Thiết kế robot dưới nước: Phần 2

Chia sẻ: Túcc Vânn | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:132

Thêm vào BST

Báo xấu

15
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nối tiếp nội dung phần 1, phần 2 cuốn sách "Thiết kế robot dưới nước" trình bày các nội dung: Các loại hình robot dưới nước, đa dạng các loại hình robot dưới nước, giới thiệu một vài sáng chế liên quan đến robot dưới nước, cấu hình robot cá, các loại hình và ứng dụng robot cá. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Thiết kế robot dưới nước: Phần 2

PHÀN 2 CÁC LOẠI HÌNH ĐA DẠNG ROBOT DƯỚI NƯỚC Chưong 5 CÁC LOẠI HÌNH ROBOT DƯ ỚI NƯ ỚC Robot dưới nước có cấu hình rất đa dạng, trong đó đa số các loại là mới xuất hiện trong những năm gần đây, nhưng không ít loại đã hiện hữu từ lâu đời, lúc đó còn chưa gọi là robot dưới nước, nhưng đã có các yếu tố cơ bản và nay được trang bị thêm, chủ yếu là hệ thống cảm biên, xừ lý, điều khiển và truyền tin, thì chúng đúng là robot dưới nước. Robot dưới nước ngày nay đang ờ giai đoạn phát triển bùng nổ và cũng chưa có tài liệu nào phân loại chúng, nhưng theo hình dáng bên ngoài có thề tạm xếp thành 2 loại robot dưới nước, loại đặt trong khung hờ và loại đặt trong vỏ kín. Đối với loại đặt trong khung hờ, có thể yêu cầu đầu tư thấp hơn, dễ lắp ráp thêm các thiết bị thao tác với bên ngoài, như camera và cơ cấu tay máy. Còn đối vríri loai đăt trong vỏ kín thì vì vỏ được tạo dáng hợp với yêu cầu thủy động nói hơn nê n ít bị sức cản của nước, do đó tốc độ di chuyển đạt mức cao hơn, lam viẹc aược ở mức sâu hơn. Dưới đây giới thiệu một số kiểu robot dưới nước thuộc 2 loại nói trên. 5.1. Robot dưới nước đặt trong khung hở Hình 5.1 m ô tả cấu hình của robot dưới nước Tiburon, đó là một loại ROV điều khiển từ xa dùng để nghiên cứu biển sâu. V iệc dẫn đường di chuyến nhờ hệ thống định vị thủy âm SO N A R (Sound N avigation Ranging), theo cách xác định khoáng cách bằng sóng âm thanh phàn hồi trong môi trường nước. Như trên hình vẽ đã ghi, robot nước được trang bị m áy định vị băng thủy âm đê nhận biết khoảng cách đến các vật thể xung quanh, các camera quay phim chụp ảnh với các đèn chiếu sáng, các hộp chứa m áy tính và các môđun thiết bị tạo lực đây (thrusters).
Hình 5.2 m ô tả các hoạt động của RO V Tiburon dưới đáy biển khi cá đèn chiếu sáng được bật lên, các camera bắt đầu quan sát đối tượng, các ta máy bắt đầu vươn ra và sẽ tiến hành công việc như công gắp. Hình 5.3 1 hình ảnh m ột chiếc RO V đang hoạt động dưới nước và hinh 5.4 là một robc dưới nước kiểu Triton. Các hình dưới đây giới thiệu một vài kiểu robot dưới nước đã thàn sàn phẩm thương mại: Hình 5.5 là hình ảnh chiếc robot dưới nước với tê gọi ECHO RA N G ER của hãng B oeing, Hoa Kỳ; Hình 5.6 và hình 5.7 là chiếc robot dưới nước, ALIVE và SW IM M ER, cùa hãng C ybem etix, Pháj Hình 5.8 là sản phẩm của ROVTECH với cặp đôi tay máy. 5.2. Robot dưới nước dạng tàu lượn Robot dưới nước dạng tàu lượn là thuộc loại robot dưới nước vỏ kír Theo W ikipedia thì tàu lượn (Glider) là một dạng của A U V (Autonomou Underwater V ehicle) hoặc còn có các tên như uuv (Unm aned Underwati Vehicle) hoặc ROV (R em otely Operated V ehicle), chính xác hơn phải gọi 1 ROV dưới nước, còn ở đây gọi chung là Robot dưới nước. Đúng ra, khôn phải tàu lượn nào cũng là m ột dạng của A U V mà phái là tàu lượn tự độn dưới nước A U G (A utonom os Underwater Glider). Các tàu trượt tự động dưới nước A U G nhờ sức nổi của bản thân nó ke hợp với các cánh có thể tạo điều kiện thuận lợi chuyền dịch theo tầm ngan về phía trước và giảm mức tiêu hao năng lượng. Các loại tàu lượn trước đâ Các tàu trượt tự đông dưới đều được lắp đặt thiết bị đẩy (thruster) ờ phía đuô nên có thê chạy VỚI tõc độ tương đối cao và hoạt động với thời gian khá dí trong môi trường nước như các loại A U V khác. N goài ra các tàu lượn t động dưới nước đều được trang bị các khí cụ cần thiết để khảo sát, thu nhậ và truyền thông tin về trung tâm điều khiển. Các robot dưới nước dạng tà lượn ngày nay đã hiện hành rất nhiều kiểu, rất hiện đại và rất đắt tiền. Trên hình 5.9 giới thiệu 3 kiếu điền hình trong loại A U V có dạng tà lượn: Glider Spray, Seaglider, Slocum Glider. Tiếp theo là các thông số k thuật của các A U V này. Hình 5.10 là chiếc A U V SeaExplorer trên biể Mediterranean, hình 5.11 là hình ảnh thả chiếc Slocum glider xuống Vịn Florida, hình 5.12 là hình ánh chiếc A U G Slocum R U 02 trên biền Sargassc hình 5.13 ghi lại cảnh chuẩn bị cho Seaglider ra biển.
Các thông số kỹ thuật của AUG D ưới đây giới thiệu các thông số kỹ thuật cùa một số loại A U G dạng tàu lượn, bao gôm 3 loại nói trên. S pray g lid e r - Trọng lượng: 51 kg - Đ ường kính: 20 cm - Chiều dài: 200 cm - Sải cánh: 110 cm - Phạm vi độ sâu: 2 0 0 - 1500 m - Trọng tái: 3 , 5 - 5 1 , 8 kg - Tốc độ: 0,25 - 0,35 m / s - Năng lượng: Pin - ác-quy Lithium - Phạm vi hoạt động: 3500 - 4700 km - Định vị và dẫn đường: Dùng GPS, thiết bị đo độ cao và hệ thống tự xác định vị tri. S eaglider - Trọng lượng: 52 kg - Đ ường kính: 30 cm - Chiều dài: 1.8 m - Sải cánh: 1m r*hạm vi độ sâu: 1000 m 'rọng tải: 25 kg - Tốc độ: 0,25 m / s - N ăng lượng: Pin - ác-quy Lithium - Phạm vi hoạt động: 4600 km - Định vị và dẫn đường: Dùng GPS, thiết bị đo độ cao và hệ thống tự xác định vị trí. D e ep g lid er - Trọng lượng: 62 kg - Đ ường kính: 30 cm - Chiều dài: 1.8 m - Sải cánh: 1m - Phạm vi độ sâu: 6000 m 88
