Sử dụng bộ điều khiển PLC và phần mềm unity 3D trong thiết kế hệ thống mô phỏng phương tiện dưới nước (ROV)

Mục đích của bài báo là mô phỏng các phương tiện dưới nước ROV dựa trên nền tảng thực tế ảo của Unity 3D. Chuyển động của ROV trên biển phụ thuộc vào tương tác giữa lực và momen do dòng hải lưu, sóng tác động. Bên cạnh đó, bài báo đưa ra một số phương pháp tối ưu để giao tiếp giữa phần cứng PLC và phần mềm để điều khiển thiết bị ROV.

TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC VÀ PHẦN MỀM UNITY 3D TRONG THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÔ PHỎNG PHƯƠNG TIỆN DƯỚI NƯỚC (ROV) USING PLC CONTROLLER AND UNITY 3D SOFTWARE IN DESIGNING REMOTELY OPERATED VEHICLE (ROV) SIMULATOR SYSTEM NGUYỄN ĐÌNH THẠCH Khoa Hàng hải, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Email liên hệ: thachnd.ddt@vimaru.edu.vn Tóm tắt Mục đích báo mô phương tiện nước ROV dựa tảng thực tế ảo Unity 3D Chuyển động ROV biển phụ thuộc vào tương tác lực momen dòng hải lưu, sóng tác động Bên cạnh đó, báo đưa số phương pháp tối ưu để giao tiếp phần cứng PLC phần mềm để điều khiển thiết bị ROV Cuối cùng, mơ hình hóa ROV giúp xây dựng động lực học thiết bị để tính toán, thử nghiệm trước thiết kế thiết bị thật Từ khóa: Mơ ROV, động lực học ROV, thiết kế phương tiện nước Abstract The purpose of the paper is the simulation of ROV underwater vehicles based on the virtual reality platform of Unity 3D The motion of ROV at sea depends on the interaction between force and moment due to ocean currents and waves Besides, find the optimal method to communicate between PLC hardware and software to control ROV device Finally, ROV modelling helps to build the dynamics of the device to calculate and test before designing the real device Keywords: ROV simulation, ROV dynamics, Underwater vehicle design Đặt vấn đề ROV (Remotely Operated Vehicle) thiết bị chuyên dụng dùng nước để khảo sát, kiểm tra như: thăm dò tàu đắm, hỗ trợ xây dựng, tìm kiếm cứu hộ vụ tai nạn sửa chữa, kiểm tra cơng trình ngầm biển Hiện nay, giới có nhiều cơng trình nghiên cứu thiết bị nước ROV, tập trung chế tạo thiết bị thật để thử nghiệm đặc tính vận hành ROV [1] Ngồi ra, có cơng trình nghiên cứu thiết bị khơng người lái thực nghiệm dựa thiết bị sẵn có [2], [3] Một số hãng giới VMAX, PaleBlue, Marine simulation có sản phẩm thương mại giới [4 - 6] SỐ 68 (11-2021) mức vận hành không cho phép nghiên cứu sâu bên hệ thống Việt Nam quốc gia có bờ biển dài với nhiều cơng trình thủy