Nghiên cứu thiết kế robot lặn ROV mini

Bài viết trình bày về nghiên cứu thiết kế mô hình và hệ thống điều khiển thiết bị lặn dưới nước (ROV). Đây là một trong những robot quan trọng được sử dụng trong môi trường nước với nhiều mục đích, đặc biệt đối với hải quân và công nghiệp hàng hải.

44 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 30, Nov 2018 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ROBOT LẶN ROV MINI RESEARCH DESIGN ROV MINI ROBOT Trần Văn Tạo1 , Trần Ngọc Huy2 , Huỳnh Tấn Đạt3 , Châu Thanh Hải4 Khoa Kỹ thuật Giao thơng 2,3,4 Phịng TN trọng điểm DCSELAB Trường ĐH Bách khoa TPHCM tao.tranvan@hcmut.edu.vn Tóm tắt: Bài báo trình bày nghiên cứu thiết kế mơ hình hệ thống điều khiển thiết bị lặn nước (ROV) Đây robot quan trọng sử dụng mơi trường nước với nhiều mục đích, đặc biệt hải quân công nghiệp hàng hải ROV có dây thiết kế trạng thái cân mặt phẳng ngang, trang bị động đẩy cảm biến cung cấp tín hiệu cho phép thực chuyển động sáu bậc tự Bên cạnh đó, camera tay g ắp tích hợp vào ROV hỗ trợ tác vụ khảo sát nước Điều khiển ROV nhiệm vụ khó khăn động học phức tạp Bộ điều khiển sử dụng viết điều khiển PID đơn giản, dễ áp dụng, thực tế hóa Phần mềm điều khiển thiết kế đơn giản, dễ sử dụng, giúp kết nối, giám sát điều khiển ROV Từ khóa: Sáu bậc tự do; nước; động đẩy; điều khiển PID; ROV Chỉ số phân loại: 2.2 Abstract: This paper presents the research of the design and control system for Remotely Operated Vehicle (ROV) This is one of the most important types of underwater robots used for various purposes, especially in navy and marine industries The design keeps our tethered ROV self stabilized in the horizontal plane It is also equipped with thrusters and sensor feedbacks, allowing six degrees – of – freedom motion Moreover, underwater tasks can be executed via the integrated camera and grabber Control of ROV is not easy due to its dynamic characteristics The PID controller has been proposed in this paper as it is easy to study and apply The remote control software is designed for a simple and user friendly interface, which allow user to connect, monitor and control the ROV Keywords: Six degrees – of – freedom motion; Underwater; Thrusters; PID controller; Remotely Operated Vehicle (ROV) Classification number: 2.2 Giới thiệu Việt Nam quốc gia ven biển, với hoạt động an ninh quốc phòng, kinh tế, môi trường, du lịch biển diễn tấp nập Ở khu vực có độ sâu lớn điều kiện phức tạp, người giải nhiệm vụ khó khăn Do đó, việc chế tạo thiết bị nước hỗ trợ dần thay người cần thiết, vừa đảm bảo an toàn cho người, vừa giám sát thực cách xác hiệu mục tiêu đề tác vụ, yêu cầu kĩ thuật Trong đó, phương tiện ngầm điều khiển từ xa ROV liên kết với trung tâm điều khiển bờ mặt nước (tàu mẹ) hệ thống cáp q trình hoạt động Đơi dây cáp cịn có tác dụng phụ giúp trục vớt vật thể nặng từ đáy biển Bán kính làm việc loại robot bị giới hạn chiều dài dây cáp dẫn ROV làm việc khoảng thời gian lớn nước mà khơng phải lên khỏi mặt nước để nạp thêm điện Vì phương tiện ngầm điều khiển từ xa dễ dàng điều khiển, cấp nguồn truyền tín hiệu thơng qua dây cáp vận hành số thao tác đơn giản hàn, cắt, gắp, lau chùi tàu mẹ Với tính mở đa dạng ứng dụng, tùy thuộc vào loại công việc phạm vi ứng dụng mà người ta thiết kế ROV với kích cỡ khác nhau, theo số ứng dụng khảo sát biển, giàn khoan, thu thập liệu chất lượng nước sinh vật biển Từ năm 1950 đến nay, lĩnh vực phát triển khắp giới, đáp ứng đa dạng yêu cầu kích thước khả thực tác vụ theo yêu cầu Một số ROV nghiên cứu thương mại hóa giới Có thể kể đến số ROV Hercules Mystic Aquarium – Institute for Exploration có khả làm việc độ sâu 4000m với hai cánh tay máy camera HD TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 30-11/2018 hay ROV JHUROV chế tạo phịng thí nghiệm Hệ thống Động lực học Điều khiển (The Dynamical Systems and Control Laboratory) thuộc Đại học John Hopkins, sử dụng làm tảng phục vụ thí nghiệm giải thuật điều khiển định vị Ngồi ROV nghiên cứu phịng thí nghiệm, cơng ty lớn cho đời hệ ROV đa dạng phục vụ theo yêu cầu khách hàng VideoRay, BlueRobotics, Seabotix [7a, 7b] Trong hình số mơ hình ROV 45 quan tâm đến việc nạp lượng để sử dụng Ngoài ra, cáp nối dùng để truyền lệnh điều khiển tới robot, truyền liệu thu từ robot trạm trung tâm để quản lí điều khiển, đồng thời hỗ trợ thu hồi robot Kết cấu chung thơng số kỹ thuật ROV trình bày bảng hình Bảng Thơng số kỹ thuật Chỉ tiêu Thơng số Kích thước + Chiều dài: 0.6m + Chiều rộng: 0.37m + Chiều cao thân: 0.4m Khối lượng 25 kg Tốc độ cho phép - knots Độ sâu tối đa 20m Kết nối / Ethernet Truyền thơng Hình Một số mơ hình ROV dạng hộp Bài báo tập trung mơ tả thiết kế mơ hình ROV dạng hộp, bố trí thiết bị, lựa chọn thiết bị cảm biến, chấp hành, linh kiện điện tử để thiết kế hệ thống điều khiển cho robot lặn Bên cạnh nghiên cứu mơ hình tốn động học, động lực học cho ROV phục vụ cho mô điều khiển mơ hình thực tế Thiết kế chế tạo ROV 2.1 Kết cấu chung Mục tiêu đặt thiết kế ROV bảo vệ cách li hoàn toàn thiết bị, cảm biến động Hạn chế rủi ro gặp cố hay va chạm dẫn đến hư hại kiểm sốt ROV Vì kết cấu lựa chọn kiểu khung giàn hình hộp, lắp khoang thiết bị, động đẩy mở rộng lắp thêm cấu chấp hành khác cần Robot kết nối với trung tâm điều khiển đặt mặt nước (trên bờ, tàu mẹ…) thông qua dây cáp Dây cáp cung cấp điện năng, cho phép robot làm việc lâu dài nước mà khơng cần Nguồn cung cấp 220 VAC-50Hz Hệ thống định vị GPS, AHRS, USBL Hệ thống quan sát Mechanical Scanning Sonar, Camera, Lights Chế độ vận hành + Chế độ manual: Sử dụng joystick để điều khiển robot + Chế độ tự động: Gồm giữ hướng giữ độ sâu Hình Kết cấu khung ROV ROV có kết cấu khung dàn nhơm định hình, với kết cấu dễ dàng tháo lắp sửa chữa Trong thành phần gồm: (1) hệ ba phao nhựa giúp robot giữ thăng bằng, (2) khoang suốt chống thấm nước chứa xử lí trung tâm camera quan sát, (3) tay máy hỗ trợ mang vác gắp vật thể nước, (4) phận thu thập mẫu nước với dung tích dự kiến 2.5 lít, (5) hộp nhơm kín nước dùng để 46 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 30, Nov 2018 chứa mạch công suất, mạch nguồn cấp cho robot, (6) hộp nhựa kín nước dùng để chứa cảm biến (IMU, áp suất, GPS), mạch điều khiển thu nhận tín hiệu từ cảm biến mạch điều khiển động cơ, (7) năm động đẩy phụ dùng để giữ hướng, giữ độ sâu đổi hướng cho robot, (8) động khơng chổi qt cơng suất 400W đóng vai trị đẩy cho robot, (9) cảm biến USBL (Ultra – Short BaseLine) dùng để định vị vị trí hướng mũi tàu robot nước Các thành phần cốt lõi giới thiệu hình 2.2 Hệ thống vận động Hệ thống vận động ROV gồm năm động hãng Seabotix, động đạt đến cơng suất 50W có vỏ chống nước ăn mịn với mơi trường nước Hình Sơ đồ bố trí động điều khiển Trong hình mô ROV di chuyển môi trường nước phần mềm ANSYS a) Hình Mơ ROV di chuyển môi