Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Cơ khí: Nghiên cứu tối ưu thiết kế một thiết bị lặn tự hành (AUV) cỡ nhỏ bổ sung năng lượng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:138

Thêm vào BST

Báo xấu

15
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận án "Nghiên cứu tối ưu thiết kế một thiết bị lặn tự hành (AUV) cỡ nhỏ có bổ sung năng lượng" là nghiên cứu áp dụng công cụ phần mềm trong việc phân tích thủy động cho mô hình thiết bị lặn tự hành với điều kiện biên xác định để lựa chọn hình dáng thiết bị lặn có bổ sung năng lượng mặt trời; Thiết kế chế tạo một thiết bị lặn tự hành mới cỡ nhở có bổ sung năng lượng mặt trời nhằm tăng thời gian hoạt động của thiết bị lặn mà không phải thu hồi để nạp năng lượng. Thử nghiệm ngoài thực tế đánh giá khả năng thu năng lượng mặt trời của thiết bị lặn được chế tạo...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Cơ khí: Nghiên cứu tối ưu thiết kế một thiết bị lặn tự hành (AUV) cỡ nhỏ bổ sung năng lượng

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
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 i
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 ii
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 iii
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 iv
3.2.3. Hệ thống bơm áp suất thấp ...................................................................... 63 3.2.4. Hệ thống bơm nước áp suất cao ................................................................ 63 3.2.5. Hệ thống bơm nước bằng khí nén ............................................................. 64 3.2.6. Hệ thống bơm nước vào ra bằng khí ga .................................................... 64 3.2.7. Hệ thống điều chỉnh tuần hoàn không khí RCABS .................................. 64 3.3. Thiết kế hệ thống lặn nổi cho mô hình S-AUV2............................................. 65 3.3.1. Thiết kế hệ thống xilanh – piston .............................................................. 65 3.3.2. Sơ đồ mạch hệ thống bơm nước ............................................................... 66 3.3.3. Thử nghiệm hệ thống lặn nổi cho S-AUV2 .............................................. 66 3.4. Tích hợp hệ thống bổ sung năng lượng mặt trời ............................................. 68 3.4.1. Cơ sở lý thuyết .......................................................................................... 68 3.4.2. Mô hình S-AUV2 có cánh năng lượng linh hoạt ...................................... 71 3.4.3. Sơ đồ mạch hệ thống năng lượng mặt trời của S-AUV2 .......................... 72 3.4.4. Kết quả thực nghiệm khả năng thu năng thu năng lượng của S-AUV2 ... 75 3.4.5. Thử nghiệm khả năng sạc năng lượng cho Pin ......................................... 80 Kết luận chương 3 .................................................................................................. 82 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO ................. 83 MÔ HÌNH S-AUV2 .................................................................................................. 83 4.1. Cơ sở lý thuyết bộ điều khiển trượt ................................................................. 83 4.1.1. Điều khiển trượt ........................................................................................ 83 4.1.2. Bộ điều khiển trượt cơ bản ........................................................................ 84 4.1.3. Lý thuyết ổn định của Lyapunov áp dụng cho điều khiển phi tuyến ........ 88 4.2. Xây dựng bộ điều khiển trượt tầng HSMC cho mô hình S-AUV2 ................ 89 4.2.1. Phương pháp điều khiển trượt tầng HSMC .............................................. 89 4.2.2. Xây dựng động lực học mô hình S-AUV2 bốn bậc tự do ........................ 95 4.2.3. Thiết kế bộ điều khiển HSMC cho hệ thiếu cơ cấu chấp hành S-AUV2 99 4.3. Kết quả mô phỏng bộ điều khiển HSMC cho S-AUV2 ................................ 104 T T 4.3.1. Trường hợp 1: 1d  14 7 ;1d   12 0 .......................................... 104     T T 4.3.2. Trường hợp 2: 1d  7 5 ;1d   6 0,25 .................................... 107     T T 4.3.3. Trường hợp 3: 1d  7 4 ;1d   8 0,15 ....................................... 108     T T 4.3.4. Trường hợp 4: 1d  11 6 ;1d   10 0,3 ..................................... 110     v
