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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ – BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN
HƯỚNG DI CHUYỂN CỦA ROBOT LẶN DẠNG AUV
(AUTONOMOUS UNDERWATER VEHICLES)

1
4 - 1- 2016




NỘI DUNG

1. Tổng quan về đề tài
2. Tính toán thiết kế cơ khí

3. Mô hình động học AUV

4. Các loại cảm biến cho AUV

5. Xây dựng hệ thống điện

6. Thiết kế bộ điều khiển

7. Kết luận

8. Tài liệu tham khảo
2


1. Tổng quan về đề tài
Đặt vấn đề

Cần phát triển các loại phương tiện, thiết bị ngầm phục vụ cho các nhiệm vụ dưới nước.

3


1. Tổng quan về đề tài
Mục tiêu đề tài:

 Nghiên cứu thiết kế và điều khiển hướng di chuyển của robot lặn dạng AUV (Autonomous Underwater Vehicle)
Nhiệm vụ đề tài:

 Tìm hiểu tổng quan về robot hoạt động dưới nước dạng AUV.
 Tìm hiểu về quy trình thiết kế,quy luật chuyển động và quy luật điều khiển của AUV.
 Nghiên cứu tính toán thiết kế hệ thống cơ khí của AUV.
 Tìm hiểu các cảm biến tích hợp trên AUV .
 Tính toán động học, động lực học và xây dựng mô hình toán của AUV di chuyển theo hướng cho trước.
 Phân tích động lực học robot.
 Nghiên cứu tính toán hệ thống điều khiển hướng di chuyển của AUV. Mô phỏng hoạt động của AUV bằng Matlab.
4


1. Tổng quan về đề tài
Phạm vi đề tài:

 Khi đạt độ sâu mong muốn,robot di chuyển hướng đi được xem như trên mặt phẳng.
 Vận tốc di chuyển tối đa v= 2.9158 knot
 Môi trường làm việc: nước ngọt.
 Môi trường thử nghiệm: hồ bơi.
 Sai số góc cho phép: 0.1*Góc mong muốn hay 10 độ sai số 1 độ.
 Ứng dụng: dùng để khảo sát trong môi trường nước ngọt (AUV có gắn camera quan sát).

5


2. Tính toán thiết kế cơ khí
Mục tiêu của thiết kế cơ khí

 Thiết kế robot theo dạng module, dể chế tạo, linh
hoạt.

 Thiết kế cơ cấu chống thấm nước ở các module
 Robot chỉ sử dụng 1 thruster nhưng vẫn đảm bảo

Hình 1: Module thiết kế theo ống trụ tròn

các chuyển động cần thiết.

 Trong mặt phẳng thẳng đứng, robot có thể di chuyển
lên xuống.

 Trong mặt phẳng ngang, robot có thể di chuyển theo
bất kì phương nào.

Hình 2: Robot chỉ dùng 1 thruster và điều khiển bằng các cánh lái

6


3. Mô hình động học
Công thức chuyển động chung của AUV trong hệ trục 6 bậc tự do:
.

.

.

.

.

m[ u − vr + wq − xG (q + r ) + yG ( pq − r ) + zG ( pr + q )] = X
2

.

2

m[ v − wp + ur − yG (r + p ) + zG (qr − p ) + xG (qp + r )] = Y
2

.

2

.

.

(1)

m[ w − uq + vp − Z G ( p + q ) + xG (rp − q ) + yG (rq + p )] = Z
2

.

.

.

.

2

.

.

.

I x p +(I z − I y )qr − (r +pq)I xz +(r -q )I yz +(pr- q )I xy +m[yG ( w -uq+vp)-z G ( v -wp + ur)] = K
2

2

.

.

.

I y q +(I x − I z )rp − ( p +qr)I xy +(p -r )I zx +(qp- r )I yz +m[z G ( u -vr+wq)-x G ( w -uq + vp )] = M
.

.

2

2

.

.

Hình 3: Hệ tọa độ quy chiếu

.

I z r +(I y − I x )qr − (q +rp)I yz +(q -p )I xy +(rq- p )I zx +m[x G ( v -wp+ur)-y G ( u -vr + wq )] = N
2

2

Phương trình chuyển động chung của AUV

 

M + C( + D( + g() =
Trong đó :

 V là vector vận tốc của AUV.
 M là ma trận khối lượng và momen quán tính.

(2)

 C(V) là ma trận Coriolis và lực hướng tâm.
 D(V) là ma trận giảm chấn thủy động học.
 g() là ma trận lực và momen thủy tĩnh.
 τ là lực và momen tác động lên AUV.

 

7


3. Mô hình động học
Mô phỏng phương trình chuyển động

Hình 4: Kết quả mô phỏng phương trình động học
hướng bẻ lái

8


4. Các loại cảm biến cho AUV

Cảm biến gia tốc và vận tốc góc GY-521
MPU-6050 tích hợp 6 trục cảm biến bao gồm:
+ con quay hồi chuyển 3 trục (3-axis MEMS gyroscope)
+ cảm biến gia tốc 3 chiều (3-axis MEMS accelerometer)
Thông số kỹ thuật:

 Chip: MPU-6050.
 Chip 16-bit AD converter, 16-bit data Output.
 Nguồn điện sử dụng từ 3VDC đến 5VDC.
 Sử dụng chuẩn giao tiếp I2C với vi điều khiển.
 Giá trị vận tốc góc lớn trong khoảng: ±250, 500, 1000, 2000 độ/giây.
 Giá trị gia tốc góc trong khoảng: ±2±4±8±16g
 Board mạch mạ vàng, linh kiện hàn tự động bằng máy chất lượng tốt, ổn định chống nhiễu cao

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

9


4. Các loại cảm biến cho AUV

Cảm biến la bàn (Compass) HMC5883L.
Thông số kỹ thuật:

 Điện áp cung cấp: 3~5 VDC
 Chuẩn giao tiếp I2C giao tiếp với vi điều khiển.
 Giá trị từ trường đo được: ± 8.1 Ga.
Hình 6: Cảm biến HMC5883L.

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

Hình 7: Kết nối phần cứng MPU6050 và HMC5883L

10


4. Các loại cảm biến cho AUV

Cảm biến đo độ sâu.
Thông số kỹ thuật:

 Điện áp sử dụng: 4.75 VDC-5.25VDC.
 Độ lớn áp suất đo được: 0-50 kPa.
 Độ phân giải: 90mV/kPa.
 Giao tiếp: ADC.
 Giá trị đầu ra từ 0.2-4.7 V

Hình 8: Sơ đồ cảm biến áp suất MPX5050

11


5. Xây dựng hệ thống điện

Mục tiêu thiết kế mạch điện:

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

 Truyền giá trị góc điều khiển các động cơ RC điều khiển cánh lái.
 Truyền giá trị moment để điều khiển thruster.

Hình 11: ESC 60A #920102
Hình 10: Arduino Mega 2560
Hình 12: Pin

Hình 9: Mạch giảm áp LM256
11.1V-1200mAh-25C

12


5. Xây dựng hệ thống điện

SƠ ĐỒ ĐIỆN

13


6. Thiết kế bộ điều khiển
Từ (1) ta có các phương liên quan đến điều khiển hướng:
.

.

.

m[ v − wp + ur − yG (r + p ) + zG ( qr − p) + xG ( qp + r )] =
2

2

YHS + Yv v v v + Yr r r r + Yv&v&+ Yr&r&+ Yur ur + Ywp wp + Ypq pq + Yuvuv + Yuuδ r u 2δ r
.

.

.

.

.

I z r +(I y − I x )qr − (q +rp)I yz +(q -p )I xy +(rq- p )I zx +m[x G ( v -wp+ur)-y G ( u -vr + wq )] =
2

2

(3)

N HS + N v v v v + N r r r r + N v&v&+ N r&r&+ N ur ur + N wp wp + N pq pq + N uvuv + N uuδ r u 2δ r
Thông qua tuyến tính hóa, ta có thể có được các phương trình như sau:

−Yr&
0   v&  Yv
 m − Yv&
 −N
  r& −  N
I

−
N
0
v&
z
r&

   v
 0
0
1  ψ&  0

Yr
Nr
1

0   v   Yδ r 
0   r  =  Nδ r  [ δ r ]
0  ψ   0 

(4)

14


6. Thiết kế bộ điều khiển

 

Ta có ảnh hưởng của lực trược ngang ( Sway) là rất nhỏ, do đó ta bỏ qua thành phần và . Vì vậy (2) được viết thành:

 I z − N r& 0   r&  N r
=
 0



1  ψ&  1

hay

0  r   Nδ r 
+
δ r]
[




0  ψ   0 

(5)

11.266 0   r& 8.2715 0   r   −7.4591
=
+
δ r]
[
 0








1  ψ&  1
0 ψ   0 

Hàm truyền của hệ thống [6]:

Nδ r
ψ ( s)
I zz − N r&
Gψ ( s ) =
=
δ r (s) s 2 − N r s
I zz − N r&

(6)

hay

Gψ ( s ) =

ψ ( s)
−0.662
= 2
δ r ( s ) s − 0.7342 s
15

6. Thiết kế bộ điều khiển
Bộ điều khiển PD

PD

Process

Các hệ số KP và KD được xác định theo phương pháp “try error”

KP =1 và KD =1

16


6. Thiết kế bộ điều khiển
Bộ điều khiển PD

KP =1 và KD =1

KP =4.5 và KD =5.5

17


6. Thiết kế bộ điều khiển
Bộ điều khiển PD

KP =4.5 và KD =5.5

18


6. Thiết kế bộ điều khiển
Bộ điều khiển PD

KP =4.5 và KD =5.5 với nhiễu hệ thống tác động

19


6. Thiết kế bộ điều khiển
Bộ điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng phương pháp LQR
 

Tổng quát, một hệ thống được mô tả bởi :
(5)

 Nr

0
A =  I z − N r& 


0 
 1

 Nδ r 
B =  I z − N r&



 0 
C = [ 0 1]

(7)

hay

(6)

hay

0.8375 0 
A=
0 
 1

 0.662 
B=

0


Ta chọn các giá trị của ma trận trọng số R và Q

(8)

 

R=1

 

Sử dụng matlab tính K. Ta có

20


6. Thiết kế bộ điều khiển
Bộ điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng phương pháp LQR

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

21


6. Thiết kế bộ điều khiển
Bộ điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng phương pháp LQR

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

22


6. Thiết kế bộ điều khiển
Bộ điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng phương pháp LQR

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

23


7. Kết Luận
Kết quả đạt được

 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và thực tiễn của AUV cũng như robot lặn trên thế giới.
 Tìm hiểu, nghiên cứu mô hình hóa toán học cho AUV. Phân tích động học/động lực học, lực và moment tác động lên
AUV trong hệ tọa độ 6 bậc tự do.

 Nghiên cứu thiết kế cơ khí cho AUV.
 Nghiên cứu thiết kế lý thuyết bộ điều khiển hướng cho AUV
 Mô phỏng chuyển động của AUV dựa trên mô hình hóa và bộ điều khiển đã thiết kế.
 Nghiên cứu sử dụng hệ thống mạch điều khiển AUV (bao gồm mạch điều khiển, hệ thống cảm biến,…).

24


7. Kết Luận
Hạn chế



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

 Chưa có điều kiện thực nghiệm.

Chỉ dừng lại ở kết quả mô phỏng.

Hướng phát triển

 Xây dựng phương trình động học và động lực học cho Robot Rắn di chuyển linh hoạt hơn trong không gian 3D.
 Trang bị thêm các thiết bị để thực hiện các tác vụ chuyên biệt.
 Tiến hành thực hành thực nghiệm bộ điều khiển và kiểm nghiệm bài toán cân bằng trên lý thuyết, mở rộng để nâng cao khả năng di chuyển cho
AUV.

25