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

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Thăm dò đại dương ngày càng trở nên quan trọng, cùng với những tiến bộ trong
công nghệ máy tính và cảm biến thì nhu cầu robot tự hành dưới nước (Autonomous
Underwater Vehicle) trở nên quan trọng. Mô hình động của AUV là cơ sở thiết kế bộ
điều khiển cho các phương tiện ngầm. Trong luận văn này trình bày thiết kế cơ khí và
sử các thuật toán, điều khiển để điều khiển AUV. Bằng việc sử dụng các thông số cơ
bản hình học của thiết kế chúng ta có thể thấy được khả năng linh hoạt của AUV: Kiểm
soát tốc độ về phía trước, điều khiển hướng và kiểm soát độ sâu. Thực hiện các mô
phỏng bằng cách sử dụng các bộ điều khiển được đưa ra để chứng minh việc thực hiện
là đạt được các yêu cầu đề ra. Các kết quả mô phỏng cho thấy được hiệu suất của các bộ
điều khiển. Từ đó lựa chọn ra bộ điều tối ưu để ứng dụng vào trong điều khiển các
phương tiện ngầm.
Nội dung luận văn gồm có 8 chương:
Chương 1: Tổng quan.
Chương 2: Tính toán thiết kế cơ khí.
Chương 3: Mô hình động học AUV.
Chương 4: Các loại cảm biến.
Chương 5: Xây dựng hệ thống điện.
Chương 6: Thiết kế bộ điều khiển.
Chương 7: Kết quả mô phỏng.
Chương 8: Kết luận và hướng phát triển.

i


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .................................................................. Error! Bookmark not defined.
TÓM TẮT LUẬN VĂN .................................................................................................i
DANH MỤC HÌNH VẼ.................................................................................................v
DANH MỤC BẢNG BIỂU ....................................................................................... viii
CÁC TỪ VIẾT TẮT .....................................................................................................ix

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .........................................................................................1
1.1 Đặt vấn đề ..............................................................................................................1
1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước. ..........................................................2
1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới. ................................................................2
1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước. ..................................................................6
1.3 Phạm vi ứng dụng của đề tài. ................................................................................7
1.4 Mục tiêu đề tài .......................................................................................................8
1.5 Nội dung công việc cần thực hiện .........................................................................9
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ ....................................................10
2.1 Yêu cầu thiết kế. ..................................................................................................10
2.2 Tham khảo các thiết kế ........................................................................................10
2.2.1 Dorado- class autonomous underwater vehicle (AUV) ...............................10
2.2.2 Remus 100. ...................................................................................................12
2.2 Thông số chi tiết ..................................................................................................14
2.3 Biên dạng Robot AUV ........................................................................................15
2.4 Thiết kế module AUV .........................................................................................16
2.5 Thiết kế phần cánh...............................................................................................17
2.5 Tính toán cân bằng cho mô hình .........................................................................19
CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC AUV ............................................................22
ii


3.1 Hệ tọa độ quy chiếu. ............................................................................................22
3.2 Tọa độ chuyển đổi ...............................................................................................24
3.2.1 Chuyển đổi vận tốc tuyến tính ......................................................................24
3.2.2 Chuyển đổi vận tốc góc ................................................................................25
3.3 Phương trình động học. .......................................................................................26
3.3.1 Động học hệ thống........................................................................................26
3.3.2 Động học vật rắn ..........................................................................................27
CHƯƠNG 4 : CÁC LOẠI CẢM BIẾN .....................................................................43

4.1 Tổng quan các loại cảm biến sử dụng .................................................................43
4.2 Cảm biến gia tốc và vận tốc góc GY-521 ...........................................................43
4.3 Cảm biến la bàn (Compass) HMC5883L. ...........................................................45
4.4 Cảm biến đo độ sâu .............................................................................................46
CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỆN ........................................................48
5.1 Giới thiệu .............................................................................................................48
5.2 Bộ điều khiển trung tâm ......................................................................................49
5.3 Phần điều khiển động cơ .....................................................................................52
5.3.1 Giới thiệu sơ lược về modun ESC brushless ................................................52
5.3.2 Sơ đồ khối điều khiển động cơ .....................................................................53
5.4 Phần cảm biến ......................................................................................................54
5.5 Nguồn điện ..........................................................................................................55
5.5.1 Nguồn cấp cho driver và vi điều khiển.........................................................55
5.5.2 Nguồn cấp cho động cơ. ...............................................................................56
CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ............................................................58
6.1 Giới thiệu về phương pháp điều khiển AUV.......................................................58

