Thiết bị lặn điều khiển từ xa rov

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

THIẾT BỊ LẶN ĐIỀU KHIỂN TỪ XA (ROV)

Người hướng dẫn:
Sinh viên thực hiện:

TS. LÊ HOÀI NAM
NGUYỄN TRUNG ANH
NGUYỄN VĂN THÁI
Số thẻ sinh viên : 101120276
101120315
Lớp:

12CDT1

Đà Nẵng, 2017


LỜI NÓI ĐẦU

Với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, ngày nay các thiết bị không
người lái ngày càng trở nên phổ biến và thông dụng trong đời sống hằng ngày cũng
như trong công nghiệp. Nhưng hiện tại trong nước chỉ phổ biến các đề tài nghiên cứu
về các thiết bị không người lái trên không, trên mặt đất mà rất ít các đề tài ngiên cứu

các thiết bị không người lái dưới nước. Các thiết bị khơng người lái dưới nước có thể
ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực như mơi trường, hải sản, dầu khí, quân sự…
Xuất phát từ tầm quan trọng đó, dưới sự hướng dẫn của thầy Lê Hồi Nam
nhóm chúng em đã tiếp cận nghiên cứu và chế tạo được mơ hình “Thiết bị lặn điều
khiển từ xa (ROV)”.
Với sự hướng dẫn và giúp đỡ nhiệt tình của thầy Lê Hồi Nam, chúng em đã
hoàn thành đề tài này đúng thời gian đặt ra và đạt được những kết quả như mong
muốn. Do khiến thức cịn hạn hẹp, ít kinh nghiệm nên chúng em khó có thể tránh khỏi
các sai sót. Vì vậy chúng em rất mong nhận được sự hướng dẫn tần tình của các thầy
cơ trong khoa để chúng em có thể hồn thiện đồ án một cách tốt nhất.
Cuối cùng chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cơ trong khoa, đặc biệt là
sự hướng dẫn tận tình của thầy Lê Hoài Nam đã giúp chúng em hoàn thành đồ án này!
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Đà Nẵng, ngày 25, tháng 5, năm 2017
Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Văn Thái

i

Nguyễn Trung Anh


CAM ĐOAN

Trong q trình thực hiện đề tài, nhóm chúng em đã có tham khảo các mơ hình
có liên quan thơng qua mạng Internet, những phần đó đều được ghi rõ tên tác giả,
nhóm tác giả, kết quả thực tế và các phần liên quan theo đúng các thông tin mà nhóm
đã tìm được. Các lý thuyết về ngun lý và điều khiển nêu trong thuyết minh được
tham khảo và trích dẫn từ các tài liệu tham khảo được ghi rõ ở phần phụ lục.

Ngoài ra các thiết kế cơ cấu, chi tiết trên tàu đều do nhóm đề ra, khơng sao chép
bất kỳ mơ hình nào khác. Các tính toán thiết kế, nguyên lý hoạt động đều được thực
hiện độc lập khơng sử dụng bất kỳ kết quả tính tốn từ nguồn có sẵn nào. Các số liệu
đo đạc, kết quả thực nghiệm đều được lấy từ thực tế của q trình thí nghiệm, vận
hành thử của sản phẩm. Nhóm cam kết khơng cung cấp các số liệu ảo hoặc sai với
thực tế.
Nhóm xin cam đoan những gì nhóm trình bày đều đúng sự thật và cam kết tuân
thủ các quy định về liêm chính học thuật do nhà trường đề ra
Đà Nẵng, ngày 20 tháng 5 năm 2017
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Thái

ii

Nguyễn Trung Anh


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU.............................................................................................................. i
CAM ĐOAN ............................................................................................................... ii
MỤC LỤC .................................................................................................................. iii
DANH MỤC BẢNG, HÌNH VẼ .................................................................................. v
DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................... viii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ........................................................................................ 1
1.1. Giới thiệu đề tài .................................................................................................... 1
1.1.1. Ý tưởng đề tài ................................................................................................ 1
1.1.2. Nội dung nghiên cứu đề tài............................................................................. 2
1.2. Giới thiệu về các thiết bị lặn điều khiển từ xa........................................................ 2
1.3. Giới thiệu về thiết bị lặn điều khiển từ xa ROV..................................................... 4

1.3.1. Lịch sử phát triển ROV .................................................................................. 4
1.3.2. Hệ thống ROV ............................................................................................... 5
1.3.3. Ứng dụng của ROV........................................................................................ 8
1.3.4. Một số sản phẩm thương mại ......................................................................... 9
1.4. Một số cơng trình nghiên cứu thiết bị lặn dưới nước ........................................... 12
1.5. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 13
1.5.2. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................. 13
1.5.3. Phương tiện nghiên cứu................................................................................ 14
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ CẤU ............................................................................ 16
2.1. Lựa chọn phương án thiết kế ............................................................................... 16
2.1.1. Các phương án thiết kế chuyển động lặn nổi cho ROV................................. 16
2.1.2. Các phương án bố trí động cơ....................................................................... 18
2.1.3. Các phương án chọn động cơ đẩy ................................................................. 19
2.1.4. Các phương án thiết kế thân tàu ................................................................... 20
2.2. Nguyên lý cân bằng của ROV ............................................................................. 21
2.3. Thiết kế hệ thống ................................................................................................ 22
2.3.1. Thiết kế nguyên lý........................................................................................ 22
2.3.2. Chọn gioăng cao su ...................................................................................... 23
iii


