Loại trừ tác động của sóng biển trên hệ thống dẫn đường cho tàu thủy

Loại trừ tác động của sóng biển trên hệ thống dẫn đường cho tàu thủy Giới thiệu: Việt Nam là nước có bờ biển dài và những dịch vụ hàng hải, đánh cá đang phát triển và còn rất nhiều tiềm năng. Những khó khăn chính cho việc định vị, dẫn đường cho tàu phải kể tới: thông tin về thời tiết (tốc độ gió, hướng gió, chiều cao sóng, tốc độ và hướng của các dòng chảy,). Máy tính cần thu thập thông tin không chỉ từ các cảm biến quán tính mà còn cả các thông tin thời tiết để xử lí và cho thông tin chính xác tới khối điều khiển. Dao động do sóng sẽ ảnh hưởng tới độ chính xác hệ thống nếu không được loại trừ một cách đúng đắn và triệt để. Bài báo này thảo luận về việc loại trừ dao động do sóng bằng bộ lọc thông thấp, triệt tần, và bộ lọc thích nghi. Hình 1: Sự hình thành sóng biển 1. Sóng biển Sóng biển là hiện tượng vật lý xảy ra ở lớp nước gần bề mặt biển. Sóng được hình thành do gió và những hiệu ứng địa chất, và có thể di chuyển hàng nghìn km trước khi đến đất liền. Sóng biến đổi từ những gợn sóng lăn tăn đến những cơn sóng thần cực lớn. Ngoài dao động thẳng đứng, các hạt nước trong sóng biển có một chút chuyển động theo phương ngang. Sự hình thành của sóng biển trong tự nhiên Nguyên nhân chủ yếu cho sự hình thành của sóng là gió, có 3 yếu tố của gió ảnh hưởng đến sóng: Tốc độ gió Độ dài mặt mà trong đó nước chịu ảnh hưởng của gió Thời gian nước bị gió thổi Tất cả những yếu tố trên góp phần tạo nên sóng với kích thước và hình dạng khác nhau. Giá trị của từng yếu tố càng lớn đều làm cho sóng lớn hơn. Sóng được đo bởi: Độ cao (từ đỉnh đến chỗ lõm) Bước sóng (khoảng cách giữa các đỉnh) Chu kì sóng (khoảng thời gian giữa các ngọn sóng liên tiếp ở một điểm cố định Sóng biển có kích thước lớn, hình thành dưới tác dụng kéo dài của gió. Và tồn tại khá lâu sau khi gió kết thúc. Lực khôi phục sóng này là lực hấp dẫn. Ta thường nhìn thấy sóng biển vỡ tan thành bọt khi vào bờ. Đó là khi chân sóng không thể đỡ được ngọn sóng. Hiện tượng này xảy ra mỗi khi sóng đi vào vòng nước nông hơn, hoặc khi 2 ngọn sóng đâm vào nhau. Hình 2 : dịch chuyển Stokes Hình 3 : dải phổ sóng được phát triển đầy đủ với các tốc độ gió khác nhau theo Pierson và Moskonwitz Hình 4: dải phổ sóng trên các biển khác nhau, thực nghiệm bởi Hasselmann (1973). Giải thích khoa học Sóng biển là sóng cơ học lan truyền giữa mặt phân cách của nước và không khí, lực khôi phục của dao động này là lực hấp dẫn. Khi gió thổi, áp suất và ma sát làm xáo động bề mặt. Trong trường hợp sóng biển, các hạt ở gần mặt nước chuyển động theo một đường tròn, do đó sóng này là sự kết hợp của sóng dọc và sóng ngang. Khi sóng lan truyền trong vùng nước nông (độ sâu nhỏ hơn nửa bước sóng), quỹ đạo của các hạt nước bị nén thành dạng elip . Khi biên độ sóng tăng lên, quỹ đạo của hạt nước không còn là đường kín nữa mà sau mỗi chu kì chúng bị dịch về phía trước một ít, hiện tượng này gọi là dịch chuyển Stokes. Hình 5. sơ đồ bộ lọc thông thấp Hình 6. Mô hình lọc dao động sóng biển dùng lọc thích nghi Đường kính quỹ đạo các hạt giảm khi độ sâu ngày càng tăng và ở độ sâu cỡ nửa bước sóng, quỹ đạo này co lại gần như một điểm. Vận tốc pha của sóng phụ thuộc vào bước sóng. Khi sóng đi vào vùng nước nông, do ma sát, phần nước càng thấp di chuyển càng chậm dẫn tới các lớp nước lướt trên nhau, sóng bị vỡ, với những con sóng lớn ta có thể thấy sóng đổ xuống rất đẹp (niềm đam mê của những người yêu lướt sóng). Ngoài những sóng thông thường trên, sóng thần là một con quái vật của tự nhiên, nó có thể cao đến 30 m. Sóng thần hình thành do động đất, những vụ nổ trong lòng đại dương hoặc một vụ va chạm với thiên thạch. Dải tần số dao động của sóng biển Sóng biển sinh ra do gió, vì vậy tốc độ mạnh hay yếu và sự tồn tại lâu hay không của sóng là phụ thuộc vào gió. Giả sử gió thổi với vận tốc 20m/s qua nhiều ngày, trong một vùng