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

1

MỤC LỤC
Mục lục:....................................................................................................................... 1
Danh mục các hình ...................................................................................................... 3
Danh mục các bảng ..................................................................................................... 5
Danh mục các ký hiệu ................................................................................................. 6
Lời cảm ơn: ...................................................................................................................
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG TIỆN NGẦM........................................ 9
1.1 Đặt vấn đề ............................................................................................................. 9
1.2 Tổng quan về phương tiện ngầm điều khiển từ xa.............................................. 10
1.2.1 Sơ lược quá trình phát triễn phương tiện ngầm điều khiển từ xa .............. 11
1.2.2 Ứng dụng phương tiện ngầm điều khiển từ xa .......................................... 13
1.3 Tổng quan về phương tiện ngầm tự hành ........................................................... 14
1.3.1 Sơ lược quá trình phát triễn phương tiện ngầm tự hành ............................ 15
1.4 Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ........................................................ 16
1.4.1 Tình hình nghiên cứu trong nước .............................................................. 16
1.4.2 Các bài báo liên quan đến lĩnh vực đề tài .................................................. 16
1.5 Mục tiêu đề tài ..................................................................................................... 18
1.6 Nội dung công việc thực hiện ............................................................................. 19
1.7 Tóm tắt các chương mục ..................................................................................... 20
CHƯƠNG II: MÔ HÌNH TOÁN HỌC..................................................................... 22
2.1 Giới thiệu về mô hình vật lý và bộ thông số của phương tiện ngầm .................. 22
2.2 Mô hình toán học của phương tiện ngầm điều khiển từ xa ................................. 23
2.2.1 Hệ trục tọa độ ............................................................................................ 23

GVHD: TS. Võ Tường Quân


2

2.2.2 Tọa độ chuyển đổi ..................................................................................... 25
2.2.2.1 Chuyển đổi vận tốc tuyến tính ......................................................... 25
2.2.2.2 Chuyển đổi vận tốc gốc.................................................................... 27
2.2.3 Công thức chuyển động của phương tiện ngầm điều khiển từ xa ............. 28
2.2.3.1 Chuyển động tịnh tiến ...................................................................... 28
2.2.3.2 Chuyển động xoay ........................................................................... 30
2.2.3.3 Công thức chuyển động chung của ROV ........................................ 31
2.2.4 Các thành phần của công thức chuyển động ............................................. 32
2.2.4.1 Ma trận quán tính ............................................................................. 32
2.2.4.2 Ma trận Coriolis và hướng tâm ........................................................ 33
2.2.4.3 Ngoại lực và moment ....................................................................... 33
2.2.4.3.1 Lực thủy tĩnh ........................................................................ 34
2.2.4.3.2 Lực và moment thủy động ................................................... 35
2.2.4.3.3 Lực và moment do các yếu tố bên ngoài .............................. 37
2.2.4.3.4 Lực và momnet do động cơ .................................................. 37
CHƯƠNG III: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ...................................................... 40
3.1 Giới thiệu về phương pháp điều khiển ROV ...................................................... 40
3.2 Bộ điều khiển PD ................................................................................................ 41
3.3 Bộ điều khiển Fuzzy_PD .................................................................................... 42
CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .................................................................. 47
4.1 Bộ điều khiển PD ................................................................................................ 47
4.2 Bộ điều khiển Fuzzy-PD ..................................................................................... 50
4.3 Kết luận ............................................................................................................... 54

GVHD: TS. Võ Tường Quân


3

CHƯƠNG V: CÁC LOẠI CẢM BIẾN .................................................................... 55

5.1 Tổng quan các loại cảm biến được sử dụng ........................................................ 55
5.2 Cảm biến gia tốc và vận tốc góc GY-521 ........................................................... 55
5.3 Cảm biến la bàn (Compass) ................................................................................ 56
5.4 Cảm biến đo độ sâu ............................................................................................. 60
CHƯƠNG VI: THỰC NGHIỆM .............................................................................. 62
6.1 Chương trình giao diện điều khiển ...................................................................... 62
6.2 Mô hình thực tế ................................................................................................... 63
6.3 Kết quả thực nghiệm ........................................................................................... 64
CHƯƠNG VII: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỄN ...................................... 68
7.1 Kết luận ............................................................................................................... 68
7.2 Hướng phát triễn ................................................................................................. 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 70
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 72

