Tài liệu Thiết kế thiết bị lặn auv để tiết kiệm năng lượng khi vận hành

Lời cảm ơn LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy LÊ KHÁNH ĐIỀN, người đã luôn theo sát chúng em trong thời gian luận văn vừa qua, đã tận tình hướng dẫn, chỉ dạy chúng em những kiến thức thực tế để áp dụng vào luận văn này. Qua những buổi hướng dẫn được thầy tận tình chỉ bảo giúp chúng em đối chiếu được những kiến thức được học trên lớp, tích lũy thêm kinh nghiệm cho công việc sau này. Một lần nữa em xin được gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy LÊ KHÁNH ĐIỀN trong suốt thời gian được theo thầy. Em xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô Khoa Cơ Khí, Trường đại học Bách Khoa – đại học Quốc Gia Tp. HCM, những người đã truyền đạt kiến thức quý báu cho em suốt trong thời gian học tập vừa qua. Do vốn kiến thức, thời gian nghiên cứu và tìm hiểu có hạn nên không tránh những sai sót trong quá trình thực hiện, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy cô và các bạn đọc để luận văn được hoàn thiện hơn sau này. TP.HCM, ngày 28 tháng 05 năm 2019 Sinh viên thực hiện Nguyễn Thị Thanh Trúc i Lời cảm ơn TÓM TẮT LUẬN VĂN Ở trong nước với kỷ nguyên công nghệ và nền kinh tế đa chiều, toàn cầu hóa, việc phát triển các hệ thống công nghiệp có vai trò quan trọng trong quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa và bảo vệ đất nước. Việc nghiên cứu tác động của môi trường biển tới đời sống kinh tế xã hội của dân sinh là điều rất cần thiết đối với nước ta. Các vấn đề cần quan tâm như là: cảnh báo thiên tai và sóng thần, khảo sát hệ sinh thái dưới biển, khảo sát, thăm dò, khai khoáng và lấy mẫu môi trường nước. Các hoạt động trên đòi hỏi phải có các thiết bị lặn thay thế con người. AUV (Autonomous Underwater Vehicles) là thiết bị có thể đáp ứng được nhu cầu cần thiêt của chúng ta. Do đó, việc nghiên cứu sản xuất các thiết bị này trong nước sẽ tăng tính chủ động, sản xuất hàng loạt sẽ giảm chi phí nhập khẩu, giảm lệ thuộc công nghệ từ nước ngoài. Chính vì thế nhóm quyết định đi vào nghiên cứu, tìm hiểu và thiết kế thiết bị lặn AUV và quyết định lựa chọn đề tài “THIẾT KẾ THIẾT BỊ LẶN AUV ĐỂ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG KHI VẬN HÀNH ” làm đề tài cho luận văn. Nội dung của luận văn bao gồm các công việc chính sau đây: - Khảo sát tình hình nghiên cứu ứng dụng AUV trên thế giới. - Đề ra phương án và chọn phương án thuyết phục nhất. - Tính toán động học, động lực học máy. - Tính bền và thiết kế máy. MỤC LỤC i Lời cảm ơn LỜI CẢM ƠN............................................................................................i TÓM TẮT LUẬN VĂN...........................................................................ii MỤC LỤC...............................................................................................iii DANH MỤC HÌNH ẢNH.....................................................................viii DANH MỤC BẢNG BIỂU...................................................................xiii CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN...........................................1 1.1 Lịch sử nghiên cứu các phương tiện dưới nước................................................1 1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới...................................................................5 1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước.....................................................................6 1.4 Tính cấp thiết và tính mới của đề tài.................................................................7 1.5 Một vài thiết bị AUV trên thị trường..............................................................11 1.6 Mục tiêu của đề tài.........................................................................................15 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT.......................................................17 2.1 Hệ tọa độ sử dụng...........................................................................................17 2.2. Phương trình động lực học.............................................................................17 2.3 Biên dạng vỏ tàu.............................................................................................19 2.2 Nguyên tắc hoạt động cơ bản của AUV.........................................................23 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN................29 3.1 Phân tích công việc cần thực hiện..................................................................29 3.2 Phân tích và lựa chọn vật liệu.........................................................................30 3.3 Phân tích và lựa chọn các phương án lặn– nổi................................................32 3.3.1. Chế độ lặn - nổi lên tĩnh.......................................................................32 3.3.2. Chế độ lặn – nổi lên động.....................................................................46 i Lời cảm ơn 3.3.3. 3.4 Kết luận lựa chọn phương án................................................................50 Lựa chọn các phương án bố trí.......................................................................52 3.4.1. Phương án 1: Chỉ dùng đối trọng kết hợp với thiết bị đẩy....................52 3.4.2. Phương án 2: Dùng hai piston điều khiển bằng một động cơ...............53 3.4.3. Phương án 3: Dùng hai piston điều khiển bằng một động cơ và điều chỉnh cân bằng bằng đối trọng.............................................................................55 3.4.5. Phương án 5: Dùng hai piston điều khiển bằng hai động cơ.................59 ............................................................................................................................. 59 3.5 Lựa chọn cấu trúc điều khiển..........................................................................61 3. 6 Lựa chọn phương pháp định hướng và tìm hiểu các thiết bị cảm biến............65 3.6.1 Lựa chọn phương pháp định hướng.........................................................65 3.6.2 Giới thiệu về các thiết bị đo lường, cảm biến..........................................72 CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC TÀU .................................................................................................................75 4.1. Động học........................................................................................................75 4.1.1. Các hệ tọa độ tham chiếu......................................................................75 4.1.2. Các góc Euler.......................................................................................76 4.1.3. Mô hình toán của AUV (State Space Representation of the AUV)......76 4.1.4. Chuyển đổi vector trạng thái................................................................77 4.2. Động lực học..................................................................................................79 4.2.1. Ma trận khối lượng và quán tính...........................................................80 4.2.2. Ma trận Coriolis và hướng tâm (Coriolis and Centripetal Matrix)........82 4.2.3. Ma trận sức cản thủy động lực học.......................................................83 4.2.4. Ma trận trọng lực và lực nổi.................................................................84 i Lời cảm ơn 4.2.5. Vector lực đẩy và moment đẩy.............................................................85 4.2.6. Tổng hợp các phương trình thủy động lực học.....................................85 4.3. Các hệ số lực..................................................................................................87 4.3.1. Các lực thủy tĩnh..................................................................................87 4.3.2. Lực cản thủy động lực học (Hydrodynamic Damping)........................87 4.3.3. Khối lượng tăng thêm (Added mass)....................................................89 4.3.4. Lực nâng tàu.........................................................................................92 4.3.5. Sức đẩy (Propulsion model).................................................................97 CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ...........................................98 5.1 Tính toán sức bền cho phương tiện tự hành dưới nước AUV.........................98 5.2 Tính toán chọn O-ring..................................................................................108 5.2.1 Giới thiệu...............................................................................................108 5.2.2 Tính toán áp suất nước ở độ sâu 20 m....................................................108 5.2.3 Chọn vật liệu và kích thước O-ring........................................................109 5.2.4 Chọn kích thước O-ring.........................................................................109 5.2.5 Chọn O-ring cho mối lắp động (xylanh, pít-tông)..................................112 5.3 Tính toán lực dọc trục tác dụng lên piston....................................................116 5.3.1 Tính toán lực ma sát giữa O-ring với thành xy lanh khi piston di chuyển. 