Tính toán thiết kế và khảo sát hệ thống ổn định và điểu khiển của robot lặn

..

NGUYỄN VĂN NHU

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------

LỜI CAM ĐOAN

NGUYỄN VĂN NHU

Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tơi. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

TÍNH TỐN, THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG ỔN
ĐỊNH VÀ ĐIỀU KHIỂN CỦA ROBOT LẶN.
CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CƠ
ĐỘNG
LỰC
HV. KHÍ
Nguyễn
Văn Nhu

KHÓA – 2011B

Hà Nội - 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG
ĐẠI DỤC
HỌC VÀ
BÁCH
KHOA
BỘ GIÁO
ĐÀO
TẠO HÀ NỘI
-------------TRƯỜNG ĐẠI
HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------

NGUYỄN VĂN NHU
NGUYỄN VĂN NHU

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG ỔN
VÀTHIẾT
ĐIỀU KHIỂN
CỦA ROBOT
LẶN.
TÍNHĐỊNH
TỐN,
KẾ VÀ KHẢO
SÁT HỆ
THỐNG ỔN
ĐỊNH VÀ ĐIỀU KHIỂN CỦA ROBOT LẶN.

Chuyên ngành: kỹ thuật cơ khí động lực

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT
CƠ KHÍ
LUẬN
VĂN THẠC
SĨĐỘNG
KHOALỰC
HỌC
CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. LÊ QUANG
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. LÊ QUANG
HÀ NỘI - 2014

Hà Nội – Năm 2014


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai cơng bố trong bất
kỳ cơng trình nào khác.
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

HV. Nguyễn Văn Nhu


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 6
CHƢƠNG 1 :TỔNG QUAN VỀ ROBOT LẶN. ....................................................... 8
1.1 Tổng quan về robot lặn. ................................................................................8
1.1.1 Khái niệm robot lặn. ..................................................................................8
1.1.2 Sự phát triển của robot lặn.........................................................................8
1.2 Các vấn đề kỹ thuật trong nghiên cứu robot lặn.........................................13
1.3 Đề xuất nguyên lý hoạt động của robot lặn. ...............................................14
1.4 Vấn đề nghiên cứu của luận văn. ...............................................................15
CHƢƠNG 2 ĐỘNG LỰC HỌC VÀ MƠ HÌNH TÍNH TỐN CỦA ROBOT LẶN.
................................................................................................................................... 16
2.1 Động lƣợng – momen động lƣợng và động năng của vật rắn. ...................16
2.1.1 Động lƣợng của vật rắn. ..........................................................................17
2.1.2 Ma trận momen quán tinh khối của vật rắn. ............................................17
2.1.3 Momen động lƣợng của vật rắn đối với tâm O thuộc vật. ......................19
2.1.4 Động năng của vật rắn. ............................................................................21
2.2 Thiết lập phƣơng trình động lực học của vật rắn. ......................................23
2.2.1 Áp dụng định lý biến thiên động lƣợng và momen động lƣợng. ............23
2.2.2 Áp dụng định lý biến thiên động năng. ...................................................24
2.2.3 Biểu diễn dạng ma trận phƣơng trình vi phân chuyển động của vật rắn. 30
2.2.4 Tính lực tác dụng lên Robot lặn. .............................................................32
2.2.5 Phƣơng trình chuyển động trên robot lặn. ...............................................35
2.2.6 Các trƣờng hợp riêng. ..............................................................................37
CHƢƠNG 3 TUYẾN HÌNH, BỐ TRÍ CHUNG, ĐƢỜNG CONG THỦY LỰC VÀ
BONJEAN................................................................................................................. 39

1


3.1 Một số nguyên tắc chung trong xây dựng tuyến hình robot lặn. ................39
3.2 Tuyến hình robot lặn và các thơng số cơ bản và bố trí chung ....................40

3.3 Đƣờng cong thủy lực, đƣờng cong Boonjean và ổn định ..........................43
3.4 phƣơng trình chuyển động của robot lặn. ...................................................48
3.4.1 Khi robot chuyển động ngang trong nƣớc...............................................48
3.4.2 Khi robot muốn di chuyển lên trên ..........................................................49
CHƢƠNG 4 ỨNG DỤNG CFD KHẢO SÁT SƠ BỘ BIÊN DẠNG ROBOT LẶN.
................................................................................................................................... 50
4.1 Mô phỏng số động lực học dòng chảy .......................................................50
4.1.1 Khái niệm về CFD. ..................................................................................50
4.1.2 Ƣu nhƣợc điểm của CFD.........................................................................51
 Hạn chế ..........................................................................................................51
4.1.3 Các lĩnh vực áp dụng CFD hiện nay. ......................................................52
4.1.4 Các bƣớc mô phỏng và tính tốn trên phần mềm Fluent. .......................52
4.2 Ứng dụng mơ phỏng tính tốn khảo sát biên dạng robot lặn. ....................54
4.2.1 Mơ hình hình học và chia lƣới ................................................................54
4.2.2 Phƣơng pháp tính tốn và điều kiện biên. ...............................................56
4.2.3 Điều kiện biên .........................................................................................58
4.2.4 Kết quả mô phỏng. ..................................................................................58
4.2.5 Đồ thị giữa lực cản và vận tốc tại các vị trí khác nhau. ..........................61
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. ................................................................................. 69
Kết luận ............................................................................................................69
Kiến nghị ..........................................................................................................69
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 70

2


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
x, y, z Vị trí robot lặn

ɸ , θ, ψ

Các góc Euler

u, v, w Vận tốc dài của robot lặn
p, q, r Vận tốc góc của robot lặn
m

Khối lƣợng của vật

Ai

Ma trận cosin chỉ hƣớng thứ i.

