Xây dựng hệ thống mô phỏng 3D động học tàu thủy

Từ những kết quả đạt được cho thấy giải thuật Fuzzy-TS có hiệu suất cao trong điều khiển hệ<br /> thống định động so với phương pháp thông thường khác như PID. Biên độ trượt ngang, trượt dọc cũng<br /> như quay trở dao động thấp và ổn định ngay cả khi đối tượng hoạt động dưới ảnh hưởng môi trường<br /> như sóng, gió và dòng chảy hay thành phần sóng bậc cao tác động đầu ra đối tượng.<br /> 5. Kế t luâ ̣n<br /> Yếu tố môi trường ảnh hưởng rất lớn đến cân bằng thân tàu, nếu bộ điều khiển hệ thống DP<br /> tàu dịch vụ không bao hàm những tác động không tích cực trên thì mục tiêu điều khiển rất khó<br /> thực hiện. Phương pháp đề xuất Fuzzy-TS đã ước lượng tương đối chính xác và triệt tiêu những<br /> ảnh hưởng không mong muốn này, từ đó nâng cao chất lượng điều khiển giúp đối tượng tàu duy<br /> trì vị trí và hướng mong muốn theo thời gian. Tuy nhiên vấn đề cần được xem xét ở phạm vi, mức<br /> độ ảnh hưởng rộng hơn của nhiều thành phần, có thể sử dụng giải thuật di truyền để hoàn thiện<br /> việc ước lượng chính xác biên độ nhiễu, qua đó tối ưu hóa chất lượng điều khiển là hướng mở<br /> trong tương lai.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Guoqing Xia, Xiaocheng Shi, Mingyu Fu, Hongjian Wang and Xinqian Bian, “Design of Dynamic<br /> Positioning Systems Using Hybrid CMAC-based PID Controller for A Ship”,The IEEE<br /> international conference on mechatronics & automation, pp.825-830, 2005.<br /> [2]. Wen-Jer Chang, Guo-Jang Chen and Yi-Lin Yeh, “Fuzzy Control of Dynamic Positioning<br /> Systems for Ships”, Journal of marine Science and Technology, Vol. 10, No. 1, pp. 47-53, 2002.<br /> [3]. Steinar Saelid, Jenssen, Jens G. Balchen, “Design and Analysis of a Dynamic Positioning<br /> System Based on Kalman Filtering and Optimal Control”, Master of Science in Mathematics<br /> Islamia University Bahawalpur, Pakistan, April 2012.<br /> [4]. Phung Hung Nguyen, Viet Thanh Nguyen, “Ship Dynamic Positioning System”, Journal of<br /> marine Technology, pp. 38 - 42, 2008.<br /> [5]. T.I. Fossen, “Handbook of Marine Craft Hydrodynamics and Motion Control”, John Wiley and<br /> Sons, Ltd, 2011.<br /> [6]. T.I. Fossen, “Marine Control Systems - Guidance, Navigation and Control of Ship, Rigs and<br /> Underwater Vehicles”, Marine Cybernetics, Trondheim, Norway, 2002.<br /> <br /> Ngày nhận bài: 18/4/2017<br /> Ngày phản biện: 06/6/2017<br /> Ngày duyệt đăng: 20/6/2017<br /> <br /> XÂY DỰNG HỆ THỐNG MÔ PHỎNG 3D ĐỘNG HỌC TÀU THỦY<br /> BUIDING 3D SIMULATION SYSTEM OF THE DYNAMICS OF A MARINE SHIP<br /> ĐOÀN HỮU KHÁNH, PHẠM MINH THẢO, NGUYỄN VĂN HÙNG,<br /> ĐÀO XUÂN TÙNG, NGUYỄN CAO SƠN<br /> Khoa Điện - Điện Tử, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam<br /> Tóm tắt<br /> Bài báo này trình bày một phương pháp mô phỏng 3D động học đối tượng tàu thủy.<br /> Chuyển động của một con tàu khi hành trình trên biển phụ thuộc vào sự tương tác giữa<br /> các lực và mômen do sóng, gió và hải lưu cũng như các lực và mômen liên quan đến<br /> điều động tàu. Trên cơ sở đó, các phương pháp mô hình hóa chuyển động của tàu với<br /> sóng, gió, hải lưu, dưới tác động của bánh lái và thiết bị đẩy được phân tích trong hệ trục<br /> 6 bậc tự do. Khi được kiểm nghiệm bằng phần mềm Unity3D thì hệ thống hoạt động tốt,<br /> đáp ứng được các yêu cầu đặt ra.<br /> Từ khóa: Mô phỏng, tàu thủy, mô hình hóa.<br /> Abstract<br /> This paper presents an effective method of building modelling and 3D simulation of the<br /> dynamics of a marine ship. The motion that a ship undergoes at sea is dependent on the<br /> interaction between the forces and moments due to waves, wind and currents as well as<br /> the forces and moments related to ship manoeuvring. On that basis, the methods for<br /> modelling of ships motion in waves, wind and currents with rudder movement, propulsion<br /> is analysed in 6 DOF (degrees of freedom). When the research results were tested with<br /> Unity3D software, the system performed well, meeting the requirements earlier.<br /> Keywords: Simulation, marine ship, modelling.<br /> <br /> Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 51-8/2017 96<br /> 1. Đặt vấn đề<br /> Việt Nam là đất nước có đường bờ biển dài nên các hoạt động giao thông đường thủy<br /> chiếm một tỉ trọng khá lớn. Hiện nay, ở nước ta các công ty vận tải biển ngày càng phát triển về<br /> chất lượng dịch vụ, số lượng đội tàu cũng như đội ngũ thuyền viên. Vì vậy, việc nghiên cứu các<br /> phương pháp để tiếp cận và vận hành tốt con tàu là một nhiệm vụ rất quan trọng với những người<br /> đào tạo nguồn nhân lực lao động cho lĩnh vực này. Bên cạnh việc đào tạo thuyền viên bằng các<br /> thiết bị thật rất tốn kém về kinh tế và khó tạo ra các tình huống thực tập như thực tế thì một xu<br /> hướng rất phổ biến là sử dụng các công nghệ thực tế ảo, giả lập các tình huống trong thực tế,... để<br /> huấn luyện cho học viên trước khi học viên thực tập trên các con tàu thực.<br /> Trên thế giới có khá nhiều hãng nghiên cứu, chế tạo các hệ thống mô phỏng động học tàu<br /> thủy, mô phỏng buồng máy, bảng điện chính tàu thủy,... như các hãng: Kongsberg Marine,<br /> Transas, Taiyo, ARI,... Tuy nhiên, khi sử dụng các sản phẩm mô phỏng của các hãng trên đây<br /> chúng ta luôn gặp một số các hạn chế như: Dữ liệu bản đồ địa hình, địa vật của luồng lạch,<br /> cảng,... không được cập nhật thường xuyên và xây dựng không giống như địa hình, địa vật thực ở<br /> trong nước; giao diện mô hình 3D được sử dụng thường không sát với yêu cầu và không tùy biến<br /> với một con tàu cụ thể nào. Mặt khác các hệ thống của nước ngoài thường độc lập, dữ liệu không<br /> mở và không hỗ trợ việc trao đổi thông tin giữa các phòng mô phỏng với nhau để tạo ra một hệ<br /> thống hoàn chỉnh như con tàu. Bên cạnh đó, giá thành của các sản phẩm do nước ngoài sản xuất<br /> thường rất cao, vấn đề bảo hành, bảo trì cũng gây tốn kém, mất nhiều thời gian do khoảng cách<br /> địa lý cũng là những khó khăn cho người sử dụng trong nước. Vì vậy, để chủ động về mặt công<br /> nghệ và ứng dụng được lý thuyết vào thực tiễn, ta cần nghiên cứu xây dựng hệ thống mô phỏng,<br /> mô hình hóa 3D động học tày thủy nhằm giảm bớt những hạn chế đã nêu ở trên là một hướng tiếp<br /> cận rất thiết thực.<br /> 2. Phương trình động học và các lực tác động lên con tàu<br /> Để thực hiện mô phỏng 3D quá trình động học của con tàu giống với thực tế thì trước tiên<br /> đòi hỏi nhà thiết kế phải có đầy đủ các phương trình toán mô hình hóa đối tượng con tàu. Theo tài<br /> liệu [2, 3] với cách chọn tọa độ như hình 1 và chọn tọa độ trọng tâm C thích hợp ta có hệ phương<br /> trình 6 bậc tự do mô tả động học của con tàu như (1) sau đây:<br /> <br /> <br /> <br /> p (lắc ngang)<br /> C X0<br /> u (trượt dọc)<br /> <br /> <br /> q (lắc dọc) r (quay trở) O X<br /> rc<br /> v (trượt ngang) w (trượt đứng)<br /> Y0 Cố định trên<br /> Z0 trái đất<br /> <br /> <br /> Y<br /> Z<br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Các hệ tọa độ của 1 con tàu<br /> m u  vr  wq  xG  q  r<br /> 2 2<br />   y  pq  r   z  pr  q <br /> G G X<br /> <br /> m v  wp  ur  yG  r 2  p 2   zG  qr  p   xG  qp  r   Y<br /> <br /> m  w  uq  vp  xG  p 2  q 2   xG  rp  q   yG  rq  p   Z<br /> <br /> I x p   I z  I y  qr  m  yG  w  uq  vp   zG  v  wp  ur    K<br /> I y q   I x  I z  rp  m  zG  u  vr  wq   xG  w  uq  vp    M<br /> <br /> I z r   I y  I x  pq  m  xG  v  wp  ur   yG  u  vr  wq   N (1)<br /> <br /> Trong đó: x, y, z là tọa độ của chuyển động dọc theo các trục X , Y , Z ;  , , là góc Euler<br /> của chuyển động quay quanh các trục X , Y , Z ; u, v, w là vận tốc dài dọc theo các trục X 0 (trượt<br /> dọc - surge), Y0 (trượt ngang - sway), Z0 (trượt đứng - heave); p, q, r là vận tốc góc quay quanh<br /> các trục X 0 (lắc ngang - roll), Y0 (lắc dọc - pitch), Z0 (quay trở - yaw). Bằng cách tách các lực và<br /> mômem X , Y , Z , K , M , N của (1) thành hai phần, một phần là các ảnh hưởng của các yếu tố<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 51-8/2017 97<br /> nhiễu bên ngoài và một phần là tín hiệu điều khiển là lực đẩy do các thiết bị đẩy tạo ra, khi đó theo<br /> [1] phương trình (1) có thể được viết lại như sau:<br />