Tài liệu Nghiên cứu kiến trúc hướng mô hình kết hợp với RealTime UML/MARTE trong thiết kế hệ thống điều khiển cho phương tiện không người lái tự hành trên mặt nước

MỤC LỤC 1 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................... iv 2 DANH MỤC CÁC BẢNG ......................................................................... vii 3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................. viii 4 MỞ ĐẦU ..................................................................................................... 11 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG TIỆN TỰ HÀNH DƯỚI NƯỚC VÀ CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN............................................. 18 1.1 Sơ lược quá trình phát triển và ứng dụng phương tiện tự hành dưới nước .................................................................................................... 18 1.2 Tổng quan về hệ thống dẫn đường, định vị, điều khiển cho ASV ...................................................................................................................... 26 1.2.1 Hệ thống dẫn đường của ASV ..................................................... 26 1.2.2 Hệ thống định vị của ASV ........................................................... 27 1.2.3 Hệ thống điều khiển của ASV ..................................................... 27 1.3 Phương pháp lai và công nghệ hướng đối tượng trong mô hình hóa hệ thống điều khiển ............................................................................ 28 1.3.1 Hệ thống động lực lai và Automate lai......................................... 28 1.3.2 Sử dụng công nghệ hướng đối tượng ........................................... 30 1.3.3 Quy trình phát triển tái lặp hướng đối tượng cho hệ thống thời gian thực ...................................................................................... 33 1.3.4 Kiến trúc hướng theo mô hình ..................................................... 35 1.4 Kết luận chương ............................................................................... 37 2 CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC TRONG ĐIỀU KHIỂN VÀ KIẾN TRÚC GNCS CỦA ASV VỚI AUTOMATE LAI .......................... 38 i 2.1 Mô hình động lực học và cơ sở giải thuật điều khiển tổng quát cho ASV....................................................................................................... 38 2.1.1 Mô hình động lực học tổng quát trong điều khiển ASV.............. 38 2.1.2 Cơ sở giải thuật điều khiển tích phân hồi tiếp (IB) tổng quát cho GNCS của ASV ........................................................................... 41 2.2 Mô hình động lực học và giải thuật điều khiển thực thi cho ASV trên mặt ngang ........................................................................................... 44 2.2.1 Mô hình động lực học trong điều khiển ASV trên mặt ngang..... 44 2.2.2 Giải thuật điều khiển thực thi cho ASV bám quỹ đạo trên mặt ngang ........................................................................................... 45 2.3 Cấu trúc GNCS của ASV ................................................................ 49 2.3.1 Cấu trúc GNCS tổng quát của ASV ............................................. 49 2.3.2 Mô hình hóa trạng thái điều khiển ASV ...................................... 52 2.3.3 Mô hình GNCS phi tuyến lai cho ASV ....................................... 53 2.4 Sử dụng mô hình và ngôn ngữ mô phỏng cho GNCS của ASV .. 55 2.4.1 Vai trò mô phỏng hệ thống điều khiển công nghiệp .................... 55 2.4.2 Sử dụng ngôn ngữ mô phỏng hệ thống ........................................ 56 2.5 Kết luận chương ............................................................................... 58 3 CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ VÀ THỰC THI GNCS CHO ASV BẰNG MDA VÀ REALTIME UML/MARTE ........... 59 3.1 Qui trình MDA tổng quát trong phát triển GNCS cho ASV....... 59 3.1.1 Sử dụng MDA, chuyển đổi mô hình và RealTime UML/MARTE ..................................................................................................... 