Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Phân tích thuỷ động lực học và thiết kế hệ thống điều khiển theo công nghệ hướng...

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 [tt]

.PDF
23
442
106

Mô tả:

MỞ ĐẦU 1. Mục đích và đối tƣợng nghiên cứu của luận án: - Ngày nay, việc nghiên cứu về đại dƣơng rất cần các phƣơng tiện tự hành dƣới nƣớc (AUV) để ứng dụng trong dân sự và quân sự. - Phần lớn các thiết bị trên tàu thủy đang phải nhập khẩu đặc biệt là thiết bị công nghệ cao trong đó có thiết bị điều khiển. Việc nghiên cứu sản xuất trong nƣớc sẽ tăng tính chủ động trong sản xuất, giảm chi phí nhập khẩu, đặc biệt là giảm sự lệ thuộc vào bí mật công nghệ của nƣớc ngoài. - Đối tƣợng nghiên cứu của luận án là AUV mô hình mô phỏng và 1 AUV mô hình thực tế với mục đích: + Tính toán mô phỏng động lực học của nó từ đó phân tích, thiết kế và thực thi hệ thống điều khiển theo công nghệ hƣớng đối tƣợng. + Thiết kế chi tiết của hệ thống này có thể dễ dàng tái sử dụng điều khiển cho các AUV khác với các yêu cầu luôn luôn thay đổi và tính phức tạp ngày càng tăng cao của hệ thống điều khiển. 2. Phƣơng pháp nghiên cứu đã sử dụng: - Luận án đã đặt vấn đề nghiên cứu động lực học và điều khiển phƣơng tiện tự hành dƣới nƣớc nhƣ một đối tƣợng điều khiển và đề ra phƣơng pháp giải bài toán động lực học và điều khiển, đồng thời ứng dụng công nghệ hƣớng đối tƣợng để điều khiển. - Các kết quả nghiên cứu đƣợc tính toán theo lý thuyết, mô phỏng trên máy tính cũng nhƣ thực nghiệm trên mô hình theo toàn đồ sau: Trong đó: + Kết quả số 1: minh họa mô phỏng đánh giá cấu trúc điều khiển đề xuất bằng Mathlab 1 + Kết quả số 2: Các kết quả mô phỏng cho các trƣờng hợp khác nhau bằng OpenModelica + Kết quả số 3: Kết quả thực nghiệm trên mô hình AUV 3. Các kết quả chính: - Nghiên cứu, tính toán thiết kế và chế tạo 1 mô hình tàu lặn. - Phân tích động lực học và xây dựng phƣơng trình chuyển động của tàu lặn đồng thời phân tích mô phỏng trên máy tính. - Nghiên cứu công nghệ có tích hợp hƣớng đối tƣợng và thiết bị dẫn đƣờng trong thời gian thực để phân tích, thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển cho tàu lặn, ứng dụng cho mô hình tàu lặn tƣơng tự. - Chế tạo và thử nghiệm thành công tàu lặn mô hình từ đó tác giả xây dựng thuật toán điều khiển và hệ thống điều khiển từ đó có thể dễ dàng tùy biến, tái sử dụng cho các ứng dụng điều khiển phƣơng tiện tự hành dƣới nƣớc khác nhau. 4. Cấu trúc luận án Luận án gồm 140 trang, mở đầu 5 trang, chƣơng 1 : 30 trang, chƣơng 2: 28 trang, chƣơng 3 : 22 trang, chƣơng 4 : 09 trang, kết luận 02 trang, danh mục công trình công bố: 02 trang, phụ lục: 27 trang. 2 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. PHÂN TÍCH TỔNG QUAN HỆ THỐNG 1.1.1. Mô hình yêu cầu Sơ đồ khối điều khiển, định vị và dẫn đƣờng của AUV 1.1.2. Mô hình động lực học điều khiển ̇ ( ) ̇ ( ) ( ) ( ) 1.2. MỘT SỐ LUẬT VÀ PHÂN PHỐI ĐIỀU KHIỂN CHO AUV Có nhiều phƣơng pháp và luật điều khiển khác nhau đã đƣợc thực hiện cho các hệ thống tàu ngầm trên thế giới, trong đó có AUV. Giải thuật PID đã đƣợc sử dụng thành công để điều khiển các loại máy khác nhau bao gồm cả phƣơng tiện tự động. Tuy nhiên, PID thƣờng đƣợc sử dụng cho AUV rất đơn giản làm việc trong môi trƣờng mà không nhiễu loạn bên ngoài. Một giải thuật thay thế đƣợc gọi là điều khiển trƣợt (SMC) đã đƣợc chứng minh 3 hiệu quả hơn khi xử lý mô hình động lực học phi tuyến với nhiễu loạn phi tuyến. sử dụng các giải thuật chuyển đổi phi tuyến để có đƣợc một đáp ứng quá độ nhanh nhằm giữ trạng thái ổn định cho hệ thống.  