Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ điện tử nghiên cứu thiết kế hệ thống cân bằng cho tàu vớt lục bình

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích kỹ thuật cơ điện tử nghiên cứu thiết kế hệ thống cân bằng cho tàu vớt lục bình, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi

• Tác giả: Hồ Nhật An
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử
• Đề tài: Nghiên Cứu Thiết Kế Hệ Thống Cân Bằng Cho Tàu Vớt Lục Bình
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục đích nghiên cứu đề tài
• 1.3. Phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Sơ lược về thiết bị thu gom lục bình
• 1.4.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
• 1.4.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam
• 1.4.3. Sơ lược về tổ hợp thiết bị xử lý thu gom lục bình trong nghiên cứu
• 1.4.3.1. Sơ lược thiết bị băm phá lục bình trong nghiên cứu
• 1.4.3.2. Sơ lược thiết bị trục vớt lục bình trong nghiên cứu
• 1.5. Đầu bài đặt ra cần phải giải quyết
• 1.6. Tình hình nghiên cứu hệ thống cân bằng cho phương tiện nổi
• 1.6.1. Các giải pháp cân bằng cho phương tiện nổi hiện nay
• 1.6.2. Hệ thống cân bằng cho phương tiện nổi
• 1.6.3. Các kỹ thuật cân bằng được áp dụng hiện nay
• 1.7. Lựa chọn phương án cân bằng cho tổ hợp thiết bị
• 1.8. Tiêu chuẩn đánh giá độ ổn định thiết bị
• 2. PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
• 2.1. Xác định trọng tâm cân bằng
• 2.2. Xác định khối lượng vật nặng cần thiết
• 2.2.1. Đối với thiết bị băm phá lục bình
• 2.2.2. Đối với thiết bị trục vớt lục bình
• 2.3. Cơ cấu truyền động
• 2.3.1. Truyền động đai
• 2.3.2. Truyền động xích
• 2.3.3. Truyền động bánh răng
• 2.3.4. Truyền động vít-me – đai ốc kết hợp ray trượt
• 2.3.5. Lựa chọn cơ cấu truyền động
• 2.4. Giải thuật điều khiển
• 2.4.1. Phương pháp điều khiển ON-OFF
• 2.4.2. Phương pháp điều khiển PID, PD, PI
• 2.4.3. Phương pháp điều khiển trượt
• 2.4.4. Lựa chọn giải thuật điều khiển
• 2.5. Bộ lọc Kalman
• 2.6. Phương án bố trí hệ thống cân bằng trên thiết bị
• 3. MÔ HÌNH HÓA VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
• 3.1. Mô hình hóa cụm trục vít-me
• 3.2. Mô hình hóa hệ thống cân bằng cho thiết bị băm phá lục bình
• 3.3. Mô hình hóa hệ thống cân bằng cho thiết bị trục vớt lục bình
• 3.4. Thiết kế bộ điều khiển
• 3.4.1. Lý thuyết điều khiển trượt
• 3.4.2. Lý thuyết ổn định Lyapunov
• 3.4.3. Thiết kế bộ điều khiển cụm trục vít me
• 3.4.4. Thiết kế bộ điều khiển cân bằng cho tổ hợp thiết bị
• 4. MÔ PHỎNG
• 4.1. Mô phỏng bộ điều khiển cụm trục vít-me
• 4.2. Mô phỏng bộ điều khiển cân bằng thiết bị băm phá lục bình
• 4.3. Mô phỏng bộ điều khiển cân bằng thiết bị trục vớt lục bình
• 4.4. Xây dựng mô hình thực nghiệm
• 4.4.1. Thiết kế phần cứng
• 4.4.1.1. Phương pháp xây dựng mô hình
• 4.4.1.2. Thông số mô hình đồng dạng
• 4.4.1.3. Phương án thi công mô hình
• 4.4.1.4. Ước lượng các khối lượng tính toán
• 4.4.2. Thiết kế phần điện
• 4.4.3. Thực nghiệm bộ điều khiển cân bằng
• 5. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• 5.1. Hướng phát triển đề tài
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống cân bằng cho tàu vớt lục bình

Hệ thống cân bằng cho tàu vớt lục bình là một yếu tố quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình thu gom lục bình. Việc nghiên cứu và thiết kế hệ thống cân bằng cho các phương tiện nổi, đặc biệt là tàu vớt lục bình, giúp giảm thiểu rủi ro và đảm bảo tính ổn định trong hoạt động. Các giải pháp cân bằng hiện tại thường sử dụng các thiết bị đối trọng và bộ điều khiển tự động để duy trì trạng thái cân bằng cho tàu trong quá trình hoạt động. Theo nghiên cứu, việc áp dụng công nghệ vớt lục bình không chỉ giúp tăng hiệu suất làm việc mà còn giảm sức lao động cho công nhân. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh các vùng sông nước Việt Nam đang phải đối mặt với tình trạng ô nhiễm do lục bình phát triển mạnh mẽ.

1.1. Tình hình nghiên cứu hệ thống cân bằng

Nghiên cứu về hệ thống cân bằng cho tàu vớt lục bình đã được thực hiện ở nhiều quốc gia, với nhiều phương pháp và công nghệ khác nhau. Tại Việt Nam, các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào việc tối ưu hóa thiết kế và cải thiện hiệu quả hoạt động của các thiết bị thu gom lục bình. Các giải pháp như sử dụng cơ điện tử trong thiết kế hệ thống điều khiển đã được chứng minh là có hiệu quả trong việc duy trì sự ổn định của tàu trong quá trình hoạt động. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức trong việc ứng dụng các công nghệ mới vào thực tiễn, đặc biệt là trong việc đảm bảo tính an toàn cho người vận hành và thiết bị.

II. Phương án thiết kế hệ thống cân bằng

Phương án thiết kế hệ thống cân bằng cho tàu vớt lục bình bao gồm việc xác định trọng tâm, khối lượng vật nặng cần thiết và cơ cấu truyền động. Việc xác định trọng tâm là bước đầu tiên quan trọng để đảm bảo tàu có thể hoạt động một cách ổn định. Các phương pháp truyền động như truyền động đai, truyền động xích và truyền động vít-me đều được xem xét để lựa chọn phương án tối ưu cho thiết bị. Việc lựa chọn cơ cấu truyền động phù hợp sẽ giúp tăng cường tính hiệu quả và an toàn cho hệ thống. Ngoài ra, việc áp dụng các giải thuật điều khiển như điều khiển PID và điều khiển trượt cũng được đề xuất nhằm tối ưu hóa hoạt động của hệ thống cân bằng.

2.1. Lựa chọn cơ cấu truyền động

Lựa chọn cơ cấu truyền động là một trong những yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ thống cân bằng. Các phương pháp truyền động như truyền động đai, truyền động xích và truyền động vít-me đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Truyền động đai thường được sử dụng trong các ứng dụng cần tính linh hoạt cao, trong khi truyền động vít-me lại thích hợp cho những ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao. Việc lựa chọn cơ cấu truyền động phù hợp sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng hoạt động và hiệu suất của tàu vớt lục bình.

III. Mô hình hóa và thiết kế bộ điều khiển

Mô hình hóa và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống cân bằng của tàu vớt lục bình là bước quan trọng để đảm bảo tính ổn định và hiệu quả trong quá trình hoạt động. Các phương pháp mô hình hóa hiện nay như mô hình hóa cụm trục vít-me và hệ thống cân bằng cho thiết bị băm phá lục bình đều được áp dụng để phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển. Việc áp dụng lý thuyết điều khiển trượt và lý thuyết ổn định Lyapunov giúp tạo ra các giải pháp điều khiển tối ưu, đảm bảo hệ thống hoạt động trong giới hạn an toàn. Kết quả mô phỏng cho thấy khả năng ứng dụng của các bộ điều khiển này trong thực tiễn.

3.1. Thiết kế bộ điều khiển

Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống cân bằng đòi hỏi sự kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn. Việc áp dụng các phương pháp điều khiển như điều khiển PID và điều khiển trượt giúp tối ưu hóa khả năng phản ứng của hệ thống. Bộ điều khiển cần được thiết kế sao cho có thể xử lý các tình huống bất thường trong quá trình hoạt động, như tải trọng không đều hoặc tác động từ môi trường. Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển có khả năng duy trì trạng thái cân bằng cho tàu, đồng thời đảm bảo an toàn cho người vận hành và thiết bị.

IV. Kết luận và hướng phát triển đề tài

Kết luận từ nghiên cứu cho thấy hệ thống cân bằng cho tàu vớt lục bình có thể cải thiện đáng kể hiệu suất và an toàn trong quá trình hoạt động. Hệ thống điều khiển được thiết kế có khả năng ứng phó linh hoạt với các tình huống khác nhau, từ đó giảm thiểu rủi ro và đảm bảo an toàn cho người vận hành. Hướng phát triển trong tương lai có thể bao gồm việc nghiên cứu và áp dụng các công nghệ mới, như công nghệ tự động hóa và cảm biến thông minh, nhằm nâng cao khả năng hoạt động của hệ thống. Sự kết hợp giữa công nghệ hiện đại và thiết kế hợp lý sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho việc phát triển các thiết bị thu gom lục bình tại Việt Nam.

4.1. Hướng phát triển trong nghiên cứu

Hướng phát triển trong nghiên cứu có thể tập trung vào việc cải tiến các giải pháp công nghệ hiện tại, đồng thời nghiên cứu các phương pháp mới trong việc thiết kế hệ thống cân bằng. Việc áp dụng công nghệ cảm biến và trí tuệ nhân tạo có thể giúp tối ưu hóa quá trình điều khiển và nâng cao hiệu suất hoạt động của tàu vớt lục bình. Đồng thời, việc nghiên cứu và phát triển các thiết bị mới với tính năng vượt trội sẽ góp phần giải quyết vấn đề ô nhiễm lục bình tại các vùng sông nước Việt Nam.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Vấn nạn lục bình phát triển bùng phát tại mạng lưới sông ngòi miền Tây Nam Bộ, đặc biệt tại khu vực Long An với hệ thống kênh rạch đặc thù có chiều rộng từ 25 đến 30 m, độ sâu từ 3 đến 3,5 m và lưu tốc dòng chảy 0,2 đến 0,4 m/s, đang gây tắc nghẽn dòng chảy và cản trở nghiêm trọng giao thông thủy. Các phương tiện cơ giới hóa thu gom truyền thống hiện nay bộc lộ nhược điểm lớn khi vận hành trong điều kiện tải trọng biến đổi liên tục. Sự phân bố bất đối xứng của khối lượng bèo vớt lên khoang chứa lên tới 1,8 tấn, kết hợp cùng phản lực cắt lớn từ cụm dao băm công suất 50 kW và tác động của sóng dòng chảy, thường xuyên gây ra hiện tượng mất cân bằng nghiêm trọng. Tàu xuất hiện các góc nghiêng nguy hiểm theo cả trục dọc (pitch) và trục ngang (roll), tiềm ẩn nguy cơ lật úp phương tiện và đe dọa an toàn lao động.

Đề tài tập trung giải quyết triệt để bài toán ổn định động học cho tổ hợp phương tiện thủy chuyên dụng thông qua việc nghiên cứu, thiết kế hệ thống cân bằng tự động chủ động sử dụng cơ cấu đối trọng cơ điện tử dịch chuyển trên hai phương trực giao. Mục tiêu cụ thể là kiểm soát và triệt tiêu các mô men gây nghiêng, duy trì góc nghiêng của máy băm phá sơ cấp công suất 210 đến 240 tấn/giờ và tàu trục vớt năng suất 150 đến 170 tấn/giờ luôn nằm trong giới hạn an toàn dưới 5 độ theo quy chuẩn kỹ thuật đường thủy. Nghiên cứu được thực hiện toàn diện trong giai đoạn từ tháng 02/2023 đến tháng 06/2023 tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM. Kết quả nghiên cứu mở ra giải pháp công nghệ làm chủ thiết bị cơ giới hóa môi trường, nâng cao hiệu suất vớt bèo lên gấp 4 đến 5 lần so với phương pháp thủ công và đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người vận hành.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết thủy động lực học phương tiện nổi và lý thuyết điều khiển tự động phi tuyến hiện đại. Hệ thống tích hợp 3 mô hình lý thuyết then chốt:

• Lý thuyết cân bằng tĩnh và động lực học 6 bậc tự do của tàu thủy, trong đó mô hình hóa toán học tập trung vào 2 bậc tự do chuyển động quay nhạy cảm nhất là góc lắc ngang quanh trục Ox (roll) và góc lắc dọc quanh trục Oy (pitch).
• Lý thuyết điều khiển trượt (Sliding Mode Control - SMC) kết hợp tiêu chuẩn ổn định Lyapunov, đảm bảo hệ thống phản hồi chính xác, bền vững trước các thành phần bất định và nhiễu tải trọng động lớn từ môi trường nước.
• Lý thuyết ước lượng trạng thái tối ưu qua bộ lọc Kalman (Kalman Filter), nhằm khử nhiễu đo lường từ cảm biến đo góc và gia tốc trong môi trường dao động cơ khí phức tạp.

Các khái niệm chuyên ngành cốt lõi được định nghĩa và chuẩn hóa bao gồm: chiều cao khuynh tâm tĩnh, mô men phục hồi thủy tĩnh, mặt trượt điều khiển phi tuyến, hiện tượng chattering và mô men đối kháng tạo bởi cơ cấu đối trọng dịch chuyển trên trục vít-me bi.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu thu thập và xử lý hệ thống dữ liệu thực nghiệm từ hai cấu trúc phương tiện thực tế: máy băm phá sơ cấp có lượng chiếm nước 6 tấn (kích thước 9 m x 3,6 m x 0,75 m) và tàu trục vớt thứ cấp có lượng chiếm nước 13,1 tấn (kích thước 20 m x 5 m x 1,7 m).

Phương pháp chọn mẫu thực nghiệm dựa trên nguyên lý đồng dạng hình học và thủy động lực học Froude với tỉ lệ thu nhỏ 1/10. Mô hình thực nghiệm gồm 3 cụm khối lượng đối trọng được gia công chính xác, điều khiển bởi động cơ bước kết hợp cụm trục vít-me đai ốc bi bước 5 mm và hệ ray trượt dẫn hướng.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích mô phỏng số trên nền tảng Matlab/Simulink kết hợp kiểm chứng thực nghiệm hồ nước là nhằm đánh giá chính xác các trạng thái đáp ứng quá độ và xác lập của hệ thống. Bộ điều khiển trượt SMC được lựa chọn nhờ khả năng thích ứng cao với các xung lực cắt đột ngột (ước tính bằng 10% tổng tải trọng tàu) khi cụm dao băm va chạm chướng ngại vật ngầm. Toàn bộ quy trình từ mô hình hóa toán học, thiết kế mạch điện điều khiển, lập trình thuật toán đến thực nghiệm kiểm chứng được triển khai tuần tự và tối ưu hóa liên tục trong 5 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và thực nghiệm đã đem lại các kết quả nổi bật với độ chính xác cao:

• Khả năng triệt tiêu góc lắc ngang (roll): Khi chịu tác động của tải trọng xả bèo lệch mạn cực đại 1,8 tấn ở vị trí vươn xa nhất của băng tải, hệ thống cân bằng đối trọng điều khiển trượt giúp giảm góc nghiêng từ 8,5 độ ở trạng thái tự do xuống chỉ còn dưới 1,2 độ, tương đương mức suy giảm biên độ nghiêng đạt 85,8%.
• Khả năng kiểm soát góc lắc dọc (pitch): Phản lực cắt sinh ra từ dao băm hình trụ đường kính 152 mm và tải trọng dồn ứ trên băng tải vớt phía mũi tàu được bù trừ nhanh chóng. Góc chúi mũi được duy trì ổn định trong dải từ âm 0,8 độ đến dương 0,5 độ, giảm 78,5% độ lệch trục so với khi không có hệ thống cân bằng.
• Thời gian đáp ứng và độ chính xác cơ cấu: Khi gặp nhiễu bước đột ngột (step load), thời gian xác lập trạng thái cân bằng mới chỉ mất 1,6 đến 1,8 giây. Sai số vị trí bám quỹ đạo của các khối đối trọng trên cụm trục vít-me luôn duy trì ở mức cực thấp, dưới 0,02 mm.
• Hiệu quả khử nhiễu cảm biến: Bộ lọc Kalman xử lý thành công tín hiệu đo góc nghiêng thực tế, loại bỏ đến 92% thành phần nhiễu dao động cao tần do động cơ chính gây ra, giúp tín hiệu điều khiển trơn tru và bảo vệ cơ cấu chấp hành.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân tạo nên hiệu quả vượt trội của hệ thống là nhờ nguyên lý thay đổi cánh tay đòn linh hoạt của các khối vật nặng trong không gian khoang hầm tàu. Khi xuất hiện ngoại lực, thuật toán SMC kích hoạt động cơ servo truyền động trục vít-me đưa đối trọng về phía ngược lại, tạo ra mô men cân bằng có độ lớn tương đương và ngược chiều tức thời với mô men gây lật.

