Tài liệu Phân tích thuỷ động lực học và thiết kế hệ thống điều khiển theo công nghệ hướng đối tượng cho phương tiện tự hành dưới nước

MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................ v DANH MỤC CÁC BẢNG ....................................................................................... vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ........................................................... viii MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 12 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG TIỆN TỰ HÀNH DƢỚI NƢỚC VÀ PHƢƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG, THỰC THI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ........................................................................................................... 17 1.1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG AUV ...... 17 1.2. ĐỘNG LỰC HỌC TRONG ĐIỀU KHIỂN AUV ............................................ 23 1.2.1. Mô hình yêu cầu......................................................................................... 23 1.2.2. Mô hình động lực học điều khiển .............................................................. 25 1.2.2.1. Hệ tọa độ sử dụng ............................................................................... 25 1.2.2.2. Phƣơng trình động lực học ................................................................. 26 1.2.3. Một số luật và phân phối điều khiển cho AUV ......................................... 27 1.2.3.1. Một số luật điều khiển sử dụng cho AUV .......................................... 27 1.2.3.2. Phân phối điều khiển .......................................................................... 30 1.3. CÁC PHƢƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG VÀ THỰC THI ÁP DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN AUV ...................................................................... 32 1.3.1. AUV với hệ thống động lực lai .................................................................. 32 1.3.1.1. Phân loại hệ thống điều khiển công nghiệp ........................................ 32 1.3.1.2. AUV với HDS trong điều khiển công nghiệp .................................... 33 1.3.2. Mô hình hóa ứng xử AUV - HDS .............................................................. 35 1.3.2.1. Automate lai ....................................................................................... 35 1.3.2.2. Grafcet ................................................................................................ 36 1.3.2.3. Mạng Petri .......................................................................................... 37 1.3.3. Công nghệ hƣớng đối tƣợng trong việc phát triển AUV - HDS ................ 38 1.3.3.1. Ngôn ngữ mô hình hóa hợp nhất trong thời gian thực ....................... 38 1.3.3.2. Phân tích và thiết kế hƣớng đối tƣợng ................................................ 40 1.3.4. Một số phƣơng pháp mô phỏng và thực thi ............................................... 41 i 1.3.4.1. Modelica ............................................................................................. 41 1.3.4.2. MatLab & Simulink ............................................................................ 42 1.3.4.3. Mô hình khối chức năng ..................................................................... 43 Kết luận chƣơng ................................................................................................... 44 CHƢƠNG 2. PHÂN TÍCH MÔ HÌNH THỦY ĐỘNG LỰC HỌC VÀ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CỦA AUV ........................................................................................ 47 2.1. MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC PHƢƠNG TIỆN DƢỚI NƢỚC ...................................................................................................................... 47 2.1.1. Vai trò mô hình hóa và mô phỏng động lực học phƣơng tiện tự hành dƣới nƣớc ............................................................................................................. 47 2.1.2. Tổng quan về CFD ..................................................................................... 48 2.1.2.1. Ƣu điểm của CFD ............................................................................... 48 2.1.2.2. Hạn chế của CFD ................................................................................ 49 2.2. CÔNG CỤ HỖ TRỢ VÀ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TRONG MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC AUV ................................................... 49 2.2.1. Công cụ hỗ trợ tính toán ............................................................................ 49 2.2.2. Căn bản lý thuyết tính toán đƣợc sử dụng trong công cụ hỗ trợ................ 51 2.3. QUI TRÌNH MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC AUV .... 53 2.3.1. Xây dựng mô hình hình học....................................................................... 54 2.3.2. Lƣới hóa mô hình ....................................................................................... 55 2.3.3. Đặt điều kiện biên và tính toán .................................................................. 56 2.4. PHÂN TÍCH MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG THỦY ĐỘNG LỰC HỌC . 57 2.4.1. Trƣờng phân bố áp suất dòng chảy bao tàu lặn ......................................... 57 2.4.2. Các thông số động lực chất lỏng tác dụng lên tàu lặn ............................... 59 2.5. CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN AUV ................................................ 64 2.5.1. Sơ đồ khối chức năng................................................................................. 64 2.5.2. Giả thuyết thực thi Automate lai cho AUV – HDS.................................... 65 2.5.3. Chi tiết cấu trúc Automate lai của AUV – HDS ........................................ 66 2.5.4. Mô phỏng hệ thống điều khiển .................................................................. 71 Kết luận chƣơng ................................................................................................... 73 ii CHƢƠNG 3. QUY TRÌNH PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ VÀ THỰC THI ĐIỀU KHIỂN CỦA AUV THEO CÔNG NGHỆ HƢỚNG ĐỐI TƢỢNG ....................... 74 3.1. CÁC ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN TRONG CÔNG NGHỆ HƢỚNG ĐỐI TƢỢNG74 3.1.1. Tính trừu tƣợng hoá ................................................................................... 74 3.1.2. Tính đóng gói ............................................................................................. 75 3.1.3. Tính mô đun hoá ........................................................................................ 76 3.1.4. Tính thừa kế ............................................................................................... 76 3.1.5. Lựa chọn phƣơng pháp hƣớng đối tƣợng .................................................. 76 3.2. QUY TRÌNH PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾT TRONG PHÁT TRIỂN AUV – HDS VỚI REALTIME UML ................................................................................... 78 3.2.1. Mô hình phân tích của AUV – HDS công nghiệp ..................................... 78 3.2.1.1. Nhận biết các trƣờng hợp sử dụng...................................................... 78 3.2.1.2. Xác định máy trạng thái toàn cục ....................................................... 80 3.2.1.3. Xác định sơ đồ khối chức năng mở rộng ............................................ 80 3.2.1.4. Xác định Automate lai ........................................................................ 81 3.2.1.5. Cấu trúc tổng quan về mô hình phân tích của AUV – HDS .............. 82 3.2.2. Mô hình thiết kế của AUV - HDS công nghiệp ......................................... 84 3.2.2.1. Cấu trúc kết nối toàn cục .................................................................... 85 3.2.2.2. Kiểm tra mô hình thiết kế ................................................................... 88 3.2.3. Mô hình thực thi của AUV - HDS công nghiệp ........................................ 88 3.2.3.1. Mô hình mô phỏng hƣớng đối tƣợng.................................................. 88 3.2.3.2. Lựa chọn ngôn ngữ công nghiệp cho mô hình triển khai ................... 92 Kết luận chƣơng ................................................................................................... 94 CHƢƠNG 4. THỬ NGHIỆM, PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ............. 96 4.1. CÀI ĐẶT HỆ THỐNG VÀ CÁC TRƢỜNG HỢP THỬ NGHIỆM ................ 96 4.1.1. Cài đặt hệ thống ......................................................................................... 96 4.1.2. Các trƣờng hợp thử nghiệm hiệu năng điều động tàu................................ 97 4.2. KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ DỮ LIỆU THỬ NGHIỆM VỀ TÍNH ĂN LÁI CỦA TÀU ................................................................................................................ 98 4.2.1. Tính quay trở .............................................................................................. 98 4.2.2. Tính ổn định hƣớng và bám quỹ đạo ....................................................... 100 iii Kết luận chƣơng ................................................................................................. 103 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 105 1. Kết luận .......................................................................................................... 105 2. Kiến nghị ........................................................................................................ 107 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 108 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ................. 112 PHỤ LỤC ............................................................................................................... 113 Phụ lục 1. Kết quả tính toán các thông số thủy động lực học chính của tàu lặn mô hình ......................................................................................................................... 113 Phụ lục 2. Mô hình phân tích và thiết kế hƣớng đối tƣợng với RealTime UML cho hệ thống điều khiển tàu lặn mô hình ...................................................................... 115 2.1. Mô hình phân tích của hệ thống điều khiển tàu lặn .................................... 115 2.1.1. Mô hình trƣờng hợp sử dụng ............................................................... 115 2.1.2. Các ứng xử của các trƣờng hợp sử dụng trong hệ thống điều khiển tàu lặn 116 2.1.3. Máy trạng thái toàn cục ....................................................................... 117 2.2. Mô hình thiết kế của hệ thống điều khiển tàu lặn ....................................... 118 2.2.1. Gói của phần liên tục ........................................................................... 120 2.2.2. Gói IGCB ............................................................................................. 122 2.2.3. Gói của phần rời rạc ............................................................................ 124 2.2.4. Gói giao diện bên trong ....................................................................... 125 2.2.5. Gói giao diện bên ngoài ....................................................................... 126 2.3. Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển tàu lặn .......................................... 127 2.4. Mô hình triển khai hệ thống điều khiển tàu lặn .......................................... 131 Phụ lục 3: Một số hình ảnh chế tạo và thử nghiệm tàu lặn mô hình ...................... 134 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu viết tắt Viết đầy đủ (tiếng Anh) Ý nghĩa AC Active Class Lớp chủ động AUV Autonomous Underwater Vehicles Phƣơng tiện tự hành dƣới nƣớc B-Frame Body-Frame Hệ tọa độ gắn với vật thể BS Back-Stepping Phƣơng thức điều khiển cấp ngƣợc CFD Computational Fluid Dynamics Động lực học tính toán dòng DAE Differential Algebraic Equation Phƣơng trình đại số vi phân FB Function Block Khối chức năng trong IEC GPS Global Positioning Systems Hệ thống định vị toàn cầu HDS Hybrid Dynamic System Hệ thống động lực lai IDE Integrated Development Environment Môi trƣờng phát triển tích hợp IEC International