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

Trang 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI------ NGUYỄN VĂN NHU TÍNH TỐN, THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH VÀ ĐIỀU KHIỂN CỦA ROBOT LẶN.. Trang 2 BỘ GIÁO DỤC VÀ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-  -

NGUYỄN VĂN NHU

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG ỔN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-  -

NGUYỄN VĂN NHU

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG ỔN

Chuyên ngành: k thu ỹ ật cơ khí độ ng l c ự

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CƠ KHÍ ĐỘ NG L C Ự

NGƯỜI HƯỚNG D N KHOA H Ẫ Ọ C:

PGS.TS LÊ QUANG

L ỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứ u c a tôi Các s li u, k t ủ ố ệ ế quả nêu trong lu ận văn là trung thực và chƣa từng đƣợ c ai công b trong b t ố ấ

k công trình nào khác ỳ

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

HV Nguy ễn Văn Nhu

MỤC LỤC

M Ở ĐẦU 6CHƯƠNG 1 Ổ:T NG QUAN V ROBOT L N 8 Ề Ặ1.1 T ng quan v robot l n 8ổ ề ặ1.1.1 Khái ni m robot l n 8ệ ặ1.1.2 S phát tri n c a robot l n 8ự ể ủ ặ1.2 Các vấn đề ỹ k thu t trong nghiên c u robot l n 13ậ ứ ặ1.3 Đề xu t nguyên lý ho t đ ng c a robot l n 14 ấ ạ ộ ủ ặ1.4 Vấn đề nghiên c u cứ ủa luận văn 15CHƯƠNG 2 ĐỘNG L C H C VÀ MÔ HÌNH TÍNH TOÁN C A ROBOT L N.Ự Ọ Ủ Ặ 16 2.1 Động lượng – momen động lượng và động năng của v t r n 16 ậ ắ2.1.1 Động lượng c a v t r n 17 ủ ậ ắ2.1.2 Ma tr n momen quán tinh khậ ối của vật rắn 172.1.3 Momen động lượng c a v t rủ ậ ắn đố ới v i tâm O thu c v t 19 ộ ậ2.1.4 Động năng của v t r n 21 ậ ắ2.2 Thiết lập phương trình động lực học của vật rắn 232.2.1 Áp dụng định lý biến thiên động lượng và momen động lượng 232.2.2 Áp dụng định lý biến thiên động năng 242.2.3 Bi u di n d ng ma tr n ể ễ ạ ậ phương trình vi phân chuyển động c a vủ ật rắn 302.2.4 Tính lực tác dụng lên Robot l n 32ặ2.2.5 Phương trình chuyển động trên robot l n 35 ặ2.2.6 Các trường h p riêng 37 ợCHƯƠNG 3 TUYẾN HÌNH, B Ố TRÍ CHUNG, ĐƯỜNG CONG TH Y L C VÀ Ủ ỰBONJEAN 39

3.1 Một số nguyên t c chung trong xây d ng tuyắ ự ến hình robot l n 39 ặ3.2 Tuy n hình robot l n và các thông s ế ặ ố cơ bản và b trí chung 40ố3.3 Đường cong th y l c, đư ng cong Boonjean và ủ ự ờ ổn định 43 3.4 phương trình chuyển động c a robot l n 48 ủ ặ3.4.1 Khi robot chuyển động ngang trong nước 483.4.2 Khi robot mu n di chuy n lên trên 49ố ể

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG CFD KHẢO SÁT SƠ BỘ BIÊN D NG ROBOT LẠ ẶN 50 4.1 Mô ph ng s ng lỏ ố độ ực học dòng chảy 504.1.1 Khái ni m v CFD 50ệ ề4.1.2 Ưu nhượ điểc m c a CFD 51ủ

H n ch 51ạ ế4.1.3 Các lĩnh vực áp d ng CFD hi n nay 52 ụ ệ4.1.4 Các bước mô ph ng và tính toán trên ph n m m Fluent 52ỏ ầ ề4.2 ng d ng mô ph ng tính toán kh o sát biên d ng robot l n 54Ứ ụ ỏ ả ạ ặ4.2.1 Mô hình hình học và chia lưới 544.2.2 Phương pháp tính toán và điều ki n biên 56 ệ4.2.3 Điều ki n biên 58 ệ4.2.4 K t qu mô ph ng 58ế ả ỏ4.2.5 Đồ ị ữ ự th gi a l c c n và v n t c t i các v trí khác nhau 61 ả ậ ố ạ ị

KẾT LUẬN VÀ KI N NGH 69Ế Ị

Kết luận 69Kiến ngh 69 ịTÀI LIỆU THAM KH O 70 Ả

Vp0 vector v n tậ ốc góc củ ật rắa v n P trong h qui chi u c nh Rệ ế ố đị 0

ap0 vector gia t c góc cố ủa vật rắn P trong h qui chi u Rệ ế 0

E Nhi t dung riêng c a chệ ủ ất lỏng,

Keff H s d n nhiệ ố ẫ ệt hiệ ụu d ng,

j

J Thông lƣợng khuy ch tán, ế

Sh Bao hàm nhiệt của ph n ng hoá h c và các ngu n nhi t khác ả ứ ọ ồ ệ

t Độ nhớt rối,

Gk S ự phát sinh năng lƣợng động h c r i do gradien v n t c trung bình, ọ ố ậ ố

G S ự phát sinh năng lƣợng động h c do sọ ức nổi,

M Ở ĐẦ U

n nay, tình hình th gi n bi n ph c t p Dân s gi

nhanh, các ngu n d v tài nguyên, khoáng s n, nhiên liồ ữ trữ ề ả ệu trên đất li n ngày ềcàng tr lên c n ki t Các ngu n d t ở ạ ệ ồ ự trữ ự nhiên này đã và đang trở thành nguyên nhân sâu xa xủa các cuộc tranh chấp và can thi p thô b o c a mệ ạ ủ ột số nước phát triển

đố ới các nưới v c có ngu n d tr lồ ự ữ ớn (Iraq, Libia,…) Địa bàn tranh ch p hi n nay ấ ệkhông d ng lừ ại ở trên b ộ mà đã và đang diễn ra trên biển nơi có trữ lượng tài nguyên l n g p nhi u l n so vớ ấ ề ầ ới trên đất liền Các cường qu c trên th giố ế ới đang

đẩy m nh s hi n di n và khạ ự ệ ệ ẳng định ch quy n c a mình trên các vùng biủ ề ủ ển, nơi

có nhi u d tài nguyên ề ự trữ Việt nam cũng không nằm ngoài vòng xoáy này Nổi

c m gộ ần đây là các xung đột gi a Trung Qu c và ữ ố các nước thu c khu v c Bi n ộ ự ểĐông, khi chính phủ Trung Qu c tuyên b ch quyề ủố ố ủ n c a mình v i h u h t di n ớ ầ ế ệtích Biển Đông, coi đây là sân nhà của mình, vi ph m tr ng tr n và thô b o ch ạ ắ ợ ạ ủquy n cề ủa các nước trong khu v c Trong b i c nh hi n nay, quá trình công nghi p ự ố ả ệ ệhóa, hiện đại hóa đất nước không th ể thiếu các nguồn tài nguyên thiên nhiên Để đáp ứng được yêu c u này, trong b i c nh d ầ ố ả ựtrữ trên đấ ền đang ngày càng hiết li m, con đường t t yấ ếu là đẩy m nh nghiên cạ ứu và khai thác trong đại dương và trên thề ục địa Ngoài ra, đểm l phát tri n b n v ng trong hòa bình và lãnh hể ề ữ ải trước s ựcan thi p c a th l c bên ngoài chúng ta cệ ủ ế ự ần cũng có phương tiện chi n tranh phù ế

h p Mợ ột trong các phương tiện ph c v cho nghiên c u, khai thác và b o v lãnh ụ ụ ứ ả ệ

hải đó là tàu ngầm quân s ự và các phương tiệ ặn l n khác

Robot l n ặ và các phương tiệ ặn khác đã đượn l c phát tri n và s d ng r ng rãi ể ử ụ ộtrên th gi i trong c ế ớ ả lĩnh vưc dân sự và quân s Trong dân sự ự, chúng được s ử

dụng để nghiên cứu và thăm dò đáy biển, nghiên cứu đại dương, trong công nghiệp khai thác d u khí và khoáng s n trên th m lầ ả ề ục địa, vào mục đích du lịch… Số lượ ng robot l n nh t tớ ấ ập trung trong lĩnh vực quân sự Các cường qu c h i quân không ố ả

ng ng c i tiên nh m ch từ ả ằ ế ạo được robot v i nhiớ ều tính năng ưu việt như giảm kh ảnăng bị phát hi n, t c đệ ố ộ…

T i Vi t nam, s ạ ệ ố lượng robot ện đạ hi i không nhi u Hi n tề ệ ại, chúng ta chưa

có khả năng tự ế thi t kế và ch t o robot ế ạ

M c tiêu c ụ ủa đề tài: Tính toán, thi t k và kh o sát h ế ế ả ệ ốth ng ổn định và điều khi n ểcho robot lặn

Cách p ctiế ận, phương pháp nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Tìm hi u các lo i thi t b l n trên th giể ạ ế ị ặ ế ới làm cơ sơ cho tính toán Sử ụ d ng

phối hợp phương pháp thiết kế ớ v i lý thuyết và k thuỹ ật điều khi n, lý thuyết tàu, cơ ể

h c ch t l ng k t h p v i s d ng các ph n m m mô ph ng Nghiên c u thọ ấ ỏ ế ợ ớ ử ụ ầ ề ỏ ứ ủy động

lực học robot và h ệthống điều khi n chuyể ển động

CHƯƠNG 1 :T NG QUAN V ROBOT L N Ổ Ề Ặ 1.1 Tổng quan về robot lặn [14]

1.1.1 Khái niệm robot l nặ

Robot lặn là gì?

Robot l n là m t loặ ộ ại phương tiệ thủn y có kh ả năng hoạt động c lđộ ập dưới nước Thu t ng robot l n có th ậ ữ ặ ể dùng để ch m t loỉ ộ ại tàu có kích thước trung bình hay nh ỏ như các phương tiệ ặn điền l u khi n t xa hayể ừ Theo phương án điều khi n ể

mà ta có th chia ra làm ba lo i: Tàu ngể ạ ầm có điều khiển (Submarine), Phương tiện l n t ặ ự động điều khi n (AUV Autonomous Underwater Vehicle) và ể –phương tiện lặn điều khi n t tàu m (ROV Remotely Operation Vehicle) ể ừ ẹ –

Nguyên lý hoạ ộ t đ ng

Nguyên lý hoạt động của robot được chia thành 02 lo i: m t lo i hoạ ộ ạ ạt động theo nguyên lý của định lu t Acsimes; và m t lo i hoậ ộ ạ ạt động theo nguyên lý thủy động

l c h c c a m t v t chuyự ọ ủ ộ ậ ển động trong dòng ch t l ng (gi ng máy bay) Tuy nhiên, ấ ỏ ố

do gi i h n v ớ ạ ềthời gian và định hướng của đề tài nghiên c u nên ch c p t i loứ ỉ đề ậ ớ ại robot hoạt động theo nguyên lý của định luật Acsimes, đó là bất c m t v t nào ứ ộ ậchìm trong nước, đều ch u m t lị ộ ực đẩy, thẳng đứng, hướng lên trên và có độ ớ l n đúng bằng ph n ch t l ng mà vầ ấ ỏ ật đang chiếm ch ỗ

1.1.2 S phát tri ự ể n củ a robot l n [14] ặ

1.1.2.1 nghiên cứu về robot lặn trên thế giới

Robot lặn đã được nghiên c u h u h t các qu c gia trên th giứ ở ầ ế ố ế ới như ( Mỹ, Nhật, Nga, Trung quốc…) ban đầ ừ các trường đạu t i h c r i d n dọ ồ ầ ần đến các công

ty nghiên c u và phát tri n thành các s n phứ ể ả ẩm thương mại ph c v cho nghiên c u ụ ụ ứ

Cornelius Drebbel trong năm 1620 Tuy nhiên, cho đến năm 1776 m t lo i robot h i ộ ạ ảquân mới được đưa vào hoạt động David Bushnell đã thiết k m t chiế ộ ếc robot để đưa vào chiến tranh nư c M ớ ỹ giành độ ậc l p M t chi c robot hình qu tr ng nh ộ ế ả ứ ỏ

b ng g liên k t v i nhau bằ ỗ ế ớ ằng dây đai có thể ạ h xu ng mố ột ngườ ằng van điềi b u hành nhận nước vào két và bơm để đẩy nước M c dù s phát tri n robot vào th k ặ ự ể ế ỷ

16, lần đầu tiên một phương tiện không người lái được thi t k bế ế ởi hải quân Hoa Kỳvào năm 1958 Robot được điều khi n b ng mể ằ ột dây cáp và đượ ử ụng đểc s d nghiên

c u ứ robot USS Threster trong năm 1963 đến năm 1966 đượ ử ụng đểc s d tìm kiếm bom h t nhân b m t t i vùng bi n tây ban nha H i quân m ạ ị ấ ạ ể ả ỹ đã tập trung nghiên

c u kứ ỹ thuật robot dưới nước trong th p niên 1960 Công ngh này lậ ệ ần đầu tiên được thương mại hóa s dử ụng UUV để khám phá d u m ầ ỏ và khí đốt ngoài bi n b c ể ắNhững khám này được th c hi n b i mự ệ ở ột phương tiện t xa ROV ROV hi n nay ừ ệ

vẫn còn được s d ng r ng rãi trong ngành công nghiử ụ ộ ệp ngoài khơi nhưng Robot tự

động UUV dần được ph bi n ổ ế

Hiện nay, trên th giế ới đã có nhiều trường đại h c, vi n nghiên c u và các ọ ệ ứcông ty đang nghiên cứu và ch t o UUV v i hình d ng khác nhau ế ạ ớ ạ

Đó là robot Aqua, là m t robot hình d ng rái cá, thân hình nh , nhanh nh n, ộ ạ ỏ ẹ

v i c u t o chân chèo thay vì cánh quớ ấ ạ ạt Robot được thi t k thu th p nh ng d ế ế để ậ ữ ữ

liệu ph c t p t các v ứ ạ ừ ụ đắm phép Aqua có thể tự do di chuyển mà không cần dây điều tàu và tìm ki m các r n san hô ế ạ Các nhà nghiên cứu ĐH York (Canada) đã chế tạo một bộ điều khiển chống thấm nước cho khiển Các thiết bị của Aqua sẽ không thấm nước ở độ sâu 18m: nhôm cùng một lớp acrylic sẽ bao phủ bảo vệ thiết bị máy tính Giáo sư 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 - môi trường Ông nói: "Việc cắt bỏ các dây trên robot dưới nước từ lâu là một thách thức đối với các nhà khoa học Nước cản trở tín hiệu vô tuyến, cản trở giao tiếp không dây truyền thống qua modem Bên cạnh đó, giao tiếp qua dây vừa cồng kềnh, vừa không an toàn cho người thợ lặn".Với Aqua, ở dưới nước, thợ lặn có thể lập

trình thiết bị hiển thị các thẻ trên màn hình, như 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 được điều khiển bằng tay đầu tiên của nước này

UUV là cách g i chung c a c ROV và AUV S khác nhau gi a AUV và ọ ủ ả ự ữROV là d ng ROV có nhi u lo i k t c u khác nhau( kh i h p, d ng c u, d ng ạ ề ạ ế ấ ố ộ ạ ầ ạkhung…) và được trang b các thi t b phụ ợ khác như camera, thiế ịị ế ị tr t b chi u sáng, ếcánh tay v i d ng c có th ớ ụ ụ ể thao tác được dưới nước…việc cung cấp năng lượng và truy n tin t tàu m tề ừ ẹ ới ROV được th c hi n nh dây cáp M c dù b h n ch v ự ệ ờ ặ ị ạ ế ề

ph m vi hoạ ạt động do ph ụ thuộc vào chi u dài dây cáp, tuy nhiên th i gian hoề ờ ạt

động c a ROV không b h n chủ ị ạ ế Thông qua màn hình đội điều khi n s u khi n ể ẽ điề ể

b ng các cằ ần điều khi n (Joystick) ể

D ng AUV không có dây n i v i tàu m Các thi t b s dạ ố ớ ẹ ế ị ử ụng năng lượng trự ế ừ ắc ti p t c qui l p trên tàu AUV s làm vi c theo mắ ẽ ệ ột chương trình đượ ặc l p trình sẵn, thông thường chúng được s dử ụng như một camera di d ng Th i gian và ộ ờ

ph m vi hoạ ạ ột đ ng ph ụthuộc vào năng lượng n p trong c qui ạ ắ

Việt Nam có diện tích hơn 330.000 km² bao gồm khoảng 327.480 km² đất liền và hơn 4.200 km² biể ộ ủn n i th y, với hơn 4.000 hòn đảo, bãi đá chìm lớn nhỏ,

g n và xa b , có vùng n i th y, lãnh hầ ờ ộ ủ ải, vùng đặc quyền kinh t và th m lế ề ục địa xác định g n g p ba l n diầ ấ ầ ện tích đất li n kho ng trên 1 tri u km² 28 trong s 64 ề ả ệ ố

t nh/thành ph ỉ ố nước ta n m ven bi n, di n tích các huy n ven bi n chi m 17% t ng ằ ể ệ ệ ể ế ổ

di n tích c ệ ả nước và là nơi sinh sống của hơn 1/5 dân số ả nướ c c

Việt Nam là qu c gia có 3 m t giáp biố ặ ển, đặc biệt trong đó Biển Đông đóng vai trò tr ng yọ ếu Đây là một trong 6 bi n l n nh t c a th gi i, nể ớ ấ ủ ế ớ ối hai đại dương là Thái Bình Dương và Ấn Độ Dương, có 9 quốc gia bao b c: Vi t Nam, Trung Qu c, ọ ệ ốPhilippines, Indonesia, Brunei, Malaysia, Singapore, Thái Lan và Campuchia Đây cũng là con đường bi n chiể ến lược của giao thương quố ếc t , có 5/10 tuyến đường

hàng h i l n nh t cả ớ ấ ủa hành tinh đi qua Hàng năm, vận chuy n qua biể ển Đông là khoảng 70% lượng d u m nh p kh u t ầ ỏ ậ ẩ ừ Trung Đông và Đông Nam Á, khoảng 45% hàng xu t c a Nh t, và 60% hàng xu t nh p kh u c a Trung Qu c Theo ấ ủ ậ ấ ậ ẩ ủ ố

nh ng nghiên c u do S ữ ứ ở Môi trường và các ngu n l i t nhiên Philippine, vùng ồ ợ ự

bi n này chi m m t ph n ba toàn b ể ế ộ ầ ộ đa dạng sinh h c bi n th gi i, vì v y nó là ọ ể ế ớ ậvùng r t quan trấ ọng đố ới v i hệ sinh thái

Tuy nhiên, có m t s mâu thu n là trong khi Vi t nam s h u m t ngu n tài ộ ự ẫ ệ ở ữ ộ ồnguyên bi n vô cùng lể ớn như vậy nhưng tiềm l c nghiên c u, khai thác thì l i còn ự ứ ạ

r t h n ch Các s u v tài nguyên biấ ạ ế ốliệ ề ển, đặc biệt là vùng đáy biển thì hoàn toàn

ph ụ thuộc vào nước ngoài H n ch ng chạ ế tưở ừng như phi lý đó được gi i thích bả ởi Việt Nam chưa làm chủ đượ ềc v các thi t b l n hay tàu l n ph c v nghiên c u ế ị ặ ặ ụ ụ ứcũng như bảo v an ninh ch quy n vùng lãnh h i c a mình ệ ủ ề ả ủ

Ở nước ta vi c nghiên c u thi t k mô hình Robot lệ ứ ế ế ặn UUV còn ít được chú

ý Các k t qu ế ả đạt được v n còn h n ch , vi c mua các thi t b ph ki n còn khó ẫ ạ ế ệ ế ị ụ ệkhăn Hơn nữa, hi n nay chúng ta có r t nhi u công trình trên biệ ấ ề ển như các dàn khoan, các đường ng d n d u, dố ẫ ầ ẫn khí Các công trình này đòi hỏi các th l n ợ ặ

ph i làm vi c vả ệ ới độ sâu và th i gian ngày càng lờ ớn Do đó việc nghiên c u thi t k ứ ế ếchế ạ t o m t mô hình tàu l n c nh ộ ặ ỡ ỏ có điểu khi n t xa là m t nhu c u c p thiể ừ ộ ầ ấ ết để

có th n khai ch t o m t s n ph m có th ng d ng trong các ngành nghiên ểtriể ế ạ ộ ả ẩ ể ứ ụ

c u v ứ ềcông trình biển, đại dương…

M c dù g p nhiặ ặ ều khó khăn nhưng nhiều trường đại h c cọ ủa nước ta cũng đang trong quá trình tìm hiểu, nghiên c u, ch t o lo i Robot này ứ ế ạ ạ

T i b ạ ộ môn cơ điệ ử trường Đạ ọc Sư Phạn t , i h m K ỹThuật thành ph H Chí ố ồMinh m t nhóm c ng s ộ ộ ự đã nghiên cứu thi t k ế ếchế ạ t o robot cá có th t ể ự động bơi,

lặn trong môi trường nước Robot cá là s k t h p cự ế ợ ủa cơ chế sinh h c và kọ ỹ thuật robot Robot cá có kích thước 554x160x100 mm, cân nặng 2kg, điện áp hoạt động 5V, dòng điện cực đại 650mA Đầu cá làm t nhừ ựa Composite, thân cá được gia công b ng nh a POM, có d ng kh i hình ch nh t r ng, ch có m t m t có kh ằ ự ạ ố ữ ậ ỗ ỉ ộ ặ ả

năng tháo lắp, mặt đối di n có 2 t ng l g n trệ ầ ỗ để ắ ục và gioăng chống th m khi ấchuyển động Ngoài ra, các l bỗ ắt ốc để ố định động cơ và gắ c n ch t l p h p kín ặ ắ ộhoàn toàn Th nghi m cho th y, robot cá có kh ử ệ ấ ả năng lặn ở độ sâu 1m, v n tậ ốc bơi 0,25m/s và hoạt động trong 3,5h Trên mình cá được g n các c m bi n h ng ngoắ ả ế ồ ại

để nh vtrá ậ ản, đo vậ ốt c n t c di chuy n, camera quan sát, thi t b ki m tra không phá ể ế ị ể

hủy, laban xác định phương hướng Trong quá trình hoạt động dưới nước cá s ẽtruy n sóng vô tuy n hình ề ế ảnh dưới nước v máy tính trên mề ặt đất v i thông tin ớtruy n v có th v ề ề ể ẽ được bản đồ dưới mặt nước, cung c p hình nh hi n tr ng ấ ả ệ ạRobot cá này có th ể dùng để khảo sát chân đê, kiểm tra h ồchứa, tìm ra các hư hỏng trong các h thệ ống dẫn nước đường ng, nghiên cố ứu cơ chế chuyển động c a mộ ốủ t s loài sinh v t phậ ục v cho công tác nghiên cụ ứu môi sinh…

Tại trường sĩ quan thông tin ( Binh chủng thông tin liên lạc ) đang nghiên cứu ch ế

tạo Robot dưới nước ứng d ng trong quân sụ ự Robot dưới nước ứng d ng trong ụquân s ự mang hình dáng chuyên cơ thu nhỏ, có hai bánh qu t giúp cho viạ ệc bơi, lặn được thu n tiậ ện Ngoài ra Robot còn được tích h p các thi t b , linh kiợ ế ị ện điệ ửn t và

ph n m m khác phầ ề ục vụ ạ ộ ho t đ ng do thám, trinh sát

1.2 Các vấn đề kỹ thuật trong nghiên cứu robot lặn

Các vấn đề quy định k ỹthuật cho Robot ện nay đã được đưa hi vào Quy chuẩn

K ỹ thuật Qu c gia Vi t Nam trang 177 196 ố ệ – QCVN 21:2010/BGTVT v công ềnghi p tàu thệ ủy năm 2010

Các bài toán k thuỹ ật đố ới v i tàu ngầm nói chung và đối với robot l n nói riêng ặlà:

1 Tuyến hình: liên quan đến đặc tính thủy động l c h c, tính n nh khi v n ự ọ ổ đị ậhành, sức bền, …

2 V t li u và bi n pháp công ngh ậ ệ ệ ệ: liên quan đến s c b n, k t cứ ề ế ấu, điều ki n ệ

v n hành và làm vi c, giậ ệ ới hạn giá thành đầu tư

3 Nguồn động lực: liên quan đến chi phí năng lượng, thi t b ng lế ị độ ực đẩy, độ

an toàn chung và an toàn khi v n hành, th i gian làm viậ ờ ệc dưới nước, c p ấthoát khí

4 Dưỡng khí và điều hòa áp su t: tàu l n càng sâu và th i gian v n hành càng ấ ặ ờ ậdài thì vấn đề này càng cần quan tâm liên quan đến an toàn c a th y th ủ ủ ủ đoàn

5 H ng lái: ph i h p v i ngu ệ thố ố ợ ớ ồn động l c và thi t b y v i h ự ế ị đẩ ớ ệthống điều khi n lái và l n n i Có th u khi n tr c ti p hoể ặ – ổ ể điề ể ự ế ặc theo chương trình

V n hành lái ph ậ ụthuộc vào đặc tính ổn định của tàu và đặc tính v n hành cậ ủa thi t bế ị độ ng l c đ y ự ẩ

6 H ng thoát hi m kh n c p: bi n pháp an toàn khi s c ệ thố ể ẩ ấ ệ ự ố và phương thức thoát hiểm

7 H ng thông tin liên lệthố ạc và định vị: về ỹ k thu t SONAR sóng ng n và dài, ậ ắ

phối hợp định v GPS, liên l c tàu m - con, thiị ạ ẹ ết bị súng b n phao ắ

1.3 Đề xuất nguyên lý hoạt động của robot lặn.

2

4 7

Để cho robot có th ể thay đổi góc t n ta có th u khiấ ể điề ển cánh lái mũi để thay

đổi góc t n c a c a robot l n ấ ủ ủ ặ

ng th ng, robot mu n quay tr khi đang chuyển độ ẳ ố ở thì dùng cánh lái đuổi đểđiều khi n tính quay tr cể ở ủa robot l n ặ

1.4 Vấn đề nghiên cứu của luận văn

Những tìm hi u t ng quan cho th y các bài toán k thu t trong nghiên c u ể ổ ấ ỹ ậ ứthiế ết k và ch t o robot lế ạ ặn nói chung mang tính liên ngành cao Hướng nghiên c u ứ

v robot l n là mề ặ ột hướng mới chưa được xúc ti n trong ế nước và mang tính thực tiễn cao v kinh t - xã hề ế ội cũng như an ninh quốc phòng Để ừng bướ t c xây d ng ựphát triển hướng nghiên c u mang tính c p thi t trên, luứ ấ ế ận văn này triển khai nội dung nghiên c u cho m u ứ ẫ robot ặ l n, với tiêu đề: “Tính toán, thi t k và kh o sát h ế ế ả ệ

thống ổn định và điều khi n ể cho robot lặ n”.

Tìm hi u chung v robot l n trên th gi ể ề ặ ế ới

Tìm hi u các vể ấn đề y khí k thuthủ ỹ ật, động l c hự ọc ứng d ng trong tính toán k ụ ỹthu t ậ robot l n ặ

Tìm hi u v ể ề phương pháp CFD

Xây d ng tuyự ến hình robot l n ặ

Khảo sát đặc tính vận hành m u robot l n b ng mô ph ng CFD ẫ ặ ằ ỏ

Đề tài g m 4 ồ chương, cụ ể th :

Chương 1: T ng quan vổ ấn đề nghiên c u ứ

Chương 2: Động l c h c và mô hình tính toán c a robot l n ự ọ ủ ặ

Chương 3: Tuyến hình, b tố rí chung và đường cong th y lủ ực boojean

Chương 4: Ứng d ng CFD kh o sát biên d ng robot l n ụ ả ạ ặ

CHƯƠNG 2 ĐỘ NG L C H C VÀ MÔ HÌNH TÍNH TOÁN C A ROBOT Ự Ọ Ủ

L Ặ N [1,2,3,4,5,8]

M t robot l n ROV, AUV hay m t tàu ng m chuyộ ặ ộ ầ ển đọng trong nước được

mô hình hóa là m t v t r n ộ ậ ắ Việc thi t lế ập phương trình động l c h c cho m t vự ọ ộ ật

r n chuyắ ển động có th s d ng các công c ể ử ụ ụ như sau: định lý động lượng, định lý momen động lượng, định lý động năng, phương trình Lagrange 2,… Phần này trình bày động l c h c v t rự ọ ậ ắn sau đó áp dụng thi t lế ập phương trình vi phân chuyển động cho robot dưới nước

2.1 Động lượng – momen động lượng và động năng của vật rắn [1]

Xét m t v t chuyộ ậ ển động trong không gian v i hai h c tớ ệtrụ ọa độ ộ ệ ố: m t h c

định R0 = (Oxyz)0 và m t h g n li n v t R = (Oxyz) ( hình 2.1) Gộ ệ ắ ề ậ ọi O là vận tốc điểm O gốc của hệ vật, là vector vận tốc góc của vật Các vector này được biểu diễn trong hệ gắn liền vật R = (Oxyz) với các vector đơn vị { 1 , 2 , 3} như sau:

rp

2.1.1 Độ ng lư ợ ng c a v ủ ậ t rắn [1]

Để tính động lượng c a v t rủ ậ ắn, trước h t xét m t phân b có khế ộ ố ối lượng dm, v trí ịphân b ố được xác định b i vector ở u OP V n t c c a phân b ậ ố ủ ố được xác định theo quan hệ ậ ốc hai điể v n t m thu c vậ ộ t

v v   u Động lượng của vật rắn được xác định theo công thức:

(2.3)

B

p vdmThay biểu thức (2.2) vào (2.3) ta được:

mu udm với C là khối tâm của vật uc OC

r n B và h c tắ ệtrụ ọa độ Oxyz, ma tr n momen quán tính kh i c a v t rậ ố ủ ậ ắn đố ớ ệi v i h

Nhƣ vậy bi u thể ức 2.9 đƣợc s dử ụng để xác định ma tr n momen quán tính ậ

khối của vậ ắn đố ới hệt r i v quy chi u Oxyz ế

Công th c xoay tr c tứ ụ ọa độ: gi s c n tính ma tr n momen quán tính c a vả ử ầ ậ ủ ật

đố ới v i h tr c cùng gệ ụ ốc Ox’y’z’, ma trận quay gi a h này là A Liên h tữ ệ ệ ọa độ

giữa hệ này nhƣ sau:

u Au

T ừ(2.9) và (2.10) ta có ma trận momen quán tính đối với trục Ox’y’z’ là:

tố dm trong hệ Ooxoyozosẽ là:

u  r uNếu chọn gốc O trùng với khối tâm C của vật thì ta có ma trận momen quán tính đối với hệ trục Ooxoyozo là:

2.1.3 Momen độ ng lƣ ợ ng c a v t r ủ ậ ắ n đ ố i vớ i tâm O thu ộ c vật.

Khảo sát vật rắn B chuyển động trong không gian, biết vận tốc điểm O thuộc vật vOvà 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:

l   u vdm   u vdm    u  v    u dm

Đặt hO   u     u dm  (*)

Ta có: lO mu v O 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 hOchính là momen động lƣợng của vật rắn trong chuyển động quay quanh điểm cực O

Tính toán trong hệ trục Oxyz gắn liền vật, với [e1 e2 e3] là 3 vector đơn vị,

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 th bi u diể ể ễn vector momen động lƣợng hO c a v t r n trong h g n ủ ậ ắ ệ ắliề ật nhƣ sau:n v

2.2 Thiết lập phương trình động lực học của vật rắn [1,2,3,4,5]

dt  

Trong đó T là động năng của v t; ậ  Wlà t ng công su t c a các l c tác d ng ổ ấ ủ ự ụ

lên vật đƣợc xác định theo công th c: ứ

Do v t chuyậ ển động va hai vector vo

và  độ ậc l p, nên t ừ phương trình trên

ta suy ra hai phương trình như sau:

0 0

Phương trình thứ hai chính là phương trình động l c h c Euler ự ọ

Với vector vậ ốn t c và vector v n t c góc trong h qui chi u g n li n v ậ ố ệ ế ắ ề ật :

wee

Là ma trận đố ứi x ng chứa đầy đủ các thông tin quán tính c a v t r n: khủ ậ ắ ối lƣợng, v ị

trí khối tâm, các thành ph n momen quán tính kh ầ ối

Ma trân CRB  v chứa các s h ng mà ố ạ CRB  v v chứa các l c ly tâm, l c quán ự ự

d ng lên robot gụ ồm có:

Lực cả ỷ l gia tn t ệ ốc: A

Lực cản ph thuụ ộc vậ ốc: n t D

Trọng l c và lự ẩự c đ y do th ể tích nước bị choán chỗ: g   

Lực điều khi n do các cánh quể ạ ộng cơ: t đ 

Các thành ph n khác ầ không đƣợc kể trên đƣợc coi là nhiễu: E

Do Robot chuyển động m t ph n ch t lộ ầ ấ ỏng bao quanh robot cùng đƣợc tăng

t c theo, hi u ng này s ố ệ ứ ẽ đƣợc tính trong thành ph n l c c n tầ ự ả ỷ l v i gia tệ ớ ốc A, hay còn g i là khọ ối lƣợng ph ụ

Trường hợp đơn giản nh t ta coi l c c n t ng chuyấ ự ả ừ ển động độ ậc l p v i nhau ớ

và các lực cản này tỷ l bệ ậc nhất và bậc hai đố ới v i vậ ốc, khi đó ta có:n t

Trọng l c ự fG được tác d ng t i tr ng tâm ụ ạ ọ r  , , T

G  x y zG G G rG =[xG, yG, zG ], còn l c nự ổi fB tác dụng t i tâm nạ ổi Thu được các l c này v g c O, bi u di n trong ự ề ố ể ễ