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

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 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 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]. công nghệ hướng

i

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

ii

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

iii

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

iv

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 134

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

Electro-technical 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

vi

LOS Line-Of-Sight Giải thuật bám đường

MBSE Model-Based Systems

Lập trình hướng đối tượng cho hệ thống nhúng thời gian thực

OMG Object Management Group Tổ chức quản trị hướng đối

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

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 4.2 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

Hình 2.2 Trình tự mô phỏng động lực học trong FluidFlow (Fluent) 53

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 2.13 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 70 Hình 2.14b Automate lai của AUV - HDS với các sự kiện bên trong

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

thể

96

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

Hình 4.8 Quá độ quĩ đạo khi đặt hướng đi mong muốn 20° với vận tốc

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.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 127 Hình A.18 Đáp ứng quá độ hướng đi của của tàu lặn mô hình tương

xi

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

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 133

12

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

13

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 khiểncần 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

14

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 khiểncông 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

15

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 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 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”

16

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 AUVcỡ 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 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 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 raquy 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

17

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

1 AUV: SPURVđược 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

- Dài 4m và nặng 2,9 tấn

18

- 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 ảnhđáy 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

- 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

20

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

- 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

21

các nguồn sinh vật học của đại dương, cảnh báo thiên tai và sóng thần, các thiết bị quân sự tự hành dưới nước v.v AUV có các đặc tính cơ bản về an toàn và chi phí hiệu quả hơn khi so sánh với phương tiện có người lái 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, hiệu quả về cả thời gian và tài chính được do phương tiện nhỏ hơn nhiều, không chứa các hệ thống con khác nhau cần thiết để duy trì cuộc sống trong khi dưới nước cũng như các cơ cấu truyền động nhỏ hơn so với một phương tiện có người lái 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

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 vẫn phải có sự can thiệp trược tiếp của người điều hành[1]

Bên cạnh đó, vấn đề thiết kế hệ thống điều khiển cho AUVgặp nhiều khó khăn bởi vì nó phải được kết nối chặt chẽ với các mô hình động lực học Trên thực

tế, có nhiều ứng dụng điều khiển AUV đã sử dụng kỹ thuật tính toán mềm để đưa

ra giải pháp tối ưu cho việc kiểm soát mô hình động lực học của các phương tiện

này Ví dụ, Titan và Collins [65]đã đề xuất một phương pháp lập kế hoạch quỹ đạo

mong muốn cho AUVnhưng phạm vi hoạt động bị hạn chế Phương pháp này sử

dụng đa thức dựa trên nội suy khối Hermite để ước tính tiến trình thời gian trôi qua

tại các điểm lộ trình (WP) của quỹ đạo mong muốn khi thực thi tác vụ; thuật toán dịch chuyển cũng đã được giới thiệu nhằm tìm kiếm giải pháp tương ứng và tối ưu

cho quỹ đạo hiện thời Li và Lee[48]đã giới thiệu bộ điều khiển phi tuyến cho phép

22

AUV có thể kiểm soát được chiều sâu lặn dựa trên kỹ thuật điều khiển cấp ngược (BS) Một loại hệ thống điều khiển khác có sử dụng chế độ kiểm soát trượt (SMC) [18]đã được áp dụng cho AUV và thể hiện được khả năng bám quỹ đạo chính xác

của bộ điều khiển phi tuyến trong giải tiến trình thực thi điều khiển hẹp Son và Kim[63]đã công bố một nghiên cứu về điều khiển chuyển động cho AUV từ quan điểm mô hình lai có kết hợp giữa mô hình rời rạc và mô hình liên tục Jouffroy và Opderbecke[41]đã đưa ra một mô hình điều khiển thích nghi có kết hợp với kỹ

thuật BS nhằm đưa ra bộ điều khiển phi tuyến tương đối hoàn thiện cho phép AUV

có khả năng bám theo quỹ đạo ít sai lệch nhất về vị trí và thời gian Donget al.[20]

đã giới thiệu bộ điều chỉnh PID kết hợp với mạng nơ ron cho một AUV hình cầu

có tính đến các nhiễu phức tạp trong môi trường dưới nước Bộ điều khiển của AUV nàycũng bao gồm nhận dạng và kiểm soát mạng lưới nơ ron; các trọng số của mạng nơ ron được thiết lập thông qua việc sử dụng phương pháp bình phương tối

thiểuDavidon có chống nhiễu mạnh và tốc độ hội tụ nhanh

Tuy nhiên, các mô hình điều khiển trên đây đã được phát triển theo hướng thủ tục; do đó chúng sẽ rất khó khăn trong việc được tùy biến và tái sử dụng các thành phần điều khiển đã được thiết kế để ứng dụng cho AUV khác nhau Do đó, các phương thức điều khiển truyền thống trên đây cần được kết hợp với các ngôn ngữ mô hình hóa, mô phỏng và thực thitheo hướng hệ thống[55]nhằm đưa ra bản phân tích và thiết kế có tính mô đun hóa để có thể trực quan các tham số điều khiển trong thời gian thực, tùy biến và tái sử dụng các thành phần đã phát triển cho các AUV mới.Xuất phát từ các phân tích và đánh giá trên đây, mục tiêu và giải pháp nghiên cứu của luận án đã được đề xuất như sau: 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); từ đó đưa ra qui trình 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 thông

23

qua việc cụ thể hóa công nghệ hướng đối tượng; 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

1.2.ĐỘNG LỰC HỌC TRONG ĐIỀU KHIỂN AUV

Trước khi tìm hiểu về các luật điều khiển và các phương pháp thực thi, mô hình quản trị yêu cầu của các hệ thống con khác nhau trong AUV cần phải được xem xét Điều này sẽ cung cấp thông tin cho hệ thống điều khiển được thực thi phù hợp với tính tự hành của AUV

1.2.1 Mô hình yêu cầu

Các thành phần khác nhau trong kiến trúc điều khiển AUV là hệ thống dẫn đường, hệ thống định vị và hệ thống điều khiển Tất cả ba hệ thống này có nhiệm

vụ riêng của mình, nhưng chúng cũng phải hoạt động kết hợp với nhau nhằm cho AUV hoàn thành mục tiêu của nó Hình 1.1 trình bày sơ đồ khối nhằm thể hiện tương tác giữa các hệ thống này[43]

Hệ thống dẫn đường có trách nhiệm để tạo ra quỹ đạo mong muốn cho AUV chuyển động theo Nhiệm vụ này được hoàn thành bằng cách lấy các điểm đường mong muốn xác định trước bao gồm ảnh hưởng của nhiễu loạn môi trường bên ngoài, tạo ra điểm đường đi tiếp theo lân cận Thông tin về trạng thái hiện tại của AUV cũng có thể được sử dụng để cung cấp một quỹ đạo thực tế cho AUV Quỹ đạo này sau đó hình thành nên trạng thái mong muốn của AUV, như là vị trí, hướng đi, vận tốc và gia tốc

Các hệ thống định vị được sử dụng để xác định trạng thái hiện tại của AUV

Đối với các phương tiện bay hoặc mặt đất, hệ thống định vị toàn cầu (GPS) là có

sẵn và thường được sử dụng để cung cấp thông tin định vị chính xác liên tục cho

24

hệ thống định vị Tuy nhiên, do truyền thông tín hiệu bị hạn chế thông qua nước, GPS phần lớn là không có sẵn cho các phương tiện dưới nước Như vậy, cần phải kết hợp GPS với các thiết bị thủy âm để giải quyết các hạn chế về truyền thông tín

hiệu dưới nước Ngoài ra, các loại bộ lọc Kalman, tích hợp GPS/INS cũng được sử

dụng nhằm có được một dự báo tốt nhất trạng thái hoạt động hiện tại và đưa ra cơ chế điều chỉnh cho hệ thống tổng thể Nhìn chung, nhiệm vụ của hệ thống định vị

là để cung cấp một ước tính tốt nhất của trạng thái hiện tại của AUV dựa trên các thông tin từ cảm biến

Hình 1.1 Sơ đồ khối điều khiển, định vị và dẫn đường của AUV

Hệ thống điều khiển có trách nhiệm cung cấp tín hiệu điều khiển tức thời cho phép AUV di chuyển theo quỹ đạo mong muốn Điều này đạt được bằng cách nhận trạng thái mong muốn của AUV từ hệ thống dẫn đường và trạng thái hiện tại

từ hệ thống định vị Hệ thống điều khiển sau đó tính toán và đưa ra lực điều khiển thông qua việc sử dụng các cơ cấu truyền động khác nhau trên AUV nhằm giảm thiểu sai số giữa trạng thái mong muốn và hiện tại Cách này cho phép AUV di chuyển bám theo quỹ đạo mong muốn ngay cả khi có nhiễu loạn không rõ Môi trường dưới nước rất phức tạp, như là sự xuất hiện của dòng hải lưu, sóng và làm cho sự điều khiển AUV trở nên rất khó khăn Những nhiễu loạn này cần phải được xem xét đến khi xây dựng mô hình động lực học điều khiển của AUV Mặc dù, các

25

hệ thống nói trên có tác vụ riêng của nó, nhưng chúng phải cũng hoạt động kết hợp

để đạt được đầy đủ tính tự hành của AUV

1.2.2 Mô hình động lực học điều khiển

1.2.2.1 Hệ tọa độ sử dụng

+ Hệ tọa độ NED: Hình 1.2 biểu diễn hệ tọa độ không gian thường được gắn với trái đất, phổ biến nhất trong điều khiển phương tiện tự hành dưới nước là hệ NED Như tên cho thấy, ba thành phần trục của hệ tọa độ này có trục x chỉ hướng tới phía bắc, trục y trỏ về phía đông trục z theo hướng đi xuống vuông góc với bề mặt trái đất Nói chung, các điểm dẫn đường được định nghĩa với tham chiếu đến một điểm cố định trên trái đất; do đó nó thuận tiện trong việc tiến hành dẫn đường

và định vị trọng hệ tọa độ này

Hình 1.2 Các hệ tọa độ và tham số chuyển động của AUV[61]

+ Hệ tọa độ Bodylà hệ tọa độ tham chiếu chuyển động gắn với AUV (Hình

1.2) Do tính chất khác nhau mà tồn tại ở điểm đặc trưng khác nhau trong AUV, như trọng tâm và tâm nổi của nó Như qui định chung, trục x của hệ này chỉ từ phía sau theo trục dọc của AUV, trục y điểm từ cổng vào mạn và z từ trên xuống dưới;

nó có phù hợp để biểu diễn vận tốc của AUV trong hệ tọa độ này

26

1.2.2.2 Phương trình động lực học

Như đã trình bày ở trên, cả hai hệ tọa độ NED và Body đều có những đặc

trưng hữu dụng trong thiết kế điều khiển AUV và có thể chuyển đổi các thông số chuyển động giữa hai hệ tọa độ này với nhau tùy theo mục đích sử dụng

Theo SNAME [61], các hệ trục tọa độ dùng để biểu diễn chuyển động của phương tiện tự hành dưới nước (AUV) bao gồm hệ trục cố định trên trái đất và hệ trục tọa độ cố định trên AUV được biểu diễn bởi ký hiệu như Bảng 1.3

Bảng 1.3 Các ký hiệu SNAME cho phương tiện dưới nước

Bậc tự do Chuyển động Lực và mô men Vận tốc Vị trí

27

C là ma trận Coriolis và lực ly tâm 6x6 bao gồm cả khối lượng bổ sung:

Giảm chấn thủy động lực tuyến tính và phi tuyến được biễu diễn bởi ma trận 6 x 6

D(ν); D biểu diễn đại lượng giảm chấn tuyến tính; D n (ν) biểu diễn đại lượng giảm

chấn phi tuyến

  

g là véc tơ 6 x 1 của lực trọng trường, các lực và mô men nổi

1.2.3 Một số luật và phân phối điều khiển cho AUV

Có nhiều phương pháp và luật điều khiển khác nhau đã được thực hiện cho các hệ thống tàu ngầm trên thế giới, trong đó có AUV Giải thuật PID đã được sử dụng thành công để điều khiển các loại máy khác nhau bao gồm cả phương tiện tự động Tuy nhiên, PID không phải là rất hiệu quả trong việc xử lý các tình huống AUV có mô hình động lực phi tuyến; do đó nó thường được sử dụng cho AUV rất đơn giản làm việc trong môi trường mà không nhiễu loạn bên ngoài[43] Một giải

thuật thay thế được gọi là điều khiển trượt (SMC) đã được chứng minh hiệu quả

hơn khi xử lý mô hình động lực học phi tuyến với nhiễu loạn phi tuyến[26] SMC

là một cách tiếp cận điều khiển phi tuyến[3], trong đó sử dụng các giải thuật chuyển đổi phi tuyến để có được một đáp ứng quá độ nhanh nhằm giữ trạng thái ổn định cho hệ thống

1.2.3.1 Một số luật điều khiển sử dụng cho AUV

+ Bộ điều chỉnh PID:

Bộ điều khiển PID có ba thành phần cơ bản là khâu khuếch đại P, khâu vi phân D và khâu tích phân I Bộ điều khiển PID đơn giản về cả cấu trúc và nguyên

28

lý làm việc nên nó được sử dụng rộng rãi trong điều khiển các đối tượng theo nguyên lý hồi tiếp Hình 1.3 giới thiệu sơ đồ khối của bộ điều chỉnh PID

Hình 1.3 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID

Bộ điều chỉnh PID có nhiệm vụ đưa sai lệch của hệ thống về “O” sao cho

quá trình quá độ thoả mãn các yêu cầu về chất lượng

Mô hình toán học của bộ điều chỉnh PID được mô tả như sau:

t

I p

Đã có nhiều ứng dụng trong hệ thống lái các phương tiện biển tự động và điều khiển vòng lặp kín có kèm theo bộ điều chỉnh PID Các tín hiệu hồi tiếp được

xử lý bởi máy vi tính hoặc thiết bị điều khiển đặc chủng ví dụ như là PLC hoặc các

bộ vi điều khiển công nghiệp.Trong đó, bộ điều chỉnh PID được thực thi bằng phần mềm tính toán nhằm mục đích nâng cao hiệu năng và chất lượng điều khiển của hệ thống[25], [68]

29

+ Giải thuật SMC:

Như đã tổng hợp ở trên, SMC là giải thuật điều khiển được áp dụng khi xử

lý các mô hình động lực học phi tuyến với nhiễu loạn phi tuyến Để mô tả áp dụng giải thuật SMC cho AUV, mô hình động lực học điều khiển AUV (1) trong hệ tọa

độ NED được viết lại dưới dạng sau:

Ở đây ( ̇ ) biễu diễn các động lực học phi tuyến bao gồm các lực ly

tâm và Coriolis, các lực giảm chấn tuyến tính và phi tuyến, lực và mô men của

trọng trường và nổi cùng với các nhiễu loạn tác động bên ngoài

Mặt điều khiển trượt được xác định như sau:

Trên thực tế có hai biến thể SMC tách cặp và ghép cặp, chúng được sử dụng tùy theo mức độ phức tạp của mô hình động lực học điều khiển của AUV Chi tiết

về các kỹ thuật điều khiển trượt được mô tả trong[27],[28], [58], [63]

30

1.2.3.2 Phân phối điều khiển

Vai trò của các luật điều khiển là để tạo ra tổ hợp tín hiệu cho lực điều khiển

để AUV có được trạng thái hoạt động mong muốn Các tín hiệu điều khiển lực τ này bao gồm sáu thành phần Hệ thống phân bổ điều khiển chịu trách nhiệm phân phối các tín hiệu điều khiển này tới các thiết bị truyền động trên AUV Điều này có nghĩa là mô đun phân phối điều khiển phải có được đặc tả kỹ thuật, vị trí và cấu hình của tất cả các thiết bị truyền động trên AUV

chính của K sẽ đại diện cho một thiết bị truyền động

Trên thực tế, các thiết bị truyền động truyền thống trong điều khiển AUV bao gồm: chân vịt, vây điều khiển, ống đạo lưu và có thể có một số thiết bị đặc biệt khác nữa tùy theo yêu cầu của nơi đặt hàng AUV Để mô tả thiết bị truyền động trong mô hình động lực học điều khiển AUV, các ký hiệu lx, ly và lzbiểu diễn các dịch chuyển thành phần của nó lần lượt dọc theo trục x, y và z

- Chân vịt là thiết bị truyền động được sử dụng phổ biến nhất để cung cấp lực điều khiển tịnh tiến chính cho phương tiện dưới nước Nó thường được đặt ở

+ Phương pháp phân phối:

Một trong những phương pháp đơn giản nhất để phân phối điều khiển là:

Phương pháp này rất đơn giản để thực hiện, bởi nó chỉ có một phép nhân ma trận duy nhất; nó được thường được sử dụng cho các AUV có yêu cầu xử lý và tính toán các tác vụ đơn giản Tuy nhiên, do tính đơn giản của nó nên việctối ưu và giảm điện năng tiêu thụ của các cơ cấu truyền động là khó hơn

Đối với các AUV có các hệ thống truyền động phức tạp nhằm xử lý và thực hiện tác vụ mang tính đa nhiệm, thì cần phải sử dụng các phương pháp phân phối

32

điều khiển khác, như là: lập trình bậc hai và giải thuật bước Các phương pháp này được mô tả chi tiết trong[28]

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG VÀ THỰC THI

ÁP DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN AUV

1.3.1 AUV với hệ thống động lực lai

1.3.1.1 Phân loại hệ thống điều khiển công nghiệp

Hiện nay, các hệ thống điều khiển tự động công nghiệp có thể phân loại theo các loại sau: hệ thống tự đáp ứng, hệ thống thời gian thực và hệ thống động lực lai[31]

- Hệ thống tự đáp ứng có thể nhận tất cả sự kiện và tín hiệu đầu vào; nó xử

lý các sự kiện và tín hiệu này một cách cạnh tranh có ưu tiên để đưa ra các tín hiệu

và sự kiện đầu ra một cách đồng bộ

- Hệ thống thời gian thực là hệ thống tự đáp ứng có kèm theo chu trình xử lý các sự kiện và tín hiệu đầu vào, đầu ra gắn với điều kiện ràng buộc về khoảng thời gian và thời điểm thực thi Ngoài ra, trong hệ thống thời gian thực có thể phát sinh các sự kiện và tín hiệu bên trong phụ thuộc vào thời gian Ví dụ: Hệ thống điều khiển điện thủy lực nhằm duy trì mức chất lỏng và áp suất không đổi trong một bể chứa, khi nguồn tiêu thụ môi chất thay đổi lưu lượng

- Hệ thống động lực lai (HDS)là hệ thống thời gian thực, nó bao gồm phần

liên tục, phần rời rạc, và sự tương tác giữa chúng Ngoài ra, trong hệ thống động lực lai có thể phát sinh các sự kiện bên trong không theo thời gian Ví dụ: Các hệ thống điều khiển điện thủy lực trong máy nâng chuyển, hệ thống lái tự động trong tàu thủy hoặc máy bay, hệ thống theo dõi đối tượng tại cảng hàng không, v.v có thể xem như là các hệ thống động lực lai

33

Hình 1.4 giới thiệu mối liên kết tổng quan giữa các hệ thống đã giới thiệu ở trên; trong đó: RS, RTS và HDS lần lượt là các hệ thống tự đáp ứng, hệ thống thời gian thực và hệ thống động lực lai

Trong nội dung nghiên cứu, luận án quan tâm tới việc phân tích thiết kế và

mô phỏng hệ thống động lực lai công nghiệp; bởi hệ thống điều khiển hiện tại và

cơ cấu chấp hành có xét tới các mô hình với dữ kiện rời rạc và mô hình ứng xử liên tục Những mô hình ứng xử này được phân tán thành các mô hình 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, người bảo trì v.v…

Hình 1.4 Hệ thống tự đáp ứng, hệ thống thời gian thực và hệ thống động lực lai Hơn nữa, các hệ thống điều khiển luôn luôn không có ứng xử giống nhau; do

đó, nó sẽ được kết hợp với giả thuyết hợp lý để kiểm tra tại mọi thời điểm Ứng xử của các hệ thống này là khá phức tạp Trong luận án nàychỉ xét đến hệ điều khiển

công nghiệp đó là hệ thống động lực lai (HDS) và được mô hình hóa bằng Automate lai[17],[31], [32]

1.3.1.2 AUV với HDS trong điều khiển công nghiệp

Trong mục này, luận án nghiên cứu sâu về phân tích thiết kế và mô phỏng hệ thống động lực lai công nghiệp Hệ thống này bao gồm phần điều khiển lai và cơ cấu chấp hành lai, hai phần này liên kết với nhau bởi sự trao đổi các tín hiệu và sự kiện theo chu kỳ và không theo chu kỳ[34] Các sự kiện không theo chu kỳ có thể

là sự kiện bên trong hoặc bên ngoài, ta có sơ đồ khối tổng quan của hệ thống động lực lai công nghiệp như Hình 1.5

34

Hình 1.5 Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống động lực lai công nghiệp

Trong đó:

- Eveo: sự kiện đầu ra,

- Evei: sự kiện đầu vào,

- Sigo: tín hiệu đầu ra,

- Sigi: tín hiệu đầu vào,

- ΔT: khoảng thời gian lấy mẫu của mô hình thực thi,

- Actor1, Actor2, Actor3,…, Actorm:tổ hợp con người hoặc hệ thống tác động đến hệ thống thi hành (phần điều khiển lai và cơ cấu chấp hành lai)

Hệ thống thi hành và tác nhân trao đổi các thông điệp không theo chu kỳ ở dưới dạng không đồng bộ, và được thực hiện qua máy trạng thái Mặt khác, cơ cấu chấp hành lai có thể được thực thi bởi nhiều mô hình điều khiển khác nhau và tồn tại sự tương tác giữa các mô hình này, vậy sự tương tác này có thể được mô hình

hóa thông qua ngôn ngữ hình thức như: Automate, Grafcet, biểu đồ trạng thái

Xuất phát từ mô hình động lực học điều khiển của AUV và các đặc tả về hệ thống động lực lai được mô tả ở các mục trước, hệ thống điều khiển AUV có thể xem như là một hệ thống động lực lai công nghiệp và được gọi là AUV - HDS; bởi

35

vì trong hệ thống này có các phần liên tục/rời rạc và tác động qua lại giữa các phần

đó, như là: các chuyển động trượt dọc, trượt ngang, trượt đứng, các chuyển động quayvà các tác động từ môi trường biển do sóng, gió và dòng hải lưu

1.3.2 Mô hình hóa ứng xử AUV - HDS

1.3.2.1 Automate lai

Một Automate lai[17],[32]được xác định bởi dữ liệu sau:

H = [Q, X, , A, Inv, F, q 0 , x 0 ] (1.15)

Trong đó:

 Q: tổ hợp của các vị trí mô tả các chế độ hoạt động của hệ thống,

 q o: trạng thái ban đầu,

 X: không gian trạng thái liên tục hiện tại của Automate, X n

,

 x o : giá trị ban đầu của trạng thái liên tục hiện tại của Automate,

 : tập hợp hữu hạn của các sự kiện,

 A: tập hợp các dịch chuyển được xác định bởi [q, Guard, , Jump, q ’] và được biểu diễn bởi một cung giữa các trạng thái, trong đó:

- q Q, q ’ Q,

- Guard: một tổ hợp điều kiện cho phép thực hiện dịch chuyển,

- Jump: giá trị bước nhảy giữa hai không gian trạng thái liên tục của hai

vị trí liền kề nhau,

- : tổ hợp các sự kiện cho phép dịch chuyển vị trí

 Inv: đại lượng bất biến, dùng để theo dõi trạng thái liên tục phải được duy

trì; cụ thể là khi vị trí là q thì trạng thái liên tục phải được xác định theo xInv(q),

 F: hàm liên tục tổng thể (dòng liên tục) được xác định theo từng vị trí của

hệ thống; nó là tổng hợp từ các phần tử liên tục của hệ thống theo một sơ đồ điều khiển đã được xác định, tiến trình của trạng thái liên tục được xuất hiện khi trạng

36

thái hoạt động F thường được biểu diễn bởi hệ phương trình vi phân hoặc hệ

phương trình trạng thái hoặc hàm truyền đạt

Để mô hình hóa ứng xử các hệ thống điều khiển công nghiệp nói chung, người ta sử dụng biểu đồ diễn tiến chức năng; nhưng để mô hình hóa cấu trúc và

ứng xử các AUV - HDS thì Automate lai được sử dụng, bởi vì:

- Chỉ duy nhất một ứng xử liên tục tại một thời điểm được xác định,

- Có đại lượng bất biến để kiểm tra lại giả thuyết về trạng thái liên tục trong

khác.Grafcet[31]là công cụ rất hữu ích để thiết kế và thực hiện đầy đủ các yêu cầu

của hệ tự động hóa các quá trình công nghệ

Grafcet là từ viết tắt của tiếng pháp (GRAphe Fonctionnel de Commande Etaps/Transitions), là một biểu đồ chức năng cho phép mô tả các trạng thái làm

việc của hệ thống và biểu diễn quá trình điều khiển với các trạng thái chuyển biến

từ trạng thái này sang trạng thái khác, đó là một graphe định hướng và được xác định bởi các phần tử sau:

Trong đó:

37

- E = [E1, E2, , En]: một tập hữu hạn các trạng thái của hệ thống, được ký hiệu bằng các hình vuông Mỗi trạng thái ứng với tác động nào đó của phần điều khiển và trong mỗi trạng thái các hành vi điều khiển là không thay đổi Một trạng thái có thể là chủ động hoặc bị động Điều khiển chính là thực hiện các mệnh đề logic chứa các biến vào và các biến ra để hệ thống có được một trạng thái xác định,

- T = [t1, t2,…, ti]: tập hữu hạn các dịch chuyển trạng thái được biểu hiện bằng

gạch ngang “-” Hàm Boole gắn với mỗi dịch chuyển trạng thái được gọi là “một tiếp nhận”,

- A = [a1, a2,…, an]: tập các cung định hướng nối giữa một trạng thái với một dịch chuyển hoặc ngược lại,

- M = [m1, m2,…, mn]: tập các giá trị (0, 1) Nếu mi = 1 thì trạng thái i là hoạt động, nếu mi = 0 thì trạng thái i là không hoạt động

Grafcet cho một quá trình luôn luôn là một đồ hình khép kín từ trạng thái

đầu đến trạng thái cuối và từ trạng thái cuối đến trạng thái đầu

1.3.2.3 Mạng Petri

Mạng Petri lai [31]là một giải pháp mở rộng của mạng Petri chuẩn, trong đó

các phương trình có thể được gắn hoặc liên kết với vị trí hệ thống mà các chức năng được gắn vào mối quan hệ dịch chuyển

Một mạng Petri lai được định nghĩa bởi:

Trong đó:

- R: tổ hợp mạng Petri mà nó có thể đồng bộ qua các bộ phận sự kiện bên

trong như là: biểu đồ trạng thái, mỗi sự dịch chuyển có thể kèm theo sự kiện đúp là

rẽ nhánh hoặc phát sinh ra các lệnh rẽ nhánh,

38

- PC: phần liên tục của mô hình mà nó được hiểu là tổ hợp các biến liên tục và

các phương trình vi phân đại số; nó nhằm mô phỏng các ứng xử liên tục khác nhau của hệ thống Các biến toàn cục, giá trị của nó được truy cập tại mọi nơi trong mô hình tại mọi thời điểm

- IH: giao diện lai kết nối giữa phần liên tục và mạng Petri

- M0: giá trị ban đầu của R

- X0: giá trị ban đầu của biến liên tục

Tuy rằng mạng Petri có thể mô hình hóa ứng xử và cấu trúc của AUV-HDS

một cách rõ ràng, nhưng trên thực tế để thực thi phần điều khiển của HDS công nghiệp thì việc kết nối giữa mô hình mô phỏng và mô hình triển khai là rất khó Nó thường dùng trong việc nghiên cứu mô hình lý thuyết của hệ thống

1.3.3 Công nghệ hướng đối tượng trong việc phát triển AUV - HDS

1.3.3.1 Ngôn ngữ mô hình hóa hợp nhất trong thời gian thực

Để phục vụ cho công việc mô hình hóa vốn là cốt lõi của việc phân tích, thiết kếhướng đối tượng, ngôn ngữ UML [15]được sử dụng rộng rãi UML đã được chuẩn hóa bởi tổ chức OMG[52] như là một ngôn ngữ đồ họa dùng để trực quan hóa, đặc tả, xây dựng và lập tư liệucho các ứng dụng hệ thống phần mềm chuyên nghiệp UML đem lại cho người sử dụng phương pháp chuẩn để tạo ra bản thiết kế

hệ thống bao trùm từcụ thể như các lớp viết bằng một ngôn ngữ lập trình nào đó, các thành phần phần mềm có thể tái sử dụng v.v… cho đến những yếu tố trừu tượng như những chức năng của toàn bộ hệ thống Vì lý do này, ngôn ngữ UML không những chỉ được sử dụng để mô tả, xây dựng kiến trúc và thiết kế các hệ thống phần mềm, mà còn là một công cụ mô hình hóa thích hợp cho các hệ thống

kỹ thuật nói chung và các hệ thống điều khiển nói riêng

Ngôn ngữ mô hình hóa trong thời gian thực (RealTime UML)[16],[22],

[24],[44]được phát triển dựa trên UML và chuẩn hóa bởi OMG Nó dùng để đặc tả,

39

trực quan, xây dựng và lập tài liệu các thành phần của các ứng dụng phần mềm điều khiển trong các hệ thống thời gian thực và hệ thống nhúng RealTime UML bao gồm tất cả các ký hiệu mô hình hóa của UML, ngoài ra nó còn đƣa ra các ký hiệu mô hình hóa: gói, cổng và giao thức nhằm mô hình hóa các hệ thống điều khiển trong công nghiệp

Gói là một lớp có kiểu mở rộng đƣợc đặc trƣng «Capsule» Các gói có nhiều

đặc tính giống nhau nhƣ là các lớp; ví dụ: Chúng có thể có nhiều thao tác

(Operation) và thuộc tính (Attributes) Tuy nhiên, chúng cũng có một vài tính chất

đặc biệt nhƣ là các cổng dùng chung, thao tác riêng, thông điệp thông qua giao thức truyền đạt ứng xử

Giao thức là tập hợp các thông điệp trao đổi giữa các gói Các thông điệp này

có thể là tín hiệu hoặc sự kiện trên đầu vào hoặc đầu ra của giao thức

Các cổng là những đối tƣợng có mục đích là để gửi và nhận các thông điệp từ

các gói Chúng đƣợc tạo ra và mất đi khi gói đƣợc sinh ra và mất đi Để xác định rõ những thông điệp nào có thể đƣợc gửi đi từ cổng, cổng đƣợc kết hợp với giao thức

Ví dụ về các gói, các gói con, các cổng và các giao diện đƣợc thể hiện trênHình 1.6 thông qua sơ đồ lớp

Hình 1.6 Ví dụ về các gói, các cổng và giao thức

40

Như vậy, các ký hiệu của UML bao gồm: lớp, đối tượng, thông điệp, kết hợp

để mô hình một hệ thống thông tin tổng quát; nhưng các ký hiệu này không đủ để

mô tả cách chính xác các tương tác giữa các đối tượng của hệ thống phức tạp Vì lý

do đó, luận án lựa chọn RealTime UML bao gồm thêm các ký hiệu: các gói, cổng và giao thức, để đặc tả mô hình phân tích và thiết kế các hệ thống điều khiển với

Automate lai

1.3.3.2 Phân tích và thiết kế hướng đối tượng

Phương pháp lập trình đã phát triển từ lập trình không có cấu trúc tới lập trình có cấu trúc và tới nay là lập trình hướng đối tượng Phương pháp phân tích, thiết kế phần mềm cũng đi theo các bước tiến triển này Trước đây, người ta phân tích, thiết kế phần mềm theo kiểu hướng thủ tục hoặc hướng dữ liệu [16] Theo phương pháp này, phần mềm cần xây dựng được chia thành giải thuật và cấu trúc

dữ liệu Trong quá trình phân tích, giải thuật được phân chia thành các giải thuật con đơn giản hơn, cấu trúc dữ liệu lớn được chia thành những cấu trúc nhỏ hơn Quá trình tương tự cũng được tiến hành trong quá trình thiết kế

Phương pháp phân tích, thiết kế hướng thủ tục hoặc hướng dữ liệu có ưu điểm đơn giản, nhanh chóng tạo ra kết quả (do tiến hành theo kiểu từ trên xuống) nhưng kết quả tạo ra không phản ánh bản chất thực, dẫn đến cứng nhắc, khó thay đổi khi yêu cầu đặt ra thay đổi, khó mở rộng khi hệ thống phát triển

Phương pháp phân tích, thiết kế phần mềm tiên tiến hiện nay là hướng đối tượng, trong đó khối cơ bản để xây dựng nên phần mềm là đối tượng hay lớp Nói một cách đơn giản, đối tượng là sự phản ánh thế giới tự nhiên xung quanh

Ưu điểm lớn nhất của phân tích, thiết kế phần mềm hướng đối tượng không phải nằm ở chỗ tạo ra chương 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 được như mã lệnh hay bản thiết kế