Kết luận chương 4 ................................................................................................ 111 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN ............................... 113 DANH MỤC NHỮNG CÔNG TRÌNH ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .................................................................................................................................. 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 116 vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Danh mục các ký hiệu 𝑚 Khối lượng của vật rắn (S-AUV) 𝑴𝐴 Ma trận quán tính hệ thống của khối lượng tăng thêm 𝑴 𝑅𝐵 Ma trận quán tính hệ thống 𝑪() Ma trận Coriolis và lực quán tính 𝑪 𝐴 ( ) Ma trận Coriolis và lực quán tính thủy động lực học khối lượng tăng thêm 𝑪 𝑅𝐵 Ma trận Coriolis và lực quán tính 𝑫 Ma trận suy giảm thủy động lực học tuyến tính 𝑫 𝑛 ( ) Ma trận suy giảm thủy động lực học phi tuyến 𝑫() Ma trận suy giảm thủy động lực học 𝒈( 𝜼) Véc-tơ lực nổi và lực trọng trường 𝑰0 Ma trận quán tính hệ thống xung quanh điểm O 𝑱1 (𝜼2 ) Ma trận quay chuyển đổi vận tốc dài 𝑱2 (𝜼2 ) Ma trận quay chuyển đổi vận tốc góc 𝑱(𝜼) Ma trận quay chuyển đổi vận tốc dài và vận tốc góc 𝑢 Vận tốc dài theo phương 𝑥 hệ tọa độ gắn thân 𝑣 Vận tốc dài theo phương 𝑦 hệ tọa độ gắn thân 𝑤 Vận tốc dài theo phương 𝑧 hệ tọa độ gắn thân 𝑝 Vận tốc góc quay lắc quanh trục 𝑥 hệ tọa độ gắn thân 𝑞 Vận tốc góc quay lật quanh trục y hệ tọa độ gắn thân vii
𝑟 Vận tốc góc quay hướng quanh trục 𝑧 hệ tọa độ gắn thân 𝒔 Véc-tơ mặt trượt 𝒛𝑖 Véc-tơ sai lệch 𝑖 = 1, 2 … 𝑛 𝑥 Tọa độ của thiết bị lặn theo phương 𝑥 hệ tọa độ NED 𝑦 Tọa độ của thiết bị lặn theo phương 𝑦 hệ tọa độ NED 𝑧 Tọa độ của thiết bị lặn theo phương 𝑧 hệ tọa độ NED  Góc lắc, xung quanh trục 𝑥 hệ tọa độ NED  Góc lật, xung quanh trục 𝑦 hệ tọa độ NED 𝜓 Góc hướng, xung quanh trục 𝑧 hệ tọa độ NED 𝒓𝑔 Véc-tơ tọa độ của trọng tâm của vật rắn 𝜼1 Véc-tơ biểu diễn vị trí của S-AUV trong hệ tọa độ gắn trái đất 𝜼2 Véc-tơ biểu diễn góc hướng của S-AUV trong hệ tọa độ gắn trái đất 𝜂 Véc-tơ biểu diễn vị trí và góc hướng của S-AUV trong hệ tọa độ gắn trái đất 1 Véc-tơ vận tốc dài trong hệ tọa độ gắn thân 2 Véc-tơ vận tốc góc trong hệ tọa độ gắn thân  Véc-tơ vận tốc dài và vận tốc góc trong hệ tọa độ gắn thân 𝜏 Véc-tơ lực và momen đẩy tác động lên S-AUV trong tọa độ gắn thân 𝜏𝐷 Véc-tơ lực và momem suy giảm 𝜏𝐻 Véc-tơ lực và momen thủy động lực 𝜏 𝑅𝐵 Véc-tơ lực và momen tổng quát tác động lên tàu trong khung tọa độ gắn thân 𝜏𝑅 Véc-tơ lực và momen cảm ứng bức xạ tác động lên S-AUV viii
Danh mục viết tắt Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt Stirling Cycle Engines Động cơ chu kỳ khép kín SCE Stirling CCDE Closed Cycle Diesel Engine Động cơ diesel chu kỳ khép kín DD Dynamic diving Lặn động lực SD Static diving Lặn tĩnh lực ReCirculating Air Ballast System Hệ thống điều chỉnh tuần RCABS hoàn không khí PWM Pulse-width modulation Điều chế độ rộng xung RF Radio Frequency Radiation Tần số vô tuyến CFD Computational Fluid Dynamics Tính toán động lực học chất Remotely Operated Vehicles lỏng ROV Thiết bị lặn điều khiển từ xa bằng dây cáp AUV Autonomous Underwater Vehicle Thiết bị lặn tự hành S-AUV Solar Autonomous Underwater Vehicle Thiết bị lặn tự hành năng lượng mặt trời UUV Untethered Unmanned Vehicle Thiết bị lặn điều khiển từ xa không dây DOF Degree Of Freedom Bậc tự do CCC Conical–Cylindrical–Conical Nón - Trụ - Nón CG Center of gravity Trọng tâm CB Center of buoyancy Tâm nổi DSC Dynamic surface control Điều khiển mặt động ECI The Earth-centered inertial frame Khung tọa độ quán tính gốc trùng tâm trái đất ECEF Earth-centered Earth-fixed reference Khung tọa độ tham chiếu có frame gốc trùng tâm trái đất NED North-East-Down Hệ tọa độ có trục hướng bắc GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu ix
PD Proportional and Derivative Controller Bộ điều khiển đạo hàm PID Proportional, Integral, and Derivative Bộ điều khiển tỉ lệ – tích Controller phân- đạo hàm LQR Linear quadratic regulator Bộ điều khiển tối ưu toàn phương LQG Linear quadratic Gaussian Bộ điều khiển tối ưu toàn phương kháng nhiễu MIMO Multiple Inputs, Multiple Outputs Nhiều đầu vào, nhiều đầu ra MSS Multiple sliding surface Đa mặt trượt MNN Multiple layer neural networks Mạng nơ-ron nhiều lớp SISO Single Input and Single Output Một đầu vào, một đầu ra SMC Sliding mode control Điều khiển trượt HSMC Hierarchical Sliding Mode Control Điều khiển trượt tầng x
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Dữ liệu thống kê và dự báo về phát triển AUV trên thế giới ...................... 1 Bảng 1.2. Một số loại pin dùng trong một số các thiết bị lặn tự hành AUV [11] ..... 16 Bảng 1.3. Một số thuộc tính điện của một số các hóa chất chế tạo Pin [11] ............. 16 Bảng 1.4. Thông số cường độ bức xạ mặt trời ở Việt nam ........................................ 22 Bảng 2.1. Các ký hiệu mô tả 6 bậc tự do của S-AUV ............................................... 29 Bảng 2.2. Thông số kích thước của mô hình AUV và SAUV .................................. 41 Bảng 2.3. Các thông số điều kiện thử nghiệm ........................................................... 42 Bảng 2.4. Thông số chia lưới của mô hình ................................................................ 43 Bảng 2.5. Lực và mô men tác dụng lên thiết bị lặn tại vận tốc v= 1m/s ................... 45 Bảng 2.6. Lực và mô men tác dụng lên thiết bị lặn tại vận tốc v= 3m/s ................... 45 Bảng 2.7. Lực và mô men tác dụng lên thiết bị lặn tại vận tốc v= 5m/s ................... 45 Bảng 2.8. Thông số điều kiện mô phỏng ................................................................... 48 Bảng 2.9. Bảng thông số mô hình S-AUV1 .............................................................. 49 Bảng 2.10. Thông số kích thước của mô hình S-AUV2 ............................................ 53 Bảng 2.11. Thông số và điều kiện mô phỏng ............................................................ 53 Bảng 2.12. Thông số hai mô hình S-AUV1 và S-AUV2 .......................................... 57 Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật của tấm pin năng lượng mặt trời ................................. 74 Bảng 3.2. Thời gian sạc đầy pin trong khoảng thời gian có nắng trong ngày ........... 81 Bảng 3.3. Bảng so sánh với một số nghiên cứu về thiết bị tương tự tích hợp pin năng lượng mặt trời. ........................................................................................................... 81 Bảng 4.1. Thông số mô hình S-AUV2 .................................................................... 104 Bảng 4.2. Thông số bộ điều khiển ........................................................................... 104 xi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Một số loại thiết bị lặn dưới nước [3] .......................................................... 9 Hình 1.2. Các loại thiết bị lặn không người lái.......................................................... 11 Hình 1.3. Thiết bị lặn OKPO 600 [9] ........................................................................ 12 Hình 1.4. Thiết bị lặn tự hành AUV THESEUS [9] .................................................. 12 Hình 1.5. Thiết bị lặn tự hành AUV ATLAS MARIDAN 300 [9] ........................... 13 Hình 1.6. Thiết bị lặn UUV HUGIN 3000 [9] ........................................................... 13 Hình 1.7. Tàu lặn tự hành của tác giả Nguyễn Đông và các cộng sự [7] .................. 26 Hình 2.1. Các hệ tọa độ quy chiếu ( nguồn [76]) ...................................................... 27 Hình 2.2. Hệ tọa độ của S-AUV ................................................................................ 29 Hình 2.3. Sơ đồ phân tính, mô phỏng trong môi trường ANSYS ............................. 35 Hình 2.4. Hệ tọa độ và mô hình nón - trụ - nón ......................................................... 37 Hình 2.5. Các mô hình của vỏ nón - trụ - nón ........................................................... 38 Hình 2.6. Quan hệ giữa góc ở đỉnh và tần số dao động của vỏ ................................. 39 nanocomposite (CCC UD) nón - trụ - nón................................................................. 39 Hình 2.7. Quan hệ giữa góc ở đỉnh và tần số dao động của vỏ nanocomposite (CCC FG-X) nón - trụ - nón. ................................................................................................ 