Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình robot dưới nước

Tải luận văn thạc sĩ về thiết kế, chế tạo robot dưới nước. Tài liệu gồm cơ sở lý thuyết, mô phỏng, lập trình và kết quả thử nghiệm thực tế.

• Chuyên ngành: Kỹ Thuật
• Đề tài: Robot Dưới Nước: Luận Văn Thiết Kế Và Chế Tạo Mô Hình
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về Robot Dưới Nước và Ứng dụng Thực tiễn

Robot dưới nước là những thiết bị tự động hóa được thiết kế để hoạt động trong môi trường nước, đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu khoa học biển, khảo sát địa chất, và các ứng dụng công nghiệp. Lịch sử phát triển của robot dưới nước cho thấy sự tiến bộ vượt bậc từ những mô hình đơn giản đến các hệ thống phức tạp với nhiều cảm biến hiện đại. Các quốc gia tiên tiến trên thế giới như Mỹ, Nhật Bản, và các nước châu Âu đã đầu tư mạnh mẽ vào lĩnh vực này. Ở Việt Nam, nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot dưới nước đang trở thành một chủ đề quan trọng trong các luận văn thạc sĩ kỹ thuật. Mục đích chính của việc phát triển mô hình robot dưới nước là để có được một công cụ hiệu quả phục vụ cho các nhiệm vụ khám phá và giám sát dưới nước.

1.1. Phân loại Robot Dưới Nước

Robot dưới nước được phân loại thành nhiều loại khác nhau dựa trên cấu trúc và chức năng. Có những robot tự hành không người lái (AUV) được sử dụng cho những nhiệm vụ độc lập, và những robot điều khiển từ xa (ROV) được điều khiển bởi người vận hành từ bờ. Các mô hình robot dưới nước nhỏ gọn thường được sử dụng trong các dự án nghiên cứu học thuật, giúp sinh viên và kỹ sư có cơ hội thực hành các kỹ năng thiết kế cơ khí và điều khiển tự động.

1.2. Ý Nghĩa của Luận Văn Thiết Kế

Luận văn về thiết kế và chế tạo mô hình robot dưới nước cung cấp một nền tảng lý thuyết vững chắc kết hợp với thực hành thực tế. Những đóng góp mới từ các luận văn thạc sĩ kỹ thuật không chỉ giúp hoàn thiện các phương pháp thiết kế mà còn tạo ra những mô hình robot dưới nước với hiệu suất cao hơn, tiết kiệm năng lượng hơn và dễ vận hành hơn.

II. Cơ Sở Lý Thuyết Thiết Kế Robot Dưới Nước

Cơ sở lý thuyết thiết kế robot dưới nước bao gồm các nguyên tắc cơ học, thủy động lực học, và điều khiển tự động. Các thành phần cơ bản của robot dưới nước gồm khung vỏ chịu áp lực, hệ thống điều khiển, cảm biến, và các động cơ để tạo lực đẩy. Để thiết kế một mô hình robot dưới nước hiệu quả, các kỹ sư phải tính toán chính xác các yếu tố như sức nổi, lực cản nước, công suất động cơ. Mô hình động lực học của robot dưới nước giúp dự đoán hành động của robot trong các điều kiện nước khác nhau. Việc sử dụng phần mềm mô phỏng như ANSYS cho phép các nhà thiết kế kiểm tra và tối ưu hóa hiệu suất trước khi chế tạo thật.

2.1. Nguyên Lý Hoạt Động

Nguyên lý hoạt động của robot dưới nước dựa trên các định luật cơ học Newton và nguyên tắc thủy tĩnh học. Sức nổi của robot phải cân bằng với trọng lượng để robot có thể lơ lửng dưới nước. Các động cơ DC không chải than (BLDC) được sử dụng phổ biến trong mô hình robot dưới nước vì hiệu suất cao và độ tin cậy. Hệ thống đẩy của robot gồm các cánh quạt hoặc động cơ tuyến tính để tạo ra lực đẩy theo các hướng khác nhau.

2.2. Tính Toán Công Suất Động Cơ

Lựa chọn công suất động cơ là một bước quan trọng trong thiết kế robot dưới nước. Công suất cần thiết phụ thuộc vào khối lượng robot, lực cản nước, và vận tốc mong muốn. Các kỹ sư phải tính toán công suất cho hệ thống đẩy tiến-lùi, lặn-nổi, và chuyển động ngang riêng biệt. Mô phỏng dòng chảy bằng phần mềm ANSYS giúp xác định lực cản chính xác hơn.

III. Thiết Kế Mạch Điều Khiển và Hệ Thống Điện

Thiết kế mạch điều khiển là một phần then chốt của robot dưới nước. Sử dụng vi điều khiển Atmega 128, các kỹ sư có thể lập trình những hành động phức tạp cho robot. Mạch điều khiển phải bao gồm khối nguồn cung cấp điện, khối giao tiếp với máy tính qua RS232, và mạch công suất điều khiển động cơ. Mạch relay được sử dụng để điều khiển chiều quay của các động cơ BLDC. Hệ thống camera và cảm biến đo sâu được tích hợp để robot có thể nhận thức môi trường xung quanh. Phần mềm CodeVisionAVR được sử dụng để lập trình logic điều khiển cho robot, cho phép điều khiển từ xa bằng tay cầm PS2. Các LED và màn hình hiển thị cung cấp phản hồi trực quan về trạng thái hoạt động của robot.

3.1. Vi Điều Khiển và Mạch Công Suất

Vi điều khiển Atmega 128 là trái tim của hệ thống điều khiển robot dưới nước. Nó xử lý tín hiệu từ các cảm biến và gửi lệnh đến các mạch công suất để điều khiển động cơ BLDC. Phương pháp xuất xung PWM được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ. Mạch công suất phải có khả năng xử lý dòng điện cao và cách điện tốt để bảo vệ vi điều khiển.

3.2. Hệ Thống Cảm Biến và Giao Tiếp

Cảm biến đo sâu sử dụng sóng siêu âm hoặc cảm biến áp suất để xác định độ sâu của robot. Giao tiếp RS232 cho phép robot kết nối với máy tính bờ để truyền dữ liệu và nhận lệnh điều khiển. Camera quan sát với hệ thống đèn chiếu sáng giúp người vận hành nhìn được dưới nước.

IV. Chế Tạo Mô Hình và Kết Quả Thử Nghiệm

Chế tạo mô hình robot dưới nước là giai đoạn thực hiện các thiết kế lý thuyết thành sản phẩm thực tế. Quá trình này bao gồm gia công các chi tiết cơ khí, lắp ráp khung vỏ robot, và lắp đặt các hệ thống điện tử. Các bản vẽ thiết kế chi tiết được sử dụng làm hướng dẫn cho việc chế tạo. Hệ thống phao nổi được kết hợp chặt chẽ với mạch điều khiển để đảm bảo sự cân bằng của robot dưới nước. Cáp truyền tín hiệu nối robot với hộp điều khiển trên bờ cho phép điều khiển từ xa. Thử nghiệm khả năng di chuyển bao gồm kiểm tra vận tốc, khả năng lặn-nổi, và ổn định khi lặn. Kết quả thử nghiệm tại các hồ linh bảm và hệ thống mẫu dòng chảy cho thấy hiệu suất của mô hình robot dưới nước đạt các yêu cầu kỹ thuật đề ra.

4.1. Quá Trình Gia Công và Lắp Ráp

Chế tạo mô hình robot dưới nước đòi hỏi độ chính xác cao trong gia công các chi tiết. Khung vỏ phải chịu được áp lực nước ở độ sâu làm việc, do đó cần sử dụng vật liệu chất lượng cao. Lắp ráp các thành phần cơ khí như trục quay, cánh quạt, và hệ thống phao nổi phải được thực hiện cẩn thận. Mạch vi điều khiển, mạch công suất, và cáp truyền tin được lắp vào bên trong robot với hệ thống sealant để chống thấm nước.

4.2. Kết Quả Thử Nghiệm và Đánh Giá

Thử nghiệm khả năng di chuyển của robot dưới nước được thực hiện tại các hồ chuẩn. Biểu đồ vận tốc theo các trục không gian cho thấy robot đạt được vận tốc tối đa mong muốn. Thử nghiệm khả năng lặn-nổi xác nhận rằng hệ thống phao nổi hoạt động đúng. Ổn định khi lặn được kiểm tra qua các chuyển động điều khiển. Mô phỏng dòng chảy bằng ANSYS và thử nghiệm thực tế cho kết quả tương đương, chứng minh tính chính xác của thiết kế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 tác giá trình bảy tổng quan về robot dưới nước vả lịch sử phát triển của robot dưới nước cùng các nghiên cúu của các nhả khoa học trên thể giới. Chương 2 nghiên cứu lý thuyết tinh toán động học robot dưới nước, lựa chọn phương án thiết kể, xảy đựng phương trình vị phân chuyển động, mô phóng bằng phần mềm ANSYS, tỉnh toàn tua chọn công suất động cơ đây theo phương pháp gần đúng. Chương 3 nghiên cửu lựa chọn mạch diều khiến robot, xây dựng phần mềm diều khiển hoạt dộng, của robet, truyền hình ảnh, lập trình thu thập đữ liệu từ cảm biển áp suất để quy đối ra độ sâu. Chương 4 đưa ra kết quả thực nghiệm, xây đựng biếu đỗ quan hệ giữa thời gian vả vận tốc của robot, thời gian vả độ sâu công tác, Tóng góp mới của tác giả: Luận văn đã xây đựng mô hình robot dưới nước có sử dụng cảm biến áp suất để đo độ sâu, mô phỏng bing phan mém ANSYS và lập trinh ngôn ngữ C điều khiển hoạt động của robat.

Các giả trị đo và bình ảnh được hiễn thị lên bản điều khiển trung tâm thông qua truyền thông nỗi tiếp.uận văn Thạc sĩ kỹ thuật LOL CAM DOAN 'Tôi tên là Nguyễn Van Tuần học viên cao học lớp 13BCĐT.KT khóa 2013B Chuyên ngành: Kĩ thuật Cơ điện tử Để tài: Nghiên cứu thiết kế vá chế tạo mỗ hình Robot hoạt động dưới nước. Giáo viên hướng dân: T5. Nguyễn Chỉ Liưng Têi xin cam đoan cáo nghiên cứu, thực nghiệm trong luận văn này là do chính tác giả thực hiện Hà Nội, ngày 28 tháng 8 năm 2015 Tác giả luận vẫn Nguyễn Văn Tuấn.uận văn Thạc sĩ kỹ thuật khoa học, giao thông vận tải, đầu khí hâu như chưa có nghiên cứu thực nghiệm nao eu the 3. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cửu cửa luận văn + Mục đích: - Chế tao robot dưới nước có gẵn camera và các cảm biên có khả năng di chuyển trong môi trường nước nước theo các phương khác nhan nhì: chuyển động lặn nỗi, tiền, lùi, quay trái phải, rẽ trái, rẻ phải.

- Robot có thế đo độ sâu tại vị trí công tác, có thể chụp, quay phim trực tiếp truyền hình ãnh lên bờ. - Robot oó thể lặn độ sâu tôi đa khoảng 10m. «_ Đối tượng vả phạm vi nghiền cứu: -_ Dôi tượng nghiên cứu: Áp suất, động lực học thủy tĩnh, thuật toán điều khiễn, các giao tlrức truyền tin hiệu. -_ Phạm vi nghiên cửu: Nghiên cứu động lực học thủy tĩnh, thiết à chế tạo mô hình robot, nghiên cứu mạch điều khiến robot, nghiên cứu căm biển áp.

Điều khiển robot và hiển thị các thông: số độ sâu, hình ảnh. Tóm tất điểm cơ bản và đồng góp mới của luận văn. Luận văn được trình bảy gẻm 4 chương: Chương 1 tác giá trình bảy tổng quan về robot dưới nước vả lịch sử phát triển của robot dưới nước cùng các nghiên cúu của các nhả khoa học trên thể giới. Chương 2 nghiên cứu lý thuyết tinh toán động học robot dưới nước, lựa chọn phương án thiết kể, xảy đựng phương trình vị phân chuyển động, mô phóng bằng phần mềm ANSYS, tỉnh toàn tua chọn công suất động cơ đây theo phương pháp gần đúng.

Chương 3 nghiên cửu lựa chọn mạch diều khiến robot, xây dựng phần mềm diều khiển hoạt dộng, của robet, truyền hình ảnh, lập trình thu thập đữ liệu từ cảm biển áp suất để quy đối ra độ sâu. Chương 4 đưa ra kết quả thực nghiệm, xây đựng biếu đỗ quan hệ giữa thời gian vả vận tốc của robot, thời gian vả độ sâu công tác, Tóng góp mới của tác giả: Luận văn đã xây đựng mô hình robot dưới nước có sử dụng cảm biến áp suất để đo độ sâu, mô phỏng bing phan mém ANSYS và lập trinh ngôn ngữ C điều khiển hoạt động của robat. Các giả trị đo và bình ảnh được hiễn thị lên bản điều khiển trung tâm thông qua truyền thông nỗi tiếp.uận văn Thạc sĩ kỹ thuật Tinh 2. Biêu đồ vận tốc theo các trục trong môi tung ANSTS Tình 2.

Thứ nghiệm dòng chảy tác dụng vào đầu vào irÌel với tac dé Im/s Hình 2. Trường lực và cấu trúc dòng chây tác dụng lên robor Hình 2. Trường dòng chây và áp lực tác dụng lên robot tại áp suất 206568 Pa Tình 3. Sơ đồ chân của Ui điều khiến Aimega128 Tình 3.

Biểu đồ khối cầu trúc của Vị điễu khiển AVR Hình 3. Sơ đồ khái mạch điều khiến robat đưới nước. Nguyên lý mạch điều khiển sữ dụngVi điều khiển Atmega 128 -Hình 3. Mạch điều khiển sau khi được chế tạo TRình 3.

1Tình ảnh tay điều khiẫn PS2 Hình 3. Khối nguén cdp dién SV cho Vi diéu khién Linh 3.8, So đề khối nguồn cưng cấp cho hệ thông Hình 3. Khôi giao tiếp mạch công suất điều khiến động cơ 4 Hình 3. Nguyên b' mạch diều khiển déng co BLDC 1Hình 3.

Phương pháp xuấi xung PA điều khiến déng co BLDC Hinh 3. Thứtự điện áp Âưa ra vào các pha của động cơ BLDC Tình 3. Mạch relay điều khiển chiều quay của động co BLDC Tinh 3. Mach céng suất điều khiển động cot BLDC sau khi được chế tạo Hình 3.

Thứ tự các chân của công đực RS232 Hình 3. Thứ tự các chân của công cái RS232 Tình 3. Sa đồ các chân MIAX232 Hình 3. Nguyên ly mach giao tiép sir dung MAX232 Hình 3.

thay dỗi gúc guan sắt của camera Linh 3. Camera sau khi được gá đặt trên robot Hình 3. Màn hình hiện thị hình ảnh tuyên từ camera Hình 3. Cáp truyền tin hiệu Tình 3.

L1ệ thông đèn chiễu sớng của robot Hình 3. Cảm bitn ap sudi MPXHZ6400A Hình 3. Sơ đồ mạch nguyên lý kết nối cảm biến với Vì điều khiển THình 3. liộp thoại New Tre Hinh 3.

Hip thoai New FileProject Llinh 3. LiGp thogi Confirm T.uận văn Thạc sĩ kỹ thuật HỆ THÓNG KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ROV: Robot dưới nước diễu khiển có dây AUV: Robot dưới nước tự hành không dây ÄÍ „„ :À4a trận khối hượng của robot Cna(V)Y : Ma trận chứa các lực Coriolis và lực Íp tâm À4,„,: Ma trận khối lượng quản tính phụ Dv): Ma tran can 7 ; Lực điều khiển robot ẤP : Độ lớn sức nổi của rabot Ty : Lực chuyển động R: Ine cain Đ; : Công suất có ích ®; : Công suất của chân vịt P: Tổng công suất có ích hệ thẳng đây. R - Lực cân tông tác dụng lên robot theo phương tiên lùi Lận tốc của robot SỐ sức cân hình đúng p: Khôi lượng riêng của nước &: Diện tích bình chiếu của robot lên mặt phẳng vuông góc với hướng chuyển động Roy i Lage căn dây cáp 1] : Hệ số tính đến tốn thất của hệ thông đầy Taongca ¿ Lực kéo của động cơ lặn nỗi VCC : chin nguén | 5 GND: chan dat 0 Reset : ding dé reset lai hé thing BLDC: Dang co DC khdng chdi than PEM: điều chế độ rộng xung T.uận văn Thạc sĩ kỹ thuật HỆ THÓNG KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ROV: Robot dưới nước diễu khiển có dây AUV: Robot dưới nước tự hành không dây ÄÍ „„ :À4a trận khối hượng của robot Cna(V)Y : Ma trận chứa các lực Coriolis và lực Íp tâm À4,„,: Ma trận khối lượng quản tính phụ Dv): Ma tran can 7 ; Lực điều khiển robot ẤP : Độ lớn sức nổi của rabot Ty : Lực chuyển động R: Ine cain Đ; : Công suất có ích ®; : Công suất của chân vịt P: Tổng công suất có ích hệ thẳng đây. R - Lực cân tông tác dụng lên robot theo phương tiên lùi Lận tốc của robot SỐ sức cân hình đúng p: Khôi lượng riêng của nước &: Diện tích bình chiếu của robot lên mặt phẳng vuông góc với hướng chuyển động Roy i Lage căn dây cáp 1] : Hệ số tính đến tốn thất của hệ thông đầy Taongca ¿ Lực kéo của động cơ lặn nỗi VCC : chin nguén | 5 GND: chan dat 0 Reset : ding dé reset lai hé thing BLDC: Dang co DC khdng chdi than PEM: điều chế độ rộng xung T.uận văn Thạc sĩ kỹ thuật HE THONG DANH MUC BANG BIEU Bảng2.1: Thông số kích thước và thé tích của robot trong phần mém ANSYS .2: Thông số mỗi trường thứ nghiệm Bang 2.3: Thang số điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn Bảng 3.1: Chức năng của các chân công kêt nội RS232 KỸ thuật của camera được chọn Bang 3.3: Cae thang số cơ bản của cảm biển áp suất IIE THONG DANITMUC IINII VE THình 1.

Một số loại rabaf đưới nước Hình 1. Robot loai AUV Teledyne Gavia Hinh 1. Robot loai ROV có cánh tay thao tác Hinh 2.1 Robot (ROV) sit dung phuong pháp lặn động lực của hing Nautic Hình 2. Robot (ROV) sử đựng phương pháp lặn động lực Submeratble RƠU” Hình 2.

Các bậc tự do của robot dưới nước Tình 2.Sơ đã kết ¡ cơ bản của robot dưới nước cỡ nhô Hình 2. Các hệ tọa dùng dễ xác dịnh vị trí cña robot Hinh 2. Hãn vẽ 32 thành của robot THình 2. Khung inox liên kết thành rabot Tình 2.

Thành robot sau khi dược lắp ráp với các khung Inox Linh. Phương chiều lực đây Acsimet va trong lượng của robot Hình 2. Hộ phận tạo sức nối và cltứa mạch điều khiến robot Hình 2.10, Lực cần bỗ sung AR tác dụng lên robot khi chân vự boạt động TRình 2. Chân vịt 7 cánh của hệ thông đẩy Hình 2.

Cấu hình hé thang day ấm lùi Hình 2. Côu hình hệ thắng dẫy lặn nỗi THình 3. Câu hình hệ thẳng đấu ngang Tình 2. Múi quan hệ giữa bệ cân hình dáng và chỉ số Reynolds Hình 2.

Động cơ DC không chỗi than Hình 2. Tạo miền không gian lưới cho robot đề thử nghiệm Hình 2. Chọn môi trường thứ nghiệm là mỗi lrường nước Hình 2.19, Khới tạo các thông số dầu vao inlet va ddu ra outlet T.uận văn Thạc sĩ kỹ thuật LOL CAM DOAN 'Tôi tên là Nguyễn Van Tuần học viên cao học lớp 13BCĐT.KT khóa 2013B Chuyên ngành: Kĩ thuật Cơ điện tử Để tài: Nghiên cứu thiết kế vá chế tạo mỗ hình Robot hoạt động dưới nước. Giáo viên hướng dân: T5.

Nguyễn Chỉ Liưng Têi xin cam đoan cáo nghiên cứu, thực nghiệm trong luận văn này là do chính tác giả thực hiện Hà Nội, ngày 28 tháng 8 năm 2015 Tác giả luận vẫn Nguyễn Văn Tuấn.uận văn Thạc sĩ kỹ thuật HE THONG DANH MUC BANG BIEU Bảng2.1: Thông số kích thước và thé tích của robot trong phần mém ANSYS .2: Thông số mỗi trường thứ nghiệm Bang 2.3: Thang số điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn Bảng 3.1: Chức năng của các chân công kêt nội RS232 KỸ thuật của camera được chọn Bang 3.3: Cae thang số cơ bản của cảm biển áp suất IIE THONG DANITMUC IINII VE THình 1. Một số loại rabaf đưới nước Hình 1. Robot loai AUV Teledyne Gavia Hinh 1.