- Trọng tải: 25 kg - T ốc độ: 0,25 m / s - N ăng lượng: Pin - ác-quy Lithium - Phạm vi hoạt động: 8500 km - Định vị và dẫn đường: Dùng GPS, thiết bị đo độ cao và hệ thống tự xác định vị trí. Slocum G lider - Trọng lượng: 60 kg - Đường kính: 21,3 cm - Chiều dài: 1,5 m - Sài cánh: 120 cm - Phạm vi độ sâu: 2000 m - Trọng tải: 2 kg - Tốc độ: 0,4 m / s - Năng lượng: Đ ộng cơ nhiệt và ác-quy kiềm dùng cho các khí cụ bên trong. - Phạm vi hoạt động: 4 0000 km - Định vị và dẫn đường: Dùng GPS, thiết bị đo độ cao và hệ thống tự xác định vị tri. 5.3. Robot dưới nước dạng tàu lặn Tàu lặn thông thường dạng tàu ngầm m ini, trong tiếng Anh có chung một thuặt ngư "submarine” . Robot dưới nước dạng tàu lặn khác với robot dưới nước dạng tàu lượn ờ khả nãng lặn sâu, chịu được áp lực lớn, nó không có yêu cầu phải lượn nhẹ nhàng trong m ôi trường nước, vì thế thường không cần đến đôi cánh. Hình 5.14 m ô phỏng chiếc robot dưới nước dạng tàu lặn đang hoạt động trong biển sâu. Hinh 5.15 là hinh ánh bên ngoài chiếc robot dưới nước dạng tàu lặn. Hình 5.16 mô tả kết cấu bên trong một robot dưới nước dạng tàu lặn và hình 5.17 là một dạng khác về cấu hình bên trong chiếc AUV tàu lặn. Biến tàu lặn thông thường thành AU V Tàu lặn thông thường hiện nay được hiểu là tàu lặn có người lái. Tuy nhiên khi có nhu cầu, ví dụ khi cần tránh rủi ro cho con người xâm nhập vào 89
những vùng nước sâu có chứa đựng nhiều yếu tố nguy hiểm , thì công việc trước hết là phải thay đôi đế có thể lái tự động và tự động hóa hầu hết các thao tác cần thiết trên tàu. Đ ồn g thời phải giải quyết vấn đề thu nhận, xử lý, truyền dẫn và tiếp nhận thông tin từ trung tâm điều khiển đặt trên tàu mẹ hoặc trên bờ. N hư vậy, robot dưới nước có liên quan rất mật thiết đến vấn đề tàu lặn, do đó cần điểm qua các thông tin về vấn đề này. Các công trình đầu tiên sản xuất thừ nghiệm tàu lặn ở Việt Nam Hình 5.18 là hình ảnh chiếc tàu lặn loại nhỏ lần đầu tiên được nghiên cứu, chế tạo ờ V iệt N am và thử nghiệm thành công tại nhà m áy đóng tàu Cam Ranh vào ngày 2 1 /9 /2 0 1 4 . Sản phẩm này là kết quả cùa dự án sản xuất thừ nghiệm cấp N hà nước giao C ông ty cồ phần Đ ầu tư và Phát triển công nghệ cao V inashin triển khai từ năm 2 0 1 0 với tổng kinh phí khoảng 25,5 tý đồng. Tàu lặn này, tên là Hòa Bình, có chiều dài 6,63 m, chiều cao 2,74 m, tốc độ di chuyển 4,5 hài lý/giờ . Tàu lặn được trong khoảng thời gian 24 giờ, độ lặn sâu 50 m và chờ được tổng số 4 người, tàu có thể liên lạc với bờ hoặc các tàu khác cách 1 km bằng hệ thống thông tin v ô tuyến. Hệ thống tín hiệu trên tàu nhằm thông báo cho người điều khiến tàu các thông số liên quan đến độ an toàn cùa tàu và người trên tàu để thao tác xừ lý. Khoảng giữa năm 2014, nhiều cơ quan truyền thông đưa tin ờ Thái Bình có một kỹ sư cơ khí đã nghiên cứu chế tạo thành công tàu lặn, gọi tên là Trường Sa. Hình 5.19 giới thiệu hình ảnh chuân bị đưa tàu lặn Trường Sa vào bê thử nghiệm. T rong tháng 9/2014 nhiều báo chí đã đưa tin, nhưng không có ảnh công ty Hải Mã đã chế tạo thành công tàu ngầm Y ết K iêu 1 và lăp ráp và bán cho nước ngoài 5 chiếc tàu lặn. Tàu lặn Giao Long cùa Trung Quốc Năm 2012, Truyền thông Trung Quốc đưa tin đã thừ nghiệm tàu lặn Giao Long, độ sâu tối đa mà Giao Long đạt được là 6.617 m. Hiện tại, trên thế giới mới chi có 5 nước gồm M ỹ, Nga, Pháp, Nhật và Trung Quốc chế tạo được tàu lặn có người lái vượt qua ngưỡng sâu 3500 m. M ỹ vẫn là nước giữ kỳ lục lặn sâu 11.000 m từ năm 1960 tại khu vực biển Mariannes, Thái Bình Dương. G iao Long là tàu lặn có người lái (hình 5.20) do Cục Hàng hài Trung Quốc bắt đầu chế tạo từ năm 2002 và hoàn thành sau 6 năm theo kế hoạch phát triển nghiên cứu kỹ thuật cao quốc gia. Tàu dài 8,2 m; rộng 3 m; cao 3,4 m; nặng 22 tấn; có thê chở nặng được 220 kg, chưa kể tới phi hành đoàn 3 người, thời gian lặn tối đa 12 giờ, có lớp vỏ bọc bằng titanium. 90
Bản tin Tân H oa xã ngày 16/7/2014 đưa tin tàu m ẹ H ướng Dươnị H ồng 09 đã thả tàu lặn G iao Long xuống biển, nhưng không cho biết địí điểm thử nghiệm . Tàu lặn Giao Long mang theo robot dưới nước hoạt độnịị dưới đáy biển, robot này có tên là ROV Long Châu. V ới các camera, má} ảnh gắn trên thân, nhiệm vụ lần này của G iao Long cùng với RO V Long Châu ngoài việc thích ứng với độ sâu khác nhau còn kèm thêm việc “thu thập mẫu vật dưới đáy biển, chụp ảnh địa hình đáy biền”. Hình ảnh của ROV Long Châu đã giới thiệu trên hình 3.19. Tàu lặn thông minh - SmartSub SmartSub four.2 là một sản phâm có nhiều sáng tạo, đó là m ột tàu lặn cho 2 người, đáp ứng tất cả các quy định và hướng dẫn an toàn trên biển (hình 5.21). Chiếc tàu lặn mini này được thiết kế và sản xuất bởi hãng D M S-U nit, Hà Lan. Sau một thời gian nó đã được các cơ quan chuyên nghiên cứu của Chính phủ, các cảng biển và các viện khoa học sừ dụng, hiện nay nó còn được sử dụng cho các du thuyền như m ột thiết bị phục vụ vui chơi giải trí. Phiên bản m ới cùa SmartSub four.2 có thê lặn sâu khoáng 50 m, phiên bàn Pro có thể lặn sâu 200 m. Thiết kế cùa nó tuân thú các quy định an toàn nghiêm ngặt về tàu lặn quốc tế. Đ ây là sự kết hợp của một chiếc tàu lặn mini và một chiếc thuyền chạy điện. Đ ộng cơ không chi tạo lực đẩy chc SmartSub four.2 mà còn kết hợp điều khiến hướng và độ sâu khi lặn. Ngoài động cơ chính, nó còn được trang bị hệ thống động cơ dự phòng riêng biệt. Hành khách lên chiếc tàu lặn này từ một cánh cửa trên nóc tàu, có the mở từ cả bên trong và bên ngoài. Chất liệu được sử dụng trong tàu lặn lả 111C 11 UlUlỉg L|ua liiáíi ninh cảm ứng. Chiêc tàu cũng có thê điêu khiên băng tay trong trường hợp khẩn cấp. Tàu lặn m ini của Nga N ga là một trong các cường quốc về tàu ngầm, tàu lặn, triển khai chúng không những nhằm cho mục đích quân sự mà còn phát triền nhiều loại để phục vụ cho công việc bảo vệ m ôi trường. Hình 5.22 là hình ảnh hạ thủy tàu ngầm M ir-1 xuống ho Baikal với nhiệm vụ ban đầu đe khảo sál lòng hồ. Tàu ngầm M ir -1 từng được sử dụng lặn sâu xuống vùng biển Bắc cực để đo mức độ phóng xạ tại khu vực tàu ngầm nguyên tử K -278 K om som olets của Liên X ô bị đắm trên biển N a U y vùng Bắc Băng Dương. Lần này tàu ngầm M ir-1 được dùng đề dẫn một chiếc tàu lặn mini, có the xem là chiếc robot dưới nước (hình 5.23) đế khảo sát lòng hồ Baikal. 91
SONAR thúy âm Mỏđun tạo lực đẩy Đèn chiếu Camera Đế trượt Hộp bọc máy tính H ìn h 5.1. Mô phỏng cấu hình của robot dưới nước R O V -Tiburon. H in h 5.2. Mô phỏng các hoạt động của R O V -Tiburon. 92
H ìn h 5.3. H ình ảnh m ộ t chiếc R O V đang hoạt động dưới nước. Triton H ình 5.4. Chiếc R O V dưới nước TRITON.