GVHD: TS. Võ Tường Quân


4

Danh mục các hình
Hinh 1.1: Hệ thống phương tiện ngầm điều khiển từ xa ROV: ...................................
Hình 1.2 :ROV CURV-I thu hồi 1 quả bom hạt nhân: .................................................
Hình 1.3: ROV Hercules khám phá RMS Titanic năm 2004: ......................................
Hình 1.4: ROV GNOM kiểm tra đường ống: ...............................................................
Hình 1.5: Phương tiện ngầm tự hành AUV: .................................................................
Hình 1.6: Ngư lôi Fish của Robert Whitehead: ............................................................
Hình 1.7: ROV ROSUB6000 giữ ổn định hướng với bộ điều khiển PD: .....................
Hinh 1.8: ROV bám theo quỹ đạo trong mặt phẳng thẳng đứng với ...........................
Hình 1.9: ROV giữ ổn định hướng và độ sâu với bộ điều khiển ..................................
Hình 2.1: Mô hình cơ khí phương tiện ngầm điều khiển từ xa: ....................................

Hình 2.2: Các tham số chuyển động chính của ROV: ..................................................
Hình 2.3: Biểu diễn xoay các góc Euler Z-Y-X:...........................................................
Hình 2.4: Hệ tọa độ trái đất cố định và hệ tọa độ gắn ROV xoay: ...............................
Hình 2.5: Sơ đồ lực đẩy của động cơ trong hệ tọa độ {B}: ..........................................
Hình 3.1: Mô hình bộ điều khiển Fuzzy-PD: .............................................................
Hình 3.2: Dạng hàm liên thuộc của sai số: ...................................................................
Hình 3.3: Dạng hàm liên thuộc của độ biến đổi sai số: ................................................
Hình 3.4: Dạng hàm liên thuộc của Kp:........................................................................
Hình 3.5: Dạng hàm liên thuộc của Kd:........................................................................
Hình 3.6: Mối liên hệ giữa input và Kp trong bộ điều khiển Fuzzy-PD: .....................
Hình 3.7: Mối liên hệ giữa input và Kd trong bộ điều khiển Fuzzy-PD: .....................
Hình 4.1: Đồ thị nhiễu góc quay: ..................................................................................
GVHD: TS. Võ Tường Quân


5

Hình 4.2: Đồ thị nhiễu độ sâu: ......................................................................................
Hình 4.3: Đáp ứng góc quay mong muốn 30 độ với bộ điều khiển PD:.......................
Hình 4.4: Đáp ứng góc quay mong muốn -60 độ với bộ điều khiển PD: ....................
Hình 4.5: Đáp ứng góc quay mong muốn 30 độ với bộ điều khiển PD .......................
Hình 4.6: Đáp ứng góc quay mong muốn -60 độ với bộ điều khiển PD .....................
Hình 4.7: Đáp ứng độ sâu mong muốn 1m với bộ điều khiển PD ...............................
Hình 4.8: Đáp ứng độ sâu mong muốn 1m với bộ điều khiển PD ...............................
Hình 4.9: Đáp ứng góc quay mong muốn 30 độ với bộ điều khiển Fuzzy-PD............
Hình 4.10: Đáp ứng góc quay mong muốn -60 độ với bộ điều khiển Fuzzy- .............
Hình 4.11: Đáp ứng góc quay mong muốn 30 độ với bộ điều khiển PD .....................
Hình 4.12: Đáp ứng góc quay mong muốn -60 độ với bộ điều khiển .........................
Hình 4.13: Đáp ứng độ sâu mong muốn 1m với bộ điều khiển Fuzzy-PD ..................
Hình 4.14: Đáp ứng độ sâu mong muốn 1m với bộ điều khiển Fuzzy-PD ..................

Hình 5.1: Cảm biến gia tốc và vận tốc góc MPU6050 .................................................
Hình 5.2: Cảm biến HMC5883L ...................................................................................
Hình 5.3: Cảm biến độ sâu ............................................................................................
Hình 6.1: Màn hình điều khiển ROVs ..........................................................................
Hình 6.2: Kích thước của khung ROVs ........................................................................
Hình 6.3: Mô hình robot thực tế....................................................................................
Hình 6.4: Mô hình robot thực tế....................................................................................
Hình 6.4: Hệ thống mạch điện ......................................................................................
Hình 6.5: Đáp ứng góc quay (yaw) của ROV ...............................................................
Hình 6.6: Đáp ứng góc gập (pitch) của ROV ...............................................................

GVHD: TS. Võ Tường Quân


6

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

GVHD: TS. Võ Tường Quân


7

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

GVHD: TS. Võ Tường Quân

8

Danh mục các ký hiệu:
ROV: Phương tiện ngầm điều khiển từ xa
AUV: Phương tiện ngầm tự hành
PD: Bộ điều khiển PD
T

  1T , 2T  : Vector vị trí và hướng của ROV trong hệ trục tọa độ trái đất {E}.
1   x, y, z  : Vector vị trí của ROV trong hệ trục tọa độ trái đất {E}.
T

2   ,  ,   : Vector chỉ hướng của ROV trong hệ trục tọa độ trái đất {E}.
T

T

v  v1T , v2T  : Vector vận tốc tuyến tính và vận tốc góc của ROV trong hệ trục tọa

độ gắn ROV {B}.
v1   u, v, w  : Vector vận tốc tuyến tính của ROV trong hệ trục tọa độ gắn ROV
T

{B}
v2   p, q, r  : Vector vận tốc gốc của ROV trong hệ trục tọa độ gắn ROV {B}.
T

T

  1T ,  2T  : Lực và moment tác động lên ROV trong hệ trục tọa độ gắn ROV

{B}.
1   X, Y , Z : Lực tác động lên ROV trong hệ trục tọa độ gắn ROV {B}.
T

 2   K, M, N : Moment tác động lên ROV trong hệ trục tọa độ gắn ROV {B}.
T

rG   xG

yG

zG  : Tâm trọng lực ROV trong hệ trục tọa độ gắn ROV {B}.

rB   xB

yB

zB  : Tâm lực nổi trong hệ trục tọa độ gắn ROV {B}.

J1 : Ma trận chuyển đổi tuyến tính
J 2 : Ma trận chuyển đổi góc
I xx , I yy , I zz : Thành phần của moment quán tính theo các trục

GVHD: TS. Võ Tường Quân


9

M RB : Ma trận quán tính ban đầu.
CRB : Ma trận Coriolis và hướng tâm.
X u , Yv , Z w , K p , M q , N r : Thành phần tuyến tính của hệ số cản thủy động.
X u u u , Yv v v , Z w w w , K p p p , M q q q , N r r r : Hệ số cản thủy động bậc 2

theo các trục.
X . , Y . , Z . , K . , M . , N . : Thành phần của ma trận quán tính cộng thêm được
u

v

w

p

q

r

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

GVHD: TS. Võ Tường Quân


10

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

sự hướng dẫn, giúp đỡ và góp ý nhiệt tình của quý thầy cô trường Đại học Giao
Thông Vận Tải Thành phố Hồ ChíMinh.
Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến thầy – Tiến sĩ VÕ TƯỜNG QUÂN, giảng
viên trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã dành rất nhiều thời
gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu và giúp tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, các em sinh viên đã động viên,
giúp đỡ và tạo rất nhiều điều kiện để tôi học tập và hoàn thành tốt khóa học.
Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình
và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong
nhận được những đóng góp quí báu của quí thầy cô và các bạn.
TP. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015
Học viên

GVHD: TS. Võ Tường Quân


11

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG TIỆN NGẦM
1.1

Đặt vấn đề
Đại dương chiếm khoảng 2/3 diện tích bao phủ Trái đất và có ảnh hưởng rất

lớn tới sự tồn tại và phát triễn của mọi vật kể cả con người. Ngày nay khi dân số thế
giới tăng lên, nguổn tài nguyên trong đất liền ngày càng cạn kiệt thì con người mở
rộng khám phá ra biển, đại dương. Tuy nhiên, cho đến thời điểm hiện tại thì kiến
thức của con người 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 điều khiển từ xa được chọn làm đề tài nghiên cứu trong luận văn này.
GVHD: TS. Võ Tường Quân


