Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: 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 SysMLModelica và Automate lai

Chia sẻ: Tỉ Thành | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:28

Thêm vào BST

Báo xấu

75
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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, rô-bốt 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) bằng ngôn ngữ mô hình hóa hệ thống SysML kết hợp ngôn ngữ mô phỏng hướng đối tượng Modelica với Automate lai.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: 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 SysMLModelica và Automate lai

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 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. 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 1
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, rô-bốt 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) bằng ngôn ngữ mô hình hóa hệ thống SysML kết hợp ngôn ngữ mô phỏng hướng đối tượng Modelica 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 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. 2
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 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. CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về phương tiện 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 phương tiện tự hành dưới nước AUV/ASV nhằm mục đích nâng cao hiệu quả trong nghiên cứu như: 3
cảnh báo thiên tai sóng thần, dự báo thời tiết, nghiên cứu đáy đại dương, trong mục đích dân sự, như là 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. Đặc biệt 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 trong chiến lược bảo vệ và duy trì lãnh hải. 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 (hình 1.5): 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; và hệ thống điều khiển nhằm tính toán và áp dụng theo mô hình thủy động lực học thích hợp trong vận hành. 1.2.2 Cấu trúc động lực lai công nghiệp Trong luận án, hệ thống điều khiển và các cơ cấu chấp hành được mô hình hóa với các sự kiện rời rạc, các ứng xử liên tục cũng như sự kết hợp giữa các thành phần rời rạc và liên tục này. Hình 1.6 mô tả sơ đồ khối của một hệ thống động lực lai công nghiệp điển hình. Hình 1.6.Sơ đồ khối mô tả hệ Hình 1.5. Sơ đồ hệ thống dẫn đường, thống động lực lai công nghiệp định vị và điều khiển IHDS điển hình 1.2.3 Một số bộ điều khiển được ứng dụng trên AUV/ASV Điều khiển phương tiện tự hành dưới nước là một công việc vô cùng khó khăn và phức tạp do môi trường nước, đặc biệt là trong môi trường đại dương, xuất hiện rất nhiều các yếu tố khác nhau tác động lên AUV/ASV như sóng, gió, các dòng hải lưu tạo nên các lực phức tạp và phi tuyến. Các bộ điều khiển từ phức tạp đến đơn giản theo lịch sử phát triển đã lần lượt xuất hiện trên AUV/ASV như: PID, Lô gic mờ, điều khiển 4
