Sử dụng bộ điều khiển PLC và phần mềm unity 3D trong thiết kế hệ thống mô phỏng radar hàng hải

Bài viết này trình bày giải pháp sử dụng bộ điều khiển PLC và phần mềm Unity 3D trong thiết kế hệ thống mô phỏng radar hàng hải trong đó, quá trình truyền và nhận dữ liệu giữa phần cứng và phần mềm cũng được tích hợp trong hệ thống mô phỏng như tọa độ, tốc độ, hướng của tàu chủ và tàu mục tiêu.

TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC VÀ PHẦN MỀM UNITY 3D TRONG THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÔ PHỎNG RADAR HÀNG HẢI USING PLC CONTROLLER AND UNITY 3D SOFTWARE IN DESIGNING MARITIME RADAR SIMULATION SYSTEM NGUYỄN THANH VÂN*, ĐINH ANH TUẤN, NGUYỄN VĂN HÙNG Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam *Email liên hệ: vanntb.ddt@vimaru.edu.vn Tóm tắt Bài báo trình bày giải pháp sử dụng điều khiển PLC phần mềm Unity 3D thiết kế hệ thống mô radar hàng hải đó, q trình truyền nhận liệu phần cứng phần mềm tích hợp hệ thống mô tọa độ, tốc độ, hướng tàu chủ tàu mục tiêu Ngoài ra, phát triển ứng dụng liệu biển Việt Nam xây dựng kịch huấn luyện Hệ thống tổ hợp thiết bị để huấn luyện đào tạo an toàn thuyền viên biển Nó khơng giúp học viên thao tác thiết bị trực quan, sinh động với tình huấn luyện quen thuộc mà trang bị cho học viên kỹ cần thiết trước thao tác, vận hành thiết bị thực tế, nâng cao hiệu huấn luyện hàng hải Việt Nam Từ khóa: Hệ thống mô radar hàng hải, phần mềm mô radar, hình radar Abstract This article presents a solution using the PLC controller and Unity 3D software in designing Radar simulation system Besides, the process of transmitting and receiving data between hardware and software is also integrated into the simulation system such as the coordinate, speed and heading of ownership and target ship Additionally, developing and creating specificity for the system when building training scenarios using data of Vietnam’s Sea This system is a device for effective education concerning safety in ship navigation It will help not only students manipulate visual equipment, vividly with familiar training situations, but also equipping the trainees with necessary skills before manipulating and operating on real equipment, improving the efficiency of maritime training in Vietnam Keywords: Marine Radar simulation system, radar simulator software, radar screens 72 Đặt vấn đề Trên giới có số cơng trình nghiên cứu hệ thống mô radar hàng hải, thiết kế, chế tạo thành cơng hệ thống, điển hình số hãng Transas [1], Furuno [2] Với công nghệ mô tiên tiến, máy chủ bị cố tồn hệ thống khơng hoạt động được, quan trọng kinh phí bảo dưỡng, bảo trì lớn phụ thuộc hồn tồn vào cơng nghệ nước ngồi Ở nước, cơng trình nghiên cứu hệ thống cịn hạn chế, có báo nghiên cứu xây dựng phần mềm mô radar [3], tác giả trình bày cách xây dựng phần mềm mô radar dựa Visual Studio với giao diện đơn giản, chưa sát với hình ảnh radar thực tế Do đó, người vận hành khó nắm bắt hết thơng số quy trình thực hành dẫn đến khó khăn vận hành với radar thực Tuy phương pháp xây dựng hệ thống mơ radar nói có ưu nhược điểm riêng độ xác giống với radar thật chưa đạt yêu cầu huấn luyện [3] Có trường hợp xác đạt đến 90% xét mặt kinh tế kỹ thuật không tối ưu [1], [2] Trong báo này, nhóm tác giả đề xuất xây dựng công nghệ mô hệ thống radar dựa phần mềm Unity 3D điều khiển PLC với cấu trúc truyền nhận liệu sau hiển thị hình radar để đáp ứng yêu cầu công tác đào tạo huấn luyện Việt Nam khả áp dụng thực tế Nội dung báo xếp theo thứ tự sau: Mục xây dựng cấu trúc cho hệ thống mô radar Mục đề xuất thuật toán truyền nhận liệu máy tính chủ máy tính radar Mục thực mô hoạt động hệ thống radar phần cuối kết luận Xây dựng cấu trúc cho hệ thống mô radar “Radar” viết tắt “Radio Dectection And Ranging” hệ thống xác định vị trí mục tiêu việc đo cự ly phương vị nhờ ngun lý sóng phản SỐ 66 (4-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY xạ Radar hoạt động tần số vơ tuyến siêu cao có bước sóng siêu ngắn, dạng xung phát theo tần số lặp xung định [4] Hệ thống mô radar tổ hợp hệ thống phần cứng phần mềm để mơ lại ngun lí hoạt động thao tác vận hành thiết bị radar thực Trên Hình cấu trúc chung hệ thống mô radar hàng hải nhóm tác giả xây dựng: Máy chủ (Workstation) Gửi liệu Nhận liệu Thiết bị mạng (Ethernet Switch) Nhận liệu Máy tính radar (RADAR computer) tốn cụ thể mà sử dụng giao thức khác Trong nghiên cứu nhóm tác giả sử dụng giao thức UDP (User Datagram Protocol) Đây giao thức cốt lõi IP/Ethernet Khi sử dụng giao thức UDP giúp chương trình máy tính gửi liệu ngắn gọi datagram tới máy khác Đây giao thức có tốc độ truyền nhanh truyền gói liệu liên tục 3.1 Thuật toán truyền liệu từ máy chủ đến máy tính radar Thuật tốn xây dựng quy trình truyền liệu trình bày Hình Gửi nhận liệu Bộ điều khiển khả trình PLC (PLC controller) Hình Cấu trúc hệ thống mô Khối 1: Máy chủ mô (Workstation) máy tính có chức mơ 3D hệ thống hàng hải tàu chủ, tàu mục tiêu, thời tiết xây dựng địa hình, địa vật tùy vào khu vực cảng định Ở khối này, liệu tàu chủ tàu mục tiêu thiết lập cho giống với thực tế Khối 2: Thiết bị mạng (Ethernet Switch) khối có chức tạo đường dẫn thơng tin máy tính với giúp cho chúng giao tiếp gửi nhận liệu Khối 3: Máy tính mơ Radar hàng hải (Radar Computer) máy tính có chức nhận liệu từ máy chủ gửi sang sau giải mã liệu Tiếp theo, liệu tính tốn, xử lí phù hợp để hiển thị lên hình Ngồi ra, liệu máy tính mơ radar mã hóa gửi sang máy tính hải đồ điện tử (ECDIS) để hiển thị thông số nhận dạng tự động (AIS) tàu chủ tàu mục tiêu Khối 4: Bộ điều khiển khả trình PLC, thực nhận xử lý liệu từ thiết bị khác chuyển tới vô lăng, tay trang điều khiển, la bàn,… sau gửi sang máy tính chủ thơng qua mạng ethernet Đồng thời nhận liệu từ máy chủ để hiển thị lên hình bàn điều khiển Xây dựng thuật toán truyền nhận liệu hệ thống mô radar Hiện nay, có nhiều giao thức truyền liệu TCP/IP, UDP, HTTP, FTP, mà đó, giao thức có ưu nhược điểm định Tùy vào SỐ 66 (4-2021) Hình Thuật tốn truyền liệu máy chủ Trước tiên, nhóm tác giả xây dựng giao diện mơ hàng hải máy tính chủ dựa phần mềm Unity 3D với ngôn ngữ lập trình C# Các thơng số gửi cho radar kể đến tọa độ, tốc độ, hướng, tàu chủ tàu mục tiêu Bước 1: Thực thiết lập địa IP tĩnh cho máy chủ: 192.168.0.140, cổng port: 8001 IP máy radar: 192.168.0.150, cổng port: 8999 Sau tiến hành khởi tạo giao thức tạo socket UDP, đếm thời gian tạo vòng quét 500ms để gửi liệu Bước 2: Kiểm tra điều kiện địa socket UDP thông báo lỗi xảy cố Bước 3: Mỗi loại thông số tọa độ, tốc độ, hướng tàu có định dạng khác nhau, liệu chuyển dạng format RADAR trước gửi Cấu trúc quy đổi liệu dạng byte sử dụng hàm 73 TẠP CHÍ KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ Buffer.BlockCopy cấu trúc lệnh: Buffer.BlockCopy(info, 0, message, 0, 86); Buffer.BlockCopy(newfloat[]{ boatEngine.Speed _Log},0,speed,0,4); Buffer.BlockCopy(dataSource.Speed_target_p,0, speed, 4, * 31); Bước 4: Sau quy đổi liệu xong máy chủ gửi liệu đến địa IP máy radar thông qua lệnh send Cuối kết thúc thuật toán quay lại vịng lặp ban đầu 3.2 Thuật tốn nhận liệu máy tính radar từ máy chủ Hình trình bày thuật tốn nhận liệu máy tính radar từ máy tính chủ, sau máy chủ gửi gói liệu nhiệm vụ máy radar nhận gói liệu xử lý để hiển thị hình Máy chủ gửi liệu sang với kiểu liệu dạng byte quy định theo dạng RADAR Do đó, tất liệu nhận chuyển sang dạng RADAR có kiểu định dạng int, float, ushort ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Bước 2: Máy tính radar tiến hành nhận liệu Dữ liệu lúc quy định theo dạng format RADAR1 cần kiểm tra theo định dạng gửi Bước 3: Sau kiểm tra tiến hành chuyển liệu nhận sang dạng format RADAR để tiến hành thực tính tốn Bước 4: Đây bước xử lý thông số gửi để tính tốn hiển thị hình Radar Chương trình thực để tính tốn sau đưa mức độ cảnh báo va chạm Cuối kết thúc thuật toán bắt đầu vịng lặp 3.3 Tính tốn thơng số để hiển thị đưa cảnh báo Để mô radar hàng hải sát với thực tế thơng số tính tốn xử lý phần mềm mơ Unity 3D Trong mục trình bày hai phương pháp để quy đổi hướng khoảng cách tàu mục tiêu, tính tốn thơng số khoảng cách gần xảy va chạm (CPA), thời gian ngắn để dẫn đến va chạm (TCPA) a Tính tốn khoảng cách hướng tàu mục tiêu so với tàu chủ Hình biểu diễn tọa độ tàu chủ tàu mục tiêu mặt phẳng Oxy [5] sau quy đổi Tọa độ tàu chủ có vị trí hình lấy trùng với tâm hình với tọa độO(x 1, y1 ) Trong đó: 𝑥1 = 𝑋𝑠𝑐𝑟𝑒𝑒𝑛 𝑌𝑠𝑐𝑟𝑒𝑒𝑛 , 𝑦1 = 2 (1) Y y2' O' A (x2', y2') x2' X Hình Tọa độ tàu mục tiêu mặt phẳng Hình Thuật tốn nhận liệu máy tính radar Bước 1: Máy radar thiết lập địa IP Sau khởi tạo socket UDP Tiếp theo kiểm tra điều kiện địa IP 74 Sử dụng phương pháp bắn tia từ hình vào terrain (địa hình) để chuyển tọa độ từ khơng gian tàu mục tiêu A' (x , y2 , z ) sang tọa độ mặt SỐ 66 (4-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY VR  (XVT  XVo ,YVT YVo , ZVT  ZVo ) phẳng nhờ Unity có A(x 2' , y2' ) : //Vector3screenPos=Cam.WorldToScreenPoint(R_Sh ips[currentClickTarget].transform.position);// Sau tính vector khoảng cách: OA  (x 2'  x 1, y2'  y1 ) (2) Tiếp theo tính độ lớn vector khoảng cách: OA  (x 2'  x1 )2  (y2'  y1 )2 Ứng với thang đo i khác có hệ số K i tương ứng Di  OA K i (4) RG Trong đó: K i : Là hệ số quy đổi từ thang đo hải lý sang mét; R: Bán kính đường tròn hiển thị thang đo; G: Hệ số quy đổi ngược lại sang hải lý; Gọi góc vector khoảng cách hướng tàu chủ  : x1 (5) y1 VR Vo VT TARGET A' D O' Hình Khoảng cách, vận tốc tàu chủ tàu mục tiêu Hình thể hướng vector vận tốc tương đối khoảng cách tàu với Vector vận tốc tương đối tàu chủ VO  (XV 0,YV 0, ZV ) vector vận tốc tương đối tàu mục tiêu VT  (XVT ,YVT , ZVT ) không gian [5] Tiếp theo, tính tốn vector vận tốc tương đối dựa vào tàu chủ tàu mục tiêu Gọi VR vector vận tốc tương đối [6]: SỐ 66 (4-2021) (7) Tính tốn góc vector khoảng cách vector tốc độ tương đối sau quy đổi từ độ sang radian VR  D 180 (8) Trong đó: D: khoảng cách tàu chủ tàu mục tiêu tính D  A 'O ' Sau tính CPA khoảng cách gần hai tàu va chạm: X  D sin  (MN) 1852 (9)  D  cos    1852  (đơn vị phút) t  VR 60 (10) Cuối đặt giá trị CPA  CPALIMIT , TCPA  TCPALIMIT hai thơng số CPALIMIT ,TCPALIMIT người vận hành tùy chỉnh Thực hiển thị cảnh báo thơng qua đoạn lệnh chương trình con: b Tính tốn thơng số CPA, TCPA X A 'O '  (x  xo , y2  yo , z  zo ) Tính tốn TCPA thời gian ngắn để hai tàu va chạm: Di : Hệ số khoảng cách; tan   Vector A 'O ' vector khoảng cách tàu chủ tàu mục tiêu không gian cos   (3) (6) If(( CPA  )&&( CPA  CPALIMIT )&& (TCPA  TCPALIMIT )) { // thực chương trình cảnh báo hiển thị// } Mô hoạt động hệ thống mô radar hàng hải Để mô hoạt động hệ thống, trước hết, thực truyền nhận liệu máy tính Máy tính chủ giao tiếp với PLC để nhận liệu thơng qua phần mềm Unity 3D Tồn liệu hướng, tốc độ tàu chủ lấy từ phần cứng Tọa độ tàu chủ điểm có vị trí gần đảo Bạch Long Vĩ vùng biển Hải Phịng Điểm có vĩ độ 20007’220”N kinh độ 107057’754’’E Tọa độ tàu chủ vị trí chọn thể Bảng 75 TẠP CHÍ KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Bảng Bảng hiển thị thông số tàu chủ LAT LON HDG VN_TT400 107057.7441’ 2000.7223’ 550 ROT COG SOG VHW DPT 550 0,45 0,40 ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI N E DEG -.0 /MIN lập hai thông số khoảng cách xảy va chạm nhỏ (CPAlimit) thời gian ngắn để dẫn đến va chạm (TCPAlimit) Khi có cảnh báo radar thông báo cho người vận hành biết để phòng ngừa đâm va Khi tàu mục tiêu vi phạm điều kiện cảnh báo, thông số cảnh cáo, tên tàu mục tiêu lưu lại hiển thị hộp báo động Người vận hành quan sát đưa giải pháp phù hợp để xử lý tình Hình KN KN Tiếp theo thử nghiệm chức đo khoảng cách (RNG) góc (BRG) tàu mục tiêu so với tàu chủ biểu diễn Hình thống kê Bảng Bảng Bảng thông số tàu mục tiêu NAME ID AIS RNG BRG CPA TCPA HDG COG SOG LAT LON TARGET READOUT LCONT CARGO 15 01 AIS AIS 0,0717 0,1075 199,6 137,02 0,1540176 0,17483 1,450326 2,462938 50,10 50,40 400 60,50 5,654 3,876 0 20 0.0490’ 19 59.8630’ 107059.5684’ 107059.9302’ Hình Hiển thị cảnh báo CPA TCPA NM DEG NM MIN DEG DEG KN N E Mọi thông số vĩ độ, kinh độ, hướng tàu thực, khoảng cách tàu mục tiêu LARGE CONTAINER, CARGO Cùng thời gian cho phép hiển thị thơng tin hai tàu mục tiêu Trong Hình 7, hai thông số ban đầu để thiết lập cho CPALIMIT,TCPALIMIT 4.6984MN thơng số 5.1844MIN Sau tính tốn từ radar tàu mục tiêu tàu có giá trị CPA TCPA nhỏ giá trị đặt phát tín hiệu cảnh báo Hình Hiển thị nhiễu thời tiết Hình Hiển thị thơng số tọa độ tàu mục tiêu Tính khoảng đo cách xảy va chạm ngắn thời gian xảy va chạm ngắn tính cần thiết mô hệ thống radar Khi vận hành hệ thống radar, người vận hành thiết 76 Hình Hiển thị vết tàu di chuyển Điều kiện thời tiết yếu tố ảnh hưởng đến yếu tố nhiễu radar Nhóm tác giả mơ yếu tố SỐ 66 (4-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY nhiễu mưa với mức thể Hình Trong số tình nguy hiểm dẫn đến đắm tàu chức truy vết tàu (trail) yếu tố cần thiết cho việc tìm kiếm cứu nạn Nhóm mơ chức với thông số theo quy chuẩn radar hàng hải Hình Cuối cùng, nhóm tác giả thực xây dựng số kịch huấn luyện hệ thống radar hàng hải, thử nghiệm đánh giá, so sánh với số hệ thống mô hãng lớn Transas, Kongsberg lắp đặt Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Một kịch cho tàu chủ xuất phát từ cảng Nam Đình Vũ với hướng 3200 điều khiển tàu vô lăng, hướng bắc thật N up, vận tốc 6,754kts gặp hai tàu mục tiêu chạy theo chiều ngược lại, mục tiêu có phương vị 70,80, khoảng cách 0.1179NM Thời gian mô 10 phút Yêu cầu radar đo khoảng cách từ tàu chủ đến hai tàu mục tiêu với thang đo cụ thể dùng vòng cự ly động, tốc độ tàu mục tiêu Hình 10 KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ radar thực hệ thống radar hàng hải nhiều hãng giới Với nhiều tính tạo nhiễu cho radar, quét mục tiêu, dùng vịng cự ly động, truy vết tàu tìm kiếm cứu nạn Hệ thống mô radar hàng hải đáp ứng 85% so với hệ thống radar hàng hải số hãng lớn giới Đặc biệt, nhóm tác giả cịn làm chủ hồn tồn cơng nghệ nội địa hóa sản phẩm Hướng phát triển báo tương lai thử nghiệm nhiều thuật toán radar xây dựng hệ mô radar cho loại thiết bị radar hàng hải khác TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] www.transas.com, NTPR4000 - Leaflet - prev [2] MFD Radar User Manual -Transas Ltd., December 2010 [3] Lê Xuân Việt, Nguyễn Minh Đức, "Xây dựng phần mềm mô RADAR phục vụ đào tạo huấn luyện", Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải, (Số 50), tr.75-78, 2017 [4] Tiếu Văn Kinh, Sổ Tay Hàng Hải tập 1+2, tr 674678, NXB Giao thông vận tải, Hà Nội, 2010 [5] Alan Bole, Alan Wall, Andy Norris, Radar and ARPA manual, Butterworth Heineman, pp.08-30, 2013 [6] David F Burch, Radar for mariners, Mc Graw-Hill Education, pp.190-194, 2013 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 06/02/2021 26/02/2021 11/3/2021 Hình 10 Hiển thị VRM, EBL Hình 10 thể đường phương vị (EBL) vịng cự ly (VRM) đo thủ cơng tàu mục tiêu Cargo ship, giá trị đo hiển thị hình radar Bên cạnh phương pháp xác định thủ công, hệ thống mô radar cịn cho phép tự động tính tốn khoảng cách phương vị mục tiêu Qua trình thử nghiệm số tính radar so sánh với hệ thống mô radar Transas kết thu cho thấy hệ thống radar đáp ứng đủ yêu cầu huấn luyện radar hàng hải Kết luận Trong báo đề xuất giải pháp thiết kế chế tạo thành công hệ thống mô radar hàng hải dựa thiết bị phần cứng PLC phần mềm Unity 3D Đặc biệt, mơ gần xác chức SỐ 66 (4-2021) 77 ... Transas kết thu cho thấy hệ thống radar đáp ứng đủ yêu cầu huấn luyện radar hàng hải Kết luận Trong báo đề xuất giải pháp thiết kế chế tạo thành công hệ thống mô radar hàng hải dựa thiết bị phần. .. định [4] Hệ thống mô radar tổ hợp hệ thống phần cứng phần mềm để mô lại nguyên lí hoạt động thao tác vận hành thiết bị radar thực Trên Hình cấu trúc chung hệ thống mô radar hàng hải nhóm tác giả... thị// } Mô hoạt động hệ thống mô radar hàng hải Để mô hoạt động hệ thống, trước hết, thực truyền nhận liệu máy tính Máy tính chủ giao tiếp với PLC để nhận liệu thông qua phần mềm Unity 3D Toàn