Lời cảm ơn

GVHD: Lê Thanh Long

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

SVTH: Trang Thế Toàn

i


Tóm tắt luận văn

GVHD: Lê Thanh Long

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Các phương tiện tự hành dưới nước hiện nay đã được đầu tư nghiên cứu phát triển
mạnh ở nhiều quốc gia lớn trên thế giới. Dựa trên những nhu cầu thiết yếu hiện nay của
môi trường và một số vấn đề phát sinh khác cho các lĩnh vực nghiên cứu quan trắc hàng
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.

SVTH: Trang Thế Toàn

ii



Mục lục

GVHD: Lê Thanh Long

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

SVTH: Trang Thế Toàn


iii


Mục lục

GVHD: Lê Thanh Long

3.1.2.

Tính toán phần thân trên lý thuyết tàu thủy .................................................. 17

3.1.3.

Mô phỏng kiểm tra phần thân thuyền ........................................................... 20

3.2.

Chế tạo thân thuyền ............................................................................................. 35

3.2.1.

Vật liệu chế tạo thuyền điền hình .................................................................. 35

3.2.2.

Vật liệu chế tạo thân thuyền .......................................................................... 38

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

SVTH: Trang Thế Toàn

iv


Mục lục

6.3.

GVHD: Lê Thanh Long

Kết luận .............................................................................................................. 107

TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................. 109

SVTH: Trang Thế Toàn

v


Danh mục hình


GVHD: Lê Thanh Long

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Một số loại phương tiện vận hành trong nước .................................................... 1
Hình 1.2: Tình hình quan trắc ở Việt Nam .......................................................................... 2
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
SVTH: Trang Thế Toàn

vi


Danh mục hình


GVHD: Lê Thanh Long

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

SVTH: Trang Thế Toàn

vii



Danh mục hình

GVHD: Lê Thanh Long

Hình 4.16: Cụm chi tiết sau khi gá đặt .............................................................................. 69
Hình 4.17: Nhựa Silicone chống thấm đàn hồi ................................................................. 70
Hình 5.1: Các vận tốc của 6 bậc tự do : u, v, w, p, q, r trong môt hệ quy chiếu gắn vơi tàu
........................................................................................................................................... 71
Hình 5.2: Đinh nghĩa các hệ quy chiêu {i} = (xi, yi, zi), {e} = (xe, ye, ze), {n} = (xn, yn,
zn), ..................................................................................................................................... 73
Hình 5.3: Quy ước các trục cua hệ tọa đô BODY gắn cố định với tàu thủy ..................... 74
Hình 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

SVTH: Trang Thế Toàn

viii


Danh mục bảng

GVHD: Lê Thanh Long

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

SVTH: Trang Thế Toàn

ix


Chương I: Tổng quan

SVTH: Trang Thế Toàn

10


Chương I: Tổng quan

GVHD: Lê Thanh Long

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

SVTH: Trang Thế Toàn

1


Chương I: Tổng quan

GVHD: Lê Thanh Long

1.1.2. Ứng dụng của USV vào nước ta
-

Những phương tiện nói trên có thể hoạt động tự động mà không cần người lái hay
sử dụng, nhờ giải thuật điều khiển đã được lập trình sẵn. Các robot nói trên có thể
sử dụng trong các môi trường thủy sinh, từ đại dương đến sông hồ và một số môi
trường có nồng độ hóa chất cao khác để đảm bảo an toàn cho con người.

-

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;

SVTH: Trang Thế Toàn

2


Chương I: Tổng quan

GVHD: Lê Thanh Long

• 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

SVTH: Trang Thế Toàn

3



Chương I: Tổng quan
1.2.

GVHD: Lê Thanh Long

Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi của luận văn
1.2.1. Mục tiêu

-

Phần luận văn nhắm đến xây dựng mô hình USV với các chức năng đơn giản. Xây
dựng được sản phầm USV phục vụ quan trắc môi trường nước, mang tính ứng dụng
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;

SVTH: Trang Thế Toàn

4


Chương I: Tổng quan

GVHD: Lê Thanh Long

• 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.


SVTH: Trang Thế Toàn

5


Chương II: Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế

GVHD: Lê Thanh Long

CHƯƠNG II: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
THIẾT KẾ
2.1.

Phân tích mô hình USV
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


SVTH: Trang Thế Toàn

6


Chương II: Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế

GVHD: Lê Thanh Long

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, …

SVTH: Trang Thế Toàn

7


Chương II: Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế

GVHD: Lê Thanh Long

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:

SVTH: Trang Thế Toàn

8


Chương II: Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế


GVHD: Lê Thanh Long

Tuổi thọ

3

Chi phí

3

1

9

Hệ số cải tiến tương

Hệ số cải tiến tuyệt đối

5

5

5

1

1.5

7.5


0.28

1

3

4

4

4

1

1

4

0.148

3

4

3

3

1


1

4

0.148

3

3

2

0.67

1

2

0.074

5

4

4

1

1.5


7.5

0.28

2

2

2

1

1

2

0.074

27,0

1,00

3

đối

9

9

3

Hệ số tầm quan trọng

3

Hệ số cạnh tranh

Mưc thiết kế

3

Mức hiện tại

1

Tính ổn định

Mức độ yêu cầu

3

Tốc độ di chuyển

3

Bộ phận công tác

9


Kích thước mô hình

Vật liệu chế tạo

hoạt động

Động cơ điều khiển

Năng suất

Biên dạng thân thuyền

Bảng 2.1: Ngôi nhà chất lượng cho phương án 1

Chất lượng
sản phẩm tạo

1

9

9

ra

2.332

14,39

0.16


1,00

m/s

3.804
0.26
Mm

0.814
0.06
Mm

SVTH: Trang Thế Toàn

2.69

1.49

0.19

Đơn vị

Không

tương đối

1

0.10


Trọng số

1

Không

tuyệt đối

3.26

Trọng số

1

0.23

trường

Kw

Ô nhiễm môi

9


Chương II: Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế

GVHD: Lê Thanh Long


2.1.3. Phương án 2
-

Ở đây loại thuyền 2 thân cũng được tính toán phần thân thuyền dựa trên các nguyên
lý tính toán sức nổi và sức cản. Sử dụng động cơ đẩy tuy có phần công suất lớn hơn
so với thuyền 1 thân. Tuy nhiên lại có được ưu điểm là rất dễ dàng điều khiển trọng
tâm cân bằng trong mọi điều kiện thời tiết.

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.

SVTH: Trang Thế Toàn

10


Chương II: Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế

GVHD: Lê Thanh Long

9

Chi phí


9

9

9

1

9

9

5

5

5

1

1.5

7.5

0.31

1

3


4

4

4

1

1

4

0.1003

3

4

3

3

1

1

4

0.1003


3

3

2

0.67

1

2

0.079

5

4

4

1

1.5

7.5

0.31

2


2

2

1

1

2

0.1003

27,0

1,00

3

đối

3

Hệ số cải tiến tương

9

Hệ số cải tiến tuyệt đối

Tuổi thọ


3

Hệ số tầm quan trọng

3

3

Hệ số cạnh tranh

3

Mưc thiết kế

9

Mức hiện tại

Tính ổn định

Mức độ yêu cầu

3

Tốc độ di chuyển

Vật liệu chế tạo

3


hoạt động

Bộ phận công tác

Động cơ điều khiển

9

Năng suất

Kích thước mô hình

Biên dạng thân thuyền

Bảng 2.2: Ngôi nhà chất lượng cho phương án 2

Chất lượng
sản phẩm tạo

9

9

ra

2.863

15.416

0.17


1,00

m/s

3.901
0.18
Mm

0.902
0.04
Mm

SVTH: Trang Thế Toàn

2.89

1.47

0.2

Đơn vị

Không

tương đối

1

0.13


Trọng số

1

Không

tuyệt đối

3.39

Trọng số

1

0.28

trường

Kw

Ô nhiễm môi

11


Chương II: Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế
-

GVHD: Lê Thanh Long


Những ưu điểm tiếp theo của thuyền 2 thân là độ nghiêng thấp, đặc tính sức cản rất
ưu việt, nhất là ở tốc độ cao do có thể tăng độ thon của thuyền mà không ảnh hưởng
đến tính ổn định. Điều này lý giải vì sao với thuyền cao tốc hoạt động ở chế độ nổi
toàn phần, có ưu thế về tính tốc độ khi hoạt động. Ngoài 12 ra, thuyền còn có lợi
thế mặt boong khá rộng nên dễ dàng bố trí mang các thiết bị khác: cảm biến đo,
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

SVTH: Trang Thế Toàn

12



Chương II: Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế
-

GVHD: Lê Thanh Long

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.

SVTH: Trang Thế Toàn

13


Chương II: Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế

GVHD: Lê Thanh Long

Hình 2.7: Loại Pin thường dùng cho 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

SVTH: Trang Thế Toàn

14


Chương II: Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế

GVHD: Lê Thanh Long

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

SVTH: Trang Thế Toàn

15