Trang chủ Robot & Robotics Robot & Robotics thiết bị di chuyển tự động dưới nước: Lịch sử và phát triển

thiết bị di chuyển tự động dưới nước: Lịch sử và phát triển

Cũng giống như bầu trời, biển khơi sâu rộng luôn là cảm hứng khám phá của con người. Cùng với sự phát triển của công nghệ, các thiết bị di chuyển dưới nước tự động (viết tắt là autonomous underwater vehicle- AUV) đang trở nên ngày càng phổ biến. AUV hiện đang góp mặt trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ quân sự cho đến dân sự, từ kinh tế cho đến nghiên cứu khoa học. Trong bài báo này, chúng ta sẽ tìm hiểu về lịch sử và phát triển của AUV, cũng như định hướng phát triển AUV tại Việt Nam hiện nay.

Thiết bị di chuyển dưới nước tự động là một robot di chuyển dưới nước hoàn toàn tự động thông qua điều khiển của hệ thống máy tính. AUV là một phần của một hệ thống lớn hơn bao gồm các phương tiện di chuyển không người lái dưới nước, phân chia làm dạng phương tiện  tự động hoàn toàn hoặc dạng phương tiện có sự điều khiển từ xa của con người thông qua hệ thống liên lạc. Trong quân sự, AUV được gọi bằng phượng tiện di chuyển dưới biển không người lái (unmanned undersea vehicles-UUV).

Hình 1 Hình ảnh về phương tiện di chuyển dưới nước tự động HSV Swift của Blufin Robotics

Lịch sử
AUV đầu tiên được phát triển tại phòng thí nghiệm Vật lý ứng dụng tại Đại học Washington vào năm 1957 bời Stan Murphy, Bob Francois và sau này là Tery Ewart. Được biết với cái tên “Xe nghiên cứu chuyên dụng dưới nước”, thiết bị được sử dụng để nghiên cứu khuếch tán, dẫn âm và dẫn đường tàu ngầm dưới nước.
Một AUV khác được phát triển tại Viện công nghệ Massachusetts vào những năm 1970. Cũng trong thời gian này, những AUV của Liên Xô được ra đời. Tuy nhiên, do đặc điểm của giai đoạn này, những thành tựu này được giữ bí mật và chỉ được biết đến sau này.
Ứng dụng
Trước kia, giới hạn công nghệ của AUV khiến cho khả năng ứng dụng bị hạn chế trong một số nhiệm vụ nhất định. Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ xử lý cao cấp hơn và nguồn năng lượng cao hơn, AUV hiện đang ngày càng mở rộng phạm vi ứng dụng của mình.
A, Thương mại:
Ngành công nghiệp dầu khí sử dụng AUV đề xây dựng các bản đồ đáy biển chi tiết trước khi xây dựng các cơ sở hạ tầng dưới biển, hệ thống đường ống dẫn và các lắp đặt cần thiết sao cho chi phí sử dụng hiệu quả nhất.

Hình 2 AUV Blackghost được thiết kế cho việc tấn công duwosi nước, hoạt động tự động không cần điều khiển từ bên ngoài

B,  Quân sự
Một nhiệm vụ quân sự tiêu biểu có sự tham gia của UAV là xây dựng bản đồ khu vực để xác định vị trí mục tiêu, có thể là một cảng biển, hoặc giám sát một khu vực quân sự. AUV cũng được sử dụng trong chiến tranh, như phát hiện và tiêu diệt tàu ngầm địch (tàu ngầm có người lái).
C, Nghiên cứu khoa học
Các nhà nghiên cứu sử dụng AUV trong nghiên cứu hồ, đại dương và nền đại dương. Một loạt các cảm biến được gắn trên AUV cho phép xác định thông tin về nồng đồ vật chất hoặc các yếu tố khác nhau, sự hấp thụ hoặc phản xạ ánh sang, sự hiện diện của sự sống…
D, Sở thích
Nhiều AUV được phát triển như là một sở thích cá nhân, giống như những người thích máy bay điều khiển từ xa hay vô tuyến nghiệp dư. Một số cuộc thi cạnh tranh giữa các AUV tự chế được diễn ra và trở thành sự kiện thường niên. Giống như các phiên bản thương mại, các AUV tự chế cúng được trang bị máy ảnh, cảm biến ánh sang, cảm biến sóng âm… Tuy nhiên, do hạn chế về nguồn lực tài chính và công nghệ, các AUV sở thích thường có hạn chế về khả năng hoạt động, độ bền… Tuy nhiên, đây cũng là một sân chơi hữu ích, đưa AUV tiếp cận với cuộc sống.

E, Vận chuyển hàng hóa trái phép
Một trong những ứng dụng không mấy tốt đẹp của AUV là vận chuyển hàng hóa trái phép, thường là các mặt hàng cấm như ma túy, … Các tổ chức tội phạm lợi dụng khả năng khó phát hiện của AUV để vận chuyển ma túy tới đích thông qua dẫn đường GPS.

Hình 3 Tavros02 của đại học Nam Florida Hình 4 AUV nghiệp dư

Cấu tạo
Hàng trăm loại AUV khác nhau đã được phát triển trong hơn 50 năm qua, nhưng chỉ có một vài công ty trong số đó chiếm lĩnh được thị phần. Hiện có khoảng 10 công ty có các sản phẩm AUV trên thị trường quốc tế, như Công ty hàng hải Kongsberg, Bluefin Robotics, …
Kích thước của thiết bị cũng có sự khác biệt rõ rệt, từ loại AUV cỡ nhỏ có khả năng di chuyển bằng một người cho đến loại cỡ lớn với độ dài trên 10 mét. Các AUV cỡ lớn có ưu điểm rõ rệt trong khả năng mang tải, phạm vi hoạt động… trong khi các AUV cỡ nhỏ lại cho thấy sự cơ động, dễ bảo trì, tháo lặp, phóng thả và khôi phục.
Hiện thị trường được chia ra làm 3 mảng riêng biệt: nghiên cứu khoa học (trường đại học, trung tâm nghiên cứu), thương mại (các hãng khai thác dầu) và quân sự.
Về cấu trúc, cơ bản các AUV có thiết kế và cấu trúc tương tự một quả ngư lôi, cho phép đạt tốc độ 1 đến 4 hải lý một giờ. Đây là cấu trúc cho phép đạt được cân bằng giữa kích thước, khối lượng sử dụng, hiệu quả động lực học và khả năng xử lý. Một số được thiết kế dạng modul, cho phép các thành phần có thể thay đổi dễ dàng theo mục đích sử dụng của nhà khai thác.
Một trong những vấn đề đáng chú ý là hệ thống truyền thông dưới nước không sử dụng sóng điện từ, mà là sóng âm. Vì vậy các AUV được thiết kế sao cho hoạt động chính xác tại phạm vi liên lạc được (trực tiếp hoặc gián tiếp) với trung tâm xử lý.
Năm 2008, một lớp AUV mới được phát triển với cấu trúc phỏng sinh học, thông qua việc bắt trước cấu trúc của tự nhiên. Cấu trúc mới này cho thấy nhiều ưu thế trong khả năng hoạt động, ví như hệ thống động cơ, tính linh hoat… Tiêu biểu cho thiết bị loại này có thể kể đến AquaJelly của Festo và Bionik Manta của Evologics.