trường nước phần mềm ANSYS b) c) Hình Các thành phần cốt lõi gồm: a) Hộp camera trung tâm xử lý; b) Hộp chứa cảm biến; c) Hộp chứa mạch nguồn driver Hình cho thấy sơ đồ bố trí động khung robot đảm bảo cho robot hoạt động sáu bậc tự 2.3 Sơ đồ thiết bị điện Hình cho thấy tồn sơ đồ điện hệ thống ROV Chuẩn giao tiếp dùng chủ yếu hệ thống CAN (Controller Area Network), với tốc độ lên đến Mbps nên chuẩn CAN đảm bảo tốc độ đáp ứng cho tồn hệ thống đồng thời hạn chế nhiễu ảnh hưởng tới đường tín hiệu dựa vào việc lấy vi sai hai dây CANBUS Board xử lí trung tâm Raspberry PI (Model B) với lõi ARM tốc độ xử lí lên đến Gbps đảm nhiệm tính tốn điều khiển chính, hai board ARM STM32F407VGTxx [3] dùng để thu thập liệu từ cảm biến đồng thời nhận lệnh điều khiển từ board xử lí trung tâm để điều khiển động Chuẩn Ethernet TCP/IP dùng để giao tiếp board xử lí trung tâm cà trạm mặt đất TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 30-11/2018 47 Hình Sơ đồ điện Mơ hình động học, động lực học ROV Chuyển động ROV mô tả hai hệ quy chiếu khác [5]: Hệ quy chiếu quán tính NED (North – East – Down), gốc O n hệ quy chiếu gắn với vật thể, gốc O b tâm trọng lực vật Từ hai hệ quy chiếu đó, ta định nghĩa mơ hình động học động lực học sáu bậc tự ROV với tham số trạng thái hình vectơ vị trí η =η1 η2  = x, y, z φ , θ ,ψ  Trong đó, xét hệ quy chiếu gắn với vật, vận tốc tuyến tính vận tốc góc định nghĩa chung vectơ vận tốc T v = [u , v, w, p, q, r ] [8] Phương trình động T học ROV sử dụng ma trận xoay Jacobian chuyển hệ tọa độ định nghĩa với quy ước cos(x) = cx, sin(x) = sx, tan(x) = tx sau: (1) η = J (η2 ) v   J (η ) J (η2 ) =  J (η2 )   cψ cθ J1 (η2 )  sψ cθ =  − sθ a) − sψ cφ + cψ sθ sφ cψ cφ + sφ sθ sψ cθ sφ 1 sφ tθ J (η2 ) 0 cφ = 0 sφ / cθ b) Hình a)Hệ quy chiếu gắn với vật thể; b) Hệ quy chiếu NED 3.1 Mô hình động học Xét hệ quy chiếu NED, vectơ độ dời tọa độ góc Euler định nghĩa chung T (2) sψ sφ + cψ cφ sθ  −cψ sφ + sθ sψ cφ   cθ cφ cφ tθ  − sφ  cφ / cθ  3.2 Mơ hình động lực học Khi vật rắn di chuyển mơi trường nước, có nhiều yếu tố phải xét đến [4] Tuy nhiên, phương trình động lực học tổng quát áp dụng cho hầu hết trường hợp: (3) Mv + C (v)v + D(v)v + g (η ) = τ Vế trái ma trận tổng hợp lực momen tác động, gồm nhiều thành phần lực đẩy động cơ, nhiễu, lực tác dụng sóng, gió, dịng chảy ngầm, cịn vế phải 48 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 30, Nov 2018 thành phần khối lượng, lực cản trở chuyển động gây Khi ROV di chuyển, lượng lưu chất (nước) xung quanh dao động theo, tác động qua lại lẫn làm xuất thành phần cộng thêm Trong phương trình động lực học tổng quát, M ma trận khối lượng quán tính, gồm khối lượng quán tính ROV (M RB ) khối lượng cộng thêm nước (M A ) với m, I khối lượng momen quán tính theo trục X, Y, Z = M MRB + M A M RB (4) mzG −myG  0  m  m −mzG mxG  0   m myG −mxG 0  =  −mzG myG − I xy − I xz  Ix   mzG −mxG − I yx − I yz  Iy   − I zx − I zy I z   −myG mxG M A = −diag ( X u , Yv , Z w , K p , M q , N r ) Tương tự C(v) ma trận tổng hợp thủy động lực Coriolis – Hướng tâm vật rắn (ROV) thành phần cộng thêm (5) = C ( v ) C RB ( v ) + C A ( v ) C12 ( v )   CB (v) =  T3 x   −C12 ( v ) C22 ( v )   m( yG q + zG r ) −m(x G q − w) −m(x G r + v)   −m( y p + w) m(z r + x p) −m(y r − u )  C12 ( v ) = G G G G    −m(zG p − v) −m(zG q + u ) m(x G p + yG q)   − I yz q − I xz p + I z r I yz r + I xy p − I y q    − I xz r − I xy q + I x p  C22 ( v )=  I yz q + I xz p − I z r  − I yz r − I xy p + I y q I xz r + I xy q − I x p        C A (v ) =    Z w w   −Yv v 0 − Z w w X u u 0 Yv v − X u u 0 Z w w −Yv v N r r − M q q − Z w w X u u − N r r K p p (6) Yv v  − X u u    M q q  − K p p    D(v) ma trận giảm chấn thủy động lực làm cản trở chuyển động ROV gồm thành phần tuyến tính phi tuyến: D(v ) = −diag{ X u ,Yv , Z w , K p , Mq , Nr } − diag{ X u u u ,Yv v v ,Z w w w , K p p p ,M q q q , N r r r } Cuối ma trận lực phục hồi g(η) tương tác lực đẩy Archimedes trọng lực tác dụng lên ROV (W − B) sin θ     − − ( W B ) cos θ sin φ     −(W − B) cos θ cos φ (7) g (η ) =   − − + − ( y W y B ) cos θ cos φ (z W z B ) cos θ sin φ B B G G     (zG W − zB B) sin θ + (x G W − xB B) cos θ cos φ    −(x G W − xB B) cos θ sin φ − ( yGW − yB B) sin θ  TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 30-11/2018 Xét vế phải phương trình (1), gọi τ = [X, Y, Z, K, M, N] T ma trận lực đẩy momen quay đặc trưng ROV, tổng hợp từ vectơ u = [F , F , F , F , F , F ] T lực đẩy thành phần động (hình 8) a) b) Hình a) Hệ quy chiếu gắn với vật thể; b) Hệ quy chiếu NED Từ cách bố trí gá đặt động ROV, ta xây dựng mối quan hệ τ u thông qua ma trận phân bố lực B [1][2] 1 0  0 τ B= u  =  −l5  l1   0 −l5 l4 0 −l2 0 −l3 0 l6 l2 0   F1    F2    F3  (8)   −l6   F4  l2   F5      F6  Trong đó: l = 10mm, l = 150mm, l = 140mm, l = 200mm, l = 125mm, l = 115mm Hệ thống điểu khiển ROV 4.1 Giải thuật điều khiển Có nhiều phương pháp điều khiển đối tượng phi tuyến, phức tạp cho kết điều khiển tối ưu [6] Tuy nhiên với mơ hình khơng đủ khả xác định tồn 49 thơng số ROV điều khiển PID đáp ứng mức độ Ưu điểm giải thuật điều khiển dễ dàng mơ hình hóa áp dụng thực tế cho kết tốt Giải thuật điều khiển ROV PID để giữ góc phương vị giữ độ sâu cho robot lặn Khi ROV giữ góc phương vị độ sâu cho phép robot thực tác vụ như: Gắp vật tay gắp, lấy mẫu nước 4.1.1 Điều khiển giữ góc phương vị Cảm biến IMU đọc liệu góc nghiêng robot Tín hiệu đặt số PID cập nhật trực tiếp GUI điều khiển, điều khiển dùng Raspberry để tính tốn thực thi tác vụ điều khiển robot (hình 9) Hình 9.Sơ đồ điều khiển PID giữ góc Heading 4.1.2 Điều khiển giữ độ sâu Cảm biến áp suất đọc liệu để biết độ sâu robot Tín hiệu đặt số PID cho giữ độ sâu cập nhật trực tiếp GUI điều khiển, điều khiển dùng Raspberry để tính tốn xử lí (hình 10) Hình 10 Sơ đồ điều khiển PID giữ Depth 4.2 Kết mơ Dựa mơ hình tốn mô tả nội dung trên, hệ số PID tinh chỉnh theo phương pháp thử sai để tìm hệ số có đáp ứng tốt Hình 11 12 cho thấy 50 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 30, Nov 2018 đáp ứng ngõ mô phỏng, hệ số PID hiệu chỉnh điều khiển lặn [120, 0, 180] T, giữ hướng [25, 0, 0.5] T Đáp ứng hệ thống điều khiển xây dựng tốt: Thời gian đáp ứng nhanh, sai số nhỏ, khơng có tượng vọt lố, dao động trạng thái yêu cầu Robot trì hoạt động tốt nhiều mức trạng thái khác nhau: Giữ độ sâu 1m, 5m, 3m; giữ hướng 60 độ, 30 độ, 40 độ Hình 13 Giao diện GUI điều khiển tổng hợp Mơ hình ROV hồn chỉnh xây dựng thực nghiệm, tinh chỉnh robot hình 14 Hình 11 Kết điều khiển giữ độ sâu Hình 14 Hình ảnh thực nghiệm hồ bơi Hình 12 Kết điều khiển giữ hướng 4.3 Phần mềm điều khiển Phần mềm điều khiển (hình 13) xây dựng tảng Visual Studio, cho phép người dùng giám sát thông số trạng thái chiều quay, công suất đẩy động (%), góc nghiêng định hướng ROV, độ sâu, …và lưu chúng lại dạng bảng tính Excel, phục vụ cho việc khảo sát, phân tích sau Bên cạnh đó, sau kết nối GUI với ROV qua giao diện kết nối Ethernet, ta dùng Joystick để điều khiển ROV theo ý muốn điều chỉnh thông số K p , K i , K d , điều khiển PID để robot bám theo giá trị đặt ban đầu Kết luận Bài báo trình bày nghiên cứu thiết kế mơ hình điều khiển thiết bị điều khiển từ xa nước ROV, có khả tự thăng trạng thái nghỉ sử dụng động đẩy để di chuyển đủ sáu bậc tự Thông qua mô hình tốn động học động lực học giúp hiểu rõ chất vật lý ROV để áp dụng vào điều khiển thực tế Ngoài ra, việc thiết kế mơ hình đề cập phân tích làm rõ nhờ vào việc lựa chọn thiết bị, vật liệu, sau gá đặt bố trí, liên kết thiết bị chọn vị trí thích hợp để đảm bảo hoạt động ổn định cho ROV  Lời cảm ơn Nhóm tác giả cám ơn trường Đại học Bách khoa TPHCM tài trợ nghiên cứu khuôn khổ đề tài T-KTGT-2017-59 Tài liệu tham khảo [1] Chin, C S "Systematic modeling and modelbased simulation of a remotely operated vehicle using MATLAB and Simulink." International Journal of Modeling, Simulation, and Scientific Computing 2.04 (2011): 481-511 [2] Chin, C S et al "A robust controller design method and stability analysis of an underactuated underwater vehicle." International Journal of TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 30-11/2018 [3] [4] Applied Mathematics and Computer Science 16 (2006): 345-356 Datasheet STMicroelectronics, pp.1-202 Fossen T.I “Handbook of Marine Craft Hydrodynamics and Motion Control.” Wiley, New York (2011) [5] Fossen T.I “Marine Control Systems Guidance, Navigation, and Control of Ships, Rigs and Underwater Vehicles.” Marine cybernetics (2002) [6] García-Valdovinos, L.G., et al “Modelling, design and robust control of a remotely operated underwater vehicle.” International J of Advanced Robotic Systems 11.1 (2014):1[7a] https://www.gulfbase.org [7b] http://www.videoray.com [8] SNAME "Nomenclature for treating the motion of a submerged body through a fluid." New York: Technical and Research Bulletin (1952): 1-5 Thuật ngữ GPS - (Global Positioning System) Hệ thống Định vị Toàn cầu, hệ thống xác định vị trí dựa vị trí vệ tinh nhân tạo; 51 GUI - (Graphical User Interface) Giao diện đồ họa người dùng, phần mềm máy tính; IMU - (Inertial Measurement Unit) Thiết bị đo gia tốc góc xoay, sử dụng để điều động máy bay tàu vũ trụ; PID – (Proportional Integral Derivative) Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ, chế phản hồi vòng điều khiển tổng quát, qua khâu: tỉ lệ (P), tích phân (I) đạo hàm (D); ROV – (Remotely Operated Vehicle) Thiết bị điều khiển từ xa, thiết bị hoạt động nước Ngày nhận bài: 15/10/2018 Ngày chuyển phản biện: 18/10/2018 Ngày hoàn thành sửa bài: 8/11/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/11/2018 ... điện tử để thiết kế hệ thống điều khiển cho robot lặn Bên cạnh nghiên cứu mơ hình tốn động học, động lực học cho ROV phục vụ cho mơ điều khiển mơ hình thực tế Thiết kế chế tạo ROV 2.1 Kết cấu chung... điều khiển ROV theo ý muốn điều chỉnh thông số K p , K i , K d , điều khiển PID để robot bám theo giá trị đặt ban đầu Kết luận Bài báo trình bày nghiên cứu thiết kế mơ hình điều khiển thiết bị... tiêu đặt thiết kế ROV bảo vệ cách li hoàn toàn thiết bị, cảm biến động Hạn chế rủi ro gặp cố hay va chạm dẫn đến hư hại kiểm sốt ROV Vì kết cấu lựa chọn kiểu khung giàn hình hộp, lắp khoang thiết