Nghiên cứu động lực học và điều khiển rô bốt dưới nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO PHẠM XUÂN HIỀN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM XUÂN HIỀN NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN NGÀNH: CƠ ĐIỆN TỬ RÔBỐT DƯỚI NƯỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CƠ ĐIỆN TỬ KHÓA 2010B Hà Nội – 2013 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đề tài luận văn “nghiên cứu động lực học điều khiển robot nước” cơng trình nghiên cứu riêng tôi, chưa công bố cơng trình khác Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực Học viên Phạm Xuân Hiền MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I - ĐỘNG HỌC TÀU LẶN ROV 1.1 Mơ hình hố động lực học điều khiển robot nước 1.2 Động học tàu lặn ROV 1.2.1 Biểu diễn chuyển động vật rắn 1.2.2 Vận tốc góc vật rắn 1.2.3 Gia tốc góc vật rắn 1.2.4 Liên hệ vận tốc gia tốc hai điểm thuộc vật rắn 1.2.5 Liên hệ vận tốc góc vật rắn ma trận cơsin hướng 10 1.2.6 Toạ độ suy rộng xác định hướng vật rắn 10 1.2.7 Phương trình vi phân động học cho robot nước 18 CHƯƠNG II - XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC TÀU LẶN ROV 20 2.1 Động lượng - momen động lượng động vật rắn 20 2.1.1 Động lượng vật rắn 20 2.1.2 Ma trận momen quán tính khối vật rắn 21 2.1.3 Momen động lượng vật rắn điểm O thuộc vật 22 2.1.4 Động vật rắn 24 2.2 Thiết lập phương trình động lực học vật rắn 24 2.2.1 Áp dụng định lý biến thiên động momen động lượng 24 2.2.2 Áp dụng định lý biến thiên động 25 2.2.3 Biểu diễn dạng ma trận phương trình vi phân chuyển động vật rắn 29 2.2.4 Tính lực tác dụng lên tàu lặn ROV 30 2.2.5 Phương trình chuyển động cho tàu lặn 33 2.2.6 Các trường hợp riêng 34 2.3 Phân phối tối ưu lực đẩy cho chân vịt 35 2.4 Tóm tắt chương 36 CHƯƠNG III: MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHO TẦU LẶN 37 3.1 Điều khiển vị trí cho ROV 37 3.1.1 Điều khiển PD + bù trọng lực 37 3.2 Điều khiển bám quỹ đạo 47 3.2.1 Tuyến tính hố phản hồi trạng thái 47 i 3.2.2 Bộ tích phân chiếu (Backstepping) 54 3.3 Tóm tắt chương 66 CHƯƠNG IV - KẾT HỢP ĐIỂU KHIỂN VỚI HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ INS 67 4.1 Giới thiệu hệ thống định vị quán tính INS 67 4.2 Hệ thống định vị quán tính INS 68 4.3 Nguyên lý kết cấu INS 71 4.4 Mô hệ thống INS (với a ,  giả định) 73 4.5 Kết hợp điều khiển với hệ thống định vị qn tính INS để mơ cho ROV76 KẾT LUẬN 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 ii DANG MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT THƯỜNG DÙNG x, y, z Vị trí ROV  , , Các góc Euler u, v, w Vận tốc dài ROV p, q, r Vận tốc góc ROV m Khối lượng vật Ai Ma trận cosin hướng thứ i B Ma trận phân phối C Ma trận chứa lực ly tâm lực quán tính coriolis V Hàm lyapunov T(t) Ma trận biến đổi toạ độ M Ma trận khối lượng ROV J0 Ma trận moment quán tính khối tâm vật ω Vector vận tốc góc vật rắn α Vector gia tốc góc vật rắn v op Vector vận tốc góc vật rắn P hệ qui chiếu cố định Ro a op Vector gia tốc góc vật rắn P hệ qui chiếu cố định Ro a Ma trận sóng η Ma trận sai lệch vị trí thực tế mong muốn u Vector toạ độ điểm hệ qui chiếu gắn liền vật v Vector vận tốc dài vận tốc góc ROV q, η Vector toạ độ suy rộng xác định vị trí hướng ROV η, η Lần lượt đạo hàm cấp cấp hai η theo thời gian J Ma trận Jacobi hay ma trận chuyển đổi góc Euler y Vector chứa thành phần vận tốc vận tốc góc vật hệ Ro τ Vector lực tác dụng lên ROV iii g Vector trọng lực lực đẩy thể tích nước bị chốn chỗ l0 Ma trận moment động lượng vật T Động vật Kp, Kd, Ki Các ma trận tham số điều khiển PID DOF Bậc tự hệ đkqđ Điều khiển quỹ đạo đk Điều khiển đkphtt Điều khiển phản hồi trạng thái tt Tuyến tính pt Phi tuyến tptt Tích phân thần t iv DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hình 1: Robot đáy biến Hình 2: Một số dạng robot nước Hình 3: Một số dạng AUV Hình 4: Robot dạng ROV kiểm tra đường ống Hình 5: ROV với hệ thống vận hành Hình 1.1: Mơ tả chuyển động điểm thuộc vật rắn Hình 1.2: Hệ toạ độ vật rắn Hình 1.3: Các góc quay Euler thứ tự quay ZXZ 11 Hình 1.4: Các góc Cardan thứ tự quay XYZ 13 Hình 1.5: Các góc roll - pitch - yaw thứ tự quay ZYX 15 Hình 1.6: Mơ hình ROV hai trục toạ độ 18 Hình 2.1: Vật rắn chuyển động khơng gian với hệ trục toạ độ 20 Hình 3.1: Sơ đồ khối điều khiển PD với tàu ROV 38 Hình 3.2: Sơ đồ khối Simulink dùng PD để đk vị trí tàu lặn ROV 39 Hình 3.3: Đồ thị x x theo thời gian sử dụng điều khiển PD 39 Hình 3.4: Đồ thị y y theo thời gian sử dụng điều khiển PD 40 Hình 3.5: Đồ thị z z theo thời gian sử dụng điều khiển PD 40 Hình 3.6: Đồ thị   theo thời gian sử dụng điều khiển PD 40 Hình 3.7: Đồ thị   theo thời gian sử dụng điều khiển PD 40 Hình 3.8: Đồ thị   theo thời gian sử dụng điều khiển PD 41 Hình 3.9: Sơ đồ khối Simulink dùng PID để đk vị trí tàu lặn ROV với DOF 44 Hình 3.10: Đồ thị z z theo t sử dụng điều khiển PID với DOF 44 Hình 3.11: Sơ đồ khối Simulink dùng PID để đk vị trí tàu lặn ROV 44 Hình 3.12: Đồ thị x x theo thời gian sử dụng điều khiển PID 45 v Hình 3.13: Đồ thị y y theo thời gian sử dụng điều khiển PID 45 Hình 3.14: Đồ thị z z theo thời gian sử dụng điều khiển PID 45 Hình 3.15: Đồ thị   theo thời gian sử dụng điều khiển PID 45 Hình 3.16: Đồ thị   theo thời gian sử dụng điều khiển PID 46 Hình 3.17: Đồ thị   theo thời gian sử dụng điều khiển PID 46 Hình 3.18: Tách phi tuyến hệ toạ độ gắn liền vật 47 Hình 3.19: Tách phi tuyến cố định chuyển đổi tàu gắn liền vật 49 Hình 3.20: Sơ đồ khối Simulink dùng đkphtt để đkqđ tàu lặn ROV 50 Hình 3.21: Đồ thị chuyển động thẳng mong muốn ηd theo thời gian 51 Hình 3.22: Đồ thị x x theo thời gian thu sử dụng đk 51 Hình 3.23: Đồ thị y y theo thời gian thu sử dụng đk 51 Hình 3.24: Đồ thị z z theo thời gian thu sử dụng đk 51 Hình 3.25: Đồ thị   theo thời gian thu sử dụng đk 52 Hình 3.26: Đồ thị   theo thời gian thu sử dụng đk 52 Hình 3.27: Đồ thị   theo thời gian thu sử dụng đk 52 Hình 3.28: Đồ thị chuyển động trịn mong muốn ηd theo thời gian 53 Hình 3.29: Đồ thị x x theo thời gian thu sử dụng đk 53 Hình 3.30: Đồ thị y y theo thời gian thu sử dụng đk 53 Hình 3.31: Đồ thị z z theo thời gian thu sử dụng đk 53 Hình 3.32: Đồ thị   theo thời gian thu sử dụng đk 54 Hình 3.33: Đồ thị   theo thời gian thu sử dụng đk 54 Hình 3.34: Đồ thị   theo thời gian thu sử dụng đk 54 Hình 3.35: Hai trạng thái bậc với pt bậc f(x1) tptt đầu vào 55 Hình 3.36: Sử ổ định hệ thống x1bằng pp ổn định hàm số 1 = 1 ( x1 ) 56 Hình 3.37: Sử ổ định hệ thống x2 pp điểu khiển đầu vào u = u(1, z1, z2 ) 58 vi Hình 3.38: Hệ thống điều khiển phi tuyến Backstepping để đk 6DOF 62 Hình 3.39: Sơ đồ khối Simulink dùng đk Backstepping để đkqđ tàu lặn ROV 63 Hình 3.40: Đồ thị x x theo t sử dụng Backstepping đkqđ thẳng 63 Hình 3.41: Đồ thị y y theo t sử dụng Backstepping đkqđ thẳng 63 Hình 3.42: Đồ thị z z theo t sử dụng Backstepping đkqđ thẳng 63 Hình 3.43: Đồ thị   theo t sử dụng Backstepping đkqđ thẳng 64 Hình 3.44: Đồ thị   theo t sử dụng Backstepping đkqđ thẳng 64 Hình 3.45: Đồ thị  theo t sử dụng Backstepping đkqđ thẳng 64 Hình 3.46: Đồ thị x x theo t sử dụng Backstepping đkqđ trịn 64 Hình 3.47: Đồ thị y y theo t sử dụng Backstepping đkqđ trịn 65 Hình 3.48: Đồ thị z z theo t sử dụng Backstepping đkqđ trịn 65 Hình 3.49: Đồ thị   theo t sử dụng Backstepping đkqđ tròn 65 Hình 3.50: Đồ thị   theo t sử dụng Backstepping đkqđ trịn 65 Hình 3.51: Đồ thị   theo t sử dụng Backstepping đkqđ trịn 66 Hình 4.1: Bộ dẫn đường qn tính IRBM53 Pháp 68 Hình 4.2: Trục toạ độ hệ thống dẫn đường qn tính 69 Hình 4.3: Sơ đồ khối INS 70 Hình 4.4: Hệ có đế (Gimbal) 72 Hình 4.5: Sơ đồ hệ thống dẫn đường qn tính INS 72 Hình 4.6: Ba góc Euler 73 Hình 4.7: Sơ đồ khối Simulink hệ thống dẫn đường qn tính INS 74 Hình 4.8: Đồ thị vị trí ROV thu sử dụng INS 75 Hình 4.9: Đồ thị góc nghiêng ROV thu sử dụng INS 75 Hình 4.10: Đồ thị vận tốc ROV thu sử dụng INS 75 Hình 4.11: Sơ đồ khối Simulink kết hợp điều khiển với hệ thống INS 76 Hình 4.12: Đồ thị x x theo t đkqđ thẳng kết hợp với INS 76 vii Hình 4.13: Đồ thị y y theo t đkqđ thẳng kết hợp với INS 76 Hình 4.14: Đồ thị z z theo t đkqđ thẳng kết hợp với INS 77 Hình 4.15: Đồ thị   theo t đkqđ thẳng kết hợp với INS 77 Hình 4.16: Đồ thị   theo t đkqđ thẳng kết hợp với INS 77 Hình 4.17: Đồ thị   theo t đkqđ thẳng kết hợp với INS 77 Hình 4.18: Đồ thị x x theo t đkqđ thẳng tốn động học 78 Hình 4.19: Đồ thị y y theo t đkqđ thẳng tốn động học 78 Hình 4.20: Đồ thị z z theo t đkqđ thẳng toán động học 78 Hình 4.21: Đồ thị   theo t đkqđ thẳng toán động học 78 Hình 4.22: Đồ thị   theo t đkqđ thẳng toán động học 79 Hình 4.23: Đồ thị   theo t đkqđ thẳng toán động học 79 Hình 4.24: Đồ thị x x theo t đkqđ trịn kết hợp với INS 79 Hình 4.25: Đồ thị y y theo t đkqđ trịn kết hợp với INS 79 Hình 4.26: Đồ thị z z theo t đkqđ tròn kết hợp với INS 80 Hình 4.27: Đồ thị   theo t đkqđ tròn kết hợp với INS 80 Hình 4.28: Đồ thị   theo t đkqđ tròn kết hợp với INS 80 Hình 4.29: Đồ thị   theo t đkqđ trịn kết hợp với INS 80 Hình 4.30: Đồ thị x x theo t đkqđ trịn tốn động học 81 Hình 4.31: Đồ thị y y theo t đkqđ tròn tốn động học 81 Hình 4.32: Đồ thị z z theo t đkqđ tròn tốn động học 81 Hình 4.33: Đồ thị   theo t đkqđ tròn tốn động học 81 Hình 4.34: Đồ thị   theo t đkqđ trịn tốn động học 82 Hình 4.35: Đồ thị   theo t đkqđ trịn tốn động học 82 viii Hình 4.3: Sơ đồ khối INS Đầu vào INS cảm biến vận tốc góc cho phép xác định vận tốc góc nghiêng, góc chúi, góc hướng với cảm biến gia tốc Các giá trị cảm biến thu nhận tích phân theo thời gian để xác định vị trí vận tốc vật thể Nhược điểm INS: Có nhiều loại sai số hệ thống INS chủ yếu cảm biến quán tính gây nên Một số lỗi gây cảm biến gia tốc vận tốc góc liệt kê đây: - Lỗi vị trí lắp đặt cảm biến: Gây sai góc nghiêng, góc chúi góc hướng - Độ lệch cảm biến gia tốc: Lối cảm biến gia tốc bị lệch giá trị không đổi Giá trị lại thay đổi tắt/ bật thiết bị - Hiện tượng lệch trôi cảm biến vận tốc góc (do tác động nhiệt độ): Vật thể khơng chuyển động có vận tốc góc khơng đổi - Nhiễu ngẫu nhiên: Lỗi ngẫu nhiên đo lường Những lỗi đo gia tốc vận tốc góc dẫn tới lỗi tăng dần xác định vị trí vận tốc vật thể (do việc lấy tích phân) Các lỗi tăng dần gọi lỗi dẫn đường Hệ thống dẫn đường quán tính INS có ưu điểm bật so sánh với hệ thống dẫn đường khác khả hoạt động độc lập độ xác cao khoảng thời gian ngắn Lỗi nghiêm trọng hệ thống INS cảm biến quán tính gây ra, ứng dụng thời gian dài hệ thống INS thường sử dụng với hệ thống hỗ trợ khác hệ thống dẫn đường vô tuyến (Loran, Omega Tacan), hệ thống dẫn đường vệ tinh (GPS, GLONASS Transit), JTIDS, DME… Bộ lọc Kalman lọc số nhiều đầu vào nhiều đầu ra, cho phép ước lượng tối ưu trạng thái hệ thống theo thời gian thực đầu vào bị nhiễu tác động Các lỗi vận tốc hệ tọa độ dẫn đường, lỗi góc nghiêng Tín hiệu từ GPS dùng để ước lượng lỗi INS triệt tiêu lỗi cách tối đa 70 4.3 Nguyên lý kết cấu INS Phương pháp dẫn đường quán tính dựa vào vị trí, vận tốc trạng thái ban đầu biết phương tiện Từ đó, đo vận tốc góc gia tốc dùng phương pháp tích phân để tìm vị trí phương tiện Đây phương pháp dẫn đường không dựa vào thiết bị bảo đảm hàng hải bên Nếu phương pháp dẫn đường vơ tuyến chịu ảnh hưởng sóng vô tuyến điện không sử dụng khu vực khơng có sóng phương pháp dẫn đường qn tính khắc phục Tuy nhiên, sau thời gian, ảnh hưởng nhiều yếu tố, dẫn đường quán tính xuất sai lệch việc xác định vị trí, khơng có điều chỉnh Các thành phần hệ thống dẫn đường quán tính: INS = IMU + Navigation computer Trong INS: hệ thống dẫn đường qn tính (Inertial Navigation System) - IMU (còn gọi IRU): khối đo quán tính = Acc + Gyros + Acc: gia tốc kế (Accelerometer) + Gyros: quay (Gyroscope) - Navigation computer: Máy tính hàng hải làm nhiệm vụ chuyển đổi hệ tọa độ, tính tốn gia tốc trọng trường thực thuật tốn tích phân - Phân loại hệ thống dẫn đường qn tính: Có kiểu hệ thống dẫn đường qn tính: có đế - Gimbal khơng đế - Strapdown: + Kiểu thứ có đế (Gimbal): Có cảm biến gia tốc (3 gia tốc kế) cảm biến góc (con quay bậc tự do) gắn đế ổn định Đế treo khung đăng ba bậc tự Đế ổn định độc lập với chuyển động phương tiện mang trục đế ổn định ln khơng đổi suốt q trình chuyển động mà cụ thể song song với hệ tọa độ dẫn đường Con quay góc gắn đế đo sai lệch góc đế so với hệ tọa độ dẫn đường đầu tác động trở lại đế thơng qua lực mômen tác động lên trục đăng để trì đế ổn định Ưu điểm hệ thống kiểu có độ xác cao sử dụng cảm biến xác khơng gắn trực tiếp với vật thể chuyển động nên nguồn tín hiệu đo có độ xác cao Tuy nhiên, hệ thống đòi hỏi thiết bị đo phức tạp đắt tiền Ngồi ra, cịn có nhược điểm khối lượng lớn, khó hiệu chỉnh thử nghiệm cục 71 Hình 4.4: Hệ có đế (Gimbal) + Kiểu thứ hai (Strapdown): Sử dụng gia tốc kế quay đo vận tốc góc gắn cố định với trục phương tiện chuyển động Lúc này, trục cảm biến gia tốc vận tốc góc khơng cố định khơng gian mà thay đổi theo hướng chuyển động phương tiện Các quay xác định vận tốc góc quay hệ tọa độ vật thể với hệ tọa độ cố định Việc tích phân tọa độ góc cho phép tính cosin hướng xác định vị trí tương đối tọa độ vừa nêu chuyển gia tốc đo sang gia tốc dùng hệ tọa độ dẫn đường Cuối cùng, sau tích phân chúng hệ tọa độ dẫn đường, nhận vận tốc tọa độ phương tiện Ưu điểm loại cấu trúc đơn giản, giá thành thấp độ xác chấp nhận Mặt khác việc tính tốn tọa độ tức thời góc định hướng thực hoàn toàn tự động máy tính sở đo vận tốc góc quay hệ tọa độ vật thể gia tốc theo trục Do gắn trực tiếp với phương tiện chuyển động nên số liệu đo từ cảm biến đo gia tốc vận tốc góc có sai số lớn so với hệ thống thứ Từ lý thuyết, ta lập sơ đồ cho hệ thống dẫn đường quán tính sau HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG QUÁN TÍNH (INS) KHỐI ĐO QUÁN TÍNH (IMU) KHỐI CẢM BIẾN QUÁN TÍNH (ISA) Gia tốc kế Vận tốc góc Góc quay (độ) (chưa bù) Gia tốc (m/s2) (chưa bù) Góc quay (độ) (đã bù độ lệch tĩnh hệ số tỉ lệ) Gia tốc (m/s2) (đã bù độ lệch tĩnh hệ số tỉ lệ) THUẬT TOÁN DẪN ĐƯỜNG Vị trí (m) Vận tốc (m/s) Phương vị (độ) Hình 4.5: Sơ đồ hệ thống dẫn đường quán tính INS 72 4.4 Mơ hệ thớng INS (với a ,  giả định) - Phương trình động học: Hình 4.6: Ba góc Euler Định hướng tàu lặn với hệ trục cố định xác định ba góc Euler φ, θ, ψ Phương trình (4.1) biểu diễn liên hệ vận tốc góc nghiêng, vận tốc góc chúc vận tốc góc hướng (ký hiệu p, q r) góc Euler:     1 sin  tan     cos   = 0    sin    0 cos   cos tan    p   − sin    q  cos   r   cos  (4.1) Tích phân phương trình (4.1) ta thu góc Euler Giả sử s vị trí đặt sensor gia tốc ta có: as = ao +   os +   (  os) (4.2) Cho os = suy as = a0 Mà a0 liên hệ với thành phần u, v w biểu thức sau: ao = vo +   vo  as = (vo +   vo ) +   os +   (  os) (4.3) Chiếu as hệ gắn liền vật ta có: as( B) = v1 + S ( )v1 + v2 S ( )us + S ( ) S ()us Mặt khác lại có:  =  =  B +    = sB 73 (4.4) Khi đặt sensor gia tốc gốc O, us = as( B) = v1 + S ( )v1 Với a ( B) s (4.5)  ax  =  a y  nhận từ sensor,  đo v1  az  ax, ay az ba thành phần gia tốc đo từ sensor gắn ROV dọc theo trục toạ độ gắn liền vật, liên hệ với vận tốc u, v w hệ trục tọa độ cố định (XYZ) theo hệ phương trình:  u   ax   −r q   u  v1 =  v  =  a y  +  r − p   v   w   az   −q p   w  (4.6) Thực tích phân u, v w thu vận tốc u, v w Sau đổi hệ trục toạ độ nhờ sử dụng ma trận cosin hướng A để thu vận tốc theo hướng bắc, hướng đông hướng trái đất  x   vN   y  =  v  = AT    E  z  vD  u  v    w  (4.7) Trong đó: cos cos   A = sin  sin  cos − cos sin cos sin  cos + sin  sin cos sin sin  sin  sin + cos cos cos sin  sin − sin  cos − sin   sin  cos  cos cos  Hệ INS Simulation sau: tinh van toc goc v_ROV nu_dot In1 av pqr eta2_dot he xo s huong cua ROV nu roll-pitch-yaw Int Do vtg pqr eta2 (0 0) van toc cua ROV goc ban dau (x - y - z)dot tinh gia toc a_ROV eta1_dot In1 av a on ROV he1 Do gia toc xo s Int1 vi tri cua ROV eta1 xo s Int2 (0 0) van toc ban dau (0 0) vi tri ban dau Hình 4.7: Sơ đồ khối Simulink hệ thống dẫn đường quán tính INS 74 x-y-z Giả định với vị trí ban đầu η1 = 0, 0, 0 , góc ban đầu η2 = 0, 0, 0 vận T T tốc góc ban đầu η2 = 0, 0, 0 Qua hệ thống dẫn đường INS ta thu vị trí, T góc vận tốc góc ROV, thể qua đồ thị sau: 60 x(m) y(m) z(m) 40 20 -20 10 t[s] Hình 4.8: Đồ thị vị trí ROV thu sử dụng INS 15 roll(rad) pitch(rad) yawd(rad) 10 -5 10 t[s] Hình 4.9: Đồ thị góc ROV thu sử dụng INS 10 xdot(m/s) ydot(m/s) zdot(m/s) -5 10 t[s] Hình 4.10: Đồ thị vận tốc ROV thu sử dụng INS 75 4.5 Kết hợp điều khiển với hệ thống định vị quán tính INS để mơ cho ROV Với cơng cụ Matlab/ Simulink, việc mô hệ thống dẫn đường quán tính theo mơ hình giúp hình dung tổng thể đánh giá hệ thống dẫn đường quán tính Strapdown INS ứng dụng vào thực tế Tồn hệ thống INS mô qua công cụ Matlab/Simulink sau: Hình 4.11: Sơ đồ khối Simulink kết hợp điều khiển với hệ thống INS Để tiến hành mơ phỏng, ta giả lập tín hiệu từ cảm biến gia tốc theo trục vật thể chuyển động cảm biến vận tốc góc theo trục Với việc giả lập ta tạo nên quỹ đạo định trước Vì ta giả lập tín hiệu cảm biến tùy ý để tạo nên quỹ đạo mong muốn cách sử dụng khối tạo tín hiệu Simulink a Điều khiển bám theo quỹ đạo đường thẳng (trình bày trang 50) kết hợp với hệ thống định vị quán tính INS ta thu kết sau: x(m) xdot(m/s) -1 -2 10 15 20 t[s] Hình 4.12: Đồ thị x x theo t đkqđ thẳng kết hợp với INS y(m) ydot(m/s) -1 -2 10 15 20 t[s] Hình 4.13: Đồ thị y y theo t đkqđ thẳng kết hợp với INS 76 z(m) zdot(m/s) -2 -4 10 15 20 t[s] Hình 4.14: Đồ thị z z theo t đkqđ thẳng kết hợp với INS -4 x 10 roll(rad) rolldot(rad/s) -5 -10 10 15 20 t[s] Hình 4.15: Đồ thị   theo t đkqđ thẳng kết hợp với INS -4 x 10 pitch(rad) pitchdot(rad/s) -5 -10 10 15 20 t[s] Hình 4.16: Đồ thị   theo t đkqđ thẳng kết hợp với INS yaw(rad) yawdot(rad/s) -1 -2 -3 10 15 20 t[s] Hình 4.17: Đồ thị   theo t đkqđ thẳng kết hợp với INS 77 x(m) xdot(m/s) -2 10 15 20 t[s] Hình 4.18: Đồ thị x x theo t đkqđ thẳng toán động học y(m) ydot(m/s) -2 10 15 20 t[s] Hình 4.19: Đồ thị y theo t đkqđ thẳng toán động học z(m) zdot(m/s) -1 -2 10 15 20 t[s] Hình 4.20: Đồ thị z z theo t đkqđ thẳng toán động học -4 x 10 roll(rad) rolldot(rad/s) -5 -10 10 15 20 t[s] Hình 4.21: Đồ thị   theo t đkqđ thẳng toán động học 78 -4 x 10 pitch(rad) pitchdot(rad/s) -5 -10 10 15 20 t[s] Hình 4.22: Đồ thị   theo t đkqđ thẳng toán động học yaw(rad) yawdot(rad/s) -1 -2 -3 10 15 20 t[s] Hình 4.23: Đồ thị   theo t đkqđ thẳng toán động học b Điều khiển bám theo quỹ đạo trịn (trình bày trang 52) kết hợp với hệ thống định vị quán tính INS ta thu kết sau: 20 x(m) xdot(m/s) 10 -10 -20 50 100 150 200 t[s] Hình 4.24: Đồ thị x x theo t đkqđ tròn kết hợp với INS 20 y(m) ydot(m/s) 10 -10 -20 50 100 150 200 t[s] Hình 4.25: Đồ thị y y theo t đkqđ tròn kết hợp với INS 79 z(m) zdot(m/s) -0.5 -1 -1.5 -2 50 100 150 200 t[s] Hình 4.26: Đồ thị z z theo t đkqđ tròn kết hợp với INS roll(rad) rolldot(rad/s) 0.5 -0.5 -1 50 100 150 200 t[s] Hình 4.27: Đồ thị   theo t đkqđ tròn kết hợp với INS pitch(rad) pitchdot(rad/s) 0.5 -0.5 -1 50 100 150 200 t[s] Hình 4.28: Đồ thị   theo t đkqđ tròn kết hợp với INS 15 yaw(rad) yawdot(rad/s) 10 -5 50 100 150 200 t[s] Hình 4.29: Đồ thị   theo t đkqđ tròn kết hợp với INS 80 20 x(m) xdot(m/s) 10 -10 -20 50 100 150 200 t[s] Hình 4.30: Đồ thị x x theo t đkqđ trịn tốn động học 20 y(m) ydot(m/s) 10 -10 -20 50 100 150 200 t[s] Hình 4.31: Đồ thị y y theo t đkqđ trịn tốn động học z(m) zdot(m/s) -0.5 -1 -1.5 -2 50 100 150 200 t[s] Hình 4.32: Đồ thị z z theo t đkqđ trịn tốn động học roll(rad) rolldot(rad/s) 0.5 -0.5 -1 50 100 150 200 t[s] Hình 4.33: Đồ thị   theo t đkqđ trịn tốn động học 81 pitch(rad) pitchdot(rad/s) 0.5 -0.5 -1 50 100 150 200 t[s] Hình 4.34: Đồ thị   theo t đkqđ tròn toán động học 15 yaw(rad) 10 yawdot(rad/s) -5 50 100 150 200 t[s] Hình 4.35: Đồ thị   theo t đkqđ tròn toán động học - Nhận xét: Ta thấy đồ thị thu toán động học sử dụng hệ thống định vị quán tính INS giống hệt nhau, điều cho thấy quỹ đạo tính tốn thể xác số liệu cảm biến lí tưởng Trong suốt q trình, quỹ đạo chuyển động ROV trùng hoàn toàn với quỹ đạo chuyển động mong muốn Điều khẳng định tính xác thuật tốn dẫn đường mà mơ hình mơ Bằng mơ hình xây dựng, sử dụng giá trị đo từ cảm biến thực để khảo sát đặc tính hệ thống dẫn đường quán tính, cho phép đánh giá ảnh hưởng tham số cảm biến đến kết tính tốn thực tế - Kết luận: Với phương pháp giả lập tín hiệu cảm biến để xây dựng quỹ đạo định trước, mơ hình mơ kiểm tra tính xác thuật tốn dẫn đường Cùng với việc phân tích kết mơ cho thấy khả sử dụng mơ công cụ hỗ trợ cho việc nghiên cứu, khảo sát thực nghiệm Hệ thống dẫn đường quán tính INS có ưu điểm bật so sánh với hệ thống dẫn đường khác khả hoạt động tự trị độ xác cao khoảng thời gian ngắn Lỗi nghiêm trọng hệ thống dẫn đường quán tính INS cảm biến qn tính gây Chính ứng dụng thời gian dài hệ thống dẫn đường quán tính INS thường sử dụng với hệ thống hỗ trợ khác hệ thống dẫn đường vô tuyến (Loran, Omega Tacan), hệ thống dẫn đường vệ tinh (GPS, GLONASS Transit), JTIDS, DME…Các hệ thống hoạt động ổn định theo thời gian cần tích hợp INS với hệ thống hỗ trợ Sự kết hợp GPS INS lý tưởng hai hệ thống có khả bù trừ hiệu cho 82 KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu đề tài, đề tài đạt mục tiêu đề Qua nghiên cứu tìm hiểu loại robot nước mà cụ thể tàu lặn ROV, tác giả xây dựng mơ hình động học, động lực học điều khiển cho ROV tương đối đầy đủ dễ hiểu Luận văn nghiên cứu số nội dung sau: - Chương 1: Động học tàu lặn ROV Chương 2: Xây dựng mơ hình động lực học tàu lặn ROV Chương 3: Một số phương pháp điều khiển tàu lặn ROV Chương 4: Kết hợp điều khiển với hệ thống định vị qn tính INS Qua q trình nghiên cứu tìm hiểu đề tài tác giả thu nhiều kiến thức động lực học, phương pháp điều khiển định vị cho tàu lặn ROV Từ sử dụng phần mềm Matlab Simulink để mô chuyển động tàu lặn ROV, tác dụng phương pháp luật điều khiển khác ta thu kết mong muốn khác Qua giúp người đọc định hướng cách chọn luật điều khiển vào tường tường hợp điều khiển cụ thể cho ROV Sau kết hợp điều khiển với hệ thống định vị quán tính INS để xác định vị trí vận tốc, gia tốc tức thời ROV cách xác, kết nối với hệ thống máy tính Kiến nghị đề xuất Với kết đạt được, mơ hình tàu lặn dạng ROV chế tạo tốt phiên sau Ngoài hệ thống đẩy dư dẫn động, ROV cần trang bị thêm hệ thống đèn chiếu sáng, camera ghi hình cáp truyền thơng tin Một ROV sử dụng nhiều công việc nước để quan sát, kiểm tra cơng trình khơi Để phát triển nữa, ROV cần trang bị thêm tay máy linh hoạt để thực công việc kẹp chặt, cắt, lau chùi nước Để ROV vận hành tốt nước, thực cơng việc phức tạp địi hỏi phải giải nhiều toán từ lý thuyết đến thực tế Đó tốn: - Nghiên cứu chế tạo hệ thống định vị quán tính, giải tốn lọc tín hiệu, với hệ thống thân ROV tự biết đâu tự động chuyển động đến vị trí cần thiết cách xác - Nghiên cứu chế tạo loại động điện chạy nước điều kiện thiết bị làm kín khơng tốt hay động chịu nước - Nghiên cứu điều khiển tay máy giá di động, hệ ROV-tay máy - Nghiên cứu điều khiển điều phối hệ nhiều ROV-tay máy 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Văn Khang, Động lực học hệ nhiêu vật, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà nội 2007 Đinh Văn Phong, Phương pháp số học, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà nội 2006 Đỗ Sanh, Cơ học giải tích, NXB Bách khoa Hà nội, Hà nội 2008 Nguyễn Quang Hoàng, Zur modellierung und regelung ferngesteuerter underwasserfahrzeuge, Hamburg, Germany 2006 (VDI-Verlag, Reihe 12, Nr 624) Nguyễn Doãn phước, Lý thuyết điều khiển tuyến tính Phạm Thị Ngọc Uyên Ngơ Hữu Tình, Cơ sở matlab ứng dụng, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà nội 2005 Angeles J., Fundamentals of robotics Mechanical Systems (2 Edition), Springer Verlag, New York, 2003 Antonelli G., Underwater Robots Motion and Force Control of Vehicle-Manipulator Systems, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2006 Do, K.D and Jie Pan: Control of Ships and Underwater Vehicles: Design for Underactuated and Nonlinear Marine Systems, Springer-Verlag 2009 10 Fossen, T.I Guidance and Control of Ocean Vehicles John Wiley & Sons, University of Trondheim Norway, 1994 11 Sarkar, N.; Yuh, J.; and Podder, T.K Adaptive Control of Underwater VehicleManipulator Systems Subject to Joint Limits In Proceedings of the 1999 IEEE RSJ int Conference on Intelligent Robots and Systems (1999), pp 142–147 12 Sciavicco L., Siciliano B., Modelling and Control of Robot Manipulators, 2nd Edition, Springer-Verlag, London, UK, 2000 13 Yuh J (Ed.), Underwater Robotic Vehicles Design and Control, TSI Press, 1995 14 Internet 84 ... Mơ hình hố động lực học điều khiển robot nước Việc vận hành robot nước thực nhờ hệ điều khiển Việc mơ hình hố động lực học robot nước với độ xác cao cần thiết cho việc thiết kế điều khiển robot... = τ + w (3.2) Điều khiển vị trí cho ROV 3.1.1 Điều khiển PD + bù trọng lực Điều khiển PD + bù trọng lực luật điều khiển đơn giản đáp ứng yêu cầu điều khiển tàu lặn ROV Lực điều khiển tính từ... Ngoài ra, phương pháp điều khiển đại điều khiển trượt, điều khiển thích nghi, hay điều khiển mờ thu hút ý nghiên cứu chuyên gia 1.2 Động học tàu lặn ROV Tàu lặn chuyển động nước coi vật rắn với