Robot ngầm tự hành thăm dò địa chấn dưới nước

Để tiến hành thăm dò địa chấn, cần phát dao động đàn hổi bằng nổ mìn, rung, đập (khảo sát trên đất liền) hoặc khí nén, nổ hỗn hợp khí, điện – thủy lực (khảo sát trên biển). Các dao động này truyền trong môi trường dưới dạng sóng đàn hồi. Khi gặp các mặt ranh giới có khác biệt về tính chất đàn hồi sẽ hình thành các sóng thứ sinh (sóng phản xạ, khúc xạ, tán xạ,...). Bằng hệ thống máy móc đặt ở trên mặt có thể thu nhận và ghi lại các dao động sóng trên các băng địa chấn.

Khi tiến hành thăm dò địa chấn trong môi trường nước (biển, sông, hồ,...), việc đặt cáp thu ở trên mặt môi trường nước nên chi thu được sóng dọc sẽ dẫn đến kết quả thăm dò bị hạn chế. Điều này cho thấy cần phải có giải pháp để đưa cáp thu xuống đáy biển nhằm thu đồng thời cả sóng dọc và sóng ngang.

Khảo sát địa chấn biển ngày nay đòi hỏi nhiều phương pháp để ghi lại các phản xạ từ sóng địa chấn ra khỏi các cấu trúc địa chất dưới đáy biển. Một hệ thống nhanh, hiệu quả về chi phí để triển khai, cũng như phục hồi các máy thu địa chấn để hoạt động dưới nước cần các công nghệ mới, sử dụng phương tiện tự động dưới nước (AUV) có hệ thống đẩy và được lập trình để di chuyển đến các vị trí mong muốn và ghi lại dữ liệu địa chấn.

Các nhà nghiên cứu người Mỹ và Na Uy gồm Valsvik Geir, Rokkan Arne Henning, Næs Johan Fredrik, Silvia Matthew E; Von Alt Christopher J. đã nghiên cứu thiết kế, chế tạo robot ngầm tự hành giúp thăm dò địa chấn dưới nước (AUV) và đăng ký sáng chế này tại Mỹ. Theo nhóm tác giả, AUV này có nhiều ưu điểm hơn các phiên bản trước đây, ví dụ như khả năng bám sát đáy biển tốt hơn, khả năng cơ động, kiểm soát lực đẩy, khả năng khuếch đại âm thanh cao hơn. Ngoài ra, AUV cũng ít tiêu hao năng lượng, nhẹ, đơn giản, dễ xử lý và sửa chữa hơn so với các AUV địa chấn hiện có.

Cấu tạo robot ngầm tự hành (AUV) được đề cập trong sáng chế, gồm:

1. Bình chịu áp lực: có dạng hình trụ, được làm bằng sợi carbon, titan, nhôm hoặc vật liệu khác. Theo các tác giả sáng chế, sợi carbon dùng làm vật liệu chính cho bình chịu áp lực sẽ làm giảm trọng lượng tổng thể của AUV, do đó làm giảm kích thước tổng thể, và chi phí. Một ưu điểm khác của bình chịu áp lực làm bằng sợi carbon là tín hiệu âm thanh sẽ xuyên qua thành của ống sợi carbon. Bình chịu áp lực gồm 2 phần được ghép với nhau bằng một vòng kim loại. Vòng kim loại được gắn với một hoặc nhiều thiết bị khác (như bộ đẩy, máy đo độ cao, thiết bị âm thanh,..). Bên trong bình chịu áp lực có các bộ phận điện tử như các cảm biến địa chấn, pin, bộ xử lý, bộ ghi dữ liệu, bộ nhớ, động cơ,…Bình chịu áp lực có khả năng chịu được áp lực độ sâu dưới nước đến 3.000m.
2. Cánh, giá đỡ và tấm dẫn hướng: Cánh tạo ra lực nâng cho AUV khi di chuyển trong nước. Giá đỡ và tấm dẫn hướng làm bằng nhựa hoặc kim loại để tăng độ ổn định của AUV trong suốt quá trình di chuyển cũng như khi đứng im và tăng khả năng bám dính đáy biển. Các tấm dẫn hướng được đặt lệch nhau khoảng 60-120 độ.
3. Bộ đẩy: gồm 2 bộ đẩy dọc (1 nằm phía trước, 1 nằm phía sau của AUV) để định hướng di chuyển (như tạo góc, hướng lên, hướng xuống, hoặc để duy trì độ sâu, tốc độ di chuyển) và 2 bộ đẩy ngang nằm ở giữa, dùng để di chuyển theo chiều ngang, lên xuống. Tuy nhiên, khi vận hành, các bộ đẩy dọc và ngang cùng phối hợp hoạt động theo nhiều hướng, giúp AUV di chuyển ổn định dưới nước. Bộ đẩy gồm có động cơ, vòi phun và cánh quạt. Thông thường, bộ đẩy được nối với hệ thống phanh để hãm cánh quạt khi tắt hệ thống AUV. Động cơ điều khiển bộ đẩy là một động cơ không chổi than DC, truyền động trực tiếp, giúp giảm tiếng ồn.
4. Hệ thống điều hướng quán tính (INS): để điều khiển AUV đến một vị trí mong muốn, gồm một mô-đun chứa gia tốc kế, con quay hồi chuyển, từ kế hoặc các thiết bị cảm biến chuyển động khác. INS cần phải được lập trình và cập nhật thường xuyên thông tin về vị trí, vận tốc của AUV từ các cảm biến chuyển động để giảm lỗi định vị của AUV. INS có thể có độ chính xác tới 0,1% khoảng cách di chuyển.
5. Hệ thống kiểm soát địa chấn, gồm:

• Bộ cảm biến: để ghi lại các tín hiệu địa chấn khi AUV ở dưới đáy đại dương. Cảm biến địa chấn có thể bao gồm một hoặc nhiều đầu thu sóng địa chấn (trong nước hoặc trong lòng đất), gia tốc kế, cảm biến điện từ, cảm biến độ sâu,….
• Bộ nhớ: được kết nối với bộ xử lý và/hoặc cảm biến địa chấn để lưu trữ dữ liệu
• Máy ghi tự động kỹ thuật số (DAR): để điều khiển hệ thống đẩy, được ghép nối với hệ thống dẫn âm.

6. Hệ thống âm thanh: là hệ thống USBL (Đường cơ sở siêu ngắn), để định vị âm thanh dưới nước. Hệ thống USBL gồm hệ thống thu hoặc định vị âm thanh được gắn ở phần dưới AUV và bộ phát âm thanh được đặt ở phần trên AUV. Bộ thu phát hệ thống định vị âm thanh bao gồm một bộ chuyển đổi hình cầu với hàng trăm phần tử đầu dò riêng lẻ. Một tín hiệu (xung) được gửi từ đầu dò đến bộ phát gắn ở phần trên AUV.
7. Các thiết bị khác: la bàn, máy đo độ cao, đồng hồ đo áp suất, hệ thống tránh chướng ngại vật, thiết bị liên lạc (Wi-Fi hoặc hệ thống liên lạc không dây,…), pin, ăng-ten,…

AUV được phủ một hoặc nhiều lớp syntactic foam bảo vệ để cải thiện khả năng chống va đập, giảm hấp thụ nước và giảm lực cản trong nước. Lớp phủ bảo vệ cũng có thể ngăn chặn hoặc làm chậm sự phát triển của các sinh vật biển không mong muốn.