So sánh với các phương pháp cân bằng truyền thống:

• Phương pháp két nước dằn chống lắc (ballast): Chỉ giúp giảm 20% đến 40% biên độ lắc và có độ trễ dịch chuyển chất lỏng lớn, đồng thời tạo ra hiệu ứng mặt thoáng nguy hiểm làm giảm chiều cao khuynh tâm.
• Phương pháp vây hông (fin stabilisers): Đòi hỏi tàu phải chạy với tốc độ cao trên 10 hải lý/giờ mới phát huy tác dụng, hoàn toàn không khả thi với tàu vớt rác di chuyển ở vận tốc 4 km/h trên kênh hẹp.

Toàn bộ động thái đáp ứng góc nghiêng theo thời gian có thể được biểu diễn trực quan qua biểu đồ XY quan hệ góc lắc - thời gian và bảng so sánh các giá trị hiệu dụng sai số RMS. Dữ liệu chứng minh hệ thống cơ điện tử này hoàn toàn vượt trội về độ ổn định, tính nhỏ gọn và khả năng triển khai thực tế trên các phương tiện thủy nội địa.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện và đưa công trình nghiên cứu vào ứng dụng thực tiễn quy mô lớn, các giải pháp cụ thể được đề xuất:

• Tối ưu hóa thuật toán điều khiển: Nghiên cứu nâng cấp bộ điều khiển SMC sang thuật toán trượt thích nghi mờ (Adaptive Fuzzy SMC) nhằm triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng chattering, giảm độ dao động cơ học của động cơ xuống dưới 2%, hoàn thành trong 6 tháng do nhóm nghiên cứu cơ điện tử chủ trì.
• Chuẩn hóa vật liệu và cơ cấu chấp hành: Chuyển đổi toàn bộ cụm ray trượt và trục vít-me bi sang thép không gỉ chuyên dụng chịu phèn mặn, trang bị vỏ bọc kín đạt cấp bảo vệ IP67, nâng tuổi thọ vận hành liên tục lên trên 15.000 giờ, thực hiện trong quý 4/2024 bởi đơn vị chế tạo cơ khí đóng tàu.
• Nâng cấp phần cứng cảm biến và điều khiển nhúng: Tích hợp mô-đun cảm biến quán tính IMU 9 trục có bù nhiệt và định vị vi sai RTK với tần số lấy mẫu 100 Hz, giúp giảm sai số đo góc xuống dưới 0,05 độ, hoàn thiện trong vòng 3 tháng do các kỹ sư điều khiển thực hiện.
• Triển khai thử nghiệm thực địa quy mô 1:1: Tổ chức chế tạo và lắp đặt hoàn chỉnh hệ thống trên tổ hợp tàu vớt bèo tại địa bàn huyện Mộc Hóa và Thạnh Hóa (Long An), tiến hành theo dõi trong 12 tháng dưới sự chủ trì của Sở Khoa học và Công nghệ tỉnh Long An phối hợp cùng đơn vị quản lý đường thủy.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị thực tiễn và học thuật cao, phục vụ thiết thực cho 4 nhóm đối tượng:

• Kỹ sư thiết kế tàu thủy và công trình nổi: Nắm bắt phương pháp tính toán ổn định động học, phân bổ trọng tâm và tích hợp cơ cấu cân bằng chủ động nhỏ gọn cho các phương tiện nổi chuyên dụng hoạt động vùng nước cạn.
• Nhà nghiên cứu và học viên cao học chuyên ngành Cơ điện tử và Kỹ thuật điều khiển: Tiếp cận toàn diện quy trình xây dựng mô hình toán học phi tuyến 2 bậc tự do, thiết kế thuật toán điều khiển trượt SMC kết hợp bộ lọc Kalman trên Matlab/Simulink và kiểm chứng thực nghiệm.
• Doanh nghiệp sản xuất thiết bị môi trường và máy nông nghiệp: Khai thác trọn bộ thông số kỹ thuật của tổ hợp máy băm sơ cấp 50 kW và máy thu gom 90 kW để nội địa hóa và thương mại hóa các dòng máy vớt rác, lục bình chất lượng cao.
• Cơ quan quản lý nhà nước về giao thông thủy và môi trường đô thị: Sử dụng cơ sở khoa học từ đề tài để xây dựng tiêu chuẩn an toàn kỹ thuật, định mức kinh tế cho công tác cơ giới hóa vớt rong cỏ, khơi thông dòng chảy kênh rạch.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao hệ thống sử dụng cơ cấu đối trọng cơ điện tử thay vì két nước dằn ballast? Cơ cấu đối trọng truyền động trục vít-me bi mang lại tốc độ đáp ứng tức thời trong 1,8 giây và không phụ thuộc vào vận tốc di chuyển của phương tiện. Ngược lại, két nước dằn tạo hiệu ứng mặt thoáng nguy hiểm, chiếm nhiều không gian khoang hầm và có độ trễ dòng chảy lớn, không phù hợp với thân tàu nhỏ kích thước 9 đến 20 m.

Hệ thống xử lý đồng thời hai chuyển động lắc dọc và lắc ngang như thế nào? Hệ thống sử dụng 3 cụm đối trọng bố trí di chuyển độc lập trên các trục ray vuông góc. Dưới sự điều phối của bộ điều khiển trượt, các khối nặng dịch chuyển đồng thời dọc theo thân tàu để bù góc pitch do dao băm và dịch chuyển ngang mạn tàu để bù góc roll do xả tải.

Vai trò chính của bộ lọc Kalman trong hệ thống là gì? Rung động từ cụm dao băm công suất 50 kW và sóng nước tạo ra nhiều nhiễu cao tần trên cảm biến góc nghiêng. Bộ lọc Kalman lọc bỏ tới 92% phương sai nhiễu đo lường, cung cấp tín hiệu góc nghiêng thực tế chuẩn xác giúp bộ điều khiển trượt hoạt động mượt mà và tránh giật cục.

Mô hình thực nghiệm tỉ lệ 1/10 phản ánh mức độ chính xác ra sao so với thực tế? Mô hình thu nhỏ 1/10 được thiết kế tuân thủ nghiêm ngặt tiêu chuẩn đồng dạng Froude về hình học và phân bố khối lượng. Kết quả thực nghiệm trong hồ nước cho thấy mức độ tương đồng trên 90% so với mô phỏng lý thuyết, chứng minh tính khả thi tuyệt đối của giải pháp.

Hệ thống này có thể ứng dụng cho các loại phương tiện thủy nào khác? Ngoài tàu vớt lục bình, giải pháp cân bằng bằng đối trọng 2 phương trực giao có thể áp dụng hiệu quả cho xà lan cẩu cỡ nhỏ, phao nổi quan trắc môi trường, tàu nạo vét luồng lạch và các phương tiện không người lái (USV) hoạt động trên sông hồ nội địa.

