Khi tàu nổi thì khoang giữa hai lớp vỏ này trống, khi muốn tàu lặn thì có một van
phía trên sẽ mở, nước tràn vào khe giữa hai vỏ làm khối lượng tàu tăng lên, chìm xuống.
Các giàn ép phía trong khoang giữa hai vỏ này có nhiệm vụ dồn không khí vào chiếm chỗ

nước để tàu nổi lên.
Do điều kiện còn hạn chế nên đề tài trong đồ án này là một mô hình tàu ngầm với các
chức năng cơ bản như: lặn-nổi dựa trên cơ chế hút-xả nước của hệ thống hai xi-lanh vít
me, di chuyển trong nước nhờ hệ thống các động cơ gắn trên tàu (động cơ đẩy, động cơ
chân vịt, động cơ cân bằng lực). Ngoài ra, mô hình này còn có một hệ thống cảm biến, bao
gồm: cảm biến gia tốc xác định góc nghiêng giúp tàu giữ thăng bằng. Cảm biến nhiệt độ,
cảm biến siêu âm để lấy tín hiệu hiển thị trên máy tính. Cảm biến tiệm cận giúp tàu chánh
vật cản hoạt động an toàn và một camera quan sát giúp cho việc điều khiển dễ dàng hơn.
1.2. Các vấn đề đặt ra
Đề tài nhằm mục đích nghiên cứu vì vậy các vấn đề cần giải quyết của đề tài bao
gồm.
1.2.1. Thiết kế cơ khí bao gồm 2 phần:
 Phần vỏ với yêu cầu nhỏ gọn, thẩm mỹ, đảm bảo độ kín, độ cứng và đặc biệt là
phải phù hợp với điều kiện gia công.
 Hệ thống tấm gá bên trong tàu phải bố trí hợp lý để gá đặt các động cơ, nguồn
năng lượng, hệ thống xi lanh và các mạch điện tử, các hệ thống cảm biến…
1.2.2. Thiết kế mạch gồm các modul rời dễ dàng trong việc lắp rắp thay thế khi có sự cố.
Bao gồm mạch main,công suất,các mạch cảm biến,mạch RF,mạch kết nối máy tính
và mạch điều khiển bằng nút bấm.
1.2.3. Lập trình.
2


1.2.3.1.

Sử lí các bài toán nhỏ.
 Điều khiển tốc độ và đảo chiều động cơ bằng nút bấm.
 Nhận và hiển thị các giá trị của cảm biến nhiệt đô, siêu âm, tiệm cận gia tốc
hiển thị lên LCD.
 Lưu trữ các giá trị đo được vào EEROM của vđk.

 Dồn kênh các tín hiệu từ nút bấm.
 Lập trình điều khiển bằng thuật toán PID.
 Truyền tín hiệu data thông qua mạch RF.
 Lập trình gửi dữ liệu từ VDK lên máy tính.
 Lập trình hiển thị thông qua phần mềm visual basic.
1.2.3.2.
Ghép nối các bài toán nhỏ ở trên thành hệ thống hoàn tất điều khiển đưa ra
phương pháp điều khiển tối ưu cho tàu ngầm.
1.3)Phương pháp nghiên cứu.
1.3.1. Phần cơ khí.





Thiết kế và mô phỏng trên máy tính.
Đưa ra giải pháp tối ưu tránh lãng phí và dễ dàng trong việc chọn vật liệu và gia
công.
Chọn vật liệu và linh kiện sẵn có trên thị trường.
Sử lí bài toán động lực học và nghiên cứu kết cấu an toàn cho tàu khi hoạt động
dưới nước.

1.3.2. Phần mạch.






Tìm hiểu kĩ datasheet của các linh kiện sử dụng trong mạch.

Tính toán lựa chọn các cảm biến sử dụng trong mạch.
Tham khảo các mạch robocon, đồ án như “Ứng dụng RF trong điều khiển và
truyền thông không dây, Ứng dụng của cảm biến siêu âm trong đo khoảng cách,
Đo lường và điều khiển bằng máy tính…”
Test và mô phỏng các mạch trước khi làm mạch thực tế.

1.3.3 Phần lập trình.




Giải quyết các bài toán nhỏ như đã nêu.
Lập trình mô mỏng trên phần mềm.
Tổng hợp đưa ra phương pháp điều khiển tối ưu.

1.3. Phạm vi và giới hạn của đề tài.
Trong khuôn khổ của đề tài với yêu cầu nghiên cứu, thiết kế, mô hình hóa trên lý
thuyết cùng với thời gian hạn chế nên phạm vi và giới hạn của đề tài như sau:
 Xây dựng mô hình cơ khí và các mạch điện tử đơn giản, ổn định, phù hợp với
điều kiện gia công thực tế.
 Sử dụng các loại động cơ phù hợp.
3









Sử dụng cảm biến siêu âm dưới nước để xác định khoảng cách, cảm biến tiệm
cận để xác định giới hạn lặn, cảm biến gia tốc để điều chỉnh cân bằng, cảm biến
nhiệt độ để lấy giá trị nhiệt độ trong thân tàu.
Điều khiển từ xa bằng sóng RF.
Tuyền thông không dây bằng sóng RF.
Giao tiếp và hiển thị bằng máy tính.
Sử dụng camera để quan sát dưới nước.

