TÓM TẮT LUẬN VĂN THIẾT KẾ THIẾT BỊ LẶN AUV ĐỂ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG KHI VẬN HÀNH
Ở trong nước với kỷ nguyên công nghệ và nền kinh tế đa chiều, toàn cầu hóa, việc phát triển các hệ thống công nghiệp có vai trò quan trọng trong quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa và bảo vệ đất nước. Việc nghiên cứu tác động của môi trường biển tới đời sống kinh tế xã hội của dân sinh là điều rất cần thiết đối với nước ta. Các vấn đề cần quan tâm như là: cảnh báo thiên tai và sóng thần, khảo sát hệ sinh thái dưới biển, khảo sát, thăm dò, khai khoáng và lấy mẫu môi trường nước. Các hoạt động trên đòi hỏi phải có các thiết bị lặn thay thế con người. AUV (Autonomous Underwater Vehicles) là thiết bị có thể đáp ứng được nhu cầu cần thiêt của chúng ta. Do đó, việc nghiên cứu sản xuất các thiết bị này trong nước sẽ tăng tính chủ động, sản xuất hàng loạt sẽ giảm chi phí nhập khẩu, giảm lệ thuộc công nghệ từ nước ngoài. Chính vì thế nhóm quyết định đi vào nghiên cứu, tìm hiểu và thiết kế thiết bị lặn AUV và quyết định lựa chọn đề tài “THIẾT KẾ THIẾT BỊ LẶN AUV ĐỂ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG KHI VẬN HÀNH ” làm đề tài cho luận văn.
Nội dung của luận văn bao gồm các công việc chính sau đây:
- Khảo sát tình hình nghiên cứu ứng dụng AUV trên thế giới.
- Đề ra phương án và chọn phương án thuyết phục nhất.
- Tính toán động học, động lực học máy.
- Tính bền và thiết kế máy.
MỤC LỤC LUẬN VĂN THIẾT KẾ THIẾT BỊ LẶN AUV ĐỂ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG KHI VẬN HÀNH
LỜI CẢM ƠN.. i
TÓM TẮT LUẬN VĂN.. ii
MỤC LỤC.. iii
DANH MỤC HÌNH ẢNH.. viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU.. xiii
CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN.. 1
1.1 Lịch sử nghiên cứu các phương tiện dưới nước.1
1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới5
1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước. 6
1.4 Tính cấp thiết và tính mới của đề tài7
1.5 Một vài thiết bị AUV trên thị trường. 11
1.6 Mục tiêu của đề tài15
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT.. 17
2.1 Hệ tọa độ sử dụng.17
2.2. Phương trình động lực học. 17
2.3 Biên dạng vỏ tàu.19
2.2 Nguyên tắc hoạt động cơ bản của AUV.. 23
CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN.. 29
3.1 Phân tích công việc cần thực hiện. 29
3.2 Phân tích và lựa chọn vật liệu.30
3.3 Phân tích và lựa chọn các phương án lặn– nổi.32
3.3.1. Chế độ lặn - nổi lên tĩnh.32
3.3.2. Chế độ lặn – nổi lên động.46
3.3.3. Kết luận lựa chọn phương án.50
3.4 Lựa chọn các phương án bố trí.52
3.4.1. Phương án 1: Chỉ dùng đối trọng kết hợp với thiết bị đẩy 52
3.4.2. Phương án 2: Dùng hai piston điều khiển bằng một động cơ.53
3.4.3. Phương án 3: Dùng hai piston điều khiển bằng một động cơ và điều chỉnh cân bằng bằng đối trọng.55
3.4.5. Phương án 5: Dùng hai piston điều khiển bằng hai động cơ.59
. 59
3.5 Lựa chọn cấu trúc điều khiển. 61
3. 6 Lựa chọn phương pháp định hướng và tìm hiểu các thiết bị cảm biến.65
3.6.1 Lựa chọn phương pháp định hướng. 65
3.6.2 Giới thiệu về các thiết bị đo lường, cảm biến. 72
CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC TÀU.. 75
4.1. Động học. 75
4.1.1. Các hệ tọa độ tham chiếu.75
4.1.2. Các góc Euler.76
4.1.3. Mô hình toán của AUV (State Space Representation of the AUV).76
4.1.4. Chuyển đổi vector trạng thái.77
4.2. Động lực học.79
4.2.1. Ma trận khối lượng và quán tính.80
4.2.2. Ma trận Coriolis và hướng tâm (Coriolis and Centripetal Matrix).82
4.2.3. Ma trận sức cản thủy động lực học. 83
4.2.4. Ma trận trọng lực và lực nổi.84
4.2.5. Vector lực đẩy và moment đẩy.85
4.2.6. Tổng hợp các phương trình thủy động lực học.85
4.3. Các hệ số lực.87
4.3.1. Các lực thủy tĩnh.87
4.3.2. Lực cản thủy động lực học (Hydrodynamic Damping).87
4.3.3. Khối lượng tăng thêm (Added mass).89
4.3.4. Lực nâng tàu.92
4.3.5. Sức đẩy (Propulsion model).97
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ.. 98
5.1 Tính toán sức bền cho phương tiện tự hành dưới nước AUV.98
5.2 Tính toán chọn O-ring.108
5.2.1 Giới thiệu.108
5.2.2 Tính toán áp suất nước ở độ sâu 20 m.108
5.2.3 Chọn vật liệu và kích thước O-ring.109
5.2.4 Chọn kích thước O-ring.109
5.2.5 Chọn O-ring cho mối lắp động (xylanh, pít-tông).112
5.3 Tính toán lực dọc trục tác dụng lên piston.116
5.3.1 Tính toán lực ma sát giữa O-ring với thành xy lanh khi piston di chuyển.116
5.3.2 Tính toán áp lực nước tác dụng lên piston.117
5.3.3 . Tính toán tổng tải trọng dọc trục.117
5.4 Tính toán chọn vít me cho cụm piston – xylanh.119
5.5 Tính toán lựa chọn ổ lăn của cụm đỡ vitme piston - xylanh 120
5.6 Tính toán chọn động cơ cho cụm piston – xylanh.121
5.7 Chọn bạc trượt dẫn hướng cụm piston – xylanh.123
CHƯƠNG 6: HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG.. 125
6.1 Động cơ chu trình khép kín. (Closed Cycle Engines).127
6.2 Pin.128
6.2.1 Pin kiềm (Alkaline).129
6.2.2 Pin Silver oxide (oxit bạc).130
6.2.3 Pin Zinc chloride và Zinc carbon.130
6.2.4 Pin Lithium.130
6.2.5 Pin Ni Cad.130
6.2.6 Pin Ni-MH (Nickel Metal Hudride).131
6.2.7 Pin Lithium Ion (Li Ion).131
6.2.8 Pin Lithium Polymer (LiPo).133
6.3 Pin nhiên liệu.133
6.4 Năng lượng hạt nhân.135
6.5 Kết luận.135
CHƯƠNG 7: THIẾT BỊ ĐẨY.. 140
7. 1 Giới thiệu về thiết bị đẩy.140
7. 2 Lựa chọn thiết kế.140
Tổng kết146
Hướng phát triển. 146
TÀI LIỆU THAM KHẢO.. 147
DANH MỤC HÌNH ẢNH LUẬN VĂN THIẾT KẾ THIẾT BỊ LẶN AUV ĐỂ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG KHI VẬN HÀNH
Hình 1. 1 Thiết bị lặn Bathysphere. [1]1
Hình 1. 2 Tài nguyên biển Việt Nam.[30]8
Hình 1. 3 AUV đang khảo sát môi trường sông.[31]8
Hình 1. 4 AUV đang tiến hành lập bản đồ đáy biển.[31]9
Hình 1. 5 Các hoạt động thăm dò ngoài khơi trong ngành công nghiệp dầu khí.[31]9
Hình 1. 6 Một AUV đang thực hiện giám sát đường ống dầu.[31]10
Hình 1. 7 Thiết bị AUV đang được sử dụng trong quân sự.[31]11
Hình 1. 8 AUV Remus của Woods Hole Oceanographic Institution.[5]12
Hình 1. 9 Lightweight AU [5]13
Hình 1. 10 AUV Autosu6000 [5]14
Hình 1. 11 Slocum Glider G3[5]15
Hình 2. 1. Các hệ tọa độ và tham số chuyển động của AUV [12]17
Hình 2. 2. Thiết bị AUV theo biên dạng ngư lôi.[1]19
Hình 2. 3. Các bậc tự do của thiết bị.[6]20
Hình 2. 4. Thiết bị AUV không theo biện dạng ngư lôi.[1]21
Hình 2. 5. Biên dạng Myring.[7]22
Hình 2. 6. Các lực tác động lên tàu với trọng tâm cao hơn tâm nổi ( thường khi tàu ở trạng thái nổi )24
Hình 2. 7. . Các lực tác động lên tàu với trọng tâm thấp hơn tâm nổi ( thường khi tàu ở trạng thái lặn )25
Hình 2. 8 Nguyên tắc lặn – nổi của đa số các tàu ngầm lớn hiện nay (USA UK: theo phương pháp Mỹ, Anh; Russian: theo phương pháp Nga) [10]25
Hình 2. 9 Sự cân bằng của tàu với góc lắc dọc ( nghiêng sang phải hoặc sang trái).[8]26
Hình 2. 10 Sự cân bằng của tàu với góc ngang ( chúi đầu xuống hoặc lên ).[8]27
Hình 2. 11 Moment hồi phục khi tàu ở chế độ nổi.[9]27
Hình 2. 12 Moment hồi phục khi tàu ở chế độ lặn.[9]28
Hình 3. 1. Hình dạng vỏ AUV theo biên dạng Myring.[7]29
Hình 3. 2. Nguyên lý lặn – nổi tĩnh của tàu lặn.[8]33
Hình 3. 3.Hệ thống bơm áp thấp. [10]34
Hình 3. 4. Hệ thống bơm áp cao.[10]35
Hình 3. 5. Hệ thống dùng piston.[10]36
Hình 3. 6. Nguyên lý hoạt động nhờ truyền động thủy lực, khí nén.[10]36
Hình 3. 7. Xylanh khí nén [10]37
Hình 3. 8. Xylanh thủy lực[10]37
Hình 3. 9. Cơ cấu truyền động vitme đai ốc bi.[19]38
Hình 3. 10. Cơ cấu truyền động vitme đai ốc.[19]39
Hình 3. 11. Ren hình thang cân.[18]40
Hình 3. 12. Ren răng cưa.[18]40
Hình 3. 13. Ren hình vuông.[18]41
Hình 3. 14. Hệ thống dùng khí.[10]43
Hình 3. 15. Nguyên lý hệ thống khí tuần hoàn.[10]45
Hình 3. 16. Nguyên lý hệ thống cải tiến khí tuần hoàn .[10]46
Hình 3. 17. Nguyên lý lặn động của tàu ngầm nhờ điều khiển góc cánh lái.[9]47
Hình 3. 18. Nguyên lý lặn động của tàu ngầm nhờ điều khiển đối trọng.[9]47
Hình 3. 19. Góc bánh lái trong quá trình lặn. [10]48
Hình 3. 20. Lặn – nổi động sử dụng đối trọng. 50
Hình 3. 21. Sơ đồ bố trí phương án sử dụng đối trọng.52
Hình 3. 22. Khả năng di chuyển của phương án 1.53
Hình 3. 23. Sơ đồ bố trí phương án dùng hai piston điều khiển bằng một động cơ. 54
Hình 3. 24. Khả năng di chuyển của phương án 2.54
Hình 3. 25. Sơ đồ bố trí phương án sử dụng hai piston điều khiển bằng một động cơ và một đối trọng.56
Hình 3. 26. Khả năng duy chuyển của phương án 3.56
Hình 3. 27. Sơ đồ bố trí sử dụng phương án một piston và một đối trọng.57
Hình 3. 28. Khả năng duy chuyển của phương án 4.58
Hình 3. 29. Sơ đồ bố trí phương án sử dụng hai piston điều khiển băng hai đọng cơ.59
Hình 3. 30. Khả năng duy chuyển của phươn án 5.59
Hình 3. 31 Cấu trúc hệ điều khiển vong hở.[11]62
Hình 3. 32. Cấu trúc điều khiển vòng nửa kín ( Máy CNC ).[11]63
Hình 3. 33. Cấu trúc hệ điều khiển vòng kính ( Máy hong khô áo quần).[11]64
Hình 3. 34. Hệ thống định vị đường cơ sở dài LBL( Long Baseline )[29]69
Hình 3. 35. Hệ thống định vị đường cơ sở ngắn SBL ( Short Baseline )[29]70
Hình 3. 36. Hệ thống định vị đường cơ sở cực ngắn USBL ( Ultra Short Baseline )[29]71
Hình 3. 37. Thiết bị đo vận tốc DVL. 72
Hình 3. 38. Thiết bị Alitimeter. 72
Hình 3. 39. Cảm biến AHRS. 73
Hình 3. 40. Cảm biến áp suất73
Hình 3. 41. Thiết bị giao tiếp sóng âm.74
Hình 3. 42. Mạch GPS. 74
Hình 4. 1. Định nghĩa các hệ tọa độ và đặt tên cho tất cả các bậc tự do.[12]76
Hình 4. 2. Hình 4.2 Sự dịch chuyển của hệ tọa độ B so với W, trong đó và là các vector đơn vị trong hệ tọa độ W và là vector đơn vị trong hệ tọa độ B khi B ở vị trí dịch chuyển cuối cùng.[12]77
Hình 4. 3. Góc tấn hiệu quả của cánh lái dọc (rudder).[13]96
Hình 4. 4. Góc tấn hiệu quả của cánh lái ngang (stern plane).[13]96
Hình 5. 1. Thân thiết bị AUV.. 98
Hình 5. 2. Vỏ AUV với độ dày 1mm.. 99
Hình 5. 3. Phần đầu cố định và áp lực tác động lên vỏ.99
Hình 5. 4. Mô hình lưới của vỏ AUV.. 100
Hình 5. 5. Trường ứng suất Von Mises tác động lên thành ống dày 1mm.101
Hình 5. 6. Kích thước biến dạng dẻo của thân vỏ thiết bị AUV với độ dày 1mm.. 101
Hình 5. 7. Trường ứng suất Von Mises tác động lên thành ống dày 3,18mm.102
Hình 5. 8. Kích thước biến dạng dẻo của thân vỏ thiết bị AUV với độ dày 3,18mm.102
Hình 5. 9. Ống nhôm T6 – 6061.103
Hình 5. 10. Vách ngăn với độ dày vách 2mm.103
Hình 5. 11. Áp lực tác động lên vách ngăn.104
Hình 5. 12. Mô hình và thông số lưới vách ngăn.105
Hình 5. 13. Trường ứng suất Von Mises tác động lên vách ngăn dày 2mm.106
Hình 5. 14. Kích thước biến dạng chảy dẻo của chi tiết với độ dày mặt chắn 2mm.106
Hình 5. 15. Trường ứng suất Von Mises tác dụng lên vách ngăn dày 3mm và 4mm.107
Hình 5. 16. Kích thước biến dạng chảy dẻo của chi tiết với độ dày mặt chắn lần lượt là 3mm và 4mm.108
Hình 5. 17. O-ring.108
Hình 5. 18. Ký hiệu kích thước O-ring. 109
Hình 5. 19. Kích thước rãnh do nhà sản xuất khuyến nghị.[14]109
Hình 5. 20. Góc vát do nhà sản xuất đề nghị.[14]110
Hình 5. 21. Kích thước O-ring sau khi lắp, bị biến dạng.110
Hình 5. 22.H. Phần diện tích tiếp xúc giữa O-ring với mặt trong vỏ tàu sau khi lắp.111
Hình 5. 23. Các kích thước mối lắp O-ring.111
Hình 5. 24. Độ nén thực tế của O-ring khi áp suất bằng không và lớn hơn không.[14]112
Hình 5. 25. Các kích thước Back-up Ring.113
Hình 5. 26. Các kích thước rãnh.[16]113
Hình 5. 27. Các kích thước mối lắp do nhà sản xuất khuyến nghị.114
Hình 5. 28. Bảng dung sai cho các kích thước.[16]114
Hình 5. 29. Kích thước O-ring sau biến dạng.115
Hình 5. 30. Sơ đồ lực tác dụng khi piston rút nước.118
Hình 5. 31. Sơ đồ lực tác dụng khi piston đẩy nước.118
Hình 5. 32. Mối quan hệ giữa hiệu suất và góc vít.[19]120
Hình 6. 1. Tầm hoạt động và vận tốc của AUV ABE.[1]126
Hình 6. 2. Cell pin Lithium Ion 18650.132
Hình 6. 3. Cell pin Lithium Ion Prismatic.132
Hình 6. 4.Cell pin LiPo.133
Hình 6. 5. Phản ứng sinh nhiệt và nước của pin nhiên liệu.134
Hình 6. 6. Thông số kỹ thuật của pin Panasonic NCA103450.138
Hình 6. 7. Kích thướt tổng thể và vị trí các cực điện của cell PIN.139
Hình 7. 1. Mối quan hệ giữ lực đẩy và công suất với tốc độ vòng quay của model 092EI.[27]142
Hình 7. 2. Bản vẽ tổng thể mô hình Underwater Thrusters 092EI-184.[27]143
Hình 7. 3. Lắp ráp phần động cơ đẩy với phần đuôi AUV.[27]143
Hình 7. 4. Cấu tạo bên trong bộ phận truyền động của động cơ đẩy.[27]144
Hình 7. 5. Biên dạng Rice Speed Nozzle và biên dạng của Rice Thrust Nozzle.[27]145
Hình 7. 6. Mô hình tổng thể Underwater Thrusters 092EI-184.[27]145
DANH MỤC BẢNG BIỂU LUẬN VĂN THIẾT KẾ THIẾT BỊ LẶN AUV ĐỂ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG KHI VẬN HÀNH
Bảng 1. 1. Sơ lược quá trình phát triển AUV trên thế giới.2
Bảng 1. 2. Dữ liệu thống kê và đự báo về sự phát triển AUV trên thế giới.( thực hiện bởi Hãng nghiên cứu chiến lược Douglas – Westwood )6
Bảng 1. 3. Thông số kĩ thuật của AUV Remus 100.12
Bảng 1. 4. Thông số kỹ thuật của Lightweight AU.13
Bảng 1. 5. Thông số kĩ thuật của Autosub6000. 14
Bảng 1. 6.Thông số kĩ thuật Slocum Glider G3.15
Bảng 2. 1. Các ký hiệu của SNAME cho AUV.18
Bảng 2. 2. Các thông số kích thước của AUV.23
Bảng 3. 1. Thông số kích thước của AUV.29
Bảng 3. 2. Các loại vật liệu làm thân vỏ AUV thường sử dụng.30
Bảng 3. 3.Thành phần hóa học của hợp kim nhôm T6-6061.32
Bảng 3. 4. Cơ tính của hợp kim nhôm T6-6061.32
Bảng 3. 5. Ưu nhược điểm của phương pháp truyền động bằng khí nén. 36
Bảng 3. 6. Ưu nhược điểm của phương pháp truyền động bằng thủy lực.37
Bảng 3. 7. Ưu nhược điểm của phương pháp truyền động bằng vitme đai ốc bi.38
Bảng 3. 8. Ưu nhược điểm của phương pháp truyền động bằng vitme đai ốc.39
Bảng 3. 9. Bảng đánh giá các cơ cấu vitme.41
Bảng 3. 10. Bảng đánh giá các phương án bố trí.61
Bảng 3. 11. Sẽ liệt kê một số lỗi gây ra bởi các cảm biến gia tốc và cảm biến quay.66
Bảng 3. 12. Chiều dài cơ sở sử dụng trong các hệ thống định vị sóng âm.68
Bảng 5. 1. Áp lực tác dụng tương ứng với chiều dày mặt chắn.105
Bảng 5. 2.Tổng hợp tính toán bộ truyền vít me đai ốc.120
Bảng 5. 3. Bảng tính toán hệ thống dẫn động.123
Bảng 6. 1. Nguồn năng lượng của các loại AUV [5 – Table 3].128
Bảng 6. 2. Phân loại pin thường và pin sạc. 129
Bảng 6. 3.Bảng so sánh các thông số pin.136
Bảng 6. 4. Một số thiết bị tiêu thụ điện trong thiết bị AUV.. 137
Bảng 7. 1. So sánh động cơ DC không chổi than và động cơ DC thông thường [27]141
CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
1.1 Lịch sử nghiên cứu các phương tiện dưới nước.
Đối với Trái Đất thì nước mặn bao phủ một diện tích khoảng 360.000.000 km2 và thường được chia thành một số đại dương chính và những biển nhỏ hơn, trong đó đại dương chiếm khoảng 71% bề mặt và 90% sinh quyển. Bên cạnh đó 97% lượng nước trên Trái Đất thuộc về đại dương và các nhà hải dương học đã phát biểu rằng hơn 95% đại dương thế giới chưa được khám phá. Có thể nói rằng đại dương luôn hấp dẫn nhân loại. Hầu hết nghiên cứu ở thế kỉ 19 đều bằng việc thả lưới, thu thập mẫu sau đó nghiên cứu và phân tích. Đến những năm 1930 những nỗ lực của Otis Barton và William Beebe đã giúp con người lặn xuống và quan sát đại dương ở độ sâu hơn 500m. [1]
Bảng 1. 1. Sơ lược quá trình phát triển AUV trên thế giới.
