Chương 1. Tổng quan về thiết bị lặn và nguồn năng lượng cho thiết bị lặn tự hành Tổng quan về các thiết bị lặn tự hành nói chung, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước. Tổng quan về nguồn năng lượng cho thiết bị lặn tự hành. Tổng quan về thiết bị lặn tự hành có tích hợp 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. Mô hình hóa thiết bị lặn tự hành có bổ sung năng lượng mặt trời 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 lặn 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 về hiệu quả thu 5 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. Xây dựng mô hình động học tổng quát thiết bị lặn S-AUV2 có 6 bậc tự do phục vụ cho việc xây dựng mô hình 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. Hệ thống lặn nổi và thực nghiệm khả năng thu năng lượng mặt trời 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.
Nghiên cứu chế tạo mô hình thiết bị lặn S-AUV2 có cánh năng lượng linh hoạt có thể đóng mở theo phương ngang. Thực nghiệm khả năng thu nhận năng lượng mặt trời tại một số địa điểm khu vực phía Bắc, Việt Nam. 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 trên thế giới. Mô hình S-AUV2 được chế tạo cho thấy hiệu quả thu năng lượng mặt trời tốt và hiệu suất năng lượng trên kích thước, khối lượng tốt hơn các nghiên cứu trước đó.
Nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển cho mô hình thiết bị lặn tự hành S-AUV2 Chương 4 trình bày các nội dung sau: Tổng quan về bộ điều khiển trượt và các bước xây dựng bộ điều khiển trượt. Trình bày phương pháp điều khiển trượt tầng HSMC cho hệ thiếu cơ cấu chấp hành, số đầu vào ít hơn số đầu ra. Từ đó phân tích biến đổi mô hình động học thiết bị lặn tự hành 6 bậc tự do rút gọn xuống 4 bậc tự do, bỏ bậc tự do không cần thiết nhằm đơn giản hóa bộ điều khiển cho thiết bị lặn tự hành, đồng thời giảm sự tiêu hao năng lượng cho thiết bị lặn tự hành. Xây dựng bộ điều khiển HSMC cho hệ thiếu cơ cấu chấp hành S-AUV2 gồm 2 tín hiệu đầu vào, 4 tín hiệu đầu ra.
Mô phỏng kiểm chứng bộ điều khiển HSMC cho thiết bị lặn tự hành S-AUV2 bằng phần mềm Matlab/Simulink. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ LẶN VÀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG CHO THIẾT BỊ LẶN TỰ HÀNH 1. Tổng quan về thiết bị lặn tự hành AUV 1. Trên thế giới Thiết bị lặn dưới nước hay các thiết bị hoạt động dưới nước nói chung là một loại thiết bị đặc biệt hoạt động dưới nước.
Từ những năm 1970, thiết bị lặn dưới nước đã được nghiên cứu phát triển mạnh mẽ để hỗ trợ hoặc thay thế con người làm việc ở những vùng nước sâu (dưới đáy sông, hồ, đại dương), những vùng nước ô nhiễm hoặc khi làm việc trong thời gian dài dưới nước. Hiện nay, thiết bị lặn có thể đạt đến độ sâu mà con người không thể lặn tới được. Thiết bị lặn dưới nước được sử dụng nhiều trong nghiên cứu khoa học, quân sự, dầu khí, hàng hải, giao thông,. Trong ngành dầu khí, thiết bị lặn dưới nước được sử dụng để thực hiện những công việc như kiểm tra các giàn khoan và đường ống dẫn khí, dẫn dầu.
Trong ngành viễn thông, thiết bị lặn dưới nước được sử dụng để khảo sát đáy biển trước khi đặt cáp trong lòng biển và kiểm tra hiện trạng cáp truyền. Trong quân sự, thiết bị lặn dưới nước được sử dụng để gài, tìm kiếm và tháo gỡ thủy lôi, mìn hoặc phối hợp cùng con người trong việc tác chiến dưới nước. Thiết bị lặn dưới nước còn là các thiết bị quan trọng khi cứu hộ các tàu thuyền bị đắm dưới đáy biển. Trong giao thông vận tải thiết bị lặn dưới nước được dùng trong công tác khảo sát trước khi thi công, kiểm tra các công trình giao thông dưới nước.
Trong thám hiểm và nghiên cứu biển, thiết bị lặn dưới nước được sử dụng để khảo sát địa hình dưới đáy biển, độ rò rỉ của các nguồn khí dưới đáy biển, theo dõi việc sinh sản của các loài cá,. Trong ngành năng lượng nguyên tử các thiết bị lặn dưới nước cỡ nhỏ được dùng để kiểm tra các thiết bị trong nhà máy điện nguyên tử. Thiết bị lặn dưới nước là một thiết bị có giá thành thấp hiệu quả cao cho các nghiên cứu ngầm hoặc thăm dò đại dương. Sự phát triển nhanh chóng của ngành khai thác dầu khí trên biển đã làm bùng nổ lĩnh vực nghiên cứu các loại thiết bị lặn điều khiển từ xa.
