Nghiên Cứu Và Phát Triển Xe Điện Dưới Nước Dành Cho Hoạt Động Lặn Biển

Chuyên khảo phân tích Research and develop underwater scooters for diving, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Le Hoang Hoa
• Người hướng dẫn: Nguyen Vu Lan, Ph.D
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology and Education
• Chuyên ngành: Electronics and Telecommunication Engineering Technology
• Đề tài: Research and Develop Underwater Scooters for Diving
• Loại tài liệu: Graduation thesis
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• DISCLAIMER
• ACKNOWLEDGEMENTS
• ABSTRACT
• TABLE OF CONTENTS
• 1. CHAPTER 1: INTRODUCTION
• 1.1. Motivation for the research
• 1.2. Scientific and practical significance of the topic
• 1.3. Target
• 1.4. Subject and scope of the research
• 1.5. Research method
• 1.6. Graduation project structure
• 2. CHAPTER 2: TOPIC RESEARCH OVERVIEW
• 2.1. The marine environment
• 2.2. Diversity of marine ecosystems in Vietnam
• 2.3. Vietnam marine ecosystem
• 2.4. Diversity of marine ecosystems
• 2.5. The economic potential
• 2.6. Dive sites in Vietnam
• 2.7. Types of beach tourism activities
• 2.8. Underwater leisure activities
• 2.9. Underwater scooter - the new generation of diving
• 2.10. Underwater scooter definition
• 2.11. Underwater scooter device
• 2.12. Potential of underwater scooter
• 3. CHAPTER 3: LITERATURE REVIEW
• 3.1. Body surface area
• 3.2. Power and consumption time
• 4. CHAPTER 4: REQUIREMENTS AND SOLUTIONS
• 4.1. Popularity of CAESES® in the field
• 4.2. How to use CAESES® to design B-Series propeller
• 5. CHAPTER 5: DESIGN AND IMPLEMENTATION
• 5.1. Calculation and equipment choosing
• 5.2. Calculation and design
• 5.3. Check GPIO change loop
• 5.4. Measure sensor value loop
• 5.5. Slowly change PWM value
• 6. CHAPTER 6: EXPERIMENTS AND DESIGN ANALYSIS
• 6.1. Establish target specifications
• 6.2. List of metrics
• 6.3. Proposed specifications and experimental methods
• 7. CHAPTER 7: CONCLUSION AND RECOMMENDATIONS
• TAYLOR BP-δ DIAGRAM

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Nghiên cứu và phát triển xe điện dưới nước cho lặn biển là một chủ đề quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật, mang lại cách thức mới để con người di chuyển nhanh và hiệu quả dưới nước. Xe điện dưới nước không chỉ giúp khám phá thế giới dưới nước dễ dàng mà còn đảm bảo an toàn và tiện lợi. Nghiên cứu này tập trung vào việc thiết kế và triển khai một hệ thống cơ điện tử tích hợp các tính năng đẩy, điều khiển và an toàn cho xe điện dưới nước.

1.1. Động lực nghiên cứu

Việc phát triển xe điện dưới nước xuất phát từ nhu cầu ngày càng tăng trong các hoạt động lặn biển và khám phá đại dương. Các công nghệ hiện đại như công nghệ lặn biển và thiết bị lặn biển đã mở ra cơ hội mới cho việc di chuyển dưới nước một cách hiệu quả. Xe điện dưới nước là một giải pháp tiên tiến, giúp người dùng di chuyển dễ dàng và an toàn hơn.

1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Nghiên cứu này không chỉ mang lại hiểu biết sâu sắc về công nghệ xe điện dưới nước mà còn có ứng dụng thực tiễn trong ngành du lịch biển và bảo tồn môi trường. Xe điện dưới nước hiện đại có thể giúp giảm thiểu tác động đến hệ sinh thái biển, đồng thời mang lại trải nghiệm thú vị cho người dùng.

II. Tổng quan nghiên cứu

Chương này tập trung vào việc phân tích các yếu tố liên quan đến lặn biển và xe điện dưới nước, bao gồm môi trường biển, các hoạt động du lịch dưới nước và tiềm năng của xe điện cho lặn. Nghiên cứu cũng đề cập đến sự đa dạng của hệ sinh thái biển Việt Nam và các điểm lặn biển nổi tiếng.

2.1. Môi trường biển và hệ sinh thái

Việt Nam sở hữu nhiều hệ sinh thái biển đa dạng, từ các rạn san hô đến các khu bảo tồn biển. Điều này tạo nên tiềm năng lớn cho lặn biển hiện đại và các hoạt động du lịch dưới nước. Xe điện dưới biển có thể trở thành công cụ hỗ trợ đắc lực trong việc khám phá và bảo tồn các hệ sinh thái này.

2.2. Tiềm năng của xe điện dưới nước

Xe điện dưới nước mang lại nhiều lợi ích, từ việc tăng cường khả năng di chuyển dưới nước đến việc giảm thiểu tác động môi trường. Các thiết kế hiện đại của xe điện thủy động lực đảm bảo tính an toàn và hiệu quả, phù hợp với nhu cầu của cả người dùng chuyên nghiệp và nghiệp dư.

III. Thiết kế và triển khai

Chương này trình bày quy trình thiết kế và triển khai xe điện dưới nước, bao gồm việc lựa chọn động cơ, thiết kế cánh quạt và tích hợp các tính năng điều khiển. Nghiên cứu sử dụng phần mềm CAD và các công cụ mô phỏng để tối ưu hóa hiệu suất của thiết bị.

3.1. Lựa chọn động cơ và cánh quạt

Động cơ DC và cánh quạt được lựa chọn dựa trên các tính toán về lực đẩy và tiêu thụ năng lượng. Công nghệ dưới nước hiện đại đảm bảo rằng thiết bị có thể hoạt động ổn định và hiệu quả trong môi trường nước.

3.2. Thiết kế thân thiện với môi trường

Thiết kế của xe điện dưới nước tập trung vào việc sử dụng vật liệu thân thiện với môi trường và đảm bảo khả năng chống thấm nước. Các tính năng như màn hình hiển thị thông tin và đèn LED giúp người dùng dễ dàng theo dõi trạng thái thiết bị.

IV. Thử nghiệm và phân tích

Chương này mô tả các thử nghiệm được thực hiện để đánh giá hiệu suất của xe điện dưới nước, bao gồm kiểm tra tốc độ, thời gian hoạt động và khả năng chống thấm nước. Kết quả thử nghiệm được so sánh với các tính toán lý thuyết để đảm bảo tính chính xác.

4.1. Kiểm tra tốc độ và thời gian hoạt động

Các thử nghiệm tốc độ được thực hiện ở ba mức độ khác nhau, đảm bảo rằng xe điện dưới nước có thể hoạt động ổn định trong các điều kiện khác nhau. Thời gian hoạt động của pin cũng được kiểm tra để đảm bảo tính liên tục.

4.2. Kiểm tra khả năng chống thấm nước

Khả năng chống thấm nước của thiết bị được kiểm tra kỹ lưỡng, đảm bảo rằng các linh kiện điện tử không bị ảnh hưởng bởi nước. Điều này là yếu tố quan trọng để đảm bảo an toàn cho người dùng.

V. Kết luận và khuyến nghị

Nghiên cứu đã thành công trong việc thiết kế và triển khai xe điện dưới nước cho lặn biển, mang lại giải pháp hiệu quả và an toàn cho việc khám phá đại dương. Các khuyến nghị cho nghiên cứu trong tương lai bao gồm cải tiến thiết kế và tích hợp thêm các tính năng thông minh.

5.1. Thành tựu đạt được

Nghiên cứu đã thiết kế thành công xe điện dưới nước với các tính năng đẩy, điều khiển và an toàn. Thiết bị đã được thử nghiệm và chứng minh hiệu quả trong môi trường nước.

5.2. Hướng phát triển tương lai

Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc cải thiện hiệu suất pin, tích hợp công nghệ GPS và phát triển các thiết kế thân thiện hơn với môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY FOR HIGH QUALITY TRAINING GRADUATION THESIS ELECTRONICS AND TELECOMMUNICATION ENGINEERING TECHNOLOGY RESEARCH AND DEVELOP UNDERWATER SCOOTERS FOR DIVING ADVISOR : NGUYEN VU LAN STUDENTS: LE HOANG HOA TRAN QUOC TOAN NGUYEN MINH HUY SKL 0 1 0 8 4 6 Ho Chi Minh City, July 2023 MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING GRADUATION THESIS RESEARCH AND DEVELOP UNDERWATER SCOOTERS FOR DIVING Advisor: NGUYEN VU LAN, Ph.D Students: LE HOANG HOA – 19146122 – 19146CLA1 TRAN QUOC TOAN – 19146090 – 19146CLA2 NGUYEN MINH HUY – 19146006 – 19146CLA2 Course: 2019 – 2023 Ho Chi Minh City, July 2023 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Độc lập - Tự do – Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Học kỳ 2 / năm học 2022-2023 Giảng viên hướng dẫn:. Sinh viên thực hiện:. Điện thoại: [phone] Sinh viên thực hiện:.

Trần Quốc Toàn. Điện thoại: [phone] Sinh viên thực hiện:. Nguyễn Minh Huy. Đề tài tốt nghiệp: - Mã số đề tài:.

Research and develop underwater scooters for diving. Các số liệu, tài liệu ban đầu: Kích thước, kết cấu, hình dạng của thiết kế. Các phương trình động học. Sử dụng DC motor.

Nội dung chính của đồ án: Tính toán, thiết kế phần cứng phù hợp, thân thiện với người dùng. Tính toán, lựa chọn động cơ phù hợp. Thiết kế thân thiện với môi trường. Khả năng chống thấm nước và ăn mòn.

Các sản phẩm dự kiến Mô hình phương tiện hỗ trợ bơi dưới nước. Ngôn ngữ trình bày: Bản báo cáo: Tiếng Anh  Tiếng Việt  Trình bày bảo vệ: Tiếng Anh  Tiếng Việt  TRƯỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)  Được phép bảo vệ …………………………………………… (GVHD ký, ghi rõ họ tên) i DISCLAIMER Project tile: Research and develop underwater scooters for diving Advisor: Nguyen Vu Lan, Ph.D Student name: Le Hoang Hoa Student ID: 19146122 Class: 19146CLA1 Student name: Tran Quoc Toan Student ID: 19146090 Class: 19146CLA2 Student name: Nguyen Minh Huy Student ID: 19146006 Class: 19146CLA2 Graduation thesis submission date: Disclaimer: “We hereby declare that this graduation thesis is the work of our own research and implementation. We do not copy from any published article without citing the source. If there is any violation, we take full responsibility.” Ho Chi Minh City, July 21st, 2023.

Student name Student name Student name ii ACKNOWLEDGEMENTS We would like to sincerely thank Professor Nguyen Vu Lan for his guidance, support, and encouragement throughout this journey, valuable feedback and insightful comments on our work. His contributions have been invaluable in shaping the direction and improving the quality of our thesis. We would like to express our appreciation to our families for their unfailing help and support during our school years. Their compassion and empathy have served as a constant source of inspiration and drive.

Finally, we want to express our gratitude to all of the people who have helped us along the way. Their support and suggestions have been crucial in assisting us in achieving this accomplishment. We appreciate your encouragement, and support. Without your assistance, we could not have succeeded.

iii ABSTRACT RESEARCH AND DEVELOP UNDERWATER SCOOTERS FOR DIVING This Mechatronics engineering thesis focuses on the development of an underwater scooter, a device that allows individuals to move efficiently underwater. The project aims to design and implement a mechatronic system that incorporates propulsion, control, and safety features for the underwater scooter. The system includes a direct current motor, a propeller, a battery, and a control mechanism that allows for smooth movement and maneuvering underwater. The design process involves the use of computer-aided design software and simulation tools to optimize performance and ensure proper functionality of the system.

In this project, we used 3D printed plastic materials for the underwater scooter. The 3D printed plastic materials are expected to provide the necessary strength and durability required for the underwater scooter to operate effectively. Additionally, the design includes a waterproof seal to prevent water from entering the electronic components of the scooter, ensuring its safe and reliable operation. The final product is expected to offer a waterproof design, ensuring safety and an enjoyable experience for users while promoting environmental sustainability and conservation.

iv TABLE OF CONTENTS GRADUATION PROJECT TASK. iv TABLE OF CONTENTS. v LIST OF TABLES. ix LIST OF FIGURES, DIAGRAMS.

x LIST OF ACRONYMS. xiii LIST OF SYMBOLS AND PARAMETERS. xv CHAPTER 1: INTRODUCTION. Motivation for the research.

Scientific and practical significance of the topic. Subject and scope of the research. Graduation project structure. 4 CHAPTER 2: TOPIC RESEARCH OVERVIEW.

The marine environment. Diversity of marine ecosystems in Vietnam. Vietnam marine ecosystem. Diversity of marine ecosystems.

The economic potential. Dive sites in Vietnam. Types of beach tourism activities. Underwater leisure activities.

Underwater scooter - the new generation of diving. Underwater scooter definition. Underwater scooter device. Potential of underwater scooter.

17 CHAPTER 3: LITERATURE REVIEW. Body surface area. Power and consumption time. 25 CHAPTER 4: REQUIREMENTS AND SOLUTIONS.

Popularity of CAESES® in the field. How to use CAESES® to design B-Series propeller. 32 CHAPTER 5: DESIGN AND IMPLEMENTATION. Calculation and equipment choosing.

Calculation and design. Check GPIO change loop. Measure sensor value loop. Slowly change PWM value.

58 CHAPTER 6: EXPERIMENTS AND DESIGN ANALYSIS. Establish target specifications. List of metrics. Proposed specifications and experimental methods.

71 CHAPTER 7: CONCLUSION AND RECOMMENDATIONS .40 TAYLOR BP-δ DIAGRAM. 76 viii LIST OF TABLES Table 3.1 Drag coefficient of simple 3D and 2D shapes .1 Carbon Fiber-Reinforced Thermoplastic Composites comparison table .2 Comparison table of underwater scooter models on the market.3 Electricity supply comparison table .1 Motor and propeller calculation based on Taylor 𝐵𝑝 − 𝛿 chart .2 DC motor ZOGO 68S-RA/CW.3 Propeller parameter table .4 Battery parameter table .5 Power consumption table .6 PVC pipes parameter table .1 List of needs .2 List of metrics .4 Proposed specifications and experimental method .5 Device size measurement table .6 Screen response time test .7 Speed 1 change response time table .8 Speed 2 change response time table .9 Speed 3 change response time table .11 Scooter head waterproof test.12 Scooter handle waterproof test .13 Scooter screen waterproof test .14 Scooter body waterproof test .15 Scooter body waterproof test .16 Scooter switch waterproof test .17 Scooter overall waterproof test .18 Speed test in 3 levels .19 Assembly time tests .21 Comparing with available products on market. 72 ix LIST OF FIGURES, DIAGRAMS Figure 1.2 Water-related activities and sports .3 Underwater with Diver Propulsion Vehicles .1 Marine ecosystems help attract tourism .2 Sea tourism activities in Con Dao .3 Vinh Ha Long .4 Nha Trang bay .5 Snorkeling in Vinh Hy.6 Phu Quoc island .7 Beach tourism in Vietnam .8 SCUBA diving in Phu Quoc.9 Basic SCUBA diving equipment .10 Snorkeling in Nha Trang .12 Sea walker activity in Phu Quoc .13 Diving with underwater navigation device .14 Surface marker buoy.16 SCUBAJET PRO Underwater Kit 40071 .17 Sublue White Shark Mix Underwater Scooter .18 Yamaha Seascooter RDS300 .1 Drag force affects on swimmer body .2 Human body position can affect drag force .3 Human body in various positions .4 Description of drag force experiment in the article .6 Submerged part parameters of ships.7 Potential flow and boundary layer growth affect wake velocity .9 Taylor Bp-δ chart explanation example .1 a) Polycarbonate and b) Polypropylene .3 Cup made by PLA material .5 a) Yamaha seascooter and b) Sublue underwater scooter .6 Buller-shape underwater scooter .7 a) Lithium-ion battery and b) Nickel-metal hydride battery .13 CAESES® applications on many aerodynamic bodies .14 Popularity of CAESES® in the field .15 CAESES® B-series propeller design website .16 CAESES® B-series propeller result after input data .17 3D CAD model generate by CAESES® website .1 Block diagram of the device .2 Motor ZOGO 68S-RA/CW .4 Fluid domain in flow simulation .5 Flow simulation with inlet flow velocity 0m/s and outlet flow velocity 1.6 Cut plots for the velocity distribution on propeller .7 Velocity distribution on the propeller.8 Underwater buoyancy force description .14 System orthographic projection .15 Underwater scooter head explode view .16 Underwater scooter body explode .17 Bottom of battery .18 Underwater scooter holding head .21 Motor chamber zoom in view.22 Mechanical seal of the propeller.23 Mechanical seal in assembly with the shaft of the motor.24 Mechanical seal position in device .25 Scooter cage exploded view .27 Proteus circuit schematic .30 a) PCB circuit board visualizer and b) PCB circuit board in real life .31 Overall flow chart .32 Check GPIO change loop flow chart .33 Measure sensor value loop flow chart .34 Slowly change PWM value flow chart .35 Control interface of the device .36 Underwater TFT screen display .37 TFT screen shows when battery is low .38 Underwater scooter LED light at night .39 First prototype electrical wiring .40 Underwater scooter hull parts .41 Underwater scooter head parts .42 Underwater scooter body parts .43 Underwater scooter tail parts .1 Ampere test results in 3 levels.2 Speed test using velocity formula.3 Assembly time tests .1 Drag coefficient according to simulation results with experimental results .1 Drag coefficient of cylindrical bodies in Axial flow .2 Test results at speeds below 2m/s. 76 xii LIST OF ACRONYMS 3D : Three Dimensions ABS : Acrylonitrile Butadiene Styrene BCD : Buoyancy Control Device BSA : Body Surface Area CAD : Computer-Aided Design CW : Clockwise DAR : Disc Area Ratio DC : Direct Current DPV : Diver Propulsion Vehicle GPIO : General Purpose Input/Output GPS : Global Positioning System I2C : Inter-Integrated Circuit IRF : Instrument Response Function IUCN : International Union for Conservation of Nature LCD : Liquid Crystal Display LED : Light-Emitting Diode MOSFET : Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor MWR : Mean Width Ratio PCB : Printed Circuit Board PLA : Polylactide PR : Pitch Ratio PVC : Polyvinyl Chloride PWM : Pulse Width Modulation RPM : Revolutions Per Minute SCUBA : Self-Contained Underwater Breathing Apparatus SPI : Serial Peripheral Interface TFT : Thin Film Transistor xiii UART : Universal Asynchronous Receiver-Transmitter VND : Vietnamese Dong VOM : Volt-Ohm-Milliammeter xiv LIST OF SYMBOLS AND PARAMETERS Description Symbol Unit Body surface area 𝐵𝑆𝐴 𝑚2 Weight of a persion 𝑊ℎ 𝑘𝑔 Height of a persion 𝐻ℎ 𝑐𝑚 Buoyancy force 𝐹𝐵 𝑁 Fluid density 𝜌 𝑘𝑔/𝑚3 Gravitational acceleration 𝑔 𝑚/𝑠 2 Volume of the replaced liquid 𝑉 𝑚3 Weight of the device 𝑊 𝑁 Mass 𝑚 𝑘𝑔 Thrust force total 𝑇 𝑁 Thrust deduction factor 𝑡 Thrust force 𝑇𝑒 𝑁 Drag force 𝐹𝐷 𝑁 Drag coefficient 𝐶𝐷 Reynold number 𝑅𝑒 Projected area of the object 𝐴 𝑚2 Fluid dynamic viscosity 𝜇 𝑘𝑔.

𝑠 −1 Submerge lenght 𝐿 𝑚 Submerge width 𝐵 𝑚 Submerge height 𝑇 𝑚 Block coefficient 𝐶𝐵 Wake fraction coefficient 𝑤 Velocity of the device 𝑣 𝑚/𝑠 Translational speed of the propeller 𝑣𝑎 𝑚/𝑠 Motor speed 𝑛 𝑟𝑝𝑚 Motor power needed 𝑃𝐷 𝑊 xv Description Symbol Unit Motor torque needed 𝜏 𝑁. 𝑚 Propeller pitch 𝑝 𝑚 Propeller diametter 𝑑 𝑚 Pitch ratio 𝑃𝑅 𝑜𝑟 𝑃/𝐷 Mean width ratio 𝑀𝑊𝑅 Disc area ratio 𝐷𝐴𝑅 Propeller number of blade 𝑧 Power factor 𝐵𝑝 Advance coefficient 𝛿 Shaft efficiency 𝜂𝑠ℎ𝑎𝑓𝑡 Bearing efficiency 𝜂𝑏𝑒𝑎𝑟𝑖𝑛𝑔 Seal efficiency 𝜂𝑠𝑒𝑎𝑙 Environment efficiency 𝜂𝑒𝑛𝑣 Propeller efficiency 𝜂𝑝 Voltate 𝑉 𝑉 Current 𝐼 𝐴 xvi CHAPTER 1: INTRODUCTION CHAPTER 1: INTRODUCTION 1. Motivation for the research For centuries, people have enjoyed swimming, a well-liked water-based activity.