Phân tích và thiết kế robot lặn không người lái

TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI SỐ 27+28 – 05/2018 
219 
PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ ROBOT LẶN KHÔNG NGƯỜI LÁI 
STUDY ON ANALYSIS AND DESIGN OF AN AUTONOMOUS 
UNDERWATER VEHICLE (AUV) 
Trần Ngọc Huy1, Đinh Quang Vinh2 
1Trường ĐH Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh, tnhuy@hcmut.edu.vn 
2Phòng TN Trọng điểm DCSELAB - ĐH Bách Khoa, tnhuy@hcmut.edu.vn 
Tóm tắt: Bài báo giới thiệu về thiết bị lặn không người lái (AUV) sử dụng cơ cấu lặn nổi tích hợp 
xylanh và đối trọng, được xây dựng theo từng module riêng từ thiết kế cơ khí, hệ thống điện cho đến 
xây dựng giải thuật điều khiển cho thiết bị để đảm bảo thiết bị hoạt động liên tục một thời gian dài ở 
độ sâu 20 mét nước. Nội dung chính sẽ trình bày tính toán biên dạng vỏ tàu; lựa chọn vật liệu vỏ; tính 
toán và mô phỏng ứng suất, biến dạng trên vỏ tàu và các nắp đậy chống thắm bằng phương pháp 
phân tích phần tử hữu hạn với module tích hợp trong phần mềm Solidworks; phân tích và lựa chọn 
phương án bố trí xy lanh - đối trọng. Ngoài ra, việc thiết kế hệ thống điều khiển cho robot cũng được 
đề cập và làm rõ thông qua lựa chọn thiết bị cảm biến, cơ cấu chấp hành và thiết kế phần cứng để 
đảm bảo khả năng hoạt động ổn định cho robot lặn. 
Từ khóa: AUV, structure of diving/ floating, waterproof, thruster. 
Chỉ số phân loại: 2.5 
Abstract: This paper presents the design of the autonomous underwater vehicle (AUV) with a 
built-in cylinder for floatation and counterbalance. The modular structure including mechanical 
design, eletronic system and control algorithm ensures countinous operation for the vehicle at a depth 
of 20 meters underwater. The main content will focus on calculating ship hull profile and material 
selection; computing and simulating stress and distortion on ship hull and waterproof covering using 
finite element method with integrated modules in Solidworks; analyzing and planning cylinder and 
counterbalance arrangements. In addition, the design for control system is also mentioned and 
clarified by the selection of sensors and actuators as well as hardware layout to guarantee stable 
operation for AUV. 
Keywords: AUV, cơ cấu lặn/nổi, chống thấm, thiết bị đẩy. 
Classification number: 2.5 
1. Giới thiệu 
Ngày nay, cùng với sự phát triển như vũ 
bão của nhân loại, khoa học công nghệ ngày 
một hiện đại, con người dần khám phá và 
chinh phục những bí ẩn của tự nhiên. Tuy 
nhiên, đại dương vẫn còn là một bí ẩn cách 
xa tầm tay và sự hiểu biết của con người. 
Việc nghiên cứu về biển, giải mã những bí ẩn 
sâu trong lòng đại dương đòi hỏi những trang 
thiết bị hiện đại như robot lặn không người 
lái, có thể đắm mình trong độ sâu mà người 
nhái không thể nào đạt tới. Để nghiên cứu 
môi trường nước, khảo sát hệ sinh thái, thăm 
dò biến động của biển, hay dùng cho mục 
đích quân sự, phòng thủ và do thám, nhiều 
mẫu AUV được nghiên cứu và phát triển. 
AUV Remus 100 của Woods Hole 
Oceanographic Insitution [1] có thể lặn sâu 
100m với thời gian trên 10h ở vận tốc 
2,3m/s. Lightweight AUV (LAUV) [2] được 
phát triển tại đại học Porto hợp tác với 
OceanScan hoạt động ở độ sâu 20m, trong 8h 
với vận tốc 1,5-2m/s. Autosub6000 của 
Autonomous Underees Vehicle Applications 
Center hoạt động ở độ sâu đến 6000m trong 
30h với vận tốc 5km/h. Slocum Glider chế 
tạo bởi Teledylnemarine không sử dụng động 
cơ đẩy, có thể hoạt động trong thời gian đến 
vài tháng. [3] 
Việt Nam là một quốc gia ven biển, có 
đường bờ biển dài hơn 3.200 km, với diện 
tích chiểm khoảng 1.000.000 km2 biển 
Đông. Các hoạt động kinh tế, khoa học, du 
lịch và bảo vệ chủ quyền trên biển đảo đóng 
vai trò hết sức quan trọng. Hàng loạt công 
trình như cầu cảng, giàn khoan, đường ống 
dẫn dầu, nhà giàn đã và đang được xây dựng. 
Cùng lúc phát sinh những vấn đề về thăm dò, 
khảo sát và thực hiện các nhiệm vụ dưới 
nước, cứu hộ cứu nạn, trục vớt Vì vậy việc 
220 
Journal of Transportation Science and Technology, Vol 27+28, May 2018 
nghiên cứu phát triển các thiết bị hoạt động 
dưới nước là một trong những nhiệm vụ cấp 
thiết để nắm lợi thế về biển và tài nguyên 
biển. 
Hình 1. Các loại AUV hình dạng ngư lôi. 
Bài báo sẽ tập trung mô tả về thiết kế 
biên dạng vỏ AUV; mô phỏng ứng suất để 
chọn vật liệu và bề dày vỏ phù hợp; nghiên 
cứu, thiết kế cơ cấu lặn nổi; và thiết kế hệ 
thống điều khiển cho robot lặn AUV. 
2. Thiết kế AUV 
2.1. Lựa chọn ý tưởng thiết kế. 
Thông số kĩ thuật thiết kế: 
- Biên dạng ngư lôi 
- Độ sâu tối đa 20m 
- Vận tốc tối đa 2m/s 
- Hoạt động liên tục trong 2 giờ 
- Khối lượng thiết bị 50kg 
Để đáp ứng khả năng lặn/nổi của thiết bị, 
nhóm tiến hành đánh giá các phương án thiết 
kế 1-5 ứng với hình 2-6, trong đó: [4] 
1: Phần đầu AUV 
2: Phần thân AUV 
3: Phần đuôi AUV 
4: Xy lanh (hình 4) 
5: Đối trọng (hình 2, 4) 
6: Mạch điều khiển (hình 3) 
7: Pin (hình 3) 
8: Xy lanh (hình 3, hình 6) 
9: Cánh đuôi (hình 3, hình 6) 
10: Thiết bị đẩy (hình 3) 
Hình 2. Cơ cấu lặn/nổi dùng đối trọng. 
Hình 3. Cơ cấu lặn/nổi dùng 2 xy lanh điều khiển 
bằng 1 động cơ 
Hình 4. Cơ cấu lặn/nổi dùng 2 xy lanh điều khiển 
bằng 1 động cơ kết hợp đối trọng 
Hình 5. Cơ cấu lặn/nổi dùng 1 xy lanh kết hợp đối 
trọng 
TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI SỐ 27+28 – 05/2018 
221 
Hình 6. Cơ cấu lặn/nổi dùng 2 xylanh điều khiển độc 
lập 
Bảng 1. Đánh giá các phương án lặn nổi. 
Từ phân tích trên bảng 1, nhóm nghiên 
cứu thống nhất thiết kế AUV theo hình dạng 
ngư lôi và lựa chọn phương án 3 – cơ cấu 
lặn/nổi sử dụng 2 xy lanh điều khiển bằng 1 
động cơ kết hợp đối trọng (hình 4). 
2.2. Tính toán biên dạng và vỏ tàu 
Hầu hết các AUV dạng ngư lôi dựa trên 
biên dạng Myring (Hình 8) với phần thân 
hình trụ, phần mũi và đuôi tàu sẽ theo công 
thức (1), (2). [5] 
Hình 7. Biên dạng Myring 
Biên dạng phần mũi tàu: 
( )
1
21 . . 1
2
n
x
x ar d
a
 − = −  
    (1) 
Biên dạng phần đuôi tàu: 
( ) ( )
( )
2
2
3
3 2
1 3. .