iii


6.2 Điều khiển hướng ................................................................................................58
6.3 Bộ điều khiển PID ...............................................................................................59
6.4 Bộ điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng phương pháp LQR ...........................61
6.5 Lưu đồ giải thuật..................................................................................................62
CHƯƠNG 7: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG......................................................................65
7.1 Bộ điều khiển PD .................................................................................................65
7.2 Bộ điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng phương pháp LQR ...........................70
7.3 Kết luận................................................................................................................73
CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỄN..........................................74
8.1 Kết quả đạt được ..................................................................................................74

8.2 Các hạn chế và hướng phát triển ........................................................................74
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................75

iv


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Các dạng Unmanned Undersea Vehicles. .......................................................2
Hình 1.2: Special Purpose Underwater Research Vehicle [10].......................................3
Hình 1.3: Ngư lôi Fish của Robert Whitehead [11] ........................................................3
Hình 1.4: AUV Epaulard [12] .........................................................................................4
Hình 1.5: REMUS 6000 [13]...........................................................................................5
Hình 1.6: AUV SEAOTTER MKII [14] .........................................................................5
Hình 1.7: AUV Bluefin-9 [15] ........................................................................................6
Hình 1.8: Hình ảnh mô phỏng AUV trong công tác giám sát đường ống ngầm [16] .....8
Hình 2.1: Dorado-class [23] ..........................................................................................11
Hình 2.2: Module thân AUV Dorado-class [23] ...........................................................11
Hình 2.3: Thruster được nối với phần đuôi bằng khớp cầu.[23] ...................................12
Hình 2.4: Remus 100 .....................................................................................................12
Hình 2.5: Lắp ghép các module REMUS 100 ...............................................................13
Hình 2.6: Hai module được kẹp chặt với nhau bằng vòng khóa ...................................14
Hình 2.7: Biên dạng Robot: Bán kính biên dạng robot thay đổi theo trục tọa độ .........16
Hình 2.8: Module thiết kế theo ống trụ tròn ..................................................................17
Hình 2.9: Module được kết nối bằng vít xung quanh ....................................................17
Hình 2.10: Biên dạng cánh NACA0012 ........................................................................18
Hình 2.11: Trạng thái cân bằng của vật thể trong môi trường nước. ............................19
Hình 2.12 Tính toán trọng tâm cho AUV ......................................................................19
Hình 2.13 Tính toán trọng tâm cho khối lượng chất lỏng AUV chiếm chổ ..................20
Hình 2.14: Mô hình thiết kế cơ khí AUV ......................................................................21
Hình 3.1 : Các hệ tọa độ và tham số chuyển động của AUV. .......................................22