12

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

Tuy nhiên, tôi cũng giới thiệu sơ lược về phương tiện ngầm tự hành, được gọi là
AUV, nhằm cung cấp các kiến thức tổng quan về các loại phương tiện ngầm.
1.2

Tổng quan về phương tiện ngầm điều khiển từ xa (ROV)
Phương tiện ngầm điều khiển từ xa (ROV) được liên kết với trung tâm điều

khiển, trạm năng lượng trên tàu mẹ bằng hệ thống cáp trong quá trình hoạt động. Vì
vậy phương tiện ngầm điều khiển từ xa này dễ điều khiển, cấp nguồn và truyền tín
hiệu thông qua dây cáp. ROV thường làm việc trong điều kiện phức tạp hoặc trong
vùng nước sâu, vì vậy sợi cáp liên kết và truyền tín hiệu được sử dụng cùng với một
hệ thống điều khiển cáp. Mục đích của hệ thống điều khiển cáp là để kéo dài và rút
ngắn cáp vì vậy hiệu quả của việc kéo cáp nơi có dòng chảy ngầm được đảm bảo.
Phần thân ROV được trang bị các thiết bị đẩy, hệ thống tạo sức nổi, hộp chứa thiết
bị điện tử, camera, hệ thống chiếu sáng. Thiết bị bổ sung thường được trang bị thêm
vào để mở rộng khả năng của ROV như là: máy ảnh; tay máy có khớp nối được sử
dụng để lấy các vật nhỏ, cắt đường dây, gắn móc để nâng các vật lớn hơn và các
công cụ đo lường nước...

GVHD: TS. Võ Tường Quân


13

Hinh 1.1: Hệ thống phương tiện ngầm điều khiển từ xa ROV [1]
1.2.1 Sơ lược quá trình phát triễn phương tiện ngầm điều khiển từ xa (ROV)
Phương tiện ngầm điều khiển từ xa (ROV) đầu tiên được chế tạo mang tên
Poole do Dimitri Rebikoff vào năm 1953. Khi sử dụng lần đầu tiên vào năm 1954,
Poodle gửi lên video của hai xác tàu Phoenician trước đây chưa được khám phá ở
độ sâu 700 feet.

Vào những năm 1960, hải quân Mỹ đã đầu tư và phát triễn công nghệ ROV
được đặt tên là “ thiết bị thu hồi được điều khiển bằng cáp” (CURV). Điều này tạo
ra khả năng để thực hiện các hoạt đông cứu hộ biển sâu và thu hôi các vật dưới đáy
đại dương, chẳng hạn như tháng 1 năm 1966, CURV-I đã thu hồi một quả bom hạt
nhân bị mất trong biển Địa Trung Hải ở độ sâu 2900 feet (880m) khi một máy bay
ném bom B-52 va chạm với 1 tàu chở dầu KC-135 gần Palomares, Tây Ban Nha.
GVHD: TS. Võ Tường Quân


14

Hình 1.2 :ROV CURV-I thu hồi 1 quả bom hạt nhân ở biển Địa Trung Hải
năm 1966 [13]
Năm 1973 CURV-III đã giúp giải cứu các phi hành đoàn hai người của một
tàu ngầm bị mắc kẹt ở dưới đáy biển ngoài khơi bờ biển Ireland.
Ngày 1 tháng 9 năm 1985, nhà hải dương học và cựu sĩ quan tình báo hải
quân Robert Ballard đã sử dụng ROV Argo để tìm xác tàu RMS Titanic với sự ca
ngợi trên toàn thế giới sau hơn 73 năm Titanic ẩn ở độ sâu 12.460 feet. Chính ROV
là các thiết bị đã góp phần thu thập lại những gì còn sót lại của Titanic, chuyến tàu
xấu số nổi tiếng nhất trong lịch sử loài người.

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

GVHD: TS. Võ Tường Quân


15

Các bước tiếp theo trong việc thúc đẩy cho sự phát triễn của công nghệ này
là phát triễn các ROV hổ trợ cho sự phát triễn ngành công nghiêp dầu mỏ ngoai

khơi. ROV trở nên cần thiết trong những năm 1980 khi sự phát triển ra đại dương
vượt quá tầm của các thợ lặn. Trong thời gian giữa những năm 1980, ngành công
nghiệp ROV biển bi sa sút nghiêm trọng do sự sụt giảm của giá dầu và một cuộc
suy thoái kinh tế toàn cầu. Nhưng sau đó, phát triển công nghiệp ROV đã tăng tốc
và ngày nay ROV thực hiện nhiều nhiệm vụ quan trọng trong nhiều lĩnh vực.
1.2.2

Ứng dụng phương tiện ngầm điều khiển từ xa (ROV)
Tùy thuộc vào loại công việc và phạm vi ứng dụng mà người ta thiết kế robot

với những kích cỡ khác nhau, chúng có thể tích từ 0,15m3 đến 10m3và khối lượng
từ vài chục kg đến hàng chục tấn.
Trong khoa học: phương tiện ngầm điều khiển từ xa được dùng để lập bảng
đồ đáy biển, lấy mẫu địa chất, giám sát hải dương học, quan sát đời sống của các
loài thủy sinh vật học…
Trong ngành công nghiệp gas và dầu khí, phương tiện ngầm điều khiển từ xa
được sử dụng để làm những công việc như khảo sát và đánh giá tài nguyên, xây
dựng và bảo trì các cấu trúc dưới nước.

Hình 1.4: ROV GNOM kiểm tra đường ống [15]
GVHD: TS. Võ Tường Quân


16

Trong ngành viễn thông, ROV được sử dụng để khảo sát đáy biển trước khi
đặt cáp trong lòng biển và để thanh kiểm tra hiện trạng cáp truyền. Nếu phải chôn
cáp dưới đáy biển thì ROV cũng được thiết kế để đáp ứng công việc này.
Trong lĩnh vực môi trường, phương tiện ngầm điều khiển từ xa được sử dụng
như một giá di động trên đó có lắp các sensor để thu thập dữ liệu về độ phóng xạ,

độ rò rỉ, ô nhiễm.
Trong lĩnh vực quân sự, phương tiện ngầm điều khiển từ xa được sử dụng để
cài hoặc tìm kiếm và tháo gỡ thủy lôi, mìn. Nó có thể phối hợp cùng con người
trong việc tác chiến dưới nước.
Ngoài ra, trong các lĩnh vực khác trong ngành thủy sản robot dưới nước được
sử dụng để theo dõi việc sinh sản của các đàn cá. Trong ngành năng lượng nguyên
tử các robot dưới nước cỡ nhỏ được dùng để kiểm tra các thiết bị trong nhà máy
điện nguyên tử. Phương tiện ngầm điều khiển từ xa đã được sử dụng để xác định vị
trí nhiều vụ đắm tàu trong lịch sử như RMS Titanic, Bismarck, USS Yorktown, và
SS Trung Mỹ.
1.3 Tổng quan về phương tiện ngầm tự hành (AUV)
Phương tiện ngầm tự hành (AUV) là một dạng robot hoạt động dưới nước
mà việc cấp nguồn và điều khiển không đòi hỏi sự can thiệp từ bên ngoài trong quá
trình hoạt động. AUV được lập trình sẵn, có thể điều hướng và định vị bằng hệ
thống GPS. Vì vậy robot này có thể hoạt động độc lập trong thời gian vài giờ hoặc
vài ngày; tính di động và phạm vi không gian hoạt động rộng hơn ROV. Hầu hết
các AUV có hình dạng ngư lôi, nhưng một số có cấu hình phức tạp hơn cho phép
chúng di chuyển chậm hơn trên những địa hình phức tạp. Tùy thuộc vào khả năng
chịu áp lực, hiện nay các AUV trong nghiên cứu khoa học có thể hoạt động ở độ sâu
6000 m dưới đáy biển. Trong các ứng dụng quân sự AUV được sử dụng thường
xuyên hơn và được gọi đơn giản là phương tiện không người lái dưới nước (UUV –
Unmanned Underwater Vehicle).

