Luận án Tiến sĩ: 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

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:141

Thêm vào BST

Báo xấu

117
lượt xem 28
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án gồm 4 chương. Chương 1 trình bày tổng quan về các phương tiện tự hành dưới nước (AUV) và phương pháp mô hình hóa, mô phỏng, thực thi hệ thống điều khiển. Chương 2, chương 3 đưa ra quy trình phân tích, thiết kế và thực thi điều khiển của tàu lặn không người lái tự hành cỡ nhỏ đã lựa chọn theo công nghệ hướng đối tượng. Chương 4 trình bày các kết quả thử nghiệm và đánh giá. Cuối cùng là kết luận và kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ: 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

MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................ v DANH MỤC CÁC BẢNG ....................................................................................... vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ........................................................... viii MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 12 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG TIỆN TỰ HÀNH DƯỚI NƯỚC VÀ PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG, THỰC THI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ........................................................................................................... 17 1.1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG AUV ...... 17 1.2. ĐỘNG LỰC HỌC TRONG ĐIỀU KHIỂN AUV ............................................ 23 1.2.1. Mô hình yêu cầu......................................................................................... 23 1.2.2. Mô hình động lực học điều khiển .............................................................. 25 1.2.2.1. Hệ tọa độ sử dụng ............................................................................... 25 1.2.2.2. Phương trình động lực học ................................................................. 26 1.2.3. Một số luật và phân phối điều khiển cho AUV ......................................... 27 1.2.3.1. Một số luật điều khiển sử dụng cho AUV .......................................... 27 1.2.3.2. Phân phối điều khiển .......................................................................... 30 1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG VÀ THỰC THI ÁP DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN AUV ...................................................................... 32 1.3.1. AUV với hệ thống động lực lai .................................................................. 32 1.3.1.1. Phân loại hệ thống điều khiển công nghiệp ........................................ 32 1.3.1.2. AUV với HDS trong điều khiển công nghiệp .................................... 33 1.3.2. Mô hình hóa ứng xử AUV - HDS .............................................................. 35 1.3.2.1. Automate lai ....................................................................................... 35 1.3.2.2. Grafcet ................................................................................................ 36 1.3.2.3. Mạng Petri .......................................................................................... 37 1.3.3. Công nghệ hướng đối tượng trong việc phát triển AUV - HDS ................ 38 1.3.3.1. Ngôn ngữ mô hình hóa hợp nhất trong thời gian thực ....................... 38 1.3.3.2. Phân tích và thiết kế hướng đối tượng ................................................ 40 1.3.4. Một số phương pháp mô phỏng và thực thi ............................................... 41 i
1.3.4.1. Modelica ............................................................................................. 41 1.3.4.2. MatLab & Simulink ............................................................................ 42 1.3.4.3. Mô hình khối chức năng ..................................................................... 43 Kết luận chương ................................................................................................... 44 CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH MÔ HÌNH THỦY ĐỘNG LỰC HỌC VÀ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CỦA AUV ........................................................................................ 47 2.1. MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC PHƯƠNG TIỆN DƯỚI NƯỚC ...................................................................................................................... 47 2.1.1. Vai trò mô hình hóa và mô phỏng động lực học phương tiện tự hành dưới nước ............................................................................................................. 47 2.1.2. Tổng quan về CFD ..................................................................................... 48 2.1.2.1. Ưu điểm của CFD ............................................................................... 48 2.1.2.2. Hạn chế của CFD ................................................................................ 49 2.2. CÔNG CỤ HỖ TRỢ VÀ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TRONG MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC AUV ................................................... 49 2.2.1. Công cụ hỗ trợ tính toán ............................................................................ 49 2.2.2. Căn bản lý thuyết tính toán được sử dụng trong công cụ hỗ trợ................ 51 2.3. QUI TRÌNH MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC AUV .... 53 2.3.1. Xây dựng mô hình hình học....................................................................... 54 2.3.2. Lưới hóa mô hình ....................................................................................... 55 2.3.3. Đặt điều kiện biên và tính toán .................................................................. 56 2.4. PHÂN TÍCH MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG THỦY ĐỘNG LỰC HỌC . 57 2.4.1. Trường phân bố áp suất dòng chảy bao tàu lặn ......................................... 57 2.4.2. Các thông số động lực chất lỏng tác dụng lên tàu lặn ............................... 59 2.5. CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN AUV ................................................ 64 2.5.1. Sơ đồ khối chức năng................................................................................. 64 2.5.2. Giả thuyết thực thi Automate lai cho AUV – HDS.................................... 65 2.5.3. Chi tiết cấu trúc Automate lai của AUV – HDS ........................................ 66 2.5.4. Mô phỏng hệ thống điều khiển .................................................................. 71 Kết luận chương ................................................................................................... 73 ii
CHƯƠNG 3. QUY TRÌNH PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ VÀ THỰC THI ĐIỀU KHIỂN CỦA AUV THEO CÔNG NGHỆ HƯỚNG ĐỐI TƯỢNG ....................... 74 3.1. CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN TRONG CÔNG NGHỆ HƯỚNG ĐỐI TƯỢNG74 3.1.1. Tính trừu tượng hoá ................................................................................... 74 3.1.2. Tính đóng gói ............................................................................................. 75 3.1.3. Tính mô đun hoá ........................................................................................ 76 3.1.4. Tính thừa kế ............................................................................................... 76 3.1.5. Lựa chọn phương pháp hướng đối tượng .................................................. 76 3.2. QUY TRÌNH PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾT TRONG PHÁT TRIỂN AUV – HDS VỚI REALTIME UML ................................................................................... 78 3.2.1. Mô hình phân tích của AUV – HDS công nghiệp ..................................... 78 3.2.1.1. Nhận biết các trường hợp sử dụng...................................................... 78 3.2.1.2. Xác định máy trạng thái toàn cục ....................................................... 80 3.2.1.3. Xác định sơ đồ khối chức năng mở rộng ............................................ 80 3.2.1.4. Xác định Automate lai ........................................................................ 81 3.2.1.5. Cấu trúc tổng quan về mô hình phân tích của AUV – HDS .............. 82 3.2.2. Mô hình thiết kế của AUV - HDS công nghiệp ......................................... 84 3.2.2.1. Cấu trúc kết nối toàn cục .................................................................... 85 3.2.2.2. Kiểm tra mô hình thiết kế ................................................................... 88 3.2.3. Mô hình thực thi của AUV - HDS công nghiệp ........................................ 88 3.2.3.1. Mô hình mô phỏng hướng đối tượng.................................................. 88 3.2.3.2. Lựa chọn ngôn ngữ công nghiệp cho mô hình triển khai ................... 92 Kết luận chương ................................................................................................... 94 CHƯƠNG 4. THỬ NGHIỆM, PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ............. 96 4.1. CÀI ĐẶT HỆ THỐNG VÀ CÁC TRƯỜNG HỢP THỬ NGHIỆM ................ 96 4.1.1. Cài đặt hệ thống ......................................................................................... 96 4.1.2. Các trường hợp thử nghiệm hiệu năng điều động tàu................................ 97 4.2. KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ DỮ LIỆU THỬ NGHIỆM VỀ TÍNH ĂN LÁI CỦA TÀU ................................................................................................................ 98 4.2.1. Tính quay trở .............................................................................................. 98 4.2.2. Tính ổn định hướng và bám quỹ đạo ....................................................... 100 iii
Kết luận chương ................................................................................................. 103 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 105 1. Kết luận .......................................................................................................... 105 2. Kiến nghị ........................................................................................................ 107 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 108 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ................. 112 PHỤ LỤC ............................................................................................................... 113 Phụ lục 1. Kết quả tính toán các thông số thủy động lực học chính của tàu lặn mô hình ......................................................................................................................... 113 Phụ lục 2. Mô hình phân tích và thiết kế hướng đối tượng với RealTime UML cho hệ thống điều khiển tàu lặn mô hình ...................................................................... 115 2.1. Mô hình phân tích của hệ thống điều khiển tàu lặn .................................... 115 2.1.1. Mô hình trường hợp sử dụng ............................................................... 115 2.1.2. Các ứng xử của các trường hợp sử dụng trong hệ thống điều khiển tàu lặn 116 2.1.3. Máy trạng thái toàn cục ....................................................................... 117 2.2. Mô hình thiết kế của hệ thống điều khiển tàu lặn ....................................... 118 2.2.1. Gói của phần liên tục ........................................................................... 120 2.2.2. Gói IGCB ............................................................................................. 122 2.2.3. Gói của phần rời rạc ............................................................................ 124 2.2.4. Gói giao diện bên trong ....................................................................... 125 2.2.5. Gói giao diện bên ngoài ....................................................................... 126 2.3. Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển tàu lặn .......................................... 127 2.4. Mô hình triển khai hệ thống điều khiển tàu lặn .......................................... 131 Phụ lục 3: Một số hình ảnh chế tạo và thử nghiệm tàu lặn mô hình ...................... 135 iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Viết đầy đủ (tiếng Anh) Ý nghĩa viết tắt AC Active Class Lớp chủ động Autonomous Underwater Phương tiện tự hành dưới AUV Vehicles nước B-Frame Body-Frame Hệ tọa độ gắn với vật thể Phương thức điều khiển cấp BS Back-Stepping ngược Computational Fluid CFD Động lực học tính toán dòng Dynamics Differential Algebraic DAE Phương trình đại số vi phân Equation FB Function Block Khối chức năng trong IEC GPS Global Positioning Systems Hệ thống định vị toàn cầu HDS Hybrid Dynamic System Hệ thống động lực lai Integrated Development Môi trường phát triển tích IDE Environment hợp International Electro- IEC Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế technical Commission Instantaneous Global Ứng xử liên tục toàn cục tức IGCB Continuous Behavior thời International Maritime IMO Tổ chức hàng hải quốc tế Organization International Council on Hội đồng quốc tế về công INCOSE Systems Engineering nghệ hệ thống Hệ thống dẫn đường quán INS Inertial Navigation Systems tính v
LOS Line-Of-Sight Giải thuật bám đường Model-Based Systems Công nghệ hệ thống hướng MBSE Engineering mô hình Model-View-Controller Mẫu mô hình-khung nhìn- MVC pattern điều khiển NED- North-East-Down Frame Hệ tọa độ gắn với trái đất Frame Object-Oriented Lập trình hướng đối tượng OOPRES Programming for RealTime cho hệ thống nhúng thời gian Embedded Systems thực Tổ chức quản trị hướng đối OMG Object Management Group tượng quốc tế PC Passive Class Lớp bị động Proportional – Integral – Bộ điều chỉnh khuếch đại tỷ PID Derivative regulator lệ-tích phân-vi phân Programmable Logic Bộ điều khiển logic lập trình PLC Controller được RealTime RealTime Unified Modeling Ngôn ngữ mô hình hóa hợp UML Language nhất trong thời gian thực Rapid Object-Oriented Qui trình hướng đối tượng ROPES Process for Embedded cho hệ thống nhúng Systems SMC Sliding Mode Control Điều khiển trượt Society of Naval Architects Hiệp hội kiến trúc sư hải quân SNAME and Marine Engineers & kỹ sư hàng hải quốc tế Ngôn ngữ mô hình hoá hợp UML Unified Modeling Language nhất WP Way-Point Điểm lộ trình vi
DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1. Sơ lược về quá trình phát triển sản phẩm AUV trên thế giới 17 Bảng 1.2. Dữ liệu thông kê và dự báo về phát triển AUV trên thế giới 20 Bảng 1.3. Các ký hiệu SNAME cho phương tiện dưới nước 26 Bảng 2.1. Phân bố áp suất động của dòng chảy bao tàu 58 Bảng 2.2. Lực và mô men tác dụng lên tàu lặn theo hệ tọa độ OXYZ 59 Bảng 2.3. Lực và mô men tác dụng lên tàu lặn theo hệ tọa độ OXoYoZo 62 Bảng 2.4. Các thông số cụ thể của các dòng liên tục toàn cục 69 Bảng 4.1. Đường kính xác lập quay vòng 100 Bảng 4.2. Tổng hợp dữ liệu liên quan đến tính ăn lái của tàu 102 Bảng A.1. Các thông số thủy động lực học chính của tàu lặn mô hình 113 vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1. Sơ đồ khối điều khiển, định vị và dẫn đường của AUV 24 Hình 1.2. Các hệ tọa độ và tham số chuyển động của AUV 25 Hình 1.3. Sơ đồ khối bộ điều khiển PID 28 Hình 1.4. Hệ thống tự đáp ứng, hệ thống thời gian thực và hệ thống động lực lai 33 Hình 1.5. Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống động lực lai công nghiệp 34 Hình 1.6. Ví dụ về các gói, các cổng và giao thức 39 Hình 1.7. Đặc tính khối chức năng theo chuẩn IEC61499 43 Hình 2.1. Sơ đồ tính toán trong Ansys Fluent 50 Hình 2.2. Trình tự mô phỏng động lực học trong FluidFlow (Fluent) 53 Hình 2.3. Biên dạng tàu lặn mô hình 54 Hình 2.4. Mô hình khảo sát 55 Hình 2.5. Mô hình đã chia lưới 55 Hình 2.6. Lưới biên dạng tàu lặn 56 Hình 2.7. Sơ đồ mô phỏng 57 Hình 2.8. Biểu đồ lực cản tác dụng lên tàu lặn 60 Hình 2.9. Biểu đồ lực nâng tác dụng lên tàu lặn 61 Hình 2.10. Biểu đồ mô men quay tác dụng lên tàu lặn 61 Hình 2.11. Biểu đồ lực dọc tàu 63 Hình 2.12. Biểu đồ lực ngang tác dụng lên tàu 63 Hình 2.13. Sơ đồ khối chức năng mở rộng của AUV – HDS 65 Hình 2.14a. Automate lai của AUV - HDS với các sự kiện bên trong được sinh ra là Eii: trường hợp lái Phải – Trái 70 Hình 2.14b. Automate lai của AUV - HDS với các sự kiện bên trong viii
được sinh ra là Eii: trường hợp lái Lặn – Nổi 70 Hình 2.15. Mô phỏng đáp ứng quá độ hướng đi của AUV - HDS 72 Hình 3.1. Tổng quan các đặc trưng trong công nghệ hướng đối tượng 75 Hình 3.2. Chu trình vòng đời lặp của AUV - HDS 78 Hình 3.3. Cấu trúc tổng quan về mô hình phân tích của AUV - HDS công nghiệp 83 Hình 3.4. Sơ đồ cấu trúc kết nối các gói chính của AUV - HDS công 86 nghiệp Hình 3.5. Sơ đồ lớp chi tiết về các gói chính, cổng và giao thức của 87 AUV Hình 3.6. Minh họa cấu trúc điều khiển tàu lặn thông qua mô hình OpenModelica 91 Hình 3.7. Mô phỏng đáp ứng quá độ hướng đi của AUV – HDS tương ứng với kết quả mô phỏng trên Hình 2.15 trong Chương 2 91 Hình 4.1. Sơ đồ khối tổng quan kết nối phần cứng 96 Hình 4.2. Ví dụ minh họa một số thiết bị ngoại vi chính và lắp đặt tổng 96 thể Hình 4.3. Sơ đồ khối thiết lập thử nghiệm về hiệu năng điều động tàu 97 Hình 4.4. Bán kính quay trở tại góc bánh lái 10o với vận tốc 0.5m/s 98 Hình 4.5. Bán kính quay trở tại góc bánh lái 20o với vận tốc 1.0m/s 99 Hình 4.6. Bán kính quay trở tại góc bánh lái 30o với vận tốc 1.5m/s 99 Hình 4.7. Quá độ quĩ đạo khi đặt hướng đi mong muốn 10° với vận tốc di chuyển trung bình 0.5m/s 101 Hình 4.8. Quá độ quĩ đạo khi đặt hướng đi mong muốn 20° với vận tốc di chuyển trung bình 1.0m/s 101 ix
Hình 4.9. Quá độ quĩ đạo khi đặt hướng đi mong muốn 30° với vận tốc di chuyển trung bình 1.5m/s 102 Hình 4.10. Thử nghiệm bám quỹ đạo trên mặt phẳng nằm ngang của tàu lặn 103 Hình A.1. Mô hình trường hợp sử dụng của hệ thống điều khiển tàu lặn 115 Hình A.2a. Sơ đồ diễn tiến của trường hợp sử dụng “Drive” 116 Hình A.2b. Máy trạng thái của trường hợp sử dụng “Drive” 117 Hình A.3. Máy trạng thái toàn cục của hệ thống điều khiển tàu lặn 117 Hình A.4. Sơ đồ kết nối giữa các gói cơ bản của AUV - HDS 118 Hình A.5. Sơ đồ lớp của các gói cơ bản trong AUV - HDS 118 Hình A.6. Sơ đồ diễn tiến toàn cục của AUV - HDS – trong trường hợp: sự kiện bên ngoài được xử lý; sự kiện bên trong được sinh ra 119 Hình A.7. Sơ đồ cấu trúc của gói phần liên tục 120 Hình A.8. Sơ đồ lớp của gói phần liên tục của AUV - HDS 121 Hình A.9. Sơ đồ diễn tiến của gói phần liên tục 122 Hình A.10. Sơ đồ lớp của gói IGCB 123 Hình A.11. Máy trạng thái của gói IGCB 123 Hình A.12. Sơ đồ lớp của gói phần rời rạc 124 Hình A.13. Máy trạng thái của gói phần rời rạc 124 Hình A.14a. Sơ đồ lớp của gói giao diện bên trong 125 Hình A.14b. Máy trạng thái của gói giao diện bên trong 125 Hình A.15. Sơ đồ lớp của gói giao diện bên ngoài của AUV - HDS 126 Hình A.16. Máy trạng thái của gói giao diện bên ngoài 126 Hình A.17. Đáp ứng quá độ hướng đi của của tàu lặn mô hình tương ứng với hướng đi mong muốn 10o và vận tốc di chuyển 1,0m/s 127 Hình A.18. Đáp ứng quá độ hướng đi của của tàu lặn mô hình tương x
ứng với hướng đi mong muốn 10o và vận tốc di chuyển 1,5m/s 128 Hình A.19. Đáp ứng quá độ hướng đi của của tàu lặn mô hình tương ứng với hướng đi mong muốn 20o và vận tốc di chuyển 0,5m/s 128 Hình A.20. Đáp ứng quá độ hướng đi của của tàu lặn mô hình tương ứng với hướng đi mong muốn 20o và vận tốc di chuyển 1,0m/s 129 Hình A.21. Đáp ứng quá độ hướng đi của của tàu lặn mô hình tương ứng với hướng đi mong muốn 20o và vận tốc di chuyển 1,5m/s 129 Hình A.22. Đáp ứng quá độ hướng đi của của tàu lặn mô hình tương ứng với hướng đi mong muốn 30o và vận tốc di chuyển 0,5m/s 130 Hình A.23. Đáp ứng quá độ hướng đi của của tàu lặn mô hình tương ứng với hướng đi mong muốn 30o và vận tốc di chuyển 1,0m/s 130 Hình A.24. Đáp ứng quá độ hướng đi của của tàu lặn mô hình tương ứng với hướng đi mong muốn 30o và vận tốc di chuyển 1,5m/s 131 Hình A.25. Vi xử lý Arduino Mega2560 kèm theo các giao thức kết 132 nối Hình A.26. Tích hợp phần cứng trong hệ thống điều khiển tàu lặn mô 132 hình Hình A.27. Kiểm tra mã chương trình chính của bộ điều khiển PID được biên dịch để nạp vào vi xử lý Arduino Mega2560 134 xi
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Phương tiện tự hành dưới nước (AUV) [7] đang ngày càng được sử dụng bởi các nhà khai thác dân sự và quốc phòng cho các nhiệm vụ phức tạp và nguy hiểm. Điều này có được là do các đặc tính cơ bản về an toàn và hiệu quả khi so sánh với phương tiện có người lái [58], [67]. AUV 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. AUV hiệu quả hơn so với phương tiện có người lái cả về thời gian và tài chính do phương tiện nhỏ hơn và không cần các hệ thống để duy trì sự sống dưới nước. 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 AUV đã được sử dụng thành công và hiệu quả trong ngành công nghệ hàng hải cho cả mục đích dân sự và quân sự [7], [19]. Ngày nay, cùng với sự phát triển chung của đất nước, ngành kinh tế biển ngày một đóng vai trò quan trọng.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 [56]; ví dụ: 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. 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 phương tiện dưới nước sẽ rất cao. Hơn thế nữa, 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 12
là: 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. Các hoạt động trên đòi hỏi phải có các phương tiện tự hành dưới nước thì mới đáp ứng được mục tiêu. Do đó, việc nghiên cứu sản xuất các phương tiện này 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 nếu các thiết bị này được sản xuất công nghiệp thì việc sử dụng các chuẩn để phân tích, thiết kế và thi hành hệ thống điều khiển cần phải được xem xét đến. Việc tái sử dụng và tùy biến các mô đun điều khiển đã phát triển được áp dụng cho hệ thống ứng dụng mới là rất quan trọng, nhằm giảm chi phí, thời gian và nhân công sản xuất [1]. Ở nước ta, việc xem xét sử dụng các chuẩn dùng để phân tích thiết kế hệ thống điều khiển, tái sử dụng và tùy biến các mô đun điều khiển đã phát triển vẫn còn hạn chế. Trên thế giới có nhiều nước đã và đang phát triển rất mạnh về điều khiển các phương tiện tự hành dưới nước với công nghệ điều khiển tích hợp cao như là Na Uy, Mỹ, Nga và Pháp. Các phương tiện này được sử dụng trong mục đích dân sự, như là thăm dò các nguồn tài nguyên thiên nhiên dưới biển, do nguồn tài nguyên trên đất liền đang cạn kiệt dần và nhu cầu thiết yếu cho cuộc sống của con người ngày càng tăng cao. Các phương tiện tự hành dưới nước cũng được sử dụng cho mục đích quân sự riêng cho từng quốc gia nhằm bảo vệ toàn vẹn chủ quyền lãnh thổ của quốc gia đó, đặc biệt là các vùng biển đảo, cũng như là mục đích quân sự chung như là chống khủng bố và hải tặc quốc tế. 2. Mục đích AUV hoạt động trong môi trường nước nên việc tính toán thủy động lực học rất quan trọng. Thông qua tính toán mô phỏng số cho mô hình tàu có thể biết được 13
lực cản, lực nâng, mômen tác động lên tàu hay các phân bố vận tốc, áp suất của môi trường. Từ đó có thể đánh giá hoạt động của tàu, hiệu chỉnh thiết kế, tính toán các thiết bị động lực và nghiên cứu hoạt động tàu trong các chế độ và môi trường làm việc khác nhau. Ngoài ra, để một AUV có thể hoạt động được một cách tự hành, cấu trúc điều khiển của nó phải có ba hệ thống chính [27], [28]: Hệ thống dẫn đường nhằm đưa ra quỹ đạo cho phương tiện chuyển động bám theo; hệ thống định vị để xác định các trạng thái hiện hành của phương tiện; hệ thống điều khiển nhằm tính toán và áp dụng theo mô hình thủy động lực học tương ứng với các chế độ hoạt động khác nhau. Bên cạnh đó, hệ thống điều khiển AUV phải được phân tích và thiết kế không tách rời khỏi mô hình động lực học cho các chế độ hoạt động khác nhau. Hệ thống điều khiển và các cơ cấu chấp hành có xét tới các mô hình với dữ kiện rời rạc và mô hình ứng xử liên tục, được gọi là hệ thống động lực lai (HDS) [31], [32], [51]. Những mô hình ứng xử này được phân phối theo các chế độ hoạt động khác nhau; chúng được kết hợp với các quá trình làm thay đổi tác nhân với các trường hợp sử dụng như là: người thiết kế, người tư vấn và người bảo trì. Hơn nữa, các hệ thống điều khiển luôn luôn không có ứng xử giống nhau; do đó, nó phải được kết hợp với giả thuyết hợp lý để kiểm tra tại mọi thời điểm. Ngoài ra, việc sử dụng các chuẩn để phân tích, thiết kế và thi hành hệ thống điều khiển công nghiệp cần phải được xét đến; việc tùy biến và tái sử dụng các mô đun điều khiển AUV đã phát triển được áp dụng cho ứng dụng AUV mới là quan trọng, nhằm giảm chi phí tài chính và thời gian trong vòng đời phát triển sản phẩm công nghiệp [33], [37], [38], [64]. 3. Phạm vi nghiên cứu của đề tài Để đáp ứng được các yêu cầu hệ thống điều khiển cho AUV gắn liền với mô hình thủy động lực học của nó, các phương pháp phát triển hướng mô hình hóa 14
hướng đối tượng đã cho phép tạo ra các bản thiết kế trực quan và có khả năng đáp ứng được các yêu cầu thay đổi của hệ thống điều khiển. Ngôn ngữ mô hình hóa hợp nhất trong thời gian thực (RealTime UML) [16], [22], [44] đã được tổ chức quản trị đối tượng quốc tế (OMG) [52] chuẩn hóa theo công nghệ hướng đối tượng để ứng dụng trong việc phát triển công nghệ hệ thống nói chung (MBSE, INCOSE) [37], [38] và các ứng dụng điều khiển hướng đối tượng theo thời gian thực nói riêng [13], [39], [55], [59], [64]. RealTime UML kết hợp với qui trình phân tích và thiết kế hướng đối tượng (ROPES) [22], [24] cho phép tách các đặc tả chức năng của một hệ thống độc lập với các đặc tả thực thi chức năng trên một nền công nghệ cụ thể. Do đó, các chức năng hệ thống có thể được sử dụng lại để thực thi trên các nền công nghệ khác nhau. RealTime UML và ROPES cho phép hệ thống thực hiện được ba mục tiêu cơ bản là khả năng di động, tính xuyên chức năng và sự sử dụng lại thông qua việc tách rời các mối liên quan. Do vậy, cách tiếp cận hướng đối tượng và ngôn ngữ mô hình hóa hợp nhất trong thời gian thực cho phép đáp ứng các yêu cầu luôn luôn thay đổi và tính phức tạp ngày càng tăng cao của hệ thống điều khiển công nghiệp. Theo cách tiếp hướng đối tượng đã có nhiều ứng dụng được phát triển thành công trên các hệ thống điều khiển công nghiệp, đặc biệt các hệ thống điều khiển nhúng trong thời gian thực trong các lĩnh vực điều khiển công nghiệp khác nhau [6], [13], [14], [24], [53], [64]. Ngoài ra, có những công cụ phần mềm mã nguồn mở hoặc thương mại hỗ trợ cho việc phân tích, thiết kế và thi hành hệ thống một cách nhanh chóng và có kế thừa dựa trên phương pháp luận này, như: OpenModelica [54], MatLab-Simulink [49], IBM Rational Rose RealTime, IBM Rational Rhapsody và IBM Bational Software Architect RealTime [35]. Xuất phát từ các phân tích và đánh giá trên đây, đề tài nghiên cứu của luận án đã được lựa chọn là: “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”. 15
Ngoài ra, do giới hạn về tài chính nên để minh họa dễ dàng cách tiếp cận hướng đối tượng trong phát triển hệ thống điều khiển AUV, luận án chỉ xét hệ thống điều khiển cho AUV có tính năng bám hướng và quỹ đạo trên mặt ngang. 4. Các điểm mới của luận án đạt được - Nghiên cứu và phân tích thủy động lực học cho một ứng dụng AUV cỡ nhỏ cụ thể (Tàu lặn không người lái tự hành cỡ nhỏ). - Đưa ra qui trình công nghệ hướng đối tượng trong thời gian thực để phân tích, thiết kế, mô phỏng và thực thi hệ thống điều khiển bám hướng và quỹ đạo trên mặt ngang cho tàu lặn đã chọn. - 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 loại AUV khác nhau. 5. Cấu trúc của luận án Luận án được trình bày theo các nội dung chính sau: Chương 1 trình bày tổng quan về các phương tiện tự hành dưới nước (AUV) và phương pháp mô hình hóa, mô phỏng, thực thi hệ thống điều khiển. Phân tích mô hình thủy động lực học và cấu trúc điều khiển cho một ứng dụng AUV cỡ nhỏ cụ thể (tàu lặn không người lái tự hành cỡ nhỏ) được thể hiện trong Chương 2. Chương 3 đưa ra quy trình phân tích, thiết kế và thực thi điều khiển của tàu lặn không người lài tự hành cỡ nhỏ đã lựa chọn theo công nghệ hướng đối tượng. Chương 4 trình bày các kết quả thử nghiệm và đánh giá. Cuối cùng là kết luận và kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo. 16
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG TIỆN TỰ HÀNH DƯỚI NƯỚC VÀ PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG, THỰC THI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 1.1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG AUV Trên thế giới, phương tiện tự hành dưới nước (AUV) đã có bước phát triển vượt bậc trong các thập niên qua. Hiện tại, AUV/ASV được sử dụng cho một số các ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực quân sự và dân sự, ví dụ: giám sát mục tiêu, thăm dò nguồn tài nguyên biển, cảnh báo thảm họa và cứu nạn trên biển [1], [7], [21], [57]. Bảng 1.1 minh họa sơ lược về quá trình phát triển sản phẩm AUV trên thế giới. Toàn bộ quá trình phát triển và đánh giá các loại sản phẩm về AUV thế giới cho thể tham khảo trong [12], [21]. Bảng 1.1. Sơ lược về quá trình phát triển sản phẩm AUV trên thế giới STT Mô tả chính / Hình ảnh 1 AUV: SPURV được phát triển bởi trường Đại học Washington, Mỹ, 1957. - Lặn sâu 3.000m và thời gian lặn liên tục trong 4 giờ. - Có khả năng đo nhiệt độ và độ truyển được sử dụng để hỗ trợ nghiên cứu hải dương học, bao gồm nghiên cứu truyền tải âm thanh và phát hiện tàu ngầm. 2 AUV: Epaulard được chế tạo bởi Viện nghiên cứu đại dương (IFREMER), Pháp, 1980. 17
- Dài 4m và nặng 2,9 tấn. - Lặn sâu tới 6.000m, được sử dụng trong nghiên cứu đại đại dương. 3 AUV: AUSS được chế tạo bởi Trung tâm nghiên cứu quân sự về đại dương và không gian (SPAWAR), Mỹ, 1983. - 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. 4 AUV: REMUS 6000 được chế tạo bởi tập đoàn Kongsberg Maritime, Nay Uy, 1997. - 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. 18
5 AUV: SEAOTTER MKII được chế tạo bởi tập đoàn Atlas Elektronik, Đức, 2007. - Chiều dài 3,65m, Trọng lượng 1000 kg, Chiều sâu lặn tới 600m, tải trọng mang thêm đến 160kg và thời gian hoạt động một lần 20 giờ. - Tác vụ: 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. 6 AUV: Bluefin-9 được phát triển bởi tập đoàn Bluefin Robotics, Mỹ, 2010. - 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. - Tác vụ: 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. 19
Bảng 1.2 mô tả dư liệu về thống kê AUV đã phát triển đến năm 2009 và dự báo thị trường AUV trên thế giới giai đoạn từ năm 2010 đến năm 2019, được thực hiện bởi Hãng nghiên cứu chiến lược Douglas-Westwood [21]. Bảng 1.2. Dữ liệu thông kê và dự báo về phát triển AUV trên thế giới Giai Số lượng Lĩnh vực sử dụng Căn cứ đoạn AUV trước - 629 - Quân sự: 23%, - Thực tế AUV đã phát triển. 2009 - Thăm dò: 41%, - Nghiên cứu: 35%, - Khác: 11%. 2010 - 1144 - Quân sự: 49%, - Nhu cầu năng lượng và khai thác 2019 - Nghiên cứu: 31%, dầu khí trữ lượng dưới lòng đại - Dầu khí: 8%, dương. - Thủy văn: 7%, - Yêu cầu an ninh quốc phòng. - Cáp ngầm: 5%. - Tiềm năng tài nguyên sinh vật biển. 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 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 (AUV) 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 20