Mô phỏng động học và động lực học thiết bị lặn

Một trong những ưu việt chung của thiết bị lặn chính là khả năng vận hành tự động của chúng, chúng có thể hoàn thành nhiệm vụ của mình một cách tự động không cần đến sự điều khiển trực t

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN CƠ HỌC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN CƠ HỌC

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN Error! Bookmark not defined.

MỤC LỤC 1

DANH MỤC VIẾT TẮT 3

MỞ ĐẦU 4

Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ THIẾT BỊ LẶN 6

1.1 Lịch sử nghiên cứu và phát triển thiết bị lặn trên thế giới 6

1.2 Cấu tạo và ứng dụng của thiết bị lặn 8

1.2.1 Cấu tạo của thiết bị lặn [17] 9

1.2.2 Ứng dụng của thiết bị lặn 11

Chương 2 TÍNH NĂNG VÀ CẤU TẠO CỦA MỘT SỐ LOẠI THIẾT BỊ LẶN PHỔ BIẾN TRÊN THẾ GIỚI 13

2.1 Thiết bị lặn không có người vận hành [15] 13

2.1.1 Thiết bị lặn có dây dẫn nối với tầu mẹ ROV 14

2.1.2 Thiết bị lặn vận hành tự động AUV 17

2.2 Thiết bị lặn có người quan sát - HOV 20

2.3 Phân tích một số chi tiết chính của thiết bị lăn ROV [17] 21

2.3.1 Dây dẫn 21

2.3.2 Động cơ đẩy 22

2.3.3 Camera 24

2.3.4 Hệ thống Laser 25

2.3.5 Hệ thống siêu âm 26

2.3.6 Tay máy 27

2.3.7 Sensor đo độ sâu 29

Chương 3 MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC THIẾT BỊ LẶN 30

3.1 Ma trận quay [12] 30

3.1.1 Thành lập ma trận quay 31

3.1.2 Góc Euler 33

3.2 Phần mềm mô phỏng động học và động lực học [11] 34

3.2.1 Các phân tích tuyến tính 35

3.2.2 Các phân tích phi tuyến 35

3.3 Mô phỏng động học và động lực học dây dẫn 35

3.3.1 Mô hình dây dẫn bằng phần mềm alaska 36

3.3.2 Ngoại lực tác dụng lên dây dẫn 39

3.3.2.1 Lực và Mô men của dòng chảy tác dụng lên một phần tử dây dẫn theo 3 trục OX, OY và OZ 39

3.3.2.2 Lực đẩy acsimet tác dụng lên một phần tử dây dẫn 40

3.3.3 Một số kết quả mô phỏng dây dẫn 41

3.4 Mô phỏng động học và động lực học thiết bị lặn và dây dẫn 47

3.4.1 Phân tích quá trình họat động của thiết bị lặn 49

3.4.2 Phương trình chuyển động của thiết bị lặn 52

3.4.2.1 Phương trình động học của thiết bị lặn 53

3.4.2.2 Phương trình chuyển động học của thiết bị lặn 54

3.4.3 Ngoại lực tác dụng lên thiết bị lặn 55

3.4.3.1 Lực do môi trường tác dụng lên thiết bị lặn 55

3.4.3.2 Lực đẩy của động cơ đẩy 56

3.4.3.3 Lực đẩy Acsimet 58

3.4.4 Kết quả mô phỏng động học và động lực học thiết bị lặn 58

3.4.4.1 Quỹ đạo hoạt động của thiết bị lặn có dạng như hình 3.20 59 3.4.4.2 Quỹ đạo hoạt động của thiết bị lặn có dạng như hình 3.33 65 3.5 Nhận xét 71

KẾT LUẬN 72

1 Các kết quả đã đạt được 72

2 Hướng nghiên cứu tiếp theo 72

Danh mục các công trình đã công bố 74

Tài liệu tham khảo 75

Phụ lục 77

DANH MỤC VIẾT TẮT AUV: Autonomous Underwater Vehicle

ROV: Remote Operation Vehicle

HUV: Human Underwater Vehicle

UV: Underwater Vehicle

UUV: Unmanned Underwater Vehicle

HOV: Human Occupied Vehicles

MỞ ĐẦU

Trái đất có khoảng 30% diện tích bề mặt là đất phần còn lại chiếm tới 70% diện tích là ngập nước Trong khi phần lớn diện tích mặt đất đã được con người khám phá, khai thác, tìm hiểu và đánh giá rất chi tiết thì phần lớn diện tích môi trường ngập nước mới đang được con người khám phá đặc biệt là môi trường biển Do vậy việc thiết lập một bản đồ chi tiết về tài nguyên cũng như bề mặt đáy biển chưa được con người thực hiện Khi dân số trên thế giới tăng lên thì sự tiêu huỷ nguồn tài nguyên thiên nhiên cũng tăng lên Chính vì những lý do đó mà việc khám phá, tiềm hiểu những khu vực chưa được khám phá này trở nên rất cần thiết Đối với con người sự hiểu biết một cách rõ ràng

và kiểm soát được môi trường là điều rất quan trọng và có thể trở thành hiện thực nếu được trợ giúp của các nhà khoa học và các thiết bị nghiên cứu tiên tiến

Nghiên cứu biển đặc biệt quan trọng đối với Việt Nam cả về mặt dân sinh và an ninh quốc phòng Một đất nước có bờ biển dài trên 3000km và một diện tích rất lớn sông, hồ, đầm lầy…, nơi có một lượng lớn động vật, thực vật

và tài nguyên còn chưa được tìm hiểu Môi trường nước này cần được tìm hiểu vì nó không chỉ có duy nhất và không thể thay thế mà còn để bảo vệ và gìn giữa tài nguyên thiên nhiên nơi mà hàng năm còn mang về một nguồn ngoại tệ lớn cho đất nước Hiện nay việc khám phá và tìm hiểu nguồn tài nguyên dưới nước bằng các công cụ thô sơ, và thợ lặn là việc làm không thực

tế, sử dụng thợ lặn gặp nhiều rủi do và nguy hiểm hơn nữa khả năng lặn sâu

và làm việc dưới nước của con người bị hạn chế Đối với các công trình biển cần thường xuyên được giám sát như các giàn khoan dầu khí trên biển, đường ống dẫn dầu, đường dây dây dẫn quang,… thì việc xử dụng thợ lặn là hoàn toàn không khả thi và không có khả năng thực hiện Chính vì vậy, sự trợ giúp

của các công cụ nghiên cứu, giám sát hiện đại là việc làm tất yếu, đó chính là một trong những lý do quan trọng để phát triển các thiết bị lặn - UV

