Nghiên cứu phương pháp hướng đối tượng trong phân tích và thiết kế điều khiển chuyển động cho thiết bị tự hành AUVASV với chuẩn sysmlmodelica và automate lai543

MỞ ĐẦU i Tính cấp thiết đề tài Trong kỷ nguyên công nghệ kinh tế đa chiều, việc phát triển hệ thống động lực công nghiệp có vai trị quan trọng q trình cơng nghiệp hóa, đại hóa bảo vệ đất nước Hệ thống điều khiển công nghiệp phần lĩnh vực sản xuất cơng nghiệp, ngày nhiều doanh nghiệp sử dụng phát triển để góp phần tạo giá trị cạnh tranh Một ngành công nghiệp mũi nhọn, công nghệ tàu thủy kỹ thuật nước phát triển nhanh nước ta Nhiều nhà máy xí nghiệp chế tạo tàu thủy phải nhập từ nước nhiều thiết bị để chế tạo tàu lớn đại; đặc biệt phải nhập 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 hồn thành thiết bị nước cao Hơn nữa, đặc thù địa lý, việc nghiên cứu tác động môi trường biển tới đời sống kinh tế xã hội dân sinh cần thiết nước ta, ví dụ cảnh báo thiên tai sóng thần, khảo sát hệ sinh thái biển, vận tải biển tàu thủy việc phát triển trang thiết bị cho hải quân quân Các hoạt động đòi hỏi phải có phương tiện tự hành nước AUV/ASV đáp ứng mục tiêu bảo đảm an ninh khai thác tài nguyên biển cách bền vững Điều có đặc tính an tồn hiệu chi phí so sánh với thiết bị có người lái Thiết bị AUV/ASV không yêu cầu điều hành người, phải chịu điều kiện mối nguy hiểm vốn có mơi trường nước Chi phí hiệu thời gian khía cạnh tài xuất phát từ thiết bị nhỏ nhiều, không chứa hệ thống khác cần thiết để trì sống nước cấu truyền động nhỏ so với thiết bị có người lái, yêu cầu thực bảo trì thường xuyên cần thiết nhỏ Với đặc trưng bật đây, loại AUV/ASV đư ợc sử dụng thành công hiệu ngành công nghệ hàng hải nhiều nước giới cho mục đích dân qn Do đó, việc nghiên cứu sản xuất thiết bị nước, đặc biệt hệ thống điều khiển, tăng tính chủ động sản xuất hàng loạt, giảm chi phí nhập từ nước hạn chế việc lệ thuộc vào bí mật cơng nghệ đặc biệt lĩnh vực quân Xuất phát từ tính cấp thiết trình bày đây, với hướng dẫn tập thể thầy hướng dẫn, NCS thực luận án với tiêu đề: “Nghiên cứu phương pháp hướng đối tượng phân tích thiết kế điều khiển chuyển động cho thiết bị tự hành AUV/ASV với chuẩn SysMLModelica Automate lai” ii Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu luận án nhằm đưa mơ hình quản trị u cầu, phân tích, thiết kế, mơ thực thi cách hiệu hệ thống điều khiển thiết bị tự hành nước AUV/ASV (ví dụ: tàu ngầm, ngư lôi, rô-bốt hoạt động nước, thiết bị phục vụ hải quân với mục đích quân sự, tàu thủy tự vận hành ) dựa phương pháp cụ thể hóa cách tiếp cận kiến trúc hướng đối tượng hướng theo mơ hình (MBSE) ngơn ngữ mơ hình hóa hệ thống SysML kết hợp ngơn ngữ mơ hướng đối tượng Modelica với Automate lai Kết nghiên cứu cần đạt làm chủ cơng nghệ tích hợp hướng đối tượng tùy biến tái sử dụng cách nhanh chóng cho ứng dụng điều khiển thiết bị tự hành nước khác với hiệu điều khiển an ninh cao Nhờ đó, việc chuyển giao cơng nghệ ứng dụng thực cách dễ dàng cho việc sản xuất nước Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu luận án thiết bị tự hành nước không người lái AUV/ASV với thông số kỹ thuật mô tả bảng 1.2 Các nội dung nghiên cứu đề tài thực Bộ mơn Kỹ thuật Thủy khí Tàu thủy, viện Cơ khí Động Lực, Trường đại học Bách khoa Hà nội Do điều kiện hạn chế thời gian chi phí thiết bị (đặc biệt trang thiết bị, cảm biến thích hợp phục vụ cho việc truyền thơng nước tích hợp AUV/ASV), phạm vi nghiên cứu luận án giới hạn sau: - Thiết bị AUV/ASV chế tạo thử nghiệm bể thử giới hạn phạm vi bậc tự mặt phẳng ngang để đánh giá tính tự hành khả bám quỹ đạo định trước ổn định hướng - Nhiễu ảnh hưởng môi trường nhiễu gây sóng tuyến tính phổ bậc hai, khơng xét đến ảnh hưởng dịng chảy ảnh hưởng gió; Tín hiệu nhiễu đưa vào hệ thống qua giả lập mô vật lý iii Phương pháp nghiên cứu Trong luận án, phương phá p nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiê ̣m sẽ được tiến hành song song, sau đó kết mơ từ mơ hình thiết kế lý thuyết so sánh với kết thực nghiệm nhằm đánh giá đưa giải pháp tối ưu iv Ý nghĩa khoa học thực tiễn Đề tài có ý nghĩa khoa học thực tiễn cao thơng qua cụ thể hóa áp dụng kết hợp phương thức điều khiển công nghệ thực thi gần nhất; ứng dụng lĩnh vực khác nhau, như: dân sự, cứu hộ, cứu nạn, an ninh quốc phòng biển Dựa sở thiết kế chi tiết hệ thống phát triển luận án, nhà sản xuất khai thác dễ dàng tùy biến tái sử dụng cho ứng dụng điều khiển thiết bị tự hành nước khác nhau, đặc biệt bối cảnh Việt Nam v Các điểm luận án đạt + Xây dựng phương thức điều khiển tích phân chiếu (IB) kết hợp với lọc Kalman mở rộng (EKF) lấy Automate lai (HA) làm tảng cho hệ thống điều khiển AUV/ASV + Đưa quy trình phân tích, thiết kế thực thi hướng đối tượng phương pháp công nghệ hệ thống hướng mơ hình (MBSE/OOSEM) với ngơn ngữ mơ hình hóa hệ thống (SysML) ngơn ngữ mơ Modelica Thiết kế chi tiết hệ thống điều khiển dễ dàng tùy biến tái sử dụng cho ứng dụng điều khiển thiết bị tự hành nước khác + Thiết kế chế tạo thử nghiệm hệ thống điều khiển mơ hình nhằm thực nghiệm tính ổn định hướng bám quỹ đạo cho AUV/ASV với cấu hình vật lý có sẵn vi Cấu trúc luận án Luận án trình bày theo nội dung sau: Mở đầu Chương Nghiên cứu tổng quan Chương Phương pháp mơ hình hóa, mơ thi hành hệ thống điều khiển thiết bị tự hành AUV/ASV Chương Quy trình phân tích thiết kế, mơ thi hành hệ thống điều khiển cho thiết bị tự hành AUV/ASV với SysML/Modelica Automate lai Chương Thử nghiệm đánh giá kết Kết luận kiến nghị CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan phương tiện tự hành biển AUV/ASV 1.1.1 Sơ lược AUV/ASV Ngày nay, với việc phát triển vượt bậc khoa học kỹ thuật ứng dụng tiến khoa học ngành khác nhau, lĩnh vực nghiên cứu đại dương cần phương tiện tự hành nước AUV/ASV nhằm mục đích nâng cao hiệu nghiên cứu như: cảnh báo thiên tai sóng thần, dự báo thời tiết, nghiên cứu đáy đại dương, mục đích dân sự, thăm dò nguồn tài nguyên thiên nhiên biển, nguồn tài nguyên đất liền ngày cạn kiệt dần nhu cầu thiết yếu cho sống người ngày tăng cao Đặc biệt an ninh quốc phịng nước, nói AUV/ASV thành phần phục vụ tác chiến quan trọng chiến lược bảo vệ trì lãnh hải 1.2 Hệ thống điều khiển AUV/ASV 1.2.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển AUV/ASV Để AUV/ASV hoạt động cách tự hành, kiến trúc điều khiển phải có ba hệ thống (hình 1.5): Hệ thống dẫn đường nhằm đưa quỹ đạo cho phương tiện chuyển động bám theo; hệ thống định vị để xác định trạng thái hành phương tiện; hệ thống điều khiển nhằm tính tốn áp dụng theo mơ hình thủy động lực học thích hợp vận hành 1.2.2 Cấu trúc động lực lai công nghiệp Trong luận án, hệ thống điều khiển cấu chấp hành mơ hình hóa với kiện rời rạc, ứng xử liên tục kết hợp thành phần rời rạc liên tục Hình 1.6 mơ tả sơ đồ khối hệ thống động lực lai cơng nghiệp điển hình Hệ thống dẫn đường Lệnh điều khiển Quỹ đạo thiết lập Hệ thống điều khiển Phân bố Luật điều lực điều khiển khiển Tín hiệu điều khiển Ước lượng vị trí trạng thái Nhiễu Nhiễu môi môi trường AUV/ASV Hệ thống định vị Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống dẫn đường, định vị điều khiển Hình 1.6.Sơ đồ khối mơ tả hệ thống động lực lai công nghiệp IHDS điển hình 1.2.3 Một số điều khiển ứng dụng AUV/ASV Điều khiển phương tiện tự hành nước cơng việc vơ khó khăn phức tạp môi trường nước, đặc biệt môi trường đại dương, xuất nhiều yếu tố khác tác động lên AUV/ASV sóng, gió, dòng hải lưu tạo nên lực phức tạp phi tuyến Các điều khiển từ phức tạp đến đơn giản theo lịch sử phát triển xuất AUV/ASV như: PID, Lô gic mờ, điều khiển thích nghi, điều khiển trượt SMC… 1.2.4 Bộ điều khiển chiếu tích phân IB Trong nghiên cứu này, việc thiết kế điều khiển cho AUV/ASV với phương pháp luận dựa tảng thuật tốn chiếu tích phân (IB) Phương pháp xuất vào khoảng đầu năm 90, đánh phương pháp thiết kế điều khiển nhiều triển vọng cho đối tượng phi tuyến 1.3 Công nghệ hệ thống hướng mơ hình dựa tảng cơng nghệ hướng đối tượng 1.3.1 Công nghệ hướng đối tượng hướng theo mơ hình Xuất phát từ u cầu ngữ cảnh sản xuất công nghiệp, việc tái sử dụng tùy biến mô đun điều khiển phát triển áp dụng cho hệ thống ứng dụng quan trọng, nhằm giảm chi phí, thời gian nhân cơng sản xuất; đặc biệt làm chủ công nghệ tránh phải nhập từ nước ngồi Do đề tài nghiên cứu này, NCS chọn công nghệ hướng đối tượng OOT dựa mơ hình MBSE để phát triển hệ thống điều khiển phương tiện tự hành nước AUV/ASV 1.3.2 Công nghệ hệ thống hướng theo mơ hình Cơng nghệ hệ thống hướng mơ hình MBSE cách tiếp cận lĩnh vực cơng nghệ hệ thống, mơ tả phương pháp ứng dụng mơ hình hóa, phương pháp, ngơn ngữ cơng cụ cho tồn vịng đời hệ thống lớn, phức tạp, giao thoa từ nhiều lĩnh vực khác khí, tự động hóa Hình 1.7 VD tiếp cận MBSE thiết kế hệ thống MBSE Ngơn ngữ Phương pháp Quy trình Cơng cụ Hình 1.8 Các thành phần cơng nghệ hệ thống theo mơ hình Hình 1.7 Một ví dụ tiếp cận MBSE thiết kế hệ thống Thành phần MBSE Để thực phân tích, thiết kế thực thi hệ thống theo hướng tiếp cận MBSE kỹ sư hệ thống cần phải trang bị kiến thức về: ngơn ngữ mơ hình hóa, phương pháp/quy trình mơ hình hóa cơng cụ để mơ hình hóa (hình 1.8) Một số ứng dụng cơng nghệ MBSE công nghiệp Các ứng dụng MBSE rộng lớn, trải rộng từ lĩnh vực quân quốc phịng, hàng khơng vũ trụ tới ứng dụng cho ngành công nghiệp y tế, sản xuất, kinh doanh thuộc lĩnh vực dân 1.4 Cấu hình cho tốn áp dụng Phương pháp luận Trong nghiên cứu, phương pháp luận OOSEM sử dụng việc phân tích thiết kế thực thi AUV/ASV Kiến trúc điều khiển Nhóm nghiên cứu đưa vào luật điều khiển điều khiển chiếu kết hợp với lọc EKF cho điều khiển AUV/ASV Automate lai Thông số thiết bị thử nghiệm mô tả bảng 1.2 Bảng 1.2 Thông số kỹ thuật thiết bị tự hành AUV/ASV Thơng số Giá trị Kích thước (LxHxW) (1.50x0.20x0.20) m Khối lượng khơ 11.20 kg Thời gian hoạt động trung bình 30 phút Pin 2xLi-Po 22.2 V; 20 000 mAh Công suất lớn 224W Tốc độ di chuyển trung bình mặt phẳng ngang 1.50 m/s Phạm vi hoạt động 400 m Cơ cấu chấp hành 01 chân vịt 02 hệ cánh hướng Kết luận chương Trong chương này, luận án trình bày nghiên cứu tổng quan thiết bị tự hành AUV/ASV bao gồm điểm sau: - Sơ lược thiết bị tự hành biển AUV/ASV ứng dụng tiêu biểu ứng dụng thiết bị - Tổng quát hệ điều khiển luật điều khiển áp dụng thiết bị tự hành AUV/ASV - Giới thiệu tổng quan phân tích thiết kế hệ thống hướng đối tượng theo cách tiếp cận MBSE phương pháp luận OOSEM hệ thống động lực công nghiệp - Lựa chọn giải pháp nghiên cứu cho hệ thống điều khiển cấu hình ứng dụng thiết bị AUV/ASV CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP MƠ HÌNH HĨA, MƠ PHỎNG VÀ THI HÀNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TỰ HÀNH AUV/ASV 2.1 Mơ hình động lực học điều khiển tổng quát AUV/ASV 2.1.1 Các hệ tọa độ Hình 2.1 Các hệ tọa độ thiết bị nước Khi nghiên cứu mơ hình chuyển động thiết bị nước ta coi vật rắn với bậc tự mơ tả hình 2.1 Từ thành phần độc lập hệ tọa độ để xác định vị trí định hướng thiết bị 2.1.2 Phương trình động lực học tổng quát AUV/ASV Trong trình hoạt động, phương tiện nước chuyển động theo bậc tự biểu diễn phương trình sau: Trong đó: ν = (u, v, w, p, q,r )T vận tốc AUV/ASV hệ quy chiếu gắn với phương tiện; η = (x,y, z, ϕ,θ,ψ )T vị trí toạ độ góc Euler; M = MRB + MA ma trận quán tính x bao gồm vật rắn chuyển động MRB khối lượng bổ sung MA; (ν)=CRB(ν)+CA(ν) ma trận Coriolis lực ly tâm x kèm theo khối lượng bổ sung; D(ν)=D+Dn(ν): giảm chấn thủy động lực tuyến tính phi tuyến biễu diễn ma trận x 6, D biểu diễn đại lượng giảm chấn tuyến tính, Dn(ν) biểu diễn đại lượng giảm chấn phi