Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí: Tối ưu thiết kế AUV cỡ nhỏ bổ sung năng lượng mặt trời - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Văn Tuấn NGHIÊN CỨU TỐI ƯU THIẾT KẾ MỘT THIẾT BỊ LẶN TỰ HÀNH (AUV) CỠ NHỎ CÓ BỔ SUNG NĂNG LƯỢNG Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Nguyễn Chí Hưng Hà Nội – 2022 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Lời cam đoan Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể hướng dẫn và các nhà khoa học. Tài liệu tham khảo trong luận án được trích dẫn đầy đủ. Các kết quả nghiên cứu của luận án là trung thực và chưa từng được tác giả khác công bố.

Hà Nội, Ngày tháng năm Tập thể hướng dẫn Nghiên cứu sinh CBHD1: GS. Đinh Văn Phong Nguyễn Văn Tuấn CBHD2: TS. Nguyễn Chí Hưng i TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, tôi đã nhận được nhiều góp ý về chuyên môn cũng như sự ủng hộ giúp đỡ của tập thể cán bộ hướng dẫn GS. Đinh Văn Phong, TS.

Nguyễn Chí Hưng và các nhà khoa học, các đồng nghiệp. Tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến tập thể hướng dẫn tôi bằng cả tâm huyết trong suốt thời gian qua. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học, Bộ môn Cơ điện tử, Bộ môn Cơ ứng dụng, Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và robot, Trường Cơ khí, Phòng Đào tạo, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện luận án. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến các đồng nghiệp tại Khoa Cơ khí – Cơ điện tử, đặc biệt là Lãnh đạo Khoa, Ban giám hiệu Trường Đại học Phenikaa nơi tôi đang công tác, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi được yên tâm học tập nghiên cứu.

Cuối cùng là lời cảm ơn tới gia đình, người thân, các nhà khoa học, bạn bè đã ủng hộ, động viên, khích lệ giúp tôi hoàn thành nhiệm vụ học tập. Hà Nội, Ngày tháng năm 2022 Nghiên cứu sinh Nguyễn Văn Tuấn ii TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT.vii DANH MỤC CÁC BẢNG. xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ. xii MỞ ĐẦU.

Tính cấp thiết của đề tài. Mục tiêu nghiên cứu. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án.

Phương pháp nghiên cứu. Bố cục của luận án. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ LẶN VÀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG CHO THIẾT BỊ LẶN TỰ HÀNH. Tổng quan về thiết bị lặn tự hành AUV.

Trên thế giới. Tại Việt Nam. Phân loại thiết bị lặn. Thiết bị lặn có người lái và không người lái.

Phân loại theo khả năng lặn sâu. Phân loại theo khối lượng của thiết bị lặn được chia thành các loại. Tổng quan về nguồn năng lượng cho thiết bị lặn tự hành AUV. Động cơ chu kỳ khép kín.

Pin axit chì. Pin Lithium Ion. Pin Lithium Polymer. Pin nhiên liệu.

Năng lượng hạt nhân. Tổng quan về năng lượng bổ sung cho thiết bị lặn tự hành. 19 iii TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Năng lượng sóng.

Năng lượng gió. Năng lượng dòng chảy. Năng lượng mặt trời. Tích hợp nguồn năng lượng bổ sung cho thiết bị lặn tự hành phù hợp với điều kiện tại Việt Nam.

Tổng quan về các phương pháp điều khiển thiết bị lặn tự hành.22 Kết luận chương 1:. MÔ HÌNH HÓA THIẾT BỊ LẶN TỰ HÀNH CÓ BỔ SUNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI. Động học của thiết bị lặn tự hành. Phương trình chuyển động của thiết bị lặn tự hành S-AUV (Dynamics).

Phân tích động lực học thiết bị lặn. Phân tích động học. Cơ sở lý thuyết về dòng chất lưu. Phân tích tối ưu lựa chọn hình dáng thiết bị lặn tự hành.

Phân tích động lực học mô hình thiết bị lặn tự hành không có cánh và có cánh năng lượng mặt trời. Thiết kế mô hình khảo sát. Chia lưới và phân tích. Mô hình thiết bị lặn có cánh thu năng lượng mặt trời linh hoạt S-AUV1.

Thiết kế mô hình S-AUV1. Phân tích thủy động học mô hình S-AUV1. Mô hình thiết bị lặn có cánh thu năng lượng mặt trời linh hoạt S-AUV2. Thiết kế mô hình S-AUV2.

Phân tích thủy động lực học ở trạng thái di chuyển của S-AUV2.53 Kết luận chương 2. HỆ THỐNG LẶN NỔI VÀ THỰC NGHIỆM KHẢ NĂNG THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI. Hệ thống đảm bảo sức nổi và chế tạo thực nghiệm S-AUV. Hệ thống lặn nổi cho thiết bị lặn.

Lý thuyết hệ thống lặn nổi cho thiết bị lặn. Hệ thống bơm nước bằng piston. 62 iv TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Hệ thống bơm áp suất thấp.

Hệ thống bơm nước áp suất cao. Hệ thống bơm nước bằng khí nén. Hệ thống bơm nước vào ra bằng khí ga. Hệ thống điều chỉnh tuần hoàn không khí RCABS.

Thiết kế hệ thống lặn nổi cho mô hình S-AUV2. Thiết kế hệ thống xilanh – piston. Sơ đồ mạch hệ thống bơm nước. Thử nghiệm hệ thống lặn nổi cho S-AUV2.

Tích hợp hệ thống bổ sung năng lượng mặt trời. Mô hình S-AUV2 có cánh năng lượng linh hoạt. Sơ đồ mạch hệ thống năng lượng mặt trời của S-AUV2. Kết quả thực nghiệm khả năng thu năng thu năng lượng của S-AUV2.

Thử nghiệm khả năng sạc năng lượng cho Pin. 80 Kết luận chương 3. NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO.83 MÔ HÌNH S-AUV2. Cơ sở lý thuyết bộ điều khiển trượt.

Điều khiển trượt. Bộ điều khiển trượt cơ bản. Lý thuyết ổn định của Lyapunov áp dụng cho điều khiển phi tuyến. Xây dựng bộ điều khiển trượt tầng HSMC cho mô hình S-AUV2.

Phương pháp điều khiển trượt tầng HSMC. Xây dựng động lực học mô hình S-AUV2 bốn bậc tự do. Thiết kế bộ điều khiển HSMC cho hệ thiếu cơ cấu chấp hành S-AUV2 99 4. Kết quả mô phỏng bộ điều khiển HSMC cho S-AUV2.

Trường hợp 1:  7T ;  0. Trường hợp 2: 5 ;   6    1d   7 T 4T 4. Trường hợp 3: 1d  ;   8 0,15. Trường hợp 4: 1d  11 6 .;1d    10 0,3  110 v TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Kết luận chương 4.

111 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN.113 DANH MỤC NHỮNG CÔNG TRÌNH ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO.116 vi TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Danh mục các ký hiệu Khối lượng của vật rắn (S-AUV) Ma trận quán tính hệ thống của khối lượng tăng thêm Ma trận quán tính hệ thống () Ma trận Coriolis và lực quán tính () Ma trận Coriolis và lực quán tính thủy động lực học khối lượng tăng thêm Ma trận Coriolis và lực quán tính Ma trận suy giảm thủy động lực học tuyến tính () Ma trận suy giảm thủy động lực học phi tuyến () Ma trận suy giảm thủy động lực học () Véc-tơ lực nổi và lực trọng trường 0 Ma trận quán tính hệ thống xung quanh điểm O 1( 2) Ma trận quay chuyển đổi vận tốc dài 2( 2) Ma trận quay chuyển đổi vận tốc góc ( ) Ma trận quay chuyển đổi vận tốc dài và vận tốc góc Vận tốc dài theo phương hệ tọa độ gắn thân Vận tốc dài theo phương hệ tọa độ gắn thân Vận tốc dài theo phương hệ tọa độ gắn thân Vận tốc góc quay lắc quanh trục hệ tọa độ gắn thân Vận tốc góc quay lật quanh trục y hệ tọa độ gắn thân vii TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Vận tốc góc quay hướng quanh trục hệ tọa độ gắn thân Véc-tơ mặt trượt Véc-tơ sai lệch = 1, 2 … Tọa độ của thiết bị lặn theo phương hệ tọa độ NED Tọa độ của thiết bị lặn theo phương hệ tọa độ NED Tọa độ của thiết bị lặn theo phương hệ tọa độ NED  Góc lắc, xung quanh trục hệ tọa độ NED  Góc lật, xung quanh trục hệ tọa độ NED Góc hướng, xung quanh trục hệ tọa độ NED Véc-tơ tọa độ của trọng tâm của vật rắn 1 Véc-tơ biểu diễn vị trí của S-AUV trong hệ tọa độ gắn trái đất 2 Véc-tơ biểu diễn góc hướng của S-AUV trong hệ tọa độ gắn trái đất Véc-tơ biểu diễn vị trí và góc hướng của S-AUV trong hệ tọa độ gắn trái đất 1 Véc-tơ vận tốc dài trong hệ tọa độ gắn thân Véc-tơ vận tốc góc trong hệ tọa độ gắn thân 2   Véc-tơ vận tốc dài và vận tốc góc trong hệ tọa độ gắn thân Véc-tơ lực và momen đẩy tác động lên S-AUV trong tọa độ gắn thân Véc-tơ lực và momem suy giảm Véc-tơ lực và momen thủy động lực Véc-tơ lực và momen tổng quát tác động lên tàu trong khung tọa độ gắn thân Véc-tơ lực và momen cảm ứng bức xạ tác động lên S-AUV viii TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Danh mục viết tắt Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt Stirling Cycle Engines Động cơ chu kỳ khép kín SCE Stirling CCDE Closed Cycle Diesel Engine Động cơ diesel chu kỳ khép kín DD Dynamic diving Lặn động lực SD Static diving Lặn tĩnh lực ReCirculating Air Ballast System RCABS Hệ thống điều chỉnh tuần hoàn không khí PWM Pulse-width modulation Điều chế độ rộng xung RF Radio Frequency Radiation Tần số vô tuyến CFD Computational Fluid Dynamics Tính toán động lực học chất lỏng Remotely Operated Vehicles Thiết bị lặn điều khiển từ xa ROV bằng dây cáp AUV Autonomous Underwater Vehicle Thiết bị lặn tự hành S-AUV Solar Autonomous Underwater Vehicle Thiết bị lặn tự hành năng lượng mặt trời UUV Untethered Unmanned Vehicle Thiết bị lặn điều khiển từ xa không dây DOF Degree Of Freedom Bậc tự do CCC Conical–Cylindrical–Conical Nón - Trụ - Nón CG Center of gravity Trọng tâm CB Center of buoyancy Tâm nổi DSC Dynamic surface control Điều khiển mặt động ECI The Earth-centered inertial frame Khung tọa độ quán tính gốc trùng tâm trái đất ECEF Earth-centered Earth-fixed reference Khung tọa độ tham chiếu có frame gốc trùng tâm trái đất NED North-East-Down Hệ tọa độ có trục hướng bắc GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu ix TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.