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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:28

Thêm vào BST

Báo xấu

16
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: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Cơ khí: Nghiên cứu tối ưu thiết kế một thiết bị lặn tự hành (AUV) cỡ nhỏ có 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 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2022
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: GS.TS. Đinh Văn Phong TS. Nguyễn Chí Hưng Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ……… Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
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]. 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 [3]. 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 dưới 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. Do đây là một thiết bị lặn tự hành nên nguồn năng lượng cung cấp cho thiết bị 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. 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 1
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. Hơn nữa Việt Nam có lượng bức xạ mặt trời rất lớn với số giờ nắng từ 1400 – 2600 giờ/năm. Những số liệu quan trắc của các trạm cho thấy, năng lượng 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 là cần thiết và phù hợp với điều kiện tại Việt Nam. 2. Mục tiêu nghiên cứu - 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. 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. Phạm vi nghiên cứu của luận án nằm trong chức năng của khối: Khối vỏ và kết cấu khung; Khối lặn nổi; Khối nguồn; Khối điều khiển. Nghĩa là luận án nghiên cứu về hình dáng, nguồn năng lượng, hệ thống 2
lặn nổi và thuật toán điều khiển cho một AUV cỡ nhỏ phù hợp với điều kiện tại Việt Nam. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Luận án nghiên cứu và phát triển một AUV cỡ nhỏ có bổ sung năng lượng trên cơ sở phân tích các phương pháp bổ sung năng lượng hiện có phù hợp với điều kiện tại Việt Nam. Từ đó có thể nâng cao phạm vi, thời gian hoạt động của thiết bị lặn. Bộ điều khiển đề xuất đã được kiểm chứng thông qua mô phỏng kỹ thuật số cho một mô hình S- AUV2 mới được thiết kế. Thực nghiệm chế tạo và xây dựng mô hình S-AUV2 ngoài thực tế để đánh giá hiệu quả việc tích hợp hệ thống bổ sung năng lượng, so sánh với một số nghiên cứu về thiết bị tương tự có bổ sung năng lượng mặt trời đã công bố trên thế giới. Đánh giá hiệu quả của phương pháp điều khiển thông qua mô phỏng bằng phần mềm. 5. Phương pháp nghiên cứu Để đạt được mục tiêu đề ra, phương pháp nghiên cứu của luận án là: Nghiên cứu lý thuyết các công trình khoa học liên quan được công bố trong thời gian gần đây về lĩnh vực thiết bị lặn tự hành nói chung và thiết bị lặn có bổ sung năng lượng nói riêng, các phương pháp bổ sung năng lượng, các phương pháp điều khiển thiết bị lặn AUV. Phân