Electrotechnical Commission Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế IGCB Instantaneous Global Continuous Behavior Ứng xử liên tục toàn cục tức thời IMO International Maritime Organization Tổ chức hàng hải quốc tế INCOSE International Council on Systems Engineering Hội đồng quốc tế về công nghệ hệ thống INS Inertial Navigation Systems Hệ thống dẫn đƣờng quán tính v LOS Line-Of-Sight Giải thuật bám đƣờng MBSE Model-Based Systems Engineering Công nghệ hệ thống hƣớng mô hình MVC Model-View-Controller pattern Mẫu mô hình-khung nhìnđiều khiển NEDFrame North-East-Down Frame Hệ tọa độ gắn với trái đất OOPRES Object-Oriented Programming for RealTime Embedded Systems Lập trình hƣớng đối tƣợng cho hệ thống nhúng thời gian thực OMG Object Management Group Tổ chức quản trị hƣớng đối tƣợng quốc tế PC Passive Class Lớp bị động PID Proportional – Integral – Derivative regulator Bộ điều chỉnh khuếch đại tỷ lệ-tích phân-vi phân PLC Programmable Logic Controller Bộ điều khiển logic lập trình đƣợc RealTime UML RealTime Unified Modeling Language Ngôn ngữ mô hình hóa hợp nhất trong thời gian thực ROPES Rapid Object-Oriented Process for Embedded Systems Qui trình hƣớng đối tƣợng cho hệ thống nhúng SMC Sliding Mode Control Điều khiển trƣợt SNAME Society of Naval Architects and Marine Engineers Hiệp hội kiến trúc sƣ hải quân & kỹ sƣ hàng hải quốc tế UML Unified Modeling Language Ngôn ngữ mô hình hoá hợp nhất WP Way-Point Điểm lộ trình vi DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1. Sơ lƣợc về quá trình phát triển sản phẩm AUV trên thế giới 17 Bảng 1.2. Dữ liệu thông kê và dự báo về phát triển AUV trên thế giới 20 Bảng 1.3. Các ký hiệu SNAME cho phƣơng tiện dƣới nƣớc 26 Bảng 2.1. Phân bố áp suất động của dòng chảy bao tàu 58 Bảng 2.2. Lực và mô men tác dụng lên tàu lặn theo hệ tọa độ OXYZ 59 Bảng 2.3. Lực và mô men tác dụng lên tàu lặn theo hệ tọa độ OXoYoZo 62 Bảng 2.4. Các thông số cụ thể của các dòng liên tục toàn cục 69 Bảng 4.1. Đƣờng kính xác lập quay vòng 100 Bảng 4.2. Tổng hợp dữ liệu liên quan đến tính ăn lái của tàu 102 Bảng A.1. Các thông số thủy động lực học chính của tàu lặn mô hình 113 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1. Sơ đồ khối điều khiển, định vị và dẫn đƣờng của AUV 24 Hình 1.2. Các hệ tọa độ và tham số chuyển động của AUV 25 Hình 1.3. Sơ đồ khối bộ điều khiển PID 28 Hình 1.4. Hệ thống tự đáp ứng, hệ thống thời gian thực và hệ thống động lực lai 33 Hình 1.5. Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống động lực lai công nghiệp 34 Hình 1.6. Ví dụ về các gói, các cổng và giao thức 39 Hình 1.7. Đặc tính khối chức năng theo chuẩn IEC61499 43 Hình 2.1. Sơ đồ tính toán trong Ansys Fluent 50 Hình 2.2. Trình tự mô phỏng động lực học trong FluidFlow (Fluent) 53 Hình 2.3. Biên dạng tàu lặn mô hình 54 Hình 2.4. Mô hình khảo sát 55 Hình 2.5. Mô hình đã chia lƣới 55 Hình 2.6. Lƣới biên dạng tàu lặn 56 Hình 2.7. Sơ đồ mô phỏng 57 Hình 2.8. Biểu đồ lực cản tác dụng lên tàu lặn 60 Hình 2.9. Biểu đồ lực nâng tác dụng lên tàu lặn 61 Hình 2.10. Biểu đồ mô men quay tác dụng lên tàu lặn 61 Hình 2.11. Biểu đồ lực dọc tàu 63 Hình 2.12. Biểu đồ lực ngang tác dụng lên tàu 63 Hình 2.13. Sơ đồ khối chức năng mở rộng của AUV – HDS 65 Hình 2.14a. Automate lai của AUV - HDS với các sự kiện bên trong đƣợc sinh ra là Eii: trƣờng hợp lái Phải – Trái Hình 2.14b. Automate lai của AUV - HDS với các sự kiện bên trong viii 70 đƣợc sinh ra là Eii: trƣờng hợp lái Lặn – Nổi 70 Hình 2.15. Mô phỏng đáp ứng quá độ hƣớng đi của AUV - HDS 72 Hình 3.1. Tổng quan các đặc trƣng trong công nghệ hƣớng đối tƣợng 75 Hình 3.2. Chu trình vòng đời lặp của AUV - HDS 78 Hình 3.3. Cấu trúc tổng quan về mô hình phân tích của AUV - HDS công nghiệp 83 Hình 3.4. Sơ đồ cấu trúc kết nối các gói chính của AUV - HDS công 86 nghiệp Hình 3.5. Sơ đồ lớp chi tiết về các gói chính, cổng và giao thức của 87 AUV Hình 3.6. Minh họa cấu trúc điều khiển tàu lặn thông qua mô hình OpenModelica 91 Hình 3.7. Mô phỏng đáp ứng quá độ hƣớng đi của AUV – HDS tƣơng ứng với kết quả mô phỏng trên Hình 2.15 trong Chƣơng 2 91 Hình 4.1. Sơ đồ khối tổng quan kết nối phần cứng 96 Hình 4.2. Ví dụ minh họa một số thiết bị ngoại vi chính và lắp đặt tổng 96 thể Hình 4.3. Sơ đồ khối thiết lập thử nghiệm về hiệu năng điều động tàu 97 Hình 4.4. Bán kính quay trở tại góc bánh lái 10o với vận tốc 0.5m/s 98 Hình 4.5. Bán kính quay trở tại góc bánh lái 20o với vận tốc 1.0m/s 99 Hình 4.6. Bán kính quay trở tại góc bánh lái 30o với vận tốc 1.5m/s 99 Hình 4.7. Quá độ quĩ đạo khi đặt hƣớng đi mong muốn 10° với vận tốc di chuyển trung bình 0.5m/s 101 Hình 4.8. Quá độ quĩ đạo khi đặt hƣớng đi mong muốn 20° với vận tốc di chuyển trung bình 1.0m/s 101 ix Hình 4.9. Quá độ quĩ đạo khi đặt hƣớng đi mong muốn 30° với vận tốc di chuyển trung bình 1.5m/s 102 Hình 4.10. Thử nghiệm bám quỹ đạo trên mặt phẳng nằm ngang của tàu lặn 103 Hình A.1. Mô hình trƣờng hợp sử dụng của hệ thống điều khiển tàu lặn 115 Hình A.2a. Sơ đồ diễn tiến của trƣờng hợp sử dụng “Drive” 116 Hình A.2b. Máy trạng thái của trƣờng hợp sử dụng “Drive” 117 Hình A.3. Máy trạng thái toàn cục của hệ thống điều khiển tàu lặn 117 Hình A.4. Sơ đồ kết nối giữa các gói cơ bản của AUV - HDS 118 Hình A.5. Sơ đồ lớp của các gói cơ bản trong AUV - HDS 118 Hình A.6. Sơ đồ diễn tiến toàn cục của AUV - HDS – trong trƣờng hợp: sự kiện bên ngoài đƣợc xử lý; sự kiện bên trong đƣợc sinh ra 119 Hình A.7. Sơ đồ cấu trúc của gói phần liên tục 120 Hình A.8. Sơ đồ lớp của gói phần liên tục của AUV - HDS 121 Hình A.9. Sơ đồ diễn tiến của gói phần liên tục 122 Hình A.10. Sơ đồ lớp của gói IGCB 123 Hình A.11. Máy trạng thái của gói IGCB 123 Hình A.12. Sơ đồ lớp của gói phần rời rạc 124 Hình A.13. Máy trạng thái của gói phần rời rạc 124 Hình A.14a. Sơ đồ lớp của gói giao diện bên trong 125 Hình A.14b. Máy trạng thái của gói giao diện bên trong 125 Hình A.15. Sơ đồ lớp của gói giao diện bên ngoài của AUV - HDS 126 Hình A.16. Máy trạng thái của gói giao diện bên ngoài 126 Hình A.17. Đáp ứng quá độ hƣớng đi của của tàu lặn mô hình tƣơng ứng với hƣớng đi mong muốn 10o và vận tốc di chuyển 1,0m/s Hình A.18. Đáp ứng quá độ hƣớng đi của của tàu lặn mô hình tƣơng x 127 ứng với hƣớng đi mong muốn 10o và vận tốc di chuyển 1,5m/s 128 Hình A.19. Đáp ứng quá độ hƣớng đi của của tàu lặn mô hình tƣơng ứng với hƣớng đi mong muốn 20o và vận tốc di chuyển 0,5m/s 128 Hình A.20. Đáp ứng quá độ hƣớng đi của của tàu lặn mô hình tƣơng ứng với hƣớng đi mong muốn 20o và vận tốc di chuyển 1,0m/s 129 Hình A.21. Đáp ứng quá độ hƣớng đi của của tàu lặn mô hình tƣơng ứng với hƣớng đi mong muốn 20o và vận tốc di chuyển 1,5m/s 129 Hình A.22. Đáp ứng quá độ hƣớng đi của của tàu lặn mô hình tƣơng ứng với hƣớng đi mong muốn 30o và vận tốc di chuyển 0,5m/s 130 Hình A.23. Đáp ứng quá độ hƣớng đi của của tàu lặn mô hình tƣơng ứng với hƣớng đi mong muốn 30o và vận tốc di chuyển 1,0m/s 130 Hình A.24. Đáp ứng quá độ hƣớng đi của của tàu lặn mô hình tƣơng ứng với hƣớng đi mong muốn 30o và vận tốc di chuyển 1,5m/s 131 Hình A.25. Vi xử lý Arduino Mega2560 kèm theo các giao thức kết 132 nối Hình A.26. Tích hợp phần cứng trong hệ thống điều khiển tàu lặn mô 132 hình Hình A.27. Kiểm tra mã chƣơng trình chính của bộ điều khiển PID đƣợc biên dịch để nạp vào vi xử lý Arduino Mega2560 xi 133 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Phƣơng tiện tự hành dƣới nƣớc (AUV)[7] đang ngày càng đƣợc sử dụng bởi các nhà khai thác dân sự và quốc phòng cho các nhiệm vụ phức tạp và nguy hiểm. Điều này có đƣợc là do các đặc tính cơ bản về an toàn và hiệu quả khi so sánh với phƣơng tiện có ngƣời lái[58],[67]. AUV không yêu cầu điều hành của con ngƣời và phải chịu các điều kiện và các mối nguy hiểm vốn có trong môi trƣờng dƣới nƣớc. AUV hiệu quả hơn so với phƣơng tiện có ngƣời lái cả về thời gian và tài chính do phƣơng tiện nhỏ hơn và không cần các hệ thống để duy trì sự sống dƣới nƣớc. Điều này cũng dẫn đến qui mô yêu cầu thực hiện bảo trì thƣờng xuyên cần thiết sẽ nhỏ hơn nhằm duy trì cho một phƣơng tiện hoạt động.Với các đặc trƣng nổi bật nhƣ trên, các loại AUV đã đƣợc sử dụng thành công và hiệu quả trong ngành công nghệ hàng hải cho cả mục đích dân sự và quân sự[7],[19]. Ngày nay, cùng với sự phát triển chung của đất nƣớc, ngành kinh tế