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

BỘ 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


BỘ 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

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Mã số: 62520116

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS NGÔ VĂN HIỀN
2. GS. TSKH VŨ DUY QUANG

Hà Nội – 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tôi, Nguyễn Hoài Nam, cam kết báo cáo luận án là công trình nghiên
cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của NGND.GS.TSKH Vũ Duy Quang
và PGS.TS Ngô Văn Hiền.
Các kết quả nêu trong báo cáo luận án là trung thực và chưa từng được
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Nghiên cứu sinh

Nguyễn Hoài Nam
TẬP THỂ HƯỚNG DẪN
Người hướng dẫn
khoa học 1

PGS.TS Ngô Văn Hiền

Người hướng dẫn
khoa học 2

NGND.GS.TSKH Vũ Duy Quang


LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới:
NGND.GS.TSKH Vũ Duy Quang và PGS.TS Ngô Văn Hiền và là những
người Thầy đã trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo tận tình, giúp đỡ tôi trong suốt
quá trình học tập và thực hiện luận án.

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy và các cô, tại Bộ môn Kỹ thuật Thủy
khí và Tàu thủy, Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội,
những người đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong thời gian kể từ lúc chính
thức bắt đầu tiến hành nghiên cứu đến khi hoàn thành luận án này.
Cuối cùng, tôi vô cùng cảm ơn bố, mẹ, vợ, người thân và bạn bè, những
người đã luôn bên tôi chia sẻ, động viên và giúp đỡ tôi trong cuộc sống và học
tập.
Hà Nội, ngày…. tháng…. năm 2017
Nghiên cứu sinh

Nguyễn Hoài Nam


MỤC 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 .......................................................... 10 
1.2.1. Cấu trúc hệ thống điều khiển AUV/ASV ...................................... 10 

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 ............................................... 14 
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 ... 25 
2.1. Mô hình động lực học điều khiển tổng quát AUV/ASV ................... 25 
i


2.1.1. Các hệ tọa độ .................................................................................. 25 
2.1.2. Phương trình động lực học tổng quát AUV/ASV.......................... 26 
2.1.3. Tác động của môi trường tới AUV/ASV ....................................... 27 
2.2. Luật dẫn đường và mô hình hệ thống điều khiển thiết bị AUV/ASV
trên mặt phẳng ngang ................................................................................... 30 
2.2.1. Luật dẫn đường thiết bị AUV/ASV ............................................... 30 
2.2.2. Mô hình hệ thống điều khiển AUV/ASV trên mặt phẳng ngang .. 32 
2.2.3. Bộ lọc EKF và mô hình thực thi HA cho AUV/ASV ................... 37 
2.2.4. Ứng dụng mô phỏng hệ thống điều khiển AUV/ASV................... 40 
2.3. Phương pháp luận OOSEM trong phân tích thiết kế và thực thi bộ
điều khiển AUV/ASV .................................................................................... 42 
2.3.1. Quy trình thiết kế ........................................................................... 42 
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 ........................... 44 
Kết luận chương ............................................................................................ 49 

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 ............................................... 50 
3.1. Mô hình quản trị yêu cầu .................................................................... 50 
3.1.1. Xác định cấu hình hệ thống ........................................................... 50 
3.1.2. Mô hình hóa trực quan yêu cầu hệ thống ...................................... 53 
3.2. Mô hình phân tích và thiết kế ............................................................. 54 
3.2.1. Xây dựng mô hình phân tích cho hệ thống điều khiển AUV/ASV54 
3.2.2. Mô hình thiết kế hệ thống điều khiển AUV/ASV ......................... 57 
3.3. Mô hình mô phỏng và thực thi hệ thống điều khiển AUV/ASV...... 67 
3.3.1. Mô hình chuyển đổi SysML-Modelica ........................................... 67 
3.3.2. Mô hình mô phỏng và thực thi....................................................... 70 
3.3.3. Mô hình cài đặt và triển khai ......................................................... 73 
Kết luận chương ............................................................................................ 75 
ii


CHƯƠNG 4: THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ...................... 77 
4.1. Điều kiện và kịch bản thử nghiệm trên thiết bị AUV/ASV ............. 77 
4.1.1. Mô hình thử nghiệm AUV/ASV.................................................... 77 
4.1.2. Môi trường thử nghiệm .................................................................. 78 
4.1.3. Các tình huống thử nghiệm ............................................................ 79 
4.2. Tích hợp hệ thống và qui trình thử nghiệm ...................................... 79 
4.2.1. Tích hợp các thiết bị phần cứng ..................................................... 79 
4.2.2. Quy trình vận hành trong thử nghiệm điều khiển tàu lặn mô hình 83 
4.3. Tiến hành thử nghiệm và đánh giá hệ thống điều khiển tàu trên
thiết bị AUV/ASV .......................................................................................... 84 
4.3.1. Mô tả thử nghiệm ........................................................................... 84 
4.3.2. Thử nghiệm kịch bản bám quỹ đạo của thiết bị AUV/ASV .......... 86 
4.3.3.Thử nghiệm tính ổn định hướng của thiết bị .................................. 88 

Kết luận chương ............................................................................................ 89 
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 90 
Kết luận .......................................................................................................... 90 
Kiến nghị ........................................................................................................ 91 
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 92 
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ...... 99 
PHỤ LỤC ..................................................................................................... 101 
Phụ lục 1. Các thông số thủy động lực học ............................................. 101 
Phụ lục 2. Cấu trúc hệ thống tham khảo ................................................ 103 
Phụ lục 3. Mã chương trình chính hệ thống điều khiển........................ 104 
Phụ lục 4. Dữ liệu thử nghiệm bám quỹ đạo AUV/ASV ....................... 108 
Phụ lục 5. Một số hình ảnh cấu hình và thử nghiệm thiết bị................ 111 

iii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Viết đầy đủ (tiếng Anh)

Ý nghĩa

viết tắt
AF

Architechture Framework
Autonomous Under Water

AUV/ASV

Vehicle/Autonomous

Khung kiến trúc
Thiết bị tự hành dưới nước/trên
mặt nước

Surface Vehicle

Khối mô tả chức năng, sử dụng

BBD

Block Definition Diagram

CLF

Control Lyapunov Functions Hàm điều khiển Lyapunov

CG

Center of Gravity

Trọng tâm

EKF

Extended Kalman Filter

Bộ lọc Kalman mở rộng

FFBDs
GPS
GAS

Functional Flow Block

Sơ đồ khối hàm truyền

Diagrams
Global Positioning Systems
Global Asymptotically

Hybrid Automata

IB

Integral Backstepping

Hệ thống định vị toàn cầu
Ổn định tiệm cận toàn cục

Stable

HA

trong SysML

Automate lai
Luật điều khiển cuốn chiếu tích

phân

Industrial Hybrid Dynamic

Hệ thống động lực lai công

System

nghiệp.

IMU

Inertial Measurement Unit

Thiết bị đo quán tính

INS

Inertial Navigation Systems

Hệ thống dẫn đường quán tính

IHDS

iv


INCOSE

IEEE

ISO

International Council on

Hội đồng quốc tế về công nghệ

Systems Engineering

hệ thống

Institute of Electrical and
Electronics Engineers
International Organisation
for Standardisation

Viện kỹ nghệ Điện và Điện tử

Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế

International
IEC

Uỷ ban Kỹ thuật Điện Quốc tế

Electrotechnical
Commission

LQG

linear-quadratic-Gaussian

LOS

Light of Sight

Real-time Embedded

MDS

MES

MIMO

Model Based System

Công nghệ hệ thống hướng mô

Engineering

hình.

Measurement and Display
System

Hệ thống hiển thị và đo lường

Marine Environmental

Hệ thống tác nhân tác động bên

System

ngoài do môi trường hàng hải

Multi Input-Multi Output

NCS
NED

Mô hình hóa và phân tích hệ
thống nhúng thời gian thực

Systems
MBSE

phương tuyến tính Gauss
Thuật toán dẫn đường trực thị

Modeling and Analysis of
MARTE

Thuật toán điều khiển toàn

Hệ thống nhiều đầu vào nhiều
đầu ra.
Nghiên cứu sinh
Hệ tọa độ gắn với trái đất

North-East-Down

v


NIST

National Institute of

Viện tiêu chuẩn và kỹ thuật Hoa

Standards and Technology

Kỳ
Tổ chức quản lý và phát triển

OMG

Object Management Group

OOT

Objected Orient Technology Công nghệ hướng đối tượng
The Object-Oriented

OOSEM

Phương pháp hệ thống công

Systems Engineering

nghệ hướng đối tượng

Method
OPM

PID

PLC

RUP-SE
SISO

Object Process

Phương pháp qui trình–đối tượng

Methodology
Proportional – Integral –

Bộ điều chỉnh tỷ lệ-tích phân-vi

Derivative Regulator

phân

Programmable Logic

Thiết bị điều khiển lập trình

Controller

được

The Rational Unified

Quy trình hợp nhất RUP của

Process-System Engineering IBM
Single Input-Single Output
Service oriented

SoaML

hướng đối tượng

Điều khiển một vào một ra
Ngôn ngữ mô hình hóa kiến trúc

architecture Modeling

hướng dịch vụ

Language
SE

System Engineering

Công nghệ hệ thống

SMC

Sliding Mode Control

Điều khiển trượt

UAV

Unmanned Aerial Vehicle

Thiết bị bay không người lái

WP

Way-Point

Điểm đường (điểm lộ trình)

vi


DANH 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............................................. 25 
Bảng 2.2. Khả năng mô hình hóa và mô phỏng hệ thống công nghiệp với
Modelica [27] .................................................................................................. 46 
Bảng 3.1. Nguyên tắc tùy biến và tái sử dụng của các khối điều khiển chính 65 
Bảng 4.1.Thông số tọa độ điểm đặt WP ứng với dạng quỹ đạo cho trước ..... 86 
Bảng 4.2. Tổng hợp dữ liệu liên quan đến tính ăn lái của tàu ........................ 88 
Bảng A.1. Các thông số thủy động lực học chính của thiết bị AUV/ASV vận

tốc di chuyển 0,5m/s [3] ................................................................................ 101 
Bảng A.2. Các chỉ tiêu so sánh ..................................................................... 103 
Bảng A.3. Dữ liệu bám quỹ đạo của AUV/ASV trong “trường hợp 1”, vận tốc
di chuyển 0,5m/s. .......................................................................................... 108 
Bảng A.4. Dữ liệu bám quỹ đạo của AUV/ASV trong “trường hợp 2”, vận tốc
di chuyển 0,5m/s. .......................................................................................... 109 

vii


DANH 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. .... 12 
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......... 18 
Hình 2.1. Các hệ tọa độ thiết bị dưới nước. .................................................... 26 
Hình 2.2. Phổ sóng với 2 đỉnh. ........................................................................ 28 
Hình 2.3. Phổ sóng. ......................................................................................... 29 
Hình 2.4. Thuật toán LOS [46]. ...................................................................... 31 
Hình 2.5. Mô hình giải thuật IB cho bộ điều khiển AUV/ASV...................... 35 
Hình 2.6. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển AUV/ASV. ................................... 36 
Hình 2.7. Thuật toán dự đoán/hiệu chỉnh EKF. .............................................. 39 
Hình 2.8. Kết quả mô phỏng với OpenModelica trường hợp sử dụng luật điều

khiển PID tuyến tính. ...................................................................................... 41 
Hình 2.9. Kết quả mô phỏng với OpenModelica trường hợp sử dụng bộ điều
khiển IB kết hợp EKF. .................................................................................... 41 
Hình 2.10. Kiến trúc qui trình phát triển tàu tự hành AUV/ASV. .................. 44 
Hình 2.11. Tổng quan các sơ đồ trong SysML liên quan với UML. .............. 45 
Hình 2.12. Ví dụ mô hình phân tích với SysML4Modelica ........................... 48 
Hình 2.13. Mã chương trình mô phỏng được tự động sinh ra với công cụ
OpenModelica. ................................................................................................ 48 

viii


Hình 3.1. Sơ đồ khối chức năng thực thi của hệ thống điều khiển AUV/ASV.
......................................................................................................................... 51 
Hình 3.2. Các khối chính trong cấu trúc điều khiển tổng quát AUV/ASV. ... 52 
Hình 3.3. Mô hình hóa các yêu cầu tổng quát của hệ thống. .......................... 54 
Hình 3.4. Mô hình hóa các trường hợp sử dụng của hệ thống. ....................... 55 
Hình 3.5. Kịch bản điều khiển bám theo quỹ đạo mong muốn. ..................... 56 
Hình 3.6. Máy trạng thái cục bộ của trường hợp sử dụng “Lái”. ................... 56 
Hình 3.7. Máy trạng thái toàn cục của AUV/ASV. ........................................ 57 
Hình 3.8. Ví dụ sơ đồ chức năng thực thi mở rộng......................................... 58 
Hình 3.9. Mẫu kết nối truyền đạt giữa các khối điều khiển chính của
AUV/ASV. ...................................................................................................... 62 
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 .......................................................... 64 
Hình 3.11. Mô hình chuyển đổi tổng quát ...................................................... 68 
Hình 3.12. Chuyển đổi mô hình thiết kế và mô hình mô phỏng thực thi cho hệ
thống điều khiển AUV/ASV. .......................................................................... 69 
Hình 3.13. Mô hình chuyển đổi SysML-Modelica khối điều khiển Mô tơ-PI.
......................................................................................................................... 71 

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. ........................... 71 
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. ........................... 72 
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 ........................... 72 
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. ........................... 72 
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 ........................... 73 

ix


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. .............. 73 
Hình 3.19. Sơ đồ thực thi hướng đối tượng của HAUV/ASV cho thiết bị
AUV/ASV. ...................................................................................................... 74 
Hình 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. .............................. 75 
Hình 4.1. Chế tạo thân vỏ và hệ động lực thiết bị tàu tự hành tại Phòng thử
nghiệm bộ môn Kỹ thuật Tàu thủy - ĐHBK Hà Nội [3]. ............................... 77 
Hình 4.2. Bể bơi Đại học Bách khoa Hà nội được sủ dụng trong tiến hành
thực nghiệm. .................................................................................................... 78 
Hình 4.3. Sơ đồ tổng quan kết nối phần cứng và các thiết bị ngoại vi [6]. .... 80 
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). ....................................... 81 
Hình 4.5. Tích hợp vi mạch trên AUV/ASV mô hình. ................................... 82 
Hình 4.6. Bộ thu nhận tín hiệu trạng thái của AUV/ASV mô hình. ............... 82 

Hình 4.7. Pin và mạch sạc điện Cellpro. ......................................................... 82 
Hình 4.8. Thiết lập quỹ đạo cho thiết bị AUV/ASV gồm 04 điểm. ............... 85 
Hình 4.9. Thiết lập quỹ đạo cho thiết bị AUV/ASV gồm 6 điểm .................. 85 
Hình 4.10. Kết quả thử nghiệm đối với tính bám quỹ đạo cho “trường hợp 1”
......................................................................................................................... 87 
Hình 4.11. Kết quả thử nghiệm đối với tính bám quỹ đạo cho “trường hợp 2”
......................................................................................................................... 87 
Hình A.1. Tích hợp phần cứng cho AUV/ASV tại phòng thử nghiệm......... 111 
Hình A.2. Phần cứng sẵn sàng lắp đặt lên mô hình. ..................................... 111 
Hình A.3. Một số thử nghiệm đảm bảo kín nước trước khi đưa vào bể thử. 112 
Hình A.4. Hiệu chỉnh phần mềm, thiết lập quỹ đạo thử nghiệm cho mô hình.
....................................................................................................................... 112 

x


Hình A.5. Thiết bị AUV/ASV đang quay vòng trong trường chạy thử nghiệm
bám quỹ đạo trong “trường hợp 2” (a-f). ...................................................... 113 

xi


MỞ ĐẦU
i. Tính cấp thiết của đề tài
Trong kỷ nguyên công nghệ và nền kinh tế đa chiều, việc phát triển các hệ
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

1


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”.
ii. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
Mục đích nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của luận án là nhằm đưa ra mô hình quản trị yêu
cầu, phân tích, thiết kế, mô phỏng và thực thi một cách hiệu quả hệ thống điều
khiển các thiết bị tự hành dưới nước AUV/ASV (ví dụ: tàu ngầm, ngư lôi, rôbốt hoạt động dưới nước, các thiết bị phục vụ hải quân với mục đích quân sự,
tàu thủy tự vận hành...) dựa trên phương pháp cụ thể hóa cách tiếp cận kiến
trúc hướng đối tượng hướng theo mô hình (MBSE) [56] bằng ngôn ngữ mô
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
2


khiển 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 kế t hơ ̣p với thực
nghiê ̣m sẽ đươ ̣c tiế n 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

3


dàng 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.

4


CHƯƠNG 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

5


cản 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.
1.1.2. Một số ứng dụng của AUV/ASV
Những ứng dụng quan trọng nhất của AUV/ASV là khả năng nghiên cứu
đáy đại dương [82] với các hoạt động thu thập dữ liệu, thăm dò xây dựng bản

6


đồ bề mặt đáy biển, từ đó xây dựng các cơ sở dữ liệu phục vụ cho các công
tác 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].

7


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
năng 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

8

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
vào chế tạo thực thi. Ví dụ ở nghiên cứu [3], tác giả bước đầu cũng đã đưa ra
được mô hình thiết kế 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].

9

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.
Để 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

10