báo cáo thiết kế chế tạo robot lặn

MỤC LỤC: MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 3 PHẦN I : TÌM HIỂU ROBOT LẶN I.TỔNG QUAN VỀ ROBOT LẶN 4 Robot lặn HROV 4 Robot lặn ROV Kiel 6000 5 Robot lặn trong nhà máy điện hạt nhân 5 Robot cá của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật 5 Robot lặn được điều khiển bằng tay đầu tiên 6 Robot lặn biển (ROV Pilot)…………………………… ….… 6 PHẦN II : NỘI DUNG I.YÊU CẦU KỸ THUẬT CỦA ROBOT LẶN:…………… …………7 II.PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ………………………………… ……….7 1. Phương án 1…………………………………………….……….8 2. Phương án 2…………………………………………………… 8 3. Phương án 3………………………………………….………….9. 4. Lựa chọn phương án …………………………… ……….……10 III. LÀM KÍN NƯỚC CHO ĐỘNG CƠ…………………….….…… 11 1. Mô đun trục chân vịt………………………………….….…… 13 2. Module động cơ……………………………………….……… 14 3. Làm kín nước mô đun động cơ………………… …….………16 4. Chân vịt………………………………………… …….………18 5. Làm kín mặt sau của modul động cơ…………… …….………18 IV.MẠCH ĐIỀU KHIỂN ROBOT LẶN………………… ….….…… 19 1. Vi Điều Khiển …………………………………… ….….…… 19 2. Khối nguồn………………………….…………… …….………22 3. Khối điều khiển ……………….………………….…….……….22 4. Mạch nạp 23 5. Khối LCD hiển thị 25 6. Khối công suất 26 7. Khối cảm biến 27 8. Giao tiếp máy tính 28 9. GamePad 29 V. KIẾN NGHỊ 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO 2 LỜI NÓI ĐẦU. Sự phát triển nhanh chóng của xã hội làm nhu cầu của con người ngày càng nâng cao hơn,Không phải ngẫu nhiên mà du lịch đã trở thành ngành mang lại doanh thu ngoại tệ lớn thứ 3 tại Việt Nam, có được điều này cần phải kể đến các điểm đến du lịch nghỉ dưỡng biển các tỉnh duyên hải miền Trung như Đà Nẵng, Nha Trang và các điểm du lịch văn hóa như Hội An, Huế và Hạ Long. Mục tiêu trong tương lai của du lịch Việt Nam cũng cần hướng đến là phát triển du lịch thân thiện và bền vững với môi trường, với các sản phẩm du lịch đa dạng gắn liền với phát triển bền vững. Có được các thế mạnh với các điểm đến du lịch kể trên, chúng ta không thể không công nhận một điều là Việt Nam may mắn sở hữu một đường bờ biển dài và đẹp, nguyên sơ nhất Châu Á và đây là yếu tố quan trọng để Việt Nam xây dựng thương hiệu điểm đến du lịch biển. Tuy nhiên, những thế mạnh của biển vẫn chưa được khai thát hết, những dịch vụ thám hiểm,quan sát cảnh đẹp dưới đáy biển vẫn còn hạn chế trong khi nhu cầu của con người ngày càng tăng, từ nhu cầu phát triễn đa dạng hơn nữa các loại hình du lịch biển, và cùng với sự hướng dẫn của thầy ths Vũ Thăng Long nhóm 2 chúng tôi đã tìm hiểu và chế tạo chiếc robot lăn, nó có thể quan sát những cảnh vật dưới đáy biển, giúp ta khám phá được thế giới dưới đáy đại dương. Nhóm 2. 3 PHẦN I : TÌM HIỂU ROBOT LẶN. I.TỔNG QUAN VỀ ROBOT LẶN: Thám hiểm, dò tìm… trong điều kiện khắc nghiệt là công việc hết sức khó khăn và nguy hiểm đối với con người. Robot ra đời thay thế con người làm những công việc khó khăn đó.Có những con đang trong giai đoạn nghiên cứu thử nghiệm và có những con đã được sử dụng. Chúng không được sản xuất thương mại mà chủ yếu là sản xuất đơn lẻ, chuyên dụng nên thường giá thành của chúng rất đắt. Dưới đây là một số loại robot lặn trên thế giới: - Robot lặn HROV (viết tắt của Hybrid Remotely Operated Vehicle): Do các nhà khoa học ở Đại học Johns Hopkins và Viện Hải dương học Woods Hole đang nghiên cứu chế tạo và sẽ hoàn thành vào năm 2012. HROV được thiết kế theo hai kiểu, kiểu thứ nhất được kết nối với một loại vi cáp đặc biệt, dùng để cung cấp điện và để liên lạc với trung tâm. Với kiểu robot này, các nhà khoa học có thể thám hiểm do họ trực tiếp điều khiển mà không cần phải lặn xuống đáy biển. Kiểu robot thứ hai là loại thiết bị lặn hoạt động theo chương trình lập sẵn từ trước, có khả năng tự động khảo sát và thu thập dữ liệu trên một khu vực rộng lớn dưới đáy biển để chuyển về cho các nhà khoa học nghiên cứu và phân tích. Tuy nhiên robot HROV có kích thước lớn và chủ yếu dùng để tìm hiểu các vụ động đất và phun của núi lửa dưới lòng đại dương. 4 Hình 1: Robot HROV Hình 2: Robot ROV Kiel 6000 - Robot lặn ROV Kiel 6000: Được phát minh bởi các nhà nghiên cứu biển Đức, có thể xuống đến độ sâu 6.000m để chụp ảnh và lấy mẫu vật. ROV Kiel 6000” có hai cánh tay thủy lực có khả năng đo đạc, thu gom mẫu nước, mẫu trầm tích và đất đá ở đáy biển. Thông qua máy quay phim các nhà khoa học có thể ghi hình những loài sinh vật bí ẩn sống ở đáy biển sâu. Các dữ liệu và hình ảnh được truyền tức thời qua cáp quang tới người điều khiển rôbốt cũng như các nhà nghiên cứu trong khoang kiểm soát ở trên tàu nghiên cứu. Tuy nhiên Rôbốt lặn này rất nặng (khoảng 30 tấn) và rất đắt tiền (trị giá 3,2 triệu euro) và chỉ phù hợp cho nhà nghiên cứu muốn tìm hiểu cặn kẽ, chính xác đáy biển hy vọng phát hiện được những loài sinh vật bí ẩn và đặc biệt là phát hiện được “vàng trắng” Methanhydrat có giá trị kinh tế cao. - Robot lặn trong nhà máy điện hạt nhân: Robot do các nhà khoa học của Trung Quốc chế tạo, có chiều dài 42cm, rộng 19,8 cm, cao 13,8 cm và cân nặng 13,8 kg. Đây là robot đầu tiên thuộc loại này được sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân của Trung Quốc. Robot có thể lặn vào bể nước sâu 22m của lò phản ứng với điều kiện nước có tính axít yếu và độ phóng xạ hạt nhân thấp. Do di chuyển trên 6 bánh xe nên robot này chỉ thích hợp chạy trên các bề mặt đường tương đối bằng phẳng. - Robot cá của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật: Robot do nhóm sinh viên trường ĐH Sư phạm kỹ thuật TP.HCM chế tạo. Robot này đã thể hiện khá nhiều những 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 tròn trong bán kính 0,5m. Trong tương lai, robot này sẽ được cải tiến, trang bị thêm các cảm biến phát hiện vật cản để trở thành 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. 5 Hình 3: Robot trong nhà máy điện hạt nhân Hình 4: Robot cá -Robot lặn được điều khiển bằng tay đầu tiên: Trung Quốc sẽ thử nghiệm loại robot lặn được điều khiển bằng tay đầu tiên của mình ở độ sâu 7000m dưới mực nước biển, cho phép các nhà khoa học nước này thám hiểm ở những nơi khó đến nhất. Ông Sun Zhihui, Giám đốc Cơ quan Hải dương Trung Quốc nói rằng nếu thử nghiệm thành công trong năm nay thì đây sẽ là loại robot lặn được điều khiển bằng tay có thể lặn sâu nhất thế giới. Ông Sun cũng cho biết, robot lặn dưới đáy biển này có thể chở được 3 người mỗi lần xuống độ sâu nhất từ trước tới nay, có thể xuống sâu hơn 500m so với loại robot lặn sâu kỷ lục hiện nay. Việc lắp ráp robot này đã kết thúc năm 2008 và dự kiến bắt đầu