Chương II. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TÀU NGẦM
2.1.
2.1.1

Giới thiệu chung về tàu ngầm
Tổng quan về lịch sử phát triển
Người ta đã coi C.V.Drebbel, nhà vật lý, người phát minh ra nhiệt kế, sống ở cung
vua Anh Jacques I, thái phó của các hoàng tử và công chúa của quốc vương, là cha đẻ của
tàu ngầm đầu tiên.
Năm 1624, Van Drebbel đã cho chế tạo một tàu ngầm có dạng quả trứng, bằng gỗ,
được đẩy đi bởi mười hai người chèo thêm vào thủy thủ đoàn, mà ông đã thử trên sông
Thames trước sự ngạc nhiên của mọi người...
Vào thế kỷ 18, ở Mỹ, trong thời gian nước này bị quân Anh chiếm đóng, chiếc tàu
ngầm chiến đấu đầu tiên trên thế giới ra đời. Đó là kỹ sư hàng hải David Busnell - một học
viên xuất sắc vừa tốt nghiệp trường Đại học Tổng hợp Ielsk đã nảy ra ý tưởng chế tạo một
chiếc tàu đặc biệt. Chiếc tàu này có thể đi ngầm dưới mặt nước, bí mật mang mìn tiếp cập
và đánh chìm các tàu chiến to lớn của Hải quân Anh, giải phóng thành phố. Vào thời gian
đó, khi khoa học-kỹ thuật công nghệ chưa phát triển thì việc chế tạo tàu ngầm đã gặp hàng
loạt rắc rối lớn.
Đến mùa xuân năm 1776, chiếc tàu ngầm chiến đấu đầu tiên trên thế giới ra đời. Nó
có hình ...quả trứng. Cao: 2 mét. Đường kính thân rộng: 0,9 mét. Kíp chiến đấu chỉ có

đúng ...1 người. Nhân viên duy nhất kiêm nhiệm tất cả các nhiệm vụ, chức năng: Thuyền
trưởng, lái tàu, hoa tiêu, thợ máy và thủy thủ chiến đấu.
Năm 1893, Simon Lake(1867-1945) đã phác họa hình ảnh một chiếc tầu ngầm
phóng thủy lôi vào một tàu chiến.

4


Trong suốt thời gian này đã có rất nhiều các nhà khoa học đã nghiên cứu, thiết kế
các mô hình tàu ngầm khác nhau nhưng mục đích chung và duy nhất là phục vụ cho quân
sự.
Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học-công nghệ, nhất là trong lĩnh vực điều khiển
và truyền thông, ngày nay, tàu ngầm không chỉ được phát triển trong lĩnh vực quân sự mà
nó còn được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong vận chuyển hàng hải và
nghiên cứu khoa học ở đại dương cũng như ở các vùng nước ngọt, nó giúp đạt tới độ sâu
vượt quá khả năng lặn của con người. Đặc biệt, ngày nay, các mô hình tàu ngầm còn đang
được phát triển trong ngành du lịch khám phá sự đa dạng của đại dương.
2.1.2 Nguyên lý hoạt động của tàu ngầm
2.1.2.1 Các định luật cơ bản
Nguyên lý hoạt động của tàu ngầm dựa vào hai định luật cơ bản trong Vật lý:
 Định luật Ac-si-mét: Với bất cứ một vật nào chìm trong nước, đều chịu một lực
đẩy, thẳng đứng, hướng lên trên và có độ lớn đúng bằng phần chất lỏng mà vật
đang chiếm chỗ.
 Định luật Pascal: Áp suất mà một bề mặt phải chịu tỉ lệ thuận cùng lực tác dụng lên
bề mặt, tỉ lệ nghịch với diện tích bề mặt đó.
2.1.2.2

Nguyên lý lặn
Về cơ bản, có 2 cách để làm tàu lặn xuống : lặn động lực (dynamic diving) và lặn
tĩnh lực (static diving). Có nhiều mô hình tàu ngầm sử dụng phương pháp động lực

(dynamic method) trong khi lặn tĩnh lực (static diving) được sử dụng bởi tất cả các tàu
ngầm quân sự.
Những tàu lặn động lực là những tàu ngầm mà vốn đã có sẵn tính nổi, chúng luôn
có khả năng tự nổi. Loại tàu này thiết kế lặn được nhờ kết hợp tốc độ (chuyển động) của
tàu cùng với các cánh lặn để đẩy tàu xuống dưới mặt nước. Điều này giống hệt như khi
máy bay cất cánh và bay.
Những tàu ngầm static diving lặn xuống được bởi sự tự thay đổi tính nổi của tàu
nhờ bơm nước vào các két dằn. Tính nổi theo đó thay đổi từ dương sang âm và tàu bắt đầu
chìm xuống. Loại tàu này không cần chuyển động để lặn, chính vì thế phương pháp này
được gọi là static diving. Để việc lặn xuống của tàu được thuận lợi thì việc bố trí các két
5


-

dằn có vai trò rất quan trọng.Có 3 các bố trí két dằn:Bên trong lớp vỏ chịu áp, bên ngoài
lớp vỏ chịu áp,ở giữa vỏ ngoài và lớp vỏ chịu áp.
2.1.2.3 Nguyên lý lặn sử dụng trong đề tài
Mô hình tàu ngầm trong đề tài này sử dụng cơ chế lặn tĩnh lực (static diving). Tuy
nhiên do điều kiện gia công không cho phép nên trong mô hình này, hệ thống chứa nước
chúng em đã sử dụng 2 xi lanh thủy lực thay cho các két dằn (khoang chứa).
Cơ chế: Động cơ truyền động qua vít me đai ốc tới xi lanh hút và bơm nước. Nước
được chứa trực tiếp trong xi lanh. Ngoài ra, trong tàu chúng em còn bố trí thêm tải trọng
nhằm ứng dụng trong thực tế. Do đó, tùy theo lượng nước bơm vào hoặc xả ra trong 2
xilanh mà tàu có thể lặn xuống hoặc nổi lên.
Nguyên lý hoạt động : Cân bằng và thay đổi 2 lực là trọng lực và lực đẩy Acsimet
(hay lực nổi)
Lực đẩy Acsimet (cố định): P = γ.V
Trong đó:
Trọng lực có thể thay đổi được dựa trên nguyên lý chênh lệch trọng lượng riêng giữa nước

