Luận án tiến sĩ nghiên cứu tối ưu thiết kế một thiết bị lặn tự hành (AUV) cỡ nhỏ có bổ sung năng lượng (tt)

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 khí Mã số: 9520103 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2022 Cơng trình hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Đinh Văn Phong TS Nguyễn Chí Hưng Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ……… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Thiết bị lặn tự hành (AUV) thiết bị hoạt động tự động môi trường nước Đây thiết bị chuyên dụng lĩnh vực như: nghiên cứu khoa học biển, hàng hải, khảo sát đại dương, thám hiểm, kinh tế biển, dầu khí, an ninh quốc phịng cơng tác cứu hộ cứu nạn Có thể nói AUV thiết bị hữu dụng công việc biển, đặc biệt vùng nước sâu, xa bờ, vùng nước nhiễm Vì vậy, AUV nhiều nhà khoa học nghiên cứu phát triển giới [1] Trong ngành dầu khí, thiết bị lặn sử dụng để làm công việc kiểm tra giàn khoan đường ống dẫn khí, dẫn dầu Trong ngành viễn thông, thiết bị lặn sử dụng để khảo sát đáy biển trước đặt cáp lòng biển, kiểm tra trạng cáp truyền Trong quân sự, thiết bị lặn sử dụng tìm kiếm tháo gỡ thủy lơi, mìn, thám phối hợp người việc tác chiến nước, kiểm tra cấu trúc nước, phần lớn sử dụng ngành khai thác mỏ dầu khí [3] Thiết bị lặn cịn thiết bị quan trọng công tác cứu hộ tàu thuyền gặp nạn biển Trong lĩnh vực giao thông vận tải thiết bị lặn dùng công tác khảo sát trước, sau thi cơng cơng trình giao thông sông hồ, biển Trong thám hiểm nghiên cứu biển, thiết bị lặn tự hành sử dụng để khảo sát địa hình đáy biển, rị rỉ đường ống dẫn khí biển, theo dõi việc sinh sản lồi cá,… Trong ngành mơi trường AUV sử dụng để giám sát môi trường biển, đo đạc thông số môi trường, [2], [3] Như thấy AUV sử dụng nhiều lĩnh vực khác Do thiết bị lặn tự hành nên nguồn lượng cung cấp cho thiết bị ln tốn cần giải Nguồn lượng định phạm vi hoạt động AUV, thời gian hoạt động lâu khả cơng tác AUV lớn, thực nhiều nhiệm vụ đặt Ngày có nhiều cơng nghệ pin với lượng dự trữ cao, đỡ tốn kém, dễ sử dụng sạc lại nhiều lần Tuy nhiên việc lựa chọn nguồn lượng phù hợp, đạt hiệu cao ln tốn quan tâm hầu hết nhà nghiên cứu AUV Đặc biệt loại AUV cỡ nhỏ, phục vụ cho công tác nghiên cứu, giám sát, khảo sát, đo đạc vùng ven bờ Do tìm nguồn lượng bổ sung cho AUV trình hoạt động mà không cần phải thu hồi lại để sạc cần thiết Bên cạnh tốn lượng việc điều khiển thiết bị lặn AUV đảm bảo tọa độ vị trí, độ sâu lặn ln tốn gặp khơng khó khăn Do mơi trường làm việc phương tiện hàng hải nói chung AUV nói riêng ln biến đổi, phức tạp khơng có cấu trúc rõ ràng, điều dẫn đến xuất nhiễu không dự báo hệ thống điều khiển, ví dụ dịng chảy đại dương, sóng, xáo trộn xung quanh thân AUV hệ thống đẩy, choán nước thân gây Do đưa giải pháp điều khiển, phù hợp với mơ hình AUV quan trọng giúp thiết bị hoạt động ổn định đáp ứng yêu cầu đặt Hơn Việt Nam có lượng xạ mặt trời lớn với số nắng từ 1400 – 2600 giờ/năm Những số liệu quan trắc trạm cho thấy, lượng xạ trung bình nước ngày từ 3,3 – 5,7 kWh/m2 Tiềm sử dụng lượng hầu khắp vùng nước cao Do việc nghiên cứu thiết bị lặn tự hành có bổ sung lượng cần thiết phù hợp với điều kiện Việt Nam Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu áp dụng cơng cụ phần mềm việc phân tích thủy động cho mơ hình thiết bị lặn tự hành với điều kiện biên xác định để lựa chọn hình dáng thiết bị lặn có bổ sung lượng mặt trời - Thiết kế chế tạo thiết bị lặn tự hành cỡ nhở có bổ sung lượng mặt trời nhằm tăng thời gian hoạt động thiết bị lặn mà thu hồi để nạp lượng Thử nghiệm thực tế đánh giá khả thu lượng mặt trời thiết bị lặn chế tạo - Xây dựng thuật toán điều khiển cho mơ hình thiết bị lặn bậc tự do, sau bỏ bậc tự không cần thiết kiểm chứng thuật