Nghiên cứu thiết kế và điều khiển robot duới nuớc dạng AUV

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

NGUYỄN NGỌC TUỆ

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN

ROBOT DƯỚI NƯỚC DẠNG AUV

DESIGN AND CONTROL AN AUTONOMOUS

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

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NAM Độc lập - Tự do - 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 và 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

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA CO KHÍ (Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN

Xin được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến quý Thầy, Cô, đặc biệt nhất là PGS.TS Võ Tường Quân, đã tạo điều kiện, tận tĩnh hướng dẫn, truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm quý báu giúp tôi vững vàng hoàn thành đề tài này Đồng thời tạo nền tảng tri thức giúp tôi tiếp tục nghiên cứu và làm việc

Xin cảm ơn những bạn bè và đồng nghiệp luôn quan tâm và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu đề tài

Trân trọng cảm ơn!

Tp HCM, ngày 14 tháng 5 năm 2019

Nguyễn Ngọc Tuệ

TÓM TẮT 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 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 vói một số giải thuật để ước lượng một số thông

số chưa biết Cuối cùng là mô phòng kết quả bằng Matlab

ABSTRACT This 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 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

LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ

Tôi xin cam đoan : Luận văn thạc sĩ với đề tài “ Nghiên cứu thiết kế và điều khiển robot duới nuớc dạng AUV.” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi duới sự huớng dẫn của PGS TS

Võ Tuờng Quân

Các nội dung nghiên cứu, kết quá trong đề tài này là trung thực Những số liệu, công thức, phuơng pháp đuợc thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về công trình nghiên cứu của mình!

Tp HCM, ngày 14 tháng 5 năm 2019

Nguyễn Ngọc Tuệ

MỤC LỤC

MỤC LỤC 7

DÀNH MỤC HÌNH ẢNH 8

DANH MỤC BẢNG BIỂU 10

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ AUV 11

1.1 Giới thiệu 11

1.2 Lịch sử phát triển 11

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nuớc [4] 12

1.4 Các AUV thuơng mại hiện có 13

1.5 Đối tuợng nghiên cứu 14

1.6 Các bài toán khi điều khiển AUV 15

1.7 Các phuơng pháp lặn 16

CHƯƠNG 2 MO HÌNH TOÁN 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 6 bậc tự do 38

2.5 Dạng ma trận 39

CHƯỚNG 3 CÁC THÔNG SỐ CỦA AUV 42

3.1 Mở đầu 42

3.2 Kiểm nghiệm dòng chảy khi AUV hoạt động 42

3.2.1 Giả thuyết bài toán và cách thực hiện 42

3.2.2 Dòng chảy qua thân AUV 45

3.2.3 Dòng chảy qua cánh 45

3.3 Tính toán lại hệ số lực cản Cd 50

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘ SÂU 53

4.1 Thuật toán dẫn đuờng 53

4.2 Hoạch định đuờng đi 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 0 thông qua đối trọng 68

4.6 Nhiễu tác động 72

4.7 Kết Luận 74

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 76

5.1 Kết quả đạt đuợc 76

5.2 Huớng phát triển 76

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 và lặn elevator [9] 16

Hình 2.1 Tọa độ trong không gian của AUV 18

Hình 2.2 Trọng tâm và tâm nổi của 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 của cánh lái [12] 36

Hình 2.7 Góc của cánh lặn [12] 36

Hình 2.8 Lực tác động lên con trượt 37

Hình 3.1 AUV 7 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 và vận tốc quay 44

Hình 3.6 Hình dáng dòng chảy 45

Hình 3.7 Dòng chảy ở đuôi AUV 45

Hình 3.8 Phương trình Bernoulli cho mặt trên và dưới cánh 46

Hình 3.9 Thất tốc xảy ra trên 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 toán 52

Hình 4.1 Thuật toán dẫn đường LOS 53

Hình 4.2 Sơ đồ khối bộ 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 0 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 0 58

Hình 4.11 Tín hiệu điều khiển 59

Hình 4.12 Sơ đồ khối bộ điều khiển độ sâu thông qua đối trọng 61

Hình 4.13 Đáp ứng z 63

Hình 4.14 Sai số z 63

Hình 4.15 Đáp ứng 0 63

Hình 4.16 Tín hiệu điều khiển 64

Hình 4.17ước lượng Mq 64

Hình 4.18 Sơ đồ khối bộ 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 0 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 = 1 tác động 74

Hình 4.28 Đồ thị X-Z nhiễu D = 2 tác động 74

DANH MỤC BẢNG BIÊU

•

Bảng 2.1 Ký hiệu của SNAME 18

Bảng 2.2 Hệ số thực nghiệm a 26

Bảng 2.3 Các thành phần ma trận Dp 41

Bảng 3.1 Bảng giá trị lực nâng và hệ số cla theo AO A 48

Bảng 3.2 Kết quả Cd 52

Bảng 4.1 Đánh giá bộ điều khiển 74

CHƯƠNG 1 TỎNG QUAN VÈ AUV

1.1 Giới thiêu

Autonomous underwater vehicle (AUV) là một dạng mobile robot hoạt động trong môi trường nước AUV là thành viên của một nhóm các thiết bị không ngưòi lái dưới nước có tên tiếng Anh là Unmanned underwater vehicle (UUV) Ngoài AUV, một nhánh khác của uuv là Remotely operated underwater vehicle (ROV), khác với AUV là thiết bị có thể vận hành hoàn toàn tự động, ROV cần có thao tác điều khiển của con người [1]

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

- Thương mại: ngành công nghiệp hóa dầu dùng AUV để khảo sát là lập bản đồ chi tiết của đáy biển trước khi xây dựng dàn khoan hay đặt đường ống

- Nghiên cứu: các nhà khoa học dùng AUV để nghiên cứu, thám hiểm hồ, biển và đáy biển

- Quân sự: dò mìn, vận chuyển, tạo các điểm thông tin liên lạc

AUV hoạt động trong môi trường nước nên đem lại nhiều thách thức trong việc nghiên cứu và phát triển Đầu tiên do hoạt động trong môi trường nước nên AUV cần có các biện pháp chống thấm Tiếp theo là khó khăn trong việc truyền thông tin dưới nước, việc này gây ảnh hưởng đến việc truyền nhận dữ liệu cũng như định vị AUV về mặt điều khiển, AUV chịu nhiều nhiễu tác động từ bên ngoài tác động vào hệ thống như: gió, sóng, dòng chảy, lực thủy tĩnh và thủy động Tất cả các yếu tố trên gây khó khăn trong việc điều khiển và hoạt động của AUV [2]

1.2 Lịch sử phát triển

AUV đầu tiên được phát triển tại Applied Physics Laboratory thuộc đại học Washington vào năm 1957 bởi Stan Murphy và Bob Francois và sau đó là Terry Ewart Một trong những AUV đầu tiên cũng phát triển tại Massachusetts Institute of Technology vào thập niên 70 [1] Trước 1970 - Nghiên cứu các ứng dụng đầu tiên của AUV

AUV bắt đầu được nghiên cứu từ thập niên 60 Vài AUV được nghiên cứu tập trung vào các 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 vùng Arctic The University of New Hampshire’s Marine System Engineering Laboratory ( bây giờ là the Autonomous Undersea Systems Institute) phát triển thiết bị EAVE cùng với sự hỗ trợ của

Hải quân Mỹ ở San Diego Dù có nhiều thử nghiệm thất bại nhưng cũng đã đặt nền móng cho

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 đến việc nghiên cứu AUV Phải kể đến đó là sự phát triển của khoa học máy tính, tạo ra các máy tính nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp Điều này có nghĩa là các AUV sẽ được lập trình vói các thuật toán điều khiển phức tạp hon phục vụ cho quá trình tự hành

