thiết kế tàu tự hành USV

Bên cạnh đó việc phát triển và xây dựng phương trình động lực học cho con tàu sẽ là bước đệm đầu tiên cho sự hình thành cơ sở các mạch điện và lập trình giải thuật điều khiển để vận hành

LỜI CẢM ƠN

Thực tế luôn cho thấy, sự thành công nào cũng đều gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ của những người xung quanh dù cho sự giúp đỡ đó là ít hay nhiều, trực tiếp hay gián Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu làm đề cương luận văn đến nay, em đã nhận được

sự quan tâm, chỉ bảo, giúp đỡ của thầy cô, gia đình và bạn bè xung quanh

Với tấm lòng biết ơn vô cùng sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất từ đáy lòng đến quý thầy cô của trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã cùng dùng những tri thức và tâm huyết của mình để có thể truyền đạt cho chúng em trong vốn kiến thức quý báu suốt thời gian học tập tại trường

Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn thầy Lê Thanh Long đã tận tâm chỉ bảo hướng dẫn em qua từng buổi nói chuyện, thảo luận về đề tài nghiên cứu Nhờ có những lời hướng dẫn, dạy bảo đó, bài đề cương luận văn này của em đã hoàn thành một cách tốt nhất Một lần nữa, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy

Ban đầu em còn bỡ ngỡ vì vốn kiến thức của em còn hạn chế Do vậy, không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của quý thầy cô và các bạn để bài luận được hoàn thiện hơn

TP.Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 5 năm 2019

Sinh viên

Trang Thế Toàn

hải khác, thì việc nước ta nên đầu tư nghiên cứu và phát triển hướng đề tài này là cần thiết

Trên cơ sở là các hướng thiết kế và chế tạo hiện nay và dựa theo nhu cầu của khách hàng, ta lập bảng ngôi nhà chất lượng để đánh giá các tiêu chí theo các yêu cầu của khách hàng và theo đó đánh giá đưa ra các yêu cầu thiết kế kỹ thuật Từ đó đề tài có thể thiết kế theo những hướng nhằm đáp ứng triệt để thỏa mãn nhu cầu khách hàng một cách hiệu quả nhất

Dựa trên những lý thuyết về thuyết bền, sức nổi và sức cản của cả kiến thức về cơ

sở thiết kế máy cũng như thiết kế tàu thủy Đề tài có thể thiết kế và mô phỏng kết quả của các chi tiết bao gồm cả các bộ phận cơ học và động lực học tối ưu nhất cho việc vận hành tàu với mức độ an toàn cao và hoàn thiện tốt

Bên cạnh đó việc phát triển và xây dựng phương trình động lực học cho con tàu sẽ

là bước đệm đầu tiên cho sự hình thành cơ sở các mạch điện và lập trình giải thuật điều khiển để vận hành con tàu, qua đó ta có thể đáp ứng một cách tối đa và từ đó đề tài có thể tích hợp nhiều hơn các ứng dụng về quan trắc môi trường, …

Vì vậy, qua các ứng dụng tùy thuộc theo mục đích và nhu cầu mà tàu sẽ có nhiều phiên bản cải tiến nhằm có thể đáp ứng được hết tất cả các yêu cầu từ mục đích môi trường cho đến các mục đích quốc phòng

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT LUẬN VĂN ii

DANH MỤC HÌNH vi

DANH MỤC BẢNG ix

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan về đề tài 1

1.1.1 Giới thiệu về USV 1

1.1.2 Ứng dụng của USV vào nước ta 2

1.2 Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi của luận văn 4

1.2.1 Mục tiêu 4

1.2.2 Nhiệm vụ 4

1.3 Thuận lợi và thách thức 5

1.3.1 Thuận lợi 5

1.3.2 Thách thức 5

CHƯƠNG II: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 6

2.1 Phân tích mô hình USV 6

2.1.1 Đánh giá và lựa chọn phương án thiết kế theo yêu cầu 6

2.1.2 Phương án 1 7

2.1.3 Phương án 2 10

2.2 Cấu trúc và sơ đồ của một USV điển hình 12

2.2.1 Kết cấu chung 12

2.2.2 Động cơ và điều khiển 13

2.2.3 Nguyên lý hoạt động của USV 14

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ PHẦN THÂN CHO USV 16

3.1 Cơ sở lý thuyết 16

3.1.1 Tính sơ bộ và vẽ phác thảo phần thân 16

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ PHẦN KHUNG NỐI 2 THÂN VÀ CÁC CHI TIẾT