2 2
.
x
d tanr d x a b
c c
d tan x a b
c c
θ
θ
 = − − − −  
 + − − −   (2) 
Trong đó: 
r(x): bán kính mặt cắt ngang tại vị trí x. 
d : đường kính lớn nhất trên mặt cắt 
ngang. 
a, b, c: lần lượt là chiều dài phần mũi, 
thân, đuôi AUV. 
 : góc tại vị trí đuôi tàu. 
n : Tham số mũ làm thay đổi biên dạng 
mũi tàu. 
 Các thông số kích thước bao và tham 
số n, 𝜃𝜃 được chọn dựa trên việc tham khảo 
những thiết kế AUV trên thế giới và được thể 
hiện tại bảng 2. [6] 
Bảng 2. Thông số kích thước bao của AUV 
Thông số Giá trị 
a 330 mm 
b 1300 mm 
c 360 
d 203.2 mm 
n 2 
𝜃𝜃 25o 
Qua tìm hiểu các mẫu AUV trên thế giới 
cùng với các phương tiện hoạt động dưới 
nước, đặc biệt là môi trường nước biển, 
nhóm quyết định lựa chọn vật liệu nhôm hợp 
kim T6 – 6061 với cơ tính cho ở bảng 3. [6] 
Bảng 3. Cơ tính nhôm hợp kim T6 – 6061 
Cơ tính 
Độ bền 
kéo 
(MPa) 
Ứng suất 
chảy 
(MPa) 
Tỳ lệ kéo 
Hệ số dẫn 
nhiệt (BTU 
hr.ft.°F) 
≥310 ≥270 10% 1160 
Phương 
án 
Tiêu 
chuẩn 
1 2 3 4 5 
Mức độ 
chế tạo 
Đơn 
giản 
Khá 
phức 
tạp 
Khá 
phức 
tạp 
Khá 
phức 
tạp 
Khá 
phức 
tạp 
Mức độ 
điều khiển 
Đơn 
giản 
Đơn 
giản 
Khá 
phức 
tạp 
Phức 
tạp 
Khá 
phức 
tạp 
Độ linh 
hoạt Kém Kém Tốt Tốt Tốt 
Khả năng 
phân bố Tốt 
Tương 
đối 
Tương 
đối Tốt 
Tương 
đối 
Khả năng 
giữ cân 
bằng 
 Kém Tốt Khá Khá 
222 
Journal of Transportation Science and Technology, Vol 27+28, May 2018 
Hình 8. Phần đầu cố định và áp suất lên vỏ AUV 
Phân tích phần tử hữu hạn bằng module 
Simulation trong phần mềm Solidworks với 
vỏ AUV dày 1mm, dài 1300mm, đường kính 
ngoài 203,2mm, 2 đầu cố định bằng vách 
ngăn, áp lực nước 0,2MPa ở độ sâu 20m 
(hình 8). 
Kết quả mô phỏng (hình 9, 10) cho thấy 
ứng suất tối đa lên vỏ là 22,1 MPa << [σc] = 
275 MPa, biến dạng tối đa 0,038mm. Như 
vậy việc chọn bề dày vỏ AUV phụ thuộc vào 
khả năng gia công và thị trường. 
Hình 9. Trường ứng suất Von Mises lên thành vỏ 
AUV. 
Hình 10. Biến dạng dẻo trên thân AUV. 
Ngoài ra, phải tránh hư hỏng do quá 
trình hoạt động có thể va chạm với động vật 
hoặc chướng ngại vật. Nhóm lựa chọn kích 
thước thân AUV theo sản phẩm dạng ống của 
nhà sản xuất. Đường kính ngoài D = 
203,2mm; bề dày t = 3,18mm; đường kính 
trong d = 196,85mm. Tiến hành mô phỏng 
tương tự với thân dày 1mm, ta thu được kết 
quả (hình 11, 12): ứng suất tối đa lên thân 
AUV là 6,8MPa, biến dạng lớn nhất 
0,0095mm. 
Hình 11. Trường ứng suất Von Mises tác động lên 
thành vỏ dày 3,18 mm 
Hình 12. Biến dạng dẻo trên thân AUV dày 3,18mm 
Tiến hành phân tích nắp chống thắm 2 
đầu thân AUV với bề dày 2, 3, 4 mm (hình 
13) ta thu được kết quả (hình 14, 15, 16, 
bảng 4). 
Hình 13. Nắp chống thắm 2 đầu thân AUV. 
Hình 14. Ứng suất và biến dạng trên nắp dày 2mm. 
Hình 15. Ứng suất và biến dạng trên nắp dày 3mm. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI SỐ 27+28 – 05/2018 
223 
Hình 16. Ứng suất và biến dạng trên nắp dày 4mm. 
Bảng 4. Giá trị ứng suất và biến dạng tối đa trên nắp. 
Chiều dày 
mặt chắn 
(mm) 
Áp lực tối đa 
tác dụng 
(MPa). 
Kích thước 
biến dạng tối 
đa (mm) 
2 228,5 3,51 
3 101,5 1,06 
4 56,8 0,45 
Như vậy nắp có bề dày 4mm là phù hợp 
với yêu cầu thiết kế. 
2.3. Thiết kế cơ cấu lặn/nổi 
2.3.1. Hệ piston – xy lanh 
Hình 17. Mô hình 3D hệ piston – xy lanh 
Lực dọc trục tác dụng lên xy lanh tính 
bởi công thức (3) bao gồm lực ma sát giữa 
O-ring với thành xy lanh (4), áp lực nước tác 
dụng lên piston (5), áp lực khí nén trong thân 
tàu khi piston di chuyển (6). 
a p ms nF F F F= − − (3) 
Lực ma sát giữa O-ring và thành xy lanh: 
ms c hF F F= + (4) 
Trong đó: 
- .c c pF f L= là lực ma sát gây ra bởi sức 
nén của O-ring. 
- fc: lực ma sát trên 1cm chiều dài 
[N/cm] 
Lp: tổng chiều dai O-ring 
- .h h pF f A= là lực ma sát giữa bề mặt 
tiếp xúc của O-ring và thành xy lanh: 
- fh: lực ma sát trên 1cm2 diện tích mặt 
tiếp xúc 
- Ap: diện tích mặt tiếp xúc 
Lực dọc trục pF do áp suất nước (hình 18): 
Hinh 18. Trạng thái AUV khi hút, nhả nước. 
.p pistonF p A= (5) 
Trong đó: 
p: Áp suất nước (áp suất thuỷ tĩnh) 
- Apiston: diện tích bề mặt piston tiếp xúc 
nước 
- Áp lực khí nén: 2 /n pF P A= (6) 
Giả sử đây là quá trình đẳng nhiệt, áp lực 
lớn nhất khi piston lùi sâu nhất: 
1 1 2 2 2 1 1 2/PV PV P PV V= ⇔ = 
Đường kính sơ bộ vis me bi điều khiển 
xy lanh được tính theo công thức (7). [6] 
[ ]1
4.1,3.
.
a
k
Fd
π σ
≥ (mm) (7) 
Trong đó [σk] : giới hạn chảy của vật 
liệu 
Mô-men xoắn trên trục vis me: 
12 .
a hF PT
π η
= (Nm) (8) 
Góc vis (Lead angle): 
.
hparctg
d
γ
π
 =   
 (o) (9) 
Trong đó 
Ph : Bước vis (mm) 
η1 : hiệu suất. (%) 
Tổng hợp các thông số kích thước bộ 
truyền vis me bi cho trong bảng 5. 
Bảng 5. Thông số bộ truyền vis me bi 
𝑝𝑝ℎ 𝑑𝑑1 𝛾𝛾 𝜂𝜂1 N 𝐹𝐹𝑎𝑎 T P 
224 
Journal of Transportation Science and Technology, Vol 27+28, May 2018 
10 10 10,8 95 60 1720 2,79 17,5 
Mô-men trên trục đầu ra hộp giảm tốc: 
2. 2.2,79 5,58hgtT T Nm= = = (10) 
Chọn động cơ RE – max 24𝜙𝜙mm, 
Graphite Brushes, 11W (Part number 
222055) với các thông số: U = 15V, hiệu suất 
η = 83%, Mô men cực đại Tmax=73Nm, 
N=6500 vòng/phút. 
Chọn hộp số Planetary Gearhead GP 32 
A 𝜙𝜙32mm, 0,75 – 4,5 Nm, Metal 
Version.Với các thông số trong bảng 5, ta 
chọn ổ bi đỡ 1 dãy với các thông số sau: 
đường kính trong d=10mm, đường kính 
ngoài D=30mm, chiều rộng b=9mm, khả 
năng tải động 5400N, khả năng tải tĩnh 
2360N. 
Chọn bạc trượt cho cụm dẫn hướng 
piston: bạc trượt tự bôi trơn MPBZ (H7/f7-
f8) có kích thước: 
Đường kính trong 𝑑𝑑 = 8𝐻𝐻7 =8 �+0,0150 
Đường kính ngoài 𝐷𝐷 = 12𝑓𝑓7 =10 �−0,016
−0,034 
Bề dày t = 2mm 
2.3.2. Đối trọng 
Hình 19. Mô hình 3D hệ đối trọng 
Đối trọng được dẫn động qua bộ truyền 
vis me bi, được dẫn hướng trên 2 ti trượt với 
4 ổ trượt. Tải trọng dọc trục vis me: 
. 0,15.40 6
dta dt
F P Nµ= = = (11) 
Sử dụng các công thức (7), (8), (9) và 
chọn theo tiêu chuẩn, thu được các thông số 
vis me cho đối trọng trong bảng 6. 
Bảng 6. Thông số bộ truyền vis me bi hệ đối trọng 
𝑝𝑝ℎ 𝑑𝑑1 𝛾𝛾 𝜂𝜂1 N 𝐹𝐹𝑎𝑎 T P 
4 10 7,25 95 150 6 4.10-3 0,063 
Sử dụng cùng loại động cơ với hệ piston 
– xy lanh cho hệ đối trọng. Với các thông số 
trong bảng 6, ta chọn ổ bi đỡ 1 dãy với các 
thông số sau: đường kính trong d=10mm, 
đường kính ngoài D=30mm, chiều rộng 
b=9mm, khả năng tải động 5400N, khả năng 
tải tĩnh 2360N. 
Hình 20. Mô hình 3D AUV hoàn chỉnh 
2.4. Thiết kế thiết bị đẩy 
Thiết bị đẩy được thiết kế như hình 21 
với các thông số kỹ thuật [7]: 
- Công suất: 300W 
- Tốc độ quay: 1200 rpm 
- Độ sâu hoạt động: 100m 
- Lực đẩy: 6 kgf 
- Số cánh chân vịt: 6 cánh 
- Kích thước: 
- Chiều dài: 360 mm 
- Đường kính thân: 86 mm 
- Nguồn vào thiết bị: 48V 
- Chống thấm nước bằng khớp nối từ 
Hình 21. Thiết bị đẩy cho AUV 
3. Hệ thống điều khiển AUV 
TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI SỐ 27+28 – 05/2018 
225 
Robot được kết nối với trung tâm điều 
khiển đặt trên mặt nước (trên bờ, trên tàu 
mẹ) thông qua hệ thống không dây RF và 
Sonar, có nhiệm vụ truyền lệnh điều khiển 
tới robot, truyền dữ liệu thu được từ robot về 
trạm trung tâm để quản lí và ra lệnh điều 
khiển. 
Kết cấu hệ thống điều khiển của AUV 
được biểu diễn như hình 22. Bộ xử lý trung 
tâm của AUV sử dụng máy tính PC104 có 
khả năng xử lý tốc độ cao các thông tin được 
truyền về, tạo tiền đề cho AUV áp dụng các 
giải thuật cấp cao về dẫn hướng (Guidance) 
và điều khiển (Control) để phục vụ từng yêu 
cầu vận hành cụ thể. Hệ thống thu thập dữ 
liệu từ cảm biến và điều khiển các cơ cấu 
chấp hành được thiết kế sử dụng các vi điều 
khiển lõi ARM tốc độ cao (STM32Fx) và 
được kết nối với nhau theo chuẩn truyền 
thông CAN có tốc độ truyền tin lên đến 
1Mbit. Ngoài ra, AUV còn được trang bị hệ 
thống các cảm biến mạnh mẽ, giúp robot thu 
thập chính xác các thông tin về trạng thái 
đang hoạt động và môi trường xung quanh để 
từ đó hỗ trợ cho việc robot đưa ra quyết định 
điều khiển. Hệ thống cảm biến bao gồm: cảm 
biến góc nghiêng (sai số < 2 độ), cảm biến 
GPS (sai số < 1m theo phương ngang), cảm 
biến vận tốc DVL (sai số 1% ± 1mm/s), cảm 
biến độ cao đáy biển (Alimeter) và cảm biến 
độ sâu mặt nước (Pressure sensor). 
Hình 22. Mô hình 3D AUV 
4. Kết luận 
Bài báo đã phân tích và lựa chọn phương 
án thiết kế hoàn chỉnh cho robot lặn không 
người lái AUV, có khả năng lặn/nổi ở độ sâu 
20m bằng cơ cấu kết hợp giữa xy lanh và đối 
trọng. Thông qua mô phỏng ứng suất, sử 
dụng phương pháp phân tích phần tử hữu 
hạn, để chọn vật liệu và bề dày vỏ phù hợp, 
đảm bảo robot có thể hoạt động ổn định ở độ 
sâu thiết kế. Ngoài ra, việc thiết kế hệ thống 
điều khiển cho robot cũng được đề cập và 
làm rõ thông qua lựa chọn thiết bị cảm biến, 
cơ cấu chấp hành và thiết kế phần cứng để 
đảm bảo khả năng hoạt động ổn định cho 
robot lặn. 
Lời cảm ơn: 
Công trình nghiên cứu này được thực 
hiện tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc 
gia Điều khiển số và Kỹ thuật Hệ thống và 
được tài trợ bởi ĐHQG TP.HCM trong đề tài 
mã số B2018-20b-01. 
Tài liệu tham khảo 
[1] Kukuly A., et al.,. “Under-ice operations with a 
REMUS-100 AUV in the Arctic”, Proc. AUV 
2010 IEEE Conference, Monterey, CA, USA 
(2010). 
[2] Alexandre S., et al.,. “LAUV: The man-portable 
Autonomous Underwater Vehicle”, IFAC 
Proceedings, 2012. 
[3] Russell W., et al.,. “Global Inventory of AUV 
and Glider Technology available for Routine 
Marine Surveying”, Marine Renewable Energy 
Knowledge Exchange Program, 2013. 
[4] Vikrant P.Shah, “Design Considerations for 
Engineering Autonomous Underwater Vehicles”, 
B.S Thesis, The University of Texas at Austin, 
2005. 
[5] Prestero T., et al., (2001). Verification of a six-
degree of freedom simulation model for the 
REMUS autonomous underwater vehicle. M.S. 
Thesis, Massachusetts Institute of Technology, 
USA. 
[6] Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, “Tính toán hệ dẫn 
động cơ khí”, NXB Giáo dục Việt Nam, tập 1, 
2014 
[7] Ngoc-Huy Tran, et al.,. “Study on Design, 
Analysis and Control an Underwater Thruster 
for UUV”, Lecture Notes in Electrical 
Engineering 465, 2017 
 Ngày nhận bài: 12/3/2018 
 Ngày chuyển phản biện: 15/3/2018 
 Ngày hoàn thành sửa bài: 6/4/2018 
 Ngày chấp nhận đăng: 13/4/2018