Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình robot hoạt động dưới nước

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật MỤC LỤC Trang MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN HỆ THỐNG KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT HỆ THỐNG DANH MỤC BẢNG BIỂU HỆ THỐNG DANH MỤC HÌNH VẼ 1.Sự cần thiết đề tài 2.Lịch sử nghiên cứu 3.Mục đích, đối tƣợng phạm vi nghiên cứu luận văn 10 4.Tóm tắt điểm đóng góp luận văn 10 5.Phƣơng pháp nghiên cứu 11 CHƢƠNG 12 TỔNG QUAN VỀ ROBOT DƢỚI NƢỚC TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC 12 1.1.GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT DƢỚI NƢỚC 12 1.2.PHÂN LOẠI ROBOT DƢỚI NƢỚC 14 1.3.KẾT LUẬN 16 CHƢƠNG 17 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ ROBOT 17 2.1.NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ROBOT DƢỚI NƢỚC 17 2.2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN THIẾT KẾ KHUNG VỎ ROBOT DƢỚI NƢỚC 19 2.2.1.Các thành phần robot dƣới nƣớc 19 2.2.2.Cơ sở lý thuyết thiết kế robot dƣới nƣớc 20 2.2.3.Mơ hình động lực học robot dƣới nƣớc 21 2.2.4.Thiết kế khung vỏ robot 25 2.2.5.Hệ thống đảm bảo sức robot 27 2.3 NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ 30 2.3.1 Cơ sở lý thuyết tính tốn lựa chọn cơng suất động 30 2.3.2 Cấu hình hệ thống đẩy robot 32 2.3.3 Tính tốn cơng suất hệ thống đẩy tiến lùi 34 2.3.4.Tính tốn cơng suất hệ thống đẩy lặn cho robot 37 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật 2.3.5.Tính tốn cơng suất hệ thống đẩy ngang 38 2.3.6.Mơ dịng chảy kiểm nghiệm bền phần mềm ANSYS 38 2.4.KẾT LUẬN 43 CHƢƠNG 44 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ROBOT 44 3.1 THIẾT KẾ MẠCH VI ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT DƢỚI NƢỚC 44 3.1.1 Giới thiệu chung vi điều khiển Atmega 128 44 3.1.2 Thiết kế mạch điều khiển sử dụng vi điều khiển Atmega 128 47 3.2.GIAO TIẾP VỚI TAY ĐIỀU KHIỂN PS2 49 3.2.1 Phần cứng 49 3.2.2.Phƣơng thức truyền nhận liệu 49 3.3 KHỐI NGUỒN CHO MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ NGUỒN ………… 3.3.1.Khối nguồn cho mạch điều khiển 50 3.3.2.Khối nguồn cung cấp cho hệ thống 50 3.4.KHỐI GIAO TIẾP VỚI MẠCH CÔNG SUẤT 51 3.5.THIẾT KẾ MẠCH CÔNG SUẤT ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 51 3.5.1.Giới thiệu động DC không chổi than 51 3.5.2.Nguyên lý mạch điều khiển động DC không chổi than 52 2.5.3 Mạch đảo chiều động DC không chổi than 53 3.6 THIẾT KẾ MẠCH GIAO TIẾP VỚI MÁY TÍNH QUA CỔNG RS232 54 3.6.1.Giới thiệu cổng RS232 54 3.6.2.Truyền thông nối tiếp với máy tính RS232 55 3.7 KHỐI CAMERA QUAN SÁT, MÀN HÌNH HIỂN THỊ VÀ ĐÈN CHIẾU SÁNG 56 3.7.1 Hệ thống điều khiển góc quay camera 56 3.7.2 Lựa chọn camera quan sát 57 3.7.3.Màn hình hiển thị 58 3.7.4.Kết nối camera với hình máy tính 58 3.7.5.Hệ thống đèn chiếu sáng 59 3.8 KHỐI MẠCH CẢM BIẾN ĐO SÂU 59 3.8.1.Đo sâu sóng siêu âm 59 3.8.2.Đo sâu cách đo chênh áp 60 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật 3.9 LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ROBOT DƢỚI NƢỚC 61 3.9.1.Giới thiệu phần mềm CodeVisionAVR 61 3.9.2.Lập trình với CodeVisionAVR 62 3.9.3.Cấu trúc chƣơng trình viết CodeVisionAVR 65 3.9.4.Lƣu đồ thuật toán điều khiển robot 66 3.10.KẾT LUẬN 67 CHƢƠNG 68 CHẾ TẠO MÔ HÌNH VÀ THỬ NGHIỆM ROBOT DƢỚI NƢỚC 68 4.1 MỘT SỐ BẢN VẼ THIẾT KẾ 69 4.1.1 Bản vẽ kích thƣớc tổng thể robot 69 4.1.3 Bản vẽ tổng thể robot 71 4.2 CHẾ TẠO MƠ HÌNH ROBOT 72 4.2.1 Chế tạo hệ thống phao nổi, kết hợp chứa mạch điều khiển 72 4.2.2 Vành bao chân vịt sau chế tạo lắp ráp 72 4.2.3 Mạch vi điều khiển mạch công suất 72 4.2.4 Mạch khuếch đại tín hiệu cảm biến áp suất mạch relay đảo chiều động DC không chổi than 73 4.2.4 Cáp truyền tín hiệu điều khiển bờ 73 4.2.5 Màn hình hiển thị LCD LED bảy hiển thị độ sâu 73 4.3.THỬ NGHIỆM 74 4.3.1 Hình ảnh thử nghiệm hồ Mậu lƣơng –Hà Đông – Hà Nội 74 4.3.2 Hình ảnh thử nghiệm hồ Linh Đàm – Hà Nội 74 4.4 KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM 76 4.4.1 Thử nghiệm khả di chuyển robot 76 4.4.2.Thử nghiệm khả lặn robot 77 4.4.2.Thử nghiệm khả ổn định lặn robot 78 4.5.KẾT LUẬN 78 KẾT LUẬN 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 PHỤ LỤC 81 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật LỜI CAM ĐOAN Tôi tên Nguyễn Văn Tuấn học viên cao học lớp 13BCĐT.KT khóa 2013B Chuyên ngành: Kĩ thuật Cơ điện tử Đề tài: Nghiên cứu thiết kế chế tạo mơ hình Robot hoạt động dƣới nƣớc Giáo viên hƣớng dẫn: TS Nguyễn Chí Hƣng Tơi xin cam đoan nghiên cứu, thực nghiệm luận văn tác giả thực Hà Nội, ngày 28 tháng năm 2015 Tác giả luận văn Nguyễn Văn Tuấn Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật HỆ THỐNG KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ROV: Robot nước điều khiển có dây AUV: Robot nước tự hành không dây M RB :Ma trận khối lượng robot CRB (v)v : Ma trận chứa lực Coriolis lực ly tâm M phu : Ma trận khối lượng quán tính phụ D(v ) : Ma trận cản  : Lực điều khiển robot W : Độ lớn sức robot TE : Lực chuyển động R: lực cản PE : Cơng suất có ích PD : Cơng suất chân vịt P: Tổng cơng suất có ích hệ thống đẩy R : Lực cản tổng tác dụng lên robot theo phương tiến lùi v : Vận tốc robot C: Hệ số sức cản hình dáng ρ : Khối lượng riêng nước S: Diện tích hình chiếu robot lên mặt phẳng vng góc với hướng chuyển động Rcap : Lực cản dây cáp  : Hệ số tính đến tổn thất hệ thống đẩy Tdongco : Lực kéo động lặn VCC : chân nguồn +5V GND: chân đất 0V Reset : dùng để reset lại hệ thống BLDC: Động DC không chổi than PWM: điều chế độ rộng xung Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật HỆ THỐNG DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng2.1: Thơng số kích thước thể tích robot phần mềm ANSYS Bảng2.2: Thông số môi trường thử nghiệm Bảng 2.3: Thông số điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn Bảng 3.1: Chức chân cổng kết nối RS232 Bảng 3.2: Thông số kĩ thuật camera chọn Bảng 3.3: Các thông số cảm biến áp suất HỆ THỐNG DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Một số loại robot nước Hình 1.2 Robot loại AUV Teledyne Gavia Hình 1.3 Robot loại ROV có cánh tay thao tác Hình 2.1.Robot (ROV) sử dụng phương pháp lặn động lực hãng Nautic Hình 2.2 Robot (ROV) sử dụng phương pháp lặn động lực Submersible ROV Hình 2.3 Các bậc tự robot nước Hình 2.4.Sơ đồ kết nối robot nước cỡ nhỏ Hình 2.5 Các hệ tọa dùng để xác định vị trí robot Hình 2.6 Bản vẽ 3D thành robot Hình 2.6 Khung inox liên kết thành robot Hình 2.7 Thành robot sau lắp ráp với khung inox Hình.2.8 Phương chiều lực đẩy Acsimet trọng lượng robot Hình 2.9 Bộ phận tạo sức chứa mạch điều khiển robot Hình 2.10 Lực cản bổ sung ∆R tác dụng lên robot chân vịt hoạt động Hình 2.11 Chân vịt cánh hệ thống đẩy Hình 2.12 Cấu hình hệ thống đẩy tiến lùi Hình 2.13 Cấu hình hệ thống đẩy lặn Hình 2.14 Cấu hình hệ thống đẩy ngang Hình 2.15 Mối quan hệ hệ số sức cản hình dáng số Reynolds Hình 2.16 Động DC khơng chổi than Hình 2.17 Tạo miền không gian lưới cho robot để thử nghiệm Hình 2.18 Chọn mơi trường thử nghiệm mơi trường nước Hình 2.19 Khởi tạo thơng số đầu vào inlet đầu outlet Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Hình 2.20 Biểu đồ vận tốc theo trục mơi trường ANSYS Hình 2.21 Thử nghiệm dịng chảy tác dụng vào đầu vào inlet với tốc độ 1m/s Hình 2.22 Trường lực cấu trúc dịng chảy tác dụng lên robot Hình 2.23 Trường dịng chảy áp lực tác dụng lên robot áp suất 206568 Pa Hình 3.1 Sơ đồ chân Vi điều khiển Atmega128 Hình 3.2 Biểu đồ khối cấu trúc Vi điều khiển AVR Hình 3.3 Sơ đồ khối mạch điều khiển robot nước Hình 3.4 Nguyên lý mạch điều khiển sử dụngVi điều khiển Atmega 128 Hình 3.5 Mạch điều khiển sau chế tạo Hình 3.6 Hình ảnh tay điều khiển PS2 Hình 3.7 Khối nguồn cấp điện 5V cho Vi điều khiển Hình 3.8 Sơ đồ khối nguồn cung cấp cho hệ thống Hình 3.9 Khối giao tiếp mạch công suất điều khiển động A Hình 3.10 Nguyên lý mạch điều khiển động BLDC Hình 3.11 Phương pháp xuất xung PWM điều khiển động BLDC Hình 3.12 Thứ tự điện áp đưa vào pha động BLDC Hình 3.13 Mạch relay điều khiển chiều quay động BLDC Hình 3.14 Mạch công suất điều khiển động BLDC sau chế tạo Hình 3.15 Thứ tự chân cổng đực RS232 Hình 3.16 Thứ tự chân cổng RS232 Hình 3.17 Sơ đồ chân MAX232 Hình 3.18 Nguyên lý mạch giao tiếp sử dụng MAX232 Hình 3.19 Động thay đổi góc quan sát camera Hình 3.20 Camera sau gá đặt robot Hình 3.21 Màn hình hiển thị hình ảnh truyền từ camera Hình 3.22 Cáp truyền tín hiệu Hình 3.23 Hệ thống đèn chiếu sáng robot Hình 3.24 Cảm biến áp suất MPXHZ6400A Hình 3.25 Sơ đồ mạch nguyên lý kết nối cảm biến với Vi điều khiển Hình 3.26 Hộp thoại New File Hình 3.27 Hộp thoại New FileProject Hình 3.28 Hộp thoại Confirm Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Hình 3.29 Cửa sổ CodeWizard Hình 3.30 Lưu file Project Hình 3.31 Cửa sổ soạn thảo CodeVision Hình 3.32 Lưu đồ thuật tốn điều khiển robot Hình 4.1 Biểu đồ tuyến tính tăng tốc ổn định vận tốc 0,25m/s Hình 4.2 Biểu đồ tuyến tính tăng tốc ổn định vận tốc 0,65m/s robot Hình 4.3 Biểu đồ tuyến tính độ sâu robot lặn xuống theo thời gian Hình 4.4 Biểu đồ tuyến tính độ sâu robot lên theo thời gian Hình 4.5 Biểu đồ tuyến tính ổn định độ sâu 1,35m theo thời gian Hình 4.6 Biểu đồ tuyến tính ổn định độ sâu 2,5m theo thời gian Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật MỞ ĐẦU Sự cần thiết đề tài Việt Nam quốc gia có đƣờng bờ biển trải dài từ bắc vào nam, với chiều dài khoảng 3260km, vùng biển rộng lớn hệ thống đảo nhiều Hơn hệ thống sông hồ rộng khắp nƣớc Các hoạt động khoa học, kinh tế, xây dựng giao thông diễn biển nhƣ sông, hồ ngày nhiều đa dạng Ví dụ trình xây dựng cơng trình cầu, cảng, dàn khoan, đƣờng ống dẫn dầu,….bƣớc cần phải tiến hành cơng tác khảo sát, thăm dị dƣới nƣớc trƣớc thi công; nghiên cứu khoa học môi trƣờng nƣớc, thám hiểm; công tác cứu hộ cứu nạn biển, sơng hồ; quốc phịng an ninh, …Các cơng việc địi hỏi phải có thiết bị chuyên dụng, tiên tiến để thực Do nhu cầu nghiên cứu, làm chủ công nghệ tiến tới thiết kế, chế tạo robot dƣới nƣớc phục vụ cho công tác cần thiết phù với phát triển khoa học Vì vậy, tác giả chọn đề tài “ Nghiên cứu thiết kế chế tạo mơ hình robot hoạt động dƣới nƣớc” Lịch sử nghiên cứu Robot dƣới nƣớc (Under-water Robot) đƣợc nhiều nƣớc giới nghiên cứu phát triển Đã có nhiều nghiên cứu thực nghiệm triển khai nhiều lĩnh vực khác kinh tế đặc biệt lĩnh vực hàng hải, dầu khí, giao thơng vận tải, nghiên cứu khoa học Các ứng dụng Robot dƣới nƣớc đƣợc nhiều tác giả nhƣ: Healey Lienard, 1993; Fossen, 1994; Jalving, 1994; Antonelli et al, 2001; Fossen, 2002; Gomes et al, 2003; ; Wilson eta, 2006;…thiết kế, thử nghiệm phát triển vài thập kỷ qua đạt đƣợc thành tựu đáng kể Hiện robot dƣới nƣớc nói riêng, thiết bị lặn nói chung ngày phát triển quy mô, chất lƣợng khả công tác độ sâu ngày lớn Trong nƣớc có số nghiên cứu thiết bị lặn đƣợc nghiên cứu trƣờng đại học, học viên nhƣ: Học viện kĩ thuật Quân sự, Học viện Hải Quân Nha Trang, Các nghiên cứu chủ yếu phục vụ cho lĩnh vực quân an ninh, robot dƣới nƣớc ứng dụng công tác khảo sát, nghiên cứu Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật khoa học, giao thông vận tải, dầu khí hầu nhƣ chƣa có nghiên cứu thực nghiệm cụ thể Mục đích, đối tƣợng phạm vi nghiên cứu luận văn  Mục đích: - Chế tạo robot dƣới nƣớc có gắn camera cảm biến có khả di chuyển mơi trƣờng nƣớc nƣớc theo phƣơng khác nhƣ: chuyển động lặn nổi, tiến, lùi, quay trái phải, rẽ trái, rẽ phải - Robot đo độ sâu vị trí cơng tác, chụp, quay phim trực tiếp truyền hình ảnh lên bờ - Robot lặn độ sâu tối đa khoảng 10m  Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu: - Đối tƣợng nghiên cứu: Áp suất, động lực học thủy tĩnh, thuật toán điều khiển, giao thức truyền tín hiệu - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu động lực học thủy tĩnh, thiết kế chế tạo mơ hình robot, nghiên cứu mạch điều khiển robot, nghiên cứu cảm biến áp suất Điều khiển robot hiển thị thơng số độ sâu, hình ảnh Tóm tắt điểm đóng góp luận văn Luận văn đƣợc trình bày gồm chƣơng: Chƣơng tác giả trình bày tổng quan robot dƣới nƣớc lịch sử phát triển robot dƣới nƣớc nghiên cứu nhà khoa học giới Chƣơng nghiên cứu lý thuyết tính tốn động học robot dƣới nƣớc, lựa chọn phƣơng án thiết kế, xây dựng phƣơng trình vi phân chuyển động, mơ phần mềm ANSYS, tính tốn lựa chọn công suất động đẩy theo phƣơng pháp gần Chƣơng nghiên cứu lựa chọn mạch điều khiển robot, xây dựng phần mềm điều khiển hoạt động robot, truyền hình ảnh, lập trình thu thập liệu từ cảm biến áp suất để quy đổi độ sâu Chƣơng đƣa kết thực nghiệm, xây dựng biểu đồ quan hệ thời gian vận tốc robot, thời gian độ sâu công tác Đóng góp tác giả: Luận văn xây dựng mơ hình robot dƣới nƣớc có sử dụng cảm biến áp suất để đo độ sâu, mô phần mềm ANSYS lập trình ngơn ngữ C điều khiển hoạt động robot Các giá trị đo hình ảnh đƣợc hiển thị lên bàn điều khiển trung tâm thông qua truyền thông nối tiếp 10 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật OCR1AL=0x00; OCR1BH=0x00; OCR1BL=0x00; OCR1CH=0x00; OCR1CL=0x00; TCCR2=0x00; TCNT2=0x00; OCR2=0x00; TCCR3A=0x00; TCCR3B=0x00; TCNT3H=0x00; TCNT3L=0x00; ICR3H=0x00; ICR3L=0x00; OCR3AH=0x00; OCR3AL=0x00; OCR3BH=0x00; OCR3BL=0x00; OCR3CH=0x00; OCR3CL=0x00; EICRA=0x00; EICRB=0x00; EIMSK=0x00; TIMSK=0xD5; ETIMSK=0x01; ACSR=0x80; SFIOR=0x00; // Global enable interrupts #asm("sei") lcd_init(); PS2_init(); LED7_init(); motor_init(); ADC_init(); dosaugoc=ADC_dosau(); while(OCR1AL3); 82 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật while(1) { PS2_read(); if(LAU) { if(DIR!=TIEN) { if(SPEED1>SPEED1_MIN) { SPEED1 ; SPEED2=SPEED1; } else { DIR1=DIR2=DIR=TIEN; SPEED1=SPEED2=0; } } else { DK_DIR1=0; DK_DIR2=1; while(SPEED1 V = ( ADC * ) / 1024 (~4.888 mV / DIV) *********************************************************************** *********/ /* ADC 10 bit, nhan gia tri tu den 1024 moi muc ADC co gia tri dien ap la: 5000 / 1024 (mV) gia tri ADC co muc dien ap la: 5000*ADC / 1024 (mV) Dau CB ap suat: 0.2mV / kPa > Sau khuech dai: 0.2*501 mV/kPa > Quy doi ap suat: 5000*ADC / (1024*0.2*501) = 3125*ADC / 64128 (kPa) Do sau: h = P / d = 3125*ADC*1000 / (64128*10000) (m) h = 3125*ADC / 64128 (dm) */ #ifndef _CBAS_C_ #define _CBAS_C_ #include #define FIRST_ADC_INPUT #define LAST_ADC_INPUT unsigned int adc_data[LAST_ADC_INPUT-FIRST_ADC_INPUT+1]; #define ADC_VREF_TYPE 0x00 // ADC interrupt service routine // with auto input scanning interrupt [ADC_INT] void adc_isr(void) { register static unsigned char input_index=0; // Read the AD conversion result adc_data[input_index]=ADCW; // Select next ADC input if (++input_index > (LAST_ADC_INPUT-FIRST_ADC_INPUT)) input_index=0; ADMUX=(FIRST_ADC_INPUT | (ADC_VREF_TYPE & 0xff))+input_index; // Delay needed for the stabilization of the ADC input voltage delay_us(10); // Start the AD conversion ADCSRA|=0x40; } void ADC_init() { // ADC initialization // ADC Clock frequency: 1000.000 kHz // ADC Voltage Reference: AREF pin ADMUX=FIRST_ADC_INPUT | (ADC_VREF_TYPE & 0xff); ADCSRA=0xCB; } unsigned long ADC_dosau() { 95 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật unsigned long temp; temp=3125*((unsigned long)adc_data[0]); temp=temp/64128; return temp; } #endif 96 ... vi nghiên cứu: Nghiên cứu động lực học thủy tĩnh, thiết kế chế tạo mơ hình robot, nghiên cứu mạch điều khiển robot, nghiên cứu cảm biến áp suất Điều khiển robot hiển thị thông số độ sâu, hình. .. nghiên cứu, làm chủ cơng nghệ tiến tới thiết kế, chế tạo robot dƣới nƣớc phục vụ cho công tác cần thiết phù với phát triển khoa học Vì vậy, tác giả chọn đề tài “ Nghiên cứu thiết kế chế tạo mơ hình. .. dụng lên robot, N v – vận tốc robot, m/s Chúng ta mơ hình hóa robot nhƣ vật thể có hình dạng đơn giản đó, chẳng hạn hình trụ, hình lập phƣơng v.v…Căn vào hình dạng thiết kế ta mơ hình hóa robot