Tên luận án:
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
Tóm tắt nội dung tài liệu:
Luận án "Nghiên cứu tối ưu thiết kế một thiết bị lặn tự hành (AUV) cỡ nhỏ có bổ sung năng lượng" tập trung giải quyết bài toán năng lượng và điều khiển cho các thiết bị lặn tự hành (AUV) cỡ nhỏ. Đây là những công cụ hữu ích trong nhiều lĩnh vực như nghiên cứu khoa học biển, hàng hải, dầu khí, an ninh quốc phòng, cứu hộ cứu nạn và giám sát môi trường, đặc biệt tại các vùng nước sâu, xa bờ và ô nhiễm. Với tiềm năng bức xạ mặt trời lớn tại Việt Nam, việc nghiên cứu AUV có bổ sung năng lượng là cấp thiết.
Mục tiêu chính của luận án là tối ưu thiết kế một thiết bị lặn tự hành cỡ nhỏ có khả năng bổ sung năng lượng mặt trời, nhằm tăng thời gian và phạm vi hoạt động mà không cần thu hồi để sạc. Đồng thời, luận án cũng hướng tới việc xây dựng và kiểm chứng thuật toán điều khiển cho mô hình thiết bị lặn 4 bậc tự do. Phạm vi nghiên cứu bao gồm khối vỏ, kết cấu khung, khối lặn nổi, khối nguồn và khối điều khiển, tập trung vào các AUV hoạt động ở vùng nước nông cho các nhiệm vụ đo đạc, giám sát, khảo sát dài ngày và tìm kiếm cứu hộ cứu nạn.
Luận án đã nghiên cứu lý thuyết, áp dụng công cụ phần mềm CFD (ANSYS) để phân tích thủy động học và tối ưu hình dáng thiết bị. Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành bằng việc chế tạo mô hình S-AUV2 với cánh năng lượng mặt trời linh hoạt. Kết quả cho thấy mô hình S-AUV2 có khả năng thu năng lượng mặt trời hiệu quả, tăng khả năng thu năng lượng lên 2,7 lần so với thiết bị không có cánh linh hoạt. Về mặt điều khiển, luận án đã xây dựng bộ điều khiển trượt tầng HSMC cho mô hình S-AUV2 thiếu cơ cấu chấp hành, và kiểm chứng thành công bằng phần mềm Matlab/Simulink. Kết quả mô phỏng đảm bảo thiết bị bám tín hiệu đặt với độ vọt lố không đáng kể và sai số xác lập gần bằng không, góp phần nâng cao chất lượng điều khiển cho AUV cỡ nhỏ.
Mục lục chi tiết:
- MỞ ĐẦU
- 1. Tính cấp thiết của đề tài
- 2. Mục tiêu nghiên cứu
- 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
- 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
- 5. Phương pháp nghiên cứu
- 6. Bố cục của luận án
- CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ LẶN VÀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG CHO THIẾT BỊ LẶN TỰ HÀNH
- 1.1. Tổng quan về thiết bị lặn tự hành AUV
- 1.1.1. Trên thế giới
- 1.1.2. Tại Việt Nam
- 1.2. Phân loại thiết bị lặn
- 1.2.1. Loại thiết bị lặn có người lái và không người lái
- 1.2.2. Phân loại theo khả năng lặn sâu
- 1.2.3. Phân loại theo khối lượng của thiết bị lặn được chia thành các loại
- 1.3. Tổng quan về nguồn năng lượng cho thiết bị lặn tự hành AUV
- 1.3.1. Động cơ 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 về năng 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 dòng chảy
- 1.4.4. Năng lượng mặt trời
- 1.5. Tích hợp nguồn năng lượng bổ sung cho thiết bị lặn tự hành phù hợp với điều kiện tại Việt Nam
- 1.6. Tổng quan về các phương pháp điều khiển thiết bị lặn tự hành
- Kết luận chương 1
- CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH HÓA THIẾT BỊ LẶN TỰ HÀNH CÓ BỔ SUNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
- 2.1. Động học của thiết bị lặn tự hành
- 2.1.1. Hệ tọa độ
- 2.1.2. Phương trình chuyển động của thiết bị lặn tự hành S-AUV (Dynamics)
- 2.2. Phân tích động lực học thiết bị lặn
- 2.2.1. Phân tích động học
- 2.2.2. Cơ sở lý thuyết về dòng chất lưu
- 2.2.3. Phân tích tối ưu lựa chọn hình dáng thiết bị lặn tự hành
- 2.2.4. Phân tích động lực học mô hình thiết bị lặn tự hành không có cánh và có cánh năng lượng mặt trời
- 2.2.4.1. Thiết kế mô hình khảo sát
- 2.2.4.2. Chia lưới và phân tích
- 2.3. Mô hình thiết bị lặn có cánh thu năng lượng mặt trời linh hoạt S-AUV1
- 2.3.1. Thiết kế mô hình S-AUV1
- 2.3.2. Phân tích thủy động học mô hình S-AUV1
- 2.4. Mô hình thiết bị lặn có cánh thu năng lượng mặt trời linh hoạt S-AUV2
- 2.4.1. Thiết kế mô hình S-AUV2
- Kết luận chương 2
- CHƯƠNG 3. HỆ THỐNG LẶN NỔI VÀ THỰC NGHIỆM KHẢ NĂNG THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
- 3.1. Hệ thống đảm bảo sức nổi và chế tạo thực nghiệm S-AUV
- 3.2. Hệ thống lặn nổi cho thiết bị lặn
- 3.2.1. Lý thuyết hệ thống lặn nổi cho thiết bị lặn
- 3.2.2. Hệ thống bơm nước bằng piston
- 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 bằng khí nén
- 3.2.6. Hệ thống bơm nước vào ra bằng khí ga
- 3.2.7. Hệ thống điều chỉnh tuần hoàn không khí RCABS
- 3.3. Thiết kế hệ thống lặn nổi cho mô 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 nổi cho S-AUV2
- 3.4. Tích hợp hệ thống bổ sung năng lượng mặt trời
- 3.4.1. Cơ sở lý thuyết
- 3.4.2. Mô hình S-AUV có cánh năng lượng linh hoạt
- 3.4.3. Sơ đồ mạch hệ thống năng lượng mặt trời của S-AUV2
- 3.4.4. Kết quả thực nghiệm khả năng thu năng thu năng lượng của S-AUV2
- 3.4.5. Thử nghiệm khả năng sạc năng lượng cho Pin
- Kết luận chương 3
- CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO MÔ HÌNH S-AUV2
- 4.1. Cơ sở lý thuyết bộ điều khiển trượt
- 4.1.1. Điều khiển trượt
- 4.1.2. Bộ điều khiển trượt cơ bản
- 4.1.3. Lý thuyết ổn định của Lyapunov áp dụng cho điều khiển phi tuyến
- 4.2. Xây dựng bộ điều khiển trượt tầng HSMC cho mô hình S-AUV2
- 4.2.1. Phương pháp điều khiển trượt tầng HSMC
- 4.2.2. Xây dựng động lực học mô hình S-AUV2 bốn bậc tự do
- 4.2.3. Thiết kế bộ điều khiển HSMC cho hệ thiếu cơ cấu chấp hành S-AUV2
- 4.3. Kết quả mô phỏng bộ điều khiển HSMC cho S-AUV2
- 4.3.1. Trường hợp 1:
- 4.3.2. Trường hợp 2:
- 4.3.3. Trường hợp 3:
- 4.3.4. Trường hợp 4:
- Kết luận chương 4
- KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN
- Kết luận:
- Hướng phát triển của luận án:
- DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN