Phân tích thuỷ động lực học và thiết kế hệ thống điều khiển theo công nghệ hướng đối tượng cho phương tiện tự hành dưới nước

MỞ ĐẦU

1. Mục đích và đối tƣợng nghiên cứu của luận án:
-

Ngày nay, việc nghiên cứu về đại dƣơng rất cần các phƣơng tiện tự
hành dƣới nƣớc (AUV) để ứng dụng trong dân sự và quân sự.

-

Phần lớn các thiết bị trên tàu thủy đang phải nhập khẩu đặc biệt là thiết
bị công nghệ cao trong đó có thiết bị điều khiển. Việc nghiên cứu sản
xuất trong nƣớc sẽ tăng tính chủ động trong sản xuất, giảm chi phí nhập
khẩu, đặc biệt là giảm sự lệ thuộc vào bí mật công nghệ của nƣớc ngoài.

-

Đối tƣợng nghiên cứu của luận án là AUV mô hình mô phỏng và 1
AUV mô hình thực tế với mục đích:
+ Tính toán mô phỏng động lực học của nó từ đó phân tích, thiết kế và
thực thi hệ thống điều khiển theo công nghệ hƣớng đối tƣợng.
+ Thiết kế chi tiết của hệ thống này có thể dễ dàng tái sử dụng điều
khiển cho các AUV khác với các yêu cầu luôn luôn thay đổi và tính
phức tạp ngày càng tăng cao của hệ thống điều khiển.

2. Phƣơng pháp nghiên cứu đã sử dụng:
-

Luận án đã đặt vấn đề nghiên cứu động lực học và điều khiển phƣơng
tiện tự hành dƣới nƣớc nhƣ một đối tƣợng điều khiển và đề ra phƣơng
pháp giải bài toán động lực học và điều khiển, đồng thời ứng dụng công

nghệ hƣớng đối tƣợng để điều khiển.

-

Các kết quả nghiên cứu đƣợc tính toán theo lý thuyết, mô phỏng trên
máy tính cũng nhƣ thực nghiệm trên mô hình theo toàn đồ sau:
Trong đó:
+ Kết quả số 1: minh họa mô phỏng đánh giá cấu trúc điều khiển đề
xuất bằng Mathlab

1


+ Kết quả số 2: Các kết quả mô phỏng cho các trƣờng hợp khác nhau
bằng OpenModelica
+ Kết quả số 3: Kết quả thực nghiệm trên mô hình AUV

3. Các kết quả chính:
-

Nghiên cứu, tính toán thiết kế và chế tạo 1 mô hình tàu lặn.

-

Phân tích động lực học và xây dựng phƣơng trình chuyển động của tàu
lặn đồng thời phân tích mô phỏng trên máy tính.

-

Nghiên cứu công nghệ có tích hợp hƣớng đối tƣợng và thiết bị dẫn

đƣờng trong thời gian thực để phân tích, thiết kế và chế tạo hệ thống
điều khiển cho tàu lặn, ứng dụng cho mô hình tàu lặn tƣơng tự.

-

Chế tạo và thử nghiệm thành công tàu lặn mô hình từ đó tác giả xây
dựng thuật toán điều khiển và hệ thống điều khiển từ đó có thể dễ
dàng tùy biến, tái sử dụng cho các ứng dụng điều khiển phƣơng tiện tự
hành dƣới nƣớc khác nhau.

4.

Cấu trúc luận án
Luận án gồm 140 trang, mở đầu 5 trang, chƣơng 1 : 30 trang, chƣơng
2: 28 trang, chƣơng 3 : 22 trang, chƣơng 4 : 09 trang, kết luận 02 trang,
danh mục công trình công bố: 02 trang, phụ lục: 27 trang.

2


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG TIỆN TỰ HÀNH
DƢỚI NƢỚC VÀ PHƢƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG,
THỰC THI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
1.1. PHÂN TÍCH TỔNG QUAN HỆ THỐNG
1.1.1. Mô hình yêu cầu

Sơ đồ khối điều khiển, định vị và dẫn đƣờng của AUV
1.1.2. Mô hình động lực học điều khiển

̇

( )
̇

( )

( )

( )

1.2. MỘT SỐ LUẬT VÀ PHÂN PHỐI ĐIỀU KHIỂN CHO AUV
Có nhiều phƣơng pháp và luật điều khiển khác nhau đã đƣợc thực
hiện cho các hệ thống tàu ngầm trên thế giới, trong đó có AUV. Giải thuật
PID đã đƣợc sử dụng thành công để điều khiển các loại máy khác nhau bao
gồm cả phƣơng tiện tự động. Tuy nhiên, PID thƣờng đƣợc sử dụng cho AUV
rất đơn giản làm việc trong môi trƣờng mà không nhiễu loạn bên ngoài. Một
giải thuật thay thế đƣợc gọi là điều khiển trƣợt (SMC) đã đƣợc chứng minh

3


hiệu quả hơn khi xử lý mô hình động lực học phi tuyến với nhiễu loạn phi
tuyến. sử dụng các giải thuật chuyển đổi phi tuyến để có đƣợc một đáp ứng
quá độ nhanh nhằm giữ trạng thái ổn định cho hệ thống.


Bộ điều chỉnh PID

Bộ điều chỉnh PID có nhiệm vụ đƣa sai lệch của hệ thống về “0” sao cho quá
trình quá độ thoả mãn các yêu cầu về chất lƣợng.



Giải thuật SMC
( ) ̈

( ̇

)

( )

) biễu diễn các động lực học phi tuyến bao gồm các
Ở đây ( ̇
lực ly tâm và Coriolis, các lực giảm chấn tuyến tính và phi tuyến, lực và mô
men của trọng trƣờng và nổi cùng với các nhiễu loạn tác động bên ngoài.
Mặt điều khiển trƣợt đƣợc xác định nhƣ sau:
̇
( )

( )

Vì vậy, vấn đề điều khiển đƣợc đơn giản hóa khi mà một luật điều
khiển đƣợc áp dụng nhƣ là:
( )
( ̇

)

( ) ( ̇

)

Nếu η đƣợc thay thế bởi sai lệch giữa các trạng thái hiện tại và mong
muốn của AUV thì có thể đƣợc thấy rằng ứng dụng luật điều khiển này sẽ
cho phép AUV theo vết một quỹ đạo đã định trƣớc.

4


1.3. CÁC PHƢƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG VÀ THỰC
THI ÁP DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN AUV
* AUV với hệ thống động lực lai
Hiện nay, các hệ thống điều khiển tự động công nghiệp có thể phân
theo các loại sau: hệ thống tự đáp ứng, hệ thống thời gian thực và hệ thống
động lực lai.
Xuất phát từ mô hình động lực học điều khiển của AUV và các đặc
tả về hệ thống động lực lai, hệ thống điều khiển AUV có thể xem nhƣ là một
hệ thống động lực lai công nghiệp và đƣợc gọi là AUV – HDS. Trong hệ
thống này có các phần liên tục/rời rạc và tác động qua lại giữa các phần đó,
nhƣ là: các chuyển động trƣợt dọc, trƣợt ngang, trƣợt đứng, các chuyển động
quay và các tác động từ môi trƣờng biển do sóng, gió và dòng hải lƣu.

* Ngôn ngữ mô hình hóa để thiết kế:
- UML là một ngôn ngữ đồ họa để trực quan hóa, mô tả, xây dựng hệ thống
do G. Booch, J. Rumbaugh và I. Jacobson UML bao gồm các ký hiệu: lớp,
đối tƣợng, thông điệp.
- UML đem lại cho ngƣời sử dụng phƣơng pháp chuẩn để viết bản thiết kế
hệ thống
-Real time UML: là UML trong thời gian thực, bao gồm các ký hiệu của
UML và các ký hiệu gói, cổng, giao thức trong hệ thống phức tạp.

* Phân tích, thiết kế điều khiển AUV- HDS
- Trƣớc đây, ngƣời ta phân tích, thiết kế điều khiển theo kiểu hƣớng thủ tục
hoặc hƣớng dữ liệu.
- Phƣơng pháp phân tích, thiết kế tiên tiến hiện nay là hƣớng đối tƣợng
(Object-oriented). Ƣu điểm lớn nhất của phân tích, thiết kế hƣớng đối tƣợng

5


là nó gần với thực tế và do đó thúc đẩy việc tái sử dụng lại những thành quả
đã xây dựng đƣợc.
- Ƣu điểm lớn nhất của phân tích, thiết kế phần mềm hƣớng đối tƣợng không
phải nằm ở chỗ tạo ra chƣơng trình nhanh tốn ít công sức, mà nằm ở chỗ nó
gần với thực tế và do đó thúc đẩy việc tái sử dụng lại những thành quả đã
xây dựng đƣợc nhƣ mã lệnh hay bản thiết kế.
* Phƣơng pháp mô phỏng và thực thi:
- Việc mô phỏng của hệ thống công nghiệp là một nhu cầu tất yếu.
- Xuyên suốt toàn bộ quá trình thực hiện một dự án, từ ý tƣởng thiết kế cho
đến thực hiện và vận hành hệ thống, mô phỏng cho phép kiểm tra, đánh giá
nhiều phƣơng án khác nhau, từ đó lựa chọn đƣợc phƣơng án thích hợp nhất
để thực thi.
- Các phần mềm mô phỏng ngày càng trở nên linh hoạt, mạnh mẽ, thân
thiện và gần gũi. Trong khuôn khổ luận án sử dụng ngôn ngũ mô phỏng là
ngôn ngữ Modelica và MATLAB.
CHƢƠNG 2. PHÂN TÍCH VÀ MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG LỰC HỌC
CỦA AUV
Mô hình hóa và mô phỏng động lực học AUV là một bƣớc quan
trọng trong chƣơng trình. AUV sẽ đƣợc mô hình hóa và mô phỏng động lực
học nhằm khảo sát, đánh giá và lấy số liệu các thông số động lực học tàu lặn
phục vụ cho thiết kế hệ thống điều khiển. Chƣơng này tập trung vào việc mô

hình hóa và mô phỏng động lực học tàu lặn gồm các nội dung chính sau:
- Tổng quan về động lực học tính toán (CFD) và mô phỏng động lực
học AUV, lý thuyết tính toán cơ bản và công cụ hỗ trợ mô hình hóa và mô
phỏng động lực học AUV.
- Quy trình mô hình hóa và mô phỏng động lực học AUV.
- Phân tích đánh giá động lực học tàu lặn thiết kế qua mô hình hóa
và mô phỏng động lực học.
- Lựa chọn cấu trúc hệ thống điều khiển cho AUV - HDS.
- Chi tiết cấu trúc Automate lai điều khiển cho AUV và một số kết
quả mô phỏng.

6


2.1.MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC PHƢƠNG
TIỆN DƢỚI NƢỚC
2.1.1.Vai trò mô hình hóa và mô phỏng động lực học phƣơng tiện tự
hành dƣới nƣớc
Việc tính toán nghiên cứu tƣơng tác giữa nƣớc với phƣơng tiện rất
phức tạp, vấn đề này sẽ đƣợc giải quyết với sự phát triển mạnh mẽ của công
nghệ, có thể trợ giúp con ngƣời giải quyết những vấn đề này. CFD là một lựa
chọn tất yếu.
2.1.2. Tổng quan về CFD
CFD có nghĩa là tính toán động lực học chất lƣu có trợ giúp của máy
tính là một ngành khoa học tính toán chuyên dự đoán các đặc tính của dòng
chất lƣu, các quá trình nhiệt động học, các phản ứng hóa học, v.v…
2.2. CÔNG CỤ HỖ TRỢ VÀ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TRONG MÔ
HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC AUV
2.2.1. Công cụ hỗ trợ tính toán
Ansys hiện nay là một phần mềm rất mạnh và đƣợc dùng rộng rãi

trong lĩnh vực mô phỏng số. Ansys cung cấp các khả năng tính toán mô
phỏng với rất nhiều dạng mô hình từ mô hình vật rắn, thể lỏng, khí hay hóa
học, điện từ trƣờng, v.v… Ngoài ra, Ansys Fluent là một phần trong gói phần
mềm Ansys về động lực học dòng chất lƣu; nó có thể đƣợc sử dụng mô
phỏng dòng chảy chất lỏng, nhiệt với dạng hình học phức tạp. Để tiến hành
tính toán mô phỏng trong Ansys Fluent cần phải trải qua các bƣớc cơ bản mô
tả ngắn gọn trên Hình 2.1.

7


2.2.2. Lý thuyết tính toán đƣợc sử dụng trong công cụ hỗ trợ
Fluent sử dụng phƣơng pháp thể tích hữu hạnđể giải các phƣơng
trình mô tả đặc tính cho các bài toán khác nhau, trong phạm vi bài toán mô
phỏng dòng chảy thì phƣơng trình cơ bản chính là phƣơng trình liên tục:

t


 div  V  0

 

Mô hình k- mô hình bán thực nghiệm cho nên có nhiều hằng số
đƣợc định nghĩa trƣớc đòi hỏi ngƣời sử dụng phải hiểu rõ bài toán. Mô hình
này áp dụng việc giải độc lập hai phƣơng trình chuyển động với năng lƣợng
động học rối (k) và tỉ lệ khuyếch tán của nó ():

t

k  


xi

  ku i  

t
 
   
 x j  
k

 k

 x
j



  G k  G b    Y M  S k


(2.4)

t

   



xi

  u i  

t
 
   
 x j  
k

2
  






C
G

C
G

C

 S

1


k
3

b
2

 x
k
k
 j 

2.3. QUI TRÌNH MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC
AUV
Để mô hình hóa và mô phỏng động lực học tàu ta sử dụng gói
FluidFlow (Fluent) trong môi trƣờng Workbench của Ansys và phần mềm hỗ
trợ xây dựng mô hình là Solidworks. Trình tự tính toán tổng quan nhƣ trên
Hình 2.2 dƣới đây.

Hình 2.2. Trình tự mô phỏng động lực học trong FluidFlow
Bƣớc1-2 (Geometry): Xây dựng mô hình trên Solidworks sau đó đƣa
vào Workbench thực hiện mô phỏng.

8


Bƣớc 3 (Meshing): Chia lƣới.
Bƣớc 4 (Setup): Chọn mô hình toán khai báo.
Bƣớc 5 (Solution): Tính toán trong Fluent.
Bƣớc 6 (Results): Kết xuất kết quả trong CFD-Post.
2.3.1. Xây dựng mô hình hình học

Thông số cơ bản của AUV mô hình (tàu lặn tự hành mô hình)
- Kích thƣớc: Dài x Rộng x Cao: 1,5m x 0,20m x 0.20m.
- Hình dáng: Dạng hình trụ thon 2 đầu, có 04 bánh lái bố trí ở vùng
đuôi, chân vịt 2 cánh bố trí sau cùng.
- Kích thƣớc bánh lái: Bl x Hl = 0,06m x 0,04m.
- Khối lƣợng: 11,2 kg (bao gồm toàn bộ thiết bị: vỏ, hệ thống lặn
nổi, hệ thống chân vịt đẩy, hệ thống lái, hệ thống truyền thông …).
- Vật liệu: Thân vỏ đƣợc làm bằng vật liệu composite.

Hình 2.3. Biên dạng tàu lặn mô hình

Hình 2.4 và 2.5. Mô hình khảo sát và lƣới biên dạng tàu lặn
2.3.2. Lƣới hóa mô hình

Hình 2.6. Mô hình đã chia lƣới

9


Toàn bộ mô hình sau khi chia lƣới bao gồm 2053513 phần tử lƣới tứ
diện trong đó có 383724 nút lƣới. Lƣới đƣợc chia mịn ở phần biên dạng tàu,
thô dần ra ngoài (Hình 2.6).
2.3.3. Đặt điều kiện biên và tính toán
- Dƣới đây là các điều kiện biên và tính toán đƣợc xác định:
- Chọn thuật giải: Phƣơng pháp nội suy: Implicit.. Chiều tính toán:
3D,Mô hình tính toán: k-. Trao đổi nhiệt: không. Chọn vật liệu:
chất lỏng nước.
- Đặt điều kiện vận hành cho bài toán:
Vận tốc dòng chảy tới V0.Đặt tiêu chuẩn hội tụ: 1e-05.Đặt số vòng
lặp cần thiết để bài toán hội tụ và cho bắt đầu tính toán.

Mô phỏng với thay đổi các thông số dòng chảy để nghiên cứu động
lực AUV.
Các thông số thay đổi gồm có (Hình 2.7). Vận tốc dòng chảy tới Vo
(0,5m/s; 1,0m/s; 1,8m/s), Góc tới  (0o; 5o).

Hình 2.7. Sơ đồ mô phỏng
- Do điều kiện thử nghiệm thực tế nên trong khuôn khổ luận án bƣớc
đầu chỉ nghiên cứu các trƣờng hợp động lực học của AUV làm việc gần mặt
thoáng.
2.4. PHÂN TÍCH MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG THỦY ĐỘNG
LỰC HỌC
Từ kết quả mô phỏng ta xác định đƣợc tác động dòng chảy lên tàu ở
các chế độ làm việc khác nhau. Xét với hệ tọa độ OXYZ, các thành phần lực
và mômen dòng chảy tác dụng lên tàu cho trong Bảng 2.1.
Bảng 2.1. Lực và mô men tác dụng lên tàu lặn theo hệ tọa độ OXYZ

10


2.5. CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN AUV
2.5.1. Sơ đồ khối chức năng
Xuất phát từ mô hình thủy động lực học của AUV đã đƣợc tính toán
trên đây, các tiêu chuẩn theo TCVN-6277 cho hệ thống lái tự động các
phƣơng tiện biển (tàu thủy), các tiêu chí chất lƣợng hoạt động của tàu lặn mô
hình kèm theo tham chiếu phƣơng thức kết nối giữa mô hình CFD và mô
hình điều khiển chuyển động của AUV đƣợc mô tả trong, luận ánđề xuất một
sơ đồ khối chức năng mở rộng (Hình 2.8) kèm theo giải thuật dẫn đƣờng
đƣợc thực thi bởi luật dẫn đƣờng (LOS) để thực hiện các hoạt động trong
máy trạng thái của AUV - HDS.

Hình 2.8. Sơ đồ khối chức năng mở rộng của AUV – HDS

11


Trong đó:
- Hệ thống dẫn đƣờng và định vị nhằm cung cấp/thu nhận các tín hiệu dẫn
đƣờng-định vị thông qua GPS/INS của AUV.
- Môi trƣờng đại diện cho các nhiễu loạn, nhƣ là sóng, dòng hải lƣu...
- PID: bộ điều chỉnh „PID‟,
- Ko: bộ khuyếch đại chung của AUV - HDS,
- Các hệ số: Kra: phản hồi góc, Krp: phản hồi vị trí, Krc: phản hồi hƣớng.
2.5.2. Mô phỏng hệ thống điều khiển
Để tiến hành kiểm tra và đánh giá các cấu trúc phân tích trên đây,
luận án đã dùng công cụ MabLab-Simulink nhằm mô phỏng hiệu năng điều
chỉnh của hệ thống. Một trong những kết quả mô phỏng đáp ứng điều khiển
đƣợc giới thiệu trên Hình 2.9; tác động tín hiệu đầu vào là góc chuyển hƣớng
mong muốn; tín hiệu đầu ra là quá độ hƣớng đi của AUV.
Với các thông số: thời gian lấy mẫu T = 0,01; khuếch đại Kp = 1,4;
thời gian tích phân Ti = 0,047; thời gian đạo hàm Td = 0,05; phản hồi góc Kra
= 0,25; phản hồi hƣớng Krc = 0,3; phản hồi vị trí Krp = 0,25; T1v=0,25;
T2v=0,4; Tc = 0,25, Ts = 1,5; T1v, T2v- các hằng số thời gian bậc 1 và 2 của
khâu dao động và Tc- thời gian quán tính của tổ hợp cơ cấu chấp hành lái, Tsthời gian quán tính của AUV. Trong trƣờng hợp này, thời gian quá độ điều
khiển bám hƣớng tới dần góc hƣớng đi mong muốn 10o sau 7,2s.

Hình 2.9. Mô phỏng đáp ứng quá độ hƣớng đi của AUV - HDS

12

Với mô hình điều khiển ở trên và qua các đồ thị quá độ điều chỉnh
chỉ ra rằng mô hình mô phỏng của hệ thống lái AUV hoàn toàn đáp ứng
đƣợc chất lƣợng và hiệu năng điều chỉnh, nhƣ là: thời gian và quá độ điều
chỉnh nhằm đảm bảo phù hợp với việc chế tạo, lập trình phần điều khiển và
chạy thử trên tàu lặn mô hình sau này.
Trên thực tế, luận án nghiên cứu đƣợc minh họa trên „Tàu lặn mô
hình‟ hay là AUV cỡ nhỏ, nên các cơ cấu chấp hành của AUV không yêu
cầu phải dùng tới: Servo-Vavle thủy lực điều khiển (mang đặc điểm của khâu
dao động) và hệ truyền động xi lanh thủy lực (mang đặc điểm của khâu quán
tính). Do đó, cơ cấu chấp hành lái của tàu lặn có thể đơn giản hơn, nhƣng
chúng vẫn có các thuộc tính điều khiển nhƣ trên.
CHƢƠNG 3. QUY TRÌNH PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ VÀ THỰC THI
ĐIỀU KHIỂN CỦA AUV THEO CÔNG NGHỆ HƢỚNG ĐỐI TƢỢNG
3.1. CÁC ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN TRONG CÔNG NGHỆ HƢỚNG
ĐỐI TƢỢNG
Công nghệ hƣớng đối tƣợng bao gồm một tập các nguyên tắc hƣớng
dẫn xây dựng phần mềm nói chung hay phần mềm điều khiển trong công
nghiệp nói riêng với các ngôn ngữ, các cơ sở dữ liệu và các công cụ hỗ trợ
cho các nguyên tắc đó. Có bốn đặc trƣng cơ bản trong công nghệ hƣớng đối
tƣợng (Hình 3.1) nhƣ sau:

Hình 3.1. Tổng quan các đặc trƣng trong công nghệ hƣớng đối tƣợng
Lựa chọn phƣơng pháp hƣớng đối tƣợng
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 đƣợc áp dụng cho

13


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 đƣợc công nghệ tránh phải
nhập khẩu.
- Phƣơng pháp phân tích và thiết kế hƣớng đối tƣợng thực hiện theo
các thuật ngữ và khái niệm của phạm vi lĩnh vực ứng dụng, nên nó tạo sự
tiếp cận tƣơng ứng giữa hệ thống và vấn đề thực của môi trƣờng bên ngoài.
- Một trong những ƣu điểm quan trọng bậc nhất của phƣơng pháp
phân tích và thiết kế hƣớng đối tƣợng là tính tái sử dụng.
3.2.QUY TRÌNH PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾT TRONG PHÁT
TRIỂN AUV – HDS VỚI REALTIME UML
Cách tiếp cận của luận án dựa trên chu trình lặp (Hình 3.2) bao gồm
các giai đoạn nhƣ là: phân tích, thiết kế, tính thực thi, kiểm tra và sản phẩm
của mẫu ban đầu thực thi đƣợc.

Hình 3.2. Qui trình phát triển tái lặp (ROPES)
3.2.1. Cấu trúc tổng quan về mô hình phân tích của AUV – HDS
Để xây dựng cấu trúc tổng quan của mô hình phân tích, luận án đƣa
ra 5 cộng tác đối tƣợng: phần liên tục (Continous part), phần rời rạc
(Discrete part), ứng xử liên tục toàn cục tức thời (IGCB), giao diện bên
trong (Interal interface) và giao diện bên ngoài (External interface) để dễ
dàng tổ chức, quản lý theo dõi và tái sử dụng các tác tạo đƣợc tạo ra trong
quá trình phân tích, thiết kế và thi hành các AUV- HDS (Hình 3.3).

14


Mô hình phân tích chủ yếu tập trung vào mối quan hệ giữa hệ thống
với môi trƣờng xung quanh. Mô tả các tình huống hệ thống sẽ đƣợc sử dụng
nhƣng chƣa định nghĩa chi tiết về cấu trúc tĩnh bên trong của hệ thống.

Hình 3.3. Cấu trúc tổng quan về mô hình phân tích của AUV - HDS công

nghiệp
3.2.2. Mô hình thiết kế của AUV - HDS công nghiệp
Nếu chuyển trực tiếp từ mô hình cộng tác đối tƣợng trên đây tới môi
trƣờng thực thi thì các mô hình cấu trúc và ứng xử chi tiết phải đƣợc bổ sung
thêm, nhằm thực thi chính xác hệ thống điều khiển công nghiệp. Các bƣớc
để xây dựng lên sơ đồ hợp tác những gói chính với RealTime UML tuân
theo các quy tắc sau:
- Mỗi một hợp tác đối tƣợng hoặc gói đối tƣợng đã xác định ở trên thì
cần ít nhất một gói với RealTime UML, ví dụ nhƣ là: gói của AUV - HDS
công nghiệp toàn cục, gói của phần liên tục, gói của phần rời rạc, gói của
giao diện bên trong, gói của giao diện bên ngoài, gói của IGCB,
- Các lớp chủ động trong cộng tác đối tƣợng hoặc gói đối tƣợng thì sẽ
trở thành các gói tƣơng ứng,
- Các lớp bị động trong cộng tác đối tƣợng hoặc gói đối tƣợng hợp tác
thì sẽ trở thành các lớp thực thể tƣơng ứng,
- Các cổng và giao thức đƣợc xác định bởi sự tƣơng tác giữa các cộng
tác đối tƣợng hoặc gói đối tƣợng có kèm theo các thông điệp cụ thể.
Để xác định sơ đồ diễn tiến và máy trạng thái tổng quan của những
gói này dựa trên Automate lai và sơ đồ khối chức năng mở rộng.

15


CHƢƠNG 4.THỬ NGHIỆM,PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
4.1. CÀI ĐẶT HỆ THỐNG VÀ CÁC TRƢỜNG HỢP THỬ NGHIỆM
4.1.1. Cài đặt hệ thống
Sơ đồ khối tổng quan kết nối phần cứng và các thiết bị ngoại vi
chính cho hệ thống điều khiển tàu lặn mô hình đƣợc thể hiện lần trên Hình
4.1 và Hình 4.2.

Hình 4.1. Ví dụ minh họa một số thiết bị ngoại vi chính và lắp đặt tổng thể

Hình 4.2. Sơ đồ khối tổng quan kết nối phần cứng
Trong điều kiện thực tế, luận án là một hƣớng nghiên cứu mới hoàn
toàn nên điều kiện cơ sở vật chất có rất nhiều hạn chế. Thí nghiệm đƣợc xây
dựng mang tính đơn giản hóa yêu cầu về mặt trang thiết bị, nhƣng đủ để

16


đánh giá trong giới hạn một số thông số quan trọng trong quy trình điều
động tàu. Sơ đồ khối chức năng thử nghiệm về hiệu năng điều động của tàu
đã đƣợc mô tả trên Hình 4.3. Ở đây, Tng và Tđh lần lƣợt là thời gian bắt đầu
rẽ và thời gian ổn định hƣớng. Từ camera ghi hình ta phân tích số hình ảnh,
tính toán quy đổi, ánh xạ kích thƣớc và thu đƣợc quỹ đạo chuyển động thực
của tàu cùng với bƣớc thời gian. Độ phân giải thời gian có thể đạt 4
ảnh/1giây.

Hình 4.3. Sơ đồ khối thiết lập thử nghiệm về hiệu năng điều động tàu
4.1.2. Các trƣờng hợp thử nghiệm hiệu năng điều động tàu
Với điều kiện cơ sở vật chất hiện tại, luận án tập trung thử nghiệm
hiệu năng điều động tàu về tính ăn lái, bao gồm:tính quay vòng và tính ổn
định hƣớng đi. Tính quay vòng là khả năng thay đổi hƣớng chuyển động và
đƣợc mô tả bởi quỹ đạo cong khi bẻ lái; tính ổn định hƣớng đi là khả năng
tàu giữ nguyên hoặc thay đổi hƣớng chuyển động. Do vậy, các thử nghiệm
hệ thống điều khiểu tàu lặn mô hình đƣợc tiến hành theo hai trƣờng hợp
chính nhƣ sau:
- Điều khiển bánh lái đuôi ở các góc lái khác nhau (10o, 20o, 30o) ở
các tốc độ di chuyển trung bình khác nhau (0.5m/s, 1.0m/s, 1.5m/s), thu thập
dữ liệu và bƣớc đầu đánh giá tính quay trở.

- Đặt góc lệch hƣớng của tàu theo phƣơng ban đầu ở các giá trị khác
nhau (10o, 20o, 30o) ở các tốc độ di chuyển trung bình khác nhau (0.5m/s,
1.0m/s, 1.5m/s), lấy các kết quả về thời gian quá độ để tàu ổn định theo
hƣớng đã đặt sau đó so sánh với các kết quả từ mô phỏng trên máy tính.
4.2. KẾT QUẢVÀ ĐÁNH GIÁ DỮ LIỆU THỬ NGHIỆM VỀ TÍNH ĂN
LÁI CỦA TÀU

17


Bảng 4.1. Đƣờng kính xác lập quay vòng
4.2.2. Tính ổn định hƣớng

Bảng 4.2. Tổng hợp dữ liệu liên quan đến tính ăn lái của tàu
Tùy thuộc vào vận tốc di chuyển trung bình (công suất vận hành) của tàu,
thời gian để AUV bắt đầu đổi góc hƣớng diễn ra trong dải từ 6,5s – 12,0s.
Thời gian ổn định hƣớng từ 7,5s đến 14,5s và thời gian trễ từ 1,0s đến 2,5s
theo các góc hƣớng đi mong muốn là 10o, 20o và 30o tƣơng ứng với vận tốc
di chuyển trung bình là 0.5m/s, 1.0m/s và 1.5 m/s. So sánh với kết quả mô
phỏng trên máy tính đƣợc mô tả trong phụ lục A có thời gian ổn định lái
hƣớng tƣơng ứng từ 7,0s đến 14,0s và thời gian trễ từ 0,2s đến 0,5s cho thấy
kết quả thực nghiệm về tính ổn định hƣớng đi là phù hợp và chấp nhận đƣợc.

18


KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận
Luận án đã đề cập tới phân tích thủy động lực học và thiết kế hệ
thống điều khiển đƣợc tích hợp theo công nghệ hƣớng đối tƣợng cho phƣơng

tiện tự hành dƣới nƣớc. Nội dung của luận án đƣợc trình bày thông qua các
điểm chính nhƣ sau:
+ Nghiên cứu tổng quan về kỹ thuật mô hình hóa, mô phỏng và thực
thi điều khiển các phƣơng tiện tự hành dƣới nƣớc, cũng nhƣ là mô hình hóa
động lực học và cấu trúc điều khiển tổng quát của các loại phƣơng tiện này.
+ Phân tích và mô phỏng thủy động lực học của AUV nhằm đƣa ra
cấu trúc điều khiển cho AUV; nó bao gồm toàn bộ quá trình mô hình hóa và
mô phỏng động lực học cho tàu lặn, nhƣ là: Giới thiệu tổng quan về việc mô
hình hóa và mô phỏng động lực học các phƣơng tiện dƣới nƣớc; Phân tích và
trình bày chi tiết qui trình và kết quả mô phỏng động lực học tàu lặn mô hình
thông qua sử dụng phần mềm AnsysFluent; các kết quả này đã đƣợc sử dụng
để đề xuất cấu trúc điều khiển thực thi đƣợc cho hệ thống điều khiển AUV.
+ Đƣa ra qui trình phân tích, thiết kế và thực thi hƣớng đối tƣợng với
RealTime UML và ROPES cho hệ thống điều khiển bám hƣớng và quỹ đạo
trên mặt ngang cho AUV, bao gồm các mô hình: phân tích, thiết kế và thực
thi cùng với các qui tắc theo vết giữa mô hình thiết kế với thực thi theo các
nền tảng công nghệ khác nhau có hỗ trợ hƣớng đối tƣợng. Các mô hình thiết
kế và thực thi đã đƣợc minh họa với sự hỗ trợ của các phần mềm IBM
Rational Rose RealTime, OpenModelica và MatLab-Simulink cùng với nền
công nghệ Arduino nhằm thực hiện nhanh chóng mô hình triển khai cho tàu
lặn mô hình.
+ Vận hành và hiệu chỉnh chƣơng trình điều khiển; kết quả thực
nghiệm đã cho thấy mô hình điều khiển cũng nhƣ tàu lặn mô hình đảm bảo
đƣợc tính ổn định và tính năng điều khiển phù hợp với mô hình phân tích và
thiết kế.
Các điểm mới trong nghiên cứu bao gồm:
i) Phân tích và đánh giá thủy động lực học cho một AUV cụ thể.
ii)Xuất phát từ mô hình thủy động lực học của AUV cụ thể cùng với
công nghệ hƣớng đối tƣợng trong thời gian thực RealTime UML và qui trình
ROPES đƣa ra toàn bộ mô hình phân tích, thiết kế và thực thi hệ thống điều

19


khiển bám hƣớng và quỹ đạo trên mặt ngang cho AUV đã chọn mang đặc
điểm của hệ thống động lực lai (HDS).
iii) Trong mô hình phân tích và thiết kế: các cộng tác đối tƣợng, các
gói điều khiển chính kèm theo cổng và giao thức của chúng với RealTime
UML cũng nhƣ là sơ đồ thực thi mô phỏng hƣớng đối tƣợng có thể tái sử
dụng cho các loại AUV khác nhau.
Tuy nhiên, trong luận án này có một số hạn chế sau:
- Phần liên tục của ứng dụng điều khiển là đơn biến và chỉ đƣợc mô
tả bởi hàm truyền đạt;
- Chƣa đƣa ra các hoạt động chi tiết của vòng lặp thứ hai trong vòng
đời phát triển hệ thống điều khiển của AUV theo qui trình ROPES;
- Do giới hạn về mặt tài chính, ứng dụng tàu lặn mô hình chƣa đƣợc
trang bị các cảm biến đo độ sâu và truyền thông dƣới nƣớc bằng thủy âm nên
các thực nghiệm về tính năng và phạm vi hoạt động của hệ thống cũng bị
hạn chế theo, ví dụ: ứng dụng đã phát triển mới chỉ xét đến tính năng bám
hƣớng và quỹ đạo trên mặt ngang.
2. Kiến nghị
Trong thời gian sắp tới, tác giả kết hợp với các đồng nghiệp sẽ phát
triển cách tiếp cận trên đây với dòng liên tụctrong Automate lai của hệ thống
điều khiển là đa biến và đƣợc đặc tả bởi các ngôn ngữ hình thức khác nhau
nhằm cải thiện việc mô hình hóa các thành phần vật lý của hệ thống và chi
tiết các thành phần của chu trình phát triển lặp tiếp theo.
Đặc biệt là ứng dụng tàu lặn mô hìnhsẽ đƣợc trang bị các cảm biến
đo độ sâu và truyền thông dƣới nƣớc bằng thủy âm nhằm cải thiện tính năng
và phạm vi hoạt động của toàn bộ hệ thống.

20


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN ĐÔNG
PHÂN TÍCH THỦY ĐỘNG LỰC HỌC VÀ THIẾT KẾ
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THEO CÔNG NGHỆ
HƢỚNG ĐỐI TƢỢNG CHO PHƢƠNG TIỆN TỰ
HÀNH DƢỚI NƢỚC

Chuyên ngành: CƠ HỌC CHẤT LỎNG
Mã số:

62440108

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC

Hà Nội – 2015

21


Công trình đƣợc hoàn thành tại:
Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
1. PGS.TS LÊ QUANG
2. PGS.TS NGÔ VĂN HIỀN

Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến
sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam

22


DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA
LUẬN ÁN
[1] Nguyễn Đông, Ngô Văn Hiền, Lê Quang (2011) Quy trình MDA thực thi
phần điều khiển hệ thống lái tàu thủy tự động. Tuyển tập Hội nghị toàn quốc
lần thứ nhất về điều kiển và tự động hóa VCCA 2011, tr. 160-166.
[2] Nguyễn Đông, Phạm Gia Điềm, Trƣơng Việt Anh, Ngô Văn Hiền
(2012) Mẫu phân tích hướng đối tượng để thực thi điều khiển các phương
tiện tự hành dưới nước.Tạp chí khoa học công nghệ các trƣờng đại học kỹ
thuật, ISSN 0868-3980, (2012), tr. 101-106.
[3] Lê Thanh Tùng, Nguyễn Đông, Lê Quang (2012) A design of
autonomous underwater vehicle model for estimation of underwater
manoeuvring coefficients. The 6th Asia-pacific workshop on marine
hydrodynamics-AP Hydro 2012, Malaysia September, (2012), pp. 379-384.
[4] Khƣơng Minh Tuấn, Nguyễn Đông, Nguyễn Hoài Nam, Phạm Gia

Điềm, Ngô Văn Hiền (2014) Quy trình hướng đối tượng trong mô hình hóa
và mô phỏng các hệ thống cơ điện tử điều khiển thông qua tích hợp SYSML
– MODELICA- MDA với Automate lai. Tạp chí cơ khí Việt Nam, ISSN
0866-7056, (2014), tr. 150-157.
[5] Nguyen Dong, Nguyen Hoai Nam, Khuong Minh Tuan, Ngo Van Hien
(2014) A Novel approach to model an implement planar trajectory tracking
controllers for Auvs/Asvs. Advanced materials research Vol. 1016 Trans
Tech Publications, Switzerland, (2014), pp. 686-693.
[6] Nguyen Dong, Ngo Van He, Ngo Van Hien, Le Quang (2014)
Hydrodynamics analysis to improve the controller of an autonomous
underwater vehicle. Proceedings the 7th AUN/SEED-Net RCMME 2014,
ISBN: 978-604-911-942-2, Ha noi 10/2014, pp. 420-406.

23