Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Hoạt động bơi lội và thể thao dưới nước như lặn với ống thở (snorkeling) và lặn với bình khí nén (SCUBA diving) ngày càng phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu cũng như tại Việt Nam. Với đường bờ biển dài 3.260 km, vùng đặc quyền kinh tế hơn 1 triệu km² và hơn 125 bãi biển cùng nhiều khu bảo tồn biển nổi tiếng (Vịnh Hạ Long, Nha Trang, Hòn Mun, Vịnh Vĩnh Hy, Phú Quốc), du lịch biển đảo chiếm khoảng 70% hoạt động du lịch toàn quốc. Tuy nhiên, việc bơi và lặn truyền thống đòi hỏi nhiều thể lực, kỹ năng huấn luyện khắt khe và bị giới hạn về thời gian cũng như phạm vi thám hiểm dưới nước do sức cản của môi trường chất lưu và sự mệt mỏi của thợ lặn.

Để giải quyết vấn đề này, phương tiện hỗ trợ di chuyển dưới nước cho thợ lặn (Diver Propulsion Vehicle - DPV), hay còn gọi là xe trượt nước / xe điện lặn biển (underwater scooter), đã ra đời. Dù thị trường quốc tế đã có một số dòng sản phẩm thương mại, giá thành của chúng còn rất cao và khả năng tiếp cận trong nước còn hạn chế. Đồ án tốt nghiệp ngành Kỹ thuật Cơ điện tử tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh thực hiện đề tài "Nghiên cứu và phát triển xe điện dưới nước cho lặn biển" nhằm thiết kế, chế tạo một mô hình thiết bị lặn cá nhân tự hành có tính năng hoàn chỉnh, thân thiện môi trường và tối ưu chi phí.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu gồm:

  1. Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh một thiết bị xe điện dưới nước đảm bảo các yêu cầu về thủy động lực học, tính dễ sử dụng, độ an toàn và thời lượng pin.
  2. Dự báo và đánh giá các ứng dụng tiềm năng của xe điện dưới nước trong du lịch, thể thao và thám hiểm biển.
  3. Nhận diện các hạn chế, thách thức kỹ thuật của thiết bị chế tạo.
  4. Đưa ra các khuyến nghị, giải pháp cải tiến công nghệ và định hướng nghiên cứu tiếp theo.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống cơ điện tử tích hợp trên xe lặn cá nhân, bao gồm kết cấu vỏ khí động học, hệ thống đẩy (propulsion system), cơ cấu làm kín chống thấm nước (waterproofing), hệ thống điều khiển nhúng và giao diện hiển thị giám sát. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở việc chế tạo mô hình thực nghiệm có khả năng kéo người lặn ở các mức tốc độ kiểm soát được, thu thập và hiển thị thông số cảm biến áp suất/độ sâu lên màn hình, sử dụng vật liệu in 3D kết hợp linh kiện cơ khí sẵn có trên thị trường nhằm tối ưu hóa chi phí sản xuất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình toán học

Nghiên cứu ứng dụng các định luật và công thức cơ học chất lưu, thủy khí động lực học và kỹ thuật tàu thủy để tính toán kích thước, lực đẩy và công suất hệ thống:

  • Diện tích bề mặt cơ thể người (Body Surface Area - BSA): Tính toán theo công thức DuBois dựa trên khối lượng $W_h$ (kg) và chiều cao $H_h$ (cm): $$BSA = 0.007184 \cdot W_h^{0.425} \cdot H_h^{0.725}$$

  • Lực cản thủy động (Drag Force) và Hệ số cản ($C_D$): $$C_D = \frac{2 F_D}{\rho \cdot A \cdot v^2}$$ $$Re = \frac{\rho \cdot V \cdot L}{\mu}$$ Trong đó $\rho$ là khối lượng riêng của nước, $A$ là diện tích hình chiếu, $v$ là vận tốc di chuyển, $\mu$ là độ nhớt động lực học, và $Re$ là số Reynolds. Đối với tư thế người lặn giảm thiểu lực cản ở dải vận tốc dưới 2 m/s, lực cản được xác định theo mô hình thực nghiệm: $F_D = 14 v^2$.

  • Lý thuyết thiết kế chân vịt (Propeller Theory):

    • Hệ số béo thể tích phần chìm: $C_B = \frac{V}{L \cdot B \cdot T}$ (với $V, L, B, T$ lần lượt là thể tích, chiều dài, chiều rộng và chiều cao phần chìm).
    • Hệ số dòng theo (Wake fraction) cho tàu đơn chân vịt theo Taylor: $w = 0.05$.
    • Vận tốc tịnh tiến dòng vào chân vịt: $v_a = v \cdot (1 - w)$.
    • Hệ số giảm lực đẩy (Thrust deduction factor): $t = 0.6w$.
    • Bước chân vịt ($p$) và tỷ số bước (Pitch Ratio - $PR$): $p = \frac{101.2808399 \cdot v_a}{n}$; $PR = \frac{p}{d}$ (với $d$ là đường kính chân vịt, $n$ là tốc độ vòng quay động cơ RPM).
    • Ứng dụng đồ thị Taylor $B_p - \delta$ cho dòng chân vịt Wageningen B-Series: Dựa trên hệ số công suất $B_p = \frac{n \cdot P_D^{0.5}}{v_a^{2.5}}$ và hệ số tiến $\delta = \frac{n \cdot d \cdot 3.94384449}{v_a}$ để tra cứu tỷ số bước tối ưu và hiệu suất chân vịt $\eta_p$.

  • Lực nổi và cân bằng thủy tĩnh: $$F_B = \rho \cdot g \cdot V$$ $$W = m \cdot g$$ Điều kiện để thiết bị nổi và cân bằng trong nước: $F_B - W \ge 0$.

  • Công suất điện và tiêu thụ năng lượng: $P = V \cdot I$.

Phương pháp nghiên cứu

Nhóm tác giả kết hợp đồng thời phương pháp nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng số và thực nghiệm chế tạo:

  • Khảo sát đối chuẩn (benchmarking): Phân tích thông số kỹ thuật của các dòng sản phẩm thương mại hàng đầu (SCUBAJET PRO, Sublue WhiteShark Mix, Yamaha Seascooter RDS300/RDS250, Geneinno, Lefeet S).
  • Thiết kế và mô phỏng số: Sử dụng phần mềm CAD 3D để dựng hình học chi tiết; sử dụng phần mềm chuyên dụng CAESES® 5 để thiết kế tham số và tối ưu hóa hình học chân vịt dòng Wageningen B-Series 4 cánh; thực hiện mô phỏng dòng chảy chất lưu (Flow Simulation) để khảo sát phân bố vận tốc và áp suất quanh cánh chân vịt và thân vỏ.
  • Chế tạo mẫu thử nghiệm (prototyping): Ứng dụng công nghệ in 3D nhựa nhiệt dẻo kết hợp gia công phôi ống tiêu chuẩn; thiết kế mạch in PCB trên phần mềm Proteus; lập trình điều khiển nhúng vi điều khiển.
  • Kiểm nghiệm thực tế: Thử nghiệm đo đạc các thông số vận hành (độ kín nước, dòng điện tiêu thụ, tốc độ dịch chuyển, độ trễ màn hình, thời gian chuyển cấp tốc độ, thời gian tháo lắp) trong môi trường nước có kiểm soát.

Thiết kế và triển khai

Kiến trúc cơ khí và lựa chọn vật liệu

Thân vỏ thiết bị được thiết kế theo dạng hình viên đạn (bullet-shape) nhằm tối ưu hóa đường dòng thủy động lực học, giảm lực cản nhớt và tăng độ ổn định khi rẽ hướng. Tay cầm được bố trí đối xứng hai bên theo dạng ghi-đông xe đạp tích hợp nút bấm điều khiển.

Nhóm vật liệu / Chi tiết Vật liệu lựa chọn Đặc tính kỹ thuật & Lý do lựa chọn
Thân chính (Main Hull) Nhựa kỹ thuật ABS Độ bền va đập cao, chịu áp lực nước tốt, chống ăn mòn hóa học, dễ in 3D và gia công cơ học.
Vỏ phụ & Tay cầm Nhựa PLA Chi phí thấp, dễ tạo hình in 3D các chi tiết không chịu tải kết cấu chính.
Khung ống trụ tròn Ống nhựa PVC Độ bền nước cao, dạng hình học trụ tròn tiêu chuẩn sẵn có trên thị trường, tối ưu chi phí.
Làm kín khớp nối thân Vòng đệm O-ring & Keo Silicon Đảm bảo độ kín khít tuyệt đối tại các mặt phân cách tháo lắp giữa đầu, thân và đuôi xe.
Làm kín trục quay Phốt cơ khí (Mechanical Seal) Ngăn nước xâm nhập dọc theo trục truyền động từ buồng chân vịt vào khoang động cơ DC.

Kết cấu tổng thể của xe được chia thành 5 phân khu chính:

  1. Khoang đầu (Head): Chứa màn hình hiển thị TFT 2.0 inch và cụm cảm biến áp suất/độ sâu.
  2. Khoang thân (Body): Bố trí khối ắc quy nguồn, mạch điều khiển trung tâm và các module bảo vệ.
  3. Khoang động cơ (Motor Chamber): Bố trí động cơ DC ZOGO 68S-RA/CW liên kết với trục dẫn động qua phốt cơ khí.
  4. Lồng bảo vệ chân vịt (Scooter Cage): Bao bọc chân vịt B-Series để định hướng luồng nước đẩy và đảm bảo an toàn tuyệt đối cho tay thợ lặn.
  5. Khoang đuôi (Tail): Cố định cụm định hướng luồng đẩy và các khớp liên kết.

Hệ thống điện, điều khiển và thuật toán phần mềm

Hệ thống điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển Arduino Nano giao tiếp với các module ngoại vi qua chuẩn I2C, SPI và GPIO:

  • Nguồn điện: Sử dụng ắc quy chì-axit (Lead-acid) 12V nhờ tính ổn định điện áp cao, độ an toàn chống cháy nổ trong môi trường kín và giá thành thấp.
  • Cảm biến độ sâu & áp suất: Module BMP180 giao tiếp I2C với vi điều khiển, cho phép đo chính xác áp suất thủy tĩnh và quy đổi ra độ sâu lặn tức thời.
  • Động cơ và mạch công suất: Động cơ một chiều ZOGO 68S-RA/CW được điều khiển công suất thông qua mạch cầu MOSFET công suất với tín hiệu điều chế độ rộng xung (PWM).
  • Giao diện người dùng: Màn hình màu TFT 2.0 inch hiển thị trực quan các thông số: cấp tốc độ hiện tại, độ sâu (m), mức dung lượng pin (%) và cảnh báo điện áp thấp. Hệ thống tích hợp đèn LED trợ sáng phục vụ lặn ban đêm.

Phần mềm điều khiển trên Arduino Nano vận hành theo 3 luồng xử lý chính:

  1. Vòng lặp quét GPIO (Check GPIO change loop): Quét liên tục trạng thái nút bấm trên tay cầm để nhận diện lệnh chuyển đổi qua lại giữa 3 cấp tốc độ (Speed 1, Speed 2, Speed 3).
  2. Vòng lặp đọc cảm biến (Measure sensor value loop): Đọc định kỳ dữ liệu áp suất từ cảm biến BMP180 để tính toán độ sâu và đo phân áp điện trở để xác định dung lượng ắc quy.
  3. Vòng lặp thay đổi mượt PWM (Slowly change PWM value loop): Sử dụng thuật toán tăng/giảm tỷ lệ xung PWM từ từ theo dốc hàm tuyến tính khi chuyển cấp tốc độ, ngăn hiện tượng giật tải cơ học trên khớp trục và tránh hiện tượng sụt áp đột ngột của ắc quy.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Introduction (Mở đầu)

Trình bày tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh các môn thể thao dưới nước ngày càng phổ biến. Khái quát mục tiêu phát triển thiết bị xe trượt nước cá nhân hỗ trợ lặn, xác định rõ đối tượng, phạm vi nghiên cứu và cấu trúc 7 chương cùng các phụ lục của đồ án.

Chương 2: Topic Research Overview (Tổng quan nghiên cứu đề tài)

Tổng quan về môi trường biển thế giới và sự đa dạng sinh học biển Việt Nam (khoảng 11.000 loài sinh vật, 20 kiểu hệ sinh thái đặc trưng). Phân tích tiềm năng kinh tế du lịch biển tại các vùng lặn trọng điểm như Nha Trang, Vĩnh Hy, Phú Quốc. Giới thiệu các hình thức du lịch dưới nước (SCUBA diving, Snorkeling, Freediving, Sea walker) cùng các thiết bị định hướng (la bàn lặn, phao báo hiệu mặt nước SMB). Đánh giá chi tiết ưu nhược điểm của các mẫu xe lặn thương mại hiện hành (SCUBAJET PRO, Sublue WhiteShark Mix, Yamaha Seascooter RDS300/RDS250).

Chương 3: Literature Review (Cơ sở lý thuyết)

Xây dựng hệ thống công thức toán học và thủy động lực học chuyên sâu: tính toán diện tích bề mặt cơ thể DuBois ($BSA$), lực cản thủy động và hệ số cản ($C_D$, $Re$), sức cản hình học và ma sát của vật thể dạng viên đạn và cơ thể thợ lặn ($F_D = 14v^2$). Trình bày lý thuyết tính toán chân vịt tàu thủy: hệ số béo thể tích $C_B$, hệ số dòng theo Taylor $w = 0.05$, hệ số giảm lực đẩy $t = 0.6w$, bước chân vịt $p$, tỷ số bước $PR$, diện tích đĩa $DAR$, tỷ số độ rộng trung bình $MWR$, và phương pháp tra đồ thị Taylor $B_p - \delta$. Thiết lập các phương trình cân bằng lực nổi Archimedes và công suất tiêu thụ điện.

Chương 4: Requirements and Solutions (Yêu cầu kỹ thuật và giải pháp)

Phân tích, so sánh các phương án thiết kế để đưa ra lựa chọn tối ưu:

  • So sánh vật liệu: ABS được chọn làm vật liệu kết cấu chính thay vì kim loại hay sợi carbon nhờ tính cân bằng giữa độ bền, khả năng chống ăn mòn và chi phí gia công in 3D; kết hợp PLA cho chi tiết phụ và PVC cho thân trụ.
  • Lựa chọn kiểu dáng: Chọn hình dáng viên đạn (bullet-shape) thay vì hình hộp hay elip.
  • So sánh nguồn điện: Chọn ắc quy chì-axit 12V sau khi so sánh tỷ trọng năng lượng, thời gian sạc, tính an toàn và giá thành với pin Li-ion và Ni-MH.
  • Lựa chọn linh kiện điện tử: Vi điều khiển Arduino Nano, cảm biến độ sâu BMP180, màn hình TFT 2.0 inch.
  • Giải pháp chống nước: Kết hợp phốt cơ khí cho trục quay, gioăng O-ring và keo silicon cho các khớp nối thân.
  • Ứng dụng phần mềm CAESES® 5 để thiết kế tham số và xuất mô hình 3D CAD chân vịt dòng B-Series.

Chương 5: Design and Implementation (Thiết kế và triển khai)

Chi tiết hóa quá trình tính toán và chọn lựa thiết bị thực tế:

  • Tính toán động cơ DC ZOGO 68S-RA/CW và hệ truyền động chân vịt theo biểu đồ Taylor.
  • Thực hiện mô phỏng phân bố vận tốc dòng chảy qua chân vịt bằng công cụ Flow Simulation.
  • Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện tử trên Proteus và thiết kế bố trí bo mạch in (PCB).
  • Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển: Check GPIO change loop, Measure sensor value loop, Slowly change PWM value.
  • Thiết kế giao diện đồ họa màn hình TFT (trạng thái bình thường, trạng thái pin yếu) và bố trí hệ thống đèn LED chiếu sáng ban đêm.
  • Gia công in 3D các phân đoạn thân vỏ (đầu, thân, đuôi, lồng bảo vệ, khoang động cơ, nắp ắc quy) và lắp ráp cơ điện hoàn chỉnh.

Chương 6: Experiments and Design Analysis (Thực nghiệm và phân tích thiết kế)

Xây dựng danh mục chỉ số đo lường (metrics) và phương pháp thực nghiệm. Tiến hành đo đạc kích thước thực tế, kiểm tra thời gian đáp ứng của màn hình TFT, đo thời gian chuyển đổi giữa 3 cấp tốc độ (Speed 1, Speed 2, Speed 3). Thực hiện quy trình kiểm tra độ kín nước theo từng cụm (khoang đầu, tay cầm, màn hình, thân xe, công tắc) và kiểm tra chống nước toàn phần. Thực nghiệm đo dòng tiêu thụ (Ampere) và đo tốc độ thực tế của xe kéo người dưới nước ở 3 cấp vận hành, đánh giá thời gian tháo lắp và lập bảng đối sánh toàn diện với các sản phẩm thương mại.

Chương 7: Conclusion and Recommendations (Kết luận và kiến nghị)

Tổng kết mức độ hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu, chỉ rõ các hạn chế kỹ thuật còn tồn tại trên mô hình thử nghiệm và đề xuất các giải pháp nâng cấp trong giai đoạn phát triển tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Dữ liệu so sánh kỹ thuật từ văn bản

Đồ án đã tổng hợp và xây dựng các bảng số liệu đối sánh kỹ thuật làm cơ sở chọn lựa phương án tối ưu:

Bảng 1: So sánh các dòng xe trượt nước thương mại trên thị trường

Thông số kỹ thuật Yamaha RDS300 Sublue WhiteShark Mix Submersible Scooter GENEINNO Lefeet S
Khối lượng (kg) 8,8 2,8 3,5 2,7
Độ sâu tối đa (m) 30 40 15 40
Thời lượng pin (phút) 90 60 120 45
Thời gian sạc (giờ) 8 – 10 2 8 – 10 2
Kiểm soát lực nổi Không Thủ công Có Thủ công
Hệ thống đẩy Đơn chân vịt Đôi chân vịt Đôi chân vịt Đôi chân vịt
Mức giá (USD) 600 – 800 500 – 800 4.000 – 6.000 600 – 800
Kiểu dáng thiết kế Dạng viên đạn, tay cầm công thái học Thon gọn, tích hợp ngàm camera/đèn Khung lớn, có khu vực ngồi lái Dạng đạn nhỏ gọn, tay cầm công thái học

Bảng 2: So sánh đặc tính các hệ thống nguồn điện 12V

Tiêu chí so sánh Lithium-ion Nickel-metal hydride (Ni-MH) Lead-acid (Chì-axit)
Mật độ năng lượng (Wh/kg) 100 – 265 60 – 120 30 – 50
Mật độ công suất (W/kg) 250 – 340 150 – 300 180 – 220
Thời gian sạc (giờ) 1 – 4 2 – 4 8 – 16
Tỷ lệ tự xả (%/tháng) 5 – 10 ~20 5 – 10
Mức giá Cao Trung bình Thấp

Bảng 3: So sánh đặc tính cơ lý và gia công của các loại vật liệu vỏ

Loại vật liệu Polycarbonate Polypropylene PLA ABS Carbon Composite Sợi Carbon gia cường
Độ bền & độ cứng Cao Trung bình Trung bình Trung bình Cao Cao
Độ dẻo dai Cao Cao Thấp Trung bình Thấp Cao
Chịu nhiệt (°C) 120 – 140 < 100 80 – 85 200 – 500 400 – 450 -
Dẫn điện Thấp Rất thấp Cao Trung bình Thấp Cao
Dẫn nhiệt Cao Thấp Thấp Trung bình Thấp Trung bình
Chi phí Rẻ Rẻ Rẻ Rẻ Đắt Đắt
Độ dễ gia công Khó Khó Dễ Dễ Khó Dễ
Khả năng chống nước Trung bình Cao Trung bình Trung bình Không Trung bình
Chắn sóng điện từ (EMI) Thấp Thấp Thấp Trung bình Cao Trung bình

Kết quả chế tạo và thử nghiệm

  1. Về cơ khí và thủy động học: Chế tạo thành công thân vỏ dạng viên đạn bằng nhựa ABS và PLA in 3D kết hợp ống PVC; thiết kế và mô phỏng hoàn chỉnh chân vịt Wageningen B-Series 4 cánh thông qua CAESES® 5 và Flow Simulation.
  2. Về khả năng làm kín nước: Hệ thống phốt cơ khí trục động cơ kết hợp gioăng O-ring và keo silicon vượt qua các bài kiểm tra áp lực nước riêng rẽ (đầu, thân, tay cầm, màn hình, công tắc) và kiểm tra chống thấm toàn phần, bảo vệ an toàn tuyệt đối mạch điện tử và ắc quy.
  3. Về điều khiển và hiển thị: Mạch Arduino Nano cùng thuật toán làm mượt PWM điều khiển ổn định động cơ ZOGO 68S-RA/CW ở 3 cấp tốc độ; màn hình TFT 2.0 inch phản hồi chính xác độ sâu từ cảm biến BMP180, điện áp nguồn và cảnh báo pin yếu; hệ thống đèn LED đảm bảo tầm nhìn dưới nước.
  4. Đóng góp học thuật và thực tiễn: Đồ án đã hệ thống hóa quy trình tính toán thủy động lực học chân vịt (sử dụng biểu đồ Taylor $B_p - \delta$) kết hợp công nghệ in 3D FDM để chế tạo hoàn chỉnh một thiết bị DPV tự hành chi phí thấp tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế kỹ thuật

  • Nguồn cấp sử dụng ắc quy chì-axit (Lead-acid) có khối lượng bản thân lớn và mật độ năng lượng thấp (30–50 Wh/kg), kéo dài thời gian sạc (8–16 giờ) so với các dòng pin cao cấp.
  • Vật liệu in 3D FDM (ABS/PLA) có độ nhám bề mặt và giới hạn chịu ứng suất nén cơ học, đòi hỏi xử lý bề mặt kỹ lưỡng và hạn chế độ sâu lặn tối đa so với vỏ đúc kim loại hoặc composite công nghiệp.
  • Chưa tích hợp hệ thống định vị GPS mặt nước hoặc cảm biến dẫn đường chuyên dụng dưới biển.

Hướng phát triển tiếp theo

  • Chuyển đổi khối nguồn sang pin Lithium-ion hoặc Lithium-Polymer kết hợp mạch quản lý pin (BMS) thông minh nhằm giảm trọng lượng tổng thể, tăng mật độ năng lượng và rút ngắn thời gian sạc xuống 1–2 giờ.
  • Ứng dụng vật liệu composite sợi carbon hoặc công nghệ đúc ép nhựa áp lực cao cho thân vỏ để nâng cao độ bền nén thủy tĩnh ở độ sâu lớn hơn (> 40 m).
  • Tích hợp thêm ngàm gắn camera hành trình, module định vị thủy âm và các cảm biến môi trường nước biển (nhiệt độ, độ đục).

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Cơ khí chế tạo máy, Kỹ thuật Tàu thủy, Robot và Tự động hóa: Cung cấp phương pháp luận kết hợp từ tính toán lý thuyết chất lưu, tra cứu biểu đồ Taylor $B_p - \delta$, thiết kế tham số trên phần mềm CAESES® đến gia công in 3D.
  • Kỹ sư phát triển robot và thiết bị lặn (ROV/AUV/DPV): Tham khảo giải pháp kết cấu làm kín trục động cơ bằng phốt cơ khí (mechanical seal), thiết kế gioăng O-ring thân vỏ chịu áp và sơ đồ điều khiển động cơ DC dòng cao với thuật toán làm mượt xung PWM trên vi điều khiển nhúng.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả lại chọn dạng hình học viên đạn (bullet-shape) cho thân xe?
Dạng hình học viên đạn có đặc tính thủy khí động lực học vượt trội nhờ phân bố đường dòng chảy đồng đều, diện tích hình chiếu cản nhỏ và hệ số cản $C_D$ phụ thuộc thuận lợi vào tỷ số chiều dài trên đường kính ở dải số Reynolds cao. Kiểu dáng này giúp thiết bị lướt êm trong nước, giảm tiêu hao năng lượng và dễ dàng điều khiển cân bằng.

2. Biểu đồ Taylor $B_p - \delta$ và phần mềm CAESES® đóng vai trò gì trong việc thiết kế chân vịt?
Biểu đồ Taylor $B_p - \delta$ cho phép xác định tỷ số bước tối ưu ($PR$) và hiệu suất chân vịt ($\eta_p$) dựa trên hệ số công suất ($B_p$) và hệ số tiến ($\delta$). Sau khi tính toán sơ bộ, phần mềm CAESES® 5 được sử dụng để tự động hóa quá trình dựng hình tham số chân vịt Wageningen B-Series 4 cánh và xuất mô hình 3D CAD chính xác để mô phỏng dòng chảy và in 3D.

3. Vì sao đồ án lựa chọn ắc quy chì-axit (Lead-acid) 12V thay vì pin Lithium-ion?
Dù ắc quy chì-axit có mật độ năng lượng thấp hơn (30–50 Wh/kg) và thời gian sạc dài hơn (8–16 giờ), nhóm tác giả quyết định lựa chọn loại ắc quy này nhằm tối ưu hóa chi phí chế tạo mô hình, đảm bảo độ ổn định điện áp cao và đặc biệt là độ an toàn chống cháy nổ tuyệt đối khi vận hành trong khoang kín ngập nước.

4. Cơ chế chống thấm nước của thiết bị được triển khai như thế nào?
Khả năng chống thấm nước được bảo đảm qua 3 lớp: phốt cơ khí (mechanical seal) chuyên dụng làm kín trục quay truyền động từ động cơ DC ra chân vịt; các rãnh gioăng cao su chữ O (O-ring) chịu nén tại các mặt phân cách ghép nối giữa đầu, thân và đuôi xe; lớp keo silicon bổ trợ bao phủ các mối nối cố định và vị trí đi dây điện tử.

5. Ba vòng lặp xử lý chính trên vi điều khiển Arduino Nano thực hiện chức năng gì?
Chương trình nhúng trên Arduino Nano phân chia nhiệm vụ thành 3 luồng: Check GPIO change loop quét tín hiệu nút bấm công tắc để chuyển 3 cấp tốc độ; Measure sensor value loop đọc áp suất từ BMP180 để tính độ sâu lặn và đo điện áp pin; Slowly change PWM value thực hiện biến thiên độ rộng xung PWM từ từ để động cơ tăng/giảm tốc êm ái, bảo vệ cơ cấu truyền động và ắc quy.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu và phát triển xe điện dưới nước cho lặn biển" đã giải quyết trọn vẹn bài toán tích hợp cơ điện tử từ nghiên cứu lý thuyết thủy động học, thiết kế mô phỏng chân vịt B-Series đến chế tạo thực nghiệm xe lặn cá nhân DPV. Mô hình sản phẩm hoàn thiện đáp ứng tốt yêu cầu làm kín nước, vận hành mượt mà ở 3 cấp tốc độ kéo và hiển thị đầy đủ thông số độ sâu, dung lượng pin trên màn hình màu TFT. Kết quả nghiên cứu khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng công nghệ in 3D kết hợp vật liệu kỹ thuật thông dụng để chế tạo các thiết bị hỗ trợ thể thao và thám hiểm biển giá thành thấp tại Việt Nam.