tích ưu nhược điểm của các nghiên cứu này để từ đó đề xuất phát triển hướng nghiên cứu về thiết bị lặn tích hợp năng lượng mặt trời có cánh linh hoạt. Xây dựng thuật toán điều khiển trượt tầng cho mô hình thiết bị lặn S-AUV2 được xây dựng. Nghiên cứu thực nghiệm chế tạo mô hình thiết bị lặn tự hành cỡ nhỏ có bổ sung năng lượng mặt trời với cánh năng lượng linh hoạt. Nghiên cứu khả năng thu năng lượng mặt trời của S-AUV2 được chế tạo tại một số tỉnh của Việt Nam. Kiểm chứng các giải pháp, đề xuất mới của luận án với các nghiên cứu đã được công bố trong cùng một hướng nghiên, chế tạo và thực nghiệm thiết bị lặn mới để có được các kết luận khách quan về những đóng góp của luận án. 6. Bố cục của luận án Bố cục của luận án gồm có phần mở đầu, nội dung, kết luận. Trong đó phần nội dung chính của luận án được trình bày trong 4 chương như sau: 3
Chương 1. Tổng quan về thiết bị lặn và nguồn năng lượng cho thiết bị lặn tự hành. Chương 2. Mô hình hóa thiết bị lặn tự hành có bổ sung năng lượng mặt trời. Chương 3. Hệ thống lặn nổi và thực nghiệm khả năng thu năng lượng mặt trời. Chương 4. Nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển cho mô hình thiết bị lặn tự hành S-AUV2. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ LẶN VÀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG CHO THIẾT BỊ LẶN TỰ HÀNH 1.1. Tổng quan về thiết bị lặn tự hành AUV 1.1.1. Trên thế giới 1.1.2. Tại Việt Nam Đối với nước ta có đường bờ biển dài hơn 3.200 km không tính các đảo và hàng ngàn các đảo, có thềm lục địa rộng lớn. Từ lâu biển đã đem lại nhiều nguồn lợi quý giá cho đất nước. Đảng và nhà nước đã khẳng định “Trở thành một nước mạnh về biển là một mụctiêu chiến lược xuất phát từ các yêu cầu và điều kiện khách quan của sự nghiệp xây dựng và bảo vệ Tổ quốc Việt Nam”. Với mục tiêu đó năm 1980 nước ta đã đẩy mạnh phát triển ngành các ngành công nghiệp liên quan đến biển đặc biệt là dầu khí và xem nó như một ngành công nghiệp hàng đầu. Biển Đông được dự đoán là vùng biển giàu tài nguyên dầu mỏ, khí đốt và các loại khoáng sản khác, nhưng hiện nay việc thăm dò và khai thác còn hạn chế. Việc giám sát môi trường biển, giám sát an ninh quốc phòng trên biển hiện này đang là vấn đề cấp thiết. Với việc ứng dụng các thiết bị lặn hoạt động dưới để khảo sát và bảo trì các hệ thống ngầm, giám sát, thăm dò là một nhu cầu rất cần thiết hiện nay. Với sự phát triển của nền công nghiệp dầu khí và công nghiệp quân sự đã đặt ra các nhu cầu cho các trường đại học trong cả nước và các công ty dịch vụ hàng hải để phát triển nghiên cứu các thiết bị lặn nhưng chủ yếu chỉ tập trung dừng lại ở dạng ROV với nhiều hạn chế. Tại Việt Nam trong những năm gần đây đã có một số nghiên cứu về thiết bị lặn nói chung, thiết bị lặn tự hành nói riêng tại các trường đại học, học viện nghiên cứu và chế tạo mô hình thiết bị lặn tự hành như [5]. Mới chỉ thử nghiệm trong phạm vi nhỏ và chủ yếu thử nghiệm trên bề mặt mà chưa có những thử nghiệm ở các độ sâu, phạm vi khác nhau [7], [8], [9]. Các 4
nghiên cứu này chưa hoàn thiện và chưa được ứng dụng vào thực tế vì nhiều lý do, trong đó lý do chính là các nghiên cứu chưa hoàn thiện hết về mặt công nghệ, còn khó khăn trong vấn đề đầu tư tài chính. Bên cạnh đó để đáp ứng một phần nhu cầu trong nước, một số công ty dịch vụ hàng hải đã mua các thiết bị lặn của nước ngoài để thương mại cung cấp dịch vụ thăm dò và bảo trì các công trình ngầm dưới đại dương nhưng giá thành của các phương tiện và dịch vụ này rất cao. Tuy nhiên tại Việt Nam chưa có một nghiên cứu nào về khả năng tự bổ sung năng lượng cho thiết bị lặn. 1.2. Phân loại thiết bị lặn 1.2.1. Loại thiết bị lặn có người lái và không người lái Hình 1.4. Các loại thiết bị lặn không người lái 1.2.2. Phân loại theo khả năng lặn sâu 1.2.3. Phân loại theo khối lượng của thiết bị lặn được chia thành các loại 1.3. Tổng quan về nguồn năng lượng cho thiết bị lặn tự hành AUV Không giống như các thiết bị lặn có dây ROV, sự hoạt động của thiết bị lặn tự hành AUV bị giới hạn bởi nguồn năng lượng mà chúng có thể mang theo. Nguồn năng lượng là đặc điểm thiết kế rất quan trọng đối với thiết bị lặn tự hành AUV, vì nó quyết định phạm vi hoạt động và các nhiệm vụ thực hiện của AUV trong quá trình hoạt động. Theo nghiên cứu [11, 12] cho thấy phạm vi này được cho bởi phương trình dưới đây: 5
 E  1 R . u (1.1) K  2 d Trong đó: R: Phạm vi hoạt động của AUV (m) E: Năng lượng có sẵn (J) Kd: Hệ số kéo u: Tốc độ của AUV (m/s) Theo [11] thì mô hình sau khi thêm phụ tải ta nhận được kết quả sau.    E  1 R  P . u 2 (1.2) K  h   d u 3  Trong đó: Ph là phụ tải mà AUV có thể mang theo. Như vậy mỗi loại AUV khác nhau, tùy từng thời điểm ra đời của nó thì sử dụng loại nguồn năng lượng khác nhau phù hợp với yêu cầu, phù hợp với điều kiện và nhiệm vụ mà người thiết kế đặt ra. 1.3.1. Động cơ chu kỳ khép kín 1.3.2. Pin 1.3.2.1. Pin kiềm 1.3.2.2. Pin axit chì 1.3.2.3. Pin NiCd 1.3.2.4. Pin Lithium Ion 1.3.2.5. Pin Lithium Polymer 1.3.3. Pin nhiên liệu 1.3.4. Năng lượng hạt nhân 1.4. Tổng quan về năng lượng bổ sung cho thiết bị lặn tự hành 1.4.1. Năng lượng sóng 1.4.2. Năng lượng gió 1.4.3. Năng lượng dòng chảy 1.4.4. Năng lượng mặt trời 1.5. Tích hợp nguồn năng lượng bổ sung cho thiết bị lặn tự hành phù hợp với điều kiện tại Việt Nam Bảng 1.4. Thông số cường độ bức xạ mặt trời ở Việt nam [23] 6
Số giờ nắng Mật độ NLMT TT Khu vực trung bình (kWh/m2/ngày) (giờ/năm) 1 Khu vực Đông Bắc 3,3 – 4,1 1.500 – 1.800 2 Khu vực Tây Bắc 4,1 – 4,9 1.890 – 2.102 3 Khu vực Bắc Trung Bộ 4,6 – 5,2 1.700 – 2.000 4 Khu vực Nam Trung Bộ 4,9 – 5,7 2.000 – 2.600 và Tây Nguyên 5 Khu vực Nam Bộ 4,3 – 4,9 2.200 – 2.500 Trung bình cả nước 4,6 2.000 Luận án đưa ra giải pháp cánh năng lượng linh hoạt, tùy vào từng trạng thái hoạt động của AUV mà có thể đóng mở cánh năng lượng, cánh năng lượng chỉ mở ra khi AUV đứng yên để thu năng lượng mặt trời, đóng cánh khi di chuyển do đó giảm lực cản khi chuyển động. 1.6. Tổng quan về các phương pháp điều khiển thiết bị lặn tự hành Trong hệ thống điều khiển của AUV, bộ điều khiển chuyển động đóng vai trò vô cùng quan trọng như não bộ của toàn bộ hệ thống điều khiển, có vai trò tiếp nhận và xử lý thông tin thông qua các luật điều khiển, sau đó cung cấp các tín hiệu điều khiển thông qua bộ phân bố điều khiển tới các cơ cấu chấp hành của AUV. Kết luận chương 1: Trong chương 1, luận án đã nghiên cứu: - Tổng quan về các thiết bị lặn tự hành nói chung, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước. Tổng quan về năng lượng cho thiết bị lặn tự hành, tổng quan nguồn năng lượng bổ sung cho AUV, phân tích hệ thống bổ sung năng lượng mặt trời. - Nghiên cứu đánh giá tổng quan các phương pháp điều khiển đã được công bố trong và ngoài nước, phân tích ưu nhược điểm của từng bộ điều khiển áp dụng trong điều khiển AUV, từ đó xác định hướng nghiên cứu cụ thể của luận án. - Tổng quan bộ điều khiển bộ điều khiển trượt tầng HSMC cho các hệ thiếu cơ cấu chấp hành. Đề xuất áp dụng bộ điều khiển HSMC cho hệ thiết bị lặn tự hành thiếu cơ cấu chấp hành. 7
CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH HÓA THIẾT BỊ LẶN TỰ HÀNH CÓ BỔ SUNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 2.1. Động học của thiết bị lặn tự hành 2.1.1. Hệ tọa độ Hình 2.2. Hệ tọa độ của S-AUV Bảng 2.1. Các ký hiệu mô tả 6 bậc tự do của S-AUV Bậc Lực Vận Vị trí tự và tốc dài và góc Chuyển động do mô- và vận Euler men tốc góc 1 Chuyển động tiến theo trục 𝑥 𝑋 𝑢 𝑥 2 Chuyển động tiến theo trục 𝑦 𝑌 𝑣 𝑦 3 Chuyển động tiến theo trục 𝑧 𝑍 𝑤 𝑧 4 Chuyển động quay quanh trục 𝑥 𝐾 𝑝  5 Chuyển động quay quanh trục 𝑦 𝑀 𝑞  6 Chuyển động quay quanh trục 𝑧 𝑁 𝑟 𝜓 2.1.2. Phương trình chuyển động của thiết bị lặn tự hành S-AUV (Dynamics) Thiết bị lặn tự hành S-AUV coi như là một vật rắn. Do đó phương trình chuyển động của S-AUV được biểu diễn bằng tập các véc-tơ [77]: M RB v  CRB (v )v   RB (2.4) Trong đó: v  [u , v, w, p, q, r ] là véc-tơ vận tốc dài và vận tốc góc trong hệ tọa độ T động O  xyz 8
 RB  [X , Y , Z , K , M , N ] là véc-tơ lực và momen điều khiển trong hệ tọa T độ động O  xyz M RB là ma trận quán tính hệ thống của S-AUV C RB ( v ) là ma trận Coriolis và lực hướng tâm của S-AUV 2.2. Phân tích động lực học thiết bị lặn 2.2.1. Phân tích động học 2.2.2. Cơ sở lý thuyết về dòng chất lưu 2.2.3. Phân tích tối ưu lựa chọn hình dáng thiết bị lặn tự hành 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 2.2.4.1. Thiết kế mô hình khảo sát 2.2.4.2. Chia lưới và phân tích Hình 2.14. Phân bố áp suất trên Hình 2.15. Phân bố áp suất trên bề mặt của AUV tại vận tốc 3 m/s bề mặt SAUV tại vận tốc 3 m/s Hình 2.16. Trường áp suất của Hình 2.17. Trường áp suất của AUV tại vận tốc 3 m/s SAUV tại vận tốc 3 m/s Lực cản, mô men tác dụng lên AUV và SAUV 9
Để đánh giá các yếu tố dòng chảy tác động lên hai loại thiết bị lặn tác giả đi phân tích mô phỏng tại một số các vận tốc khác nhau: v=1 m/s, v= 3 m/s, v=5 m/s. Các thành phần lực và mô men dòng chảy tác dụng lên mô hình AUV và SAUV sau khi phân tích được xác định như trong Bảng 2.5, Bảng 2.6 và Bảng 2.7. Bảng 2.5. Lực và mô men tác dụng lên thiết bị lặn tại vận tốc v=1m/s AUV SAUV Lực Fx 0.00032 0.177 (N) Fy 4.568 6.505 Fz 0.337 14.885 Mô men Mx 0.169 2.732 (Nm) My 0.505 12.153 Mz 4.399 3.773 Bảng 2.6. Lực và mô men tác dụng lên thiết bị lặn tại vận tốc v= 3m/s AUV SAUV Lực Fx 0.038 1.915 (N) Fy 40.930 58.522 Fz 2.754 138.310 Mô men Mx 1.456 25.720 (Nm) My 4.210 106.144 Mz 39.475 26.425 Bảng 2.7. Lực và mô men tác dụng lên thiết bị lặn tại vận tốc v= 5m/s AUV SAUV Lực Fx 0.327 5.760 (N) Fy 113.480 162.758 Fz 7.468 388.969 Mô men Mx 4.094 69.640 (Nm) My 11.580 319.328 Mz 109.388 93.118 10
2.3. Mô hình thiết bị lặn có cánh thu năng lượng mặt trời linh hoạt S-AUV1 2.3.1. Thiết kế mô hình S-AUV1 2.3.2. Phân tích thủy động học mô hình S-AUV1 Hình 2.28. Trường vận tốc khi Hình 2.29. Trường vận tốc khi S- S-AUV1 đóng cánh AUV1 mở cánh Hình 2.38. Biểu đồ quan hệ Fx-v của mô hình S-AUV1 Hình 2.39. Biểu đồ quan hệ Fy-v của mô hình S-AUV1 11
Hình 2.39. Biểu đồ quan hệ Fz-v của mô hình S-AUV1 2.4. Mô hình thiết bị lặn có cánh thu năng lượng mặt trời linh hoạt S-AUV2 2.4.1. Thiết kế mô hình S-AUV2 Hình 2.45. Trường vận tốc xung quanh S-AUV tại vận tốc 1,5 m/s Hình 2.49. Biểu đồ quan hệ lực cản và vận tốc theo phương X 12
Hình 2.50. Biểu đồ quan hệ lực cản và vận tốc theo phương Y Hình 2.51. Biểu đồ quan hệ lực cản và vận tốc theo phương Z Bảng 2.12. Thông số hai mô hình S-AUV1 và S-AUV2 Thông số S-AUV1 S-AUV2 Chiều dài 1690 mm 1450 mm Đường kính 230 mm 320 mm Diện tích pin năng lượng khi đóng 0 m2 0,27 m2 Kích thước pin năng lượng khi mở 0,45 m2 0,72 m2 Trong trường hợp mở cánh năng lượng thì với mô hình S-AUV1 thì diện tích pin năng lượng là 0,45 m2, mô hình S-AUV2 là 0,72 m2. Như vậy cả hai trường hợp đóng và mở cánh thì diện tích pin năng lượng của 13
mô hình S-AUV2 đều lớn hơn, do đó hiệu suất thu năng lượng cũng tăng lên. Kết luận chương 2 - Chương 2 của luận án đã xây dựng mô hình thiết bị lặn tự hành không có cánh thu năng lượng và có cánh thu năng lượng mặt trời. Từ đó phân tích lựa chọn hình dáng kết cấu của thiết bị phù hợp. - Sử dụng công cụ CFD trong phần mềm ANSYS để phân tích thử nghiệm mô hình. Đánh giá, phân tích định lượng các thông số như lực cản, lực nâng, dao động của mô hình thiết kế. - Từ những phân tích đó tác giả đã đề xuất và thiết kế mô hình thiết bị lặn tự hành có cánh thu năng lượng mặt trời linh hoạt S-AUV1, S- AUV2. Mô hình S-AUV1 được thiết kế là dạng cánh gấp có những nhược điểm nhất định như độ cân bằng kém, diện tích cánh thu năng lượng thấp. Đối với mô hình S-AUV2 được thiết kế cánh năng lượng có khả năng đóng mở theo phương ngang cho thấy hiệu quả hơn có diện tích tấm pin năng lượng lớn hơn, độ ổn định về cân bằng tốt hơn. Với thiết kế cánh thu năng lượng mặt trời có thể đóng mở giúp giảm lực cản khi di chuyển, giảm tổn hao năng lượng cho thiết bị, tăng phạm vi di chuyển. Từ những phân tích hiệu quả thu năng lượng và phân tích về thủy động học tác giả lựa chọn mô hình S-AUV2 là mô hình chế tạo thử nghiệm khả năng thu năng lượng mặt trời được thực hiện ở chương 3. - Xây dựng mô hình động học thiết bị lặn có 6 bậc tự do phục vụ cho việc xây dựng mô hình S-AUV2 với 4 bậc tự do và xác định các thông số mô hình để từ đó xây dựng bộ điều khiển phù hợp với hệ thống. CHƯƠNG 3. HỆ THỐNG LẶN NỔI VÀ THỰC NGHIỆM KHẢ NĂNG THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 3.1. Hệ thống đảm bảo sức nổi và chế tạo thực nghiệm S-AUV Độ lớn sức nổi của S-AUV2 được tính như sau: W  FA  PS  AUV 2 (3.1) Trong đó : FA : độ lớn lực đẩy Acsimet PS  AUV 2 : trọng lượng của S-AUV2 3.2. Hệ thống lặn nổi cho thiết bị lặn 3.2.1. Lý thuyết hệ thống lặn nổi cho thiết bị lặn 3.2.2. Hệ thống bơm nước bằng piston 14
3.2.3. Hệ thống bơm áp suất thấp 3.2.4. Hệ thống bơm nước áp suất cao 3.2.5. Hệ thống bơm nước bằng khí nén 3.2.6. Hệ thống bơm nước vào ra bằng khí ga 3.2.7. Hệ thống điều chỉnh tuần hoàn không khí RCABS 3.3. Thiết kế hệ thống lặn nổi cho mô hình S-AUV2 3.3.1. Thiết kế hệ thống xilanh – piston 3.3.2. Sơ đồ mạch hệ thống bơm nước 3.3.3. Thử nghiệm hệ thống lặn nổi cho S-AUV2 3.4. Tích hợp hệ thống bổ sung năng lượng mặt trời 3.4.1. Cơ sở lý thuyết 3.4.2. Mô hình S-AUV có cánh năng lượng linh hoạt 3.4.3. Sơ đồ mạch hệ thống năng lượng mặt trời của S-AUV2 Hình 3.25. Lắp phần đầu và phần Hình 3.26. Lắp cánh năng lượng linh đuôi và cánh năng lượng linh hoạt hoạt 3.4.4. Kết quả thực nghiệm khả năng thu năng thu năng lượng của S-AUV2 Hình 3.27. S-AUV trong trường Hình 3.28. S-AUV trong hợp cánh năng lượng đóng trường hợp cánh năng lượng mở 15
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) 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) Do đó khi thu năng lượng mặt trời thì S-AUV2 nổi càng gần mặt nước càng tốt. Đặc biệt khi tích hợp cánh năng lượng mặt trời linh hoạt theo thiết kế có thể tăng khả năng thu năng lượng mặt trời của S-AUV2 lên khoảng 2,7 lần so với không có cánh năng lượng mặt trời linh hoạt trong cùng điều kiện thử nghiệm về vị trí và thời gian. 3.4.5. Thử nghiệm khả năng sạc năng lượng cho Pin Như vậy với thời gian có nắng tại Việt Nam thì hệ thống pin của S- AUV2 có thể tăng dung lượng pin lên gấp đôi vẫn đảm bảo sạc đầy pin sau khi pin dùng về trạng thái nghỉ. 16
