Tính toán thiết kế và khảo sát hệ thống ổn định và điểu khiển của robot lặn

NGUYỄN VĂN NHU BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - - LỜI CAM ĐOAN NGUYỄN VĂN NHU Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác TÁC GIẢ LUẬN VĂN TÍNH TỐN, THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH VÀ ĐIỀU KHIỂN CỦA ROBOT LẶN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CƠ ĐỘNG LỰC HV KHÍ Nguyễn Văn Nhu KHĨA – 2011B Hà Nội - 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI DỤC HỌC VÀ BÁCH KHOA BỘ GIÁO ĐÀO TẠO HÀ NỘI - TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - - NGUYỄN VĂN NHU NGUYỄN VĂN NHU TÍNH TỐN, THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG ỔN VÀTHIẾT ĐIỀU KHIỂN CỦA ROBOT LẶN TÍNHĐỊNH TỐN, KẾ VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH VÀ ĐIỀU KHIỂN CỦA ROBOT LẶN Chuyên ngành: kỹ thuật khí động lực LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT CƠ KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨĐỘNG KHOALỰC HỌC CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS LÊ QUANG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS LÊ QUANG HÀ NỘI - 2014 Hà Nội – Năm 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác TÁC GIẢ LUẬN VĂN HV Nguyễn Văn Nhu MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG :TỔNG QUAN VỀ ROBOT LẶN 1.1 Tổng quan robot lặn 1.1.1 Khái niệm robot lặn 1.1.2 Sự phát triển robot lặn .8 1.2 Các vấn đề kỹ thuật nghiên cứu robot lặn .13 1.3 Đề xuất nguyên lý hoạt động robot lặn 14 1.4 Vấn đề nghiên cứu luận văn 15 CHƢƠNG ĐỘNG LỰC HỌC VÀ MƠ HÌNH TÍNH TỐN CỦA ROBOT LẶN 16 2.1 Động lƣợng – momen động lƣợng động vật rắn .16 2.1.1 Động lƣợng vật rắn 17 2.1.2 Ma trận momen quán tinh khối vật rắn 17 2.1.3 Momen động lƣợng vật rắn tâm O thuộc vật 19 2.1.4 Động vật rắn 21 2.2 Thiết lập phƣơng trình động lực học vật rắn 23 2.2.1 Áp dụng định lý biến thiên động lƣợng momen động lƣợng 23 2.2.2 Áp dụng định lý biến thiên động .24 2.2.3 Biểu diễn dạng ma trận phƣơng trình vi phân chuyển động vật rắn 30 2.2.4 Tính lực tác dụng lên Robot lặn 32 2.2.5 Phƣơng trình chuyển động robot lặn 35 2.2.6 Các trƣờng hợp riêng 37 CHƢƠNG TUYẾN HÌNH, BỐ TRÍ CHUNG, ĐƢỜNG CONG THỦY LỰC VÀ BONJEAN 39 3.1 Một số nguyên tắc chung xây dựng tuyến hình robot lặn 39 3.2 Tuyến hình robot lặn thơng số bố trí chung 40 3.3 Đƣờng cong thủy lực, đƣờng cong Boonjean ổn định 43 3.4 phƣơng trình chuyển động robot lặn .48 3.4.1 Khi robot chuyển động ngang nƣớc .48 3.4.2 Khi robot muốn di chuyển lên 49 CHƢƠNG ỨNG DỤNG CFD KHẢO SÁT SƠ BỘ BIÊN DẠNG ROBOT LẶN 50 4.1 Mô số động lực học dòng chảy .50 4.1.1 Khái niệm CFD 50 4.1.2 Ƣu nhƣợc điểm CFD .51  Hạn chế 51 4.1.3 Các lĩnh vực áp dụng CFD 52 4.1.4 Các bƣớc mơ tính tốn phần mềm Fluent 52 4.2 Ứng dụng mô tính tốn khảo sát biên dạng robot lặn 54 4.2.1 Mơ hình hình học chia lƣới 54 4.2.2 Phƣơng pháp tính tốn điều kiện biên 56 4.2.3 Điều kiện biên 58 4.2.4 Kết mô 58 4.2.5 Đồ thị lực cản vận tốc vị trí khác 61 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 69 Kết luận 69 Kiến nghị 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT x, y, z Vị trí robot lặn ɸ , θ, ψ Các góc Euler u, v, w Vận tốc dài robot lặn p, q, r Vận tốc góc robot lặn m Khối lƣợng vật Ai Ma trận cosin hƣớng thứ i B Ma trận phân phối C Ma trận chứa lực ly tâm lực quán tính coriolis T(t) Ma trận biến đổi tọa độ M Ma trận khối lƣợng robot lặn J0 Ma trận moment quán tính khối tâm vật Ω vector vận tốc góc vật rắn Vp0 vector vận tốc góc vật rắn P hệ qui chiếu cố định R0 ap vector gia tốc góc vật rắn P hệ qui chiếu R0 Cy Hệ số lực nâng, Cx Hệ số lực cản Cm Hệ số mô men  Khối lƣợng riêng chất lỏng, S Tiết diện cản RF Sức cản ma sát RR Sức cản dƣ RA Sức cản khơng khí CA Hệ số sức cản khơng khí riêng ρkk Mật độ khơng khí Akk Diện tích mặt ngang phần thân tàu nhô lên khỏi mặt nƣớc As Diện tích mặt ƣớt PE Cơng suất đẩy hiệu dụng cần thiết  Khối lƣợng riêng,  V Vectơ vận tốc,  Hệ số nhớt động học,  F Lực khối đơn vị, P Ap suất, E Nhiệt dung riêng chất lỏng, Keff Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng,  Jj Thông lƣợng khuyếch tán, Sh Bao hàm nhiệt phản ứng hoá học nguồn nhiệt khác t Độ nhớt rối, Gk Sự phát sinh lƣợng động học rối gradien vận tốc trung bình, Gb Sự phát sinh lƣợng động học sức nổi, YM Thể dãn nở biến đổi dòng chảy rối nén đƣợc, C1, C2 Các số (C1=1,44; C2=1,92 ), C3 Thể mức độ chịu ảnh  vào sức nổi, k;  Số Prandtl rối k  (k=1; =1,3), Sk; S Đại lƣợng ngƣời dùng định nghĩa MỞ ĐẦU Hiện nay, tình hình giới diễn biến phức tạp Dân số giới tăng nhanh, nguồn trữ tài nguyên, khoáng sản, nhiên liệu đất liền ngày trở lên cạn kiệt Các nguồn dự trữ tự nhiên trở thành nguyên nhân sâu xa xủa tranh chấp can thiệp thô bạo số nƣớc phát triển nƣớc có nguồn dự trữ lớn (Iraq, Libia,…) Địa bàn tranh chấp không dừng lại mà diễn biển nơi có trữ lƣợng tài nguyên lớn gấp nhiều lần so với đất liền Các cƣờng quốc giới đẩy mạnh diện khẳng định chủ quyền vùng biển, nơi có nhiều dự trữ tài ngun Việt nam khơng nằm ngồi vịng xoáy Nổi cộm gần xung đột Trung Quốc nƣớc thuộc khu vực Biển Đơng, phủ Trung Quốc tun bố chủ quyền với hầu hết diện tích Biển Đơng, coi sân nhà mình, vi phạm trắng trợn thô bạo chủ quyền nƣớc khu vực Trong bối cảnh nay, q trình cơng nghiệp hóa, đại hóa đất nƣớc khơng thể thiếu nguồn tài nguyên thiên nhiên Để đáp ứng đƣợc yêu cầu này, bối cảnh dự trữ đất liền ngày hiếm, đƣờng tất yếu đẩy mạnh nghiên cứu khai thác đại dƣơng thềm lục địa Ngoài ra, để phát triển bền vững hịa bình lãnh hải trƣớc can thiệp lực bên cần có phƣơng tiện chiến tranh phù hợp Một phƣơng tiện phục vụ cho nghiên cứu, khai thác bảo vệ lãnh hải tàu ngầm quân phƣơng tiện lặn khác Robot lặn phƣơng tiện lặn khác đƣợc phát triển sử dụng rộng rãi giới lĩnh vƣc dân quân Trong dân sự, chúng đƣợc sử dụng để nghiên cứu thăm dò đáy biển, nghiên cứu đại dƣơng, công nghiệp khai thác dầu khí khống sản thềm lục địa, vào mục đích du lịch… Số lƣợng robot lớn tập trung lĩnh vực quân Các cƣờng quốc hải quân không ngừng cải tiên nhằm chế tạo đƣợc robot với nhiều tính ƣu việt nhƣ giảm khả bị phát hiện, tốc độ… Tại Việt nam, số lƣợng robot đại không nhiều Hiện tại, chƣa có khả tự thiết kế chế tạo robot Mục tiêu đề tài: Tính tốn, thiết kế khảo sát hệ thống ổn định điều khiển cho robot lặn Cách tiếp cận, phƣơng pháp nghiên cứu, đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Tìm hiểu loại thiết bị lặn giới làm sơ cho tính tốn Sử dụng phối hợp phƣơng pháp thiết kế với lý thuyết kỹ thuật điều khiển, lý thuyết tàu, học chất lỏng kết hợp với sử dụng phần mềm mô Nghiên cứu thủy động lực học robot hệ thống điều khiển chuyển động  J j : thông lƣợng khuyếch tán, Sh: bao hàm nhiệt phản ứng hoá học nguồn nhiệt khác Mơ hình k- mơ hình bán thực nghiệm có nhiều số đƣợc định nghĩa trƣớc Mơ hình áp dụng việc giải độc lập hai phƣơng trình chuyển động với lƣợng động học rối (k) tỉ lệ khuyếch tán ():      k     kui   t xi x j      t k   k    Gk  Gb    YM  Sk   x j           ui   t xi x j      t k      2  C G  C G  C   S     1 k 3 b 2 k k  x j   4 Trong đó: t: độ nhớt rối, Gk: phát sinh lƣợng động học rối gradien vận tốc trung bình, Gb: phát sinh lƣợng động học sức nổi, YM: thể dãn nở biến đổi dòng chảy rối nén đƣợc, C1, C2 số (C1=1,44; C2=1,92 ), C3: thể mức độ chịu ảnh  vào sức nổi, k;  số Prandtl rối k  (k=1; =1,3), Sk; S: đại lƣợng ngƣời dùng định nghĩa Chúng ta sử dụng hai giả thiết quan trọng là: - Dịng chảy rối hồn tồn, - Bỏ qua ảnh hƣởng độ nhớt phân tử 57  5 Các bƣớc tiến hành giải phƣơng trình là: - Sử dụng lƣới chia mơ hình thành thể tích hữu hạn, rời rạc; - Tích phân phƣơng trình theo thể tích hữu hạn để xây dựng phƣơng trình đại số cho biến độc lập nhƣ vận tốc, áp suất, nhiệt độ nhƣ đại lƣợng vơ hƣớng khác; - Tuyến tính hố phƣơng trình rời rạc giải hệ phƣơng trình tuyến