Nghiên cứu kiến trúc hướng mô hình kết hợp với RealTime UML-MARTE trong thiết kế hệ thống điều khiển cho phương tiện không người lái tự hành trên mặt nước

MỤC LỤC

1 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................... iv
2 DANH MỤC CÁC BẢNG ......................................................................... vii
3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................. viii
4 MỞ ĐẦU ..................................................................................................... 11
1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG TIỆN TỰ HÀNH DƯỚI
NƯỚC VÀ CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN............................................. 18
1.1 Sơ lược quá trình phát triển và ứng dụng phương tiện tự hành
dưới nước .................................................................................................... 18
1.2 Tổng quan về hệ thống dẫn đường, định vị, điều khiển cho ASV
...................................................................................................................... 26
1.2.1 Hệ thống dẫn đường của ASV ..................................................... 26
1.2.2 Hệ thống định vị của ASV ........................................................... 27
1.2.3 Hệ thống điều khiển của ASV ..................................................... 27
1.3 Phương pháp lai và công nghệ hướng đối tượng trong mô hình
hóa hệ thống điều khiển ............................................................................ 28
1.3.1 Hệ thống động lực lai và Automate lai......................................... 28
1.3.2 Sử dụng công nghệ hướng đối tượng ........................................... 30
1.3.3 Quy trình phát triển tái lặp hướng đối tượng cho hệ thống thời
gian thực ...................................................................................... 33
1.3.4 Kiến trúc hướng theo mô hình ..................................................... 35
1.4 Kết luận chương ............................................................................... 37
2 CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC TRONG ĐIỀU KHIỂN VÀ
KIẾN TRÚC GNCS CỦA ASV VỚI AUTOMATE LAI .......................... 38

i


2.1 Mô hình động lực học và cơ sở giải thuật điều khiển tổng quát
cho ASV....................................................................................................... 38

2.1.1 Mô hình động lực học tổng quát trong điều khiển ASV.............. 38
2.1.2 Cơ sở giải thuật điều khiển tích phân hồi tiếp (IB) tổng quát cho
GNCS của ASV ........................................................................... 41
2.2 Mô hình động lực học và giải thuật điều khiển thực thi cho ASV
trên mặt ngang ........................................................................................... 44
2.2.1 Mô hình động lực học trong điều khiển ASV trên mặt ngang..... 44
2.2.2 Giải thuật điều khiển thực thi cho ASV bám quỹ đạo trên mặt
ngang ........................................................................................... 45
2.3 Cấu trúc GNCS của ASV ................................................................ 49
2.3.1 Cấu trúc GNCS tổng quát của ASV ............................................. 49
2.3.2 Mô hình hóa trạng thái điều khiển ASV ...................................... 52
2.3.3 Mô hình GNCS phi tuyến lai cho ASV ....................................... 53
2.4 Sử dụng mô hình và ngôn ngữ mô phỏng cho GNCS của ASV .. 55
2.4.1 Vai trò mô phỏng hệ thống điều khiển công nghiệp .................... 55
2.4.2 Sử dụng ngôn ngữ mô phỏng hệ thống ........................................ 56
2.5 Kết luận chương ............................................................................... 58
3 CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ VÀ THỰC THI
GNCS CHO ASV BẰNG MDA VÀ REALTIME UML/MARTE ........... 59
3.1 Qui trình MDA tổng quát trong phát triển GNCS cho ASV....... 59
3.1.1 Sử dụng MDA, chuyển đổi mô hình và RealTime UML/MARTE
..................................................................................................... 59
3.1.2 Qui trình MDA thực thi cho GNCS của ASV ............................. 64
3.2 Cụ thể hóa qui trình MDA thực thi cho GNCS của ASV ............ 66
ii


3.2.1 CIM .............................................................................................. 66
3.2.2 PIM ............................................................................................... 73
3.2.3 PSM .............................................................................................. 82
3.3 Kết luận chương ............................................................................... 92

4 CHƯƠNG 4. THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ GNCS CHO ỨNG
DỤNG ASV .................................................................................................... 93
4.1 Các tình huống và môi trường thử nghiệm ứng dụng ................. 93
4.1.1 Các tình huống thử nghiệm .......................................................... 93
4.1.2 Môi trường thử nghiệm ................................................................ 93
4.2 Quy trình vận hành thử nghiệm chương trình điều khiển .......... 94
4.3 Tiến hành thử nghiệm và đánh giá GNCS của ứng dụng ASV . 100
4.3.1 Thử nghiệm kịch bản bám quỹ đạo của ASV ............................ 100
4.3.2 Thử nghiệm tính ổn định hướng của mô hình ........................... 103
4.4 Kết luận chương ............................................................................. 104
1 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................. 105
2 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................... 107
3 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN . 113
5 PHỤ LỤC .................................................................................................. 115

iii


1 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
viết tắt
ASV

AUV

Viết đầy đủ (tiếng Anh)

Ý nghĩa

Autonomous Surface

Phương tiện tự hành trên mặt

Vehicles

nước

Autonomous Underwater
Vehicles

Phương tiện tự hành dưới nước

CB

Center of Bouyancy

Tâm nổi của ASV

CG

Center of Gravity

Trọng tâm của ASV

Computation Independent

Mô hình độc lập với thao tác

Model

tính toán

CIM

CLF

DAE

Control Lyapunov
Function
Differential Algebraic
Equation

Hàm điều khiển Lyapunov
Phương trình đại số vi phân

DoF

Degree of Freedom

Bậc tự do

EKF

Extended Kalman Filter

Bộ lọc Kalman mở rộng

Guidance/Navigation and

Hệ thống dẫn đường/định vị và

Control System

điều khiển

GNCS

GPS

Global Positioning
Systems

Hệ thống định vị toàn cầu

HA

Hybrid Automata

Automate lai

HDS

Hybrid Dynamic System

Hệ thống động lực lai

HIL

Hardware-In-the-Loop

Mô phỏng phần cứng vật lý

IB

Integral Backstepping

IDE

Integrated Development
Environment

Phương thức điều khiển tích
phân hồi tiếp
Môi trường phát triển tích hợp

iv


IEC

IGCB

INCOSE
IMU
INS
LOS

International Electrotechnical Commission
Instantaneous Global

Ứng xử liên tục toàn cục tức

Continuous Behavior

thời

International Council on

Hội đồng quốc tế về công nghệ

Systems Engineering

hệ thống

Inertial Measurement Unit Thiết bị đo quán tính
Inertial Navigation
Systems
Line-Of-Sight
Modeling and Analysis of

MARTE

Real Time and Embedded
systems

MDA

MDS

MES

MVC

ODE
OO
PID
PIM

Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế

Model-Driven
Architecture
Measurement and Display
System

Hệ thống dẫn đường quán tính
Giải thuật bám đường LOS
Mô hình hóa và phân tích các hệ
thống nhúng và thời gian thực
Kiến trúc hướng theo mô hình
Hệ thống đo lường và hiển thị
kết hợp với các hệ thống dẫn
đường và định vị

Marine Environment

Hệ thống đặc trưng cho nhiễu

System

loạn do môi trường tạo ra

Model-View-Controller

Mẫu mô hình-khung nhìn-điều

pattern

khiển

Ordinary Differential
Equation

Phương trình vi phân thường

Object-Oriented

Hướng đối tượng

Proportional – Integral –

Bộ điều chỉnh khuếch đại tỷ lệ-

Derivative regulator

tích phân-vi phân

Platform Independent

Mô hình độc lập với nền công
v


PLC

Model

nghệ

Programmable Logic

Bộ điều khiển logic lập trình

Controller

được
Mô hình gắn với nền công nghệ

PSM

Platform Specific Model

RealTime

Real Time Unified

Ngôn ngữ mô hình hóa hợp nhất

UML

Modeling Language

trong thời gian thực

Rapid Object-Oriented
ROPES

Process for Embedded
Systems

cụ thể

Qui trình hướng đối tượng cho
hệ thống nhúng

RPY

Roll-Pitch-Yaw

Các góc Nghiêng-Chúc-Hướng

SMC

Sliding Mode Control

Điều khiển trượt

UML
WP

Unified Modeling
Language
Way-Point

Ngôn ngữ mô hình hoá hợp nhất
Điểm đường (điểm lộ trình)

vi


2 DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Các ký hiệu SNAME cho phương tiện dưới nước ...................... 39
Bảng 2.2 IB liên kết với HA cho GNCS của ASV ..................................... 54
Bảng 3.1 Nguyên tắc tùy biến và tái sử dụng của các gói điều khiển chính
của GNCS cho các ASV khác nhau ................................................................ 81
Bảng 4.1 Dữ liệu đánh giá tính bám quỹ đạo hình tam giác của ASV ..... 101
Bảng 4.2 Dữ liệu đánh giá tính bám quỹ đạo hình chữ nhật của ASV ..... 102
Bảng 4.3 Số liệu ổn định hướng của ứng dụng ASV ................................ 103
Bảng P.1 Các thông số thủy động lực học chính của ứng dụng ASV với vận
tốc di chuyển 0,5m/s [4] ................................................................................ 115

vii


3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Hình ảnh phương tiện tự hành dưới nước ASV/AUV (SPURV) 18
Hình 1.2 Hình ảnh phương tiện tự hành dưới nước ASV/AUV (Epaulard)19
Hình 1.3 Hình ảnh phương tiện tự hành dưới nước ASV/AUV (AUSS) ... 19
Hình 1.4 Hình ảnh phương tiện tự hành dưới nước ASV/AUV (REMUS

6000) ................................................................................................................ 20
Hình 1.5 Hình ảnh phương tiện tự hành dưới nước ASV (SEAOTTER
MKII)............................................................................................................... 20
Hình 1.6 Hình ảnh phương tiện tự hành dưới nước ASV/AUV (Bluefin-9)
......................................................................................................................... 20
Hình 1.7 Hình ảnh phương tiện tự hành trên mặt nước ASV (CUSV) ....... 21
Hình 1.8 Hình ảnh phương tiện tự hành trên mặt nước ASV (ARCIMS) .. 21
Hình 1.9 Hình ảnh phương tiện tự hành trên mặt nước ASV (CARACAS)
......................................................................................................................... 21
Hình 1.10 Hình ảnh phương tiện tự hành trên mặt nước ASV (MAST) [65]
......................................................................................................................... 22
Hình 1.11 Thống kê tỷ lệ phân bổ ASV/AUV theo phạm vi ứng dụng tính
đến năm 2009 .................................................................................................. 22
Hình 1.12 Dự báo tỷ lệ phân bổ ASV/AUV theo phạm vi ứng dụng giai
đoạn 2010 – 2019 ............................................................................................ 23
Hình 1.13 Hệ thống dẫn đường cho các phương tiện dưới nước không
người lái [24], [38], [39] ................................................................................. 26
Hình 1.14 Qui trình phát triển tái lặp nhúng hướng đối tượng [21], [22]... 34
Hình 2.1 Các hệ tọa độ và tham số chuyển động của ASV ........................ 38
Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống dẫn đường, khối điều khiển và định vị của ASV 50
Hình 2.3 Ví dụ sơ đồ chức năng thực thi mở rộng...................................... 54
Hình 3.1 Mô hı̀nh chuyể n đổ i từ CIM sang PIM [46], [32]........................ 60
Hình 3.2 Chuyể n đổ i mô hı̀nh theo vế t ....................................................... 61
viii


Hình 3.3 Quá trı̀nh biế n đổ i siêu mô hı̀nh ................................................... 61
Hình 3.4 Quá trı̀nh biế n đổ i theo ứng du ̣ng mẫu ........................................ 62
Hình 3.5 Vı́ du ̣ tổ ng quát về quá trı̀nh biế n đổ i sử du ̣ng tên mẫu ............... 63
Hình 3.6 Vı́ du ̣ về quay trı̀nh MDA cho mô ̣t hê ̣ thố ng phức ta ̣p ................ 63

Hình 3.7 Tổng quan về quy trình MDA thực thi GNCS cho ASV ............. 65
Hình 3.8 Siêu mô hình UML thể hiện các chức năng chính của GNCS .... 67
Hình 3.9 Mô hình trường hợp sử dụng của ASV ........................................ 68
Hình 3.10 Kịch bản điều khiển bám theo quỹ đạo mong muốn ................. 69
Hình 3.11 Máy trạng thái cục bộ của trường hợp sử dụng “Bám theo quỹ
đạo mong muốn” ............................................................................................. 69
Hình 3.12 Máy trạng thái toàn cục của ASV .............................................. 70
Hình 3.13 Sơ đồ khối chức năng của GNCS cho ASV............................... 71
Hình 3.14 Mẫu kết nối truyền đạt giữa các gói điều khiển chính của GNCS
cho ASV .......................................................................................................... 75
Hình 3.15 Máy trạng thái của gói phần rời rạc của GNCS cho ASV ......... 75
Hình 3.16 Máy trạng thái của gói IGCB của GNCS cho ASV ................... 77
Hình 3.17 Sơ đồ tiến trình trong thời gian thực của 5 gói điều khiển chính
nhằm thực thi HA cho GNCS của ASV .......................................................... 78
Hình 3.18 Cấu trúc tĩnh của các gói chính của GNCS cho ASV ................ 79
Hình 3.19 Tương tác giữa các gói chính cho một chu kỳ lấy mẫu trong
GNCS .............................................................................................................. 80
Hình 3.20 Chuyển đổi mô hình PIM-PSM trong MDA ............................. 83
Hình 3.21 Chuyển đổi mô hình PIM-PSM cho hệ thống điều khiển ASV . 84
Hình 3.22 Đáp ứng quá độ khả năng ổn định hướng của ASV với vận tốc
v=0,5m/s và hướng đi đặt 0100 ....................................................................... 86
Hình 3.23 Đáp ứng quá độ khả năng ổn định hướng của ASV với vận tốc
v=1,0m/s và hướng đi đặt 0100 ....................................................................... 87

ix


Hình 3.24 Đáp ứng quá độ khả năng ổn định hướng của ASV với vận tốc
v=0,5m/s và hướng đi đặt 0200 ....................................................................... 87
Hình 3.25 Đáp ứng quá độ khả năng ổn định hướng của ASV với vận tốc

v=1,0m/s và hướng đi đặt 0200 ....................................................................... 87
Hình 3.26 Đáp ứng quá độ khả năng ổn định hướng của ASV với vận tốc
v=0,5m/s và hướng đi đặt 0300 ....................................................................... 88
Hình 3.27 Đáp ứng quá độ khả năng ổn định hướng của ASV với vận tốc
v=1,0m/s và hướng đi đặt 0300 ....................................................................... 88
Hình 3.28 Sơ đồ khối tổng quan kết nối phần cứng và các thiết bị ngoại vi
[9] .................................................................................................................... 90
Hình 3.29 Vi mạch MCU-STM32-Cortex M4 lập trình được .................... 90
Hình 3.30 Tích hợp và chạy thử nghiệm mô hình triển khai GNCS cho
ASV bám theo quỹ đạo mong muốn ............................................................... 91
Hình 4.1 Bể bơi Trường Đại học Bách khoa Hà nội được sử dụng trong tiến
hành thử nghiệm .............................................................................................. 94
Hình 4.2 Minh họa lựa chọn cổng và tốc độ kết nối ................................... 95
Hình 4.3 Ví dụ thiết lập một chương trình đi gồm 4 điểm (tại bể bơi Trường
ĐHBK Hà Nội)................................................................................................ 95
Hình 4.4 Ví dụ hiển thị các thông số hiện thời của ASV............................ 98
Hình 4.5 Cấu hình hiệu chỉnh cho bộ điều khiển RC ................................. 98
Hình 4.6 Thiết lập các chế độ điều khiển thông qua kênh điều khiển
Autopilot của bộ điều khiển RC ...................................................................... 99
Hình 4.7 Hiệu chỉnh thông số PID cho khối mô tơ................................... 100
Hình 4.8 Thử nghiệm đối với trường hợp bám quỹ đạo tam giác (tại bể bơi
Đại học Bách khoa Hà Nội) .......................................................................... 101
Hình 4.9 Thử nghiệm đối với trường hợp bám quỹ đạo hình chữ nhật (tại
hồ Tiền Đại học Bách khoa Hà Nội) ............................................................. 102

x


4 MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài

Phương tiện tự hành trên mặt nước/phương tiện tự hành hành dưới nước
(ASV/AUV) đã và đang tiếp tục được nghiên cứu và có bước phát triển vượt
bậc trong thập kỷ qua, được sử dụng chủ yếu cho các ứng dụng quân sự và
dân sự [8], [14], [52], [53], [69], trong tương lai sẽ được sử dụng rộng rãi cho
các giám sát môi trường, sinh học của các nguồn tài nguyên biển, thảm họa
sóng thần và cảnh báo thiên tai, ví dụ: rô bốt tự hành, tàu thủy tự hành, ngư
lôi, tàu ngầm,... 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.
Đặc biệt do các đặc tính cơ bản về an toàn và hiệu quả chi phí khi so
sánh với phương tiện có người lái nên phương tiện biển không người lái hoặc
tự hành đang ngày càng được sử dụng để khai thác dân sự và quốc phòng cho
các nhiệm vụ phức tạp và nguy hiểm: vì các phương tiện không yêu cầu điều
hành trực tiếp của con người do đó hoạt động tốt trong các điều kiện khắc
nghiệt và nguy hiểm trong môi trường dưới nước, hiệu quả chi phí về cả thời
gian và tài chính đạt được là do phương tiện tự hành được thiết kế nhỏ, gọn vì
nó không chứa các hệ thống cần thiết để duy trì cuộc sống trong khi dưới
nước cũng như các cơ cấu truyền động nhỏ hơn so với một phương tiện có
người lái, cũng như qui mô cần thiết cho việc thực hiện bảo trì thường xuyên
sẽ nhỏ hơn nhằm duy trì cho một phương tiện hoạt động. Với các đặc trưng
nổi bật như trên, các loại phương tiện biển không người lái hoặc tự hành đã
được sử dụng thành công và hiệu quả trong ngành công nghệ hàng hải cho cả
mục đích dân sự và quân sự ở các nước phát triển và một số nước đang phát
triển.
Bên cạnh đó, trong quá trình phát triển các hệ thống điều khiển công
nghiệp nói chung cũng như các hệ thống điều khiển các phương tiện tự hành
nói riêng, việc tùy biến và tái sử dụng các mô đun điều khiển đã phát triển
11


được áp dụng cho hệ thống ứng dụng mới là rất quan trọng nhằm giảm chi

phí, thời gian và nhân công sản xuất.
Hơn thế nữa, là một quốc gia với bờ biển dài trên 3.260 km, hơn 1 triệu
km2 vùng đặc quyền kinh tế, với gần 3.000 đảo ven bờ, Việt Nam có nguồn
tài nguyên đặc biệt về biển, từ tài nguyên sinh vật, tài nguyên phi sinh vật đến
tài nguyên vị thế. Việc khai thác, sử dụng, quản lý tài nguyên và bảo vệ môi
trường biển một cách bền vững, hiệu quả, cùng với bảo vệ, giữ vững chủ
quyền, an ninh biển đảo Việt Nam là những nhiệm vụ vừa cấp bách và vừa
lâu dài. Trong mấy năm gần đây, Đảng và Nhà nước ta đã đề ra những chủ
trương, biện pháp quan trọng nhằm quản lý, bảo vệ và khai thác biển. Hoạt
động kinh tế biển và an ninh quốc phòng trên vùng đặc quyền kinh tế của Việt
Nam ngày càng sôi động, kể cả khi tình hình trên Biển Đông xuất hiện những
vấn đề nhạy cảm và phức tạp. Do vậy, việc phát triển các phương tiện tự hành
trên mặt nước/phương tiện tự hành hành dưới nước (ASV/AUV) rất cần thiết
và hữu hiệu trong việc phục vụ các ngành công nghiệp như: xây dựng công
trình biển, khảo sát nghiên cứu biển, hải dương học, tìm kiếm cứu hộ, kinh tế
biển và quốc phòng-an ninh ở trong nước.
Ở trong nước đã có nhiều đề tài nghiên cứu về điều khiển các phương
tiện tự hành hoặc bán tự hành dưới nước tại các trường đại học và viện nghiên
cứu ở nước ta; ví dụ: tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội cũng đã nghiên
cứu và chế tạo một số hệ thống điều khiển cho phương tiện biển tự hành hoặc
bán tự hành, nhưng chưa có đủ điều kiện tích hợp công nghệ để chuyển giao
sản xuất hàng loạt ở trong nước. Ngoài ra, tính tùy biến và tái sử dụng các mô
đun điều khiển đã phát triển nhằm giảm chi phí, thời gian, nhân công sản xuất
trong các ứng dụng mới chưa được quan tâm tới [1]. Thậm chí nhiều đơn vị
và tổ chức nghiên cứu trong nước đã phải nhập khẩu từ nước ngoài nhiều thiết
bị điều khiển, như thế chi phí cho sản xuất một phương tiện tự hành sẽ rất cao
và đặc biệt là bị lệ thuộc vào bí mật công nghệ.
12

Gần đây nhất có một số công trình khoa học ở trong nước đã và đang
được nghiên cứu liên quan đến phát triển công nghệ hướng đối tượng và kiến
trúc hướng theo mô hình cho phương tiện tự hành, như: “Phương pháp thiết
kế hướng đối tượng trong điều khiển phương tiện bay không người lái” [3];
nghiên cứu này đã áp dụng quy trình MDA cụ thể cho phương tiện bay không
người lái loại nhỏ nhưng chưa đưa ra chi tiết được mô hình cạnh tranh trong
thời gian thực cho các mô đun điều khiển và sự chuyển đổi giữa các mô hình
con trong MDA. Bên cạnh đó còn có nghiên cứu về “Phân tích thủy động lực
học và thiết kế hệ thống điều khiển theo công nghệ hướng đối tượng cho
phương tiện tự hành dưới nước” [4]; nghiên cứu này tập trung vào việc tính
toán thủy động lực học phương tiện tự hành dưới nước (AUV) loại nhỏ và áp
dụng công nghệ hướng đối tượng trong phát triển hệ thống điều khiển bám
hướng trên mặt ngang với bộ điều khiển PID tuyến tính đơn giản. Ngoài ra đã
có nghiên cứu về “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” [5]; nghiên cứu này đã xây dựng được các
thành phần phân tích, thiết kế và thực thi hướng đối tượng trong điều khiển
chuyển động cho AUV/ASV bằng công nghệ hệ thống hướng mô hình kết
hợp với ngôn ngữ mô hình hóa hệ thống, ngôn ngữ mô phỏng Modelica và
automate lai. Tuy nhiên, nghiên cứu trên đây cũng chưa đề cập chi tiết tới sự
chuyển đổi và tích hợp giữa các mô hình thiết kế, thực thi, triển khai và quan
hệ theo vết giữa chúng cho hệ thống điều khiển của AUV/ASV. Đến thời
điểm hiện nay chưa có công trình nào nghiên cứu chi tiết về cụ thể hóa MDA
để phát triển GNCS cho phương tiện tự hành trên mặt nước (ASV) cũng như
tùy biến hoặc tái sử dụng các mô đun đã được thiết kế cho các ASV khác
nhau.
Từ tính cấp thiết trên đây cùng với sự hướng dẫn của tập thể các thầy
hướng dẫn, NCS đã lựa chọn thực hiện luận án: “Nghiên cứu kiến trúc hướng
13

mô hình kết hợp với RealTime UML/MARTE trong thiết kế hệ thống điều
khiển cho phương tiện không người lái tự hành trên mặt nước”.
2. Mục đích nghiên cứu
Để một phương tiện hoạt động được một cách tự hành, kiến trúc của hệ
thống điều khiển thường phải có ba hệ thống con chính: Hệ thống con dẫn
đường nhằm đưa ra quỹ đạo cho phương tiện chuyển động bám theo; Hệ
thống con định vị để xác định các trạng thái hiện hành của phương tiện; Hệ
thống con điều khiển nhằm tính toán và áp dụng theo mô hình thủy động lực
học thích hợp trong vận hành. Ba hệ thống con này có nhiệm vụ riêng của
mình đồng thời cũng phải hoạt động một cách tích hợp để phương tiện hoàn
thành được các tác vụ của nó [36]. Trong đó, hệ thống tích hợp điều khiển và
dẫn đường/định vị (GNCS) cho ASV thông thường cấu thành bởi các mô hình
liên tục, mô hình sự kiện rời rạc và tác động qua lại giữa các mô hình. Hệ
thống điều khiển có đặc điểm như trên được xem như là hệ thống động lực lai
(HDS) [32], [16], [44], [30]. Do đó mục đích nghiên cứu của đề tài được đề
xuất như sau:
+ Mô hình hóa ứng xử của GNCS như là một hệ thống động lực lai công
nghiệp thông qua cụ thể hóa Automate lai (HA) [31], [29] và được thực thi
kèm theo các giả thuyết xác nhận tính hợp lệ nhằm kiểm tra về tính năng và
độ tin cậy của toàn bộ GNCS tại mọi thời điểm hoạt động.
+ Làm chủ kiến trúc hướng theo mô hình (MDA) để phân tích, thiết kế
và thi hành một cách hệ thống GNCS cho ASV có kèm theo sử dụng các
chuẩn công nghiệp; hơn nữa nó cho phép tùy biến và tái sử dụng các mô đun
GNCS của ASV đã phát triển được áp dụng cho các ứng dụng ASV mới,
nhằm giảm chi phí tài chính và thời gian trong vòng đời phát triển sản phẩm
công nghiệp.
3. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu
Tổ chức quản trị hướng đối tượng quốc tế (OMG) đã phát triển cách tiếp
14

cận kiến trúc hướng theo mô hình (MDA) [47] để ứng dụng trong việc phát
triển các hệ thống thông tin nói chung và các hệ thống điều khiển công nghiệp
nói riêng. Theo cách tiếp cận MDA đã có nhiều tổ chức [46] áp dụng thành
công trong trên thế giới như: công ty hàng không Lockheed Martin của Mỹ,
Viện nghiên cứu và khảo sát đại dương Ifremer và SeaTech của Pháp,... trong
nhiều lĩnh vực khác nhau, như: cơ khí động lực, điều khiển-tự động, điện tửviễn thông,... [12], [70], [19], [50].
Để đạt được các mục đích chính đề ra, luận án nghiên cứu cách tiếp cận
kiến trúc hướng mô hình (MDA) [47] do tổ chức hướng đối tượng quốc tế
(OMG) phát triển, kết hợp với ngôn ngữ mô hình hóa hợp nhất trong thời gian
thực (RealTime UML/MARTE) [45], [15], [22], [38], [58], [59] nhằm ứng
dụng trong việc phát triển các hệ thống thông tin nói chung và các hệ thống
điều khiển công nghiệp nói riêng. Cách tiếp cận MDA có các đặc điểm chính,
như: tính linh hoạt, di động và xuyên suốt giữa ứng dụng phát triển với các hệ
thống tương tác và khả năng dễ dàng tái sử dụng các thành phần đã phát triển
nhằm giảm thời gian, chi phí và nguồn lực cho các dự án phát triển hệ thống
công nghiệp.
Xuất phát từ các phân tích và đánh giá ở trên cũng như giới hạn về tài
chính và thời gian nghiên cứu, luận án đã lựa chọn đối tượng là phương tiện
tự hành trên mặt nước (ASV: AUV di chuyển trên mặt nước) và chỉ xét tới
nhiễu về sóng tuyến tính với biên độ nhỏ (sóng gợn, mã trạng thái số 1 [51]).
Luận án cụ thể hóa MDA kết hợp với HA và RealTime UML/MARTE để
thiết kế, thực thi cụ thể 01 ASV để minh họa cách tiếp cận hướng đối tượng
dễ dàng trong phát triển, tích hợp các hệ thống dẫn đường/định vị và điều
khiển (GNCS) cho ASV, ngoài ra, các qui tắc tùy biến và tái sử dụng bản thiết
kế chi tiết của GNCS đã phát triển này cũng được đưa ra nhằm có thể dễ dàng
ứng dụng cho các loại ASV khác nhau.

15

Cách tiếp cận của luận án dựa trên phương pháp thực thi điều khiển hiện
đại đã được ứng dụng trên nhiều hệ thống và thiết bị Cơ điện tử - Điều khiển;
các kết quả nghiên cứu được tính toán theo lý thuyết và mô phỏng trên máy
tính bằng các phần mền chuyên dụng cũng như triển khai kiểm chứng thông
qua thử nghiệm. Tuy nhiên, đây là lần đầu tiên Nghiên cứu kiến trúc hướng
mô hình kết hợp với RealTime UML/MARTE trong thiết kế hệ thống điều
khiển cho phương tiện không người lái tự hành trên mặt nước được áp dụng
và thử nghiệm trên phương tiện tự hành trên mặt nước (ASV) do Nghiên cứu
sinh (NCS) tự phân tích, tính toán thiết kế, chế tạo, tích hợp và triển khai thử
nhiệm tại Việt nam.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Luận án cụ thể hóa phương pháp luận về kiến trúc hướng theo mô hình
(MDA) có kết hợp với RealTime UML/MARTE, HA và phương thức điều
khiển tích phân hồi tiếp (IB) [2], [26] truyền thống cũng như sử dụng các
phần mềm mã nguồn mở hoặc thương mại để hỗ trợ cho việc thiết kế và thi
hành hệ thống một cách nhanh chóng và có kế thừa dựa mô hình đề xuất, như:
OpenModelica [49], MatLab-Simulink [43], IBM Rational Rhapsody [33]. Do
vậy, đề tài cũng bao hàm 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
hiện đại (MDA, RealTime UML/MARTE và HA); sản phẩm có thể là tiền đề
cho việc phát triển các ứng dụng công nghệ cao trong các lĩnh vực khác nhau,
như: cứu hộ/cứu nạn, cảnh báo sóng thần an ninh và quốc phòng trên biển.
Đặc biệt, nó có thể tham gia một góp phần nhỏ trong mục tiêu “Chiến lược
Biển” mà Đảng và Nhà nước đang đầu tư phát triển.
5. Các điểm mới của luận án đạt được
- Xây dựng thuật toán thực thi GNCS cụ thể cho ASV thông qua phương
thức tích phân hồi tiếp (IB) kết hợp với Automate lai.

16


- Thiết lập quy trình phân tích, thiết kế và thực thi điều khiển hướng đối
tượng trong thời gian thực cho ASV thông qua cụ thể hóa MDA với
RealTime UML/MARTE, nhằm thực thi một cách hệ thống cho GNCS và
triển khai trên một ASV tự hành bám theo hướng đi và quỹ đạo mong muốn
trên mặt nước.
- Thiết kế chi tiết của GNCS có thể dễ dàng tùy biến và tái sử dụng cho
các ứng dụng điều khiển các loại ASV khác nhau.
6. Cấu trúc của luận án
Luận án bao gồm phần mở đầu, 04 chương và kết luận được trình bày
như sau: Chương 1 giới thiệu tổng quan về phương tiện tự hành trên mặt nước
và các kỹ thuật điều khiển tích hợp. Chương 2 trình bày về mô hình hóa và
mô phỏng động lực học trong điều khiển cho ASV/AUV. Chương 3 đề xuất
quy trình phân tích, thiết kế, mô phỏng và thực thi GNCS cho ASV bằng công
nghệ hướng đối tượng kết hợp dựa trên MDA và ngôn ngữ mô hình hóa hợp
nhất trong thời gian thực (RealTime UML/MARTE) kết hợp với HA. Chương
4 trình bày về kết quả thử nghiệm và đánh giá. Cuối cùng là kết luận chung và
kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo.

17


1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG TIỆN TỰ HÀNH
DƯỚI NƯỚC VÀ CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN
1.1 Sơ lược quá trình phát triển và ứng dụng phương tiện tự
hành dưới nước
Trên thế giới, phương tiện tự hành dưới nước AUV nói chung và phương
tiện tự hành trên mặt nước ASV nói riêng đã có bước phát triển vượt bậc.

Hiện tại, ASV được sử dụng cho một số ứng dụng quân sự hoặc dân sự, ví dụ:
giám sát mục tiêu, thăm dò nguồn tài nguyên biển, cảnh báo thảm họa và cứu
nạn trên biển. Toàn bộ quá trình phát triển và đánh giá các loại sản phẩm về
ASV/AUV thế giới có thể tham khảo trong [55], [11]. Sơ lược về một số sản
phẩm ASV/AUV trên thế giới:
Năm 1957, Trường Đại học Washington, Mỹ đã phát triển ASV/AUV
(SPURV) (Hình 1.1) lặn sâu 3.000m và thời gian lặn liên tục trong 4 giờ; Có
khả năng đo nhiệt độ và độ truyền được sử dụng để hỗ trợ nghiên cứu hải
dương học, bao gồm nghiên cứu truyền tải âm thanh và phát hiện tàu ngầm
[11].

Hình 1.1 Hình ảnh phương tiện tự hành dưới nước ASV/AUV (SPURV)
Năm 1980, Viện nghiên cứu đại dương (IFREMER), Pháp đã thiết kế
chế tạo ASV/AUV (Epaulard) (Hình 1.2), dài 4m và nặng 2,9 tấn, có khả
năng lặn sâu tới 6.000m, được sử dụng trong nghiên cứu đại đại dương [11].
18


Hình 1.2 Hình ảnh phương tiện tự hành dưới nước ASV/AUV (Epaulard)
Năm 1983 Trung tâm nghiên cứu quân sự về đại dương và không gian
(SPAWAR), Mỹ chế tạo ASV/AUV (AUSS) (Hình 1.3) hoạt động ở độ sâu
lên đến 6.000m, có thể chụp và truyền hình ảnh đáy của đại dương thông qua
một máy truyền âm ở tốc độ lên đến 4.800 bít/giây, được trang bị các Sonar
quét bên và các Sonar nhìn về phía trước để giúp xác định vị trí các đối tượng
lạ trong đại dương [11].

Hình 1.3 Hình ảnh phương tiện tự hành dưới nước ASV/AUV (AUSS)
Năm 1997 Tập đoàn Kongsberg Maritime, Na Uy chế tạo ASV/AUV
(REMUS 6000) (Hình 1.4) có thể lặn sâu tới 6.000m, phục vụ nghiên cứu
giám sát, thăm dò và lập bản đồ đại dương, dễ dàng tùy biến cho các tác vụ

dân sự và quân khác khi trang bị các Sonar chức năng [11].

19


Hình 1.4 Hình ảnh phương tiện tự hành dưới nước ASV/AUV (REMUS 6000)
Năm 2007 Tập đoàn Atlas Elektronik, Đức chế tạo ASV (SEAOTTER
MKII) (Hình 1.5) chiều dài 3,65m, trọng lượng 1.000kg, chiều sâu lặn tới
600m, tải trọng mang thêm đến 160kg và thời gian hoạt động một lần 20 giờ,
thăm dò và khai khoáng tài nguyên biển, chống xâm nhập tàu ngầm, trinh sát
và giám sát vùng kinh tế biển đảo và lập bản đồ [11].

Hình 1.5 Hình ảnh phương tiện tự hành dưới nước ASV (SEAOTTER MKII)
Năm 2010 Tập đoàn Bluefin Robotics, Mỹ chế tạo ASV (Bluefin-9)
(Hình 1.6) có trọng lượng 60,5kg, kích thước L x W = 1,65m x 0,24m, lặn sâu
lớn nhất 200m, tốc độ di chuyển 2m/s, thời gian hoạt động một lần 12giờ,
thăm dò và khai khoáng tài nguyên biển, theo dõi và bảo vệ môi trường, trinh
sát và giám sát vùng kinh tế biển đảo, bảo vệ hải cảng và giàn khoan [11].

Hình 1.6 Hình ảnh phương tiện tự hành dưới nước ASV/AUV (Bluefin-9)
Từ năm 2009 đến nay, lực lượng Hải quân Mỹ đã chế tạo và thử nghiệm
các phiên bản của ASV (CUSV) (Hình 1.7) có khả năng mang nhiều loại vũ
20


khí và các trang thiết bị phục vụ công tác giám sát và tuần tra trên biển [67].

Hình 1.7 Hình ảnh phương tiện tự hành trên mặt nước ASV (CUSV)
Năm 2017, Công ty Atlas Elektronik UK chế tạo và thử nghiệm ASV
(ARCIMS) (Hình 1.8) có khả năng lai dắt, tự hoạt động theo nhóm và tránh

va chạm [68].

Hình 1.8 Hình ảnh phương tiện tự hành trên mặt nước ASV (ARCIMS)
Năm 2016, lực lượng Hải quân Mỹ cũng đã chế tạo và thử nghiệm
ASV (CARACAS) (Hình 1.9) có tự hoạt động theo nhóm và phối hợp với các
tàu có người lái [65].

Hình 1.9 Hình ảnh phương tiện tự hành trên mặt nước ASV (CARACAS)
Năm 2016, phòng thí nghiệm Khoa học và Công nghệ Quốc phòng – Bộ
21


Quốc phòng Anh chế tạo và thử nghiệm ASV (MAST) (Hình 1.10) có năng
ngăn đánh chặn và tấn công gần bờ [66].

Hình 1.10 Hình ảnh phương tiện tự hành trên mặt nước ASV (MAST) [66]
Hãng nghiên cứu chiến lược Douglas-Westwood [21] đã thống kê dữ liệu
ASV/AUV đã phát triển đến năm 2009 là 629 chiếc và dự báo thị trường ASV
trên thế giới giai đoạn từ năm 2010 đến năm 2019 khoảng 1144 chiếc nhằm
phục vụ các tác vụ: tìm kiếm năng lượng và khai thác dầu khí trữ lượng dưới
lòng đại dương, phục vụ an ninh quốc phòng, khai thác tiềm năng tài nguyên
sinh vật biển với tỷ lệ phân bổ như Hình 1.11 và Hình 1.12.
45%
40%
35%
30%
25%
20%
15%
10%

5%
0%

- Quân sự: 23%, - Thăm dò: 41%,

- Nghiên cứu:
35%,

- Khác: 11%.

Hình 1.11 Thống kê tỷ lệ phân bổ ASV/AUV theo phạm vi ứng dụng tính đến
năm 2009
22


60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%

- Quân sự:
49%,

- Nghiên cứu: - Dầu khí: 8%,
31%,

- Thủy văn:

7%,

- Cáp ngầm:
5%.

Hình 1.12 Dự báo tỷ lệ phân bổ ASV/AUV theo phạm vi ứng dụng giai đoạn
2010 – 2019
Ở trong nước với kỷ nguyên công nghệ và nền kinh tế đa chiều, toàn cầu
hóa và tri thức, việc phát triển các hệ thống điều khiển 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. Đặc biệt là các hệ thống điều khiển cho các
phương tiện phục vụ cho việc khảo sát, thăm dò, khai khoáng tài nguyên biển
và bảo vệ lãnh hải của đất nước. Hơn nữa, nó góp phần trong mục tiêu “Chiến
lược Biển” mà Đảng và Nhà nước đang đầu tư phát triển.
Ngoài ra, việc nghiên cứu về đại dương cũng rất cần các phương tiện tự
hành dưới nước nhằm mục đích nâng cao hiệu quả kinh tế xã hội trong dân sự
cũng như các trang thiết bị hải quân trong quân sự ở nước ta; ví dụ như là tìm
hiểu các nguồn sinh vật học của đại dương, cảnh báo thiên tai và sóng thần,
các thiết bị quân sự tự hành dưới nước,... ASV có các đặc tính cơ bản về an
toàn và chi phí hiệu quả hơn khi so sánh với phương tiện có người lái. ASV
không yêu cầu điều hành của con người và phải chịu các điều kiện và các mối
nguy hiểm vốn có trong môi trường dưới nước, hiệu quả về cả thời gian và tài
chính được do phương tiện 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
23


truyền động nhỏ hơn so với một phương tiện có người lái. Điều này cũng dẫn

đến qui mô yêu cầu thực hiện bảo trì thường xuyên cần thiết sẽ nhỏ hơn nhằm
duy trì cho một phương tiện hoạt động. Với các đặc trưng nổi bật như trên,
các loại ASV đã được sử dụng thành công và hiệu quả trong ngành công nghệ
hàng hải cho cả mục đích dân sự và quân sự. Trong thời gian vừa qua có một
số cá nhân tự nghiên cứu chế tạo tàu ngầm đã được báo chí trong nước có nêu
như “Tầu ngầm Trường Sa 01” của Ông Nguyễn Quốc Hòa, Tàu ngầm “Yết
Kiêu” của Ông Phan Bội Trân [6], các tàu ngầm này đều có người lái và được
được thử ở độ sâu còn khiêm tốn. Ngoài ra, Bộ KH&CN cũng đã hỗ trợ Công
ty Cổ phần đầu tư và phát triển công nghệ cao VINASHIN thực hiện Dự án
SXTN “Hoàn thiện thiết kế công nghệ và chế tạo tàu lặn cỡ nhỏ”, mã số
DAĐL-2010/15 [7], đến nay cơ bản đã chế tạo được 01 tàu lặn và thử nghiệm
một số tính năng chính tại Vịnh Cam Ranh Khánh Hòa.
Do đó, việc nghiên cứu sản xuất các phương tiện dạng ASV/AUV trong
nước 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. Đã có một số trường đại học và cao đẳng trong
nước nghiên cứu và chế tạo mô hình về hệ thống lái tự động, tuy nhiên vẫn
phải có sự can thiệp trược tiếp của người điều hành [1].
Bên cạnh đó, vấn đề thiết kế hệ thống điều khiển cho ASV gặp nhiều
khó khăn bởi vì nó phải được kết nối chặt chẽ với các mô hình động lực học.
Trên thực tế, có nhiều ứng dụng điều khiển ASV với các giải pháp tối ưu cho
việc kiểm soát mô hình động lực học của các phương tiện này. Ví dụ, Titan và
Collins [63] giới thiệu phương pháp lập kế hoạch quỹ đạo mong muốn cho
phương tiện tự hành dưới nước trong phạm vi hoạt động bị hạn chế. Phương
pháp này sử dụng đa thức dựa trên nội suy khối Hermite để ước tính tiến trình
thời gian đi qua tại các điểm lộ trình (WP) của quỹ đạo mong muốn khi thực
thi tác vụ. Li và Lee [41] đã giới thiệu bộ điều khiển phi tuyến cho phép
24

phương tiện tự hành dưới nước có thể kiểm soát được chiều sâu lặn dựa trên
kỹ thuật điều khiển cấp ngược (BS). Hệ thống điều khiển có sử dụng chế độ
kiểm soát trượt (SMC) [17] được ứng dụng cho phương tiện tự hành dưới
nước có khả năng bám quỹ đạo chính xác của bộ điều khiển phi tuyến trong
tiến trình thực thi điều khiển. Son và Kim [62] đã công bố nghiên cứu về điều
khiển chuyển động cho phương tiện tự hành dưới nước trên quan điểm mô
hình lai có kết hợp giữa mô hình rời rạc và mô hình liên tục. Jouffroy và
Opderbecke [35] đã đưa ra một mô hình điều khiển thích nghi có kết hợp với
kỹ thuật tích phân hồi tiếp (IB) nhằm đưa ra bộ điều khiển phi tuyến tương
đối hoàn thiện cho phép AUV có khả năng bám theo quỹ đạo ít sai lệch nhất
về vị trí và thời gian. Dong et al. [20] đã giới thiệu bộ điều chỉnh PID kết hợp
với mạng nơ ron cho một phương tiện tự hành dưới nước dạng hình cầu có
tính đến các nhiễu phức tạp trong môi trường dưới nước. Bộ điều khiển này
cũng bao gồm nhận dạng và kiểm soát mạng lưới nơ ron; các trọng số của
mạng nơ ron được thiết lập thông qua việc sử dụng phương pháp bình phương
tối thiểu Davidon có chống nhiễu mạnh và tốc độ hội tụ nhanh. Ứng dụng cụ
thể phương tiện tự hành dưới nước trong nông nghiệp và ngư nghiệp được
giới thiệu trong [42]; cảm biến GPS và luật dẫn đường trực thị cũng được
triển khai trên GNCS của ứng dụng này. Shojaei và Dolatshahi [60] đã nghiên
cứu về kiểm soát theo dõi mục tiêu của các phương tiện tự hành dưới nước
kèm theo nhiễu loạn môi trường; mạng nơ-ron và kỹ thuật điều khiển thích
nghi được sử dụng để phát triển bộ điều khiển theo dõi mục tiêu trong ứng
dụng của nghiên cứu này.
Tuy nhiên, các mô hình điều khiển trên đây đã được phát triển theo
hướng thủ tục; do đó chúng sẽ rất khó khăn trong việc được tùy biến và tái sử
dụng các thành phần GNCS đã được thiết kế để ứng dụng cho ASV khác
nhau. Do đó, các phương thức điều khiển truyền thống trên đây cần được kết
hợp với các ngôn ngữ mô hình hóa, mô phỏng và thực thi theo hướng hệ
25