Tóm tắt: 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 bằng phần mềm CFD (Computational Fluid Dynamics). Thiết kế bộ điều khiển độ sâu với ba phương pháp lặn là : lặn bằng cánh, lặn bằng đối trọng, lặn kết hợp cánh và đối trọng. Các bộ điều khiển sẽ được dựa trên điều khiển mặt trượt, kết hợp với một số giải thuật để ước lượng một số thông số chưa biết. Cuối cùng là mô phòng kết quả bằng Matlab
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRỮỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN NGỌC TUỆ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT DƯỚI NƯỚC DẠNG AUV DESIGN AND CONTROL AN AUTONOMOUS UNDERWATER VEHICLE Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử Mãsố:60520114 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2019 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BACH KHOA -ĐHQG -HCM Cán hướng dẫn khoa học : PGS.TS Võ Tường Quân (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : PGS.TS Nguyễn Thanh Phưong (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : TS Nguyễn Vĩnh Hảo (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 01 tháng 07 năm 2019 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến TS Phùng Trí Cơng PGS.TS Nguyễn Thanh Phương TS Nguyễn Vĩnh Hảo TS Phạm Công Bằng Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỊNG TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ Luận văn tốt nghiệp ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ •••• Họ tên học viên: NGUYỄN NGỌC TUỆ MSHV: 1570355 Ngày, tháng, năm sinh: 26/02/1991 Nơi sinh: TP.HCM Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử Mã số : 60520114 I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu thiết kế điều khiển robot duới nuớc dạng AUV II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: V CÁN Bộ HƯỚNG DẪN : PGS TS VÕ TƯỜNG QUÂN Tp HCM, ngày thảng năm 20 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA CO KHÍ (Họ tên chữ ký) Luận văn tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến quý Thầy, Cô, đặc biệt PGS.TS Võ Tường Quân, tạo điều kiện, tận tĩnh hướng dẫn, truyền đạt kiến thức kinh nghiệm quý báu giúp vững vàng hoàn thành đề tài Đồng thời tạo tảng tri thức giúp tiếp tục nghiên cứu làm việc Xin cảm ơn bạn bè đồng nghiệp quan tâm giúp đỡ suốt trình học tập nghiên cứu đề tài Trân trọng cảm ơn! Tp HCM, ngày 14 tháng năm 2019 Nguyễn Ngọc Tuệ Luận văn tốt nghiệp TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ •• Luận văn tập trung vào việc mơ hình hóa mơ hình AUV bậc tự từ thiết kế khí Sau tính tốn lại hệ số thực nghiệm xem xét dòng chảy rối phần mềm CFD (Computational Fluid Dynamics) Thiết kế điều khiển độ sâu với ba phương pháp lặn : lặn cánh, lặn đối trọng, lặn kết hợp cánh đối trọng Các điều khiển dựa điều khiển mặt trượt, kết hợp vói số giải thuật để ước lượng số thông số chưa biết Cuối mơ phòng kết Matlab Luận văn tốt nghiệp ABSTRACT This thesis focused on modeling the 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 three method consists of diving by fin, by mass shifter mechanism and combines I will use sliding mode control in order to design the depth controller, combine with some estimate algorithms Finnally, I will simulate by Matlab Luận văn tốt nghiệp LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ Tôi xin cam đoan : Luận văn thạc sĩ với đề tài “ Nghiên cứu thiết kế điều khiển robot duới nuớc dạng AUV.” cơng trình nghiên cứu cá nhân duới huớng dẫn PGS TS Võ Tuờng Quân Các nội dung nghiên cứu, kết đề tài trung thực Những số liệu, công thức, phuơng pháp đuợc thu thập từ nguồn khác có ghi rõ phần tài liệu tham khảo Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm cơng trình nghiên cứu mình! Tp HCM, ngày 14 tháng năm 2019 Nguyễn Ngọc Tuệ Luận văn tốt nghiệp MỤC LỤC MỤC LỤC DÀNH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIỂU 10 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ AUV 11 1.1 Giới thiệu 11 1.2 Lịch sử phát triển 11 1.3 Tình hình nghiên cứu nuớc [4] 12 1.4 Các AUV thuơng mại có 13 1.5 Đối tuợng nghiên cứu 14 1.6 Các toán điều khiển AUV 15 1.7 Các phuơng pháp lặn .16 CHƯƠNG MO HÌNH TỐN HỌC CỦA AUV 18 2.1 Phân tích chuyển động AUV 18 2.2 Động học [9] 19 2.3 Động lực học [10] 20 2.3.1 Động học vật rắn 20 2.3.2 Lực thủy tĩnh 21 2.3.3 Thủy động lực học 24 2.4 Mô hình Âuv bậc tự 38 2.5 Dạng ma trận 39 CHƯỚNG CÁC THÔNG SỐ CỦA AUV 42 3.1 Mở đầu 42 3.2 Kiểm nghiệm dòng chảy AUV hoạt động 42 3.2.1 Giả thuyết toán cách thực 42 3.2.2 Dòng chảy qua thân AUV 45 3.2.3 Dòng chảy qua cánh 45 3.3 Tính tốn lại hệ số lực cản Cd 50 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘ SÂU 53 4.1 Thuật toán dẫn đuờng 53 4.2 Hoạch định đuờng cho AUV 53 4.3 Điều khiển độ sâu thông qua cánh lặn 54 4.4 Điều khiển độ sâu thông qua đối trọng 59 4.4.1 Bộ điều khiển Backstepping cho đối trọng 59 4.4.2 Bộ điều khiển adaptive sliding mode cho độ sâu thông qua đối trọng 61 4.5 Bộ điều khiển độ sâu dạng elevator 64 4.5.1 Bộ điều khiển độ sâu thông qua cánh 65 4.5.2 Bộ điều khiển góc thơng qua đối trọng 68 4.6 Nhiễu tác động 72 4.7 Kết Luận 74 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 76 5.1 Kết đạt đuợc 76 5.2 Huớng phát triển 76 Luận văn tốt nghiệp DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Remus 100 [4] 13 Hình 1.2 Remus 600 [4] 13 Hình 1.3 Remus 6000 [4] 14 Hình 1.4 Dần động AUV [6] 15 Hình 1.5 AUV có đối trọng [7] 15 Hình 1.6 Lặn chúi đầu lặn elevator [9] 16 Hình 2.1 Tọa độ khơng gian AUV 18 Hình 2.2 Trọng tâm tâm AUV 22 Hình 2.3 Cận tích phân 28 Hình 2.4 Hệ số t 31 Hình 2.5 Giá trị p [5] 33 Hình 2.6 Góc cánh lái [12] 36 Hình 2.7 Góc cánh lặn [12] 36 Hình 2.8 Lực tác động lên trượt 37 Hình 3.1 AUV 42 Hình 3.2 Chọn kiểu phân tích 43 Hình 3.3 Chọn loại lưu chất 44 Hình 3.4 Chọn vận tốc 44 Hình 3.5 Chiều quay vận tốc quay 44 Hình 3.6 Hình dáng dòng chảy 45 Hình 3.7 Dòng chảy AUV 45 Hình 3.8 Phương trình Bernoulli cho mặt cánh 46 Hình 3.9 Thất tốc xảy cánh 47 Hình 3.10 Đồ thị lực nâng 48 Hình 3.11 AoA=0 49 Hình 3.12 AoA=19° 49 Hình 3.13 AoA=20° 50 Hình 3.14 Diện tích rẽ nước 51 Hình 3.15 Mục tiêu tính tốn 52 Hình 4.1 Thuật tốn dẫn đường LOS 53 Hình 4.2 Sơ đồ khối điều khiển độ sâu 54 Hình 4.3 Hiện tượng chattering [14] 55 Hình 4.4 Đáp ứng X- z 56 Hình 4.5 Sai số z 57 Hình 4.6 Đáp ứng 57 Hình 4.7 Tín hiệu điều khiển 57 Hình 4.8 Đáp ứng z 58 Hình 4.9 Sai số z 58 Hình 4.10 Đáp ứng 58 Hình 4.11 Tín hiệu điều khiển 59 Hình 4.12 Sơ đồ khối điều khiển độ sâu thông qua đối trọng 61 Hình 4.13 Đáp ứng z 63 Luận văn tốt nghiệp Hình 4.14 Sai số z 63 Hình 4.15 Đáp ứng 63 Hình 4.16 Tín hiệu điều khiển 64 Hình 4.17ước lượng Mq 64 Hình 4.18 Sơ đồ khối điều khiển neural network -sliding mode 65 Hình 4.19 Sơ đồ neural network 67 Hình 4.20 Đáp ứng z 70 Hình 4.21 Sai số ez 70 Hình 4.22 Tín hiệu điều khiển Ss 71 Hình 4.23 Tín hiệu điều khiển Xg 71 Hình 4.24 Đáp ứng góc 71 Hình 4.25 Giá trị ước lượng F1 72 Hình 4.26 Giá trị ước lượng F0 72 Hình 4.27 Đồ thị X-Z nhiễu D = tác động 74 Hình 4.28 Đồ thị X-Z nhiễu D = tác động 74 Luận văn tốt nghiệp ESTIMATE Mq 14.6 14.4 - Real — Estimate III' ' ^14.2 cn f 14 13.8 13.6 20 40 60 80 100 120 140 t