2.3.3. Thiết kế khung ............................................................................................. 24
2.3.4. Thiết kế thân và phao ................................................................................... 25
2.3.5. Thiết kế mặt bích.......................................................................................... 28
2.3.6. Thiết kế động cơ đẩy .................................................................................... 29
2.3.7. Thiết kế gá mạch .......................................................................................... 30
2.4 Mơ hình thực tế.................................................................................................... 32
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ............................................... 34
3.1. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển ........................................................................... 34
3.1.1. Các thành phần trong hệ thống ..................................................................... 34

3.2. Giới thiệu một số linh kiện trong hệ thống .......................................................... 35
3.2.1. Bo mạch Raspberry Pi 3 và camera .............................................................. 35
3.2.2. Bo mạch Arduino Nano................................................................................ 36
3.2.3. Động cơ BLDC và ESC ............................................................................... 38
3.2.4. Cảm biến la bàn ........................................................................................... 43
3.3. Lập trình điều khiển ............................................................................................ 44
3.3.1. Lập trình cho Raspberry Pi 3 ........................................................................ 44
3.3.2. Thuật toán điều khiển trên Arduino .............................................................. 51
3.4. Thiết kế mạch điều khiển .................................................................................... 52
3.4.1. Mạch điều khiển trung tâm ........................................................................... 52
3.4.2. Mạch nguồn ................................................................................................. 52
3.4.3 Mạch động lực .............................................................................................. 53
3.5. Hướng dẫn sử dụng ............................................................................................. 54
3.5.2 Hướng dẫn điều khiển ................................................................................... 54
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 56
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 58
PHỤ LỤC

iv


DANH MỤC BẢNG, HÌNH VẼ
Bảng 1.1 Thơng số kỹ thuật ROV VideoRay Pro 4 Plus BASE
Bảng 1.2 Thông số kỹ thuật ROV Seaeye Jaguar
Bảng 1.3 thông số kỹ thuật OpenROV
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật bo mạch Arduino Nano
Bảng 3.2 Thơng số kỹ thuật cảm biến la bàn HMC5883L
Hình 1.1 ROV Hercules
Hình 1.2 Phân loại các loại robot dưới nước
Hình 1.3 AUV trong ứng dụng thăm dò cáp quang dưới biển

Hình 1.4 ROV ROVOP
Hình 1.5 ROV đầu tiên Poodle
Hình 1.6 Hệ thống ROV cơ bản
Hình 1.7 Mơ hình hệ thống ROV SEAYE hiện đại
Hình 1.8 Hệ thống ROV mini đơn giản
Hình 1.9 Bộ điều khiển của ROV videoray
Hình 1.10 Bộ điều khiển của Deep Trekker ROV
Hình 1.11 Một loại dây cáp cho ROV hiện đại
Hình 1.12 ROV VideoRay Pro 4 Plus BASE
Hình 1.13 Hệ thống ROV Seaeye Jaguar
Hình 1.14 OpenROV
Hình 1.15 Robot Yết Kiêu 01
Hình 1.16 Robot cá
Hình 1.17 Robot ROV do sinh viên trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN chế tạo
Hình 2.1 Nguyên lý Ác-si-mét
Hình 2.2 Cơ chế lặn của tàu ngầm
Hình 2.3 Cơ chế dùng động cơ đẩy
Hình 2.4 Bố trí động cơ robot
Hình 2.5 Bố trí ít động cơ robot
Hinh 2.6 Cấu tạo động cơ đẩy sử dụng truyền động nam châm
Hình 2.7 Động cơ khơng chổi than sử dụng trong OpenROV
Hình 2.8 Robot observer thiết kế thân nguyên khối
Hình 2.9 ROVBUILDER theo kiểu module
Hình 2.10 Mơ hình giải thích ngun lý cân bằng của ROV
v


Hình 2.11 Mơ hình giải thích momen cân bằng của ROV
Hình 2.12 Nguyên lý thiết kế
Hình 2.13 Goăng cao su trịn

Hình 2.14 Chống nước cho ống tĩnh
Hình 2.15 Chống nước cho mặt
Hình 2.16 Khung
Hình 2.17 Thân
Hình 2.18 Mặt cắt thân tầu
Hình 2.19 Phao
Hình 2.20 Các kích thước khi chọn goăng của mặt bích sau
Hình 2.21 Các kích thước khi chọn goăng của mặt bích trước
Hình 2.22 Động cơ sunnysky A2212 980kV
Hình 2.23 Cánh quạt T200
Hình 2.24 Động cơ đẩy thiết kế bằng SolidWorks
Hình 2.25 Gá mạch thiết kế bằng SolidWorks
Hình 2.26 Gá mạch được lắp vào thân ROV
Hình 2.27 Mơ hình khung thực tế
Hình 2.28 Các bộ phận trong quá trình lắp ráp
Hình 2.29 Hình ảnh mơ hình sau khi hồn thiện
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống.
Hình 3.2 Cấu trúc phần cứng Raspberry Pi 3
Hình 3.3 Sơ đồ chân bo mạch Arduino Nano
Hình 3.4 Stato của động cơ BLDC
Hình 3.5 Rotor động cơ BLDC
Hình 3.6 Hall sensor trên động cơ BLDC
Hình 3.7 Dạng sóng sức phản điện động pha và tín hiêu hall sensor
Hình 3.8 Bộ động cơ BLDC và ESC
Hình 3.9 Tín hiệu PWM điều khiển
Hình 3.10 Ngun lý mạch động lực điều khiển động cơ BLDC
Hình 3.11 Bộ điều tốc ESC dùng để điều khiển động cơ BLDC
Hình 3.12 Sơ đồ kết nối một ESC
Hình 3.13 Cảm biến la bàn HMC5883L
Hình 3.14 Cài đặt Putty

Hình 3.15 Giao diện Linux trên Raspberry
Hình 3.16 Giao diện MJPG-Steamer
Hình 3.17 Giao diện điều khiển sau khi lập trình
vi


Hinh 3.18 Thuật tốn điều khiển trên Raspberry
Hình 3.19 Thuật tốn điều khiển trên Arduino
Hình 3.20 Sơ đồ ngun lý mạch nguồn
Hình 3.21 Mạch động lực cho đèn
Hình 3.22 Mach driver động cơ
Hình 3.23 Sơ đồ nguyên lý mạch điện
Hình 3.24 Hướng dẫn sử dụng tay điều khiển

vii


DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
KÝ HIỆU:
𝐹𝑛
𝐹𝐴
P
D
V
m
g
𝐹𝑑𝑐
CB
CG
C/S

I/D

Lực nổi
Lực đẩy Ác-si-mét
Trọng lực
Khối lượng riêng của chất lỏng
Thể tích của vật
Khối lượng của vật
Gia tốc rơi tự do
Lực đẩy từ động cơ
Tâm nổi của robot
Trọng tâm của robot
Đường kính biên dạng goăng
Đường kính trong của goăng

CHỮ VIẾT TẮT:
ROV
Remotely Operated Vehicles
UART
Universal Asynchronous Receive/Transmit
I2C
Inter-Integrated Circuit
AUV
Autonomous Underwater Vehicle
BLDC
Brushless Dc
ESC
Electronic Speed Contronller
CPU
Central Processing Unit

GPU
Graphics Processing Unit
RAM
Random Access Memory
DIY
Do It Yourself
MCU
Marvel Cinematic Universe
IC
Integrated Circuit
I/O
In/Out
PWM
Pulse-Width Modulation
SRAM
Static Random-Access Memory
EEPROM
Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory
ADC
Analog-To-Digital Converter
SSH
Secure Shell
OSI
Open Systems Interconnection Reference Model
IP
Internet Protocol

viii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Giới thiệu đề tài
1.1.1. Ý tưởng đề tài
Từ những năm 1960, robot hoạt động dưới đã được nghiên cứu phát triển phục
vụ công việc dưới nước. Từ robot lặn CURV của hải quân Mỹ với nhiệm vụ cứu hộ và
tìm kiếm trục vớt dưới đáy biển, đến nay ROV đã được ứng dụng rộng rãi trong các
ngành hải dương, viễn thông, thủy lợi, thủy sản, du lịch, mơi trường, tìm kiếm cứu hộ,
ở các nước phát triển.
Đối với Việt Nam, một đất nước ven biển có tới hơn 3000 km bờ biển, vùng
biển rộng lớn, nhiều đảo… cùng với hệ thống sơng ngịi, ao hồ nhiều, ngành nuôi
trồng thủy sản. Nhu cầu làm chủ biển đảo, an ninh quốc phịng, kinh tế, mơi trường,
chất lượng ni trồng thủy sản... rất cần các thiết bị máy móc hiện đại, trong đó robot
hoạt động dưới nước khơng thể bỏ qua. Nhưng ở nước ta robot lặn biển vẫn chỉ xuất
hiện trong các lĩnh vực dầu khí là chủ yếu vì các ROV có giá thành rất đắt từ 4000$
đến hàng triệu đô.
Với thực tiễn vậy đề tài này sẽ nghiên cứu chế tạo một ROV nhỏ gọn với các
giá thành sản xuất thấp để có thể áp dụng trong các ngành du lịch, thủy sản, quay
phim, khoa học, khám phá… ở nước nhà.

Hình 1.1 ROV Hercules
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Trung Anh – Nguyễn Văn Thái

Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam

1


Thiết bị lặn điều khiển từ xa (ROV)

1.1.2. Nội dung nghiên cứu đề tài
• Tìm hiểu lý thuyết: Các chủng loại thiết bị, robot hoạt động dưới nước, cơ sở lý
thuyết về vật nổi, các giao thức truyền thông UART, I2C, Ethernet, các linh kiện,
vật liệu
• Tính tốn, thiết kế hệ thống điều khiển sử dụng bo mạch vi điều khiển Arduino và
máy tính nhúng Raspberry Pi
• Thiết kế chế tạo khung, cân bằng robot
• Xây dựng thuật tốn điều khiển và chương trình điều khiển cho robot thực hiện các
thao tác cơ bản: lặn, nổi, đi tới, đi lui, quay trái, quay phải
• Thử nghiệm, đánh giá và cải thiện sản phẩm
1.2. Giới thiệu về các thiết bị lặn điều khiển từ xa
Có nhiều loại robot hoạt động dưới nước khác nhau như robot di chuyển trên
nền đáy biến bằng bánh xe hay bánh xích. Hiện nay, có hai loại robot hoạt động dưới
nước được sử dụng rộng rãi nhất là robot tự hành AUV và robot điều khiển từ xa
ROV.
Robot dưới
nước

Thiết bị lặn
không người
lái (AUV)

Tàu lượn dưới
nước

Thiết bị lặn
điều khiển từ
xa (ROV)

AUV

Hình 1.2 Phân loại các loại robot dưới nước
AUV (Autonomous Underwater Vehicles) là loại robot hoạt động độc lập dưới
nước. Robot sử dụng từ năng lượng mang theo như pin, ắc quy… Loại robot này hoạt
động tự do dưới nước, theo lộ trình nhờ các cảm biến hiện đại, khơng giới hạn bán
kính hoạt động. Nhưng các AUV có thời gian hoạt động thấp, tùy thuộc vào năng
lượng mang theo. Hiện nay, dòng tàu lượn dưới nước, một loại AUV có khả năng hoạt
động hàng năm trời nhưng khả năng linh động hạn chế và thường dùng để đo đạt các
thông số biển. Các AUV thường được chế tạo theo mơ hình khí động học để tiếp kiệm
năng lượng khi di chuyển nhằm nâng cao thời gian hoạt động.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Trung Anh – Nguyễn Văn Thái

Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam

2


Thiết bị lặn điều khiển từ xa (ROV)

Hình 1.3 AUV trong ứng dụng thăm dò cáp quang dưới biển
ROV (Remotely Operated Vehicles) là loại robot hoạt động dưới nước điều
khiển bằng tay thông qua dây cáp. Loại robot này sử dụng năng lượng trên bờ truyền
qua dây dẫn xuống robot nên robot có khả năng hoạt động lâu dài. Một số loại ROV
vẫn sử dụng pin nhằm giảm giá thành sản xuất nhưng vẫn đảm bảo thời gian hoạt động
trong một số cơng việc nhất định. ROV thường có dạng khung giàn để dễ dàng lắp
ghép hay thay đổi cái dụng cụ mang theo như các loại tay máy. Hệ thống truyền động
ROV thường là hệ thống động cơ đẩy có gắn cánh quạt để tạo lực đẩy theo các phương
khác nhau giúp robot thực hiện các chuyển động tiến, lùi, lặn, nổi một cách linh động.

Hình 1.4 ROV ROVOP

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Trung Anh – Nguyễn Văn Thái

Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam

3


Thiết bị lặn điều khiển từ xa (ROV)

1.3. Giới thiệu về thiết bị lặn điều khiển từ xa ROV
1.3.1. Lịch sử phát triển ROV
Năm 1953, Sau khi gặp những khó khăn khi mà thợ lặn khơng thể thăm dị điều
tra các con tàu đắm quá sâu ở Địa Trung Hải. Dimitri Rebikoff người pháp đã lắp đặt
một camera trong một phương tiện lặn điều khiển bằng dây. Ơng gọi nó là Poodle và
nó được xem như là ROV đầu tiên được chế tạo đặt nền móng cho cơng nghệ ROV.

Hình 1.5 ROV đầu tiên Poodle
Năm 1960, hải quân Hoa Kỳ đã tài trợ phát triển công nghệ ROV và sau đó một
ROV đã ra đời được gọi là CURV viết tắt của “Cable-Controlled Underwater
Recovery Vehicle”. CURV đã tham gia vào các hoạt động cứu nạn trên biển và thu hồi
các vật thể từ đáy đại dương, như một quả bom hạt nhân bị mất ở biển Địa Trung Hải
sau vụ tai nạn máy bay B-52 năm 1966 và giải cứu các thủy thủ của tàu ngầm bị chìm
dưới biển Ai-len năm 1973.
Sau đó cơng nghệ ROV được các cơng ty thương mại phát triển khi họ nhìn
thấy được tương lai công nghệ ROV sẽ hỗ trợ đắc lực cho hoạt động dầu khí ngồi
khơi. Và sau đó 2 trong số các ROV đầu tiên được phát triển cho các hoạt động ngồi
khơi là RCV-255 và RCV-150 do cơng ty HydroProducts phát triển tại Mỹ.
Đầu thập kỉ 1980, ROV trở nên thiết yếu khi các cơng trình ngồi khởi vượt q
khả năng lặn của thợ lặn.

Giữa thập kỉ 1980, ngành công nghiệp ROV bị đình trệ nghiêm trọng trong phát
triển cơng nghệ do sự sụt giảm giá dầu và suy thoái kinh tế tồn cầu.
Kể từ đó cơng nghệ ROV được phát triển mạnh và hiện nay ROV đã thực hiện
rất nhiều nhiệm vụ trong nhiều lĩnh vực như ngành hải dương, viễn thông, thủy lợi,
thủy sản, du lịch, môi trường, tìm kiếm cứu hộ…
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Trung Anh – Nguyễn Văn Thái

Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam

4


Thiết bị lặn điều khiển từ xa (ROV)

1.3.2. Hệ thống ROV
Một hệ thống ROV bao gồm 4 bộ phận chính:
o Bộ phận điều khiển
o Bô phận cung cấp năng lượng
o Dây cáp
o Robot ROV

Hình 1.6 Hệ thống ROV cơ bản

Hình 1.7 Mơ hình hệ thống ROV SEAYE hiện đại
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Trung Anh – Nguyễn Văn Thái

Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam

5

Thiết bị lặn điều khiển từ xa (ROV)

Hình 1.8 Hệ thống ROV mini đơn giản
a) Bộ phận điều khiển
Bộ phận điều khiển có chức năng hiện thị thơng tin của ROV cho người sử
dụng và là nơi để người sử dụng điều khiển robot.
Bộ phân này được thiết kế khác nhau theo từng loại ROV. Các ROV lớn sử
dụng ngoài khơi, vùng biển sâu, công tác phức tạp thường được thiết kế thành 1 phòng
điều khiển với nhiều người điều khiển. Các ROV nhỏ thường sử dụng bộ điềuk hiển
nhỏ gọn.

Hình 1.9 Bộ điều khiển của ROV Videoray
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Trung Anh – Nguyễn Văn Thái

Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam

6


Thiết bị lặn điều khiển từ xa (ROV)

Hình 1.10 Bộ điều khiển của Deep Trekker ROV
b) Dây cáp
Dây cáp là cơng cụ để truyền tín hiệu (camera, sensor) từ robot lên bộ điều
khiển hay ngược lại từ bộ điều khiển xuống ROV. Ngồi ra, dây cáp cũng là cơng cụ
để truyền năng lượng xuống robot. Tùy theo cấu tạo của các ROV, dây cáp giữa các
loại cũng khác nhau.

Hình 1.11 Một loại dây cáp cho ROV hiện đại

c) Bộ phận cung cấp năng lượng
Đối với các ROV lớn năng lượng được lấy từ nguồn điện của tàu, hay máy phát.
Với các ROV nhỏ hơn năng lượng được lấy từ acquy đặt trên bờ. Nguồn điện cung cấp
cho ROV có thể lên tới 1000V. Một số ROV nhỏ sử dung pin bên trong robot.
d) Robot ROV
Robot ROV thường được cấu tạo theo khung giàn để dễ dàng lắp thêm hay thay
thể dụng cụ công tác. Robot được cấu tạo bao gồm khung giàn, động cơ đẩy, bộ xử lý
CPU, camera, cảm biến. Robot được thiết kế sao cho có khả năng cân bằng tĩnh.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Trung Anh – Nguyễn Văn Thái

Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam

7


Thiết bị lặn điều khiển từ xa (ROV)

1.3.3. Ứng dụng của ROV
− Nhiệm vụ ngoài khơi
o Kiểm tra giàn khoan
o Khảo sát định kỳ các tàu/ cơng trình biển (UWILD)
o Kiểm tra van thông biển (Sea Chest)
o Kiểm tra két chứa nước dằn tàu
o Khảo sát hệ thống ống Riser, hệ thống neo
o Kiểm tra, giám sát khoan
− Hoạt động quân sự
o Xử lý vật liệu nổ (EOD)
o Đối phó với thủy lơi
o Tìm kiếm và cứu nạn, cứu hộ
o Giám sát an ninh cảng

o Khảo sát, kiểm tra thân tàu
o Trinh sát và Giám sát (Surveillance & Reconnaissance)
− Hỗ trợ hành pháp
o Tìm kiếm và giải cứu/thu hồi
o Vớt xác nạn nhân
o Tìm kiếm dưới lớp băng
o Giám sát an ninh cảng/ bến thuyền
o Dị tìm, định vị vật chứng
o Theo dõi, hỗ trợ thợ lặn
− Nghiên cứu khoa học
o Quan trắc, giám sát môi trường.
o Đánh giá, nghiên cứu thủy văn.
o
o
o
o

Quan sát sự sống biển
Quan sát, nghiên cứu môi trường sống.
Nghiên cứu – đào tạo.
Khảo cổ học dưới nước

− Nuôi thủy hải sản
o
o
o
o

Kiểm tra, giám sát lồng/ lưới.
Kiểm tra hệ thống neo.

Đánh giá cho ăn.
Ương nuôi cá.

o Đánh giá thất thoát cá.
o Di dời đàn.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Trung Anh – Nguyễn Văn Thái

Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam

8


Thiết bị lặn điều khiển từ xa (ROV)

− Khảo sát cơ sở hạ tầng
o Khảo sát, kiểm tra đập thủy điện.
o Khảo sát, kiểm tra đập và cửa cống.
o Kiểm tra bồn chứa nước.
o Kiềm tra hồ chứa di động.
o Kiểm tra, giám sát chân cầu
o Khảo sát, kiểm tra cống, hầm ngầm.
− Cứu nạn, cứu hộ
o Báo cáo đánh giá tình trạng/ thiệt hại ban đầu.
o Điều tra, đánh giá nhanh tại chỗ.
o Hỗ trợ đội lặn tìm chuyên nghiệp.
o Hướng dẫn tác nghiệp dưới nước.
o Kiểm soát chất lượng/ Đảm bảo an toàn cho thợ lặn.
o Kiểm tra, tìm kiếm trong khơng gian hẹp
− Thể thao & khảo sát tàu đắm
o Định vị xác tàu/ mục tiêu chìm dưới nước.

o Đánh giá địa điểm tàu chìm.
o Thâm nhập vào bên trong xác tàu.
o Quan sát sự sống biển.
o Trải nghiệm không lặn.
o Câu cá thể thao.
1.3.4. Một số sản phẩm thương mại
a) ROV VideoRay Pro 4 Plus BASE

Hình 1.12 ROV VideoRay Pro 4 Plus BASE

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Trung Anh – Nguyễn Văn Thái

Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam

9


Thiết bị lặn điều khiển từ xa (ROV)

Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật ROV VideoRay Pro 4 Plus BASE
Kích thước

37.5 x 28.9 x 22.3 cm

Trọng lượng

Robot 6,1 kg
Toàn bộ 38,5 kg

Độ Sâu tối đa

300 m

Tốc độ

4.2 knot

Camera

- Độ phân giải cao, màu và thể nghiệm B&W
- Format: NTSC (khách hàng có thể chọn NTSC hoặc PAL khi
đặt hàng)
- Camera tích hợp công nghệ WDR (Wide Dynamic Range), lá
chắn sáng mở nhỏ dạng số, cân bằng trắng, chức năng 20+
real-time settings
- Độ nhạy: Chế độ màu: 0.004 lux; Chế độ B&W: 0.0001 lux
- Góc nhìn rộng: ngang 90°/ chéo 140°
- Điều khiển camera theo phương thẳng đứng: 180°

Đèn

2 đèn dạng Optimized LED Arrays,cường độ sáng 3,600
lumens dọi sáng toàn bộ vùng phía trước camera

Phụ kiện

- Hệ thống ghi ảnh Sonar đa chùm tia 130o với bộ tích hợp vào
hệ thống ROV
- Cánh tay máy cơ bản
- Bộ dụng cụ (gá móc và dây) thu hồi các vật thể nặng, khối

lượng vật thể tối đa 02 tấn
- Bộ dụng cụ duy tu bảo dưỡng hỗ trợ hệ thống tại hiện trường

b) ROV Seaeye Jaguar

Hình 1.13 Hệ thống ROV Seaeye Jaguar
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Trung Anh – Nguyễn Văn Thái

Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam

10


Thiết bị lặn điều khiển từ xa (ROV)

Bảng 1.2 Thông số kỹ thuật ROV Seaeye Jaguar
Kích thước

220 x 130 x132.5 cm

Trọng lượng

2100 kg

Độ Sâu tối đa

3000 – 6000 m (tùy chọn)

Tốc độ

> 3 knot

Camera

Pan & tilt và tilt platforms

Đèn

4 đèn LED điều khiển độc lập

c) OpenROV v2.8

Hình 1.14 OpenROV
Bảng 1.3 Thơng số kỹ thuật OpenROV
Kích thước

30 x 20 x 15 cm

Trọng lượng

2,6 kg

Độ Sâu tối đa

100 m

Tốc độ

2 knot

Camera

HD camera
Điều khiển 120 độ

Đèn

Đèn LED độ sáng 200 lumen

Nguồn

Pin 3 – 5 giờ hoạt động

Nhiệt độ hoạt động

- 10 – 50oC

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Trung Anh – Nguyễn Văn Thái

Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam

11


Thiết bị lặn điều khiển từ xa (ROV)

1.4. Một số cơng trình nghiên cứu thiết bị lặn dưới nước
a) Robot Yết Kiêu – 01

Hình 1.15 Robot Yết Kiêu 01

Robot lặn Yết Kiêu - 01 là một robot tự thực hành dưới nước kết hợp điều khiển
từ xa không dây được chế tạo bởi trường Sĩ quan Thông tin. Robot chuyển động bằng
các động cơ. Hai động cơ sau có chức năng đẩy robot di chuyển tiến, lùi, trái, phải;
động cơ giữa để nâng hoặc hạ robot trong nước. Robot hoạt động được trong vùng
nước sâu, nước lạnh băng giá, nguy hiểm, độc hại, có thể thay thế cho người nhái, đặc
công nước để trinh sát hoặc chỉ thị mục tiêu. Ý tưởng ban đầu được đề xuất là nghiên
cứu, chế tạo một robot trinh sát dưới nước, nhưng thực tế, Yết Kiêu - 01 có thể thực
hiện nhiều hoạt động hơn như: có thể đo độ sâu, độ mặn; khảo sát địa hình, bản đồ vì
trên robot có gắn thiết bị định vị để có thể chỉ điểm những nơi đã đi qua, camera hành
trình sẽ ghi lại hành trình mà robot hoạt động. Vì thế, Yết Kiêu - 01 khơng chỉ là sản
phẩm dự thi mà cịn có thể dùng trong hoạt động giảng dạy của nhà trường, ứng dụng
trong lĩnh vực quân sự hay phục vụ các hoạt động nghiên cứu, phát triển kinh tế biển.
Nhóm nghiên cứu cịn muốn phát triển robot lặn biển từ khơng người lái thành có
người lái hoặc bổ sung thêm nhiều tính năng, có thể hoạt động ở độ sâu hơn nữa và lắp
đặt nhiều thiết bị hiện đại hơn.
b) Robot cá Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP.HCM
Robot do nhóm sinh viên trường đại học Sư phạm kỹ thuật TP.HCM chế tạo.
Robot này đã thể hiện khá nhiều chức năng của cá thật, như bơi lên, lặn xuống rất uyển
chuyển, có thể bơi ở những vị trí khác nhau, có cảm biến tránh cản, rẽ phải, rẽ trái. Với
trọng lượng 600gr, dài 350mm, robot cá có thể được điều khiển để lặn sâu 2m, có thể
điều khiển xa nhất khoảng 200m, quay trịn trong bán kính 0,5m. Trong tương lai,
robot này sẽ được cái tiến, trang bị thêm các cảm biến phát hiện vật cản để trở thành
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Trung Anh – Nguyễn Văn Thái

Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam

12


Thiết bị lặn điều khiển từ xa (ROV)

robot có khả năng bơi lội linh hoạt và có kích thước lớn hơn để có thể mang camera
quan sát nhằm thu thập số liệu và gởi về trung tâm quan sát trên bờ.

Hình 1.16 Robot Cá
c) Robot lặn do sinh viên Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN chế tạo

Hình 1.17 Robot ROV do sinh viên trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN chế tạo
1.5. Phương pháp nghiên cứu
1.5.2. Phương pháp nghiên cứu
Nhóm thực hiện nghiên cứu để thiết kế chế tạo thiết bị lặn điều khiển từ xa
ROV theo phương pháp:
o Từ ý tưởng đưa ra ta tìm hiểu các lý thuyết liên quan.
o Tham khảo các mơ hình thực tế.
o Tính tốn thiết kế, chế tạo các mẫu thử.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Trung Anh – Nguyễn Văn Thái

Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam

13


Thiết bị lặn điều khiển từ xa (ROV)

o Thực hiện kiểm tra khả năng hoạt động thực tế của từng bộ phận. Sau đó
đi vào giai đoạn chế tạo và chạy thử sản phẩm, kiểm tra lại lần nữa khả
năng và hiệu quả làm việc. Cuối cùng là hiệu chỉnh và hoàn thiện sản
phẩm.
1.5.3. Phương tiện nghiên cứu

a) Phần mềm thiết kế cơ khí Solidworks
Phần mềm Solidworks là một trong những phần mềm chuyên về thiết kế 3D do
hãng Dassault System phát hành dành cho những xí nghiệp vừa và nhỏ, đáp ứng hầu
hết các nhu cầu thiết kế cơ khí hiện nay. Solidworks được biết đến từ phiên bản
Solidworks 1998 và được du nhập vào nước ta với phiên bản 2003 và cho đến nay với
phiên bản 2017 và phần mềm này đã phát triển đồ sộ về thư viện cơ khí và phần mềm
này khơng những dành cho những xí nghiệp cơ khí nữa mà cịn dành cho các ngành
khác như: đường ống, kiến trúc, trang trí nội thất, mỹ thuật.
Một số chức năng nổi bật của phần mềm Solidworks:
o Chức năng CAD:
o Thiết kế chi tiết 3D
o Tạo bản vẽ 2D từ bản vẽ 3D
o Lắp ráp các chi tiết 3D
o Chức năng CAE:
o Phân tích tĩnh học
o
o
o
o
o

Phân tích động học
Phân tích động lực học
Phân tích dao động.
Phân tích nhiệt học.
Phân tích sự va chạm của các chi tiết.

o Phân tích thuỷ khí động
o Phân tích quá trình rót kim loại lỏng vào khn và mức độ gia nhiệt
cần thiết cho q trình đó.

o Chức năng CAM
o Để dùng được chức năng này, chúng ta phải sử dụng một modul nữa
của solidworks là SOLIDCAM
o SolidCam sử dụng vô cùng thân thiện và dễ dàng
b) Phần mềm thiết kế bản vẽ kỹ thuật AutoCAD
Phần mềm thiết kế đồ họa 2D AutoCAD đã và đang trở thành phần mềm thiết
kế không thể thiếu trong các lĩnh vực thiết kế cơ khí hiện nay. Việc sử dụng AutoCAD

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Trung Anh – Nguyễn Văn Thái

Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam

14


Thiết bị lặn điều khiển từ xa (ROV)

với nhiều chức năng hiệu quả sẽ giúp người dùng dễ dàng thiết kế được nhiều dự án và
giúp công việc trở nên dễ dàng hơn. Phần mềm AutoCAD hỗ trợ người dùng tạo các
bản vẽ kỹ thuật vector 2D. Ứng dụng hiện nay là một trong những phần mềm quan
trọng trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống như cơ khí, xây dựng và nhiều lĩnh vực khác
nữa.
Với AutoCAD, con người hiện nay dễ dàng thực hiện các bản vẽ kỹ thuật để áp
dụng vào các cơng trình trong các ngành như Xây dựng, kiến trúc, Điện, Cơ khí...
Khơng giống như trước đây, tất cả đều phải thực hiện trên giấy thì nay đều được sử
dụng trên máy tính nhờ AutoCAD. Sử dụng AutoCAD giúp người dùng vẽ các bản vẽ
2 chiều 2D và bản vẽ 3 chiều 3D các mơ hình hóa hình học và tạo ra nhiều hình ảnh
thực vật thể.
AutoCAD giúp người dùng thiết lập và vẽ bản vẽ, hiệu chỉnh đơn giản các hình
dạng bất kỳ trên bản vẽ kỹ thuật cơ khí, xây dựng thơng qua nhiều lệnh CAD và các

lệnh hiệu chỉnh cần thiết trong quá trình vẽ. Hơn nữa, sử dụng AutoCAD, bản in sau
khi thiết kế sẽ được in chính xác theo đúng tỉ lệ và tương thích với nhiều phần mềm
khác như CorelCAD.
c) Phần mềm mô phỏng mạch điện Proteus
Phần mềm Proteus là phần mềm cho phép mô phỏng hoạt động của mạch điện
tử bao gồm phần thiết kế mạch và viết chương trình điều khiển cho các họ vi điều
khiển như MCS-51, PIC, AVR…
d) Phần mềm lập trình Arduino IDE và Notepad++
Arduino IDE là phần mêm lập trình cho các dịng bo mạch vi điều khiển
Arduino. Được dùng rộng rãi trên thế giới với cộng đồng chia sẽ lớn cùng vơ vàn các
ví dụ, thư viện.
Notepad++ là môt phần mềm soạn thảo mã nguồn hồn tồn miễn phí chạy trên
mơi trường Micrsoft Windows, hỗ trợ phần lớn các ngơn ngữ lập trình thơng dụng hiện
tại như: C, C++, Java, C#, XML, HTML, PHP, Javascript... và rất nhiều ngơn ngữ lập
trình khác. Phần mềm này được viết trên ngơn ngữ C++, trong đó hồn tồn dựa trên
nền tảng Win32 API và STL (cơng nghệ tối ưu mã nguồn). Đây là một phần mềm soạn
thảo rất mạnh và đặc biệt quan trọng là nó hồn tồn miễn phí.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Trung Anh – Nguyễn Văn Thái

Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam

15


Thiết bị lặn điều khiển từ xa (ROV)

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ CẤU

2.1. Lựa chọn phương án thiết kế

2.1.1. Các phương án thiết kế chuyển động lặn nổi cho ROV
a) Cơ sở lý thuyết
Như chúng ta đã biết lực đẩy Ác-si-mét là lực tác động bởi một chất lưu (chất
lỏng hay khơng khí) lên một vật đặt chất lưu đó. Lực đẩy Ác-si-mét cùng phương,
ngược hướng với trọng lực, có độ lớn bằng trọng lực của phần chất lưu bị chiếm chỗ.

Hình 2.1 Nguyên lý Ác-si-mét
Vậy một vật dưới nước sẽ có lực nổi:
𝐹𝑛 = 𝐹𝐴 − 𝑃
𝐹𝑛 = 𝐷. 𝑉. 𝑔 − 𝑚. 𝑔
𝐹𝑛 : Lực nổi
𝐹𝐴 : Lực đẩy Ác-si-mét
P: Trọng lực
D: Khối lượng riêng của chất lỏng
V: Thể tích của vật
m: Khối lượng của vật
g: Gia tốc rơi tự do
Khi 𝐹𝑛 > 0 khi vật nổi lên
Khi 𝐹𝑛 < 0 khi vật chìm xuống
Vậy để một vật có thể nổi lên hoặc chìm xuống theo ý muốn thì có các phương
pháp chủ yếu sau:
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Trung Anh – Nguyễn Văn Thái

Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam

16