BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Nguyễn Văn Tuấn
NGHIÊN CỨU TỐI ƯU THIẾT KẾ MỘT THIẾT BỊ LẶN TỰ HÀNH
(AUV) CỠ NHỎ CÓ BỔ SUNG NĂNG LƯỢNG
Ngành: Kỹ thuật Cơ khí
Mã số: 9520103
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. GS.TS. Đinh Văn Phong
2. TS. Nguyễn Chí Hưng
Hà Nội – 2022
i
Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn
của tập thể hướng dẫn và các nhà khoa học. Tài liệu tham khảo trong luận án được
trích dẫn đầy đủ. Các kết quả nghiên cứu của luận án là trung thực và chưa từng được
tác giả khác công bố.
Hà Nội, Ngày tháng năm 2022
Tập thể hướng dẫn Nghiên cứu sinh
CBHD1: GS.TS. Đinh Văn Phong Nguyễn Văn Tuấn
CBHD2: TS. Nguyễn Chí Hưng
ii
LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, tôi
đã nhận được nhiều góp ý về chuyên môn cũng như sự ủng hộ giúp đỡ của tập thể cán
bộ hướng dẫn GS.TS. Đinh Văn Phong, TS. Nguyễn Chí Hưng và các nhà khoa học,
các đồng nghiệp. Tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến tập thể hướng dẫn tôi
bằng cả tâm huyết trong suốt thời gian qua.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học, Bộ môn Cơ điện tử, Bộ môn Cơ
ứng dụng, Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và robot, Trường Cơ khí, Phòng Đào tạo,
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình
học tập và nghiên cứu thực hiện luận án.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến các đồng nghiệp tại Khoa Cơ khí – Cơ điện tử, đặc
biệt là Lãnh đạo Khoa, Ban giám hiệu Trường Đại học Phenikaa nơi tôi đang công
tác, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi được yên tâm học tập nghiên cứu.
Cuối cùng là lời cảm ơn tới gia đình, người thân, các nhà khoa học, bạn bè đã ủng
hộ, động viên, khích lệ giúp tôi hoàn thành nhiệm vụ học tập.
Hà Nội, Ngày tháng năm 2022
Nghiên cứu sinh
Nguyễn Văn Tuấn
iii
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................ vii
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................ xi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ................................................................................. xii
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ....................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................. 3
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án ..................................................... 3
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án........................................................... 4
5. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................................... 5
6. Bố cục của luận án ................................................................................................ 5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ LẶN VÀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG
CHO THIẾT BỊ LẶN TỰ HÀNH ............................................................................ 7
1.1. Tổng quan về thiết bị lặn tự hành AUV ............................................................ 7
1.1.1. Trên thế giới ................................................................................................ 7
1.1.2. Tại Việt Nam ............................................................................................. 10
1.2. Phân loại thiết bị lặn ........................................................................................ 11
1.2.1. Thiết bị lặn có người lái và không người lái ............................................. 11
1.2.2. Phân loại theo khả năng lặn sâu ................................................................ 13
1.2.3. Phân loại theo khối lượng của thiết bị lặn được chia thành các loại ........ 14
1.3. Tổng quan về nguồn năng lượng cho thiết bị lặn tự hành AUV ..................... 14
1.3.1. Động cơ chu kỳ khép kín .......................................................................... 15
1.3.2. Pin ............................................................................................................. 16
1.3.2.1. Pin kiềm ......................................................................................... 17
1.3.2.2. Pin axit chì ..................................................................................... 17
1.3.2.3. Pin NiCd ........................................................................................ 17
1.3.2.4. Pin Lithium Ion ............................................................................. 18
1.3.2.5. Pin Lithium Polymer ..................................................................... 18
1.3.3. Pin nhiên liệu ............................................................................................ 18
1.3.4. Năng lượng hạt nhân ................................................................................. 19
1.4. Tổng quan về năng lượng bổ sung cho thiết bị lặn tự hành ......................... 19
iv
1.4.1. Năng lượng sóng .............................................................................. 19
1.4.2. Năng lượng gió ................................................................................. 19
1.4.3. Năng lượng dòng chảy ..................................................................... 20
1.4.4. Năng lượng mặt trời ......................................................................... 20
1.5. Tích hợp nguồn năng lượng bổ sung cho thiết bị lặn tự hành phù hợp với
điều kiện tại Việt Nam ........................................................................................ 20
1.6. Tổng quan về các phương pháp điều khiển thiết bị lặn tự hành ..................... 22
Kết luận chương 1: ................................................................................................. 26
CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH HÓA THIẾT BỊ LẶN TỰ HÀNH CÓ BỔ SUNG
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI .................................................................................. 27
2.1. Động học của thiết bị lặn tự hành .................................................................... 27
2.1.1. Hệ tọa độ ................................................................................................... 27
2.1.2. Phương trình chuyển động của thiết bị lặn tự hành S-AUV (Dynamics) . 31
2.2. Phân tích động lực học thiết bị lặn .................................................................. 34
2.2.1. Phân tích động học ................................................................................... 34
2.2.2. Cơ sở lý thuyết về dòng chất lưu .............................................................. 35
2.2.3. Phân tích tối ưu lựa chọn hình dáng thiết bị lặn tự hành .......................... 37
2.2.4. Phân tích động lực học mô hình thiết bị lặn tự hành không có cánh và có
cánh năng lượng mặt trời .................................................................................... 41
2.2.4.1. Thiết kế mô hình khảo sát ............................................................. 41
2.2.4.2. Chia lưới và phân tích ................................................................... 41
2.3. Mô hình thiết bị lặn có cánh thu năng lượng mặt trời linh hoạt S-AUV1 ...... 47
2.3.1. Thiết kế mô hình S-AUV1 ........................................................................ 47
2.3.2. Phân tích thủy động học mô hình S-AUV1 .............................................. 49
2.4. Mô hình thiết bị lặn có cánh thu năng lượng mặt trời linh hoạt S-AUV2 ...... 52
2.4.1. Thiết kế mô hình S-AUV2 ....................................................................... 52
2.4.2. Phân tích thủy động lực học ở trạng thái di chuyển của S-AUV2 ............ 53
Kết luận chương 2 .................................................................................................. 57
CHƯƠNG 3. HỆ THỐNG LẶN NỔI VÀ THỰC NGHIỆM KHẢ NĂNG THU
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI .................................................................................. 59
3.1. Hệ thống đảm bảo sức nổi và chế tạo thực nghiệm S-AUV ........................... 59
3.2. Hệ thống lặn nổi cho thiết bị lặn ..................................................................... 61
3.2.1. Lý thuyết hệ thống lặn nổi cho thiết bị lặn ............................................... 61
3.2.2. Hệ thống bơm nước bằng piston ............................................................... 62