và không khí
P = Ptàu + Ptđ
Trong đó, Ptàu cố định, Ptđ thay đổi nhờ lượng nước hút hoặc xả trong 2 xilanh:
Ptđ = γH2O.VH2O + γKK.VKK
Muốn tàu nổi lên thì dùng động cơ truyền chuyển động tới xinh lanh qua hệ thống vít
me đẩy nước ra khỏi xilanh làm VH2O giảm đi và Vkk tăng lên đồng nghĩa với Ptđ(trọng lực
thay đổi sẽ giảm đi) làm cho Ptd >P.
2.1.3

Thiết bị điều khiển
Có 2 dạng điều khiển chính:
- Remotely operated Vehicle : có điều khiển bằng dây.
- Autonomous underwater vehicle : điều khiển bằng truyền sóng tín hiệu.

Trong đề tài này, chúng em lựa chọn phương pháp điều khiển bằng truyền sóng tín
hiệu, mà cụ thể là truyền tín hiệu thông qua sóng RF, bởi một số ưu điểm sau:
- Truyền xa với khoảng cách khoảng 30m hoặc có thể lên tới 100m.
- Truyền xuyên tường, kính…
2.2
Giới thiệu về điều khiển từ xa bằng tần số vô tuyến (RF)
2.2.1 Khái niệm
Sóng RF (Radio Frequency) còn gọi là tần số sóng radio. Sóng RF được dùng trong
để truyền dữ liệu, là một cầu nối trong không gian để chuyển thông tin đến và đi, là một
trong những công nghệ không dây thiết thực đang chiếm một phần quan trọng trực tiếp
trong đời sống hiện tại của chúng ta.
2.2.2 Nguyên lý hoạt động
2.2.2.1 Mạch phát RF

6

Thường dùng là loại module phát OOK (On/Off keyring) và ASK(Điều bi chuyển
các tín hiệu dạng số 1 và 0 thành trạng thái có hoặc không có tín hiệu ở phần mạch thu.

Ăngten phát giúp làm tăng khả năng phát xa các tín hiệu ra môi trường được thiết
kế hợp lý tương ứng với tần số hoạt đang hoạt động.
2.2.2.2 Mạch thu RF
Sử dụng để thu lại các tín hiệu từ mạch phát, biến các trạng thái phát hay không
phát thành dạng số 1 hoặc 0.
Nguyên tắc khi mạch thu rảnh không nhận dữ liệu từ mạch phát thì mạch vẫn có
thể thu các tín hiệu nhiễu môi trường làm cho output của nó có những tín hiệu 1,0 không
xác định. Hoặc trong quá trình phát có 1 chuỗi dài bit 1 hoặc 0 liên tục.
Để loại bỏ các nhiễu môi trường phía mạch phát cần phát 1 chuỗi tín hiệu liên tục
trong khoảng thời gian (tùy vào mạch thu, thường 25ms) trước khi chính thức phát dữ liệu,
điều này sẽ đảm bảo mạch thu thu đúng dữ liệu từ phía mạch phát. Đây là bước cần thiết
để chỉnh lại độ lợi (Gain) cho bộ thu trước khi hoạt động.
Độ nhạy của mạch thu cũng phụ thuộc rất nhiều vào Ăngten.
2.2.3. Giới thiệu chung về PT2262 và PT2272
PT2262 và PT2272 là sản phẩm của Princeton Technology được phát triển và ra
đời sau dòng mã hóa 12E/D của hãng Holtek.
PT2262 có 2 loại chính : loại có 8 địa chỉ mã hóa , 4 địa chỉ dữ liệu và loại có 6 địa
chỉ mã hóa và 6 địa chỉ dữ liệu. Thông dụng nhất ở VN là loại 8 địa chỉ mã hóa + 4 địa chỉ
dữ liệu

7


PT2272 cũng có 2 kiểu : PT2272 có 8 địa chỉ giải mã và 4 dữ liệu đầu ra Thường
được kí hiệu : PT2272 - L4; và một loại nữa là PT2272 có 6 địa chỉ giải mã và 6 giữ liệu ra
: kí hiệu PT2272 - L6 . Ở Việt Nam thông dụng nhất là loại L4

2.3.
Hệ thống cảm biến
2.3.1. Cảm biến nhiệt độ LM_35
2.3.1.1.
Giới thiệu chung

LM35 là cảm biến nhiệt độ có độ chính xác cao và điện áp đầu ra tuyến tính tỷ lệ
thuận với nhiệt độ (°C). LM35 do đó có lợi thế hơn các cảm biến nhiệt độ tuyến tính được
hiệu chỉnh trong độ Kelvin, người sử dụng là không bắt buộc phải trừ đi một điện áp lớn
liên tục từ đầu ra của nó để có được nhân rộng. LM35 không đòi hỏi bất kỳ hiệu chỉnh bên
ngoài để cung cấp độ chính xác điển hình của ± ¼ ° C ở nhiệt độ phòng và ± ¾ ° C trên
toàn dải đo từ -55 đến 150 °C. Trở kháng đầu ra của LM35 thấp, đầu ra tuyến tính, và hiệu
chuẩn vốn có chính xác làm cho giao tiếp với mạch đặc biệt là dễ dàng đọc ra hoặc kiểm
soát. Nó có thể được sử dụng với nguồn cung cấp năng lượng duy nhất, hoặc với nguồn
thêm. Dòng hoạt động nhỏ chỉ khoảng 60 μA. Nhiệt đọ tự sưởi thấp ít hơn 0,1°C trong
không khí tĩnh.
-

2.3.1.2.
Thông số kỹ thuật
Hiệu chỉnh trực tiếp °C
Độ nhạy 10,0 mV / °C
Dải đo đầy đủ -55 đến 150 °C
Điện áp hoạt động từ 4 đến 30 volt
Độ phi tuyến < ± ¼ °C ở dải đo 0-100 °C
8


2.3.1.3.