quan trọng thiết yếu, việc trang bị thiết bị robot làm việc nước cần thiết Tuy nhiên, việc nghiên cứu mô thiết bị cịn hạn chế, cơng trình nghiên cứu tập trung vào số đặc tính ROV phải chế tạo thiết bị thật để thử nghiệm [7] Các hãng REECO TECH nhập thiết bị mơ nước ngồi dừng lại mức vận hành Bên cạnh đó, đội ngũ vận hành sửa chữa thiết bị ROV hạn chế việc đầu tư sở vật chất huấn luyện thiết bị tốn kém, giá thành cao Do đó, sở giáo dục khó có khả đáp ứng để trang bị cho học viên Vì vậy, chuyên gia thiết bị đào tạo nước Từ vấn đề trên, tác giả tập trung nghiên cứu mô thiết bị ROV với mơ hình động lực học yếu tố tác động đến ROV làm việc mơi trường đại dương nhằm mục đích đào tạo, huấn luyện, tiền đề để bước chế tạo mơ hình ROV thật tương lai Bên cạnh đó, bước xây dựng hệ thống mơ phục vụ công tác đào tạo, huấn luyện Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Nội dung báo xếp theo thứ tự sau: Mục trình bày phương trình động lực học lực tác động lên ROV Mục đề cập đến thiết kế đối tượng ROV Mục thực mô hoạt động hệ thống ROV phần cuối kết luận Phương trình động lực học lực tác động lên ROV 2.1 Hệ trục tọa độ 3D mô Khi mô 3D trình động học đối tượng địi hỏi nhà thiết kế phải có phương trình tốn mơ hình tốn học xác đối tượng Trong báo, tác giả dựa tài liệu [8], [9] Fossen có cách chọn tọa độ Hình để thành lập hệ phương trình cho ROV Mơ hình động ROV thiết lập dựa trục tọa độ trực giao trục tọa độ trái đất O-XYZ trục TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY tọa độ thân thiết bị o-xyz, hai trục tọa độ cố định ROV mơ hoạt động cần phải có phương trình động lực học số lực tác động Do đó, số lý thuyết mơ hình tốn học tác giả áp dụng để xây dựng mô hình ROV mơ tả Fossen (Fossen 11) [9], mơ hình tốn học cho loại thiết bị lặn có đầy đủ bậc tự (6 DOF) Các phương trình động học đối tượng ROV thiết lập thơng qua mơ hình robot vector Fossen (Fossen 2011) [9] bao gồm phương trình động học (5) (6) sau: • (5) 𝜂 = 𝐽(𝜂)𝑣 Hình Các hệ trục tọa độ mơ hình hóa • Thiết bị vận hành từ xa nước có chuyển động bậc tự DOF (Degree Of Freedom) cụ thể X (trượt dọc), Y (trượt ngang), Z (trượt đứng) góc Euler chuyển động quay quanh trục 𝜑 (roll), 𝜃 (pitch) 𝜓 (yaw) thể vị trí góc quay đối tượng hệ trục Vận tốc dài vận tốc góc trục tọa độ đặt đối tượng (u, v, w) (p, q, r) Chuyển đổi lực chuyển động từ hệ o-xyz sang hệ trục trục trái đất cho mô thực ma trận biến đổi thông qua góc Euler 𝜙, 𝜃, 𝜓 Do đó, hướng ROV xác định vector𝐴⃗𝑜 Vị trí thiết bị [𝑍𝑌𝑍]𝑇 tọa