Nghiên cứu, thiết kế và điều khiển thiết bị ROV

 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI SỐ 27+28 – 05/2018 
155 
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ROV 
Phạm Minh Thiên Thành, Vy Văn Cần, Nguyễn Duy Anh 
Trường Đại Học Bách Khoa – ĐHQG TpHCM 
Tóm tắt: Bài báo trình bày về kết quả của việc nghiên cứu, thiết về và điều khiển một thiết bị 
ROV ( remotely operated vehicle) phục vụ cho việc nghiên cứu tàu biển, bao gồm thiết kế phần cứng 
và phần điều khiển. Thiết bị ROV này được trang bị các loại cảm biến sau, gồm: Cảm biến góc 
gyroscope, cảm biến gia tốc, cảm biến la bàn số và cảm biến áp suất. ROV hoạt động với sáu thruster 
( chân vịt), trong đó hai thruster dùng để di chuyển lặn – nổi và bốn thruster để di chuyển các hướng 
trong mặt phẳng ngang. Truyền nhận tín hiệu cảm biến và lệnh điều khiển thông qua chuẩn truyền 
RS485. Bộ điều khiển PID được sử dụng trong điều khiển heading và điều khiển độ sâu. ROV được 
điều khiển thông qua một giao diện được lập trình trên phần mềm Matlab, giao diện này giúp điều 
khiển các hướng và hiển thị các thông số của cảm biến. 
Chỉ số phân loại: 2.3 
1. Giới thiệu 
Các thiết bị dưới nước không người lái 
(Unmanned underwater vehicles - UUV) 
được chia làm hai loại chính: ROV và AUV 
(autonomous underwater vehicle). Thực tế 
AUV chính là một loại ROV cải tiến, chúng 
khác nhau ở chỗ AUV có thể hoạt động hoàn 
toàn tự động mà không cần có sự can thiệp 
của con người. Bài báo tập trung nghiên cứu 
về kết cấu cơ khí, phần điều khiển của người 
vận hành thông qua dây dẫn có sử dụng giao 
diện điều khiển. ROV có thể thực hiện được 
nhiều nhiệm vụ dưới nước như quan sát dưới 
nước, đo nồng độ , độ ô nhiễm, nghiên cứu 
khoa học phục vụ cho cuộc sốngROV hoạt 
động với độ chính xác cao, an toàn, đáng tin 
cậy. Trong tương lai, với vài sự thay đổi 
trong kết cấu, ROV chắc chắn sẽ thực hiện 
được nhiều nhiệm vụ khó khăn hơn nữa. 
Mục tiêu của đề tài là thiết kế và phát 
triển một loại ROV nhỏ với chi phí thấp, cấu 
trúc cơ khí vững chắc, tự cân bằng và di 
chuyển dựa vào việc áp dụng các kiến thức 
được học. Thuật toán điều khiển được xây 
dựng để di chuyển một cách linh hoạt theo 
nhiều hướng ví dụ xoay trái, xoay phải, tiến, 
lùi, duy trì độ sâu mong muốn , duy trì với 
một vận tốc cho trước. ROV hoạt động thông 
qua bộ điều khiển PID, các thông số được 
tìm thông qua phương pháp thử - sai. Bên 
cạnh đó, các giá trị trả về từ cảm biến la bàn 
với sai số là ±20 và sai số từ cảm biến độ sâu 
là ±0.03m. Bài báo được chia làm ba phần 
chính, gồm thiết kế cơ khí, thiết kế điện và 
giải thuật điều khiển. 
2. Thiết kế cơ khí 
Bố trí thruster 
ROV được thiết kế với 6 thruster, cho 
phép ROV thực hiện các di chuyển surge, 
sway, heave, pitch và yaw. Mỗi thruster được 
chế tạo từ một động cơ DC chống nước, với 
lớp vỏ bên ngoài được in 3D để gá đặt và bảo 
vệ cánh quạt. Cần chú ý là với bất kỳ cặp 
thruster nào đang hoạt động thì hai thruster 
đó cũng phải quay ngược chiều nhau để đảm 
ROV không bị xoay theo định luật bảo toàn 
động lượng. 