Cách sử dụng

Có 2 cách sử dụng LM_35 là:
 Cách 1: Đầu ra nối trục tiếp với bộ biến đổi ADC đây là phương pháp sử dụng cơ
bản, tuy nhiên dải đo trong trường hợp này nhỏ chỉ từ 2- 150 °C.
 Cách 2: Đầu ra của cảm biến được mắc với nguồn –Vs thông qua 1 điện trở giá trị
của điện trở này được tính thông qua nguồn –Vs bằng công thức.
R=
Ưu điểm của cách sử dụng thứ 2 là tận dụng tối đa dải đo của LM35 là từ -55 tới 150 °C.
Tuy nhiên nếu sử dụng phương pháp này thì làm giảm độ chính xác của cảm biến.
2.3.2. Cảm biến siêu âm SRF_05
2.3.2.1.
Giới thiệu chung
SRF05 là một bước phát triển từ SRF04, được thiết kế để làm tăng tính linh hoạt, tăng
pham vi, ngoài ra còn giảm bớt chi phí. SRF05 là hoàn toàn tương thích với SRF04.
Khoảng cách là tăng từ 3 mét đến 4 mét. Một chế độ hoạt động mới, SRF05 cho phép sử
dụng một chân duy nhất cho cả kích hoạt và phản hồi, do đó tiết kiệm có giá trị trên chân
điều khiển của bạn. Khi chân chế độ không kết nối, SRF05 các hoạt động riêng biệt chân
kích hoạt và và chân hồi tiếp, như SRF04. SRF05 bao gồm một thời gian trễ trước khi
xung phản hồi để mang lại điều khiển chậm hơn chẳng hạn như bộ điều khiển thời gian cơ
bản Stamps và Picaxe để thực hiện các xung lệnh.
2.3.2.2.
Sơ đồ chân của cảm biến.

2.3.2.3.

Các chế độ hoạt động
9

Chế độ 1: Tương ứng SRF04 là tách biệt giữa tín hiệu kích hoạt và phản hồi. Chế độ náy
sử dụng riêng biệt chân kích hoạt và chân phản hồi, và là chế độ đơn giản nhất để sử dụng.
Tất cả các chương trình điển hình cho SRF04 sẽ làm việc cho SRF05 ở chế độ này. Để sử
dụng chế độ này ta phải sử dụng tới 2 chân điều khiển.

Từ giản đồ trên ta nhận thấy:
Để cho SF05 hoạt động thì cần cấp 1 xung mức cao có độ rộng>=10uS trên chân Trigger.
Sau khi nhận được xung từ chân Trigger thì SRF05 sẽ tạo ra 8 xung để phát siêu âm, sau
khi hoàn thành việc phát 8 xung này thì SRF05 sẽ kéo chân echo lên mức 1, độ rộng của
mức 1 trên chân echo tương ứng với khoản cách của vật cản với SRF05, nếu ko có vật cản
thì nó sẽ được trả về mức 0 sau 30ms ( ở đây nhiều người thường hiểu sai là khi có vật cản
thì SRF05 mới trả về 1 xung mức cao có độ rộng từ 100uS ->30mS tương ứng với khoảng
cách). Đặc biệt là SRF05 chỉ có thể nhận xung trên chân Trigger tối đa là 20Hz, cho nên
việc kích xung trên chân Trigger phải phù hợp thì SRF05 mới hoạt động chính xác
Chế độ 2: Dùng một chân cho cả kích hoạt và phản hồi.
Chế độ này sử dụng một chân duy nhất cho cả tín hiệu kích hoạt và hồi tiếp, và được thiết
kế để lưu các giá trị trên chân lên bộ điều khiển nhúng. Để sử dụng chế độ này, chân chế
độ kết nối vào chân mát. Tín hiệu hồi tiếp sẽ xuất hiện trên cùng một chân với tín hiệu kích
hoạt. SRF05 sẽ không tăng dòng phản hồi cho đến 700uS sau khi kết thúc các tín hiệu kích
hoạt. Bạn đã có thời gian để kích hoạt pin xoay quanh và làm cho nó trở thành một đầu
vào và để có pulse đo mã của bạn đã sẵn sàng. Lệnh PULSIN được tìm ra và được dùng
phổ biến hiện nay để điều khiển tự động.

