6. Bố cục của luận án
3.2.2. Hệ thống bơm nước bằng piston
Đây là hệ thống bao gồm một piston di chuyển trong một ống trụ kín đóng vai trò như một bể chứa nước thể hiện như Hình 3.4. Piston được điều khiển bởi một động cơ làm quay một trục ren được gắn trên đó. Khi piston lùi xuống, thì hút nước vào làm thiết bị chìm xuống. Khi tiến lên, piston đẩy nước ra khỏi bể, làm cạn nước và làm cho thiết bị lặn nổi lên. Trong luận án tác giả sử dụng bơm nước loại này để giúp S-AUV2 lặn nổi.
F
A = P
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
Hình 3.4. Hệ thống bơm nước vào ra bằng piston 3.2.3. Hệ thống bơm áp suất thấp
Hệ thống bơm áp suất thấp không phải là một hệ thống lặn tĩnh lực thực sự, mà là sự kết hợp giữa hệ thống lặn tĩnh và động, như Hình 3.5.
Trong hệ thống gồm một van được đóng mở và không khí được vào ra qua một lỗ thông hơi. Lỗ thông hơi thường được ẩn dưới dạng kính tiềm vọng. Nước đi vào bể chứa thông qua van xả. Khi bơm hút nước ra thì van xả đóng lại, khi bể được xả hết nước, không khí được hút vào qua lỗ thông hơi, lúc đó sức nổi của thiết bị lặn sẽ dần dương và AUV sẽ bắt đầu nổi dần lên mặt nước. Tuy nhiên hệ thống này có hạn chế là cần lỗ thông hơi phía trên nên hạn chế về độ sâu.
Hình 3.5. Hệ thống bơm nước sử dụng bơm áp suất thấp 3.2.4. Hệ thống bơm nước áp suất cao
Trong hệ thống này, không khí trong bể chứa lúc đầu ở áp suất môi trường xung quanh. Một van được mở và nước được bơm vào bể thông qua một máy bơm cao áp hai chiều. Khi nước dâng lên, nén không khí trong bình làm giảm thể tích và làm cho thiết bị lặn nặng hơn. Khi thiết bị lặn đạt được độ sâu lặn mong muốn, van sẽ đóng và máy bơm sẽ tắt, như Hình 3.6.
Khi muốn thiết bị nổi, van mở và bơm áp suất cao hoạt động sẽ hút nước ra khỏi bể chứa. Không khí nở ra làm cho thiết bị lặn nổi dần lên bề mặt.
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
Hình 3.6. Hệ thống bơm nước sử dụng bơm áp suất cao 3.2.5. Hệ thống bơm nước bằng khí nén
Trong hệ thống này, phía trên có một van thông hơi. Một bình tích trữ khí nén với áp suất cao, một bơm khí nén như Hình 3.7. Do hạn chế về kích thước bình chứa khí nén nên thông thường khí tích trữ sẵn chỉ đủ cho thiết bị lặn hoạt động một vài chu kỳ lặn, sau đó máy bơm khí cần phải cung cấp bổ sung khí nén vào bình chứa.
Hình 3.7. Hệ thống bơm nước bằng khí nén 3.2.6. Hệ thống bơm nước vào ra bằng khí ga
Trong hệ thống này, khí áp suất thấp được lưu trữ ở trạng thái hóa lỏng trong một bình áp suất trên thiết bị lặn như Hình 3.8. Nó được sử dụng để đẩy nước từ một bể chứa ra bên ngoài. Hoạt động bằng cách mở van ở phía trên và nước đi vào qua các lỗ ở phía dưới, lỗ này được điều khiển qua một hệ thống van điện. Trường hợp đẩy nước ra thì van phía trên đóng lại, mở van ở bình áp suất để giải phóng khí vào bể chứa, áp lực của khí sẽ đẩy nước trong bể đi qua các các lỗ ở phía đáy.
Hình 3.8. Hệ thống bơm nước bằng bình khí ga
Hệ thống này tương đối đơn giản, dễ vận hành. Tuy nhiên sau một số chu kỳ hoạt động cần phải bổ sung khí hóa lỏng.
3.2.7. Hệ thống điều chỉnh tuần hoàn không khí RCABS
Vào cuối những năm 1990, Tiến sĩ Art Broder đã phát triển một hệ thống lặn thay thế bằng cách sử dụng một bình khí dạng cao su và một máy bơm khí. Các hệ thống
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
RCABS ngày càng trở nên phổ biến do chúng bền và không cần nguồn không khí bên ngoài để hoạt động, Hình 3.9 và Hình 3.10.
Có hai phiên bản của hệ thống này. Trong phiên bản RCABS, việc lặn được thực hiện bằng cách mở van dẫn đến bóng khí xẹp xuống. Khi muốn nổi lên van được đóng lại và bơm khí đẩy không khí vào bóng khí, làm nó tăng kích thước chiếm chỗ bên trong thân thiết bị lặn do đó thiết bị nổi lên.
Hình 3.9. Hệ thống lặn RCABS
Phiên bản còn lại được gọi là RCABS-R. Chỉ khác hệ thống RCABS là có thêm bình tích trữ khí luôn duy trì một áp suất đặt, do đó nếu trường hợp bơm không thể hoạt động thì thiết bị lặn vẫn có thể nổi lên.
Hình 3.10. Hệ thống lặn RCABS-R
3.3. Thiết kế hệ thống lặn nổi cho mô hình S-AUV23.3.1. Thiết kế hệ thống xilanh – piston 3.3.1. Thiết kế hệ thống xilanh – piston
Trong luận án này tác giả dùng hệ thống bơm nước bằng piston. Hệ thống bơm nước vào ra của S-AUV2 là hệ thống gồm 2 bơm piston. Piston được dẫn động bởi
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
động cơ DC 12V thông qua ăn khớp của trục ren, đai ốc và có khả năng bơm tối đa 300 ml nước ở độ sâu 20 m, bản vẽ được thiết kế như Hình 3.11.
Hình 3.11. Bản vẽ 2D hệ thống bơm nước bằng piston
3.3.2. Sơ đồ mạch hệ thống bơm nước
Hệ thống bao gồm:
- Mạch điều khiển Arduino Uno R3 - Cảm biến vị trí hành trình
- Driver điều khiển động cơ
Mạch điều khiển UnoR3 là một bộ vi điều khiển sử dụng chíp Atmega 328. Có 14 cổng vào ra tín hiệu số. Trong đó có 6 cổng có thể sử dụng xuất xung PWM, 6 cổng vào analog, tần số dao động là 16 MHz, sơ đồ mạch như Hình 3.12.
Hình 3.12. Sơ đồ mạch thử nghiệm hệ thống bơm nước vào ra 3.3.3. Thử nghiệm hệ thống lặn nổi cho S-AUV2
Khi nhận lệnh điều khiển, động cơ có hộp số quay. Trục động cơ được nối với trục ren thông qua khớp nối cứng. Do đó khi động cơ quay thì trục ren cũng quay. Trục
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
ren quay làm quay đai ốc, đai ốc được gắn cố định với ống inox tròn, đầu còn lại của ống inox nối cố định với piston. Tùy thuộc vào hướng động cơ của động cơ làm cho trục ren quay theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược lại, do đó piston sẽ tịnh tiến về phía trước hoặc phía sau làm thay đổi thể tích nước chiếm chỗ của xilanh, nếu thể tích chiếm chỗ của nước giảm thì sẽ làm nổi thiết bị lặn.
Hình 3.13. Hệ thống bơm nước vào và đẩy nước ra được chế tạo
Hình 3.14. Hệ thống ống bọc bên ngoài hệ thống bơm
Bơm piston được chế tạo như Hình 3.13 và Hình 3.14. Điều khiển chế độ PWM cho động cơ với các giá trị khác nhau từ 0 đến 255 xung. Hệ thống được thử nghiệm trong môi trường nước.
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
Hình 3.15. Biểu đồ quan hệ độ sâu lặn, PWM và thời gian
Như Hình 3.15 trên cho thấy ở giai đoạn đầu khi giá trị xung PWM nhỏ hơn 100, tốc độ lặn của mô hình thiết kế rất chậm. Khi giá trị xung bắt đầu tăng trên 100, tốc độ lặn tăng nhanh. Cho thấy khi sức nổi của mô hình chuyển sang trạng thái âm và
lúc đó độ lệch giữa trọng lực và lực đẩy achimet tăng lên thì tốc độ lặn tăng nhanh.
3.4. Tích hợp hệ thống bổ sung năng lượng mặt trời3.4.1. Cơ sở lý thuyết 3.4.1. Cơ sở lý thuyết
Thiết bị lặn tự hành dưới nước AUV là một thiết bị tự động, hoạt động dựa vào chương trình điều khiển được cài đặt sẵn, tùy thuộc vào thiết kế của chúng, có thể tự hành, hoặc gửi các lệnh thực thi từ xa mà không cần người điều khiển theo thời gian thực [81]. Khả năng tích trữ năng lượng trên thiết bị lặn tự hành là một yếu tố quan trọng khi thiết kế và vận hành thiết bị lặn AUV. Với những hạn chế về kích thước, khối lượng và các yêu cầu thiết kế khác nhau việc lưu trữ năng lượng trên AUV thường bị hạn chế, do đó thời gian hoạt động của AUV có những giới hạn. Thông thường các thiết bị lặn chỉ hoạt động tối đa từ 4 -12 giờ liên tục, sau đó muốn hoạt động tiếp cần thu hồi để sạc lại. Đây là một trong những hạn chế của thiết bị lặn. Việc tích hợp các hệ thống bổ sung năng lượng cho thiết bị lặn tự hành đã được nghiên cứu. Viện nghiên cứu các vấn đề về Công nghệ Hàng hải IMTP và Viện Hàn lâm Khoa học Nga đã đánh giá các công nghệ cần thiết cho một SAUV chạy bằng năng lượng mặt trời [82]. Một trong những sản phẩm của chương trình phát triển này là chế tạo và thử nghiệm mẫu thiết bị thu năng lượng mặt trời với tên SAUV I có các thông số kỹ thuật là: Khối lượng 90 kg, chiều dài 1,7 m, rộng 0,7 m, đường kính vỏ là 0,24 m, như Hình 3.16.