1990 - 2000 - Phát triển Goal Driven Tech

Trong thập niên này các AUV có thể đi đến các mục tiêu đã xác định từ trước Một số tổ chức bắt đầu nghiên cứu tập trung vào các ứng dụng cụ thể khác nhau, tạo tiền đề thưcmg mại hóa AUV 1996 Kongsberg giói thiệu AUV thưcmg mại đầu tiên của hãng ứng dụng trong cả lĩnh vực dân sự và quân sự

2000 - 2010 - Thị trường thương mại phát triển

Đây là thời kỳ AUV được sử dụng cho nhiệm vụ thương mại Thập kỷ này đánh dấu công nghệ AUV từ môi trường nghiên cứu và học thuật được đưa vào ngành công nghiệp đại dương [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 thương mại, nên được nhiều quốc gia đầu tư phát triển Đặc biệt, lĩnh vực quân sự hiện là khách hàng chủ yếu của AUV-tương tự như những gì diễn ra trên bầu trời đối với phương tiện bay không người lái (UUV)

Ở trong nước với kỷ 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 công nghiệp hóa, hiện đại hóa và bảo vệ đất nước Hệ thống điều khiển công nghiệp là một phần của lĩnh vực sản xuất công nghiệp; nó ngày càng được nhiều doanh nghiệp sử dụng và phát triển để góp phần tạo ra giá trị cạnh tranh Đặc biệt là các hệ thống điều khiển cho các phương tiện phục

vụ cho việc khảo sát, thăm dò, khai khoáng tài nguyên biển và bảo vệ lãnh hải của đất nước Hơn nữa, nó góp phần trong mục tiêu “Chiến lược Biển” mà Đảng và Nhà nước đang đầu tư phát triển Ngoài ra, việc nghiên cứu về đại dương cũng rất cần các phương tiện tự hành dưới nước (AUV) nhằm mục đích nâng cao hiệu quả kinh tế xã hội trong dân sự 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 trường

ĐH Bách khoa Hà Nội và trường ĐH Bách khoa TP HCM, trường ĐH Giao thông vận tải TP.HCM, Học viện Hải quân Chắc chắn việc nghiên cứu chế tạo và sử dụng phương tiện ngầm sẽ được quan tâm nhiều hơn, góp phần giải quyết nhiều nhiệm vụ trong kỹ thuật khai thác dầu khí, viễn thông, trong quốc phòng và trong giao thông đường thủy

1.4 Các AUV thương mại hiện có

Độ sâu tối đa : 100m

Thòi gian hoạt động : 8-10 giờ, tùy vào cấu hình và nhiệm vụ

Động cơ : DC brushless dẫn động trực tiếp với chân vịt 3 cánh

Tốc độ : lên đến 2.3m/s Tùy thuộc cầu hình sensor

Độ sâu tối đa : 600m

Thòi gian hoạt động : lên đến 24 giờ, tùy vào cấu hình và nhiệm vụ

Động cơ : DC brushless dẫn động trực tiếp với chân vịt 2 cánh

Tốc độ : lên đến 2.3m/s Tùy thuộc cầu hình sensor

Điều khiển: 3 cánh độc lập ở đuôi điều khiển góc roll,pitch,yaw, độ sâu, track line Điều hướng: Inertial, Long Baseline (LBL) Acoustic, SBAS enabled GPS, Ultra Short Baseline Acoustic and Acoustic Transponder

Độ sâu tối đa : 6000m

Thòi gian hoạt động : lên đến 22 giờ, tùy vào cấu hình và nhiệm vụ

Động cơ : DC brushless dẫn động trực tiếp với chân vịt 2 cánh

Tốc độ : lên đến 2.3m/s Tùy thuộc cầu hình sensor

Điều khiển: điều khiển yaw và pitch bằng cánh Độ sâu, track-line

Điều hướng: Long Baseline Transducer (7-15 kHz upward looking transducer) and Dead Reckon with ADCP Inertial Navigation System (INS)

1.5 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu trong luận văn này dạng AUV có bốn cánh (fin) đặt đối xứng nhau gồm hai cánh lái (rudder), hai cánh lặn (stern plan) và một chân vịt (propeller) như hĩnh 1.4 Nhiệm

vụ của các cánh là để điều khiển hướng còn chân vịt sẽ tạo lực đấy cho AUV Hai cánh rudder kết hợp vói propeller sẽ tạo góc yaw cho AUV Như vậy góc quay rudder và vận tốc của propeller sẽ tạo nên các chuyển động trong mặt phang song song với mặt phang O E X E Y E Khi điều hướng AUV sẽ sử dụng cánh lái kết họp với chân vịt tạo lực đẩy thay đổi góc Yaw (heading)

Thêm vào đó AUV còn có đối trọng để nhằm mục đích cân bằng theo chiều dọc cũng như thay đổi trọng tâm để thực hiện việc cân bằng hoặc lặn xuống và nổi lên Hình 1.5

Battery LM Guide Navigation GPS Filed Fin ĐVL IJ Driver Board Grip 1/ Antenna I —■</

1.6 Các bài toán khỉ điều khiển AUV

Có ba bài toán điều khiên AUV:

• Điều khiển vận tốc u

• Điều khiển hướng (heading control)

• Điều khiển độ sâu (depth control)

Bài toán điều khiển vận tốc thường được thực hiện chung với hai bài toán còn để điều khiển AUV tracking hoặc đi đến tọa độ mong muốn

Bài toán điều khiển hướng là bài toán xác định giá trị tọa độ x-y và góc yaw (ìị)) trong mặt phang XoY của AUV Trong bài toán này góc yaw (ĩp) luôn được kiểm soát chặt chẽ tại mỗi

tọa độ đặt của AUV vì nó bị ảnh hưởng bởi tọa độ đặt tiếp theo Đe đơn giản, AUV thường được điều khiển đạt độ sâu trước sau đó mới điều khiển hướng ở độ sâu đó

Đài toán điều khiển độ sâu giúp cho AUV đạt được độ sâu mong muốn hay nối cách khác là xác định giá trị tọa độ x~z trong mặt phẳng XoZ Khác với điều khiển hướng, khi AƯV đạt được độ sâu thì góc pitch (ớ) mong muốn là bằng 0 Một vấn đề đặt ra nửa là phải giữ được

ổn định độ sâu trong quá trình điều hướng Ta thấy bài toán độ sâu thường được giải quyết trước bài toán điều khiển hướng

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

1.7 Các phương pháp lặn

Kỹ thuật lặn của các thiết bị lặn dưới nước được chia làm hai loại trong tài liệu [7] đó là lặn tĩnh (static diving) và lặn động (dynamic diving) Lặn tĩnh là phương pháp bơm nước vào hoặc các bồn chứa (ballast tank) đề thay đổi trọng lượng của thiết bị lặn Phương pháp này thường được dùng cho các tàu ngầm lớn Còn AƯV thì sử dụng phương pháp lặn động Ban đầu AUV

sẽ chìm trong nước nhưng lơ lững ở tầng nước mặt Nhờ vào góc nghiêng của stem plane và propeller để tạo góc pitch Như vậy góc nghiêng cùa stem plane và vận tốc của propeller sẽ tạo nên chuyển động lặn cho AƯV Ngoài ra còn có các AUV hoặc ROV lặn bằng hoạt động của các propeller

Trong luận văn này sẽ tập trung trình bày hai cách lặn đó là lặn chúi đầu và lặn dạng elevator Trong khỉ cách lặn chúi đầu được sử dụng với các khoảng cách lặn xa thì lặn dạng elevator được dùng ở khoảng cách ngắn [9]

Hình 1,6 Lặn chúi đầu và lặn elevator [9]

Cách lặn chúi đầu có thể thực hiện bằng cánh lặn hoặc đối trọng Cách lặn elevator thì phối hợp giữa cánh và đối trọng, cánh đóng vai trò tạo lực để lặn còn đối trọng có nhiệm vụ giữ cho cho AUV luôn song song với mặt phang 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 hướng của AUV trong không gian Trong hình 2.1 cho ta thấy tọa độ của AUV trong không gian với

hệ tọa độ ObXbYbZb là tọa độ địa phương (body-fixed frame), O E X E Y E Z E là tòa độ toàn cục hay hệ tọa độ gắn với trái đất (earth-fixed frame, e-frame), và bảng 1.1 chú giải các ký hiệu theo The Society of Naval Architects and Marine Engineers (SNAME) [5]

Hệ tọa độ toàn cục

Hình 2.1 Tọa độ trong không gian của AUV

Theo SNAME sáu thành phần chuyển động của AUV gồm ba chuyển động tịnh tiến và ba chuyển động xoay Ba chuyển động tịnh tiến là: tịnh tiến theo phương Xb (surge), tịnh tiến theo phương Yb (sway), tịnh tiến theo phương Zb (Heave) Ba chuyển động quay là quay quanh trục Xb (roll), quay quanh trục Yb (pitch), quay quanh trục Zb (yaw), ứng với mỗi chuyển động theo phương Xb, Yb, Zb là chuyển vị Xb, yb, Zb Tương tự với các chuyển động quay ta cũng có

góc quay ệ, 0, \ự theo thứ tự là các góc roll, pitch, yaw

Bảng 2.1 Ký hiệu của SNAME

Bậc tự do Lực và moment Vận tốc dài và

vận tốc góc

Vị trí và các góc Euler

s(ựj) s(0)c(ớ)

s(ự() s(0) + s(ớ) c(ự() c(0)

-c(ựO s(0) + s(ớ) s(ĩp)

c(ự>) c(0)c(ớ)

(2.2)

Ghi chú : c là cos, s là sin

Ma trận /!(í72) là ma trận thuần nhất Phép biến đổi hệ trục sau đây cho ta qua hệ giữa vận tốc góc trong hệ tọa độ toàn cục và vận tốc trong hệ toạ độ địa phương:

cos(ự>) tan(ỡ)

—sin(0) cos(ự>) / cos(ỡ)

(2.3)

(2.4)

Trong ma trận /2 O72) có điểm kỳ dị tại góc pitch B = ± - Tuy nhiên, trong thực tế góc pitch

hầu như không vào vùng kỳ dị đó

Với (các ký hiệu này theo bảng 1.1)

fob =\x y Z]Tlà tổng họp lực tác động vào AUV

m 0 b = [K M N] T là tong moment tác động vào AUV

Các thành phần l X y , I xz , ỉy Z = 0 vĩ AUV đối xứng qua mặt phang xz và xy

Từ (2.8) phương trĩnh động học vật rắn sáu bậc tự do của AUV:

m[ủ — vr + wq — Xg(q 2 + r 2 ) + y g (pq —r) + Zg(pr + q)]

( 2 8 )

(2.9)

m[V -wr + ur- y g (r 2 + p2) + Zg(jqr -p) + Xg{pq + r)] = y Y

m[w -uq + vp - Zg(q 2 + q2) + Xg{pr - ộ) + y g (rq + p)] = 'ỹ' z

Ixx P + Ụzz - Iyy)qr + ra[y5(w - uq + vp) - Zg(v - wp + ur)] = ^ K

Iyy q + Oxx - Izz)rp + m[zg(ủ - vr + wq) - Xg(w -uq + vp)] = ^ M Izz f + Ụyy - l xx )PR + m[xg(i> - wp + ur) - Zg(ù - vr + wq)] = ^ N Phương trình (2.9)

(2.12)

Q B ( v ) 2

-m(y5q + z5r) m(y5p - w)

buoyance) Các AUV thường được thiết kế cẩn thận để trọng tâm và tâm nổi trùng nhau Tâm nổi thường được chọn là tâm của AUV [8]

Hình 2.2 Trọng tâm và tâm nổi của AUV

Trọng lực và lực Archimède được tính như công thức 1.10

B: lực đẩy Archimède p: khối lượng riêng

V: thế tích AUV chiếm chỗ trong nước

Trọng lực trong hệ tọa độ toàn cục:

TG =

—sin(ỡ)iy cos(ỡ)sin(ự>)iy

(w - 5)sin(0)

— (W — B) cos(ỡ) sin(ự>)

—(W — B) cos(ỡ) cos(ự>)

—{y g w — y b B) cos(ỡ) cos(ự>) + {z g w — z b B) cos(ỡ) sin(ự>)

{z g w — z b B) sin(ỡ) + {x g w — x b B) cos(ỡ) cos(ự>)

—(x g w — x b B^ cos(ỡ) sin(ự>) — (ZgW — z b B) sin(ỡ)

Với (Xb, yb, Zb) là tọa độ tâm nổi

(2.22)

2.3.3 Thủy động lực học

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

Giảm chấn thủy động lực học (hydrodynamic damping): là lực cản của nước

Lực thủy tĩnh (hydrostatic): lực đẩy Archimède Vector lực và moment thủy động lực học TH có dạng như sau: [5]

T

2.3.3.2 Khối lượng cộng gộp Ma và lực Coriolis cộng gộp

Khối lượng cộng gộp có thể xem là khối lượng ảo được cộng thêm vào hệ bởi vì khi tăng tốc 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:

Ỷ

(2.24)

(2.25)

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

^=4« + Zw wc l + z^q 2 — YỳVr — Y t r 2 Y A = YỳV + Y t r +X ú ur- z^wp - Zqpq

Vói các ký hiệu theo quy định của SNAME Lực khối lượng cộng gộp tác động lên AUV theo

trục X là X và lực này có gia tốc theo phương X là ủ sẽ được định nghĩa như sau:

ỏx

OU

- Thành phần 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 AUV có dạng gần với hình elip với trục chính bằng một nửa chiều dài AUV và trục phụ bằng một nửa đường kính Công thức thực nghiệm cho khối lượng cộng gộp dọc trục của elip là:

'*-T(ề)ẩ

Với

p : khối lượng riêng của chất lỏng xung quanh

I: chiều dài AUV d :

Khối lượng cộng gộp do dòng chảy cắt ngang có thể tính bằng việc áp dụng thuyết dải (strip theory) trên mặt cắt hình trụ Khối lượng cộng gộp trên mỗi đon vị chiều dài của từng lát mỏng khối trụ được cho trong công thức sau [10]:

Với

p : khối lượng riêng của chất lỏng xung quanh

R(x) 2 : bán kính đối tượng tại điểm đang xét

Nguyên lý của thuyết dải: chia đối tượng nghiên cứu thành dải theo chiều dài với số phần tử nhất định Từ đó, khối lượng cộng gộp theo hai chiều được tính trên mỗi phần tử và sau đó được cộng lại trên toàn chiều dài đối tượng [11]

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

Với ữfin 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]

x t : tọa độ điểm cuối của phần đuôi

xt2: tọa độ điểm đầu của phần đuôi

Xf\ tọa độ điểm cuối của phần cánh

Xf 2: tọa độ điểm đầu của phần cánh

x b : tọa độ điểm cuối của phần mũi

x b2 : tọa độ điểm đầu của phần mũi

(2.34)

- Khối lượng cộng gộp do moment góc roll (Rolling Added Mass)

Để ước lượng khối lượng cộng gộp, ta giả thiết tại phần vỏ AƯV trơn sẽ không tạo ra khối lượng cộng gộp Như vậy ta chỉ quan tâm tới khối lượng cộng gộp tần tại trên cánh của AUV Công thức thực nghiệm tính khối lượng cộng gộp trên cánh như sau [10]:

p : khối lượng riêng của chất lỏng xung quanh

Af diện tích rẽ nước (frontal area)

Cd : hệ số lực cản dọc trục, được tính theo công thức sau [10]:

- Lực cản dòng chảy cắt ngang (Crossflow Drag)

Đe tính lực cản dòng chảy cắt ngang có thể áp dụng thuyết dải Công thức lực cản được trình bày trong công thức sau [10]:

- Lực cản theo góc roll (Rolling Drag)

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

2.3.3.4 Lực tác động của môi trường

Trong phần này ta sẽ xem xét tác động của môi trường lên AUV, gọi T E là lực và moment tác động lên AUV Ta có thể viết [5]:

v r = V — v c , v c là vector vận tốc của dòng chảy trong hệ tọa độ địa phưcmg Đặt vận tốc

dòng chảy trong hệ tọa độ tòan cục là [Uc, Vc, Wc], Ta có v c như sau:

N

^ - pgBLTcos(P)Si(t ) i=1

(2.56)

Với:

p : góc va chạm của sóng p : trọng lượng riêng của nước B :

chiều rộng của AUV

0j : pha ngẫu nhiên đồng nhất và bất biến theo thời gian [0, 2n)

2.3.3.5 Lực và moment nâng thân

Đe tính lực nâng thân ta sử dụng công thức thực nghiệm trong tài liệu [10]:

1

Với:

p: khối lượng riêng của chất lỏng

Cyể hệ Số lực nâng thân

Theo tài liệu [10], lực cản nhớt (viscous force) có tâm đặt tại 0.6 đến 0.7 tổng chiều dài tính

từ phần mũi của AUV

X f i n : vị trí của cánh so với tâm của AUV

Hệ số nâng cánh Ctđược tính bằng công thức sau :

Vận tốc cánh được tính theo công thức sau

Ufin = u + z fin q - y fin r

Wfin = w + y fin p - x fin q

Vói Xf in , y fin , Zf in là tọa độ cánh so với tâm Các thành phần yf in , Zf in sẽ được lượt bỏ vì vận tốc của chúng nhỏ hon rất nhiều với chuyển động của AUV

Vận tốc qua cánh trong trường hợp điều khiển hướng và điều khiển độ sâu sẽ được tính bằng công thức:

Góc tác động ổ e được phân làm hai loại là ổ se : góc tác động của cánh lặn và S re : góc tác động

của cánh lái Các góc trên có thể khai triển thành:

õ re S r + P re

Với các góc được thể hiện trong hình sau:

(2.71)

^Yr = 2 p^La^fin x fin i u fin2 v /in 2 )(^r Prè)

Lực đẩy của properler được tính bằng công thức sau [12]:

Với:

K T : hệ số lực đẩy, tùy thuộc vào đặc tính của từng loại chân vịt

K Q \ hệ số moment quay, tùy thuộc vào đặc tính của từng loại chân vịt

n: số vòng quay động cơ

Đ : đường kính lớn nhất của chân vịt

Ma trận lực điều khiển AUV

-P^La^fin^fin o^/ĩn Vfin )0^r T fire)-

(2.76)

2.33.8 Con ừưọrt đối trọng

Con trượt trong AUV có hai nhiệm vụ đó là:

- Cân bằng quanh trục Y bằng cách chuyển trọng tâm về tâm nổi (x G = X B )

- Điều chỉnh gốc 9 trong bài toán điều khiển độ sâu (phổi hợp với cánh nâng)

Hình 2.8 Lực tác động lên con trượt

Các thành phần lực tác động lên AUV được thể hiện trong hình 2.9 Ta có phương trình

T: moment động cơ

d2:đường kính trung bình của ren

y: góc nâng ren Xác định theo công thức ( 8.1) tài liệu [13]

p' \góc ma sát tương đương cặp ren vít Xác định theo công thức (17 5) tài liệu [13]

Phương trĩnh (2.81) có thể được viết thành:

m0: khối lượng AUV không có đối trọng

x'G: tọa độ trọng tâm so vói tâm nổi khi không có đối trọng

m : khối lượng AUV tổng

xm: tọa độ khối nặng so với tâm AUV (trùng tâm nổi)

2.4 Mô hình AUV 6 bậc tự do

Mô hình hình AUV phi tuyến 6 bậc tự do được mô tả trong công thức sau:

Phương trình tịnh tiến theo trục x: