ยานใต้น้ำควบคุมผ่านสายส่งระยะไกล 4 องศาอิสระ

Abstract

การวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อ ออกแบบยานใต้น้ำที่เรียกว่า “BENBAM-G3” พร้อมศึกษาระบบควบคุม โดยยานสามารถเคลื่อนที่ได้ 4 องศาอิสระ คือ 1) หน้า-หลัง 2) ซ้าย-ขวา 3) ดำขึ้นลง และ 4) หมุนรอบแกนตั้ง โดยขอบเขตด้านสมรรถนะยานสามารถ 1) ความเร็วการเคลื่อนที่หน้า-หลัง และซ้าย-ขวา ไม่เกิน 0.5 m/s[subscript 2]) หมุนรอบแกนตั้ง ±180 องศา และ 3) ดำน้ำได้ลึก 2 เมตร ขั้นตอนวิจัยเริ่มต้นจาก 1) ออกแบบตัวยานทั้งระบบทางกลและไฟฟ้าและสร้างชุดผลักที่ให้แรงผลัก 6 N จำนวน 8 ชุด ทำหน้าที่เป็นอินพุตสร้างแรงขับเคลื่อน 2) ทดสอบหาค่าสัมประสิทธิ์ ไฮโดรไดนามิกส์ของยานใต้น้ำ ด้วยวิธีแรงฉุดคงที่และประมาณค่าด้วยเทคนิค least square และได้ค่ามวลเพิ่มจากน้ำ ค่าสัมประสิทธิ์ความหน่วงแบบเชิงเส้นและค่าสัมประสิทธิ์แรงต้านอันดับสองที่เหมาะกับยานที่สุดคือ (424 kg, 24 Ns/m, 1416 N.(s/m)[subscript 2]) สำหรับการเคลื่อนที่เดินหน้า (454 kg, 127 Ns/m, 219 N.(s/m) [subscript 2]) สำหรับการเคลื่อนที่ด้านข้าง (908 kg, 254 Ns/m, 437 N.(s/m) [subscript 2]) สำหรับการ เคลื่อนที่แนวดิ่ง และ (15 kg.m[subscript 2], 4 N.s/rad, 6 N.(s/rad) [subscript 2]) สำหรับการหมุนรอบแกนตั้ง 3) ออกแบบ ระบบควบคุมความเร็วในการเคลื่อนที่หน้า-หลัง ซ้าย-ขวา และ ระบบควบคุมองศาการหันเห และ รักษาระดับความลึก โดยใช้ตัวควบคุมแบบป้อนกลับตัวแปรสถานะ จากนั้นจำลองการเคลื่อนที่ด้วย สมการพลศาสตร์ในโปรแกรม MATLAB/Simulink และทดสอบการเคลื่อนที่ของยานจริงในสระน้ำ เมื่อนำค่าสัมประสิทธิ์ไฮโดรไดนามิกส์ที่ได้จากการทดสอบ มาใช้ร่วมกับตัวควบคุมแบบ ป้อนกลับตัวแปรสถานะกับยานจริง สามารถควบคุมความเร็วหน้า-หลัง ซ้าย-ขวา ที่ความเร็ว 0.03 - 0.05 m/s ภายในเวลา 2 วินาที หมุนรอบแกนแนวตั้งที่มุมเพิ่มทีละ 5 องศา ในเวลา 5 วินาที และไต่ ระดับความลึกทีละ 0.1 m ในเวลา 4 วินาที และจากการเปรียบเทียบตัวควบคุม PID กับตัวควบคุมแบบป้อนกลับตัวแปรสถานะ พบว่ามีผลตอบสนองไวและมีค่าความผิดพลาดน้อยกว่า 20 เปอร์เซ็น

The purposes of this thesis are to design a 4-DOF Remotely Operated Vehicle (ROV), which called “BENBAM-G3” and to study a control system for 4-DOF motion of ROV: 1) forwardbackward motion, 2) turn left-turn right, 3) up-down motion and 4) rotate around vertical axis. The ROV performance capabilities are 1) velocity in surge and sway directions within 0-0.5 m/s, 2) ±180-degree rotation around vertical and 3) submerged depth of 2 meter. Research procedures consist of 1) designing of ROV mechanical and electrical systems and constructing 8 thrusters with 6-N thrust force per thruster, acting as propulsion inputs and 2) experimental estimation of ROV hydrodynamics coefficients (HCs) using a least-square parameter estimation technique by towing ROV with constant forces. The most suitable HC estimation of this ROV including added mass, linear and quadratic dampimgs for surge motion, sway motion, heave motion and yaw motion are (424 kg, 24 Ns/m, 1416 N.(s/m) [subscript 2]), (454 kg, 127 Ns/m, 219 N.(s/m) [subscript 2]), (908 kg, 254 Ns/m, 437 N.(s/m) [subscript 2]), (15 kg.m[subscript 2], 4 N.s/rad, 6 N.(s/rad) [subscript 2]), respectively, 3) designing the speed controllers for surge and sway motion, heading and depth controllers using an state feedback control and then simulating dynamic motion within MATLAB/Simulink and performing a ROV experimental tests in the pool. Using designed state-feedback controller with derived HCs, ROV velocity in surge and sway motions can ramp up from rest to 0.03-0.05 m/s with a settling time of 2 second. Heading control for 5-degree increment can be achieved within 5 second. Depth control for 0.1-meter increment can be done within 4 second. Comparing with the PID controller, the state-feedback controller yields faster response and has the steady-state error less than 20 percentage.