59 3.1.2 Qui trình MDA thực thi cho GNCS của ASV ............................. 64 3.2 Cụ thể hóa qui trình MDA thực thi cho GNCS của ASV ............ 66 ii 3.2.1 CIM .............................................................................................. 66 3.2.2 PIM ............................................................................................... 73 3.2.3 PSM .............................................................................................. 82 3.3 Kết luận chương ............................................................................... 92 4 CHƯƠNG 4. THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ GNCS CHO ỨNG DỤNG ASV .................................................................................................... 93 4.1 Các tình huống và môi trường thử nghiệm ứng dụng ................. 93 4.1.1 Các tình huống thử nghiệm .......................................................... 93 4.1.2 Môi trường thử nghiệm ................................................................ 93 4.2 Quy trình vận hành thử nghiệm chương trình điều khiển .......... 94 4.3 Tiến hành thử nghiệm và đánh giá GNCS của ứng dụng ASV . 100 4.3.1 Thử nghiệm kịch bản bám quỹ đạo của ASV ............................ 100 4.3.2 Thử nghiệm tính ổn định hướng của mô hình ........................... 103 4.4 Kết luận chương ............................................................................. 104 1 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................. 105 2 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................... 107 3 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN . 113 5 PHỤ LỤC .................................................................................................. 115 iii 1 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu viết tắt ASV AUV Viết đầy đủ (tiếng Anh) Ý nghĩa Autonomous Surface Phương tiện tự hành trên mặt Vehicles nước Autonomous Underwater Vehicles Phương tiện tự hành dưới nước CB Center of Bouyancy Tâm nổi của ASV CG Center of Gravity Trọng tâm của ASV Computation Independent Mô hình độc lập với thao tác Model tính toán CIM CLF DAE Control Lyapunov Function Differential Algebraic Equation Hàm điều khiển Lyapunov Phương trình đại số vi phân DoF Degree of Freedom Bậc tự do EKF Extended Kalman Filter Bộ lọc Kalman mở rộng Guidance/Navigation and Hệ thống dẫn đường/định vị và Control System điều khiển GNCS GPS Global Positioning Systems Hệ thống định vị toàn cầu HA Hybrid Automata Automate lai HDS Hybrid Dynamic System Hệ thống động lực lai HIL Hardware-In-the-Loop Mô phỏng phần cứng vật lý IB Integral Backstepping IDE Integrated Development Environment Phương thức điều khiển tích phân hồi tiếp Môi trường phát triển tích hợp iv IEC IGCB INCOSE IMU INS LOS International Electrotechnical Commission Instantaneous Global Ứng xử liên tục toàn cục tức Continuous Behavior thời International Council on Hội đồng quốc tế về công nghệ Systems Engineering hệ thống Inertial Measurement Unit Thiết bị đo quán tính Inertial Navigation Systems Line-Of-Sight Modeling and Analysis of MARTE Real Time and Embedded systems MDA MDS MES MVC ODE OO PID PIM Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế Model-Driven Architecture Measurement and Display System Hệ thống dẫn đường quán tính Giải thuật bám đường LOS Mô hình hóa và phân tích các hệ thống nhúng và thời gian thực Kiến trúc hướng theo mô hình Hệ thống đo lường và hiển thị kết hợp với các hệ thống dẫn đường và định vị Marine Environment Hệ thống đặc trưng cho nhiễu System loạn do môi trường tạo ra Model-View-Controller Mẫu mô hình-khung nhìn-điều pattern khiển Ordinary Differential Equation Phương trình vi phân thường Object-Oriented Hướng đối tượng Proportional – Integral – Bộ điều chỉnh khuếch đại tỷ lệ- Derivative regulator tích phân-vi phân Platform Independent Mô hình độc lập với nền công v PLC Model nghệ Programmable Logic Bộ điều khiển logic lập trình Controller được Mô hình gắn với nền công nghệ PSM Platform Specific Model RealTime Real Time Unified Ngôn ngữ mô hình hóa hợp nhất UML Modeling Language trong thời gian thực Rapid Object-Oriented ROPES Process for Embedded Systems cụ thể Qui trình hướng đối tượng cho hệ thống nhúng RPY Roll-Pitch-Yaw Các góc Nghiêng-Chúc-Hướng SMC Sliding Mode Control Điều khiển trượt UML WP Unified Modeling Language Way-Point Ngôn ngữ mô hình hoá hợp nhất Điểm đường (điểm lộ trình) vi 2 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Các ký hiệu SNAME cho phương tiện dưới nước ...................... 39 Bảng 2.2 IB liên kết với HA cho GNCS của ASV ..................................... 54 Bảng 3.1 Nguyên tắc tùy biến và tái sử dụng của các gói điều khiển chính của GNCS cho các ASV khác nhau ................................................................ 81 Bảng 4.1 Dữ liệu đánh giá tính bám quỹ đạo hình tam giác của ASV ..... 101 Bảng 4.2 Dữ liệu đánh giá tính bám quỹ đạo hình chữ nhật của ASV ..... 102 Bảng 4.3 Số liệu ổn định hướng của ứng dụng ASV ................................ 103 Bảng P.1 Các thông số thủy động lực học chính của ứng dụng ASV với vận tốc di chuyển 0,5m/s [4] ................................................................................ 115 vii 3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Hình ảnh phương tiện tự hành dưới nước ASV/AUV (SPURV) 18 Hình 1.2 Hình ảnh phương tiện tự hành dưới nước ASV/AUV (Epaulard)19 Hình 1.3 Hình ảnh phương tiện tự hành dưới nước ASV/AUV (AUSS) ... 19 Hình 1.4 Hình ảnh phương tiện tự hành dưới nước ASV/AUV (REMUS 6000) ................................................................................................................ 20 Hình 1.5 Hình ảnh phương tiện tự hành dưới nước ASV (SEAOTTER MKII)............................................................................................................... 20 Hình 1.6 Hình ảnh phương tiện tự hành dưới nước ASV/AUV (Bluefin-9) ......................................................................................................................... 20 Hình 1.7 Hình ảnh phương tiện tự hành trên mặt nước ASV (CUSV) ....... 21 Hình 1.8 Hình ảnh phương tiện tự hành trên mặt nước ASV (ARCIMS) .. 21 Hình 1.9 Hình ảnh phương tiện tự hành trên mặt nước ASV (CARACAS) ......................................................................................................................... 21 Hình 1.10 Hình ảnh phương tiện tự hành trên mặt nước ASV (MAST) [65] ......................................................................................................................... 22 Hình 1.11 Thống kê tỷ lệ phân bổ ASV/AUV theo phạm vi ứng dụng tính đến năm 2009 .................................................................................................. 22 Hình 1.12 Dự báo tỷ lệ phân bổ ASV/AUV theo phạm vi ứng dụng giai đoạn 2010 – 2019 ............................................................................................ 23 Hình 1.13 Hệ thống dẫn đường cho các phương tiện dưới nước không người lái [24], [38], [39] ................................................................................. 26 Hình 1.14 Qui trình phát triển tái lặp nhúng hướng đối tượng [21], [22]... 34 Hình 2.1 Các hệ tọa độ và tham số chuyển động của ASV ........................ 38 Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống dẫn đường, khối điều khiển và định vị của ASV 50 Hình 2.3 Ví dụ sơ đồ chức năng thực thi mở rộng...................................... 54 Hình 3.1 Mô hı̀nh chuyể n đổ i từ CIM sang PIM [46], [32]........................ 60 Hình 3.2 Chuyể n đổ i mô hı̀nh theo vế t ....................................................... 61 viii Hình 3.3 Quá trı̀nh biế n đổ i siêu mô hı̀nh ................................................... 61 Hình 3.4 Quá trı̀nh biế n đổ i theo ứng du ̣ng mẫu ........................................ 62 Hình 3.5 Vı́ du ̣ tổ ng quát về quá trı̀nh biế n đổ i sử du ̣ng tên mẫu ............... 