116 5.3.2 Tính toán áp lực nước tác dụng lên piston.............................................117 5.3.3 . Tính toán tổng tải trọng dọc trục.........................................................117 5.4 Tính toán chọn vít me cho cụm piston – xylanh...........................................119 5.5 Tính toán lựa chọn ổ lăn của cụm đỡ vitme piston - xylanh.........................120 5.6 Tính toán chọn động cơ cho cụm piston – xylanh........................................121 i Lời cảm ơn 5.7 Chọn bạc trượt dẫn hướng cụm piston – xylanh...........................................123 CHƯƠNG 6: HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG........................................125 6.1 Động cơ chu trình khép kín. (Closed Cycle Engines)...................................127 6.2 Pin................................................................................................................128 6.2.1 Pin kiềm (Alkaline)................................................................................129 6.2.2 Pin Silver oxide (oxit bạc).........................................................................130 6.2.3 Pin Zinc chloride và Zinc carbon...........................................................130 6.2.4 Pin Lithium............................................................................................130 6.2.5 Pin Ni Cad.............................................................................................130 6.2.6 Pin Ni-MH (Nickel Metal Hudride).......................................................131 6.2.7 Pin Lithium Ion (Li Ion)........................................................................131 6.2.8 Pin Lithium Polymer (LiPo)..................................................................133 6.3 Pin nhiên liệu................................................................................................133 6.4 Năng lượng hạt nhân....................................................................................135 6.5 Kết luận........................................................................................................135 CHƯƠNG 7: THIẾT BỊ ĐẨY..............................................................140 7. 1 Giới thiệu về thiết bị đẩy..............................................................................140 7. 2 Lựa chọn thiết kế..........................................................................................140 Tổng kết................................................................................................................. 146 Hướng phát triển....................................................................................................146 TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................147 i Danh mục hình ảnh DANH MỤC HÌNH Ả Hình 1. 1 Thiết bị lặn Bathysphere. [1]..........................................................................1 Hình 1. 2 Tài nguyên biển Việt Nam.[30]......................................................................8 Hình 1. 3 AUV đang khảo sát môi trường sông.[31].....................................................8 Hình 1. 4 AUV đang tiến hành lập bản đồ đáy biển.[31]...............................................9 Hình 1. 5 Các hoạt động thăm dò ngoài khơi trong ngành công nghiệp dầu khí.[31]....9 Hình 1. 6 Một AUV đang thực hiện giám sát đường ống dầu.[31]..............................10 Hình 1. 7 Thiết bị AUV đang được sử dụng trong quân sự.[31]..................................11 Hình 1. 8 AUV Remus của Woods Hole Oceanographic Institution.[5]......................12 Hình 1. 9 Lightweight AU [5]......................................................................................13 Hình 1. 10 AUV Autosu6000 [5].................................................................................14 Hình 1. 11 Slocum Glider G3[5]...............................................................................15Y Hình 2. 1. Các hệ tọa độ và tham số chuyển động của AUV [12]................................17 Hình 2. 2. Thiết bị AUV theo biên dạng ngư lôi.[1]....................................................19 Hình 2. 3. Các bậc tự do của thiết bị.[6]......................................................................20 Hình 2. 4. Thiết bị AUV không theo biện dạng ngư lôi.[1].........................................21 Hình 2. 5. Biên dạng Myring.[7]..................................................................................22 Hình 2. 6. Các lực tác động lên tàu với trọng tâm cao hơn tâm nổi ( thường khi tàu ở trạng thái nổi ).............................................................................................................. 24 Hình 2. 7. . Các lực tác động lên tàu với trọng tâm thấp hơn tâm nổi ( thường khi tàu ở trạng thái lặn ).............................................................................................................. 25 Hình 2. 8 Nguyên tắc lặn – nổi của đa số các tàu ngầm lớn hiện nay (USA UK: theo phương pháp Mỹ, Anh; Russian: theo phương pháp Nga) [10]...................................25 Hình 2. 9 Sự cân bằng của tàu với góc lắc dọc ( nghiêng sang phải hoặc sang trái).[8] ..................................................................................................................................... 26 Hình 2. 10 Sự cân bằng của tàu với góc ngang ( chúi đầu xuống hoặc lên ).[8]..........27 Hình 2. 11 Moment hồi phục khi tàu ở chế độ nổi.[9].................................................27 Hình 2. 12 Moment hồồi phục khi tàu ở chếế đ ộ lặn. [9] 2 Hình 3. 1. Hình dạng vỏ AUV theo biên dạng Myring.[7]...........................................29 viii Danh mục hình ảnh Hình 3. 2. Nguyên lý lặn – nổi tĩnh của tàu lặn.[8]......................................................33 Hình 3. 3.Hệ thống bơm áp thấp. [10].........................................................................34 Hình 3. 4. Hệ thống bơm áp cao.[10]...........................................................................35 Hình 3. 5. Hệ thống dùng piston.[10]....................................................................36 Hình 3. 6. Nguyên lý hoạt động nhờ truyền động thủy lực, khí nén.[10].....................36 Hình 3. 7. Xylanh khí nén [10]....................................................................................37 Hình 3. 8. Xylanh thủy lực[10]....................................................................................37 Hình 3. 9. Cơ cấu truyền động vitme đai ốc bi.[19].....................................................38 Hình 3. 10. Cơ cấu truyền động vitme đai ốc.[19].......................................................39 Hình 3. 11. Ren hình thang cân.[18]............................................................................40 Hình 3. 12. Ren răng cưa.[18]......................................................................................40 Hình 3. 13. Ren hình vuông.[18].................................................................................41 Hình 3. 14. Hệ thống dùng khí.[10].............................................................................43 Hình 3. 15. Nguyên lý hệ thống khí tuần hoàn.[10]....................................................45 Hình 3. 16. Nguyên lý hệ thống cải tiến khí tuần hoàn .[10]........................................46 Hình 3. 17. Nguyên lý lặn động của tàu ngầm nhờ điều khiển góc cánh lái.[9]...........47 Hình 3. 18. Nguyên lý lặn động của tàu ngầm nhờ điều khiển đối trọng.[9]................47 Hình 3. 19. Góc bánh lái trong quá trình lặn. [10].......................................................48 Hình 3. 20. Lặn – nổi động sử dụng đối trọng.............................................................50 Hình 3. 21. Sơ đồ bố trí phương án sử dụng đối trọng.................................................52 Hình 3. 22. Khả năng di chuyển của phương án 1.......................................................53 Hình 3. 23. Sơ đồ bố trí phương án dùng hai piston điều khiển bằng một động cơ......54 Hình 3. 24. Khả năng di chuyển của phương án 2...............................................54 Hình 3. 25. Sơ đồ bố trí phương án sử dụng hai piston điều khiển bằng một động cơ và một đối trọng.......................................................................................56 Hình 3. 26. Khả năng duy chuyển của phương án 3.....................................................56 Hình 3. 27. Sơ đồ bố trí sử dụng phương án một piston và một đối trọng...................57 Hình 3. 28. Khả năng duy chuyển của phương án 4.....................................................58 Hình 3. 29. Sơ đồ bố trí phương án sử dụng hai piston điều khiển băng hai đọng cơ.. 59 Hình 3. 30. Khả năng duy chuyển của phươn án 5......................................................59 Hình 3. 31 Cấu trúc hệ điều khiển vong hở.[11]..........................................................62 ix Danh mục hình ảnh Hình 3. 32. Cấu trúc điều khiển vòng nửa kín ( Máy CNC ).[11]................................63 Hình 3. 33. Cấu trúc hệ điều khiển vòng kính ( Máy hong khô áo quần).[11].............64 Hình 3. 34. Hệ thống định vị đường cơ sở dài LBL( Long Baseline )[29]...................69 Hình 3. 35. Hệ thống định vị đường cơ sở ngắn SBL ( Short Baseline )[29]...............70 Hình 3. 36. Hệ thống định vị đường cơ sở cực ngắn USBL ( Ultra Short Baseline )[29] ..................................................................................................................................... 