Hình 5Blufin-12 của UAV với máy dò vật cản siêu âm tích hợp trên 2 cánh Hình 6 Tàu lượn  tự động Sea Explorer

Cảm biến
Hoạt động chủ yếu trong lòng đại dương, các AUV được trang bị các cảm biến điều hướng và bản đồ địa hình. Hệ thống cảm biến điều hướng điển hình bao gồm la bàn, cảm biến đo độ sâu, máy quét siêu âm, từ kế, nhiệt kế điện tử và các đầu dò.
Hệ thống định vị
AUV có thể điều hướng bằng cách sự dụng hệ thống định vị âm thanh dưới nước. Để xác định vị trí, trong chế độ tự động các AUV sẽ nổi lên theo những thời gian nhất định và xác định lại vị trí tong qua GPS.
Ngoài ra, các công cụ xử lý được phát triển cho phép AUV xác định vị trí chính xác và các sai lệch vị trí trong quá trình hoạt động, thông qua các cảm biến độ lệc Doppler hay la bàn từ với vị trí mốc khi mất tín hiệu GPS
Di chuyển
AUV có một số kỹ thuật chuyển động, nhưng phổ biến hơn cả là động cơ đẩy dùng cánh quạt hoặc vòi Krot. Các cách quạt được quay bằng động cơ điện và phủ dung môi, chất phủ chống ăn mòn trong môi trường nước biển.
Năng lượng
Hầu hết các AUV hiện nay trang bị pin sạc, cộng thêm một số hệ thống quản lý năng lượng. Việc sử dụng các pin năng lượng cho phép mềm dẻo về cấu trúc và khả năng sử dụng của thiết bị. Tùy vào kích thước, ứng dụng thực tế, hệ thống năng lượng được thiết kế phù hợp. Một số thiết bị cỡ lớn sửu dụng các pin nhiên liệu nhưng yêu cầu cao về bảo dưỡng, sửa chữa và đảm bảo về chất thải ra môi trường.

Hình 7 Cấu trúc một AUV
Hình 8 Robot cá của Việt Nam

AUV tại Việt Nam
AUV có khả năng áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt trong quân sự và thương mại, nên được nhiều quốc gia đầu tư phát triển. Đặc biệt, lĩnh vực quân sự hiện là khách hàng chủ yếu của AUV-tương tự như những gì diễn ra trên bầu trời đối với phương tiện bay không người lái (AUV). Tại Việt Nam, AUV hiện chỉ mới bước những bước đầu, và chưa có nhiều kết quả. Những thông tin có thể tìm được, hầu hết tập trung vào AUV dạng sở thích - một cách chính xác hơn là các thiết bị tiền AUV, do những nhóm nghiên cứu robot phát triển, với cấu trúc cũng khá đơn giản. Một ví dụ có thể kể đến là robot cá với hình dáng và di chuyển phỏng sinh học. Robot cá có kích thước khoảng 35 cm x 70 cm x 110 cm, nặng 600g, được điều khiển từ xa bằng sóng vô tuyến. Nó có thể bơi trong hồ bơi (môi trường nước trong và tĩnh) gần giống với cá thật, với tốc độ bơi khoảng 0,6 m mỗi giây, ở độ sâu tối đa khoảng 2 m, đồng thời thực hiện các động tác bơi lên, lặn xuống, chuyển hướng một cách nhịp nhàng. Có thể thấy ngay nhược điểm ở đây là kỹ thuật điều khiển: hệ thống sử dụng sóng vô tuyến, hoàn toàn không thích hợp cho môi trường nước và phải sử dụng người điều khiển.
Về mặt định hướng, do phạm vi ứng dụng và điều kiện thực tế với bờ biển dài như tại Việt Nam, hy vọng Việt Nam chúng ta sẽ có những sản phẩm AUV của riêng mình-như những gì đã làm được với phương tiện bay không người lái AUV. q
Ta Tuyen (tổng hợp)
Số 144 (12/2012)♦Tạp chí tự động hóa ngày nay


Newer news items:
Older news items:

 

Hỗ trợ online

Hỗ trợ Web
Mr Phương: 0988906030

Liên kết & Quảng cáo


 
 
 






 

 

Nhà tài trợ


Sửa biến tần

Mới cập nhật

Tìm kiếm

Quảng cáo&Liên kết