39 Hình 2.8. Quan hệ giữa góc ở đỉnh và tần số dao động của vỏ nanocomposite (CCC FG-O) nón - trụ - nón ................................................................................................. 40 Hình 2.9. Mô hình thiết kế AUV ............................................................................... 41 Hình 2.10. Mô hình thiết kế SAUV ........................................................................... 41 Hình 2.11. Kích thước bể thử nghiệm ....................................................................... 42 Hình 2.12. Mô hình chia lưới loại AUV không có cánh năng lượng ........................ 42 Hình 2.13. Mô hình chia lưới loại AUV có cánh năng lượng ................................... 42 Hình 2.14. Phân bố áp suất trên bề mặt của AUV tại vận tốc 3 m/s ......................... 43 Hình 2.15. Phân bố áp suất trên bề mặt SAUV tại vận tốc 3 m/s .............................. 43 Hình 2.16. Trường áp suất của AUV tại vận tốc 3 m/s ............................................. 43 Hình 2.17. Trường áp suất của SAUV tại vận tốc 3 m/s ........................................... 43 Hình 2.18. Phân bố áp suất phía trước AUV tại vận tốc 3 m/s ................................. 43 Hình 2.19. Phân bố áp suất phía trước SAUV tại vận tốc 3 m/s .............................. 43 xii
Hình 2.20. Biểu đồ phân tán áp suất phía trước AUV tại vận tốc 3 m/s ................... 44 Hình 2.21. Biểu đồ phân tán áp suất phía trước SAUV tại vận tốc 3 m/s ................ 44 Hình 2.22. Sự phân bố véc tơ vận tốc quanh AUV tại 3 m/s .................................... 44 Hình 2.23. Sự phân bố véc tơ vận tốc quanh SAUV tại 3 m/s .................................. 44 Hình 2.24. Biểu đồ quan hệ lực cản Fx theo vận tốc ................................................. 46 Hình 2.25. Biểu đồ quan hệ lực nâng Fz theo vận tốc ............................................... 46 Hình 2.26. Biểu đồ quan hệ mô men My theo vận tốc .............................................. 47 Hình 2.27. Mô hình S-AUV1 đóng và mở cánh ........................................................ 48 Hình 2.28. Trường vận tốc khi S-AUV1 đóng cánh .................................................. 49 Hình 2.29. Trường vận tốc khi S-AUV1 mở cánh .................................................... 49 Hình 2.30. Trường vận tốc khi S-AUV1 đóng cánh .................................................. 49 Hình 2.31. Trường vận tốc khi S-AUV1 mở cánh .................................................... 49 Hình 2.32. Trường vận tốc khi S-AUV1 đóng cánh .................................................. 50 Hình 2.33. Trường vận tốc khi S-AUV1 mở cánh .................................................... 50 Hình 2.34. Trường áp suất tĩnh khi S-AUV1 đóng cánh .......................................... 50 Hình 2.35. Trường áp suất tĩnh khi S-AUV1 mở cánh .............................................. 50 Hình 2.36. Trường áp suất động khi S-AUV1 đóng cánh ......................................... 50 Hình 2.37. Trường áp suất động khi S-AUV1 mở cánh ............................................ 50 Hình 2.38. Biểu đồ quan hệ Fx-v của mô hình S-AUV1........................................... 51 Hình 2.39. Biểu đồ quan hệ Fy-v của mô hình S-AUV1........................................... 51 Hình 2.40. Biểu đồ quan hệ Fz-v của mô hình S-AUV1 ........................................... 51 Hình 2.41. Mô hình thiết bị lặn S-AUV2 khi đóng cánh ........................................... 52 Hình 2.42. Mô hình thiết bị lặn S-AUV2 khi mở cánh ............................................. 52 Hình 2.43. Chia lưới mô hình S-AUV2 trong môi trường ANSYS .......................... 53 Hình 2.44. Trường áp suất tác dụng lên S-AUV2 tại vận tốc 1,5 m/s ....................... 54 Hình 2.45. Trường vận tốc xung quanh S-AUV2 tại vận tốc 1,5 m/s ....................... 54 Hình 2.46. Trường áp suất tác dụng lên S-AUV2 theo điểm tại vận tốc 1,5 m/s ...... 54 Hình 2.47. Trường áp suất tác dụng lên S-AUV2 theo điểm tại vận tốc 1,5m/s (tiếp) .................................................................................................................................... 55 Hình 2.48. Trường vận tốc theo điểm tại vận tốc 1,5m/s .......................................... 55 xiii
Hình 2.49. Biểu đồ quan hệ lực cản và vận tốc theo phương X ................................ 56 Hình 2.50. Biểu đồ quan hệ lực cản và vận tốc theo phương Y ................................ 56 Hình 2.51. Biểu đồ quan hệ lực cản và vận tốc theo phương Z ................................ 56 Hình 3.1. Phương chiều lực đẩy Acsimet và trọng lượng của S-AUV2 ................... 59 Hình 3.2. Bộ phận tạo sức nổi ................................................................................... 60 Hình 3.3. S-AUV2 sau khi được chế tạo ................................................................... 61 Hình 3.4. Hệ thống bơm nước vào ra bằng piston ..................................................... 63 Hình 3.5. Hệ thống bơm nước sử dụng bơm áp suất thấp ......................................... 63 Hình 3.6. Hệ thống bơm nước sử dụng bơm áp suất cao .......................................... 64 Hình 3.7. Hệ thống bơm nước bằng khí nén.............................................................. 64 Hình 3.8. Hệ thống bơm nước bằng bình khí ga ....................................................... 64 Hình 3.9. Hệ thống lặn RCABS................................................................................. 65 Hình 3.10. Hệ thống lặn RCABS-R.......................................................................... 65 Hình 3.11. Bản vẽ 2D hệ thống bơm nước bằng piston ............................................ 66 Hình 3.12. Sơ đồ mạch thử nghiệm hệ thống bơm nước vào ra ................................ 66 Hình 3.13. Hệ thống bơm nước vào và đẩy nước ra được chế tạo ............................ 67 Hình 3.14. Hệ thống ống bọc bên ngoài hệ thống bơm ............................................. 67 Hình 3.15. Biểu đồ quan hệ độ sâu lặn, PWM và thời gian ...................................... 68 Hình 3.16. Thiết bị SAUV I [82] ............................................................................... 69 Hình 3.17. Thiết bị SAUV II [84].............................................................................. 69 Hình 3.18. Thiết bị lặn tích hợp năng lượng mặt trời [87] ........................................ 70 Hình 3.19. Thiết bị lặn tự hành S-AUV2 trường hợp cánh năng lượng đóng ........... 71 Hình 3.20. Thiết bị lặn tự hành S-AUV2 trường hợp cánh năng lượng mở .............. 71 Hình 3.21. Sơ đồ hệ thống điều khiển S-AUV2 tích hợp hệ thống bổ sung năng lượng mặt trời ............................................................................................................ 72 Hình 3.22. Sơ đồ kết nối các tấm pin mặt trời ........................................................... 73 Hình 3.23. Sơ đồ đo khả năng thu năng lượng của các tấm pin mặt trời .................. 73 Hình 3.24. Pin LiFePO4 32650 được sử dụng trong mô hình S-AUV...................... 74 Hình 3.25. Lắp phần đầu và phần đuôi và cánh năng lượng linh hoạt ...................... 75 Hình 3.26. Lắp cánh năng lượng linh hoạt ................................................................ 75 xiv
Hình 3.27. S-AUV2 trong trường hợp cánh năng lượng đóng .................................. 76 Hình 3.28. S-AUV2 trong trường hợp cánh năng lượng mở ..................................... 76 Hình 3.29. Biểu đồ thu năng lượng mặt trời khi cánh năng lượng đóng và mở tại Vĩnh Bảo – Hải Phòng (8/2020) ................................................................................ 77 Hình 3.30. Biểu đồ thu năng lượng mặt trời khi cánh năng lượng đóng và mở tại Hạ Long – Quảng Ninh(8/2020) ..................................................................................... 77 Hình 3.31. Biểu đồ tổng lượng bức xạ trong năm tại Quảng Ninh – Hải Phòng ...... 78 Hình 3.32. Biểu đồ thu năng lượng mặt trời khi cánh năng lượng đóng và mở tại Hà Đông – Hà Nội (8/2020) ............................................................................................ 