thích nghi, bộ điều khiển trượt SMC… 1.2.4 Bộ điều khiển cuốn chiếu tích phân IB Trong nghiên cứu này, việc thiết kế bộ điều khiển cho AUV/ASV với phương pháp luận dựa trên nền tảng là thuật toán cuốn chiếu tích phân (IB). Phương pháp này xuất hiện vào khoảng đầu những năm 90, được đánh giá như một phương pháp thiết kế bộ điều khiển nhiều triển vọng cho đối tượng phi tuyến 1.3. Công nghệ hệ thống hướng mô hình dựa trên nền tảng công nghệ hướng đối tượng 1.3.1 Công nghệ hướng đối tượng hướng theo mô hình Xuất phát từ yêu cầu trong ngữ cảnh sản xuất công nghiệp, việc tái sử dụng và tùy biến các mô đun điều khiển đã phát triển được áp dụng cho hệ thống ứng dụng mới là rất quan trọng, nhằm giảm chi phí, thời gian và nhân công sản xuất; đặc biệt là có thể làm chủ được công nghệ tránh phải nhập khẩu từ nước ngoài. Do đó trong đề tài nghiên cứu này, NCS đã chọn công nghệ hướng đối tượng OOT dựa trên mô hình MBSE để phát triển hệ thống điều khiển phương tiện tự hành dưới nước AUV/ASV 1.3.2 Công nghệ hệ thống hướng theo mô hình Công nghệ hệ thống hướng mô hình MBSE là một cách tiếp cận trong lĩnh vực công nghệ hệ thống, có thể được mô tả như một phương pháp ứng dụng mô hình hóa, phương pháp, các ngôn ngữ và các công cụ cho toàn bộ vòng đời của các hệ thống lớn, phức tạp, giao thoa từ nhiều lĩnh vực khác nhau như cơ khí, tự động hóa. Hình 1.7 là một VD về tiếp cận MBSE trong thiết kế hệ thống. Hình 1.8. Các thành phần chính Hình 1.7. Một ví dụ về tiếp cận của công nghệ hệ thống theo mô MBSE trong thiết kế hệ thống hình 5
Thành phần chính của MBSE Để thực hiện phân tích, thiết kế và thực thi hệ thống theo hướng tiếp cận MBSE thì một kỹ sư hệ thống cần phải trang bị kiến thức về: ngôn ngữ mô hình hóa, phương pháp/quy trình mô hình hóa và công cụ để mô hình hóa (hình 1.8). Một số ứng dụng của công nghệ MBSE trong công nghiệp Các ứng dụng của MBSE là rất rộng lớn, trải rộng từ các lĩnh vực quân sự quốc phòng, hàng không vũ trụ tới các ứng dụng cho các ngành công nghiệp như y tế, sản xuất, kinh doanh ...thuộc lĩnh vực dân sự . 1.4. Cấu hình cho bài toán áp dụng Phương pháp luận Trong nghiên cứu, phương pháp luận OOSEM đã được sử dụng trong việc phân tích thiết kế và thực thi đối với AUV/ASV Kiến trúc bộ điều khiển Nhóm nghiên cứu đưa vào luật điều khiển điều khiển cuốn chiếu kết hợp với bộ lọc EKF cho bộ điều khiển của AUV/ASV trên nền Automate lai. Thông số của thiết bị thử nghiệm được mô tả trên bảng 1.2 Bảng 1.2. Thông số kỹ thuật thiết bị tự hành AUV/ASV Thông số Giá trị Kích thước (LxHxW) (1.50x0.20x0.20) m Khối lượng khô 11.20 kg Thời gian hoạt động trung bình 30 phút Pin 2xLi-Po 22.2 V; 20 000 mAh Công suất lớn nhất 224W Tốc độ di chuyển trung bình trên mặt phẳng ngang 1.50 m/s Phạm vi hoạt động 400 m Cơ cấu chấp hành 01 chân vịt 02 hệ cánh hướng Kết luận chương Trong chương này, luận án đã trình bày nghiên cứu tổng quan về thiết bị tự hành AUV/ASV bao gồm các điểm chính sau: - Sơ lược về thiết bị tự hành trên biển AUV/ASV cũng như các ứng dụng tiêu biểu nhất đang được ứng dụng của thiết bị này. - Tổng quát về các hệ điều khiển cũng như các luật điều khiển có thể được áp dụng trên thiết bị tự hành AUV/ASV. - Giới thiệu tổng quan về phân tích thiết kế hệ thống hướng đối tượng theo cách tiếp cận MBSE cũng như phương pháp luận OOSEM đối với các hệ thống động lực công nghiệp. - Lựa chọn giải pháp nghiên cứu cho hệ thống điều khiển cũng như cấu hình ứng dụng của thiết bị AUV/ASV CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG VÀ THI HÀNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TỰ HÀNH AUV/ASV 6
2.1 Mô hình động lực học điều khiển tổng quát AUV/ASV 2.1.1 Các hệ tọa độ Hình 2.1. Các hệ tọa độ thiết bị dưới nước Khi nghiên cứu về mô hình chuyển động của thiết bị dưới nước ta coi nó là một vật rắn với 6 bậc tự do và được mô tả trên hình 2.1. Từ 6 thành phần độc lập trong hệ tọa độ để xác định vị trí và định hướng của thiết bị này. 2.1.2 Phương trình động lực học tổng quát AUV/ASV Trong quá trình hoạt động, một phương tiện dưới nước chuyển động theo 6 bậc tự do được biểu diễn bởi phương trình sau: Trong đó: ν = (u, v, w, p, q,r )T là vận tốc của AUV/ASV trong hệ quy chiếu gắn với phương tiện; η = (x,y, z, ϕ,θ,ψ )T là vị trí toạ độ và góc Euler; M = MRB + MA là ma trận quán tính 6 x 6 bao gồm vật rắn chuyển động MRB và khối lượng bổ sung MA; (ν)=CRB(ν)+CA(ν) là ma trận Coriolis và lực ly tâm 6 x 6 kèm theo khối lượng bổ sung; D(ν)=D+Dn(ν): giảm chấn thủy động lực tuyến tính và phi tuyến được biễu diễn bởi ma trận 6 x 6, D biểu diễn đại lượng giảm chấn tuyến tính, Dn(ν) biểu diễn đại lượng giảm chấn phi tuyến; g(η) là véc tơ 6 x 1 của lực trọng trường, các lực và mô men nổi;  là véc tơ 6 x 1 lực điều khiển, =(X, Y, Z, K, M, N) go là véc tơ lực và mô men dùng để điểu khiển cân bằng;  là véc T tơ 6 x 1 của các ảnh hưởng nhiễu tác động do môi trường gây ra, như là sóng, gió và dòng hải lưu. 2.1.3 Tác động của môi trường tới AUV/ASV Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài chỉ nghiên cứu tới chuyển động chạy nổi của AUV/ASV trên mặt phẳng ngang, do vậy đối với tác động nhiễu do môi trường, chỉ có tác động do sóng. Sự tạo sóng thường thường được diễn tả như là tổng của rất nhiều các thành phần của các con sóng với 7
tần số khác nhau. Chính vì thế có thể diễn tả trạng thái không đồng đều của bề mặt biển bằng cách sử dụng xếp chồng tuyến tính các con sóng (hình 2.3). Đối với AUV/ASV phần ngập dưới nước coi như là một mặt phẳng song song với chiều dài L, bề rộng B và lực kéo T [23], khi đó ta có: (2.12) (2.13) (2.14) 2.2. Luật dẫn đường và mô hình hệ thống điều khiển thiết bị AUV/ASV trên mặt phẳng ngang 2.2.1. Luật dẫn đường thiết bị AUV/ASV Quỹ đạo tham chiếu AUV/ASV Dữ liệu các điểm lộ trình WP chứa một tập hợp các véc tơ tọa độ điểm (xk, yk, zk)T, tốc độ Uk và góc quay trở ψk. Trong luận văn này chỉ xét đến chuyển động của AUV/ASV trên mặt phẳng ngang, quỹ đạo AUV/ASV có thể được chia thành 2 thành phần (θk- 1, θk) với θ(t) là biến quỹ đạo vô hướng, được sử dụng để thiết lập quỹ đạo mong muốn AUV/ASV. Hình 2.2. Thuật toán dẫn đường Hình 2.3. Quang phổ sóng với 2 đỉnh trực thị LOS Thuật toán dẫn đường trực thị LOS được sử dụng trong luận án thể hiện trên hình 2.2. 2.2.2. Mô hình hệ thống điều khiển AUV/ASV trên mặt phẳng ngang Phương trình động lực học của AUV/ASV (2.1) có thể được viết lại như sau : (2.15) Luật điều khiển có thể được chọn như sau (hình 2.5): 8
Hình 2.5. Mô hình giải thuật IB cho bộ điều khiển AUV/ASV Đối với trường hợp AUV/ASV chuyển động trên mặt phẳng ngang xét trên 3 bậc tự do: trượt dọc, trượt ngang và quay trở, ma trận Ơ-le chuyển vị trong phương trình (2.1) sẽ chuyển thành ma trận xoay theo phương quay trở (2.39) Và (2.40) Như vậy, phương trình (2.15) được viết lại như sau (2.41) Trong đó: (2.42) (2.43) (2.44) Với giả thiết trong trường hợp này, các lực trọng trường và lực nổi là cân bằng và Phân bố lực điều khiển: Như đã phân tích tại phần 1.2.1, bộ phân bố lực điều khiển có chức năng phân bố các tín hiệu điều khiển đến từng cơ cấu chấp hành tương ứng để tạo ra các lực điều khiển tác động lên AUV/ASV ứng với các trạng thái vận hành (hình 2.6). Hình 2.6. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển AUV/ASV 2.2.3. Bộ lọc EKF và mô hình thực thi HA cho AUV/ASV 9
Bộ lọc EKF: Để có thể kết hợp các khối mô hình nhiễu đo đạc và nhiễu hệ thống, các nhiễu này được coi là các nhiễu trắng, có phân bố Gauss, và được lọc nhiễu thông qua bộ lọc EKF bao gồm các thuật toán dự đoán/cập nhật, được mô tả như sau: Step EKF predict Step EKF update Data : Data : Result : Result : ; ; end end Mô hình thực thi hệ thống điều khiển của AUV/ASV với HA: Để mô hình hóa chi tiết toàn bộ cấu trúc và ứng xử của một IHDS hay AUV/ASV với giải thuật điều khiển được mô tả như trên thì chúng ta sử dụng HA bởi vì: Chỉ duy nhất một ứng xử liên tục tại một thời điểm được xác định; Có đại lượng bất biến để kiểm tra lại giả thuyết về trạng thái liên tục trong Automate lai; Automate lai được bắt nguồn từ automate nên mô hình ứng xử động của hệ thống tương thích các ứng dụng tương tác sẵn có; Nó có thể sử dụng được các công cụ phần mềm mô phỏng. Một hệ Automate lai được xác định bằng hàm số sau: H = (Q, X, , A, Inv, F, qo, xo) (2.53) 2.2.4 Ứng dụng mô phỏng hệ thống điều khiển AUV/ASV Hình 2.7. Kết quả mô phỏng với Hình 2.8. Kết quả mô phỏng với OpenModelica trường hợp sử dụng OpenModelica trường hợp sử dụng luật điều khiển PID tuyến tính bộ điều khiển IB kết hợp EKF 10
2.3. Phương pháp luận OOSEM trong phân tích thiết kế và thực thi bộ điều khiển AUV/ASV 2.3.1 Quy trình thiết kế Nhận biết các yêu cầu của hệ thống: Xác định các yếu tố cần thiết và các giao thức ban đầu cho dự án, định nghĩa các thuộc tính ứng dụng cần thiết thỏa mãn các yêu cầu được đặt ra từ người sử dụng cuối Hình 2.9. Kiến trúc qui trình phát triển tàu tự hành AUV/ASV Thiết kế kiến trúc hệ thống Tối ưu một giải pháp cho ứng dụng cụ thể nhưng vẫn phù hợp với những mục tiêu với các mô hình phân tích. Điểm quan trọng trong khâu thiết kế là phải thực hiên tối ưu Tổng hợp và đánh giá và thử nghiệm hệ thống Quá trình kiểm định và đánh giá nhằm để kiểm tra tính đúng đắn về chức năng, hiệu năng và độ tin cậy của mô hình thực thi để từ đó phát hiện ra các yếu điểm trong mô hình thiết kế, xem xét lại các vấn đề về tối ưu, cải tiến và bổ sung các chức năng còn lại cho ứng dụng Kiến trúc quy trình phát triển thiết bị tự hành AUV/ASV mô tả trên hình 2.9 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 Ngôn ngữ mô hình hóa hệ thống SysML: SysML là ngôn ngữ mô hình hóa hướng đối tượng đã được chuẩn hóa bởi hiệp hội hướng đối tượng quốc tế OMG. Nó được dùng để mô tả các mô hình quản trị yêu cầu, phân tích, thiết kế và thực thi các hệ thống động lực phức tạp về cấu trúc, ứng xử động, đặc tính và các yêu cầu ràng buộc vận hành. Ngôn ngữ mô phỏng hướng đối tượng Modelica: Là một ngôn ngữ hướng đối tượng, Modelica định nghĩa các loại hệ thống con vật lý, ví dụ như là động cơ servo, phần tử thủy lực điều khiển, khối điều khiển… như là các lớp đối tượng. Ứng xử của lớp đối tượng đó có thể được mô tả bằng 11
các phương trình đại số, phương trình vi phân, hoặc các thuật toán… Modelica hỗ trợ đặc tả các ứng xử dựa trên sự kiện; do đó, nó cho phép dễ dàng mô tả các mô hình rời rạc và liên tục của hệ thống IHDS. Tích hợp SysML-Modelica: Cách tiếp cận tích hợp SysML-Modelica trước hết là đặc tả phần mở rộng SysML cho các thủ tục của Modelica, hay còn được gọi là “SysML4Modelica”. Phần mở rộng SysML này sẽ đại diện cho các cấu trúc Modelica và sau đó được sử dụng để xác định chuyển đổi SysML-Modelica giữa các cấu trúc cụ thể với ngôn ngữ Modelica và ngược lại Kết luận chương Trong chương này, luận án đã phân tích về phương pháp mô hình hóa, mô phỏng và thi hành hệ thống điều khiển thiết bị tự hành AUV/ASV, bao gồm các điểm chính sau: - Phân tích mô hình động lực học điều khiển đối với thiết bị cũng như tác động của môi trường tới AUV/ASV . - Đưa ra giải thuật điều khiển áp dụng trên thiết bị AUV/ASV: giải thuật IB kết hợp với EKF. Một số kết quả mô phỏng sử dụng thuật điều khiển này khi so sánh với phương pháp trước đây cũng được đưa ra. - Tổng quan về quy trình phân tích thiết kế và thực thi AUV/ASV dựa trên phương pháp luận OOSEM với việc sử dụng ngôn ngữ mô hình hóa hệ thống SysML kết hợp với ngôn ngữ mô phỏng Modelica. Trong các chương tiếp theo, luận án sẽ đi sâu vào phân tích bản thiết kế toàn đồ cũng như đưa ra các kịch bản thử nghiệm đối với thiết bị AUV/ASV nhằm minh họa tính đúng đắn và độ tin cậy của phương pháp cũng như mục tiêu mà luận án đã đề xuất. 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 3.1 Mô hình quản trị yêu cầu 3.1.1 Xác định cấu hình hệ thống Sơ đồ khối chức năng thực thi của hệ thống điều khiển cho AUV/ASV Từ mô hình động lực học của ứng dụng AUV/ASV kết hợp với kiến trúc điều khiển tổng quát đã được mô tả trên Hình 1.5 và các tính năng điều khiển, như là điều khiển hướng, độ sâu và vị trí, luận án đã đề xuất áp dụng sơ đồ khối chức năng thực thi như trên Hình 3.1, nhằm thực hiện triển khai các chế độ tự hành của AUV/ASV 12
Hình 3.1. Sơ đồ khối chức năng thực thi của hệ thống điều khiển AUV/ASV Hình 3.2. Các khối chính trong cấu trúc điều khiển tổng quát AUV/ASV 3.1.2 Mô hình hóa trực quan yêu cầu hệ thống Để nắm bắt các yêu cầu hướng đối tượng chung, luận án trình bày một mô hình bao gồm các lớp trừu tượng thông qua việc sử dụng kiểu mở rộng trong mô hình hóa và sơ đồ lớp của SysML, nhằm mô tả các thành phần chức năng chính cho AUV/ASV được thể hiện trên Hình 3.3 Hình 3.3. Mô hình hóa các yêu cầu tổng quát của hệ thống. 13
3.2 Mô hình phân tích và thiết kế 3.2.1 Xây dựng mô hình phân tích cho hệ thống điều khiển AUV/ASV Xác định các ứng xử điều khiển của AUV/ASV Hình 3.4. Mô hình hóa các trường hợp sử dụng của hệ thống. Hình 3.5. Kịch bản điều khiển bám theo quỹ đạo mong muốn 14
Hình 3.6. Máy trạng thái cục bộ của trường hợp sử dụng “Lái” Xác định ứng xử toàn cục của hệ thống Hình 3.7. Máy trạng thái toàn cục của AUV/ASV 3.2.2 Mô hình thiết kế hệ thống điều khiển AUV/ASV Xuất phát từ mô hình động lực học điều khiển của AUV/ASV, từ mô hình phân tích và thiết kế đã nói ở trên, luận án xem xét hệ thống điều khiển của AUV/ASV như là một hệ thống động lực lai công nghiệp IHDS và ứng xử động của nó được mô hình hóa bởi Automate lai HAUV/ASV Các thành phần của một hệ HAUV/ASV được xác định như sau: : 15
