Luận Văn Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot lặn phục vụ công nghệ nuôi tôm lồng trên biển

Đồ án tốt nghiệp năm 2011
Đề tài: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT LẶN PHỤC VỤ CÔNG NGHỆ NUÔI TÔM LỒNG TRÊN BIỂN


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN 5
MỤC LỤC 6
DANH MỤC HÌNH 8
Chương 1 11
MỞ ĐẦU 11
1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đềtài 12
1.2. Tính cấp thiết . 13
1.3. Mục tiêu . 14
1.4. Cách tiếp cận . 15
1.5. Phương pháp nghiên cứu 16
1.6. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu . 17
Chương 2 18
NỘI DUNG VÀ 18
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU . 18
2.1. Khảo sát công nghệ nuôi tôm lồng 19
2.2. Yêu cầu kỹ thuật Robot lặn . 22
2.3. Động lực học Robot lặn . 23
2.3.1. Phương án 1 23
2.3.2. Phương án 2 24
2.3.3. Phương án 3 25
2.3.4. Phương án 4: . 26
2.3.5. Lựa chọn phương án . 27
2.3.6. Tính toán nguồn động lực . 27
2.3.7. Lựa chọn động cơ 31
2.3.8. Chế tạo module kín nước cho động cơ 31
2.4. Thân Robot 40
2.4.1. Kết cấu thân . 40
2.4.2. Tính toán bền . 41
2.4.3. Tính toán lực đẩy acsimet: . 43
2.4.4. Chế tạo phần đầu Robot . 45
2.4.5. Chế tạo phần khung 50
2.5. Mạch Điều Khiển Robot 53
2.5.1. Kiến trúc Vi Điều Khiển 53
2.5.2. Giới thiệu về họ vi điều khiển Atmega32L . 54
2.5.3. Khối nguồn 55
2.5.4. Khối điều khiển 57
2.5.5. Mạch nạp . 59
2.5.6. Khối LCD hiển thị . 60
2.5.7. Khối công suất . 61
2.5.8. Khối cảm biến 63
2.5.9. Giao tiếp máy tính 64
2.5.10. GamePad . 65
2.5.11. Qui trình chế tạo mạch điều khiển 67
2.6. Giải Thuật Đo Lường Và Điều Khiển . 76
2.6.1. Giải thuật đọc Gamepad . 76
2.6.2. Giải thuật điều khiển chuyển động của robot và truyền nhận dữ liệu . 77
2.6.3. Điều khiển cân bằng và ổn định độ sâu . 80
7
Chương 3 81
THỬ NGHIỆM 81
-HƯỚNG DẪN SỬDỤNG 81
3.1. Thông số kỹ thuật robot 82
3.2. Thử nghiệm 82
3.2.1. Kiểm tra robot trước khi sử dụng 82
3.2.2. Thử nghiệm tính năng động lực học của robot trên bờ . 84
3.2.3. Kiểm tra tính năng động lực học của robot khi hoạt động dưới nước . 84
3.2.4. Giao diện hiển thị 89
3.3. Nhận xét kết quả thử nghiệm 89
3.4. Giải pháp tăng khả năng hoạt động cho robot . 90
Chương 4 91
KẾT LUẬN –KIẾN NGHỊ . 91
4.1. Kết Quả Đạt Được . 92
4.2. Kiến Nghị . 92
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 93
PHỤ LỤC . 94
8
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Robot HROV 12
Hình 1.2: Robot ROV Kiel 6000 . 12
Hình 1.3: Robot trong nhà máy điện hạt nhân . 13
Hình 1.4: Robot cá 13
Hình 1.5: Sơ đồ kết cấu robot . 15
Hình 2.1: Lồng nuôi thủy sản 20
Hình 2.2: Lồng ương tôm hùm con . 21
Hình 2.3: Lồng nuôi cố định . 22
Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý phương án 1 23
Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý phương án 2 24
Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý phương án 3 25
Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý phương án 4 26
Hình 2.8: Góc tống . 28
Hình 2.9: Các loại lực tác dụng phụ thuộc vào phương di chuyển . 28
Hình2.10: Đồ thị hệ số thủy lực 29
Hình 2.11: Hình dáng bên ngoài mô đun động cơ . 32
Hình2.12: Mặt cắt mô đun động cơ 33
Hình 2.13: Mô đun động cơ khi được làm kín nước 33
Hình 2.14: Trục, ổ bi, phe và phốt . 34
Hình 2.15: Bảnvẽ chế tạo trục gắn chân vịt 34
Hình 2.16: Trục sau khi chế tạo 35
Hình 2.17: Các chi tiết bên trong sau khi lắp ráp . 35
Hình 2.18: Mô đun trụcchân vịt sau khi hoàn thiện . 35
Hình 2.19:Bản vẽ thiết kế ống nối trục . 36
Hình 2.20: Sau khi chế tạo thành công 36
Hình 2.21: Sau khi nối với động cơ và khớp mềm . 37
Hình 2.22: Phần thân được tiện ren ngoài . 37
Hình 2.23: Bản vẽ thiết kế nắp đậy mô đun động cơ . 38
Hình2.24: Nắp đậy sau khi hoàn thiện 38
Hình 2.25: Thân bao và nắp đậy được ăn khớp với nhau . 39
Hình 2.26: Chân vịt . 39
Hình 2.27: Saukhi bọc ống mềm vào dây điện . 40
Hình 2.28: Kết cấu khung robot 40
Hình 2.29: Ghép nối phần thân và đầu thông qua mặt bích . 41
Hình 2.30: Sơ đồ mặt cắt thân robot 44
Hình 2.31: Khối xốp được cắt thành khuôn . 46
Hình 2.32: Sau khi bọc . 46
9
Hình 2.33: Các vật liệu thành phần của composite 47
Hình 2.34: Pha chất xúc tác vào nước nhựa . 48
Hình 2.35: Dung dịch nền . 48
Hình 2.36: Phủ lớp sợithủy tinh lên trên . 49
Hình 2.37: Sản phẩm hoàn thiện . 49
Hình 2.38: Kích thước đệm cao su 50
Hình 2.39: Các thanh Inox hộp . 51
Hình 2.40: Khung robot 51
Hình 2.41: Kết nối motor với khung robot thông qua ngàm nối 52
Hình 2.42: Ngàm giữ ống hút 52
Hình 2.43:Khi dùng ống hút . 53
Hình2.44: Khi không dùng ống hút 53
Hình 2.45: Sơ đồ chân ATEMEGA32L 54
Hình 2.46: Cách nối chân V
RF
. 55
Hình 2.47: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 55
Hình 2.48: Sơ đồ mạch in nguồn cho VDK . 56
Hình 2.49: Sơ đồ nguyên lý khối VDK . 57
Hình2.50: Sơ đồ mạch in khối VDK 59
Hình 2.51: Mạch nạp Kanda system STK200/+300 59
Hình 2.52: Khối LCD hiển thị . 60
Hình 2.53: Sơ đồ nguyên lý khối công suất . 61
Hình 2.54: Sơ đồ mạch in khối công suất 62
Hình 2.55: Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến . 63
Hình 2.56: Cảm biến áp suất . 64
Hình 2.57: Cảm biến nhiệt độ . 64
Hình 2.58: Sơ đồ nguyên lý khối truyền thông 64
Hình 2.59: Sơđồ mạch in khối truyền thông . 65
Hình 2.60: Gamepad . 65
Hình 2.61: Sơ đồ chân Gamepad . 66
Hình 2.62: Sơ đồ truyền dữ liệu 67
Hình 2.63: Màn hình làm việc của ORCAD CAPTURE . 67
Hình 2.64: Tạo một project mới 68
Hình 2.65: Định khổ giấy cho bản vẽ 69
Hình 2.66: Thêm thư viện 69
Hình 2.67: Lấy linh kiện ra cho bản vẽ . 70
Hình 2.68: Linh kiện sau khi đã được lấy ra 71
Hình 2.69: Thay đổi tên linh kiện 72
Hình 2.70: Thao tác với BUS 72
10
Hình 2.71: Đặt tên cho các đường dây trong . 73
Hình 2.72: Sơ đồ mạch in . 74
Hình 2.73: Sau khi gỡ bỏ lớp giấy in . 74
Hình 2.74: Mạch in sau khi rửa . 75
Hình 2.75: Giải thuật đọc Gamepad 76
Hình 2.76: Giải thuật cho Master 77
Hình 2.77: Giải thuật cho Slave 78
Hình 2.78: Giải thuật truyền dữ liệu . 79
Hình 2.79: Giải thuật nhận dữ liệu . 79
Hình 2.80: Giải thuậtkhiển ổn định độ sâu cho robot 80
Hình 3.1: Kiểm tra điện áp nguồn cấp . 82
Hình 3.2: Công tắc số 1 . 83
Hình 3.3: Công tắc số 2 . 83
Hình 3.4: Thiết bị điều khiển 83
Hình 3.5: Robot chìm khi trọng lượng robot quá nặng 85
Hình 3.6: Robot lơ lửng trên mặt nước (vị trí đạt yêu cầu) 86
Hình 3.7: Tác động lực làm nghiêng robot 86
Hình 3.8: Robot tự cân bằng khi không còn lực tác động 87
Hình 3.9: Chuyển động tiến của robot . 87
Hình 3.10: Robot bắt đầu lặn xuống 88
Hình 3.11: Giao diện hiển thị 89
11
Chương 1
MỞ ĐẦU
12
1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài
Thám hiểm, dò tìm trong điều kiện khắc nghiệt là công việc hết sức
khó khăn và nguy hiểm đối với con người. Robot ra đời giúp chúng ta có thể đi
đến lấy mẫu những nơi mà con người khó có thể đến được. Một số nước trên
thế giới đã và đang tạo ra những con robot lặn phục vụ việc nghiên cứu trong
các điều kiện khắc nghiệt đó. Có những con đang trong giai đoạn nghiên cứu
thử nghiệm và có những con đang được sử dụng. Chúng không được sản xuất
thương mại mà chủ yếu là sản xuất đơn lẻ, chuyên dụng nên giá thành của
chúng rất đắt. Dưới đây là một số loại robot lặn trên thế giới:
-Robot lặn HROV(viết tắt của
Hybrid Remotely Operated Vehicle):
Do các nhà khoa học ở Đại học Johns
Hopkins và Viện Hải dương học
Woods Hole đang nghiên cứu chế tạo
và sẽ hoàn thành vào năm 2012.
HROV được thiết kế theo hai kiểu,
kiểu thứ nhất được kết nối với một loại
vi cáp đặc biệt, dùng để cung cấp điện
và để liên lạc với trung tâm. Với kiểu
robot này, các nhà khoa học có thể
thám hiểm do họ trực tiếp điều khiển
mà không cần phải lặn xuống đáy biển.
Kiểu robot thứ hai là loại thiết bị lặn
hoạt động theo chương trình lập sẵn từ
trước, có khả năng tự động khảo sát và
thu thập dữ liệu trên một khu vực rộng lớn dưới đáy biển để chuyển về cho các
nhà khoa học nghiên cứu và phân tích. Tuy nhiên robot HROV có kích thước
lớn và chủ yếu dùng để tìm hiểu các vụ động đất và phun của núi lửa dưới lòng
đại dương.
-Robot lặn ROV Kiel 6000: Được
phát minh bởi các nhà nghiên cứu biển
Đức, có thể xuống đến độ sâu 6.000m để
chụp ảnh và lấy mẫu vật. ROV Kiel
6000” có hai cánh tay thủy lực có khả
năng đo đạc, thu gom mẫu nước, mẫu
trầm tích và đất đá ở đáy biển. Thông
qua máy quay phim các nhà khoa học có
Hình 1.1: Robot HROV
Hình 1.2: Robot ROV Kiel 6000
13
thể ghi hình những loài sinh vật bí ẩn sống ở đáy biển sâu. Các dữ liệu và hình
ảnh được truyền tức thời qua cáp quang tới người điều khiển rôbốt cũng như các
nhà nghiên cứu trong khoang kiểm soát ở trên tàu nghiên cứu. Tuy nhiên Rôbốt
lặn này rất nặng (khoảng 30 tấn) và rất đắt tiền (trị giá 3,2 triệu euro) và chỉ
phù hợp cho nhà nghiên cứu muốn tìm hiểu cặn kẽ, chính xác đáy biển hy vọng
phát hiện được nhữngloài sinh vật bí ẩn và đặc biệt là phát hiện được “vàng
trắng” Methanhydrat có giá trị kinh tế cao.
