Nghiên cứu, thiết kế mô hình tàu ngầm

MỤC LỤC MỤC LỤC Lời nói đầu CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG 1.1. Giới thiệu chung. 1.2. Các vấn đề cần giải quyết. 1.3. Phương pháp nghiên cứu. 1.4. Phạm vi và giới hạn của đề tài CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TÀU NGẦM 2.1. Giới thiệu chung về tàu ngầm 2.1.1 Tổng quan về lịch sử phát triển 2.1.2. Nguyên lý hoạt động của tàu ngầm. 2.1.2.1. Các định luật cơ bản. 2.1.2.2. Nguyên lý lặn. 2.1.2.3. Nguyên lý lặn sử dụng trong đề tài. 2.1.3. Thiết bị điều khiển 2.2. Giới thiệu về điều khiển từ xa bằng tần số vô tuyến (RF). 2.2.1. Khái niệm. 2.2.2. Các phương pháp mã hóa. 2.2.3. Giới thiệu chung về PT2262 và PT2272. 2.3. Hệ thống cảm biến. 2.2.2.1. Mạch phát RF. 2.2.2.2. Mạch thu RF. 2.2.3. Các phương pháp mã hóa tín hiệu. 2.3. Giao tiếp máy tính. CHƯƠNG III XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG 3.1. Mô hình cơ khí của hệ thống. 3.2. Mô hình hóa động học 3.2. Thiết kế mạch điện tử 3.3. Sơ đồ khối hệ thống 3.4. Lưu đồ giải thuật Lời nói đầu Kể từ khi chiếc tàu ngầm chiến đấu đầu tiên trên thế giới ra đời ở Mỹ vào thế kỷ 18, với sự phát triển mạnh mẽ của Khoa học-Công nghệ, nhất là trong lĩnh vực điều khiển và truyền thông, ngày nay, tàu ngầm không chỉ được phát triển trong lĩnh vực quân sự mà nó còn được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong vận chuyển hàng hải và nghiên cứu khoa học ở đại dương cũng như ở vùng nước ngọt, nó giúp đạt tới độ sâu vượt quá khả năng lặn của con người, nó có thể làm việc được trong môi trường độc hại, những điều kiện khắc nhiệt mà con người không thể làm được... Đặc biệt, ngày nay, các mô hình tàu ngầm còn đang được phát triển trong ngành du lịch khám phá sự đa dạng của đại dương… Mặc dù tầm quan trọng và vai trò của tàu ngầm thì ai cũng biết tuy nhiên trên thế giới những quốc gia có thể sản suất chế tạo tàu ngầm là không nhiều đặc biệt là trong lĩnh vực quân sự chỉ có một số nước như Mĩ, Nga, Anh, Đức…Trong vài năm trở lại đây do tình hình bất ổn trên thế giới, chạy đua vũ trang và ước muốn chinh phục đại dương mà tàu ngầm được rất nhiều nước mua về từ những nước trên tuy nhiên giá của nó khá đắt tới phải bỏ ra hằng trăm triệu tới vài tỉ USD cũng chưa chắc có thể mua được một chiếc tàu ngầm… Ở Việt Nam tài liệu về lĩnh vực này còn hạn chế, và đây là một lĩnh vực khó nên tàu ngầm còn ít được nghiên cứu. Vì vậy, đề tài “ Nghiên cứu, thiết kế mô hình tàu ngầm ” thực sự là một thử thách. Tuy nhiên đó cũng chính là động lực để nhóm làm việc. Nhóm bọn em hi vọng và tin tưởng rằng đề tài này sẽ là một trong những viên gạch đầu tiên để một tương lai không xa nước Việt Nam chúng ta có thể nghiên cứu chế tạo thành công tàu ngầm cho việc nghiên cứu khoa học, phát triển kinh tế và giữ vững an ninh quốc phòng. Qua đề tài, các thành viên của nhóm đã phát triển được nhiều kĩ năng như làm việc nhóm, cách tiếp cận với vấn đề mới, cách giải quyết vấn đề…Hơn thế nữa trong quá trình làm đề tài, nhóm đã vận dụng được những kiến thức đã học như thiết kế cơ khí, lập trình điều khiển, truyền thông, thiết kế hệ thống… để giải một bài toán rất thực tế. Sau một thời gian làm đồ án nhóm chúng em đã hoàn thành được một số nhiệm vụ của đồ án, nhưng để có được thành quả đó không thể không nói đến sự động viên giúp đỡ của gia đình, bạn bè và sự chỉ bảo tận tình của các thầy cô. Chúng em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và thầy cô đã giúp đỡ chúng em suốt thời gian làm đồ án vừa qua, và đặc biệt chúng em xin gửi lời cảm ơn đến: Thầy Lưu Vũ Hải – Giảng viên ngành Cơ điện tử, trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội – Người đã trực tiếp hướng dẫn chúng em thực hiện đồ án này. Các thầy trong Trung tâm Việt-Hàn trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội, đặc biệt là thầy Đàm Quang Hưng đã nhiệt tình tư vấn và giúp đỡ chúng em thực hiện mô hình cơ khí của đề tài. Các bác công nhân trong Xưởng cơ khí HanSon, thị trấn Phùng-Hoài Đức-Hà Nội đã nhiệt tình giúp đỡ chúng em gia công mô hình cơ khí. Do thời gian có hạn nên cũng không thể tránh được những sai sót trong quá trình làm đề tài. Nhóm mong được những ý kiến đóng góp của các thầy cô và các bạn để có thể hoàn thiện đề tài tốt hơn. Xin chân thành cảm ơn. Hà Nội, tháng 12 năm 2011 Sinh viên thực hiện: Trần Thế Hiếu Nguyễn Văn Tập Trần Hữu Hà CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG 1.1)Giới thiệu chung 1.1.1. Tầm quan trọng Tàu ngầm là một loại phương tiện đặc biệt hoạt động dưới nước. Ngày nay, tàu ngầm đã được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực quân sự, vận chuyển hàng hải, trong nghiên cứu khoa học và đang được phát triển trong ngành du lịch. Nó giúp đạt đến độ sâu mà con người không thể lặn tới được, các môi trường độc hại... 1.1.2. Nguyên lí hoạt động Nguyên lý hoạt động của tàu ngầm dựa vào hai định luật cơ bản của Vật lý: Định luật Ac-si-mét: Với bất cứ một vật nào chìm trong nước, đều chịu một lực đẩy, thẳng đứng, hướng lên trên và có độ lớn đúng bằng phần chất lỏng mà vật đang chiếm chỗ. Định luật Pascal: Áp suất mà một bề mặt phải chịu tỉ lệ thuận cùng lực tác dụng lên bề mặt, tỉ lệ nghịch với diện tích bề mặt đó. Đối với một tàu ngầm thông thường, có hai lớp vỏ, lớp vỏ trong dầy hơn nhiều và cũng là lớp vỏ của khoang nhân viên, giữa hai lớp vỏ là khoang trống có chứa các giàn ép nước. Khi tàu nổi thì khoang giữa hai lớp vỏ này trống, khi muốn tàu lặn thì có một van phía trên sẽ mở, nước tràn vào khe giữa hai vỏ làm khối lượng tàu tăng lên, chìm xuống. Các giàn ép phía trong khoang giữa hai vỏ này có nhiệm vụ dồn không khí vào chiếm chỗ nước để tàu nổi lên. Do điều kiện còn hạn chế nên đề tài trong đồ án này là một mô hình tàu ngầm với các chức năng cơ bản như: lặn-nổi dựa trên cơ chế hút-xả nước của hệ thống hai xi-lanh vít me, di chuyển trong nước nhờ hệ thống các động cơ gắn trên tàu (động cơ đẩy, động cơ chân vịt, động cơ cân bằng lực). Ngoài ra, mô hình này còn có một hệ thống cảm biến, bao gồm: cảm biến gia tốc xác định góc nghiêng giúp tàu giữ thăng bằng. Cảm biến nhiệt độ, cảm biến siêu âm để lấy tín hiệu hiển thị trên máy tính. Cảm biến tiệm cận giúp tàu chánh vật cản hoạt động an toàn và một camera quan sát giúp cho việc điều khiển dễ dàng hơn. 1.2. Các vấn đề đặt ra Đề tài nhằm mục đích nghiên cứu vì vậy các vấn đề cần giải quyết của đề tài bao gồm. Thiết kế cơ khí bao gồm 2 phần: Phần vỏ với yêu cầu nhỏ gọn, thẩm mỹ, đảm bảo độ kín, độ cứng và đặc biệt là phải phù hợp với điều kiện gia công. Hệ thống tấm gá bên trong tàu phải bố trí hợp lý để gá đặt các động cơ, nguồn năng lượng, hệ thống xi lanh và các mạch điện tử, các hệ thống cảm biến… Thiết kế mạch gồm các modul rời dễ dàng trong việc lắp rắp thay thế khi có sự cố. Bao gồm mạch main,công suất,các mạch cảm biến,mạch RF,mạch kết nối máy tính và mạch điều khiển bằng nút bấm. Lập trình. Sử lí các bài toán nhỏ. Điều khiển tốc độ và đảo chiều động cơ bằng nút bấm. Nhận và hiển thị các giá trị của cảm biến nhiệt đô, siêu âm, tiệm cận gia tốc hiển thị lên LCD. Lưu trữ các giá trị đo được vào EEROM của vđk. Dồn kênh các tín hiệu từ nút bấm. Lập trình điều khiển bằng thuật toán PID. Truyền tín hiệu data thông qua mạch RF. Lập trình gửi dữ liệu từ VDK lên máy tính. Lập trình hiển thị thông qua phần mềm visual basic. Ghép nối các bài toán nhỏ ở trên thành hệ thống hoàn tất điều khiển đưa ra phương pháp điều khiển tối ưu cho tàu ngầm. 1.3)Phương pháp nghiên cứu. 1.3.1. Phần cơ khí. Thiết kế và mô phỏng trên máy tính. Đưa ra giải pháp tối ưu tránh lãng phí và dễ dàng trong việc chọn vật liệu và gia công. Chọn vật liệu và linh kiện sẵn có trên thị trường. Sử lí bài toán động lực học và nghiên cứu kết cấu an toàn cho tàu khi hoạt động dưới nước. 1.3.2. Phần mạch. Tìm hiểu kĩ datasheet của các linh kiện sử dụng trong mạch. Tính toán lựa chọn các cảm biến sử dụng trong mạch. Tham khảo các mạch robocon, đồ án như “Ứng dụng RF trong điều khiển và truyền thông không dây, Ứng dụng của cảm biến siêu âm trong đo khoảng cách, Đo lường và điều khiển bằng máy tính…” Test và mô phỏng các mạch trước khi làm mạch thực tế. 1.3.3 Phần lập trình. Giải quyết các bài toán nhỏ như đã nêu. Lập trình mô mỏng trên phần mềm. Tổng hợp đưa ra phương pháp điều khiển tối ưu. Phạm vi và giới hạn của đề tài. Trong khuôn khổ của đề tài với yêu cầu nghiên cứu, thiết kế, mô hình hóa trên lý thuyết cùng với thời gian hạn chế nên phạm vi và giới hạn của đề tài như sau: Xây dựng mô hình cơ khí và các mạch điện tử đơn giản, ổn định, phù hợp với điều kiện gia công thực tế. Sử dụng các loại động cơ phù hợp. Sử dụng cảm biến siêu âm dưới nước để xác định khoảng cách, cảm biến tiệm cận để xác định giới hạn lặn, cảm biến gia tốc để điều chỉnh cân bằng, cảm biến nhiệt độ để lấy giá trị nhiệt độ trong thân tàu. Điều khiển từ xa bằng sóng RF. Tuyền thông không dây bằng sóng RF. Giao tiếp và hiển thị bằng máy tính. Sử dụng camera để quan sát dưới nước. Chương II. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TÀU NGẦM Giới thiệu chung về tàu ngầm Tổng quan về lịch sử phát triển Người ta đã coi C.V.Drebbel, nhà vật lý, người phát minh ra nhiệt kế, sống ở cung vua Anh Jacques I, thái phó của các hoàng tử và công chúa của quốc vương, là cha đẻ của tàu ngầm đầu tiên. Năm 1624, Van Drebbel đã cho chế tạo một tàu ngầm có dạng quả trứng, bằng gỗ, được đẩy đi bởi mười hai người chèo thêm vào thủy thủ đoàn, mà ông đã thử trên sông Thames trước sự ngạc nhiên của mọi người... Vào thế kỷ 18, ở Mỹ, trong thời gian nước này bị quân Anh chiếm đóng, chiếc tàu ngầm chiến đấu đầu tiên trên thế giới ra đời. Đó là kỹ sư hàng hải David Busnell - một học viên xuất sắc vừa tốt nghiệp trường Đại học Tổng hợp Ielsk đã nảy ra ý tưởng chế tạo một chiếc tàu đặc biệt. Chiếc tàu này có thể đi ngầm dưới mặt nước, bí mật mang mìn tiếp cập và đánh chìm các tàu chiến to lớn của Hải quân Anh, giải phóng thành phố. Vào thời gian đó, khi khoa học-kỹ thuật công nghệ chưa phát triển thì việc chế tạo tàu ngầm đã gặp hàng loạt rắc rối lớn. Đến mùa xuân năm 1776, chiếc tàu ngầm chiến đấu đầu tiên trên thế giới ra đời. Nó có hình ...quả trứng. Cao: 2 mét. Đường kính thân rộng: 0,9 mét. Kíp chiến đấu chỉ có đúng ...1 người. Nhân viên duy nhất kiêm nhiệm tất cả các nhiệm vụ, chức năng: Thuyền trưởng, lái tàu, hoa tiêu, thợ máy và thủy thủ chiến đấu. Năm 1893, Simon Lake(1867-1945) đã phác họa hình ảnh một chiếc tầu ngầm phóng thủy lôi vào một tàu chiến. Trong suốt thời gian này đã có rất nhiều các nhà khoa học đã nghiên cứu, thiết kế các mô hình tàu ngầm khác nhau nhưng mục đích chung và duy nhất là phục vụ cho quân sự. Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học-công nghệ, nhất là trong lĩnh vực điều khiển và truyền thông, ngày nay, tàu ngầm không chỉ được phát triển trong lĩnh vực quân sự mà nó còn được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong vận chuyển hàng hải và nghiên cứu khoa học ở đại dương cũng như ở các vùng nước ngọt, nó giúp đạt tới độ sâu vượt quá khả năng lặn của con người. Đặc biệt, ngày nay, các mô hình tàu ngầm còn đang được phát triển trong ngành du lịch khám phá sự đa dạng của đại dương. Nguyên lý hoạt động của tàu ngầm Các định luật cơ bản Nguyên lý hoạt động của tàu ngầm dựa vào hai định luật cơ bản trong Vật lý: Định luật Ac-si-mét: Với bất cứ một vật nào chìm trong nước, đều chịu một lực đẩy, thẳng đứng, hướng lên trên và có độ lớn đúng bằng phần chất lỏng mà vật đang chiếm chỗ. Định luật Pascal: Áp suất mà một bề mặt phải chịu tỉ lệ thuận cùng lực tác dụng lên bề mặt, tỉ lệ nghịch với diện tích bề mặt đó. Nguyên lý lặn Về cơ bản, có 2 cách để làm tàu lặn xuống : lặn động lực (dynamic diving) và lặn tĩnh lực (static diving). Có nhiều mô hình tàu ngầm sử dụng phương pháp động lực (dynamic method) trong khi lặn tĩnh lực (static diving) được sử dụng bởi tất cả các tàu ngầm quân sự. Những tàu lặn động lực là những tàu ngầm mà vốn đã có sẵn tính nổi, chúng luôn có khả năng tự nổi. Loại tàu này thiết kế lặn được nhờ kết hợp tốc độ (chuyển động) của tàu cùng với các cánh lặn để đẩy tàu xuống dưới mặt nước. Điều này giống hệt như khi máy bay cất cánh và bay. Những tàu ngầm static diving lặn xuống được bởi sự tự thay đổi tính nổi của tàu nhờ bơm nước vào các két dằn. Tính nổi theo đó thay đổi từ dương sang âm và tàu bắt đầu chìm xuống. Loại tàu này không cần chuyển động để lặn, chính vì thế phương pháp này được gọi là static diving. Để việc lặn xuống của tàu được thuận lợi thì việc bố trí các két dằn có vai trò rất quan trọng.Có 3 các bố trí két dằn:Bên trong lớp vỏ chịu áp, bên ngoài lớp vỏ chịu áp,ở giữa vỏ ngoài và lớp vỏ chịu áp. Nguyên lý lặn sử dụng trong đề tài Mô hình tàu ngầm trong đề tài này sử dụng cơ chế lặn tĩnh lực (static diving). Tuy nhiên do điều kiện gia công không cho phép nên trong mô hình này, hệ thống chứa nước chúng em đã sử dụng 2 xi lanh thủy lực thay cho các két dằn (khoang chứa). Cơ chế: Động cơ truyền động qua vít me đai ốc tới xi lanh hút và bơm nước. Nước được chứa trực tiếp trong xi lanh. Ngoài ra, trong tàu chúng em còn bố trí thêm tải trọng nhằm ứng dụng trong thực tế. Do đó, tùy theo lượng nước bơm vào hoặc xả ra trong 2 xilanh mà tàu có thể lặn xuống hoặc nổi lên. Nguyên lý hoạt động : Cân bằng và thay đổi 2 lực là trọng lực và lực đẩy Acsimet (hay lực nổi) Lực đẩy Acsimet (cố định): P = γ.V Trong đó: γ là trọng lượng riêng của chất lỏngV là phần thể tích của tàu chìm trong nước Trọng lực có thể thay đổi được dựa trên nguyên lý chênh lệch trọng lượng riêng giữa nước và không khí P = Ptàu + Ptđ Trong đó, Ptàu cố định, Ptđ thay đổi nhờ lượng nước hút hoặc xả trong 2 xilanh: Ptđ = γH2O.VH2O + γKK.VKK Muốn tàu nổi lên thì dùng động cơ truyền chuyển động tới xinh lanh qua hệ thống vít me đẩy nước ra khỏi xilanh làm VH2O giảm đi và Vkk tăng lên đồng nghĩa với Ptđ(trọng lực thay đổi sẽ giảm đi) làm cho Ptd >P. Thiết bị điều khiển Có 2 dạng điều khiển chính: Remotely operated Vehicle : có điều khiển bằng dây. Autonomous underwater vehicle : điều khiển bằng truyền sóng tín hiệu. Trong đề tài này, chúng em lựa chọn phương pháp điều khiển bằng truyền sóng tín hiệu, mà cụ thể là truyền tín hiệu thông qua sóng RF, bởi một số ưu điểm sau: Truyền xa với khoảng cách khoảng 30m hoặc có thể lên tới 100m. Truyền xuyên tường, kính… Giới thiệu về điều khiển từ xa bằng tần số vô tuyến (RF) Khái niệm Sóng RF (Radio Frequency) còn gọi là tần số sóng radio. Sóng RF được dùng trong để truyền dữ liệu, là một cầu nối trong không gian để chuyển thông tin đến và đi, là một trong những công nghệ không dây thiết thực đang chiếm một phần quan trọng trực tiếp trong đời sống hiện tại của chúng ta. Nguyên lý hoạt động Mạch phát RF Thường dùng là loại module phát OOK (On/Off keyring) và ASK(Điều bi chuyển các tín hiệu dạng số 1 và 0 thành trạng thái có hoặc không có tín hiệu ở phần mạch thu. Ăngten phát giúp làm tăng khả năng phát xa các tín hiệu ra môi trường được thiết kế hợp lý tương ứng với tần số hoạt đang hoạt động. Mạch thu RF Sử dụng để thu lại các tín hiệu từ mạch phát, biến các trạng thái phát hay không phát thành dạng số 1 hoặc 0. Nguyên tắc khi mạch thu rảnh không nhận dữ liệu từ mạch phát thì mạch vẫn có thể thu các tín hiệu nhiễu môi trường làm cho output của nó có những tín hiệu 1,0 không xác định. Hoặc trong quá trình phát có 1 chuỗi dài bit 1 hoặc 0 liên tục. Để loại bỏ các nhiễu môi trường phía mạch phát cần phát 1 chuỗi tín hiệu liên tục trong khoảng thời gian (tùy vào mạch thu, thường 25ms) trước khi chính thức phát dữ liệu, điều này sẽ đảm bảo mạch thu thu đúng dữ liệu từ phía mạch phát. Đây là bước cần thiết để chỉnh lại độ lợi (Gain) cho bộ thu trước khi hoạt động. Độ nhạy của mạch thu cũng phụ thuộc rất nhiều vào Ăngten. Giới thiệu chung về PT2262 và PT2272 PT2262 và PT2272 là sản phẩm của Princeton Technology được phát triển và ra đời sau dòng mã hóa 12E/D của hãng Holtek. PT2262 có 2 loại chính : loại có 8 địa chỉ mã hóa , 4 địa chỉ dữ liệu và loại có 6 địa chỉ mã hóa và 6 địa chỉ dữ liệu. Thông dụng nhất ở VN là loại 8 địa chỉ mã hóa + 4 địa chỉ dữ liệu PT2272 cũng có 2 kiểu : PT2272 có 8 địa chỉ giải mã và 4 dữ liệu đầu ra Thường được kí hiệu : PT2272 - L4; và một loại nữa là PT2272 có 6 địa chỉ giải mã và 6 giữ liệu ra : kí hiệu PT2272 - L6 . Ở Việt Nam thông dụng nhất là loại L4 Hệ thống cảm biến Cảm biến nhiệt độ LM_35 Giới thiệu chung LM35 là cảm biến nhiệt độ có độ chính xác cao và điện áp đầu ra tuyến tính tỷ lệ thuận với nhiệt độ (°C). LM35 do đó có lợi thế hơn các cảm biến nhiệt độ tuyến tính được hiệu chỉnh trong độ Kelvin, người sử dụng là không bắt buộc phải trừ đi một điện áp lớn liên tục từ đầu ra của nó để có được nhân rộng. LM35 không đòi hỏi bất kỳ hiệu chỉnh bên ngoài để cung cấp độ chính xác điển hình của ± ¼ ° C ở nhiệt độ phòng và ± ¾ ° C trên toàn dải đo từ -55 đến 150 °C. Trở kháng đầu ra của LM35 thấp, đầu ra tuyến tính, và hiệu chuẩn vốn có chính xác làm cho giao tiếp với mạch đặc biệt là dễ dàng đọc ra hoặc kiểm soát. Nó có thể được sử dụng với nguồn cung cấp năng lượng duy nhất, hoặc với nguồn thêm. Dòng