các thử nghiệm phức tạp theo từng bước năm 2009. Đầu tiên là thử nghiệm ở độ sâu 2000m tới 3000m và cuối cùng là 7000m. Nếu thử nghiệm thành công ở độ sâu 7000m thì đó sẽ là kỷ lục vì từ trước tới nay chỉ có robot lặn được ở độ sâu 6500m. Độ sâu trung bình của các đại dương trên thế giới là 3790m. Các robot lặn dưới nước đóng vai trò quan trọng trong thám hiểm đáy đại dương và các cực Trái đất. Ngoài ra chúng còn được sử dụng trong các thí nghiệm dưới lớp băng hoặc những nơi có điều kiện nhiệt độ và áp suất đặc biệt để thu thập dữ liệu. - Robot lặn biển (ROV Pilot): - 6 Sản phẩm của công ty chuyên lắp ráp robot lặn biển đầu tiên ở Việt Nam, một thành viên trong 300 thành viên chính thức của Hiệp hội Thế giới các nhà thầu dưới đáy biển IMCA. Robot lặn biển là những “con” robot chuyên làm nhiệm vụ dưới đáy đại dương thay mặt con người, một công nghệ mới tới mức ngay cả quốc gia sản sinh ra nó là Anh quốc cũng chưa kịp đưa nó vào tự điển. Vậy mà đã có một người Việt Nam tiếp cận được công nghệ này, và trở thành đại diện duy nhất, đại lý độc quyền bán, huấn luyện và sửa chữa robot lặn biển tại Việt Nam cho tập đoàn chuyên sản xuất robot lặn biển của Anh quốc mang tên Hydro, Vision and Seaeye Marine (Nước, Tầm nhìn và Mắt biển). PHẦN II : NỘI DUNG I.YÊU CẦU KỸ THUẬT CỦA ROBOT LẶN: - Tốc độ di chuyển tiến lùi tối đa là 0.5m/s. - Tốc độ di chuyển lên xuống tối đa là 0.2m/s. - Dộ sâu lặn tối đa là 10m. - Có khả năng tự cân bằng tĩnh. II.PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ : 1. Phương án 1 : 7 Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý 1,2: Động cơ tiến lùi; 3,4,5,6: Động cơ lên xuống Nguyên lý: -Sử dụng 6 động cơ điện một chiều. -Trong đó: +Động cơ 1 và 2 được đặt phía sau bên trái và bên phải robot có nhiệm vụ giúp robot di chuyển tiến và lùi. Khi robot tiến lên ta điều khiển 2 động cơ trái và phải cùng quay thuận, khi robot lùi lại ta điều khiển 2 động cơ này đảo chiều, khi rẽ trái ta điều khiển động cơ phải quay theo chiều thuận và động cơ trái đảo chiều quay của mình, tương tự khi ta muốn rẽ phải ta cho động cơ bên trái quay theo chiều thuận, động cơ phải đảo chiều quay của mình. +Bốn động cơ còn lại có nhiệm vụ giúp robot lặn xuống và nổi lên. Khi robot lặn xuống theo phương thẳng đứng ta điều khiển 4 động cơ 3, 4, 5, 6 cùng quay theo chiều thuận. Khi muốn robot vừa tiến vừa lặn xuống ta điều khiển cùng 6 động cơ quay theo chiều thuận. Ưu điểm: - Lặn xuống và nổi lên, tiến lùi tương đối dễ dàng do sử dụng 6 động cơ. - Giữ được thăng bằng tốt trong quá trình điều khiển robot lặn ổn định. Nhược điểm: - Do sử dụng tới 6 động cơ điện một chiều nên robot sẽ cồng kềnh, khối lượng lớn. - Giá thành robot cao. 2. Phương án 2: 8 Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý 1,2,3: Động cơ lên xuống; 4,5: Động cơ tiến lùi Nguyên lý: -Sử dụng 5 động cơ điện một chiều. -Trong đó + 2 động cơ 4 và 5 được đặt phía bên hông bên trái và phải robot, có nhiệm vụ giúp robot di chuyển tiến và lùi. Khi robot tiến lên ta điều khiển 2 động cơ trái và phải cùng quay thuận, khi robot lùi lại ta điều khiển 2 động cơ này đảo chiều, khi rẽ trái ta điều khiển động cơ phải quay theo chiều thuận và động cơ trái đảo chiều quay của mình, tương tự khi ta muốn rẽ phải ta cho động cơ bên trái quay theo chiều thuận, động cơ phải đảo chiều quay của mình. +Ba động cơ còn lại có nhiệm vụ giúp robot lặn xuống và nổi lên. Khi robot lặn xuống theo phương thẳng đứng ta điều khiển 3 động cơ 1, 2, 3 cùng quay theo chiều thuận. Khi muốn robot vừa tiến vừa lặn xuống ta điều khiển cùng 5 động cơ quay theo chiều thuận,trong đó tốc độ quay động cơ 1 luôn nhỏ hơn tốc độ quay của động cơ 2 và 3. Ưu điểm: - Do sử dụng 5 động cơ DC nên quá trình di chuyển lặn xuống nổi lên tương đối dễ dàng. - Giữ được thăng bằng tương đối tốt trong quá trình điều khiển robot lặn xuống, do bố trí 3 motor thẳng đứng tại các đỉnh của tam giác đều tạo lực cân bằng. - Giá thành thấp hơn so với cách sử dụng 6 động cơ. Nhược điểm: Điều khiển vẫn còn phức tạp. 3.Phương án 3: -Bơm, hút nước vào khoang làm thay đổi trọng lượng, giúp robot lặn lên, lặng xuống. 9 Nguyên lý: Trong thân robot có chế tạo riêng một khoang chứa nước. Khi muốn chìm xuống ta chỉ cần bơm nước vào trong khoang, như vậy sẽ làm tăng trọng lượng của robot lên như vậy robot sẽ chìm xuống. Khi muốn nổi lên ta lại thay đổi trọng lượng bằng cách bơm nước trong khoang ra ngoài. Robot di chuyển tiến lùi thông qua hệ thống chân vịt và bánh lái. Ưu điểm: - Robot có thể nổi lơ lửng tại vị trí bất kì trong lòng nước do trọng lượng không bị thay đổi do tác động từ bên ngoài. - Khả năng làm kín nước tốt do sử dụng ít động cơ Nhược điểm: - Khó khăn trong việc chế tạo bơm thủy lực để hút và xả nước. - Tốc độ đáp ứng khi nổi và lặn chậm hơn sử dụng động cơ - Tính năng động lực học chưa đáp ứng yêu cầu phục vụ nuôi trồng thủy sản 3. Lựa chọn phương án : Qua phân tích các phương án được đưa ra, phương án 2 có nhiều ưu điểm và được chọn để thiết kế: 10 [...]... : Robot hoạt động với 5 động cơ điện một chiều 24V, công suất mỗi động cơ là 60W Các động cơ thực hiện các chức năng: Tạo nguồn động lực giúp robot di chuyển tiến lùi và chuyển động lên xuống Lực đẩy robot di chuyển được tạo ra nhờ chân vịt gắn trên đầu trục động cơ, chân vịt có đường kính cánh là 120mm, bước xoắn cánh quạt là 40o Do robot hoạt động trong môi trường nước nên động cơ được gắn lên robot. .. dùng ống nối trục chế tạo bằng gang 14 Hình 6 : Bản vẽ thiết kế ống nối trục Hình 7 : Sau khi chế tạo thành công 15 Hình 8 : Sau khi nối với động cơ và khớp mềm 3.Làm kín nước mô đun động cơ: Module làm gồm một ống ∅ 42 được tiện ren ngoài ở 2 đầu thân, với bước tiến ren là 2mm, chiều dài chạy ren là 25mm (hình 2.26), và 2 nắp đậy ∅ 55, 1 nắp được khoét một lỗ nhỏ ∅ 23 để liên kết với phần trục nối... nắp đậy được ăn khớp với nhau 4 Chân vịt: Chân vịt là phần giúp dẫn động cho robot để nó có thể di chuyển được dễ dàng Trong thiết kế này, chân vịt bằng inox được sử dụng, có đường kính cánh là 120mm, bước xoắn cánh quạt là 40 o Chân vịt sau khi được lựa chọn đã tiến hành chạy thử, kết quả thử nghiệm cho thấy chuyển động của robot khá tốt Hình 13 : Chân vịt 5 Làm kín mặt sau của modul động cơ: Việc làm... mềm bao bên ngoài dây tín hiệu, sau đó liên kết cứng ống mềm này với nắp bằng composite như vậy sẽ đảm bảo kín nước phần ống mềm với nắp, tiếp theo cần làm kín phần ống mềm và dây Như vậy khi cần tháo lắp chỉ cần tháo kết nối giữa dây điện và ống