v


Hình 3.2 : Biểu diễn xoay các góc Euler Z-Y-X ...........................................................25
Hình 3.4: Kết quả mô phỏng phương trình học độ sâu trên mặt phẳng XOY ..............41
Hình 3.5: Kết quả mô phỏng phương trình học độ sâu trên mặt phẳng XOZ ...............41
Hình 3.7: Kết quả mô phỏng phương trình học hướng bẻ lái trên mặt phẳng XOZ .....42
Hình 3.8: Kết quả mô phỏng phương trình học hướng bẻ lái trên mặt phẳng XOY .....42
Hình 4.1: Cảm biến gia tốc và vận tốc góc MPU6050 . ................................................44
Hình 4.2: Cảm biến HMC5883L. ..................................................................................45
Hình 4.3: Kết nối phần cứng MPU6050 và HMC5883L ..............................................46
Hình 4.4: Sơ đồ cảm biến áp suất MPX5050 ................................................................47
Hình 4.5: Hình ảnh thực tế cảm biến độ sâu .................................................................47
Hình 5.1: Sơ đồ khối hệ thống điện ...............................................................................48
Hình 5.2: Arduino Mega 2560 R3 .................................................................................50
Hình 5.3: Sơ đồ khối điều khiển trung tâm ...................................................................51
Hình 5.4: Sơ đồ mạch điều khiển thruster .....................................................................53
Hình 5.5: Sơ đồ đấu dây điều khiển 4 RC Servo...........................................................53
Hình 5.6: Sơ đồ mạch cảm biến gia tốc và la bàn (IMU) ..............................................54
Hình 5.7: Sơ đồ mạch cảm biến áp suất ........................................................................54
Hình 5.8: Mạch giảm áp DC LM 2596..........................................................................55
Hình 6.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển dùng PID ............................................................60
Hình 6.2: Sơ đồ khối điều khiển phản hồi trạng thái.....................................................62
Hình 6.3: Lưu đồ giải thuật bộ điều khiển PID .............................................................63
Hình 6.4: Simulink bộ điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng phương pháp LQR .....64
Hình 7.1: Đáp ứng góc quay mong muốn -60 độ với bộ điều khiển PD (1) .................65
Hình 7.2: Đáp ứng góc quay mong muốn 30 độ với bộ điều khiển PD (1) ..................66

vi

Hình 7.3: Đáp ứng góc quay mong muốn dạng bậc thang với bộ điều khiển PD (1) ...66
Hình 7.4: Đáp ứng góc quay mong muốn 30 độ với bộ điều khiển PD (2) ..................67
Hình 7.5: Đáp ứng góc quay mong muốn -60 độ với bộ điều khiển PD (2) ................67
Hình 7.6: Đáp ứng góc quay mong muốn dạng bậc thang với bộ điều khiển PD (2) ..68
Hình 7.7: Đáp ứng góc quay mong muốn 30 độ với bộ điều khiển PD có hệ số
Kp= 4.5, Kd= 5.5 với nhiễu hệ thống tác động. ............................................................68
Hình 7.8: Đáp ứng góc quay mong muốn -60 độ với bộ điều khiển PD có hệ số
Kp= 4.5, Kd= 5.5 với nhiễu tác động. ...........................................................................69
Hình 7.9: Đáp ứng góc quay mong muốn dạng bậc thang với bộ điều khiển PD có hệ
số Kp= 4.5, Kd= 5.5 với nhiễu hệ thống tác động ........................................................69
Hình 7.10: Đáp ứng góc quay mong muốn 30 độ với bộ điều khiển phản hồi trạng thái
sử dụng phương pháp LQR ...........................................................................................70
Hình 7.11: Đáp ứng góc quay mong muốn -60 độ với bộ điều khiển phản hồi trạng
thái sử dụng phương pháp LQR ....................................................................................71
Hình 7.12: Đáp ứng góc quay mong muốn dạng bậc thang với bộ điều khiển phản hồi
trạng thái sử dụng phương pháp LQR ...........................................................................71
Hình 7.13: Đáp ứng góc quay mong muốn 30 độ với bộ điều khiển phản hồi trạng thái
sử dụng phương pháp LQR khi có nhiễu hệ thống tác động .........................................72
Hình 7.14: Đáp ứng góc quay mong muốn -60 độ với bộ điều khiển phản hồi trạng
thái sử dụng phương pháp LQR khi có nhiễu tác động .................................................72
Hình 7.15: Đáp ứng góc quay mong muốn dạng bậc thang với bộ điều khiển phản hồi
trạng thái sử dụng phương pháp LQR khi có nhiễu hệ thống tác động.........................73

vii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Thông số kích thước của AUV. ....................................................................16

Bảng 2.2: Thông số của cánh Naca 0012 ......................................................................18
Bảng 2.3 Tọa độ trọng tâm của AUV ............................................................................20
Bảng 2.4 Tọa độ trọng tâm khối chất lỏng AUV chiếm chổ .........................................20
Bảng 2.5: Trọng lượng và lực nổi của AUV .................................................................20
Bảng 2.6 Tọa độ Moment ..............................................................................................21
Bảng 3.1: Tóm tắt các chuyển động chính của AUV ....................................................23
Bảng 3.2: thông số kỹ thuật thruster ..............................................................................40
Bảng 3.3: Thông số cơ bản của mô hình .......................................................................40

viii


CÁC TỪ VIẾT TẮT
AUV: Autonomous Underwater Vehicle.
ESC: Electronic Speed Controller.
ROV: Remotely Operated Vehicles.
UUV: Untethered Unmanned Vehicle.
SPURV: Special Purpose Underwater Research Vehicle
INS: Inertial Navigation System
IMU: Inertial Measurement Unit
I2C: Inter-integrated circuit
SRAM: Static random access memory
EFPROM: Electrically Erasable Programmable
PWM: Pulse Width Modulation

ix


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

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 tự hành được chọn làm đề
tài nghiên cứu trong luận văn này.

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước.
1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới.
Vào những năm 1950, các robot hoạt động dưới nước đầu tiên được sử dụng, các
robot này thuộc dạng tàu ngầm được gọi chung là Unmanned Undersea Vehicles
(UUVs).
Ngày nay, UUVs phát triển rất mạnh mẽ, chúng gồm có 3 loại chính: Autonomous
Underwater Vehicle (AUV), Remotely Operated Vehicles (ROV) và Untethered
Unmanned Vehicle (UUV).

Remotely Operated
Vehicle (ROV)

Type of Unmanned

Untethered Unmanned

Undersea vehicles

Vehicle (UUV)

Autonomous Underwater
Vehicle (AUV)

Hình 1.1: Các dạng Unmanned Undersea Vehicles.
Sơ lược quá trình phát triễn phương tiện ngầm tự hành (AUV)
 Các phương tiện ngầm tự hành (AUV) đầu tiên được nghiên cứu tại phòng thí
nghiệm Vật lý ứng dụng tại trường Đại học Washington vào đầu năm 1957 bởi
Stan Murphy, Bob Francois và sau đó là Terry Ewart được gọi là Thiết bị nghiên
cứu dưới nước với mục đích đặc biệt - SPURV (Special Purpose Underwater

Research Vehicle). Các SPURV đã được sử dụng để nghiên cứu sự lan truyền
ánh sáng, âm thanh trong nước ngầm.
-

Lặn sâu 3000m và thời gian lặn liên tục trong 4 giờ
2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
-

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

Hình 1.2: Special Purpose Underwater Research Vehicle [10]
 Năm 1966, Robert Whitehead đã thiết kế, chế tạo và thử nghiệm ngư lôi đầu tiên
được đặt tên là “ Fish ”. Ngư lôi này có khả năng di chuyển 3m/s và đi được
700m được xem là AUV đầu tiên, bắt đầu cho sự nghiên cứu và phát triễn AUV
sau này.

Hình 1.3: Ngư lôi Fish của Robert Whitehead [11]
 Vào những năm 1970, các phiên bản AUV bắt đầu được phát triển tại Viện Công
nghệ Massachusetts. Các AUV đầu tiên cụ thể triển khai cho khoa học địa chất
3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
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). AUV:

Epaulard được chế tạo bởi Viện nghiên cứu đại dương (IFREMER), Pháp, 1980.
- Dài 4m và nặng 2,9 tấn.
- Lặn sâu tới 6.000m, được sử dụng trong nghiên cứu đại đại dương.

Hình 1.4: AUV Epaulard [12]
 Đến đầu năm 1990, hơn 56 AUV khác nhau đã được mô tả trong các tài liệu được
công bố. REMUS 6000 được chế tạo bởi tập đoàn Kongsberg Maritime, Nay
Uy, 1997.
- Có thể lặn sâu tới 6.000m.
- Đường kính : 71cm.
- Chiều dài : 3.84m phụ thuộc vào cấu hình module.
- Cân nặng trên cạn : 862kg.
- Thời gian hoạt động : lên đến 22 giờ, tùy vào cấu hình và nhiệm vụ.
- Động cơ : DC brushless dẫn động trực tiếp với chân vịt 2 cánh.
- Tốc độ : lên đến 2.3m/s. Tùy thuộc cầu hình sensor.
- Điều khiển: điều khiển yaw và pitch bằng cánh. Độ sâu, track-line.