Bộ điều chỉnh PID Bộ điều chỉnh PID có nhiệm vụ đƣa sai lệch của hệ thống về “0” sao cho quá trình quá độ thoả mãn các yêu cầu về chất lƣợng.  Giải thuật SMC ( ) ̈ ( ̇ ) ( ) ) biễu diễn các động lực học phi tuyến bao gồm các Ở đây ( ̇ lực ly tâm và Coriolis, các lực giảm chấn tuyến tính và phi tuyến, lực và mô men của trọng trƣờng và nổi cùng với các nhiễu loạn tác động bên ngoài. Mặt điều khiển trƣợt đƣợc xác định nhƣ sau: ̇ ( ) ( ) Vì vậy, vấn đề điều khiển đƣợc đơn giản hóa khi mà một luật điều khiển đƣợc áp dụng nhƣ là: ( ) ( ̇ ) ( ) ( ̇ ) Nếu η đƣợc thay thế bởi sai lệch giữa các trạng thái hiện tại và mong muốn của AUV thì có thể đƣợc thấy rằng ứng dụng luật điều khiển này sẽ cho phép AUV theo vết một quỹ đạo đã định trƣớc. 4 1.3. CÁC PHƢƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG VÀ THỰC THI ÁP DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN AUV * AUV với hệ thống động lực lai Hiện nay, các hệ thống điều khiển tự động công nghiệp có thể phân theo các loại sau: hệ thống tự đáp ứng, hệ thống thời gian thực và hệ thống động lực lai. Xuất phát từ mô hình động lực học điều khiển của AUV và các đặc tả về hệ thống động lực lai, hệ thống điều khiển AUV có thể xem nhƣ là một hệ thống động lực lai công nghiệp và đƣợc gọi là AUV – HDS. Trong hệ thống này có các phần liên tục/rời rạc và tác động qua lại giữa các phần đó, nhƣ là: các chuyển động trƣợt dọc, trƣợt ngang, trƣợt đứng, các chuyển động quay và các tác động từ môi trƣờng biển do sóng, gió và dòng hải lƣu. * Ngôn ngữ mô hình hóa để thiết kế: - UML là một ngôn ngữ đồ họa để trực quan hóa, mô tả, xây dựng hệ thống do G. Booch, J. Rumbaugh và I. Jacobson UML bao gồm các ký hiệu: lớp, đối tƣợng, thông điệp. - UML đem lại cho ngƣời sử dụng phƣơng pháp chuẩn để viết bản thiết kế hệ thống -Real time UML: là UML trong thời gian thực, bao gồm các ký hiệu của UML và các ký hiệu gói, cổng, giao thức trong hệ thống phức tạp. * Phân tích, thiết kế điều khiển AUV- HDS - Trƣớc đây, ngƣời ta phân tích, thiết kế điều khiển theo kiểu hƣớng thủ tục hoặc hƣớng dữ liệu. - Phƣơng pháp phân tích, thiết kế tiên tiến hiện nay là hƣớng đối tƣợng (Object-oriented). Ƣu điểm lớn nhất của phân tích, thiết kế hƣớng đối tƣợng 5 là nó gần với thực tế và do đó thúc đẩy việc tái sử dụng lại những thành quả đã xây dựng đƣợc. - Ƣu điểm lớn nhất của phân tích, thiết kế phần mềm hƣớng đối tƣợng không phải nằm ở chỗ tạo ra chƣơng trình nhanh tốn ít công sức, mà nằm ở chỗ nó gần với thực tế và do đó thúc đẩy việc tái sử dụng lại những thành quả đã xây dựng đƣợc nhƣ mã lệnh hay bản thiết kế. * Phƣơng pháp mô phỏng và thực thi: - Việc mô phỏng của hệ thống công nghiệp là một nhu cầu tất yếu. - Xuyên suốt toàn bộ quá trình thực hiện một dự án, từ ý tƣởng thiết kế cho đến thực hiện và vận hành hệ thống, mô phỏng cho phép kiểm tra, đánh giá nhiều phƣơng án khác nhau, từ đó lựa chọn đƣợc phƣơng án thích hợp nhất để thực thi. - Các phần mềm mô phỏng ngày càng trở nên linh hoạt, mạnh mẽ, thân thiện và gần gũi. Trong khuôn khổ luận án sử dụng ngôn ngũ mô phỏng là ngôn ngữ Modelica và MATLAB. CHƢƠNG 2. PHÂN TÍCH VÀ MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG LỰC HỌC CỦA AUV Mô hình hóa và mô phỏng động lực học AUV là một bƣớc quan trọng trong chƣơng trình. AUV sẽ đƣợc mô hình hóa và mô phỏng động lực học nhằm khảo sát, đánh giá và lấy số liệu các thông số động lực học tàu lặn phục vụ cho thiết kế hệ thống điều khiển. Chƣơng này tập trung vào việc mô hình hóa và mô phỏng động lực học tàu lặn gồm các nội dung chính sau: - Tổng quan về động lực học tính toán (CFD) và mô phỏng động lực học AUV, lý thuyết tính toán cơ bản và công cụ hỗ trợ mô hình hóa và mô phỏng động lực học AUV. - Quy trình mô hình hóa và mô phỏng động lực học AUV. - Phân tích đánh giá động lực học tàu lặn thiết kế qua mô hình hóa và mô phỏng động lực học. - Lựa chọn cấu trúc hệ thống điều khiển cho AUV - HDS. - Chi tiết cấu trúc Automate lai điều khiển cho AUV và một số kết quả mô phỏng. 6 2.1.MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC PHƢƠNG TIỆN DƢỚI NƢỚC 2.1.1.Vai trò mô hình hóa và mô phỏng động lực học phƣơng tiện tự hành dƣới nƣớc Việc tính toán nghiên cứu tƣơng tác giữa nƣớc với phƣơng tiện rất phức tạp, vấn đề này sẽ đƣợc giải quyết với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ, có thể trợ giúp con ngƣời giải quyết những vấn đề này. CFD là một lựa chọn tất yếu. 2.1.2. Tổng quan về CFD CFD có nghĩa là tính toán động lực học chất lƣu có trợ giúp của máy tính là một ngành khoa học tính toán chuyên dự đoán các đặc tính của dòng chất lƣu, các quá trình nhiệt động học, các phản ứng hóa học, v.v… 2.2. CÔNG CỤ HỖ TRỢ VÀ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TRONG MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC AUV 2.2.1. Công cụ hỗ trợ tính toán Ansys hiện nay là một phần mềm rất mạnh và đƣợc dùng rộng rãi trong lĩnh vực mô phỏng số. Ansys cung cấp các khả năng tính toán mô phỏng với rất nhiều dạng mô hình từ mô hình vật rắn, thể lỏng, khí hay hóa học, điện từ trƣờng, v.v… Ngoài ra, Ansys Fluent là một phần trong gói phần mềm Ansys về động lực học dòng chất lƣu; nó có thể đƣợc sử dụng mô phỏng dòng chảy chất lỏng, nhiệt với dạng hình học phức tạp. Để tiến hành tính toán mô phỏng trong Ansys Fluent cần phải trải qua các bƣớc cơ bản mô tả ngắn gọn trên Hình 2.1. 7 2.2.2. Lý thuyết tính toán đƣợc sử dụng trong công cụ hỗ trợ Fluent sử dụng phƣơng pháp thể tích hữu hạnđể giải các phƣơng trình mô tả đặc tính cho các bài toán khác nhau, trong phạm vi bài toán mô phỏng dòng chảy thì phƣơng trình cơ bản chính là phƣơng trình liên tục:  t   div  V  0   Mô hình k- mô hình bán thực nghiệm cho nên có nhiều hằng số đƣợc định nghĩa trƣớc đòi hỏi ngƣời sử dụng phải hiểu rõ bài toán. Mô hình này áp dụng việc giải độc lập hai phƣơng trình chuyển động với năng lƣợng động học rối (k) và tỉ lệ khuyếch tán của nó ():  t k    xi   ku i   t        x j   k  k   x j     G k  G b    Y M  S k  (2.4)  t      xi   u i   t        x j   k 2          C G  C G  C   S  1  k 3  b 2   x k k  j  2.3. QUI TRÌNH MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC AUV Để mô hình hóa và mô phỏng động lực học tàu ta sử dụng gói FluidFlow (Fluent) trong môi trƣờng Workbench của Ansys và phần mềm hỗ trợ xây dựng mô hình là Solidworks. Trình tự tính toán tổng quan nhƣ trên Hình 2.2 dƣới đây. Hình 2.2. Trình tự mô phỏng động lực học trong FluidFlow Bƣớc1-2 (Geometry): Xây dựng mô hình trên Solidworks sau đó đƣa vào Workbench thực hiện mô phỏng. 8 Bƣớc 3 (Meshing): Chia lƣới. Bƣớc 4 (Setup): Chọn mô hình toán khai báo. Bƣớc 5 (Solution): Tính toán trong Fluent. Bƣớc 6 (Results): Kết xuất kết quả trong CFD-Post. 2.3.1. Xây dựng mô hình hình học Thông số cơ bản của AUV mô hình (tàu lặn tự hành mô hình) - Kích thƣớc: Dài x Rộng x Cao: 1,5m x 0,20m x 0.20m. - Hình dáng: Dạng hình trụ thon 2 đầu, có 04 bánh lái bố trí ở vùng đuôi, chân vịt 2 cánh bố trí sau cùng. - Kích thƣớc bánh lái: Bl x Hl = 0,06m x 0,04m. - Khối lƣợng: 11,2 kg (bao gồm toàn bộ thiết bị: vỏ, hệ thống lặn nổi, hệ thống chân vịt đẩy, hệ thống lái, hệ thống truyền thông …). - Vật liệu: Thân vỏ đƣợc làm bằng vật liệu composite. Hình 2.3. Biên dạng tàu lặn mô hình Hình 2.4 và 2.5. Mô hình khảo sát và lƣới biên dạng tàu lặn 2.3.2. Lƣới hóa mô hình Hình 2.6. Mô hình đã chia lƣới 9 Toàn bộ mô hình sau khi chia lƣới bao gồm 2053513 phần tử lƣới tứ diện trong đó có 383724 nút lƣới. Lƣới đƣợc chia mịn ở phần biên dạng tàu, thô dần ra ngoài (Hình 2.6). 2.3.3. Đặt điều kiện biên và tính toán - Dƣới đây là các điều kiện biên và tính toán đƣợc xác định: - Chọn thuật giải: Phƣơng pháp nội suy: Implicit.. Chiều tính toán: 3D,Mô hình tính toán: k-. Trao đổi nhiệt: không. Chọn vật liệu: chất lỏng nước. - Đặt điều kiện vận hành cho bài toán: Vận tốc dòng chảy tới V0.Đặt tiêu chuẩn hội tụ: 1e-05.Đặt số vòng lặp cần thiết để bài toán hội tụ và cho bắt đầu tính toán. Mô phỏng với thay đổi các thông số dòng chảy để nghiên cứu động lực AUV. Các thông số thay đổi gồm có (Hình 2.7). Vận tốc dòng chảy tới Vo (0,5m/s; 1,0m/s; 1,8m/s), Góc tới  (0o; 5o). Hình 2.7. Sơ đồ mô phỏng - Do điều kiện thử nghiệm thực tế nên trong khuôn khổ luận án bƣớc đầu chỉ nghiên cứu các trƣờng hợp động lực học của AUV làm việc gần mặt thoáng. 2.4. PHÂN TÍCH MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG THỦY ĐỘNG LỰC HỌC Từ kết quả mô phỏng ta xác định đƣợc tác động dòng chảy lên tàu ở các chế độ làm việc khác nhau. Xét với hệ tọa độ OXYZ, các thành phần lực và mômen dòng chảy tác dụng lên tàu cho trong Bảng 2.1. Bảng 2.1. Lực và mô men tác dụng lên tàu lặn theo hệ tọa độ OXYZ 10 2.5. CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN AUV 2.5.1. Sơ đồ khối chức năng Xuất phát từ mô hình thủy động lực học của AUV đã đƣợc tính toán trên đây, các tiêu chuẩn theo TCVN-6277 cho hệ thống lái tự động các phƣơng tiện biển (tàu thủy), các tiêu chí chất lƣợng hoạt động của tàu lặn mô hình kèm theo tham chiếu phƣơng thức kết nối giữa mô hình CFD và mô hình điều khiển chuyển động của AUV đƣợc mô tả trong, luận ánđề xuất một sơ đồ khối chức năng mở rộng (Hình 2.8) kèm theo giải thuật dẫn đƣờng đƣợc thực thi bởi luật dẫn đƣờng (LOS) để thực hiện các hoạt động trong máy trạng thái của AUV - HDS. Hình 2.8. Sơ đồ khối chức năng mở rộng của AUV – HDS 11 Trong đó: - Hệ thống dẫn đƣờng và định vị nhằm cung cấp/thu nhận các tín hiệu dẫn đƣờng-định vị thông qua GPS/INS của AUV. - Môi trƣờng đại diện cho các nhiễu loạn, nhƣ là sóng, dòng hải lƣu... - PID: bộ điều chỉnh „PID‟, - Ko: bộ khuyếch đại chung của AUV - HDS, - Các hệ số: Kra: phản hồi góc, Krp: phản hồi vị trí, Krc: phản hồi hƣớng. 2.5.2. Mô phỏng hệ thống điều khiển Để tiến hành kiểm tra và đánh giá các cấu trúc phân tích trên đây, luận án đã dùng công cụ MabLab-Simulink nhằm mô phỏng hiệu năng điều chỉnh của hệ thống. Một trong những kết quả mô phỏng đáp ứng điều khiển đƣợc giới thiệu trên Hình 2.9; tác động tín hiệu đầu vào là góc chuyển hƣớng mong muốn; tín hiệu đầu ra là quá độ hƣớng đi của AUV. Với các thông số: thời gian lấy mẫu T = 0,01; khuếch đại Kp = 1,4; thời gian tích phân Ti = 0,047; thời gian đạo hàm Td = 0,05; phản hồi góc Kra = 0,25; phản hồi hƣớng Krc = 0,3; phản hồi vị trí Krp = 0,25; T1v=0,25; T2v=0,4; Tc = 0,25, Ts = 1,5; T1v, T2v- các hằng số thời gian bậc 1 và 2 của khâu dao động và Tc- thời gian quán tính của tổ hợp cơ cấu chấp hành lái, Tsthời gian quán tính của AUV. Trong trƣờng hợp này, thời gian quá độ điều khiển bám hƣớng tới dần góc hƣớng đi mong muốn 10o sau 7,2s. Hình 2.9. Mô phỏng đáp ứng quá độ hƣớng đi của AUV - HDS 12 Với mô hình điều khiển ở trên và qua các đồ thị quá độ điều chỉnh chỉ ra rằng mô hình mô phỏng của hệ thống lái AUV hoàn toàn đáp ứng đƣợc chất lƣợng và hiệu năng điều chỉnh, nhƣ là: thời gian và quá độ điều chỉnh nhằm đảm bảo phù hợp với việc chế tạo, lập trình phần điều khiển và chạy thử trên tàu lặn mô hình sau này. Trên thực tế, luận án nghiên cứu đƣợc minh họa trên „Tàu lặn mô hình‟ hay là AUV cỡ nhỏ, nên các cơ cấu chấp hành của AUV không yêu cầu phải dùng tới: Servo-Vavle thủy lực điều khiển (mang đặc điểm của khâu dao động) và hệ truyền động xi lanh thủy lực (mang đặc điểm của khâu quán tính). Do đó, cơ cấu chấp hành lái của tàu lặn có thể đơn giản hơn, nhƣng chúng vẫn có các thuộc tính điều khiển nhƣ trên. CHƢƠNG 3. QUY TRÌNH PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ VÀ THỰC THI ĐIỀU KHIỂN CỦA AUV THEO CÔNG NGHỆ HƢỚNG ĐỐI TƢỢNG 3.1. CÁC ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN TRONG CÔNG NGHỆ HƢỚNG ĐỐI TƢỢNG Công nghệ hƣớng đối tƣợng bao gồm một tập các nguyên tắc hƣớng dẫn xây dựng phần mềm nói chung hay phần mềm điều khiển trong công nghiệp nói riêng với các ngôn ngữ, các cơ sở dữ liệu và các công cụ hỗ trợ cho các nguyên tắc đó. Có bốn đặc trƣng cơ bản trong công nghệ hƣớng đối tƣợng (Hình 3.1) nhƣ sau: Hình 3.1. Tổng quan các đặc trƣng trong công nghệ hƣớng đối tƣợng Lựa chọn phƣơng pháp hƣớng đối tƣợng Xuất phát từ yêu cầu trong ngữ cảnh sản xuất công nghiệp, việc tái sử dụng và tùy biến các mô đun điều khiển đã phát triển đƣợc áp dụng cho 13 hệ thống ứng