10


Để sử dụng chế độ 2 với các Stamps BS2 cơ bản, bạn chỉ cần sử dụng PULSOUT
và PULSIN trên cùng một chân, như thế này:
SRF05 PIN 15

sử dụng pin cho cả hai và kích hoạt echo
Range VAR Word
xác định phạm vi biến 16 bit
SRF05 = 0
bắt đầu bằng pin thấp
PULSOUT SRF05, 5
đưa ra kích hoạt pulse 10uS (5 x 2uS)
PULSIN SRF05, 1, Range
echo đo thời gian
Range = Range/29
để chuyển đổi sang cm(chia 74 cho inch).
2.3.2.4.
Tính toán khoảng cách
Giản đồ định thời SRF05 thể hiện trên đây cho mỗi chế độ. Bạn chỉ cần cung cấp
một đoạn xung ngắn 10us kích hoạt đầu vào để bắt đầu đo khoảng cách. Các SRF05 sẽ gửi
cho ra một chu kỳ 8 xung của siêu âm ở tần số 40khz và tăng cao dòng phản hồi của nó
(hoặc kích hoạt chế độ dòng 2). Sau đó chờ phản hồi, và ngay sau khi phát hiện nó giảm
các dòng phản hồi lại. Dòng phản hồi là một xung có chiều rộng là tỷ lệ với khoảng cách
đến đối tượng. Bằng cách đo xung, ta hoàn toàn có thể để tính toán khoảng cách theo inch /
centimét hoặc bất cứ điều gì khác. Nếu không phát hiện gì cả SRF05 giảm thấp hơn dòng
phản hồi của nó sau khoảng 30ms. SRF04 cung cấp một xung phản hồi tỷ lệ với khoang
cách. Nếu độ rộng của pulse được đo trong hệ uS, sau đó chia cho 58 sẽ cho khoảng cách
theo cm, hoặc chia cho 148 sẽ cho khoảng cách theo inch. us/58 = cm hay uS/148 = inch.
SRF05 có thể được kích hoạt nhanh chóng với mọi 50mS, hoặc 20 lần mỗi giây. Bạn nên
chờ 50ms trước khi kích hoạt kế tiếp, ngay cả khi SRF05 phát hiện một đối tượng gần và
xung phản hồi ngắn hơn. Điều này là để đảm bảo các siêu âm "beep" đã phai mờ và sẽ
không gây ra sai phản hồi ở lần đo kế tiếp.
2.3.2.5.
Hoạt động phát và nhận phản hồi sóng âm cơ bản của SRF05
Nguyên tắc cơ bản của sonar: là tạo ra một xung âm thanh điện tử và sau đó

lắng nghe tiếng vọng tạo ra khi các làn sóng âm thanh số truy cập một đối tượng và
được phản xạ trở lại. Để tính thời gian cho phản hồi trở về, một ước tính chính xác
có thể được làm bằng khoảng cách tới đối tượng. Xung âm thanh tạo ra bởi SRF05
là siêu âm, nghĩa là nó là ở trên phạm vi nhận xét của con người. Trong khi tần số
thấp hơn có thể được sử dụng trong các loại ứng dụng, tần số cao hơn thực hiện tốt
hơn cho phạm vi ngắn, nhu cầu độ chính xác cao.
Phạm vi hoạt động:
11


Một kỹ thuật phổ biến để làm giảm các điểm mù và đạt được phát hiện chiều rộng
lớn hơn ở cự ly gần là thêm một cải tiến bằng cách thêm một đơn vị SRF05 bổ sung và gắn
kết của hai đơn vị hướng về phía trước. Thiết lập như vậy thì có một khu vực mà hai khu
vực phát hiện chồng chéo lên nhau.

-

2.3.3. Cảm biến gia tốc MMA7455L
2.3.3.1.
Giới thiệu chung
Ngõ ra Digital (I2C/SPI) – 10 bit ở Mode 8g (g là gia tốc trọng trường).
Kích thước: 3mm x 5mm x 1mm, đóng gói 14 chân LGA.
Dòng tiêu thụ thấp 400µA .
Chức năng Self Test trục Z.
Điện áp vận hành thấp 2.4V – 3.6V.
Sử dụng các thanh ghi User Assigned để chỉnh Offset.
Lập trình giá trị ngưỡng cho phép ngắt.
Phát hiện chuyển động: Shock, dao động, rơi.
Phát hiện xung: xung đơn và xung kép.
Độ nhạy: 64 LSB/g @ 2g và @ 8g ở 10;Bit Mode.

Có thể chọn tầm đo (±2g, ±4g, ±8g).
Chịu shock tới 10000g.
2.3.3.2.
Mô tả các chân

12


-

1: DVdd_IO, cấp nguồn digital cho các chân I/O.
2: GND, nối ground.
3: NC, không dùng, để hở hoặc nối đất.
4:IADDR0, Bit 0 của địa chỉ I2C.
5: GND, nối đất.
6: AVdd, nguồn Analog.
7: CS, Chip Select, chọn kiểu truyền thông: mức 0 cho SPI, mức 1 cho I2C.
8: INT1/DRDY, ngắt 1 và báo Data Ready.
9: INT2, Ngắt 2.
10: NC, không dùng, để hở hoặc nối đất.
11: Reserved, dự trữ, nối đất.
12: SDO, dữ liệu ra trong truyền thông nối tiếp kiểu SPI.
13: SDA/SDI/SDO, dữ liệu truyền thông nối tiếp kiểu I2C (SDA) / dữ liệu vào của truyền
thông SPI (SDI) / dữ liệu ra của truyền thông nối tiếp kiểu 3;wire.
14: SCL/SPC, xung clock của truyền thông nối tiếp I2C (SCL) hay SPI (SPC).
2.3.3.3.
Sơ đồ khối

13

2.3.3.4.
Thông số hoạt động.
3. Bảng 1.1: Các giá trị tối đa cho phép

-

Nguồn Analog: AVDD 2.4 V ; 3.6 V (tiêu chuẩn 2.8V)
Nguồn digital: DVDD_IO 1.71 V – AVDD (tiêu chuẩn 1.8 V)
Dòng tiêu thụ: IDD khoảng 400μA, tối đa 490μA. Ở chế độ Stand by IDD khoảng 10μA.
Tầm đo gia tốc trên cả 3 trục X, Y, Z:
Nhiệt độ làm việc: ;40 – 80 °C
Điện áp ngõ vào mức cao: 0.7 x VDD, mức thấp: 0.35 x VDD
2.3.3.5.
Nguyên lý hoạt động
MMA7455 là một cảm biến vi cơ bề mặt thuộc loại điện dung. Dưới tác dụng của
gia tốc, khoảng cách giữa các vách ngăn thay đổi, sự thay đổi này dẫn đến sự thay đổi giá
trị điện dung theo công thức quen thuộc:
C=
Với A là diện tích các miếng ngăn, Aε là hằng số điện môi, D là khoảng cách giữa
các tấm.

