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

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...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
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. Hình 2 : dịch chuyển Stokes 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 3 : dải phổ sóng được phát triển đầy đủ với các tốc độ Hình 4: dải phổ sóng trên các biển khác nhau, thực nghiệm gió khác nhau theo Pierson và Moskonwitz 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 Hình 7. Kết quả trên miền thời gian 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 ...