Hiện nay, trên thế giới có nhiều dạng thiết bị lặn khác nhau như: thiết

bị lặn có dây dẫn nối với tầu mẹ ROV- , thiết bị lặn liên lạc với tầu mẹ bằng sóng siêu âm - AUV, HOV… tất cả các dạng tầu lặn đó đều có những ưu việt

và đặc trưng riêng và được ứng dụng trong các mục đích cụ thể Một trong những ưu việt chung của thiết bị lặn chính là khả năng vận hành tự động của chúng, chúng có thể hoàn thành nhiệm vụ của mình một cách tự động không cần đến sự điều khiển trực tiếp của con người mà thông qua hệ thống các lệnh điều khiển do con người thiết lập sẵn Ngoài ra thiết bị lặn còn có khả năng làm việc trong môi trường nước và ở độ sâu lớn hơn so với con người Một thiết bị lặn tiêu chuẩn bao gồm: Phần mềm điều khiển, hệ thống tự động hoá,

và các cơ cấu chấp hành cùng các thiết bị phụ khác, đây chính là một dạng sản phẩm Cơ điện tử Xu hướng hiện nay của các nhà khoa học là đưa các sản phẩm công nghệ cao vào ứng dụng trong cuộc sống, các dạng sản phẩm của

Cơ điện tử cũng không nằm ngoài xu hướng đó Hơn nữa hiện nay tác giả đang công tác và làm việc tại Phòng Cơ điện tử - Viện Cơ học nên đây chính

là các lý do mà tác giả chọn nghiên cứu thiết bị lặn, mà trước tiên bằng việc tìm hiểu, mô phỏng động học và động lực học của thiết bị lặn bằng phần mềm

mô phỏng cơ học hệ nhiều vật alaska

Trong phạm vi của luận văn này tác giả đề cập đến thiết bị lặn có dây dẫn được nối với tầu mẹ trong quá trình hoạt động - ROV Thiêt bị lặn ROV

sẽ dễ dàng hơn các thiết bị lặn khác trong việc điều khiển và cung cấp năng lượng trong quá trình hoạt động, do việc liên lạc giữa ROV và trung tâm điều khiển trên tầu mẹ thông qua một dây dẫn Việc sử dụng thiết bị lặn này sẽ phù hợp với khả năng chế tạo và ứng dụng tại Việt Nam là phù hợp nhất

Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ THIẾT BỊ LẶN

1.1 Lịch sử nghiên cứu và phát triển thiết bị lặn trên thế giới

Phần lớn các mẫu thiết bị lặn ngày nay đều được thiết kế dựa trên các mẫu thiết bị lặn được thiết kế vào năm 1930 và mô hình tầu ngầm quân sự, nhưng nó không thể hoạt động được tại các độ sâu lớn, đó chính là hạn chế lớn nhất của các thiết bị lặn được chế tạo từ những năm 1930 của thế kỷ trước Những mẫu thiết kế đầu tiên cho thiết bị lặn đó là dạng hình cầu, tuy nhiên những mẫu thiết kế này luôn tồn tại sự nguy hiểm, việc điều khiển thiết

bị lặn này luôn đặt trong tình trạng nằm ngoài khả năng kiểm soát của con người Thiết bị lặn loại này được liên lạc với tầu mẹ bằng một hệ thống tời kéo, và các hệ thống đảm bảo an toàn khác như hệ thống dẫn khí, hệ thống cân bằng áp suất…

Hình 1.1: Thiết bị lặn dạng hình cầu Thiết bị lặn tự hành được phát triển và cải tiến trong suốt thập niên

1950 đến nay các thiết bị lặn được trang bị hoàn thiện hơn, đó chính là kết

quả của việc cải tiến công nghệ và đồng thời đáp lại yêu cầu của các nhà khoa học trong việc nghiên cứu môi trường biển Để có thể quan sát trực tiếp và đo đạc, giám sát được đáy biển ngày nay thiết bị lặn được trang bị các máy quay camera, các tay robot, các cảm biến, và các thiết bị phụ trợ khác Ngoài mục đích phục vụ nghiên cứu khoa học ra thiết bị lặn này còn có thể tìm kiếm các thiết bị đã mất, phục vụ trong du lịch và phục vụ trong cứu hộ trên biển

Năm 1954 một thiết bị lặn tự hành loại này đã được chế tạo và thử nghiệm thành công bởi Auguste Piccard, nó được dùng để thăm dò vùng biển sâu và khắc phụ được các hạn chế của các mẫu thiết bị lặn trước đây Thiết bị lặn loại này thực tế mà nói nó gần giống như một kinh khí cầu hoạt động dưới nước

Hình 1.2: Thiết bị lặn Trieste II Năm 1960 phiên bản thứ 2 của thiết bị lặn ra đời có tên là Trieste II, nó

có thể mang theo 2 người trong quá trình làm việc, có khả năng lặn sâu tới 30,580ft (hay 10,900 m) và lập nên một kỷ lục về khả năng lặn sâu của thiết

bị lặn Một trong những điều gây ấn tượng mạnh nhất đó chính là thiết bị lặn

có tên Aluminaut, nó được chế tạo bằng hợp kim và có thể hoạt động ở độ

sâu 15,000ft (hay 4,570 m) với một thuỷ thủ đoàn gồm 6 người Sau đó các

thiết bị lặn đã được gắn thêm một cánh tay robot, mà Alvin là một thí dụ điển hình, Alvin được chế tạo bởi Woods Hole Oceanographic Institution, nó có

khả năng lặn sâu tới 13,000ft (hay 3,960m) với đội thuỷ thủ gồm 3 người,

Alvin được trang bị các thiết bị như đối với Aluminaut tuy nhiên nó có gắn

thêm một cánh tay robot Năm 1974 Alvin và 2 thiết bị lặn khác của Pháp là

Archimède và Cyana được sử dụng trong một dự án táo bạo giữa Pháp và Mỹ

có tên là FAMOUS (for French-American Mid-Ocean Undersea Study), để

nghiên cứu đáy biển Năm 1987 Alvin mang theo máy quay camera và thu lại

được các thông tin từ con tầu Titanic Tất cả các mẫu thiết bị lặn trước đây đều được vận hành bằng một đội ngũ thủy thủ, nguyên lý hoạt động và cấu tạo của chúng hoàn toàn giống như một mẫu tầu ngầm phục vụ trong quân sự Chính vì thế mà kích thước của chúng khá lớn cũng như khả năng vận hành không linh hoạt do đó hiệu quả mang lại trong nghiên cứu khoa học của chúng chưa cao

1.2 Cấu tạo và ứng dụng của thiết bị lặn

Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ các thiết bị lặn ngày càng hiện đại hơn, tuỳ theo mục đích sử dụng mà chúng được trang

bị các thiết bị phù hợp Các thiết bị lặn ngày nay nhỏ hơn, vận hành tự động, phụ vụ nhiều trong nghiên cứu môi trường nước, đặc biệt trong nghiên cứu biển, nó rất hữu ích trong việc nghiên cứu đáy biển nơi con người không thể trực tiếp nghiên cứu được Đặc biệt thiết bị lặn ngày nay được ứng dụng rộng rãi trong giám sát các công trình ngầm dưới biển, các giàn khoan dầu khí, mà đặc biệt chúng được trang bị các thiết bị hiện đại để có thể khác phục được

các hư hỏng hoặc đưa ra cảnh báo trong vấn đề an toàn khi vận hành các công trình này

1.2.1 Cấu tạo của thiết bị lặn [17]

Hình dạng của thiết bị lặn được thiết kế và chế tạo rất đa dạng nó phụ thuộc chủ yếu vào nhiệm vụ mà thiết bị lặn đảm nhiệm Đối với bất kỳ một thiết bị lặn dạng nào đi chăng nữa nó cũng bao gồm: Nguồn năng lượng để đảm bảo quá trình hoạt động trong mọi điều kiện và môi trường khác nhau và các hệ thống điều khiển và thông tin liên lạc

Hình 1.3: Cấu tạo của một thiết bị lặn loại AUV Thiết bị lặn loại AUV liên lạc với trung tâm điều khiển bằng sóng siêu

âm đồng thời trong quá trình họat động thì tự cung cấp năng lượng, do vậy thời gian hoạt động của nó phục thuộc vào nguồn năng lượng mang theo Thiết bị lặn loại ROV trong quá trình hoạt động sẽ được cung cấp năng lượng

và liên lạc trực tiếp với trung tâm điều khiển trên tầu mẹ thông qua dây dẫn

Điều khiển nhiệm

vụ

Thiết bị liên lạc với tầu mẹ

Thiết bị tự động cho tầu vào cảng

Các sensor dẫn đường

Hệ thống chuyển hình ảnh từ 2D - 3D

Hệ thống ổn định

vị trí

Các sensor truyền

dữ liệu

Hình 1.4: Thiết bị lặn loại ROV và trung tâm điều khiển trên mặt nước Cấu tạo cơ bản của một thiết bị lặn loại ROV hoặc AUV bao gồm:

 Nguồn cung cấp năng lượng

 Các cảm biến: cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ sâu,…

 Dây dẫn (đối với thiết bị lặn loại ROV)

 Bao quanh thiết bị lặn là các nguồn phát sáng: đèn

 Các máy quay camera, máy chụp ảnh,

 Thiết bị phát hiện các thiết bị lặn khác: thiết bị liên lạc trong môi trường nước

 Thiết bị thí nghiệm, giám sát và thăm dò môi trường nước như: thiết bị

đo môi trường, các thiết bị thí nghiệm khác kèm theo…

 Thiết bị liên lạc với tầu mẹ như: dây dẫn hoặc các máy phát và thu sóng siêu âm,…

 Thiết bị phục vụ nghiên cứu địa lý, thiết bị liên lạc toàn cầu,…

 Ngoài ra ngày nay một số thiết bị lặn có gắn kèm cánh tay rôbốt để thu nhận các mẫu vật và thực hiện các nhiệm vụ bên ngoài

Hiện nay có nhiều phương pháp để điều khiển thiết bị lặn mỗi phương pháp đều có những ưu điểm riêng như:

 Thiết bị lặn nhận lệnh điều khiển trực tiếp của người vận hành từ trung tâm điều khiển thông qua dây dẫn hoặc việc truyền dữ liệu bằng sóng siêu âm

 Thiết bị lặn hoạt động tự động thông qua chương trình điều khiển được lập sẵn

 Thiết bị lặn hoạt động thông qua việc vận hành trực tiếp của con người thiết bị lặn loại này sẽ có một đội ngũ thủy thủ và ngoài ra nó còn có thể

có các nhà khoa học hoặc những người muốn tham quan môi trường nước Loại thiết bị lặn này ngoài các thiết bị được trang bị như thiết bị lặn hoạt động tự động nó còn có khoang điều áp, khoang này có nhiệm

vụ đảm bảo áp suất và cung cấp dự sống cho những người hoạt động trong nó

Các thiết bị lặn ngày nay được thiết kế và chế tạo theo dạng các modul do đó việc lắp ráp và thay đổi chức năng, nhiệm vụ của thiết bị lặn sẽ được dễ dàng hơn

1.2.2 Ứng dụng của thiết bị lặn

Trong những năm gần đây, việc ứng dụng các thiết bị lặn trở nên phổ biến hơn, chủng loại và mục đích sử dụng thiết bị lặn cũng trở nên đa dạng

hơn Với mỗi một nhiệm vụ các nhà khoa học sẽ sử dụng các loại thiết bị lặn khác nhau nhằm mục đích tối ưu hoá chức năng và giá thành thiết bị lặn Trên thế giới các thiết bị lặn được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như:

 Nghiên cứu khoa học,

 Giám sát và bảo dưỡng các công trình biển,

 Điều tra khảo sát và khám phá đại dương,

 Kiểm tra đánh giá môi trường nước,

 Đặc biệt trong việc phân định và vẽ bản đồ đáy biển

 Cứu hộ và đảm bảo an ninh quốc phòng

 Xây dựng và bảo dưỡng các đường ống dưới biển như: ống dẫn dầu, ống dây dẫn quang,…

 Sử dụng trong các giàn khoa dầu khí ngoài biển

Hiên nay giá thành thiết bị lặn còn rất cao nên việc sử dụng phục vụ nghiên cứu khoa học tại Việt Nam còn hạn chế Ở Việt Nam đã ứng dụng thiết bị lặn dưới dạng một khoang chìm dưới nước dùng trong thăm quan môi trường biển

Chương 2 TÍNH NĂNG VÀ CẤU TẠO CỦA MỘT SỐ LOẠI THIẾT BỊ LẶN PHỔ BIẾN TRÊN THẾ GIỚI

2.1 Thiết bị lặn không có người vận hành [15]

Một phát minh mới phục vụ việc nghiên cứu thế giới tự nhiên đó là các thiết bị lặn không có người vận hành UUV Thiết bị lặn loại này bao gồm thiết bị lặn điều khiển từ xa AUV và thiết bị lặn vận hành tự động ROV điều khiển bằng dây dẫn nối với trung tâm điều khiển Trong khoảng 25 năm trước đây, thiết bị lặn không có người vận hành UUV được phát triển từ những nguyên mẫu không được tin tưởng phục vụ cho nghiên cứu khoa học và là một công cụ phục vụ trong quân đội Phạm vi ứng dụng của ROV từ những công việc đơn giản cho đến các công việc yêu cầu độ chính xác cao như khảo sát biển và các công việc hấp dẫn khác như bảo dưỡng các đường dây dẫn ngầm dưới biển và phụ vụ trong ngành dầu khí