GVHD: TS. Võ Tường Quân


17

Hình 1.5: Phương tiện ngầm tự hành AUV [15]
1.3.1 Sơ lược quá trình phát triễn phương tiện ngầm tự hành (AUV)

Các phương tiện ngầm tự hành (AUV) đầu tiên được nghiên cứu tại phòng
thí nghiệm Vật lý ứng dụng tại trường Đại học Washington vào đầu năm 1957 bởi
Stan Murphy, Bob Francois và sau đó là Terry Ewart được gọi là Thiết bị nghiên
cứu dưới nước với mục đích đặc biệt - SPURV (Special Purpose Underwater
Research Vehicle). Các SPURV đã được sử dụng để nghiên cứu sự lan truyền ánh
sáng, âm thanh trong nước ngầm. Năm 1966, Robert Whitehead đã thiết kế, chế tạo
và thử nghiệm ngư lôi đầu tiên được đặt tên là “ Fish ”. Ngư lôi này có khả năng di
chuyển 3m/s và đi được 700m được xem là AUV đầu tiên, bắt đầu cho sự nghiên
cứu và phát triễn AUV sau này.

Hình 1.6 : Ngư lôi Fish của Robert Whitehead [17]
GVHD: TS. Võ Tường Quân


18

Vào những năm 1970, các phiên bản AUV bắt đầu được phát triển tại Viện
Công nghệ Massachusetts. Các AUV đầu tiên cụ thể triển khai cho khoa học địa
chất biển có lẽ là Ifremer L’Epaulard AUV, được sử dụng trong những năm đầu
thập niên 1980 để phát hiện các trường mangan nằm ở biển sâu (Galerne, 1983).
Đến đầu năm 1990, hơn 56 AUV khác nhau đã được mô tả trong các tài liệu được
công bố. Tuy nhiên đến năm 2007, có tổng cộng 92 Remus AUV đã được sử dụng
trong các lĩnh vực, trong đó 82 là dùng cho quân đội, còn lại mười cho mục đích
khoa học. Việc tăng cường sử dụng AUV trong môi trường biển được phản ánh
trong các ấn phẩm khoa học địa chất biển. Sự bùng nổ này cũng được phản ánh
trong các số lượng thông tin đăng tải trên internet toàn cầu.
1.4

Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài.

1.4.1

Nghiên cứu trong nước
Hiện nay việc nghiên cứu hoạt động của phương tiện ngầm bắt đầu được

quan tâm ở trường ĐH Bách khoa Hà Nội và trường ĐH Bách khoa TP. HCM,
trường ĐH Giao thông vận tải TP.HCM, Học viện Hải quân. Chắc chắn việc nghiên
cứu chế tạo và sử dụng phương tiện ngầm sẽ được quan tâm nhiều hơn, góp phần
giải quyết nhiều nhiệm vụ trong kỹ thuật khai thác dầu khí, viễn thông, trong quốc
phòng và trong giao thông đường thủy…
1.4.2 Các bài báo nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực đề tài
Nhiều bộ điều khiển đã được thiết kế cho phương tiện ngầm điều khiển từ xa
và phương tiện ngầm tự hành. Nhiều bộ điều khiển được thiết kế dựa vào tính chất
của ROV, một số thiết kế khác là bộ điều khiển phi tuyến để đạt hiệu quả và tối ưu
đối với các thông số không chắc chắn của ROV. Sau đây là một vài bộ điều khiển
được thiết kế liên quan đến đề tài.
Ngày nay, bộ điều khiển PID là bộ điều khiển được sử dụng rộng rãi trong
các bộ điều khiển công nghiệp. Bộ điều khiển PID có ưu điểm là thời gian đáp ứng
nhanh, giảm sai số xát lập, giảm độ vọt lố. Tuy nhiên cũng tùy từng đối tượng mà
có đủ các thành phần K P , K I , K D hay không. Các mô hình động học ROV là phi

GVHD: TS. Võ Tường Quân


19

tuyến, vì vậy để thiết kế bộ điều khiển PID cho ROV ta phải tuyến tính hóa về một
điểm cân bằng.
Trong [1], bộ điều khiển PD được sử dụng cho ROV ROSUB6000 để giữ ổn
định hướng. Kết quả đạt được ROV ROSUB6000 giữ ổn định hướng tốt với độ sai

lêch 0.6 .

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

Hinh 1.8: ROV bám theo quỹ đạo trong mặt phẳng thẳng đứng với bộ điều
khiển cuốn chiếu [2]

GVHD: TS. Võ Tường Quân


20

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

Hình 1.9: ROV giữ ổn định hướng và độ sâu với bộ điều khiển trượt và cuốn
chiếu kết hợp [3]
Trong luận văn này, tôi thiết kế bộ điều khiển Fuzzy-PD để điều khiển giữ
ổn định hướng và độ sâu ROV. Bộ điều khiển PD thực hiện tốt khi các thành phần
phi tuyến được tuyến tính hóa. Tuy nhiên do ảnh hưởng của môi trường thì các
thông số K P , K I , K D ban đầu không đáp ứng tốt ở những thời điểm khác nhau khi
ROV hoạt động. Vì vậy việc lựa chọn bộ điều khiển Fuzzy-PD là sự kết hợp giữa
bộ điều khiển tuyến tính và bộ điều khiển phi tuyến sẽ khắc phục được khuyết điểm
trên.
1.5

Mục tiêu đề tài
Mục tiêu chính của đề tài là điều khiển chuyển động của phương tiện ngầm

điều khiển từ xa (ROV) với một số chức năng chính như sau:

GVHD: TS. Võ Tường Quân


21

- Chế độ điều khiển: bán tự động. Phương tiện ngầm phải tự động thực hiện
được bài toán tự giữ hướng và tự giữ độ sâu hoạt động.
- Chức năng: quan sát (trang bị Camera trên phương tiện ngầm điều khiển từ
xa để thu nhận hình ảnh)
1.6

Nội dung công việc cần thực hiện
 Nghiên cứu cơ sở lý luận và thực tiễn của phương tiện ngầm điều khiển từ xa

(ROV).
 Mô hình hóa phương tiện ngầm điều khiển từ xa: Phân tích động học/động
lực học, lực và moment tác động lên phương tiện ngầm điều khiển từ xa trong hệ
tọa độ 6 bậc tự do.
 Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển để phương tiện ngầm điều khiển từ xa
thực hiện chức năng giữ ổn định hướng và giữ ổn định độ sâu bằng các bộ điều
khiển Fuzzy-PD.
 Mô phỏng chuyển động của phương tiện ngầm điều khiển từ xa dựa trên mô
hình hóa phương tiện ngầm điều khiển từ xa và bộ điều khiển đã thiết kế.
 Nghiên cứu thiết kế hệ thống mạch điều khiển cho phương tiện ngầm điều
khiển từ xa (bao gồm mạch điều khiển, hệ thống cảm biến, hệ thống truyền nhận và

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

Các chế độ di chuyển cơ bản: di chuyển tới, lui; thay đổi hướng di

chuyển; xoay tròn quanh tâm.


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

GVHD: TS. Võ Tường Quân


22



Di chuyển và giữ tại độ sâu mong muốn.

-

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



Kích thước phương tiện ngầm điều khiển từ xa dự kiến (dài x rộng x

cao): 400mm x 300mm x 250mm.


Môi trường hoạt động: nước ngọt. Lý do chọn môi trường hoạt động

nước ngọt nhằm giảm bớt các công việc chống ăn mòn cho robot khi robot làm việc
ở môi trường biển.


Độ sâu hoạt động tối đa: 10m. Phần 10m này sẽ được dùng để tính

công suất của động cơ. Tuy nhiên, độ sâu hoạt động thực tế có thể thay đổi tùy
thuộc và điều kiện thực nghiệm.

1.7



Vận tốc di chuyển tối đa: 1.5 Knot.



Thực nghiệm kiểm chứng kết quả.

Tóm tắt các chương mục
Các nội dung chính được trình bày trong luận văn như sau.
Chương 1 trình bày tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu; tổng quan về

phương tiện ngầm trong đó có 2 loại là phương tiện ngầm điều khiển từ xa và
phương tiện ngầm tự hành; tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài.
Chương 2 trình bày mô hình vật lý và mô hình toán của phương tiện ngầm
điều khiển từ xa, các thành phần trong công thức chuyển động.
Chương 3 giới thiệu về phương pháp điều khiển đối với yêu cầu giữ ổn định
hướng và độ sâu chuyển động của ROV bằng việc tuyến tính hóa phương trình
chuyển động của ROV, sau đó dùng 2 bộ điều khiển là bộ điều khiển PD cho đối
tượng tuyến tính và bộ điều khiển Fuzzy-PD là sự kết hợp của để điều khiển cho đối
tượng phi tuyến và tuyến tính.
Chương 4 là kết quả mô phỏng ROV với bộ điều khiển PD và bộ điều khiển
Fuzzy-PD.
GVHD: TS. Võ Tường Quân


