การควบคุมระดับความลึกของหุ่นยนต์ดำน้ำแบบอัตโนมัติ

Abstract

การออกแบบระบบควบคุมสำหรับหุ่นยนต์ดำน้ำให้เหมาะสมนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่งในการทำงานภาคสนาม ที่ช่วยรักษาตำแหน่งในสภาพที่มีความแปรปรวนจากกระแสน้ำอย่างมีประสิทธิภาพ ในงานวิจัยนี้จึงได้แบ่งออกเป็น 2 ส่วน ส่วนที่ 1 เป็นการออกแบบระบบควบคุมโดยใช้ แบบจำลองทางพลศาสตร์ของหุ่นยนต์ดำน้ำส่วนที่ 2 เป็นการออกแบบและสร้างหุ่นยนต์ดำน้ำ แบบ 4 ใบพัด ในการทดสอบระบบควบคุมโดยใช้แบบจำลองทางพลศาสตร์ของหุ่นยนต์ดำน้ำ ได้ประยุกต์ใช้สมการพลศาสตร์ของ VideoRayIII และใช้การควบคุมแบบสไลด์ดิ่งโหมด และ พีไอดีเพื่อเปรียบเทียบประสิทธิภาพในการควบคุมรักษาระดับความลึกในแนวแกน z ส่วนในระนาบ x-y นั้นใช้ระบบควบคุมแบบพีไอดีและทำการปรับค่าพารามิเตอร์ของระบบควบควบคุม ทั้ง 2 แบบ เพื่อให้สามารถรักษาระดับในแนวดิ่งให้อยู่ที่ระดับความลึกที่ต้องการที่ดีที่สุดจากผลการจำลองการควบคุมระดับความลึกด้วยสมการทางพลศาสตร์ ระบบควบคุมแบบสไลด์ดิ่งโหมดจะให้ผลตอบสนองที่เร็วและไม่เกิดการกวัดแกว่ง ส่วนระบบควบคุมแบบพีไอดี จะมีผลตอบสนองที่กวัดแกว่ง แต่จะสามารถควบคุมความลึกในระดับที่กำหนดได้อย่างแม่นยำกว่า ในการสร้างหุ่นยนต์ดำน้ำมี 2 ใบพัดในแนวดิ่ง และอีก 2 ใบพัดในแนวราบที่สามารถหมุนได้ทางเดียว และ โครงสร้างหุ่น สามารถดำน้ำลึกได้มากสุด 7 เมตรตามความยาวของสายที่ควบคุมโดยใช้จอยสติ๊กและใช้ไมโครคอนโทรเลอร์ในการควบคุมความเร็วของใบพัดและมีเซ็นเซอร์วัดความดันเพื่อป้อนกลับระดับความลึก โดยอุปกรณ์อิเล็คโทรนิคส์เก็บไว้ในถังที่กั้นน้ำ 2 ถัง ทางด้านบนของหุ่นเพื่อสร้างแรงลอยตัว ผลการทดสอบในสระน้ำ หุ่นยนต์ดำน้ำสามารถรักษาระดับความลึกในแนวดิ่งได้ตามคำสั่งโดยใช้การควบคุมแบบพีไอดี โดยมีค่าความคลาดเคลื่อนของระดับความลึกอยู่ที่ +5 เปอร์เซ็น เนื่องจากเซ็นเซอร์มีสัญญาณรบกวนจากสิ่งแวดล้อมโดยเฉพาะกระแสน้ำ

Proper control design of Remotely Operated Vehicle (ROV) is especially important for holding position in the field operation within uncertain environment from strong current. This research can be mainly divided into 2 parts: 1) controller design using the ROV dynamics simulation, 2) design and construction of ROV with 4 propellers. The dynamics models of the VideoRayIII underwater robot are used for testing and comparing the depth control in the z-direction between Sliding Mode Control (SMC) and Proportional Integral Derivative control (PID). While ROV horizontal motion on x-y plane is controlled by PID control. Furthermore, parameters of both PID and SMC controllers are tuned so that an optimized performance is obtained. According to depth-control simulation, SMC controller yields fast response in the vertical motion without overshoot. On the other hand, the response in the vertical motion using PID controller becomes more oscillatory and drives steady-state error to zero. Construction of 4-propeller ROV is composed of a pair of propellers aligning along the z-direction and the other pair of propellers, laying horizontally, all propellers can propel only in forward direction. ROV structure can dive upto 7-m depth because of a limitation of control-cable length. Using a microcontroller, propellers’ speed can be manually controlled with a joystick and water depth is feedbacked with a pressure sensor. All electronics are contained inside 2 waterproof tanks, producing buoyancy force on top of ROV structure. Experiments in pond show that ROV can automatically maintain its vertical position according to depth command using PID controller with accuracy of +5%, since there exists pressure-sensor measurement noise, particularly from current.