Mô phỏng động học và động lực học thiết bị lặn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
VIỆN CƠ HỌC






PHẠM VĂN BẠCH NGỌC






MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC
VÀ ĐỘNG LỰC HỌC THIẾT BỊ LẶN

LUẬN VĂN THẠC SĨ











Hà Nội - 2005




ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
VIỆN CƠ HỌC






PHẠM VĂN BẠCH NGỌC

MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC
VÀ ĐỘNG LỰC HỌC THIẾT BỊ LẶN

Chuyên ngành: CƠ HỌC VẬT THỂ RẮN
Mã số: 60.44.21






LUẬN VĂN THẠC SĨ




NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. PHẠM ANH TUẤN






Hà Nội - 2005

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
Hệ thống lái
Hiệu chỉnh đường
đi

Hệ thống vận hành
từ xa
Bản đồ vận hành và
xác định vị trí
Hệ thống tránh
chướng ngại vật
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

Trung tâm
điều khiển
Hệ thống điều khiển
thiết bị lặn
Điều khiển thời
gian thực

Bộ phận phát hiện
thiết bị lặn khác
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 : S hot ng ca 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.

Trung tâm
điều khiển
Hệ thống điều khiển
thiết bị lặn

- Ch-ơng trình điều khiển nhiệm vụ của thiết
bị lặn
- Nhận các thông tin từ thiết bị lặn và các
hình ảnh thu đ-ợc từ camera
Bộ phận phát hiện
thiết bị lặn khác
Tay máy, Robot
Động cơ đẩy, chân vị
Năng l-ợng
Máy quay camera
Thiết bị lặn loại AUVs
Hệ thống điều khiển
thông minh
Hệ thống liên lạc
bằng sóng siêu âm

Hỡnh 2.4 S hot ng ca 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