Vào năm 1950 Hải quân Australia đã sử dụng thiết bị lặn điều khiển từ xa “Cutlet” để thu hồi ngư lôi. Đến năm 1953 Dimitri Rebikoff đã chế tạo thiết bị ngầm mang tên Poodle, là một thiết bị ngầm điều khiển từ xa mang dấu ấn khởi đầu cho sự hình thành và phát triển của thiết bị ngầm nói chung, thiết bị lặn dưới nước nói riêng. Hải quân Mỹ đầu tư phát triển công nghệ thiết bị lặn điều khiển từ xa vào đầu những năm 1960 nhưng lúc đó có tên gọi là “thiết bị thu hồi được điều khiển bằng dây cáp”. Thiết bị này đã nâng cao được năng lực thực hiện các chiến dịch cứu hộ biển sâu và khả năng thu hồi các vật dưới đáy biển.
Ở một hướng khác Hải quân Mỹ đã phát triển Snoopy, là một trong số những thiết bị lặn dưới nước quan sát kích thước nhỏ đầu tiên. Thiết bị này được điều khiển từ trạm điều khiển trên bờ và là thiết 7 bị lặn dưới nước xách tay đầu tiên [4]. Việc bổ sung camera và các cảm biến khác cho loại thiết bị lặn này chính là sự khởi đầu cho lớp các thiết bị lặn loại nhỏ. Vào năm 1974 trên thế giới chỉ có khoảng 20 thiết bị lặn dưới nước, trong đó chỉ có 17 thiết bị lặn được chính phủ tài trợ, trong số đó có Pháp, Anh, Phần Lan, Liên xô cũ.
Trải qua hơn một thập kỷ, vào đầu những năm 80 của thế kỷ trước khi nhiều lĩnh vực xa bờ mới có những đòi hỏi vượt quá khả năng lặn của con người thì các thiết bị lặn khiển từ xa đã trở nên vô cùng thiết yếu. Sự chuyển hướng từ đầu tư của chính phủ (85% trong giai đoạn 1953-1974) sang đầu tư của các hãng công nghiệp (96% số phương tiện) đã giúp cho số lượng thiết bị lặn dưới nước lên đến con số khoảng 500 vào năm 1982. Nhưng vào giữa những năm 1980 ngành công nghiệp thiết bị lặn dưới nước đã trải qua giai đoạn thoái trào do giá dầu sụt giảm và sự suy thoái kinh tế toàn cầu. Tuy nhiên, sau đó nó đã có sự tăng tốc đáng kể.
Ngoài những thiết bị lặn cỡ lớn, vì lý do cạnh tranh thị trường nên vào giai đoạn này một số nhà sản xuất đã tận dụng các tiến bộ công nghệ để thu nhỏ thiết bị lặn và tạo ra một lớp thiết bị lặn dưới nước mới nhỏ hơn, tin cậy hơn. Đó là các thiết bị lặn lớp quan sát dưới nước. Các thiết bị lặn có thể dễ dàng xách tay, giá thành thấp nên nhanh chóng được các tổ chức dân sự, dân sinh và các viện nghiên cứu sử dụng. Vào thời điểm này các thiết bị lặn dưới nước có mặt ở khắp nơi trên thế giới.
Thiết bị lặn lúc này chinh phục mọi độ sâu của đại dương. Hải quân Mỹ đã sử dụng thành công thiết bị lặn dưới nước để chinh phục độ sâu trên 6. Và ít lâu sau người Nhật, Trung Quốc đã nâng con số đó lên trên 10. Từ đó cho thấy tiềm năng ứng dụng của thiết bị lặn dưới nước là rất cao.
Các giai đoạn phát triển của các thiết bị lặn có thể chia ra làm 5 giai đoạn sau : - Giai đoạn trước năm 1970: Đây là giai đoạn kiểm tra các ứng dụng, khả năng của của thiết bị lặn dưới nước, chủ yếu là loại điều khiển qua dây cáp. Các thiết bị lặn dưới nước được nghiên cứu chế tạo để thực hiên các nhiệm vụ cụ thể. - Giai đoạn 1970 đến 1980: Với sự phát triển của công nghệ, các nhà khoa học bắt đầu thử nghiệm hệ thống tự hành cho các thiết bị lặn. - Giai đoạn 1980-1990: Trong giai đoạn này sự phát triển của máy tính, năng lượng, bộ nhớ giúp các nhà khoa học có thể giải quyết các giải thuật phức tạp hơn sau đó tiến hành các thử nghiệm các hệ thống trên các thiết bị lặn cụ thể.
- Giai đoạn 1990-2000: Trong thập kỷ này, số lượng thiết bị lặn dưới nước tăng nhanh là bằng chứng cho thấy tiềm năng ứng dụng của thiết bị lặn ngày càng nhiều và phục vụ nhiều mục đích khác nhau. Thập kỷ này các nghiên cứu về mô hình thiết bị lặn mới được đưa ra, và thiết bị lặn đang được thương mại hóa trong nhiều lĩnh vực.