biển ngày một đóng vai trò quan trọng.Việc nghiên cứu về đại dƣơng cũng rất cần các phƣơng tiện tự hành dƣới nƣớc nhằm mục đích nâng cao hiệu quả kinh tế xã hội trong dân sự cũng nhƣ các trang thiết bị hải quân[56]; ví dụ: tìm hiểu các nguồn sinh vật học của đại dƣơng, cảnh báo thiên tai và sóng thần, các thiết bị quân sự tự hành dƣới nƣớc.Một trong những ngành công nghiệp mũi nhọn, công nghệ tàu thủy và kỹ thuật dƣới nƣớc đang đƣợc phát triển rất nhanh tại nƣớc ta. Nhiều nhà máy và xí nghiệp chế tạo tàu thủy đã phải nhập khẩu từ nƣớc ngoài nhiều thiết bị để chế tạo những tàu lớn và hiện đại; đặc biệt là phải nhập khẩu những thiết bị điều khiển, ví dụ: hệ thống lái tàu thủy tự động có điều khiển theo chƣơng trình, hệ thống điều khiển từ xa cho buồng máy. Nhƣ thế, chi phí để hoàn thành một phƣơng tiện dƣới nƣớc sẽ rất cao. Hơn thế nữa, việc nghiên cứu tác động của môi trƣờng biển tới đời sống kinh tế xã hội của dân sinh rất cần thiết đối với nƣớc ta ví dụ nhƣ 12 là: cảnh báo thiên tai và sóng thần, khảo sát hệ sinh thái dƣới biển, vận tải biển bằng tàu thủy; cũng nhƣ việc phát triển các trang thiết bị cho hải quân. Các hoạt động trên đòi hỏi phải có các phƣơng tiện tự hành dƣới nƣớc thì mới đáp ứng đƣợc mục tiêu. Do đó, việc nghiên cứu sản xuất các phƣơng tiện này trong nƣớc sẽ tăng đƣợc tính chủ động trong sản xuất hàng loạt, giảm chi phí nhập khẩu từ nƣớc ngoài và hạn chế đƣợc việc lệ thuộc vào bí mật công nghệ đặc biệt là trong lĩnh vực quân sự. Đã có một số trƣờng đại học và cao đẳng trong nƣớc nghiên cứu và chế tạo mô hình về hệ thống lái tự động, tuy nhiên nếu các thiết bị này đƣợc sản xuất công nghiệp thì việc sử dụng các chuẩn để phân tích, thiết kế và thi hành hệ thống điều khiểncần phải đƣợc xem xét đến. Việc tái sử dụng và tùy biến các mô đun điều khiển đã phát triển đƣợc áp dụng cho hệ thống ứng dụng mới là rất quan trọng, nhằm giảm chi phí, thời gian và nhân công sản xuất[1]. Ở nƣớc ta, việc xem xét sử dụng các chuẩn dùng để phân tích thiết kế hệ thống điều khiển, tái sử dụng và tùy biến các mô đun điều khiển đã phát triển vẫn còn hạn chế. Trên thế giới có nhiều nƣớc đã và đang phát triển rất mạnh về điều khiển các phƣơng tiện tự hành dƣới nƣớc với công nghệ điều khiển tích hợp cao nhƣ là Na Uy, Mỹ, Nga và Pháp. Các phƣơng tiện này đƣợc sử dụng trong mục đích dân sự, nhƣ là thăm dò các nguồn tài nguyên thiên nhiên dƣới biển, do nguồn tài nguyên trên đất liền đang cạn kiệt dần và nhu cầu thiết yếu cho cuộc sống của con ngƣời ngày càng tăng cao. Các phƣơng tiện tự hành dƣới nƣớc cũng đƣợc sử dụng cho mục đích quân sự riêng cho từng quốc gia nhằm bảo vệ toàn vẹn chủ quyền lãnh thổ của quốc gia đó, đặc biệt là các vùng biển đảo, cũng nhƣ là mục đích quân sự chung nhƣ là chống khủng bố và hải tặc quốc tế. 2. Mục đích AUV hoạt động trong môi trƣờng nƣớc nên việc tính toán thủy động lực học rất quan trọng. Thông qua tính toán mô phỏng số cho mô hình tàu có thể biết đƣợc 13 lực cản, lực nâng, mômen tác động lên tàu hay các phân bố vận tốc, áp suất của môi trƣờng. Từ đó có thể đánh giá hoạt động của tàu, hiệu chỉnh thiết kế, tính toán các thiết bị động lực và nghiên cứu hoạt động tàu trong các chế độ và môi trƣờng làm việc khác nhau. Ngoài ra, để một AUV có thể hoạt động đƣợc một cách tự hành, cấu trúc điều khiển của nó phải có ba hệ thống chính[27], [28]: Hệ thống dẫn đƣờng nhằm đƣa ra quỹ đạo cho phƣơng tiện chuyển động bám theo; hệ thống định vị để xác định các trạng thái hiện hành của phƣơng tiện; hệ thống điều khiển nhằm tính toán và áp dụng theo mô hình thủy động lực học tƣơng ứng với các chế độ hoạt động khác nhau. Bên cạnh đó, hệ thống điều khiển AUV phải đƣợc phân tích và thiết kế không tách rời khỏi mô hình động lực học cho các chế độ hoạt động khác nhau. Hệ thống điều khiển và các cơ cấu chấp hành có xét tới các mô hình với dữ kiện rời rạc và mô hình ứng xử liên tục, đƣợc gọi là hệ thống động lực lai (HDS)[31],[32],[51]. Những mô hình ứng xử này đƣợc phân phối theo các chế độ hoạt động khác nhau; chúng đƣợc kết hợp với các quá trình làm thay đổi tác nhân với các trƣờng hợp sử dụng nhƣ là: ngƣời thiết kế, ngƣời tƣ vấn và ngƣời bảo trì. Hơn nữa, các hệ thống điều khiển luôn luôn không có ứng xử giống nhau; do đó, nó phải đƣợc kết hợp với giả thuyết hợp lý để kiểm tra tại mọi thời điểm.Ngoài ra, việc sử dụng các chuẩn để phân tích, thiết kế và thi hành hệ thống điều khiểncông nghiệp cần phải đƣợc xét đến; việc tùy biến và tái sử dụng các mô đun điều khiển AUV đã phát triển đƣợc áp dụng cho ứng dụng AUV mới là quan trọng, nhằm giảm chi phí tài chính và thời gian trong vòng đời phát triển sản phẩm công nghiệp [33], [37], [38], [64]. 3. Phạm vi nghiên cứu của đề tài Để đáp ứng đƣợc các yêu cầu hệ thống điều khiển cho AUV gắn liền với mô hình thủy động lực học của nó, các phƣơng pháp phát triển hƣớng mô hình hóa 14 hƣớng đối tƣợng đã cho phép tạo ra các bản thiết kế trực quan và có khả năng đáp ứng đƣợc các yêu cầu thay đổi của hệ thống điều khiển. Ngôn ngữ mô hình hóa hợp nhất trong thời gian thực (RealTime UML)[16],[22], [44]đã đƣợc tổ chức quản trị đối tƣợng quốc tế (OMG) [52]chuẩn hóa theo công nghệ hƣớng đối tƣợng để ứng dụng trong việc phát triển công nghệ hệ thống nói chung (MBSE, INCOSE)[37], [38]và các ứng dụng điều khiển hƣớng đối tƣợng theo thời gian thực nói riêng[13],[39],[55], [59], [64]. RealTime UML kết hợp với qui trình phân tích và thiết kế hƣớng đối tƣợng (ROPES) [22], [24]cho phép tách các đặc tả chức năng của một hệ thống độc lập với các đặc tả thực thi chức năng trên một nền công nghệ cụ thể. Do đó, các chức năng hệ thống có thể đƣợc sử dụng lại để thực thi trên các nền công nghệ khác nhau. RealTime UML và ROPES cho phép hệ thống thực hiện đƣợc ba mục tiêu cơ bản là khả năng di động, tính xuyên chức năng và sự sử dụng lại thông qua việc tách rời các mối liên quan. Do vậy, cách tiếp cận hƣớng đối tƣợng và ngôn ngữ mô hình hóa hợp nhất trong thời gian thực cho phép đáp ứng các yêu cầu luôn luôn thay đổi và tính phức tạp ngày càng tăng cao của hệ thống điều khiển công nghiệp. Theo cách tiếp hƣớng đối tƣợng đã có nhiều ứng dụng đƣợc phát triển thành công trên các hệ thống điều khiển công nghiệp, đặc biệt các hệ thống điều khiển nhúng trong thời gian thực trong các lĩnh vực điều khiển công nghiệp khác nhau[6], [13], [14], [24], [53], [64]. Ngoài ra, có những công cụ phần mềm mã nguồn mở hoặc thƣơng mại hỗ trợ cho việc phân tích, thiết kế và thi hành hệ thống một cách nhanh chóng và có kế thừa dựa trên phƣơng pháp luận này, nhƣ: OpenModelica[54], MatLab-Simulink[49], IBM Rational Rose RealTime, IBM Rational Rhapsody vàIBM Bational Software Architect RealTime[35]. Xuất phát từ các phân tích và đánh giá trên đây, đề tài nghiên cứu của luận án đã đƣợc lựa chọn là: “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”. 15 Ngoài ra, do giới hạn về tài chính nên để minh họa dễ dàng cách tiếp cận hƣớng đối tƣợng trong phát triển hệ thống điều khiển AUV, luận án chỉ xét hệ thống điều khiển cho AUV có tính năng bám hƣớng và quỹ đạo trên mặt ngang. 4. Các điểm mới của luận án đạt đƣợc - Nghiên cứu và phân tích thủy động lực học cho một ứng dụng AUVcỡ nhỏ cụ thể (Tàu lặn không ngƣời lái tự hành cỡ nhỏ). - Đƣa ra qui trình công nghệ hƣớng đối tƣợng trong thời gian thực để phân tích, thiết kế, mô phỏng và thực thi hệ thống điều khiển bám hƣớng và quỹ đạo trên mặt ngangcho tàu lặn đã chọn. - Thiết kế chi tiết của hệ thống điều khiển có thể dễ dàng tùy biến và tái sử dụng cho các ứng dụng điều khiển các loại AUV khác nhau. 5. Cấu trúc của luận án Luận án đƣợc trình bày theo các nội dung chính sau:Chƣơng 1 trình bày tổng quan về các phƣơng tiện tự hành dƣới nƣớc (AUV) và phƣơng pháp mô hình hóa, mô phỏng, thực thi hệ thống điều khiển. Phân tích mô hình thủy động lực học và cấu trúc điều khiển cho một ứng dụng AUV cỡ nhỏ cụ thể (tàu lặn không ngƣời lái tự hành cỡ nhỏ) đƣợc thể hiện trong Chƣơng 2.Chƣơng 3 đƣa raquy trình phân tích, thiết kế và thực thi điều khiển của tàu lặn không ngƣời lài tự hành cỡ nhỏ đã lựa chọn theo công nghệ hƣớng đối tƣợng.Chƣơng 4 trình bày các kết quả thử nghiệm và đánh giá.Cuối cùng là kết luận và kiến nghị hƣớng nghiên cứu tiếp theo. 16 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG TIỆN TỰ HÀNH DƢỚI NƢỚC VÀ PHƢƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG, THỰC THI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 1.1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG AUV Trên thế giới, phƣơng tiện tự hành dƣới nƣớc (AUV) đã có bƣớc phát triển vƣợt bậc trong các thập niên qua. Hiện tại, AUV/ASV đƣợc sử dụng cho một số các ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực quân sự và dân sự, ví dụ: giám sát mục tiêu, thăm dò nguồn tài nguyên biển, cảnh báo thảm họa và cứu nạn trên biển[1], [7], [21], [57]. Bảng 1.1 minh họa sơ lƣợc về quá trình phát triển sản phẩm AUV trên thế giới. Toàn bộ quá trình phát triển và đánh giá các loại sản phẩm về AUV thế giới cho thể tham khảo trong [12], [21]. Bảng 1.1. Sơ lƣợc về quá trình phát triển sản phẩm AUV trên thế giới STT Mô tả chính / Hình ảnh 1 AUV: SPURVđƣợc phát triển bởi trƣờng Đại học Washington, Mỹ, 1957. - Lặn sâu 3.000m và thời gian lặn liên tục trong 4 giờ. - Có khả năng đo nhiệt độ và độ truyển đƣợc sử dụng để hỗ trợ nghiên cứu hải dƣơng học, bao gồm nghiên cứu truyền tải âm thanh và phát hiện tàu ngầm. 2 AUV: Epaulard đƣợc chế tạo bởi Viện nghiên cứu đại dƣơng (IFREMER), Pháp, 1980. - Dài 4m và nặng 2,9 tấn. 17 - Lặn sâu tới 6.000m, đƣợc sử dụng trong nghiên cứu đại đại dƣơng. 3 AUV: AUSS đƣợc chế tạo bởi Trung tâm nghiên cứu quân sự về đại dƣơng và không gian (SPAWAR), Mỹ, 1983. - Hoạt động ở độ sâu lên đến 6.000m. - Có thể chụp và truyền hình ảnhđáy của đại dƣơng thông qua một máy truyền âm ở tốc độ lên đến 4.800 bít/giây. - Đƣợc trang bị các Sonar quét bên và các Sonar nhìn về phía trƣớc để giúp xác định vị trí các đối tƣợng lạ trong đại dƣơng. 4 AUV: REMUS 6000 đƣợc chế tạo bởi tập đoàn Kongsberg Maritime, Nay Uy, 1997. - Có thể lặn sâu tới 6.000m. - Phục vụ nghiên cứu giám sát, thăm dò và lập bản đồ đại dƣơng. - Dễ dàng tùy biến cho các tác vụ dân sự và quân khác khi trang bị các Sonar chức năng. 18 5 AUV: SEAOTTER MKII đƣợc chế tạo bởi tập đoàn Atlas Elektronik, Đức, 2007. - Chiều dài 3,65m, Trọng lƣợng 1000 kg, Chiều sâu lặn tới 600m, tải trọng mang thêm đến 160kg và thời gian hoạt động một lần 20 giờ. - Tác vụ: 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. 6 AUV: Bluefin-9 đƣợc phát triển bởi tập đoàn Bluefin Robotics, Mỹ, 2010. - Trọng lƣợng 60,5kg, Kích thƣớc L x W = 1,65m x 0,24m, Lặn sâu lớn nhất 200m, Tốc độ di chuyển 2m/s, Thời gian hoạt động một lần12giờ. - Tác vụ: thăm dò và khai khoáng tài nguyên biển, theo dõi và bảo vệ môi trƣờng, trinh sát và giám sát vùng kinh tế biển đảo, bảo vệ hải cảng và giàn khoan. 19 Bảng 1.2 mô tả dƣ liệu về thống kê AUV đã phát triển đến năm 2009 và dự báo thị trƣờng AUV trên thế giới giai đoạn từ năm 2010 đến năm 2019, đƣợc thực hiện bởi Hãng nghiên cứu chiến lƣợc Douglas-Westwood[21]. Bảng 1.2. Dữ liệu thông kê và dự báo về phát triển AUV trên thế giới Giai đoạn Số lƣợng AUV Lĩnh vực sử dụng Căn cứ trƣớc 2009 629 - Quân sự: 23%, - Thăm dò: 41%, - Nghiên cứu: 35%, - Khác: 11%. - Thực tế AUV đã phát triển. 2010 2019 1144 - Quân sự: 49%, - Nghiên cứu: 31%, - Dầu khí:8%, - Thủy văn:7%, - Cáp ngầm:5%. - Nhu cầu năng lƣợng và khai thác dầu khí trữ lƣợng dƣới lòng đại dƣơng. - Yêu cầu an ninh quốc phòng. - Tiềm năng tài nguyên sinh vật biển. Ở trong nƣớc với kỷ nguyên công nghệ và nền kinh tế đa chiều, toàn cầu hóa và tri thức, việc phát triển các hệ thống công nghiệp có một vai trò quan trọng trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa và bảo vệ đất nƣớc. Hệ thống điều khiển công nghiệp là một phần của lĩnh vực sản xuất công nghiệp; nó ngày càng đƣợc nhiều doanh nghiệp sử dụng và phát triển để góp phần tạo ra giá trị cạnh tranh. Đặc biệt là các hệ thống điều khiển cho các phƣơng tiện phục vụ cho việc khảo sát, thăm dò, khai khoáng tài nguyên biển và bảo vệ lãnh hải của đất nƣớc. Hơn nữa, nó góp phần trong mục tiêu “Chiến lược Biển” mà Đảng và Nhà nƣớc đang đầu tƣ phát triển. Ngoài ra, việc nghiên cứu về đại dƣơng cũng rất cần các phƣơng tiện tự hành dƣới nƣớc (AUV) nhằm mục đích nâng cao hiệu quả kinh tế xã hội trong dân sự cũng nhƣ các trang thiết bị hải quân trong quân sự ở nƣớc ta; ví dụ nhƣ là tìm hiểu 20