độ quán tính (trái đất) Vận tốc dài [𝑢𝑣𝑤]𝑇 , vận tốc góc [𝑝𝑞𝑟]𝑇 thể đối tượng Từ ta có: • • • 𝑇 [𝑍 𝑌𝑍] = 𝐾1 [𝑢𝑣𝑤]𝑇 (1) M: Là ma trận quán tính hệ thống, 𝐶(𝑣): Là ma trận Coriolis hướng tâm 𝐷(𝑣): Ma trận thủy động lực học, 𝑔(𝜂): Là vector lực hấp dẫn lực nổi, 𝜏, 𝑣: Là vector ngoại lực momen tác dụng lên ROV vector vận tốc Nếu xét tới đặc tính tác động dịng nước M C(v) chứa thành phần động lực học thủy động lực vật thể rắn, mô hình biểu thị bằng: • 𝑀𝑅𝐵 𝑣 + 𝐶𝑅𝐵 (𝑣)𝑣 + 𝑀𝐴 𝑣𝑤 + 𝐶𝐴 (𝑣𝑤 )𝑣𝑤 + 𝑔(𝜂) = 𝜏 cos cos K1 = cos sin  − sin  sin  sin  cos − cos  sin sin  sin  sin − cos  cos sin  cos 𝑐𝑜𝑠 𝜑 𝑠𝑖𝑛 𝜃 𝑐𝑜𝑠 𝜓 + 𝑠𝑖𝑛 𝜑 𝑠𝑖𝑛 𝜓 𝑐𝑜𝑠 𝜑 𝑠𝑖𝑛 𝜃 𝑠𝑖𝑛 𝜓 − 𝑠𝑖𝑛 𝜑 𝑐𝑜𝑠 𝜓] 𝑐𝑜𝑠 𝜑 𝑐𝑜𝑠 𝜃 (2) K1 ma trận chuyển đổi tọa độ từ đối tượng sang hệ trục trái đất 𝐾1−1 = 𝐾1𝑇 Tương tự, mối quan hệ vận tốc góc K2 trạng thái góc được xây dựng: • • • 𝑇 [𝜑 𝜃𝜓] = 𝐾2 [𝑝𝑞𝑣]𝑇 𝑠𝑖𝑛 𝜑 𝑡𝑎𝑛 𝜃 𝑐𝑜𝑠 𝜑 𝑠𝑖𝑛 𝜑 𝑠𝑒𝑐 𝜃 𝑐𝑜𝑠 𝜑 𝑡𝑎𝑛 𝜃 − 𝑠𝑖𝑛 𝜑 ] 𝑐𝑜𝑠 𝜑 𝑠𝑒𝑐 𝜃 (7) Trong đó: 𝑀𝑅𝐵 ∈ 𝑅6𝑥6 𝑀𝐴 ∈ 𝑅6𝑥6 ma trận khối lượng vật thể rắn khối lượng thêm vào; 𝐶𝑅𝐵 (𝑣) ∈ 𝑅6𝑥6 Coriolis vật thể rắn ma trận hướng tâm 𝑀𝑅𝐵 tạo chuyển động quay trục gắn với đối tượng quy trục tọa độ trái đất 𝐶𝐴 (𝑣) ∈ 𝑅6𝑥6 khối lượng cộng thêm Coriolis ma trận hướng tâm 𝑀𝐴 chuyển động quay quy đổi từ thân đối tượng trục tọa độ trái đất Cuối cùng, 𝑣𝑤 vận tốc tương đối xác định bởi: (8) 𝑣𝑤 = 𝑣 − 𝑣𝑐 (3) 2.3 Các lực mô men tác động lên ROV Khi đó: a Lực (4) 2.2 Phương trình động lực học ROV Sau lập hệ tọa độ mô phỏng, để 10 (6) Công thức (5) mô tả chuyển động ROV mặt nước biển trục tọa độ khác Cơng thức (6) phân tích lực momen gây chuyển động ROV suy từ cơng thức Newton-Euler Trong đó: • Khi đó: 𝐾2 = [0 𝑀𝑣 + 𝐶(𝑣)𝑣 + 𝐷(𝑣)𝑣 + 𝑔(𝜂) = 𝜏 Để đối tượng ROV môi trường đại dương, tác giả tiến hành tính tốn lực ROV với vài tham số phụ thuộc vào yếu tố Trong trường hợp này, khối lượng riêng gia tốc trọng trường giá trị đặt trước từ người dùng, SỐ 68 (11-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY ta cần tìm khối lượng vật để có lực Tuy nhiên, có phương pháp khác tính lực yêu cầu mật độ khối lượng vật thể Khối lượng ROV đo cân điện tử Cơng thức tính tốn: 𝐹𝑏 = 𝑔𝑚𝜌𝑓 𝜌𝑜 (9) Trong đó: 𝐹𝑏 - Lực tác dụng lên vật, 𝜌𝑓 - Khối lượng riêng chất lỏng mà vật thể chìm trong, 𝜌𝑜 - Khối lượng riêng vật thể m, g khối lượng vật thể, gia tốc trọng lực Thiết kế mơ hình ROV Unity3D 3.1 Thiết kế phần cứng điều khiển ROV Để điều khiển đối tượng ROV mô tác giả sử dụng điều khiển khả trình PLC để giao tiếp với phần mềm Unity 3D thông qua kết nối truyền thông modbus TCP Các tín hiệu điều khiển góc quay cánh quạt, tốc độ quay cánh quạt cuối điều khiển cánh tay robot đưa vào PLC gửi đến phần mềm mô b Lực đẩy Bên cạnh lực tác giả tính toán thêm lực đẩy từ việc điều khiển cánh quạt giúp ROV dễ dàng di chuyển nước Lực điều khiển đẩy biểu diễn bằng: (10) 𝐹 = 𝐾𝑢 Trong đó: Hình Cần joystick điều khiển ROV u - Đầu vào điều khiển, K - Hệ số lực đẩy Tác giả thiết kế ROV với cánh quạt đẩy, lực đẩy sử dụng vector 𝐹 = [𝐹1 , 𝐹2 , 𝐹3 , 𝐹4 , 𝐹5 , 𝐹6 , 𝐹7 , 𝐹8 ]𝑇 Đầu vào điều khiển vector 𝑢 = [𝑢1 , 𝑢2 , 𝑢3 , 𝑢4 , 𝑢5 , 𝑢6 , 𝑢7 , 𝑢8 ]𝑇 K ma trận đường chéo: 𝐾 = 𝑑𝑖𝑎𝑔[𝐾1 , 𝐾2 , 𝐾3 , 𝐾4 , 𝐾5 , 𝐾6 , 𝐾7 , 𝐾8 ] c Các lực momen nhiễu môi trường Khi ROV hoạt động nước yếu tố dịng chảy ln ảnh hưởng đến chúng với mực độ khác tùy thuộc độ sâu Để mô thực tế tác giả thêm vào phương trình nhiễu ROV làm việc Vì trái đất ln quay nên lực Coriolis cố gắng làm dịng chảy hướng phía Đơng Bắc bán cầu Tây Nam bán cầu Vì vậy, để mơ dịng hải lưu ảnh hưởng chúng đến chuyển động tàu, mô hình tác giả thêm vào mơ phỏng: • 𝑀𝑅𝐵 𝑣 + 𝐶𝑅𝐵 (𝑣)𝑣 + 𝑔(𝜂) ⏟ • 𝑟𝑖𝑔𝑖𝑑−𝑏𝑜𝑑𝑦 + ⏟ 𝑀𝐴 𝑣 + 𝐶𝐴 (𝑣𝜏 )𝑣𝜏 + 𝐷𝐴 (𝑣𝜏 )𝑣𝜏 = 𝜏 + 𝑔𝑜 + 𝑤 ℎ𝑦𝑑𝑟𝑜𝑑𝑦𝑛𝑎𝑚𝑖𝑐 (11) Trong đó: 𝑣𝜏 = 𝑣 − 𝑣𝑐 , vecto vận tốc dòng chảy coi biến thiên chậm Khi phương trình chuyển động là: • 𝑀𝑣 + 𝐶𝑅𝐵(𝑣)𝑣 + 𝐶𝐴 (𝑣𝜏 )𝑣𝜏 + 𝐷𝐴 (𝑣𝜏 )𝑣𝜏 + 𝑔(𝜂) = 𝜏 + 𝑔𝑜 + 𝑤 (12) SỐ 68 (11-2021) Hình Tủ phần cứng hệ mơ Từ Hình 2, nút ấn để điều chỉnh cánh quạt, góc quay camera, bật tắt đèn số chức khác Từ cần điều khiển joystick người vận hành thao tác dễ dàng để điều khiển thiết bị di chuyển đại dương để bám theo gắp vật 3.2 Xây dựng mơ hình 3D ROV Để xây dựng đối tượng ROV tác giả tham khảo lựa chọn số ROV thật hãng Forum ROV Comanche robot làm việc sâu nước lên tới 6000m Hình với vài thiết kế khí Hình thơng số Bảng 11 TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Hình Đối tượng ROV Unity 3D Hình Mơ hình ROV thực tế Mơ hoạt động thiết bị ROV 4.1 Mô động học ROV Để mô đối tượng ROV, từ phương trình động học ROV, lực nhiễu dòng hải lưu tác động Mục tác giả chuyển đổi phương trình (12) dựa ngơn ngữ lập trình C# đề đưa vào khơng gian 3D Trước tiên, muốn tạo sóng biển tác giả tạo mặt phẳng (plane) sau cài đặt thơng số kết hợp phương trình (12) để tạo thành module để vào đối tượng - OceanRenderer.cs: Được dùng tạo bề mặt sóng, số sóng điển hình; - OceanShapeFFT.cs: Dùng để điều chỉnh mức độ, hướng sóng; - OceanDebugGUI.cs: Tạo cửa sổ quan sát mức độ sóng; Hình Bản vẽ khí ROV Bảng Thông số ROV Comanche TT Thơng số Độ sâu làm việc Trọng lượng Kích thước (HxLxW(mm)) Khối lượng khơng khí Điện áp Bộ đẩy ngang, dọc Lực đẩy phía trước, bên dọc Tốc độ Comanche 2000-3000-6000m 285kg 1250x2100x1300 mm - OceanDepthRenderer.cs: Dùng để điều chỉnh hướng, mức độ dòng hải lưu Yếu tố đáy biển quan trọng mơ ROV Để có liệu địa hình xác, tác giả sử dụng liệu hải đồ điện tử để có độ sâu Tác giả sử dụng phương pháp bắn tia xuống đáy biển sau tính tốn quy đổi độ sâu thực tế khu vực mô Hình 7, Hình 1130kg 35kVA, 440VAC, 50/60Hz 250 240Kgf 3Kts Nguồn: Tài liệu hãng ROV Comanche Từ thông số kết hợp vẽ khí, tác giả xây dựng kích thước mơ hình 3D phần mềm chuyên dụng thu mô Hình 12 Hình Hiển thị độ sâu biển SỐ 68 (11-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Bên cạnh cánh tay robot mô làm việc đưa lại gần vật thể để tiến hành khảo sát Với điều kiện dòng hải lưu mức độ thấp thông số điều khiển ROV đảm bảo chất lượng tốt, tác giả thu Bảng thông số ROV làm việc: Bảng Thông số làm việc ROV TT Thông số Thực tế o Hình Bản đồ hiển thị độ sâu biển Bên cạnh địa hình, ROV di chuyển lại biển cần phải có lực đẩy, lực điều khiển cánh quạt Tác giả sử dụng phương trình (4), (7), (9), (10) để chuyển sang code tạo thành module sau thêm vào đối tượng ROV - ThrustersEngine.cs: Dùng để tạo lực đẩy ROV; - RudderROV.cs: Để điều khiển quạt qua điều khiển hướng ROV Cuối cùng, người vận hành muốn quan sát mơi trường xung quanh cần phải có camera Ở đây, tác giả sử dụng camera để quan sát xung quanh tùy chỉnh góc quay Các đối tượng cam đính kèm module sau: Vị trí Tốc độ 2,3Kts 65 o 60o Trong báo này, tác giả tạo cấp độ nhiễu môi trường nước với vài tham số tốc độ dòng chảy, hướng dòng chảy từ xét yếu tố tác động đến ROV Sau cài đặt thời tiết, tác giả tiến hành đặt mức độ ảnh hưởng dòng hải lưu môi trường để thu liệu Bảng Bảng Thông số tọa độ ROV Mức - CameraLight.cs: Dùng để bật tắt đèn làm việc đáy biển; Mức - CameraRotation.cs: Cho phép quay camera sang trái phải Mức Mức độ hải lưu 4.1 Chạy thử nghiệm hệ thống SỐ 68 (11-2021) 2,5Kts b Thử nghiệm yếu tố nhiễu môi trường - CameraFFT.cs: Cho phép camera làm việc nước; Hình Hình ảnh ROV 20o77654’ 106o81054’ Từ kết tác giả nhận thấy có sai số thiết kế mô so với thực tế ST T Trước tiên, tác giả chọn vị trí mơ khu vực Hải Phịng với tọa độ 20o77159 106o80988 Đây khu vực tác giả thả thiết bị xuống nước để khảo sát cáp ngầm, tàu đắm thể Hình 20 77159’ 106o80988’ Hướng - Envirskyrendering.cs: Dùng để tạo môi trường nước mô phỏng; a Thử nghiệm hoạt động ROV Mô Tham số Hướng 70o50’.54 70o50’.545 Tốc độ 2,0Kts 1,95Kts Hướng 70o50’.54 70o50’.545 Tốc độ 2,0Kts 1,84Kts Hướng Tốc độ 70o50’.54 2,0Kts 70o50’.545 1,52Kts Từ kết Bảng cho thấy yếu tố ảnh hưởng từ nhiễu môi trường đến vật thể để từ điều chỉnh ngược lại phần mềm mô sát thực tế Kết luận Bài báo bước đầu mô thành công thiết bị làm việc nước ROV, với mơ hình động học DOF giải pháp kết nối tối ưu phần cứng PLC phần mềm mơ Từ đó, tác giả khảo sát q trình làm việc mơ hình để thu thập liệu phục vụ nghiên cứu Ngoài ra, báo phân tích, đánh giá yếu tố nhiễu mơi trường tác động lên ROV để điều chỉnh thiết bị, hệ thống mô cịn kết nối với hệ thống Sonar hàng hải để phát triển tương lai Tuy nhiên, mơ hình ROV có nhiều tham số để khảo sát, hệ thống cần phải phát triển tích 13 TẠP CHÍ KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ hợp nhiều tham số để hiệu chỉnh cho phù hợp với thực tế tương lai Ngoài ra, liệu độ sâu biển, địa hình địa vật cần xây dựng tốt TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Alireza Marzbanrad, Jalil Sharafi, M Eghtesad, R Kamali, Conference: ASME 2011 International Mechanical Engineering Congress and Exposition, pp.8-10, 2011 [2] Tadahiro Hyakudome, Design of AutonomousUnderwater Vehicle, International Journal of Advanced Robotic Systems, pp.6-11, 2017 [3] S McMillan, D Orin, and R Mcghee, Efficient dynamic simulation of an underwater vehicle with a robotic manipulator, Systems, Man and Cybernetics, IEEE Transactions on, Vol.25, No.8, pp.1194-1206, 1995 ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY [7] Phạm Minh Thiên Thành, Vy Văn Cầu, Nguyễn Duy Anh, “Nghiên cứu, thiết kế điều khiển thiết bị ROV”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ giao thơng vận tải, Số 27 + 28, 2018 [8] Thor I Fossen, Guidance and Control of Ocean Vehicles, John Wiley & Sons, Chichester NewYork, 1994 [9] Thor I Fossen, Marine control systems - Guidance and Control of Ship, Rigs, Underwater Vehicles, Marine Cybernetics, Trondheim, Norway, 2002 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 14/8/2021 23/8/2021 31/8/2021 [4] www.oceaneering.com, COMANCHE ROV [5] www.f-e-t.com, Vmax Simulator software-and-control-system, [6] www.PaleBlue.com, ROV simulator 14 SỐ 68 (11-2021) ... mơ hình ROV Unity3 D 3.1 Thiết kế phần cứng điều khiển ROV Để điều khiển đối tượng ROV mô tác giả sử dụng điều khiển khả trình PLC để giao tiếp với phần mềm Unity 3D thông qua kết nối truyền thông... chuyển nước Lực điều khiển đẩy biểu diễn bằng: (10)