71 Hình 3. 37. Thiết bị đo vận tốc DVL...........................................................................72 Hình 3. 38. Thiết bị Alitimeter................................................................................72 Hình 3. 39. Cảm biến AHRS.......................................................................................73 Hình 3. 40. Cảm biến áp suất...................................................................................73 Hình 3. 41. Thiết bị giao tiếp sóng âm...................................................................74 Hình 3. 42. Mạch GPS 7 Hình 4. 1. Định nghĩa các hệ tọa độ và đặt tên cho tất cả các bậc tự do. [12] 76 Hình 4. 2. Hình 4.2 Sự dịch chuyển của hệ tọa độ B so với W, trong đó e 0 và e 1 là các vector đơn vị trong hệ tọa độ W và e 4 là vector đơn vị trong hệ tọa độ B khi B ở vị trí dịch chuyển cuối cùng.[12]..........................................................................................77 Hình 4. 3. Góc tấn hiệu quả của cánh lái dọc (rudder).[13].........................................96 Hình 4. 4. Góc tấến hiệu quả của cánh lái ngang (stern plane). [13] 9 Hình 5. 1. Thân thiết bị AUV......................................................................................98 Hình 5. 2. Vỏ AUV với độ dày 1mm...........................................................................99 Hình 5. 3. Phần đầu cố định và áp lực tác động lên vỏ......................................99 Hình 5. 4. Mô hình lưới của vỏ AUV........................................................................100 Hình 5. 5. Trường ứng suất Von Mises tác động lên thành ống dày 1mm.................101 Hình 5. 6. Kích thước biến dạng dẻo của thân vỏ thiết bị AUV với độ dày 1mm......101 Hình 5. 7. Trường ứng suất Von Mises tác động lên thành ống dày 3,18mm............102 Hình 5. 8. Kích thước biến dạng dẻo của thân vỏ thiết bị AUV với độ dày 3,18mm. 102 Hình 5. 9. Ống nhôm T6 – 6061................................................................................103 Hình 5. 10. Vách ngăn với độ dày vách 2mm............................................................103 Hình 5. 11. Áp lực tác động lên vách ngăn................................................................104 x Danh mục hình ảnh Hình 5. 12. Mô hình và thông số lưới vách ngăn.......................................................105 Hình 5. 13. Trường ứng suất Von Mises tác động lên vách ngăn dày 2mm...............106 Hình 5. 14. Kích thước biến dạng chảy dẻo của chi tiết với độ dày mặt chắn 2mm.......................................................................................................................... 106 Hình 5. 15. Trường ứng suất Von Mises tác dụng lên vách ngăn dày 3mm và 4mm.......................................................................................................................... 107 Hình 5. 16. Kích thước biến dạng chảy dẻo của chi tiết với độ dày mặt chắn lần lượt là 3mm và 4mm.............................................................................................................108 Hình 5. 17. O-ring......................................................................................................108 Hình 5. 18. Ký hiệu kích thước O-ring......................................................................109 Hình 5. 19. Kích thước rãnh do nhà sản xuất khuyến nghị.[14].................................109 Hình 5. 20. Góc vát do nhà sản xuất đề nghị.[14]......................................................110 Hình 5. 21. Kích thước O-ring sau khi lắp, bị biến dạng.................................110 Hình 5. 22.H. Phần diện tích tiếp xúc giữa O-ring với mặt trong vỏ tàu sau khi lắp..111 Hình 5. 23. Các kích thước mối lắp O-ring................................................................111 Hình 5. 24. Độ nén thực tế của O-ring khi áp suất bằng không và lớn hơn không.[14] ................................................................................................................................... 112 Hình 5. 25. Các kích thước Back-up Ring.................................................................113 Hình 5. 26. Các kích thước rãnh.[16].........................................................................113 Hình 5. 27. Các kích thước mối lắp do nhà sản xuất khuyến nghị.............................114 Hình 5. 28. Bảng dung sai cho các kích thước.[16]...................................................114 Hình 5. 29. Kích thước O-ring sau biến dạng............................................................115 Hình 5. 30. Sơ đồ lực tác dụng khi piston rút nước....................................................118 Hình 5. 