63 Hình 3.6 Vı́ du ̣ về quay trı̀nh MDA cho mô ̣t hê ̣ thố ng phức ta ̣p ................ 63 Hình 3.7 Tổng quan về quy trình MDA thực thi GNCS cho ASV ............. 65 Hình 3.8 Siêu mô hình UML thể hiện các chức năng chính của GNCS .... 67 Hình 3.9 Mô hình trường hợp sử dụng của ASV ........................................ 68 Hình 3.10 Kịch bản điều khiển bám theo quỹ đạo mong muốn ................. 69 Hình 3.11 Máy trạng thái cục bộ của trường hợp sử dụng “Bám theo quỹ đạo mong muốn” ............................................................................................. 69 Hình 3.12 Máy trạng thái toàn cục của ASV .............................................. 70 Hình 3.13 Sơ đồ khối chức năng của GNCS cho ASV............................... 71 Hình 3.14 Mẫu kết nối truyền đạt giữa các gói điều khiển chính của GNCS cho ASV .......................................................................................................... 75 Hình 3.15 Máy trạng thái của gói phần rời rạc của GNCS cho ASV ......... 75 Hình 3.16 Máy trạng thái của gói IGCB của GNCS cho ASV ................... 77 Hình 3.17 Sơ đồ tiến trình trong thời gian thực của 5 gói điều khiển chính nhằm thực thi HA cho GNCS của ASV .......................................................... 78 Hình 3.18 Cấu trúc tĩnh của các gói chính của GNCS cho ASV ................ 79 Hình 3.19 Tương tác giữa các gói chính cho một chu kỳ lấy mẫu trong GNCS .............................................................................................................. 80 Hình 3.20 Chuyển đổi mô hình PIM-PSM trong MDA ............................. 83 Hình 3.21 Chuyển đổi mô hình PIM-PSM cho hệ thống điều khiển ASV . 84 Hình 3.22 Đáp ứng quá độ khả năng ổn định hướng của ASV với vận tốc v=0,5m/s và hướng đi đặt 0100 ....................................................................... 86 Hình 3.23 Đáp ứng quá độ khả năng ổn định hướng của ASV với vận tốc v=1,0m/s và hướng đi đặt 0100 ....................................................................... 87 ix Hình 3.24 Đáp ứng quá độ khả năng ổn định hướng của ASV với vận tốc v=0,5m/s và hướng đi đặt 0200 ....................................................................... 87 Hình 3.25 Đáp ứng quá độ khả năng ổn định hướng của ASV với vận tốc v=1,0m/s và hướng đi đặt 0200 ....................................................................... 87 Hình 3.26 Đáp ứng quá độ khả năng ổn định hướng của ASV với vận tốc v=0,5m/s và hướng đi đặt 0300 ....................................................................... 88 Hình 3.27 Đáp ứng quá độ khả năng ổn định hướng của ASV với vận tốc v=1,0m/s và hướng đi đặt 0300 ....................................................................... 88 Hình 3.28 Sơ đồ khối tổng quan kết nối phần cứng và các thiết bị ngoại vi [9] .................................................................................................................... 90 Hình 3.29 Vi mạch MCU-STM32-Cortex M4 lập trình được .................... 90 Hình 3.30 Tích hợp và chạy thử nghiệm mô hình triển khai GNCS cho ASV bám theo quỹ đạo mong muốn ............................................................... 91 Hình 4.1 Bể bơi Trường Đại học Bách khoa Hà nội được sử dụng trong tiến hành thử nghiệm .............................................................................................. 94 Hình 4.2 Minh họa lựa chọn cổng và tốc độ kết nối ................................... 95 Hình 4.3 Ví dụ thiết lập một chương trình đi gồm 4 điểm (tại bể bơi Trường ĐHBK Hà Nội)................................................................................................ 95 Hình 4.4 Ví dụ hiển thị các thông số hiện thời của ASV............................ 98 Hình 4.5 Cấu hình hiệu chỉnh cho bộ điều khiển RC ................................. 98 Hình 4.6 Thiết lập các chế độ điều khiển thông qua kênh điều khiển Autopilot của bộ điều khiển RC ...................................................................... 99 Hình 4.7 Hiệu chỉnh thông số PID cho khối mô tơ................................... 100 Hình 4.8 Thử nghiệm đối với trường hợp bám quỹ đạo tam giác (tại bể bơi Đại học Bách khoa Hà Nội) .......................................................................... 101 Hình 4.9 Thử nghiệm đối với trường hợp bám quỹ đạo hình chữ nhật (tại hồ Tiền Đại học Bách khoa Hà Nội) ............................................................. 102 x 4 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Phương tiện tự hành trên mặt nước/phương tiện tự hành hành dưới nước (ASV/AUV) đã và đang tiếp tục được nghiên cứu và có bước phát triển vượt bậc trong thập kỷ qua, được sử dụng chủ yếu cho các ứng dụng quân sự và dân sự [8], [14], [52], [53], [69], trong tương lai sẽ được sử dụng rộng rãi cho các giám sát môi trường, sinh học của các nguồn tài nguyên biển, thảm họa sóng thần và cảnh báo thiên tai, ví dụ: rô bốt tự hành, tàu thủy tự hành, ngư lôi, tàu ngầm,... do nguồn tài nguyên trên đất liền ngày càng cạn kiệt dần và nhu cầu thiết yếu cho cuộc sống của con người ngày càng tăng cao. Đặc biệt do các đặc tính cơ bản về an toàn và hiệu quả chi phí khi so sánh với phương tiện có người lái nên phương tiện biển không người lái hoặc tự hành đang ngày càng được sử dụng để khai thác dân sự và quốc phòng cho các nhiệm vụ phức tạp và nguy hiểm: vì các phương tiện không yêu cầu điều hành trực tiếp của con người do đó hoạt động tốt trong các điều kiện khắc nghiệt và nguy hiểm trong môi trường dưới nước, hiệu quả chi phí về cả thời gian và tài chính đạt được là do phương tiện tự hành được thiết kế nhỏ, gọn vì nó không chứa các hệ thống cần thiết để duy trì cuộc sống trong khi dưới nước cũng như các cơ cấu truyền động nhỏ hơn so với một phương tiện có người lái, cũng như qui mô cần thiết cho việc thực hiện bảo trì thường xuyên sẽ nhỏ hơn nhằm duy trì cho một phương tiện hoạt động. Với các đặc trưng nổi bật như trên, các loại phương tiện biển không người lái hoặc tự hành đã được sử dụng thành công và hiệu quả trong ngành công nghệ hàng hải cho cả mục đích dân sự và quân sự ở các nước phát triển và một số nước đang phát triển. Bên cạnh đó, trong quá trình phát triển các hệ thống điều khiển công nghiệp nói chung cũng như các hệ thống điều khiển các phương tiện tự hành nói riêng, việc tùy biến và tái sử dụng các mô đun điều khiển đã phát triển 11 được áp dụng cho hệ thống ứng dụng mới là rất quan trọng nhằm giảm chi phí, thời gian và nhân công sản xuất. Hơn thế nữa, là một quốc gia với bờ biển dài trên 3.260 km, hơn 1 triệu km2 vùng đặc quyền kinh tế, với gần 3.000 đảo ven bờ, Việt Nam có nguồn tài nguyên đặc biệt về biển, từ tài nguyên sinh vật, tài nguyên phi sinh vật đến tài nguyên vị thế. Việc khai thác, sử dụng, quản lý tài nguyên và bảo vệ môi trường biển một cách bền vững, hiệu quả, cùng với bảo vệ, giữ vững chủ quyền, an ninh biển đảo Việt Nam là những nhiệm vụ vừa cấp bách và vừa lâu dài. Trong mấy năm gần đây, Đảng và Nhà nước ta đã đề ra những chủ trương, biện pháp quan trọng nhằm quản lý, bảo vệ và khai thác biển. Hoạt động kinh tế biển và an ninh quốc phòng trên vùng đặc quyền kinh tế của Việt Nam ngày càng sôi động, kể cả khi tình hình trên Biển Đông xuất hiện những vấn đề nhạy cảm và phức tạp. Do vậy, việc phát triển các phương tiện tự hành trên mặt nước/phương tiện tự hành hành dưới nước (ASV/AUV) rất cần thiết và hữu hiệu trong việc phục vụ các ngành công nghiệp như: xây dựng công trình biển, khảo sát nghiên cứu biển, hải dương học, tìm kiếm cứu hộ, kinh tế biển và quốc phòng-an ninh ở trong nước. Ở trong nước đã có nhiều đề tài nghiên cứu về điều khiển các phương tiện tự hành hoặc bán tự hành dưới nước tại các trường đại học và viện nghiên cứu ở nước ta; ví dụ: tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội cũng đã nghiên cứu và chế tạo một số hệ thống điều khiển cho phương tiện biển tự hành hoặc bán tự hành, nhưng chưa có đủ điều kiện tích hợp công nghệ để chuyển giao sản xuất hàng loạt ở trong nước. Ngoài ra, tính tùy biến và tái sử dụng các mô đun điều khiển đã phát triển nhằm giảm chi phí, thời gian, nhân công sản xuất trong các ứng dụng mới chưa được quan tâm tới [1]. Thậm chí nhiều đơn vị và tổ chức nghiên cứu trong nước đã phải nhập khẩu từ nước ngoài nhiều thiết bị điều khiển, như thế chi phí cho sản xuất một phương tiện tự hành sẽ rất cao và đặc biệt là bị lệ thuộc vào bí mật công nghệ. 12 Gần đây nhất có một số công trình khoa học ở trong nước đã và đang được nghiên cứu liên quan đến phát triển công nghệ hướng đối tượng và kiến trúc hướng theo mô hình cho phương tiện tự hành, như: “Phương pháp thiết kế hướng đối tượng trong điều khiển phương tiện bay không người lái” [3]; nghiên cứu này đã áp dụng quy trình MDA cụ thể cho phương tiện bay không người lái loại nhỏ nhưng chưa đưa ra chi tiết được mô hình cạnh tranh trong thời gian thực cho các mô đun điều khiển và sự chuyển đổi giữa các mô hình con trong MDA. Bên cạnh đó còn có nghiên cứu về “Phân tích thủy động lực học và thiết kế hệ thống điều khiển theo công nghệ hướng đối tượng cho phương tiện tự hành dưới nước” [4]; nghiên cứu này tập trung vào việc tính toán thủy động lực học phương tiện tự hành dưới nước (AUV) loại nhỏ và áp dụng công nghệ hướng đối tượng trong phát triển hệ thống điều khiển bám hướng trên mặt ngang với bộ điều khiển PID tuyến tính đơn giản. Ngoài ra đã có nghiên cứu về “Nghiên cứu phương pháp hướng đối tượng trong phân tích và thiết kế điều khiển chuyển động cho thiết bị tự hành AUV/ASV với chuẩn SysML-Modelica và Automate lai” [5]; nghiên cứu này đã xây dựng được các thành phần phân tích, thiết kế và thực thi hướng đối tượng trong điều khiển chuyển động cho AUV/ASV bằng công nghệ hệ thống hướng mô hình kết hợp với ngôn ngữ mô hình hóa hệ thống, ngôn ngữ mô phỏng Modelica và automate lai. Tuy nhiên, nghiên cứu trên đây cũng chưa đề cập chi tiết tới sự chuyển đổi và tích hợp giữa các mô hình thiết kế, thực thi, triển khai và quan hệ theo vết giữa chúng cho hệ thống điều khiển của AUV/ASV. Đến thời điểm hiện nay chưa có công trình nào nghiên cứu chi tiết về cụ thể hóa MDA để phát triển GNCS cho phương tiện tự hành trên mặt nước (ASV) cũng như tùy biến hoặc tái sử dụng các mô đun đã được thiết kế cho các ASV khác nhau. Từ tính cấp thiết trên đây cùng với sự hướng dẫn của tập thể các thầy hướng dẫn, NCS đã lựa chọn thực hiện luận án: “Nghiên cứu kiến trúc hướng 13 mô hình kết hợp với RealTime UML/MARTE trong thiết kế hệ thống điều khiển cho phương tiện không người lái tự hành trên mặt nước”. 2. Mục đích nghiên cứu Để một phương tiện hoạt động được một cách tự hành, kiến trúc của hệ thống điều khiển thường phải có ba hệ thống con chính: Hệ thống con dẫn đường nhằm đưa ra quỹ đạo cho phương tiện chuyển động bám theo; Hệ thống con định vị để xác định các trạng thái hiện hành của phương tiện; Hệ thống con điều khiển nhằm tính toán và áp dụng theo mô hình thủy động lực học thích hợp trong vận hành. Ba hệ thống con này có nhiệm vụ riêng của mình đồng thời cũng phải hoạt động một cách tích hợp để phương tiện hoàn thành được các tác vụ của nó [36]. Trong đó, hệ thống tích hợp điều khiển và dẫn đường/định vị (GNCS) cho ASV thông thường cấu thành bởi các mô hình liên tục, mô hình sự kiện rời rạc và tác động qua lại giữa các mô hình. Hệ thống điều khiển có đặc điểm như trên được xem như là hệ thống động lực lai (HDS) [32], [16], [44], [30]. Do đó mục đích nghiên cứu của đề tài được đề xuất như sau: + Mô hình hóa ứng xử của GNCS như là một hệ thống động lực lai công nghiệp thông qua cụ thể hóa Automate lai (HA) [31], [29] và được thực thi kèm theo các giả thuyết xác nhận tính hợp lệ nhằm kiểm tra về tính năng và độ tin cậy của toàn bộ GNCS tại mọi thời điểm hoạt động. + Làm chủ kiến trúc hướng theo mô hình (MDA) để phân tích, thiết kế và thi hành một cách hệ thống GNCS cho ASV có kèm theo sử dụng các chuẩn công nghiệp; hơn nữa nó cho phép tùy biến và tái sử dụng các mô đun GNCS của ASV đã phát triển được áp dụng cho các ứng dụng ASV mới, nhằm giảm chi phí tài chính và thời gian trong vòng đời phát triển sản phẩm công nghiệp. 3. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu Tổ chức quản trị hướng đối tượng quốc tế (OMG) đã phát triển cách tiếp 14 cận kiến trúc hướng theo mô hình (MDA) [47] để ứng dụng trong việc phát triển các hệ thống thông tin nói chung và các hệ thống điều khiển công nghiệp nói riêng. Theo cách tiếp cận MDA đã có nhiều tổ chức [46] áp dụng thành công trong trên thế giới như: công ty hàng không Lockheed Martin của Mỹ, Viện nghiên cứu và khảo sát đại dương Ifremer và SeaTech của Pháp,... trong nhiều lĩnh vực khác nhau, như: cơ khí động lực, điều khiển-tự động, điện tửviễn thông,... [12], [70], [19], [50]. Để đạt được các mục đích chính đề ra, luận án nghiên cứu cách tiếp cận kiến trúc hướng mô hình (MDA) [47] do tổ chức hướng đối tượng quốc tế (OMG) phát triển, kết hợp với ngôn ngữ mô hình hóa hợp nhất trong thời gian thực (RealTime UML/MARTE) [45], [15], [22], [38], [58], [59] nhằm ứng dụng trong việc phát triển các hệ thống thông tin nói chung và các hệ thống điều khiển công nghiệp nói riêng. Cách tiếp cận MDA có các đặc điểm chính, như: tính linh hoạt, di động và xuyên suốt giữa ứng dụng phát triển với các hệ thống tương tác và khả năng dễ dàng tái sử dụng các thành phần đã phát triển nhằm giảm thời gian, chi phí và nguồn lực cho các dự án phát triển hệ thống công nghiệp. Xuất phát từ các phân tích và đánh giá ở trên cũng như giới hạn về tài chính và thời gian nghiên cứu, luận án đã lựa chọn đối tượng là phương tiện tự hành trên mặt nước (ASV: AUV di chuyển trên mặt nước) và chỉ xét tới nhiễu về sóng tuyến tính với biên độ nhỏ (sóng gợn, mã trạng thái số 1 [51]). Luận án cụ thể hóa MDA kết hợp với HA và RealTime UML/MARTE để thiết kế, thực thi cụ thể 01 ASV để minh họa cách tiếp cận hướng đối tượng dễ dàng trong phát triển, tích hợp các hệ thống dẫn đường/định vị và điều khiển (GNCS) cho ASV, ngoài ra, các qui tắc tùy biến và tái sử dụng bản thiết kế chi tiết của GNCS đã phát triển này cũng được đưa ra nhằm có thể dễ dàng ứng dụng cho các loại ASV khác nhau. 15 Cách tiếp cận của luận án dựa trên phương pháp thực thi điều khiển hiện đại đã được ứng dụng trên nhiều hệ thống và thiết bị Cơ điện tử - Điều khiển; các kết quả nghiên cứu được tính toán theo lý thuyết và mô phỏng trên máy tính bằng các phần mền chuyên dụng cũng như triển khai kiểm chứng thông qua thử nghiệm. Tuy nhiên, đây là lần đầu tiên Nghiên cứu kiến trúc hướng mô hình kết hợp với RealTime UML/MARTE trong thiết kế hệ thống điều khiển cho phương tiện không người lái tự hành trên mặt nước được áp dụng và thử nghiệm trên phương tiện tự hành trên mặt nước (ASV) do Nghiên cứu sinh (NCS) tự phân tích, tính toán thiết kế, chế tạo, tích hợp và triển khai thử nhiệm tại Việt nam. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Luận án cụ thể hóa phương pháp luận về kiến trúc hướng theo mô hình (MDA) có kết hợp với RealTime UML/MARTE, HA và phương thức điều khiển tích phân hồi tiếp (IB) [2], [26] truyền thống cũng như sử dụng các phần mềm mã nguồn mở hoặc thương mại để hỗ trợ cho việc thiết kế và thi hành hệ thống một cách nhanh chóng và có kế thừa dựa mô hình đề xuất, như: OpenModelica [49], MatLab-Simulink [43], IBM Rational Rhapsody [33]. Do vậy, đề tài cũng bao hàm ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao thông qua cụ thể hóa và áp dụng kết hợp các phương thức điều khiển và công nghệ thực thi hiện đại (MDA, RealTime UML/MARTE và HA); sản phẩm có thể là tiền đề cho việc phát triển các ứng dụng công nghệ cao trong các lĩnh vực khác nhau, như: cứu hộ/cứu nạn, cảnh báo sóng thần an ninh và quốc phòng trên biển. Đặc biệt, nó có thể tham gia một góp phần nhỏ trong mục tiêu “Chiến lược Biển” mà Đảng và Nhà nước đang đầu tư phát triển. 