78 Hình 3.33. Biểu đồ tổng lượng bức xạ trong năm tại Hà Nội ( Theo GIS do Ngân hàng Thế giới kết hợp với Bộ Công Thương và phía Tây Ban Nha, năm 2017) ...... 79 Hình 3.34. Biểu đồ khả năng thu năng lượng mặt trời khi cánh năng lượng đóng tại Hải Phòng, Quảng Ninh, Hà Nội (8/2020) ................................................................ 79 Hình 3.35. Biểu đồ khả năng thu năng lượng mặt trời khi cánh năng lượng mở tại Hải Phòng, Quảng Ninh, Hà Nội (8/2020) ................................................................ 80 Hình 3.36. Biểu đồ so sánh công suất pin mặt trời và khối lượng ............................ 82 Hình 4.5. Minh hoạ khái niệm ổn định Lyapunov ..................................................... 89 Hình 4.6. Sơ đồ cấu trúc điều khiển trượt tầng [88] .................................................. 89 Hình 4.7. Thử nghiệm mô hình thiết bị lặn tự hành S-AUV2 ................................... 96 Hình 4.8. Sơ đồ khối cấu trúc bộ điều khiển HSMC cho S-AUV2 ........................... 99 Hình 4.9. Sơ đồ khối function trong MATLAB Simulink ...................................... 102 Hình 4.10. Sơ đồ khối module Controller ............................................................... 103 Hình 4.11. Sơ đồ khối module Plant ........................................................................ 103 Hình 4.12. Vị trí theo phương Ox ............................................................................ 104 Hình 4.13. Vị trí theo phương Oy ............................................................................ 105 Hình 4.14: Vị trí theo phương Oz ............................................................................ 105 Hình 4.15. Góc điều hướng của S-AUV2 ................................................................ 105 Hình 4.16. Vận tốc dài theo phương Ox .................................................................. 106 Hình 4.17. Vận tốc dài theo phương Oy ................................................................. 106 Hình 4.18. Vận tốc dài theo phương Oz .................................................................. 106 Hình 4.19. Vận tốc góc điều hướng của S-AUV2 ................................................... 107 xv
Hình 4.20. Vị trí theo phương Ox ............................................................................ 107 Hình 4.21. Vị trí theo phương Oy ............................................................................ 107 Hình 4.22. Vị trí theo phương Oz ............................................................................ 108 Hình 4.23. Góc điều hướng của S-AUV2 ................................................................ 108 Hình 4.24. Vị trí theo phương Ox ............................................................................ 108 Hinh 4.25. Vị trí theo phương Oy ............................................................................ 109 Hình 4.26. Vị trí theo phương Oz ............................................................................ 109 Hình 4.27. Góc điều hướng của S-AUV2 ............................................................... 109 Hình 4.28. Vị trí theo phương Ox ............................................................................ 110 Hình 4.29. Vị trí theo phương Oy ............................................................................ 110 Hình 4.30. Vị trí theo phương Oz ............................................................................ 110 Hình 4.31. Góc điều hướng của S-AUV2 ................................................................ 111 xvi
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Thiết bị lặn tự hành (AUV) là một thiết bị hoạt động tự động trong môi trường nước. Đây là một thiết bị chuyên dụng trong các lĩnh vực như: nghiên cứu khoa học biển, hàng hải, khảo sát đại dương, thám hiểm, kinh tế biển, dầu khí, an ninh quốc phòng và trong công tác cứu hộ cứu nạn. Có thể nói AUV là một thiết bị rất hữu dụng trong các công việc trên biển, đặc biệt những vùng nước sâu, xa bờ, những vùng nước ô nhiễm. Vì vậy, AUV đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu phát triển trên thế giới [1] và đã đạt được những thành tựu đáng kể cả về tầm hoạt động, chiều sâu lặn và tính năng tương tác với bên ngoài. Trong ngành dầu khí, các thiết bị lặn được sử dụng để làm những công việc như kiểm tra các giàn khoan và đường ống dẫn khí, dẫn dầu. Trong ngành viễn thông, thiết bị lặn được sử dụng để khảo sát đáy biển trước khi đặt cáp trong lòng biển, kiểm tra hiện trạng cáp truyền. Trong quân sự, thiết bị lặn được sử dụng tìm kiếm và tháo gỡ thủy lôi, mìn, do thám hoặc phối hợp cùng con người trong việc tác chiến dưới nước, kiểm tra các cấu trúc dưới nước, cũng như phần lớn được sử dụng trong ngành khai thác mỏ và dầu khí. Thiết bị lặn còn là các thiết bị quan trọng trong công tác cứu hộ các tàu thuyền gặp nạn trên biển. Trong lĩnh vực giao thông vận tải thiết bị lặn được dùng trong công tác khảo sát trước, sau khi thi công các công trình giao thông dưới sông, hồ, biển. Trong thám hiểm và nghiên cứu biển, thiết bị lặn tự hành được sử dụng để khảo sát địa hình dưới đáy biển, rò rỉ của các đường ống dẫn khí, dẫn dầu dưới đáy biển, theo dõi việc sinh sản của các loài cá, … Trong ngành môi trường AUV được sử dụng để giám sát môi trường biển, đo đạc các thông số môi trường, ....[2], [3]. Như vậy có thể thấy AUV được sử dụng trong rất nhiều các lĩnh vực khác nhau. Trong Bảng 1.1 minh họa sơ lược về quá trình phát triển AUV trên thế giới [4]. Bảng 1.1. Dữ liệu thống kê và dự báo về phát triển AUV trên thế giới [4] Giai đoạn Số lượng AUV Lĩnh vực sử dụng - Quân sự: 23% Trước năm 2009 630 - Thăm dò: 41% - Nghiên cứu: 35% - Khác: 11% - Quân sự: 49% - Nghiên cứu: 31% Từ năm 2010 - 2019 Trên 1500 - Dầu khí: 8% - Thủy văn: 7% - Khác: 5% Thị trường toàn cầu cho thiết bị lặn tự hành dưới nước đạt 671,5 triệu USD vào năm 2017. Thị trường sẽ đạt 835 triệu đô la vào năm 2022, tăng trưởng với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm là 4,5% từ năm 2017 đến năm 2022. Như vậy cho thấy AUV ngày càng được phát triển và có tiềm năng ứng dụng rất lớn. Do đây là một thiết bị lặn tự hành nên nguồn năng lượng cung cấp cho thiết bị 1
luôn là một bài toán cần được giải quyết. Nguồn năng lượng quyết định phạm vi hoạt động của AUV, thời gian hoạt động càng lâu thì khả năng công tác của AUV càng lớn, thực hiện được càng nhiều các nhiệm vụ đặt ra. Năng lượng là một yếu tố hạn chế đối với nhiều ứng dụng của AUV, hạn chế phạm vi hoạt động, hạn chế việc sử dụng một số công nghệ khảo sát do tiêu thụ điện năng của các thiết bị ngoại vi vượt quá phạm vi cung cấp của nguồn năng lượng dự trữ của AUV. Tuy nhiên một số AUV có thể di chuyển trong phạm vi vài chục km đã được nghiên cứu chế tạo, đối với AUV cỡ nhỏ hơn thì phạm vi hoạt động bị giới hạn bởi khả năng mang năng lượng dự trữ. Động cơ đẩy thường chiếm một phần lớn nguồn năng lượng cần thiết để vận hành AUV cho các nhiệm vụ khác nhau. Năng lượng cần thiết để di chuyển một thiết bị AUV hoạt động trong nước là việc tạo ra lực đẩy để thắng lực cản của nước, ngoài ra còn phụ thuộc vào hiệu suất của hệ thống đẩy, các yếu tố như kích thước, hình dạng, bề mặt vỏ và các thành phần phụ gắn trên AUV. Hệ thống động cơ đẩy bị tổn thất năng lượng do một số các yếu tố như tổn thất tại động cơ, tổn thất tại hệ truyền động, ma sát trục, hiệu quả của chân vịt, ... Do đó, AUV được thiết kế có xu hướng có thân, hình dạng được sắp xếp hợp lý với tối thiểu các thành phần phụ mang theo. Tải phụ mang theo được sử dụng để mô tả điện năng tiêu thụ bởi các thiết bị cho các chức năng khác ngoài động cơ đẩy như: Mạch điều khiển, sonar, cảm biến độ sâu, hệ thống điều hướng (la bàn số, cảm biến gia tốc, ..), hệ thống lặn nổi, hệ thống lái, ... Giảm sự tiêu thụ điện năng do tải phụ mang theo là cần thiết đặc biệt là các loại AUV cỡ nhỏ, có thể sử dụng các phương pháp điều khiển tối ưu và sử dụng các thiết bị điện tử tiêu thụ nguồn năng lượng thấp. Một phương pháp khác là sử dụng nguồn năng lượng sẵn có hoặc được cung cấp từ một thiết bị khác. Khi thiết kế một AUV với các nhiệm vụ cụ thể thì việc lựa chọn tốc độ và phạm vi hoạt động, các thiết bị tích hợp trên AUV phù hợp là rất quan trọng. Nói một cách đơn giản, khi tải mang theo tiêu thụ điện năng nhiều thì phạm vi hoạt động giảm, tốc độ càng lớn thì lực cản lớn nên giảm phạm vi hoạt động. Ngày càng có nhiều công nghệ pin với năng lượng dự trữ cao, đỡ tốn