Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu tối ưu thiết kế thiết bị lặn tự hành AUV cỡ nhỏ có bổ sung năng lượng - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Thiết bị lặn tự hành (AUV) đóng vai trò then chốt trong nhiều lĩnh vực biển. Các ứng dụng bao gồm khảo sát đáy biển, thu thập dữ liệu hải dương học và giám sát môi trường. AUV cung cấp khả năng tiếp cận các khu vực khó khăn. Tầm quan trọng của AUV cỡ nhỏ được khẳng định. Thiết bị này linh hoạt và hiệu quả về chi phí. Tài liệu phân loại AUV theo khả năng lặn sâu và khối lượng. Các loại AUV có người lái và không người lái được phân biệt. Sự phát triển AUV toàn cầu và tại Việt Nam được tổng kết. Nhu cầu về AUV tự chủ và bền bỉ ngày càng tăng.

Nguồn năng lượng là yếu tố cốt lõi quyết định thời gian hoạt động của AUV. Các loại động cơ chu kỳ khép kín được giới thiệu. Pin axit chì cung cấp năng lượng cơ bản. Pin Lithium-Ion và Lithium Polymer có mật độ năng lượng cao. Công nghệ pin này giúp kéo dài hoạt động của AUV. Pin nhiên liệu hydro là một lựa chọn tiềm năng cho AUV. Năng lượng hạt nhân cung cấp công suất lớn nhưng phức tạp. Ưu nhược điểm của từng loại được đánh giá. Lựa chọn nguồn năng lượng phù hợp cần cân nhắc kỹ lưỡng. Hiệu suất năng lượng là một yếu tố quan trọng trong thiết kế AUV.

Năng lượng bổ sung giúp kéo dài đáng kể thời gian nhiệm vụ của AUV. Các nguồn năng lượng tái tạo được khám phá. Năng lượng sóng biển, gió và dòng chảy có thể được khai thác. Đặc biệt, năng lượng mặt trời là một giải pháp khả thi. Tích hợp pin mặt trời lên AUV mang lại nhiều lợi ích. Việc thu năng lượng mặt trời trên bề mặt giúp AUV hoạt động liên tục. Khả năng ứng dụng các nguồn năng lượng bổ sung tại Việt Nam được phân tích. Các điều kiện tự nhiên của Việt Nam tạo lợi thế cho việc khai thác. Mục tiêu là phát triển AUV tự chủ năng lượng cho các nhiệm vụ dài ngày.

Động học của thiết bị lặn tự hành được thiết lập. Các phương trình chuyển động S-AUV được xây dựng. Điều này bao gồm mô tả vị trí và định hướng của AUV. Phân tích động lực học xem xét các lực tác dụng lên AUV. Lực cản thủy động, lực nâng và trọng lực được tính toán. Ảnh hưởng của môi trường nước đến chuyển động AUV được nghiên cứu. Việc mô hình hóa chính xác giúp dự đoán hành vi. Các yếu tố như khối lượng, quán tính và tâm nổi được xem xét. Nền tảng này quan trọng cho việc thiết kế bộ điều khiển.

Tối ưu hóa hình dáng AUV là một bước quan trọng. Mục tiêu là giảm thiểu lực cản thủy động. Điều này giúp tiết kiệm năng lượng và tăng tốc độ. Phân tích thủy động lực học sử dụng các công cụ mô phỏng. Các mô hình thiết kế được khảo sát kỹ lưỡng. Mô phỏng CFD (Computational Fluid Dynamics) được áp dụng. Việc này cho phép đánh giá dòng chảy quanh thân AUV. So sánh giữa AUV không cánh và có cánh năng lượng mặt trời được thực hiện. Kết quả phân tích hướng đến việc lựa chọn thiết kế tối ưu nhất. Hiệu quả di chuyển của AUV được cải thiện rõ rệt.

Hai mô hình AUV cụ thể được thiết kế cho nghiên cứu. Mô hình S-AUV1 và S-AUV2 có cấu trúc cánh linh hoạt. Cánh này có chức năng thu năng lượng mặt trời. Thiết kế chi tiết của S-AUV1 và S-AUV2 được trình bày. Kích thước, vật liệu và bố trí các bộ phận được mô tả. Phân tích thủy động học cho từng mô hình được thực hiện. Các kết quả này đánh giá hiệu quả của cánh năng lượng. Việc tích hợp cánh đòi hỏi cân bằng giữa hiệu suất thủy động và thu năng lượng. Mô hình S-AUV2 được chọn để phát triển tiếp.