• f H ìn h 5.6. A L IV E của Cybernetix, Pháp. 94
H in h 5.7. SW IMMER cua Cybemetix. H in h 5.8. ROVTECH v&i cap dot tay may. 95
H ìn h 5.9. Các A U V có dáng tàu lượn (Glider): G lider Spray (1), S eaglider (2), Slocum G lider (3). 96
H ìn h 5.10. Chiếc A U V SeaExplorer trên biền Mediterranean. H ình 5.11. NONA thà chiếc Slocum glider xuống Vịnh Florida. 97
H ình 5.12. Chiếc AU G Slocum RU02. H ình 5.13. Tàu Seaglider của Đại học Washington tạ i biển Sargasso đang chuẩn bị hoạt động.
H ìn h 5.14. M ô phỏng chiếc robot dưới nước dạng tàu lặn ở biển sâu. H ình 5.16. Kết cấu bên trong m ột robot dưới nước dạng tàu lặn.
H ình 5.17. M ột dạng cấu hình bẽn trong chiếc A U V tàu lặn. H ìn h 5.18. Sàn phẩm cùa d ự án ché th ử tàu lặn Hòa Bình. 100
H ình 5.19. Chuẩn bị đưa tàu Trường Sa vào bề th ử nghiệm. H ìn h 5.20. Tàu lặn Giao Long cùa Trung Quốc. 101
H ình 5.21. Tàu lặn m ini SmartSub cho khách du lịch. H ình 5.22. Tàu ngâm M IR -01 trong hồ Baikal, Nga. 102
H ìn h 5.23. R obot dư ới nước chuẩn b ị khảo sát đ áy hồ Baikal. 103
Chương 6 Ứ N G D Ụ N G C Á C L O Ạ I H ÌN H R O B O T D Ư Ớ I NƯỚ C 6.1. Đa dạng trong ứng dụng robot dưới nước Có nhiều bài báo trên mạng, giới thiệu phác họa nhưng đã khá đầy đù những bức tranh về sự đa dạng của các ứng dụng A U V . Đ úng là biên khơi rộng lớn cũng như bầu trời bao la, chứa đựng bao nhiều điều bí ẩn, luôn luôn đòi hỏi sự khám phá của con người. N gày nay, nếu như trên có UAV (Unm anned Aerial V ehicle - máy bay không người lái) thì dưới nước lại có A U V (A utonom ous Underwater V eh icle - thiết bị di chuyên dưới nước tự động). Từ cách nhìn tương tự các thiết bị điều khiến tự động thi đây chính là hai loại robot: robot trên không và robot dưới nước, như trong nhiều tài liệu kỹ thuật hiện nay thường gọi như vậy. Cùng với sự phát triển của công nghệ hiện đại, cũng như các robot trên không U A V , các robot dưới nước AƯV đang trờ nên ngày càng phổ biến. Robot dưới nước A U V hiện đang có mặt trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ quân sự cho đến dân sự, từ dịch vụ kinh tế cho đến nghiên cứu khoa học. N râ v nav, Dham vi sử dune robot dưới nước rất m ờ rône. Các lĩnh vưc ngm ẹp dầu khí và an ninh quốc phòng. Trong các dự án nghiên cứu khoa học, robot dưới nước được dùng để phục vụ việc khảo sát m ôi trường dưới lòng nước sông biển, vấn đề khai thác đáy biển, dò tìm săn lùng đàn cá... Trong ngành công nghiệp dầu khí, A U V được sứ dụng để xây dựng các bản đồ đáy biên trước khi xây dựng các cơ sở hạ tầng dưới biền, hệ thống đường ống dẫn