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 Mục đích đối tƣợng nghiên cứu luận án: - Ngày nay, việc nghiên cứu đại dƣơng cần phƣơng tiện tự hành dƣới nƣớc (AUV) để ứng dụng dân quân - Phần lớn thiết bị tàu thủy phải nhập đặc biệt thiết bị công nghệ cao có thiết bị điều khiển Việc nghiên cứu sản xuất nƣớc tăng tính chủ động sản xuất, giảm chi phí nhập khẩu, đặc biệt giảm lệ thuộc vào bí mật công nghệ nƣớc - Đối tƣợng nghiên cứu luận án AUV mô hình mô AUV mô hình thực tế với mục đích: + Tính toán mô động lực học từ phân tích, thiết kế thực thi hệ thống điều khiển theo công nghệ hƣớng đối tƣợng + Thiết kế chi tiết hệ thống dễ dàng tái sử dụng điều khiển cho AUV khác với yêu cầu luôn thay đổi tính phức tạp ngày tăng cao hệ thống điều khiển Phƣơng pháp nghiên cứu sử dụng: - Luận án đặt vấn đề nghiên cứu động lực học điều khiển phƣơng tiện tự hành dƣới nƣớc nhƣ đối tƣợng điều khiển đề phƣơng pháp giải toán động lực học điều khiển, đồng thời ứng dụng công nghệ hƣớng đối tƣợng để điều khiển - Các kết nghiên cứu đƣợc tính toán theo lý thuyết, mô máy tính nhƣ thực nghiệm mô hình theo toàn đồ sau: Trong đó: + Kết số 1: minh họa mô đánh giá cấu trúc điều khiển đề xuất Mathlab + Kết số 2: Các kết mô cho trƣờng hợp khác OpenModelica + Kết số 3: Kết thực nghiệm mô hình AUV Các kết chính: - Nghiên cứu, tính toán thiết kế chế tạo mô hình tàu lặn - Phân tích động lực học xây dựng phƣơng trình chuyển động tàu lặn đồng thời phân tích mô máy tính - Nghiên cứu công nghệ có tích hợp hƣớng đối tƣợng thiết bị dẫn đƣờng thời gian thực để phân tích, thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển cho tàu lặn, ứng dụng cho mô hình tàu lặn tƣơng tự - Chế tạo thử nghiệm thành công tàu lặn mô hình từ tác giả xây dựng thuật toán điều khiển hệ thống điều khiển từ dễ dàng tùy biến, tái sử dụng cho ứng dụng điều khiển phƣơng tiện tự hành dƣới nƣớc khác Cấu trúc luận án Luận án gồm 140 trang, mở đầu trang, chƣơng : 30 trang, chƣơng 2: 28 trang, chƣơng : 22 trang, chƣơng : 09 trang, kết luận 02 trang, danh mục công trình công bố: 02 trang, phụ lục: 27 trang CHƢƠNG 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 dẫn đƣờng 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 luật điều khiển khác đƣợc thực cho hệ thống tàu ngầm giới, có AUV Giải thuật PID đƣợc sử dụng thành công để điều khiển loại máy khác bao gồm phƣơng tiện tự động Tuy nhiên, PID thƣờng đƣợc sử dụng cho AUV đơn giản làm việc môi trƣờng mà không nhiễu loạn bên Một giải thuật thay đƣợc gọi điều khiển trƣợt (SMC) đƣợc chứng minh hiệu xử lý mô hình động lực học phi tuyến với nhiễu loạn phi tuyến sử dụng giải thuật chuyển đổi phi tuyến để có đƣợc đáp ứng 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 hệ thống “0” cho trình độ thoả mãn yêu cầu chất lƣợng  Giải thuật SMC ( ) ̈ ( ̇ ) ( ) ) biễu diễn động lực học phi tuyến bao gồm Ở ( ̇ lực ly tâm Coriolis, lực giảm chấn tuyến tính phi tuyến, lực mô men trọng trƣờng với nhiễu loạn tác động bên Mặt điều khiển trƣợt đƣợc xác định nhƣ sau: ̇ ( ) ( ) Vì vậy, vấn đề điều khiển đƣợc đơn giản hóa mà luật điều khiển đƣợc áp dụng nhƣ là: ( ) ( ̇ ) ( ) ( ̇ ) Nếu η đƣợc thay sai lệch trạng thái mong muốn AUV đƣợc thấy ứng dụng luật điều khiển cho phép AUV theo vết quỹ đạo định trƣớc 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, hệ thống điều khiển tự động công nghiệp phân theo loại sau: hệ thống tự đáp ứng, hệ thống thời gian thực hệ thống động lực lai Xuất phát từ mô hình động lực học điều khiển AUV đặc tả hệ thống động lực lai, hệ thống điều khiển AUV xem nhƣ hệ thống động lực lai công nghiệp đƣợc gọi AUV – HDS Trong hệ thống có phần liên tục/rời rạc tác động qua lại phần đó, nhƣ là: chuyển động trƣợt dọc, trƣợt ngang, trƣợt đứng, chuyển động quay tác động từ môi trƣờng biển sóng, gió dòng hải lƣu * Ngôn ngữ mô hình hóa để thiết kế: - UML ngôn ngữ đồ họa để trực quan hóa, mô tả, xây dựng hệ thống G Booch, J Rumbaugh I Jacobson UML bao gồm ký hiệu: lớp, đối tƣợng, thông điệp - UML đem lại cho ngƣời sử dụng phƣơng pháp chuẩn để viết thiết kế hệ thống -Real time UML: UML thời gian thực, bao gồm ký hiệu UML ký hiệu gói, cổng, giao thức 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 hƣớng liệu - Phƣơng pháp phân tích, thiết kế tiên tiến hƣớng đối tƣợng (Object-oriented) Ƣu điểm lớn phân tích, thiết kế hƣớng đối tƣợng gần với thực tế thúc đẩy việc tái sử dụng lại thành xây dựng đƣợc - Ƣu điểm lớn phân tích, thiết kế phần mềm hƣớng đối tƣợng nằm chỗ tạo chƣơng trình nhanh tốn công sức, mà nằm chỗ gần với thực tế thúc đẩy việc tái sử dụng lại thành xây dựng đƣợc nhƣ mã lệnh hay thiết kế * Phƣơng pháp mô thực thi: - Việc mô hệ thống công nghiệp nhu cầu tất yếu - Xuyên suốt toàn trình thực dự án, từ ý tƣởng thiết kế thực vận hành hệ thống, mô cho phép kiểm tra, đánh giá nhiều phƣơng án khác nhau, từ lựa chọn đƣợc phƣơng án thích hợp để thực thi - Các phần mềm mô ngày trở nên linh hoạt, mạnh mẽ, thân thiện gần gũi Trong khuôn khổ luận án sử dụng ngôn ngũ mô ngôn ngữ Modelica MATLAB CHƢƠNG PHÂN TÍCH VÀ MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG LỰC HỌC CỦA AUV Mô hình hóa mô động lực học AUV bƣớc quan trọng chƣơng trình AUV đƣợc mô hình hóa mô động lực học nhằm khảo sát, đánh giá lấy số liệu thông số động lực học tàu lặn phục vụ cho thiết kế hệ thống điều khiển Chƣơng tập trung vào việc mô hình hóa mô động lực học tàu lặn gồm nội dung sau: - Tổng quan động lực học tính toán (CFD) mô động lực học AUV, lý thuyết tính toán công cụ hỗ trợ mô hình hóa mô động lực học AUV - Quy trình mô hình hóa mô động lực học AUV - Phân tích đánh giá động lực học tàu lặn thiết kế qua mô hình hóa mô động lực học - Lựa chọn cấu trúc hệ thống điều khiển cho AUV - HDS - Chi tiết cấu trúc Automate lai điều khiển cho AUV số kết mô 2.1.MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC PHƢƠNG TIỆN DƢỚI NƢỚC 2.1.1.Vai trò mô hình hóa mô động lực học phƣơng tiện tự hành dƣới nƣớc Việc tính toán nghiên cứu tƣơng tác nƣớc với phƣơng tiện phức tạp, vấn đề đƣợc giải với phát triển mạnh mẽ công nghệ, trợ giúp ngƣời giải vấn đề CFD lựa chọn tất yếu 2.1.2 Tổng quan CFD CFD có nghĩa tính toán động lực học chất lƣu có trợ giúp máy tính ngành khoa học tính toán chuyên dự đoán đặc tính dòng chất lƣu, trình nhiệt động học, 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 phần mềm mạnh đƣợc dùng rộng rãi lĩnh vực mô số Ansys cung cấp khả tính toán mô với nhiều dạng mô hình từ mô hình vật rắn, thể lỏng, khí hay hóa học, điện từ trƣờng, v.v… Ngoài ra, Ansys Fluent phần gói phần mềm Ansys động lực học dòng chất lƣu; đƣợc sử dụng mô dòng chảy chất lỏng, nhiệt với dạng hình học phức tạp Để tiến hành tính toán mô Ansys Fluent cần phải trải qua bƣớc mô tả ngắn gọn Hình 2.1 2.2.2 Lý thuyết tính toán đƣợc sử dụng công cụ hỗ trợ Fluent sử dụng phƣơng pháp thể tích hữu hạnđể giải phƣơng trình mô tả đặc tính cho toán khác nhau, phạm vi toán mô dòng chảy phƣơng trình phƣơng trình liên tục:  t   div  V    Mô hình k- mô hình bán thực nghiệm có nhiều số đƣợc định nghĩa trƣớc đòi hỏi ngƣời sử dụng phải hiểu rõ toán Mô hình áp dụng việc giải độc lập hai phƣơng trình chuyển động với lƣợng động học rối (k) tỉ lệ khuyếch tán ():  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          C G  C G  C   S   k  b   x k k  j  2.3 QUI TRÌNH MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC AUV Để mô hình hóa mô động lực học tàu ta sử dụng gói FluidFlow (Fluent) môi trƣờng Workbench Ansys phần mềm hỗ trợ xây dựng mô hình Solidworks Trình tự tính toán tổng quan nhƣ Hình 2.2 dƣới Hình 2.2 Trình tự mô động lực học FluidFlow Bƣớc1-2 (Geometry): Xây dựng mô hình Solidworks sau đƣa vào Workbench thực mô Bƣớc (Meshing): Chia lƣới Bƣớc (Setup): Chọn mô hình toán khai báo Bƣớc (Solution): Tính toán Fluent Bƣớc (Results): Kết xuất kết CFD-Post 2.3.1 Xây dựng mô hình hình học Thông số 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 đầu, có 04 bánh lái bố trí vùng đuôi, chân vịt cánh bố trí sau - Kích thƣớc bánh lái: Bl x Hl = 0,06m x 0,04m - Khối lƣợng: 11,2 kg (bao gồm toàn 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 vật liệu composite Hình 2.3 Biên dạng tàu lặn mô hình Hình 2.4 2.5 Mô hình khảo sát lƣới biên dạng tàu lặn 2.3.2 Lƣới hóa mô hình Hình 2.6 Mô hình chia lƣới Toàn mô hình sau chia lƣới bao gồm 2053513 phần tử lƣới tứ diện có 383724 nút lƣới Lƣới đƣợc chia mịn phần biên dạng tàu, thô dần (Hình 2.6) 2.3.3 Đặt điều kiện biên tính toán - Dƣới điều kiện biên 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 toán: Vận tốc dòng chảy tới V0.Đặt tiêu chuẩn hội tụ: 1e-05.Đặt số vòng lặp cần thiết để toán hội tụ cho bắt đầu tính toán Mô với thay đổi 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 - Do điều kiện thử nghiệm thực tế nên khuôn khổ luận án bƣớc đầu nghiên cứu trƣờng hợp động lực học AUV làm việc gần mặt thoáng 2.4 PHÂN TÍCH MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG THỦY ĐỘNG LỰC HỌC Từ kết mô ta xác định đƣợc tác động dòng chảy lên tàu chế độ làm việc khác Xét với hệ tọa độ OXYZ, thành phần lực mômen dòng chảy tác dụng lên tàu cho Bảng 2.1 Bảng 2.1 Lực 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 Xuất phát từ mô hình thủy động lực học AUV đƣợc tính toán đây, tiêu chuẩn theo TCVN-6277 cho hệ thống lái tự động phƣơng tiện biển (tàu thủy), tiêu chí chất lƣợng hoạt động tàu lặn mô hình kèm theo tham chiếu phƣơng thức kết nối mô hình CFD mô hình điều khiển chuyển động AUV đƣợc mô tả trong, luận ánđề xuất sơ đồ khối chức mở rộng (Hình 2.8) kèm theo giải thuật dẫn đƣờng đƣợc thực thi luật dẫn đƣờng (LOS) để thực hoạt động máy trạng thái AUV - HDS Hình 2.8 Sơ đồ khối chức mở rộng AUV – HDS 11 Trong đó: - Hệ thống dẫn đƣờng định vị nhằm cung cấp/thu nhận tín hiệu dẫn đƣờng-định vị thông qua GPS/INS AUV - Môi trƣờng đại diện cho nhiễu loạn, nhƣ sóng, dòng hải lƣu - PID: điều chỉnh „PID‟, - Ko: khuyếch đại chung AUV - HDS, - Các hệ số: Kra: phản hồi góc, Krp: phản hồi vị trí, Krc: phản hồi hƣớng 2.5.2 Mô hệ thống điều khiển Để tiến hành kiểm tra đánh giá cấu trúc phân tích đây, luận án dùng công cụ MabLab-Simulink nhằm mô hiệu điều chỉnh hệ thống Một kết mô đáp ứng điều khiển đƣợc giới thiệu Hình 2.9; tác động tín hiệu đầu vào góc chuyển hƣớng mong muốn; tín hiệu đầu độ hƣớng AUV Với 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- số thời gian bậc khâu dao động Tc- thời gian quán tính tổ hợp cấu chấp hành lái, Tsthời gian quán tính AUV Trong trƣờng hợp này, thời gian độ điều khiển bám hƣớng tới dần góc hƣớng mong muốn 10o sau 7,2s Hình 2.9 Mô đáp ứng độ hƣớng AUV - HDS 12 Với mô hình điều khiển qua đồ thị độ điều chỉnh mô hình mô hệ thống lái AUV hoàn toàn đáp ứng đƣợc chất lƣợng hiệu điều chỉnh, nhƣ là: thời gian độ điều chỉnh nhằm đảm bảo phù hợp với việc chế tạo, lập trình phần điều khiển chạy thử tàu lặn mô hình sau Trên thực tế, luận án nghiên cứu đƣợc minh họa „Tàu lặn mô hình‟ AUV cỡ nhỏ, nên cấu chấp hành AUV không yêu cầu phải dùng tới: Servo-Vavle thủy lực điều khiển (mang đặc điểm khâu dao động) hệ truyền động xi lanh thủy lực (mang đặc điểm khâu quán tính) Do đó, cấu chấp hành lái tàu lặn đơn giản hơn, nhƣng chúng có thuộc tính điều khiển nhƣ CHƢƠNG 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 tập nguyên tắc hƣớng dẫn xây dựng phần mềm nói chung hay phần mềm điều khiển công nghiệp nói riêng với ngôn ngữ, sở liệu công cụ hỗ trợ cho nguyên tắc Có bốn đặc trƣng công nghệ hƣớng đối tƣợng (Hình 3.1) nhƣ sau: Hình 3.1 Tổng quan đặc trƣng công nghệ hƣớng đối tƣợng Lựa chọn phƣơng pháp hƣớng đối tƣợng Xuất phát từ yêu cầu ngữ cảnh sản xuất công nghiệp, việc tái sử dụng tùy biến mô đun điều khiển phát triển đƣợc áp dụng cho 13 hệ thống ứng dụng quan trọng, nhằm giảm chi phí, thời gian nhân công sản xuất; đặc biệt làm chủ đƣợc công nghệ tránh phải nhập - Phƣơng pháp phân tích thiết kế hƣớng đối tƣợng thực theo thuật ngữ khái niệm phạm vi lĩnh vực ứng dụng, nên tạo tiếp cận tƣơng ứng hệ thống vấn đề thực môi trƣờng bên - Một ƣu điểm quan trọng bậc phƣơng pháp phân tích thiết kế hƣớng đối tƣợng tính tái sử dụng 3.2.QUY TRÌNH PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾT TRONG PHÁT TRIỂN AUV – HDS VỚI REALTIME UML Cách tiếp cận luận án dựa chu trình lặp (Hình 3.2) bao gồm giai đoạn nhƣ là: phân tích, thiết kế, tính thực thi, kiểm tra sản phẩm mẫu ban đầu thực thi đƣợc Hình 3.2 Qui trình phát triển tái lặp (ROPES) 3.2.1 Cấu trúc tổng quan mô hình phân tích AUV – HDS Để xây dựng cấu trúc tổng quan mô hình phân tích, luận án đƣa 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 (Interal interface) giao diện bên (External interface) để dễ dàng tổ chức, quản lý theo dõi tái sử dụng tác tạo đƣợc tạo trình phân tích, thiết kế thi hành AUV- HDS (Hình 3.3) 14 Mô hình phân tích chủ yếu tập trung vào mối quan hệ hệ thống với môi trƣờng xung quanh Mô tả tình hệ thống đƣợc sử dụng nhƣng chƣa định nghĩa chi tiết cấu trúc tĩnh bên hệ thống Hình 3.3 Cấu trúc tổng quan mô hình phân tích AUV - HDS công nghiệp 3.2.2 Mô hình thiết kế AUV - HDS công nghiệp Nếu chuyển trực tiếp từ mô hình cộng tác đối tƣợng tới môi trƣờng thực thi mô hình cấu trúc ứng xử chi tiết phải đƣợc bổ sung thêm, nhằm thực thi xác hệ thống điều khiển công nghiệp Các bƣớc để xây dựng lên sơ đồ hợp tác gói với RealTime UML tuân theo quy tắc sau: - Mỗi hợp tác đối tƣợng gói đối tƣợng xác định cần gói với RealTime UML, ví dụ nhƣ là: gói AUV - HDS công nghiệp toàn cục, gói phần liên tục, gói phần rời rạc, gói giao diện bên trong, gói giao diện bên ngoài, gói IGCB, - Các lớp chủ động cộng tác đối tƣợng gói đối tƣợng trở thành gói tƣơng ứng, - Các lớp bị động cộng tác đối tƣợng gói đối tƣợng hợp tác trở thành lớp thực thể tƣơng ứng, - Các cổng giao thức đƣợc xác định tƣơng tác cộng tác đối tƣợng gói đối tƣợng có kèm theo thông điệp cụ thể Để xác định sơ đồ diễn tiến máy trạng thái tổng quan gói dựa Automate lai sơ đồ khối chức 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 thiết bị ngoại vi cho hệ thống điều khiển tàu lặn mô hình đƣợc thể lần Hình 4.1 Hình 4.2 Hình 4.1 Ví dụ minh họa số thiết bị ngoại vi lắp đặt tổng thể Hình 4.2 Sơ đồ khối tổng quan kết nối phần cứng Trong điều kiện thực tế, luận án hƣớng nghiên cứu hoàn toàn nên điều kiện sở vật chất có nhiều hạn chế Thí nghiệm đƣợc xây dựng mang tính đơn giản hóa yêu cầu mặt trang thiết bị, nhƣng đủ để 16 đánh giá giới hạn số thông số quan trọng quy trình điều động tàu Sơ đồ khối chức thử nghiệm hiệu điều động tàu đƣợc mô tả Hình 4.3 Ở đây, Tng Tđh lần lƣợt thời gian bắt đầu rẽ thời gian ổn định hƣớng Từ camera ghi hình ta phân tích số hình ảnh, tính toán quy đổi, ánh xạ kích thƣớc thu đƣợc quỹ đạo chuyển động thực tàu với bƣớc thời gian Độ phân giải thời gian đạt ảnh/1giây Hình 4.3 Sơ đồ khối thiết lập thử nghiệm hiệu điều động tàu 4.1.2 Các trƣờng hợp thử nghiệm hiệu điều động tàu Với điều kiện sở vật chất tại, luận án tập trung thử nghiệm hiệu điều động tàu tính ăn lái, bao gồm:tính quay vòng tính ổn định hƣớng Tính quay vòng khả thay đổi hƣớng chuyển động đƣợc mô tả quỹ đạo cong bẻ lái; tính ổn định hƣớng khả tàu giữ nguyên thay đổi hƣớng chuyển động Do vậy, thử nghiệm hệ thống điều khiểu tàu lặn mô hình đƣợc tiến hành theo hai trƣờng hợp nhƣ sau: - Điều khiển bánh lái đuôi góc lái khác (10o, 20o, 30o) tốc độ di chuyển trung bình khác (0.5m/s, 1.0m/s, 1.5m/s), thu thập liệu bƣớc đầu đánh giá tính quay trở - Đặt góc lệch hƣớng tàu theo phƣơng ban đầu giá trị khác (10o, 20o, 30o) tốc độ di chuyển trung bình khác (0.5m/s, 1.0m/s, 1.5m/s), lấy kết thời gian độ để tàu ổn định theo hƣớng đặt sau so sánh với kết từ mô 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 liệu liên quan đến tính ăn lái tàu Tùy thuộc vào vận tốc di chuyển trung bình (công suất vận hành) tàu, thời gian để AUV bắt đầu đổi góc hƣớng diễn dải từ 6,5s – 12,0s Thời gian ổn định hƣớng từ 7,5s đến 14,5s thời gian trễ từ 1,0s đến 2,5s theo góc hƣớng mong muốn 10o, 20o 30o tƣơng ứng với vận tốc di chuyển trung bình 0.5m/s, 1.0m/s 1.5 m/s So sánh với kết mô máy tính đƣợc mô tả phụ lục A có thời gian ổn định lái hƣớng tƣơng ứng từ 7,0s đến 14,0s thời gian trễ từ 0,2s đến 0,5s cho thấy kết thực nghiệm tính ổn định hƣớng phù hợp chấp nhận đƣợc 18 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Luận án đề cập tới phân tích thủy động lực học thiết kế hệ thống điều khiển đƣợc tích hợp theo công nghệ hƣớng đối tƣợng cho phƣơng tiện tự hành dƣới nƣớc Nội dung luận án đƣợc trình bày thông qua điểm nhƣ sau: + Nghiên cứu tổng quan kỹ thuật mô hình hóa, mô thực thi điều khiển phƣơng tiện tự hành dƣới nƣớc, nhƣ mô hình hóa động lực học cấu trúc điều khiển tổng quát loại phƣơng tiện + Phân tích mô thủy động lực học AUV nhằm đƣa cấu trúc điều khiển cho AUV; bao gồm toàn trình mô hình hóa mô động lực học cho tàu lặn, nhƣ là: Giới thiệu tổng quan việc mô hình hóa mô động lực học phƣơng tiện dƣới nƣớc; Phân tích trình bày chi tiết qui trình kết mô động lực học tàu lặn mô hình thông qua sử dụng phần mềm AnsysFluent; kết đƣợc sử dụng để đề xuất cấu trúc điều khiển thực thi đƣợc cho hệ thống điều khiển AUV + Đƣa qui trình phân tích, thiết kế thực thi hƣớng đối tƣợng với RealTime UML ROPES cho hệ thống điều khiển bám hƣớng quỹ đạo mặt ngang cho AUV, bao gồm mô hình: phân tích, thiết kế thực thi với qui tắc theo vết mô hình thiết kế với thực thi theo tảng công nghệ khác có hỗ trợ hƣớng đối tƣợng Các mô hình thiết kế thực thi đƣợc minh họa với hỗ trợ phần mềm IBM Rational Rose RealTime, OpenModelica MatLab-Simulink với công nghệ Arduino nhằm thực nhanh chóng mô hình triển khai cho tàu lặn mô hình + Vận hành hiệu chỉnh chƣơng trình điều khiển; kết thực nghiệm cho thấy mô hình điều khiển nhƣ tàu lặn mô hình đảm bảo đƣợc tính ổn định tính điều khiển phù hợp với mô hình phân tích thiết kế Các điểm nghiên cứu bao gồm: i) Phân tích đánh giá thủy động lực học cho AUV cụ thể ii)Xuất phát từ mô hình thủy động lực học AUV cụ thể với công nghệ hƣớng đối tƣợng thời gian thực RealTime UML qui trình ROPES đƣa toàn mô hình phân tích, thiết kế thực thi hệ thống điều 19 khiển bám hƣớng quỹ đạo mặt ngang cho AUV chọn mang đặc điểm hệ thống động lực lai (HDS) iii) Trong mô hình phân tích thiết kế: cộng tác đối tƣợng, gói điều khiển kèm theo cổng giao thức chúng với RealTime UML nhƣ sơ đồ thực thi mô hƣớng đối tƣợng tái sử dụng cho loại AUV khác Tuy nhiên, luận án có số hạn chế sau: - Phần liên tục ứng dụng điều khiển đơn biến đƣợc mô tả hàm truyền đạt; - Chƣa đƣa hoạt động chi tiết vòng lặp thứ hai vòng đời phát triển hệ thống điều khiển AUV theo qui trình ROPES; - Do giới hạn mặt tài chính, ứng dụng tàu lặn mô hình chƣa đƣợc trang bị cảm biến đo độ sâu truyền thông dƣới nƣớc thủy âm nên thực nghiệm tính phạm vi hoạt động hệ thống bị hạn chế theo, ví dụ: ứng dụng phát triển xét đến tính bám hƣớng quỹ đạo mặt ngang Kiến nghị Trong thời gian tới, tác giả kết hợp với đồng nghiệp phát triển cách tiếp cận với dòng liên tụctrong Automate lai hệ thống điều khiển đa biến đƣợc đặc tả ngôn ngữ hình thức khác nhằm cải thiện việc mô hình hóa thành phần vật lý hệ thống chi tiết thành phần chu trình phát triển lặp Đặc biệt ứng dụng tàu lặn mô hìnhsẽ đƣợc trang bị cảm biến đo độ sâu truyền thông dƣới nƣớc thủy âm nhằm cải thiện tính phạm vi hoạt động toàn hệ thống 20 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN ĐÔNG PHÂN TÍCH THỦY ĐỘNG LỰC HỌC VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THEO CÔNG NGHỆ HƢỚNG ĐỐI TƢỢNG CHO PHƢƠNG TIỆN TỰ HÀNH DƢỚI NƢỚC Chuyên ngành: CƠ HỌC CHẤT LỎNG Mã số: 62440108 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC Hà Nội – 2015 21 Công trình đƣợc hoàn thành tại: Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ QUANG PGS.TS NGÔ VĂN HIỀN Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ……… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam 22 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN [1] Nguyễn Đông, Ngô Văn Hiền, Lê Quang (2011) Quy trình MDA thực thi phần điều khiển hệ thống lái tàu thủy tự động Tuyển tập Hội nghị toàn quốc lần thứ điều kiển tự động hóa VCCA 2011, tr 160-166 [2] Nguyễn Đông, Phạm Gia Điềm, Trƣơng Việt Anh, Ngô Văn Hiền (2012) Mẫu phân tích hướng đối tượng để thực thi điều khiển phương tiện tự hành nước.Tạp chí khoa học công nghệ trƣờng đại học kỹ thuật, ISSN 0868-3980, (2012), tr 101-106 [3] Lê Thanh Tùng, Nguyễn Đông, Lê Quang (2012) A design of autonomous underwater vehicle model for estimation of underwater manoeuvring coefficients The 6th Asia-pacific workshop on marine hydrodynamics-AP Hydro 2012, Malaysia September, (2012), pp 379-384 [4] Khƣơng Minh Tuấn, Nguyễn Đông, Nguyễn Hoài Nam, Phạm Gia Điềm, Ngô Văn Hiền (2014) Quy trình hướng đối tượng mô hình hóa mô hệ thống điện tử điều khiển thông qua tích hợp SYSML – MODELICA- MDA với Automate lai Tạp chí khí Việt Nam, ISSN 0866-7056, (2014), tr 150-157 [5] Nguyen Dong, Nguyen Hoai Nam, Khuong Minh Tuan, Ngo Van Hien (2014) A Novel approach to model an implement planar trajectory tracking controllers for Auvs/Asvs Advanced materials research Vol 1016 Trans Tech Publications, Switzerland, (2014), pp 686-693 [6] Nguyen Dong, Ngo Van He, Ngo Van Hien, Le Quang (2014) Hydrodynamics analysis to improve the controller of an autonomous underwater vehicle Proceedings the 7th AUN/SEED-Net RCMME 2014, ISBN: 978-604-911-942-2, Ha noi 10/2014, pp 420-406 23 [...]... 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... 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... 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... 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... 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 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN ĐÔNG PHÂN TÍCH THỦY ĐỘNG LỰC HỌC VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THEO CÔNG NGHỆ HƢỚNG ĐỐI TƢỢNG CHO PHƢƠNG... 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... DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN [1] Nguyễn Đông, Ngô Văn Hiền, Lê Quang (2011) Quy trình MDA thực thi phần điều khiển hệ thống lái tàu thủy tự động Tuyển tập Hội nghị toàn quốc lần thứ nhất về điều kiển và tự động hóa VCCA 2011, tr 160-166 [2] Nguyễn Đông, Phạm Gia Điềm, Trƣơng Việt Anh, Ngô Văn Hiền (2012) Mẫu phân tích hướng đối tượng để thực thi điều khiển các phương tiện tự hành dưới nước. Tạp... 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... 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...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 ... hoạt động toàn hệ thống 20 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN ĐÔNG PHÂN TÍCH THỦY ĐỘNG LỰC HỌC VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THEO CÔNG NGHỆ HƢỚNG ĐỐI TƢỢNG CHO PHƢƠNG... hệ thống động lực lai Xuất phát từ mô hình động lực học điều khiển AUV đặc tả hệ thống động lực lai, hệ thống điều khiển AUV xem nhƣ hệ thống động lực lai công nghiệp đƣợc gọi AUV – HDS Trong hệ. .. PHỎNG VÀ THỰC THI ÁP DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN AUV * AUV với hệ thống động lực lai Hiện nay, hệ thống điều khiển tự động công nghiệp phân theo loại sau: hệ thống tự đáp ứng, hệ thống thời gian thực hệ