6. Bố cục của luận án
1.1. Tổng quan về thiết bị lặn tự hành AUV
1.1.1. Trên thế giới
Thiết bị lặn dưới nước hay các thiết bị hoạt động dưới nước nói chung là một loại thiết bị đặc biệt hoạt động dưới nước. Từ những năm 1970, thiết bị lặn dưới nước đã được nghiên cứu phát triển mạnh mẽ để hỗ trợ hoặc thay thế con người làm việc ở những vùng nước sâu (dưới đáy sông, hồ, đại dương), những vùng nước ô nhiễm hoặc khi làm việc trong thời gian dài dưới nước. Hiện nay, thiết bị lặn có thể đạt đến độ sâu mà con người không thể lặn tới được. Thiết bị lặn dưới nước được sử dụng nhiều trong nghiên cứu khoa học, quân sự, dầu khí, hàng hải, giao thông,... Trong ngành dầu khí, thiết bị lặn dưới nước được sử dụng để thực hiện những công việc như kiểm tra các giàn khoan và đường ống dẫn khí, dẫn dầu. Trong ngành viễn thông, thiết bị lặn dưới nước được sử dụng để khảo sát đáy biển trước khi đặt cáp trong lòng biển và kiểm tra hiện trạng cáp truyền. Trong quân sự, thiết bị lặn dưới nước được sử dụng để gài, tìm kiếm và tháo gỡ thủy lôi, mìn hoặc phối hợp cùng con người trong việc tác chiến dưới nước. Thiết bị lặn dưới nước còn là các thiết bị quan trọng khi cứu hộ các tàu thuyền bị đắm dưới đáy biển. Trong giao thông vận tải thiết bị lặn dưới nước được dùng trong công tác khảo sát trước khi thi công, kiểm tra các công trình giao thông dưới nước. Trong thám hiểm và nghiên cứu biển, thiết bị lặn dưới nước được sử dụng để khảo sát địa hình dưới đáy biển, độ rò rỉ của các nguồn khí dưới đáy biển, theo dõi việc sinh sản của các loài cá,... Trong ngành năng lượng nguyên tử các thiết bị lặn dưới nước cỡ nhỏ được dùng để kiểm tra các thiết bị trong nhà máy điện nguyên tử.
Thiết bị lặn dưới nước là một thiết bị có giá thành thấp hiệu quả cao cho các nghiên cứu ngầm hoặc thăm dò đại dương. Sự phát triển nhanh chóng của ngành khai thác dầu khí trên biển đã làm bùng nổ lĩnh vực nghiên cứu các loại thiết bị lặn điều khiển từ xa. Vào năm 1950 Hải quân Australia đã sử dụng thiết bị lặn điều khiển từ xa “Cutlet” để thu hồi ngư lôi. Đến năm 1953 Dimitri Rebikoff đã chế tạo thiết bị ngầm mang tên Poodle, là một thiết bị ngầm điều khiển từ xa mang dấu ấn khởi đầu cho sự hình thành và phát triển của thiết bị ngầm nói chung, thiết bị lặn dưới nước nói riêng. Hải quân Mỹ đầu tư phát triển công nghệ thiết bị lặn điều khiển từ xa vào đầu những năm 1960 nhưng lúc đó có tên gọi là “thiết bị thu hồi được điều khiển bằng dây cáp”. Thiết bị này đã nâng cao được năng lực thực hiện các chiến dịch cứu hộ biển sâu và khả năng thu hồi các vật dưới đáy biển. Ở một hướng khác Hải quân Mỹ đã phát triển Snoopy, là một trong số những thiết bị lặn dưới nước quan sát kích thước nhỏ đầu tiên. Thiết bị này được điều khiển từ trạm điều khiển trên bờ và là thiết
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
bị lặn dưới nước xách tay đầu tiên [4]. Việc bổ sung camera và các cảm biến khác cho loại thiết bị lặn này chính là sự khởi đầu cho lớp các thiết bị lặn loại nhỏ. Vào năm 1974 trên thế giới chỉ có khoảng 20 thiết bị lặn dưới nước, trong đó chỉ có 17 thiết bị lặn được chính phủ tài trợ, trong số đó có Pháp, Anh, Phần Lan, Liên xô cũ. Trải qua hơn một thập kỷ, vào đầu những năm 80 của thế kỷ trước khi nhiều lĩnh vực xa bờ mới có những đòi hỏi vượt quá khả năng lặn của con người thì các thiết bị lặn khiển từ xa đã trở nên vô cùng thiết yếu. Sự chuyển hướng từ đầu tư của chính phủ (85% trong giai đoạn 1953-1974) sang đầu tư của các hãng công nghiệp (96% số phương tiện) đã giúp cho số lượng thiết bị lặn dưới nước lên đến con số khoảng 500 vào năm 1982. Nhưng vào giữa những năm 1980 ngành công nghiệp thiết bị lặn dưới nước đã trải qua giai đoạn thoái trào do giá dầu sụt giảm và sự suy thoái kinh tế toàn cầu. Tuy nhiên, sau đó nó đã có sự tăng tốc đáng kể. Ngoài những thiết bị lặn cỡ lớn, vì lý do cạnh tranh thị trường nên vào giai đoạn này một số nhà sản xuất đã tận dụng các tiến bộ công nghệ để thu nhỏ thiết bị lặn và tạo ra một lớp thiết bị lặn dưới nước mới nhỏ hơn, tin cậy hơn. Đó là các thiết bị lặn lớp quan sát dưới nước. Các thiết bị lặn có thể dễ dàng xách tay, giá thành thấp nên nhanh chóng được các tổ chức dân sự, dân sinh và các viện nghiên cứu sử dụng. Vào thời điểm này các thiết bị lặn dưới nước có mặt ở khắp nơi trên thế giới. Thiết bị lặn lúc này chinh phục mọi độ sâu của đại dương. Hải quân Mỹ đã sử dụng thành công thiết bị lặn dưới nước để chinh phục độ sâu trên 6.000 m. Và ít lâu sau người Nhật, Trung Quốc đã nâng con số đó lên trên 10.000 m [4]. Từ đó cho thấy tiềm năng ứng dụng của thiết bị lặn dưới nước là rất cao. Các giai đoạn phát triển của các thiết bị lặn có thể chia ra làm 5 giai đoạn sau :
- Giai đoạn trước năm 1970: Đây là giai đoạn kiểm tra các ứng dụng, khả năng của của thiết bị lặn dưới nước, chủ yếu là loại điều khiển qua dây cáp. Các thiết bị lặn dưới nước được nghiên cứu chế tạo để thực hiên các nhiệm vụ cụ thể.
- Giai đoạn 1970 đến 1980: Với sự phát triển của công nghệ, các nhà khoa học bắt đầu thử nghiệm hệ thống tự hành cho các thiết bị lặn.
- Giai đoạn 1980-1990: Trong giai đoạn này sự phát triển của máy tính, năng lượng, bộ nhớ giúp các nhà khoa học có thể giải quyết các giải thuật phức tạp hơn sau đó tiến hành các thử nghiệm các hệ thống trên các thiết bị lặn cụ thể.
-Giai đoạn 1990-2000: Trong thập kỷ này, số lượng thiết bị lặn dưới nước tăng nhanh là bằng chứng cho thấy tiềm năng ứng dụng của thiết bị lặn ngày càng nhiều và phục vụ nhiều mục đích khác nhau. Thập kỷ này các nghiên cứu về mô hình thiết bị lặn mới được đưa ra, và thiết bị lặn đang được thương mại hóa trong nhiều lĩnh vực.
- Giai đoạn từ 2000 đến nay: Trong giai đoạn này, sự bùng nổ của khoa học kỹ thuật giúp lĩnh vực về thiết bị lặn đạt được những thành tựu đáng kể, thiết bị lặn đã chinh phục độ sâu hàng nghìn mét dưới đáy biển, các thiết bị lặn tự hành được sử dụng nhiều hơn, thời gian hoạt động lớn hơn với những thành tựu về nguồn năng lượng dự trữ. Và thiết bị lặn được sử dụng phổ biến trong thương mại và trong nghiên cứu khoa học, trong quân sự, ...
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
Hình 1.1. Một số loại thiết bị lặn dưới nước [3]
Ngày nay, trên thế giới đã phát triển nhiều loại thiết bị lặn khác nhau phục vụ các mục đích khác nhau. Trong đó phải kể đến loại thiết bị lặn không người lái phát triển rất mạnh mẽ, chúng gồm có 3 loại chính: AUV, ROV và UUV.
UUV là một thuật ngữ chung để mô tả cả thiết bị lặn tự hành có điều khiển từ xa không dây. Còn đối với loại ROV được kết nối với một tàu mẹ để điều khiển, cung cấp năng lượng. Cáp nối đảm bảo cung cấp năng lượng và tín hiệu thông tin, do đó người điều khiển có thể liên tục giám sát và điều khiển ROV. Ngược lại AUV sẽ hoạt động một cách tự động. Do đó AUV phải được trang bị một bộ nguồn có thể là pin hoặc ắc quy dự trữ, ngoài ra cần các loại cảm biến để tự động hoàn thành nhiệm vụ được đặt ra mà không cần sự điều khiển của con người. Do đó AUV phải có đủ nguồn năng lượng, tự động hoạt động để đảm bảo thực hiện các nhiệm vụ đặt ra. Ngày nay, AUV ngày càng trở nên phổ biến vì nó có thể hoạt động và khám phá ở độ sâu khác nhau với các phạm vi lớn, đồng thời AUV có khả năng thực hiện các nhiệm vụ giám sát môi trường hoặc các hoạt động trên biển phục vụ cho hải quân, hàng hải. AUV bao gồm hai nhóm thiết bị khác nhau, đó là thiết bị lặn tự hành và thiết bị lặn dùng cánh lượn. Thiết bị lặn dùng cánh lượn thường được sử dụng để khảo sát, tìm kiếm bị động trong khi thiết bị lặn tự hành được sử dụng để kiểm tra các khu vực cụ thể, các đối tượng cố định một cách chủ động dựa vào lập trình quỹ đạo chuyển động [6]. Một trong những trọng tâm chính nghiên cứu về AUV hiện nay là thiết kế thiết bị này với khả năng di chuyển xa và phần mềm điều khiển thông minh. Điều khiển AUV phải có khả năng ổn định vị trí mong muốn và để thiết bị hoạt động theo một quỹ đạo định trước với những sai số cho phép. AUV có thể hoạt động trong sáu bậc tự do, phi tuyến và chịu sự ảnh hưởng của môi trường nước xung quanh. Sự phát triển của các
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
thuật toán phù hợp cho việc điều khiển chuyển động, vị trí của AUV cùng với khả năng hoạt động dài ngày là một nhiệm vụ đầy thách thức. Khi hoạt động, các đặc tính động học, năng lượng của AUV sẽ thay đổi theo thời gian. Hệ thống điều khiển cần được thiết kế để đảm bảo ổn định, chính xác thích nghi với môi xung quanh.
1.1.2. Tại Việt Nam
Đối với nước ta có đường bờ biển dài hơn 3.200 km không tính các đảo và hàng ngàn các đảo, có thềm lục địa rộng lớn. Từ lâu biển đã đem lại nhiều nguồn lợi quý giá cho đất nước. Đảng và Nhà nước đã khẳng định “Trở thành một nước mạnh về biển là một mục tiêu chiến lược xuất phát từ các yêu cầu và điều kiện khách quan của sự nghiệp xây dựng và bảo vệ Tổ quốc Việt Nam”. Với mục tiêu đó năm 1980 nước ta đã đẩy mạnh phát triển các ngành công nghiệp liên quan đến biển đặc biệt là dầu khí và xem nó như một ngành công nghiệp hàng đầu. Biển Đông được dự đoán là vùng biển giàu tài nguyên về dầu mỏ, khí đốt và các loại khoáng sản khác, nhưng hiện nay việc thăm dò và khai thác còn hạn chế. Việc giám sát môi trường biển, giám sát an ninh quốc phòng trên biển hiện này đang là vấn đề cấp thiết. Với việc ứng dụng các thiết bị lặn hoạt động dưới nước để khảo sát và bảo trì các hệ thống ngầm, giám sát, thăm dò là một nhu cầu rất cần thiết hiện nay. Với sự phát triển của nền công nghiệp dầu khí và công nghiệp quân sự đã đặt ra các nhu cầu cho các trường đại học trong cả nước và các công ty dịch vụ hàng hải phát triển nghiên cứu các thiết bị lặn nhưng chủ yếu chỉ tập trung ở dạng ROV với nhiều hạn chế. Tại Việt Nam trong những năm gần đây đã có một số nghiên cứu về thiết bị lặn nói chung, thiết bị lặn tự hành nói riêng tại các trường đại học, học viện nghiên cứu và chế tạo mô hình thiết bị lặn tự hành như [5]. Tuy nhiên mới chỉ thử nghiệm trong phạm vi nhỏ và chủ yếu thử nghiệm trên bề mặt mà chưa có những thử nghiệm ở các độ sâu, phạm vi khác nhau [7, 8]. Các nghiên cứu này chưa hoàn thiện và chưa được ứng dụng vào thực tế vì nhiều lý do, trong đó lý do chính là các nghiên cứu chưa hoàn thiện hết về mặt công nghệ, còn khó khăn trong vấn đề đầu tư tài chính. Bên cạnh đó để đáp ứng một phần nhu cầu trong nước, một số công ty dịch vụ hàng hải đã mua các thiết bị lặn của nước ngoài để thương mại cung cấp dịch vụ thăm dò và bảo trì các công trình ngầm dưới đại dương nhưng giá thành của các thiết bị và dịch vụ này rất cao. Tại Việt Nam chưa có một nghiên cứu nào về khả năng tự bổ sung năng lượng cho thiết bị lặn tự lặn nói chung, thiết bị lặn tự hành nói riêng.
Việt Nam là một quốc gia có đường bờ biển dài, có vùng lãnh hải, hải đảo rộng lớn trải dài từ Bắc vào Nam, có rất nhiều các hoạt động kinh tế, chính trị diễn ra trên biển. Do đó tiềm năng ứng dụng các thiết bị lặn tự hành AUV tại Việt Nam là rất lớn, góp phần nâng cao khả năng công nghệ, khả năng làm chủ trong các lĩnh vực trên biển, hơn nữa góp phần vào các công tác an ninh quốc phòng của đất nước.
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
1.2. Phân loại thiết bị lặn
1.2.1. Thiết bị lặn có người lái và không người lái
Thiết bị lặn có người lái: Là loại thường có kích thước lớn. Điển hình là các loại tàu ngầm đây là một loại thiết bị lặn đặc biệt hoạt động dưới nước, có thể hoạt động nhiều tháng trên biển sử dụng các công nghệ năng lượng hạt nhân, động cơ diesel, động cơ điện,…. Nhiều quốc gia có lực lượng hải quân sử dụng tàu ngầm cho
mục đích quân sự . Tàu ngầm cũng được sử dụng cho vận chuyển hàng hải và nghiên cứu. Ngoài ra một số hãng cũng phát triển loại thiết bị lặn có người lái cỡ nhỏ phục vụ nghiên cứu, du lịch thám hiểm.
Thiết bị lặn không người lái: Đây là loại thiết bị lặn cỡ nhỏ hoặc rất nhỏ. Loại này được ứng dụng nhiều trong các nhiệm vụ khảo sát, giám sát, thám hiểm, đo đạc, nghiên cứu, … Loại này được chia thành các loại như Hình 1.2.
Thiết bị lặn không người lái
Thiết bị lặn điều khiển từ xa có dây cáp ROV
Thiết bị lặn điều khiển từ xa không dây (UUV)
Thiết bị lặn tự hành AUV
Hình 1.2. Các loại thiết bị lặn không người lái
Thiết bị lặn điều khiển từ xa qua dây cáp ROV. Các loại ROV được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu và khai thác đại dương cũng như khi thực hiện các công việc ngầm ở các vùng nước sâu để thăm dò dầu khí, khảo sát dại dương [10]. Ngoài ra ROV cỡ nhỏ còn được sử vùng nước nội địa, các sông, các hồ, ... Đây là loại thiết bị lặn được cấp năng lượng và điều khiển thông qua người điều khiển, với hệ thống dây cáp truyền từ trên bờ hoặc trên tàu mẹ. Loại thiết bị này có những ưu điểm là nguồn điện được cung cấp từ trên bờ do đó việc hoạt động của thiết bị có thể được kéo dài mà không lo đến nguồn năng lượng bổ sung, có khả năng mang thêm các thiết bị khác đi kèm có khối lượng lớn, chủ động trong việc điều khiển. Tuy nhiên cũng có một số nhược điểm là do có dây cáp nên khó có thể hoạt động trong khu vực có các vật cản, nên chỉ phù hợp hoạt động tại những vị trí không có vật cản nhiều.
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
Hình 1.3. Thiết bị lặn OKPO 600 [9]
AUV là thiết bị lặn tự hành hoạt động được dưới nước độc lập với việc cấp nguồn, điều khiển và không đòi hỏi sự can thiệp từ bên ngoài. AUV được điều khiển và dẫn đường thông qua bộ điều khiển đặt trên thiết bị lặn và có thể cơ động theo không gian ba chiều, cho phép AUV đi theo quỹ đạo được lập trình trước. AUV hoạt động nhờ vào năng lượng mà chúng mang theo và rất phù hợp cho việc thăm dò, đo đạc và giám sát các mục tiêu dưới nước. Đặc biệt trong lĩnh vực quân sự, các AUV đảm nhiệm các nhiệm vụ tuần tra, cảnh báo sớm, hay tìm diệt các mục tiêu dưới nước. AUV có thể sử dụng các hình thức giao tiếp khác như: sử dụng sóng âm, tần số vô tuyến hoặc kết nối vệ tinh để truyền dữ liệu.
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
Hình 1.5. Thiết bị lặn tự hành AUV ATLAS MARIDAN 300 [9]