KHÁC 48

4.1 Thiết kế khung nối 2 thân 48

4.1.1 Cơ sở thiết kế 48

4.1.2 Thiết kế chi tiết 49

4.2 Thiết kế ống đạo lưu 57

4.2.1 Cơ sở thiết kế 57

4.2.2 Thiết kế chi tiết 59

4.3 Các chi tiết khác 64

CHƯƠNG V: XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC CHO MÔ HÌNH 71

5.1 Giới thiệu chung 71

5.1.1 Định nghĩa hệ quy chiếu và ký hiệu của các tham số động học tàu thủy: 72

5.1.2 Định nghĩa ma trận xoay, sự chuyển đổi giữa BODY và NED: 78

5.2 Xây dựng phương trình toán 79

5.2.1 Phương trình động học 79

5.2.2 Phương trình động lực học 85

5.3 Mô hình toán rút gọn với 3 bậc tự do 103

CHƯƠNG VI: ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN 106

6.1 Đánh giá kết quả 106

6.1.1 Hoàn thành 106

6.1.2 Hạn chế 106

6.2 Hướng phát triển đề tài 107

6.3 Kết luận 107

TÀI LIỆU THAM KHẢO 109

Hình 1.3: USV ESM30 và WAM-V 3

Hình 2.1: Các loại tàu 1 - 2 - 3 thân phổ biến hiện nay 6

Hình 2.2: USV phục vụ nhu cầu quân đội hàng hải 7

Hình 2.3: USV phục vụ khảo sát ô nhiễm môi trường 8

Hình 2.4: USV 2 thân đang di chuyển đến khu vực thực nghiệm 10

Hình 2.5: Kết cấu điều khiển của 1 USV điển hình 12

Hình 2.6: Một số loại động cơ đẩy thông dụng của USV 13

Hình 2.7: Loại Pin thường dùng cho USV 14

Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của một USV 14

Hình 2.9: Sơ đồ động của tàu 2 thân 15

Hình 3.1: Sơ đồ tuyến hình và tính toán sơ bộ 17

Hình 3.2: Bố trí thiết bị và trọng tâm của tàu 20

Hình 3.3: Biểu đồ tương quan lực nổi và chiều chìm 21

Hình 3.4: Kết quả tính lực nổi 21

Hình 3.5: Kết quả tính cân bằng dọc 22

Hình 3.6: Đồ thị GZ đặc trưng cho ổn định ngang 23

Hình 3.7: Tương quan giữa công suất và vận tốc tàu 24

Hình 3.8: Hình phác thảo 3D cho thân tàu 25

Hình 3.9: Cấu trúc các lớp của composite điển hình 36

Hình 3.10: Một số loại gỗ nhân tạo hiện nay 36

Hình 3.11: Các loại composite khác 37

Hình 3.12: Sản phẩm và cấu trúc tế vi của composite FRP 40

Hình 3.13: Ứng dụng của composite FRP vào các tàu đánh cá 43

Hình 3.14: Loại keo gia cường thường dùng trét lớp cho composite FRP 44

Hình 3.15: Sợi thủy tinh gia cường phổ biến 45

Hình 3.16: Thành phẩm sau các công đoạn gia công 47

Hình 4.1: Tổng tải trọng thiết bị đặt lên USV 50

Hình 4.2: Sơ đồ bố trí các thiết bị trên khung nối 2 thân 50

Hình 4.3: Vật liệu nhôm tấm được sử dụng phổ biến 51

Hình 4.4: Phác thảo 3D khung nối 2 thân 52

Hình 4.5: Chia lưới mô phỏng cho chi tiết 55

Hình 4.6: Ứng suất sinh ra ở các vị trí trên khung 55

Hình 4.7: Chuyển vị ở các vị trí trên khung 56

Hình 4.8: Tương quan thông số hình học và vận tốc lưu chất ống đạo lưu 58

Hình 4.9: Phác thảo 2D mặt cắt ngang dự kiến ống đạo lưu 61

Hình 4.10: Phác thảo 3D của 3 hình chiếu ống 62

Hình 4.11: Nhựa PLA và một số sản phẩm in 3D 64

