Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ điện tử: Nghiên cứu thiết kế và điều khiển robot dưới nước dạng AUV

LOI CAM DOAN CUA TÁC GIÁTôi xin cam đoan : Luận văn thạc sĩ với dé tai “ Nghiên cứu thiết kế và điều khiến robotdưới nước dạng AUV.” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướn

NGUYEN NGỌC TUỆ

NGHIÊN CỨU THIET KE VA DIEU KHIỂN

ROBOT DƯỚI NƯỚC DANG AUVDESIGN AND CONTROL AN AUTONOMOUS

UNDERWATER VEHICLEChuyên ngành : Kỹ thuật cơ điện tử.

Mã sô:60520114

LUẬN VÁN THẠC SĨ

TP HỎ CHÍ MINH, tháng 5 năm 2019

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS Võ Tường Quân

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS.TS Nguyễn Thanh Phương

(Ghi rõ ho, tên, học hàm, học vi va chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS Nguyễn Vĩnh Hảo

(Ghi rõ ho, tên, học hàm, học vi va chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Dai học Bách Khoa, DHQG Tp HCMngày 01 tháng 07 năm 2019

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:(Ghi rõ ho, tên, học hàm, hoc vi của Hội đông cham bảo vệ luận văn thạc sĩ)1 PGS.TS Nguyễn Tan Tiến

2 TS Phùng Trí Công3 PGS.TS Nguyễn Thanh Phương4 TS Nguyễn Vĩnh Hảo

5 TS Phạm Công BăngXác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quan ly chuyênngành sau khi luận van đã được sửa chữa (nêu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HOI CHỦ NGHĨA VIỆTTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIEM VỤ LUẬN VAN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYÊN NGỌC TUỆ MSHV: 1570355Ngày, tháng, năm sinh: 26/02/199] Nơi sinh: TP.HCMChuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử Mã số : 60520114I TÊN DE TAIL:

Nghiên cứu thiết kế va điều khiến robot dưới nước dang AUV.Il NHIEM VU VÀ NOI DUNG:

IH NGÀY GIAO NHIỆM VU ¢ SG ST HE ng ng regIV NGÀY HOÀN THÀNH NHIEM VỤU: SG 5s 333cc grrrreev CÁN BỘ HƯỚNG DAN : PGS TS VÕ TƯỜNG QUAN

Tp HCM, ngày thang năm 20 CÁN BO HƯỚNG DAN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ(Họ tên và chữ ký)

LOI CAM ON

Xin được gui lời cam on chân thành va sau sac dén quy Thay, Cô, đặc biệt nhất là PGS.TS

Võ Tường Quân, đã tạo điều kiện, tận tình hướng dẫn, truyền đạt những kiến thức và kinhnghiệm quý báu giúp tôi vững vàng hoàn thành dé tài này Đồng thời tạo nên tang tri thứcgiúp tôi tiếp tục nghiên cứu và làm việc

Xin cảm ơn những bạnb_ và đồng nghiệp luôn quan tâm và gi pd tôi trong suốt quá trìnhhọc tập và nghiên cứu đề tài

Tran trọng cảm on!

Tp HCM, ngày 14 tháng 5 năm 2019

Nguyễn Ngọc Tuệ

TÓM TAT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Luận văn này tập trung vào việc mô hình hóa mô hình AUV 6 bậc tự do từ thiết kế cơ khí.Sau đó sẽ tính toán lại các hệ số thực nghiệm cũng như xem xét dòng chảy rối băng phầnmềm CFD (Computational Fluid Dynamics) Thiết kế bộ điều khiển độ sâu với ba phươngpháp lặn là : lặn băng cánh, lặn bằng đối trọng, lặn kết hợp cánh và đối trọng Các bộ điềukhiển sẽ được dựa trên điều khiến mặt trượt, kết hợp với một số giải thuật để ước lượng mộtsố thông số chưa biết Cuối cùng là mô phòng kết quả bang Matlab

ABSTRACTThis thesis focused on modeling the 6 DoFs AUV from the mechanical designed model.Then I recalculate experimental equations as well as consider the stream line by using CFD( Computational Fluid Dynamics) software Designing the depth controller with threemethod consists of diving by fin, by mass shifter mechanism and combines I will use slidingmode control in order to design the depth controller, combine with some estimatealgorithms Finnally, I will stmulate by Matlab.

LOI CAM DOAN CUA TÁC GIÁ

Tôi xin cam đoan : Luận văn thạc sĩ với dé tai “ Nghiên cứu thiết kế và điều khiến robotdưới nước dạng AUV.” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn củaPGS TS Võ Tường Quân.

Các nội dung nghiên cứu, kết quá trong dé tai này là trung thực Những số liệu, công thức,phương pháp được thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phan tài liệu tham khảo.Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về công trình nghiên cứu của minh!

Tp HCM, ngày 14 tháng 5 năm 2019.

Nguyễn Ngọc Tuệ

MỤC LỤC

MUC LUC 4 7

DANH MỤC HÌNH ẢNH 5° s<©cSextreerkeErkeErkerkrrkerresrrked 8DANH MỤC BANG BIỂU -5- 52 ©Ss+keEreEEkerkeerrkerkserkserresdri 10

CHUONG 1 TONG QUAN VE AÚ V c7 ĂcĂ 522 E3 SESSSSSEESEESSEssessessee 11BC 8i Co 0 ean a II1.2 Lich sử phát triỂn -¿- - - E991 E111 1111111111111 11111 cvrkg 111.3 Tình hình nghiên cứu trong nước | 4] - 5-5522 + *****++++++++S5555555ereess 121.4 Các AUV thương mai hiỆn CÓ . -G G55 3222233133113 115111 111eerrree 131.5 Đối tượng nghiên CỨU (SE 111111 151111115111 111k cvekg 141.6 Các bài toán khi điều khiển AUV 2c 2t 2t 2 2 22.21211212 re 151.7 Các phương pháp lặn . - 0010010101101 11111111 1111111118883 1111111 kh rrg 16

CHUONG 2 MO HÌNH TOÁN HOC CUA AUV <5 5 se <sse 18

2.1 Phân tích chuyển động AI V k5 5E ExSSTvct T11 E1 111151 1112111 xe 18

2.3 DOng luc hoc [LO] - 202.3.1 Động học vật rate.cccccccsssssscscscscscsesesscecscscssssssevsvsvscscsesesesesesesesecscacacassvavavens 202.3.2 Lure thuly 0:0 212.3.3 Thủy động lực hỌC ccc 01 101001111111599331 111111111 n0 035561 ke 242.4 Mô hình AUV 6 bậc tự dO Q0 0111.111111 1111110 111111 11v TH ng hà 382.5 Dạng ma trận - Ốc 39

CHUONG 3 CAC THONG SO CUA AUV -s<- se csssresrserseersee 42

s8 00 Ố.Ố.Ố 423.2 Kiểm nghiệm dòng chảy khi AUV hoạt động - 5 + s+x+E+EsEsEsrererees 42

3.2.1 Giả thuyết bài toán và cách thực hiện - - - + +x#E#E#EeEsEeEererkrkreeeeeeed 423.2.2 Dòng chảy qua thân AUTVỈ 000000011111 1111111188231 1 11 1111k vn re 453.2.3 Dòng chảy qua cánh - c2 3100666211951 11 1111111111111 118002311111 kh rre 453.3 Tính toán lại hệ số lực cản Cđ — 50

CHUONG 4 THIET KE BỘ DIEU KHIEN ĐỘ SÂU - 5 5 scsesecs 53

4.1 Thuật toán dẫn đường - + + k9 11T 1111113 111g 1 11g ng ru 534.2 Hoạch định đường di cho AUTV << << 100100011 1111111111902 11 1111k kh rre 534.3 Điều khiển độ sâu thông qua cánh lặn ¿xxx #EeEeEeEeEerrerees 544.4 Điều khiến độ sâu thông qua đối trong occ sscscsesesesecesescscececsssssveveveeeeeeeee 594.4.1 Bộ điều khiển Backstepping cho đối trọng ¿s6 +xeveeeeeeeeseee 594.4.2 Bộ điều khiển adaptive sliding mode cho độ sâu thông qua đối trọng 614.5 Bộ điều khiển độ sâu dạng ©Ï€VAfOT 5 2212011111119 1 1111111 kg 22 644.5.1 Bộ điều khiển độ sâu thông qua cánh - - - < + ExSxSxxck+kekeveveeeeeree 654.5.2 Bộ điều khiển góc 9 thông qua đối trọng 66k xxx +kekeEeeeeeeesee 684.6 Nhiễu tác động - kh 11T TT 1H HT TT HT TT TT HH TT ru 72

CHƯƠNG 5 KET LUẬN VA HƯỚNG PHÁT TRIEN 76

5.1 Kết quả đạt ƯỢC - << -GGG 00 30030011111159933 110111111111 1111111100000 5611k khe 765.2 Hướng phat triỀn - - - - s19 St ctvcv 1 E1 1111511111115 111111111 greg 76

DANH MỤC HINH ANH

Hinh 1.1 Remus 100 0 LÌ8 0 3 13I01./,80/80) su 50))0LiệG.tỎỎỎỔỎỐỔỐỒỒỒỔỒỐÝÃ-Ỷ 13Hình 1.3 Remus 6000 [44][ c1 1111299301111 1110111 1 ng 1 ng kg 14

Hình 1.4 Dẫn động AUV [6] << 4E 111x311 Hiệu 15Hình 1.5 AUV có đôi trọng [7] c- - cv EE HT ctgvgggrrrerrki 15Hình 1.6 Lan ch i đầu và lặn elevator [Ø], -c- s6 sec kskSESkekekskeesekeesreeeed 16

Hình 2.1 Toa độ trong không gian của AUV on HH 1 re, 18

Hình 2.2 Trọng tâm va tâm nỗi của AUV voieeeccesescsesscssscsesescscsssecscssssststsssseees 22

[0/8 586-i0i(i09 0 28

Hình 2.4 HỆ SỐ Ẳ TQ SH HH HS TT TT TT cv vkn 31

Hinh 2.5 Gid tri BS] 33Hình 2.6 Góc của cánh lãi [ Ï2 ] c1 11 1 1 v1 152 36Hình 2.7 Góc của cánh lặn [I2] S111 11 v1 12 36Hình 2.8 Lực tac động lên con TTƯỢT ccc S112 HH g1 1 re, 370 0 N ä nen EEE EE EEE EEE EEE EEE EERE HEHE 42

Hình 3.2 Chọn kiêu phân tích ¿- - + SE EEeESEEEEckckekeEeeerxrererered 43Hinh 3.3 Chon 000) 1n 44Hình 3.4 Chọn vận toc, ccccccccsscssesesescscscesescsesccescsescscecescacscscesescscaeeceecacscaceacacacaeenes 44Hình 3.5 Chiều quay và vận tỐc QUay - «<< EEEe SE ckckEkeverrererered 44

Hình 3.6 Hình dang dòng chảy cà HH ng re, 45Hình 3.7 Dòng chảy ở đuôi AI V ng ng re 45Hình 3.8 Phương trình Bernoulli cho mặt trên và dưới cánh .-‹ 46

Hình 3.9 That tốc xảy ra trên cánh - «sec EE HT re 47Hình 3 10 Đồ thị lực nâng c- kh Tnhh TH ru 48

Hirth 3.11 AOA, AE — 490,050 ki 3 490.,.m598ð.U/e 7/2000 50Hình 3.14 Diện tÍch rễ nƯỚC CC SH 00 HH HH nh vớ 51Hình 3.15 Mục tiêu tính tOán C23300 SH HH nh vớ 52

Hình 4.1 Thuật toán dẫn đường LOS ccccccsccscscesscscscscscssscsssssssesssseseseees 53Hình 4.2 Sơ đồ khôi bộ điều khiển độ sâu co scsrirrirrrrirriee 54

Hình 4 3 Hiện tượng chattering [ Ï-4] - c5 S21 1 1 11 re, 55Hinh 4.4 DAp UNG X~ 021 56

Hình 4.14 Sai SỐ Z, s5 StET HT TT HH TT TT g1 11T re nưệu 63

[70/188 bhf9 si 3 S 63

Hình 4.16 Tín hiệu điều khiễn - - + s3 HT ggrrrerrkg 64

Hinh 4.17 UGc lung Mg 64

Hình 4.18 Sơ đồ khối bộ điều khiến neural network —sliding mode 65Hình 4.19 Sơ đồ neural network .ccccccccccccscscscescscescscescsccscssescsccscscsseessseessscescseeees 67

Hinh 4.20 Dap UNG Z, PẼẼ S 70

Hình 4.21 Sai SỐ CZ cecccsccsssscssssssssscsesssesscssscscsvsececscsesvscssecacscassvsescssecacavsnsnscsssseees 70Hình 4.22 Tín hiệu điều Khién OS v.cccccccccsesesscscsesescscsesscscscsesescssecscsssesescssseeees 71Hình 4.23 Tín hiệu điều khiẾn XXụ 5c 5 cccectcerrerrkerrkerrererrerrkee 71

Hinh 4.24 89:)s8ì( 53090 0n 71Hình 4.25 Gia tri ước lượng FÏÏ ch ket 72Hình 4.26 Gia tri ước lượng Õ HH HH TH ghe 72

Hình 4.27 Đồ thị x-z nhiễu D = 1 tác động << Sex cxeeersrererered 74Hình 4.28 Đồ thị x-z nhiễu D = 2 tác động - «sen gretererererered 74

DANH MỤC BANG BIEU

Bang 2.1 Ký hiệu của SNAME che 18

Bang 2.2 Hé số thực 0140112002277 26Bảng 2.3 Các thành phần ma trận Dp — 4]Bang 3.1 Bang giá trị lực nâng va hệ số cla theo AOA -c-cscscscecea 48Bảng 3.2 Ket Quả Cặ¡ 55-552 5 E3 E511 EEE151211111115111111151111 1111111111 rrk 52Bang 4.1 Đánh giá bộ điều khiến «5< << EE SE cvckgr errvrerereở 74

CHƯƠNG 1 TONG QUAN VE AUV

1.1 Giới thiệu.

Autonomous underwater vehicle (AUV) la một dang mobile robot hoạt động trong môitrường nước AUV là thành viên của một nhóm các thiết bị không người lái dưới nước cótên tiếng Anh là Unmanned underwater vehicle (UUV) Ngoài AUV, một nhánh khác củaUUV là Remotely operated underwater vehicle (ROV), khác với AUV là thiết bị có thé vậnhành hoản toàn tự động, ROV can có thao tác điều khiến của con người [1]

AUV có nhiều ứng dụng to lớn đối với con người:

- Thuong mại: ngành công nghiệp hóa dầu dùng AUV dé khảo sát là lập bản đồ chitiết của đáy biến trước khi xây dựng dàn khoan hay đặt đường ống

- - Nghiên cứu: các nhà khoa học dùng AUV để nghiên cứu, thám hiểm hé, biển vàđáy biển

- Quan sự: dò min, vận chuyền, tạo các điểm thông tin liên lạc

AUV hoạt động trong môi trường nước nên đem lại nhiều thách thức trong việc nghiên cứuvà phát triển Đầu tiên do hoạt động trong môi trường nước nên AUV can có các biện phápchống tham Tiếp theo là khó khăn trong việc truyền thông tin dưới nước, việc nay gây ảnhhưởng đến việc truyền nhận dữ liệu cũng như định vi AUV Vé mặt điều khiến, AUV chịunhiều nhiễu tác động từ bên ngoài tác động vào hệ thống như: gió, sóng, dòng chảy, lựcthủy tĩnh và thủy động Tat cả các yếu tô trên gây khó khăn trong việc điều khiến và hoạtđộng của AUV [2]

1.2 Lich sử phát triển

AUV dau tiên được phát triển tại Applied Physics Laboratory thuộc đại hoc Washingtonvào năm 1957 bởi Stan Murphy và Bob Francois và sau đó là Terry Ewart Một trong nhữngAUV đầu tiên cũng phát triển tại Massachusetts Institute of Technology vào thập niên 70[1]

Trước 1970 — Nghiên cứu các ứng dụng dau tiên của AUV.AUV bat đầu được nghiên cứu từ thập niên 60 Vai AUV được nghiên cứu tập trung vàocác ứng dụng thu thập dữ liệu.

1970 — 1980 — Khám phá tiềm năng của AUV

Suốt thập niên 70, nhiều mô hình được chế tạo và thử nghiệm The University of

Washington APL phát triển UARS và SPURV để thu thập dữ liệu từ ving Arctic TheUniversity of New Hampshire’s Marine System Engineering Laboratory ( bây giờ là theAutonomous Undersea Systems Institute) phát triển thiết bi EAVE cùng với sự hỗ tro của

Hải quân Mỹ ở San Diego Dù có nhiều thử nghiệm thất bại nhưng cũng đã đặt nên móngcho sự phát triển của AUV.

1980 — 1990 — Thử nghiệm với các mẫu.Thập niên 80, có những phát triển vượt bậc ở các lĩnh vực khác có ảnh hưởng tích cực đếnviệc nghiên cứu AUV Phải kế đến đó là sự phát triển của khoa học máy tính, tạo ra các máytính nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp Điều này có nghĩa là các AUV sẽ được lập trình với cácthuật toán điều khiển phức tạp hơn phục vụ cho quá trình tự hành

1990 — 2000 — Phát triển Goal Driven Tech.Trong thập niên này các AUV có thé đi đến các mục tiêu đã xác định từ trước Một số tổchức bat đầu nghiên cứu tập trung vào các ứng dụng cụ thé khác nhau tạo tiền đề thươngmại hóa AUV 1996 Kongsberg giới thiệu AUV thương mại đầu tiên của hãng ứng dụngtrong cả lĩnh vực dân sự và quân sự.

2000 — 2010 — Thị trường thương mai phát triển.Đây là thời kỳ AUV được sử dụng cho nhiệm vụ thương mại Thập kỷ này đánh dau congnghệ AUV từ môi trường nghiên cứu va hoc thuật được đưa vào ngành công nghiệp đạidương [3]

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước [4|

AUV có khả năng áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt trong quân sự và thươngmại, nên được nhiều quốc gia đầu tư phát triển Đặc biệt, lĩnh vực quân sự hiện là kháchhàng chủ yếu của AUV-tương tự như những gì diễn ra trên bầu trời đối với phương tiện baykhông người lái (UUV).

Ở trong nước với ky 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 côngnghiệp hóa, hiện đại hóa và bảo vệ đất nước Hệ thống điều khiển công nghiệp là một phancủa lĩnh vực sản xuất công nghiệp; nó ngay càng được nhiều doanh nghiệp sử dung và phattriển để góp phần tạo ra giá trị cạnh tranh Đặc biệt là các hệ thống điều khiến cho cácphương tiện phục vụ cho việc khảo sát, thăm dò, khai khoáng tài nguyên biển va bảo vệ lãnhhải của đất nước Hơn nữa, nó góp phan trong mục tiêu “Chiến lược Biển” mà Dang và Nhanước đang đầu tư phát triển Ngoài ra, việc nghiên cứu về đại dương cũng rất cần các phươngtiện tự hành dưới nước (AUV) nhăm mục đích nâng cao hiệu quả kinh tế xã hội trong dânsự 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 trườngDH Bách khoa Hà Nội và trường DH Bách khoa TP HCM, trường DH Giao thông vận tảiTP.HCM, Học viện Hải quân Chắc chăn việc nghiên cứu chế tạo và sử dụng phương tiệnngâm sẽ được quan tâm nhiều hơn, góp phần giải quyết nhiều nhiệm vụ trong kỹ thuật khaithác dầu khí, viễn thông, trong quốc phòng và trong giao thông đường thủy

1.4 Các AUV thương mại hiện có.

a) Remus 100.

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 cầu hình và nhiệm vu.Động cơ : DC brushless dẫn động trực tiếp với chân vit 3 cánh.Tốc độ : lên đến 2.3m/s Tuy thuộc cau hình sensor

Hinh 1.2 Remus 600 [4]Thông số kỹ thuật:

Đường kính : 32.4cm.Chiều dài : 3.25m phụ thuộc vào cầu hình module.Can nặng trên cạn : 240kg.

Độ sâu tối đa : 600m.Thời gian hoạt động : lên đến 24 Ø1Ờ, tùy vào cầu hình và nhiệm vu.Động cơ : DC brushless dẫn động trực tiếp với chân vịt 2 cánh.Tốc độ : lên đến 2.3m/s Tuy thuộc cau hình sensor

Hình 1.3 Remus 6000 [4]Thông số kỹ thuật:

Đường kính : 71cm.Chiều dài : 3.84m phụ thuộc vào cầu hình module.Can nặng trên cạn : 862kg.

Độ sâu tối đa : 6000m.Thời gian hoạt động : lên đến 22 Ø1Ờ, tùy vào cầu hình và nhiệm vu.Động cơ : DC brushless dẫn động trực tiếp với chân vịt 2 cánh.Tốc độ : lên đến 2.3m/s Tuy thuộc cau hình sensor

Điều khién: điều khiển yaw va pitch bang cánh Độ sâu, track-line.Điều hướng: Long Baseline Transducer (7-15 kHz upward looking transducer) and DeadReckon with ADCP Inertial Navigation System (INS).

1.5 Đối tượng nghiên cứu

Đôi tượng nghiên cứu trong luận văn này dạng AUV có bon cánh (fin) đặt đôi xứng nhaugôm hai cánh lái (rudder), hai cánh lặn (stern plan) và một chân vịt (propeller) như hình 1.4.Nhiệm vu của các cánh là đê điêu khiên hướng còn chân vit sẽ tạo lực day cho AUV Haicánh rudder kêt hợp với propeller sẽ tạo góc yaw cho AUV Như vậy góc quay rudder vavận tôc của propeller sẽ tạo nên các chuyên động trong mặt phăng song song với mặt phăngOEXEYE Khi điêu hướng AUV sẽ sử dụng cánh lái kêt hợp với chân vit tạo lực day thay đôigoc Yaw (heading).

Battery LM Guide Navigation GPS Fixed Fin

DVL 12 —_ er Board Antennait JF N: Thruster

-Sa sl

ink.

Masi Shifter GPS IMU BLDC Battery “bea Rudder:

' Mechanism Receiver Sensor Driver 3 ‘ Sensor: 146 ! 164.5 -: 863 398.5

7 1572 +

Hình 1.5 AUV có đỗi trọng [7]

1.6 Các bài toán khi điều khiển AUV.

Có ba bài toán điêu khiên AUV:

e Điều khiến vận tốc ø.e Điều khiến hướng (heading control).e Điều khiến độ sâu (depth control).Bai toán điều khién vận tốc thường được thực hiện chung với hai bài toán còn dé điều khiếnAUV tracking hoặc đi đên tọa độ mong muon.

Bai toán điều khiển hướng là bài toán xác định giá trị tọa độ x-y và góc yaw () trong mặtphăng XoY của AUV Trong bai toán này góc yaw (J) luôn được kiểm soát chặt chẽ tạimôi toa độ đặt của AUV vì nó bị ảnh hưởng bởi tọa độ đặt tiép theo Dé đơn giản, AUVthường được điêu khiên đạt độ sâu trước sau đó mới điêu khiên hướng ở độ sâu đó.

Bai toán điều khiến độ sâu gi p cho AUV dat được độ sâu mong muốn hay nói cách kháclà xác định giá trị tọa độ x-z trong mặt phẳng XoZ Khác với điều khiển hướng, khi AUVđạt được độ sâu thì góc pitch (Ø) mong muốn là bằng 0 Một vấn đề đặt ra nửa là phải giữđược 6n định độ sâu trong quá trình điều hướng Ta thấy bài toán độ sâu thường được giảiquyết trước bài toán điều khiển hướng.

AUV dang torpedo thường được thiết kế đối xứng nên hai bài toán hướng và độ sâu sẽ tươngđối giống nhau Như vậy ta thấy bài toán điều khiến độ sâu có thể xem là tiền đề của điềukhiến hướng vì thế trong luận văn này tôi sẽ tập trung vào việc thiết kế bộ điều khiển độsầu.

1.7 Các phương pháp lặn.

Kỹ thuật lặn của các thiết bị lặn đưới nước được chia làm hai loại trong tài liệu [7] đó là lặntinh (static diving) và lan động (dynamic diving) Lan tinh là phương pháp bơm nước vàohoặc các bồn chứa (ballast tank) dé thay đồi trọng lượng của thiết bị lặn Phương pháp nàythường được dùng cho các tàu ngầm lớn Còn AUV thì sử dụng phương pháp lặn động Banđầu AUV sẽ chìm trong nước nhưng lơ lững ở tầng nước mặt Nhờ vào góc nghiêng củastern plane và propeller dé tạo góc pitch Như vậy góc nghiêng của stern plane va vận tốccủa propeller sẽ tạo nên chuyên động lặn cho AUV Ngoài ra còn có các AUV hoặc ROVlặn bằng hoạt động của các propeller

Trong luận văn nay sẽ tập trung trình bày hai cách lặn đó là lặn ch i đầu va lặn dạng elevator.Trong khi cách lặn ch 1 đầu được sử dụng với các khoảng cách lặn xa thi lặn dang elevatorđược dùng ở khoảng cách ngắn [9]

Hình 1.6 Lan ch i đầu và lặn elevator [9]

Cách lặn ch i đầu có thé thực hiện bang cánh lặn hoặc đối trọng Cách lặn elevator thì phốihợp giữa cánh và đối trọng, cánh đóng vai trò tạo lực dé lặn còn đối trọng có nhiệm vu g1ữcho cho AUV luôn song song với mặt phẳng xOy.

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA AUV.

2.1 Phân tích chuyển động AUV

Một AUV sẽ có sáu bậc tự do (6 Dof) Với sáu bậc tự do ta sẽ có thể xác định vị trí và hướngcủa AUV trong không gian Trong hình 2.1 cho ta thấy tọa độ của AUV trong không gianvới hệ tọa độ OpXvYvZp là tọa độ địa phương (body-fixed frame), OEXEYEZ« là tòa độ toàncục hay hệ tọa độ gan với trái đất (earth-fixed frame, e-frame), và bảng 1.1 chú giải các kýhiệu theo The Society of Naval Architects and Marine Engineers (SNAME) [5].

Hé toa do toan cuc

YE 4 Hé toa do dia phuong

xXBSurge (x, 7)

Pitch (Ø,a)

4 — uy (ự,r) Roll (¢,p)Yp Zs | Heave (z,w)

Hình 2.1 Toa độ trong không gian của AUV.Theo SNAME sáu thành phần chuyển động của AUV gồm ba chuyền động tịnh tiễn và bachuyền động xoay Ba chuyền động tịnh tiến là: tịnh tiến theo phương Xb (surge), tịnh tiếntheo phương Y» (sway), tịnh tiễn theo phương Z» (Heave) Ba chuyển động quay là quayquanh trục X» (roll), quay quanh trục Y» (pitch), quay quanh trục Z» (yaw) Ứng với mỗichuyền động theo phương Xb, Yo, Zo là chuyến vi xs, ys, z› Tương tự với các chuyên độngquay ta cũng có góc quay @, đ, ự theo thu tự là các góc roll, pitch, yaw.

Bang 2.1 Ky hiệu của SNAME

Luc va Van toc dài va | VỊ trí và các

Bậc tự do ¬ ’

moment van tôc góc góc Euler

| Surge X u X

2 Sway Y V y3 Heave Z W Z

4 Roll K p b

5 Pitch M q 66 Yaw N T VWTa có thé mô tả các chuyển động trong bảng 1.1 thành dang vector như sau [5]:

n=([M Me)" m=[k y ZIƑf nm=([o 9 pitv=[V% v2]! vị =[u v wit v,=[P q4 rf

tT=[T1 T2]? tT =([X Y Z] T=([K M NỊ

Với n là vector biéu dién vi tri va hướng cua AUV trong hệ tọa độ toàn cục, v là vector biéudiễn vận tốc dai va vận tốc góc trong hệ tọa độ địa phương, và r là vector biểu diễn lực vàmoment tác dụng lên AUV trong hệ tọa độ địa phương.

—S(0) s(2) c(9) c(p) c()Ghi chú : c là cos, s la sin.

Ma trận J, (72) là ma trận thuần nhất.Phép biến đổi hệ trục sau đây cho ta qua hệ giữa vận tốc sóc trong hệ tọa độ toàn cục vàvận tôc trong hệ toạ độ địa phương:

Ne = JI2(N2)Va, (2.3)

Với

1 sin(@)tan(@) cos(ở)tan(6Ø)

Jzứn;) = |0 cos(ở) —sin(ở) (2.4)

0 sin(@)/cos(@) cos(d) / cos(@)

Trong ma trận J,(72) có điểm ky di tại góc pitch 9 = + > Tuy nhiên, trong thực tế góc pitch

hầu như không vào vùng kỳ dị đó

D(v): ma tran luc can.

Phương trình (1.6) có thé được viết dưới dạng :

v = [Mpg + Mạ] ~ˆ*(C(9)9 + D(0)0 + g(n) +7) (2.7)

2.3.1 Động học vật rắn

Từ công thức Newton-Euler cho vat ran có khôi lượng m ta có phương trình can băng lựcva moments:

m[Ùop + Won X Ton + Won X Vow + Won X (Won X Tọp)] = fo (2.8)

lo ốp + Won X Io Wop + Mon X Wop» + 0p X Vow) = Mop,

Với (các ky hiệu này theo bang 1.1)

fon =[X YZ] là tổng hợp lực tác động vào AUV

Mop =[K M_ NI]! là tống moment tác động vào AUV.Vop =[u v_ wi]? là vận tốc dài của AUV

we, =([P 4 T]Ÿ là vận tốc góc của AUV.Top = [%o Vg 5ø] là vector tọa độ trọng tâm CG (center of gravity).

ly —ly Tezlạ =|Tbx ly — —lyz| là moment quán tính.

Tex Tey I,Cac thanh phan Ủy; deg 1 ly„„ =9 vì AUV đối xứng qua mặt phang xz va xy.Tu (2.8) phương trình động hoc vat răn sáu bậc tự do của AUV:

mu — vr + wq — x„(q? +r?) + y„(pq —†) + z„(pr + q)] = » x (2.9)

m|v — wr + — y„(r2 +p?) + z„(qr — ÿ) + xg(pq +†)| = » Y

mw — ug + vp — 24(¢? + 42) + xr — 8) + yy(ra +ð)] =) 2

ly Ð + (l¿; — lyy qr + ml yg (w —uq + vp) — Zg(Ủ —wp + ur)| = » KTyy | + Uxx — Tez) rp + mlz, (u — vr + Wq) — #„(W — ug + 1p)| = » Mlog ? + Lyy — Lex) pq + mx, (v — wp + ur) — z,(u — vr + wq)| = » N

Phương trình (2.9) có thé được viết thành:

MapÙ + Cng(U)U = T (2.10)

Với:

m 0 0 0 MZ, —MYg)0 m 0 -mzZ; 0 MXq

0 0 m MYg —MXg 0

Mee =! 0 mz, my, Ie ly Ie @.11)

MZ, 0 —MX ly ly hyI-Myg MX, 0 ly ly I,

0 —l¿;q — lyyÐp + lạY — L„;T + yp — lyq

Cng(V)4 =| lyzq + lyzÐ — Lr 0 —ÌyzT — Tyyq + l„p

—lyzT 7 LeyP + lyq Leg + Ley — ly 0

2.3.2 Lực thuy tĩnh

Các thiết bị hoạt động dưới nước chịu tac động của hai lực tinh cơ ban là trọng lực được đặttại trọng tâm và lực nỗi hay còn gọi là lực đây Archim de được đặt ở tâm nổi (center of

buoyance) Các AUV thường được thiết kế can thận dé trọng tâm va tâm nỗi trùng nhau.Tâm nỗi thường được chọn là tâm của AUV [8]

Hình 2.2 Trọng tâm và tâm nỗi của AUV.Trọng lực và lực Archimède được tính như công thức 1.10

W =mg (2.13)

B= pgV

Với:W: trọng lực.m: khôi lượng.ø: gia tốc trọng trường.B: lực day Archiméde.p: khối lượng riêng

V: thé tích AUV chiếm chỗ trong nước.Trọng lực trong hệ tọa độ toàn cục:

—sin(0)WTg = |cos(8)sin(j)W (2.16)

cos(@)cos(@)W

Phương trình moment gây ra bởi trong lực:

+ẹ cos(8) cos(@) W — z¿ cos(@) sin(@) WMẹ = —Zc sin(@) W — x¿cos(8)cos(@)M (2.17)

xc cos(@) sin(ở) W + yesin(@)W

Tương tự ta có lực Archimede trong hệ tọa độ toàn cục:

—cos(@)cos(@)B

Phương trình moment gây ra bởi lực day Archimede:

—y, cos(@) cos(ở) B + z¿ cos(@) sin(@) BMz = Zc sin(@) B + x,cos(@)cos(@)B (2.21)

—x, cos(8) sin(@) B — ygsin(@)B

Goi g(7) là lực va moment thủy tinh gây ra bởi lực trọng trường va luc day Archiméde

l (W — B)sin(@)

—(W — B) cos(@) sin(ở)—(W — B) cos(@) cos(ở) (2.22)— ~|—(yyW — y,B) cos(@) cos(@) + (zyW — z)B) cos(6) sin(@)

(z,W — zpB) sin(6) + (x,W — x,B) cos(8) cos(@)—(x„W — x;B) cos(@) sin(@) — (z„W — z»B) sin(@)Với (xs, yo, Zo) là toa độ tâm nỗi

2.3.3 Thuy động lực học.

Lực thủy động gôm ba thành phân là :Khối lượng cộng gộp (added mass): là khối lượng được cộng thêm vào hay còn gọi là khốilượng ảo gây ra bởi quán tính của chât lỏng xung quanh.

Giảm chan thủy động lực hoc (hydrodynamic damping): là lực cản của nước.Lực thủy tinh (hydrostatic): lực đây Archiméde

Vector lực và moment thủy động lực học ty có dạng như sau: [5]

Ty = Mạ + D(0)w + g(n) (2.23)

2.3.3.2 Khoi lượng cộng gộp M, và lực Coriolis cộng gép

Khối lượng cộng gộp có thé xem là khối lượng ảo được cộng thêm vào hệ bởi vì khi tăngtốc hay giảm tốc thân AUV phải kéo theo một thế tích nước xung quanh nó [9]

Ma trận khối lượng cộng gộp có dạng như sau:

Ma=~-|0 0 0 K 0 0 (2.25)

0 0 0 0 Mẹ 00 0 0 0 0 N,

Dựa vào sáu phương trình lực và moment khối lượng cộng gộp của Implay kết hợp vớiphương trình (2.25) ta có lực và moment khối lượng cộng gộp như sau:

, (2.26)M, = My w+ Mại — (Zy — Xu)uw — Y;ưp + (Ky — N¿)rp — Za¿uq

Na = Nụ Ù + N¿† — (Xụ — Y,Juv + Z,wp — (Ky — Mạ)pq + Ypur

Ma tran Coriolis cộng gộp có dạng như sau [9]:

l 0 0 0 0 —A3 Q2 |0 0 0 q3 O —-a,_ | 0 0 0 -@ a, 0

CAM =| 9 _ a, ad 0 —b db; (2.27)

Q3 0 —a, ba 0 mãi—~Œ; Ay 0 —b, b, 0 +Với:

a, = Xụu + ẤyU + ÄX„W + Xpp + X¿q + Ä;rđạ = Yụu + YyU + YyW + YyÐ + Yạq + Y;ra; —= 2U Ð Z0 + 2W + ZwÐ + Z4q + Zr 22

Vì AUV đối xứng theo mặt phang xy và xz nên:

0 0 0 0 —ZwW — Z¿q_ YyU + Y;T10 0 0 Zyw + Z5q 0 —X⁄„Uu

Cav) = 0 -Z,w-Z5q Yov + Ypr 0 —Nr Mạq (2.29)

Ly W +7aq 0 —X,,U Nạr 0 —Kup

Với các ký hiệu theo quy định của SNAME Lực khối lượng cộng gộp tác động lên AUVtheo trục x là X và lực này có gia tốc theo phương x là sẽ được định nghĩa như sau:

Ox

- Thanh phan khối lượng cộng gộp dọc trục ( Axial Added Mass):Theo các tài liệu [2], [8] và [10] để ước lượng khối lượng cộng gộp dọc trục, ta xem AUVcó dạng gân với hình elip với trục chính băng một nửa chiều dài AUV và trục phụ bằng mộtnửa đường kính Công thức thực nghiệm cho khối lượng cộng gộp dọc trục của elip là:

2

ø : khối lượng riêng của chất lỏng xung quanh./: chiều dài AUV

đ: đường kính AUV Với

a: hệ số thực nghiệm được chọn theo bảng sau

1d li0.1 6.1480.2 3.0080.4 1.4280.6 0.90780.8 0.65141.0 0.50001.5 0.30382.0 0.21002.5 0.15633.0 0.12205.0 0.059127.0 0.0358510.0 0.02071Bang 2.2 Hệ số thực nghiệm ø

(2.31)

- _ Khối lượng cộng gdp do dòng chảy cắt ngang (Crossflow Added Mass)

Khối lượng cộng gộp do dòng chảy cắt ngang có thể tính băng việc áp dụng thuyết dải (striptheory) trên mặt cat hình trụ Khôi lượng cộng gộp trên môi đơn vi chiêu dài của từng látmỏng khôi trụ được cho trong công thức sau [10]:

M(x) = mpR(z)ˆ (2.32)Với

ø : khối lượng riêng của chất lỏng xung quanh.R(x)?: bán kính đối tượng tại điểm đang xét.Nguyên lý của thuyết dải: chia đối tượng nghiên cứu thành dải theo chiều dải với số phầntử nhât định Từ đó, khôi lượng cộng gộp theo hai chiêu được tính trên môi phân tử và sauđó được cộng lại trên toàn chiều dai đối tượng [11]

Khối lượng cộng gộp trên mỗi đơn vị chiều dài của phần đuôi có cánh của AUV được chotrong công thức sau [10]:

R(x)*

Mar = 1p C — R(x)ˆ+— (2.33)

ÑƑịnVới afin là chiều cao lớn nhất của cánh trên đường tâm.Lấy tích phân trên toàn bộ chiều dài AUV cho công thức (2.32) và (2.33), [10]

Xf Xf2Xt Xt¿2 Xb Xb2

Vì AUV đối xứng theo mặt phăng xz nên [2]:

- _ Khối lượng cộng gộp do moment góc roll (Rolling Added Mass).Đề ước lượng khối lượng cộng gộp, ta giả thiết tại phần vỏ AUV trơn sẽ không tạo ra khốilượng cộng gộp Như vậy ta chỉ quan tâm tới khối lượng cộng gộp tôn tại trên cánh củaAUV Công thức thực nghiệm tính khối lượng cộng gộp trên cánh như sau [10]:

Diinear = —diag(X,, Yy, Zw Kp, Mg, N-) (2.38)

Tsurgem+ Ma›;v

Tsway

Ly = —2MneaveWheave [m + Ma-„| (2.40)Ky = —2A6-ouroll [I + Ma,a|

Mẹ — —2Ó ¡tchbpitch |, + Mạ

tet M66

r

TyawVới:

Tsurge › sway» yaw = 100 — 250s.Aheaue = AÓ itch = 0

Witch = 55 — (2.43)pitc ly + Mage

e Các thành phan lực cản phi tuyến:- Luc cản doc trục.

Luc can dọc trục được trình bay trong công thức thực nghiệm sau [10]:

Css: hệ số ma sát schoenherr chon băng 3.397x103 [10].- Luc can dòng chảy cắt ngang ( Crossflow Drag)Dé tính lực cản dòng chảy cắt ngang có thé áp dung thuyết dai Công thức lực cản đượctrình bày trong công thức sau [10]:

1 Xbe 1

FIy| = Zw|w| = —5 Cae | 2R(x)dx — 2 (5 PSyinCay

Xt

1 Xb2 1Mựwlw| = Noy = —5 Cae | 2xR(x)dx — 2x (5 SpinCar

Ca: hệ số lực cản ngang của fin, được tính theo công thức.

t: là tỉ lệ chiêu dài của đỉnh va chân cánh.

Hình 2.4 Hệ số t.- Luc cản theo góc roll (Rolling Drag).

Lực cản theo góc roll được tính theo công thức sau [10]:

tL= (YWwƒTimean)?;aeanDÏPl (2.49)

Với:

Y„ : là thành phan lực cản cắt ngang tác động lên cánh

1rmean : chiều cao trung bình cánh trên đường tâm.Vậy hệ số lực cản là :

Ky |p| — Ÿy£- mean (2.51)

Ma trận lực cản D của AUV:

DŒ)=~ 0

000

Xa, + Xujulul0

Y, + fizIy|9|

000

NzIy|9|

00

Ky + Kipiplp|

00

00

N, + Ny|r |1

(2.52)

2.3.3.4 Lực tác động cua modi trường

Trong phân này ta sẽ xem xét tác động của môi trường lên AUV, gọi tz là lực va momenttác động lên AUV Ta có thê viết [5]:

Tp = Toe +rự1+rựi (2.53)Với Te, TW, rP! lần lượt là tac động của dòng chảy, sóng va gió AUV ít bị ảnh hưởng

bởi gió, nên có thể bỏ qua thành phần này.Tác động của dòng chảy.

Vector Te” của lực và moment gây ra bởi dòng chảy [5]:

Te” = (Mppg + Mạ), + C()1„ — C(0)0 + D(,)y„ — D(0)0 (2.54)Với:

Ứ„ = U — œ„ 0„ là vector vận tốc của dòng chảy trong hệ tọa độ địa phương Đặt vận

toc dòng chảy trong hệ tọa độ tòan cục là [uỷ, ve ,w=], Ta có v, như sau:

We, wƑTác động của sóng biến

Vector TY” của lực va moment gây ra bởi sóng biến [5]:

¬ 1

Đa — pgBL(L’ — B*)sin(2B)s? ©]

Li=1

Với:

8: góc va chạm của sóng.ø : trọng lượng riêng của nước.B: chiêu rộng của AUV.

T : phần chim trong nước

21s,(t) = A; ¬ sinWeit + 6;) (2.57)

i

4; : biên độ sóng.A, : bước sóng.(„¡: tân sô va chạm.0, : pha ngẫu nhiên đồng nhất và bat biến theo thời gian [0, 27)

Với:ø: khối lượng riêng của chất lỏng

Cya: hệ số lực nâng thân

1Lyoay = — 5 Pd? Cyaguw (2.62)Cuôi cùng ta có hệ sô lực nâng than:

Yuvt = Zuwi = — 5 pd* yap (2.63)

Moment nâng thân được tính bang công thức sau:

Mụuwi = —Nuvi = ¬ (2.64)

Với :

Xep = —0.651 — Xzero (2.65)Theo tải liệu [10], lực can nhớt (viscous force) có tâm đặt tai 0.6 dén 0.7 tong chiéu dai tinhtừ phan mui cua AUV

Hệ số nâng cánh C, được tinh băng công thức sau :

tựịn = U + Zrinq — ŸƑimT

Vein = V + XzinmT — ZrinÐ (2.68)

Wrin = W + YeinP — XinVỚI X¢ins Vein» Zfin là tọa độ cánh so với tâm Các thành phần Vein ›Zin SẼ được lượt bo vìvận tốc của chúng nhỏ hơn rất nhiều với chuyển động của AUV

Vận tốc qua cánh trong trường hợp điều khiến hướng và điều khiến độ sâu sẽ được tính bangcông thức:

Vv

Bre = arctan tr)

Uf inWwW

M, — 20izSym#/in(Mym” + Wzim2)(ổ; + Bse)

Kyrop = Kepn^D° (2.75)

Với :

Ky: hệ số lực đây, tùy thuộc vào đặc tính của từng loại chân vịt

Kg: hệ số moment quay, tùy thuộc vào đặc tính của từng loại chan vit.n: số vòng quay động cơ

D: đường kính lớn nhất của chân vịt.Ma trận lực điều khiển AUV

Krp|n|D*n

OLœSƑin (Upin? + Vein” ) (Or + Bre)

— PCLeeSpin(Upin? + Wrin” )(ổ; + Bse)

prop — Kgp|n|D°n

PCeSpinXpin(Upin” + Wrin”) (Os + Bse)0CrzSrinXrin(tyin? + Vein? (Or + Bre)

(2.76)

2.3.3.8 Con trượt đối trong

Con trượt trong AUV có hai nhiệm vụ đó là:

- _ Cân bằng quanh trục Y bằng cách chuyền trong tâm vẻ tâm nỗi (x¿ = #g).- _ Điều chỉnh góc Ø trong bai toán điều khiển độ sâu (phối hop với cánh nâng)

Hình 2.8 Lực tác động lên con trượt.Các thành phân lực tác động lên AUV được thể hiện trong hinh 2.9 Ta có phương trìnhđộng lực học như sau:

Thị Xm = Py + Frriction + screw (2.77)

Trong đó:m,: khôi lượng đối trọng.g: gia tốc trọng trường (9.98 m/s?)

T: moment động cơ.đ;:đường kính trung bình của ren.y: góc nâng ren Xác định theo công thức (6 /) tài liệu [13].0 :góc ma sat tương đương cặp ren vít Xác định theo công thức (77.35) tài liệu [13]Phương trình (2.81) có thé được viết thành:

Xm : toa độ khối nặng so với tâm AUV (trùng tâm nổi)