toán phần mềm Đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án Đối tượng nghiên cứu luận án thiết bị lặn tự hành cỡ nhỏ có bổ sung lượng hoạt động vùng nước nông thường phục vụ cho nhiệm vụ đo đạc, giám sát, khảo sát dài ngày vùng biển ven bờ, vùng nước ô nhiễm hỗ trợ tìm kiếm cứu hộ cứu nạn Phạm vi nghiên cứu luận án nằm chức khối: Khối vỏ kết cấu khung; Khối lặn nổi; Khối nguồn; Khối điều khiển Nghĩa luận án nghiên cứu hình dáng, nguồn lượng, hệ thống lặn thuật toán điều khiển cho AUV cỡ nhỏ phù hợp với điều kiện Việt Nam Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Luận án nghiên cứu phát triển AUV cỡ nhỏ có bổ sung lượng sở phân tích phương pháp bổ sung lượng có phù hợp với điều kiện Việt Nam Từ nâng cao phạm vi, thời gian hoạt động thiết bị lặn Bộ điều khiển đề xuất kiểm chứng thông qua mô kỹ thuật số cho mơ hình SAUV2 thiết kế Thực nghiệm chế tạo xây dựng mô hình S-AUV2 ngồi thực tế để đánh giá hiệu việc tích hợp hệ thống bổ sung lượng, so sánh với số nghiên cứu thiết bị tương tự có bổ sung lượng mặt trời cơng bố giới Đánh giá hiệu phương pháp điều khiển thông qua mô phần mềm Phương pháp nghiên cứu Để đạt mục tiêu đề ra, phương pháp nghiên cứu luận án là: Nghiên cứu lý thuyết cơng trình khoa học liên quan công bố thời gian gần lĩnh vực thiết bị lặn tự hành nói chung thiết bị lặn có bổ sung lượng nói riêng, phương pháp bổ sung lượng, phương pháp điều khiển thiết bị lặn AUV Phân tích ưu nhược điểm nghiên cứu để từ đề xuất phát triển hướng nghiên cứu thiết bị lặn tích hợp lượng mặt trời có cánh linh hoạt Xây dựng thuật tốn điều khiển trượt tầng cho mơ hình thiết bị lặn S-AUV2 xây dựng Nghiên cứu thực nghiệm chế tạo mơ hình thiết bị lặn tự hành cỡ nhỏ có bổ sung lượng mặt trời với cánh lượng linh hoạt Nghiên cứu khả thu lượng mặt trời S-AUV2 chế tạo số tỉnh Việt Nam Kiểm chứng giải pháp, đề xuất luận án với nghiên cứu công bố hướng nghiên, chế tạo thực nghiệm thiết bị lặn để có kết luận khách quan đóng góp luận án Bố cục luận án Bố cục luận án gồm có phần mở đầu, nội dung, kết luận Trong phần nội dung luận án trình bày chương sau: Chương Tổng quan thiết bị lặn nguồn lượng cho thiết bị lặn tự hành Chương Mơ hình hóa thiết bị lặn tự hành có bổ sung lượng mặt trời Chương Hệ thống lặn thực nghiệm khả thu lượng mặt trời Chương Nghiên cứu xây dựng điều khiển cho mơ hình thiết bị lặn tự hành S-AUV2 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ LẶN VÀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG CHO THIẾT BỊ LẶN TỰ HÀNH 1.1 Tổng quan thiết bị lặn tự hành AUV 1.1.1 Trên giới 1.1.2 Tại Việt Nam Đối với nước ta có đường bờ biển dài 3.200 km khơng tính đảo hàng ngàn đảo, có thềm lục địa rộng lớn Từ lâu biển đem lại nhiều nguồn lợi quý giá cho đất nước Đảng nhà nước khẳng định “Trở thành nước mạnh biển mụctiêu chiến lược xuất phát từ yêu cầu điều kiện khách quan nghiệp xây dựng bảo vệ Tổ quốc Việt Nam” Với mục tiêu năm 1980 nước ta đẩy mạnh phát triển ngành ngành công nghiệp liên quan đến biển đặc biệt dầu khí xem ngành cơng nghiệp hàng đầu Biển Đơng dự đoán vùng biển giàu tài nguyên dầu mỏ, khí đốt loại khống sản khác, việc thăm dò khai thác hạn chế Việc giám sát môi trường biển, giám sát an ninh quốc phòng biển vấn đề cấp thiết Với việc ứng dụng thiết bị lặn hoạt động để khảo sát bảo trì hệ thống ngầm, giám sát, thăm dò nhu cầu cần thiết Với phát triển cơng nghiệp dầu khí cơng nghiệp quân đặt nhu cầu cho trường đại học nước công ty dịch vụ hàng hải để phát triển nghiên cứu thiết bị lặn chủ yếu tập trung dừng lại dạng ROV với nhiều hạn chế Tại Việt Nam năm gần có số nghiên cứu thiết bị lặn nói chung, thiết bị lặn tự hành nói riêng trường đại học, học viện nghiên cứu chế tạo mơ hình thiết bị lặn tự hành [5] Mới thử nghiệm phạm vi nhỏ chủ yếu thử nghiệm bề mặt mà chưa có thử nghiệm độ sâu, phạm vi khác [7], [8], [9] Các nghiên cứu chưa hoàn thiện chưa ứng dụng vào thực tế nhiều lý do, lý nghiên cứu chưa hồn thiện hết mặt cơng nghệ, cịn khó khăn vấn đề đầu tư tài Bên cạnh để đáp ứng phần nhu cầu nước, số công ty dịch vụ hàng hải mua thiết bị lặn nước để thương mại cung cấp dịch vụ thăm dị bảo trì cơng trình ngầm đại dương giá thành phương tiện dịch vụ cao Tuy nhiên Việt Nam chưa có nghiên cứu khả tự bổ sung lượng cho thiết bị lặn 1.2 Phân loại thiết bị lặn 1.2.1 Loại thiết bị lặn có người lái khơng người lái Hình 1.4 Các loại thiết bị lặn không người lái 1.2.2 Phân loại theo khả lặn sâu 1.2.3 Phân loại theo khối lượng thiết bị lặn chia thành loại 1.3 Tổng quan nguồn lượng cho thiết bị lặn tự hành AUV Không giống thiết bị lặn có dây ROV, hoạt động thiết bị lặn tự hành AUV bị giới hạn nguồn lượng mà chúng mang theo Nguồn lượng đặc điểm thiết kế quan trọng thiết bị lặn tự hành AUV, định phạm vi hoạt động nhiệm vụ thực AUV trình hoạt động Theo nghiên cứu [11, 12] cho thấy phạm vi cho phương trình đây:  R E K   u  (1.1) d Trong đó: R: Phạm vi hoạt động AUV (m) E: Năng lượng có sẵn (J) Kd: Hệ số kéo u: Tốc độ AUV (m/s) Theo [11] mơ hình sau thêm phụ tải ta nhận kết sau   R  K  E d  P h u    u   (1.2) Trong đó: Ph phụ tải mà AUV mang theo Như loại AUV khác nhau, tùy thời điểm đời sử dụng loại nguồn lượng khác phù hợp với yêu cầu, phù hợp với điều kiện nhiệm vụ mà người thiết kế đặt 1.3.1 Động chu kỳ khép kín 1.3.2 Pin 1.3.2.1 Pin kiềm 1.3.2.2 Pin axit chì 1.3.2.3 Pin NiCd 1.3.2.4 Pin Lithium Ion 1.3.2.5 Pin Lithium Polymer 1.3.3 Pin nhiên liệu 1.3.4 Năng lượng hạt nhân 1.4 Tổng quan lượng bổ sung cho thiết bị lặn tự hành 1.4.1 Năng lượng sóng 1.4.2 Năng lượng gió 1.4.3 Năng lượng dịng chảy 1.4.4 Năng lượng mặt trời 1.5 Tích hợp nguồn lượng bổ sung cho thiết bị lặn tự hành phù hợp với điều kiện Việt Nam Bảng 1.4 Thông số cường độ xạ mặt trời Việt nam [23] TT Khu vực Mật độ NLMT (kWh/m2/ngày) Số nắng trung bình (giờ/năm) 1.500 – 1.800 1.890 – 2.102 1.700 – 2.000 2.000 – 2.600 Khu vực Đông Bắc 3,3 – 4,1 Khu vực Tây Bắc 4,1 – 4,9 Khu vực Bắc Trung Bộ 4,6 – 5,2 Khu vực Nam Trung Bộ 4,9 – 5,7 Tây Nguyên Khu vực Nam Bộ 4,3 – 4,9 2.200 – 2.500 Trung bình nước 4,6 2.000 Luận án đưa giải pháp cánh lượng linh hoạt, tùy vào trạng thái hoạt động AUV mà đóng mở cánh lượng, cánh lượng mở AUV đứng yên để thu lượng mặt trời, đóng cánh di chuyển giảm lực cản chuyển động 1.6 Tổng quan phương pháp điều khiển thiết bị lặn tự hành Trong hệ thống điều khiển AUV, điều khiển chuyển động đóng vai trị vơ quan trọng não tồn hệ thống điều khiển, có vai trị tiếp nhận xử lý thông tin thông qua luật điều khiển, sau cung cấp tín hiệu điều khiển thông qua phân bố điều khiển tới cấu chấp hành AUV Kết luận chương 1: Trong chương 1, luận án nghiên cứu: - Tổng quan thiết bị lặn tự hành nói chung, tình hình nghiên cứu nước Tổng quan lượng cho thiết bị lặn tự hành, tổng quan nguồn lượng bổ sung cho AUV, phân tích hệ thống bổ sung lượng mặt trời - Nghiên cứu đánh giá tổng quan phương pháp điều khiển công bố ngồi nước, phân tích ưu nhược điểm điều khiển áp dụng điều khiển AUV, từ xác định hướng nghiên cứu cụ thể luận án - Tổng quan điều khiển điều khiển trượt tầng HSMC cho hệ thiếu cấu chấp hành Đề xuất áp dụng điều khiển HSMC cho hệ thiết bị lặn tự hành thiếu cấu chấp hành CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA THIẾT BỊ LẶN TỰ HÀNH CÓ BỔ SUNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 2.1 Động học thiết bị lặn tự hành 2.1.1 Hệ tọa độ Hình 2.2 Hệ tọa độ S-AUV Bảng 2.1 Các ký hiệu mô tả bậc tự S-AUV Bậc Lực Vận Vị trí tự tốc