Hệ thống lặn nổi là yếu tố thiết yếu cho hoạt động của AUV. Lý thuyết về sức nổi và điều chỉnh độ sâu được giải thích. Các phương pháp khác nhau để thay đổi thể tích hoặc khối lượng của AUV được xem xét. Hệ thống bơm nước bằng piston là một giải pháp phổ biến. Các hệ thống bơm áp suất thấp và cao có những ứng dụng riêng. Việc sử dụng khí nén hoặc khí ga cũng là lựa chọn. Hệ thống RCABS cung cấp khả năng điều khiển chính xác. Thiết kế hệ thống lặn nổi cho S-AUV2 tập trung vào xilanh – piston. Sơ đồ mạch điện tử của hệ thống được minh họa.

Mô hình S-AUV2 được tích hợp cánh năng lượng linh hoạt. Cánh này chứa các tấm pin mặt trời để thu năng lượng. Sơ đồ mạch điện của hệ thống năng lượng mặt trời được xây dựng. Các thành phần bao gồm pin mặt trời, bộ điều khiển sạc và pin lưu trữ. Quy trình tích hợp đảm bảo khả năng thu năng lượng tối đa. Thử nghiệm thực địa được tiến hành. Mục tiêu là đánh giá hiệu suất của hệ thống. Dữ liệu về cường độ ánh sáng và sản lượng điện được ghi lại. Điều này xác nhận hiệu quả của thiết kế tích hợp.

Kết quả thực nghiệm về khả năng thu năng lượng của S-AUV2 được trình bày. Dữ liệu cho thấy hiệu suất chuyển đổi của tấm pin mặt trời. Khả năng sạc pin dự phòng của AUV được kiểm chứng. Các thử nghiệm được tiến hành trong điều kiện thực tế. Điều này cung cấp bằng chứng về tính khả thi của năng lượng bổ sung. Khả năng kéo dài thời gian hoạt động của AUV được chứng minh. Hệ thống năng lượng mặt trời hoạt động ổn định. Đây là một bước tiến quan trọng trong việc phát triển AUV tự chủ năng lượng.

Điều khiển trượt (SMC) là một phương pháp điều khiển phi tuyến mạnh mẽ. Nó được biết đến với khả năng chống nhiễu loạn. Nguyên lý cơ bản của SMC bao gồm việc đẩy trạng thái hệ thống về một mặt trượt. Sau đó duy trì trạng thái trên mặt trượt đó. Lý thuyết ổn định Lyapunov cung cấp công cụ toán học. Nó chứng minh tính ổn định của hệ thống điều khiển. SMC hiệu quả trong việc xử lý các mô hình có độ bất định. Nó cũng phù hợp với các hệ thống có nhiễu động bên ngoài. Điều này làm cho SMC trở thành lựa chọn phù hợp cho AUV.

Bộ điều khiển trượt tầng (HSMC) được xây dựng cho mô hình S-AUV2. HSMC là một biến thể nâng cao của SMC. Nó giải quyết được các vấn đề phức tạp hơn. Phương pháp này phân chia bài toán điều khiển thành nhiều lớp. Mỗi lớp xử lý một phần của động lực học hệ thống. Việc này giúp đơn giản hóa thiết kế và tăng tính ổn định. Động lực học mô hình S-AUV2 bốn bậc tự do được xác định chi tiết. Điều này cung cấp thông tin cần thiết cho thiết kế HSMC. Bộ điều khiển này tối ưu hóa hiệu suất di chuyển và ổn định của AUV.

Nhiều AUV là hệ thống thiếu cơ cấu chấp hành. Điều này có nghĩa là số lượng cơ cấu chấp hành ít hơn số bậc tự do. Việc điều khiển các hệ thống này đòi hỏi thuật toán phức tạp hơn. Bộ điều khiển HSMC được thiết kế đặc biệt cho S-AUV. Nó có khả năng xử lý động lực học AUV thiếu chấp hành. Bộ điều khiển giúp AUV duy trì vị trí và hướng đi. Đồng thời thực hiện các nhiệm vụ được giao một cách chính xác. Hiệu suất của bộ điều khiển HSMC được đánh giá cao. Điều này mở ra nhiều khả năng cho các ứng dụng AUV tự hành.