Đang tải... (xem toàn văn)
(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu tối ưu thiết kế một thiết bị lặn tự hành (AUV) cỡ nhỏ có bổ sung năng lượng(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu tối ưu thiết kế một thiết bị lặn tự hành (AUV) cỡ nhỏ có bổ sung năng lượng(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu tối ưu thiết kế một thiết bị lặn tự hành (AUV) cỡ nhỏ có bổ sung năng lượng(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu tối ưu thiết kế một thiết bị lặn tự hành (AUV) cỡ nhỏ có bổ sung năng lượng(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu tối ưu thiết kế một thiết bị lặn tự hành (AUV) cỡ nhỏ có bổ sung năng lượng(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu tối ưu thiết kế một thiết bị lặn tự hành (AUV) cỡ nhỏ có bổ sung năng lượng(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu tối ưu thiết kế một thiết bị lặn tự hành (AUV) cỡ nhỏ có bổ sung năng lượng(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu tối ưu thiết kế một thiết bị lặn tự hành (AUV) cỡ nhỏ có bổ sung năng lượng(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu tối ưu thiết kế một thiết bị lặn tự hành (AUV) cỡ nhỏ có bổ sung năng lượng(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu tối ưu thiết kế một thiết bị lặn tự hành (AUV) cỡ nhỏ có bổ sung năng lượng(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu tối ưu thiết kế một thiết bị lặn tự hành (AUV) cỡ nhỏ có bổ sung năng lượng(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu tối ưu thiết kế một thiết bị lặn tự hành (AUV) cỡ nhỏ có bổ sung năng lượng(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu tối ưu thiết kế một thiết bị lặn tự hành (AUV) cỡ nhỏ có bổ sung năng lượng
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: GS.TS Đinh Văn Phong TS Nguyễn Chí Hưng Hà Nội – 2022 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu cá nhân tơi hướng dẫn tập thể hướng dẫn nhà khoa học Tài liệu tham khảo luận án trích dẫn đầy đủ Các kết nghiên cứu luận án trung thực chưa tác giả khác công bố Hà Nội, Ngày tháng năm 2022 Tập thể hướng dẫn Nghiên cứu sinh CBHD1: GS.TS Đinh Văn Phong Nguyễn Văn Tuấn CBHD2: TS Nguyễn Chí Hưng i LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập nghiên cứu Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, tơi nhận nhiều góp ý chun mơn ủng hộ giúp đỡ tập thể cán hướng dẫn GS.TS Đinh Văn Phong, TS Nguyễn Chí Hưng nhà khoa học, đồng nghiệp Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tập thể hướng dẫn tâm huyết suốt thời gian qua Tôi xin chân thành cảm ơn nhà khoa học, Bộ môn Cơ điện tử, Bộ môn Cơ ứng dụng, Bộ môn Cơ sở thiết kế máy robot, Trường Cơ khí, Phịng Đào tạo, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập nghiên cứu thực luận án Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến đồng nghiệp Khoa Cơ khí – Cơ điện tử, đặc biệt Lãnh đạo Khoa, Ban giám hiệu Trường Đại học Phenikaa nơi công tác, tạo điều kiện thuận lợi để yên tâm học tập nghiên cứu Cuối lời cảm ơn tới gia đình, người thân, nhà khoa học, bạn bè ủng hộ, động viên, khích lệ giúp tơi hồn thành nhiệm vụ học tập Hà Nội, Ngày tháng năm 2022 Nghiên cứu sinh Nguyễn Văn Tuấn ii 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 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu 3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Phương pháp nghiên cứu Bố cục luận án 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 10 1.2 Phân loại thiết bị lặn 11 1.2.1 Thiết bị lặn có người lái không người lái 11 1.2.2 Phân loại theo khả lặn sâu 13 1.2.3 Phân loại theo khối lượng thiết bị lặn chia thành loại 14 1.3 Tổng quan nguồn lượng cho thiết bị lặn tự hành AUV 14 1.3.1 Động chu kỳ khép kín 15 1.3.2 Pin 16 1.3.2.1 Pin kiềm 17 1.3.2.2 Pin axit chì 17 1.3.2.3 Pin NiCd 17 1.3.2.4 Pin Lithium Ion 18 1.3.2.5 Pin Lithium Polymer 18 1.3.3 Pin nhiên liệu 18 1.3.4 Năng lượng hạt nhân 19 1.4 Tổng quan lượng bổ sung cho thiết bị lặn tự hành 19 iii 1.4.1 Năng lượng sóng 19 1.4.2 Năng lượng gió 19 1.4.3 Năng lượng dòng chảy 20 1.4.4 Năng lượng mặt trời 20 1.5 Tích hợp nguồn lượng bổ sung cho thiết bị lặn tự hành phù hợp với điều kiện Việt Nam 20 1.6 Tổng quan phương pháp điều khiển thiết bị lặn tự hành 22 Kết luận chương 1: 26 CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA THIẾT BỊ LẶN TỰ HÀNH CĨ BỔ SUNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 27 2.1 Động học thiết bị lặn tự hành 27 2.1.1 Hệ tọa độ 27 2.1.2 Phương trình chuyển động thiết bị lặn tự hành S-AUV (Dynamics) 31 2.2 Phân tích động lực học thiết bị lặn 34 2.2.1 Phân tích động học 34 2.2.2 Cơ sở lý thuyết dòng chất lưu 35 2.2.3 Phân tích tối ưu lựa chọn hình dáng thiết bị lặn tự hành 37 2.2.4 Phân tích động lực học mơ hình thiết bị lặn tự hành khơng có cánh có cánh lượng mặt trời 41 2.2.4.1 Thiết kế mơ hình khảo sát 41 2.2.4.2 Chia lưới phân tích 41 2.3 Mơ hình thiết bị lặn có cánh thu lượng mặt trời linh hoạt S-AUV1 47 2.3.1 Thiết kế mơ hình S-AUV1 47 2.3.2 Phân tích thủy động học mơ hình S-AUV1 49 2.4 Mơ hình thiết bị lặn có cánh thu lượng mặt trời linh hoạt S-AUV2 52 2.4.1 Thiết kế mơ hình S-AUV2 52 2.4.2 Phân tích thủy động lực học trạng thái di chuyển S-AUV2 53 Kết luận chương 57 CHƯƠNG HỆ THỐNG LẶN NỔI VÀ THỰC NGHIỆM KHẢ NĂNG THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 59 3.1 Hệ thống đảm bảo sức chế tạo thực nghiệm S-AUV 59 3.2 Hệ thống lặn cho thiết bị lặn 61 3.2.1 Lý thuyết hệ thống lặn cho thiết bị lặn 61 3.2.2 Hệ thống bơm nước piston 62 iv 3.2.3 Hệ thống bơm áp suất thấp 63 3.2.4 Hệ thống bơm nước áp suất cao 63 3.2.5 Hệ thống bơm nước khí nén 64 3.2.6 Hệ thống bơm nước vào khí ga 64 3.2.7 Hệ thống điều chỉnh tuần hồn khơng khí RCABS 64 3.3 Thiết kế hệ thống lặn cho mơ hình S-AUV2 65 3.3.1 Thiết kế hệ thống xilanh – piston 65 3.3.2 Sơ đồ mạch hệ thống bơm nước 66 3.3.3 Thử nghiệm hệ thống lặn cho S-AUV2 66 3.4 Tích hợp hệ thống bổ sung lượng mặt trời 68 3.4.1 Cơ sở lý thuyết 68 3.4.2 Mơ hình S-AUV2 có cánh lượng linh hoạt 71 3.4.3 Sơ đồ mạch hệ thống lượng mặt trời S-AUV2 72 3.4.4 Kết thực nghiệm khả thu thu lượng S-AUV2 75 3.4.5 Thử nghiệm khả sạc lượng cho Pin 80 Kết luận chương 82 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO 83 MƠ HÌNH S-AUV2 83 4.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển trượt 83 4.1.1 Điều khiển trượt 83 4.1.2 Bộ điều khiển trượt 84 4.1.3 Lý thuyết ổn định Lyapunov áp dụng cho điều khiển phi tuyến 88 4.2 Xây dựng điều khiển trượt tầng HSMC cho mơ hình S-AUV2 89 4.2.1 Phương pháp điều khiển trượt tầng HSMC 89 4.2.2 Xây dựng động lực học mơ hình S-AUV2 bốn bậc tự 95 4.2.3 Thiết kế điều khiển HSMC cho hệ thiếu cấu chấp hành S-AUV2 99 4.3 Kết mô điều khiển HSMC cho S-AUV2 104 T T 4.3.1 Trường hợp 1: 1d 14 7 ;1d 12 0 104 T T 4.3.2 Trường hợp 2: 1d 7 5 ;1d 6 0,25 107 T T 4.3.3 Trường hợp 3: 1d 7 4 ;1d 8 0,15 108 T T 4.3.4 Trường hợp 4: 1d 11 6 ;1d 10 0,3 110 v Kết luận chương 111 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN 113 DANH MỤC NHỮNG CƠNG TRÌNH ĐÃ ĐƯỢC CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO 116 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Danh mục ký hiệu 𝑚 Khối lượng vật rắn (S-AUV) 𝑴𝐴 Ma trận quán tính hệ thống khối lượng tăng thêm 𝑴𝑅𝐵 Ma trận quán tính hệ thống 𝑪() Ma trận Coriolis lực quán tính 𝑪𝐴 () Ma trận Coriolis lực quán tính thủy động lực học khối lượng tăng thêm 𝑪𝑅𝐵 Ma trận Coriolis lực quán tính 𝑫 Ma trận suy giảm thủy động lực học tuyến tính 𝑫𝑛 () Ma trận suy giảm thủy động lực học phi tuyến 𝑫() Ma trận suy giảm thủy động lực học 𝒈(𝜼) Véc-tơ lực lực trọng trường 𝑰0 Ma trận quán tính hệ thống xung quanh điểm O 𝑱1 (𝜼2 ) Ma trận quay chuyển đổi vận tốc dài 𝑱2 (𝜼2 ) Ma trận quay chuyển đổi vận tốc góc 𝑱(𝜼) Ma trận quay chuyển đổi vận tốc dài vận tốc góc 𝑢 Vận tốc dài theo phương 𝑥 hệ tọa độ gắn thân 𝑣 Vận tốc dài theo phương 𝑦 hệ tọa độ gắn thân 𝑤 Vận tốc dài theo phương 𝑧 hệ tọa độ gắn thân 𝑝 Vận tốc góc quay lắc quanh trục 𝑥 hệ tọa độ gắn thân 𝑞 Vận tốc góc quay lật quanh trục y hệ tọa độ gắn thân vii 𝑟 Vận tốc góc quay hướng quanh trục 𝑧 hệ tọa độ gắn thân 𝒔 Véc-tơ mặt trượt 𝒛𝑖 Véc-tơ sai lệch 𝑖 = 1, … 𝑛 𝑥 Tọa độ thiết bị lặn theo phương 𝑥 hệ tọa độ NED 𝑦 Tọa độ thiết bị lặn theo phương 𝑦 hệ tọa độ NED 𝑧 Tọa độ thiết bị lặn theo phương 𝑧 hệ tọa độ NED Góc lắc, xung quanh trục 𝑥 hệ tọa độ NED Góc lật, xung quanh trục 𝑦 hệ tọa độ NED 𝜓 Góc hướng, xung quanh trục 𝑧 hệ tọa độ NED 𝒓𝑔 Véc-tơ tọa độ trọng tâm vật rắn 𝜼1 Véc-tơ biểu diễn vị trí S-AUV hệ tọa độ gắn trái đất 𝜼2 Véc-tơ biểu diễn góc hướng S-AUV hệ tọa độ gắn trái đất 𝜂 Véc-tơ biểu diễn vị trí góc hướng S-AUV hệ tọa độ gắn trái đất 1 Véc-tơ vận tốc dài hệ tọa độ gắn thân 2 Véc-tơ vận tốc góc hệ tọa độ gắn thân Véc-tơ vận tốc dài vận tốc góc hệ tọa độ gắn thân 𝜏 Véc-tơ lực momen đẩy tác động lên S-AUV tọa độ gắn thân 𝜏𝐷 Véc-tơ lực momem suy giảm 𝜏𝐻 Véc-tơ lực momen thủy động lực 𝜏𝑅𝐵 Véc-tơ lực momen tổng quát tác động lên tàu khung tọa độ gắn thân 𝜏𝑅 Véc-tơ lực momen cảm ứng xạ tác động lên S-AUV viii Danh mục viết tắt Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt Stirling Cycle Engines Động chu kỳ khép kín Stirling CCDE Closed Cycle Diesel Engine Động diesel chu kỳ khép kín DD Dynamic diving Lặn động lực SD Static diving Lặn tĩnh lực ReCirculating Air Ballast System Hệ thống điều chỉnh tuần hồn khơng khí PWM Pulse-width modulation Điều chế độ rộng xung RF Radio Frequency Radiation Tần số vô tuyến CFD Computational Fluid Dynamics Remotely Operated Vehicles Tính tốn động lực học chất lỏng Thiết bị lặn điều khiển từ xa dây cáp AUV Autonomous Underwater Vehicle Thiết bị lặn tự hành S-AUV Solar Autonomous Underwater Vehicle Thiết bị lặn tự hành lượng mặt trời UUV Untethered Unmanned Vehicle Thiết bị lặn điều khiển từ xa không dây DOF Degree Of Freedom Bậc tự CCC Conical–Cylindrical–Conical Nón - Trụ - Nón CG Center of gravity Trọng tâm CB Center of buoyancy Tâm 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 frame Khung tọa độ tham chiếu có 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 SCE RCABS ROV ix ... thủy động mơ hình thiết bị lặn tự hành trường hợp khơng có có hệ thống bổ sung lượng mặt trời - Phân tích lựa chọn hình dáng thiết bị lặn tự hành bổ sung lượng mặt trời có cánh linh hoạt phần... Phân tích tối ưu lựa chọn hình dáng thiết bị lặn tự hành 37 2.2.4 Phân tích động lực học mơ hình thiết bị lặn tự hành khơng có cánh có cánh lượng mặt trời 41 2.2.4.1 Thiết kế mơ hình... ven bờ, vùng nước nhiễm hỗ trợ tìm kiếm cứu hộ cứu nạn Nghiên cứu tích hợp hệ thống bổ sung lượng cho thiết bị lặn tự hành cỡ nhỏ Một thiết bị lặn tự hành gồm khối sau: