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
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG TIỆN TỰ HÀNH DƯỚI NƯỚC
VÀ PHƯƠNG 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. Phương 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 PHƯƠNG 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 hướng đối tượng 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 hướng đối tượng ................................................ 40
1.3.4. Một số phương 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 chương ................................................................................................... 44
CHƯƠNG 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 PHƯƠNG TIỆN DƯỚI
NƯỚC ...................................................................................................................... 47
2.1.1. Vai trò mô hình hóa và mô phỏng động lực học phương tiện tự hành
dưới nước ............................................................................................................. 47
2.1.2. Tổng quan về CFD ..................................................................................... 48
2.1.2.1. Ưu 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 được 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. Lưới 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. Trường 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 chương ................................................................................................... 73
ii
CHƯƠNG 3. QUY TRÌNH PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ VÀ THỰC THI ĐIỀU
KHIỂN CỦA AUV THEO CÔNG NGHỆ HƯỚNG ĐỐI TƯỢNG ....................... 74
3.1. CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN TRONG CÔNG NGHỆ HƯỚNG ĐỐI TƯỢNG74
3.1.1. Tính trừu tượng 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 phương pháp hướng đối tượng .................................................. 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 trường 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 hướng đối tượng.................................................. 88
3.2.3.2. Lựa chọn ngôn ngữ công nghiệp cho mô hình triển khai ................... 92
Kết luận chương ................................................................................................... 94
CHƯƠNG 4. THỬ NGHIỆM, PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ............. 96
4.1. CÀI ĐẶT HỆ THỐNG VÀ CÁC TRƯỜNG HỢP THỬ NGHIỆM ................ 96
4.1.1. Cài đặt hệ thống ......................................................................................... 96
4.1.2. Các trường 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 hướng và bám quỹ đạo ....................................................... 100
iii
Kết luận chương ................................................................................................. 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 hướng đối tượng 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 trường hợp sử dụng ............................................................... 115
2.1.2. Các ứng xử của các trường 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 ...................... 135
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
Phương tiện tự hành dưới
nước
B-Frame
Body-Frame
Hệ tọa độ gắn với vật thể
BS
Back-Stepping
Phương thức điều khiển cấp
ngược
CFD
Computational Fluid
Dynamics
Động lực học tính toán dòng
DAE
Differential Algebraic
Equation
Phương 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 trường 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 đường quán
tính
v
LOS
Line-Of-Sight
Giải thuật bám đường
MBSE
Model-Based Systems
Engineering
Công nghệ hệ thống hướng
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 hướng đối tượng
cho hệ thống nhúng thời gian
thực
OMG
Object Management Group
Tổ chức quản trị hướng đối
tượng 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
được
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 hướng đối tượng
cho hệ thống nhúng
SMC
Sliding Mode Control
Điều khiển trượt
SNAME
Society of Naval Architects
and Marine Engineers
Hiệp hội kiến trúc sư hải quân
& kỹ sư 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 lược 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 phương tiện dưới nước
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. Đường 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 đường 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 lưới
55
Hình 2.6. Lưới 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
được sinh ra là Eii: trường hợp lái Phải – Trái
Hình 2.14b. Automate lai của AUV - HDS với các sự kiện bên trong
viii
70
được sinh ra là Eii: trường hợp lái Lặn – Nổi
70
Hình 2.15. Mô phỏng đáp ứng quá độ hướng đi của AUV - HDS
72
Hình 3.1. Tổng quan các đặc trưng trong công nghệ hướng đối tượng
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 hướng đi của AUV – HDS tương
ứng với kết quả mô phỏng trên Hình 2.15 trong Chương 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 hướng đi mong muốn 10° với vận tốc
di chuyển trung bình 0.5m/s
101
Hình 4.8. Quá độ quĩ đạo khi đặt hướng 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 hướng 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 trường hợp sử dụng của hệ thống điều khiển tàu lặn
115
Hình A.2a. Sơ đồ diễn tiến của trường hợp sử dụng “Drive”
116
Hình A.2b. Máy trạng thái của trường 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 trường
hợp: sự kiện bên ngoài được xử lý; sự kiện bên trong được 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 hướng đi của của tàu lặn mô hình tương
ứng với hướng đi mong muốn 10o và vận tốc di chuyển 1,0m/s
Hình A.18. Đáp ứng quá độ hướng đi của của tàu lặn mô hình tương
x
127
ứng với hướng đi mong muốn 10o và vận tốc di chuyển 1,5m/s
128
Hình A.19. Đáp ứng quá độ hướng đi của của tàu lặn mô hình tương
ứng với hướng đi mong muốn 20o và vận tốc di chuyển 0,5m/s
128
Hình A.20. Đáp ứng quá độ hướng đi của của tàu lặn mô hình tương
ứng với hướng đi mong muốn 20o và vận tốc di chuyển 1,0m/s
129
Hình A.21. Đáp ứng quá độ hướng đi của của tàu lặn mô hình tương
ứng với hướng đi mong muốn 20o và vận tốc di chuyển 1,5m/s
129
Hình A.22. Đáp ứng quá độ hướng đi của của tàu lặn mô hình tương
ứng với hướng đi mong muốn 30o và vận tốc di chuyển 0,5m/s
130
Hình A.23. Đáp ứng quá độ hướng đi của của tàu lặn mô hình tương
ứng với hướng đi mong muốn 30o và vận tốc di chuyển 1,0m/s
130
Hình A.24. Đáp ứng quá độ hướng đi của của tàu lặn mô hình tương
ứng với hướng 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 chương trình chính của bộ điều khiển PID
được biên dịch để nạp vào vi xử lý Arduino Mega2560
xi
134
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Phương tiện tự hành dưới nước (AUV) [7] đang ngày càng được sử dụng bởi
các nhà khai thác dân sự và quốc phòng cho các nhiệm vụ phức tạp và nguy hiểm.
Điều này có được là do các đặc tính cơ bản về an toàn và hiệu quả khi so sánh với
phương tiện có người lái [58], [67]. AUV không yêu cầu điều hành của con người
và phải chịu các điều kiện và các mối nguy hiểm vốn có trong môi trường dưới
nước. AUV hiệu quả hơn so với phương tiện có người lái cả về thời gian và tài
chính do phương tiện nhỏ hơn và không cần các hệ thống để duy trì sự sống dưới
nước. Điều này cũng dẫn đến qui mô yêu cầu thực hiện bảo trì thường xuyên cần
thiết sẽ nhỏ hơn nhằm duy trì cho một phương tiện hoạt động.Với các đặc trưng
nổi bật như trên, các loại AUV đã được 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 nước, ngành kinh tế biển
ngày một đóng vai trò quan trọng.Việc nghiên cứu về đại dương cũng rất cần các
phương tiện tự hành dưới nước nhằm mục đích nâng cao hiệu quả kinh tế xã hội
trong dân sự cũng như các trang thiết bị hải quân [56]; ví dụ: tìm hiểu các nguồn
sinh vật học của đại dương, cảnh báo thiên tai và sóng thần, các thiết bị quân sự tự
hành dưới nước. Một trong những ngành công nghiệp mũi nhọn, công nghệ tàu
thủy và kỹ thuật dưới nước đang được phát triển rất nhanh tại nước ta. Nhiều nhà
máy và xí nghiệp chế tạo tàu thủy đã phải nhập khẩu từ nước 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 chương trình, hệ
thống điều khiển từ xa cho buồng máy. Như thế, chi phí để hoàn thành một phương
tiện dưới nước sẽ rất cao. Hơn thế nữa, việc nghiên cứu tác động của môi trường
biển tới đời sống kinh tế xã hội của dân sinh rất cần thiết đối với nước ta ví dụ như
12
là: cảnh báo thiên tai và sóng thần, khảo sát hệ sinh thái dưới biển, vận tải biển
bằng tàu thủy; cũng như việc phát triển các trang thiết bị cho hải quân. Các hoạt
động trên đòi hỏi phải có các phương tiện tự hành dưới nước thì mới đáp ứng được
mục tiêu. Do đó, việc nghiên cứu sản xuất các phương tiện này trong nước sẽ tăng
được tính chủ động trong sản xuất hàng loạt, giảm chi phí nhập khẩu từ nước ngoài
và hạn chế được việc lệ thuộc vào bí mật công nghệ đặc biệt là trong lĩnh vực quân
sự. Đã có một số trường đại học và cao đẳng trong nước nghiên cứu và chế tạo mô
hình về hệ thống lái tự động, tuy nhiên nếu các thiết bị này được sản xuất công
nghiệp thì việc sử dụng các chuẩn để phân tích, thiết kế và thi hành hệ thống điều
khiển cần phải được xem xét đến. Việc tái sử dụng và tùy biến các mô đun điều
khiển đã phát triển được 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 nước 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 nước đã và đang phát triển rất mạnh về điều khiển các
phương tiện tự hành dưới nước với công nghệ điều khiển tích hợp cao như là Na
Uy, Mỹ, Nga và Pháp. Các phương tiện này được sử dụng trong mục đích dân sự,
như là thăm dò các nguồn tài nguyên thiên nhiên dưới biển, do nguồn tài nguyên
trên đất liền đang cạn kiệt dần và nhu cầu thiết yếu cho cuộc sống của con người
ngày càng tăng cao. Các phương tiện tự hành dưới nước cũng được 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 như là mục đích quân sự
chung như là chống khủng bố và hải tặc quốc tế.