Kết luận

• Đề tài đã thiết kế và chế tạo thành công hệ thống cân bằng tự động chủ động sử dụng cơ cấu đối trọng 2 trục trực giao truyền động vít-me bi cho tổ hợp tàu vớt và băm phá lục bình.
• Xây dựng hoàn chỉnh mô hình toán học động học 2 bậc tự do Pitch - Roll, kết hợp thành công thuật toán điều khiển trượt SMC và bộ lọc Kalman xử lý tín hiệu.
• Hệ thống chứng minh hiệu quả vượt trội khi giảm hơn 85% biên độ nghiêng lắc, duy trì góc nghiêng tàu luôn dưới 1,2 độ và thời gian xác lập dưới 1,8 giây.
• Giải pháp đã được kiểm chứng chuẩn xác qua mô phỏng chuyên sâu trên Matlab/Simulink và thử nghiệm thực tế trên mô hình đồng dạng 1/10 trong môi trường hồ nước.
• Đóng góp luận cứ khoa học quan trọng giải quyết bài toán an toàn hàng hải cho phương tiện cơ giới hóa thu dọn thực vật xâm lấn tại Long An và Đồng bằng sông Cửu Long.

Kế hoạch trong 12 tháng tiếp theo là hoàn thiện bản vẽ thi công phiên bản thương mại tỉ lệ 1:1 và tiến hành thử nghiệm toàn diện trên các tuyến kênh trọng điểm. Các đơn vị quản lý môi trường và doanh nghiệp đóng tàu hãy chủ động kết nối chuyển giao công nghệ để sớm đưa tổ hợp thiết bị vào vận hành thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hiện nay, chủ yếu công việc vớt lục bình ở các vùng sông nước Việt Nam được thực hiện bằng phương pháp thủ công, người lao động đứng trên thuyền hoặc trên bờ sử dụng các dụng cụ cầm tay như vợt, móc, lưới,… để vớt lục bình. Các loại thiết bị dùng để vớt lục bình hiện nay chủ yếu là các thuyền, ghe thô sơ, có loại có máy đẩy, có loại phải chèo hoặc chống bằng sào. Công việc vớt lục bình trên sông của các công nhân rất nặng nhọc và vất vả, chủ yếu sử dụng sức người, không có nhiều thiết bị hỗ trợ.

Để giảm sức lao động của công nhân trong việc thu gom lục bình tại các sông ngòi, kênh rạch, tại Việt Nam đã có một số đề tài nghiên cứu khoa học từ cấp tỉnh, cấp nhà nước được triển khai thực hiện chế tạo các thiết bị nổi để giải quyết vấn nạn lục bình và bước đầu đã đạt được một số kết quả nhất định. Tuy nhiên, hạn chế chung của các đề tài này là chưa đề cập đến việc cân bằng thiết bị trong quá trình vận hành. Yếu tố an toàn trong hoạt động thu gom lục bình là cực kỳ quan trọng, đảm bảo sự an toàn tính mạng cho người vận hành cũng như tránh rủi ro chìm thiết bị do các nguyên nhân khách quan. Trong quá trình hoạt động thu gom lục bình, người điều khiển phương tiện sẽ không thể quan sát được trạng thái thiết bị, mục đích quan sát được trạng thái làm việc của thiết bị nhằm xử lý các tình huống nguy hiểm có thể ảnh hưởng đến sự an toàn như: thiết bị trục vớt lục bình quá tải trọng, tải trọng phân bổ không đều trong khi vớt, va chạm các cành cây, nhánh cây to gây nghiêng thiết bị, hiện tượng nghiêng lắc đột ngột do tác động tự nhiên (sóng to, gió lớn,…).

Chính vì lí do trên, việc nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển cân bằng cho thiết bị trong quá trình hoạt động là vô cùng cần thiết. Nghiên cứu trong luận văn này sẽ giải quyết vấn đề về cân bằng cho tổ hợp thiết bị băm phá và thu gom lục bình tại các kênh rạch, đồng thời có thể đề xuất phương án mới trong việc thiết kế hệ thống cân bằng cho các phương tiện nổi chuyên dụng cỡ nhỏ. Mục đích nghiên cứu đề tài Đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống cân bằng cho tàu vớt lục bình” là một 2 phần nghiên cứu trong dự án “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo tổ hợp thiết bị thu gom, tiền xử lý và trục vớt lục bình trên kênh, rạch tại Long An và các tỉnh lân cận” do thầy PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến – Trường đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh làm chủ nhiệm dự án. Mục đích nghiên cứu là thiết kế hệ thống cân bằng có thể áp dụng cho thiết bị băm phá lục bình và thiết bị trục vớt lục bình trong dự án nhằm tăng tính an toàn trong quá trình vận hành.