Hình 4.12: Các thông số của động cơ Endura C2 66

Hình 4.13: Phác thảo 3D chi tiết 1 67

Hình 4.14: Phác thảo 3D chi tiết 2 68

Hình 4.15: Phác thảo 3D chi tiết cùm spindle 69

Hình 5.2: Đinh nghĩa các hệ quy chiêu {i} = (xi, yi, zi), {e} = (xe, ye, ze), {n} = (xn, yn, zn), 73Hình 5.3: Quy ước các trục cua hệ tọa đô BODY gắn cố định với tàu thủy 74Hình 5.4: Cân bằng khuynh tâm ngang Khi đó mg=ρg∇, một hình tương có thể được rút

ra để minh họa cho sự ổn định khuynh tâm dọc bằng cách thay thế MT với ϕ bằng ML với

θ 93

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Ngôi nhà chất lượng cho phương án 1 9

Bảng 2.2: Ngôi nhà chất lượng cho phương án 2 11

Bảng 3.1: So sánh ưu - nhược điểm của 3 loại vật liệu 41

Bảng 4.1: Thông số vật liệu nhôm và các vị trí tính chất lực và ngàm đặt lên khung 53

Bảng 4.2: Ứng suất sinh ra trong khung 55

Bảng 4.3: Chuyển vị mỗi điểm trong khung 56

Bảng 4.4: Thông số kỹ thuật của cùm spindle 68

Bảng 5.1: Danh sách các biến trong hệ 6 bậc tự do 75

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về đề tài

1.1.1 Giới thiệu về USV

- Đại dương chiếm hơn 70% bề mặt diện tích trái đất, rất nhiều ứng dụng, dự án đang được thực hiện với nguồn tài nguyên quan trọng này Các cuộc khảo sát môi trường nước cung cấp nhiều ứng dụng cho các hệ thống robot Thu thập dữ liệu đại dương, thực hiện các hoạt động khảo sát, thực hiện các hoạt động cứu hộ hay các hoạt động quân sự trong nước có thể tốn kém và nguy hiểm nếu được thực hiện bởi con người Hiện nay bốn loại robot hoạt động trên và trong nước chính như: Autonomous Underwater Vehicles (AUVs), Remotely Operated Vehicles (ROVs), Unmanned Surface Vehicles (USVs) và Autonomous Surface Vehicles (ASVs) …

Hình 1.1: Một số loại phương tiện vận hành trong nước

- Mặt khác việc quan trắc và khảo sát sông hồ, kênh rạch đang gặp phải nhiều bất trắc như: ô nhiễm nguồn nước đang diễn ra phức tạp trên cả nước, ảnh hưởng không nhỏ đến đời sống người dân, phát triển kinh tế và an ninh quốc phòng Việc quan trắc, khảo sát sông hồ, kênh rạch đang tồn tại một số hạn chế như sau:

• Tính cơ động và hoạt động liên tục không cao;

• Các chương trình quan trắc hiện nay hầu hết được thực hiện thủ công thông qua các thiết bị truyền thống từ con người;

• Phương pháp đo nhanh liên tục, mới nhất hiện giờ đang được sử dụng, và vẫn còn nhiều hạn chế chưa được khắc phục do sản phẩm không được phù hợp với điều kiện địa lý cũng như môi trường trong nước

Hình 1.2: Tình hình quan trắc ở Việt Nam

- Từ việc phân tích đánh giá quan trắc môi trường nước truyền thống nước ta, ta rút

ra được một số ưu điểm sau về mô hình USV thực hiện:

• Đo trực tiếp, nhanh;

• Liên tục trên phạm vi lớn;

• Tiết kiệm nhân công;

• Khả năng tự động hóa cao, tiết kiệm chi phí vận hành;

• Dữ liệu cần quan trắc được cài đặt sẵn theo lịch trình với hành trình ngắn nhất

về đường đi, đồng thời thể hiện lại dữ liệu so sánh với mẫu đo trước để tiện cho việc đánh giá môi trường.;

• Hoạt động tốt trên nhiều loại môi trường ô nhiễm, điều kiện thời tiết xấu với độ tin cậy cao

Về kết cấu điện điều khiển tự động:

- Phạm vi áp dụng cho USV đã được tăng trong vài năm qua Ngày nay USV

được phát triển bởi các phòng thí nghiệm, các tập đoàn và các tổ chức chính phủ Các ứng dụng bao gồm khảo sát và theo dõi, lập bản đồ đo đạc, thu thập, phân tích dữ liệu, mẫu nước, các nhiệm vụ cứu hộ và phòng vệ

- Hiện tại, trong nước vẫn chưa có một nghiên cứu hoàn chỉnh nào thiết kế chế tạo

thuyền người lái phục vụ quan trắc môi trường nước có thể ứng dụng vào thực tế Hầu hết chúng ta phải sử dụng các thiết bị, công nghệ ngoại nhập với giá thành rất cao, chi phí bảo trì, bảo dưỡng tốn kém

- Một số loại USVs phổ biến hiện nay:

Hình 1.3: USV ESM30 và WAM-V

và thực tiễn cao trong dân sự, quân sự và chứng minh khả năng làm chủ trong nghiên cứu và nắm bắt công nghệ tiên tiến Mục tiêu cơ bản luận văn như sau :

• Xây dựng ý tưởng thiết kế cho USV, lựa chọn loại USV và các chức năng tương đối cơ bản mà USV cần có;

• Lựa chọn phương án thiết kế, xây dựng và phát triển phương án thiết kế;

• Lựa chọn cơ cấu truyền động cho USV;

• Thiết kế sơ bộ phần cơ khí;

• Đánh giá thiết kế;

• Thiết kế chi tiết phần cơ khí cho USV theo từng module và tiến hành mô phỏng chuyển động (nếu có);

• Thiết kế các cơ cấu gá, lắp ghép chi tiết theo tiêu chuẩn và mô phỏng sức bền;

• Thiết kế bộ phận liên kết giữa hệ USV – ROV;

• Đánh giá kết quả và thu hoạch

1.2.2 Nhiệm vụ

• Tìm hiểu các phương án thiết kế và lựa chọn phương án thiết kế để phát triển ý tưởng;

• Phác thảo ý tưởng thiết kế đã lựa chọn;

• Tối ưu hóa thiết kế theo hướng thiết kế theo module;

• Tìm hiểu về các loại động cơ đẩy cho các thiết bị tự hành dưới nước và lựa chọn sao cho phù hợp;

• Thiết kế các phương án gá đặt cho các thiết bị điện và kiểm tra cân bằng;

• Thiết kế cơ cấu nâng hạ cho ROV trong hệ USV – ROV;

• Thực nghiệm kiểm chứng khả năng hoạt động thực tiễn và thu hoạch

1.3 Thuận lợi và thách thức

1.3.1 Thuận lợi

- Hiện nay trên thế giới USV có nhiều hình dạng kích thước, cũng như chức năng

khác nhau, đầu tiên ta phải xác định hướng áp dụng USV vào tình hình nước ta, phân tích ưu nhược điểm của các mô hình hiện tại, và phải phù hợp với đề tài luận văn về tối ưu thiết bị, cũng như khả năng linh hoạt trong quá trình điều khiển

- USV hướng tới di chuyển trong khu vực hồ hoặc sông rộng, chạy tốc độ vừa phải

để nhằm mục đích lấy mẫu nước và phân tích mẫu nước trực tiếp

- Về thời gian hoạt động của USV cũng là điều quan trong, đề tài hướng

đến hoạt động 1-2h hoặc hơn

- Khả năng điều khiển linh hoạt

1.3.2 Thách thức

- Khả năng thiết kế theo nhu cầu chưa thực sự đáp ứng triệt để;

- Tầm hoạt động cũng như thời gian vận hành còn hạn chế;

- Do tính chất đề tài mang tính học thuật nghiên cứu nên có một số thiết kế chưa thực

sự tối ưu;

- Do là mô hình nghiên cứu nên thường xuyên phải đầu tư kiểm tra bảo trì.