B

Ma trận phân phối

C

Ma trận chứa các lực ly tâm và lực quán tính coriolis.

T(t)

Ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất

M

Ma trận khối lƣợng của robot lặn.

J0

Ma trận moment quán tính khối tâm của vật

Ω

vector vận tốc góc của vật rắn.

Vp0

vector vận tốc góc của vật rắn P trong hệ qui chiếu cố định R0

ap 0

vector gia tốc góc của vật rắn P trong hệ qui chiếu R0

Cy

Hệ số lực nâng,

Cx

Hệ số lực cản

Cm

Hệ số mơ men



Khối lƣợng riêng của chất lỏng,

S

Tiết diện cản chính.

3


RF

Sức cản ma sát

RR

Sức cản dƣ

RA

Sức cản khơng khí

CA

Hệ số sức cản khơng khí riêng

ρkk

Mật độ khơng khí

Akk

Diện tích mặt ngang của phần thân tàu nhô lên khỏi mặt nƣớc

As

Diện tích mặt ƣớt

PE

Cơng suất đẩy hiệu dụng cần thiết



Khối lƣợng riêng,


V

Vectơ vận tốc,



Hệ số nhớt động học,


F

Lực khối đơn vị,

P

Ap suất,

E

Nhiệt dung riêng của chất lỏng,

Keff

Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng,


Jj

Thơng lƣợng khuyếch tán,

Sh

Bao hàm nhiệt của phản ứng hố học và các nguồn nhiệt khác

t

Độ nhớt rối,

Gk

Sự phát sinh năng lƣợng động học rối do gradien vận tốc trung bình,

Gb

Sự phát sinh năng lƣợng động học do sức nổi,

4


YM

Thể hiện sự dãn nở biến đổi trong dòng chảy rối nén đƣợc,

C1, C2

Các hằng số (C1=1,44; C2=1,92 ),

C3

Thể hiện mức độ chịu ảnh của  vào sức nổi,

k; 

Số Prandtl rối của k và  (k=1; =1,3),

Sk; S

Đại lƣợng do ngƣời dùng định nghĩa.

5


MỞ ĐẦU
Hiện nay, tình hình thế giới đang diễn biến phức tạp. Dân số thế giới tăng
nhanh, các nguồn dữ trữ về tài nguyên, khoáng sản, nhiên liệu trên đất liền ngày

càng trở lên cạn kiệt. Các nguồn dự trữ tự nhiên này đã và đang trở thành nguyên
nhân sâu xa xủa các cuộc tranh chấp và can thiệp thô bạo của một số nƣớc phát triển
đối với các nƣớc có nguồn dự trữ lớn (Iraq, Libia,…). Địa bàn tranh chấp hiện nay
không dừng lại ở trên bộ mà đã và đang diễn ra trên biển nơi có trữ lƣợng tài
nguyên lớn gấp nhiều lần so với trên đất liền. Các cƣờng quốc trên thế giới đang
đẩy mạnh sự hiện diện và khẳng định chủ quyền của mình trên các vùng biển, nơi
có nhiều dự trữ tài nguyên. Việt nam cũng khơng nằm ngồi vịng xốy này. Nổi
cộm gần đây là các xung đột giữa Trung Quốc và các nƣớc thuộc khu vực Biển
Đơng, khi chính phủ Trung Quốc tun bố chủ quyền của mình với hầu hết diện
tích Biển Đơng, coi đây là sân nhà của mình, vi phạm trắng trợn và thô bạo chủ
quyền của các nƣớc trong khu vực. Trong bối cảnh hiện nay, q trình cơng nghiệp
hóa, hiện đại hóa đất nƣớc khơng thể thiếu các nguồn tài nguyên thiên nhiên. Để
đáp ứng đƣợc yêu cầu này, trong bối cảnh dự trữ trên đất liền đang ngày càng hiếm,
con đƣờng tất yếu là đẩy mạnh nghiên cứu và khai thác trong đại dƣơng và trên
thềm lục địa. Ngồi ra, để phát triển bền vững trong hịa bình và lãnh hải trƣớc sự
can thiệp của thế lực bên ngồi chúng ta cần cũng có phƣơng tiện chiến tranh phù
hợp. Một trong các phƣơng tiện phục vụ cho nghiên cứu, khai thác và bảo vệ lãnh
hải đó là tàu ngầm quân sự và các phƣơng tiện lặn khác.
Robot lặn và các phƣơng tiện lặn khác đã đƣợc phát triển và sử dụng rộng rãi
trên thế giới trong cả lĩnh vƣc dân sự và quân sự. Trong dân sự, chúng đƣợc sử
dụng để nghiên cứu và thăm dò đáy biển, nghiên cứu đại dƣơng, trong công nghiệp
khai thác dầu khí và khống sản trên thềm lục địa, vào mục đích du lịch… Số lƣợng
robot lớn nhất tập trung trong lĩnh vực quân sự. Các cƣờng quốc hải quân không
ngừng cải tiên nhằm chế tạo đƣợc robot với nhiều tính năng ƣu việt nhƣ giảm khả
năng bị phát hiện, tốc độ…..

6


Tại Việt nam, số lƣợng robot hiện đại không nhiều. Hiện tại, chúng ta chƣa

có khả năng tự thiết kế và chế tạo robot.
Mục tiêu của đề tài: Tính tốn, thiết kế và khảo sát hệ thống ổn định và điều khiển
cho robot lặn.
Cách tiếp cận, phƣơng pháp nghiên cứu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Tìm hiểu các loại thiết bị lặn trên thế giới làm cơ sơ cho tính tốn. Sử dụng
phối hợp phƣơng pháp thiết kế với lý thuyết và kỹ thuật điều khiển, lý thuyết tàu, cơ
học chất lỏng kết hợp với sử dụng các phần mềm mô phỏng. Nghiên cứu thủy động
lực học robot và hệ thống điều khiển chuyển động.

7


CHƢƠNG 1 :TỔNG QUAN VỀ ROBOT LẶN.
1.1 Tổng quan về robot lặn. [14]
1.1.1 Khái niệm robot lặn.
Robot lặn là gì?
Robot lặn là một loại phƣơng tiện thủy có khả năng hoạt động độc lập dƣới
nƣớc. Thuật ngữ robot lặn có thể dùng để chỉ một loại tàu có kích thƣớc trung bình
hay nhỏ nhƣ các phƣơng tiện lặn điều khiển từ xa hay. Theo phƣơng án điều khiển
mà ta có thể chia ra làm ba loại: Tàu ngầm có điều khiển (Submarine), Phƣơng
tiện lặn tự động điều khiển (AUV – Autonomous Underwater Vehicle) và
phƣơng tiện lặn điều khiển từ tàu mẹ (ROV – Remotely Operation Vehicle).
Nguyên lý hoạt động.
Nguyên lý hoạt động của robot đƣợc chia thành 02 loại: một loại hoạt động theo
nguyên lý của định luật Acsimes; và một loại hoạt động theo nguyên lý thủy động
lực học của một vật chuyển động trong dòng chất lỏng (giống máy bay). Tuy nhiên,
do giới hạn về thời gian và định hƣớng của đề tài nghiên cứu nên chỉ đề cập tới loại
robot hoạt động theo nguyên lý của định luật Acsimes, đó là bất cứ một vật nào
chìm trong nƣớc, đều chịu một lực đẩy, thẳng đứng, hƣớng lên trên và có độ lớn
đúng bằng phần chất lỏng mà vật đang chiếm chỗ.

1.1.2 Sự phát triển của robot lặn [14]
1.1.2.1 nghiên cứu về robot lặn trên thế giới.
Robot lặn đã đƣợc nghiên cứu ở hầu hết các quốc gia trên thế giới nhƣ ( Mỹ,
Nhật, Nga, Trung quốc…) ban đầu từ các trƣờng đại học rồi dần dần đến các công
ty nghiên cứu và phát triển thành các sản phẩm thƣơng mại phục vụ cho nghiên cứu
biển và các cơng tác quốc phịng .
Robot lần đầu tiên đƣợc biết đến bởi nhà tốn học ngƣời Anh William
Bourne. Ơng đã cơng bố thiết kế của mình vào năm 1578; một loại phƣơng tiện
bằng gỗ đƣợc bọc bằng da không thấm nƣớc có thế ngập nƣớc bằng cách giảm tổng
khối lƣợng, ý tƣởng này đƣợc thực hiện bởi một thủy thủ ngƣời Hà Lan Dutchman

8


Cornelius Drebbel trong năm 1620. Tuy nhiên, cho đến năm 1776 một loại robot hải
quân mới đƣợc đƣa vào hoạt động. David Bushnell đã thiết kế một chiếc robot để
đƣa vào chiến tranh nƣớc Mỹ giành độc lập . Một chiếc robot hình quả trứng nhỏ
bằng gỗ liên kết với nhau bằng dây đai có thể hạ xuống một ngƣời bằng van điều
hành nhận nƣớc vào két và bơm để đẩy nƣớc. Mặc dù sự phát triển robot vào thế kỷ
16, lần đầu tiên một phƣơng tiện không ngƣời lái đƣợc thiết kế bởi hải quân Hoa Kỳ
vào năm 1958. Robot đƣợc điều khiển bằng một dây cáp và đƣợc sử dụng để nghiên
cứu robot USS Threster trong năm 1963 đến năm 1966 đƣợc sử dụng để tìm kiếm
bom hạt nhân bị mất tại vùng biển tây ban nha. Hải quân mỹ đã tập trung nghiên
cứu kỹ thuật robot dƣới nƣớc trong thập niên 1960. Công nghệ này lần đầu tiên
đƣợc thƣơng mại hóa sử dụng UUV để khám phá dầu mỏ và khí đốt ngồi biển bắc.
Những khám này đƣợc thực hiện bởi một phƣơng tiện từ xa ROV. ROV hiện nay
vẫn còn đƣợc sử dụng rộng rãi trong ngành cơng nghiệp ngồi khơi nhƣng Robot tự
động UUV dần đƣợc phổ biến.
Hiện nay, trên thế giới đã có nhiều trƣờng đại học, viện nghiên cứu và các
công ty đang nghiên cứu và chế tạo UUV với hình dạng khác nhau.

Đó là robot Aqua, là một robot hình dạng rái cá, thân hình nhỏ, nhanh nhẹn,
với cấu tạo chân chèo thay vì cánh quạt. Robot đƣợc thiết kế để thu thập những dữ
liệu phức tạp từ các vụ đắm phép Aqua có thể tự do di chuyển mà khơng cần dây
điều tàu và tìm kiếm các rạn san hơ. Các nhà nghiên cứu ĐH York (Canada) đã chế
tạo một bộ điều khiển chống thấm nƣớc cho khiển. Các thiết bị của Aqua sẽ không
thấm nƣớc ở độ sâu 18m: nhôm cùng một lớp acrylic sẽ bao phủ bảo vệ thiết bị máy
tính. Giáo sƣ Michael Jenkin, ĐH York, cho biết điều tra tàu đắm là một hoạt động
rất tinh tế, thợ lặn - robot cần có khả năng phản ứng nhanh với những thay đổi của
mơi trƣờng. Ơng nói: "Việc cắt bỏ các dây trên robot dƣới nƣớc từ lâu là một thách
thức đối với các nhà khoa học. Nƣớc cản trở tín hiệu vơ tuyến, cản trở giao tiếp
khơng dây truyền thống qua modem. Bên cạnh đó, giao tiếp qua dây vừa cồng kềnh,
vừa khơng an tồn cho ngƣời thợ lặn".Với Aqua, ở dƣới nƣớc, thợ lặn có thể lập

9


trình thiết bị hiển thị các thẻ trên màn hình, nhƣ mã vạch trên điện thoại. Camera
trên robot sẽ quét những thẻ này theo hai chiều để nhận và thực hiện mệnh lệnh.
Vào năm 2008 Trung Quốc cũng hoàn tất việc lắp ráp robot lặn đƣợc điều
khiển bằng tay đầu tiên của nƣớc này.
UUV là cách gọi chung của cả ROV và AUV. Sự khác nhau giữa AUV và
ROV là dạng ROV có nhiều loại kết cấu khác nhau( khối hộp, dạng cầu, dạng
khung…) và đƣợc trang bị các thiết bị phụ trợ khác nhƣ camera, thiết bị chiếu sáng,
cánh tay với dụng cụ có thể thao tác đƣợc dƣới nƣớc…việc cung cấp năng lƣợng và
truyền tin từ tàu mẹ tới ROV đƣợc thực hiện nhờ dây cáp. Mặc dù bị hạn chế về
phạm vi hoạt động do phụ thuộc vào chiều dài dây cáp, tuy nhiên thời gian hoạt
động của ROV khơng bị hạn chế. Thơng qua màn hình đội điều khiển sẽ điều khiển
bằng các cần điều khiển (Joystick).
Dạng AUV khơng có dây nối với tàu mẹ. Các thiết bị sử dụng năng lƣợng
trực tiếp từ ắc qui lắp trên tàu. AUV sẽ làm việc theo một chƣơng trình đƣợc lặp

trình sẵn, thơng thƣờng chúng đƣợc sử dụng nhƣ một camera di dộng. Thời gian và
phạm vi hoạt động phụ thuộc vào năng lƣợng nạp trong ắc qui.
Việt Nam có diện tích hơn 330.000 km² bao gồm khoảng 327.480 km² đất
liền và hơn 4.200 km² biển nội thủy, với hơn 4.000 hịn đảo, bãi đá chìm lớn nhỏ,
gần và xa bờ, có vùng nội thủy, lãnh hải, vùng đặc quyền kinh tế và thềm lục địa
xác định gần gấp ba lần diện tích đất liền khoảng trên 1 triệu km². 28 trong số 64
tỉnh/thành phố nƣớc ta nằm ven biển, diện tích các huyện ven biển chiếm 17% tổng
diện tích cả nƣớc và là nơi sinh sống của hơn 1/5 dân số cả nƣớc.
Việt Nam là quốc gia có 3 mặt giáp biển, đặc biệt trong đó Biển Đơng đóng
vai trị trọng yếu. Đây là một trong 6 biển lớn nhất của thế giới, nối hai đại dƣơng là
Thái Bình Dƣơng và Ấn Độ Dƣơng, có 9 quốc gia bao bọc: Việt Nam, Trung Quốc,
Philippines, Indonesia, Brunei, Malaysia, Singapore, Thái Lan và Campuchia. Đây
cũng là con đƣờng biển chiến lƣợc của giao thƣơng quốc tế, có 5/10 tuyến đƣờng