31. Sơ đồ lực tác dụng khi piston đẩy nước..................................................118 Hình 5. 32. Mồếi quan hệ giữa hiệu suấết và góc vít. [19] 12 Hình 6. 1. Tầm hoạt động và vận tốc của AUV ABE.[1]...........................................126 Hình 6. 2. Cell pin Lithium Ion 18650.......................................................................132 Hình 6. 3. Cell pin Lithium Ion Prismatic..................................................................132 Hình 6. 4.Cell pin LiPo..............................................................................................133 Hình 6. 5. Phản ứng sinh nhiệt và nước của pin nhiên liệu........................................134 xi Danh mục hình ảnh Hình 6. 6. Thông số kỹ thuật của pin Panasonic NCA103450...................................138 Hình 6. 7. Kích thướt tổng thể và vị trí các cực điện c ủa cell PIN. 13 Hình 7. 1. Mối quan hệ giữ lực đẩy và công suất với tốc độ vòng quay của model 092EI.[27].................................................................................................................. 142 Hình 7. 2. Bản vẽ tổng thể mô hình Underwater Thrusters 092EI-184. [27].143 Hình 7. 3. Lắp ráp phần động cơ đẩy với phần đuôi AUV.[27].................................143 Hình 7. 4. Cấu tạo bên trong bộ phận truyền động của động cơ đẩy.[27].................144 Hình 7. 5. Biên dạng Rice Speed Nozzle và biên dạng của Rice Thrust Nozzle.[27] 145 Hình 7. 6. Mô hình tổng thể Underwater Thrusters 092EI-184.[27]..........................145 xii Danh mục bảng biểu DANH MỤC BẢNG BIỂ Bảng 1. 1. Sơ lược quá trình phát triển AUV trên thế giới.............................................2 Bảng 1. 2. Dữ liệu thống kê và đự báo về sự phát triển AUV trên thế giới.( thực hiện bởi Hãng nghiên cứu chiến lược Douglas – Westwood )...............................................6 Bảng 1. 3. Thông số kĩ thuật của AUV Remus 100.....................................................12 Bảng 1. 4. Thông số kỹ thuật của Lightweight AU......................................................13 Bảng 1. 5. Thông số kĩ thuật của Autosub6000...........................................................14 Bảng 1. 6. Thông số kĩ thuật Slocum Glider G3.......................................................15Y Bảng 2. 1. Các ký hiệu của SNAME cho AUV...........................................................18 Bảng 2. 2. Các thồng sồế kích thước của AUV. 2 Bảng 3. 1. Thông số kích thước của AUV...................................................................29 Bảng 3. 2. Các loại vật liệu làm thân vỏ AUV thường sử dụng...................................30 Bảng 3. 3. Thành phần hóa học của hợp kim nhôm T6-6061.......................................32 Bảng 3. 4. Cơ tính của hợp kim nhôm T6-6061...........................................................32 Bảng 3. 5. Ưu nhược điểm của phương pháp truyền động bằng khí nén.....................36 Bảng 3. 6. Ưu nhược điểm của phương pháp truyền động bằng thủy lực....................37 Bảng 3. 7. Ưu nhược điểm của phương pháp truyền động bằng vitme đai ốc bi..........38 Bảng 3. 8. Ưu nhược điểm của phương pháp truyền động bằng vitme đai ốc..............39 Bảng 3. 9. Bảng đánh giá các cơ cấu vitme.................................................................41 Bảng 3. 10. Bảng đánh giá các phương án bố trí..........................................................61 Bảng 3. 11. Sẽ liệt kê một số lỗi gây ra bởi các cảm biến gia tốc và cảm biến quay....66 Bảng 3. 12. Chiếồu dài cơ sở sử dụng trong các hệ thồếng đ ịnh v ị sóng ấm . 6 Bảng 5. 1. Áp lực tác dụng tương ứng với chiều dày mặt chắn..................................105 Bảng 5. 2.Tổng hợp tính toán bộ truyền vít me đai ốc...............................................120 Bảng 5. 3. Bảng tnh toán hệ thồếng dấẫn động. 12 Bảng 6. 1. Nguồn năng lượng của các loại AUV [5 – Table 3]..................................128 Bảng 6. 2. Phân loại pin thường và pin sạc................................................................129 xiii Danh mục bảng biểu Bảng 6. 3.Bảng so sánh các thông số pin...................................................................136 Bảng 6. 4. Một sồế thiếết bị tếu thụ điện trong thiếết b ị AUV 13 Bảng 7. 