4


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
- Điều hướng: Long Baseline Transducer (7-15 kHz upward looking transducer)
and Dead Reckon with ADCP Inertial Navigation System (INS).
- Phục vụ nghiên cứu giám sát, thăm dò và lập bản đồ đại dương.
- Dễ dàng tùy biến cho các tác vụ dân sự và quân khác khi trang bị các Sonar
chức năng.

Hình 1.5: REMUS 6000 [13]
 Đến năm 2007 SEAOTTER MKII được chế tạo bởi tập đoàn Atlas Elektronik,
Đức.

- Chiều dài 3,65m, Trọng lượng 1000 kg, Chiều sâu lặn tới 600m, tải trọng mang
thêm đến 160kg và thời gian hoạt động một lần 20 giờ.
- Tác vụ: thăm dò và khai khoáng tài nguyên biển, chống xâm nhập tàu ngầm,
trinh sát và giám sát vùng kinh tế biển đảo và lập bản đồ.

Hình 1.6: AUV SEAOTTER MKII [14]
 Năm 2010 Bluefin-9 được phát triển bởi tập đoàn Bluefin Robotics, Mỹ
5


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
- Trọng lượng 60,5kg, Kích thước L x W = 1,65m x 0,24m,Lặn sâu lớn nhất
200m, Tốc độ di chuyển 2m/s, Thời gian hoạt động một lần12giờ.
- Tác vụ: thăm dò và khai khoáng tài nguyên biển, theo dõi và bảo vệ môi trường,
trinh sát và giám sát vùng kinh tế biển đảo, bảo vệ hải cảng và giàn khoan.

Hình 1.7: AUV Bluefin-9 [15]
Tuy nhiên đến năm 2007, có tổng cộng 92 Remus AUV đã được sử dụng trong các
lĩnh vực, trong đó 82 là dùng cho quân đội, còn lại mười cho mục đích khoa học. Việc
tăng cường sử dụng AUV trong môi trường biển được phản ánh trong các ấn phẩm khoa
học địa chất biển. Sự bùng nổ này cũng được phản ánh trong các số lượng thông tin đăng
tải trên internet toàn cầu.
1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước.
AUV có khả năng áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt trong quân sự
và thương mại, nên được nhiều quốc gia đầu tư phát triển. Đặc biệt, lĩnh vực quân sự
hiện là khách hàng chủ yếu của AUV-tương tự như những gì diễn ra trên bầu trời đối
với phương tiện bay không người lái (UUV).
Ở trong nước với kỷ nguyên công nghệ và nền kinh tế đa chiều, toàn cầu hóa và
tri thức, việc phát triển các hệ thống công nghiệp có một vai trò quan trọng trong quá
trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa và bảo vệ đất nước. Hệ thống điều khiển công nghiệp

là một phần của lĩnh vực sản xuất công nghiệp; nó ngày càng được nhiều doanh nghiệp
sử dụng và phát triển để góp phần tạo ra giá trị cạnh tranh. Đặc biệt là các hệ thống điều
khiển cho các phương tiện phục vụ cho việc khảo sát, thăm dò, khai khoáng tài nguyên
6


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
biển và bảo vệ lãnh hải của đất nước. Hơn nữa, nó góp phần trong mục tiêu “Chiến
lược Biển” mà Đảng và Nhà nước đang đầu tư phát triển. Ngoài ra, việc nghiên cứu về
đại dương cũng rất cần các phương tiện tự hành dưới nước (AUV) nhằm mục đích
nâng cao hiệu quả kinh tế xã hội trong dân sự cũng như các trang thiết bị hải quân trong
quân sự ở nước ta.
Hiện nay việc nghiên cứu hoạt động của phương tiện ngầm bắt đầu được quan tâm
ở trường ĐH Bách khoa Hà Nội và trường ĐH Bách khoa TP. HCM, trường ĐH Giao
thông vận tải TP.HCM, Học viện Hải quân. Chắc chắn việc nghiên cứu chế tạo và sử
dụng phương tiện ngầm sẽ được quan tâm nhiều hơn, góp phần giải quyết nhiều nhiệm
vụ trong kỹ thuật khai thác dầu khí, viễn thông, trong quốc phòng và trong giao thông
đường thủy…
Một số đề tài nghiên cứu tại trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh.
 Để tài luận văn tốt nghiệp Đại học năm 2007 “Nghiên Cứu Thiết Kế Bộ Định