Hình 1.Các hướng di chuyển của ROV. 
156 
Journal of Transportation Science and Technology, Vol 27+28, May 2018 
Kết cấu khung ROV 
Kết cấu khung ảnh hưởng nhiều sự cân 
bằng của thiết bị trong môi trường nước. Để 
di chuyển linh hoạt cần hạn chế tối đa lực 
cản của nước lên ROV, khối lượng tổng thể 
cũng không được quá lớn. Từ đó ta chọn 
khung ROV là một kết cấu gồm nhiều ống 
kết nối với nhau bởi co hoặc tê. Khi lựa chọn 
vật liệu làm kết cấu khung, ta cần chú ý 
những vẫn đề sau đây: 
Có độ bền cơ học cao, chịu lực tốt để 
không bị biến dạng khi di chuyển thiết bị 
hoặc va chạm với vật cản, dễ thay thế khi có 
hư hỏng; 
Dễ dàng tháo lắp để có thể thay thế hoặc 
thêm bớt các phụ kiện theo yêu cầu. 
Với những yêu cầu trên, ta lựa chọn 
khung ROV làm bằng ống inox là thích hợp. 
Kiểm tra sự nổi và độ cân bằng 
Phao kết hợp với phần khung tạo lực 
nâng cho toàn ROV. Đồng thời tạo sự cân 
bằng cho ROV trong nước. Vật liệu chọn làm 
phao là hộp bảo quản Interlock có dung tích 
là 1.6L, được làm từ nhựa PET cao cấp, có 
độ bền cao, trong suốt. Để góp phần làm gọn 
mô hình thì phao nổi kiêm cả chức năng chứa 
bộ điều khiển bên trong. Khi các phao đặt ở 
bên trên thì điểm đặt lực của lực đẩy 
Archimede sẽ ở trên cao hơn so với điểm đặt 
lực của lực trọng trường. Khi các phao đặt ở 
bên trên thì điểm đặt lực của lực đẩy 
Archimede sẽ ở trên cao hơn so với điểm đặt 
lực của lực trọng trường. Khi các điểm đặt 
lực này càng xa nhau thì ROV càng dễ tự cân 
bằng. Độ lớn của hai lực phía trên càng lớn, 
cũng như cánh tay đòn càng lớn sẽ dẫn đến 
moment lực càng lớn. Khi có một lực nào đó 
làm ROV mất cân bằng thì moment này cũng 
sẽ đưa ROV lại vị trí cân bằng cũ. Với thiết 
kế hai phao đặt đối xứng sang hai bên, sẽ 
phân tán lực Archimede, làm tăng tính ổn 
định cho ROV. 
ROV nổi hay chìm phụ thuộc vào mối 
tương quan giữa trọng lượng và lực đẩy 
Archimede, ta có công thức sau: 
𝐹𝐹 = 𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌 
Trong đó: 
𝜌𝜌 : Mật độ chất lỏng; 
𝜌𝜌 : Gia tốc trọng trường, 𝜌𝜌 = 9.81m/s2; 
𝜌𝜌: Thể tích phần chất lỏng bị chiếm chỗ. 
Các trường hợp có thể xảy ra: 
Nếu B>W, ROV sẽ nổi; 
Nếu B<W, ROV sẽ chìm; 
Nếu B=W, ROV sẽ duy trì ở vị trí nó 
đang ở. 
Với B là trọng lực, W là lực Archimede. 
Qua thực nghiệm sau khi chế tạo, ROV 
nổi khi ở trạng thái tự nhiên. Trọng tâm khối 
lượng ROV thấp hơn trọng tâm phao nổi nên 
ROV ở trạng thái cân bằng. Khối lượng 
chênh lệch với thể tích không nhiều, thuận 
lợi cho việc cân chỉnh và lặn nổi của ROV. 