1. So sánh động cơ DC không chổi than và động cơ DC thông thường [27] 141 CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Lịch sử nghiên cứu các phương tiện dưới nước. Đối với Trái Đất thì nước mặn bao phủ một diện tích khoảng 360.000.000 km 2 và thường được chia thành một số đại dương chính và những biển nhỏ hơn, trong đó đại dương chiếm khoảng 71% bề mặt và 90% sinh quyển. Bên cạnh đó 97% lượng nước trên Trái Đất thuộc về đại dương và các nhà hải dương học đã phát biểu rằng hơn 95% đại dương thế giới chưa được khám phá. Có thể nói rằng đại dương luôn hấp dẫn nhân loại. Hầu hết nghiên cứu ở thế kỉ 19 đều bằng việc thả lưới, thu thập mẫu sau đó nghiên cứu và phân tích. Đến những năm 1930 những nỗ lực của Otis Barton và William Beebe đã giúp con người lặn xuống và quan sát đại dương ở độ sâu hơn 500m. [1] Hình 1. 1 Thiết bị lặn Bathysphere. [1] Bảng 1. 1. Sơ lược quá trình phát triển AUV trên thế giới. ST MÔ TẢ/ HÌNH ẢNH xiv Danh mục bảng biểu T AUV: SPURV được phát triển bởi trường Đại học Washington, Hoa Kỳ, năm 1957. - Lặn sâu 3.000m và thời gian lặn liên tục 4 giờ. - Có khả năng đo nhiệt độ và độ chuyển, được sử dụng để hỗ trợ nghiên cứu hải dương học gồm: nghiên cứu truyền tải âm thanh và phát hiện tàu ngầm. 1 [1] AUV: Epaulard được chế tạo bởi Viện nghiên cứu đại dương (IFREMER), Pháp, năm 1980. - Dài 4m, nặng 2.9 tấn. - Lặn sâu tới 6.000m, được sử dụng trong nghiên cứu đại dương. 2 [1] 3 AUV: AUSS được chế tạo bởi Trung tâm nghiên cứu quân sự về đại dương và không gian (SPAWAR), Hoa Kỳ, năm 1983. - Hoạt động ở độ sâu lên đến 6.000m. - Có thể chụp và truyền hình ảnh đáy đại dương thông qua một máy truyền xv Danh mục bảng biểu âm ở tốc độ lên đến 4.800 bit/s. - Được trang bị các Sonar quét bên và các Sonar nhìn về phía trước để giúp xác định vị trí các đối tượng lạ trong đại dương. [1] AUV: REMUS 6000 được chế tạo bởi tập đoàn Kongsberg Maritime, Na Uy, năm 1997. - Có thể lặn sâu tới 6.000m. - Phục vụ nghiên cứu giám sát, thăm dò và lập bản đồ đại dương. - Dễ dàng túy biến cho các tác vụ dân sự và tác vụ khác khi trang bị các Sonar chức năng. 4 [1] 5 - Chiều dài 3.65m, trọng lượng 1000kg. Chiều sâu lặn tới 600m, tải trọng mang thêm đến 160kg và thời gian hoạt động một lần 20 giờ. - Tác vụ: thăm dò và khai khoáng tài nguyên biển, chống xâm nhập tàu ngầm, xvi Danh mục bảng biểu trinh sát và giám sát vùng kinh tế biển đảo và lập bản đồ. [1] AUV: Bluefin-9 được phát triển bởi tập đoàn Bluefin Robotics, Hoa kỳ, năm 2010. - Trọng lượng 60.5kg. Kích thước LxW = 1.65m x 0.24m. Lặn sâu lớn nhất 200m. Tốc độ di chuyển 2m/s. Thời gian hoạt động một lần là 12 giờ. - Sử dụng trong lĩnh vực thăm dò và khai khoáng tài nguyên biển, theo dõi và bảo vệ môi trường, trinh sát và giám sát vùng kinh tế biển đảo, bảo vệ hải 6 cảng và giàn khoan. [1] Một trong những động lực lớn nhất cho việc phát triển thiết bị lặn không người lái Unmanned underwater vehicle (UUV) là khi độ sâu ngành công nghiệp dầu mỏ đã đạt đến giới hạn của thợ lặn và các lựa chọn thay thế là không còn. Đối với thiết bị lặn không người lái người ta thường chia thành 2 dạng đó là thiết bị lặn điều khiển từ xa Remotely operated underwater vehicle (ROV) hoặc là thiết bị lặn tự hành (AUV). Do kĩ thuật ban đầu còn kém, các cảm biến chưa được tinh gọn, hệ thống năng lượng chưa xvii Danh mục bảng biểu thể lưu trữ được nhiều nên hầu như thiết bị lặn tự hành chưa được phát triển. Đối với thiết bị ROV, sẽ cần ít nhất một người để điều khiển, thông qua bộ điều khiển sẽ cung cấp nguồn điện, truyền đạt thông tin qua dây dẫn, và hoạt động sẽ không quá phụ thuộc vào thời tiết, làm cho chúng trở thành lựa chọn hấp dẫn thay thế cho tàu ngầm có người lái. Bên cạnh nhiệm vụ khoa học, ROV nhanh chóng bắt đầu được sử dụng trong tất cả các ứng dụng dưới nước có thể như ngành công nghiệp năng lượng, truyền thông, cứu hộ, quân sự… Bên cạnh những lợi thế thì ROV cũng có một số vấn đề rằng thiết bị ROV cần một con tàu xung quanh để điều khiển trong khi nó đang làm nhiệm vụ, ở những khu vực có băng thì việc sử dụng ROV rất khó khăn, chiều dài dây cáp ROV cũng ảnh hưởng rất nhiều trong việc di chuyển xuống một độ sâu nhất định. 1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới Phần lớn các robot dưới nước thương mại hiện nay là loại ROV được người trên tàu điều khiển qua dây dẫn. Các ứng dụng của ROV bị hạn chế nhiều do chi phí sử dụng cao và kém an toàn. Do vậy, nhu cầu phát triển robot tự hành dưới nước AUV ngày càng tăng. Thời gian gần đây, rất nhiều nghiên cứu về AUV được chú ý, nhất là để tăng khả năng tự động, tự thích nghi và tăng độ thông minh của robot. Vấn đề về điều khiển chuyển động trong môi trường động dưới nước với khả năng truyền tín hiệu hạn chế là một trong những thách thức lớn cho các nhà nghiên cứu. Ngoài ra, việc phối hợp điều khiển chuyển động với điều chỉnh lực là cần thiết khi robot thực thi các nhiệm vụ phức tạp dưới nước. Các vấn đề khác như tránh vật cản, định hướng trong môi trường thiếu ánh sáng cũng là các vấn đề được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. [2] Tương lai các AUV sẽ sử dụng các cơ chế bơi như các động vật dưới nước. Các nghiên cứu theo hướng này mở ra nhiều triển vọng để robot tiết kiệm được năng lượng và tăng thời gian hoạt động dưới biển. Một số nghiên cứu về robot tự hành dưới nước cũng được đề cập đến thời gian qua. Khoảng 1990 các mẫu AUV đầu tiên đòi hỏi một nỗ lực to lớn và các giải pháp kỹ thuật khôn khéo để bù đắp cho những hạn chế về công nghệ trong các mặt về năng lượng, pin và các cảm biến. Để triển khai những thiết bị đắt tiền tự hành trong một môi trường khắc nghiệt, và mong muốn chúng trở lại an toàn thực sự là một thách thức lớn trong kỹ thuật. xviii Danh mục bảng biểu Sự phát triển ban đầu vẫn tiếp tục phát triển và, vào cuối thế kỷ trước, AUVs đã dần dần chuyển từ môi trường học thuật điều khiển đến những viển cảnh đầy thách thức, bao gồm các ứng dụng khoa học, thương mại và quân sự. Cụ thể là, từ năm 2000 đến 2010, là giai đoạn phát triển thị trường thương mại của AUV. Việc sử dụng công nghệ AUV vào các ứng dụng thương mại trở nên khá rõ ràng. Các chương trình sử dụng AUV được xây dựng và đưa vào hoạt động. Các thị trường AUV được xác định và đánh giá như một thị trường độc lập. Đây là một thập kỉ đánh mà công nghệ AUV chuyển từ nghiên cứu môi trường, học thuật sang các ngành công nghiệp, thương mại đại dương. [3] Bảng 1. 2. Dữ liệu thống kê và đự báo về sự phát triển AUV trên thế giới.( thực hiện bởi Hãng nghiên cứu chiến lược Douglas – Westwood ) Giai đoạn Số lượng AUV Lĩnh vực sử dụng Căn cứ - Quân sự: 23%. Trước – 2009 629 - Thăm dò: 41%. Thực tế AUV đã phát - Nghiên cứu: 35%. triển. - Khác: 11%. - Nhu cầu năng lượng và - Quân sự: 49%. 2010 2019 – - Nghiên cứu: 31%. 1144 - Dầu khí: 8%. - Thủy văn: 7%. - Cáp ngầm: 5%. khai thác dầu khí trữ lượng dưới lòng đại dương. - Yêu cầu an ninh quốc phòng. - Tiềm năng tài nguyên sinh vật biển. 1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước AUV có khả năng áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt trong quân sự và thương mại, nên được nhiều quốc gia đầu tư phát triển. Đặc biệt, lĩnh vực quân sự hiện là khách hàng chủ yếu của AUV - tương tư như đối với phương tiện bay không người lái. xix Danh mục bảng biểu Tại Việt Nam, AUV hiện chỉ mới bước những bước đầu, và chưa có nhiều kết quả. Những thông tin có thể tìm được, hầu hết tập trung dạng thiết bị tiền AUV, do những nhóm nghiên cứu robot phát triển, với cấu trúc cũng khá đơn giản. Một ví dụ có thể kể đến là robot cá với hình dáng và di chuyển phỏng sinh học. Robot cá có kích thước khoảng 35cm x 70cm x 110cm, nặng 600g, được điều khiển từ xa bằng sóng vô tuyến. Nó có thể bơi trong hồ bơi (môi trường nước trong và tĩnh) gần giống với cá thật, với tốc độ bơi khoảng 0,6 m mỗi giây, ở độ sâu tôi đa khoảng 2m, đồng thời thực hiện các động tác bơi lên, lặn xuống, chuyển hướng một cách nhịp nhàng. Có thể thấy ngay nhược điểm ở đây là kỹ thuật điều khiển: hệ thống sử dụng sóng vô tuyến, hoàn toàn không thích hợp cho môi trường nước và phải cần đến người điều khiển. [4] 1.4 Tính cấp thiết và tính mới của đề tài 1.4.1 Nghiên cứu khoa học, quản lý môi trường Đáng quan tâm nhất là nghiên cứu khoa học biển bao gồm nhiều chủ đề như sinh vật biển và động học sinh thái; hải lưu, sóng biển, và động lực chất lỏng; kiến tạo mảng và địa chất đáy biển; và thông lượng của nhiều chất hóa học và tính chất vật lý trong đại dương và các ranh giới mà nó vận chuyển qua. Mặt khác, Việt Nam có đường bờ biển trải dài và một vùng biển rộng gấp 3 lần diện tích đất liền, chứa đựng nguồn tài nguyên vô cùng đa dạng và phong phú. Vì vậy, có thể nói, nghiên cứu khoa học biển, hải đảo là chìa khóa để Việt Nam tiến vào đại dương, tiếp cận với những lợi ích to lớn do biển mang lại; đồng thời, cũng giúp Việt Nam có cơ sở khoa học để hoạch định cơ chế, chính sách pháp luật quản lý, sử dụng tiết kiệm và hiệu quả tài nguyên biển. Do đó việc phát triển nghiên cứu khoa học biển là rất cần thiết. Tuy nhiên các phương pháp, kỹ thuật khảo sát truyền thống còn rất hạn chế trong việc nghiên cứu ở vùng biển sâu, xa bờ. xx Danh mục bảng biểu Hình 1. 2 Tài nguyên biển Việt Nam.[30] Bên cạnh đó, nhiệm vụ nghiên cứu khoa học ở các môi trường khác như sông ngòi, kênh rạch, ao hồ,..cũng hết sức quan trọng, vì mạng lưới sông ngòi, kênh rạch ở nước ta khá dày đặt. Do đó cần có nhiều hoạt động khoa học như quan trắc, giám sát môi trường, nghiên cứu đánh giá thủy văn,…để kịp thời phát hiện nguy cơ ô nhiễm và các tác nhân xấu khác gây ảnh hưởng đến môi trường, cũng như có các biện pháp để kịp thời phòng chống. Hình 1. 4 AUV đang tiến hành lập bản đồ đáy biển.[31] Hình 1. 3 AUV đang khảo sát môi trường sông.[31] xxi