I. Tổng quan về thiết bị lặn tự hành và nguồn năng lượng
Luận án tập trung vào việc tối ưu thiết kế thiết bị lặn tự hành (AUV) cỡ nhỏ với bổ sung năng lượng, đặc biệt là năng lượng mặt trời. Thiết bị lặn tự hành là công cụ quan trọng trong nhiều lĩnh vực như nghiên cứu biển, dầu khí, quân sự, và cứu hộ. Tuy nhiên, nguồn năng lượng là yếu tố hạn chế chính, ảnh hưởng đến phạm vi và thời gian hoạt động của AUV. Luận án đề cập đến các loại nguồn năng lượng hiện có như pin axit chì, pin Lithium Ion, và năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, sóng, và gió. Việc tích hợp năng lượng mặt trời vào thiết kế AUV được xem là giải pháp tiềm năng để tăng hiệu quả hoạt động.
1.1. Phân loại thiết bị lặn
Luận án phân loại thiết bị lặn dựa trên khả năng lặn sâu, khối lượng, và sự hiện diện của người lái. Thiết bị lặn không người lái được chia thành các loại như ROV (Remote Operated Vehicle) và AUV (Autonomous Underwater Vehicle). AUV cỡ nhỏ được ưu tiên nghiên cứu do tính linh hoạt và khả năng ứng dụng trong nhiều môi trường khác nhau.
1.2. Nguồn năng lượng cho AUV
Các nguồn năng lượng truyền thống như pin axit chì và pin Lithium Ion có hạn chế về dung lượng và thời gian sử dụng. Luận án đề xuất việc sử dụng năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời, để bổ sung năng lượng cho thiết bị lặn tự hành. Các phương pháp tích hợp năng lượng mặt trời vào thiết kế AUV được phân tích kỹ lưỡng, bao gồm việc sử dụng các tấm pin mặt trời linh hoạt.
II. Mô hình hóa và tối ưu thiết kế AUV
Luận án trình bày chi tiết quá trình mô hình hóa và tối ưu hóa thiết kế cho thiết bị lặn tự hành có bổ sung năng lượng mặt trời. Các phương trình động lực học và động học của AUV được phân tích để xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động. Luận án cũng đề cập đến việc tối ưu hóa hình dáng của AUV để giảm lực cản và tăng hiệu quả sử dụng năng lượng. Các mô hình S-AUV1 và S-AUV2 được thiết kế và thử nghiệm để đánh giá hiệu quả của việc tích hợp năng lượng mặt trời.
2.1. Phân tích động lực học
Luận án sử dụng các phương trình động lực học để mô tả chuyển động của thiết bị lặn tự hành trong môi trường nước. Các yếu tố như lực cản, lực nâng, và mô men được phân tích để tối ưu hóa thiết kế. Các mô hình S-AUV1 và S-AUV2 được thiết kế với các cánh thu năng lượng mặt trời linh hoạt, giúp tăng hiệu quả thu năng lượng.
2.2. Tối ưu hóa hình dáng
Việc tối ưu hóa hình dáng của AUV được thực hiện thông qua các mô phỏng CFD (Computational Fluid Dynamics). Các kết quả mô phỏng cho thấy việc thiết kế thân AUV với hình dạng tối ưu giúp giảm đáng kể lực cản và tăng hiệu suất sử dụng năng lượng. Các mô hình S-AUV1 và S-AUV2 được thử nghiệm trong các điều kiện khác nhau để đánh giá hiệu quả.
III. Hệ thống lặn nổi và thực nghiệm
Luận án trình bày chi tiết về hệ thống lặn nổi và các thử nghiệm thực tế để đánh giá hiệu quả của thiết bị lặn tự hành có bổ sung năng lượng mặt trời. Các hệ thống bơm nước và điều chỉnh áp suất được thiết kế để đảm bảo khả năng lặn nổi của AUV. Các thử nghiệm thực tế được tiến hành để đo lường khả năng thu năng lượng mặt trời và hiệu suất hoạt động của S-AUV2.
3.1. Hệ thống lặn nổi
Luận án mô tả chi tiết hệ thống lặn nổi sử dụng các bơm piston và khí nén để điều chỉnh độ sâu của AUV. Các hệ thống này được thiết kế để đảm bảo tính ổn định và hiệu quả trong quá trình lặn nổi. Các thử nghiệm thực tế cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật.
3.2. Thử nghiệm thu năng lượng mặt trời
Các thử nghiệm thực tế được tiến hành để đo lường khả năng thu năng lượng mặt trời của S-AUV2. Kết quả cho thấy việc tích hợp các tấm pin mặt trời linh hoạt giúp tăng đáng kể khả năng thu năng lượng, đặc biệt trong điều kiện có nắng. Các thử nghiệm cũng đánh giá hiệu suất sạc pin và thời gian hoạt động của AUV.
IV. Bộ điều khiển và ứng dụng thực tế
Luận án đề xuất bộ điều khiển trượt tầng (HSMC) để điều khiển thiết bị lặn tự hành một cách hiệu quả. Bộ điều khiển này được thiết kế dựa trên lý thuyết ổn định Lyapunov, giúp đảm bảo tính ổn định và chính xác trong quá trình điều khiển. Các kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển HSMC đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật và có tiềm năng ứng dụng cao trong thực tế.
4.1. Thiết kế bộ điều khiển HSMC
Luận án trình bày chi tiết quá trình thiết kế bộ điều khiển trượt tầng (HSMC) dựa trên lý thuyết ổn định Lyapunov. Bộ điều khiển này được thiết kế để điều khiển thiết bị lặn tự hành với độ chính xác cao và tính ổn định tốt. Các kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển HSMC đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật.
4.2. Ứng dụng thực tế
Luận án đánh giá tiềm năng ứng dụng của bộ điều khiển HSMC trong thực tế. Các kết quả mô phỏng và thử nghiệm cho thấy bộ điều khiển này có thể được sử dụng để điều khiển thiết bị lặn tự hành trong các môi trường khác nhau, từ nghiên cứu biển đến ứng dụng quân sự và cứu hộ.