Hệ trục tọa độ 
Khi phân tích chuyển động của ROV 
trong sáu DOF, để thuận tiện người ta đưa ra 
hai hệ trục tọa độ có tâm Trái đất làm tham 
chiếu [1]. 
Hình 2. Các hệ trục tọa độ. 
Bảng 1. Qui ước ký hiệu các đại luợng. 
DOF Hướng 
chuyển 
động 
Lực và 
mome
nt 
Vận tốc 
dài, vận tốc 
góc 
Vị trí, 
góc 
Euler 
1 surge X u x 
2 sway Y v y 
3 heave Z w z 
4 roll K p ϕ 
5 pitch M q θ 
6 yaw N r ψ 
Hệ trục tọa độ NED: {n} = (xn, yn, zn) 
với gốc On thường được định nghĩa như là 
một mặt phẳng tiếp xúc trên bề mặt Trái đất 
di chuyển cùng với ROV nhưng có các trục 
hướng theo các hướng khác so với các trục 
cố định của ROV. 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI SỐ 27+28 – 05/2018 
157 
Hệ trục tọa độ BODY: {b}=(xb, yb, zb) 
với gốc Ob là một hệ tọa độ chuyển động 
nhưng cố định so với ROV. 
Nếu xoay hệ trục tọa độ {b} xung quanh 
trục z, y, x của hệ trục tọa độ {n} ta có các ma 
trận chuyển đổi lần lượt như sau[1] : 
𝑅𝑅𝑥𝑥,𝜙𝜙 = �1 0 00 𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑠𝑠𝑐𝑐0 −𝑠𝑠𝑐𝑐 𝑐𝑐𝑐𝑐� ,𝑅𝑅𝑦𝑦,𝜃𝜃 = �𝑐𝑐𝑐𝑐 0 −𝑠𝑠𝑐𝑐0 1 0𝑠𝑠𝑐𝑐 0 𝑐𝑐𝑐𝑐 � , 
𝑅𝑅𝑧𝑧,𝜓𝜓 = � 𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑠𝑠𝑐𝑐 0−𝑠𝑠𝑐𝑐 𝑐𝑐𝑐𝑐 00 0 1� 
Chúng ta kết hợp 3 phép xoay ở trên để 
có được ma trận chuyển đổi 𝑅𝑅𝑏𝑏𝑛𝑛 : 
𝑅𝑅𝑏𝑏
𝑛𝑛 = 𝑅𝑅𝑧𝑧,𝜓𝜓𝑅𝑅𝑦𝑦,𝜃𝜃𝑅𝑅𝑥𝑥,𝜙𝜙= �𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠𝑐𝑐𝑠𝑠𝑐𝑐 − 𝑠𝑠𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 + 𝑠𝑠𝑐𝑐𝑠𝑠𝑐𝑐𝑠𝑠𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑠𝑠𝑐𝑐𝑠𝑠𝑐𝑐𝑠𝑠𝑐𝑐 + 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑠𝑠𝑐𝑐𝑠𝑠𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 − 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠𝑐𝑐
−𝑠𝑠𝑐𝑐 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠𝑐𝑐 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐
� 
Ta có được ma trận chuyển đổi vận tốc 
góc từ hệ tọa độ {b} sang hệ tọa độ {n} như 
sau: 
𝜔𝜔𝑏𝑏
𝑛𝑛 = 𝑇𝑇𝑏𝑏𝑛𝑛Θ̇, 𝑇𝑇𝑏𝑏𝑛𝑛 = �1 𝑠𝑠𝑐𝑐𝑠𝑠𝑐𝑐 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠𝑐𝑐0 𝑐𝑐𝑐𝑐 −𝑠𝑠𝑐𝑐0 𝑠𝑠𝑐𝑐/𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑐𝑐𝑐𝑐/𝑐𝑐𝑐𝑐� 
Động học 
Ta được phương trình động như sau: 
�̇�𝜂 = 𝐽𝐽(𝜂𝜂)V 
�
�̇�𝑝
Θ̇
� = � 𝑅𝑅𝑏𝑏𝑛𝑛 03𝑥𝑥303𝑥𝑥3 𝑇𝑇𝑏𝑏𝑛𝑛 � �𝑣𝑣𝑏𝑏/𝑛𝑛𝑏𝑏𝜔𝜔𝑏𝑏/𝑛𝑛𝑏𝑏 � 
Động lực học 
Phương trình chuyển động động lực học 
phi tuyến của ROV như sau[1]: 
𝑀𝑀�̇�𝜌 + 𝐶𝐶(𝜌𝜌)𝜌𝜌 + 𝐷𝐷(𝜌𝜌)𝜌𝜌 + g(𝜂𝜂) + g0= 𝜏𝜏 + 𝜏𝜏𝑤𝑤𝑤𝑤𝑛𝑛𝑤𝑤 + 𝜏𝜏𝑤𝑤𝑤𝑤𝑤𝑤𝑤𝑤 
Trong đề tài này chỉ giới hạn ở nước tĩnh 
trong hồ nên có thể bỏ qua ảnh hưởng của 
dòng chảy, ảnh hưởng của gió và của sóng. 
Phương trình chuyển động của ROV cuối 
cùng là: 
𝑀𝑀�̇�𝜌𝑟𝑟 + 𝐶𝐶(𝜌𝜌𝑟𝑟)𝜌𝜌𝑟𝑟 + 𝐷𝐷(𝜌𝜌𝑟𝑟)𝜌𝜌𝑟𝑟 + g(𝜂𝜂) + g0 = 𝜏𝜏 
Trong đó: 
𝑀𝑀 = 𝑀𝑀𝑅𝑅𝑅𝑅 + 𝑀𝑀𝐴𝐴: Ma trận lực quán tính. 
𝐶𝐶(𝜌𝜌𝑟𝑟) = 𝐶𝐶𝑅𝑅𝑅𝑅(𝜌𝜌𝑟𝑟) + 𝐶𝐶𝐴𝐴(𝜌𝜌𝑟𝑟): Ma trận lực 
hướng tâm Coriolis. 
𝐷𝐷(𝜌𝜌𝑟𝑟): Ma trận lực cản. 
g(𝜂𝜂): Vector trọng lực/lực nổi và 
moment (lực phục hồi). 
g0: Vector trọng lực thêm vào để làm 
ROV cân bằng. 
𝜏𝜏: Vector lực điểu khiển đầu vào. 
Xác định các thông số mô hình hóa 
Các thông số lực cản tuyến tính và phi 
tuyến có thể được ước lượng từ phương trình 
lực cản (drag force) như sau: 
𝐹𝐹𝑤𝑤𝑟𝑟𝑤𝑤𝑑𝑑 = 𝑝𝑝1𝜐𝜐12 + 𝑝𝑝2𝜐𝜐 + 𝑝𝑝3 
Với υ là vận tốc ROV đang khảo sát, 𝑝𝑝1 
là hệ số lực cản bậc 2, 𝑝𝑝2 là hệ số lực cản 
tuyến tính, 𝑝𝑝3 là hệ số offset của phương 
trình. 
Để xác định 𝐹𝐹𝑤𝑤𝑟𝑟𝑤𝑤𝑑𝑑 ta sử dụng phần mềm 
SolidWorks mô phỏng dòng chảy với các vận 
tốc khác nhau tác động lên ROV. 
Hình 3. Mô phỏng lực cản. 
Bảng 2: kết quả mô phỏng lực cản 
Vận tốc 
(m/s) 
𝐹𝐹𝑤𝑤𝑟𝑟𝑤𝑤𝑑𝑑(𝑁𝑁) 
Phương tiến Phương lặn Phương ngang 
0 0 0 0 
0,3 2,41 7,41 4,96 
0,6 9,48 29,51 19,80 
1 26,23 81,88 54,94 
Bảng 3. Các giá trị đại lượng trong phương trình mô 
hình hóa 
158 
Journal of Transportation Science and Technology, Vol 27+28, May 2018 
3. Thiết kế điện 
Cảm biến 
Để điều khiển ROV được chính xác, 
chúng ta cần nhận tín hiệu từ các cảm biến. 
ROV được trang bị cảm biến la bàn 
HMC5883L đọc về giá trị góc heading, cảm 
biến góc xoay MPU 6050 đọc về giá trị góc 
pitch được xử lý qua bộ lọc Kalman, cảm 
biến áp suất MPXH6400A đọc về giá trị áp 
suất của nước sau đó tính toán để cho ra giá 
trị độ sâu. 
Vi điều khiển, driver động cơ 
Vi điều khiển cần phải đủ mạnh, số lượng 
chân nhiều và tốc độ xử lý cao. Với yêu cầu 
trên, chọn vi điều khiển STM32F407VG để 
điều khiển toàn bộ ROV. 
Hình 4. Sơ đồ điện của ROV. 
Sử dụng driver VNH2SP30-E tích hợp 1 
mạch cầu H (full bridge) được ứng dụng rộng 
rãi trong các hệ thống tự động. Driver có thể 
dùng điều khiển động cơ có công suất lớn 
(dòng max có thể lên tới 30A). Ngoài ra, 
mạch có cơ chế bảo vệ quá áp, quá nhiệt. 
Mạch giao tiếp giữa vi điều khiển với 
máy tính: 
Để đảm bảo không gian làm việc của thiết 
bị lặn và nơi đặt máy tính an toàn, ta cần dây 
cáp điều khiển dài khoảng 15m. Với khoảng 
cách trên, để truyền tốc độ cao và chính xác 
ta dùng chuẩn truyền RS485. 
4. Giải thuật điều khiển 
Bộ lọc Kalman 
Bộ lọc Kalman sẽ kết hợp các giá trị đọc 
được từ cảm biến gyroscope và cảm biến gia 
tốc, từ đó đưa ra giá trị góc chính xác nhất đã 
loại cũng như triệt tiêu điểm trôi của gyro. bỏ 
các nhiễu của cảm biến gia tốc. 
Hình 5. Hai quá trình của bộ lọc Kalman. 
Giải thuật điều khiển ROV 
Để điều khiển ROV di chuyển theo các 
hướng cơ bản, ta sử dụng ba bộ điều khiển 
PID độc lập cho giá trị đầu vào là độ sâu h 
đọc từ cảm biến độ sâu, góc lệch của thiết bị 
quanh trục x (trục roll), góc lệch của thiết bị 
quanh trục z (trục yaw). 
Khi vi điều khiển nhận tín hiệu từ máy 
tính, hàm ngắt uart được thực hiện. Vi điều 
khiển kiểm tra kí tự rồi tách chuỗi dữ liệu, 
lưu vào biến chỉ định trước trong chương 
trình. Từ đó thực hiện lệnh tương ứng với ký 
tự nhận được. 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI SỐ 27+28 – 05/2018 
159 
Hình 6. Giải thuật điều khiển ROV tiến. 
Sau đây là minh họa cho giải thuật tiến 
của ROV có sử dụng bộ điều khiển PID. Các 
giải thuật khác tương tự. 
Hình 7. Đáp ứng của hệ thống khi không có nhiễu. 
Mô phỏng bộ điều khiển PID 
Ta tiến hành mô phỏng ROV xoay quanh 
trục Z một góc 300, ta được đồ thị đáp ứng 
của hệ thống khi không có nhiễu: 
Hình 8. Đáp ứng của hệ thống khi có nhiễu 
Ta tiến hành thêm nhễu vào phương 
trình mô hình hóa, ta được đáp ứng như hình 
sau: 
Giao diện điều khiển 
Giao diện điều khiển được thiết kế trong 
Matlan, để dễ dàng lấy số liệu trong quá trình 
thực nghiệm. 
160 
Journal of Transportation Science and Technology, Vol 27+28, May 2018 
Hình 9. Giao diện điều khiển ROV. 
Kết quả thực nghiệm: 
ROV có thể lặn sâu dưới mặt nước 5m 
mà không gặp vấn đề gì về việc chống nước. 
Đảm bảo được an toàn cho mạch điện bên 
trong. Tiến hành thử nghiệm các chuyển 
động cơ bản của ROV để kiểm tra độ chính 
xác của bộ điều khiển PID. Cho ROV tiến 
với góc heading là 900, thực hiện lặn ở độ sâu 
1m. Thực hiện thử nghiệm nhiều lần để kiểm 
tra tính ổn định của hệ thống. Trong quá trình 
thử nghiệm, điều chỉnh các hệ số của bộ điều 
khiển PID cho đạt được kết quá tốt nhất theo 
phương pháp thử-sai. Kết quả của thực 
nghiệm được minh họa ở hình bên dưới. 
Hình 10.ROV tiến với góc mong muốn là 900 
Hình 11. ROV xoay 900 
Hình 12. ROV lặn 1m 
Hình 10 cho ta thấy đáp ứng góc heading 
của ROV khi xoay từ góc ban đầu 820 đến 
góc mong muốn là 900 với thời gian là 2.5s, 
độ sai số lớn nhất trong trường hợp này là ±20. Tương tự, hình 11 cho ta thấy đáp ứng 
góc heading của ROV khi xoay từ 1800 về 
900 trong thời gian 10.5s, độ sai lệch lớn nhất 
là ±20. Hình 12 cho ta thấy đáp ứng của 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI SỐ 27+28 – 05/2018 
161 
ROV khi lặn ở độ sâu 1m. Trong trường hợp 
này, sai số lớn nhất là ±0.03m với thời gian 
đáp ứng là 18s. Kết quả thực nghiệm cho 
thấy hệ thống hoạt động ổn định, đáp ứng 
được yêu cầu đặt ra. 
5. Kết luận 
Bài báo đã trình bày về vấn đề nghiên 
cứu thiết kế, mô hình thực nghiệm và giải 
thuật để điều khiển ROV. Với việc kết hợp 
các phần cơ, điện, hardware/software và bộ 
điều khiển trong quá trình thiết kế. Các 
hướng nghiên cứu tiếp theo có thể là ROV 
bám theo quỹ đạo cho trước, gắn thêm 
camera và tay máy để có thể quan sát và hoạt 
động nhằm thay thế con người dưới đáy biển. 
Đây là một đề tài hay, với nhu cầu hiện tại 
của nước ta, nhà nước cần đầu tư phát triển 
các dạng mô hình ROV để giảm giá thành 
cũng như phụ thuộc vào nước ngoài. 
Tài liệu tham khảo 
[1] Thor Inge Fossen. Handbook of Marine Craft 
Hydrodynamics and Motion Control, 2011. 
[2] Robert D. Christ and Robert L. Wernli. The 
ROV manual – the user guide for Remotely 
Operated vehicles, 2014. 
[3] Thor Inge Fossen. Marine Control Systens – 
Guidance, Navigation and Control of Ship, Rigs 
and Underwater Vehicles, 2002. 
[4] Hung Duc Nguyen, Sachith Malalagama, Dev 
Ranmuthugala. Design, modelling and 
simulation of remotely operated vehicles, 2013. 
[5] Louis Andrew Gon Zalez. Design, modelling and 
control of an Autonomous Underwater Vehicle, 
2004. 
[6] J.H.A.M. Vervoort. Modeling and control of 
Unmanned Underwater, 2009 
[7] R.L.Eubank, A Kalman Filter Primer, 2006. 
 Ngày nhận bài: 1/3/2018 
 Ngày chuyển phản biện: 5/3/2018 
 Ngày hoàn thành sửa bài: 26/3/2018 
 Ngày chấp nhận đăng: 3/4/2018