Hướng và Bộ Điều Khiển Cho AUV” của Tạ Đức Anh. Đề tài đã dựa vào các tài liệu
nghiên cứu ở nước ngoài để đưa ra thiết kế cơ khí cũng như mô hình hóa hệ thống AUV,
đồng thời trình bày một số thiết kế bộ định hướng và bộ điều khiển AUV và ROV. Tác
giả đã mô phỏng rất tốt bộ định hướng và bộ điều khiển cho AUV, tiếc là ở đề tài này
chỉ dừng lại ở việc mô phỏng.
1.3 Phạm vi ứng dụng của đề tài.
Trước kia, giới hạn công nghệ của AUV khiến cho khả năng ứng dụng bị hạn chế
trong một số nhiệm vụ nhất định. Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ xử lý cao
cấp hơn và nguồn năng lượng cao hơn, AUV hiện đang ngày càng mở rộng phạm vi ứng

dụng của mình.
- Thực hiện giám sát, do thám, bảo vệ các mục tiêu dưới nước, rà phá thủy lôi…(ứng
dụng trong quân sự).

7


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Hình 1.8: Hình ảnh mô phỏng AUV trong công tác giám sát đường ống ngầm [16]
- Ứng dụng trong công tác khảo sát thực địa khi xây dựng các công trình dưới nước
như: đê, hải cảng, cầu…
- Ngành công nghiệp dầu khí sử dụng AUV để xây dựng các bản đồ đáy biển chi
tiết trước khi xây dựng cơ sở hạ tầng dưới biển, hệ thống đường ống dẫn và các lắp đặt
cần thiết sao cho phi phí sử dụng hiệu quả nhất.
- Xây dựng bản đồ khu vực để xác định vị trí mục tiêu, có thể là một cảng biển, hoặc
giám sát một khu vực quân sự. AUV cũng được sử dụng trong chiến tranh, như phát
hiện và tiêu diệt tàu ngầm địch (tàu ngầm có người lái).
- Ứng dụng trong việc khảo sát, lắp đặt các thiết bị viễn thông…
- Khảo sát thâm dò bề mặt địa chất dưới đáy biển, thu thập thông tin địa chất, các
nơi con người không thể xuống được, trong công tác nghiên cứu đại dương…
1.4 Mục tiêu đề tài
Mục tiêu chính của đề tài là: Nghiên cứu thiết kế và điều khiển hướng di chuyển
của robot lặn dạng AUV (Autonomous Underwater Vehicle). Từ các thông tin các
AUV đã tham khảo, AUV được xác định các thông số yêu cầu ban đầu như sau:
- Độ sâu lặn tối đa: 10m
- Vận tốc di chuyển tối đa v= 1.5 m/s.
- Sai số cho phép: 0.1*Góc mong muốn hay 100 sai số 10 ( bộ điều khiển hướng)
- Môi trường làm việc: nước ngọt
8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
- Ứng dụng: dùng để khảo sát trong môi trường nước ngọt (AUV có gắn camera
quan sát)
1.5 Nội dung công việc cần thực hiện
- Tìm hiểu tổng quan về robot hoạt động dưới nước dạng AUV.
- Tìm hiểu về quy trình thiết kế,quy luật chuyển động và quy luật điều khiển của AUV.
- Nghiên cứu tính toán thiết kế hệ thống cơ khí của AUV.
- Tìm hiểu các cảm biến tích hợp trên AUV để có thể điều khiển AUV di chuyển tự
động theo phương cho trước.
- Tính toán động học, động lực học và xây dựng mô hình toán của AUV di chuyển theo
hướng cho trước.
- Phân tích động lực học robot.
- Nghiên cứu tính toán hệ thống điều khiển hướng di chuyển của AUV. Mô phỏng hoạt
động của AUV bằng Matlab.
Giải quyết được các vấn đề trên sẽ là tiền đề quan trọng để có thể tiến hành xây
dựng mô hình thực tế, từng bước phát triển đề tài lên cao hơn để phục vụ nhu cầu trong
nước, nhằm giải giá thành so với các robot nhập khẩu từ nước ngoài.

9


CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ
Để tính toán các hệ số của robot, đầu tiên chúng ta phải xác định hình dáng cơ sở
của robot, xác định khối lượng của robot, phân bố khối lượng, và nổi, và cuối cùng xác
định các thông số điều khiển vây cần thiết.
2.1 Yêu cầu thiết kế.
- Robot di chuyển linh hoạt dễ dàng, dễ chế tạo, có tính đối xứng để dễ dàng cho

việc điều khiển.
- Robot chỉ sử dụng 1 thruster nhưng vẫn đảm bảo các chuyển động cần thiết.
Tiết kiệm được nguồn năng lượng hoạt động, từ đó hạn chế được khối lượng của AUV.
- Robot có thể hoạt động ổn định ở độ sâu là 10 m dưới mặt nước.
- Trong mặt phẳng thẳng đứng, robot có thể di chuyển lên xuống, không yêu cầu
xoay trong mặt phẳng đứng.
- Trong mặt phẳng ngang: robot có thể di chuyển theo bất kì phương nào.
2.2 Tham khảo các thiết kế
Từ yêu cầu thực tế trên, nhóm đã tham khảo các thiết kế của các hãng sản xuất tàu
lặn trên thế giới. Đây là các mẫu thiết kế trong thực tế được chứng minh là hiệu quả và
có giá trị thương mại cao.
2.2.1 Dorado- class autonomous underwater vehicle (AUV)
 Thông số kỹ thuật:
 Kích thước: đường kính 0.53 m, dài 5.3m
 Gồm có 3 modun
 Thân : bằng vật liệu ABS plastic
 Syntactic foam between housings provides buoyancy
 Khối lượng: 680 Kg trong không khí
 Thời gian hoạt động: 17.5 giờ
 Tốc độ: 1.5m/s và độ sâu tối đa 6000m
 Tỷ lệ lặn tối đa: 30 ( m/ phút).

10


CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Hình 2.1: Dorado-class [23]
 Kết cấu cơ khí:
 Module giữa được chia làm 2 nữa: phần trên (nắp

) và phần dưới. Hai phần được nối với nhau bằng
bu lông.
 Module giữa được cố định với module đầu bằng

các bu lông.
 Để tăng phần cố định người ta dùng vòng khóa

kẹp để cố định phần nắp và phần dưới, đồng thời
kẹp chặc các module lại với nhau.
 Các Module kết nối thiết bị với nhau thông qua

giắc cấm.

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

11


CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Hình 2.3: Thruster được nối với phần đuôi bằng khớp cầu.[23]
 Nhận xét:
AUV Dorado-class thiết kế theo kiểu module. Các module có khả năng tự chống
thắm tốt.
- Ưu điểm: dễ lắp ráp, sửa chữa, dễ dàng lắp ghép thêm các module chuyên dụng.
- Nhược điểm: Kết cấu phức tạp, khó khăn trong việc điều khiển góc quay của
thruster.
2.2.2 Remus 100.

Hình 2.4: Remus 100
12


CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ
 Thông số kỹ thuật:
 Đường kính : 19cm.
 Chiều dài : từ 160cm.
 Cân nặng trên cạn : 37kg.
 Độ sâu tối đa : 100m.
 Thời gian hoạt động : 8-10 giờ, tùy vào cấu hình và nhiệm vụ.
 Động cơ : DC brushless dẫn động trực tiếp với chân vịt 3 cánh.
 Tốc độ : lên đến 2.3m/s. Tùy thuộc cầu hình sensor.
 Kết cấu cơ khí:

Hình 2.5: Lắp ghép các module REMUS 100


Các module của REMUS 100 được thiết kế là các ống trụ tròn và khả năng tụ chống

thấm tốt.. Các thiết bị bên trong được cố định trên các khung có sẵn.


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

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

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

13


CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Hình 2.6: Hai module được kẹp chặt với nhau bằng vòng khóa
 Nhận xét: AUV REMUS 100 thiết kế theo kiểu module là các ống trụ tròn. Các
module có khả năng tự chống thắm tốt. Cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, dễ dàng lắp ghép
thêm các module chuyên dụng.
 Kết luận: Với hai dạng thiết kế module trên ta nhận thấy dạng thiết kế module
REMUS 100 có nhiều ưu điểm hơn thuận lợi cho việc chế tạo mô hình thực nghiệm sau
này. Do đó chúng ta sẽ chọn mô hình thứ 2 làm mô hình thiết kế cho đề tài này.
2.2 Thông số chi tiết
Hình dáng phần khung là một phần quan trọng trong thiết kế AUV. Các hình dạng
AUV thường thấy là: hình ngư lôi, khối hộp chữ nhật và hình dang mô phỏng sinh
học.Từ yêu câu AUV chỉ sử dụng 1 thruster hình dạng AUV được chọn là hình ngư lôi.
Hình ngư lôi: giảm lực cản tốt, số chân vịt cần dùng ít (khoảng 1-2 chân vịt), nhưng
khó điều khiển và đòi hỏi phải có một khoảng không gian tối thiểu để có thể thực hiện
các động tác như bẻ lái v.v… do đó yêu cầu đặt ra là giải quyết 2 bài toán hướng di
chuyển và độ sâu cho AUV. Có thể được chế tạo thành các module để tháo lắp dễ dàng.
Giả định môi trường hoạt động:
-

Môi trường nước ngọt .

-

Độ sâu hoạt động 10m. ( áp suất chịu đựng:
𝑃 = 𝜌𝑔ℎ + 𝑝0 = 98100 𝑁⁄𝑚2 = 0.981 𝐵𝑎𝑟)

-

Thiết bị ngập sâu trong một chất lỏng đồng nhất. Nói cách khác, thiết bị nằm xa
bề mặt tự do (không có hiệu ứng bề mặt, tức là không có sóng ).

-

Dòng chảy ngầm.
14


CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ
2.3 Biên dạng Robot AUV
Hình dạng Robot được dựa trên phương trình hình dạng thân [9], trong đó mô tả
một đường viền cơ thể với hệ số kéo tối thiểu cho một tỷ lệ độ mịn nhất định (cơ thể dài
/ đường kính tối đa). Những phương trình này được xác định theo các thông số sau:
 a, b, c, toàn bộ chiều dài của mũi cắt, phần trung tâm có bán kính không đổi,
và phần đuôi của robot tương ứng.
 n, một tham số mũ có thể được thay đổi để thiết lập cho cơ thể hình dạng khác
nhau.
 2𝜃, góc ở chóp đuôi.
 d: đường kính cơ thể tối đa.
Những phương trình sau giả định có gốc tọa độ ở mũi robot.
Hình dạng mũi được đưa ra bởi sự phân phối của sự thay đổi bán kính elip.
1

1

𝑟(𝜀) = 𝑑 [1 − (
2

𝜀−𝑎 2 𝑛
𝑎

) ]

(2.1)

Trong đó :
-

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

-

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

-

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

Phương trình xác định phần đuôi.
1

3d

2

2c2

r ( ε) = d − [

−

tan θ

d

tan θ

c

c

c2

] (ε − l)2 + [ 3 −

] (ε − lf )3

(2.2)

Trong đó: 𝑙𝑓 = 𝑎 + 𝑏
Một lần nữa, r là bán kính thân tàu và 𝜀 là trục tọa độ vị trí dọc theo đường tâm.

15


CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ

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

Độ dài

Đơn vị

Mô tả

a

300

mm

Chiều dài đầu

b

870

mm

Chiều dài thân

c

400

mm

Chiều dài đuôi

n

2

n/a

Hệ số mũ

𝜃

0.4

radians

Góc cong đuôi

d

200

mm

Đường kính thân

l

1600

mm

Chiều dài tổng AUV

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

16