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”.
Trang 1BỘ 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
Trang 2MỤC 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 của đề tài 1
ii Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 2
iii Phương pháp nghiên cứu 3
iv Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3
v Các điểm mới của luận án đạt được 4
vi Cấu trúc của luận án 4
CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 5
1.1 Tổng quan về thiết bị tự hành trên biển AUV/ASV 5
1.1.1 Sơ lược về AUV/ASV 5
1.1.2 Một số ứng dụng của 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 bộ điều khiển được ứng dụng trên AUV/ASV 12
1.2.4 Bộ điều khiển tích phân cuốn chiếu 13
1.3 Công nghệ hệ thống hướng mô hình dựa trên nền 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 bài 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
Trang 32.1.1 Các hệ tọa độ 24
2.1.2 Phương trình động lực học tổng quát AUV/ASV 25
2.1.3 Tác động của môi trường tới AUV/ASV 26
2.2 Luật dẫn đường và mô hình hệ thống điều khiển thiết bị AUV/ASV trên 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 trên mặt phẳng ngang 31
2.2.3 Bộ lọc EKF và mô hình thực thi HA cho AUV/ASV 36
2.2.4 Ứng dụng mô phỏng hệ thống điều khiển AUV/ASV 39
2.3 Phương pháp luận OOSEM trong phân tích thiết kế và thực thi bộ 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 phỏng Modelica trong phân tích, thiết kế và 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 và thiết kế 53
3.2.1 Xây dựng mô hình phân tích cho hệ thống điều khiển AUV/ASV 53 3.2.2 Mô hình thiết kế hệ thống điều khiển AUV/ASV 56
3.3 Mô hình mô phỏng và 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 phỏng và thực thi 69
3.3.3 Mô hình cài đặt và triển khai 72
Kết luận chương 74
Trang 4CHƯƠNG 4: THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 76
4.1 Điều kiện và kịch bản thử nghiệm trên 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 huống thử nghiệm 78
4.2 Tích hợp hệ thống và qui trình thử nghiệm 78
4.2.1 Tích hợp các thiết bị phần cứng 78
4.2.2 Quy trình vận hành trong thử nghiệm điều khiển tàu lặn mô hình 82 4.3 Tiến hành thử nghiệm và đánh giá hệ thống điều khiển tàu trên thiết bị AUV/ASV 83
4.3.1 Mô tả thử nghiệm 83
4.3.2 Thử nghiệm kịch bản bám quỹ đạo của thiết bị AUV/ASV 85
4.3.3.Thử nghiệm tính ổn định hướng của 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 1 Các thông số thủy động lực học 99
Phụ lục 2 Cấu trúc hệ thống tham khảo 101
Phụ lục 3 Mã chương trình chính hệ thống điều khiển 102
Phụ lục 4 Dữ liệu thử nghiệm bám quỹ đạo AUV/ASV 106
Phụ lục 5 Một số hình ảnh cấu hình và thử nghiệm thiết bị 109
Trang 5DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
viết tắt
Viết đầy đủ (tiếng Anh) Ý nghĩa
AF Architechture Framework Khung kiến trúc
AUV/ASV
Autonomous Under Water Vehicle/Autonomous Surface Vehicle
Thiết bị tự hành dưới nước/trên mặt nước
BBD Block Definition Diagram Khối mô tả chức năng, sử dụng
trong SysML
CLF Control Lyapunov Functions Hàm điều khiển Lyapunov
EKF Extended Kalman Filter Bộ lọc Kalman mở rộng
FFBDs Functional Flow Block
GPS Global Positioning Systems Hệ thống định vị toàn cầu
GAS Global Asymptotically
IB Integral Backstepping Luật điều khiển cuốn chiếu tích
phân
IHDS Industrial Hybrid Dynamic
System
Hệ thống động lực lai công nghiệp
IMU Inertial Measurement Unit Thiết bị đo quán tính
INS Inertial Navigation Systems Hệ thống dẫn đường quán tính
Trang 6INCOSE International Council on
Systems Engineering
Hội đồng quốc tế về công nghệ
hệ thống
IEEE Institute of Electrical and
Electronics Engineers Viện kỹ nghệ Điện và Điện tử
ISO International Organisation
for Standardisation Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế
IEC
International Electrotechnical Commission
Uỷ ban Kỹ thuật Điện Quốc tế
LQG linear-quadratic-Gaussian Thuật toán điều khiển toàn
phương tuyến tính Gauss
LOS Light of Sight Thuật toán dẫn đường trực thị
MARTE
Modeling and Analysis of Real-time Embedded Systems
Mô hình hóa và phân tích hệ thống nhúng thời gian thực
MBSE Model Based System
Engineering
Công nghệ hệ thống hướng mô hình
MDS Measurement and Display
MES Marine Environmental
System
Hệ thống tác nhân tác động bên ngoài do môi trường hàng hải
MIMO Multi Input-Multi Output Hệ thống nhiều đầu vào nhiều
đầu ra
NED North-East-Down Hệ tọa độ gắn với trái đất
Trang 7NIST National Institute of
Standards and Technology
Viện tiêu chuẩn và kỹ thuật Hoa
Kỳ
OMG Object Management Group Tổ chức quản lý và phát triển
hướng đối tượng OOT Objected Orient Technology Công nghệ hướng đối tượng
OOSEM
The Object-Oriented Systems Engineering Method
Phương pháp hệ thống công nghệ hướng đối tượng
OPM Object Process
Methodology Phương pháp qui trình–đối tượng
PID Proportional – Integral –
Derivative Regulator
Bộ điều chỉnh tỷ lệ-tích phân-vi phân
Ngôn ngữ mô hình hóa kiến trúc hướng dịch vụ
SMC Sliding Mode Control Điều khiển trượt
UAV Unmanned Aerial Vehicle Thiết bị bay không người lái
Trang 8DANH 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 năng mô hình hóa và mô phỏng hệ thống công nghiệp với Modelica [27] 45 Bảng 3.1 Nguyên tắc tùy biến và tái sử dụng của các khối điều khiển chính 64 Bảng 4.1.Thông số tọa độ điểm đặt WP ứng với dạng quỹ đạo cho trước 85 Bảng 4.2 Tổng hợp dữ liệu liên quan đến tính ăn lái của tàu 87 Bảng A.1 Các thông số thủy động lực học chính của thiết bị AUV/ASV vận tốc di chuyển 0,5m/s [3] 99 Bảng A.2 Các chỉ 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
Trang 9DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1.Mẫu AUV hoàn chỉnh đầu tiên được quân đội Hoa Kỳ sử dụng, phát
triển bởi Đại học Washington năm 1957 [28] 6
Hình 1.2.Tàu AutosubAUV 6000 của Anh, dài 5,5m, nặng 1800 kg, phục vụ mục đích nghiên cứu đáy đại dương, khả năng lặn 6000m với hệ thống tránh va chạm hiện đại [82] 7
Hình 1.3.Một số AUV/ASV tiêu biểu phục vụ trong lĩnh vực hải quân 8
Hình 1.4.Một số tàu ngầm có người lái tự chế tạo ở Việt Nam 9
Hình 1.5.Sơ đồ hệ thống dẫn đường, định vị và 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 về tiếp cận MBSE trong thiết kế hệ thống [65] 17
Hình 1.8 Các thành phần chính của công nghệ hệ thống theo mô hình 17
Hình 2.1 Các hệ tọa độ thiết bị dưới nước 25
Hình 2.2 Phổ sóng với 2 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 bộ 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 quả mô phỏng với OpenModelica trường hợp sử dụng luật điều khiển PID tuyến tính 40
Hình 2.9 Kết quả mô phỏng với OpenModelica trường hợp sử dụng bộ 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 các sơ đồ trong 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 phỏng được tự động sinh ra với công cụ OpenModelica 47
Hình 3.1 Sơ đồ khối chức năng thực thi của hệ thống điều khiển AUV/ASV 50
Hình 3.2 Các khối chính trong cấu trúc điều khiển tổng quát AUV/ASV 51
Trang 10Hình 3.3 Mô hình hóa các yêu cầu tổng quát của hệ thống 53
Hình 3.4 Mô hình hóa các trường hợp sử dụng của hệ thống 54
Hình 3.5 Kịch bản điều khiển bám theo quỹ đạo mong muốn 55
Hình 3.6 Máy trạng thái cục bộ của trường hợp sử dụng “Lái” 55
Hình 3.7 Máy trạng thái toàn cục của AUV/ASV 56
Hình 3.8 Ví dụ sơ đồ chức năng thực thi mở rộng 57
Hình 3.9 Mẫu kết nối truyền đạt giữa các khối điều khiển chính của AUV/ASV 61
Hình 3.10 Sơ đồ tiến trình trong thời gian thực của 5 khối điều khiển chính 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 và mô hình mô phỏng 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 quả mô phỏng khả năng ổn định hướng AUV/ASV với thông số đầu vào v=1,0m/s, hướng đi đặt 0100, bán kính rẽ 2,5m 70
Hình 3.15 Kêt quả mô phỏng khả năng ổn định hướng AUV/ASV với thông số đầu vào v=0,5m/s, hướng đi đặt 0200, bán kính rẽ 2,5m 71
Hình 3.16 Kêt quả mô phỏng khả năng ổn định hướng AUV/ASV với thông số đầu vào v=1,0 m/s, hướng đi đặt 0200, bán kính rẽ 3,0m 71
Hình 3.17 Kêt quả mô phỏng khả năng ổn định hướng AUV/ASV với thông số đầu vào v=0,5m/s, hướng đi đặt 0300, bán kính rẽ 3,0m 71
Hình 3.18 Kêt quả mô phỏng khả năng ổn định hướng AUV/ASV với thông số đầu vào v=1,0 m/s, hướng đi đặt 0300, bán kính rẽ 3,5m 72
Các kết quả mô phỏng cho thấy khả năng ổn định hướng của AUV/ASV là đạt yêu cầu trong phạm vi cho phép, và các kết quả này cũng sẽ được so sánh với các kết quả thử nghiệm sẽ được đề cập trong chương tiếp theo 72
Hình 3.19 Sơ đồ thực thi hướng đối tượng của HAUV/ASV cho thiết bị AUV/ASV 73
Trang 11Hình 3.20 Tích hợp và chạy thử nghiệm mô hình triển khai hệ thống điều
khiển thiết bị AUV/ASV bám theo quỹ đạo mong muốn 74
Hình 4.1 Chế tạo thân vỏ và hệ động lực mô hình tàu tự hành tại Phòng thử nghiệm bộ môn Kỹ thuật Tàu thủy - ĐHBK Hà Nội [3] 76
Hình 4.2 Bể bơi Đại học Bách khoa Hà nội được sủ dụng trong tiến hành thực nghiệm 77
Hình 4.3 Sơ đồ tổng quan kết nối phần cứng và các thiết bị ngoại vi [6] 79
Hình 4.4 Thiết bị GPS và IMU được tích hợp trong thử nghiệm (a) và bảng vi mạch MCU-STM32-Cortex M4 lập trình được (b) 80
Hình 4.5 Tích hợp vi mạch trên AUV/ASV mô hình 81
Hình 4.6 Bộ thu nhận tín hiệu trạng thái của AUV/ASV mô hình 81
Hình 4.7 Pin và mạch sạc điện Cellpro 81
Hình 4.8 Thiết lập quỹ đạo cho thiết bị AUV/ASV gồm 04 điểm 84
Hình 4.9 Thiết lập quỹ đạo cho thiết bị AUV/ASV gồm 6 điểm 84
Hình 4.10 Kết quả thử nghiệm đối với trường hợp bám quỹ đạo tam giác 86
Hình 4.11 Kết quả thử nghiệm đối với trường hợp bám quỹ đạo hình chữ nhật 86
Hình A.1 Tích hợp phần cứng cho AUV/ASV tại phòng thử nghiệm 109
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 khi đưa vào bể thử 110 Hình A.4 Hiệu chỉnh phần mềm, thiết lập quỹ đạo thử nghiệm cho mô hình 110
Hình A.5 Thiết bị AUV/ASV đang quay vòng trong trường chạy thử nghiệm bám quỹ đạo chữ nhật (a-f) 111
Trang 12MỞ ĐẦU
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
Trang 13nhỏ 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
hình hóa hệ thống SysML [58] kết hợp ngôn ngữ mô phỏng hướng đối tượng Modelica [60] với Automate lai
Kết quả nghiên cứu cần đạt được là làm chủ công nghệ tích hợp hướng đối tượng có thể tùy biến và tái sử dụng một cách nhanh chóng cho các ứng dụng điều khiển các thiết bị tự hành dưới nước khác nhau với hiệu năng điều
Trang 14khiển và an ninh cao Nhờ đó, việc chuyển giao công nghệ ứng dụng có thể sẽ
được thực hiện một cách dễ dàng cho việc sản xuất ở trong nước
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án là thiết bị tự hành dưới nước không người lái AUV/ASV với các thông số kỹ thuật mô tả trên bảng 1.2 Các nội dung nghiên cứu của đề tài được thực hiện tại Bộ môn Kỹ thuật Thủy khí và Tàu thủy, viện Cơ khí Động Lực, Trường đại học Bách khoa Hà nội Do điều kiện hạn chế về thời gian cũng như chi phí về thiết bị (đặc biệt là các trang thiết bị, các cảm biến thích hợp phục vụ cho việc truyền thông dưới nước tích hợp trên AUV/ASV), phạm vi nghiên cứu của luận án được giới hạn như sau:
- Thiết bị AUV/ASV được chế tạo và thử nghiệm trong bể thử giới hạn trong phạm vi 3 bậc tự do trên mặt phẳng ngang để đánh giá về tính tự hành là khả năng bám quỹ đạo định trước và ổn định hướng đi
- Nhiễu do ảnh hưởng của môi trường là nhiễu gây ra do sóng tuyến tính phổ bậc hai, không xét đến ảnh hưởng của dòng chảy và ảnh hưởng của gió;
Tín hiệu nhiễu được đưa vào hệ thống qua giả lập mô phỏng vật lý
iii Phương pháp nghiên cứu
Trong luận án, phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiê ̣m sẽ được tiến hành song song, sau đó các kết quả mô phỏng từ các mô hình thiết kế lý thuyết sẽ được so sánh với kết quả thực nghiệm nhằm đánh
giá và đưa ra giải pháp tối ưu
iv Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Đề tài có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao thông qua cụ thể hóa và áp dụng kết hợp các phương thức điều khiển và công nghệ thực thi mới gần đây nhất; có thể ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, như: dân sự, cứu hộ, cứu nạn, an ninh và quốc phòng trên biển Dựa trên cơ sở bản thiết kế chi tiết hệ thống được phát triển trong luận án, các nhà sản xuất và khai thác có thể dễ
Trang 15dàng tùy biến và tái sử dụng cho các ứng dụng điều khiển các thiết bị tự hành dưới nước khác nhau, đặc biệt trong bối cảnh tại Việt Nam
v Các điểm mới của luận án đạt được
+ Xây dựng phương thức điều khiển tích phân cuốn chiếu (IB) kết hợp
với bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) lấy Automate lai (HA) làm nền tảng cho hệ
thống điều khiển của AUV/ASV
+ Đưa ra quy trình phân tích, thiết kế và thực thi hướng đối tượng bằng phương pháp công nghệ hệ thống hướng mô hình (MBSE/OOSEM) với ngôn
ngữ mô hình hóa hệ thống (SysML) và ngôn ngữ mô phỏng Modelica Thiết
kế chi tiết của hệ thống điều khiển có thể dễ dàng tùy biến và tái sử dụng cho các ứng dụng điều khiển các thiết bị tự hành dưới nước khác nhau
+ Thiết kế và chế tạo thử nghiệm hệ thống điều khiển mô hình nhằm thực nghiệm tính ổn định hướng đi và bám quỹ đạo cho AUV/ASV với cấu hình vật lý có sẵn
vi Cấu trúc của luận án
Luận án được trình bày theo các nội dung chính sau:
Mở đầu
Chương 1 Nghiên cứu tổng quan
Chương 2 Phương pháp mô hình hóa, mô phỏng và thi hành hệ thống điều khiển thiết bị tự hành AUV/ASV
Chương 3 Quy trình phân tích thiết kế, mô phỏng và thi hành hệ
thống điều khiển cho thiết bị tự hành AUV/ASV với SysML/Modelica và Automate lai
Chương 4 Thử nghiệm và đánh giá kết quả
Kết luận và kiến nghị
Trang 16CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về thiết bị tự hành trên biển AUV/ASV
1.1.1 Sơ lược về AUV/ASV
Ngày nay, cùng với việc phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật cũng như ứng dụng các tiến bộ của khoa học đối với các ngành khác nhau, lĩnh vực nghiên cứu về đại dương rất cần các thiết bị tự hành dưới nước AUV/ASV nhằm mục đích nâng cao hiệu quả trong nghiên cứu như: cảnh báo thiên tai sóng thần, dự báo thời tiết, nghiên cứu đáy đại dương [5], [82], thăm dò các nguồn tài nguyên thiên nhiên dưới biển, do nguồn tài nguyên trên đất liền ngày càng cạn kiệt dần và nhu cầu thiết yếu cho cuộc sống của con người ngày càng tăng cao [2], [18]
Đối với nền an ninh quốc phòng của các nước, có thể nói AUV/ASV là một trong những thành phần phục vụ tác chiến quan trọng của lực lượng hải quân [41] Với tình hình diễn biến phức tạp trong tương lai gần diễn ra chủ yếu ở các vùng biển có tranh chấp, những vùng biển được coi là đặc quyền kinh tế của các quốc gia, thì việc duy trì các đội tàu có người lái nhằm mục đích bảo vệ và giám sát lãnh hải không còn là một lựa chọn khả thi do các yêu cầu về con người vận hành, thiết bị và kỹ thuật tác chiến Khi đó, AUV/ASV
sẽ là lựa chọn tối ưu với khả năng tác vụ, truyền thông, đặc biệt là khả năng thực hiện những nhiệm vụ liên quan đến nguy hiểm ở các vùng biển có các mối đe dọa như các khu vực bị ô nhiễm hạt nhân, sinh học và hóa học
AUV/ASV bắt đầu được nghiên cứu và sử dụng sau chiến tranh thế giới thứ II bởi quân đội Hoa Kỳ với mục đích nâng cao khả năng tác chiến (hình 1.1) Ngày nay, với sự tích hợp những công nghệ tối tân khác nhau, các AUV/ASV có thể hoạt động hoàn toàn độc lập theo các chương trình đã cài đặt trước [84] Hơn nữa, các “đội” AUV/ASV khi hoạt động cùng nhau có thể được trang bị cảm biến để có thể tự nhận biết, tương tác với môi trường xung quanh, thậm chí phối hợp đồng bộ để tìm ra con đường tốt nhất nếu gặp rào
Trang 17cản như điều kiện vể thời tiết, gặp và tránh đá ngầm… Nhờ đó, khả năng tự động của chúng khi hoạt động tại các vùng biển được đánh giá là ưu việt hơn
cả các máy bay không người lái UAV [4] nổi tiếng như Predator hay Reaper
Với tàu tự hành AUV/ASV, một người điều khiển có thể giám sát cùng lúc một đội gồm 4 đến 20 tàu và không phải hoạt động riêng lẻ, chỉ cần theo dõi
và phản ứng khi có sự cố bất ngờ [83]
Hình 1.1.Mẫu AUV hoàn chỉnh đầu tiên được quân đội Hoa Kỳ sử dụng, phát
triển bởi Đại học Washington năm 1957 [28]
Các AUV/ASV hiện đại cũng đã được thiết kế những tình huống ứng phó
sự cố để tránh sự cố bất ngờ [13] Nếu vì bất kỳ lý do gì hệ thống kết nối truyền thông bị gián đoạn, tàu sẽ tự ngắt mọi hoạt động và giữ vị trí, hoặc quay trở lại vị trí ban đầu đã được thiết lập sẵn
Trang 18tác nghiên cứu về địa chất như tìm kiếm các nguồn khoáng sản như dầu mỏ, khí đốt; dự báo thời tiết, phán đoán động đất và sóng thần Do có khả năng vận hành độc lập rất cao, các AUV/ASV có thể hoạt động trong khoảng thời gian từ vài giờ cho đến vài ngày Các AUV/ASV hoạt động dựa trên các chương trình đã được cài đặt sẵn và có khả năng định vị dựa trên các mốc trắc địa tại đáy biển [40] hoặc dựa trên việc kết hợp giữa các thiết bị định vị khác như GPS/INS với các thiết bị truyền thông dưới nước [85] Phụ thuộc vào khả năng chịu áp suất, các AUV/ASV dùng trong nghiên cứu khoa học có thể lặn sâu tới 6000m (hình 1.2), điều đó có nghĩa là chúng có khả năng thu nhận dữ liệu như chụp ảnh đáy đại dương với độ phân giải cao hơn nhiều so với các phương pháp truyền thống như dùng các thiết bị đo đạc siêu âm từ các tàu chuyên dụng trên mặt biển [66]
Hình 1.2.Tàu AutosubAUV 6000 của Anh, dài 5,5m, nặng 1800 kg, phục vụ mục đích nghiên cứu đáy đại dương, khả năng lặn 6000m với hệ thống tránh
va chạm hiện đại [82]
Trong lĩnh vực quân sự, AUV/ASV nổi bật với một số tính năng ưu việt như rà phá bom mìn, chống khủng bố, an ninh an toàn hàng hải [84] Trên hình 1.3 mô tả một số AUV/ASV tiêu biểu phục vụ cho hải quân, như tàu
MK1MOD1 Swordfish có khả năng hoạt động đến 20 giờ, ngoài ra còn có khả
Trang 19năng hoạt động hỗ trợ tác chiến đối với thợ lặn, hay như tàu MK18Mod2 Kingfish có khả năng hoạt động độc lập đến 40 giờ, cũng như khả năng phát hiện và phá hủy thủy lôi tầm xa [55]
MK 18 MOD 1 Swordfish Mk 18 Mod 2 Kingfish
Kingfish Launching Bluefin-12 AUV Operation
Hình 1.3.Một số AUV/ASV tiêu biểu phục vụ trong lĩnh vực hải quân
Tại Việt Nam, các công trình nghiên cứu về tàu tự hành AUV/ASV mới chỉ ở bước tiềm năng và sơ khai với những bước khởi đầu đơn giản [72] Việc tái sử dụng và tùy biến các mô đun điều khiển đã phát triển được áp dụng cho
hệ thống ứng dụng mới nhằm giảm chi phí, thời gian và nhân công sản xuất
và việc xem xét sử dụng các phương thức để phân tích thiết kế hệ thống điều khiển vẫn còn hạn chế Một số đại học lớn cũng đã có những công trình nghiên cứu về rô-bốt tự hành, và các thiết bị AUV/ASV là một trong số những đối tượng đó Tuy vậy, các nghiên cứu mới dừng ở việc đưa ra các mô hình đơn giản chứ chưa đưa ra được một thiết kế hoàn chỉnh có khả năng đưa
Trang 20vào chế tạo thực thi Ví dụ ở nghiên cứu [3], tác giả bước đầu cũng đã đưa ra được mô hình thiết theo thời gian thực hướng đối tượng khá hoàn chỉnh, tuy nhiên luật điều khiển mới dừng mức mô phỏng tuyến tính một đầu vào một đầu ra (SISO) nhằm nghiên cứu các chế độ hoạt động chứ chưa thể đưa vào thử nghiệm và chế tạo một cách hiệu quả
Ngoài ra, cũng đã có một số mẫu tàu ngầm mô hình có người lái do tư nhân tự nghiên cứu chế tạo, có thể kể đến như tàu ngầm Yết Kiêu của ông Phan Bội Chân, hay tàu ngầm Trường Sa của ông Nguyễn Quốc Hòa với tính năng còn rất khiêm tốn như lặn nổi với độ sâu giới hạn hay khả năng mang chở theo người, dù vẫn chưa được các cơ quan Đăng kiểm kiểm chứng
Tàu ngầm Yết kiêu 2 Tàu ngầm Trường Sa
Hình 1.4.Một số tàu ngầm có người lái tự chế tạo ở Việt Nam
Mặc dù rất đáng khích lệ, nhưng những mẫu tàu này được phát triển hoàn toàn dựa trên tính tự phát và chưa thể đưa vào phục vụ cho các mục đích nghiên cứu khoa học, hay thực thi các mục đích quân sự, dân sự khác, như
nhận xét của Giáo sư Carl Thayer, chuyên gia quân sự Úc [52]
1.2 Hệ thống điều khiển AUV/ASV
1.2.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển AUV/ASV
Để một AUV/ASV có thể hoạt động được một cách tự hành, kiến trúc điều khiển của nó phải có ba hệ thống chính [47]: Hệ thống dẫn đường, hệ thống định vị [37] và hệ thống điều khiển
Trang 21Để đạt được mục đích vận hành tối ưu, các hệ thống này tác động qua lại lẫn nhau thông qua các đường truyền tín hiệu và dữ liệu, như được mô tả sơ lược trên hình 1.5
Hình 1.5.Sơ đồ hệ thống dẫn đường, định vị và điều khiển [25]
Hệ thống dẫn đường trong thiết bị tự hành AUV/ASV được sử dụng để tạo ra quỹ đạo yêu cầu để thiết bị chuyển động bám theo khi nhận các tín hiệu
về quỹ đạo mong muốn hay lệnh điều khiển Hệ thống điều khiển có trách nhiệm cung cấp tín hiệu điều khiển tức thời cho phép AUV/ASV di chuyển theo quỹ đạo mong muốn Điều này đạt được bằng cách hệ thống điều khiển nhận trạng thái mong muốn từ hệ thống dẫn đường và các ước lượng vị trí và trạng thái từ hệ thống định vị Sau đó, nó tính toán và đưa ra lực điều khiển tới các cơ cấu truyền động khác nhau trên AUV/ASV thông qua bộ phân phối lực điều khiển nhằm giảm thiểu sai số giữa trạng thái mong muốn và hiện thời Cách này cho phép AUV/ASV di chuyển bám theo quỹ đạo mong muốn ngay cả khi có nhiễu loạn không rõ Các hệ thống định vị bao gồm các phản hồi vận tốc và vị trí được sử dụng để xác định trạng thái hiện thời của
AUV/ASV Ngoài ra, các loại bộ lọc lọc Kalman, tích hợp GPS/IMU cũng
được sử dụng nhằm có được một dự báo tốt nhất trạng thái hoạt động hiện thời và đưa ra cơ chế điều chỉnh cho hệ thống tổng thể
Trang 221.2.2 Hệ thống động lực lai công nghiệp
Trong luận án, hệ thống điều khiển và các cơ cấu chấp hành được mô hình hóa với các sự kiện rời rạc, các ứng xử liên tục cũng như sự kết hợp giữa các thành phần rời rạc và liên tục này; nó được xem như một hệ thống động lực lai công nghiệp (IHDS) [53], [34] Các ứng xử của IHDS được phân bố trên các chế độ hoạt động khác nhau, kết hợp với các qui trình liên quan đến tương tác với người vận hành, thiết kế, giám sát hay bảo dưỡng hệ thống Trong ngữ cảnh điều khiển công nghiệp, IHDS bao gồm phần điều khiển lai
và phần được điều khiển lai với các sự kiện rời rạc và tín hiệu có chu kỳ lấy mẫu tương tác qua lại lẫn nhau [34, 35]
Hình 1.6 mô tả sơ đồ khối của một hệ thống động lực lai công nghiệp điển
hình Trong sơ đồ này, các phần tử E 0 và E i lần lượt là các sự kiện vào và ra;
S 0 và S i lần lượt là các tín hiệu vào và ra; ∆T là khoảng thời gian lấy mẫu của
tín hiệu điều khiển; Các tác nhân 1, 2…n là các thành phần bên ngoài tham
gia tương tác với IHDS Từ cấu trúc của IHDS cũng như từ mô tả về kiến trúc
hệ thống điều khiển AUV/ASV như đã được trình bày ở trên đây, có thể thấy rằng bộ điều khiển AUV/ASV là một hệ thống động lực lai công nghiệp, và
các ứng xử động lực học của nó có thể được mô tả dựa trên Automate lai
(HA) [14, 33, 35]
Hình 1.6 Sơ đồ khối mô tả hệ thống động lực lai công nghiệp điển hình
Trang 23Bởi trên thực tế, bộ điều khiển của AUV/ASV bao gồm các tín hiệu thành phần liên tục và rời rạc cũng như sự tương tác giữa các thành phần liên tục và rời rạc này, ví dụ như tín hiệu di chuyển theo 6 bậc tự do, các sự kiện tương tác từ bên ngoài từ các hệ thống định vị và dẫn đường cũng như các tác nhân ảnh hưởng từ môi trường
1.2.3 Một số bộ điều khiển được ứng dụng trên AUV/ASV
Trong hệ thống điều khiển của AUV/ASV, bộ điều khiển chuyển động, hay còn gọi là bộ điều khiển đóng vai trò vô cùng quan trọng như não bộ của toàn bộ hệ thống điều khiển, có vai trò tiếp nhận và xử lý thông tin thông qua các luật điều khiển, sau đó cung cấp các tín hiệu điều khiển thông qua bộ phân
bố điều khiển tới các cơ cấu chấp hành của AUV/ASV
Các bộ điều khiển đơn giản như PID đã được sử dụng một cách rất rộng rãi do tính đơn giản và dễ dàng trong việc thực thi Bộ điều khiển bám quĩ đạo PID đã được ứng dụng một cách rất thành công trong nghiên cứu của
Wettergreen [81] cũng như trong một số công trình nghiên cứu khác [9, 42]
Bộ điều khiển này là một phần mở rộng của luật điều khiển chuyển động mô men xoắn đã được áp dụng trong công nghệ rô bốt Các bộ điều khiển đơn giản như LQG cũng được phát triển cho AUV/ASV [54], [43] Cùng với sự xuất hiện của các bộ điều khiển đơn giản như PID, LQG các thuật toán điều khiển phức tạp khác cũng lần lượt xuất hiện để ứng dụng trên AUV/ASV Các bộ điều khiển lôgíc mờ đã được đưa ra và thực thi rất thành công trên AUV/ASV tại các nghiên cứu được công bố trong [45], [63], [62] Việc ứng dụng lôgíc mờ vào điều khiển AUV/ASV đã mang lại các giải pháp thích hợp khi các mô hình toán cho thiết bị tự hành này không được nhận biết một cách đầy đủ hoặc không mô tả được tất cả các trường hợp Như vậy, việc thực thi
bộ điều khiển lôgíc mờ trên AUV/ASV đã có thể tránh được sự cần thiết phải cung cấp đầy đủ tất cả các mô hình thủy động lực học của AUV/ASV Tuy
Trang 24vậy, nó cũng có một số điểm hạn chế trong việc thể hiện đầy đủ được các chế
độ vận hành phức tạp của AUV/ASV
Các bộ điều khiển thích nghi cũng đã được sử dụng [75], [76] Việc áp dụng luật điều khiển này cho AUV/ASV rõ ràng để đáp ứng yêu cầu về sự thay đổi động lực học của thiết bị khi vận hành trên biển Ví dụ, bộ điều khiển này có thể tự thay đổi luật điều khiển của nó tùy theo môi trường bên ngoài thay đổi, như việc thay đổi dòng hải lưu, để đạt được mục đích the yêu cầu định ra Hơn nữa, các bộ điều khiển thích nghi cũng rất thích hợp do các thiết
bị tự hành AUV/ASV thường xuyên thay đổi về cấu trúc, hoặc thay đổi về nhiệm vụ yêu cầu, dẫn tới việc thay đổi về tính chất tĩnh học và động lực học của nó
Một số luật điều khiển khác, như bộ điều khiển trượt SMC cũng đã được
áp dụng trên AUV/ASV [39], [74], [38], [48, 86] Trong luật điều khiển này, động lực học của toàn hệ thống được vận hành bởi việc điều khiển chuyển mạch tốc độ cao Bên cạch đó, việc kết hợp giữa các luật điều khiển cao cấp khác nhau cũng được xét đến và ứng dụng trên AUV/ASV Ví dụ bộ điều
khiển Nơ-ron mờ đã được phát triển bởi Mill và Harris [51] trong việc mô
hình hóa bộ điều khiển độ sâu cho AUV/ASV Bộ điều khiển này là sự kết hợp của hai luật điều khiển cao cấp: mạng nơ-ron và lôgic mờ Trong nghiên
cứu của Filaretov [22], theo một cách khác, đã ứng dụng và thực thi luật điều
khiển trượt thích nghi cho việc điều khiển chuyển động của AUV/ASV Một
số nghiên cứu khác có thể xem tại [4, 11, 15, 21, 48] Việc sử dụng kết hợp giữa các luật điều khiển khác nhau làm cho bộ điều khiển của thiết bị tự hành tận dụng được những điểm mạnh của từng luật điều khiển, cũng như giảm bớt được những điểm hạn chế của chúng
1.2.4 Bộ điều khiển tích phân cuốn chiếu
Trong nghiên cứu này, việc thiết kế bộ điều khiển cho AUV/ASV với phương pháp luận dựa trên nền tảng là thuật toán tích phân cuốn chiếu (IB)
Trang 25hay còn gọi là tích phân hồi tiếp Phương pháp này xuất hiện vào khoảng đầu những năm 90 của thể kỷ 20, được đánh giá như một phương pháp thiết kế bộ điều khiển nhiều triển vọng nhất cho các đối tượng phi tuyến Dựa trên cách tính toán đệ qui, phương pháp cho phép tính dần hàm ổn định điều khiển
Lyapunov (CLF); hàm CLF đã được mô tả chi tiết trong các nghiên cứu của Arstein và Sontag [7], [71] Thuật toán này có mối liên quan rất lớn tới
phương pháp phản hồi tuyến tính hóa; tuy vậy, trong khi phương pháp tuyến tính hóa loại bỏ các thành phần phi tuyến trong hệ thống thì thuật toán này
vẫn xét tới một cách rất linh hoạt các thành phần phi tuyến “tốt”, còn với các thành phần phi tuyến được coi là “xấu”, thì có thể được giảm bớt nhờ thêm
vào các thành phần giảm chấn phi tuyến Điều này rất quan trọng, đặc biệt là trong các hệ thống điều khiển công nghiệp, vì việc loại bỏ tất cả các thành phần phi tuyến đòi hỏi một mô hình động lực học chính xác, mà điều này gần như không thể Các bước để thực hiện phương pháp IB được thể hiện rất chi
tiết tại một số nghiên cứu của P.Kokotovíc [80] hay M.Arcak [44]
Đối với ngành hàng hải, Fossen [26] thuộc đại học Hàng Hải Na Uy là
một trong những người đi tiên phong trong việc nghiên cứu và ứng dụng phương pháp điều khiển này vào thiết kế và thực thi các bộ điều khiển trên
các thiết bị tự hành dưới nước Fossen đã đưa ra các phân loại và so sánh giữa
các phương pháp điều khiển khác nhau trên các hệ phi tuyến [61], cũng như đưa ra các hướng dẫn để người thiết kế hệ thống có thể dễ dàng áp dụng luật điều khiển tích phân cuốn chiếu vào thiết kế bộ điều khiển [24]
Trong một số nghiên cứu gần đây cũng đề cập việc ứng dụng của phương
pháp này, ví dụ trong nghiên cứu của Xuetao Chen và Woei Wan Tan [15], bộ
điều khiển tàu thủy bám theo quỹ đạo, có xét đến nhiễu môi trường đã được thiết kế và triển khai dựa vào thuật toán tích phân cuốn chiếu thích nghi theo
tiêu chuẩn ổn định Lyapunov Hoặc trong nghiên cứu của Yu-lei Liao [48], IB
cũng được ứng dụng cho các thiết bị tự hành với số bậc tự do hạn chế
Trang 26Như vậy có thể thấy so với các phương pháp truyền thống khác, IB là một trong những giải thuật khả thi và hiệu quả trong việc ứng dụng trên các bộ điều khiển đối với các hệ thống động lực học phi tuyến nói chung hay trên các AUV/ASV nói riêng
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 cảnh sản xuất công nghiệp, việc tái sử dụng và tùy biến các mô đun điều khiển đã phát triển được áp dụng cho hệ thống ứng dụng mới là rất quan trọng, nhằm giảm chi phí, thời gian và nhân công sản xuất; đặc biệt là có thể làm chủ được công nghệ tránh phải nhập khẩu từ nước ngoài Do đó trong nghiên cứu này, luận án đã chọn công nghệ hướng đối tượng (OOT) dựa trên công nghệ hướng theo mô hình (MBSE) để phát triển hệ thống điều khiển thiết bị tự hành dưới nước AUV/ASV bởi các tính nổi bật của phương pháp này thể hiện thông qua các điểm sau:
- Phương pháp phân tích và thiết kế hướng đối tượng thực hiện theo các thuật ngữ và khái niệm của phạm vi lĩnh vực ứng dụng, nên lối tiếp cận này khiến cho việc giao tiếp giữa các mô hình với nhau được dễ dàng hơn
- Một trong những ưu điểm quan trọng bậc nhất của phương pháp phân tích và thiết kế hướng đối tượng là tính tái sử dụng: có thể tạo các thành phần một lần và sử dụng chúng nhiều lần sau đó
- Các thành phần đối tượng hay nhóm đối tượng đã được thử nghiệm trong lần dùng trước đó, nên khả năng tái sử dụng đối tượng có tác dụng giảm thiểu lỗi và các khó khăn trong việc bảo trì, giúp tăng tốc độ thiết kế và phát triển phần mềm điều khiển công nghiệp
Khi tiếp cận với những bài toán xây dựng các hệ thống lớn, phức tạp, hay còn được gọi là "hệ thống của hệ thống", sự cộng tác giữa các nhóm trong một dự án đóng một vai trò quyết định Vấn đề được đặt ra là đội ngũ các
Trang 27chuyên gia phải nói cùng một “ngôn ngữ” để giải quyết cùng một “vấn đề”
“Vấn đề” ở đây là mô hình hệ thống và cơ chế giao tiếp phải được hỗ trợ bởi các tiêu chuẩn, sự linh hoạt và các ngôn ngữ mô hình hóa thân thiện Công nghệ MBSE hiện đang là một giải pháp pháp khả thi nhất
1.3.2 Công nghệ hệ thống hướng theo mô hình
cơ khí, tự động hóa Một định nghĩa đơn giản hơn về MBSE được nêu bởi
Mellor [50] MBSE đơn giản chỉ là cách thức tổ chức các mô hình của một hệ
thống mà từ đó có thể hiểu và biến đổi nó thành những thứ có thực
Với cách tiếp cận MBSE, các kỹ sư hệ thống cũng thực hiện các hoạt động tương tự đối với một vòng đời sản phẩm và cuối cùng cũng tạo ra các thành phần tương tự như đối với cách tiếp cận hướng dữ liệu tại đầu ra Trong cách tiếp cận theo hướng MBSE, phần cốt lõi các thành phần trong hệ thống
sẽ được liên kết một cách hệ thống và chặt chẽ, được tạo ra từ các công cụ MBSE Tất cả các kết xuất đầu ra sẽ được tạo ra một cách tự động từ các mô hình của hệ thống sử dụng chung công cụ mô hình hóa Khi có các thay đổi từ bất cứ thành phần nào trong hệ thống, tất cả các mô hình liên quan sẽ được tự động cập nhật và thay đổi, tự động đưa ra các phản hồi cũng như các kết quả liên quan Hình 1.7 là một ví dụ về thiết kế hệ thống theo hướng tiếp cận
MBSE bằng ngôn ngữ mô hình hóa hệ thống SysML Ở đây, các khối mô tả về
kiến trúc, ứng xử, yêu cầu, thông số được liên kết chặt chẽ với nhau tại các
mô hình con phía bên trong Ví dụ khi có sự thay đổi về các yêu cầu thì các
mô hình liên quan sẽ tự động thay đổi theo tại các khối còn lại, và hệ thống sẽ
Trang 28tự động đưa ra các thông số mới của mô hình vật lý tại đầu ra Đây là điểm rất
ưu việt so với cách tiếp cận hướng dữ liệu truyền thống
Hình 1.7 Một ví dụ về tiếp cận MBSE trong thiết kế hệ thống [65] 1.3.2.2 Thành phần chính của MBSE
Để thực hiện phân tích, thiết kế và thực thi hệ thống theo hướng tiếp cận MBSE thì người phát triển 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) Trong quá trình xây dựng, các kỹ sư hệ thống sẽ sử dụng công cụ
mô hình hóa để thực hiện một loạt các tác vụ yêu cầu thiết kế dựa trên phương pháp mô hình hóa, đưa các thành phần mô hình hóa vào tích hợp với hệ thống
và được đặc tả theo một ngôn ngữ mô hình hóa tiêu chuẩn [17]
Hình 1.8 Các thành phần chính của công nghệ hệ thống theo mô hình
Trang 29- Ngôn ngữ mô hình hóa: Khi tạo ra các mô hình trong hệ thống, nghĩa là
đang sử dụng một ngôn ngữ khác với ngôn ngữ giao tiếp hàng ngày Với phương pháp tiếp cận MBSE, các kỹ sư hệ thống thường sử dụng ngôn ngữ
mô hình hóa hệ thống SysML để xây dựng nên các mô hình của cấu trúc hệ thống, ứng xử, yêu cầu cũng như các ràng buộc SysML [58] cũng là ngôn ngữ
được sử dụng trong luận án này, nhưng nó không phải là ngôn ngữ mô hình hóa duy nhất được sử dụng Một số ngôn ngữ mô hình hóa khác cũng đã và
đang được sự dụng bởi các kỹ sư hệ thống và các nhà phân tích, như: UML, MARTE, SoaML [67]; một số ngôn ngữ mô hình hóa dạng ký tự như Verilog, Modelica [16] Việc sử dụng mỗi loại ngôn ngữ tùy thuộc vào phương pháp
luận cụ thể cũng như tùy thuộc vào các đặc trưng ràng buộc của các hệ thống khác nhau
- Công cụ mô hình hóa: Các công cụ mô hình hóa theo hướng tiếp cận MBSE được thiết kế và thực thi để phù hợp với những qui luật của một hoặc nhiều hơn các ngôn ngữ mô hình hóa, cho phép các kỹ sư hệ thống tạo dựng
hệ thống theo ngôn ngữ đã có một cách nhanh chóng và chặt chẽ Công cụ mô
hình hóa khác so với các công cụ đồ họa như Visio, Schematic, SmartDraw
Đối với các công cụ đồ họa, khi xây dựng các mô hình hay các biểu đồ, chỉ đơn giản là người dùng sử dụng các mô hình hay biểu đồ đó, còn đối với công
cụ mô hình hóa, bên dưới các mô hình hay biểu đồ là hàng loạt các mô hình con với các liên kết chặt chẽ với nhau, phân chia thành các lớp khác nhau Khi có một thay đổi nào đó ở từng mô hình, thì thay đổi đó sẽ được tự động cập nhật tới toàn bộ các mô hình khác có liên quan trên toàn bộ hệ thống Một
số các công cụ mô hình hóa có thể được liệt kê như: Agilian của Visual Paradigm, Enterprise Architech của SparxSystem, Umodel của Altova hay Rhapsody của IBM [79] Luận án sử dụng công cụ RationalRhapsody của nhà phát triển IBM, do những đặc trưng trong việc hỗ trợ với ngôn ngữ SysML
cũng như dễ dàng cho phép kết hợp với những ngôn ngữ mô hình hóa mô phỏng khác
Trang 30- Phương pháp luận và qui trình: Ngôn ngữ mô hình hóa và công cụ mô hình hóa chỉ là các bước đầu tiên khi tiếp cận MBSE Để xây dựng hệ thống thì thành phần quan trọng nhất đó là phương pháp để thực hiện việc xây dựng nên các mô hình và qui trình để thực hiện nó [10] Hay nói một cách khác, qui trình là một tập hợp các hành động có liên quan để biến đổi các thành phần từ
đầu vào cho tới đầu ra để giải quyết cho câu hỏi làm gì, còn phương pháp là
những kĩ thuật để thực hiện các tác vụ mà quy trình đã đề ra, giải quyết cho
câu hỏi như thế nào Một tập hợp của phương pháp, quy trình kết hợp với một
ngôn ngữ cụ thể, công cụ cụ thể tạo thành phương pháp luận MBSE [65] Một số các phương pháp luận MBSE rất mạnh và được sử dụng rộng rãi, đã được khái quát trong nghiên cứu [20] và được tóm tắt trong bảng 1.1
Bảng 1.1 Một số phương pháp luận MBSE
2 Harmony SE
/IBM
Phát triển dựa trên mô hình Vee SysML Rhapsody
TAU
Trang 313 OOSEM
/INCOSE
Phát triển dựa trên mô hình Vee kết
hợp với kiểu mẫu hướng đối tượng
CORE
5 OPM/Prof.Dori Phát triển theo mô hình hướng đối
tượng, tiếp cận hướng qui trình với phương pháp luận đối chiếu
OPDs/OPL OPCAT
1.3.2.3 Một số ứng dụng của MBSE trong công nghiệp
Các ứng dụng của MBSE 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 Bell Labs trong những năm 1940,
bộ quốc phòng Mỹ trong những năm 1950, NASA trong những năm 1960 của thế kỷ trước là những tập đoàn đi tiên phong trong việc nhận thức phát triển theo công nghệ hệ thống
Với sự tăng lên không ngừng sự phức tạp, đa dạng của các hệ thống, với con người, công nghệ, phần cứng, phần mềm càng làm tăng cao sự phát triển của kỹ thuật và ứng dụng theo hướng mô hình [29] Một số nghiên cứu
Trang 32và ứng dụng điển hình trong công nghiệp xây dựng theo hướng tiếp cận MBSE sẽ được đề cập các nét khái quát dưới đây
Trong nghiên cứu của mình, Mandutianu [49] đã đưa ra một thiết kế ứng
dụng đối với thiết bị tự hành trong lĩnh vực không gian, sử dụng phương pháp luận OOSEM Trong nghiên cứu này, ông đã chỉ ra rất nhiều lợi ích triển vọng với hướng tiếp cận MBSE, như tăng cường giao tiếp thông tin giữa nhóm thiết kế, kỹ sư hệ thống đối với những yêu cầu từ khách hàng, sự ổn định cao của hệ thống giữa các pha điều khiển khi thực hiện các tác vụ khác nhau, sự giảm thiểu lỗi của hệ thống, giảm chi phí và thời gian phát triển
Simpkins [68] đã đưa ra một trong những ứng dụng khá thực tế, được xây
dựng dựa trên hướng tiếp cận MBSE, sử dụng phương pháp luận Vitech cho
hệ thống bãi đỗ xe tự động Nhờ vậy, trong báo cáo thuyết minh về dự án của mình, ông kết luận điểm lợi ích lớn nhất khi áp dụng công nghệ này là đã giải quyết được nhiều vấn đề cốt lõi một cách nhanh chóng, ví dụ như: nhanh chóng cải tiến dựa trên những phản hồi của khách hàng, nhanh chóng truy vết lỗi trong hệ thống, tự động kết xuất báo cáo nhờ vậy đã tiết kiệm được rất nhiều thời gian và chi phí cho nhà phát triển cũng như doanh nghiệp
Soyler và Diakanda [73] đã đề xuất đưa phương pháp tiếp cận theo hướng
MBSE một cách tổng thể để xây dựng cấu trúc và hình thái ứng xử của hệ thống quản lý cảnh báo thiên tai Và hệ thống đã đạt được nhiều lợi ích, góp phần quan trọng thực tế cuộc sống cũng như trong công tác nghiên cứu khoa học
Trong một số lĩnh vực khác như y học cũng đã có một số nghiên cứu và thành công nhất định trong việc ứng dụng xây dựng hệ thống theo hướng tiếp
cận MBSE Haan trong nghiên cứu [32] đã đưa ra ứng dụng của MBSE vào phát triển hệ thống quản lý sức khỏe Các mô hình SysML đã được sử dụng để
kiểm chứng và đưa ra các tiên lượng chính xác đối với sức khỏe người bệnh Tác giả cho rằng việc ứng dụng thành công công nghệ này trong y học là một
Trang 33trong những bước tiến lớn trong việc cung cấp các dịch vụ tốt hơn cho con người
1.4 Cấu hình vật lý bài toán áp dụng
Từ các phân tích tổng quan ở trên, cũng như từ các yêu cầu về hệ thống điều khiển đối với thiết bị tự hành AUV/ASV, luận án đã đưa ra giải pháp nghiên cứu cụ thể như sau:
Về phương pháp luận
Trong nghiên cứu, phương pháp luận OOSEM được sử dụng nhằm phân tích, thiết kế và thực thi đối với AUV/ASV Phương pháp này đã được tiêu
chuẩn hóa và được sử dụng bởi DeepBlueTech [59] đối với các dự án phát
triển tàu ngầm cũng như các thiết bị tự hành dưới nước Chi tiết về qui trình OOSEM được trình bày trong các chương tiếp theo của luận án
Khi sử dụng OOSEM luận án sử dụng SysML là ngôn ngữ mô hình hóa hệ thống, được viết và mô hình hóa trong môi trường phần mềm Rational Rhapsody của nhà phát triển IBM Hơn nữa, để thuận tiện cho việc mô phỏng
và thực thi, ngôn ngữ mô phỏng Modelica cũng được tích hợp và chuyển đổi
từ SysML qua phần mềm mã nguồn mở OpenModelica [27] cho phép dễ dàng
hơn trong pha mô phỏng và thực thi bộ điều khiển AUV/ASV
Về kiến trúc và luật điều khiển
Luận án đưa vào luật điều khiển IB kết hợp với EKF cho bộ điều khiển của AUV/ASV trên nền Automate lai (HA) Luật điều khiển này được tích
hợp qua vi điều khiển và được ứng dụng chạy thử nghiệm trên thiết bị AUV/ASV với các thông số kỹ thuật mô tả trên bảng 1.2 [3], nhằm đánh giá khả năng bám quỹ đạo và tính ổn định của thiết bị khi vận hành
Trang 34Bảng 1.2 Thông số kỹ thuật thiết bị tự hành AUV/ASV
Thời gian hoạt động trung bình 30 phút
Trong chương này, luận án đã trình bày nghiên cứu tổng quan về thiết bị
tự hành AUV/ASV bao gồm các điểm chính sau:
- Sơ lược về thiết bị tự hành trên biển AUV/ASV cũng như các ứng dụng tiêu biểu nhất đang được ứng dụng của thiết bị này
- Tổng quát về các hệ điều khiển cũng như các luật điều khiển có thể được
áp dụng trên thiết bị tự hành AUV/ASV
- Giới thiệu tổng quan về phân tích thiết kế hệ thống hướng đối tượng theo cách tiếp cận MBSE cũng như phương pháp luận OOSEM đối với các hệ thống động lực công nghiệp
- Lựa chọn giải pháp nghiên cứu cho hệ thống điều khiển cũng như cấu hình ứng dụng của thiết bị AUV/ASV
Trang 35CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG VÀ THI
HÀNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TỰ HÀNH AUV/ASV
2.1 Mô hình động lực học điều khiển tổng quát AUV/ASV
2.1.1 Các hệ tọa độ
Theo SNAME 1950 [70], các thành phần chuyển động, lực và mô men tác
động lên thiết bị dưới nước được thể hiện như trong bảng 2.1
Bảng 2.1 Các ký hiệu SNAME cho AUV/ASV
Vị trí và góc Ơle
3 Chuyển động lên xuống theo
Hình 2.1 biểu diễn các hệ trục tọa độ BODY và NED trong nghiên cứu
động lực học của thiết bị dưới nước Các hệ tọa độ này có thể được tham khảo
chi tiết tại các tài liệu [70]
Trang 36Hình 2.1 Các hệ tọa độ thiết bị dưới nước
Chuyển động trong hệ toạ độ BODY được mô tả là hệ tọa độ chuẩn quán tính; với AUV/ASV, người ta thường coi gia tốc tại một điểm trên bề mặt trái đất có thể bỏ qua do sự quay của trái đất hầu như không ảnh hưởng gì đến tốc
độ của AUV/ASV Chính vì thế nên ta coi hệ toạ độ NED cũng là hệ toạ độ chuẩn quán tính, do đó mà vị trí và hướng của AUV/ASV có thể mô tả tương đương trong hệ tọa độ chuẩn quán tính, khi đó vận tốc dài và vận tốc góc của AUV/ASV có thể được biểu diễn trong hệ tọa độ BODY
2.1.2 Phương trình động lực học tổng quát AUV/ASV
Như đã trình bày ở trên, cả hai hệ tọa độ NED và BODY đều có những đặc trưng hữu dụng trong thiết kế điều khiển AUV/ASV; và có thể chuyển đổi các thông số chuyển động giữa hai hệ tọa độ này với nhau tùy theo mục đích
sử dụng
Trong quá trình hoạt động, một thiết bị dưới nước chuyển động theo 6 bậc
tự do được biểu diễn bởi phương trình sau [1], [25, 26, 46]:
Trang 37Trong đó:
ν = (u, v, w, p, q,r ) T là véc tơ vận tốc của AUV/ASV trong hệ quy chiếu gắn với thiết bị;
η = (x,y, z, ϕ,θ,ψ ) T là véc tơ vị trí toạ độ và góc Ơ-le;
M = M RB + M A là ma trận quán tính 6×6 bao gồm vật rắn chuyển động
M RB và khối lượng bổ sung M A;
C(ν)=C RB (ν)+C A (ν) là ma trận Coriolis của vật rắn C RB và khối lượng bổ
là véc tơ lực điều khiển, =(X, Y, Z, K, M, N)T ;
g o là véc tơ lực và mô men dùng để điểu khiển cân bằng;
là véc tơ lực gây ra bởi nhiễu do tác động của môi trường như sóng, gió
và dòng hải lưu
2.1.3 Tác động của môi trường tới AUV/ASV
Tác động của môi trường ảnh hưởng tới AUV/ASV được xét tới là sóng nước khi AUV/ASV chạy nổi trên mặt phẳng ngang Quá trình tạo sóng do những cơn gió làm xuất hiện trên mặt nước những đợt sóng gợn nhỏ, điều này
sẽ làm tăng lực cản đối với AUV/ASV nổi và làm cho những con sóng ngắn
sẽ lớn hơn, những con sóng sẽ còn tiếp tục lớn lên cho đến khi nó bị tan ra và năng lượng của nó bị suy giảm đi
Phổ sóng là thuật ngữ mô tả toán học sự phân bố năng luợng của sóng với tần số và hướng của nó Một phổ sóng bao gồm một dải sóng nhiều tần số Khi có gió mạnh sẽ tạo nên những con sóng với tần số lớn và một phổ sóng có
Trang 38đỉnh rất cao Sau khi gió kết thúc thì những con sóng có tần số thấp sẽ bị phân
rã hay còn được gọi là sóng cồn Nếu sóng cồn lại ảnh hưởng đến một con sóng từ một nguồn khác thì ta sẽ quan sát được một phổ sóng với hai đỉnh, trong luận án chỉ tập trung vào một con sóng với một đỉnh như hình 2.2
Sự tạo sóng thường thường được diễn tả là tổng của rất nhiều các thành phần của các con sóng với tần số khác nhau Chính vì thế có thể diễn tả trạng thái không đồng đều của bề mặt biển bằng cách sử dụng xếp chồng tuyến tính các con sóng
Mặt cắt , của một con sóng không đồng đều truyền dọc theo chiều
dương trục x được viết là một tổng của tất cả các con sóng
Trang 39, ∑ ∑ 2
Trong đó là góc pha bất kì và có giá trị không đổi thuộc 0,2
Lực và mô men do sóng tạo ra, từ biểu thức (2.7) ta có được độ dốc của
Trong đó: là tần số sóng tức thời của sóng thứ i
Để tính được lực và mô men thì Zuidneg [37] đã đưa ra các giả định:
- Lực và mô men là kết quả của áp suất nước tác dụng lên bề mặt
AUV/ASV
- Trường tác dụng của sóng không bị phân tán bởi AUV/ASV
- Các ảnh hưởng tác dụng của sóng được tính là sự phân bố áp suất phía
dưới bề mặt nước, khi đó:
Trang 40= ó (2.8) Trong đó véc tơ là véc tơ xét tới ảnh hưởng nhiễu môi trường đã được định nghĩa trong phương trình (2.1); ó ó , ó , ó
Đối với AUV/ASV phần ngập dưới nước coi như là một mặt phẳng song song với chiều dài L, bề rộng B và lực kéo T [23], khi đó ta có:
2.2.1 Luật dẫn đường thiết bị AUV/ASV
2.2.1.1 Quỹ đạo tham chiếu AUV/ASV
Như đã trình bày về cấu trúc tổng quát hệ thống điều khiển của AUV/ASV, hệ thống dẫn đường đóng vai trò có nhiệm vụ tính toán và đưa ra các dữ liệu về vị trí, vận tốc và gia tốc mong muốn của thiết bị AUV/ASV Các dữ liệu này sau đó sẽ được sử dụng là một quỹ đạo tham chiếu mong muốn trong hệ thống điều khiển chuyển động Dữ liệu các điểm lộ trình (WP)
chứa một tập hợp các véc tơ tọa độ điểm (x k , y k , z k ) T , tốc độ U k và góc quay trở
ψ k Luận án chỉ xét đến chuyển động của AUV/ASV trên mặt phẳng ngang, quỹ đạo AUV/ASV có thể được chia thành 2 thành phần (θk-1 , θ k ) với θ t là biến quỹ đạo vô hướng, được sử dụng để thiết lập quỹ đạo mong muốn AUV/ASV, và được biểu diễn qua các đa thức sau:
