i. Tính cấp thiết của đề tài Trong kỷ nguyên công nghệ và nền kinh tế đa chiều, việc phát triển các hệ thống động lực 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. 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 thiết bị dưới nước sẽ rất cao. Hơn thế nữa, do đặc thù địa lý, 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 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 trong quân sự. Các hoạt động trên đòi hỏi phải có các phương tiện tự hành dưới nước AUV/ASV thì mới đáp ứng được mục tiêu bảo đảm an ninh và khai thác tài nguyên biển một cách bền vững. Điều này có được là do các đặc tính cơ bản về an toàn và hiệu quả chi phí khi so sánh với thiết bị có người lái. Thiết bị AUV/ASV không yêu cầu điều hành của con người, nó phải chịu các điều kiện và các mối nguy hiểm vốn có trong môi trường dưới nước. Chi phí hiệu quả về cả thời gian và các khía cạnh tài chính được xuất phát từ một thiết bị 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 thiết bị có người lái, vì vậy yêu cầu thực hiện bảo trì thường xuyên cần thiết sẽ nhỏ hơn. Với các đặc trưng nổi bật trên đây, các loại AUV/ASV đã được sử dụng thành công và hiệu quả trong ngành công nghệ hàng hải tại rất nhiều nước trên thế giới cho cả mục đích dân sự và quân sự [2]. Do đó, việc nghiên cứu sản xuất các thiết bị này trong nước, đặc biệt là hệ thống điều khiển, 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. Xuất phát từ tính cấp thiết đã trình bày trên đây, cùng với sự hướng dẫn của tập thể các thầy hướng dẫn, NCS đã thực hiện luận án với tiêu đề: “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”.
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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hà Nội – 2017 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iv DANH MỤC CÁC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ viii MỞ ĐẦU 1 i Tính cấp thiết đề tài 1 ii Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài 2 iii Phương pháp nghiên cứu 3 iv Ý nghĩa khoa học thực tiễn 3 v Các điểm luận án đạt 4 vi Cấu trúc luận án 4 CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 5 1.1 Tổng quan thiết bị tự hành biển AUV/ASV 5 1.1.1 Sơ lược AUV/ASV 5 1.1.2 Một số ứng dụng AUV/ASV 6 1.2 Hệ thống điều khiển AUV/ASV 9 1.2.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển AUV/ASV 9 1.2.2 Hệ thống động lực lai công nghiệp 11 1.2.3 Một số điều khiển ứng dụng AUV/ASV 12 1.2.4 Bộ điều khiển tích phân chiếu 13 1.3 Công nghệ hệ thống hướng mô hình dựa tảng công nghệ hướng đối tượng 15 1.3.1 Công nghệ hướng đối tượng hướng theo mô hình 15 1.3.2 Công nghệ hệ thống hướng theo mô hình 16 1.4 Cấu hình vật lý toán áp dụng 22 Kết luận chương 23 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG VÀ THI HÀNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TỰ HÀNH AUV/ASV 24 2.1 Mô hình động lực học điều khiển tổng quát AUV/ASV 24 i 2.1.1 Các hệ tọa độ 24 2.1.2 Phương trình động lực học tổng quát AUV/ASV 25 2.1.3 Tác động môi trường tới AUV/ASV 26 2.2 Luật dẫn đường mô hình hệ thống điều khiển thiết bị AUV/ASV mặt phẳng ngang 29 2.2.1 Luật dẫn đường thiết bị AUV/ASV 29 2.2.2 Mô hình hệ thống điều khiển AUV/ASV mặt phẳng ngang 31 2.2.3 Bộ lọc EKF mô hình thực thi HA cho AUV/ASV 36 2.2.4 Ứng dụng mô hệ thống điều khiển AUV/ASV 39 2.3 Phương pháp luận OOSEM phân tích thiết kế thực thi điều khiển AUV/ASV 41 2.3.1 Quy trình thiết kế 41 2.3.2 Sử dụng ngôn ngữ mô hình hóa hệ thống SysML kết hợp ngôn ngữ mô Modelica phân tích, thiết kế thực thi 43 Kết luận chương 48 CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH PHÂN TÍCH THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ THI HÀNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO THIẾT BỊ AUV/ASV VỚI SYSML/MODELICA VÀ AUTOMATE LAI 49 3.1 Mô hình quản trị yêu cầu 49 3.1.1 Xác định cấu hình hệ thống 49 3.1.2 Mô hình hóa trực quan yêu cầu hệ thống 52 3.2 Mô hình phân tích thiết kế 53 3.2.1 Xây dựng mô hình phân tích cho hệ thống điều khiển AUV/ASV53 3.2.2 Mô hình thiết kế hệ thống điều khiển AUV/ASV 56 3.3 Mô hình mô thực thi hệ thống điều khiển AUV/ASV 66 3.3.1 Mô hình chuyển đổi SysML-Modelica 66 3.3.2 Mô hình mô thực thi 69 3.3.3 Mô hình cài đặt triển khai 72 Kết luận chương 74 ii CHƯƠNG 4: THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 76 4.1 Điều kiện kịch thử nghiệm thiết bị AUV/ASV 76 4.1.1 Mô hình thử nghiệm AUV/ASV 76 4.1.2 Môi trường thử nghiệm 77 4.1.3 Các tình thử nghiệm 78 4.2 Tích hợp hệ thống qui trình thử nghiệm 78 4.2.1 Tích hợp thiết bị phần cứng 78 4.2.2 Quy trình vận hành thử nghiệm điều khiển tàu lặn mô hình 82 4.3 Tiến hành thử nghiệm đánh giá hệ thống điều khiển tàu thiết bị AUV/ASV 83 4.3.1 Mô tả thử nghiệm 83 4.3.2 Thử nghiệm kịch bám quỹ đạo thiết bị AUV/ASV 85 4.3.3.Thử nghiệm tính ổn định hướng thiết bị 87 Kết luận chương 88 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 89 Kết luận 89 Kiến nghị 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO 91 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 97 PHỤ LỤC 99 Phụ lục Các thông số thủy động lực học 99 Phụ lục Cấu trúc hệ thống tham khảo 101 Phụ lục Mã chương trình hệ thống điều khiển 102 Phụ lục Dữ liệu thử nghiệm bám quỹ đạo AUV/ASV 106 Phụ lục Một số hình ảnh cấu hình thử nghiệm thiết bị 109 iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Viết đầy đủ (tiếng Anh) Ý nghĩa viết tắt AF Architechture Framework Autonomous Under Water AUV/ASV Vehicle/Autonomous Khung kiến trúc Thiết bị tự hành nước/trên mặt nước Surface Vehicle Khối mô tả chức năng, sử dụng BBD Block Definition Diagram CLF Control Lyapunov Functions Hàm điều khiển Lyapunov CG Center of Gravity Trọng tâm EKF Extended Kalman Filter Bộ lọc Kalman mở rộng FFBDs GPS GAS Functional Flow Block Sơ đồ khối hàm truyền Diagrams Global Positioning Systems Global Asymptotically Hybrid Automata IB Integral Backstepping Hệ thống định vị toàn cầu Ổn định tiệm cận toàn cục Stable HA SysML Automate lai Luật điều khiển chiếu tích phân Industrial Hybrid Dynamic Hệ thống động lực lai công System nghiệp IMU Inertial Measurement Unit Thiết bị đo quán tính INS Inertial Navigation Systems Hệ thống dẫn đường quán tính IHDS iv INCOSE IEEE ISO International Council on Hội đồng quốc tế công nghệ Systems Engineering hệ thống Institute of Electrical and Electronics Engineers International Organisation for Standardisation Viện kỹ nghệ Điện Điện tử Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế International IEC Uỷ ban Kỹ thuật Điện Quốc tế Electrotechnical Commission LQG linear-quadratic-Gaussian LOS Light of Sight Real-time Embedded MDS MES MIMO Model Based System Công nghệ hệ thống hướng mô Engineering hình Measurement and Display System Hệ thống hiển thị đo lường Marine Environmental Hệ thống tác nhân tác động bên System môi trường hàng hải Multi Input-Multi Output NCS NED Mô hình hóa phân tích hệ thống nhúng thời gian thực Systems MBSE phương tuyến tính Gauss Thuật toán dẫn đường trực thị Modeling and Analysis of MARTE Thuật toán điều khiển toàn Hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu Nghiên cứu sinh Hệ tọa độ gắn với trái đất North-East-Down v NIST National Institute of Viện tiêu chuẩn kỹ thuật Hoa Standards and Technology Kỳ Tổ chức quản lý phát triển OMG Object Management Group OOT Objected Orient Technology Công nghệ hướng đối tượng The Object-Oriented OOSEM Phương pháp hệ thống công Systems Engineering nghệ hướng đối tượng Method OPM PID PLC RUP-SE SISO Object Process Phương pháp qui trình–đối tượng Methodology Proportional – Integral – Bộ điều chỉnh tỷ lệ-tích phân-vi Derivative Regulator phân Programmable Logic Thiết bị điều khiển lập trình Controller The Rational Unified Quy trình hợp RUP Process-System Engineering IBM Single Input-Single Output Service oriented SoaML hướng đối tượng Điều khiển vào Ngôn ngữ mô hình hóa kiến trúc architecture Modeling hướng dịch vụ Language SE System Engineering Công nghệ hệ thống SMC Sliding Mode Control Điều khiển trượt UAV Unmanned Aerial Vehicle Thiết bị bay không người lái WP Way-Point Điểm đường (điểm lộ trình) vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Một số phương pháp luận MBSE 19 Bảng 1.2 Thông số kỹ thuật thiết bị tự hành AUV/ASV 23 Bảng 2.1 Các ký hiệu SNAME cho AUV/ASV 24 Bảng 2.2 Khả mô hình hóa mô hệ thống công nghiệp với Modelica [27] 45 Bảng 3.1 Nguyên tắc tùy biến tái sử dụng khối điều khiển 64 Bảng 4.1.Thông số tọa độ điểm đặt WP ứng với dạng quỹ đạo cho trước 85 Bảng 4.2 Tổng hợp liệu liên quan đến tính ăn lái tàu 87 Bảng A.1 Các thông số thủy động lực học thiết bị AUV/ASV vận tốc di chuyển 0,5m/s [3] 99 Bảng A.2 Các tiêu so sánh 101 Bảng A.3 Trường hợp AUV/ASV bám quỹ đạo chữ nhật, vận tốc 0,5m/s 106 Bảng A.4 Trường hợp AUV/ASV bám quỹ đạo hình tam giác, vận tốc 0,5m/s 107 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1.Mẫu AUV hoàn chỉnh quân đội Hoa Kỳ sử dụng, phát triển Đại học Washington năm 1957 [28] 6 Hình 1.2.Tàu AutosubAUV 6000 Anh, dài 5,5m, nặng 1800 kg, phục vụ mục đích nghiên cứu đáy đại dương, khả lặn 6000m với hệ thống tránh va chạm đại [82] 7 Hình 1.3.Một số AUV/ASV tiêu biểu phục vụ lĩnh vực hải quân 8 Hình 1.4.Một số tàu ngầm có người lái tự chế tạo Việt Nam 9 Hình 1.5.Sơ đồ hệ thống dẫn đường, định vị điều khiển [25] 10 Hình 1.6 Sơ đồ khối mô tả hệ thống động lực lai công nghiệp điển hình 11 Hình 1.7 Một ví dụ tiếp cận MBSE thiết kế hệ thống [65] 17 Hình 1.8 Các thành phần công nghệ hệ thống theo mô hình 17 Hình 2.1 Các hệ tọa độ thiết bị nước 25 Hình 2.2 Phổ sóng với đỉnh 27 Hình 2.3 Phổ sóng 28 Hình 2.4 Thuật toán LOS [46] 30 Hình 2.5 Mô hình giải thuật IB cho điều khiển AUV/ASV 34 Hình 2.6 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển AUV/ASV 35 Hình 2.7 Thuật toán dự đoán/hiệu chỉnh EKF 38 Hình 2.8 Kết mô với OpenModelica trường hợp sử dụng luật điều khiển PID tuyến tính 40 Hình 2.9 Kết mô với OpenModelica trường hợp sử dụng điều khiển IB kết hợp EKF 40 Hình 2.10 Kiến trúc qui trình phát triển tàu tự hành AUV/ASV 43 Hình 2.11 Tổng quan sơ đồ SysML liên quan với UML 44 Hình 2.12 Ví dụ mô hình phân tích với SysML4Modelica 47 Hình 2.13 Mã chương trình mô tự động sinh với công cụ OpenModelica 47 Hình 3.1 Sơ đồ khối chức thực thi hệ thống điều khiển AUV/ASV 50 Hình 3.2 Các khối cấu trúc điều khiển tổng quát AUV/ASV 51 viii Hình 3.3 Mô hình hóa yêu cầu tổng quát hệ thống 53 Hình 3.4 Mô hình hóa trường hợp sử dụng hệ thống 54 Hình 3.5 Kịch điều khiển bám theo quỹ đạo mong muốn 55 Hình 3.6 Máy trạng thái cục trường hợp sử dụng “Lái” 55 Hình 3.7 Máy trạng thái toàn cục AUV/ASV 56 Hình 3.8 Ví dụ sơ đồ chức thực thi mở rộng 57 Hình 3.9 Mẫu kết nối truyền đạt khối điều khiển AUV/ASV 61 Hình 3.10 Sơ đồ tiến trình thời gian thực khối điều khiển nhằm thực thi HAUV/ASV cho AUV/ASV 63 Hình 3.11 Mô hình chuyển đổi tổng quát 67 Hình 3.12 Chuyển đổi mô hình thiết kế mô hình mô thực thi cho hệ thống điều khiển AUV/ASV 68 Hình 3.13 Mô hình chuyển đổi SysML-Modelica khối điều khiển Mô tơ-PI 70 Hình 3.14 Kêt mô khả ổn định hướng AUV/ASV với thông số đầu vào v=1,0m/s, hướng đặt 0100, bán kính rẽ 2,5m 70 Hình 3.15 Kêt mô khả ổn định hướng AUV/ASV với thông số đầu vào v=0,5m/s, hướng đặt 0200, bán kính rẽ 2,5m 71 Hình 3.16 Kêt mô khả ổn định hướng AUV/ASV với thông số đầu vào v=1,0 m/s, hướng đặt 0200, bán kính rẽ 3,0m 71 Hình 3.17 Kêt mô khả ổn định hướng AUV/ASV với thông số đầu vào v=0,5m/s, hướng đặt 0300, bán kính rẽ 3,0m 71 Hình 3.18 Kêt mô khả ổn định hướng AUV/ASV với thông số đầu vào v=1,0 m/s, hướng đặt 0300, bán kính rẽ 3,5m 72 Các kết mô cho thấy khả ổn định hướng AUV/ASV đạt yêu cầu phạm vi cho phép, kết so sánh với kết thử nghiệm đề cập chương 72 Hình 3.19 Sơ đồ thực thi hướng đối tượng HAUV/ASV cho thiết bị AUV/ASV 73 ix DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN [1] Nguyễn Hoài Nam, Ngô Văn Hiền, Vũ Duy Quang (2012) Tích hợp ngôn ngữ mô hình hóa hệ thống SysML/Modelica để thực thi hệ thống động lực công nghiệp Hội nghị Cơ học Thủy khí Toàn quốc, Nha Trang, Việt Nam, 2012, ISSN: 1859-4182, Tr 636-645 [2] 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 Toàn quốc, Đồng hới, Quảng Bình, Việt Nam, ISSN: 1859-4182, Tr 433-440 [3] Khương Minh Tuấn, Nguyễn Hoài Nam, Ngô Văn Hiền, Vũ Duy Quang (2013) Mô hình phân tích mô 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 Toàn quốc, Đồng hới, Quảng Bình, Việt Nam, ISSN: 1859-4182, Tr 636-645 [4] Nam N H., Hien N V., Quang V D (2013) Using SysML-Modelica Transformation to Implement the Ship Motion’s Controller Proc of ACFM14, ISBN: 978-604-913-146-2, pp 841-845, Hanoi, Vietnam [5] Nguyễn Hoài Nam, Ngô 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 Toàn quốc năm 2014, Phan Rang, tỉnh Ninh Thuận, Việt Nam, ISSN: 1859-4182, Tr 388-396 [6] Khương Minh Tuấn, Nguyễn Hoài Nam, Ngô 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 Toàn quốc năm 2014, Phan Rang, tỉnh Ninh Thuận, Việt Nam, ISSN: 1859-4182, Tr 62897 635 [7] N H Nam, K M Tuan, N V Hien, H S Truong (2014) An objectoriented 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 [8] Dong N., Nam N H., Tuan K M., Hien N V (2014) A Novel Approach to Model and Implement Planar Trajectory-Tracking Controllers for ASVs/AUVs Journal of Advanced materials research, ISSN: 1022-6680, (Included in Scopus/SCImago, SJR=0.115), Vol 1016 Trans Tech Publications, Switzerland, pp 686-693 [9] Nam N H, Tuan K M, Hien N V (2014) An Object-Oriented Simulation Model to Planar Trajectory-Tracking Controllers for AUVs/ASVs by specifying Modelica Language Proc of RCMME 2014, ISBN: 978-604-911942-2, pp 392-396, Hanoi, Vietnam [10] K.M Tuấn, N Đông, N.H Nam, P.G Điềm, N.V Hiền (2014) Qui 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 Cơ khí Việt Nam, ISSN: 0866-7056, Tr 150-157 [11] Nguyen Hoai Nam, Ngo Van Hien (2015) A UML/SysML-Based for Implementing Controllers of AUVs/ASVs Tạp chí khoa học công nghệ trường đại học kỹ thuật, ISSN 2354-1083, Tr 69-74 98 PHỤ LỤC Phụ lục Các thông số thủy động lực học Bảng A.1 Các thông số thủy động lực học thiết bị AUV/ASV vận tốc di chuyển 0,5m/s [3] Thông số Giá trị Đơn vị Mô tả M Ixx Iyy=Izz L R Xuu Xu˙ Xuw Xuv Xvv Xvr Xww Xwq Xrr 11.20 0.057 1.271 1.50 0.10 -4.12e+0 +4.25e-1 +3.07e+1 +3.06e-2 -5.28e+1 +2.82e+1 -5.28e+1 -2.89e+1 +1.68e+0 kg kg.m2 kg.m2 m m kg/m kg kg/m kg/m kg/m kg/rad kg/m kg/rad kg/rad Khối lượng Mô men quán tính theo x Mô men quán tính theo y z Chiều dài Bánh kính Lực cản vận tốc u Khối lượng gia tăng gia tốc u˙ Lực cản vận tốc u w Lực cản vận tốc u v Lực cản vận tốc v Khối lượng gia tăng ảnh hưởng chéo Lực cản vận tốc w Khối lượng gia tăng ảnh hưởng chéo Khối lượng gia tăng ảnh hưởng chéo Yuuδr Yuv +1.21e+1 -5.23e+1 kg/(m.rad) kg/rad Lực nâng xoay cánh lái Khối lượng gia tăng ảnh hưởng chéo kg/rad lực nâng lực cản xoay cánh lái Khối lượng gia tăng ảnh hưởng chéo Yur +5.88e+0 Yvv Yv˙ Ywp Ypq +3.37e+0 -2.67e+1 +2.56e+1 -1.78e+0 kg/m kg kg/rad kg/rad lực nâng xoay cánh lái Lực cản vận tốc v Khối lượng gia tăng gia tốc v˙ Khối lượng gia tăng ảnh hưởng chéo Khối lượng gia tăng ảnh hưởng chéo Yr˙ Zuuδs Zuw -1.78e+0 -1.21e+1 -5.96e+1 kg kg/(m.rad) kg/rad Khối lượng gia tăng gia tốc r˙ Lực nâng xoay cánh lái Khối lượng gia tăng ảnh hưởng chéo Zuq -5.89e+0 kg/rad lực nâng lực cản xoay cánh lái Khối lượng gia tăng ảnh hưởng chéo Zvp -2.56e+1 kg/rad lực nâng xoay cánh lái Khối lượng gia tăng ảnh hưởng chéo Zww +3.26e+1 kg/m Lực cản vận tốc w 99 Zw˙ Zq˙ Zrp Kp˙ Kuuδr Kuuδs Muuδs Muw Muq -2.34e+1 +1.78e+0 -1.78+0 -4.23e-2 +4.43e+0 +4.43e+0 -6.35e+0 +2.45e+1 -4.93e+0 kg kg kg/rad kg.m2 /rad2 kg/rad kg/rad kg/rad kg kg.m/rad Khối lượng gia tăng gia tốc w˙ Khối lượng gia tăng gia tốc q˙ Khối lượng gia tăng ảnh hưởng chéo Khối lượng gia tăng p˙ Mô men xoay cánh lái Mô men xoay cánh lái Mô men nâng cánh lái Mô men thân cánh lái Khối lượng gia tăng ảnh hưởng chéo lực nâng cánh lái Mvp Mw˙ Mq˙ Mrp Nuuδr Nuv Nur +1.67e+0 kg.m/rad Khối lượng gia tăng ảnh hưởng chéo +1.67e+0 -4.33e+0 +4.33e+0 -6.11e+0 -2.44e+1 -4.90e+0 2 kg.m /rad kg.m/rad kg.m2 /rad2 kg/rad kg kg.m/rad Nv˙ Nwp Npq -1.78e+0 +1.78e+0 -4.35e+0 2 kg.m /rad kg.m /rad kg.m2 /rad2 lực nâng cánh lái Khối lượng gia tăng Khối lượng gia tăng ảnh hưởng chéo Khối lượng gia tăng ảnh hưởng chéo Nr˙ -4.27e+0 kg.m /rad Khối lượng gia tăng 100 Khối lượng gia tăng Khối lượng gia tăng Khối lượng gia tăng ảnh hưởng chéo Mô men nâng cánh lái Mô men thân cánh lái Khối lượng gia tăng ảnh hưởng chéo Phụ lục Cấu trúc hệ thống tham khảo Bảng A.2 Các tiêu so sánh Chỉ tiêu Hệ thống Hệ thống tham khảo phát triển luận án [3] Phần cứng Tương tự thiết bị Luật điều Hệ thống xác định hệ Hệ thống hệ tuyến tính khiển phi tuyến MIMO, sử dụng luật điều đơn giản, sử dụng luật khiển IB kết hợp EKF HA điều khiển PID tuyến tính Ảnh hưởng Đưa vào nhiễu tác động môi Không xét tới nhiễu nhiễu trường (sóng nước) để đánh giá ảnh hưởng tới hiệu hệ thống Phương OOSEM, Sử dụng công nghệ Sử dụng công nghệ hướng pháp luận hướng đối tượng hướng theo mô đối tượng với quy trình hình (MBSE) phù hợp với hệ thống - Ngôn ngữ: Sử dụng ngôn ngữ nhỏ mô hình hóa hệ thống SysML kết - Ngôn ngữ: UML hợp với ngôn ngữ mô - Môi trường phát triển: IBM RoseRealtime Modelica - Môi trường phát triển: IBM Rational Rapshody OpenModelica 101 Phụ lục Mã chương trình hệ thống điều khiển Mã thực thi HAAUV/ASV hệ thống điều khiển AUV/ASV /********************************************************************* Component : DefaultComponent Configuration : DefaultConfig Model Element : HA_Q_AUV_ASV File Path : DefaultComponent\DefaultConfig\HA_Q_AUV_ASV.h *********************************************************************/ #ifndef HA_Q_AUV_ASV_H #define HA_Q_AUV_ASV_H #include #include //## link itsState class State; //## package Default //## class HA_Q_AUV_ASV class HA_Q_AUV_ASV { //// Constructors and destructors //// public : HA_Q_AUV_ASV(); ~HA_Q_AUV_ASV(); //## operation request() void request(); //// Additional operations //// OMIterator getItsState() const; void addItsState(State* p_State); void removeItsState(State* p_State); void clearItsState(); protected : void cleanUpRelations(); OMCollection itsState; //## link itsState public : void _addItsState(State* p_State); void _removeItsState(State* p_State); void _clearItsState(); }; #endif /********************************************************************* File Path : DefaultComponent\DefaultConfig\HA_Q_AUV_ASV.h *********************************************************************/ /******************************************************************** Component : DefaultComponent Configuration : DefaultConfig 102 Model Element : HA_Q_AUV_ASV File Path : DefaultComponent\DefaultConfig\HA_Q_AUV_ASV.cpp *********************************************************************/ #include "HA_Q_AUV_ASV.h" //## link itsState #include "State.h" //## package Default //## class HA_Q_AUV_ASV HA_Q_AUV_ASV::HA_Q_AUV_ASV() { } HA_Q_AUV_ASV::~HA_Q_AUV_ASV() { cleanUpRelations(); } void HA_Q_AUV_ASV::request() { //#[ operation request() //#] } OMIterator HA_Q_AUV_ASV::getItsState() const { OMIterator iter(itsState); return iter; } void HA_Q_AUV_ASV::addItsState(State* p_State) { if(p_State != NULL) { p_State‐>_setItsHA_Q_AUV_ASV(this); } _addItsState(p_State); } void HA_Q_AUV_ASV::removeItsState(State* p_State) { if(p_State != NULL) { p_State‐> setItsHA_Q_AUV_ASV(NULL); } _removeItsState(p_State); } void HA_Q_AUV_ASV::clearItsState() { OMIterator iter(itsState); while (*iter){ (*iter)‐>_clearItsHA_Q_AUV_ASV(); iter++; } _clearItsState(); } void HA_Q_AUV_ASV::cleanUpRelations() { { OMIterator iter(itsState); while (*iter){ HA_Q_AUV_ASV* p_HA_Q_AUV_ASV = (*iter)‐>getItsHA_Q_AUV_ASV(); if(p_HA_Q_AUV_ASV != NULL) { (*iter)‐> setItsHA_Q_AUV_ASV(NULL); } iter++; } 103 itsState.removeAll(); } } void HA_Q_AUV_ASV::_addItsState(State* p_State) { itsState.add(p_State); } void HA_Q_AUV_ASV::_removeItsState(State* p_State) { itsState.remove(p_State); } void HA_Q_AUV_ASV::_clearItsState() { itsState.removeAll(); } /********************************************************************* File Path : DefaultComponent\DefaultConfig\HA_Q_AUV_ASV.cpp *********************************************************************/ Mã thực thi trạng thái dịch chuyển ngang /********************************************************************* Component : DefaultComponent Configuration : DefaultConfig Model Element : Transferring File Path : DefaultComponent\DefaultConfig\Transferring.h *********************************************************************/ #ifndef Transferring_H #define Transferring_H #include //## class Transferring #include "Attitude_Position_Control.h" class HA_Q_AUV_ASV; //## class Transferring class Transferring : public Attitude_Position_Control { //// Constructors and destructors //// public : //## operation Transferring() Transferring(); //## operation ~Transferring() ~Transferring(); //// Operations //// //## operation evolve() void evolve(); //## operation handle() void handle(); //// Additional operations //// int getSituation_ID() const; void setSituation_ID(int p_situation_ID); 104 //// Attributes //// protected : int situation_ID; //## attribute situation_ID }; #endif /********************************************************************* File Path : DefaultComponent\DefaultConfig\Transferring.h *********************************************************************/ /******************************************************************** Component : DefaultComponent Configuration : DefaultConfig Model Element : Transferring File Path : DefaultComponent\DefaultConfig\Transferring.cpp *********************************************************************/ #include "Transferring.h" #include "HA_Q_AUV_ASV.h" //## package Default //## class Transferring Transferring::Transferring() { //#[ operation Transferring() //#] } Transferring::~Transferring() { //#[ operation ~Transferring() //#] } void Transferring::evolve() { //#[ operation evolve() //#] } void Transferring::handle() { //#[ operation handle() //#] } int Transferring::getSituation_ID() const { return situation_ID; } void Transferring::setSituation_ID(int p_situation_ID) { situation_ID = p_situation_ID; } /********************************************************************* File Path : DefaultComponent\DefaultConfig\Transferring.cpp *********************************************************************/ 105 Phụ lục Dữ liệu thử nghiệm bám quỹ đạo AUV/ASV Bảng A.3 Trường hợp AUV/ASV bám quỹ đạo chữ nhật, vận tốc 0,5m/s STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 Vĩ độ 21.003416 21.003425 21.003445 21.003468 21.003474 21.003489 21.003495 21.003503 21.003521 21.003545 21.003561 21.003577 21.003589 21.003597 21.003611 21.003615 21.003581 21.003559 21.003530 21.003518 21.003503 21.003491 21.003472 21.003455 21.003444 21.003430 21.003419 21.003391 21.003371 21.003355 21.003340 21.003328 21.003331 21.003336 21.003341 21.003345 21.003349 21.003353 Kinh độ 105.847090 105.847088 105.847086 105.847085 105.847082 105.847081 105.847079 105.847078 105.847078 105.847079 105.847079 105.847079 105.847080 105.847081 105.847091 105.847082 105.847111 105.847125 105.847139 105.847147 105.847160 105.847185 105.847197 105.847212 105.847221 105.847229 105.847238 105.847267 105.847292 105.847311 105.847325 105.847342 105.847331 105.847312 105.847299 105.84775 105.847255 105.847241 106 Lắc ngang -0,8317 -1,059 -1,393 -0,6448 -0,3991 -0,1393 0,0582 0,2077 -0,4425 -0,5644 0,0688 0,0978 -0,5043 -0,4158 0,2234 0,2807 -0,2181 -0,5326 0,1767 0,0725 -0,715 0,7167 -0,3836 0,1491 0,2521 -0,4499 -1,405 -1,3086 -0,955 -0,6331 -1,5061 0,1805 -0,1807 -0,8601 -1,1103 -0,3339 -0,3565 -0,2423 Lắc dọc -0,377 -0,2214 -0,01 -0,0083 -0,3116 -0,5792 -0,7229 -0,8034 0,2011 -0,6739 -1,9614 -0,6862 -0,0351 -0,8278 -1,2736 -0,7535 -0,1708 -0,4018 -1,005 -0,5098 -1,5255 -0,8929 0,3807 -0,8893 -0,0376 -1,2709 -0,4371 -0,7694 -1,4611 -1,1729 -1,282 -0,3593 0,8792 0,3953 2,4554 7,1749 8,8757 8,4061 Quay trở 59,9389 59,9457 59,99 60,0216 60,0281 60,0262 60,0486 57,0976 60,8726 61,9955 62,1914 62,2064 62,1857 62,1947 62,2057 62,2662 62,2904 62,3031 62,3102 62,277 63,1876 65,8395 63,2359 48,5048 40,4863 43,0247 57,0575 71,4415 73,3144 67,5117 58,3935 52,5962 53,5486 53,8458 53,733 52,7293 50,2151 48,4079 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 21.003355 21.003358 21.003362 21.003368 21.003372 21.003375 21.003379 21.003382 21.003386 21.003389 21.003391 105.847229 105.847216 105.847212 105.847201 105.847188 105.847169 105.847155 105.847143 105.847132 105.847124 105.847110 -0,91 0,3715 -0,067 -0,194 0,1708 -0,7377 -1,7266 -1,0949 0,1522 -0,0947 -1,7586 0,6382 -0,1724 0,4786 0,4545 0,261 1,0714 1,6058 1,4618 1,0062 1,8153 1,6495 43,0472 41,0357 41,0313 41,0551 41,0794 41,0495 41,0451 41,0549 29,5009 353,2562 344,1147 Bảng A.4 Trường hợp AUV/ASV bám quỹ đạo hình tam giác, vận tốc 0,5m/s STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 Vĩ độ 21.003423 21.003431 21.003442 21.003451 21.003462 21.003469 21.003477 21.003485 21.003494 21.003501 21.003509 21.003518 21.003527 21.003538 21.003545 21.003552 21.003558 21.003565 21.003572 21.003575 21.003580 21.003586 21.003592 21.003598 21.003604 21.003609 21.003615 Kinh độ 105.847084 105.847076 105.847069 105.847061 105.847052 105.847043 105.847036 105.847008 105.847000 105.846993 105.846985 105.846977 105.846973 105.846988 105.846971 105.846982 105.846989 105.846998 105.847007 105.847020 105.847031 105.847038 105.847046 105.847055 105.847062 105.847069 105.847075 107 Lắc ngang -1,5316 0,4301 -0,4426 -1,6105 -0,7939 -1,687 -0,5817 -6,3336 -3,722 -2,9031 -0,8451 0,1572 -2,648 0,1596 -1,2254 0,1322 -0,1954 -1,4116 -1,2691 0,2403 1,2407 3,4662 2,4153 3,5575 1,7765 1,0526 -0,7935 Lắc dọc 1,1793 3,1546 1,3585 -0,7367 -0,6475 -1,4686 -1,0473 0,3738 2,5823 4,1136 3,3284 1,8198 -0,7348 -0,0381 -0,9478 -2,0951 -1,2335 -0,1259 -0,3408 -1,3525 -0,7763 -0,9967 0,2066 3,5609 3,0727 2,792 4,0893 Quay trở 343,2027 335,5644 332,2164 333,1022 339,0409 353,781 23,3584 54,7523 100,1594 142,5597 146,9349 147,5139 148,4791 146,4837 144,2569 143,017 143,1114 147,3438 146,302 143,7442 144,4493 136,996 112,4684 76,9262 48,9041 1,0632 339,8322 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 21.003619 21.003623 21.003621 21.003599 21.003578 21.003554 21.003539 21.003508 21.003485 21.003457 21.003444 21.003427 21.003428 21.003408 21.003391 21.003369 21.003344 21.003331 21.003315 21.003302 21.003291 21.003282 21.003273 21.003265 21.003277 21.003291 21.003303 21.003315 21.003326 21.003335 21.003344 21.003356 21.003365 21.003374 21.003387 21.003396 105.847083 105.847091 105.847105 105.847121 105.847134 105.847151 105.847163 105.847184 105.847205 105.847223 105.847246 105.847265 105.847281 105.847296 105.847312 105.847327 105.847341 105.847324 105.847309 105.847292 105.847281 105.847269 105.847252 105.847242 105.847231 105.847222 105.847209 105.847199 105.847186 105.847175 105.847167 105.847156 105.847148 105.847135 105.847128 105.847121 108 -1,2029 -1,101 -0,7482 -0,9841 -0,0546 -1,9799 -3,7988 -3,0802 -1,8483 -0,2677 -0,8027 -0,4425 0,1685 0,1445 -0,3692 -1,4661 -2,6062 -0,8742 0,0854 -1,6402 0,4552 0,0137 -0,5191 -0,2573 0,4848 0,1277 0,1805 -1,0373 -0,7872 -0,4677 0,1564 -0,3893 -0,9412 -0,2809 0,193 0,0077 1,6266 0,2395 -1,1525 -2,6285 -1,5627 -0,3945 0,9478 1,0804 5,0916 6,6406 6,7455 6,767 6,992 7,4728 7,0645 6,6632 1,6514 2,3979 0,6633 1,0641 -1,1909 0,7563 -1,3521 -0,992 -1,377 -0,5277 -0,0965 -0,7382 -0,6828 -1,3238 -1,3315 -1,505 0,4998 -1,1587 -0,8885 -1,186 344,9801 350,5232 349,5251 343,8565 340,4206 358,3741 40,1018 63,9087 57,9108 49,1792 50,0102 53,2399 53,2533 53,2362 53,1127 52,5968 54,4844 52,8572 54,2279 59,6392 62,2074 60,6958 60,0368 59,7282 59,719 59,7007 59,6971 59,7216 59,7406 59,7466 59,7653 59,8072 59,8074 59,841 59,831 59,8375 Phụ lục Một số hình ảnh cấu hình thử nghiệm thiết bị Hình A.1 Tích hợp phần cứng cho AUV/ASV phòng thử nghiệm Hình A.2 Phần cứng sẵn sàng lắp đặt lên mô hình 109 Hình A.3 Một số thử nghiệm đảm bảo kín nước trước đưa vào bể thử Hình A.4 Hiệu chỉnh phần mềm, thiết lập quỹ đạo thử nghiệm cho mô hình 110 (a) (b) (c ) (d) (f) ( e) Hình A.5 Thiết bị AUV/ASV quay vòng trường chạy thử nghiệm bám quỹ đạo chữ nhật (a-f) 111 ... 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. .. 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 tự hành AUV/ASV với SysML/Modelica Automate lai.. . sử dụng kết hợp luật điều khiển khác làm cho điều khiển thiết bị tự hành tận dụng điểm mạnh luật điều khiển, giảm bớt điểm hạn chế chúng 1.2.4 Bộ điều khiển tích phân chiếu Trong nghiên cứu này,