2.1.1 Đánh giá và lựa chọn phương án thiết kế theo yêu cầu

Có thể chia các cơ cấu làm 3 phần:

- Thân thuyền

- Động cơ và điều khiển

- Các thiết bị điều khiển công tác

Hình 2.1: Các loại tàu 1 - 2 - 3 thân phổ biến hiện nay

Dạng tàu nhiều thân được chọn có thể là 2 thân (Catamaran) hoặc 3 thân (Trimaran) Với tàu 3 thân 2 thân phụ có chức năng giống tàu 2 thân còn thân chính (ở giữa) có khả năng dự trữ lực nổi do vậy có thể tăng sức chở cho tàu

2.1.2 Phương án 1

- Chọn loại thuyền 1 thân được tính toán phần thân thuyền dựa trên các nguyên lý

tính toán sức nổi và sức cản Sử dụng động cơ đẩy và điều khiển tương đối nhẹ

nhàng và do đó khiến cho việc điều khiển cũng sẽ dễ dàng hơn

Hình 2.2: USV phục vụ nhu cầu quân đội hàng hải

- Được trang bị hệ thống cảm biến chuyên phục vụ hoạt động trên biển Từng chứng

minh tính hiệu quả khi phục vụ cho các tàu vận tải chở dầu và quặng số lượng lớn bởi các nhà nghiên cứu ở Hàn Quốc Cảm biến thu thập dữ liệu cả trên và dưới thân tàu rồi vừa xử lý ngay trên tàu vừa chuyển tự động vào trung tâm trên đất liền Loại

mô hình này thích hợp với nhiều nhiệm vụ như giám sát tình trạng ô nhiễm ở bến cảng, điều tra hải dương học, tuần tra lãnh hải… Tính năng nâng cao của các mô hình phát triển cao ở nước ngoài hiện nay đó là công nghệ tàng hình

- Tuy nhiên, một vài điểm hạn chế cần phải kể đến đó là: Tối ưu động lực học, cân

bằng, khó điều khiển trọng tâm cân bằng trong điều khiển cân bằng, tiêu tốn nhiều năng lượng cho động cơ đẩy ở bên, …

Hình 2.3: USV phục vụ khảo sát ô nhiễm môi trường

- Thiết lập ngôi nhà chất lượng để xác định các giá trị giới hạn của các thông số kỹ

thuật:

Bảng 2.1: Ngôi nhà chất lượng cho phương án 1

Hình 2.4: USV 2 thân đang di chuyển đến khu vực thực nghiệm

- Có thể ổn định lại vừa có tính lắc êm (chu kỳ lắc lớn, biên độ lắc nhỏ) Ưu điểm của

thuyền 2 thân là có tính ổn định cao hơn so với thuyền 1 thân cùng kích cỡ, đặc biệt

là tính ổn định (tính ổn định ngang sẽ tăng nhanh chóng khi ngập trong nước), làm cho thuyền hầu như không thể bị lật úp

Bảng 2.2: Ngôi nhà chất lượng cho phương án 2

AUV, …

Vì vậy theo đó ta sẽ chọn loại 2 thân cho mô hình này

2.2 Cấu trúc và sơ đồ của một USV điển hình

2.2.1 Kết cấu chung

- Có rất nhiều loại USV và chúng khác nhau dựa trên ứng dụng và chức năng Có một

vài USV cho phép cả kiểm soát bằng tay và tự động Một USV điển hình bao gồm một thân tàu, một hệ thống đẩy, một hệ thống dẫn đường, một dữ liệu hệ thống thu gom và hệ thống truyền thông

- Cấu trúc của một USV điển hình:

Hình 2.5: Kết cấu điều khiển của 1 USV điển hình

- Nhờ đó, hệ thống cho phép ta liên tục tương tác giữa người điều khiển với mô hình

thông qua màn hình điều khiển, lập trình điều khiển sẽ giúp cho người điều khiển

có thể xử lý dữ liệu từ xa hoặc xử lý một số trường hợp xảy ra khi thao tác thực tế

2.2.2 Động cơ và điều khiển

- Trong mô hình này sử dụng động cơ đẩy dưới nước, với yêu cầu là toàn bộ động cơ

chìm trong nước với thiết kế chống thấm cho động cơ Ưu điểm: hoạt động chính xác, có hồi tiếp, moment và khả năng chịu tải ổn định, giá thành thấp

- Động cơ DC servo được lựa chọn sử dụng ở đây là vì phù hợp với mô hình thuộc

dạng nhỏ, yêu cầu điều khiển chính xác và không phải xử lý tải quá lớn Nguồn cấp cho động cơ khoảng 24v

Hình 2.6: Một số loại động cơ đẩy thông dụng của USV

- Pin Li-po (Lithium-Polymer)

Ưu điểm: Khi sử dụng loại này dùng được lâu, lại sạc được và điện áp của mỗi viên

khá cao: 3.7V, khối lượng nhẹ

Nhược điểm : Dòng thấp

Với yêu cần về khối lượng cũng như dòng áp cao nên sử dụng pin Li-po mỗi cell 3.7V -13A, khối lượng vừa đáp ứng nhu cầu USV

2.2.3 Nguyên lý hoạt động của USV

- Được truyền động trực tiếp bằng động cơ đẩy (Thruster), mô hình có thể tận dụng

được tối đa công suất thực nghiệm của động cơ đẩy Với thân thuyền đảm bảo các yếu tố như: độ bền, chống thấm, chống ăn mòn trong môi trường biển, … Từ đó mà

động cơ đẩy cũng như động cơ lái cũng phải có mức công suất tương đương

- Với loại Pin Lipo 3.7V - 13Ah, ta có thể sử dụng để cung ứng tốt cho các thiết bị

điện gồm các động cơ và một số thiết bị điện khác trong suốt quá trình hoạt động

với dự toán khoảng 4 giờ đồng hồ

- Sơ đồ nguyên lý sau thể hiện mối quan hệ giữa các thiết bị:

Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của một USV

- Nhờ vào tính linh hoạt của mô hình, nên ngoài các module để điều khiển thì thuyền

còn được lắp đặt một số thiết bị và cảm biến, dùng cho nhiều mục đích khác nhau

như: thu thập mẫu nước, quan trắc môi trường để vẽ bản đồ khu vực, cứu hộ hay là dùng để thám hiểm các khu vực hoặc môi trường nguy hiểm cho con người

- Mô hình sẽ sử dụng loại lập trình điều khiển PD và PID, phương thức điều khiển sẽ

gồm tự động và bằng tay tạo sự thuận tiện Tận dụng khả năng phản hồi để xử lý điều khiển cho USV thông qua tín hiệu GPS trả về và bộ điều khiển động cơ

- Sơ đồ động của USV:

Hình 2.9: Sơ đồ động của tàu 2 thân

1/ Động cơ đẩy (Thruster) 2/ Động cơ ngang (Seabotic)

3/ Thân thuyền 4/ Khung gá nối 2 thân

3.1.1 Tính sơ bộ và vẽ phác thảo phần thân

Phương án thiết kế chọn thân USV

Thông thường khi thiết kế thân tàu thủy nói chung được thực hiện qua các bước:

Bước 1: Yêu cầu chung về thiết kế (nhiệm vụ thư thiết kế)

Bước 2: Tính toán thông số cơ bản cho thân chính, thân phụ

Bước 3: Ước lượng công suất cần thiết (tính từ sức cản, vận tốc di chuyên)

Bước 4: Xây dựng đường hình dáng thân chính, thân phụ

Bước 5: Đánh giá ổn định

Bước 6: Bố trí chung toàn tàu

Bước 7: Thiết kế kết cấu

Bước 8: Hệ thống, thiết bị

Bước 9: Thử tại bến

Bước 10: Ước lượng giá thành

Qui trình trên có thể tính lặp nhiều lần nhằm thỏa mãn yêu cầu chung ở bước một Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, USV giống tàu 2 thân tuy nhiên kích thước của nó khá nhỏ

do vậy phương án thiết kế sẽ không giống tàu truyền thống mà chỉ tập trung giải quyết vấn

đề tính nổi, độ ổn định và sức cản Phương án cụ thể dùng trong đề tài là: chọn trước thân tàu đã có dùng tỉ lệ hình học để chuyển sang dạng USV mong muốn kết quả cuối cùng là mẫu có tính ổn định và sức cản phù hợp Do quá trình thiết kế cần tính lặp khá nhiều do vậy nhóm sử dụng phần mềm chuyên ngành giúp hỗ trợ cho quá trình tính toán và kiểm tra

Sơ đồ khối mô tả quá trình tính toán dựa vào phần mềm chuyên ngành:

Do số lượng tính và kết quả so sánh khá phức tạp và đa dạng, các kết quả tính trong phạm

vi đề tài được trích từ kết quả mô phỏng và tính toán từ phần mềm Maxsurf

Sơ đồ tính toán được tóm tắt như sau:

Hình 3.1: Sơ đồ tuyến hình và tính toán sơ bộ

3.1.2 Tính toán phần thân trên lý thuyết tàu thủy

Đánh giá cân bằng dọc và ổn định ban đầu:

Ổn định ban đầu được hiểu như tàu nghiêng ngang ở góc nghiêng  nhỏ hơn 13 độ Trong giai đoạn này giá trị GM đóng vai trò quan trọng vì khả năng phục hồi vị trí nổi thẳng đứng cũng như chu kì lắc ngang T thường phụ thuộc vào giá trị GM Vai trò của GM được minh họa như hình bên dưới:

Tuy nhiên, chu kì lắc T ngắn làm cho tàu chao đảo liên tục

Kiếm tra ổn định:

Được hiểu như khả năng nghiêng ngang lớn nhất mà tàu đạt được khi ngoại lực tác động, ngoại lực được xem là môment gây nghiêng Mng và khả năng chống lại ngoại lực này vẫn là Mph tuy nhiên được xét ở giai đoạn nghiêng ngang ở góc lớn hơn 13 độ

Vậy hiểu rằng tàu có thể ổn định hay không là dựa vào hệ số an toàn sau:

1

= ph 

ng

M HSAT

đồ thị tay đòn moment phục hồi

USV thực hiện khảo sát trong môi trường sông sóng thấp và chịu ảnh hưởng của gió,

để đảm bảo tính an toàn nhóm nghiên cứu đề xuất đánh giá ổn định cho USV theo tiêu chuẩn của tàu cấp SI là tàu sông có khả năng chạy đến cửa biển

Bên cạnh đó, trong kiểm tra ổn định cần xác định trạng thái tính nguy hiểm do vậy trong

đề tài chọn trạng thái tính là trạng thái đầy tải nghĩa là USV đã được trang bị đầy đủ trang thiết bị khi hoạt động Trạng thái tính được hiểu là trọng tâm và trọng lượng USV ứng với việc bố trí trang thiết bị hiện tại, cụ thể minh họa bằng hình bên dưới:

Hình 3.2: Bố trí thiết bị và trọng tâm của tàu

Tải trọng kiểm tra là khi USV mang đầy đủ thiết bị khi làm việc, để xác định trọng lượng toàn bộ được chia thành 3 cụm chính: vỏ composite, thiết bị đẩy, hộp điều khiển, pin Trọng lượng và trọng tâm tàu ước lượng sơ bộ:

− Trọng lượng toàn tải giả định P = 160 Kg

− Trọng tâm tương ứng: LCG = 58.5mm (so với vị trí sườn giữa)

KG = 161mm (so với đáy tàu – Baseline)

Thông thường phương tiện thủy được kiểm tra ổn định dựa vào tiêu chuẩn của qui phạm phân cấp và đóng tàu, tuy nhiên USV là thiết bị quan trắc không chở người hay hàng hóa hơn nữa kích thước USV cũng khá nhỏ do vậy trong phạm vi nghiên cứu của đề tài việc kiểm tra đánh giá ổn định nhằm đảm bảo USV cân bằng và ổn định khi làm việc qua đó có những điều chỉnh thích hợp

Kiểm tra đánh giá ổn định được thực hiện qua các nội dung:

− Khả năng chuyên chở lớn nhất

− Cân bằng dọc của USV

− Ổn định ngang của USV

3.1.3 Mô phỏng kiểm tra phần thân thuyền

Khả năng chuyên chở lớn nhất:

− Được đánh giá theo chiều chìm và lực nổi tương ứng, kết quả được minh họa theo hình dưới:

Hình 3.3: Biểu đồ tương quan lực nổi và chiều chìm

− Với kết quả trên USV có khả năng chở được trọng lượng lớn nhất khoảng 200Kg

− Với tải trọng P = 160Kg, chiều chìm tương ứng khoảng d = 250mm

Hình 3.4: Kết quả tính lực nổi

➔ Vậy với tải trọng trên USV đủ lực nổi để hoạt động

Cân bằng dọc của USV:

− Cân bằng dọc giúp đánh giá tìn trạng chúi tàu theo phương dọc, với tải trọng và trọng tâm trên kết quả cân bằng dọc được minh họa theo hình sau:

Hình 3.5: Kết quả tính cân bằng dọc

➔ Vậy với tải trọng và trọng tâm trên USV gần như nằm ngang so với mặt nước (độ chúi mũi khoảng 1.5mm, góc chúi tương ứng 0.0757 độ)

Ổn định ngang của USV:

− Với tàu thủy thông thường ổn định ngang cho biết khả năng chịu đựng của tàu khi chịu áp lực gió thổi theo phương ngang, hiện tượng này có thể làm lật và chìm tàu Đối với USV kích thước khá nhỏ và phần nhô khỏi mặt nước ít do vậy không nguy hiểm do lật ngang, việc bố trí thiết bị đối xứng theo phương ngang giúp cho USV cân bằng Tuy nhiên để đánh giá khả năng ổn định trong thiết kế của USV ta dựa vào đồ thị tay đòn ổn định minh họa theo hình sau:

Hình 3.6: Đồ thị GZ đặc trưng cho ổn định ngang

Theo kết quả GZ, môment phục hồi lớn nhất đạt được ở góc nghiêng ngang khoảng 22

độ, tuy nhiên để làm cho USV nghiêng ở góc này thì cần áp lực gió khá lớn do vậy nếu có xảy ra hiện tượng gió giật USV chỉ bị dạt ngang mà không bị lật úp

Sức cản và công suất động cơ cần thiết:

Với USV có kích thước khá nhỏ và dạng catamaran, ta sử dụng phương pháp tính sức cản theo lí thuyết ‘slender body’ hoặc các phương pháp ước lượng sức cản cho du thuyền,

đồ thị sức cản minh họa quan hệ giữa vận tốc (knots) và công suất (HP) như sau:

Hình 3.7: Tương quan giữa công suất và vận tốc tàu

➔ Với kết quả trên để đạt được vận tốc 3knot (1.4m/s) công suất cần khoảng 0.04HP, điều đó cho thấy công suất cần thiết khá nhỏ do vậy việc chọn hệ thống đẩy sẽ đơn giản

Phác thảo 3D cho phần thân thuyền:

Hình 3.8: Hình phác thảo 3D cho thân tàu

Thông số hình học của thân thuyền:

- Chiều dài thiết kế: 1800 mm

- Chiều rộng thiết kế: 320 mm

- Chiều cao thân: 350 mm

- Chiều chìm: 250 mm

Khả năng tạo sóng của thiết bị:

Theo phương pháp tính toán sức cản tàu thủy, sức cản tổng của tàu thường được tạo ra

từ các thành phần: sức cản ma sát, sức cản sóng

Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, việc nghiên cứu sức cản tạo sóng giúp xác định

vị trí tạo sóng nhỏ hoặc có lợi cho thiết bị quan trắc

Quá trình tạo sóng được xác định theo lí thuyết “slender body” với giả định không bị ảnh hưởng bởi môi trường sóng xung quanh

Kết quả tính toán dựa vào trạng thái tải trọng ứng với mớn nước d = 250mm và được xét tương ứng với vận tốc di chuyển của USV từ 1 đến 5knots

Trường sóng tạo ra tương ứng với vận tốc di chuyển thay đổi như sau:

Case 2: v = 2knots

Case 4: v = 4knots