Nghiên cứu thiết kế và điều khiển hướng di chuyển của robot lặn dạng AUV (autonomous underwater vehicle)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ – BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ BÁO CÁO LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN HƯỚNG DI CHUYỂN CỦA ROBOT LẶN DẠNG AUV (AUTONOMOUS UNDERWATER VEHICLES) - 1- 2016  NỘI DUNG Tổng quan đề tài Tính tốn thiết kế khí Mơ hình động học AUV Các loại cảm biến cho AUV Xây dựng hệ thống điện Thiết kế điều khiển Kết luận Tài liệu tham khảo Tổng quan đề tài Đặt vấn đề Cần phát triển loại phương tiện, thiết bị ngầm phục vụ cho nhiệm vụ nước Tổng quan đề tài Mục tiêu đề tài:  Nghiên cứu thiết kế điều khiển hướng di chuyển robot lặn dạng AUV (Autonomous Underwater Vehicle) Nhiệm vụ đề tài:  Tìm hiểu tổng quan robot hoạt động nước dạng AUV  Tìm hiểu quy trình thiết kế,quy luật chuyển động quy luật điều khiển AUV  Nghiên cứu tính tốn thiết kế hệ thống khí AUV  Tìm hiểu cảm biến tích hợp AUV  Tính tốn động học, động lực học xây dựng mơ hình tốn AUV di chuyển theo hướng cho trước  Phân tích động lực học robot  Nghiên cứu tính tốn hệ thống điều khiển hướng di chuyển AUV Mô hoạt động AUV Matlab Tổng quan đề tài Phạm vi đề tài:  Khi đạt độ sâu mong muốn,robot di chuyển hướng xem mặt phẳng  Vận tốc di chuyển tối đa v= 2.9158 knot  Môi trường làm việc: nước  Môi trường thử nghiệm: hồ bơi  Sai số góc cho phép: 0.1*Góc mong muốn hay 10 độ sai số độ  Ứng dụng: dùng để khảo sát môi trường nước (AUV có gắn camera quan sát) Tính tốn thiết kế khí Mục tiêu thiết kế khí  Thiết kế robot theo dạng module, dể chế tạo, linh hoạt  Thiết kế cấu chống thấm nước module  Robot sử dụng thruster đảm bảo Hình 1: Module thiết kế theo ống trụ tròn chuyển động cần thiết  Trong mặt phẳng thẳng đứng, robot di chuyển lên xuống  Trong mặt phẳng ngang, robot di chuyển theo phương Hình 2: Robot dùng thruster điều khiển cánh lái Mơ hình động học Cơng thức chuyển động chung AUV hệ trục bậc tự do: m[ u − vr + wq − xG (q + r ) + yG ( pq − r ) + zG ( pr + q )] = X m[ v − wp + ur − yG (r + p ) + zG (qr − p ) + xG (qp + r )] = Y (1) m[ w − uq + vp − Z G ( p + q ) + xG (rp − q ) + yG (rq + p )] = Z I x p +(I z − I y )qr − (r +pq)I xz +(r -q )I yz +(pr- q )I xy +m[yG ( w -uq+vp)-z G ( v -wp + ur)] = K 2 I y q +(I x − I z )rp − ( p +qr)I xy +(p -r )I zx +(qp- r )I yz +m[z G ( u -vr+wq)-x G ( w -uq + vp )] = M 2 Hình 3: Hệ tọa độ quy chiếu I z r +(I y − I x )qr − (q +rp)I yz +(q -p )I xy +(rq- p )I zx +m[x G ( v -wp+ur)-y G ( u -vr + wq )] = N 2 Phương trình chuyển động chung AUV   M + C( + D( + g() = Trong :  V vector vận tốc AUV  M ma trận khối lượng momen quán tính (2)  C(V) ma trận Coriolis lực hướng tâm  D(V) ma trận giảm chấn thủy động học  g() ma trận lực momen thủy tĩnh  τ lực momen tác động lên AUV   Mơ hình động học Mơ phương trình chuyển động Hình 4: Kết mơ phương trình động học hướng bẻ lái Các loại cảm biến cho AUV Cảm biến gia tốc vận tốc góc GY-521 MPU-6050 tích hợp trục cảm biến bao gồm: + quay hồi chuyển trục (3-axis MEMS gyroscope) + cảm biến gia tốc chiều (3-axis MEMS accelerometer) Thông số kỹ thuật:  Chip: MPU-6050  Chip 16-bit AD converter, 16-bit data Output  Nguồn điện sử dụng từ 3VDC đến 5VDC  Sử dụng chuẩn giao tiếp I2C với vi điều khiển  Giá trị vận tốc góc lớn khoảng: ±250, 500, 1000, 2000 độ/giây  Giá trị gia tốc góc khoảng: ±2±4±8±16g  Board mạch mạ vàng, linh kiện hàn tự động máy chất lượng tốt, ổn định chống nhiễu cao Hình 5: Cảm biến gia tốc vận tốc góc MPU6050 Các loại cảm biến cho AUV Cảm biến la bàn (Compass) HMC5883L Thông số kỹ thuật:  Điện áp cung cấp: 3~5 VDC  Chuẩn giao tiếp I2C giao tiếp với vi điều khiển  Giá trị từ trường đo được: ± 8.1 Ga Hình 6: Cảm biến HMC5883L Kết nối phần cứng MPU6050 HMC5883 thông qua hướng dẫn nhà sản xuất ta khối IMU Hình 7: Kết nối phần cứng MPU6050 HMC5883L 10 Xây dựng hệ thống điện SƠ ĐỒ ĐIỆN 13 Thiết kế điều khiển Từ (1) ta có phương liên quan đến điều khiển hướng: m[ v − wp + ur − yG (r + p ) + zG ( qr − p) + xG ( qp + r )] = 2 YHS + Yv v v v + Yr r r r + Yv&v&+ Yr&r&+ Yur ur + Ywp wp + Ypq pq + Yuvuv + Yuuδ r u 2δ r I z r +(I y − I x )qr − (q +rp)I yz +(q -p )I xy +(rq- p )I zx +m[x G ( v -wp+ur)-y G ( u -vr + wq )] = 2 (3) N HS + N v v v v + N r r r r + N v&v&+ N r&r&+ N ur ur + N wp wp + N pq pq + N uvuv + N uuδ r u 2δ r Thơng qua tuyến tính hóa, ta có phương trình sau: −Yr&   v&  Yv  m − Yv&  −N   r& −  N I − N v& z r&     v  0  ψ&  Yr Nr   v   Yδ r    r  =  Nδ r  [ δ r ]  ψ    (4) 14 Thiết kế điều khiển   Ta có ảnh hưởng lực trược ngang ( Sway) nhỏ, ta bỏ qua thành phần Vì (2) viết thành:  I z − N r&   r&  N r =      ψ&   hay 0  r   Nδ r  + δ r] [      ψ    (5) 11.266   r& 8.2715   r   −7.4591 = + δ r] [          ψ&  0 ψ     Hàm truyền hệ thống [6]: Nδ r ψ ( s) I zz − N r& Gψ ( s ) = = δ r (s) s − N r s I zz − N r& (6) hay Gψ ( s ) = ψ ( s) −0.662 = δ r ( s ) s − 0.7342 s 15 Thiết kế điều khiển Bộ điều khiển PD PD Process Các hệ số KP KD xác định theo phương pháp “try error” KP =1 KD =1 16 Thiết kế điều khiển Bộ điều khiển PD KP =1 KD =1 KP =4.5 KD =5.5 17 Thiết kế điều khiển Bộ điều khiển PD KP =4.5 KD =5.5 18 Thiết kế điều khiển Bộ điều khiển PD KP =4.5 KD =5.5 với nhiễu hệ thống tác động 19 Thiết kế điều khiển Bộ điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng phương pháp LQR   Tổng quát, hệ thống mô tả : (5)  Nr  A =  I z − N r&       Nδ r  B =  I z − N r&     C = [ 1] (7) hay (6) hay 0.8375  A=    0.662  B=    Ta chọn giá trị ma trận trọng số R Q (8)   R=1   Sử dụng matlab tính K Ta có 20 Thiết kế điều khiển Bộ điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng phương pháp LQR Hình: Bộ điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng phương pháp LQR 21 Thiết kế điều khiển Bộ điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng phương pháp LQR Hình: Bộ điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng phương pháp LQR 22 Thiết kế điều khiển Bộ điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng phương pháp LQR Hình: Bộ điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng phương pháp LQR có nhiễu hệ thống 23 Kết Luận Kết đạt  Nghiên cứu sở lý thuyết thực tiễn AUV robot lặn giới  Tìm hiểu, nghiên cứu mơ hình hóa tốn học cho AUV Phân tích động học/động lực học, lực moment tác động lên AUV hệ tọa độ bậc tự  Nghiên cứu thiết kế khí cho AUV  Nghiên cứu thiết kế lý thuyết điều khiển hướng cho AUV  Mô chuyển động AUV dựa mơ hình hóa điều khiển thiết kế  Nghiên cứu sử dụng hệ thống mạch điều khiển AUV (bao gồm mạch điều khiển, hệ thống cảm biến,…) 24 Kết Luận Hạn chế  đề tài hạn chế khả di chuyển AUV  Chưa có điều kiện thực nghiệm Chỉ dừng lại kết mô Hướng phát triển  Xây dựng phương trình động học động lực học cho Robot Rắn di chuyển linh hoạt không gian 3D  Trang bị thêm thiết bị để thực tác vụ chuyên biệt  Tiến hành thực hành thực nghiệm điều khiển kiểm nghiệm toán cân lý thuyết, mở rộng để nâng cao khả di chuyển cho AUV 25 Tài liệu tham khảo [1] Gianluca Antonelli (2002), Underwater Robots Motion and Force control of Vehicle manipulator system [2] Nghị, Trần Công (2004) Sức Cản Vỏ Tàu Và Thiết Bị Đẩy Tàu Đại Học Giao Thông Vận Tài [3] Timothy Prestero (1994), Verification of a Six-Degree of Freedom Simulation Model for the REMUS Thành Phố Hồ Chí Minh Autonomous Underwater Vehicle, A Thesis Submitted For The Degree of Master of Engineering Department of Mechanical Engineering University of California at Davis [4] Tạ Đức Anh, Nghiên Cứu Thiết Kế Bộ Định Hướng Bộ Điều Khiển Cho AUV, Luận Văn Tốt Nghiệp Đại Học, Đại Học Bách Khoa Tp HCM [5] Ola-Erik Fjellstad (1994), Control of Unmanned Underwater Vehicles in Six Degrees of Freedom – A Quaternion Feedback Approach, PhD thesis, Dept of Engineering Cybernetics, The Norwegian Institute of Technology, University of Trondheim [6] Chen Yang (2007), Modular Modeling And Control For Autonomous Underwater Vehicle (AUV), A Thesis Submitted For The Degree of Master of Engineering Department of Mechanical Engineering National University of Singapore [7] J Guo and S.H Huang (1996), Control of an Autonomous Underwater Vehicle Tested Using Fuzzy Logic and Genetic Algorithms, Autonomous Underwater VehicleTechnology, IEEE [8] Sebastian O.H Madgwick (2010), An efficient orientation filter for inertial and inertial/ magnetic sensor arrays 26 CẢM ƠN QUÝ THẦY VÀ CÁC BẠN ĐÃ LẮNG NGHE ! 27 ...  Nghiên cứu thiết kế khí cho AUV  Nghiên cứu thiết kế lý thuyết điều khiển hướng cho AUV  Mô chuyển động AUV dựa mô hình hóa điều khiển thiết kế  Nghiên cứu sử dụng hệ thống mạch điều khiển. .. =5.5 17 Thiết kế điều khiển Bộ điều khiển PD KP =4.5 KD =5.5 18 Thiết kế điều khiển Bộ điều khiển PD KP =4.5 KD =5.5 với nhiễu hệ thống tác động 19 Thiết kế điều khiển Bộ điều khiển phản hồi... phương tiện, thiết bị ngầm phục vụ cho nhiệm vụ nước Tổng quan đề tài Mục tiêu đề tài:  Nghiên cứu thiết kế điều khiển hướng di chuyển robot lặn dạng AUV (Autonomous Underwater Vehicle) Nhiệm