kém, dễ sử dụng và có thể sạc lại nhiều lần. Tuy nhiên việc lựa chọn một nguồn năng lượng phù hợp, đạt hiệu quả cao luôn là bài toán được quan tâm của hầu hết các nhà nghiên cứu về AUV. Đặc biệt là các loại AUV cỡ nhỏ, phục vụ cho các công tác nghiên cứu, giám sát, khảo sát, đo đạc vùng ven bờ. Do đó tìm được nguồn năng lượng bổ sung cho AUV trong quá trình hoạt động mà không cần phải thu hồi lại để sạc là cần thiết. Bên cạnh bài toán năng lượng thì việc điều khiển thiết bị lặn AUV đảm bảo tọa độ vị trí, độ sâu lặn cũng luôn là bài toán gặp không ít khó khăn. Do môi trường làm việc của phương tiện hàng hải nói chung của AUV nói riêng là luôn biến đổi, phức tạp và không có cấu trúc rõ ràng, điều này dẫn đến xuất hiện nhiễu không dự báo được đối với hệ thống điều khiển, ví dụ như dòng chảy đại dương, sóng, xáo trộn xung quanh thân AUV do hệ thống đẩy, choán nước của thân gây ra. Do đó đưa ra được một giải pháp điều khiển, phù hợp với từng mô hình AUV cũng rất quan trọng giúp thiết bị hoạt động ổn định và đáp ứng được các yêu cầu đặt ra. Việt nam là một nước có đường bờ biển dài trên 3.200 km, vùng lãnh hải rộng lớn với nhiều các quần đảo. Do đó việc nghiên cứu AUV sẽ có rất nhiều tiềm năng ứng dụng cho các hoạt động kinh tế, xã hội, an ninh quốc phòng và trong nghiên cứu khoa học. Hơn nữa Việt Nam có lượng bức xạ mặt trời rất lớn với số giờ nắng từ 1.400 – 2.600 giờ/năm. Những số liệu quan trắc của các trạm cho thấy, năng lượng 2
bức xạ trung bình trên cả nước mỗi ngày từ 3,3 – 5,7 kWh/m2. Tiềm năng sử dụng năng lượng ở hầu khắp mọi vùng trong cả nước là rất cao. Do đó việc nghiên cứu thiết bị lặn tự hành có bổ sung năng lượng mặt trời là cần thiết và phù hợp với điều kiện tại Việt Nam. 2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của luận án gồm: - Nghiên cứu áp dụng công cụ phần mềm trong việc phân tích thủy động cho mô hình thiết bị lặn tự hành với điều kiện biên xác định để lựa chọn hình dáng thiết bị lặn có bổ sung năng lượng mặt trời. - Thiết kế chế tạo một thiết bị lặn tự hành mới cỡ nhở có bổ sung năng lượng mặt trời nhằm tăng thời gian hoạt động của thiết bị lặn mà không phải thu hồi để nạp năng lượng. Thử nghiệm ngoài thực tế đánh giá khả năng thu năng lượng mặt trời của thiết bị lặn được chế tạo. - Xây dựng thuật toán điều khiển cho mô hình thiết bị lặn 4 bậc tự do, sau khi bỏ 2 bậc tự do không cần thiết và kiểm chứng thuật toán bằng phần mềm. Thiết bị lặn hoạt động ở tầng nước nông với độ sâu nhỏ hơn 20 m, với các điều kiện biên được lựa chọn hợp lý, có thể ứng dụng trong các nhiệm vụ khảo sát, giám sát, đo đạc các thông số môi trường biển. Để thực hiện được mục tiêu này, luận án đặt ra các nhiệm vụ chính sau: - Nghiên cứu, phân tích các phương pháp bổ sung năng lượng cho thiết bị lặn tự hành đã được nghiên cứu, công bố trong và ngoài nước trong những năm gần đây. Phân tích những ưu nhược điểm của các phương pháp sử dụng, bổ sung năng lượng để từ đó xây dựng và lựa chọn hệ thống năng lượng, bổ sung năng lượng cho AUV phù hợp với điều kiện tại Việt Nam. - Phân tích thủy động mô hình thiết bị lặn tự hành trường hợp không có và có hệ thống bổ sung năng lượng mặt trời. - Phân tích lựa chọn hình dáng thiết bị lặn tự hành bổ sung năng lượng mặt trời có cánh linh hoạt bằng phần mềm. Xác định các thông số của thiết bị lặn mới được xây dựng. - Chế tạo mô hình thiết bị lặn có cánh năng lượng linh hoạt. Thực nghiệm đánh giá hiệu quả thu năng lượng mặt trời của thiết bị lặn được chế tạo. - Xây dựng hệ phương trình 4 bậc tự do mô hình S-AUV2 sau khi bỏ 2 bậc tự do không cần thiết từ mô hình 6 bậc tự do. Nghiên cứu xây dựng thuật toán điều khiển trượt tầng HSMC (Hierarchical Sliding Mode Control) cho mô hình S-AUV2 thiếu cơ cấu chấp hành 4 bậc tự do. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án Đối tượng nghiên cứu của luận án là thiết bị lặn tự hành cỡ nhỏ có bổ sung năng lượng hoạt động ở vùng nước nông thường phục vụ cho các nhiệm vụ như đo đạc, giám sát, khảo sát dài ngày trên các vùng biển ven bờ, các vùng nước ô nhiễm và hỗ trợ tìm kiếm cứu hộ cứu nạn. Nghiên cứu tích hợp hệ thống bổ sung năng lượng cho thiết bị lặn tự hành cỡ nhỏ. Một thiết bị lặn tự hành gồm các khối cơ bản sau: 3