hoạt động nhỏ chỉ khoảng 60 μA. Nhiệt đọ tự sưởi thấp ít hơn 0,1°C trong không khí tĩnh. Thông số kỹ thuật Hiệu chỉnh trực tiếp °C Độ nhạy 10,0 mV / °C Dải đo đầy đủ -55 đến 150 °C Điện áp hoạt động từ 4 đến 30 volt Độ phi tuyến < ± ¼ °C ở dải đo 0-100 °C Cách sử dụng Có 2 cách sử dụng LM_35 là: Cách 1: Đầu ra nối trục tiếp với bộ biến đổi ADC đây là phương pháp sử dụng cơ bản, tuy nhiên dải đo trong trường hợp này nhỏ chỉ từ 2- 150 °C. Cách 2: Đầu ra của cảm biến được mắc với nguồn –Vs thông qua 1 điện trở giá trị của điện trở này được tính thông qua nguồn –Vs bằng công thức. R=-VS50 Ưu điểm của cách sử dụng thứ 2 là tận dụng tối đa dải đo của LM35 là từ -55 tới 150 °C. Tuy nhiên nếu sử dụng phương pháp này thì làm giảm độ chính xác của cảm biến. Cảm biến siêu âm SRF_05 Giới thiệu chung SRF05 là một bước phát triển từ SRF04, được thiết kế để làm tăng tính linh hoạt, tăng pham vi, ngoài ra còn giảm bớt chi phí. SRF05 là hoàn toàn tương thích với SRF04. Khoảng cách là tăng từ 3 mét đến 4 mét.  Một chế độ hoạt động mới, SRF05 cho phép sử dụng một chân duy nhất cho cả kích hoạt và phản hồi, do đó tiết kiệm có giá trị trên chân điều khiển của bạn.  Khi chân chế độ không kết nối, SRF05 các hoạt động riêng biệt chân kích hoạt và và chân hồi tiếp, như SRF04. SRF05 bao gồm một thời gian trễ trước khi xung phản hồi để mang lại điều khiển chậm hơn chẳng hạn như bộ điều khiển thời gian cơ bản Stamps và Picaxe để thực hiện các xung lệnh. Sơ đồ chân của cảm biến. Các chế độ hoạt động Chế độ 1: Tương ứng SRF04 là tách biệt giữa tín hiệu kích hoạt và phản hồi. Chế độ náy sử dụng riêng biệt chân kích hoạt và chân phản hồi, và là chế độ đơn giản nhất để sử dụng. Tất cả các chương trình điển hình cho SRF04 sẽ làm việc cho SRF05 ở chế độ này. Để sử dụng chế độ này ta phải sử dụng tới 2 chân điều khiển. Từ giản đồ trên ta nhận thấy:Để cho SF05 hoạt động thì cần cấp 1 xung mức cao có độ rộng>=10uS trên chân Trigger. Sau khi nhận được xung từ chân Trigger thì SRF05 sẽ tạo ra 8 xung để phát siêu âm, sau khi hoàn thành việc phát 8 xung này thì SRF05 sẽ kéo chân echo lên mức 1, độ rộng của mức 1 trên chân echo tương ứng với khoản cách của vật cản với SRF05, nếu ko có vật cản thì nó sẽ được trả về mức 0 sau 30ms ( ở đây nhiều người thường hiểu sai là khi có vật cản thì SRF05 mới trả về 1 xung mức cao có độ rộng từ 100uS ->30mS tương ứng với khoảng cách). Đặc biệt là SRF05 chỉ có thể nhận xung trên chân Trigger tối đa là 20Hz, cho nên việc kích xung trên chân Trigger phải phù hợp thì SRF05 mới hoạt động chính xác Chế độ 2: Dùng một chân cho cả kích hoạt và phản hồi.Chế độ này sử dụng một chân duy nhất cho cả tín hiệu kích hoạt và hồi tiếp, và được thiết kế để lưu các giá trị trên chân lên bộ điều khiển nhúng. Để sử dụng chế độ này, chân chế độ kết nối vào chân mát. Tín hiệu hồi tiếp sẽ xuất hiện trên cùng một chân với tín hiệu kích hoạt. SRF05 sẽ không tăng dòng phản hồi cho đến 700uS sau khi kết thúc các tín hiệu kích hoạt.  Bạn đã có thời gian để kích hoạt pin xoay quanh và làm cho nó trở thành một đầu vào và để có pulse đo mã của bạn đã sẵn sàng. Lệnh PULSIN được tìm ra và được dùng phổ biến hiện nay để điều khiển tự động.  Để sử dụng chế độ 2 với các Stamps BS2 cơ bản, bạn chỉ cần sử dụng PULSOUT và PULSIN trên cùng một chân, như thế này:  SRF05  PIN 15 sử dụng pin cho cả hai và kích hoạt echo  Range  VAR Word xác định phạm vi biến 16 bit SRF05 = 0 bắt đầu bằng pin thấp  PULSOUT SRF05, 5 đưa ra kích hoạt pulse 10uS (5 x 2uS)  PULSIN SRF05, 1,  Range echo đo thời gian  Range = Range/29 để chuyển đổi sang cm(chia 74 cho inch). Tính toán khoảng cách Giản đồ định thời SRF05 thể hiện trên đây cho mỗi chế độ. Bạn chỉ cần cung cấp một đoạn xung ngắn 10us kích hoạt đầu vào để bắt đầu đo khoảng cách. Các SRF05 sẽ gửi cho ra một chu kỳ 8 xung của siêu âm ở tần số 40khz và tăng cao dòng phản hồi của nó (hoặc kích hoạt chế độ dòng 2). Sau đó chờ phản hồi, và ngay sau khi phát hiện nó giảm các dòng phản hồi lại. Dòng phản hồi là một xung có chiều rộng là tỷ lệ với khoảng cách đến đối tượng. Bằng cách đo xung, ta hoàn toàn có thể để tính toán khoảng cách theo inch / centimét hoặc bất cứ điều gì khác. Nếu không phát hiện gì cả SRF05 giảm thấp hơn dòng phản hồi của nó sau khoảng 30ms. SRF04 cung cấp một xung phản hồi tỷ lệ với khoang cách.  Nếu độ rộng của pulse được đo trong hệ uS, sau đó chia cho 58 sẽ cho khoảng cách theo cm, hoặc chia cho 148 sẽ cho khoảng cách theo inch.  us/58 = cm hay uS/148 = inch. SRF05 có thể được kích hoạt nhanh chóng với mọi 50mS, hoặc 20 lần mỗi giây. Bạn nên chờ 50ms trước khi kích hoạt kế tiếp, ngay cả khi SRF05 phát hiện một đối tượng gần và xung phản hồi ngắn hơn.  Điều này là để đảm bảo các siêu âm "beep" đã phai mờ và sẽ không gây ra sai phản hồi ở lần đo kế tiếp. Hoạt động phát và nhận phản hồi sóng âm cơ bản của SRF05 Nguyên tắc cơ bản của sonar: là tạo ra một xung âm thanh điện tử và sau đó lắng nghe tiếng vọng tạo ra khi các làn sóng âm thanh số truy cập một đối tượng và được phản xạ trở lại. Để tính thời gian cho phản hồi trở về, một ước tính chính xác có thể được làm bằng khoảng cách tới đối tượng. Xung âm thanh tạo ra bởi SRF05 là siêu âm, nghĩa là nó là ở trên phạm vi nhận xét của con người. Trong khi tần số thấp hơn có thể được sử dụng trong các loại ứng dụng, tần số cao hơn thực hiện tốt hơn cho phạm vi ngắn, nhu cầu độ chính xác cao. Phạm vi hoạt động: Một kỹ thuật phổ biến để làm giảm các điểm mù và đạt được phát hiện chiều rộng lớn hơn ở cự ly gần là thêm một cải tiến bằng cách thêm một đơn vị SRF05 bổ sung và gắn kết của hai đơn vị hướng về phía trước. Thiết lập như vậy thì có một khu vực mà hai khu vực phát hiện chồng chéo lên nhau. Cảm biến gia tốc MMA7455L Giới thiệu chung Ngõ ra Digital (I2C/SPI) – 10 bit ở Mode 8g (g là gia tốc trọng trường). Kích thước: 3mm x 5mm x 1mm, đóng gói 14 chân LGA. Dòng tiêu thụ thấp 400µA . Chức năng Self Test trục Z. Điện áp vận hành thấp 2.4V – 3.6V. Sử dụng các thanh ghi User Assigned để chỉnh Offset. Lập trình giá trị ngưỡng cho phép ngắt. Phát hiện chuyển động: Shock, dao động, rơi. Phát hiện xung: xung đơn và xung kép. Độ nhạy: 64 LSB/g @ 2g và @ 8g ở 10;Bit Mode. Có thể chọn tầm đo (±2g, ±4g, ±8g). Chịu shock tới 10000g. Mô tả các chân 1: DVdd_IO, cấp nguồn digital cho các chân I/O. 2: GND, nối ground. 3: NC, không dùng, để hở hoặc nối đất. 4:IADDR0, Bit 0 của địa chỉ I2C. 5: GND, nối đất. 6: AVdd, nguồn Analog. 7: CS, Chip Select, chọn kiểu truyền thông: mức 0 cho SPI, mức 1 cho I2C. 8: INT1/DRDY, ngắt 1 và báo Data Ready. 9: INT2, Ngắt 2. 10: NC, không dùng, để hở hoặc nối đất. 11: Reserved, dự trữ, nối đất. 12: SDO, dữ liệu ra trong truyền thông nối tiếp kiểu SPI. 13: SDA/SDI/SDO, dữ liệu truyền thông nối tiếp kiểu I2C (SDA) / dữ liệu vào của truyền thông SPI (SDI) / dữ liệu ra của truyền thông nối tiếp kiểu 3;wire. 14: SCL/SPC, xung clock của truyền thông nối tiếp I2C (SCL) hay SPI (SPC). Sơ đồ khối Thông số hoạt động. Bảng 1.1: Các giá trị tối đa cho phép Nguồn Analog: AVDD 2.4 V ; 3.6 V (tiêu chuẩn 2.8V) Nguồn digital: DVDD_IO 1.71 V – AVDD (tiêu chuẩn 1.8 V) Dòng tiêu thụ: IDD khoảng 400μA, tối đa 490μA. Ở chế độ Stand by IDD khoảng 10μA. Tầm đo gia tốc trên cả 3 trục X, Y, Z: Nhiệt độ làm việc: ;40 – 80 °C Điện áp ngõ vào mức cao: 0.7 x VDD, mức thấp: 0.35 x VDD Nguyên lý hoạt động MMA7455 là một cảm biến vi cơ bề mặt thuộc loại điện dung. Dưới tác dụng của gia tốc, khoảng cách giữa các vách ngăn thay đổi, sự thay đổi này dẫn đến sự thay đổi giá trị điện dung theo công thức quen thuộc: C = AεD Với A là diện tích các miếng ngăn, Aε là hằng số điện môi, D là khoảng cách giữa các tấm. Giá trị điện áp ngõ ra tỉ lệ với gia tốc đo được. Từ giá trị gia tốc, ta có thể tích phân đơn để có giá trị vận tốc hay tích phân 2 lớp để xác định vị trí của vật thể. Gia tốc tĩnh do lực hấp dẫn có thể được dùng để xác định góc và độ nghiêng. Từ đây ta có giải thuật xác định góc nghiêng Tilt: Với S là độ nhạy. Cảm biến quang điện PRL30-15DN2. 2.3.4.1. Giới thiệu chung. Cảm biến quang điện sử dụng tia sáng để phát hiện sự hiện diện hoặc vắng mặt của đối tượng. Công nghệ này là một ý tưởng khác với Cảm biến tiệm cận cảm ứng khi mà đòi hỏi khoảng cách phát hiện dài hơn hoặc khi vật để cảm biến không phải là kim loại. Autonics có 4 kiểu thông dụng thuộc dòng sản phẩm Cảm biến quang điện được thiết kế với kỹ thuật tiên tiến kết hợp với công nghệ điện tử & quang học, được lựa chọn rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp do các chức năng của nó, chất lượng, ứng dụng linh hoạt và đáng tin cậy trong khi vẫn còn sự cạnh tranh mạnh mẽ về giá cả thuộc về toàn bộ ngành công nghiệp. 2.3.4.2. Thông số kĩ thuật. Trong đồ án này nhóm bọn e sử dụng cảm biến BPS300-DDT của hãng Autonics với thông số kĩ thuật cơ bản sau. Nguồn hoạt động 12->24VDC. Khoảng cách nhận biết là 300 mm. Dạng đầu ra là NPN hoặc PNP. Giao tiếp máy tính Có nhiều chuẩn giao tiếp giữa máy tính và thiết bị ngoại vi bên ngoài như chuẩn giao tiếp nối tiếp (RS 232, RS 485, USB), chuẩn giao tiếp song song (cổng LPT). Trong đề tài này sử dụng chuẩn giao tiếp RS232 để hiển thị giá trị của 2 bộ cảm biến (cảm biến nhiệt độ và cảm biến siêu âm) lên máy tính thong qua phần mềm Visual Basic. Chuẩn giao tiếp RS232 khá phổ biến và thuận tiện cho việc nghiên cứu. Việc truyền dữ liệu qua cổng COM được tiến hành theo cách nối tiếp nghĩa là dữ liệu được truyền đi nối tiếp nhau trên một đường dẫn.Loại truyền này có khả năng dùng cho các ứng dụng có yêu câu truyền ở khoảng cách lớn Cổng Com có tổng cộng 8 đường dẫn,chưa kể nối đất.Việc truyền dữ liệu xảy ra trên 2 đường dẫn.Qua chân cắm ra TXD máy tính gởi dữ liệu của nó đến KIT vi điều khiển .Trong khi đó các dữ liệu mà máy tính nhân được lại được dẫn đến chân RXD các tín hiệu khác đóng vai trò tín hiệu hỗ trợ khi trao đổi thông tin, và vì thế không phải trong mọi trường hợp ứng dụng đều dùng hết. Các vi điều khiển có các chân truyền nhận tín hiệu ở mức TTL,không phù hợp với chuẩn RS232,do vậy muốn kết nối với máy tính phải qua mạch chuyển đổi điện áp từ mức điện áp RS232 sang TTL và ngược lại. Chuẩn RS232: Mức thấp(logic 0) có trị số từ +3V đến +25V Mức cao(logic 1)có trị số từ -3V đến -25V Miền giữa -3V đến +3V không hợp lệ Chuẩn TTL: Ngõ vào: Mức thấp(logic 0) có trị số từ +0V đến +0.8V Mức cao(logic 1)có trị số từ +2V đến +5V Miền giữa +0.8V đến +2V không hợp lệ Ngõ ra Mức thấp(logic 0) có trị số từ +0V đến +0.5V Mức cao(logic 1)có trị số từ +2.7V đến +5V Chương III. XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG 3.1. Mô hình cơ khí của hệ thống. Phần thiết kế cơ khí nhóm đã thiết kế và nghiên cứu trên phần mềm proengineer . đây ;à một phần cũng khá quan trọng vì nó sẽ là tiền đề cho mọi phần khác như là để tạo ra mô hình cho tàu ngầm, thiết kế lắp đặt mạch điện tử, lắp đặt tính toán hệ thống thủy lực, hệ thống điện, cảm biến… có thể nói phần cơ khí là tiền đề của hệ thống. Hệ thống gồm 6 động cơ bao gồm 1 động cơ chính dùng để quay cánh quạt tạo chuyển động cho tàu, một động cơ dùng để điều khiển bánh lái để định hướng tàu trong khi chảy, hai động cơ điều khiển hệ thống thủy lực dùng để tạo ra áp lực bên trong tàu để điều khiển tàu lặn hoặc nổi . một động cơ điều khiển camera và hai động cơ hai bên cánh dùng để điều khiển khả năng cân bằng cảu tàu. Phần này được thiết kế dựa vào một phần hình dạng tàu ngầm thực tế và điều kiện hiện tại khi sự dụng, tàu gồm một số phần chính như sau, Phần Vỏ tàu: làm bằng nhôm nguyên chất có độ dày là 3mm, được chia làm 2 nữa là vỏ trên và vỏ dới + gia công: cắt gọt, hàn, log. Tiện CNC (tạo các giá đỡ ổ bi) + kích thước: tàu có chiều dài là 1200mm, đường kính 300mm. Động cơ: sự dụng động cớ đầu ngựa có sẵn trên thị trường Thủy lực: sự dụng 2 bộ nén khí có hành trình là 150mm và đường kính 63mm, khả năng chịu tải là 100kg. và sự dụng hệ thống có sẵn trên thị trường. Cánh quạt: sự dụng hợp kim nhôm Phương pháp gia công: đúc Kích thước: đường kính 150mm Chân vịt: Vật liệu chế tạo: nhôm nguyên chất Phương pháp gia công: cắt và hàn Ngoài ra còn một số bộ phận khác Đai ốc bu lông được chế tạo bằng thép Vòng bị chế tạo bằng thép chuyên dụng, kích thước tiêu chuẩn Trục : làm bằng hợp kim inoc, đường kính 8mm Xây dựng mô hình hệ thống Sau quá trình thiết kế và tham khảo các tài liệu thì mô hình hệ thống đã được xây dựng như hình dới , hệ thống có 6 bậc tự do hình dới vì vậy để điều khiển được 6 bậc tự do này cần sự dụng đến lưu đồ thuật toán điều khiển của hệ thống Hệ thống cấu tạo khá phức tạp nhiều chi tiết và hệ thống kín nên vấn đề bảo hành sữa chữa rất khó khăn Mô hình lắp ghép sơ bộ của tàu Hình 3.1 Mô hình 3D của vỏ dới của tàu Đây là phần vỏ của hệ thông là bộ phận quan trọng nhất của tàu ngầm nó dùng để chống sự xâm nhập của nước và là bộ phận dùng để gá các chi tiết khac lên đó, trên hình trên thì động cơ trục chính được gá trên tấm nhôm của động cơ Hình 3.2 Mô hình 3D của vỏ trên của tàu Đây là vỏ trên của tàu ngầm và có mục đích giống như vỏ dới nhưng ngoài ra vỏ trên dùng để sự dụng camera để quan sát môi trường bên ngoài tàu. Và có một cái nắp lớn dùng để kiểm tra thay đổi hay sữa chữa bảo dưỡng nhưng thiết bị bên trong tàu. Hình 3.3 Mô hình 3D của động cơ Động cơ dùng trong hệ thống là động cơ đầu ngựa với nhiều loại và nhiều thông số khác nhau. Hình 3.3 Mô hình 3D của xi lanh khí Xinh lanh khí được dùng trong đề tài với mục đích là bộ phận chứa nước để cho tàu có thể nổi lên hay lặn xuống. xi lanh có đường kính 63mm và hành trình di chuyển là 150mm nên thể tích chứa nước là 1 lít, trong đề tài nhóm đã sự dụng 2 xi lanh như vậy. Hình 3.4 Mô hình 3D của vòng bi Vòng bi với mã CHC chống nước được dùng trong đề tài để sự dụng cho trục động cơ và bánh lái vì nó có thể chống nước vào tránh họng hóc bên trong. Hình 3.4 Mô hình 3D của trục nối Trục nối được làm bằng hợp kim inoc nên có độ bền cao. Trục được sự dụng để nối trục động cơ với cánh quạt và nối động cơ với bánh lái. 3.2. Mô hình hóa động học. Tính toán động lực học tàu ngầm Nguyên lý hoạt động Nguyên lý hoạt động của tàu ngầm dựa vào 2 định luật cơ bản của vật lý: Định luật ac-si-mét với bất cứ vật nào chìm trong nước đều chịu một lực đẩy, thẳng đứng hướng lên trên và có độ lớn đúng bằng phần chất lỏng mà vật đó đang chiếm chỗ. Fđẩy = ᵧ.vγ là trọng lượng riêng của chất lỏngV là thể tích của vật chiếm chỗ Định luật pascal áp suất mà một bề mặt phải chịu tỷ lệ thuận cùng lực tác dụng lên bề mặt , tỷ lệ nghịch với diện tích bề mặt đó . P=FSP là áp suất F là lực tác dụng lên bề mặt đóS là diện tích của bề mặt chịu áp lực Trong nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển cho phương tiện tàu ngầm, chuyển động của phương diện ngầm có thể chỉ làm 3 hệ thống không tương tác như sau Trạng thái hệ thống vận tốc u(t) . trạng thái hệ thống lái v(t), r(t) và (t) các trạng thái hệ thống lặn w(t), q(t), (t) và z(t) . Trong bài viết này em sẽ trình bày tóm tắt một số vấn đề về chuyển động của phương tiện ngầm trong 6 bậc tự do và trình bày cơ sở lý thuyết điều khiển thiết bị ngầm Động học (dynamics) phương tiện ngầm . chuyển động của phương tiện ngầm trong 6 bậc tự do được mô tả sự dụng hệ tọa độ trong hình sau : Hình 2: Hệ tọa độ cho tàu biển Trong đó hệ tọa độ Xo Yo Zo(O) là hệ tọa độ North-East-Down (NED, gọi là hệ tọa độ n) có trục Z hướng xuống phía dưới. Chúng ta định nghĩa hai véc tơ sau (Fossen 2002): T (1) và V = [u. v. w. p. q. r]T (2) trong đó n. e. d là vị trí trong hệ tọa độ NED, và. . là các góc Euler, u. v. w. p. q. r là 6 vận tốc chuyển động trong hệ tọa độ trên tàuXYZ(G) , gọi là hệ tọa độ b.Theo Fossen và Ross (2006), phương trình chuyển động của phương tiện ngầm liên quan đến việc nghiên cứu theo hai lĩnh vực cơ học: tĩnh học (statics) và động học (dynamics). Tĩnh học liên quan đến các lực gây ra trạng thái cân bằng như lực nổi (buoyance) hoặc trọng lực (gravity), còn động học tập trung vào việc phân tích các lực gây ra chuyển động.Tĩnh học là một ngành khoa học cổ xưa nhất, có từ thời Archimedes (287-212 BC) tìm ra định luật cơ bản của vật nổi thủy tĩnh. Động học là ngành khoa học mới hơn nhiều, vì cần phải đo được thời gian chính xác để làm thí nghiệm động học. Cơ sở khoa học của động học dựa trên các nguyên lý của isaac newton xuất bản vào năm 1687 . Động học có thể được chia thành hai phần: chuyển động học (kinematics) nghiên cứu về các khía cạnh hình học của chuyển động mà chưa xét đến khối lượng (mass) và các lực, còn động lực học (kinetics) là phân tích các lực tác dụng gây ra chuyển động . chuyển động học (kinematics) 6 phương trình chuyển động trong 6 bậc tự do (6DOF) Chuyển động của phương tiện ngầm là chuyện động của vật thể trong không gian ba chiều – 6 bậc tự do. Theo Fossen (1994, 2002) và Fossen và Ross (2006) thì chuyển động của phương tiện ngầm trong 6 bậc tự do được biểu diễn bằng phương trình sau: (3) Trong đó vớiR3 × S3 và v R3. Ma trận quay góc Euler R3×3 được định nghĩa như sau: trong đó s. = sin(.) và c. = cos(.) sử dụng quy ước zyx: () := Rz.Ry.ØRx. Ø hoặc ma trận nghịch đạo thỏa mạn: ()-1 = () = RTx.ØRTy.,  Ma trận biến đổi tư thế góc Euler là: Chú ý rằng  không được định nghĩa cho góc lắc dọc  và . Đối với phương tiện ngầm gần với ma trận kỳ dị (singularity) hai biểu diễn góc Euler có các ma trận kỳ dị có thể được dùng để tránh điểm kỳ dị bằng một phép chuyển đổi đơn giản giữa các biểu diễn này. Một khả năng khác là sử dụng biểu diễn quaternion (bộ bốn), nghĩa là giải bài toán này bằng cách sử dụng phương pháp bốn tham số (Fossen 2002). Theo cách biểu diễn thông thường trong hệ tọa độ không gian ba chiều (theo tọa độ Descarte) trong đó trục x theo hướng bắc (trùng với vị trí theo vĩ độ), trục y hướng theo hướng đông (trùng với vị trí theo kinh độ) và trục z hương xuống dưới (độ sâu), phương trình (3) được viết thành 6 phương trình như sau (trượt dọc n (north), trượt ngang e (east), trượt đứng d (depth, độ sâu), lắc ngang , lắc dọc  và quay trở ): Động lực học (Kinetics) Trong phần này, tôi sẽ trình bày phương trình biểu diễn các lực tác dụng lên tàu (trong hệ tọa độ cố định trên vật thể). Khi xét các lực tác dụng lên phương tiện ngầm chúng ta có thể chia làm hai trường hợp:1. Trường hợp 1 (lý tưởng): không có ngoại lực tác dụng2. Trường hợp 2 (thực tế): có ngoại lực tác dụngĐối với phương tiện ngầm, chúng ta mong muốn biểu diễn chuyển động theo một hệ tọa độ có gốc tọa độ tự chọn trong hệ tọa độ b để tận dụng những đặc tính hình học của phương tiện ngầm. Bởi vì các lực và mô men thủy động học được cho trong hệ tọa độ b, các định luật Newton cũng được công thức hóa trong hệ tọa độ b. Hệ tọa độ b quay đối với hệ tọa độ n, và quan hệ vận tốc giữa tọa độ b và tọa độ n cho trong phương trình (3) (Fossen and Ross 2006). Phương trình chuyển động không có ngoại lực Theo fossen (1994, 2002) , định luật thứ 2 của newton được biểu diễn trong hệ tọa độ cố định trên vật thể (hệ tọa độ b) như sau: MRBv + CRB(v)v = TH + T Trong đó TH = [XH. YH. ZH. KH. MH. NH ]T là vecto các lực và momen thủy động lực học và là các véc tơ đầu vào điều khiển . các ma trận là: Trong đó: và là trọng tâm của trọng lực (CG) đối với gốc hệ tọa độ b , và Là ma trận quán tính xung quanh hệ tọa độ b . động học vật rắn có thể được viết theo các thành phần như sau : Trượt dọc: Trượt ngang: m[-wp+ur-yg(r2+q2)+zg(qr-)+xg(qp+)]=YH+Y Trượt thẳng: Lắc ngang: Lắc dọc : Quay trở: Đối với phương tiện ngầm ở độ sâu lớn các lực mô men thủy động học sẽ do khối lượng và giảm lắc gia tăng còn các lực và mô men thủy tĩnh sẽ do trọng lượng và lực nổi . điều này giả thiết rằng M = MRB + MA, C(v) = CRB(v) + CA, và M = ma trân quán tính hệ thống (gồm cả khối lượng gia tăng) C(v) = ma trận ly tâm coriolis (gồm cả khối lượng gia tăng) D(v) ma trận giảm lắc = véc tơ các lực , mô men trọng lượng và mô men nổi . Đối với các phương tiện ngầm sự dụng các số hạng khối lượng gia tăng tần số zero . các ma trận là Động lực học (Kinetics) Trong phần này, tôi sẽ trình bày phương trình biểu diễn các lực tác dụng lên tàu (trong hệ tọa độ cố định trên vật thể). Khi xét các lực tác dụng lên phương tiện ngầm chúng ta có thể chia làm hai trường hợp:1. Trường hợp 1 (lý tưởng): không có ngoại lực tác dụng2. Trường hợp 2 (thực tế): có ngoại lực tác dụngĐối với phương tiện ngầm, chúng ta mong muốn biểu diễn chuyển động theo một hệ tọa độ có gốc tọa độ tự chọn trong hệ tọa độ b để tận dụng những đặc tính hình học của phương tiện ngầm. Bởi vì các lực và mô men thủy động học được cho trong hệ tọa độ b, các định luật Newton cũng được công thức hóa trong hệ tọa độ b. Hệ tọa độ b quay đối với hệ tọa độ n, và quan hệ vận tốc giữa tọa độ b và tọa độ n cho trong phương trình (3) (Fossen and Ross 2006). Phương trình chuyển động không có ngoại lực Theo fossen (1994, 2002) , định luật thứ 2 của newton được biểu diễn trong hệ tọa độ cố định trên vật thể (hệ tọa độ b) như sau: MRBv + CRB(v)v = TH + T Trong đó TH = [XH. YH. ZH. KH. MH. NH ]T là vecto các lực và momen thủy động lực học và là các véc tơ đầu vào điều khiển các ma trận là: Trong đó: và là trọng tâm của trọng lực (CG) đối với gốc hệ tọa độ b , và Là ma trận quán tính xung quanh hệ tọa độ b . động học vật rắn có thể được viết theo các thành phần như sau : Trượt dọc: Trượt ngang: Trượt thẳng: Lắc ngang: Lắc dọc : Quay trở: Đối với phương tiện ngầm ở độ sâu lớn các lực mô men thủy động học sẽ do khối lượng và giảm lắc gia tăng còn các lực và mô men thủy tĩnh sẽ do trọng lượng và lực nổi . điều này giả thiết rằng Sao cho Trong đó , và M = ma trân quán tính hệ thống (gồm cả khối lượng gia tăng) C(v) = ma trận ly tâm coriolis (gồm cả khối lượng gia tăng) D(v) ma trận giảm lắc = véc tơ các lực , mô men trọng lượng và mô men nổi . Đối với các phương tiện ngầm sự dụng các số hạng khối lượng gia tăng tần số zero. các ma trận là 3.3. Thiết kế mạch điện tử. Thiết kế mạch gồm các modul rời dễ dàng trong việc lắp rắp thay thế khi có sự cố. 3.3.1. Mạch main: là mạch sử lí tín hiệu và điều khiển trung tâm của tàu ngầm bao gồm. Nguồn 5V lấy từ 7805 nuôi bộ chuyển đổi ADC trong vđk sử dụng cho cảm biến nhiệt độ. Nguồn VCC lấy từ LM2576_5V cung cấp nguồn cho VDK và các mo dul rời. Nguồn 12V cấp nguồn cho toàn bộ mạch, cảm biến tiệm cận và camera. Nguồn 3.3V lấy từ LM2576_3.3V cung cấp nguồn cho cảm biến gia tốc. 2 Jắc kết nối với 2 mạch RF thu tín hiệu điều khiển và RF truyền dữ liệu cảm biến. Các Jắc kết nối với cảm biến gia tốc, nhiệt độ, tiệm cận, mạch nạp… Có nút bấm và chân cắm LCD… Jắc kết nối với mạch công suất là Jắc điều khiển PWM và Rơ le. Jắc kết nối với mạch ghép nối máy tính. 3.3.1.1. Sơ đồ nguyên lí của mạch main. 3.3.1.2. Sơ đồ mạch in của mạch main. 3.3.1.3. Những linh kiện chính trong mạch. 3.3.1.3.1. Chíp Atmega64. Đây là một sản phẩm của hãng atmel. 3.3.1.3.1.1. Sơ đồ khối. 3.3.1.3.1.2. Những Tính Năng Chính Của ATmega64: ™ ROM : 64 Kbytes ™ SRAM: 4Kbytes ™ EEPROM : 2Kbytes ™ 64 thanh ghi I/O ™ 160 thanh ghi vào ra mở rộng ™ 32 thanh ghi đa mục đích. ™ 2 bộ định thời 8 bit (0,2). ™ 2 bộ định thời 16 bit (1,3). ™ Bộ định thời watchdog ™ Bộ dao động nội RC tần số 1 MHz, 2 MHz, 4 MHz, 8 MHz ™ ADC 8 kênh với độ phân giải 10 bit (Ở dòng Xmega lên tới 12 bit ) ™ 2 kênh PWM 8 bit ™ 6 kênh PWM có thể lập trình thay đổi độ phân giải từ 2 tới 16 bit ™ Bộ so sánh tương tự có thể lựa chọn ngõ vào ™ Hai khối USART lập trình được ™ Khối truyền nhận nối tiếp SPI ™ Khối giao tiếp nối tiếp 2 dây TWI ™ Hỗ trợ boot loader ™ 6 chế độ tiết kiệm năng lượng ™ Lựa chọn tần số hoạt động bằng phần mềm ™ Đóng gói 64 chân kiểu TQFP. ™ Tần số tối đa 16MHz ™ Điện thế : 4.5v - 5.5v 3.3.1.3.2. LM 2576. 3.3.1.3.2.1. Sơ đồ nguyên lí. 3.3.1.3.2.2. Thông số kĩ thuật. Dòng ra lớn hơn 3A. Điện áp ra có các loại như 3.3V, 5V, 12V, 15V. Điện áp đầu vào có thể lên tới 40V. Nguồn ra dạng xung. 3.3.1.3.3. LM7805. 3.3.1.3.3.1. Thông số cơ bản. Dòng ra 1A. Điện áp đầu vào 5 – 35 V. Điện áp ra 5V. Sơ đồ đấu nối được nhà sản suất khuyên dùng. 3.3.1.4. Sơ đồ khối mạch main. 3.3.2. Mạch công suất có chức năng điều khiển 7 động cơ.Mạch có khả năng chịu dòng cao lên tới 7A. Sử dụng mạch kích Fet_Rơle tốc độ đóng mở băm xung trung bình nhưng ổn định, có chức năng điều khiển 7 động cơ 1 động cơ chính truyền chuyển động chính cho tàu thông qua cách quạt. 1 động cơ bánh lái điều khiển hướng cho tàu ngầm thong qua bánh lái. 2 động cơ gắn với vít me dùng để hút (đẩy) nước vào 2 xilanh tạo chuyển động lên xuống cho tàu ngầm. 1 động cơ diều khiển camera. 2 động cơ gắn cánh quạt ở 2 cách tạo sự cân bằng cho tàu. 3.3.2.1. Sơ đồ mạch nguyên lí. 3.3.2.2. Sơ đồ mạch in. 3.3.2.3. Linh kiện chính sử dụng trong mạch. 3.3.2.3.1. ULN2803. Chức năng chính là khuyếch đại và ổn định tín hiệu điều khiển. 3.3.2.3.1.1. Sơ đồ nguyên lí. 3.3.2.3.1.2. Thông số kĩ thuật cơ bản. Trở kháng vào 2.7K. Dòng ra cơ bản 500 mA. Điện áp vào -0.5 to 30 V. Dòng vào cơ bản 25mA. Công suất tiêu thụ điện 1.47 W. 3.3.2.3.2. TLP521. Chức năng chính là cách li giữ tín hiệu của mạch main và mạch công suất. 3.3.2.3.2.1. Cấu tạo. 3.3.2.3.2.1. Thông số kĩ thuật cơ bản. Tốc độ đóng mở dòng 1Mhz. VCE= 5- 24 V. IF =5-10 mA. 3.3.2.3.3. IRF540. Chức năng đóng mở tạo xung điều khiển PWM. Thông số kĩ thuật cơ bản. Điện trở nội RDS =44 Tần số đóng mở 1Mhz. VDSS Có thể lên tới 100V. 3.3.2.3.4. Rơle. Chức năng đảo chiều động cơ. Chịu dòng lên tới 10A Điện áp hoạt động 12-24V. Mạch thu-phát sóng RF Nhiệm vụ: là mạch truyền tín hiệu bao gồm: tín hiệu từ 2 bộ cảm biến siêu âm và nhiệt độ, tín hiệu điều khiển từ tay cầm. Mạch phát sử dụng PT2262 Sơ đồ khối: Cách mã hóa: Cách mã hóa PT2262 có thể làm được bằng cách nối ngắn mạch các chân A0-A7 lên dương nguồn (mã hóa +) và xuống âm nguồn (mã hóa -) hoặc có thể bỏ trống (mã hóa 0). Dữ liệu + mã hóa được truyền trên một khung 12 bit gồm 8 bit đầu là mã hóa (A0-->A7 ) và 4 bit dữ liệu . Bởi vậy ta có thể truyền được song song 4 bit dữ liệu 0 hoặc 1. Nếu để truyền dữ liệu thì nên để mặc định cho 4 chân dữ liệu này là 0 hoặc là 1 bằng cách nối thêm điện trở kéo lên VCC hoặc đưa xuống GND) để tránh nhiễu. PT2262 dùng dao động ngoài bằng cánh lắp thêm điên trở ngoài. Tần số sóng mang dao động: f = Rphát/12. Tín hiệu ra ở chân 17 gồm: sóng mang dao động (< 700KHz) + địa chỉ mã hóa + dữ liệu. Mạch thu sử dụng PT2272 Sơ đồ khối Cách giải mã: Các chân mã hóa của PT2262 (A0-A7 ) nối thế nào thì các chân giải mã của PT2272 cũng phải nối tương tự như vậy. Chân 15 và 16 của PT2272 cũng cần một điện trở để làm dao động giải mã. Rthu = (Giá trị R của PT2262):10. Chân 17 của PT2272 sẽ lên mức 1 khi nhận được dữ liệu đúng. Các chân 10 đến 13 sẽ nhận data và thể hiện mức logic tương ứng khi nhận. 4 chân dữ liệu có thể truyền song song, nối tiếp rất độc lập. Thiết kế mạch thu-phát trên Orcad Sơ đồ mạch phát sử dụng PT2262 Sơ đồ mạch thu sử dụng PT2272 Mạch main điều khiển trên cạn Nhiệm vụ: là mạch xử lý các tín hiệu điều khiển từ tay cầm, nhận tín hiệu cảm biến thông qua bộ thu và kết hợp với mạch giao tiếp máy tính. Sơ đồ khối mạch thu tín hiệu cảm biến. Sơ đồ khối phát tín hiệu điều khiển. Nguyên lý hoạt động: Bên thu:Tín hiệu ASK thu được ở module thu sẽ được giải điều chế để cho ra dạng xung nối tiếp. Sau đó tín hiệu nối tiếp qua bộ sửa để khôi phục dạng xung vuông . Khi đã đạt được dạng sóng như bên phát, tín hiệu này sẽ được đưa qua bộ giải mã IC PT227 . PT2272 sau khi kiểm tra đúng địa chỉ sẽ thực hiện giải mã để xuất ra tín hiệu song song 4 bit. Vi điều khiển Atmega16L sẽ đọc vào 2 lần tín hiệu 4 bit để ghép thành 1 byte sau đó thực hiện xử lý và hiển thị . Bên phát: Tín hiệu tương tự lấy từcac nút nhấn sẽ được chuyển đổi sang tín hiệu số nhờ bộ ADC tích hợp sẵn trên AVR. Tín hiệu ngõ ra bộ mã hoá lúc này là tín hiệu số dạng nối tiếp sẽ được đưa vào module phát. Tại đây tín hiệu số được điều chế ASK và được bức xạ ra Anten phát đi. Sơ đồ mạch điều khiển: Sơ đồ mạch tay cầm: Sơ đồ khối hệ thống Sơ đồ khối hệ thống điều khiển bên trong tàu. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển trên cạn. Lưu đồ thuật toán điều khiển. 3.4.1. Lưu đồ thuật toán cảm biến nhiệt đô hiển thị lên LCD và lưu vào EEROM. 3.4.2. Lưu đò thuật toán mạch RF. Lưu đồ thuật toán ghép nối và hiển thị trên máy tính. 3.4.4. Lưu đồ thuật toán mạch cảm biến siêu âm hiển thị LCD và lưu vào EEROM 3.4.5. Lưu đồ thuật toán điều khiển động cơ. 3.4.6. Lưu đồ thuật toán cảm biến gia tốc hiển thị góc nghiêng lên LCD. 3.4.6.1. Lưu đồ chỉnh không cho cảm biến gia tốc. 3.4.6.2. Lưu đồ thuật toán cảm biến gia tốc hiển thị góc nghiêng lên LCD.