dài góc Chuyển động mơvà vận Euler men tốc góc Chuyển động tiến theo trục 𝑥 𝑋 𝑢 𝑥 Chuyển động tiến theo trục 𝑦 𝑌 𝑣 𝑦 Chuyển động tiến theo trục 𝑧 𝑍 𝑤 𝑧 Chuyển động quay quanh trục 𝑥 𝐾 𝑝  Chuyển động quay quanh trục 𝑦 𝑀 𝑞  Chuyển động quay quanh trục 𝑧 𝑁 𝑟 𝜓 2.1.2 Phương trình chuyển động thiết bị lặn tự hành S-AUV (Dynamics) Thiết bị lặn tự hành S-AUV coi vật rắn Do phương trình chuyển động S-AUV biểu diễn tập véc-tơ [77]: M RB v  CRB (v )v   RB (2.4) Trong đó: v  [u , v, w, p, q, r ] véc-tơ vận tốc dài vận tốc góc hệ tọa độ động O  xyz T Hình 2.39 Biểu đồ quan hệ Fz-v mơ hình S-AUV1 2.4 Mơ hình thiết bị lặn có cánh thu lượng mặt trời linh hoạt S-AUV2 2.4.1 Thiết kế mơ hình S-AUV2 Hình 2.45 Trường vận tốc xung quanh S-AUV vận tốc 1,5 m/s Hình 2.49 Biểu đồ quan hệ lực cản vận tốc theo phương X 12 Hình 2.50 Biểu đồ quan hệ lực cản vận tốc theo phương Y Hình 2.51 Biểu đồ quan hệ lực cản vận tốc theo phương Z Bảng 2.12 Thông số hai mô hình S-AUV1 S-AUV2 Thơng số Chiều dài S-AUV1 1690 mm S-AUV2 1450 mm Đường kính 230 mm 320 mm Diện tích pin lượng đóng m2 0,27 m2 Kích thước pin lượng mở 0,45 m2 0,72 m2 Trong trường hợp mở cánh lượng với mơ hình S-AUV1 diện tích pin lượng 0,45 m2, mơ hình S-AUV2 0,72 m2 Như hai trường hợp đóng mở cánh diện tích pin lượng 13 mơ hình S-AUV2 lớn hơn, hiệu suất thu lượng tăng lên Kết luận chương - Chương luận án xây dựng mơ hình thiết bị lặn tự hành khơng có cánh thu lượng có cánh thu lượng mặt trời Từ phân tích lựa chọn hình dáng kết cấu thiết bị phù hợp - Sử dụng công cụ CFD phần mềm ANSYS để phân tích thử nghiệm mơ hình Đánh giá, phân tích định lượng thơng số lực cản, lực nâng, dao động mơ hình thiết kế - Từ phân tích tác giả đề xuất thiết kế mơ hình thiết bị lặn tự hành có cánh thu lượng mặt trời linh hoạt S-AUV1, SAUV2 Mơ hình S-AUV1 thiết kế dạng cánh gấp có nhược điểm định độ cân kém, diện tích cánh thu lượng thấp Đối với mơ hình S-AUV2 thiết kế cánh lượng có khả đóng mở theo phương ngang cho thấy hiệu có diện tích pin lượng lớn hơn, độ ổn định cân tốt Với thiết kế cánh thu lượng mặt trời đóng mở giúp giảm lực cản di chuyển, giảm tổn hao lượng cho thiết bị, tăng phạm vi di chuyển Từ phân tích hiệu thu lượng phân tích thủy động học tác giả lựa chọn mơ hình S-AUV2 mơ hình chế tạo thử nghiệm khả thu lượng mặt trời thực chương - Xây dựng mơ hình động học thiết bị lặn có bậc tự phục vụ cho việc xây dựng mơ hình S-AUV2 với bậc tự xác định thơng số mơ hình để từ xây dựng điều khiển phù hợp với hệ thống CHƯƠNG HỆ THỐNG LẶN NỔI VÀ THỰC NGHIỆM KHẢ NĂNG THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 3.1 Hệ thống đảm bảo sức chế tạo thực nghiệm S-AUV Độ lớn sức S-AUV2 tính sau: W  FA  PS  AUV Trong : FA : độ lớn lực đẩy Acsimet PS  AUV : trọng lượng S-AUV2 3.2 Hệ thống lặn cho thiết bị lặn 3.2.1 Lý thuyết hệ thống lặn cho thiết bị lặn 3.2.2 Hệ thống bơm nước piston 14 (3.1) 3.2.3 Hệ thống bơm áp suất thấp 3.2.4 Hệ thống bơm nước áp suất cao 3.2.5 Hệ thống bơm nước khí nén 3.2.6 Hệ thống bơm nước vào khí ga 3.2.7 Hệ thống điều chỉnh tuần hồn khơng khí RCABS 3.3 Thiết kế hệ thống lặn cho mơ hình S-AUV2 3.3.1 Thiết kế hệ thống xilanh – piston 3.3.2 Sơ đồ mạch hệ thống bơm nước 3.3.3 Thử nghiệm hệ thống lặn cho S-AUV2 3.4 Tích hợp hệ thống bổ sung lượng mặt trời 3.4.1 Cơ sở lý thuyết 3.4.2 Mơ hình S-AUV có cánh lượng linh hoạt 3.4.3 Sơ đồ mạch hệ thống lượng mặt trời S-AUV2 Hình 3.25 Lắp phần đầu phần đuôi cánh lượng linh hoạt Hình 3.26 Lắp cánh lượng linh hoạt 3.4.4 Kết thực nghiệm khả thu thu lượng S-AUV2 Hình 3.27 S-AUV trường hợp cánh lượng đóng Hình 3.28 S-AUV trường hợp cánh lượng mở 15 Hình 3.34 Biểu đồ khả thu lượng mặt trời cánh lượng đóng Hải Phịng, Quảng Ninh, Hà Nội (8/2020) Hình 3.35 Biểu đồ khả thu lượng mặt trời cánh lượng mở Hải Phòng, Quảng Ninh, Hà Nội (8/2020) Do thu lượng mặt trời S-AUV2 gần mặt nước tốt Đặc biệt tích hợp cánh lượng mặt trời linh hoạt theo thiết kế tăng khả thu lượng mặt trời S-AUV2 lên khoảng 2,7 lần so với khơng có cánh lượng mặt trời linh hoạt điều kiện thử nghiệm vị trí thời gian 3.4.5 Thử nghiệm khả sạc lượng cho Pin Như với thời gian có nắng Việt Nam hệ thống pin SAUV2 tăng dung lượng pin lên gấp đơi đảm bảo sạc đầy pin sau pin dùng trạng thái nghỉ 16 250 200 170 200 180 150 100 90 60 50 0… [82] [84] Khối lượng (kg) [87] 18.5 S-AUV2 Hình 3.36 Biểu đồ so sánh công suất pin lượng khối lượng Như Bảng 3.3 Hình 3.36 cho thấy với mơ hình S-AUV2 chế tạo với khối lượng 18,5 kg, diện tích bề mặt pin lượng mặt trời khoảng 0,72 m2, với công suất pin mặt trời 180W Hiệu suất công suất pin mặt trời khối lượng mơ hình SAUV2 tốt nghiên cứu [82], [84], [87] Điều cho thấy hiệu việc thu lượng mặt trời mơ hình S-AUV2 tốt nghiên cứu trước đó, với giả thiết cánh lượng mở thu lượng mặt trời đóng lại di chuyển tăng hiệu việc thu lượng, sử dụng lượng giảm tiêu hao lượng cho thiết bị lặn từ giúp thiết bị lặn tự hành S-AUV2 tác giả nghiên cứu chế tạo hoạt động phạm vi lớn thời gian dài ngày Kết luận chương - Chương tác giả phân tích phương pháp lặn cho thiết bị lặn nước, sở tác giả tính tốn, lựa chọn hệ thống lặn cho thiết bị lặn tự hành S-AUV2 - Chế tạo mơ hình thiết bị lặn S-AUV2 có cánh lượng mặt trời linh hoạt đóng mở theo phương ngang giúp thiết bị lặn có khả thu lượng mặt trời giảm lực cản di chuyển - Thực nghiệm khả thu nhận lượng mặt trời số địa điểm khu vực phía Bắc, Việt Nam Việc có cánh lượng mặt trời linh hoạt giúp tăng 2,7 lần khả thu lượng mặt trời so với thiết bị lặn loại khơng có cánh lượng mặt trời linh hoạt 17 - So sánh hiệu thu nhận lượng mơ hình S-AUV2 chế tạo với thiết bị tương tự có hệ thống bổ sung lượng mặt trời giới Mơ hình S-AUV2 chế tạo cho thấy hiệu thu lượng mặt trời tốt hiệu suất thu lượng mặt trời kích thước khối lượng tốt nghiên cứu trước CHƯƠNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO MƠ HÌNH S-AUV2 4.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển trượt 4.1.1 Điều khiển trượt 4.1.2 Bộ điều khiển trượt 4.1.3 Lý thuyết ổn định Lyapunov áp dụng cho điều khiển phi tuyến 4.2 Xây dựng điều khiển trượt tầng HSMC cho mơ hình SAUV2 4.2.1 Phương pháp điều khiển trượt tầng HSMC 4.2.2 Xây dựng động lực học mơ hình S-AUV2 bốn bậc tự  m  v  wp  ur  y ( r m  w  uq  vp  z ( q   p )  z ( pr  p )  x ( qp  r )   Y  p )  x ( rp  q )  y ( rq  p )   Z m u  vr  wq  x g ( q  r )  y g ( pq  r )  z g ( pr  q )  X 2 g g g g g (4.44) g   I zz r  ( I yy  I xx ) qp  m x g ( v  wq  ur)  y g ( u  vr  wq )  N Theo phương trình (4.45), ta viết lại phương trình động học SAUV2 có bậc tự sau:   J ( )v  (4.50)  Mv  C (v)v  D(v)v   Trong hệ thống thiết bị lặn tự hành S-AUV2 hệ thiếu cấu chấp hành bao gồm tín hiệu đầu vào tín đầu Chính vậy, tách mơ hình tốn thành hai phần hệ thống thiếu chấp hành hệ thống đủ chấp hành Véc-tơ vị trí  chia làm hai phần   1   ; 1   x T y T cho trạng thái đủ chấp hành 18    z   cho trạng thái thiếu chấp hành Tương tự, véc-tơ vận tốc T chia làm hai phần với v   v1 v2  Thay (4.55) (4.56) vào hệ phương trình (4.51), ta có hệ phương trình động học S-AUV sau: T v 1  J11v1   1 1 v1  M ( C1v1  C2 v2 )  M      J 22 v2  1 1 v2   M 22  M 21 M (C1v1  C2 v2 )  (C21  D21 )v1  (C22  D22 )v2   M 122 M 21 M 1 (4.57) 0  0  J ( v )  21 0   0    Với: J12 (v)   Hình 4.7 Thử nghiệm mơ hình thiết bị lặn tự hành S-AUV2 4.2.3 Thiết kế điều khiển HSMC cho hệ thiếu cấu chấp hành S-AUV2 Bài toán điều khiển chuyển động qua véc-tơ vị trí, vận tốc gồm    x, y, z ,  , v   u , v, w, r  thiết bị lặn tự hành S-AUV2 dọc theo phương trục Ox, Oy , Oz góc điều hướng ( ) quay quanh T T trục Oz Để giải vấn đề trên, tác giả sử dụng điều khiển trượt tầng, phương pháp phù hợp để điều khiển những hệ 19 thiếu cấu chấp hành Do đó, cấu trúc thuật tốn dùng để đảm bảo tính ổn định hệ thống mà bám giá trị đặt cho trước Hình 4.8 Hình 4.8 Sơ đồ khối cấu trúc điều khiển HSMC cho S-AUV2 Từ hệ phương trình (4.57), ta viết lại dạng tổng quát hóa sau: 1  J11v1   v  f ( X )  g ( X )  1 (4.58)    J v 22   v  f ( X )  g ( X )  2 Chọn tín hiệu điều khiển cho hệ thứ sau:  eq1  ( g11 (X))(k1 J11v1  f1 (X)) (4.65)  1  sw1  ( g1 (X))(as1  bsign( s1 )) Tín hiệu điều khiển hệ thống bao gồm hai hệ sau:   1   (4.67) Chọn mặt trượt cho hệ thống thứ thứ hai sau: S   s1   s2 (4.68) Tín hiệu điều khiển xác định theo công thức sau:    eq1   sw1   eq   sw       g1 ( X )  k1 J 11 v1  f1 ( X )   g ( X )  k J 22 v2  f ( X )  1    g1 ( X )   g ( X )  1   g ( X ) eq 20 1   g ( X ) eq  k S   sgn( S )  (4.73) Hình 4.9 Sơ đồ khối function MATLAB Simulink 4.3 Kết mô điều khiển HSMC cho S-AUV2 T T 4.3.1 Trường hợp 1: 1d  14 7 ;2d   12 0 Ví trí đặt theo phương x 14 (m), vị trí đặt theo phương y (m), vị trí đặt theo phương z -12 (m), giá trị đặt góc điều hướng (rad) Hình 4.12 Vị trí theo phương Ox Hình 4.13 Vị trí theo phương Oy Hình 4.14: Vị trí theo phương Oz Hình 4.15 Góc điều hướng S-AUV 21 Hình 4.16 Vận tốc dài theo phương Ox Hình 4.17 Vận tốc dài theo phương Oy Hình 4.18 Vận tốc dài theo phương Oz Hình 4.19 Vận tốc góc điều hướng S-AUV2 4.3.2 Trường hợp 2: 1d  7 5 ;2d   6 0,25 Ví trí đặt theo phương x (m), vị trí đặt theo phương y (m), vị trí đặt theo phương z -6 (m), giá trị đặt góc điều hướng -0,25 (rad) T T 4.3.3 Trường hợp 3: 1d  7 4 ;2d   8 0,15 Ví trí đặt theo phương x (m), vị trí đặt theo phương y (m), vị trí đặt theo phương z -8 (m), giá trị đặt góc điều hướng 0,15 (rad) T T 4.3.4 Trường hợp 4: 1d  11 6 ;2d   10 0,3 Ví trí đặt theo phương x 11 (m), vị trí đặt theo phương y (m), vị trí đặt theo phương z -10 (m), giá trị đặt góc điều hướng 0,3 (rad) Kết mô phần mềm MATLAB minh chứng với giải thuật này, đáp ứng hệ thiết bị lặn tự hành S-AUV2 bám theo tín hiệu mong muốn với độ vọt lố không đáng kể, sai số xác lập gần không thời gian xác lập bám vị trí theo phương Ox, Oy 22 T T 84s, 86s Thời gian xác lập vị trí theo phương Oz khoảng 20s góc điều hướng khoảng 40s - 60s Độ độ điều chỉnh hệ thống thiết bị lặn S-AUV2 nhỏ 5% so với giá trị đặt mong muốn bỏ qua giá trị véc tơ vị trí, vận tốc theo phương góc điều hướng, vận tốc góc điều hướng mơ hình S-AUV2 Kết luận chương 4: Chương trình bày nội dung sau - Tổng quan điều khiển trượt - Trình bày phương pháp điều khiển trượt tầng HSMC cho hệ thiếu cấu chấp hành, số đầu vào số đầu Từ phân tích biến đổi mơ hình động học thiết bị lặn tự hành bậc tự rút gọn xuống bậc tự do, bỏ bậc tự không cần thiết nhằm đơn giản hóa điều khiển, đồng thời giảm tiêu hao lượng cho thiết bị lặn tự hành - Xây dựng điều khiển trượt tầng HSMC cho hệ thiếu cấu chấp hành S-AUV2 gồm tín hiệu đầu vào, tín hiệu đầu - Mơ kiểm chứng điều khiển HSMC cho thiết bị lặn tự hành S-AUV2 phần mềm Matlab/Simulink Kết cho thấy tín hiệu bám theo tín hiệu đặt với độ vọt lố không đáng kể, sai số xác lập gần không Độ độ điều chỉnh hệ thống thiết bị lặn S-AUV2 nhỏ 5% so với giá trị đặt KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN Kết luận: Với đề tài “Nghiên cứu tối ưu thiết kế thiết bị lặn tự hành (AUV) cỡ nhỏ có bổ sung lượng”, luận án xây dựng mơ hình thiết bị lặn S-AUV2 có khả thu lượng mặt trời cánh lượng linh hoạt Đề xuất điều khiển HSMC áp dụng cho thiết bị lặn S-AUV2 với thông số xác định qua phân tích, lựa chọn phù hợp Luận án có đóng góp sau đây: Xây dựng mơ hình thủy động học thiết bị lặn tự hành S-AUV2, phân tích cơng cụ CFD, tối ưu lựa chọn hình dáng thiết bị lặn Xây dựng phương trình bậc tự cho mơ hình S-AUV2 từ mơ hình bậc tự Bỏ bậc tự không cần thiết loại mơ hình thiết bị lặn tự hành cỡ nhỏ S-AUV2 23 Chế tạo mô hình thiết bị lặn S-AUV2 có cánh lượng đóng mở linh hoạt giúp thiết bị lặn có khả thu lượng mặt trời giảm lực cản di chuyển Thực nghiệm đánh giá hiệu thu lượng mặt trời thực tế số tỉnh khu vực phía Bắc, Việt Nam sau tích hợp cánh lượng mặt trời linh hoạt thiết bị lặn tự hành S-AUV2 Tích hợp cánh lượng linh hoạt giúp tăng 2,7 lần khả thu lượng mặt trời so với loại thiết bị lặn loại khơng có cánh lượng mặt trời linh hoạt So sánh với số nghiên cứu thiết bị tương tự Hiệu thu lượng mặt trời mơ hình S-AUV2 cho thấy tốt nghiên thiết bị thu lượng mặt trời tương tự dựa yếu tố khối lượng, kích thước tổng lượng thu Xây dựng điều khiển trượt tầng HSMC điều khiển thiết bị lặn tự hành bám vị trí theo phương x, y, góc lái ψ độ sâu lặn z Luận án áp dụng thành công điều khiển HSMC cho hệ thiếu cấu chấp hành S-AUV2 có bậc tự trường hợp mô Mô kiểm chứng điều khiển HSMC phần mềm Matlab/Simulink Kết mô cho thấy điều khiển thiết kế đáp ứng tốt với hệ SAUV2 thiếu cấu chấp hành có bậc tự do, giá trị mô bám sát với giá trị đặt mong muốn độ điều chỉnh nhỏ 5% so với giá trị đặt Hướng phát triển luận án: Luận án tập trung nghiên cứu động học thiết bị lặn có bổ sung lượng với cánh lượng linh hoạt đóng mở, kết hợp với giải thuật điều khiển trượt tầng HSMC để nâng cao chất lượng điều khiển lái hướng độ sâu lặn trường hợp mô phần mềm Hướng phát triển luận án, tác giả mong muốn triển khai thực nghiệm thuật tốn điều khiển S-AUV2 mơ hình chế tạo để kiểm chứng thuật toán sở thực tế Kết hợp điều khiển thích nghi mờ (Adaptive Fuzzy Controller) cho tham số mặt trượt có nhiễu tác động phương pháp thích nghi nơ-ron (Adaptive Neural Network Controller) để xấp xỉ thơng số khó xác định thực tế S-AUV2 nhằm mục đích nâng cao chất lượng điều khiển tối ưu 24 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Nguyễn Văn Tuấn, Đinh Văn Phong, Nguyễn Chí Hưng, 2017 “Nghiên cứu khả tích hợp hệ thống bổ sung lượng mặt trời cho thiết bị lặn tự hành điều kiện khí hậu Việt Nam”, Hội nghị Khoa học Toàn Quốc lần thứ Cơ kỹ thuật Tự động hóa, ISBN: 978-604-95-0221-7, pp 259 - 263 Nguyễn Văn Tuấn, Đinh Văn Phong, Nguyễn Chí Hưng Hồng Thế Phương, 2017 “Nghiên cứu ảnh hưởng cánh thu lượng đến lực cản chuyển động thiết bị lặn tự hành có bổ sung lượng mặt trời”, Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ X, Hà Nội, ISBN: 978-604-913-719-8, pp 309 – 318 Nguyễn Văn Tuấn, Đinh Văn Phong, Nguyễn Chí Hưng, 2019 “Nguồn lượng cho thiết bị lặn tự hành AUV”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 7, ISSN 0866-7056 Nguyen Van Tuan, Nguyen Chi Hung, Hoang The Phuong, Dinh Van Phong, 2019 “Influence Of Energy Wing To The Dynamic Resistance Of A Solar Autonomous Underwater Vehicle”, Proceeding of 13th South East Asian Technical University Consortium Symposium (SEATUC), Ha Noi, Vietnam, ISSN: 2186-7631 Tuan Nguyen Van, Phong Dinh Van, Hung Nguyen Chi, Phuong Hoang The, Sone Akira, 2019 “Studying the Resistance of theAutonomous Underwater Vehicle’s Hull Having Flexible Solar Wing using Computational Fluid Dynamics”, Proceedings of International Symposium on Precision Engineering and Sustainable Manufacturing 2019 (PRESM2019), Da nang, VietNam, ISSN 26357887 Tuan Nguyen Van, Phong Dinh Van, Hung Nguyen Chi, 2019 “Research, Design and Manufacture of Floating Diving System Low Cost for Small Autonomous Underwater Vehicle”, Proceedings of the 2019 International Conference on “Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications (PHENMA 2019) Nova Science Publishers, Series: Physics Research and Technology, Chapter 42, ISBN: 978-1-53618-255-2 Dinh Gia Ninh, Vu Tri Minh, Tuan Nguyen Van, Nguyen Chi Hung, Dinh Van Phong, 2020 “Novel Numerical Approach for Free Vibration of Nanocomposite Joined Conical-Cylindrical-Conical Shells”, AIAACÁC Journal, 59(10):1-13 (Q1-ISI) DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Nguyễn Văn Văn Tuấn, Tuấn, Đinh ChíChí Hưng, Mai2017 Thế 1.8.Nguyễn Đinh Văn VănPhong, Phong,Nguyễn Nguyễn Hưng, Thắng, 2021 “Nghiên cứu khả thu lượng thiết bị lặn tự “Nghiên cứu khả tích hợp hệ thống bổ sung lượng mặt trời cho hành AUV có tự cánh lượng trờikhí linh hoạt”, Tạp chí Cơ khí thiết bị lặn hành điềumặt kiện hậu Việt Nam”, HộiViệt nghị Nam, ISSN 2815-5505, no 1+2, pp 71-77 Khoa học Toàn Quốc lần thứ Cơ kỹ thuật Tự động hóa, ISBN: 978-604-95-0221-7, pp 259 - 263.Dinh Van, Hung Nguyen Chi, 2021 Tuan Nguyen Van, Phong and Đinh Development of Nguyễn an Autonomous Underwater 2.“Researching Nguyễn Văn Tuấn, Văn Phong, Chí Hưng Hồng Thế Vehicles with Capability of Collecting Solar Energy”, of Phương, 2017 “Nghiên cứu ảnh hưởng cánh thu năngJournal lượng đến Science and Technology Technical Universities, Smart Systems and lực cản chuyển động thiết bị lặn tự hành có bổ sung lượng mặt Devices, ISSN 9373, Vol pp Hà 75-83 trời”, Hội nghị Cơ2734 học –toàn quốc lần31.2, thứ X, Nội, ISBN: 978-604-913719-8, pp 309 – 318.Van, Phong Dinh Van, Hung Nguyen Chi, Hoang 10 Tuan Nguyen Tran Viet, 2021 “Research, Development Model“Nguồn Solar Nguyễn Văn Tuấn, Đinh VănDesign Phong,and Nguyễn Chí Hưng,a 2019 Autonomous Underwater Vehicles”, International Journal lượng cho thiết bị lặn tự hành AUV”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam,of Số Emerging Trends in Engineering Research, Volume No.9, pp12177, ISSN 0866-7056 1223, ISSN2347-3983 (Scopus) Nguyen Van Tuan, Nguyen Chi Hung, Hoang The Phuong, Dinh Van 11 Nguyễn Văn Tuấn, Đinh Văn Phong, Nguyễn Chí Hưng, 2020 Phong, 2019 “Influence Of Energy Wing To The Dynamic Resistance Of Quyết định chấp nhận đơn Sáng chế số 1-2020-03264 “Thiết bị lặn tự A Solar Autonomous Underwater Vehicle”, Proceeding of 13th South hành nước có cánh thu lượng mặt trời linh hoạt”, theo QĐ East Asian Technical University Consortium Symposium (SEATUC), Ha số 19483w/QĐ-SHTT, ngày 22/12/2020 Cục sở hữu trí tuệ Noi, Vietnam, ISSN: 2186-7631 Tuan Nguyen Van, Phong Dinh Van, Hung Nguyen Chi, Phuong Hoang The, Sone Akira, 2019 “Studying the Resistance of theAutonomous Underwater Vehicle’s Hull Having Flexible Solar Wing using Computational Fluid Dynamics”, Proceedings of International Symposium on Precision Engineering and Sustainable Manufacturing 2019 (PRESM2019), Da nang, VietNam, ISSN 2635-7887 Tuan Nguyen Van, Phong Dinh Van, Hung Nguyen Chi, 2019 “Research, Design and Manufacture of Floating Diving System Low Cost for Small Autonomous Underwater Vehicle”, Proceedings of the 2019 International Conference on “Physics and Mechanics of New ... CỦA LUẬN ÁN Kết luận: Với đề tài ? ?Nghiên cứu tối ưu thiết kế thiết bị lặn tự hành (AUV) cỡ nhỏ có bổ sung lượng? ??, luận án xây dựng mơ hình thiết bị lặn S-AUV2 có khả thu lượng mặt trời cánh lượng. .. cho mơ hình thiết bị lặn tự hành với điều kiện biên xác định để lựa chọn hình dáng thiết bị lặn có bổ sung lượng mặt trời - Thiết kế chế tạo thiết bị lặn tự hành cỡ nhở có bổ sung lượng mặt trời... quan lượng bổ sung cho thiết bị lặn tự hành 1.4.1 Năng lượng sóng 1.4.2 Năng lượng gió 1.4.3 Năng lượng dịng chảy 1.4.4 Năng lượng mặt trời 1.5 Tích hợp nguồn lượng bổ sung cho thiết bị lặn tự hành