10


hàng hải lớn nhất của hành tinh đi qua. Hàng năm, vận chuyển qua biển Đông là
khoảng 70% lƣợng dầu mỏ nhập khẩu từ Trung Đông và Đông Nam Á, khoảng
45% hàng xuất của Nhật, và 60% hàng xuất nhập khẩu của Trung Quốc. Theo
những nghiên cứu do Sở Môi trƣờng và các nguồn lợi tự nhiên Philippine, vùng
biển này chiếm một phần ba toàn bộ đa dạng sinh học biển thế giới, vì vậy nó là
vùng rất quan trọng đối với hệ sinh thái.
Tuy nhiên, có một sự mâu thuẫn là trong khi Việt nam sở hữu một nguồn tài
nguyên biển vô cùng lớn nhƣ vậy nhƣng tiềm lực nghiên cứu, khai thác thì lại cịn
rất hạn chế. Các số liệu về tài nguyên biển, đặc biệt là vùng đáy biển thì hồn tồn
phụ thuộc vào nƣớc ngồi. Hạn chế tƣởng chừng nhƣ phi lý đó đƣợc giải thích bởi
Việt Nam chƣa làm chủ đƣợc về các thiết bị lặn hay tàu lặn phục vụ nghiên cứu
cũng nhƣ bảo vệ an ninh chủ quyền vùng lãnh hải của mình.
Ở nƣớc ta việc nghiên cứu thiết kế mơ hình Robot lặn UUV cịn ít đƣợc chú

ý. Các kết quả đạt đƣợc vẫn còn hạn chế, việc mua các thiết bị phụ kiện cịn khó
khăn. Hơn nữa, hiện nay chúng ta có rất nhiều cơng trình trên biển nhƣ các
dàn khoan, các đƣờng ống dẫn dầu, dẫn khí. Các cơng trình này đòi hỏi các thợ lặn
phải làm việc với độ sâu và thời gian ngày càng lớn. Do đó việc nghiên cứu thiết kế
chế tạo một mơ hình tàu lặn cỡ nhỏ có điểu khiển từ xa là một nhu cầu cấp thiết để
có thể triển khai chế tạo một sản phẩm có thể ứng dụng trong các ngành nghiên
cứu về cơng trình biển, đại dƣơng…
Mặc dù gặp nhiều khó khăn nhƣng nhiều trƣờng đại học của nƣớc ta cũng
đang trong quá trình tìm hiểu, nghiên cứu, chế tạo loại Robot này.
Tại bộ môn cơ điện tử, trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí
Minh một nhóm cộng sự đã nghiên cứu thiết kế chế tạo robot cá có thể tự động bơi,
lặn trong mơi trƣờng nƣớc. Robot cá là sự kết hợp của cơ chế sinh học và kỹ thuật
robot. Robot cá có kích thƣớc 554x160x100 mm, cân nặng 2kg, điện áp hoạt động
5V, dòng điện cực đại 650mA. Đầu cá làm từ nhựa Composite, thân cá đƣợc gia
cơng bằng nhựa POM, có dạng khối hình chữ nhật rỗng, chỉ có một mặt có khả

11


năng tháo lắp, mặt đối diện có 2 tầng lỗ để gắn trục và gioăng chống thấm khi
chuyển động. Ngoài ra, các lỗ bắt ốc để cố định động cơ và gắn chặt lắp hộp kín
hồn tồn. Thử nghiệm cho thấy, robot cá có khả năng lặn ở độ sâu 1m, vận tốc bơi
0,25m/s và hoạt động trong 3,5h. Trên mình cá đƣợc gắn các cảm biến hồng ngoại
để tránh vật cản, đo vận tốc di chuyển, camera quan sát, thiết bị kiểm tra không phá
hủy, laban xác định phƣơng hƣớng. Trong quá trình hoạt động dƣới nƣớc cá sẽ
truyền sóng vơ tuyến hình ảnh dƣới nƣớc về máy tính trên mặt đất. với thơng tin
truyền về có thể vẽ đƣợc bản đồ dƣới mặt nƣớc, cung cấp hình ảnh hiện trạng.
Robot cá này có thể dùng để khảo sát chân đê, kiểm tra hồ chứa, tìm ra các hƣ hỏng
trong các hệ thống dẫn nƣớc đƣờng ống, nghiên cứu cơ chế chuyển động của một số
loài sinh vật phục vụ cho công tác nghiên cứu môi sinh…

Tại trƣờng sĩ quan thông tin ( Binh chủng thông tin liên lạc ) đang nghiên cứu chế
tạo Robot dƣới nƣớc ứng dụng trong quân sự. Robot dƣới nƣớc ứng dụng trong
quân sự mang hình dáng chun cơ thu nhỏ, có hai bánh quạt giúp cho việc bơi, lặn
đƣợc thuận tiện. Ngoài ra Robot cịn đƣợc tích hợp các thiết bị, linh kiện điện tử và
phần mềm khác phục vụ hoạt động do thám, trinh sát.

12


1.2 Các vấn đề kỹ thuật trong nghiên cứu robot lặn
Các vấn đề quy định kỹ thuật cho Robot hiện nay đã đƣợc đƣa vào Quy chuẩn
Kỹ thuật Quốc gia Việt Nam trang 177 – 196 QCVN 21:2010/BGTVT. về công
nghiệp tàu thủy năm 2010
Các bài toán kỹ thuật đối với tàu ngầm nói chung và đối với robot lặn nói riêng
là:
1. Tuyến hình: liên quan đến đặc tính thủy động lực học, tính ổn định khi vận
hành, sức bền, …
2. Vật liệu và biện pháp công nghệ: liên quan đến sức bền, kết cấu, điều kiện
vận hành và làm việc, giới hạn giá thành đầu tƣ.
3. Nguồn động lực: liên quan đến chi phí năng lƣợng, thiết bị động lực đẩy, độ
an toàn chung và an toàn khi vận hành, thời gian làm việc dƣới nƣớc, cấp
thốt khí.
4. Dƣỡng khí và điều hòa áp suất: tàu lặn càng sâu và thời gian vận hành càng
dài thì vấn đề này càng cần quan tâm liên quan đến an toàn của thủy thủ đoàn.
5. Hệ thống lái: phối hợp với nguồn động lực và thiết bị đẩy với hệ thống điều
khiển lái và lặn – nổi. Có thể điều khiển trực tiếp hoặc theo chƣơng trình.
Vận hành lái phụ thuộc vào đặc tính ổn định của tàu và đặc tính vận hành của
thiết bị động lực đẩy.
6. Hệ thống thoát hiểm khẩn cấp: biện pháp an toàn khi sự cố và phƣơng thức
thốt hiểm.

7. Hệ thống thơng tin liên lạc và định vị: về kỹ thuật SONAR sóng ngắn và dài,
phối hợp định vị GPS, liên lạc tàu mẹ - con, thiết bị súng bắn phao

13


1.3 Đề xuất nguyên lý hoạt động của robot lặn.

8

7

5
4
1

6

1

3
2

1: két dằn
2: khối đặc ổn định có thể tự động tách ra khỏi robot lặn trong trƣờng hợp khẩn cấp
3: khoang chịu áp lực
4: động cơ
5: trục chân vịt
6: cánh lái đuổi
7: cánh lái mũi

8: ống đạo lƣu
Ở trạng thái nổi trung tính , một vấn đề quan trọng là duy trì cho robot nằm
ngang. Để thực hiện việc này, robot đƣợc trang bị hai két dằn điều khiển đặt ở phần
đầu và đuôi robot. Két dằn điều khiển cân bằng từ mũi đến lái (đuôi robot đến đầu
robot) đều đƣợc kết nối với nhau bởi một đƣờng ống để nƣớc có thể đƣợc bơm từ
bên này sang bên kia để đạt đƣợc góc nghiêng cho robot.
Để cho robot có thể thay đổi góc tấn ta có thể điều khiển cánh lái mũi để thay
đổi góc tấn của của robot lặn.
khi đang chuyển động thẳng, robot muốn quay trở thì dùng cánh lái đuổi để
điều khiển tính quay trở của robot lặn.

14


1.4 Vấn đề nghiên cứu của luận văn.
Những tìm hiểu tổng quan cho thấy các bài toán kỹ thuật trong nghiên cứu
thiết kế và chế tạo robot lặn nói chung mang tính liên ngành cao. Hƣớng nghiên cứu
về robot lặn là một hƣớng mới chƣa đƣợc xúc tiến trong nƣớc và mang tính thực
tiễn cao về kinh tế - xã hội cũng nhƣ an ninh quốc phòng. Để từng bƣớc xây dựng
phát triển hƣớng nghiên cứu mang tính cấp thiết trên, luận văn này triển khai nội
dung nghiên cứu cho mẫu robot lặn, với tiêu đề: “Tính tốn, thiết kế và khảo sát hệ
thống ổn định và điều khiển cho robot lặn”.
Mục tiêu của đề tài là:
Xây dựng mơ hình robot lặn với biên dạng phù hợp dựa vào chất lƣợng thủy động
lực học của dòng chảy bao.
Đánh giá khảo sát mẫu thiết kế bằng việc áp dụng mô phỏng số (CFD) trên máy
tính ở các trạng thái vận hành khác nhau.
Định hƣớng tối ƣu hóa thiết kế.
Nội dung chính:
Tìm hiểu chung về robot lặn trên thế giới.

Tìm hiểu các vấn đề thủy khí kỹ thuật, động lực học ứng dụng trong tính tốn kỹ
thuật robot lặn.
Tìm hiểu về phƣơng pháp CFD.
Xây dựng tuyến hình robot lặn.
Khảo sát đặc tính vận hành mẫu robot lặn bằng mô phỏng CFD.
Đề tài gồm 4 chƣơng, cụ thể:
Chƣơng 1:

Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chƣơng 2:

Động lực học và mơ hình tính tốn của robot lặn.

Chƣơng 3:

Tuyến hình, bố trí chung và đƣờng cong thủy lực boojean.

Chƣơng 4:

Ứng dụng CFD khảo sát biên dạng robot lặn.

15


CHƢƠNG 2 ĐỘNG LỰC HỌC VÀ MƠ HÌNH TÍNH TỐN CỦA ROBOT
LẶN. [1,2,3,4,5,8]
Một robot lặn ROV, AUV hay một tàu ngầm chuyển đọng trong nƣớc đƣợc
mơ hình hóa là một vật rắn. Việc thiết lập phƣơng trình động lực học cho một vật
rắn chuyển động có thể sử dụng các công cụ nhƣ sau: định lý động lƣợng, định lý

momen động lƣợng, định lý động năng, phƣơng trình Lagrange 2,… Phần này trình
bày động lực học vật rắn sau đó áp dụng thiết lập phƣơng trình vi phân chuyển động
cho robot dƣới nƣớc.
2.1 Động lƣợng – momen động lƣợng và động năng của vật rắn. [1]
Xét một vật chuyển động trong không gian với hai hệ trục tọa độ: một hệ cố
định R0 = (Oxyz)0 và một hệ gắn liền vật R = (Oxyz) ( hình 2.1). Gọi
điểm O gốc của hệ vật,

O

là vận tốc

là vector vận tốc góc của vật. Các vector này đƣợc biểu

diễn trong hệ gắn liền vật R = (Oxyz) với các vector đơn vị {

1

,

v0  ue1  ve2  w e3 ,   pe1  qe2  re3

2, 3

(2.1)

vdm

?
P

y, e2

z e3
,

rp

z0, e30

u

O
x, e1

r0
y0, e20

O0

x0, e10

16

} nhƣ sau:


2.1.1 Động lƣợng của vật rắn. [1]
Để tính động lƣợng của vật rắn, trƣớc hết xét một phân bố có khối lƣợng dm, vị trí
phân bố đƣợc xác định bởi vector u  OP . Vận tốc của phân bố đƣợc xác định

theo quan hệ vận tốc hai điểm thuộc vật.

v  v0  u

(2.2)

Động lƣợng của vật rắn đƣợc xác định theo công thức:

p   vdm

(2.3)

B

Thay biểu thức (2.2) vào (2.3) ta đƣợc:





p   v0    u dm   v0dm     udm
B

B

(2.4)

B

Tích phân trên tồn bộ vật và chú ý đến

muc   udm
B

với C là khối tâm của vật uc  OC
ta đƣợc:

p  mv0    mu hay p  mv0  mu  

(2.5)

Do vC  v0    uC , nên ta có thể viết lại:

p  mvC

(2.6)

2.1.2 Ma trận momen quán tinh khối của vật rắn.
Việc tính momen động lƣợng của vật rắn đối với một điểm, liên quan đến
momen quán tính khối của vật rắn trong một hệ trục tọa độ. Trong phần này, xét vật

17


rắn B và hệ trục tọa độ Oxyz, ma trận momen quán tính khối của vật rắn đối với hệ
trục tọa độ đƣợc xác định bởi công thức sau:

 J xx

J 0   J yx

J
 zx

J xy
J yy
J zy


2
2
   z  y  dm
J xz   B

J yz      yxdm

B

J zz  
   zxdm


B



B
B


2

2
B  z  x  dm B yzdm 

2
2
  zydm
 x  y  dm 

B
B

  xydm

  xzdm

Trong đó u   x, y, z  là vector tọa độ của phân tố khối lƣợng dm trong hệ
T

quy chiếu Oxyz. Đƣa vào phép tính tích phân hai ma trận sóng:

 0  z y  0  z y 
 S  u  S  u     z
0  x 
0  x 
 z
y x
0 
0 

  y x

 z2  y2
 xy
 xz 


   yx
z 2  x2
 yz   u T uE33  uu T
  zx
 zy
x 2  y 2 


(2.8)

Từ (2.8) biểu thức (2.7) đƣợc viết gọn lại nhƣ sau:

J 0    S  u  S  u  dm    u T uE33  uu T  dm
B

(2.9)

B

Nhƣ vậy biểu thức 2.9 đƣợc sử dụng để xác định ma trận momen quán tính
khối của vật rắn đối với hệ quy chiếu Oxyz.
Công thức xoay trục tọa độ: giả sử cần tính ma trận momen quán tính của vật
đối với hệ trục cùng gốc Ox’y’z’, ma trận quay giữa hệ này là A. Liên hệ tọa độ
giữa hệ này nhƣ sau:

u '  Au

18

(2.10)

(2.7)


Từ (2.9) và (2.10) ta có ma trận momen quán tính đối với trục Ox’y’z’ là:

J O '  AJO AT

(2.11)

Cơng thức chuyển trục song song: giả sử cần tính ma trận momen qn tính
đối với hệ trục Ooxoyozo có các trục song song với các trục của hệ Oxyz, và biết vị
T

trí của điểm gốc O trong hệ Ooxoyozo là ro   xo0 , yo0 , zo0  . Khi đó tọa độ của phân
tố dm trong hệ Ooxoyozo sẽ là:

u '  ro  u

(2.12)

Nếu chọn gốc O trùng với khối tâm C của vật thì ta có ma trận momen qn
tính đối với hệ trục Ooxoyozo là:

J O0  J C  m rCT rC E33  rC rCT 

(2.13)

Từ (2.13) ta viết đƣợc các thành phần của ma trận moment quán tính khối
nhƣ sau:

J x0  J Cx  m  yC2  zC2  , J y0  J Cy  m  xC2  zC2  , J z0  J Cz  m  xC2  yC2 
J x0 y0  J Cxy  mxC yC , J y0 z0  J Cyz  myC zC ,

J z0 x0  J Czx  mzC xC

2.1.3 Momen động lƣợng của vật rắn đối với tâm O thuộc vật.
Khảo sát vật rắn B chuyển động trong không gian, biết vận tốc điểm O thuộc
vật vO và vận tốc góc  , vật rắn có khối lƣợng m, khối tâm C, uC  OC (hình 2.1).
Để đƣa ra momen động lƣợng của vật rắn đối với điểm O thuộc vật, ta xét khối
lƣợng phân tố dm có vận tốc là v và momen động lƣợng của vật rắn đối với điểm O
thuộc vật đƣợc xác định bởi:

 





lO   u vdm   u  vdm   u  vO    u dm

19

(2.14)

 



Đặt hO  u    u dm

(*)

Ta có: lO  mu  vO  hO

(2.15)

Ta thấy rằng nếu cố định điểm O ( vO  0 ), tức là vật rắn chuyển động quay
quanh điểm O cố định, khi đó lO  hO , nhƣ vậy vector hO chính là momen động
lƣợng của vật rắn trong chuyển động quay quanh điểm cực O.
Tính tốn trong hệ trục Oxyz gắn liền vật, với [ e1 e2 e3 ] là 3 vector đơn vị,
ta có:

u  xe1  ye2  ze3

   x e1   y e2   z e3

(**)

Thay (**) vào (*) sau đó tích phân trên toàn bộ vật ta đƣợc vector momen
động lƣợng hO đƣợc tính nhƣ sau:

hO   J xxx  J xy y  J xzz  e1   J yxx  J yy y  J yzz  e2
  J zxx  J zy y  J zzz  e3

Hay

hO   J xx p  J xy q  J xz r  e1   J yx p  J yy q  J yz r  e2   J zx p  J zy q  J zz r  e3
Với các hằng số:

J xx    y 2  z 2  dm, J yy    z 2  x 2  dm, J zz    x 2  y 2  dm
B

B

B

J xy    xydm  J yx , J xz    xzdm  J zx , J yz    yzdm  J zy
B

B

20

B


Là các thành phần momen quán tính khối của vật rắn và các thành phần
momen quán tính tích đối với các trục tọa độ gắn vào vật.
Ta có thể biểu diễn vector momen động lƣợng hO của vật rắn trong hệ gắn
liền vật nhƣ sau:

hO  e1 e2 e3  J O

(2.16)

Momen động lƣợng của vật rắn đối với khối tâm C của nó:
Nếu điểm O trùng với khối tâm C của vật, ta có:

lC  muC  vC  hC  hC ,

uC  0

(2.17)

Khi đó ta có: lC  e1 e2 e3  J C





Momen động lƣợng của vật rắn đối với điểm O0 đƣợc xác định bởi:

 

lO0   r vdm   r  vdm  rO  mvC   u  vdm

(2.18)

Từ biểu thức( 2.15) ta có:

lO   u  vdm  muC  vO  hO
Thay biểu thức vận tốc khối tâm vật vC  vO    uC vào (2.18) ta đƣợc:





lO0  mrO  vO    uC  muc  vO  hO
2.1.4 Động năng của vật rắn.
Động năng của vật rắn đƣợc xác định với tích phân:

T

1
1 2
vvdm

v dm
2
2

21

(2.19)


Thay v  vO    u vào ta đƣợc:

T







1
vO    u vO    u dm
2

Khai triển biểu thức trên ta đƣợc:






  v v dm  2 v .  u  dm     u  .  u  dm

2T   vO    u vO    u dm
O O



O









Chú ý đến hệ thức:   u .   u    u    u  , ta đƣợc:






  mu     h



2T  vO .mvO  2vO .   muC    u    u dm
 vO .mvO  2vO

C

O

Nhƣ vậy động năng của vật rắn đƣợc xác định nhƣ sau:





1
1
T  vO .mvO  vO .   muC  .hO
2
2

 

(2.20)



Với hO  u    u dm là momen động lƣợng của vật rắn chuyển động
quay quanh điểm cực O. nếu chọn gốc O trùng với khối tâm C của vật rắn, uC  0 ,
ta đƣợc:

1
1
T  vC . p  .lC , với p  mvC
2
2

(2.21)

22