23

Chương 5 trình bày các loại cảm biến được sử dụng cho ROV trong mô hình
thực nghiệm.
Chương 6 là mô hình thực nghiệm ROV với mô hình cơ khí, mạch điều
khiển, lập trình và giao diện điều khiển. Với việc kiểm chứng bộ điều khiển PD
bằng mô hình thực nghiệm ta kết luận được bộ điều khiển đạt yêu cầu đề ra.
Chương 7 là kết quả đạt được ở luận văn này và hướng theo là phát triễn
ROV có thể di chuyển linh hoạt hơn trong không gian 3D hoặc gắn thêm tay máy để
thực hiện các nhiệm vụ chuyên biệt.

GVHD: TS. Võ Tường Quân


24

CHƯƠNG II: MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA PHƯƠNG TIỆN NGẦM
ĐIỀU KHIỂN TỪ XA
2.1 Giới thiệu về mô hình vật lý và bộ thông số của phương tiện ngầm điều
khiển từ xa được thiết kế.
Bổ sung phần tiêu chí thiết kế là gì? Mục tiêu thiết kế để đạt được các yêu cầu gì
Mô hình cơ khí của phương tiện ngầm điều khiển từ xa được thiết kế bằng
phần mềm Solidworks như sau:

Hình 2.1: Mô hình cơ khí phương tiện ngầm điều khiển từ xa.
Phương tiện ngầm điều khiển từ xa được thiết kế trong luận văn này gồm 4
động cơ (thruster) trong đó: 2 động cơ để điều khiển chuyển động trên mặt phẳng
thẳng đứng, 2 động cơ điều khiển chuyển động trên mặt phẳng nằm ngang.
Mô hình thiết kế với bộ thông số sau:

GVHD: TS. Võ Tường Quân


25



Kích thước phương tiện ngầm điều khiển từ xa (dài x rộng x cao):

400mm x 300mm x 250mm.


Môi trường hoạt động: nước ngọt. Lý do chọn môi trường hoạt động

nước ngọt nhằm giảm bớt các công việc chống ăn mòn cho robot khi robot làm việc
ở môi trường biển.



Độ sâu hoạt động tối đa: 10m. Phần 10m này sẽ được dùng để tính

công suất của động cơ. Tuy nhiên, độ sâu hoạt động thực tế có thể thay đổi tùy
thuộc và điều kiện thực nghiệm.


Vận tốc di chuyển tối đa: 1.5 Knot.



Chế độ điều khiển: Bán tự động. Phương tiện ngầm điều khiển từ xa

phải tự động thực hiện được bài toán tự giữ hướng và tự giữ độ sâu hoạt động.


Chức năng: quan sát (trang bị Camera trên phương tiện ngầm điều

khiển từ xa để thu nhận hình ảnh).
2.2 Mô hình toán học của phương tiện ngầm điều khiển từ xa
Để xây dựng mô hình toán học cho phương tiện ngầm điều khiển từ xa, đầu
tiên ta phân tích chuyển động của ROV để được mô hình động học, sau đó phân tích
xác định các lực bên ngoài tác động vào ROV ở từng phương trình chuyển động,
đặc biệt là các lực thủy động. Chương này giới thiệu hai hệ trục tọa độ được sử
dụng để mô tả chuyển động của ROV, sau đó đưa ra công thức di chuyển chung của
ROV [4, 5].
2.2.1 Hệ trục tọa độ
Để phân tích chuyển động của các phương tiện ngầm, có hai hệ trục tọa độ
cần thiết: hệ trục tọa độ trái đất và hệ trục tọa độ cố định trên ROV (xem hình 2.2).

Hệ trục tọa độ trái đất được sử dụng để mô tả vị trí và hướng của ROV với trục x
hướng về phương bắc, trục y chỉ về phía đông, và trục z chỉ tay về phía trung tâm
của trái đất. Hệ trục tọa độ cố định trên ROV được sử dụng để mô tả các vận tốc và
gia tốc của ROV. Gốc tọa độ thường được đặt ở tâm của trọng lực hoặc tâm nổi.
GVHD: TS. Võ Tường Quân