tính 4.2.3 Điều kiện biên Với dải vận tốc phổ biến robot lặn nhỏ hải lý/h, mơ hình robot lặn đƣợc khảo sát đánh giá lực cản đặc điểm dòng chảy điều kiện vận tốc khác V = – m/s Về áp suất, ta coi áp suất môi trƣờng xung quanh vật thể độ ngập sâu nhƣ nhau, nói cách khác, coi áp suất dƣ ban đầu 4.2.4 Kết mô 58 , V = m/s (b) , V = m/s 59 (c), V = m/s Hình 4.6 Phân bố áp suất tĩnh mơ hình vận tốc khác robot di chuyển sát đáy V = 1m/s V = m/s 60 C1, V = m/s Hình 4.7 Phân bố vận tốc Có thể nhận thấy sức cản gây vật thể vùng chất lỏng bị ngẽn cản mặt bán cầu phía thƣợng lƣu, nơi áp suất chất lỏng tác động lên vật thể lớn 4.2.5 Đồ thị lực cản vận tốc vị trí khác Hình 4.8 Robot chuyển động sát đáy với góc tới α=00 61 Hình 4.9 robot chuyển động mơi trƣờng khảo sát với góc tới α=00 Hình 4.10 robot chuyển động gần mặt thống mơi trƣờng khảo sát góc tới α=00 Qua đồ thị ta xác định đƣợc lực cản robot chế độ hoạt động robot lặn, đồ thị sở để xác định vài thơng số để lựa chọn phƣơng án đặt góc lái điều khiển robot lặn 62 Thông số robot lặn Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Khối lƣợng m 65.069 Kg Moment khối lƣợng I xx 0.4856 Kg.m2 Moment khối lƣợng I yy  I zz 45.223 Kg.m2 Chiều dài L 1.8 m Bán kính khoang R 0.25 m Vị trí trọng tâm  X g , Yg , Z g  [0.733, 0.00139, 0] m Trục moment quán tính Ký hiệu Đơn vị Giá trị Ix (1.00, -0.00, 0.00) Iy (0.00, 1.00, -0.00) Iz (-0.00, 0.00, 1.00) Px 0.48552107799 Kg.m2 Py 10.23850214422 Kg.m2 Pz 10.24091904911 Kg.m2 63 Moment quán tính so với tâm khối lƣợng Lxx 0.485607186 Kg.m2 Lxy -0.028979395 Kg.m2 Lxz 00000.3039934 Kg.m2 Lyx -0.02897939571 Kg.m2 Lyy 10.23841603595 Kg.m2 Lyz -0.00000043365 Kg.m2 Lzx 0.00003039934 Kg.m2 Lzy -0.00000043365 Kg.m2 Lzz 10.24091904897 Kg.m2 Moment quán tính tƣơng đối Ixx 0.48573289994 Kg.m2 Ixy 0.03733868451 Kg.m2 Ixz 0.00008208152 Kg.m2 Iyx -0.02897939571 Kg.m2 Iyy 45.22343407286 Kg.m2 Iyz -0.00000033569 Kg.m2 Izx 0.00008208152 Kg.m2 Izy -0.0000033569 Kg.m2 Izz 45.22606279927 Kg.m2 64 Hệ số điều động phi tuyến lực moment Thông số Giá trị Đơn vị X uu -3.11e+0 Kg/m Xu 4.21e-1 kg X uw 3.01e+1 Kg/m X uv 3.01e-2 Kg/m X vv -5.19e+1 Kg/m X vr -2.72e+1 Kg/rad X ww -5.19e+1 Kg/m X wq -2.72e+1 Kg/rad X rr 1.83e+0 Kg/rad X prop 7.38e+0 N Yuv -5.85e+1 Kg/rad Yur 5.66e+0 Kg/rad Yvv 3.01e+0 Kg/m Yv -2.72e+1 Kg Ywp 2.72e+1 Kg/rad Ypq -1.83e+0 Kg/rad 65 Miêu tả Hệ số điều động phi tuyến moment Hệ số Đơn vị Giá trị Miêu tả Kp -4.10e-2 Kg.m2/rad2 K prop -5.40e-1 N.m K uu r 4.48e+0 Kg/rad M uw 2.40e+1 Kg M uq -4.93e+0 Kg.m/rad M vp 1.83e+0 Kg.m/rad Mw 1.83e+0 Kg.m2/rad2 Mq -4.34e+0 Kg.m2/rad2 4.3 Mô chuyển động mặt phẳng dọc thẳng đứng dƣới tác dụng cánh lái, 4.3.1 Chuyển động hệ hở Chuyển động hệ hở đƣợc mơ tả phƣơng trình sau ωz  A11ωz  A12α  A13ψ  B11δ m  B12δl α  A21ωz  A22α  B21δ m  B22δl ψ  ωz yg  v(ψ  α) 66 Ký hiệu A11 A12 A13 A A21 A 22 0 v v B11 ;b1  0 B21 0 B12 ;b  B22 0 ;C  (0 0 1);x  (ωz α ψ yg )T A11  0,21; A12  -4,85; a13  5.14; A 21  10,02; A 22  30,97 B11  -6, 6; B12  18,9; B21  4.04; B22  5.63 Hàm truyền đạt cánh lái mũi làm việc 1 H(s) yg / δm  C  sI  A  b1   (  vB21 )s  v(A 21B11  B11  A11B21 )s  v(A 22 B11  A12 B21  A13 B21 ) s s3  (A 22  A11 )s  (A11 A22  A21 A12  A13 )s  A13 A22  Hàm truyền đạt cánh lái đuôi làm việc 1 H(s) yg / δl  C  sI  A  b   (  vB22 )s  v(A 21B12  B12  A11B22 )s  v(A 22 B12  A12 B22  A13 B22 ) s s3  (A 22  A11 )s  (A11 A22  A21 A12  A13 )s  A13 A22  4.3.2 Hệ thống ổn định độ sâu Chuyển động hệ thống ổn định độ sâu đƣợc mơ tả phƣơng trình sau x  Ax  Bu u  Gx Ở đây, G - ma trận thông số điều khiển (các hệ số phản hồi trạng thái) 67 -13 x 10 2.5 ωz(0/s) α(0) 0.5 1.5 -0.5 -1 -1.5 0.5 -2 t(s) t(s) -2.5 50 100 150 200 250 300 0 50 100 150 200 250 50 100 150 200 250 300 -12 x 10 ψ( ) 0 4.5 -1 -2 3.5 -3 -4 2.5 -5 -6 1.5 -7 -8 yg(m) 0.5 t(s) t(s) -9 50 12 100 150 200 250 300 0 δm(0) 10 300 δl(0) 0 t(s) -2 50 100 150 200 250 t(s) 300 -1 50 100 150 200 250 Hình 4.11 Thay đổi tham số động học robot lặn theo thời gian 68 300 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Luận văn đƣợc hoàn thành nội dung đƣợc giao, bao gồm tìm hiểu tổng quan chung tình hình phát triển robot lặn giới Vai trò quan trọng robot lặn phát triển kinh tế biển an ninh quốc phòng đƣợc nhiều nƣớc quan tâm Luận văn giúp cho ngƣời học hội tìm hiểu vấn đề robot lặn, nguyên tắc thiết kế, khái niệm hệ thống kỹ thuật cần thiết Về phƣơng pháp nghiên cứu, luận văn áp dụng công cụ mô động lực học dòng chảy CFD với ứng dụng Fluent Code để tiến hành tính tốn điều kiện thí nghiệm khơng cho phép Kết tính tốn dự báo đƣợc hình ảnh quan sát phân bố áp suất, vân tốc, động lực học Với biên dạng đƣợc thiết kế, dễ dàng phát triển thành robot lớn việc kéo dài phần trụ thân robot Biên dạng robot cho phép tạo tính ổn định phƣơng ngang, đồng thời tạo lực nâng hỗ trợ cho vận hành lặn, robot Vận tốc vận hành nên nằm khoảng dƣới m/s Ở vận tốc cao, góc nên hạn chế Kiến nghị Vấn đề nghiên cứu robot lặn cần có tin cậy cao kiến thức đa ngành Đây vấn đề mang ý nghĩa lớn với đất nƣớc có bờ biển dài nhƣ nƣớc ta, nên cần có đầu tƣ nghiên cứu sớm lâu dài Với điều kiện hạn hẹp kinh phí, khả đầu tƣ Nghiên cứu cần có xem xét phát triển, song song với đào tạo đội ngũ, khai thác ứng dụng thiết kế máy tính để giảm thiểu chi phí trƣớc thực nghiệm 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Sĩ Phiệt, Vũ Duy Quang (1979) Thủy khí động lực kỹ thuật, Nhà xuất đại học trung học chuyên nghiệp Hà Nội [2] Nguyễn Văn Khang, động lực học hệ nhiều vật, NXB Khoa học kỹ thuật hà nội 2007 [3] L.Đ.Lanđau E.M.lifsitx, dịch Đặng Quang Khang Thủy động lực học Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2001 [4 Nguyễn Quang Hoàng, Zur modellierung und regelung ferngesteuerter underwasserfshrzeuge, Hamburg, Germany 2006 [5] Nguyễn Tiến Lai Động lực học tàu thủy, Trƣờng Đại học Hàng Hải, 2006 [6] Do, KD And Jie Pan: Control of ships and Underwater Vehicles: Design for Underactuated and Nonlinear Marine Systems, Springer-Verlag 2009 [7] Y.N.Kormilitsin, O A Khalizev, Theory of Submarine Design, GB, 2001 [8] Fossen, T.I Guidance and Control of Ocean Vehicles John Wiley $ Sons, University of Trondheim Norway, 1994 [9] Le Thanh Tung, Nguyen Dong and Le Quang Department of Applied Fluid Mechanics and Ship Engineering Hanoi University of Science and Technology Hanoi- Vietnam [10] Shiwei W.G.; et al., 100% Solids Rigid Polyurethane Coatings Technology For Corrosion Protection Of Ballast Tanks, Madison Chemical Industries Inc., 2002 [11] Paul E Fontenoy, “Submarines: An Illustrated History of their Impact”, ABC-CLIO, 2007 [12] Chris Woodford, “Ships and Submarines”, Facts on File, 2004 [13] Rebecca Stefoff, “Submarines”, Marshall Cavendish, 2006 [14] Nguồn Internet với từ khóa Robot, Submarine, Auv, Rov… 70 LỜI CÁM ƠN TÔI XIN CHÂN THÀNH CÁM ƠN CÁC THẦY CÔ, CÁC BẠN CỦA LỚP KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC, KHĨA 2011B ĐÃ NHIỆT TÌNH GIÚP ĐỠ, CHỈ BẢO, ĐỂ TƠI HỒN THÀNH TỐT CÁC MƠN HỌC, NGHIÊN CỨU TRONG THỜI GIAN HỌC THẠC SĨ, ĐẶC BIỆT PGS.TS LÊ QUANG, NGƢỜI ĐÃ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC ĐỂ TƠI HỒN THÀNH CUỐN LUẬN VĂN NÀY 71 ... NHU TÍNH TỐN, THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG ỔN VÀTHIẾT ĐIỀU KHIỂN CỦA ROBOT LẶN TÍNHĐỊNH TỐN, KẾ VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH VÀ ĐIỀU KHIỂN CỦA ROBOT LẶN Chuyên ngành: kỹ thuật khí động lực LUẬN... Việt nam, số lƣợng robot đại khơng nhiều Hiện tại, chƣa có khả tự thiết kế chế tạo robot Mục tiêu đề tài: Tính tốn, thiết kế khảo sát hệ thống ổn định điều khiển cho robot lặn Cách tiếp cận,... Nghiên cứu thủy động lực học robot hệ thống điều khiển chuyển động CHƢƠNG :TỔNG QUAN VỀ ROBOT LẶN 1.1 Tổng quan robot lặn [14] 1.1.1 Khái niệm robot lặn Robot lặn gì? Robot lặn loại phƣơng tiện thủy