Giá trị điện áp ngõ ra tỉ lệ với gia tốc đo được.
Từ giá trị gia tốc, ta có thể tích phân đơn để có giá trị vận tốc hay tích phân 2 lớp
để xác định vị trí của vật thể. Gia tốc tĩnh do lực hấp dẫn có thể được dùng để xác định góc
và độ nghiêng.
Từ đây ta có giải thuật xác định góc nghiêng Tilt:
Với S là độ nhạy.

14

2.3.4.

Cảm biến quang điện PRL30-15DN2.

2.3.4.1. Giới thiệu chung.
Cảm biến quang điện sử dụng tia sáng để phát hiện sự hiện diện hoặc vắng mặt của đối
tượng. Công nghệ này là một ý tưởng khác với Cảm biến tiệm cận cảm ứng khi mà đòi hỏi
khoảng cách phát hiện dài hơn hoặc khi vật để cảm biến không phải là kim loại. Autonics
có 4 kiểu thông dụng thuộc dòng sản phẩm Cảm biến quang điện được thiết kế với kỹ thuật
tiên tiến kết hợp với công nghệ điện tử & quang học, được lựa chọn rộng rãi trong nhiều
lĩnh vực công nghiệp do các chức năng của nó, chất lượng, ứng dụng linh hoạt và đáng tin
cậy trong khi vẫn còn sự cạnh tranh mạnh mẽ về giá cả thuộc về toàn bộ ngành công
nghiệp.
2.3.4.2. Thông số kĩ thuật.
Trong đồ án này nhóm bọn e sử dụng cảm biến BPS300-DDT của hãng Autonics với thông
số kĩ thuật cơ bản sau.
 Nguồn hoạt động 12->24VDC.
 Khoảng cách nhận biết là 300 mm.
 Dạng đầu ra là NPN hoặc PNP.

2.4.

Giao tiếp máy tính

15


Có nhiều chuẩn giao tiếp giữa máy tính và thiết bị ngoại vi bên ngoài như chuẩn

giao tiếp nối tiếp (RS 232, RS 485, USB), chuẩn giao tiếp song song (cổng LPT). Trong đề
tài này sử dụng chuẩn giao tiếp RS232 để hiển thị giá trị của 2 bộ cảm biến (cảm biến nhiệt
độ và cảm biến siêu âm) lên máy tính thong qua phần mềm Visual Basic. Chuẩn giao tiếp
RS232 khá phổ biến và thuận tiện cho việc nghiên cứu.
Việc truyền dữ liệu qua cổng COM được tiến hành theo cách nối tiếp nghĩa là dữ
liệu được truyền đi nối tiếp nhau trên một đường dẫn.Loại truyền này có khả năng dùng
cho các ứng dụng có yêu câu truyền ở khoảng cách lớn

Cổng Com có tổng cộng 8 đường dẫn,chưa kể nối đất.Việc truyền dữ liệu xảy ra
trên 2 đường dẫn.Qua chân cắm ra TXD máy tính gởi dữ liệu của nó đến KIT vi điều khiển
.Trong khi đó các dữ liệu mà máy tính nhân được lại được dẫn đến chân RXD các tín hiệu
khác đóng vai trò tín hiệu hỗ trợ khi trao đổi thông tin, và vì thế không phải trong mọi
trường hợp ứng dụng đều dùng hết.
Các vi điều khiển có các chân truyền nhận tín hiệu ở mức TTL,không phù hợp với
chuẩn RS232,do vậy muốn kết nối với máy tính phải qua mạch chuyển đổi điện áp từ mức
điện áp RS232 sang TTL và ngược lại.
Chuẩn RS232:
-

Mức thấp(logic 0) có trị số từ +3V đến +25V
Mức cao(logic 1)có trị số từ -3V đến -25V
Miền giữa -3V đến +3V không hợp lệ
Chuẩn TTL:
Ngõ vào:

-

Mức thấp(logic 0) có trị số từ +0V đến +0.8V
Mức cao(logic 1)có trị số từ +2V đến +5V
Miền giữa +0.8V đến +2V không hợp lệ

Ngõ ra

-

Mức thấp(logic 0) có trị số từ +0V đến +0.5V
Mức cao(logic 1)có trị số từ +2.7V đến +5V
16


Chương III. XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG
3.1. Mô hình cơ khí của hệ thống.
Phần thiết kế cơ khí nhóm đã thiết kế và nghiên cứu trên phần mềm proengineer . đây ;à
một phần cũng khá quan trọng vì nó sẽ là tiền đề cho mọi phần khác như là để tạo ra mô
hình cho tàu ngầm, thiết kế lắp đặt mạch điện tử, lắp đặt tính toán hệ thống thủy lực, hệ
thống điện, cảm biến… có thể nói phần cơ khí là tiền đề của hệ thống.
Hệ thống gồm 6 động cơ bao gồm 1 động cơ chính dùng để quay cánh quạt tạo chuyển
động cho tàu, một động cơ dùng để điều khiển bánh lái để định hướng tàu trong khi chảy,
hai động cơ điều khiển hệ thống thủy lực dùng để tạo ra áp lực bên trong tàu để điều khiển
tàu lặn hoặc nổi . một động cơ điều khiển camera và hai động cơ hai bên cánh dùng để điều
khiển khả năng cân bằng cảu tàu.
Phần này được thiết kế dựa vào một phần hình dạng tàu ngầm thực tế và điều kiện hiện tại
khi sự dụng, tàu gồm một số phần chính như sau,
- Phần Vỏ tàu: làm bằng nhôm nguyên chất có độ dày là 3mm, được chia làm 2 nữa
là vỏ trên và vỏ dới
+ gia công: cắt gọt, hàn, log. Tiện CNC (tạo các giá đỡ ổ bi)
+ kích thước: tàu có chiều dài là 1200mm, đường kính 300mm.
- Động cơ: sự dụng động cớ đầu ngựa có sẵn trên thị trường
- Thủy lực: sự dụng 2 bộ nén khí có hành trình là 150mm và đường kính 63mm, khả
năng chịu tải là 100kg. và sự dụng hệ thống có sẵn trên thị trường.
- Cánh quạt: sự dụng hợp kim nhôm

Phương pháp gia công: đúc
Kích thước: đường kính 150mm
- Chân vịt:
Vật liệu chế tạo: nhôm nguyên chất
Phương pháp gia công: cắt và hàn
Ngoài ra còn một số bộ phận khác
-

Đai ốc bu lông được chế tạo bằng thép

-

Vòng bị chế tạo bằng thép chuyên dụng, kích thước tiêu chuẩn
Trục : làm bằng hợp kim inoc, đường kính 8mm

Xây dựng mô hình hệ thống
Sau quá trình thiết kế và tham khảo các tài liệu thì mô hình hệ thống đã được xây
dựng như hình dới , hệ thống có 6 bậc tự do hình dới vì vậy để điều khiển được 6
bậc tự do này cần sự dụng đến lưu đồ thuật toán điều khiển của hệ thống

17


Hệ thống cấu tạo khá phức tạp nhiều chi tiết và hệ thống kín nên vấn đề bảo hành
sữa chữa rất khó khăn

Mô hình lắp ghép sơ bộ của tàu

18

Hình 3.1 Mô hình 3D của vỏ dới của tàu
Đây là phần vỏ của hệ thông là bộ phận quan trọng nhất của tàu ngầm nó dùng để
chống sự xâm nhập của nước và là bộ phận dùng để gá các chi tiết khac lên đó, trên
hình trên thì động cơ trục chính được gá trên tấm nhôm của động cơ

Hình 3.2 Mô hình 3D của vỏ trên của tàu
Đây là vỏ trên của tàu ngầm và có mục đích giống như vỏ dới nhưng ngoài ra vỏ
trên dùng để sự dụng camera để quan sát môi trường bên ngoài tàu. Và có một cái
nắp lớn dùng để kiểm tra thay đổi hay sữa chữa bảo dưỡng nhưng thiết bị bên trong
tàu.

19


Hình 3.3 Mô hình 3D của động cơ
Động cơ dùng trong hệ thống là động cơ đầu ngựa với nhiều loại và nhiều thông số
khác nhau.

Hình 3.3 Mô hình 3D của xi lanh khí
Xinh lanh khí được dùng trong đề tài với mục đích là bộ phận chứa nước để cho tàu
có thể nổi lên hay lặn xuống. xi lanh có đường kính 63mm và hành trình di chuyển
là 150mm nên thể tích chứa nước là 1 lít, trong đề tài nhóm đã sự dụng 2 xi lanh
như vậy.

20


Hình 3.4 Mô hình 3D của vòng bi
Vòng bi với mã CHC chống nước được dùng trong đề tài để sự dụng cho trục động

cơ và bánh lái vì nó có thể chống nước vào tránh họng hóc bên trong.

Hình 3.4 Mô hình 3D của trục nối
Trục nối được làm bằng hợp kim inoc nên có độ bền cao. Trục được sự dụng để nối trục
động cơ với cánh quạt và nối động cơ với bánh lái.
3.2. Mô hình hóa động học
Tính toán động lực học tàu ngầm
Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động của tàu ngầm dựa vào 2 định luật cơ bản của vật lý:
Định luật ac-si-mét với bất cứ vật nào chìm trong nước đều chịu một lực đẩy, thẳng đứng
hướng lên trên và có độ lớn đúng bằng phần chất lỏng mà vật đó đang chiếm chỗ.
Fđẩy = ᵧ.v
Định luật pascal áp suất mà một bề mặt phải chịu tỷ lệ thuận cùng lực tác dụng lên bề mặt ,
tỷ lệ nghịch với diện tích bề mặt đó .
21


Trong nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển cho phương tiện tàu ngầm, chuyển động
của phương diện ngầm có thể chỉ làm 3 hệ thống không tương tác như sau
Trạng thái hệ thống vận tốc u(t) . trạng thái hệ thống lái v(t), r(t) và

(t) các

trạng thái hệ thống lặn w(t), q(t), (t) và z(t) .
Trong bài viết này em sẽ trình bày tóm tắt một số vấn đề về chuyển động của phương tiện
ngầm trong 6 bậc tự do và trình bày cơ sở lý thuyết điều khiển thiết bị ngầm
1. Động học (dynamics) phương tiện ngầm . chuyển động của phương tiện ngầm
trong 6 bậc tự do được mô tả sự dụng hệ tọa độ trong hình sau :

Hình 2: Hệ tọa độ cho tàu biển

Trong đó hệ tọa độ Xo Yo Zo(O) là hệ tọa độ North-East-Down (NED, gọi là hệ tọa độ n)
có trục Z hướng xuống phía dưới. Chúng ta định nghĩa hai véc tơ sau (Fossen 2002):

T

(1)

và
V = [u. v. w. p. q. r]T

(2)

trong đó n. e. d là vị trí trong hệ tọa độ NED, và . .
là các góc Euler, u. v.
w. p. q. r là 6 vận tốc chuyển động trong hệ tọa độ trên tàuXYZ(G) , gọi là hệ tọa
độ b.
Theo Fossen và Ross (2006), phương trình chuyển động của phương tiện ngầm liên
22


quan đến việc nghiên cứu theo hai lĩnh vực cơ học: tĩnh học (statics) và động học
(dynamics). Tĩnh học liên quan đến các lực gây ra trạng thái cân bằng như lực nổi
(buoyance) hoặc trọng lực (gravity), còn động học tập trung vào việc phân tích các
lực gây ra chuyển động.
Tĩnh học là một ngành khoa học cổ xưa nhất, có từ thời Archimedes (287-212 BC)
tìm ra định luật cơ bản của vật nổi thủy tĩnh. Động học là ngành khoa học mới hơn
nhiều, vì cần phải đo được thời gian chính xác để làm thí nghiệm động học. Cơ sở
khoa học của động học dựa trên các nguyên lý của isaac newton xuất bản vào năm
1687 . Động học có thể được chia thành hai phần: chuyển động học (kinematics)
nghiên cứu về các khía cạnh hình học của chuyển động mà chưa xét đến khối lượng

(mass) và các lực, còn động lực học (kinetics) là phân tích các lực tác dụng gây ra
chuyển động .
1.1 chuyển động học (kinematics) 6 phương trình chuyển động trong 6 bậc tự do
(6DOF)
Chuyển động của phương tiện ngầm là chuyện động của vật thể trong không gian
ba chiều – 6 bậc tự do. Theo Fossen (1994, 2002) và Fossen và Ross (2006) thì
chuyển động của phương tiện ngầm trong 6 bậc tự do được biểu diễn bằng phương
trình sau:
(3)
Trong đó

với
R3 × S3 và v
như sau:

R3. Ma trận quay góc Euler

R3×3

được định nghĩa

trong đó s. = sin(.) và c. = cos(.) sử dụng quy ước zyx:

( ) := Rz.

Ry.ØRx. Ø

hoặc ma trận nghịch đạo thỏa mạn:
23

( )-1 =

( ) = RTx.ØRTy.,

Ma trận biến đổi tư thế góc Euler là:

Chú ý rằng
không được định nghĩa cho góc lắc dọc
và . Đối với
phương tiện ngầm gần với ma trận kỳ dị (singularity) hai biểu diễn góc Euler có các
ma trận kỳ dị có thể được dùng để tránh điểm kỳ dị bằng một phép chuyển đổi đơn
giản giữa các biểu diễn này. Một khả năng khác là sử dụng biểu diễn quaternion
(bộ bốn), nghĩa là giải bài toán này bằng cách sử dụng phương pháp bốn tham số
(Fossen 2002).
Theo cách biểu diễn thông thường trong hệ tọa độ không gian ba chiều (theo tọa độ
Descarte) trong đó trục x theo hướng bắc (trùng với vị trí theo vĩ độ), trục y hướng theo
hướng đông (trùng với vị trí theo kinh độ) và trục z hương xuống dưới (độ sâu),
phương trình (3) được viết thành 6 phương trình như sau (trượt dọc n (north), trượt
ngang e (east), trượt đứng d (depth, độ sâu), lắc ngang , lắc dọc và quay trở ):

24


1.2 Động lực học (Kinetics)
Trong phần này, tôi sẽ trình bày phương trình biểu diễn các lực tác dụng lên tàu
(trong hệ tọa độ cố định trên vật thể). Khi xét các lực tác dụng lên phương tiện
ngầm chúng ta có thể chia làm hai trường hợp:
1. Trường hợp 1 (lý tưởng): không có ngoại lực tác dụng
2. Trường hợp 2 (thực tế): có ngoại lực tác dụng

Đối với phương tiện ngầm, chúng ta mong muốn biểu diễn chuyển động theo
một hệ tọa độ có gốc tọa độ tự chọn trong hệ tọa độ b để tận dụng những đặc
tính hình học của phương tiện ngầm. Bởi vì các lực và mô men thủy động học
được cho trong hệ tọa độ b, các định luật Newton cũng được công thức hóa
trong hệ tọa độ b. Hệ tọa độ b quay đối với hệ tọa độ n, và quan hệ vận tốc giữa
tọa độ b và tọa độ n cho trong phương trình (3) (Fossen and Ross 2006).
Phương trình chuyển động không có ngoại lực
Theo fossen (1994, 2002) , định luật thứ 2 của newton được biểu diễn trong hệ
tọa độ cố định trên vật thể (hệ tọa độ b) như sau:
MRBv + CRB(v)v = TH + T
Trong đó TH = [XH. YH. ZH. KH. MH. NH ]T là vecto các lực và momen thủy
động lực học và là các véc tơ đầu vào điều khiển . các ma trận là:

Trong đó:
và
với gốc hệ tọa độ b , và

là trọng tâm của trọng lực (CG) đối

25