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
Hình 3.16. Thiết bị SAUV I [82]
SAUV I được trang bị 2 tấm panel pin mặt trời công suất mỗi tấm là 30 W, các thử nghiệm đã chứng minh SAUV I đã đạt được hiệu quả tốt về thời gian hoạt động lâu dài hoặc liên tục.
Một thiết bị khác có tên gọi SAUV II đã được nghiên cứu chế tạo [83]. SAUV II có chiều dài 2,3 m, rộng 1,1 m và cao 0,5 m; tấm panel pin mặt trời rộng khoảng 1 m2; khối lượng trong không khí là 200 kg. Đây là một thiết bị lặn chạy bằng năng lượng mặt trời được thiết kế cho các nhiệm vụ giám sát, khảo sát và bảo trì trong thời gian dài, đảm bảo thông tin liên lạc vào bờ trong điều kiện thời gian thực. Thiết bị này có thể thu từ 300 đến 900 W giờ/mỗi ngày và mang pin tối đa 2,4 KWh dự trữ trên thiết bị. SAUV II có khả năng hoạt động nhiều ngày bằng việc sử dụng năng lượng mặt trời để sạc lại pin lithium ion vào ban ngày và thực hiện nhiệm vụ được lập trình sẵn vào ban đêm. Chiến lược này quản lý mức tiêu thụ năng lượng và cho phép SAUV II hoạt động tại trạm giám sát trong vài tháng. Nghiên cứu này đã chế tạo một thiết bị lặn SAUV II nhằm mục đích phục vụ giám sát ven biển với hệ thống thu năng lượng mặt trời có độ bền cao [83-84].
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
Với khả năng di chuyển tự động trong môi trường nước, AUV rất phù hợp cho những nhiệm vụ thám hiểm vùng nước sâu, độc hại hoặc cần hoạt động dài ngày. Tuy nhiên việc thiết kế cánh năng lượng cố định sẽ làm tăng lực cản chuyển động lên thiết bị lặn tự hành AUV khi di chuyển. Vì kết cấu hình dáng của thiết bị lặn ảnh hưởng đến lực cản khi di chuyển. Lực cản càng lớn thì khả năng di chuyển càng khó khăn, tổn thất năng lượng càng lớn.
Một thiết bị nổi hoạt động bề mặt chạy bằng năng lượng mặt trời ứng dụng cho nghiên cứu khoa học về khí quyển và hải dương học được trình bày trong [85, 86]. Trong nghiên cứu [87] tác giả xây dựng một mô hình thiết bị lặn có tích hợp bổ sung năng lượng mặt trời cỡ nhỏ như Hình 3.18, gồm 3 tấm panel pin mặt trời, mỗi tấm có hiệu suất 50 mA, điện áp 6V. Hiệu suất của các tấm pin mặt trời là 15%. Trong nghiên cứu này nhóm tác giả chỉ mới đặt các tấm pin nhỏ ở phía đỉnh của thiết bị lặn, không có cánh năng lượng nên khả năng thu năng lượng thấp. Do đó không đủ năng lượng để thiết bị hoạt động. Để hoạt động thì cần nhiều tấm pin hơn và thời gian sạc cần nhiều hơn.
Hình 3.18. Thiết bị lặn tích hợp năng lượng mặt trời [87]
Trong luận án này tác giả đưa ra ý tưởng thiết kế, chế tạo một thiết bị lặn tự hành cỡ nhỏ S-AUV2 có bổ sung năng lượng bằng cánh năng lượng mặt trời linh hoạt. Ở trạng thái S-AUV2 di chuyển thì cánh năng lượng đóng, chỉ mở ra khi thiết bị lặn nổi lên gần bề mặt nước thu năng lượng trong thời gian có nắng trong ngày. Việc tối ưu cánh năng lượng nhằm giảm kích thước, hình dáng thiết bị lặn, có thể thay đổi khi di chuyển do đó giảm lực cản tác dụng lên thiết bị lặn tự hành, tăng hiệu suất thu năng lượng mặt trời, giảm năng lượng tiêu hao. Giúp thiết bị lặn S-AUV2 có thể hoạt động dài ngày mà không cần thu hồi để sạc bổ sung.
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
3.4.2. Mô hình S-AUV2 có cánh năng lượng linh hoạt
Mô hình được tác giả thiết kế có kích thước chiều dài 1,45 m, rộng từ 0,3 m - 0,8 m và cao 0,3 m; tấm panen pin mặt trời gồm 6 tấm mắc song song. Gồm 2 tấm cố định phía trên và 4 tấm panen pin mặt trời linh hoạt ở hai cánh. Kích thước S-AUV2 tương đối nhỏ và có cánh năng lượng linh hoạt do đó dễ dàng triển khai và vận hành. Hệ thống cánh năng lượng cố định, cánh năng lượng linh hoạt được thể hiện như Hình 3.19, Hình 3.20.
Cánh năng lượng m tặ
tr i c đ nhờ ố ị
Hình 3.19. Thiết bị lặn tự hành S-AUV2 trường hợp cánh năng lượng đóng
Cánh năng lượng m tặ
tr i linh ho tờ ạ
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
Hệ thống điều khiển một thiết bị tự động nói chung, một thiết bị lặn tự hành nói riêng là một hệ phức tạp có cấu trúc gồm nhiều thành phần. Tùy từng nhiệm vụ cụ thể mà hệ thống điều khiển phải có các chức năng phù hợp. Đối với S-AUV2 về cơ bản hệ thống điều khiển gồm các thành phần như Hình 3.21. Tuy nhiên trong luận án này tác giả chưa tích hợp cụm cảm biến đo độ sâu và GPS, camera. Thiết bị lặn tự hành S-AUV2 có thể được lập trình chương trình trước hoặc tích hợp bộ điều khiển từ xa.
Hình 3.21. Sơ đồ hệ thống điều khiển S-AUV2 tích hợp hệ thống bổ sung năng lượng mặt trời
3.4.3. Sơ đồ mạch hệ thống năng lượng mặt trời của S-AUV2
Thiết bị lặn S-AUV2 được bố trí 6 tấm pin mặt trời, mỗi tấm có thông số kỹ thuật như Bảng 3.1. Các tấm pin mặt trời được mắc song song với nhau như sơ đồ Hình 3.22. Cụm số 1 gồm 2 tấm pin mặt trời gắn cố định phía trên đỉnh thân của thiết bị lặn. Cụm số 2 gồm 4 tấm pin mặt trời được lắp đặt ở 2 cánh năng lượng linh hoạt. Cánh linh hoạt được đóng mở bằng hệ thống xi lanh, cánh năng lượng linh hoạt chỉ mở khi thu năng lượng mặt trời. Thông số một tấm pin năng lượng mặt trời do nhà sản xuất đưa ra như Bảng 3.1.
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
Hình 3.22. Sơ đồ kết nối các tấm pin mặt trời
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật của tấm pin năng lượng mặt trời
Công suất mức Điện định Dòng danh định Điện mạch Dòng hở mạch Loại trời Kích thước
Nguồn năng lượng để thiết bị lặn tự hành hoạt động luôn là vấn đề được quan tâm. Hầu hết các loại thiết bị lặn tự hành cỡ nhỏ và vừa hầu hết sử dụng pin là nguồn năng lượng chính. Trong nghiên cứu này tác giả cũng sử dụng pin Lithium làm nguồn năng lượng gồm: 8 pin LiFePO4 32650; 3,2 V; 6.000 mAh. Lắp thành 2 cụm, mỗi cụm mắc nối tiếp 4 pin tạo ra nguồn có điện áp 12,8V, 6.000 mAh. Sau đó mắc 2 cụm song song với nhau tạo nguồn điện 12,8 V, 12.000 mAh.
Hình 3.24. Pin LiFePO4 32650 được sử dụng trong mô hình S-AUV
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
Hình 3.25. Lắp phần đầu và phần đuôi và cánh năng lượng linh hoạt
Hình 3.26. Lắp cánh năng lượng linh hoạt
Như Hình 3.25 và Hình 3.26 cánh năng lượng linh hoạt được bố trí lắp trên hai giá đỡ có thanh trượt ngang. Việc đóng mở được thực hiện bằng 2 xi lanh khí nén. Do đó cánh năng lượng trái và phải được đóng mở tùy theo việc S-AUV di chuyển hay ở trạng thái thu năng lượng mặt trời.
3.4.4. Kết quả thực nghiệm khả năng thu năng thu năng lượng của S-AUV2