|
STT |
MÔ TẢ/ HÌNH ẢNH |
|
1 |
AUV: SPURV được phát triển bởi trường Đại học Washington, Hoa Kỳ, năm 1957. - Lặn sâu 3.000m và thời gian lặn liên tục 4 giờ. - Có khả năng đo nhiệt độ và độ chuyển, được sử dụng để hỗ trợ nghiên cứu hải dương học gồm: nghiên cứu truyền tải âm thanh và phát hiện tàu ngầm. [1] |
|
2 |
AUV: Epaulard được chế tạo bởi Viện nghiên cứu đại dương (IFREMER), Pháp, năm 1980. - Dài 4m, nặng 2.9 tấn. - Lặn sâu tới 6.000m, được sử dụng trong nghiên cứu đại dương. [1] |
|
3 |
AUV: AUSS được chế tạo bởi Trung tâm nghiên cứu quân sự về đại dương và không gian (SPAWAR), Hoa Kỳ, năm 1983. - Hoạt động ở độ sâu lên đến 6.000m. - Có thể chụp và truyền hình ảnh đáy đại dương thông qua một máy truyền âm ở tốc độ lên đến 4.800 bit/s. - Được trang bị các Sonar quét bên và các Sonar nhìn về phía trước để giúp xác định vị trí các đối tượng lạ trong đại dương. [1] |
|
4 |
AUV: REMUS 6000 được chế tạo bởi tập đoàn Kongsberg Maritime, Na Uy, năm 1997. - Có thể lặn sâu tới 6.000m. - Phục vụ nghiên cứu giám sát, thăm dò và lập bản đồ đại dương. - Dễ dàng túy biến cho các tác vụ dân sự và tác vụ khác khi trang bị các Sonar chức năng. [1] |
|
5 |
AUV: SEAOTTER MKII được chế tạo bởi tập đoàn Atlas Elektronik, Đức, năm 2007. - Chiều dài 3.65m, trọng lượng 1000kg. Chiều sâu lặn tới 600m, tải trọng mang thêm đến 160kg và thời gian hoạt động một lần 20 giờ. - Tác vụ: thăm dò và khai khoáng tài nguyên biển, chống xâm nhập tàu ngầm, trinh sát và giám sát vùng kinh tế biển đảo và lập bản đồ. [1] |
|
6 |
AUV: Bluefin-9 được phát triển bởi tập đoàn Bluefin Robotics, Hoa kỳ, năm 2010. - Trọng lượng 60.5kg. Kích thước LxW = 1.65m x 0.24m. Lặn sâu lớn nhất 200m. Tốc độ di chuyển 2m/s. Thời gian hoạt động một lần là 12 giờ. - Sử dụng trong lĩnh vực thăm dò và khai khoáng tài nguyên biển, theo dõi và bảo vệ môi trường, trinh sát và giám sát vùng kinh tế biển đảo, bảo vệ hải cảng và giàn khoan. [1] |
Một trong những động lực lớn nhất cho việc phát triển thiết bị lặn không người lái Unmanned underwater vehicle (UUV) là khi độ sâu ngành công nghiệp dầu mỏ đã đạt đến giới hạn của thợ lặn và các lựa chọn thay thế là không còn. Đối với thiết bị lặn không người lái người ta thường chia thành 2 dạng đó là thiết bị lặn điều khiển từ xa Remotely operated underwater vehicle (ROV) hoặc là thiết bị lặn tự hành (AUV). Do kĩ thuật ban đầu còn kém, các cảm biến chưa được tinh gọn, hệ thống năng lượng chưa thể lưu trữ được nhiều nên hầu như thiết bị lặn tự hành chưa được phát triển. Đối với thiết bị ROV, sẽ cần ít nhất một người để điều khiển, thông qua bộ điều khiển sẽ cung cấp nguồn điện, truyền đạt thông tin qua dây dẫn, và hoạt động sẽ không quá phụ thuộc vào thời tiết, làm cho chúng trở thành lựa chọn hấp dẫn thay thế cho tàu ngầm có người lái. Bên cạnh nhiệm vụ khoa học, ROV nhanh chóng bắt đầu được sử dụng trong tất cả các ứng dụng dưới nước có thể như ngành công nghiệp năng lượng, truyền thông, cứu hộ, quân sự… Bên cạnh những lợi thế thì ROV cũng có một số vấn đề rằng thiết bị ROV cần một con tàu xung quanh để điều khiển trong khi nó đang làm nhiệm vụ, ở những khu vực có băng thì việc sử dụng ROV rất khó khăn, chiều dài dây cáp ROV cũng ảnh hưởng rất nhiều trong việc di chuyển xuống một độ sâu nhất định.
1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Phần lớn các robot dưới nước thương mại hiện nay là loại ROV được người trên tàu điều khiển qua dây dẫn. Các ứng dụng của ROV bị hạn chế nhiều do chi phí sử dụng cao và kém an toàn. Do vậy, nhu cầu phát triển robot tự hành dưới nước AUV ngày càng tăng. Thời gian gần đây, rất nhiều nghiên cứu về AUV được chú ý, nhất là để tăng khả năng tự động, tự thích nghi và tăng độ thông minh của robot. Vấn đề về điều khiển chuyển động trong môi trường động dưới nước với khả năng truyền tín hiệu hạn chế là một trong những thách thức lớn cho các nhà nghiên cứu. Ngoài ra, việc phối hợp điều khiển chuyển động với điều chỉnh lực là cần thiết khi robot thực thi các nhiệm vụ phức tạp dưới nước. Các vấn đề khác như tránh vật cản, định hướng trong môi trường thiếu ánh sáng cũng là các vấn đề được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. [2]
Tương lai các AUV sẽ sử dụng các cơ chế bơi như các động vật dưới nước. Các nghiên cứu theo hướng này mở ra nhiều triển vọng để robot tiết kiệm được năng lượng và tăng thời gian hoạt động dưới biển. Một số nghiên cứu về robot tự hành dưới nước cũng được đề cập đến thời gian qua.
Khoảng 1990 các mẫu AUV đầu tiên đòi hỏi một nỗ lực to lớn và các giải pháp kỹ thuật khôn khéo để bù đắp cho những hạn chế về công nghệ trong các mặt về năng lượng, pin và các cảm biến. Để triển khai những thiết bị đắt tiền tự hành trong một môi trường khắc nghiệt, và mong muốn chúng trở lại an toàn thực sự là một thách thức lớn trong kỹ thuật.
Sự phát triển ban đầu vẫn tiếp tục phát triển và, vào cuối thế kỷ trước, AUVs đã dần dần chuyển từ môi trường học thuật điều khiển đến những viển cảnh đầy thách thức, bao gồm các ứng dụng khoa học, thương mại và quân sự. Cụ thể là, từ năm 2000 đến 2010, là giai đoạn phát triển thị trường thương mại của AUV. Việc sử dụng công nghệ AUV vào các ứng dụng thương mại trở nên khá rõ ràng. Các chương trình sử dụng AUV được xây dựng và đưa vào hoạt động. Các thị trường AUV được xác định và đánh giá như một thị trường độc lập. Đây là một thập kỉ đánh mà công nghệ AUV chuyển từ nghiên cứu môi trường, học thuật sang các ngành công nghiệp, thương mại đại dương. [3]
Bảng 1. 2. Dữ liệu thống kê và đự báo về sự phát triển AUV trên thế giới.( thực hiện bởi Hãng nghiên cứu chiến lược Douglas – Westwood )
|
Giai đoạn |
Số lượng AUV |
Lĩnh vực sử dụng |
Căn cứ |
|
Trước – 2009 |
629 |
- Quân sự: 23%. - Thăm dò: 41%. - Nghiên cứu: 35%. - Khác: 11%. |
Thực tế AUV đã phát triển. |
|
2010 – 2019 |
1144 |
- Quân sự: 49%. - Nghiên cứu: 31%. - Dầu khí: 8%. - Thủy văn: 7%. - Cáp ngầm: 5%. |
- Nhu cầu năng lượng và khai thác dầu khí trữ lượng dưới lòng đại dương. - Yêu cầu an ninh quốc phòng. - Tiềm năng tài nguyên sinh vật biển. |
1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước LUẬN VĂN THIẾT KẾ THIẾT BỊ LẶN AUV ĐỂ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG KHI VẬN HÀNH
AUV có khả năng áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt trong quân sự và thương mại, nên được nhiều quốc gia đầu tư phát triển. Đặc biệt, lĩnh vực quân sự hiện là khách hàng chủ yếu của AUV - tương tư như đối với phương tiện bay không người lái.
Tại Việt Nam, AUV hiện chỉ mới bước những bước đầu, và chưa có nhiều kết quả. Những thông tin có thể tìm được, hầu hết tập trung dạng thiết bị tiền AUV, do những nhóm nghiên cứu robot phát triển, với cấu trúc cũng khá đơn giản.
Một ví dụ có thể kể đến là robot cá với hình dáng và di chuyển phỏng sinh học. Robot cá có kích thước khoảng 35cm x 70cm x 110cm, nặng 600g, được điều khiển từ xa bằng sóng vô tuyến. Nó có thể bơi trong hồ bơi (môi trường nước trong và tĩnh) gần giống với cá thật, với tốc độ bơi khoảng 0,6 m mỗi giây, ở độ sâu tôi đa khoảng 2m, đồng thời thực hiện các động tác bơi lên, lặn xuống, chuyển hướng một cách nhịp nhàng. Có thể thấy ngay nhược điểm ở đây là kỹ thuật điều khiển: hệ thống sử dụng sóng vô tuyến, hoàn toàn không thích hợp cho môi trường nước và phải cần đến người điều khiển. [4]
1.4 Tính cấp thiết và tính mới của đề tài
1.4.1 Nghiên cứu khoa học, quản lý môi trường
Đáng quan tâm nhất là nghiên cứu khoa học biển bao gồm nhiều chủ đề như sinh vật biển và động học sinh thái; hải lưu, sóng biển, và động lực chất lỏng; kiến tạo mảng và địa chất đáy biển; và thông lượng của nhiều chất hóa học và tính chất vật lý trong đại dương và các ranh giới mà nó vận chuyển qua.
Mặt khác, Việt Nam có đường bờ biển trải dài và một vùng biển rộng gấp 3 lần diện tích đất liền, chứa đựng nguồn tài nguyên vô cùng đa dạng và phong phú. Vì vậy, có thể nói, nghiên cứu khoa học biển, hải đảo là chìa khóa để Việt Nam tiến vào đại dương, tiếp cận với những lợi ích to lớn do biển mang lại; đồng thời, cũng giúp Việt Nam có cơ sở khoa học để hoạch định cơ chế, chính sách pháp luật quản lý, sử dụng tiết kiệm và hiệu quả tài nguyên biển. Do đó việc phát triển nghiên cứu khoa học biển là rất cần thiết. Tuy nhiên các phương pháp, kỹ thuật khảo sát truyền thống còn rất hạn chế trong việc nghiên cứu ở vùng biển sâu, xa bờ.
|
Hình 1. 2 Tài nguyên biển Việt Nam.[30] |
Bên cạnh đó, nhiệm vụ nghiên cứu khoa học ở các môi trường khác như sông ngòi, kênh rạch, ao hồ,..cũng hết sức quan trọng, vì mạng lưới sông ngòi, kênh rạch ở nước ta khá dày đặt. Do đó cần có nhiều hoạt động khoa học như quan trắc, giám sát môi trường, nghiên cứu đánh giá thủy văn,…để kịp thời phát hiện nguy cơ ô nhiễm và các tác nhân xấu khác gây ảnh hưởng đến môi trường, cũng như có các biện pháp để kịp thời phòng chống.
|
Hình 1. 4 AUV đang tiến hành lập bản đồ đáy biển.[31]
|
1.4.2 Công nghiệp dầu khí
|
Hình 1. 5 Các hoạt động thăm dò ngoài khơi trong ngành công nghiệp dầu khí.[31] |
Việc tìm kiếm các mỏ dầu khí ngoài khơi đã đưa ngành công nghiệp dầu mỏ vào những vùng nước ngày càng sâu. Trong thập kỷ qua, các hoạt động này đã vượt ra khỏi thềm lục địa ở Vịnh Mexico, Brazil, Tây Phi, Tây Bắc Châu Âu và Biển Địa Trung Hải. Với sự phát triển của lĩnh vực này trong các hoạt động với độ sâu tăng gấp đôi như vậy. Công nghệ khảo sát thủy văn truyền thống đã phải rất khó khăn để đáp ứng nhanh chóng cho những xu hướng này.
Việt Nam là một trong những nước có trữ lượng dầu nhiều nhất trên thế giới với nhiều mỏ dầu khí lớn như Mỏ Bạch Hổ, Sư Tử Đen, Đại Hùng,... Hiện nay, sản lượng dầu khí khai thác và xuất khẩu hàng năm đạt vào khoảng 20 triệu tấn/năm. Những phát hiện mới về dầu khí ở thềm lục địa miền Nam đã thu hút sự quan tâm cũng như tăng thêm niềm tin, tạo động lực cho các nhà đầu tư. Do đó công nghiêp dầu mỏ có tầm quan trọng kinh tế đặc biệt đối với đất nước.
|
Hình 1. 6 Một AUV đang thực hiện giám sát đường ống dầu.[31]
|
Bên cạnh đó, AUV cũng được sử dụng rộng rãi trong việc kiểm tra đường ống. AUV có thể kiểm tra các hư hỏng, ăn mòn và sự bẻ cong trên đường ống với sản phẩm công nghệ tiên tiến của phần mềm xử lý hình ảnh kỹ thuật số và phần mềm theo dõi đường ống. Việc tự động theo dõi đường ống giúp giảm chi phí vận hành và giảm bất kỳ loại rủi ro sức khoẻ nào cho con người, do môi trường nguy hiểm. Những việc kiểm tra các mảnh vỡ từ bom mìn, lặn tàu có thể được thực hiện hiệu quả hơn và nhanh hơn với AUV so với các phương pháp truyền thống.
1.4.3 Quân sự
Hiện nay, tính hình quân sự trên biển hết sức phức tạp, các vấn đề tranh chấp đảo, bán đảo, vùng biển đang ngày càng trở nên nóng hơn bao giờ hết. Các quốc gia trên thế giới đang ráo riết tập trung phát triển công nghệ, các thiết bị có thể lặng sâu và di chuyển nhanh dưới nước. Các nguy cơ về tàu lặn do thám có thể đánh cắp các thông tin mật, tàu lặn không người lái có khả năng mang theo vũ khí hạt nhân ngày càng tăng. Mặt khác, nước ta là một quốc gia có phần lớn đường biên giới giáp với biển đông, nhiều bán đảo và quần đảo, nhiều bến cảng, nhiều quân cảng như Vịnh Cam Ranh,… rất có thể là mục tiêu của các thế lực thủ địch. Do đó, việc phát triển các công nghệ kĩ thuật quân sự dưới biển là hết sức cấp bách và quan trọng.
|
Hình 1. 7 Thiết bị AUV đang được sử dụng trong quân sự.[31]
|
Hiện nay, việc sử dụng các thiết bị AUV đã trở nên phổ biến rộng rãi đối với các nhiệm vụ quân sự, nhằm tránh chi phí cao cho đội ngũ quân đội, làm giảm nguy cơ rủi ro về con người trong các môi trường nguy hiểm và, cuối cùng nhưng cũng không kém phần quan trọng, do thời gian kéo dài của các hoạt động quân sự. Chủ yếu, các thiết bị lặn tự hành đã được phát triển để thực hiện các biện pháp đối phó và trinh sát. Sau đó, các hệ thống và công nghệ cảm biến đã phát triển đáng kể và điều này đã thúc đẩy việc cải tiến các thiết bị lặn và khả năng hoạt động của chúng trong một quy mô rộng lớn.
1.5 Một vài thiết bị AUV trên thị trường
1.5.1 AUV Remus 100
AUV Remus 100 là sản phẩm của Woods Hole Oceanographic Institution (Hình 1.8) và có thông số kĩ thuật được trình bày trong bảng 1.1 [5].
Hình 1. 8 AUV Remus của Woods Hole Oceanographic Institution.[5]
Bảng 1. 3. Thông số kĩ thuật của AUV Remus 100.
|
Thông số kĩ thuật |
|
|
Đường kính |
190 mm |
|
Chiều dài |
1600 mm |
|
Khối lượng |
37 kg |
|
Khối lượng thu bớt |
1 kg |
|
Chiều sâu tối đa |
100m |
|
Thời gian hoạt động |
Với các nhiệm vụ thông thường là trên 10h ở vận tốc 2,3m/s với các cảm biến tiêu chuẩn. |
|
Vận tốc |
Có thể đạt được 2,3m/s |
|
Định vị |
Dùng Doppler hỗ trợ, hệ thống định vị toàn cầu GPS |
|
Xuất dữ liệu và báo cáo |
Trình báo cáo HTML và xuất văn bản ASCII |
|
Cảm biến bắt buộc |
Đo vận tốc (DVL/ACDP), đo độ sâu, đo tình trạng hệ thống, cảm biến phương hướng, thiết bị quét hình dùng sonar. |
|
Cảm biến không bắt buộc |
Cảm biến ECO, đo nồng độ Oxy và đo độ pH trong nước |
1.5.2 Lightweight AUV (LAUV)
Lightweight AUV (Hình 1.9) được thiết kế và phát triển tại Đại học Porto và hợp tác với OceanScan và có thông số kĩ thuật được trình bày tại bảng 1.2 [5]
Hình 1. 9 Lightweight AU[5]
Bảng 1. 4. Thông số kỹ thuật của Lightweight AU.
|
Thông số kĩ thuật |
|
|
Chiều dài |
1100mm |
|
Khối lượng |
15kg |
|
Đường kính |
150 mm |
|
Giới hạn độ sâu |
20m |
|
Tốc độ di chuyển |
1,5-2m/s |
|
Thời gian hoạt động |
8 tiếng |
|
Định vị |
Hệ thống định vị toàn cầu GPS, la bàn và cảm biến độ sâu |
|
Cảm biến |
Đo vận tốc (DVL/ADCP), thiết bị quét hình ảnh dùng sonar, máy ảnh kĩ thuật số, cảm biến CTD, cảm biến đo chất lượng nước, cảm biến huỳnh quang. |
1.5.3 AUV Autosub6000
|
Hình 1. 10 AUV Autosu6000[5] |
AUV Autosub6000 (Hình 1.10) được chế tạo bởi có thể hoạt động ở độ sâu đến 6000m với áp suất lên tới gàn 600 atm. Năm 2009 nó đã được thử nghiệm ở độ sâu 5600m với hệ thống tránh vật cản mới. Thông số kĩ thuật của thiết bị được trình bày tại
Bảng 1. 5. Thông số kĩ thuật của Autosub6000
|
Thông số kĩ thuật |
|
|
Chiều dài |
5,5m |
|
Khối lượng |
1800kg |
|
Thời gian hoạt động |
150km hoặc 30h ở vận tốc 5km/h |
|
Hệ thống năng lượng |
Tốn 7h để sạp đầy |
|
Hệ thống tránh vật cản |
Dùng Sonar để quét địa hình, được tối ưu hóa cho địa hình gồ ghề |
|
Cảm biến |
Cảm biến quét địa hình dùng sonar, đo vận tốc (DVL/ADCP), máy ảnh kĩ thuật số, một số cảm biến bổ sung khác. |
1.5.4 . Solcum Glider G3
Slocum Glider G3 (Hình 1.11) được chế tạo bởi Teledylnemarine, Glider là một dạng AUV tuy nhiên điểm khác biệt của nó là việc glider không dùng động cơ đẩy. Thông số kĩ thuật của thiết bị được trình bày ở bảng 1.6.
|
Hình 1. 11 Slocum Glider G3[5] |
Bảng 1. 6.Thông số kĩ thuật Slocum Glider G3.
|
Thông số kĩ thuật |
|
|
Chiều dài |
1,5m |
|
Đường kính |
220mm |
|
Khối lượng |
kg |
|
Vận tốc |
0,35m/s |
|
Thời gian hoạt động |
Có thể kéo dài đến vài tháng tùy vào loại năng lượng sử dụng. |
|
Định vị |
Hệ thống định vị GPS, cảm biến áp suất, altimeter. |
1.6 Mục tiêu của đề tài
Việt Nam có đường bờ biển dài, nhiều cảng, vũng, vịnh tài nguyên, khoáng sản biển phong phú, đa dạng và chủ yếu tập trung ở vùng thềm lục địa, đặc biệt là trong khoảng từ độ sâu 20m trở vào bờ, rặng san hô, sinh vật đa dạng,…Bên cạnh đó Việt Nam cũng sở hữu hệ thống sông ngòi dày đặc cần được nghiên cứu và bảo vệ tránh tác động xấu từ bên ngoài. Tuy nhiên do thời gian tìm hiểu, nghiên cứu cũng như khả năng có giới hạn, nhóm nghiên cứu chưa thể bao quát hết những yếu tố gặp phải ở độ sâu lớn, do đó trong luận văn này nhóm sẽ đặt ra yêu cầu cho đề tài chủ yếu khảo sát, nghiên cứu môi trường sông, và có thể phát triển để nghiên cứu môi trường biển. Thiết bị AUV của nhóm sẽ được thiết kế nhằm đáp ứng các mục tiêu sau:
-Thiết bị phải kín nước và chịu được áp lực ở độ sâu yêu cầu.
-Giới hạn độ sâu của thiết bị là khoảng 20m.
-Có thể hoạt động liên tục trong khoảng 1-2 giờ.
-Khối lượng thiết bị khoảng 20 - 30 kg.
-Đường kính 0,2 m.
-Có khả năng hoạt động linh hoạt, dễ dàng thay đổi trạng thái.
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Đặc tính cơ bản nhất của thiết bị AUV là kích cỡ và hình dạng. Việc xác định hình dạng cơ bản của AUV là bước đầu tiên trong thiết kế và mọi bước tính toán khác phải làm xung quanh biên dạng vỏ này. Các hình dạng của AUV sẽ xác định ứng dụng, hiệu quả và phạm vi hoạt động. Phần này sẽ thảo luận các vấn đề đi vào việc chọn biên dạng của AUV và lý thuyết chuyển động của tàu trong môi trường nước.
2.1 Hệ tọa độ sử dụng.
|
Hình 2. 1. Các hệ tọa độ và tham số chuyển động của AUV[12]
|
Hệ tọa độ NED: hình 2.1 biểu diễn hệ tọa độ không gian thường được gắn với trái đất, phổ biến nhất trong điều khiển phương tiện tự hành dưới nước. Ba thành phần củ hệ trục tọa độ này có trục x chỉ hướng tới phía Bắc, trục y hướng về phía đông và trục z hướng vuông góc với bề mặt trái đất. Nói chung, các điểm dẫn đường được định nghĩa với tham chiếu đến một điểm cố định trên trái đất; do đó nó thuận tiện trong việc định vị thiết bị trong tọa độ này.
2.2. Phương trình động lực học
Như đã trình bày phía trên, cả hai tọa độ NED và BODY đều có những đặc trưng hữu dụng trong thiết kế điều khiển AUV và có thể chuyển đổi những thông số chuyển đọng giữa hai tọa độ này với nhau tùy theo mục đích sử dụng.
Theo SNAME (the Society of Naval Architects and Marine Engineers), các hệ trục tọa độ dùng để chuyển động của phương tiện tự hành dưới nước (AUV) bao gồm hệ trục cố định trên trái đất và hệ trục cố định trên AUV được biểu diễn bởi ký hiệu như Bảng 2.1.
Bảng 2. 1. Các ký hiệu của SNAME cho AUV.
|
Bậc tự do |
Chuyển động |
Lực và momen |
Vận tốc |
Vị trí |
|
1 |
Trượt dọc |
X |
u |
x |
|
2 |
Trượt ngang |
Y |
v |
y |
|
3 |
Trượt đứng |
Z |
w |
z |
|
4 |
Lắc dọc |
K |
p |
ø |
|
5 |
Lắc ngang |
M |
q |
θ |
|
6 |
Quay trở |
N |
r |
Ψ |
Trong quá trình hoạt động, một phương tiện dưới nước chuyển động theo 6 bậc tự do được biểu diễn bởi phương trình sau:
ή = J(η)v (1.1)
Mύ+C(v)v+D(v)v+g(η)=τ+g0+ω
Ở đây:
v = [u,v,w,p,q,r]T là vận tốc của AUV trong hệ quy chiếu gắn liền với phương tiện.
η = [x,y,z,ø,θ,Ψ]T là vị trí tọa độ và góc Euler.
M là ma trận quán tính 6x6 bao gồm vật rắn chuyển động MRB và khối lượng bổ sung MA:
M = MRB + MA (1.2)
C là ma trận Coriolis và lực ly tâm 6x6 bao gồm cả khối lượng bổ sung:
C(v) = CRB(v) + CA(v) (1.3)
Giảm chấn thủy động lực tuyến tính và phi tuyến biểu diễn bởi ma trận 6x6 D(v); D biểu diễn đại lượng giảm chấn tuyến tính; Dn(v) biểu diễn đại lượng giảm chấn phi tuyến.
D(v) = D + Dn(v) (1.4)
g(η) là véc tơ 6x1 của lực trọng trường, các lực và mô men nổi.
...
2.1 Nguyên tắc hoạt động cơ bản của AUV
2.3.1 Nguyên tắc lặn nổi của tàu
Theo tài liệu [8], khi một vật thể lặn trong nước (lặn một phần hoặc lặn hoàn toàn), sẽ có 2 lực thủy tĩnh tác động lên nó (trong trường hợp này vật thể đó chính là tàu lặn AUV):
-Lực trọng trường (theo khối lượng), P: hợp lực của tất cả các trọng lực tác dụng lên mỗi cấu phần của tàu . Lực trọng trường luôn có phương hướng thẳng xuống dưới và có xu hướng giúp cho tàu lặn xuống. Lực này tác dụng lên trọng tâm G của tàu lặn.
-Lực nổi (Lực đẩy Archimedes): tác động lên phần thể tích lặn của tàu, có phương vuông góc với bề mặt vỏ tàu và độ lớn tỉ lệ với phần thể tích chiếm nước của tàu. Lực này có phương hướng thẳng lên trên và có độ lớn tỉ lệ với khối lượng nước mà phần thể tích lặn của tàu chiếm chỗ. Lực này cũng chính là lực đẩy Archimedes:
(2.3)
Trong đó:
là khối lượng riêng của nước, .
g là gia tốc trọng trường tại nơi AUV di chuyển, thường g = 9,81 .
là thể tích phần tàu lặn trong nước, .
Lực đẩy Acsimet có xu hướng giúp tàu nổi lên. Lực này tác dụng lên tâm thể tích của phần tàu lặn trong nước, gọi là tâm nổi B. Vị trí của tâm nổi phụ thuộc vào kích thước và hình dáng phần thân lặn của tàu.
Trước tiên, ta tạm thời xác định vị trí trọng tâm và tâm nổi của tàu tàu trong hệ toạ độ vuông góc Oxyz như sau (phần này sẽ được trình bày cụ thể và chính xác hơn trong Chương 4):
- Toạ độ của trọng tâm G là .
- Toạ độ tâm nổi B là .
|
Hình 2. 6. Các lực tác động lên tàu với trọng tâm cao hơn tâm nổi ( thường khi tàu ở trạng thái nổi ) |
Biết được khối lượng, thể tích choán nước, toạ độ trọng tâm và tâm nổi của tàu, ta có thể giải được các bài toán liên quan tới tính nổi, tính ổn định và tính chống lặn khi lặn của tàu.
|
Hình 2. 7 Các lực tác động lên tàu với trọng tâm nằm thấp hơn tâm nổi ( thường khi tàu ở trạng thái lặn).[8] |
|
Hình 2. 7. . Các lực tác động lên tàu với trọng tâm thấp hơn tâm nổi ( thường khi tàu ở trạng thái lặn ) |
Vậy về nguyên tắc, để tàu nổi lên hay lăn xuống, ta có thể dùng các cách sau:
-
|
Hình 2. 8 Nguyên tắc lặn – nổi của đa số các tàu ngầm lớn hiện nay (USA UK: theo phương pháp Mỹ, Anh; Russian: theo phương pháp Nga) [10]
|
Điều khiển trọng lực tác dụng lên tàu: Thông dụng nhất là rút nước từ môi trường vào nhằm làm tăng khối lượng tàu giúp tàu lặn xuống và xả nước ra để tàu nổi lên.
- Điều khiển lực nổi tác dụng lên tàu: Thông dụng nhất người ta sẽ điều khiển lực nổi thông qua việc tăng giảm thể tích chiếm nước của tàu.
- Sử dụng các ngoại lực khác: Ở đây, ta sẽ dùng các ngoại lực khác tác động lên tàu, các ngoại lực này sẽ cùng hướng với trọng lực hoặc lực nổi phụ thuộc vào mục đích là giúp tàu lặn hay nổi. Thông dụng nhất là sử dụng các động cơ đẩy.
2.3.2 Nguyên tắc cân bằng tàu
Theo tài liệu [8], tàu sẽ đạt trạng thái cân bằng khi các lực tác động lên nó là P và tương đương về độ lớn, phương phải nằm trên cùng 1 trục thẳng đứng và hướng ngược chiều nhau. Vì thế, trạng thái cân bằng của tàu được xác định theo 2 điều kiện sau:
- Lực đẩy Archimedes phải tương đương với với trọng lực tác động lên tàu.
- Trọng tâm và tâm nổi của tàu phải nằm trên cùng 1 trục thẳng đứng.
Điều kiện cân bằng đầu tiên dùng cho trạng thái nổi bất kì so với mặt biển được thể hiện qua phương trình duy nhất gọi là phương trình cơ sở của tính nổi:
(2.4)
Điều kiện cân bằng thứ hai là:
(2.5)
(2.6)
Cặp phương trình trên được thể hiện trong hai hình 2.4 và 2.5.
Hình 2. 9 Sự cân bằng của tàu với góc lắc dọc ( nghiêng sang phải hoặc sang trái).[8]
Hình 2. 10 Sự cân bằng của tàu với góc ngang ( chúi đầu xuống hoặc lên ).[8]
Theo tài liệu [9], ta sẽ xem xét sự cân bằng của tàu trong các chế độ hoạt động khác nhau. AUV có 2 chế độ hoạt động cơ bản: chế độ nổi và chế độ lặn.
Đối với chế độ nổi: Trọng tâm của tàu luôn ở vị trí cao hơn tâm nổi (). Tàu hoạt động như một tàu nổi trên mặt nước và có tất cả các tính năng cơ bản về ổn định và quay trở hoàn toàn giống tàu nổi. Khi chịu tác động của sóng, tàu bị nghiêng sang một bên, khi đó tâm nổi của tàu sẽ thay đổi, dịch từ B đến B1, lúc này sẽ phát sinh moment hồi phục do trọng lực với cánh tay đòn là khoảng cách theo phương ngang giữa 2 lực, . Giá trị mô men hồi phục lúc này
...
CHƯƠNG 7: THIẾT BỊ ĐẨY
Trong nước, các thiết bị đẩy sử dụng cho các phương tiện thủy dưới nước được bán với giá thành rất cao và đa phần phải nhập khẩu từ nước ngoài nhưng các động cơ đẩy dưới nước vẫn không thể đáp ứng cụ thể theo các yêu cầu về kích thước, công suất, độ sâu hoạt động. Do đó nhu cầu nghiên cứu, làm chủ công nghệ và tiến tới thiết kế, chế tạo động cơ đẩy cho các phương tiện dưới nước phục vụ cho an ninh, quốc phòng và đời sống dân sinh là một đòi hỏi tất yếu và cấp thiết.
7. 1 Giới thiệu về thiết bị đẩy.
Thiết bị đẩy dưới nước được thiết kế theo hướng tích hợp các module và được xây dựng theo từng hệ thống riêng từ thiết kế cơ khí, hệ thống điện cho đến xây dựng giải thuật điều khiển động cơ cho thiết bị để đảm bảo động cơ có thể hoạt động liên tục một thời gian dài ở độ sâu yêu cầu. Các thiết bị đẩy thường được chia thành hai nhóm chính là sử dụng thủy lực hoặc động cơ điện. Các thiết bị đẩy dạng thủy lực có tuổi thọ cao hơn, bền hơn, lực đẩy lớn hơn nhưng gây ra khó khăn trong việc bảo trì đường ống và trọng lượng lớn hơn nhiều so với các thiết bị đẩy sử dụng động cơ điện. Do đó thiết kế của nhóm sẽ dựa trên các thiết bị đẩy chạy bằng động cơ điện.
Các thành phần chính của thiết bị đẩy chạy bằng động cơ điện:
- Động cơ điện.
- Trục, khớp nối, các chi tiết ngăn nước.
- Cánh quạt.
- Ống đạo lưu.
7. 2 Lựa chọn thiết kế.
Những yêu cầu của thiết bị:
Qua quá trình tìm hiểu và nghiên cứu các thiết bị đẩy của các hãng trên thế giới, nhóm nghiên cứu đã đưa ra danh sách những yêu cầu kĩ thuật để phù hợp với các mục tiêu đề ra. Danh sách những yêu cầu gồm:
-Lựa chọn vật liệu có khả năng chống ăn mòn tốt, chịu được áp lực ở độ sâu 20m và trọng lượng của thiết bị đẩy không quá nặng.
-Đảm bảo thiết kế thiết bị đẩy kín nước.
-Giá trị lực đẩy liên tục vào khoảng 4–5kgf.
-Công suất của động cơ vào khoảng 100-500W.
-Hiệu suất cao.
Chọn ý tưởng thiết kế
Việc đưa ra các ý tưởng và so sánh những ý tưởng về giải pháp thiết kế, cách bố trí theo cách truyền thống lẫn theo phương pháp mới đã giúp nhóm chọn được những thành phần của thiết bị, đảm bảo đạt được các yêu cầu kỹ thuật cũng như những tiêu chuẩn của việc thiết kế. Qua quá trình tìm hiểu các thiết bị đẩy trên thị trường nhóm đã đưa ra những lựa chọn cho thiết kế: Sử dụng động cơ DC không chổi than,sử dụng chân vịt sẵn có trên thị trường, sử dụng ống đạo lưu theo biên dạng có sẵn.
Bảng 7. 1. So sánh động cơ DC không chổi than và động cơ DC thông thường [27]
|
Động cơ Nội Dung |
Động cơ một chiều DC thông thường |
Động cơ một chiều không chổi quét BLDC |
|
Hiệu suất |
75-80% |
80-90% |
|
Tiếng ồn |
Cao |
Thấp |
|
Bảo trì |
Thường xuyên bảo trì chổi than và cổ góp |
Hầu như không cần |
|
Dòng khởi động |
Cao |
Thấp |
|
Phương pháp chuyển mạch |
Bằng tiếp xúc cơ khí giữa chổi than và cổ góp |
Chuyển mạch điện tử sử dụng thiết bị bán dẫn transitor, IGBT… |
|
Momen khời động |
Cao |
Thấp |
|
Sơ đồ nối dây |
Nối vòng tròn đơn giản nhất là nối |
3 pha nối Y hoặc . Thông thường nối theo kểu Y |
|
Phương pháp đổi chiều |
Mạch cầu H |
Sử dụng cảm biến vị trí: Hall sensor, optical encoder… |
|
Giá thành |
Thấp |
Cao |
Qua quá trình khảo sát, để đáp ứng yêu cầu về lực đẩy, công suất động cơ nhóm đã chọn động cơ được sản xuất bởi Lian Inno (www.lianinno.com) , mô hình Underwater Thrusters 092EI-184 với điện áp vào là 130V – 420V, công suất 430W, tốc độ 700 vòng/phút và lực đẩy là 60N. Lớp vỏ được thiết kế theo kích thước của Lian Inno và phù hợp với kích thước của AUV.
Hình 7. 1. Mối quan hệ giữ lực đẩy và công suất với tốc độ vòng quay của model 092EI.[27]
Hình 7. 2. Bản vẽ tổng thể mô hình Underwater Thrusters 092EI-184.[27]
Với khả năng kính nước hoàn toàn nhờ vào thiết kế sử dụng các vòng O-ring để làm kính.
Hình 7. 3. Lắp ráp phần động cơ đẩy với phần đuôi AUV.[27]
Hình 7. 4. Cấu tạo bên trong bộ phận truyền động của động cơ đẩy.[27]
Ống đạo lưu là một phần của thiết kế, ống đạo lưu có thể giúp AUV tăng gần 40% lựa đẩy và truyền trực tiếp vào thân của AUV. Ông đạo lưu đươc chọn dựa trên thiết kế của đầu tiên vào năm 1990 gọi là Rice Nozzle. Ống đạo lưu này có lợi thế về một số đặc tính để thay đổi lưu lượng dòng chảy đi qua và có thể thay đổi diện tích mặt cắt ngang để giúp dòng chảy đi qua dễ hơn. Ngoài ra bề mặt của ống đạo lưu được thiết kế nhám bên trong lẫn bên ngoài của ống đạo lưu để giảm xoáy, giảm lực cản của dòng nước và giảm xâm thực cho chân vịt. Hình bên dưới là biên dạng mặt cắt ngang của 2 loại ống đạo lưu.
Hình 7. 5. Biên dạng Rice Speed Nozzle và biên dạng của Rice Thrust Nozzle.[27]
Hình 7. 6. Mô hình tổng thể Underwater Thrusters 092EI-184.[27]
Tổng kết
Luận án này đã tóm tắt các vấn đề chính trong việc thiết kế thiết bị lặn AUV. Đối với bất kỳ thiết kế, sẽ rất khó để tìm ra một thiết kế tối ưu nhất. Một thiết bị AUV có thể tốt cho ứng dụng này nhưng có thể hoàn toàn vô ích đối với một ứng dụng khác. Việc thiết kế cho các thiết bị AUV phải được tùy chỉnh cho ứng dụng mà nó được dự định. Tuy nhiên do lĩnh vực nghiên cứu này chưa được tìm hiểu sâu trong nước, nên trong luận văn này nhóm cũng chưa đặt ra mục tiêu nào cụ thể mà mới chỉ thiết kế tổng quá cho quá trình lặn và nổi cho thiết bị AUV.
Ngoài ra với công nghệ ngày càng phát triển, việc thiết kế của AUV sẽ phải thay đổi để thích nghi với nó. Việc tìm kiếm nguồn năng lượng tốt hơn sẽ giúp thiết bị hoạt động lâu hơn, kích thước của AUVs có thể trở nên nhỏ hơn, phạm vi của AUV có thể cải thiện.
Hướng phát triển
Do việc thiết kế chưa đặt ra một nhiệm vụ nào nhất định cho nên thiết kế chưa được tối ưu. Vì vậy hướng phát triển cho việc thiết kế là sẽ lựa chọn một số mục tiêu, công việc cụ thể để hướng việc thiết kế. Bên cạnh đó sẽ đi sâu phân tích thủy động lực học để xem xét các yếu tố tác động lên thiết bị để có thể khắc phục và tìm ra biên dạng tối ưu cho thiết bị AUV.Việc tìm hiểu và lựa chọn các thiết bị dẫn hướng cũng sẽ là mục tiêu được đặt ra để kiểm soát AUV tốt hơn. Thiết kế AUV theo hướng tạo nhiều module sẽ giúp thiết bị linh hoạt hơn trong việc thay đổi các bộ phận cảm biến, đo lường do đó là cũng là vấn đề đáng quan tâm để có thể phát triển thiết kế theo hướng này.
