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

Tính cấp thiết của đề tài Trong kỷ nguyên công nghệ và nền kinh tế đa chiều, việc phát triển các hệ ố th ng đ ng lộ ực công nghiệp có một vai trò quan trọng trong quá trình công nghi p h

1

MỞ ĐẦU

i Tính cấp thiết của đề tài

Trong kỷ nguyên công nghệ và nền kinh tế đa chiều, việc phát triển các hệ ố th ng đ ng lộ ực công nghiệp có một vai trò quan trọng trong quá trình công nghi p hóa, hiệ ện đại hóa và b o v t nư c H th ng đi u ả ệ đấ ớ ệ ố ềkhiển công ng ệhi p là m t ph n c a lĩnh v c s n xu t công nghi p, nó ngày ộ ầ ủ ự ả ấ ệcàng được nhi u doanh nghiệp sử ụề d ng và phát triển để góp phần tạo ra giá trị ạ c nh tranh

Một trong những ngành công nghiệp mũi nhọn, công nghệ tàu th y ủ

và kỹ thu t dư i nư c đang đưậ ớ ớ ợc phát triển r t nhanh tạấ i nước ta Nhiều nhà máy và xí nghiệp chế ạ t o tàu thủy đã phải nh p khậ ẩu từ nước ngoài nhiều thiết bị để chế ạo những tàu lớn và hiệ t n đ i; đạ ặc biệt là phải nhập khẩu nh ng thiữ ế ịt b điều khiển, ví d : h th ng lái tàu th y t ng có đi u ụ ệ ố ủ ự độ ềkhiển theo chương trình, hệ ố th ng điều khi n t xa cho buể ừ ồng máy… Như thế, chi phí để hoàn thành m t thi t bộ ế ị dư i nước sớ ẽ ấ r t cao

Hơn thế ữ n a, do đ c thù đ a lý, việặ ị c nghiên c u tác đ ng c a môi ứ ộ ủtrường bi n t i đ i s ng kinh t xã h i c a dân sinh r t c n thiế ố ớể ớ ờ ố ế ộ ủ ấ ầ t đ i v i

nước ta, ví d ụ như cảnh báo thiên tai và sóng thần, khảo sát hệ sinh thái

dưới bi n, v n tảể ậ i bi n b ng tàu thể ằ ủy cũng như việc phát tri n các trang ểthiết bị cho h i quân trong quân sự ả

Các hoạ ột đ ng trên đòi hỏi phải có các phương tiện tự hành dưới

nước AUV/ASV thì m i đáp ớ ứng được m c tiêu bụ ảo đảm an ninh và khai thác tài nguyên bi n mể ột cách b n v ng Đi u này có đư c là do các đ c ề ữ ề ợ ặtính cơ bản v an toàn và hiệề u qu chi phí khi so sánh với thiết bịả có ngư i ờlái Thi t bế ị AUV/ASV không yêu c u đi u hành củầ ề a con người, nó phải chịu các điều kiện và các mối nguy hiểm vốn có trong môi trư ng dườ ới

nước Chi phí hi u quả ề ả ờệ v c th i gian và các khía cạnh tài chính được

xuất phát từ ộ m t thi t bế ị ỏ hơn nhiều, không chứa các hệ ốnh th ng con khác nhau cần thi t đ duy trì cu c sốế ể ộ ng trong khi dư i nư c cũng như các cơ ớ ớ

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 ỏ nh hơn V i các đ c trưng n i ớ ặ ổ

bật trên đây, các lo i AUV/ASV đã đưạ ợc sử ụng thành công và hi u qu d ệ ảtrong ngành công ngh hàng hệ ải t i rạ ất nhiều nước trên thế giới cho cả

mục đích dân sựvà quân sự

Do đó, việc nghiên cứu sản xuất các thi t b ế ị này trong nước, đặc bi t ệ

là hệ th ng đi u khiển, sẽố ề tăng được tính chủ độ ng trong sản xuất hàng

loạt, giảm chi phí nhập khẩ ừu t nước ngoài và hạn chế được việc lệ thuộc vào bí m t công nghậ ệ đặ c biệt là trong lĩnh vực quân sự

Xuất phát t tính cừ ấp thiết đã trình bày trên đây, cùng với sự hư ng ớ

dẫn của tập thể các thầy hướng dẫn, NCS đã thực hiện luận án với tiêu đề:

“Nghiên cứ u phương pháp hư ng đ i tư ớ ố ợ ng trong phân tích và thiết kế

ngầm, ngư lôi, rô-b t hoạ ộố t đ ng dưới nước, các thi t bị ục vụ ảế ph h i quân

với mục đích quân sự, tàu thủy tự ận hành ) dự v a trên phương pháp cụthể hóa cách ti p c n kiế ậ ến trúc hư ng đ i tượớ ố ng hướng theo mô hình (MBSE) bằng ngôn ngữ mô hình hóa h th ng SysML kệ ố ết hợp ngôn ngữ

mô phỏng hư ng đ i tướ ố ợng Modelica với Automate lai.

Kết quả nghiên cứu cần đ t đưạ ợc là làm chủ công nghệ tích hợp

hư ng đớ ối tượng có thể tùy bi n và tái s d ng một cách nhanh chóng cho ế ử ụcác ứng dụng điều khiển các thiết bị ự t hành dư i nư c khác nhau với hiệu ớ ớnăng điều khiển và an ninh cao Nhờ đó, việc chuy n giao công nghệ ứể ng

dụng có thể ẽ được thực hiện một cách dễ dàng cho việc sản xuất ở trong s nước

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên c u củứ a lu n án là thi t b t hành dư i nư c ậ ế ị ự ớ ớkhông người lái AUV/ASV v i các thông s k thu t mô t trên b ng 1.2 ớ ố ỹ ậ ả ảCác nội dung nghiên cứu củ ềa đ tài được th c hiự ện tại Bộ môn Kỹ thu t ậThủy khí và Tàu thủy, viện Cơ khí Động L c, Trư ng đ i h c Bách khoa ự ờ ạ ọ

Hà nội Do điều ki n hệ ạn chế ề ờ v th i gian cũng như chi phí v thi t bị (đặề ế c

biệt là các trang thi t bế ị, các cảm biến thích hợp phục vụ cho việc truyền thông dưới nước tích h p trên AUV/ASV), ph m vi nghiên cứu củợ ạ a lu n ậ

án được gi i hớ ạn như sau:

- Thiết bị AUV/ASV được chế ạo và thử nghiệm trong bể thử giới thạn trong phạm vi 3 bậc tự do trên mặt phẳng ngang để đánh giá v ềtính tựhành là khả năng bám quỹ đạ o đ nh trư c và n đị ớ ổ ịnh hư ng đi.ớ

- Nhiễu do ảnh hưởng của môi trường là nhiễu gây ra do sóng tuyến tính phổ ậ b c hai, không xét đ n ảế nh hưởng của dòng chảy và ảnh hưởng

của gió; Tín hiệu nhiễu đư c đưa vào hợ ệ thống qua giả ập mô phỏng vật l

lý

iii Phương pháp nghiên cứu

Trong luận án, phương ph ́p nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực anghiê ̣m sẽ được tiến h nh song song, sau đó à các kết quả mô phỏng từ các

mô hình thiế ết k lý thuy t sẽế được so sánh với k t quế ả thực nghiệm nhằm đánh giá và đưa ra giải pháp t i ưu ố

3

iv Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Đề tài có ý nghĩa khoa h c và th c ti n cao thông qua cụ ểọ ự ễ th hóa và

áp dụng kết hợp các phương th c điứ ều khi n và công nghể ệ ự th c thi mới

gần đây nhất; có thể ứng dụng trong các lĩnh v c khác nhau, như: dân sự ự, cứu hộ, cứu nạn, an ninh và qu c phòng trên biố ển Dựa trên cơ sở ả b n thiết

k ếchi tiết hệ thống được phát triển trong luận án, các nhà sản xuất và khai thác có thể ễ d dàng tùy biến và tái sử ụ d ng cho các ứng dụng điều khiển các thiết bị ự t hành dư i nư c khác nhau, đớ ớ ặc biệt trong bối cảnh tại Việt Nam

v Các điểm mới của luận án đạt được

+ Xây dựng phương th c điứ ều khi n tích phân cuể ốn chiếu (IB) k t ế

hợp với bộ ọc Kalman ở ộng (EKF) lấy Automate lai (HA) làm nền l m r

tảng cho hệ thống điều khiển của AUV/ASV

+ Đưa ra quy trình phân tích, thiết k và th c thi hướế ự ng đ i tưố ợng

bằng phương pháp công nghệ h ệ thống hướng mô hình (MBSE/OOSEM)

với ngôn ngữ mô hình hóa hệ th ng (SysML) và ngôn ngữ ố mô phỏng

Modelica Thi t k chi ti t cế ế ế ủa hệ thống điều khiển có thể ễ d dàng tùy biến

và tái sử ụ d ng cho các ứng dụng điều khiển các thiết bị ự t hành dư i nư c ớ ớkhác nhau

+ Thiết kế và ch tế ạo thử nghi m hệ thốệ ng điều khi n mô hình nhể ằm

thực nghiệm tính ổn đ nh hư ng đi và bám quị ớ ỹ đạ o cho AUV/ASV với cấu hình vật lý có sẵn

vi Cấu trúc của luận án

Luận án được trình bày theo các n i dung chính sau: ộ

M u ở đầ

Chương 1 Nghiên cứ ổu t ng quan

Chương 2 Phương pháp mô hình hóa, mô phỏng và thi hành h ệthống điều khiển thiết bị ự t hành AUV/ASV

Chương 3 Quy trình phân tích thiế ết k , mô phỏng và thi hành hệ

thống điều khiển cho thiết bị ự t hành AUV/ASV v SysML/Modelica và ới

1.1.1 Sơ lược về AUV/ASV

Ngày nay, cùng với việc phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thu t ậcũng như ứng d ng các ti n bộ ủụ ế c a khoa h c đ i v i các ngành khác nhau, ọ ố ớlĩnh vực nghiên cứu v i dương r t c n các phương ti n t hành dư i ề đạ ấ ầ ệ ự ớ

nước AUV/ASV nh m mằ ục đích nâng cao hiệu quả trong nghiên cứu như:

4

cảnh báo thiên tai sóng thần, dự báo thời tiết, nghiên cứu đáy đ i dương, ạtrong mục đích dân s , như là thăm dò các nguự ồn tài nguyên thiên nhiên dưới bi n, do ngu n tài nguyên trên đ t li n ngày càng cạn kiệ ầể ồ ấ ề t d n và nhu

cầu thiết yếu cho cuộc sống của con ngư i ngày càng tăng caờ o

Đặc bi t đ i v i n n an ninh qu c phòng c a các nư c, có th nói ệ ố ớ ề ố ủ ớ ểAUV/ASV là một trong những thành phần phục v tác chiụ ến quan trọng trong chiến lược bả ệo v và duy trì lãnh h i ả

1.2 Hệ thống điều khiển AUV/ASV

1.2.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển AUV/ASV

Để m t AUV/ASV có th ho t đ ng đư c m t cách t hành, ki n ộ ể ạ ộ ợ ộ ự ếtrúc điều khiển của nó phải có ba hệ ố th ng chính (hình 1.5): Hệ thống dẫn

đường nhằm đưa ra quỹ đạo cho phương tiện chuyển động bám theo; hệ thống định vị để xác đ nh các trạng thái hi n hành cị ệ ủa phương tiện; và hệthống điều khi n nh m tính toán và áp d ng theo mô hình thể ằ ụ ủy động lực

học thích ợp trong vận hành h

1.2.2 Cấu trúc động lực lai công nghiệp

Trong lu n án, hậ ệ thống điều khiển và các cơ cấu chấp hành được mô hình hóa với các sự kiệ ời rạc, các ứn r ng xử liên t c cũng như s k t hợp ụ ự ếgiữa các thành phần rời rạc và liên t c nàyụ

Hình 1.6 mô tả sơ đồ khối của một hệ thống động lực lai công nghiệp điển hình

AUV/ASV

Nhiễu môi trường

Nhiễu môi trường

Hệ thống định vị

Hệ thống định vị

Phân bố lực điều khiển

Phân bố lực điều khiển

IHDS điể n hình

1.2.3 Một số bộ điều khiển được ứng dụng trên AUV/ASV

Điều khi n phương ti n t hành dư i nư c là mộể ệ ự ớ ớ t công vi c vô cùng ệkhó khăn và phứ ạc t p do môi trư ng nườ ớc, đặc biệt là trong môi trường