rộng lớn thì câu hỏi đặt ra lúc này là vận tốc của sóng, dải phổ tần số của sóng sẽ như thế nào? Câu trả lời lý tưởng và đơn giản nhất đó là đề xuất của Pierson và Moskonwitz. Họ cho rằng nếu gió thổi đều đặn trong một thời gian dài, trên một diện tích lớn, thì những con sóng sẽ đi vào trạng thái cân bằng với gió. Ở đây thời gian dài là khoảng bằng 10.000 chu kỳ sóng. Khu vực rộng lớn là khoảng bằng 5.000 bước sóng. Để có được một dải phổ tần số đầy đủ như vậy họ đã sử dụng phép đo sóng được thực hiện bởi gia tốc trên tàu của Anh tại BẮC ĐẠI TÂY DƯƠNG. Đầu tiên là họ chọn giữ liệu từ những lần gió thổ ổn định trong thời gian dài, trên diện rộng, tiếp đó họ đã tính toán dải phổ tần số của sóng với tốc độ gió khác nhau. Và cho kết quả như trên hình 3. Ngoài ra việc khảo sát trên các biển khác nhau được thực hiên bởi Hasselmann cho kết quả: Sự tác động của sóng biển lên chuyển động của tàu. Vận tốc khi chuyển động trên sóng phụ thuộc vào sự thay đổi lực cản chuyển động và giảm hiệu suất cũng như tăng khả năng điều động tàu. Lực cản của chuyển động tàu phụ thuộc vào thời gian sóng biển chòng chành của tàu. Khi tàu chạy dẫn tới việc phân bố lại áp suất dọc thân tàu, do đó làm xuất hiện lực cản bổ sung do tàu chòng chành. Nếu tàu không chòng chành trên sóng thì lúc đó tàu được coi là một chướng ngại vật, khi các sóng biển tác động lên thân tàu, thì chúng bị phản xạ lại một phần, quá trình đó gọi là nhiễu xạ và sinh ra một lực cản bổ sung. Đối với tàu chuyển động ngược sóng và ngược gió là bất lợi nhất. Khi xảy ra nguy hiểm do nước hắt lên boong thì bắt buộc phải hạ thấp tốc độ tàu. Hình 8. Các hệ số lọc thích nghi Hình 9. Đặc trưng biên độ bộ lọc thích nghi khi đã hội tụ 2. Loại bỏ tín hiệu sóng biển thu bởi cảm biến quán tính lắp đặt trên tàu Lọc thông thấp Mục đích: lọc loại bỏ tần số cao không mong muốn (tần số sóng biển). Đối với các tàu lớn (như tàu chở dầu) khi được lái tự động thì tàu sẽ chuyển động với tần số thấp hơn tần số của sóng biển; lúc này các tín hiệu tác động lên các thiết bị định vị trên tàu là sự tổng hợp của các tín hiệu. Sóng dao động với tần số cao Hình 7. Kết quả trên miền thời gian hơn tần số dao động của tàu thì cách tốt nhất là ta sử dụng bộ lọc thông thấp, để loại bỏ tần số của sóng gây nhiễu lên cảm biến. Lọc triệt tần Mục đích: triệt tiêu đi tần số không mong muốn. Đối với những tàu nhỏ, loại mà tần số dao động của nó nằm trong khoảng ωmin <ωe <ωmax của dải tần sóng. Thì ta có thể lọc được các tín hiệu nhiễu bằng cách sử dụng bộ lọc triệt tần. Hình 10. Đặc trưng biên độ của tàu Lọc thích nghi Trong phần này, bộ lọc tối ưu được tận dụng để minh họa việc triệt dao động sóng biển. Tận dụng việc lập trình theo block và SIMULINK trong Matlab để thực hiện việc khôi phục tín hiệu từ cảm biến lắp đặt trên tàu. Bài toán được thực hiện với các giả định sau: l Tín hiệu từ cảm biến là tín hiệu điều hoà s thu được từ cảm biến vận tốc góc (khi cho tàu chạy vòng tròn), có tần số 1 Hz, tần số lấy mẫu 20 Hz. l Tín hiệu sóng biển là các dao động ngẫu nhiên v1 thu được bằng cảm biến gia tốc lắp ngay trên thân tàu. l Tín hiệu cảm biến bị nhiễu là tín hiệu từ cảm biến lí tưởng cộng với các rung động v2 lan truyền từ thân tàu vào phần trọng tâm của tàu (nơi đặt cảm biến). Có thể coi v1 là đầu vào và v2 là đầu ra của một hệ thống có hàm truyền chính là cơ cấu của tàu. Bộ lọc thích nghi sử dụng hai đầu vào là v1 và s+v2 để khôi phục tín hiệu s’ có dạng gần với s. Sơ đồ hệ thống mô tả trong hình sau: Hiệu quả của chương trình mô tả trong hình 6 với lần lượt là tín hiệu lý tưởng từ cảm biến, tín hiệu từ cảm biến có nhiễu và tín hiệu khôi phục: Hình 8 mô tả các hệ số của bộ lọc thích nghi thu được: Hình 9 là đặc trưng biên độ và đặc trưng pha của bộ lọc thích nghi thu được. Nhận xét rằng đặc trưng biên độ của bộ lọc này rất phù hợp với đặc trưng của tàu (hình 10) mà ta đã giả định không biết.