mềm mà không ảnh hưởng tới mối nối bên ngoài Hình 14 : Sau khi bọc ống mềm vào dây điện IV.MẠCH ĐIỀU KHIỂN ROBOT LẶN: Sơ đồ: 1.Vi Điều Khiển : AVR là họ vi... đầu ra tùy theo cách khai báo Do robot sử dụng 5 động cơ, và mỗi động cơ cần có 2 chân điều khiển (một chân kích relay đảo chiều, một chân kích IRF cho động cơ hoạt động), do đó 10 chân của vi điều khiển AVR được sử dụng để điều khiển đông cơ Để điều khiển tốc độ động cơ được như mong muốn ta sử dụng phương pháp PWM (điều chế độ rộng xung) Do vi điều khiển phần cứng chỉ có 3 chế độ 24 PWM, đo đó để điều... động cơ được như mong muốn ta sử dụng phương pháp PWM (điều chế độ rộng xung) Do vi điều khiển phần cứng chỉ có 3 chế độ 24 PWM, đo đó để điều khiển được tốc độ cho 5 động cơ của robot, trong thiết kế này đã phải sử dụng chế độ PWM mềm 4 Mạch nạp : Hình 4: Mạch nạp Kanda system STK200/+300 Phân tích Đây là mạch SPI đơn giản, đấu nối mạch qua cổng LPT của máy tính IC 74LS 244 có tác dụng làm IC đệm... cáp: Mini DIN43650 Đặc điểm khác Pressure port: PT1/4" Thân vỏ thép không gỉ Chịu rung 20G, 20~200Hz Xuất xứ Korea 32 Mạch chuyển đổi dòng sang áp : 33 V KIẾN NGHỊ : Mặc dù robot được chế tạo có khá nhiều ưu điểm như trên, tuy nhiên robot vẫn còn mắc phải một số giới hạn cần tiếp tục nghiên cứu - Nghiên cứu phương pháp truyền tín hiệu điều khiển không dây - Bổ sung thêm nhiều loại cảm biến - Phát triển... module động cơ 1: Nắp làm kín phía trước; 2: Động cơ; 3: Vỏ động cơ; 4: Vỏ làm kín phía sau; 5: Chân vịt; 6: Vòng liên kết giữa module và khung robot; 7: Ống nối trục; 8: Thanh nối giữa hai ống nối trục; 9: Trục nối động cơ và chân vịt ; 10:Đai ốc 1 Mô đun trục chân vịt : Năp làm kín này cấu tạo gồm: hai ổ bi chặn kích thước 8 x 22, 2 phốt chắn dầu kích thước 8 x 22, 1 ống bao ngoài bằng nhựa PVC kích thước... đều có chế độ pull_up resistors - Giao tiếp SPI - Giao diện I2C - Có 8 kênh ADC 10 bit - 1 bộ so sánh analog - 4 kênh PWM 22 - 2 bộ Timer/Counter 8 bit, 1 bộ Timer/Counter 16 bit - 1 bộ định thời Watchdog - 1 bộ truyền nhận UART lập trình được d Mô tả các chân: - Vcc và GND: Cấp nguồn cho vi điều khiển hoạt động - Reset: chân reset cứng khởi động lại mọi hoạt động của hệ thống - XTAL1, XTAL2: Tạo bộ... biến : 27 Khối cảm biến nhiệt độ Hình 9: Cảm biến áp suất 28 8 Giao tiếp máy tính : a Mạch nguyên lý : Hình 11: Sơ đồ nguyên lý khối truyền thông b.Phân tích : -IC RS232 được sử dụng làm thiết bị chuyển đổi mức điện áp để tạo ra một chuẩn giao tiếp giữa VĐK với máy tính -Tín hiệu từ chip AVR thường theo mức TTL: mức logic high là 5, mức low là 0V Trong khi đó, tín hiệu theo chuẩn RS232 trên máy tính cá . TÌM HIỂU ROBOT LẶN I.TỔNG QUAN VỀ ROBOT LẶN 4 Robot lặn HROV 4 Robot lặn ROV Kiel 6000 5 Robot lặn trong nhà máy điện hạt nhân 5 Robot cá của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật 5 Robot lặn được. và chế tạo chiếc robot lăn, nó có thể quan sát những cảnh vật dưới đáy biển, giúp ta khám phá được thế giới dưới đáy đại dương. Nhóm 2. 3 PHẦN I : TÌM HIỂU ROBOT LẶN. I.TỔNG QUAN VỀ ROBOT LẶN: Thám. kinh tế cao. - Robot lặn trong nhà máy điện hạt nhân: Robot do các nhà khoa học của Trung Quốc chế tạo, có chiều dài 42cm, rộng 19,8 cm, cao 13,8 cm và cân nặng 13,8 kg. Đây là robot đầu tiên