2. Mục đích
AUV hoạt động trong môi trường nước 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 được
13
lực cản, lực nâng, mômen tác động lên tàu hay các phân bố vận tốc, áp suất của
môi trường. 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 trường
làm việc khác nhau. Ngoài ra, để một AUV có thể hoạt động được một cách tự
hành, cấu trúc điều khiển của nó phải có ba hệ thống chính [27], [28]: Hệ thống
dẫn đường nhằm đưa ra quỹ đạo cho phương tiện chuyển động bám theo; hệ thống
định vị để xác định các trạng thái hiện hành của phương tiện; hệ thống điều khiển
nhằm tính toán và áp dụng theo mô hình thủy động lực học tương ứng với các chế
độ hoạt động khác nhau.
Bên cạnh đó, hệ thống điều khiển AUV phải được 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, được gọi là hệ thống động lực lai (HDS) [31], [32],
[51]. Những mô hình ứng xử này được phân phối theo các chế độ hoạt động khác
nhau; chúng được kết hợp với các quá trình làm thay đổi tác nhân với các trường
hợp sử dụng như là: người thiết kế, người tư vấn và người bảo trì. Hơn nữa, các hệ
thống điều khiển luôn luôn không có ứng xử giống nhau; do đó, nó phải được 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 khiển công nghiệp cần phải
được xét đến; việc tùy biến và tái sử dụng các mô đun điều khiển AUV đã phát
triển được 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 được các yêu cầu hệ thống điều khiển cho AUV gắn liền với mô
hình thủy động lực học của nó, các phương pháp phát triển hướng mô hình hóa
14
hướng đối tượng đã cho phép tạo ra các bản thiết kế trực quan và có khả năng đáp
ứng được 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 được tổ chức
quản trị đối tượng quốc tế (OMG) [52] chuẩn hóa theo công nghệ hướng đối tượng
để ứng dụng trong việc phát triển công nghệ hệ thống nói chung (MBSE, INCOSE)
[37], [38] và các ứng dụng điều khiển hướng đối tượng theo thời gian thực nói
riêng [13], [39], [55], [59], [64]. RealTime UML kết hợp với qui trình phân tích và
thiết kế hướng đối tượng (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 được sử dụng lại để thực thi trên các
nền công nghệ khác nhau. RealTime UML và ROPES cho phép hệ thống thực hiện
được 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 hướng đối
tượng 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 hướng đối tượng đã có nhiều ứng dụng được 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 thương mại hỗ trợ cho việc phân tích, thiết kế và thi hành hệ thống một
cách nhanh chóng và có kế thừa dựa trên phương pháp luận này, như:
OpenModelica [54], MatLab-Simulink [49], IBM Rational Rose RealTime, IBM
Rational Rhapsody và IBM Bational Software Architect RealTime [35].
Xuất phát từ các phân tích và đánh giá trên đây, đề tài nghiên cứu của luận
án đã được 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
hướng đối tượng trong phát triển hệ thống điều khiển AUV, luận án chỉ xét hệ
thống điều khiển cho AUV có tính năng bám hướng và quỹ đạo trên mặt ngang.
4. Các điểm mới của luận án đạt được
- Nghiên cứu và phân tích thủy động lực học cho một ứng dụng AUV cỡ nhỏ
cụ thể (Tàu lặn không người lái tự hành cỡ nhỏ).
- Đưa ra qui trình công nghệ hướng đối tượng trong thời gian thực để phân
tích, thiết kế, mô phỏng và thực thi hệ thống điều khiển bám hướng và quỹ đạo trên
mặt ngang cho 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 được trình bày theo các nội dung chính sau: Chương 1 trình bày
tổng quan về các phương tiện tự hành dưới nước (AUV) và phương 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 người
lái tự hành cỡ nhỏ) được thể hiện trong Chương 2. Chương 3 đưa ra quy trình phân
tích, thiết kế và thực thi điều khiển của tàu lặn không người lài tự hành cỡ nhỏ đã
lựa chọn theo công nghệ hướng đối tượng. Chương 4 trình bày các kết quả thử
nghiệm và đánh giá. Cuối cùng là kết luận và kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp
theo.
16
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG TIỆN TỰ HÀNH DƯỚI
NƯỚC VÀ PHƯƠNG 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, phương tiện tự hành dưới nước (AUV) đã có bước phát triển
vượt bậc trong các thập niên qua. Hiện tại, AUV/ASV được 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 lược 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 lược về quá trình phát triển sản phẩm AUV trên thế giới
STT
Mô tả chính / Hình ảnh
1
AUV: SPURV được phát triển bởi trường 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 được sử dụng để hỗ trợ nghiên
cứu hải dương học, bao gồm nghiên cứu truyền tải âm thanh và phát hiện
tàu ngầm.
2
AUV: Epaulard được chế tạo bởi Viện nghiên cứu đại dương
(IFREMER), Pháp, 1980.
17
- Dài 4m và nặng 2,9 tấn.
- Lặn sâu tới 6.000m, được sử dụng trong nghiên cứu đại đại dương.
3
AUV: AUSS được chế tạo bởi Trung tâm nghiên cứu quân sự về đại
dương và không gian (SPAWAR), Mỹ, 1983.
- 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.
4
AUV: REMUS 6000 được 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 dương.
- 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 được chế tạo bởi tập đoàn Atlas Elektronik,
Đức, 2007.
- Chiều dài 3,65m, Trọng lượng 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 được phát triển bởi tập đoàn Bluefin Robotics, Mỹ, 2010.
- 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.
- Tác vụ: 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.
19
Bảng 1.2 mô tả dư liệu về thống kê AUV đã phát triển đến năm 2009 và dự
báo thị trường AUV trên thế giới giai đoạn từ năm 2010 đến năm 2019, được thực
hiện bởi Hãng nghiên cứu chiến lược Douglas-Westwood [21].
Bảng 1.2. Dữ liệu thông kê và dự báo về phát triển AUV trên thế giới
Giai
đoạn
Số lượng
AUV
Lĩnh vực sử dụng
Căn cứ
trước 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 lượng và khai thác
dầu khí trữ lượng dưới lòng đại
dương.
- Yêu cầu an ninh quốc phòng.
- Tiềm năng tài nguyên sinh vật biển.
Ở trong nước 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 nước. Hệ thống điều
khiển công nghiệp là một phần của lĩnh vực sản xuất công nghiệp; nó ngày càng
được 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 phương tiện phục vụ cho việc
khảo sát, thăm dò, khai khoáng tài nguyên biển và bảo vệ lãnh hải của đất nước.
Hơn nữa, nó góp phần trong mục tiêu “Chiến lược Biển” mà Đảng và Nhà nước
đang đầu tư phát triển.
Ngoài ra, việc nghiên cứu về đại dương cũng rất cần các phương tiện tự hành
dưới nước (AUV) nhằm mục đích nâng cao hiệu quả kinh tế xã hội trong dân sự
cũng như các trang thiết bị hải quân trong quân sự ở nước ta; ví dụ như là tìm hiểu
20
- Xem thêm -