Luận án 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

i 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 ii 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 iii 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 iv 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 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu viết tắt Viết đầy đủ (tiếng Anh) Ý nghĩa AC Active Class Lớp chủ động AUV Autonomous Underwater Vehicles Phương tiện tự hành dưới nước B-Frame Body-Frame Hệ tọa độ gắn với vật thể BS Back-Stepping Phương thức điều khiển cấp ngược CFD Computational Fluid Dynamics Động lực học tính toán dòng DAE Differential Algebraic Equation Phương trình đại số vi phân 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 IDE Integrated Development Environment Môi trường phát triển tích hợp IEC International Electro- technical Commission Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế IGCB Instantaneous Global Continuous Behavior Ứng xử liên tục toàn cục tức thời IMO International Maritime Organization Tổ chức hàng hải quốc tế INCOSE International Council on Systems Engineering Hội đồng quốc tế về công nghệ hệ thống INS Inertial Navigation Systems Hệ thống dẫn đường quán tính vi LOS Line-Of-Sight Giải thuật bám đường MBSE Model-Based Systems Engineering Công nghệ hệ thống hướng mô hình MVC Model-View-Controller pattern Mẫu mô hình-khung nhìn- điều khiển NED- Frame North-East-Down Frame Hệ tọa độ gắn với trái đất OOPRES Object-Oriented Programming for RealTime Embedded Systems Lập trình hướng đối tượng cho hệ thống nhúng thời gian thực OMG Object Management Group Tổ chức quản trị hướng đối tượng quốc tế PC Passive Class Lớp bị động PID Proportional – Integral – Derivative regulator Bộ điều chỉnh khuếch đại tỷ lệ-tích phân-vi phân PLC Programmable Logic Controller Bộ điều khiển logic lập trình được RealTime UML RealTime Unified Modeling Language Ngôn ngữ mô hình hóa hợp nhất trong thời gian thực ROPES Rapid Object-Oriented Process for Embedded Systems Qui trình hướng đối tượng cho hệ thống nhúng SMC Sliding Mode Control Điều khiển trượt SNAME Society of Naval Architects and Marine Engineers Hiệp hội kiến trúc sư hải quân & kỹ sư hàng hải quốc tế UML Unified Modeling Language Ngôn ngữ mô hình hoá hợp nhất WP Way-Point Điểm lộ trình vii 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 viii 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 ix 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 nghiệp 86 Hình 3.5. Sơ đồ lớp chi tiết về các gói chính, cổng và giao thức của AUV 87 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 thể 96 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 x 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 xi 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 nối 132 Hình A.26. Tích hợp phần cứng trong hệ thống điều khiển tàu lặn mô hình 132 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 12 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 bả