-Robot lặn trong nhà máy điện hạt nhân:
Robot do các nhà khoa học của Trung Quốc
chế tạo, có chiều dài 42cm, rộng 19,8 cm, cao
13,8 cm và cân nặng 13,8 kg. Đây là robot đầu
tiên thuộc loại này được sử dụng trong các lò
phản ứng hạt nhân của Trung Quốc. Robot có
thể lặn vào bể nước sâu 22m của lò phản ứng
với điều kiện nước có tính axít yếu và độ phóng
xạ hạt nhân thấp. Do di chuyển trên 6 bánh xe
nên robot này chỉ thích hợp chạy trên các bề
mặt đường tương đối bằng phẳng.
-Robot cá của Trường Đại học Sư phạm Kỹ
thuật: Robot do nhóm sinh viên trường ĐH
Sư phạm kỹ thuật TP.HCM chế tạo. Robot
này đã thể hiện khá nhiều những chức năng
của cá thật, như: bơi lên lặn xuống rất uyển
chuyển, có thể bơi ở những vị trí khác nhau,
có cảm biến tránh cản, rẽ phải, rẽ trái. Với
trọng lượng 600gr, dài 350mm, robot cá có
thể được điều khiển để lặn sâu 2m, có thể điều
khiển xa nhất khoảng 200m, quay tròn trong
bán kính 0,5m. Trong tương lai, robot này sẽ
được cải tiến, trang bị thêm các cảm biến phát
hiện vật cản để trở thành robot có khả năng bơi lội linh hoạt và có kích thước lớn
hơn để có thể mang camera quan sát nhằm thu thập số liệu và gởi về trung tâm quan
sát trên bờ.
1.2. Tính cấp thiết
Nghề nuôi trồng thủy sản trong lồng trên biển ngày càng phát triển mạnh ở
nước ta. Trong quá trình nuôi việc kiểm tra giám sát chất lượng đối tượng nuôi
Hình 1.3: Robot trong nhà máy
điện hạt nhân
Hình 1.4: Robot cá
14
(thức ăn, tăng trưởng và bệnh tật của vật nuôi) và thu gom chất thải đóng vai trò
hết sức quan trọng. Với những lồng nuôi chìm dưới mặt nước, con người phải
thường xuyên lặn xuống để quan sát và thực hiện các thao tác kỹ thuật nuôi rất nguy
hiểm. Việc nghiên cứu và chế tạo robot lặn giúp các chuyên gia có thể quan sát trực
tiếp tình hình lồng nuôi tôm và thực hiện các thao tác kỹ thuật nuôi (thu gom chất
thải, ) mà không cần trực tiếp lặn xuống, để từ đó có kết luận chính xác và an toàn
đã và đang là nhu cầu cấp thiết góp phần làm giảm cường độ lao động nặng nhọc và
nguy hiểm cho ngườinuôi.
Ngoài ra robot lặn có thể giúp chuyên gia trong các lĩnh vực khác như thăm
dò và khảo sát dưới mặt nước mà không cần trực tiếp lặn xuống.
1.3. Mục tiêu
Thiết kế và chế tạo thành công robot lặn phục vụ công nghệ nuôi tôm trong
lồng trên biển, có khả năng mang camera quan sát và ống mềm hút chất thải, giúp
ngư dân trên bờ quan sát hình ảnh tômtrong lồng nuôi, đồng thời robot có thể đưa
ống mềm hút chất thải đến các vị trí cần thiết để hút thức ăn thừa và các chất cặn bã
lên bờ.
15
1.4. Cách tiếp cận
Nhằm thực hiện chức năng trợ giúp nuôi lồng thủy sản, robot được thiết kế có sơ
đồ cấu tạo và mối tương quan các bộ phận như sau:
1. DISPLAY: Bộ hiển thị dữ liệu, dữ liệu từ camera quan sát sẽ được truyền về
trạm điều khiển trungtâm trên bờ và hiển thị lên trên màn hình máy vi tính hoặc
màn hình bất kỳ phụ thuộc vào camera sử dụng.
2. MASTER: Mạch vi điều khiển dùng để nhận tín hiệu điều khiển và truyền tín
hiệu xuống Robot.
3. SLAVE: Mạch vi điều khiển dùng để điều khiển tốc độ các motor điện, giúp
robot chuyển động theo các phương bất kỳ theo người sử dụng điều khiển.
Hình 1.5: Sơ đồ kết cấu robot
16
4. FB_MOTOR: Bao gồm 2 motor bố trí hai bên hông robot, tạo nguồn động lực
giúp robot chuyển động tiếnvà lùi.
5. UD_MOTOR: Bao gồm 3motor bố trí thẳng đứng và vuông góc vớitrụcthân
robot, tạo nguồn động lực giúp robot chuyển động thẳng lên xuống.
6. SCREW-PROPELLER: Chân vịt, được gắn vào trục motor.
7. SENSORS: Hệ thống các cảm biến dùng để xác định độ sâu hiện tại robot, góc
nghiêng của nótheo phương ngang vàphương dọc, dựa vào góc nghiêng này mà Bộ
điều khiển sẽ điều khiển lực đẩy của các motor nhằm đảm bảo tính ổn định robot.
8. FRAME: Bộ khung của robot, là nơi gá đặt động cơ, bộ cảm biến cân bằng
9. CAMERA: Sử dụng camera quay dưới nước, được điều khiển quay theo hai trục
nên có thể xoay theo phương bất kỳ, giúp hiển thị hình ảnh của vật nuôi.
10. CONTROL: Gamepad điều khiển.
1.5. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu chế tạo robot dựa trên tính toán lý thuyết kết hợp với
thực nghiệm, trong đó chủyếu vào phép “Trial and error”. Đây là phương pháp sử
dụng rất nhiều trong những trường hợp hệ thống điều khiển chịu tác động bởi nhiều
yếu tố. Cụ thể:
-Dựa vào kết quả khảo sát tình hình nuôi tôm lồng sẽ xác định được các tính năng
động lực học robot lặn của robot.
-Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến sự chuyển động của robot dưới nước, các yếu
tố bao gồm lực cản chuyển động, độ sâu, vận tốc, gia tốc, tính ổn định để từ đó
xác định hình dáng robot và vị trí đặt nguồn động lực thích hợp.
-Xây dựng phương án và tiến hành thiết kế chế tạo hệ thống cơ khí và điều khiển:
Nhằm lựa chọn được kết cấu tốt nhất, phù hợp công nghệ nuôi lồng, một số phương
án thiết kế sẽ được xây dựng. Mỗi phương án sẽ được phân tích kỹ lưỡng để chọn
phương án thích hợp. Sau khi lựa chọn phương án thiết kế, nhóm tác giả sẽ tiến
hành thiết kế kỹ thuật, công việc này bao gồm tính chọn động cơ, tính toán các
thông số hình học, lựa chọn loại cảm biến và thiết kế mạch điều khiển. Sau khi
tính toán xong, phiên bản đầu tiên robot sẽ được chế tạo để tiến hành thử nghiệm.
-Thử nghiệm, kiểm tra và hoàn chỉnh robot: Việc thử nghiệm của robot sẽ được
tiến hành trong bể thử để kiểm tra tính năng động lực học của robot như khả năng


TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. PGS.TS. Nguyễn Đức Ân – Nguyễn Bân, Lý thuyết tàu thủy –tập 2, NXB
giao thông vận tải
[2]. Trần Công Nghị, Sổ tay thiết kế tàu thủy, NXBxây dựng
[3]. Bùi Trọng Lựu –Nguyễn Văn Vượng, Bài tập sức bền vật liệu, NXBgiáo
dục
[4]. Ngô Diên Tập, Vi điều khiển với lập trình C, NXB khoa học kỹ thuật.
[5]. Nguyễn Trọng Thắng, Giáo trình máy điện, NXB Đại học Quốc Gia TP
HCM
[6]. Dương Minh Trí, Sơ đồ chân linh kiện và bán dẫn, NXB khoa học và kỹ
thuật, 1998
[7].www.tuhocavr.net
[8].www.hocdelam.org
[9].www.atmel.com
[10].www.alldatasheet.com
[11].www.cdtvn.vn
[12].www.spkt.net
[13].www.bachkhoaforum.net
[14].www.tudonghoa.net