dụng mới là rất quan trọng, nhằm giảm chi phí, thời gian và nhân công sản xuất; đặc biệt là có thể làm chủ đƣợc công nghệ tránh phải nhập khẩu. - Phƣơng pháp phân tích và thiết kế hƣớng đối tƣợng thực hiện theo các thuật ngữ và khái niệm của phạm vi lĩnh vực ứng dụng, nên nó tạo sự tiếp cận tƣơng ứng giữa hệ thống và vấn đề thực của môi trƣờng bên ngoài. - Một trong những ƣu điểm quan trọng bậc nhất của phƣơng pháp phân tích và thiết kế hƣớng đối tƣợng là tính tái sử dụng. 3.2.QUY TRÌNH PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾT TRONG PHÁT TRIỂN AUV – HDS VỚI REALTIME UML Cách tiếp cận của luận án dựa trên chu trình lặp (Hình 3.2) bao gồm các giai đoạn nhƣ là: phân tích, thiết kế, tính thực thi, kiểm tra và sản phẩm của mẫu ban đầu thực thi đƣợc. Hình 3.2. Qui trình phát triển tái lặp (ROPES) 3.2.1. Cấu trúc tổng quan về mô hình phân tích của AUV – HDS Để xây dựng cấu trúc tổng quan của mô hình phân tích, luận án đƣa ra 5 cộng tác đối tƣợng: phần liên tục (Continous part), phần rời rạc (Discrete part), ứng xử liên tục toàn cục tức thời (IGCB), giao diện bên trong (Interal interface) và giao diện bên ngoài (External interface) để dễ dàng tổ chức, quản lý theo dõi và tái sử dụng các tác tạo đƣợc tạo ra trong quá trình phân tích, thiết kế và thi hành các AUV- HDS (Hình 3.3). 14 Mô hình phân tích chủ yếu tập trung vào mối quan hệ giữa hệ thống với môi trƣờng xung quanh. Mô tả các tình huống hệ thống sẽ đƣợc sử dụng nhƣng chƣa định nghĩa chi tiết về cấu trúc tĩnh bên trong của hệ thống. Hình 3.3. Cấu trúc tổng quan về mô hình phân tích của AUV - HDS công nghiệp 3.2.2. Mô hình thiết kế của AUV - HDS công nghiệp Nếu chuyển trực tiếp từ mô hình cộng tác đối tƣợng trên đây tới môi trƣờng thực thi thì các mô hình cấu trúc và ứng xử chi tiết phải đƣợc bổ sung thêm, nhằm thực thi chính xác hệ thống điều khiển công nghiệp. Các bƣớc để xây dựng lên sơ đồ hợp tác những gói chính với RealTime UML tuân theo các quy tắc sau: - Mỗi một hợp tác đối tƣợng hoặc gói đối tƣợng đã xác định ở trên thì cần ít nhất một gói với RealTime UML, ví dụ nhƣ là: gói của AUV - HDS công nghiệp toàn cục, gói của phần liên tục, gói của phần rời rạc, gói của giao diện bên trong, gói của giao diện bên ngoài, gói của IGCB, - Các lớp chủ động trong cộng tác đối tƣợng hoặc gói đối tƣợng thì sẽ trở thành các gói tƣơng ứng, - Các lớp bị động trong cộng tác đối tƣợng hoặc gói đối tƣợng hợp tác thì sẽ trở thành các lớp thực thể tƣơng ứng, - Các cổng và giao thức đƣợc xác định bởi sự tƣơng tác giữa các cộng tác đối tƣợng hoặc gói đối tƣợng có kèm theo các thông điệp cụ thể. Để xác định sơ đồ diễn tiến và máy trạng thái tổng quan của những gói này dựa trên Automate lai và sơ đồ khối chức năng mở rộng. 15 CHƢƠNG 4.THỬ NGHIỆM,PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 4.1. CÀI ĐẶT HỆ THỐNG VÀ CÁC TRƢỜNG HỢP THỬ NGHIỆM 4.1.1. Cài đặt hệ thống Sơ đồ khối tổng quan kết nối phần cứng và các thiết bị ngoại vi chính cho hệ thống điều khiển tàu lặn mô hình đƣợc thể hiện lần trên Hình 4.1 và Hình 4.2. Hình 4.1. Ví dụ minh họa một số thiết bị ngoại vi chính và lắp đặt tổng thể Hình 4.2. Sơ đồ khối tổng quan kết nối phần cứng Trong điều kiện thực tế, luận án là một hƣớng nghiên cứu mới hoàn toàn nên điều kiện cơ sở vật chất có rất nhiều hạn chế. Thí nghiệm đƣợc xây dựng mang tính đơn giản hóa yêu cầu về mặt trang thiết bị, nhƣng đủ để 16 đánh giá trong giới hạn một số thông số quan trọng trong quy trình điều động tàu. Sơ đồ khối chức năng thử nghiệm về hiệu năng điều động của tàu đã đƣợc mô tả trên Hình 4.3. Ở đây, Tng và Tđh lần lƣợt là thời gian bắt đầu rẽ và thời gian ổn định hƣớng. Từ camera ghi hình ta phân tích số hình ảnh, tính toán quy đổi, ánh xạ kích thƣớc và thu đƣợc quỹ đạo chuyển động thực của tàu cùng với bƣớc thời gian. Độ phân giải thời gian có thể đạt 4 ảnh/1giây. Hình 4.3. Sơ đồ khối thiết lập thử nghiệm về hiệu năng điều động tàu 4.1.2. Các trƣờng hợp thử nghiệm hiệu năng điều động tàu Với điều kiện cơ sở vật chất hiện tại, luận án tập trung thử nghiệm hiệu năng điều động tàu về tính ăn lái, bao gồm:tính quay vòng và tính ổn định hƣớng đi. Tính quay vòng là khả năng thay đổi hƣớng chuyển động và đƣợc mô tả bởi quỹ đạo cong khi bẻ lái; tính ổn định hƣớng đi là khả năng tàu giữ nguyên hoặc thay đổi hƣớng chuyển động. Do vậy, các thử nghiệm hệ thống điều khiểu tàu lặn mô hình đƣợc tiến hành theo hai trƣờng hợp chính nhƣ sau: - Điều khiển bánh lái đuôi ở các góc lái khác nhau (10o, 20o, 30o) ở các tốc độ di chuyển trung bình khác nhau (0.5m/s, 1.0m/s, 1.5m/s), thu thập dữ liệu và bƣớc đầu đánh giá tính quay trở. - Đặt góc lệch hƣớng của tàu theo phƣơng ban đầu ở các giá trị khác nhau (10o, 20o, 30o) ở các tốc độ di chuyển trung bình khác nhau (0.5m/s, 1.0m/s, 1.5m/s), lấy các kết quả về thời gian quá độ để tàu ổn định theo hƣớng đã đặt sau đó so sánh với các kết quả từ mô phỏng trên máy tính. 4.2. KẾT QUẢVÀ ĐÁNH GIÁ DỮ LIỆU THỬ NGHIỆM VỀ TÍNH ĂN LÁI CỦA TÀU 17 Bảng 4.1. Đƣờng kính xác lập quay vòng 4.2.2. Tính ổn định hƣớng Bảng 4.2. Tổng hợp dữ liệu liên quan đến tính ăn lái của tàu Tùy thuộc vào vận tốc di chuyển trung bình (công suất vận hành) của tàu, thời gian để AUV bắt đầu đổi góc hƣớng diễn ra trong dải từ 6,5s – 12,0s. Thời gian ổn định hƣớng từ 7,5s đến 14,5s và thời gian trễ từ 1,0s đến 2,5s theo các góc hƣớng đi mong muốn là 10o, 20o và 30o tƣơng ứng với vận tốc di chuyển trung bình là 0.5m/s, 1.0m/s và 1.5 m/s. So sánh với kết quả mô phỏng trên máy tính đƣợc mô tả trong phụ lục A có thời gian ổn định lái hƣớng tƣơng ứng từ 7,0s đến 14,0s và thời gian trễ từ 0,2s đến 0,5s cho thấy kết quả thực nghiệm về tính ổn định hƣớng đi là phù hợp và chấp nhận đƣợc. 18 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết luận Luận án đã đề cập tới phân tích thủy động lực học và thiết kế hệ thống điều khiển đƣợc tích hợp theo công nghệ hƣớng đối tƣợng cho phƣơng tiện tự hành dƣới nƣớc. Nội dung của luận án đƣợc trình bày thông qua các điểm chính nhƣ sau: + Nghiên cứu tổng quan về kỹ thuật mô hình hóa, mô phỏng và thực thi điều khiển các phƣơng tiện tự hành dƣới nƣớc, cũng nhƣ là mô hình hóa động lực học và cấu trúc điều khiển tổng quát của các loại phƣơng tiện này. + Phân tích và mô phỏng thủy động lực học của AUV nhằm đƣa ra cấu trúc điều khiển cho AUV; nó bao gồm toàn bộ quá trình mô hình hóa và mô phỏng động lực học cho tàu lặn, nhƣ là: Giới thiệu tổng quan về việc mô hình hóa và mô phỏng động lực học các phƣơng tiện dƣới nƣớc; Phân tích và trình bày chi tiết qui trình và kết quả mô phỏng động lực học tàu lặn mô hình thông qua sử dụng phần mềm AnsysFluent; các kết quả này đã đƣợc sử dụng để đề xuất cấu trúc điều khiển thực thi đƣợc cho hệ thống điều khiển AUV. + Đƣa ra qui trình phân tích, thiết kế và thực thi hƣớng đối tƣợng với RealTime UML và ROPES cho hệ thống điều khiển bám hƣớng và quỹ đạo trên mặt ngang cho AUV, bao gồm các mô hình: phân tích, thiết kế và thực thi cùng với các qui tắc theo vết giữa mô hình thiết kế với thực thi theo các nền tảng công nghệ khác nhau có hỗ trợ hƣớng đối tƣợng. Các mô hình thiết kế và thực thi đã đƣợc minh họa với sự hỗ trợ của các phần mềm IBM Rational Rose RealTime, OpenModelica và MatLab-Simulink cùng với nền công nghệ Arduino nhằm thực hiện nhanh chóng mô hình triển khai cho tàu lặn mô hình. + Vận hành và hiệu chỉnh chƣơng trình điều khiển; kết quả thực nghiệm đã cho thấy mô hình điều khiển cũng nhƣ tàu lặn mô hình đảm bảo đƣợc tính ổn định và tính năng điều khiển phù hợp với mô hình phân tích và thiết kế. Các điểm mới trong nghiên cứu bao gồm: i) Phân tích và đánh giá thủy động lực học cho một AUV cụ thể. ii)Xuất phát từ mô hình thủy động lực học của AUV cụ thể cùng với công nghệ hƣớng đối tƣợng trong thời gian thực RealTime UML và qui trình ROPES đƣa ra toàn bộ mô hình phân tích, thiết kế và thực thi hệ thống điều 19 khiển bám hƣớng và quỹ đạo trên mặt ngang cho AUV đã chọn mang đặc điểm của hệ thống động lực lai (HDS). iii) Trong mô hình phân tích và thiết kế: các cộng tác đối tƣợng, các gói điều khiển chính kèm theo cổng và giao thức của chúng với RealTime UML cũng nhƣ là sơ đồ thực thi mô phỏng hƣớng đối tƣợng có thể tái sử dụng cho các loại AUV khác nhau. Tuy nhiên, trong luận án này có một số hạn chế sau: - Phần liên tục của ứng dụng điều khiển là đơn biến và chỉ đƣợc mô tả bởi hàm truyền đạt; - Chƣa đƣa ra các hoạt động chi tiết của vòng lặp thứ hai trong vòng đời phát triển hệ thống điều khiển của AUV theo qui trình ROPES; - Do giới hạn về mặt tài chính, ứng dụng tàu lặn mô hình chƣa đƣợc trang bị các cảm biến đo độ sâu và truyền thông dƣới nƣớc bằng thủy âm nên các thực nghiệm về tính năng và phạm vi hoạt động của hệ thống cũng bị hạn chế theo, ví dụ: ứng dụng đã phát triển mới chỉ xét đến tính năng bám hƣớng và quỹ đạo trên mặt ngang. 2. Kiến nghị Trong thời gian sắp tới, tác giả kết hợp với các đồng nghiệp sẽ phát triển cách tiếp cận trên đây với dòng liên tụctrong Automate lai của hệ thống điều khiển là đa biến và đƣợc đặc tả bởi các ngôn ngữ hình thức khác nhau nhằm cải thiện việc mô hình hóa các thành phần vật lý của hệ thống và chi tiết các thành phần của chu trình phát triển lặp tiếp theo. Đặc biệt là ứng dụng tàu lặn mô hìnhsẽ đƣợc trang bị các cảm biến đo độ sâu và truyền thông dƣới nƣớc bằng thủy âm nhằm cải thiện tính năng và phạm vi hoạt động của toàn bộ hệ thống. 20
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan