Nghiên cứu, thiết kế mô hình tàu ngầm

Kể từ khi chiếc tàu ngầm chiến đấu đầu tiên trên thế giới ra đời ở Mỹ vào thế kỷ 18, với sự phát triển mạnh mẽ của Khoa học-Công nghệ, nhất là trong lĩnh vực điều khiển và truyền thông, ngày nay, tàu ngầm không chỉ được phát triển trong lĩnh vực quân sự mà nó còn được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau.

MỤC LỤC

Lời nói đầu

Kể từ khi chiếc tàu ngầm chiến đấu đầu tiên trên thế giới ra đời ở Mỹ vào thế kỷ 18, với sự phát triển mạnh mẽ của Khoa học-Công nghệ, nhất là trong lĩnh vực điều khiển và truyền thông, ngày nay, tàu ngầm không chỉ được phát triển trong lĩnh vực quân sự mà nó còn được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau Trong vận chuyển hàng hải và nghiên cứu khoa học ở đại dương cũng như ở vùng nước ngọt, nó giúp đạt tới độ sâu vượt quá khả năng lặn của con người, nó có thể làm việc được trong môi trường độc hại, những điều kiện khắc nhiệt mà con người không thể làm được Đặc biệt, ngày nay, các mô hình tàu ngầm còn đang được phát triển trong ngành du lịch khám phá sự đa dạng của đại dương…

Mặc dù tầm quan trọng và vai trò của tàu ngầm thì ai cũng biết tuy nhiên trên thế giớinhững quốc gia có thể sản suất chế tạo tàu ngầm là không nhiều đặc biệt là trong lĩnh vực quân sự chỉ có một số nước như Mĩ, Nga, Anh, Đức…Trong vài năm trở lại đây do tình hình bất ổn trên thế giới, chạy đua vũ trang và ước muốn chinh phục đại dương mà tàu ngầm được rất nhiều nước mua về từ những nước trên tuy nhiên giá của nó khá đắt tới phải

bỏ ra hằng trăm triệu tới vài tỉ USD cũng chưa chắc có thể mua được một chiếc tàu

ngầm…

Ở Việt Nam tài liệu về lĩnh vực này còn hạn chế, và đây là một lĩnh vực khó nên tàungầm còn ít được nghiên cứu Vì vậy, đề tài “ Nghiên cứu, thiết kế mô hình tàu ngầm ”thực sự là một thử thách Tuy nhiên đó cũng chính là động lực để nhóm làm việc Nhómbọn em hi vọng và tin tưởng rằng đề tài này sẽ là một trong những viên gạch đầu tiên để

một tương lai không xa nước Việt Nam chúng ta có thể nghiên cứu chế tạo thành công tàungầm cho việc nghiên cứu khoa học, phát triển kinh tế và giữ vững an ninh quốc phòng.Qua đề tài, các thành viên của nhóm đã phát triển được nhiều kĩ năng như làm việc nhóm,cách tiếp cận với vấn đề mới, cách giải quyết vấn đề…Hơn thế nữa trong quá trình làm đềtài, nhóm đã vận dụng được những kiến thức đã học như thiết kế cơ khí, lập trình điềukhiển, truyền thông, thiết kế hệ thống… để giải một bài toán rất thực tế.

Sau một thời gian làm đồ án nhóm chúng em đã hoàn thành được một số nhiệm vụ của đồ án, nhưng để có được thành quả đó không thể không nói đến sự động viên giúp đỡ của gia đình, bạn bè và sự chỉ bảo tận tình của các thầy cô Chúng em xin chân thành cảm

ơn gia đình, bạn bè và thầy cô đã giúp đỡ chúng em suốt thời gian làm đồ án vừa qua, và đặc biệt chúng em xin gửi lời cảm ơn đến:

- Thầy Lưu Vũ Hải – Giảng viên ngành Cơ điện tử, trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội– Người đã trực tiếp hướng dẫn chúng em thực hiện đồ án này

- Các thầy trong Trung tâm Việt-Hàn trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội, đặc biệt là thầy Đàm Quang Hưng đã nhiệt tình tư vấn và giúp đỡ chúng em thực hiện mô hình cơ khí của đề tài

- Các bác công nhân trong Xưởng cơ khí HanSon, thị trấn Phùng-Hoài Đức-Hà Nội

đã nhiệt tình giúp đỡ chúng em gia công mô hình cơ khí

Do thời gian có hạn nên cũng không thể tránh được những sai sót trong quá trình làm

đề tài Nhóm mong được những ý kiến đóng góp của các thầy cô và các bạn để có thể hoànthiện đề tài tốt hơn

Xin chân thành cảm ơn

Hà Nội, tháng 12 năm 2011

Sinh viên thực hiện:

Trần Thế Hiếu Nguyễn Văn Tập Trần Hữu Hà

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG

1.1)Giới thiệu chung

1.1.1 Tầm quan trọng

Tàu ngầm là một loại phương tiện đặc biệt hoạt động dưới nước Ngày nay, tàu ngầm đã được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực quân sự, vận chuyển hàng hải, trong nghiên cứu khoa học và đang được phát triển trong ngành du lịch Nó giúp đạt đến độ sâu

mà con người không thể lặn tới được, các môi trường độc hại

1.1.2 Nguyên lí hoạt động

Nguyên lý hoạt động của tàu ngầm dựa vào hai định luật cơ bản của Vật lý:

Định luật Ac-si-mét: Với bất cứ một vật nào chìm trong nước, đều chịu một lực đẩy, thẳng đứng, hướng lên trên và có độ lớn đúng bằng phần chất lỏng mà vật đang chiếm chỗ

Định luật Pascal: Áp suất mà một bề mặt phải chịu tỉ lệ thuận cùng lực tác dụng lên

bề mặt, tỉ lệ nghịch với diện tích bề mặt đó

Đối với một tàu ngầm thông thường, có hai lớp vỏ, lớp vỏ trong dầy hơn nhiều và cũng là lớp vỏ của khoang nhân viên, giữa hai lớp vỏ là khoang trống có chứa các giàn ép nước Khi tàu nổi thì khoang giữa hai lớp vỏ này trống, khi muốn tàu lặn thì có một van phía trên sẽ mở, nước tràn vào khe giữa hai vỏ làm khối lượng tàu tăng lên, chìm xuống

Các giàn ép phía trong khoang giữa hai vỏ này có nhiệm vụ dồn không khí vào chiếm chỗ nước để tàu nổi lên.

Do điều kiện còn hạn chế nên đề tài trong đồ án này là một mô hình tàu ngầm với cácchức năng cơ bản như: lặn-nổi dựa trên cơ chế hút-xả nước của hệ thống hai xi-lanh vít

me, di chuyển trong nước nhờ hệ thống các động cơ gắn trên tàu (động cơ đẩy, động cơ chân vịt, động cơ cân bằng lực) Ngoài ra, mô hình này còn có một hệ thống cảm biến, bao gồm: cảm biến gia tốc xác định góc nghiêng giúp tàu giữ thăng bằng Cảm biến nhiệt độ, cảm biến siêu âm để lấy tín hiệu hiển thị trên máy tính Cảm biến tiệm cận giúp tàu chánh vật cản hoạt động an toàn và một camera quan sát giúp cho việc điều khiển dễ dàng hơn

1.2 Các vấn đề đặt ra

Đề tài nhằm mục đích nghiên cứu vì vậy các vấn đề cần giải quyết của đề tài bao gồm

1.2.1 Thiết kế cơ khí bao gồm 2 phần:

 Phần vỏ với yêu cầu nhỏ gọn, thẩm mỹ, đảm bảo độ kín, độ cứng và đặc biệt là phải phù hợp với điều kiện gia công

 Hệ thống tấm gá bên trong tàu phải bố trí hợp lý để gá đặt các động cơ, nguồn năng lượng, hệ thống xi lanh và các mạch điện tử, các hệ thống cảm biến…1.2.2 Thiết kế mạch gồm các modul rời dễ dàng trong việc lắp rắp thay thế khi có sự cố

Bao gồm mạch main,công suất,các mạch cảm biến,mạch RF,mạch kết nối máy tính

và mạch điều khiển bằng nút bấm

1.2.3 Lập trình

1.2.3.1 Sử lí các bài toán nhỏ

 Điều khiển tốc độ và đảo chiều động cơ bằng nút bấm

 Nhận và hiển thị các giá trị của cảm biến nhiệt đô, siêu âm, tiệm cận gia tốc hiển thị lên LCD

 Lưu trữ các giá trị đo được vào EEROM của vđk

 Dồn kênh các tín hiệu từ nút bấm

 Lập trình điều khiển bằng thuật toán PID

 Truyền tín hiệu data thông qua mạch RF

 Lập trình gửi dữ liệu từ VDK lên máy tính

 Lập trình hiển thị thông qua phần mềm visual basic

1.2.3.2 Ghép nối các bài toán nhỏ ở trên thành hệ thống hoàn tất điều khiển đưa ra

phương pháp điều khiển tối ưu cho tàu ngầm

1.3)Phương pháp nghiên cứu.

1.3.1 Phần cơ khí

 Thiết kế và mô phỏng trên máy tính

 Đưa ra giải pháp tối ưu tránh lãng phí và dễ dàng trong việc chọn vật liệu và giacông

 Chọn vật liệu và linh kiện sẵn có trên thị trường.

 Sử lí bài toán động lực học và nghiên cứu kết cấu an toàn cho tàu khi hoạt độngdưới nước

1.3.2 Phần mạch

 Tìm hiểu kĩ datasheet của các linh kiện sử dụng trong mạch

 Tính toán lựa chọn các cảm biến sử dụng trong mạch

 Tham khảo các mạch robocon, đồ án như “Ứng dụng RF trong điều khiển và truyền thông không dây, Ứng dụng của cảm biến siêu âm trong đo khoảng cách,

Đo lường và điều khiển bằng máy tính…”

 Test và mô phỏng các mạch trước khi làm mạch thực tế

1.3.3 Phần lập trình

 Giải quyết các bài toán nhỏ như đã nêu

 Lập trình mô mỏng trên phần mềm

 Tổng hợp đưa ra phương pháp điều khiển tối ưu

1.3 Phạm vi và giới hạn của đề tài.

Trong khuôn khổ của đề tài với yêu cầu nghiên cứu, thiết kế, mô hình hóa trên lý thuyết cùng với thời gian hạn chế nên phạm vi và giới hạn của đề tài như sau:

 Xây dựng mô hình cơ khí và các mạch điện tử đơn giản, ổn định, phù hợp với điều kiện gia công thực tế

 Sử dụng các loại động cơ phù hợp

 Sử dụng cảm biến siêu âm dưới nước để xác định khoảng cách, cảm biến tiệm cận để xác định giới hạn lặn, cảm biến gia tốc để điều chỉnh cân bằng, cảm biến nhiệt độ để lấy giá trị nhiệt độ trong thân tàu

 Điều khiển từ xa bằng sóng RF

 Tuyền thông không dây bằng sóng RF

 Giao tiếp và hiển thị bằng máy tính

 Sử dụng camera để quan sát dưới nước

Chương II TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TÀU NGẦM

2.1 Giới thiệu chung về tàu ngầm

2.1.1 Tổng quan về lịch sử phát triển

Người ta đã coi C.V.Drebbel, nhà vật lý, người phát minh ra nhiệt kế, sống ở cung vua Anh Jacques I, thái phó của các hoàng tử và công chúa của quốc vương, là cha đẻ của tàu ngầm đầu tiên.

Năm 1624, Van Drebbel đã cho chế tạo một tàu ngầm có dạng quả trứng, bằng gỗ, được đẩy đi bởi mười hai người chèo thêm vào thủy thủ đoàn, mà ông đã thử trên sông Thames trước sự ngạc nhiên của mọi người

Vào thế kỷ 18, ở Mỹ, trong thời gian nước này bị quân Anh chiếm đóng, chiếc tàu ngầm chiến đấu đầu tiên trên thế giới ra đời Đó là kỹ sư hàng hải David Busnell - một họcviên xuất sắc vừa tốt nghiệp trường Đại học Tổng hợp Ielsk đã nảy ra ý tưởng chế tạo một chiếc tàu đặc biệt Chiếc tàu này có thể đi ngầm dưới mặt nước, bí mật mang mìn tiếp cập

và đánh chìm các tàu chiến to lớn của Hải quân Anh, giải phóng thành phố Vào thời gian

đó, khi khoa học-kỹ thuật công nghệ chưa phát triển thì việc chế tạo tàu ngầm đã gặp hàng loạt rắc rối lớn

Đến mùa xuân năm 1776, chiếc tàu ngầm chiến đấu đầu tiên trên thế giới ra đời Nó

có hình quả trứng Cao: 2 mét Đường kính thân rộng: 0,9 mét Kíp chiến đấu chỉ có đúng 1 người Nhân viên duy nhất kiêm nhiệm tất cả các nhiệm vụ, chức năng: Thuyền trưởng, lái tàu, hoa tiêu, thợ máy và thủy thủ chiến đấu

Năm 1893, Simon Lake(1867-1945) đã phác họa hình ảnh một chiếc tầu ngầm

phóng thủy lôi vào một tàu chiến

Trong suốt thời gian này đã có rất nhiều các nhà khoa học đã nghiên cứu, thiết kế các mô hình tàu ngầm khác nhau nhưng mục đích chung và duy nhất là phục vụ cho quân sự

Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học-công nghệ, nhất là trong lĩnh vực điều khiển

và truyền thông, ngày nay, tàu ngầm không chỉ được phát triển trong lĩnh vực quân sự mà

nó còn được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau Trong vận chuyển hàng hải và nghiên cứu khoa học ở đại dương cũng như ở các vùng nước ngọt, nó giúp đạt tới độ sâu vượt quá khả năng lặn của con người Đặc biệt, ngày nay, các mô hình tàu ngầm còn đang được phát triển trong ngành du lịch khám phá sự đa dạng của đại dương

2.1.2 Nguyên lý hoạt động của tàu ngầm

2.1.2.1 Các định luật cơ bản

Nguyên lý hoạt động của tàu ngầm dựa vào hai định luật cơ bản trong Vật lý:

 Định luật Ac-si-mét: Với bất cứ một vật nào chìm trong nước, đều chịu một lực đẩy, thẳng đứng, hướng lên trên và có độ lớn đúng bằng phần chất lỏng mà vật đang chiếm chỗ.

 Định luật Pascal: Áp suất mà một bề mặt phải chịu tỉ lệ thuận cùng lực tác dụng lên

Những tàu lặn động lực là những tàu ngầm mà vốn đã có sẵn tính nổi, chúng luôn

có khả năng tự nổi Loại tàu này thiết kế lặn được nhờ kết hợp tốc độ (chuyển động) của tàu cùng với các cánh lặn để đẩy tàu xuống dưới mặt nước Điều này giống hệt như khi máy bay cất cánh và bay

Những tàu ngầm static diving lặn xuống được bởi sự tự thay đổi tính nổi của tàu nhờ bơm nước vào các két dằn Tính nổi theo đó thay đổi từ dương sang âm và tàu bắt đầu chìm xuống Loại tàu này không cần chuyển động để lặn, chính vì thế phương pháp này được gọi là static diving Để việc lặn xuống của tàu được thuận lợi thì việc bố trí các két dằn có vai trò rất quan trọng.Có 3 các bố trí két dằn:Bên trong lớp vỏ chịu áp, bên ngoài lớp vỏ chịu áp,ở giữa vỏ ngoài và lớp vỏ chịu áp

2.1.2.3 Nguyên lý lặn sử dụng trong đề tài

Mô hình tàu ngầm trong đề tài này sử dụng cơ chế lặn tĩnh lực (static diving) Tuy nhiên do điều kiện gia công không cho phép nên trong mô hình này, hệ thống chứa nước chúng em đã sử dụng 2 xi lanh thủy lực thay cho các két dằn (khoang chứa)

Cơ chế: Động cơ truyền động qua vít me đai ốc tới xi lanh hút và bơm nước Nước được chứa trực tiếp trong xi lanh Ngoài ra, trong tàu chúng em còn bố trí thêm tải trọng nhằm ứng dụng trong thực tế Do đó, tùy theo lượng nước bơm vào hoặc xả ra trong 2 xilanh mà tàu có thể lặn xuống hoặc nổi lên

Nguyên lý hoạt động : Cân bằng và thay đổi 2 lực là trọng lực và lực đẩy Acsimet (hay lực nổi)

- Lực đẩy Acsimet (cố định): P = γ.V

Trong đó: {V là phần thể tích của tàu chìm trong n ư ớc γ làtrọng lư ợngriêng của chất lỏng

Trọng lực có thể thay đổi được dựa trên nguyên lý chênh lệch trọng lượng riêng giữa nước

và không khí

P = Ptàu + Ptđ

Trong đó, Ptàu cố định, Ptđ thay đổi nhờ lượng nước hút hoặc xả trong 2 xilanh:

Ptđ = γH2O.VH2O + γKK.VKK

Muốn tàu nổi lên thì dùng động cơ truyền chuyển động tới xinh lanh qua hệ thống vít

me đẩy nước ra khỏi xilanh làm VH2O giảm đi và Vkk tăng lên đồng nghĩa với Ptđ(trọng lực thay đổi sẽ giảm đi) làm cho Ptd >P

2.1.3 Thiết bị điều khiển

Có 2 dạng điều khiển chính:

- Remotely operated Vehicle : có điều khiển bằng dây.

- Autonomous underwater vehicle : điều khiển bằng truyền sóng tín hiệu.

Trong đề tài này, chúng em lựa chọn phương pháp điều khiển bằng truyền sóng tín hiệu, mà cụ thể là truyền tín hiệu thông qua sóng RF, bởi một số ưu điểm sau:

- Truyền xa với khoảng cách khoảng 30m hoặc có thể lên tới 100m.

- Truyền xuyên tường, kính…

2.2 Giới thiệu về điều khiển từ xa bằng tần số vô tuyến (RF)

2.2.1 Khái niệm

Sóng RF (Radio Frequency) còn gọi là tần số sóng radio Sóng RF được dùng trong

để truyền dữ liệu, là một cầu nối trong không gian để chuyển thông tin đến và đi, là một trong những công nghệ không dây thiết thực đang chiếm một phần quan trọng trực tiếp trong đời sống hiện tại của chúng ta

2.2.2 Nguyên lý hoạt động

2.2.2.1 Mạch phát RF

Thường dùng là loại module phát OOK (On/Off keyring) và ASK(Điều bi chuyển các tín hiệu dạng số 1 và 0 thành trạng thái có hoặc không có tín hiệu ở phần mạch thu

Ăngten phát giúp làm tăng khả năng phát xa các tín hiệu ra môi trường được thiết

kế hợp lý tương ứng với tần số hoạt đang hoạt động

Để loại bỏ các nhiễu môi trường phía mạch phát cần phát 1 chuỗi tín hiệu liên tục trong khoảng thời gian (tùy vào mạch thu, thường 25ms) trước khi chính thức phát dữ liệu,điều này sẽ đảm bảo mạch thu thu đúng dữ liệu từ phía mạch phát Đây là bước cần thiết

để chỉnh lại độ lợi (Gain) cho bộ thu trước khi hoạt động

Độ nhạy của mạch thu cũng phụ thuộc rất nhiều vào Ăngten

2.2.3 Giới thiệu chung về PT2262 và PT2272

PT2262 và PT2272 là sản phẩm của Princeton Technology được phát triển và ra đời sau dòng mã hóa 12E/D của hãng Holtek

PT2262 có 2 loại chính : loại có 8 địa chỉ mã hóa , 4 địa chỉ dữ liệu và loại có 6 địa chỉ mã hóa và 6 địa chỉ dữ liệu Thông dụng nhất ở VN là loại 8 địa chỉ mã hóa + 4 địa chỉ

dữ liệu

PT2272 cũng có 2 kiểu : PT2272 có 8 địa chỉ giải mã và 4 dữ liệu đầu ra Thường được kí hiệu : PT2272 - L4; và một loại nữa là PT2272 có 6 địa chỉ giải mã và 6 giữ liệu ra: kí hiệu PT2272 - L6 Ở Việt Nam thông dụng nhất là loại L4

2.3 Hệ thống cảm biến

2.3.1 Cảm biến nhiệt độ LM_35

2.3.1.1 Giới thiệu chung

LM35 là cảm biến nhiệt độ có độ chính xác cao và điện áp đầu ra tuyến tính tỷ lệ thuận với nhiệt độ (°C) LM35 do đó có lợi thế hơn các cảm biến nhiệt độ tuyến tính được hiệu chỉnh trong độ Kelvin, người sử dụng là không bắt buộc phải trừ đi một điện áp lớn liên tục từ đầu ra của nó để có được nhân rộng LM35 không đòi hỏi bất kỳ hiệu chỉnh bên ngoài để cung cấp độ chính xác điển hình của ± ¼ ° C ở nhiệt độ phòng và ± ¾ ° C trên toàn dải đo từ -55 đến 150 °C Trở kháng đầu ra của LM35 thấp, đầu ra tuyến tính, và hiệu chuẩn vốn có chính xác làm cho giao tiếp với mạch đặc biệt là dễ dàng đọc ra hoặc kiểm soát Nó có thể được sử dụng với nguồn cung cấp năng lượng duy nhất, hoặc với nguồn thêm Dòng hoạt động nhỏ chỉ khoảng 60 μAA Nhiệt đọ tự sưởi thấp ít hơn 0,1°C trong không khí tĩnh.

