Su Kien 2016

Ứng dụng phần mềm Ansys Fluent để xây dựng bộ thông số điều khiển rôbốt lặn

Thứ sáu - 16/12/2016 00:07
Robot lặn và các phương tiện lặn khác đã được phát triển và sử dụng rộng rãi trên thế giới trong cả lĩnh vưc dân sự và quân sự. Trong dân sự, chúng được sử dụng để nghiên cứu và thăm dò đáy biển, nghiên cứu đại dương, trong công nghiệp khai thác dầu khí và khoáng sản trên thềm lục địa, vào mục đích du lịch…
1. Tổng quan về rôbốt lặn
Robot lặn là một loại phương tiện thủy có khả năng hoạt động độc lập dưới nước. Thuật ngữ robot lặn có thể dùng để chỉ một loại tàu có kích thước trung bình hay nhỏ như các phương tiện lặn điều khiển từ xa hay. Theo phương án điều khiển mà ta có thể chia ra làm ba loại: Tàu ngầm có điều khiển (Submarine), Phương tiện lặn tự động điều khiển(AUV– Autonomous Underwater Vehicle) và phương  tiện ặn điều khiển từ tàu mẹ (ROV – Remotely Operation Vehicle).
Nguyên lý hoạt động của robot được chia thành 02 loại: một loại hoạt động theo nguyên lý của định luật Acsimes; và một loại hoạt động theo nguyên lý thủy động lực học của một vật chuyển động trong dòng chất lỏng (giống máy bay). Tuy nhiên, do giới hạn về thời gian và định hướng của đề tài nghiên cứu nên chỉ đề cập tới loại robot hoạt động theo nguyên lý của định luật Acsimes, đó là 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.
2. Các vấn đề kỹ thuật trong nghiên cứu robot lặn
Tuyến hình: liên quan đến đặc tính thủy động lực học, tính ổn định khi vận hành, sức bền, …
Vật liệu và biện pháp công nghệ: liên quan đến sức bền, kết cấu, điều kiện vận hành và làm việc, giới hạn giá thành đầu tư.
Nguồn động lực: liên quan đến chi phí năng lượng, thiết bị động lực đẩy, độ an toàn chung và an toàn khi vận hành, thời gian làm việc dưới nước, cấp thoát khí.
Dưỡng khí và điều hòa áp suất: tàu lặn càng sâu và thời gian vận hành càng dài thì vấn đề này càng cần quan tâm liên quan đến an toàn của thủy thủ đoàn.
Hệ thống lái: phối hợp với nguồn động lực và thiết bị đẩy với hệ thống điều khiển lái và lặn – nổi. Có thể điều khiển trực tiếp hoặc theo chương trình. Vận hành lái phụ thuộc vào đặc tính ổn định của tàu và đặc tính vận hành của thiết bị động lực đẩy.
Hệ thống  thoát hiểm khẩn cấp: biện pháp an toàn khi sự cố và phương thức thoát hiểm.
Hệ thống thông tin liên lạc và định vị: về kỹ thuật SONAR sóng ngắn và dài, phối hợp định vị GPS, liên lạc tàu mẹ - con, thiết bị súng bắn phao
3. Đề xuất nguyên lý hoạt động của robot lặn.

Hình 1. Mô hình robot lặn

1: két dằn
2: khối đặc ổn định có thể tự động tách ra khỏi robot lặn trong trường hợp khẩn cấp
3: khoang chịu áp lực
4: động cơ
5: trục chân vịt
6: cánh lái đuổi
7: cánh lái mũi
8: ống đạo lưu
Ở trạng thái nổi trung tính, một vấn đề  quan trọng là duy trì cho robot nằm ngang. Để thực hiện việc này, robot được trang bị hai két dằn điều khiển đặt ở phần đầu và đuôi robot. Két dằn điều khiển cân bằng từ mũi đến lái (đuôi robot đến đầu robot) đều được kết nối với nhau bởi một đường ống để nước có thể được bơm từ bên này sang bên kia để đạt được góc nghiêng cho robot.
Để cho robot có thể thay đổi góc tấn ta có thể điều khiển cánh lái mũi để thay đổi góc tấn của của robot lặn. Khi đang chuyển động thẳng, robot muốn quay trở thì dùng cánh lái đuôi để điều khiển tính quay trở của robot lặn.

4. Tính toán động lực học rôbốt lặn

Việc thiết lập phương trình động lực học cho một vật rắn chuyển động có thể sử dụng các công cụ như sau: định lý động lượng, định lý momen động lượng, định lý động năng, phương trình Lagrange 2,… để thiết lập phương trình vi phân chuyển động cho robot lặn.
Hình 2. Miền không gian tính toán
a.Chia lưới
Với mô hình bài toán 3D này lưới được sử dụng là lưới tứ diện, lưới chia không cấu trúc, cỡ lưới nhỏ nhất 0,00146 m, cỡ lưới lớn nhất 0,292m. Kết quả mô hình sau khi chia lưới: 
Toàn bộ mô hình sau khi chia lưới bao gồm 1185333 phần tử lưới tứ diện trong đó có 212959 nút lưới. Lưới được chia mịn ở phần biên dạng tàu, thô dần ra ngoài.
Việc chia lưới tập trung độ mịn ở vùng bao sát bề mặt vật thể. Lưới ở vùng chất lỏng bao còn lại là dạng khối tứ diện kích thước lớn hơn để tiết kiệm thời gian tính toán.
b.Điều kiện biên
 Với dải vận tốc phổ biến của robot lặn là nhỏ hơn 6 hải lý/h, các mô hình robot lặn được khảo sát đánh giá về lực cản và đặc điểm dòng chảy tại các điều kiện vận tốc khác nhau V = 1 – 3 m/s. Về áp suất, ta coi áp suất môi trường xung quanh vật thể ở cùng 1 độ ngập sâu là như nhau, nói cách khác, coi áp suất dư ban đầu là bằng 0.
c.Kết quả mô phỏng.
Hình 3. Phân bố áp suất tĩnh trên mô hình  tại các vận tốc khác nhau khi robot di chuyển ở giữa và sát đáy.
Hình 4. Phân bố vận tốc
Đồ thị giữa lực cản và vận tốc tại các vị trí khác nhau.
Hình 5. Robot chuyển động sát đáy với góc tới α=0 độ
Hình 6. robot chuyển động giữa môi trường khảo sát với góc tới α=0 độ
Hình 7. Robot chuyển động gần mặt thoáng môi trường khảo sát góc tới α=00
5. Kết luận:
  • Công cụ mô phỏng số CFD (Computation Fluid Dynamics) có vai trò quan trọng trong việc quan sát và dự đoán các hiện tượng khí động lực học phát sinh khi chạy tàu. Giúp chúng ta có thể đánh giá được các tác động lên thân tàu mà thực nghiệm khó quan sát được.
  • Kết quả mô phỏng CFD (Computation Fluid Dynamics) ở các chế độ hoạt động của robot lặn như phân bố vận tốc, áp suất, lực nâng, lực cản, mômen… là cơ sở để xác định một vài thông số để lựa chọn phương án đặt góc lái và điều khiển robot lặn.
  • Kết quả nghiên cứu của nhóm tác giả giảng viên khoa Cơ khí – Trường đại học Sao Đỏ có thể làm cơ sở tính toán, điều khiển rô bốt lặn ứng dụng trong các lĩnh vực: nông nghiệp, khai thác thủy sản, giám sát công trình biển…

Tác giả bài viết: Tạ Hồng Phong - Nguyễn Văn Cường

Tổng số điểm của bài viết là: 5 trong 1 đánh giá

Xếp hạng: 5 - 1 phiếu bầu
Click để đánh giá bài viết

Những tin mới hơn

Những tin cũ hơn

Bạn đã không sử dụng Site, Bấm vào đây để duy trì trạng thái đăng nhập. Thời gian chờ: 60 giây