và cáp truyền dẫn... Trong an ninh, quốc phòng, robot dưới nước phục vụ việc do thám, giám sát, gây rối và thậm chí là tấn công đối phương.A U V cũng đã từng được sừ dụng trong chiến tranh, như phát hiện và tiêu diệt tàu ngầm địch. Trên các hình 6.1 đến hình 6.4 giới thiệu bằng hình ảnh về sự đa dạng cùa việc sử dung robot dưới nước. Hàng trăm loại A U V khác nhau đã được phát triên trong hơn 50 năm qua, nhưng chi có một vài công ty trong số đó 104
chiếm lĩnh được thị phần. H iện có khoảng 10 công ty có các sản phấm A U V trên thị trường quốc tế, như Công ty hàng hái Kongsberg, Bluefin Robotics. 6.2. Robot dưới nước ‘SAUV’ phục vụ nghiên cứu khoa học Trong công tác nghiên cứu khoa học v ề sông hồ và biển khơi robot dưới nước được khai thác sử dụng rất hiệu quả. Đ e m ô tả loại công việc này, dưới đây sẽ giới thiệu, đế làm ví dụ, về hoạt động cùa m ột số công ty chuyên sản xuất robot dưới nước phục vụ công tác nghiên cứu khoa học. Các robot dưới nước chuyên dụng đó được xếp vào loại sản phẩm “ Science A U V ” (A U V khoa học) và được gọi tắt là SA U V . Công ty sản xuất SAUV Đ ó là Công ty ISE (International Submarine Engineering), một công ty đầu tư cho việc phát triển các sán phẩm kỹ thuật dưới biển có tầm cỡ quốc tế. Công ty ISE thành lập năm 1974 tại V ancouver và từ năm 1981 bắt đầu sản xuất các robot dưới nước theo các yêu cầu phục vụ v iệc nghiên cứu khoa học. Công ty này sản xuất các S A U V theo yêu cầu riêng cùa các cơ sờ nghiên cứu khoa học và đã cung cấp trên 200 hệ thống robot dưới nước cho nhiều quốc gia. Quá trình phát triển của công ty ISE có thể phân thành 3 giai đoạn: + Giai đoạn thứ nhất, tính đến giữa năm 1980, công ty tập trung chủ vếu vào việc làm chu khoa học công nghệ A Ư V . Công ty đã hợp tác chặt phục vụ việc nghiên cứu hải dương học Bedford. N hiều loại robot dưới nước giai đoạn này đã không cần đến dây dắt (tether) từ tàu mẹ, tức là robot có thể hoạt động tự do trong nước. + Giai đoạn thứ 2, tính đến giữa năm 1990, công ty xác định trọng tâm là phát triển ứng dụng AUV. Trước hết là cần thu hút sự quan tâm của chính phủ, công ty đã tô chức trình diễn và tham gia trưng bày triển lãm các sản phâm của mình. C ông ty đã m ơ rộng hợp tác, ngoài V iện nghiên cứu hải dương học Bedford, còn hợp tác với các đơn vị quốc phòng và bắt đầu ký kết hợp đồng với nhiều nước, như Canada, Pháp, Đ ức, Anh, Ý. Nhật Bán, Na U y, Hoa Kỳ và Nga. + Giai đoạn 3 bắt đầu từ các năm 1988 - 1999 với các nội dung hoạt động là hiện thực các chương trình mục tiêu của Chính phủ, san xuất nhiều 105