250 200 200 180 170 150 90 100 60 50 18.5 1 0… 0 [82] [84] [87] S-AUV2 Khối lượng (kg) Hình 3.36. Biểu đồ so sánh công suất pin năng lượng và khối lượng. Như Bảng 3.3 và Hình 3.36 cho thấy rằng với mô hình S-AUV2 được chế tạo với khối lượng 18,5 kg, diện tích bề mặt pin năng lượng mặt trời khoảng 0,72 m2, với công suất pin mặt trời là 180W. Hiệu suất giữa công suất của tấm pin mặt trời trên khối lượng của mô hình S- AUV2 đều tốt hơn các nghiên cứu [82], [84], [87]. Điều đó cho thấy hiệu quả về việc thu năng lượng mặt trời của mô hình S-AUV2 tốt hơn các nghiên cứu trước đó, do đó với giả thiết cánh năng lượng chỉ mở ra khi thu năng lượng mặt trời và đóng lại khi di chuyển sẽ tăng hiệu quả về việc thu năng lượng, sử dụng năng lượng giảm tiêu hao năng lượng cho thiết bị lặn từ đó giúp thiết bị lặn tự hành S-AUV2 do tác giả nghiên cứu chế tạo có thể hoạt động trong phạm vi lớn và trong thời gian dài ngày. Kết luận chương 3 - Chương 3 tác giả đã phân tích các phương pháp lặn nổi cho một thiết bị lặn dưới nước, trên cơ sở đó tác giả tính toán, lựa chọn hệ thống lặn nổi cho thiết bị lặn tự hành S-AUV2. - Chế tạo mô hình thiết bị lặn S-AUV2 có cánh năng lượng mặt trời linh hoạt có thể đóng mở theo phương ngang giúp thiết bị lặn có khả năng thu năng lượng mặt trời và giảm lực cản khi di chuyển. - Thực nghiệm khả năng thu nhận năng lượng mặt trời tại một số địa điểm khu vực phía Bắc, Việt Nam. Việc có cánh năng lượng mặt trời linh hoạt giúp tăng 2,7 lần khả năng thu năng lượng mặt trời so với thiết bị lặn cùng loại không có cánh năng lượng mặt trời linh hoạt. 17
- So sánh hiệu quả thu nhận năng lượng của mô hình S-AUV2 được chế tạo với các thiết bị tương tự có hệ thống bổ sung năng lượng mặt trời trên thế giới. Mô hình S-AUV2 được chế tạo cho thấy hiệu quả thu năng lượng mặt trời tốt và hiệu suất thu năng lượng mặt trời trên kích thước và khối lượng tốt hơn các nghiên cứu trước đó. CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO MÔ HÌNH S-AUV2 4.1. Cơ sở lý thuyết bộ điều khiển trượt 4.1.1. Điều khiển trượt 4.1.2. Bộ điều khiển trượt cơ bản 4.1.3. Lý thuyết ổn định của Lyapunov áp dụng cho điều khiển phi tuyến 4.2. Xây dựng bộ điều khiển trượt tầng HSMC cho mô hình S- AUV2 4.2.1. Phương pháp điều khiển trượt tầng HSMC 4.2.2. Xây dựng động lực học mô hình S-AUV2 bốn bậc tự do  2 2  m u  vr  wq  x g ( q  r )  y g ( pq  r )  z g ( pr  q )  X m  v  wp  ur  y ( r  p )  z ( pr  p )  x ( qp  r )   Y 2 2 g g g m  w  uq  vp  z ( q  p )  x ( rp  q )  y ( rq  p )   Z 2 2 (4.44) g g g   I zz r  ( I yy  I xx ) qp  m x g ( v  wq  ur)  y g ( u  vr  wq )  N Theo phương trình (4.45), ta viết lại phương trình động học của S- AUV2 có 4 bậc tự do như sau:    J ( )v  (4.50) Mv  C (v)v  D(v)v   Trong đó hệ thống thiết bị lặn tự hành S-AUV2 là một hệ thiếu cơ cấu chấp hành bao gồm 2 tín hiệu đầu vào và 4 tín hiện đầu ra. Chính vì vậy, tách mô hình toán thành hai phần hệ thống thiếu chấp hành và hệ thống đủ chấp hành. Véc-tơ vị trí  sẽ được chia làm hai phần   1  2  ; 1   x y T T cho trạng thái đủ chấp hành và 18