tuyến; g(η) véc tơ x lực trọng trường, lực mô men nổi; τ véc tơ x lực điều khiển, τ =(X, Y, Z, K, T M, N) go véc tơ lực mô men dùng để điểu khiển cân bằng; ω véc tơ x ảnh hưởng nhiễu tác động môi trường gây ra, sóng, gió dịng hải lưu 2.1.3 Tác động môi trường tới AUV/ASV Trong phạm vi nghiên cứu đề tài nghiên cứu tới chuyển động chạy AUV/ASV mặt phẳng ngang, tác động nhiễu môi trường, có tác động sóng Sự tạo sóng thường thường diễn tả tổng nhiều thành phần sóng với tần số khác Chính diễn tả trạng thái không đồng bề mặt biển cách sử dụng xếp chồng tuyến tính sóng (hình 2.3) Đối với AUV/ASV phần ngập nước coi mặt phẳng song song với chiều dài L, bề rộng B lực kéo T [23], ta có: (2.12) (2.13) (2.14) 2.2 Luật dẫn đường mơ hình hệ thống điều khiển thiết bị AUV/ASV mặt phẳng ngang 2.2.1 Luật dẫn đường thiết bị AUV/ASV Quỹ đạo tham chiếu AUV/ASV Dữ liệu điểm lộ trình WP chứa tập hợp véc tơ tọa độ điểm (xk, yk, zk)T, tốc độ Uk góc quay trở ψk Trong luận văn xét đến chuyển động AUV/ASV mặt phẳng ngang, quỹ đạo AUV/ASV chia thành thành phần (θk1 , θk ) với θ(t) biến quỹ đạo vô hướng, sử dụng để thiết lập quỹ đạo mong muốn AUV/ASV Hình 2.2 Thuật tốn dẫn đường Hình 2.3 Quang phổ sóng với đỉnh trực thị LOS Thuật toán dẫn đường trực thị LOS sử dụng luận án thể hình 2.2 2.2.2 Mơ hình hệ thống điều khiển AUV/ASV mặt phẳng ngang Phương trình động lực học AUV/ASV (2.1) viết lại sau : (2.15) Luật điều khiển chọn sau (hình 2.5): Hình 2.5 Mơ hình giải thuật IB cho điều khiển AUV/ASV Đối với trường hợp AUV/ASV chuyển động mặt phẳng ngang xét bậc tự do: trượt dọc, trượt ngang quay trở, ma trận Ơ-le chuyển vị phương trình (2.1) chuyển thành ma trận xoay theo phương quay trở (2.39) Và (2.40) Như vậy, phương trình (2.15) viết lại sau (2.41) Trong đó: (2.42) (2.43) (2.44) Với giả thiết trường hợp này, lực trọng trường lực cân Phân bố lực điều khiển: Như phân tích phần 1.2.1, phân bố lực điều khiển có chức phân bố tín hiệu điều khiển đến cấu chấp hành tương ứng để tạo lực điều khiển tác động lên AUV/ASV ứng với trạng thái vận hành (hình 2.6) Hình 2.6 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển AUV/ASV 2.2.3 Bộ lọc EKF mơ hình thực thi HA cho AUV/ASV Bộ lọc EKF: Để kết hợp khối mơ hình nhiễu đo đạc nhiễu hệ thống, nhiễu coi nhiễu trắng, có phân bố Gauss, lọc nhiễu thông qua lọc EKF bao gồm thuật tốn dự đốn/cập nhật, mơ tả sau: Step EKF predict Step EKF update Data : Data : Result : Result : ; ; end end Mơ hình thực thi hệ thống điều khiển AUV/ASV với HA: Để mơ hình hóa chi tiết tồn cấu trúc ứng xử IHDS hay AUV/ASV với giải thuật điều khiển mô tả sử dụng HA vì: Chỉ ứng xử liên tục thời điểm xác định; Có đại lượng bất biến để kiểm tra lại giả thuyết trạng thái liên tục Automate lai; Automate lai bắt nguồn từ automate nên mơ hình ứng xử động hệ thống tương thích ứng dụng tương tác sẵn có; Nó sử dụng công cụ phần mềm mô Một hệ Automate lai xác định hàm số sau: H = (Q, X, Σ , A, Inv, F, qo , xo) (2.53) 2.2.4 Ứng dụng mô hệ thống điều khiển AUV/ASV Hình 2.7 Kết mơ với OpenModelica trường hợp sử dụng luật điều khiển PID tuyến tính Hình 2.8 Kết mơ với OpenModelica trường hợp sử dụng điều khiển IB kết hợp EKF 10 3.2 Mơ hình phân tích thiết kế 3.2.1 Xây dựng mơ hình phân tích cho hệ thống điều khiển AUV/ASV Xác định ứng xử điều khiển AUV/ASV Hình 3.4 Mơ hình hóa trường hợp sử dụng hệ thống Hình 3.5 Kịch điều khiển bám theo quỹ đạo mong muốn 14 Hình 3.6 Máy trạng thái cục trường hợp sử dụng “Lái” Xác định ứng xử toàn cục hệ thống Hình 3.7 Máy trạng thái tồn cục AUV/ASV 3.2.2 Mơ hình thiết kế hệ thống điều khiển AUV/ASV Xuất phát từ mơ hình động lực học điều khiển AUV/ASV, từ mơ hình phân tích thiết kế nói trên, luận án xem xét hệ thống điều khiển AUV/ASV hệ thống động lực lai công nghiệp IHDS ứng xử động mơ hình hóa Automate lai HAUV/ASV Các thành phần hệ HAUV/ASV xác định sau: : 15 HAUV/ASV = (Q, X, ∑, A, Inv, F, q o, xo ) Trong đó: - Q tập trạng thái tổ hợp chế độ hoạt động HAUV/ASV , : di chuyển theo mặt phẳngngang, trì vị trí, lặn chuyển động RPY kết hợp hoán vị với máy trạng thái cục hướng tới chế độ điều khiển hoạt động hệ thống máy trạng thái cục nói hình 3.6); q0 trạng thái ban đầu - X không gian trạng thái liên tục HAUV/ASV , X⊂ℜ n ; x giá trị ban đầu trạng thái liên tục, x∈X - Σ tập hợp hữu hạn kiện tác động, ví dụ: kiện tác động từ hệ thống dẫn đường định vị nhiễu từ môi trường - A tập hợp dịch chuyển vị trí xác định (q, Guard, σ , Jump, q’), q ∈Q, q’∈Q, Guard - tổ hợp điều kiện cho phép thực dịch chuyển a∈A, Jump - giá trị bước nhảy hai không gian trạng thái liên tục hai vị trí liền kề nhau, σ∈Σ - tổ hợp kiện cho phép dịch chuyển vị trí; - Inv đại lượng kết hợp vào kiện không gian trạng thái, gọi đại lượng bất biến, dùng để theo dõi trạng thái liên tục phải trì, cụ thể vị trí hệ thống q trạng thái liên tục phải bảo đảm x∈inv(q) - F hàm liên tục tổng thể (dòng liên tục), xác định theo vị trí hệ thống theo phương trình động lực học AUV/ASV mô tả (2.1) thực thi mô tả sơ đồ khối thể hình (3.1); tiến trình dịng liên tục cụ thể fi∈F xuất vị trí tương ứng qi ∈Q kích hoạt Để xây dựng cấu trúc tổng qt mơ hình thiết kế hệ thống điều khiển AUV/ASV SysML dựa HAUV/ASV , luận án thiết kế khối điều khiển chính: khối thể thành phần liên tục (Continous Part Block), khối thể thành phần rời rạc (Discrete Part Block), ứng xử liên tục toàn cục tức thời (IGCB: Instantaneous Global Continuous Behavior Block), giao diện bên (Internal Interface Block) giao diện bên (External Interface Block) để dễ dàng tổ chức, quản lý theo vết tái sử dụng thành phần sinh trình thiết kế thực thi hệ thống điều khiển AUV/ASV Mẫu kết nối truyền đạt khối điều khiển cổng, giao thức kết nối mô tả sơ đồ cấu trúc khối Hình 3.9 16 Hình 3.9 Mẫu kết nối truyền đạt khối điều khiển AUV/ASV Hình 3.10 Sơ đồ tiến trình thời gian thực khối điều khiển nhằm thực thi HA cho AUV/ASV Kết hợp với điều kiện ràng buộc tiến trình thực thi HAUV/ASV hệ thống điều khiển cho thiết bị AUV/ASV đề xuất mơ hình phân tích, tính ca ̣nh tranh thời gian thực khối điều khiển cho AUV/ASV thể hiêṇ Hıǹ h 3.10 3.3 Mơ hình mơ thực thi hệ thống điều khiển AUV/ASV 3.3.1 Mơ hình chuyển đổi SysML-Modelica Như phân tích chương 2, luận án trước tiên tạo mơ hình phân tích thiết kế hệ thống cơng cụ phần mềm mơ hình hóa với SysML Sau đó, áp dụng phần mở rộng SysML4Modelica để tạo mơ hình phát triển khung nhìn Modelica Hình 3.11 Mơ hình chuyển đổi tổng qt 3.3.2 Mơ hình mơ thực thi Sau tiến hành chuyển đổi từ mơ hình thiết kế sang mơ hình mơ thực thi với luật chuyển đổi nêu phần trên, mơ hình mô cho phép xác định cách dễ dàng tham số phần tử điều khiển kiểm định mặt lý thuyết hiệu điều chỉnh 17 hệ thống trước thi hành triển khai Sau đó, mơ hình thiết kế SysML cập nhật lại với giá trị thành phần điều khiển với mơ hình mơ tối ưu (a) (b) model PI_Motor Modelica.Mechanics.Rotational.Components.Inertia Motor annotation(Placement(visible = true, transformation(origin = {6, 32}, extent = {{-10, -10}, {10, 10}}, rotation = 0))); Modelica.Blocks.Continuous.PI PI(k = 1) annotation(Placement(visible = true, transformation(origin = {-38, 32}, extent = {{-10, -10}, {10, 10}}, rotation = 0))); equation connect(PI.y, Motor.flange_a) annotation(Line(points = {{-27, 32}, {-4, 32}}, color = {0, 0, 127})); annotation(uses(Modelica(version = "3.2.1")), Diagram(graphics = {Bitmap(origin = {-42, 40}, extent = {{-4, -4}, {4, 4}})})); end PI_Motor; (c) Hình 3.13 Mơ hình chuyển đổi SysML-Modelica khối điều khiển Mơ tơ-PI Hình 3.13 mơ hình chuyển đổi SysML-Modelica khối điều khiển Mơ tơ-PI khung nhìn ngơn ngữ SysML Các hình từ 3.14 tới 3.18 số kết mô khả ổn định hướng AUV/ASV với hướng đặt 100 200 với vận tốc 0,5m/s 1m/s Hình 3.14 Kêt mơ khả ổn định hướng AUV/ASV với thông số đầu vào v=1m/s, hướng đặt 100, bán kính rẽ 2,6m 18 Hình 3.15 Kêt mô khả ổn định hướng AUV/ASV với thông số đầu vào v=0,5m/s, hướng đặt 200, bán kính rẽ 2,6m Hình 3.16 Kêt mơ khả ổn định hướng AUV/ASV với thông số đầu vào v=1 m/s, hướng đặt 200, bán kính rẽ 3,2 m Hình 3.17 Kêt mơ khả ổn định hướng AUV/ASV với thông số đầu vào v=0,5m/s, hướng đặt 300, bán kính rẽ 3,1m Hình 3.18 Kêt mô khả ổn định hướng AUV/ASV với thông số đầu vào v=1 m/s, hướng đặt 300, bán kính rẽ 3,9m 3.3.3 Mơ hình cài đặt triển khai Để tiến hành triển khai thi hành thiết kế, mơ hình thiết kế SysML với thành phần điều khiển sửa đổi tối ưu mơ hình thực thi cập nhật để có mơ hình thiết kế cho mơ 19 hình thi hành triển khai AUV/ASV, chuyển đổi thành mã Modelica thông qua nguyên tắc phân tích 3.3.1 khối SysML4Modelica Khối dựa việc thực thi hướng đối tượng môi trường phát triển mơ động lực học có hỗ trợ ngơn ngữ lập trình hướng đối tượng C++ nhằ m thực toàn hệ thống điều khiển AUV/ASV với vi xử lý lập trình lơ gíc tương thích Hình 3.19 Sơ đồ thực thi hướng đối tượng HAUV/ASV cho thiết bị AUV/ASV Kết luận chương Trong chương này, luận án trình bày phân tích tồn quy trình phân tích, thiết kế thực thi hướng đối tượng để phát triển hệ thống điều khiển cho thiết bị AUV/ASV, kèm theo mơ hình cấu trúc ứng xử điều khiển phi tuyến lai đề xuất đánh giá chất lượng sơ Chương Từ đó, xây dựng qui trình cụ thể hóa mơ hình phân tích, thiết kế thực thi với SysML dựa phương pháp luận OOSEM để phát triển theo hướng đối tượng cho hệ thống điều khiển AUV/ASV, cụ thể là: - Trong mơ hình phân tích, việc cụ thể hóa mơ hình trường hợp sử dụng đặc trưng HAUV/ASV cho phép phân tích chi tiết cấu trúc ứng xử hệ thống điều khiển AUV/ASV; - Mơ hình thiết kế đưa thiết kế chi tiết với SysML hệ thống điều khiển; mơ hình hệ thống chế hướng đối tượng sử dụng để xây dựng mô hình mơ thực thi hệ thống nhằm thực giai đoạn thực thi mô triển khai hệ thống; qui tắc chuyển đổi mô hình đưa áp dụng, cho phép mơ hình thiết kế SysML chuyển đổi sang mơ hình mơ Modelica - Các qui tắc tùy biến tái sử dụng thành phần thiết kế đưa nhằm ứng dụng điều khiển AUV/ASV.Dựa theo mơ hình này, ứng dụng luận án mô thực thi dựa công 20 nghệ mã nguồn mở OpenModelica Arduino cho hệ thống điều khiển AUV/ASV bám theo quĩ đạo đặt trước - Các kết mô đưa nhằm nhận xét đánh giá số tính tự hành thiết bị AUV/ASV CHƯƠNG 4: THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 4.1 Điều kiện kịch thử nghiệm thiết bị AUV/ASV 4.1.1 Mơ hình thử nghiệm AUV/ASV Hình 4.1 Chế tạo thân vỏ hệ động lực thiết bị tàu tự hành Phịng thí nghiệm mơn Kỹ thuật tàu thủy - ĐHBK Hà Nội 4.1.2 Môi trường thử nghiệm Chiều dài bể L = 50 m; Chiều rộng bể B = 25 m; Chiều sâu tối đa H = 2,6 m; Ưu điểm: Do chiều rộng bể rộng, thử nghiệm với chế độ quay vịng với bán kính rộng, dễ dàng thử nghiệm với WP định trước (Hình 4.2) Nhược điểm: Khơng thử nghiệm với trư ờng hợp ảnh hưởng nhiễu loạn mơi trường sóng, gió hay dịng hải lưu Hình 4.2 Bể bơi Đại học Bách khoa Hà nội sủ dụng tiến hành thực nghiệm 4.1.3 Các tình thử nghiệm + Kịch 1: Thử nghiệm khả bám quỹ đạo mơ hình quỹ đạo định nghĩa trước + Kịch 2: Đánh giá tính ổn định hướng mơ hình 4.2 Tích hợp hệ thống qui trình thử nghiệm 4.2.1 Tích hợp thiết bị phần cứng 21 Sơ đồ khối tổng quan kết nối phần cứng thiết bị ngoại vi cho hệ thống điều khiển AUV/ASV thể Hình 4.3 Hình 4.3 Sơ đồ tổng quan kết nối phần cứng thiết bị ngoại vi (a) (b) Hình 4.4 Thiết bị GPS IMU tích hợp thử nghiệm (a) bảng vi mạch MCU-STM32-Cortex M4 lập trình (b) 4.3 Tiến hành thử nghiệm đánh giá hệ thống điều khiển tàu mơ hình AUV/ASV 4.3.1 Mơ tả thí nghiệm Hình 4.8 Thiết lập quỹ đạo mong muốn cho thiết bị AUV/ASV “trường hợp 1” Hình 4.9 Thiết lập quỹ đạo mong muốn cho thiết bị AUV/ASV “trường hợp 2” 4.3.2 Thử nghiệm kịch bám quỹ đạo mơ hình AUV/ASV Kết thể hình 4.10 4.11 Đường màu vàng ứng với quỹ đạo chuyển động thiết lập WP trước (tương ứng quỹ đạo “trường hợp 1” “trường hợp 2”), đường màu tím kết thu nhận từ cảm biến cài đặt mơ hình thể chuyển động thực tế AUV/ASV vẽ lại giao diện người dùng, sai lệch tĩnh ~ 1%-2,5% so với quỹ đạo đặt trước, nhiên sai 22 số phải cộng thêm ảnh hưởng sai số ngẫu nhiên GPS loại dùng cho dân Hình 4.11 Kết thử nghiệm tính bám quỹ đạo cho “trường hợp 2” 4.3.3.Thử nghiệm tính ổn định hướng mơ hình Tùy thuộc vào vận tốc di chuyển trung bình tàu, thời gian ổn định hướng từ 6,0s đến 10,0s thời gian trễ từ 0,8s đến 2,0s theo hướng mong muốn 10o, 20o 30 o tương ứng với vận tốc di chuyển trung bình 0,5m/s 1,0m/s So sánh với kết mơ máy tính mơ tả chương có thời gian ổn định lái hướng tương ứng từ 6,0s đến 9,5s thời gian trễ từ 0,2s đến 0,4s cho thấy kết thực nghiệm tính ổn đị nh hướng phù hợp với yêu cầu hệ thống Hình 4.10 Kết thử nghiệm tính bám quỹ đạo cho “trường hợp 1” KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận chung Luận án trình bày mơ hình phân tích, thiết kế thực thi hệ thống điều khiển cho thiết bị tự hành nước AUV/ASV; mơ hình dựa việc cụ thể hóa cơng nghệ hướng đối tượng hướng mơ hình dựa phương pháp OOSEM ngơn ngữ hệ thống SysML Nội dung luận án thể thơng qua điểm sau: + Nghiên cứu tổng quan AUV/ASV kỹ thuật mơ hình hóa, mơ thực thi điều khiển + Dựa mơ hình động lực học điều khiển AUV/ASV kết hợp với cụ thể hóa Automate lai (HA) thơng qua giả thuyết thi hành hệ thống nhằm đưa cấu trúc điều khiển cho AUV/ASV tự hành bám theo hướng quỹ đạo mong muốn + Đưa mơ hình phân tích, thiết kế thực thi hướng đối tượng thông qua phương pháp luận OOSEM với ngơn ngữ mơ hình hóa hệ thống SysML ngơn ngữ mô Modelica kết hợp với hỗ trợ phần mềm IBM Rational Rapshody OpenModelica Từ đó, mơ hình 23 thực thi kết hợp với tùy biến công nghệ mã nguồn mở Arduino nhằm thực nhanh chóng mơ hình triển khai cho AUV/ASV + Thử nghiệm, hiệu chỉnh đánh giá chương trình điều khiển thơng qua kịch cụ thể; kết thử nghiệm minh họa mơ hình điều khiển AUV/ASV với cấu hình vật lý sẵn có (thân vỏ hệ động lực đẩy), nhằm khẳng định tính ổn định tính điều khiển phù hợp với mơ hình phân tích thiết kế đề xuất Các điểm nghiên cứu bao gồm: + Nghiên cứu công nghệ hướng đối tượng MBSE với chuẩn SysML/Modelica kết hợp HA để phân tích, thiết kế thực thi hệ thống điều khiển cho thiết bị AUV/ASV + Cụ thể hóa phương pháp điều khiển : Điều khiển tích phân chiếu IB kết hợp với EKF lấy HA làm tảng cho hệ thống điều khiển AUV/ASV + Thiết kế chế tạo thử nghiệm hệ thống điều khiển mơ hình nhằm thực nghiệm tính ổn định hướng bám quỹ đạo cho AUV/ASV với cấu hình vật lý có sẵn (các thông số thủy động lực học điều khiển cho trước) + Thiết kế chi tiết hệ thống điều khiển dễ dàng tùy biến tái sử dụng cho ứng dụng điều khiển thiết bị tự hành nước khác Tuy nhiên, luận án có số điểm hạn chế sau: Trong phạm vi điều kiện trang thiết bị ngoại vi giới hạn, luận án dừng mức thử nghiệm hệ thống điều khiển với khả ổn định hướng bám quỹ đạo mặt phẳng ngang Các thử nghiệm mô liên quan đến nhiễu môi trường thực với tín hiệu nhiễu giả lập đưa trực tiếp vào chương trình điều khiển hệ thống, chưa thực với điều kiện hệ thống nhiễu đo lường thực tế Kiến nghị Trong thời gian tới, NCS tiếp tục phát triển cách tiếp cận với thành phần vật lý trang thiết bị ngoại vi thêm cho AUV/ASV; đặc biệt ứ ng dụng trang bị cảm biến truyền thông nước vi xử lý công nghiệp nhằm cải thiện hiệu phạm vi hoạt động toàn hệ thống Cách tiếp cận đề xuất phát triển cho ứng dụng điều khiển phối hợp cho nhóm AUV/ASV tự hành theo đội hình 24 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Hoài Nam 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 Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Mã số: 62520116 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hà Nội - 2017 25 Cơng trình hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Ngô Văn Hiền GS TSKH Vũ Duy Quang Phản biện 1: PGS TS Nguyễn Phú Hùng Phản biện 2: PGS TS Thái Doãn Tường Phản biện 3: PGS TS Phạm Kỳ Quang Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi 30, ngày 09 tháng 06 năm 2017 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam 26 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Nguyễn Hồi Nam, Ngơ Văn Hiền, Vũ Duy Quang (2012) Tích hợp ngơn ngữ mơ hình hóa hệ thống SysML/Modelica để thực thi hệ thống động lực công nghiệp Hội nghị Cơ học Thủy khí Tồn quốc, Nha Trang, Việt Nam, 2012, ISSN: 1859-4182, Tr 636-645 Nguyễn Hoài Nam, Khương Minh Tuấn, Ngô Văn Hiền, Vũ Duy Quang (2013) Mô hình điều khiển theo đường dẫn phi tuyến cho phương tiện tự hành nước Hội nghị Cơ học Thủy khí Tồn quốc, Đồng hới, Quảng Bình, Việt Nam, ISSN: 1859-4182, Tr 433-440 Khương Minh Tuấn, Nguyễn Hoài Nam, Ngơ Văn Hiền, Vũ Duy Quang (2013) Mơ hình phân tích mơ hướng đối tượng cho điều khiển tàu lặn không người lái cỡ nhỏ tự hành Automate lai ngôn ngữ Modelica Hội nghị Cơ học Thủy khí Tồn quốc, Đồng hới, Quảng Bình, Việt Nam, ISSN: 18594182, Tr 636-645 Nam N H., Hien N V., Quang V D (2013) Using SysMLModelica Transformation to Implement the Ship Motion’s Controller Proc of ACFM14, ISBN: 978-604-913-146-2, pp 841-845, Hanoi, Vietnam, 2013 Nguyễn Hồi Nam, Ngơ Văn Hiền, Vũ Duy Quang (2014) Phương pháp phân tích, thiết kế thực thi hệ thống điều khiển cho phương tiện biển tự hành bám theo quỹ đạo tích hợp SysML-Modelica với Automate lai Hội nghị Khoa học Cơ học Thuỷ khí Tồn quốc năm 2014, Phan Rang, tỉnh Ninh Thuận, Việt Nam, ISSN: 1859-4182, Tr 388-396 27 Khương Minh Tuấn, Nguyễn Hồi Nam, Ngơ Văn Hiền, Vũ Duy Quang (2014) Bộ điều khiển bám quỹ đạo cho tàu thủy tự hành dựa tích hợp EKF automate lai Hội nghị Khoa học Cơ học Thuỷ khí Tồn quốc năm 2014, Phan Rang, tỉnh Ninh Thuận, Việt Nam, ISSN: 1859-4182, Tr 628-635 N H Nam, K M Tuan, N V Hien, H S Truong (2014) An object-oriented approach to analyze and design controllers of autonomous surface vessel Journal of Science & Technology, 07 Technical Universites, ISSN: 0868-3980, No 100, pp 11-15, 2014 Dong N., Nam N H., Tuan K M., Hien N V (2014) A Novel Approach to Model and Implement Planar TrajectoryTracking Controllers for ASVs/AUVs Journal of Advanced in materials research, ISSN: 1022-6680, (Included Scopus/SCImago, SJR=0.115 ), Vol 1016 Trans Tech Publications, Switzerland, pp 686-693 Nam N H, Tuan K M, Hien N V (2014) An ObjectOriented Simulation Model to Planar Trajectory-Tracking Controllers for AUVs/ASVs by specifying Modelica Language Proc of RCMME 2014, ISBN: 978-604-911-942-2, pp 392-396, Hanoi, Vietnam, 2014 10 K.M Tuấn, N Đông, N.H Nam, P.G Điềm, N.V Hiền (2014) Qui trình hướng đối tượng mơ hình hóa mô hệ thống điện tử điều khiển thơng qua tích hợp SysML/Modelica/MDA với Automate lai Tạp chí Cơ khí Việt Nam, ISSN: 0866-7056, Tr 150-157, 2014 11 Nguyen Hoai Nam, Ngo Van Hien (2015) A UML/SysMLBased for Implementing Controllers of AUVs/ASVs Tạp chí khoa học công nghệ trường đại học kỹ thuật, ISSN 2354-1083, tr.69-074, 2015 28 ... DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Hoài Nam 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... Chương Nghiên cứu tổng quan Chương Phương pháp mơ hình hóa, mô thi hành hệ thống điều khiển thiết bị tự hành AUV/ASV Chương Quy trình phân tích thiết kế, mô thi hành hệ thống điều khiển cho thiết bị. .. nghi, điều khiển trượt SMC… 1.2.4 Bộ điều khiển chiếu tích phân IB Trong nghiên cứu này, việc thiết kế điều khiển cho AUV/ASV với phương pháp luận dựa tảng thuật toán chiếu tích phân (IB) Phương pháp