đại dương, xuất hi n r t nhiềệ ấ u các y u t khác nhau tác đ ng lên ế ố ộAUV/ASV như sóng, gió, các dòng hải lưu tạo nên các lực phức tạp và phi tuyến Các b đi u khiộ ề ển từ phức tạp đ n đơn giế ản theo lịch sử phát triển

đã lần lượt xu t hiấ ện trên AUV/ASV như: PID, Lô gic mờ, điều khi n ể

5

thích nghi, bộ ề đi u khiển trượt SMC…

1.2.4 Bộ điều khiển cuốn chiếu tích phân IB

Trong nghiên c u này, viứ ệc thiết kế ộ ề b đi u khiển cho AUV/ASV với phương pháp luận dựa trên n n tảề ng là thu t toán cu n chiếu tích phân ậ ố(IB) Phương pháp này xuất hiện vào khoảng đầu những năm 90, được đánh giá như m t phương pháp thiộ ế ế ột k b ều khiển nhiềđi u tri n vọng cho ể

đối tượng phi tuy n ế

1.3 Công nghệ hệ thống hướng mô hình dựa trên nền tảng công nghệ hướng đối tượng

1.3.1 Công nghệ hướng đối tượng hướng theo mô hình

Xuất phát từ yêu cầu trong ngữ ả c nh s n xu t công nghi p, viả ấ ệ ệc tái sử

dụng và tùy biến các mô đun điều khiển đã phát tri n đưể ợc áp dụng cho hệthống ứng dụng mới là r t quan tr ng, nh m gi m chi phí, th i gian và ấ ọ ằ ả ờnhân công s n xuả ất; đặc bi t là có thểệ làm ch đư c công ngh tránh ph i ủ ợ ệ ảnhập khẩu từ nư c ngoài Do đó trong đớ ề tài nghiên c u này, NCS đã ch n ứ ọcông nghệ hư ng đ i tư ng OOT dựớ ố ợ a trên mô hình MBSE để phát tri n hệ ểthống điều khiển phương tiện tự hành dưới nước AUV/ASV

1.3.2 Công nghệ hệ thống hướng theo mô hình

Công nghệ ệ ố h th ng hư ng mô hình MBSE là mớ ột cách tiế ận trong p clĩnh vực công ngh h thốệ ệ ng, có th đư c mô t như m t phương pháp ng ể ợ ả ộ ứdụng mô hình hóa, phương pháp, các ngôn ngữ và các công c cho toàn b ụ ộvòng đờ ủi c a các h th ng lớn, phứ ạệ ố c t p, giao thoa từ nhi u lĩnh v c khác ề ựnhau như cơ khí, tự độ ng hóa Hình 1.7 là một VD v ti p cận MBSE ề ếtrong thiế ế ệ ốt k h th ng

6

Thành ph n chính c a MBSE ầ ủ Để thực hiện phân tích, thiết kế và thực

thi hệ thống theo hướng tiếp cận MBSE thì một kỹ sư hệ thống cần phải trang bị kiến thức về: ngôn ngữ mô hình hóa, phương pháp/quy trình mô hình hóa và công cụ để mô hình hóa (hình 1.8)

M ộ t số ứng dụng của công nghệ MBSE trong công nghiệp Các ứng

dụng của MBSE là rất rộng lớn, trải rộng từ các lĩnh vực quân sự quốc phòng, hàng không vũ trụ tới các ứng dụng cho các ngành công nghiệp như y tế, sản xuất, kinh doanh thuộc lĩnh vực dân sự

1.4 Cấu hình cho bài toán áp dụng

Phương pháp luậ n Trong nghiên cứu, phương pháp lu n OOSEM đã ậđượ ử ục s d ng trong việc phân tích thiế ết k và th c thi đ i v i AUV/ASV ự ố ớ

Ki ế n trúc bộ điều khiể Nhóm nghiên cứu đưa vào luật điều khiển n

điều khiển cuốn chiếu kết hợp với bộ lọc EKF cho bộ điều khiển của AUV/ASV trên nền Automate lai Thông số của thiết bị thử nghiệm được

Thời gian hoạ động trung bình t 30 phút

Trong chương này, luận án đã trình bày nghiên cứu tổng quan về thiết

b t ị ựhành AUV/ASV bao gồm các điểm chính sau:

- Sơ lược v ề thiết bị ự hành trên biển AUV/ASV cũng như các ứng t dụng tiêu biểu nhất đang đượ ức ng d ng c a thi t b ụ ủ ế ịnày

- Tổng quát về các hệ điều khiển cũng như các luật điều khiển có thểđược áp d ng ụ trên thiết bị ự hành AUV/ASV t

- Giới thiệu tổng quan về phân tích thiết kế ệ thố h ng hư ng đ i tướ ố ợng theo cách tiếp cận MBSE cũng như phương pháp luận OOSEM đối v i ớcác hệ ố th ng đ ng lực công nghiệp ộ

- Lựa chọn giải pháp nghiên cứu cho hệ thống điều khiển cũng như

cấu hình ứng dụng của thiết bị AUV/ASV

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎ NG VÀ THI HÀNH H Ệ TH NG ĐI Ố Ề U KHI Ể N THIẾ T B T HÀNH Ị Ự

AUV/ASV

7

2.1 Mô hình độ ng l c họ ự c đi ề u khi n t ng quát AUV/ASV ể ổ

2.1.1 Các hệ ọ t a đ ộ

Hình 2.1 Các h ệ ọ t a đ thi ộ ế t b ị dư i nư c ớ ớ

Khi nghiên cứu v mô hình chuy n đ ng c a thi t b dư i nư c ta ề ể ộ ủ ế ị ớ ớcoi nó là một v t rậ ắn với 6 bậ ực t do và đư c mô tảợ trên hình 2.1 T 6 ừthành phần độc lập trong hệ ọ t a đ xác đ nh vịộ để ị trí và đ nh hưị ớng của thiết bị này

2.1.2 Phương trình động lực học tổng quát AUV/ASV

Trong quá trình hoạ ột đ ng, một phương ti n dư i nưệ ớ ớc chuyển động theo 6 bậc tự do được biểu diễ ởi phương trình sau: n b

Trong đó: ν = (u, v, w, p, q,r ) T là vận tốc của AUV/ASV trong hệ quy chi u g n vế ắ ới phương tiện; η = (x,y, z, ϕ,θ,ψ ) T là vị trí to và góc ạ độ

Euler; M = M RB + M A là ma trận quán tính 6 x 6 bao gồm vật rắn chuyển

động MRB và khối lượng bổ sung MA; (ν)=C RB (ν)+C A (ν) là ma trận

Coriolis và lực ly tâm 6 x 6 kèm theo khối lượ ng b sung; D(ν)=D+Dổ n (ν): giảm chấn thủy động lực tuyến tính và phi tuyến được biễu di n bễ ởi ma trận 6 x 6, D bi u diể ễn đ i lưạ ợng giảm chấn tuyến tính, Dn(ν) biểu di n đ i ễ ạlượng gi m ch n phi tuy n; g(η) là véc tơ 6 x 1 c a l c tr ng trư ng, các ả ấ ế ủ ự ọ ờlực và mô men nổi; τ là véc tơ 6 x 1 ự l c điều khiển, τ=(X, Y, Z, K,

M, N) T g o là véc tơ lực và mô men dùng đ điể ểu khiển cân bằng; ω là véc

tơ 6 x 1 của các ảnh hưởng nhiễu tác đ ng do môi trư ng gây ra, như là ộ ờsóng, gió và dòng hải lưu

2.1.3 Tác động của môi trường tới AUV/ASV

Trong ph m vi nghiên cạ ứu c a đ tài ch nghiên c u t i chuy n đ ng ủ ề ỉ ứ ớ ể ộchạy nổi của AUV/ASV trên mặt phẳng ngang, do vậy đối với tác động nhiễu do môi trường, chỉ có tác động do sóng Sự ạ t o sóng thư ng thư ng ờ ờđược di n tảễ như là t ng củ ấổ a r t nhiều các thành phần của các con sóng với

8

tần số khác nhau Chính vì thế có th diể ễn tả ạ tr ng thái không đ ng đ u ồ ề

của bề ặt biển bằng cách s m ử ụ d ng xếp chồng tuy n tính các con sóng ế(hình 2.3)

Đối v i AUV/ASV ph n ng p dư i nư c coi như là m t m t ph ng ớ ầ ậ ớ ớ ộ ặ ẳ

song song với chiều dài L, bề ộ r ng B và lực kéo T [23], khi đó ta có:

(2.12)(2.13)

2.2 Luậ t d n đư ng và mô hình h ẫ ờ ệ th ng đi ố ề u khi ể n thiế t b ị AUV/ASV trên mặt phẳng ngang

AUV/ASV

2.2.1 Luật dẫn đư ng thiết bịờ

Quỹ đạ o tham chiếu AUV/ASV D ữ liệu các điểm lộ trình WP chứa

một tập hợp các véc tơ t a đ điểọ ộ m (xk, yk, zk) T, tố ộc đ Uk và góc quay trở

ψk Trong luận văn này chỉ xét đ n chuy n đ ng c a AUV/ASV trên m t ế ể ộ ủ ặphẳng ngang, quỹ đạ o AUV/ASV có thể được chia thành 2 thành phần (θ k-

1 , θ k ) với θ(t) là biến quỹ đạo vô hư ng, đướ ợc sử ụ d ng để thiết lập quỹ đạo mong muốn AUV/ASV

Hình 2.2 Thuật toán dẫ n đư ờ ng

trực thị LOS Hình 2.3 Quang phổ sóng v i 2 đ nh ớ ỉ

Thuật toán dẫn đường trực thị LOS được s dử ụng trong luận án thểhiện trên hình 2.2

2.2.2 Mô hình hệ thống điều khiển AUV/ASV trên mặt phẳng ngang

Phương trình động l c h c c a AUV/ASV (2.1) có th đư c vi t lại ự ọ ủ ể ợ ếnhư sau :

(2.15)Luật điều khiển có thể được chọn như sau (hình 2.5):

9

Hình 2 5 Mô hình giải thuậ t IB cho b đi ộ ề u khi ể n AUV/ASV

Đối v i trư ng h p AUV/ASV chuy n đ ng trên m t ph ng ngang ớ ờ ợ ể ộ ặ ẳxét trên 3 bậc tự do: trư t dọợ c, trượt ngang và quay trở, ma trận Ơ-le chuyển vị trong phương trình (2.1) sẽ chuy n thành ma tr n xoay ể ậtheo phương quay trở

Với giả thiết trong trường hợp này, các lực trọng trường và lực nổi là cân bằng và

Phân bố ự l c đi u khiển: Như đã phân tích tạ ề i ph n 1.2.1, b phân bầ ộ ố

lực điều khiển có chức năng phân bố các tín hiệu điều khiển đến từng cơ

cấu chấp hành tương ng đứ ể tạo ra các lực điều khiển tác động lên AUV/ASV ứng với các trạng thái v n hành (hình 2.6).ậ

Hình 2 6 Sơ đồ khối hệ thố ng đi ề u khi ể n AUV/ASV

2.2.3 Bộ ọ l c EKF và mô hình th c thi HA cho AUV/ASVự

10

B l ộ ọ c EKF: Để có th k t h p các kh i mô hình nhiễể ế ợ ố u đo đạc và nhiễu hệ thống, các nhiễu này được coi là các nhi u tr ng, có phân bố ễ ắGauss, và được lọc nhi u thông qua b l c EKFễ ộ ọ bao gồm các thuật toán d ựđoán/cập nhật, được mô t như sau: ả

Step EKF predict

M ô hình thực thi hệ thố ng đi ề u khiển của AUV/ASV với HA: Để mô

hình hóa chi tiết toàn b c u trúc và ng x c a m t IHDS hay AUV/ASV ộ ấ ứ ử ủ ộ

với giải thuật điều khiển được mô tả như trên thì chúng ta sử ụng HA bởi dvì: Ch ỉduy nhất mộ ứng xử liên tt ục tại m t thộ ờ điểi m đư c xác đợ ịnh; Có

đại lượng b t bi n đ ki m tra l i gi thuy t v tr ng thái liên t c trong ấ ế ể ể ạ ả ế ề ạ ụAutomate lai; Automate lai được bắt nguồn t automate nên mô hình ừ ứng

x ử động của hệ thống tương thích các ứng dụng tương tác sẵn có; Nó có thể ử ụ s d ng đư c các công cợ ụ phần m m mô phề ỏng Một hệ Automate lai được xác định bằng hàm số sau: H = (Q, X, Σ, A, Inv, F, q o , x o ) (2.53)

2.2.4 Ứng dụng mô phỏng hệ thống điều khiển AUV/ASV

Hình 2.7 K ết quả mô phỏng với

OpenModelica trườ ng hợp sử ụ d ng

luật điều khiển PID tuy n tính ế

Hình 2.8 K ế t quả mô phỏng với OpenModelica trườ ng hợp sử ụ d ng

b ộ điề u khiển IB kết hợp EKF

11

2.3 Phương pháp luận OOSEM trong phân tích thiết kế và thực thi

bộ điều khiển AUV/ASV

2.3.1 Quy trình thiết kế

Nhận biết các yêu cầu của hệ thống : Xác định các y u t c n thi t và ế ố ầ ếcác giao thức ban đầu cho dự án, đ nh nghĩa các thuộị c tính ng dụng cần ứthiết thỏa mãn các yêu cầu đư c đợ ặt ra từ người sử ụ d ng cuối

Yêu cầu người dùng

Phát triển Yêu cầu Đánh giá

Đánh giá

Kỹ thuật

Đo lường Mục tiêu

Kết quả đánh giá

Kiến trúc vật lý

Kiến trúc lôgic và chức năng

Đo lường mục tiêu Các chức năng và các yêu cầu

Thiết kế Kiến trúc Kết q

uả đánh giá

Sắp xếp

Tổng hợp

Đo lường Mục tiêu

Đo lường mục tiêu các yêu cầu

Hình 2.9 Kiến trúc qui trình phát triển tàu tự hành AUV/ASV

Thiết kế kiến trúc hệ thống Tối ưu một gi i pháp cho ứả ng d ng c th ụ ụ ểnhưng vẫn phù hợp với những mục tiêu với các mô hình phân tích Điểm quan tr ng trong khâu thiọ ết kế là phải thực hiên tối ưu

Tổng hợp và đánh giá và thử nghiệm hệ thống Quá trình kiểm định và đánh giá nhằm để kiểm tra tính đúng đắn về ứ ch c năng, hi u năng và đệ ộtin cậy c a mô hình thủ ực thi để ừ t đó phát hi n ra các y u đi m trong mô ệ ế ểhình thiế ết k , xem xét lại các vấ ề ề ốn đ v t i ưu, cải tiến và bổ sung các ch c ứnăng còn lại cho ứng dụng

Kiến trúc quy trình phát tri n thiể ết bị ự t hành AUV/ASV mô t trên ảhình 2.9

2.3.2 Sử dụng ngôn ngữ mô hình hóa hệ thống SysML kết hợp ngôn ngữ mô phỏng Modelica trong phân tích, thiết kế và thực thi

Ngôn ng mô hình hóa h ữ ệ ố th ng SysML: SysML là ngôn ngữ mô hình

hóa hướng đ i tưố ợng đã được chu n hóa bởẩ i hi p h i hưệ ộ ớng đối tượng quốc tế OMG Nó đư c dùng đợ ể mô t các mô hình quả ản trị yêu cầu, phân tích, thi t kế ế và th c thi các hệ thốự ng động lực ph c tứ ạp về ấ c u trúc, ứng

x ử động, đặc tính và các yêu cầu ràng b ộc vận hành u

Ngôn ngữ mô phỏng hư ng đ ớ ố i tư ợ ng Modelica: Là một ngôn ngữ

hư ng đớ ối tư ng, Modelica đ nh nghĩa các loợ ị ạ ệ ối h th ng con vật lý, ví d ụnhư là động cơ servo, phầ ử ủ ựn t th y l c điều khi n, kh i đi u khi n… như ể ố ề ể

là các lớp đ i tưố ợng Ứng xử ủ c a lớp đối tư ng đó có th đượ ể ợc mô tả ằ b ng

12

các phương trình đại số, phương trình vi phân, hoặc các thu t toán… ậModelica hỗ ợ đặ tr c tả các ứng xử ự d a trên sự ệ ki n; do đó, nó cho phép d ễdàng mô t các mô hình rả ời rạc và liên t c c a hụ ủ ệ ố th ng IHDS

Tích hợp SysML-Modelica: Cách tiếp cận tích hợp SysML-Modelica

trước h t là đ c t ph n m r ng SysML cho các th t c c a Modelica, ế ặ ả ầ ở ộ ủ ụ ủhay còn được g i là “SysML4Modelica” Ph n mở ộọ ầ r ng SysML này sẽ đạ i diện cho các cấu trúc Modelica và sau đó được sử ụ d ng để xác đ nh ịchuyể đổn i SysML-Modelica giữa các cấu trúc cụ thể ớ v i ngôn ngữ Modelica và ngượ ạc l i

- Tổng quan về quy trình phân tích thiế ết k và th c thi AUV/ASV dựa ựtrên phương pháp luận OOSEM v i vi c s d ng ngôn ngữ mô hình hóa ớ ệ ử ụ

h ệthống SysML kết hợp với ngôn ngữ mô phỏng Modelica

Trong các chương tiếp theo, luận án sẽ đi sâu vào phân tích b n thiết ả

k ế toàn đồ cũng như đưa ra các kịch bản thử nghiệm đối với thiết bịAUV/ASV nhằm minh họa tính đúng đ n và đắ ộ tin c y của phương pháp ậcũng như mục tiêu mà lu n án đã đ xu t ậ ề ấ

CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH PHÂN TÍCH THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG

VÀ THI HÀNH HỆ TH NG ĐI U KHIỂN CHO THIẾ Ố Ề T B Ị AUV/ASV V I SYSML/MODELICA VÀ AUTOMATE LAI Ớ

3.1 Mô hình quả n tr yêu c u ị ầ

3.1.1 Xác định c u hình h thống ấ ệ

Sơ đồ kh i ch c năng th c thi củ ệ ố ố ứ ự a h th ng đi u khi n cho AUV/ASV ề ể

T ừ mô hình động lực học của ứng dụng AUV/ASV kết hợp với kiến trúc điều khiển tổng quát đã được mô t ả trên Hình 1.5 và các tính năng

điều khiển, như là điều khiển hướng, độ sâu và v trí, lu n án đã đ xuất áp ị ậ ềdụng sơ đồ kh i ch c năng th c thi như trên Hình 3.1, nh m th c hi n ố ứ ự ằ ự ệtriển khai các chế độ ự hành của AUV/ASV t

13

Hình 3.1 Sơ đồ ố kh i chức năng thực thi ủa hệ ố c th ng điều khiể AUV/ASV n

Hình 3.2 Các khối chính trong cấ u trúc đi ề u khi n t ng quát AUV/ASV ể ổ

3.1.2 Mô hình hóa trực quan yêu cầu hệ thống

Để ắ n m b t các yêu c u hư ng đ i tư ng chung, lu n án trình bày ắ ầ ớ ố ợ ậmột mô hình bao gồm các lớp trừu tượng thông qua việ ử ục s d ng kiểu mở

rộng trong mô hình hóa và sơ đồ lớp của SysML, nhằm mô tả các thành

phần chức năng chính cho AUV/ASV được thể ện trên Hình hi 3.3

Hình 3.3 Mô hình hóa các yêu c ầ u ng tổ quát c a h ủ ệ ố th ng

14

3.2 Mô hình phân tích và thiết kế

3.2.1 Xây dựng mô hình phân tích cho hệ thống điều khiển AUV/ASV

Xác định các ứng xử điều khiển của AUV/ASV

Hình 3.4 Mô hình hóa các trường hợp sử ụ d ng c a h th ng ủ ệ ố

Hình 3 5 Kịch bả n đi ề u khiể n bám theo qu ỹ đạ o mong muốn