Năm 1995 người Nhật đã chế tạo ra một thiết bị lặn có thể lặn sâu đến 36,000 feet (10.977m) Trước đấy đã có thiết bị lặn điều khiển từ xa AUV mang theo bom hydro cùng trang thiết bị lăn sâu 1600 feet (485m) dưới biển Atlantic Đối với các ứng dụng trong thương mại, điều quan trọng nhất của nhóm các thiết bị lặn UUV là khả năng làm việc theo lớp của các thiết bị lặn điều khiển từ xa AUV

Ngày nay, các loại UUV đang được sử dụng rộng rãi tại các quốc gia như: USA, UK, Singapore, và Canada,… Các mẫu UUV được sản xuất ra đều

do nhu cầu thực tế của các công ty, hoặc do đơn đặt hành của các hãng Hiện nay, đã có một số cải tiến chính cho các thiết bị lặn, phần lớn sự thay đổi đó là kết quả của sự phát triển và ứng dụng của việc cải tiến trong công nghệ máy tính và công nghệ điện tử Cùng với sự phát triển đó, việc quan tâm đến vấn

đề độ sâu và những vùng sâu nhất trong nghiên cứu biển, như các giàn khoan dầu khí ngoài biển đã tạo ra một nhu cầu sử dụng các thiết bị chuyên dụng có giá thành hợp lý, có độ tin cậy cao trong quá trình vận hành, và có khả năng bảo dưỡng các thiết bị ngoài biển

2.1.1 Thiết bị lặn có dây dẫn nối với tầu mẹ ROV

Trong những thập niên trước đây, ROV đã chứng minh được tính hiệu quả và nhiều tác dụng Thiết bị lặn loại này chứa nhiều bộ phận phức tạp, mặc

dù vậy, nó vẫn rất cần một số lượng lớn các động cơ điện mà đến ngày nay gần như không thay đổi gì, việc điều khiển thiết bị lặn theo thời gian thực đòi hỏi người vận hành phải được đào tạo ở một trình độ cao Những thiết bị lặn loại này dùng trong giám sát, bảo dưỡng và sửa chữa công trình dưới nước

Trong suốt thập niên 90 của thế kỷ 20, đã có nhiều những thiết kế về cấu trúc, hình dáng của thiết bị lặn đến nay các thiết bị lặn được thiết kế đơn giản hơn, linh hoạt hơn, tốc độ vận hành cao hơn, thời gian làm việc trong môi trường nước cao hơn Đặc biệt hơn các thiết bị lặn ngày nay có khả năng lặn sâu và hoạt động độc lập không cần người vận hành trực tiếp, ứng với mỗi nhiệm vụ cụ thể các nhà thiết kế chế tạo ra một loại thiết bị lặn phù hợp với mục đích của người sử dụng Thiết bị lặn loại ROV có thể hoạt động trong môi trường nước và được liên kết với trung tâm điều khiển bằng dây dẫn, dây dẫn này truyền các tín hiệu điều khiển và cung cấp năng lượng cho tầu hoạt động Dây dẫn này bao gồm dây dẫn thông tin và dây dẫn dùng đề liên kết giữa tầu mẹ và thiết bị lặn ROV có thể thu thập không hạn chế các thông tin môi trường nước và các hình ảnh chân thực có độ phân giải cao và truyền số liệu một cách rất tốt Thiết bị lặn loại này có thể liên lạc trực tiếp đến trung tâm điều khiển đặt trên bờ, trên tầu mẹ hoặc với trung tâm điều khiển phụ được thả xuống nước nhằm hạn chế các tác động cơ học ngược lại của thiết bị

lặn lên trung tâm điều khiển chính ROV có thể phục vụ trong các lĩnh vực phục vụ, quân sự, và trong thương mại Năng lượng và thông số điều khiển được truyền đến thiết bị lặn và các đoạn phim quay được hoặc các số liệu của cảm biến sẽ được thu về bằng sợi dây dẫn được nối với tầu mẹ

Quá trình điều khiển thiết bị lặn (ROV) này đơn giản và chính xác nhờ các thiết bị điều khiển ở trên tầu mẹ Sự khác biệt chính giữa những hệ thống rôbốt dưới nước chính là phương thức điều khiển quá trình hoạt động của nó Thiết bị lặn điều khiển từ xa ROV được liên kết trực tiếp đến tầu mẹ thông qua dây dẫn Nguồn năng lượng được cung cấp trực tiếp đến thiết bị lặn từ trên bờ thông qua các lệnh điều khiển Các cảm biến trên bờ sẽ gửi các thông

số điều khiển trực tiếp đến các cơ cấu chấp hành trên thiết bị lặn Cũng theo cách như vậy để điều khiển quá trình hoạt động của thiết bị lặn

Ngày nay, ngoài thiết bị lặn loại ROV các nhà khoa học cho ra đời thiết

bị lặn loại HUV, thiết bị lặn HUV có thể nói nó như là một ngôi nhà di động trên mặt biển hoặc đáy biển Nó cho phép hoạt động tương tự như các thiết bị lặn loại ROV truyền thống

Hình 2.1: Thiết bị lặn có dây dẫn nối với tầu mẹ ROV

Tay máy, Robot

Động cơ đẩy, chân vị

Năng l-ợng

Dây dẫn (đây cáp truyền tín hiệu

và cung cấp năng l-ợng cho thiết

bị lặn hoạt động)

Máy quay camera

Thiết bị lặn loại ROVs

Hỡnh 2.2 : Sơ đồ hoạt động của ROV

2.1.2 Thiết bị lặn vận hành tự động AUV

AUV là thiết bị lặn có kích thước nhỏ, hoạt động tự do, một thiết bị lặn không có người lái, có khả năng hoạt động độc lập trong môi trường làm việc của mình Thời gian làm việc phụ thuộc vào nguồn năng lượng trên tầu, AUV

có thể hoạt động trong nhiều tuần và thời gian làm việc dài ngày AUV có thể được trang bị vô số những thiết bị có kích thước khác nhau, đặc biệt là hệ thống lưu lại các thông tin trong suốt quá trình hoạt động AUV là thiết bị lặn vận hành độc lập có thể tự hoạt động, tự lái, có khả năng sử lý được các tình huống bất ngờ, và hoàn thành được các nhiệm vụ đã được lập kế hoạch từ trước, mà không có sự can thiệp của con người AUV có thể di chuyển cách hoàn toàn độc lập, nó có thể chuyển động với tốc độ cao và linh hoạt điều đó không thể thực hiện được đối thiết bị lặn có dây dẫn Hơn thế nữa, AUV có thể hoạt động một cách tự động, không cần bất kỳ một thiết bị phụ trợ nào bên cạnh Bởi vì đó, AUV rất phù hợp ứng dụng trong quân sự

Hình 2.3: Thiết bị lặn tự hành AUV

Sự khác biệt chính của một AUV đối với một ROV đó chính là AUV không liên lạc trực tiếp với trung tâm điều khiển trên mặt nước bằng các dây dẫn mà được liên lạc bằng cách truyền sóng siêu âm trong môi trường nước

Trong thực tế việc liên lạc bằng cách này cũng có nhiều thuận lợi và khó khăn

ví dụ như: việc truyền âm bị phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết và điều kiện về môi trường Những thuận lợi chính của phương pháp truyền bằng âm thanh này là: có khả năng can thiệp trong khi thiết bị lặn đang hoạt động, giảm giá thành của sản phẩm

Trong trường hợp các thông số vật lý phục vụ điều khiển giữa thiết bị lặn và trung tâm điều khiển ở trên bờ không liên lạc được với nhau thì nguồn năng lượng sẽ được cung cấp thông qua thiết bị dự trữ năng lượng ở trên thiết

bị lặn Việc chậm trễ trong việc truyền thông tin giữa thiết bị lặn và thiết bị đẩy có thể làm cho quá trình hoạt động của thiết bị lặn bị dừng lại Người điều khiển có thể can thiệp vào quá trình điều khiển tự động của thiết bị lặn trong trường hợp có sự cố xảy ra hoặc có cảnh báo từ trung tâm điều khiển hoặc có thể khẩn cấp dừng quá trình hoạt động của thiết bị nếu cần Nhưng đối với hệ thống thông minh được lắp trên thiết bị lặn thì quá trình điều khiển sẽ tuân thủ theo các lệnh điều khiển chung của quá trình vận hành và nhiệm vụ được lập trình trước

Mặt khác, AUV bị hạn chế bởi nguồn năng lượng được mang theo và trong thực tế để điều khiển được AUV theo thời gian thực từ mặt biển đến thiết bị lặn là rất khó, do hạn chế về khả năng truyền âm trong môi trường nước biển Mặc dù có những hạn chế đó, nó vẫn được ứng dụng cho các thiết

bị lặn AUV đặc biệt ứng dụng trong nghiên cứu đáy biển, nơi mà thiết bị lặn

có thể tìm kiếm, thu thập các thông số trên một diện tích rộng lớn

Tay m¸y, Robot

§éng c¬ ®Èy, ch©n vÞ

N¨ng l-îng M¸y quay camera

ThiÕt bÞ lÆn lo¹i AUVs

HÖ thèng ®iÒu khiÓn

th«ng minh

HÖ thèng liªn l¹c b»ng sãng siªu ©m

Hình 2.4 Sơ đồ hoạt động của AUV

Các thiết bị lặn loại AUV có thể chia thành nhiều loại dựa trên khả năng và nhiệm vụ mà mỗi AUV có thể đảm nhận và công nghệ được sử dụng cho quá trình hoạt động

Loại 1: Những AUV phục vụ trong quá trình tìm kiếm thu thập thông tin, loại

này được sử dụng nhiều trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học và phục vụ trong quân sự vì khả năng thu thập thông tin của chúng rất cao Những thiết bị lặn loại này được thiết kế tối ưu để nó có thể vận hành tự động và tìm kiếm một cách chi tiết trên một diện tích rộng lớn bề mặt đáy biển Ngoài ra thiết bị lặn loại này còn được sử dụng trong việc nhận biết các vật thể nổi hoặc các tầu ngầm quân sự

Loại 2: Loại thiết bị lặn này được phát triển dựa trên các mẫu thiết bị lặn

ROV và AUV được gọi là Hybrid ROV-AUV, đây là một giả pháp tối ưu cho công nghệ Thiết bị lặn loại này sẽ hạn chế được những điểm yếu của thiết bị

lặn AUV, từ đó cho ra một sản phẩm công nghệ hoàn chỉnh hơn

2.2 Thiết bị lặn có người quan sát - HOV

Vào những thập niên 1960 việc thiết bị lặn có người quan sát là một vấn

đề còn bị rất nhiều nhà khoa học hoài nghi, và không tin tưởng vào ý tưởng

đó Tuy nhiên sau một vài dự án nghiên cứu được thành công như: dự án nghiên cứu biển địa trung hải giữa các nhà khoa học Pháp và Mỹ FAMOUS (French-American Mid-Ocean ridge Study), thì thiết bị lặn có người quan sát

đã được đưa vào triển khai ứng dụng trong nghiên cứu sự nhấp nhô không bằng phẳng của đáy biển Chính sự thành công trong nghiên cứu thiết bị lặn

có người quan sát đã đóng góp một phần vô giá trong nghiên cứu khoa học

mà đặc biệt trong nghiên cứu biển HUV giúp cho con người có thể quan sát trực tiếp đáy biển, và ý nghĩa hơn cả là thiết bị lặn này còn có thể đặt được cả một phòng thí nghiệm phục vụ nghiên cứu Và cuối cùng HUV còn là một

điển hình cho việc thiết kế theo các mô đun, việc thiết kế HUV rất linh hoạt, ngoài ra nó còn có thể cung cấp một số lượng các hệ thống thu thập mẫu nghiên cứu phục vụ nghiên cứu khoa học

Hình 2.5: Thiết bị lặn có người quan sát HUV bước đầu là sương sống trong nghiên cứu khoa học của các nhà khoa học giữa những thập niên 80 đến giữa những thập niên 90 của thế kỷ trước HUV là một trong những mẫu mới, độc nhất vô nhị được nghiên cứu và phát triển phục vụ cho việc thu thập mẫu vật nghiên cứu môi trường dưới nước, một trong các dạng mẫu vật đó là các mẫu vật địa hoá học phục vụ nghiên cứu ô nhiễm môi trường, các kết cấu trôi nổi phục vụ nghiên cứu các sinh vật biển phù du, các mẫu vật này được thu thập nhờ các camera sử dụng được trong môi trường nước hoặc các cánh tay rôbốt

2.3 Phân tích một số chi tiết chính của thiết bị lăn ROV [17]

2.3.1 Dây dẫn

Để đảm bảo cho ROV hoạt động được một trang bị không thể thiếu đó

là dây dẫn, dây dẫn này phải có đủ độ bền để chịu được toàn bộ tải trọng của

thiết bị lặn tác dụng lên và ngoài ra nó còn cung cấp được năng lượng, và thông tin liên lạc từ trung tâm điều khiển đến thiết bị lặn Kích thước của thiết

bị lặn, trọng lượng độ sâu có thể đạt được, cũng như các động cơ đẩy của thiết

bị lặn phụ thuộc chủ yếu vào việc thiết kế dây dẫn cho ROV

Hình 2.6: Dây dẫn truyền thông tin và cung cấp năng lượng cho ROV Chính vì vậy một trong những yêu cầu chính của dây dẫn là: cung cấp năng lượng, truyền thông tin từ thiết bị lặn lên trung tâm điều khiển trên tầu

mẹ phải ổn định và ngoài ra nó cũng phải đủ độ bền về mặt cơ học

2.3.2 Động cơ đẩy

Hệ thống động cơ đẩy hiện nay đang được sử dụng rộng rãi cho các thiết bị lặn đó là động cơ thuỷ lực và động cơ điện Nói chung với các thiết bị lặn có công suất nhỏ hoặc vừa phải thì hay sử dụng động cơ điện Đối với các thiết bị lặn có công suất lớn được sử dụng động cơ điện-thuỷ lực Tuy nhiên việc lựa chọn động cơ đẩy còn phụ thuộc vào nhiệm vụ và tính thương mại của thiết bị lặn Đối với các thiết bị lặn dùng trong quân sự, việc giảm thiểu tiếng ồn do thiết bị lặn gây ra trong quá trình hoạt động là ưu tiên hàng đầu chính vì vậy động cơ điện sẽ là ưu tiên hàng đầu, do động cơ điện thủy lực gây ra tiếng ồn cao

Động cơ đẩy có nhiều kích thước, chủng loại và hình dáng khác nhau

và có thể là động cơ điện hoặc động cơ thủy lực, động cơ này được nối trực tiếp đến hộp giảm tốc, sau đó qua hệ thống chống nước, ống nối và dẫn động chân vịt - thiết bị tạo lực đẩy Những đặc trưng của hệ thống động cơ đẩy bằng điện được sử dụng đó là: các động cơ điện của mỗi chân vịt độc lập với nhau, những hộp số đa cấp được dẫn động bởi các động cơ độc lập Sử dụng động cơ đẩy bằng điện mang lại lợi thế cho các thiết bị lặn ROV cỡ nhỏ

Một động cơ đẩy bao gồm:

- Chân vịt

- Hộp số

- Động cơ dẫn động, động cơ AC/DC

Hình 2.7: Động cơ đẩy dùng cho thiết bị lặn Vận tốc hoạt động của thiết bị lặn được thay đổi thường xuyên nhờ động cơ đẩy, tuy nhiên các động cơ đẩy này cũng làm cho quá trình hoạt động của thiết bị lặn không được ổn định Chính vì đó phương trình điều khiển quá trình hoạt động của thiết bị lặn là hàm của vận tốc Khi thiết bị lặn hoạt động trong môi trường có dòng nước chảy thì dưới tác dụng của vận tốc dòng nước tốc độ của động cơ đẩy hoạt sẽ thay đổi, nhằm đảm bảo cho quá trình làm việc của thiết bị lặn được ổn định Khi đó về mặt cơ bản vận tốc dòng nước sẽ

là vận tốc đầu vào của động cơ đẩy nó sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến công suất của động cơ đẩy, khi này vị trí lắp động cơ đẩy trở nên rất quan trọng Vì vậy việc thiết kế vị trí, số lượng, và kích thước động cơ đẩy trên thân của thiết bị lặn nó không chỉ quan trọng như việc lựa chọn công suất của động cơ đẩy Kích thước động cơ đẩy và vị trí của nó trên thân thiết bị lặn được tính toán cho toàn bộ hệ thống, trong đó bao gồm cả: cân bằng công suất được sử dụng của động cơ dẫn động và cả các hệ thống phụ khác, phải đảm bảo việc sử dụng các động cơ đẩy này sẽ không tiêu tốn năng lượng của các hệ thống thiết

bị khác

2.3.3 Camera

Không có một thiết bị lặn nào có thể hoạt động được mà không có một

hệ thống camera hoàn thiện, các camera được ví như là con mắt của thiết bị lặn, nó chính là đôi mắt của người vận hành thiết bị lặn Khả năng vận hành

và thu thập thông tin của một thiết bị lặn phụ thuộc chủ yếu vào các camera dẫn đường Các camera này đều là camera kỹ thuật số, có khả năng làm việc trong môi trường nước, chất lượng ảnh thu được rất cao vì phục vụ cho quá trình xử lý ảnh của trung tâm điều khiển Tùy thuộc vào các ứng dụng, mà hệ thống camera sẽ được lựa chọn, đối với thiết bị lặn phục vụ quan sát hoặc giáp sát môi trường biển thì hệ thống camera yêu cầu khắt khe hơn Đối với

hệ thống camera này thì yêu cầu nguồn phát sáng có công suất lớn Một camera phải có khả năng xoay tròn quanh vị trí của nó và có khả năng điều khiển tiêu cự theo yêu cầu của người vận hành Người điều khiển camera phải điều khiển để camera tránh mọi cản trở hạn chế đến tầm nhìn, để tăng thêm tầm nhìn trong quá trình vận hành của thiết bị lặn và cả không gian làm việc của tay máy nếu có Nhờ các camera này ROV có thể tự kiểm tra các vật cản,

các mối nguy hiểm có thể gây ra cho nó, để hạn chế tới mức tối đa các hỏng hóc trong quá trình hoạt động

Hình 2.8: Một loại camera được ứng dụng trên thiết bị lặn Các thiết bị lặn hiện đại ngày nay được trang bị rất nhiều camera kỹ thuật số có thể được trang bị tới 10 chiếc, với mục đích thu thập được nhiều thông tin từ nhiều hướng khác nhau, đồng thời nhờ đó quá trình hoạt động của thiết bị lặn được hoàn hảo hơn Tuy nhiên số lượng camera này không thể tăng quá nhiều do hạn chế về số lượng cổng giao tiếp ở trung tâm điều khiển,

và hạn chế về kích thước của dây dây dẫn

2.3.4 Hệ thống Laser

Một trong những trang bị mới cho các thiết bị lặn hiện đại ngày này là

hệ thống laser, hệ thống này được trang bị nhiều trong các thiết bị lặn có mục đích thương mại Hệ thống này được sử dụng trong các công việc đặc biệt, như: giám sát hệ thống tháp khoan dầu khí, giám sát các thiết bị nổi, hoặc sử dụng cho công việc tìm kiếm hoặc nghiên cứu Hệ thống laser này sẽ có các cảm biến giúp cho hệ thống laser phân biệt được các mục tiêu cần lựa chọn trong một diện tích nhỏ hẹp trong phạm vi tia laser quét qua Hệ thống laser này lưu lại thông tin về các vật thể dưới dạng các chấm để từ đó xây dựng thành một bức ảnh hoàn thiện về vật thể hoặc đáy biển

Hình 2.9: Hệ thống laser Đối với các thiết bị lặn hệ thống laser này hoạt động độc lập với hệ thống camera, hệ thống laser này được lắp trên các thiết bị lặn hiện đại nhằm mục đích xác định nhanh và chính xác các nhiệm vụ được yêu cầu

2.3.5 Hệ thống siêu âm

Như chúng ta đã biết ánh sáng không có khả năng truyền xa trong môi trường nước Chính hạn chế đó mà khả năng quan sát trong quá trình làm việc trong môi trường nước là rất hạn chế Hơn nữa khả năng di chuyển của các thiết bị lặn trong môi trường nước không nhanh, vì vậy để có thể nắm bắt các thông tin trong môi trường nước nhất thiết cần sự trợ giúp của các thiết bị khoa học hiện đại Trong những thập niên gần đây để khác phục những hạn chế đó các nhà khoa học đã ứng dụng công nghệ siêu âm phục vụ cho các thiết bị lặn nhằm mục đích tăng khả năng quan sát của con người trong môi trường nước

Giống như đối với các rôbốt và các thiết bị phục vụ trong quá trình làm việc, đều yêu cầu mở rộng khả năng quan sát một cách bao quát, đây chính là một trong những yêu cầu sống còn trong quá trình làm việc của bất kỳ một trang

bị nghiên cứu khoa học Nó trở nên rất quan trọng do đối với các thiết bị lặn

hoạt động ở một khoảng cách xa đối với người vận hành thì sự can thiệp của người vận hành không thể trực tiếp được và đôi khi không thể can thiệp được

Hình 2.10: Hệ thống thu và phát sóng siêu âm

Hệ thống siêu âm ngoài nhiệm vụ hỗ trợ trong quá trình làm việc nhiệm

vụ quan trong không kém đó là phát hiện các thiết bị lặn khác, các vật cản,… phục vụ cho quá trình dò đường của các thiết bị lặn Ngoài ra đối với các thiết

bị lặn loại AUV hệ thống siêu âm còn phục vụ trong việc liên lạc giữa trung tâm điều khiển và thiết bị lặn Ngày nay hệ thống siêu âm còn có thể ứng dụng trong việc vẽ các bản đồ, và tránh va chạm trong quá trình họat động

Để thuận tiện cho việc hoạt động của các hệ thống laler trên thiết bị lặn, hệ thống laser sẽ được lắp đặt bên thân của thiết bị lặn, do tại những vị trí như thế này khả năng qua sát đáy biển của hệ thống laser sẽ tốt hơn đồng thời không ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của các thiết bị khác

2.3.6 Tay máy

Mặt trước của thiết bị lặn là nơi dùng để lắp các tay máy, các camera, thiết bị chiếu sáng,… Do các thiết bị lặn hoạt động trong môi trường nước và không do con người trực tiếp vận hành mà thông qua các hệ thống vận hành

tự động, để thuận tiện cho nghiên cứu khoa học và thám hiểm các nhà khoa học đã ứng dụng công nghệ rôbốt cho các thiết bị lặn

Hình 2.11: Một loại tay máy dùng trên thiết bị lặn Kraft

(TeleRobotics Predator-7) Các tay máy này họat động dưới sự điều khiển từ xa của trung tâm điều khiển, nó cho phép con người điều khiển quá trình hoạt động từ trên mặt nước Các tay máy này không giống như các tay máy được sử dụng trong công nghiệp, trong công nghiệp mỗi tay máy chỉ đảm nhận một công việc hoặc các công việc được lập trình thông qua hệ thống điều khiển, còn đối với các tay máy được sử dụng trên các thiết bị lặn nhiệm vụ của chúng đa dạng hơn Có thể nói tay máy thay cho cánh tay của con người, nó được con người điều khiển trực tiếp thông qua hệ thống điều khiển thời gian thực, chính vì lý

do đó mà cấu trúc của tay máy phức tạp hơn nhiều so với tay máy sử dụng trong công nghiệp Đối với các tay máy này chỉ bao gồm các cơ cấu chấp hành và các khớp liên kết, còn toàn bộ sự phức tạp nhất nằm ở bộ điều khiển của chúng Phía đầu của tay máy có thể được gắn thêm các dụng cụ phục vụ nghiên cứu khoa học hoặc tìm kiếm thông tin trong môi trường nước Khi lựa chọn các tay máy, điều quan trọng là chọn được loại có thể thao tác được các công việc trong một thời gian hợp lý

Khi lựa chọn và tích hợp các hệ thống tay máy thì cần thiết phải có các thông số chính sau:

 Số lượng và kiểu tay máy yêu cầu

2.3.7 Sensor đo độ sâu

AUV bao giờ cũng phải có hệ thống phụ để đo độ sâu Mặc dù vậy, một thiết bị đo độ cao không bao giờ cho phép AUV vào thời điểm này AUV đang ở vị trí nào trong cột nước, mà chỉ cho biết được độ cao của AUV so với đáy biển, vì vậy ta không thể biết được AUV đang lặn sâu ở mức bao nhiêu Việc xác định được độ sâu đang làm việc của AUV là việc làm cần thiết giúp cho chúng hoạt động tốt hơn và hiệu quả hơn trong công việc của mình Chính vì vậy tại sao chúng ta phải cần đến sensor đo độ sâu cho AUV Sensor

đo độ sâu bao gồm một thiết bị chính đá là sensor cảm ứng áp suất, ngày nay người ta hay sử dụng sensor làm bằng Silicon (Silicon Pressure Sensor)

Áp suất cột nước có thể được tính bởi phương trình: P = gh * hm

Với hm là chiều cao của cột nước phía trên của sensor và gh là gia tốc trọng trường trong môi trường chất lỏng

Chúng ta có thể tính gần đúng giá trị của gh theo công thức sau: gh = ρ * g Với ρ là trọng lượng riêng của khối chất lỏng và g là gia tốc trọng trường

kỳ của một điểm nào thuộc vật là hoàn toàn xác định, đó là khoảng cách từ gốc hệ toạ độ động đến điểm đấy i

u Vị trí của điểm này trong hệ toạ độ khác được xác định bởi vị trí của điểm gốc và chuyển động quay của hệ động so với hệ toạ độ khác ấy Ta cần dùng 6 tham biến là đủ để xác định được vị trí gốc toạ độ và chuyển động của hệ động xo với hệ toạ độ cố định

O

E rr or

! B oo k m ar

OO,

1

1,XX

2

2,XX

Q r

Hình 3.1: Hệ toạ độ động và hệ toạ độ cố định Trên Hình 3.1chuyển động tương đối giữa hai gốc được xác định bởi gốc O

và O’, chuyển động quay của 2 hệ này được xác định bởi 3 tham biến độc lập

Trước khi hệ toạ độ X1,X2,X3 quay đối với hệ X1 ,X2 ,X3 các thành phần của trong hai hệ toạ độ là như nhau Giả thiết hệ quay một góc  quanh trục OC

X1

1X

X2

2X

X3

3

X

QQ

rr

a

C



v

OO

C

QD

trong hệ X1,X2,X3 xác định bởi véc tơ r



r v

r v a

r v v a

r v r r

0

~

1 2

1 3

2 3

v v

v v

v v v

0

~

1 2

1 3

2 3

r r

r r

r r r

Khi đó đẳng thức (*) được viết lại như sau:

r v

v

I

r v r

v r r

v v r

~ ( 2 sin

~

2 sin )

~ ( 2 sin )

~ ( 2

sin

~ 2 sin

)

~

(

2 2

2 2 2

v v

3.1.2 Góc Euler

Ta có:

2

cos 2 sin 2 sin    , ta viết lại ma trận chuyển (3.2) viết lại như sau:

~ 2

cos 2 sin

~

v I

2

sin

1 1

0 3 2 2

0 3

1

1 0 3 2 2

3 2 1 3

0 2

1

2 0 3 1 1

0 2 1 2

3 2 2

) ( 2 ) ( 2 1 ) (

2 )

(

2

) (

2 ) ( 2 ) ( 2 1 ) (

2

) (

2 )

( 2 )

( 2 )

2 )

(

2

) (

2 1 ) ( ) ( 2 ) (

2

) (

2 )

( 2 1 ) ( )

(

2

2 3 2 0 1

0 3 2 2

0 3

1

1 0 3 2 2

2 2 0 3

0 2

1

2 0 3 1 1

0 2 1 2

1 2

Khi đó mối quan hệ giữa các thành phần của cùng một véc tơ trong hai hệ tọa

độ khi đã biết vị trí của hệ tọa độ động so với hệ tọa độ cố định được viết dưới

u A

Vị trí của một điểm bất kỳ trên vật có thể được xác định bằng biểu thức:

i i i i

u A R

3.2 Phần mềm mô phỏng động học và động lực học [11]

alaska là phần mềm chuyên dùng để mô phỏng động lực học hệ nhiều

vật (Multibody System - MBS) Nói chung một hệ nhiều vật là tập hợp các vật rắn có thể chuyển động trong không gian 3 chiều Các vật rắn này được liên kết với nhau dưới dạng vật lý/hình học hoặc với vật nền không lệ thuộc

hệ nhiều vật Liên kết hình học nghĩa là các đối tượng hình học của các vật được nối cặp trùng khít nhau, còn liên kết vật lý nghĩa là các tác động qua lại giữa các vật hoặc giữa một vật với nền bằng các ngoại lực và mô men tác động

Hình 3.3: Liên kết vật lý và liên kết hình học trong hệ nhiều vật

Ngoài ra phần mềm alaska còn có thể mô hình hoá vật rắn biến dạng

dưới dạng một phần tử đặc biệt gọi là siêu phần tử - là sự xấp xỉ của dầm đàn hồi với bốn vật rắn được nối với nhau bằng các lò xo và các khớp Các hằng

số đàn hồi và các đặc tính quán tính của bốn vật này được chọn gần đúng với hoạt động của dầm Chuyển động hệ nhiều vật được mô tả bằng các phương trình chuyển động phi tuyến Trong một số trường hợp, để giải được bài toán động lực học chỉ cần tuyến tính hoá phương trình chuyển động là đủ Điều đó

có nghĩa là chỉ xét đến những dao động nhỏ quanh vị trí cân bằng tĩnh

alaska cung cấp cả hai kiểu tính toán tuyến tính và phi tuyến

3.2.1 Các phân tích tuyến tính

 alaska tạo ra các phương trình được tuyến tính hoá dạng số mô tả các

chuyển động nhỏ quanh vị trí cân bằng tĩnh

 alaska thực hiện phân tích giá trị riêng các phương trình tuyến tính hoá để

xác định các tần số và dao động tự nhiên của MBS

 alaska giải các phương trình tuyến tính hoá theo thời gian đối với các kích

động ban đầu được cho trước

3.2.2 Các phân tích phi tuyến

 alaska tạo ra các phương trình chuyển động phi tuyến

 alaska tính toán và đưa ra các kết quả theo yêu cầu của người dùng để

nghiên cứu chuyển động của hệ thống, chẳng hạn như các lực liên kết, lực tác động lên lò xo và các phần tử giảm chấn, các toạ độ, vận tốc, gia tốc của các điểm, phép quay các hệ toạ độ, vận tốc góc

 alaska thực hiện phân tích tần số và tính các thông số thống kê của bất kỳ

một kết quả nào được tính toán theo miền thời gian

3.3 Mô phỏng động học và động lực học dây dẫn

Đối với các thiết bị lặn loại ROV trong quá trình hoạt động sẽ được cung cấp năng lượng và thông tin thông qua một dây dẫn Khi dây dẫn được thả xuống nước nó sẽ chịu tác dụng của ngoại lực làm cho nổi lên hoặc làm chìm xuống từ đó tác dụng lên thiết bị lặn hoặc tác dụng lên tầu mẹ ở trên mặt biển, các ngoại lực đó là: lực do sóng, do dòng chảy, do chính thiết bị lặn tác dung lên, lựa đẩy nổi,…

Hiện nay, đã có nhiều nhà khoa học đi sâu nghiên cứu các vấn đề lý thuyết liên quan đến dây dẫn như E Kreuzer và F C Pinto [6],… trong luận văn này tác giả ứng dụng những lý thuyết đó kết hợp với phần mềm alaska để

mô phỏng chuyển động của dây dây dẫn trong quá trình họat động của thiết bị lặn, đồng thời mô phỏng các tác động của ngoại lực lên dây dẫn trong không gian

3.3.1 Mô hình dây dẫn bằng phần mềm alaska

Để đơn giản trong quá trình mô phỏng khi dây dẫn hoạt động trong môi trường nước ta sử dụng các giả thiết sau:

 Bỏ qua các tác động do sóng trên bề mặt gây ra, và các tác động nhỏ khác

 Dây dẫn có các thông số hình học được thống kê trong bảng 3.1

 Khi mô phỏng dây dẫn ta chia nhỏ dây dẫn thành các phần tử, các phần tử này được coi là các vật rắn hình trụ được liên kết với nhau bởi các khớp quay, các khớp quay này là khớp lò xo có giảm chấn

 Ngoại lực chính tác dụng lên dây dẫn do: dòng chảy, lực acsimet, trọng lực,… gây ra và ổn định trong suốt quá trình tính toán

Việc chia dây dẫn bởi các phần tử như vậy sẽ rất phù hợp cho việc phân tích các chuyển động tổng quá của nó và đánh giá được các ứng sử của dây dẫn trong quá trình làm việc

TT Tên các thông số Ký hiệu Giá trị

X

P O

x y z

Phương trình chuyển động tổng quát của cáp trong hệ toạ độ Oxyz [10]

s

T t

w t

v t

u Mx

s

T t

w t

u t

v My

s

T t

v t

u t

w Mz

M: ký hiệu là khối lượng của cáp trên 1 đơn vị chiều dài

Mx, My, Mz: số gia khối lượng của cáp trên một đơn vị chiều dài

theo các trục x, y và z của hệ toạ độ Oxyz

E: là mô dun đàn hồi young

L: Chiều dài của một phần tử dây cáp