HAUV/ASV = (Q, X, , A, Inv, F, qo, xo) Trong đó: - Q là tập trạng thái là tổ hợp các chế độ hoạt động của HAUV/ASV, : di chuyển theo mặt phẳngngang, duy trì vị trí, lặn nổi và các chuyển động RPY được kết hợp hoán vị với máy trạng thái cục bộ hướng tới các chế độ điều khiển hoạt động của hệ thống trong máy trạng thái cục bộ như đã nói trong hình 3.6); q0 là trạng thái ban đầu. - X là không gian trạng thái liên tục của HAUV/ASV, Xn ; x0 là giá trị ban đầu của trạng thái liên tục, xX -  là tập hợp hữu hạn các sự kiện tác động, ví dụ: các sự kiện tác động từ các hệ thống dẫn đường và định vị hoặc nhiễu từ môi trường . - A là tập hợp các dịch chuyển giữa các vị trí được xác định bởi (q, Guard, , Jump, q’), qQ, q’Q, Guard - một tổ hợp điều kiện cho phép thực hiện dịch chuyển aA, Jump - giá trị bước nhảy giữa hai không gian trạng thái liên tục của hai vị trí liền kề nhau,  - tổ hợp các sự kiện cho phép dịch chuyển vị trí; - Inv là một đại lượng được kết hợp vào các sự kiện trong không gian trạng thái, được gọi là đại lượng bất biến, dùng để theo dõi trạng thái liên tục phải được duy trì, cụ thể khi vị trí của hệ thống là q thì trạng thái liên tục phải được bảo đảm xinv(q). - F là hàm liên tục tổng thể (dòng liên tục), được xác định theo từng vị trí của hệ thống theo phương trình động lực học của AUV/ASV đã được mô tả bởi (2.1) và được thực thi bởi mô tả như trong sơ đồ khối thể hiện trên hình (3.1); tiến trình của dòng liên tục cụ thể fiF xuất hiện khi vị trí tương ứng qiQ của nó được kích hoạt. Để xây dựng cấu trúc tổng quát mô hình thiết kế hệ thống điều khiển AUV/ASV bằng SysML dựa trên HAUV/ASV, luận án đã thiết kế 5 khối điều khiển chính: khối thể hiện các thành phần liên tục (Continous Part Block), khối thể hiện các thành phần rời rạc (Discrete Part Block), ứng xử liên tục toàn cục tức thời (IGCB: Instantaneous Global Continuous Behavior Block), giao diện bên trong (Internal Interface Block) và giao diện bên ngoài (External Interface Block) để dễ dàng tổ chức, quản lý theo vết và tái sử dụng các thành phần được sinh ra trong quá trình thiết kế và thực thi hệ thống điều khiển AUV/ASV. Mẫu kết nối truyền đạt giữa các khối điều khiển chính bởi các cổng, giao thức và bộ kết nối được mô tả trong sơ đồ cấu trúc khối như trên Hình 3.9. 16
Hình 3.9. Mẫu kết nối truyền đạt giữa Hình 3.10. Sơ đồ tiến trình trong các khối điều khiển chính của thời gian thực của 5 khối điều AUV/ASV khiển chính nhằm thực thi HA cho AUV/ASV Kết hợp với các điều kiện ràng buộc và tiến trình thực thi HAUV/ASV của hệ thống điều khiển cho thiết bị AUV/ASV đã được đề xuất trong mô hình phân tích, tính ca ̣nh tranh trong thời gian thực của 5 khối điều khiển chính cho AUV/ASV được thể hiê ̣n trên Hı̀nh 3.10. 3.3 Mô hình mô phỏng và thực thi hệ thống điều khiển AUV/ASV 3.3.1 Mô hình chuyển đổi SysML-Modelica Như đã phân tích ở chương 2, luận án trước tiên tạo ra các mô hình phân tích và thiết kế hệ thống trong các công cụ phần mềm mô hình hóa với SysML. Sau đó, áp dụng phần mở rộng SysML4Modelica để tạo ra mô hình phát triển mới trong khung nhìn Modelica Hình 3.11. Mô hình chuyển đổi tổng quát 3.3.2 Mô hình mô phỏng và thực thi Sau khi tiến hành chuyển đổi từ mô hình thiết kế sang mô hình mô phỏng và thực thi với các luật chuyển đổi đã nêu ở phần trên, mô hình mô phỏng này cho phép chúng ta xác định một cách dễ dàng các tham số của phần tử điều khiển và kiểm định về mặt lý thuyết hiệu năng điều chỉnh của 17
hệ thống trước khi thi hành triển khai nó. Sau đó, mô hình thiết kế SysML sẽ được cập nhật lại với các giá trị thành phần điều khiển với mô hình mô phỏng tối ưu. (a) (b) model PI_Motor Modelica.Mechanics.Rotational.Components.Inertia Motor annotation(Placement(visible = true, transformation(origin = {6, 32}, extent = {{-10, -10}, {10, 10}}, rotation = 0))); Modelica.Blocks.Continuous.PI PI(k = 1) annotation(Placement(visible = true, transformation(origin = {-38, 32}, extent = {{-10, -10}, {10, 10}}, rotation = 0))); equation connect(PI.y, Motor.flange_a) annotation(Line(points = {{-27, 32}, {-4, 32}}, color = {0, 0, 127})); annotation(uses(Modelica(version = "3.2.1")), Diagram(graphics = {Bitmap(origin = {-42, 40}, extent = {{-4, -4}, {4, 4}})})); end PI_Motor; (c) Hình 3.13. Mô hình chuyển đổi SysML-Modelica khối điều khiển Mô tơ-PI Hình 3.13 là mô hình chuyển đổi SysML-Modelica của khối điều khiển Mô tơ-PI trong khung nhìn của ngôn ngữ SysML Các hình dưới đây lần lượt từ 3.14 tới 3.18 là một số kết quả mô phỏng về khả năng ổn định hướng của AUV/ASV với các hướng đi đặt tại 100 và 200 với các vận tốc lần lượt là 0,5m/s và 1m/s Hình 3.14. Kêt quả mô phỏng khả năng ổn định hướng AUV/ASV với thông số đầu vào v=1m/s, hướng đi đặt 100, bán kính rẽ 2,6m. 18
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 200, bán kính rẽ 2,6m. Hình 3.16. Kêt quả mô phỏng khả năng ổn định hướng AUV/ASV với thông số đầu vào v=1 m/s, hướng đi đặt 200, bán kính rẽ 3,2 m 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 300, bán kính rẽ 3,1m Hình 3.18. Kêt quả mô phỏng khả năng ổn định hướng AUV/ASV với thông số đầu vào v=1 m/s, hướng đi đặt 300, bán kính rẽ 3,9m 3.3.3 Mô hình cài đặt và triển khai Để tiến hành triển khai thi hành bản thiết kế, mô hình thiết kế SysML với các thành phần điều khiển được sửa đổi và tối ưu trong mô hình thực thi được cập nhật để có được mô hình thiết kế mới cho các mô 19
hình thi hành và triển khai AUV/ASV, được chuyển đổi thành mã Modelica thông qua các nguyên tắc đã được phân tích tại 3.3.1 trong khối SysML4Modelica. Khối này dựa trên việc thực thi hướng đối tượng trên môi trường phát triển mô phỏng động lực học có hỗ trợ ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng như C++ nhằm thực hiện toàn bộ hệ thống điều khiển AUV/ASV với vi xử lý hoặc bộ lập trình lô gíc tương thích. Hình 3.19. Sơ đồ thực thi hướng đối tượng của HAUV/ASV cho thiết bị AUV/ASV Kết luận chương Trong chương này, luận án đã trình bày và phân tích toàn bộ quy trình phân tích, thiết kế và thực thi hướng đối tượng để phát triển hệ thống điều khiển cho thiết bị AUV/ASV, kèm theo mô hình cấu trúc và ứng xử điều khiển phi tuyến lai đã được đề xuất và đánh giá chất lượng sơ bộ trong Chương 2. Từ đó, xây dựng qui trình cụ thể hóa mô hình phân tích, thiết kế và thực thi với SysML dựa trên phương pháp luận OOSEM để phát triển theo hướng đối tượng cho hệ thống điều khiển AUV/ASV, cụ thể là: - Trong mô hình phân tích, việc cụ thể hóa mô hình trường hợp sử dụng và đặc trưng của HAUV/ASV cho phép phân tích chi tiết cấu trúc và ứng xử của hệ thống điều khiển AUV/ASV; - Mô hình thiết kế đưa ra thiết kế chi tiết với SysML của hệ thống điều khiển; mô hình hệ thống con và cơ chế hướng đối tượng được sử dụng để xây dựng mô hình mô phỏng và thực thi của hệ thống này nhằm thực hiện giai đoạn thực thi mô phỏng và triển khai hệ thống; các qui tắc chuyển đổi mô hình đã được đưa ra và áp dụng, nó cho phép các mô hình thiết kế SysML có thể chuyển đổi sang mô hình mô phỏng Modelica. - Các qui tắc tùy biến và tái sử dụng các thành phần thiết kế được đưa ra nhằm ứng dụng trong điều khiển AUV/ASV.Dựa theo mô hình này, ứng dụng của luận án đã được mô phỏng và thực thi dựa trên các nền công 20