5. Các điểm mới của luận án đạt được - Xây dựng thuật toán thực thi GNCS cụ thể cho ASV thông qua phương thức tích phân hồi tiếp (IB) kết hợp với Automate lai. 16 - Thiết lập quy trình phân tích, thiết kế và thực thi điều khiển hướng đối tượng trong thời gian thực cho ASV thông qua cụ thể hóa MDA với RealTime UML/MARTE, nhằm thực thi một cách hệ thống cho GNCS và triển khai trên một ASV tự hành bám theo hướng đi và quỹ đạo mong muốn trên mặt nước. - Thiết kế chi tiết của GNCS có thể dễ dàng tùy biến và tái sử dụng cho các ứng dụng điều khiển các loại ASV khác nhau. 6. Cấu trúc của luận án Luận án bao gồm phần mở đầu, 04 chương và kết luận được trình bày như sau: Chương 1 giới thiệu tổng quan về phương tiện tự hành trên mặt nước và các kỹ thuật điều khiển tích hợp. Chương 2 trình bày về mô hình hóa và mô phỏng động lực học trong điều khiển cho ASV/AUV. Chương 3 đề xuất quy trình phân tích, thiết kế, mô phỏng và thực thi GNCS cho ASV bằng công nghệ hướng đối tượng kết hợp dựa trên MDA và ngôn ngữ mô hình hóa hợp nhất trong thời gian thực (RealTime UML/MARTE) kết hợp với HA. Chương 4 trình bày về kết quả thử nghiệm và đánh giá. Cuối cùng là kết luận chung và kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo. 17 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG TIỆN TỰ HÀNH DƯỚI NƯỚC VÀ CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN 1.1 Sơ lược quá trình phát triển và ứng dụng phương tiện tự hành dưới nước Trên thế giới, phương tiện tự hành dưới nước AUV nói chung và phương tiện tự hành trên mặt nước ASV nói riêng đã có bước phát triển vượt bậc. Hiện tại, ASV được sử dụng cho một số ứng dụng quân sự hoặc dân sự, ví dụ: giám sát mục tiêu, thăm dò nguồn tài nguyên biển, cảnh báo thảm họa và cứu nạn trên biển. Toàn bộ quá trình phát triển và đánh giá các loại sản phẩm về ASV/AUV thế giới có thể tham khảo trong [55], [11]. Sơ lược về một số sản phẩm ASV/AUV trên thế giới: Năm 1957, Trường Đại học Washington, Mỹ đã phát triển ASV/AUV (SPURV) (Hình 1.1) lặn sâu 3.000m và thời gian lặn liên tục trong 4 giờ; Có khả năng đo nhiệt độ và độ truyền được sử dụng để hỗ trợ nghiên cứu hải dương học, bao gồm nghiên cứu truyền tải âm thanh và phát hiện tàu ngầm [11]. Hình 1.1 Hình ảnh phương tiện tự hành dưới nước ASV/AUV (SPURV) Năm 1980, Viện nghiên cứu đại dương (IFREMER), Pháp đã thiết kế chế tạo ASV/AUV (Epaulard) (Hình 1.2), dài 4m và nặng 2,9 tấn, có khả năng lặn sâu tới 6.000m, được sử dụng trong nghiên cứu đại đại dương [11]. 18 Hình 1.2 Hình ảnh phương tiện tự hành dưới nước ASV/AUV (Epaulard) Năm 1983 Trung tâm nghiên cứu quân sự về đại dương và không gian (SPAWAR), Mỹ chế tạo ASV/AUV (AUSS) (Hình 1.3) hoạt động ở độ sâu lên đến 6.000m, có thể chụp và truyền hình ảnh đáy của đại dương thông qua một máy truyền âm ở tốc độ lên đến 4.800 bít/giây, được trang bị các Sonar quét bên và các Sonar nhìn về phía trước để giúp xác định vị trí các đối tượng lạ trong đại dương [11]. Hình 1.3 Hình ảnh phương tiện tự hành dưới nước ASV/AUV (AUSS) Năm 1997 Tập đoàn Kongsberg Maritime, Na Uy chế tạo ASV/AUV (REMUS 6000) (Hình 1.4) có thể lặn sâu tới 6.000m, phục vụ nghiên cứu giám sát, thăm dò và lập bản đồ đại dương, dễ dàng tùy biến cho các tác vụ dân sự và quân khác khi trang bị các Sonar chức năng [11]. 19 Hình 1.4 Hình ảnh phương tiện tự hành dưới nước ASV/AUV (REMUS 6000) Năm 2007 Tập đoàn Atlas Elektronik, Đức chế tạo ASV (SEAOTTER MKII) (Hình 1.5) chiều dài 3,65m, trọng lượng 1.000kg, chiều sâu lặn tới 600m, tải trọng mang thêm đến 160kg và thời gian hoạt động một lần 20 giờ, thăm dò và khai khoáng tài nguyên biển, chống xâm nhập tàu ngầm, trinh sát và giám sát vùng kinh tế biển đảo và lập bản đồ [11]. Hình 1.5 Hình ảnh phương tiện tự hành dưới nước ASV (SEAOTTER MKII) Năm 2010 Tập đoàn Bluefin Robotics, Mỹ chế tạo ASV (Bluefin-9) (Hình 1.6) có trọng lượng 60,5kg, kích thước L x W = 1,65m x 0,24m, lặn sâu lớn nhất 200m, tốc độ di chuyển 2m/s, thời gian hoạt động một lần 12giờ, thăm dò và khai khoáng tài nguyên biển, theo dõi và bảo vệ môi trường, trinh sát và giám sát vùng kinh tế biển đảo, bảo vệ hải cảng và giàn khoan [11]. Hình 1.6 Hình ảnh phương tiện tự hành dưới nước ASV/AUV (Bluefin-9) Từ năm 2009 đến nay, lực lượng Hải quân Mỹ đã chế tạo và thử nghiệm các phiên bản của ASV (CUSV) (Hình 1.7) có khả năng mang nhiều loại vũ 20