2.3.1.2 Thông số kỹ thuật

- Hiệu chỉnh trực tiếp °C

- Độ nhạy 10,0 mV / °C

- Dải đo đầy đủ -55 đến 150 °C

- Điện áp hoạt động từ 4 đến 30 volt

- Độ phi tuyến < ± ¼ °C ở dải đo 0-100 °C

2.3.2.1 Giới thiệu chung

SRF05 là một bước phát triển từ SRF04, được thiết kế để làm tăng tính linh hoạt, tăng pham vi, ngoài ra còn giảm bớt chi phí SRF05 là hoàn toàn tương thích với SRF04 Khoảng cách là tăng từ 3 mét đến 4 mét Một chế độ hoạt động mới, SRF05 cho phép sử dụng một chân duy nhất cho cả kích hoạt và phản hồi, do đó tiết kiệm có giá trị trên chân điều khiển của bạn Khi chân chế độ không kết nối, SRF05 các hoạt động riêng biệt chân kích hoạt và và chân hồi tiếp, như SRF04 SRF05 bao gồm một thời gian trễ trước khi xung phản hồi để mang lại điều khiển chậm hơn chẳng hạn như bộ điều khiển thời gian cơ bản Stamps và Picaxe để thực hiện các xung lệnh

2.3.2.2 Sơ đồ chân của cảm biến

2.3.2.3 Các chế độ hoạt động

Chế độ 1: Tương ứng SRF04 là tách biệt giữa tín hiệu kích hoạt và phản hồi Chế độ náy

sử dụng riêng biệt chân kích hoạt và chân phản hồi, và là chế độ đơn giản nhất để sử dụng Tất cả các chương trình điển hình cho SRF04 sẽ làm việc cho SRF05 ở chế độ này Để sử dụng chế độ này ta phải sử dụng tới 2 chân điều khiển

Từ giản đồ trên ta nhận thấy:

Để cho SF05 hoạt động thì cần cấp 1 xung mức cao có độ rộng>=10uS trên chân Trigger Sau khi nhận được xung từ chân Trigger thì SRF05 sẽ tạo ra 8 xung để phát siêu âm, sau khi hoàn thành việc phát 8 xung này thì SRF05 sẽ kéo chân echo lên mức 1, độ rộng của mức 1 trên chân echo tương ứng với khoản cách của vật cản với SRF05, nếu ko có vật cản thì nó sẽ được trả về mức 0 sau 30ms ( ở đây nhiều người thường hiểu sai là khi có vật cản thì SRF05 mới trả về 1 xung mức cao có độ rộng từ 100uS ->30mS tương ứng với khoảng cách) Đặc biệt là SRF05 chỉ có thể nhận xung trên chân Trigger tối đa là 20Hz, cho nên việc kích xung trên chân Trigger phải phù hợp thì SRF05 mới hoạt động chính xác

Chế độ 2: Dùng một chân cho cả kích hoạt và phản hồi

Chế độ này sử dụng một chân duy nhất cho cả tín hiệu kích hoạt và hồi tiếp, và được thiết

kế để lưu các giá trị trên chân lên bộ điều khiển nhúng Để sử dụng chế độ này, chân chế

độ kết nối vào chân mát Tín hiệu hồi tiếp sẽ xuất hiện trên cùng một chân với tín hiệu kíchhoạt SRF05 sẽ không tăng dòng phản hồi cho đến 700uS sau khi kết thúc các tín hiệu kíchhoạt Bạn đã có thời gian để kích hoạt pin xoay quanh và làm cho nó trở thành một đầu vào và để có pulse đo mã của bạn đã sẵn sàng Lệnh PULSIN được tìm ra và được dùng phổ biến hiện nay để điều khiển tự động

Để sử dụng chế độ 2 với các Stamps BS2 cơ bản, bạn chỉ cần sử dụng PULSOUT

và PULSIN trên cùng một chân, như thế này:

SRF05 PIN 15 sử dụng pin cho cả hai và kích hoạt echo

Range VAR Word xác định phạm vi biến 16 bit

PULSOUT SRF05, 5 đưa ra kích hoạt pulse 10uS (5 x 2uS)

PULSIN SRF05, 1, Range echo đo thời gian

Range = Range/29 để chuyển đổi sang cm(chia 74 cho inch)

2.3.2.4 Tính toán khoảng cách

Giản đồ định thời SRF05 thể hiện trên đây cho mỗi chế độ Bạn chỉ cần cung cấp một đoạn xung ngắn 10us kích hoạt đầu vào để bắt đầu đo khoảng cách Các SRF05 sẽ gửi cho ra một chu kỳ 8 xung của siêu âm ở tần số 40khz và tăng cao dòng phản hồi của nó (hoặc kích hoạt chế độ dòng 2) Sau đó chờ phản hồi, và ngay sau khi phát hiện nó giảm các dòng phản hồi lại Dòng phản hồi là một xung có chiều rộng là tỷ lệ với khoảng cách đến đối tượng Bằng cách đo xung, ta hoàn toàn có thể để tính toán khoảng cách theo inch /

centimét hoặc bất cứ điều gì khác Nếu không phát hiện gì cả SRF05 giảm thấp hơn dòng phản hồi của nó sau khoảng 30ms SRF04 cung cấp một xung phản hồi tỷ lệ với khoang cách Nếu độ rộng của pulse được đo trong hệ uS, sau đó chia cho 58 sẽ cho khoảng cách theo cm, hoặc chia cho 148 sẽ cho khoảng cách theo inch us/58 = cm hay uS/148 = inch SRF05 có thể được kích hoạt nhanh chóng với mọi 50mS, hoặc 20 lần mỗi giây Bạn nên chờ 50ms trước khi kích hoạt kế tiếp, ngay cả khi SRF05 phát hiện một đối tượng gần và xung phản hồi ngắn hơn Điều này là để đảm bảo các siêu âm "beep" đã phai mờ và sẽ không gây ra sai phản hồi ở lần đo kế tiếp

2.3.2.5 Hoạt động phát và nhận phản hồi sóng âm cơ bản của SRF05

Nguyên tắc cơ bản của sonar: là tạo ra một xung âm thanh điện tử và sau đó

lắng nghe tiếng vọng tạo ra khi các làn sóng âm thanh số truy cập một đối tượng và

được phản xạ trở lại Để tính thời gian cho phản hồi trở về, một ước tính chính xác

có thể được làm bằng khoảng cách tới đối tượng Xung âm thanh tạo ra bởi SRF05

là siêu âm, nghĩa là nó là ở trên phạm vi nhận xét của con người Trong khi tần số

thấp hơn có thể được sử dụng trong các loại ứng dụng, tần số cao hơn thực hiện tốt

hơn cho phạm vi ngắn, nhu cầu độ chính xác cao

Phạm vi hoạt động:

Một kỹ thuật phổ biến để làm giảm các điểm mù và đạt được phát hiện chiều rộng lớn hơn ở cự ly gần là thêm một cải tiến bằng cách thêm một đơn vị SRF05 bổ sung và gắnkết của hai đơn vị hướng về phía trước Thiết lập như vậy thì có một khu vực mà hai khu vực phát hiện chồng chéo lên nhau

2.3.3 Cảm biến gia tốc MMA7455L

2.3.3.1 Giới thiệu chung

- Ngõ ra Digital (I2C/SPI) – 10 bit ở Mode 8g (g là gia tốc trọng trường).

- Kích thước: 3mm x 5mm x 1mm, đóng gói 14 chân LGA

- Dòng tiêu thụ thấp 400µA

- Chức năng Self Test trục Z

- Điện áp vận hành thấp 2.4V – 3.6V

- Sử dụng các thanh ghi User Assigned để chỉnh Offset

- Lập trình giá trị ngưỡng cho phép ngắt

- Phát hiện chuyển động: Shock, dao động, rơi

- Phát hiện xung: xung đơn và xung kép.

- Độ nhạy: 64 LSB/g @ 2g và @ 8g ở 10;Bit Mode

- 3: NC, không dùng, để hở hoặc nối đất

- 4:IADDR0, Bit 0 của địa chỉ I2C

- 5: GND, nối đất

- 6: AVdd, nguồn Analog

- 7: CS, Chip Select, chọn kiểu truyền thông: mức 0 cho SPI, mức 1 cho I2C

- 8: INT1/DRDY, ngắt 1 và báo Data Ready

- 9: INT2, Ngắt 2

- 10: NC, không dùng, để hở hoặc nối đất

- 11: Reserved, dự trữ, nối đất

- 12: SDO, dữ liệu ra trong truyền thông nối tiếp kiểu SPI

- 13: SDA/SDI/SDO, dữ liệu truyền thông nối tiếp kiểu I2C (SDA) / dữ liệu vào của

truyền thông SPI (SDI) / dữ liệu ra của truyền thông nối tiếp kiểu 3;wire

- 14: SCL/SPC, xung clock của truyền thông nối tiếp I2C (SCL) hay SPI (SPC) 2.3.3.3 Sơ đồ khối

2.3.3.4 Thông số hoạt động.

3 Bảng 1.1: Các giá trị tối đa cho phép

- Nguồn Analog: AVDD 2.4 V ; 3.6 V (tiêu chuẩn 2.8V)

- Nguồn digital: DVDD_IO 1.71 V – AVDD (tiêu chuẩn 1.8 V)

- Dòng tiêu thụ: IDD khoảng 400μAA, tối đa 490μAA Ở chế độ Stand by IDD khoảng

C = A ε

D

Với A là diện tích các miếng ngăn, Aε là hằng số điện môi, D là khoảng cách giữa các tấm

Giá trị điện áp ngõ ra tỉ lệ với gia tốc đo được

Từ giá trị gia tốc, ta có thể tích phân đơn để có giá trị vận tốc hay tích phân 2 lớp

để xác định vị trí của vật thể Gia tốc tĩnh do lực hấp dẫn có thể được dùng để xác định góc

và độ nghiêng

Từ đây ta có giải thuật xác định góc nghiêng Tilt:

Với S là độ nhạy

2.3.4 Cảm biến quang điện PRL30-15DN2.

2.3.4.1 Giới thiệu chung

Cảm biến quang điện sử dụng tia sáng để phát hiện sự hiện diện hoặc vắng mặt của đối tượng Công nghệ này là một ý tưởng khác với Cảm biến tiệm cận cảm ứng khi mà đòi hỏi khoảng cách phát hiện dài hơn hoặc khi vật để cảm biến không phải là kim loại Autonics

có 4 kiểu thông dụng thuộc dòng sản phẩm Cảm biến quang điện được thiết kế với kỹ thuậttiên tiến kết hợp với công nghệ điện tử & quang học, được lựa chọn rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp do các chức năng của nó, chất lượng, ứng dụng linh hoạt và đáng tin cậy trong khi vẫn còn sự cạnh tranh mạnh mẽ về giá cả thuộc về toàn bộ ngành công nghiệp

2.3.4.2 Thông số kĩ thuật.

Trong đồ án này nhóm bọn e sử dụng cảm biến BPS300-DDT của hãng Autonics với thông

số kĩ thuật cơ bản sau

 Nguồn hoạt động 12->24VDC

 Khoảng cách nhận biết là 300 mm

 Dạng đầu ra là NPN hoặc PNP

2.4 Giao tiếp máy tính

Có nhiều chuẩn giao tiếp giữa máy tính và thiết bị ngoại vi bên ngoài như chuẩn giao tiếp nối tiếp (RS 232, RS 485, USB), chuẩn giao tiếp song song (cổng LPT) Trong đềtài này sử dụng chuẩn giao tiếp RS232 để hiển thị giá trị của 2 bộ cảm biến (cảm biến nhiệt

độ và cảm biến siêu âm) lên máy tính thong qua phần mềm Visual Basic Chuẩn giao tiếp RS232 khá phổ biến và thuận tiện cho việc nghiên cứu

Việc truyền dữ liệu qua cổng COM được tiến hành theo cách nối tiếp nghĩa là dữ liệu được truyền đi nối tiếp nhau trên một đường dẫn.Loại truyền này có khả năng dùng cho các ứng dụng có yêu câu truyền ở khoảng cách lớn

Cổng Com có tổng cộng 8 đường dẫn,chưa kể nối đất.Việc truyền dữ liệu xảy ra trên 2 đường dẫn.Qua chân cắm ra TXD máy tính gởi dữ liệu của nó đến KIT vi điều khiển.Trong khi đó các dữ liệu mà máy tính nhân được lại được dẫn đến chân RXD các tín hiệu khác đóng vai trò tín hiệu hỗ trợ khi trao đổi thông tin, và vì thế không phải trong mọi trường hợp ứng dụng đều dùng hết

Các vi điều khiển có các chân truyền nhận tín hiệu ở mức TTL,không phù hợp với chuẩn RS232,do vậy muốn kết nối với máy tính phải qua mạch chuyển đổi điện áp từ mức điện áp RS232 sang TTL và ngược lại

Chương III XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG

3.1 Mô hình cơ khí của hệ thống

Phần thiết kế cơ khí nhóm đã thiết kế và nghiên cứu trên phần mềm proengineer đây ;à một phần cũng khá quan trọng vì nó sẽ là tiền đề cho mọi phần khác như là để tạo ra mô hình cho tàu ngầm, thiết kế lắp đặt mạch điện tử, lắp đặt tính toán hệ thống thủy lực, hệ thống điện, cảm biến… có thể nói phần cơ khí là tiền đề của hệ thống

Hệ thống gồm 6 động cơ bao gồm 1 động cơ chính dùng để quay cánh quạt tạo chuyển động cho tàu, một động cơ dùng để điều khiển bánh lái để định hướng tàu trong khi chảy, hai động cơ điều khiển hệ thống thủy lực dùng để tạo ra áp lực bên trong tàu để điều khiển tàu lặn hoặc nổi một động cơ điều khiển camera và hai động cơ hai bên cánh dùng để điềukhiển khả năng cân bằng cảu tàu

Phần này được thiết kế dựa vào một phần hình dạng tàu ngầm thực tế và điều kiện hiện tại khi sự dụng, tàu gồm một số phần chính như sau,

- Phần Vỏ tàu: làm bằng nhôm nguyên chất có độ dày là 3mm, được chia làm 2 nữa

là vỏ trên và vỏ dới

+ gia công: cắt gọt, hàn, log Tiện CNC (tạo các giá đỡ ổ bi)

+ kích thước: tàu có chiều dài là 1200mm, đường kính 300mm

- Động cơ: sự dụng động cớ đầu ngựa có sẵn trên thị trường

- Thủy lực: sự dụng 2 bộ nén khí có hành trình là 150mm và đường kính 63mm, khả năng chịu tải là 100kg và sự dụng hệ thống có sẵn trên thị trường

- Cánh quạt: sự dụng hợp kim nhôm

Phương pháp gia công: đúc

Kích thước: đường kính 150mm

- Chân vịt:

Vật liệu chế tạo: nhôm nguyên chất

Phương pháp gia công: cắt và hàn

Ngoài ra còn một số bộ phận khác

- Đai ốc bu lông được chế tạo bằng thép

- Vòng bị chế tạo bằng thép chuyên dụng, kích thước tiêu chuẩn

- Trục : làm bằng hợp kim inoc, đường kính 8mm

Xây dựng mô hình hệ thống

Sau quá trình thiết kế và tham khảo các tài liệu thì mô hình hệ thống đã được xây dựng như hình dới , hệ thống có 6 bậc tự do hình dới vì vậy để điều khiển được 6 bậc tự do này cần sự dụng đến lưu đồ thuật toán điều khiển của hệ thống

Hệ thống cấu tạo khá phức tạp nhiều chi tiết và hệ thống kín nên vấn đề bảo hành sữa chữa rất khó khăn

Mô hình lắp ghép sơ bộ của tàu

Hình 3.1 Mô hình 3D của vỏ dới của tàu

Đây là phần vỏ của hệ thông là bộ phận quan trọng nhất của tàu ngầm nó dùng để chống sự xâm nhập của nước và là bộ phận dùng để gá các chi tiết khac lên đó, trênhình trên thì động cơ trục chính được gá trên tấm nhôm của động cơ

Hình 3.2 Mô hình 3D của vỏ trên của tàu

Đây là vỏ trên của tàu ngầm và có mục đích giống như vỏ dới nhưng ngoài ra vỏ trên dùng để sự dụng camera để quan sát môi trường bên ngoài tàu Và có một cái nắp lớn dùng để kiểm tra thay đổi hay sữa chữa bảo dưỡng nhưng thiết bị bên trongtàu

Hình 3.3 Mô hình 3D của động cơ

Động cơ dùng trong hệ thống là động cơ đầu ngựa với nhiều loại và nhiều thông số khác nhau

Hình 3.3 Mô hình 3D của xi lanh khí

Xinh lanh khí được dùng trong đề tài với mục đích là bộ phận chứa nước để cho tàu

có thể nổi lên hay lặn xuống xi lanh có đường kính 63mm và hành trình di chuyển

là 150mm nên thể tích chứa nước là 1 lít, trong đề tài nhóm đã sự dụng 2 xi lanh như vậy

Hình 3.4 Mô hình 3D của vòng bi

Vòng bi với mã CHC chống nước được dùng trong đề tài để sự dụng cho trục động

cơ và bánh lái vì nó có thể chống nước vào tránh họng hóc bên trong

Hình 3.4 Mô hình 3D của trục nối

Trục nối được làm bằng hợp kim inoc nên có độ bền cao Trục được sự dụng để nối trục động cơ với cánh quạt và nối động cơ với bánh lái

Tính toán động lực học tàu ngầm

Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của tàu ngầm dựa vào 2 định luật cơ bản của vật lý:

Định luật ac-si-mét với bất cứ vật nào chìm trong nước đều chịu một lực đẩy, thẳng đứng hướng lên trên và có độ lớn đúng bằng phần chất lỏng mà vật đó đang chiếm chỗ

Fđẩy = ᵧ.v{γ là trọnglượng riêng của chất lỏng V làthể tíchcủa vật chiếm chỗ }

Định luật pascal áp suất mà một bề mặt phải chịu tỷ lệ thuận cùng lực tác dụng lên bề mặt ,

tỷ lệ nghịch với diện tích bề mặt đó

P= F

S{ F làlực tác dụng lên bề mặt đó P làáp suất

S là diệntích của bề mặt chịuáp lực}

Trong nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển cho phương tiện tàu ngầm, chuyển động của phương diện ngầm có thể chỉ làm 3 hệ thống không tương tác như sau

Trạng thái hệ thống vận tốc u(t) trạng thái hệ thống lái v(t), r(t) và  (t) các trạng thái hệ thống lặn w(t), q(t), (t) và z(t)

Trong bài viết này em sẽ trình bày tóm tắt một số vấn đề về chuyển động của phương tiện ngầm trong 6 bậc tự do và trình bày cơ sở lý thuyết điều khiển thiết bị ngầm

1 Động học (dynamics) phương tiện ngầm chuyển động của phương tiện ngầm trong 6 bậc tự do được mô tả sự dụng hệ tọa độ trong hình sau :

Hình 2: Hệ tọa độ cho tàu biển

Trong đó hệ tọa độ Xo Yo Zo(O) là hệ tọa độ North-East-Down (NED, gọi là hệ tọa độ n)

có trục Z hướng xuống phía dưới Chúng ta định nghĩa hai véc tơ sau (Fossen 2002):

n e d 

và

trong đó n e d là vị trí trong hệ tọa độ NED, và   là các góc Euler, u v

w p q r là 6 vận tốc chuyển động trong hệ tọa độ trên tàuXYZ(G) , gọi là hệ tọa

độ b.

Theo Fossen và Ross (2006), phương trình chuyển động của phương tiện ngầm liên

quan đến việc nghiên cứu theo hai lĩnh vực cơ học: tĩnh học (statics) và động học (dynamics) Tĩnh học liên quan đến các lực gây ra trạng thái cân bằng như lực nổi (buoyance) hoặc trọng lực (gravity), còn động học tập trung vào việc phân tích các lực gây ra chuyển động.

Tĩnh học là một ngành khoa học cổ xưa nhất, có từ thời Archimedes (287-212 BC) tìm ra định luật cơ bản của vật nổi thủy tĩnh Động học là ngành khoa học mới hơn nhiều, vì cần phải đo được thời gian chính xác để làm thí nghiệm động học Cơ sở khoa học của động học dựa trên các nguyên lý của isaac newton xuất bản vào năm

1687 Động học có thể được chia thành hai phần: chuyển động học (kinematics) nghiên cứu về các khía cạnh hình học của chuyển động mà chưa xét đến khối lượng(mass) và các lực, còn động lực học (kinetics) là phân tích các lực tác dụng gây ra chuyển động

1.1 chuyển động học (kinematics) 6 phương trình chuyển động trong 6 bậc tự do (6DOF)

Chuyển động của phương tiện ngầm là chuyện động của vật thể trong không gian

ba chiều – 6 bậc tự do Theo Fossen (1994, 2002) và Fossen và Ross (2006) thìchuyển động của phương tiện ngầm trong 6 bậc tự do được biểu diễn bằng phươngtrình sau:

n b