Đang tải... (xem toàn văn)
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Phƣơng tiện tự hành dƣới nƣớc (AUV)[7] đang ngày càng đƣợc sử dụng bởi các nhà khai thác dân sự và quốc phòng cho các nhiệm vụ phức tạp và nguy hiểm. Điều này có đƣợc là do các đặc tính cơ bản về an toàn và hiệu quả khi so sánh với phƣơng tiện có ngƣời lái[58],[67]. AUV không yêu cầu điều hành của con ngƣời và phải chịu các điều kiện và các mối nguy hiểm vốn có trong môi trƣờng dƣới nƣớc. AUV hiệu quả hơn so với phƣơng tiện có ngƣời lái cả về thời gian và tài chính do phƣơng tiện nhỏ hơn và không cần các hệ thống để duy trì sự sống dƣới nƣớc. Điều này cũng dẫn đến qui mô yêu cầu thực hiện bảo trì thƣờng xuyên cần thiết sẽ nhỏ hơn nhằm duy trì cho một phƣơng tiện hoạt động.Với các đặc trƣng nổi bật nhƣ trên, các loại AUV đã đƣợc 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 nƣớc, ngành kinh tế biển ngày một đóng vai trò quan trọng.Việc nghiên cứu về đại dƣơng cũng rất cần các phƣơng tiện tự hành dƣới nƣớc nhằm mục đích nâng cao hiệu quả kinh tế xã hội trong dân sự cũng nhƣ các trang thiết bị hải quân[56]; ví dụ: tìm hiểu các nguồn sinh vật học của đại dƣơng, cảnh báo thiên tai và sóng thần, các thiết bị quân sự tự hành dƣới nƣớc.Một trong những ngành công nghiệp mũi nhọn, công nghệ tàu thủy và kỹ thuật dƣới nƣớc đang đƣợc phát triển rất nhanh tại nƣớc ta. Nhiều nhà máy và xí nghiệp chế tạo tàu thủy đã phải nhập khẩu từ nƣớc 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 chƣơng trình, hệ thống điều khiển từ xa cho buồng máy. Nhƣ thế, chi phí để hoàn thành một phƣơng tiện dƣới nƣớc sẽ rất cao. Hơn thế nữa, việc nghiên cứu tác động của môi trƣờng biển tới đời sống kinh tế xã hội của dân sinh rất cần thiết đối với nƣớc ta ví dụ nhƣ là: cảnh báo thiên tai và sóng thần, khảo sát hệ sinh thái dƣới biển, vận tải biển bằng tàu thủy; cũng nhƣ việc phát triển các trang thiết bị cho hải quân. Các hoạt động trên đòi hỏi phải có các phƣơng tiện tự hành dƣới nƣớc thì mới đáp ứng đƣợc mục tiêu. Do đó, việc nghiên cứu sản xuất các phƣơng tiện này trong nƣớc sẽ tăng đƣợc tính chủ động trong sản xuất hàng loạt, giảm chi phí nhập khẩu từ nƣớc ngoài và hạn chế đƣợc việc lệ thuộc vào bí mật công nghệ đặc biệt là trong lĩnh vực quân sự. Đã có một số trƣờng đại học và cao đẳng trong nƣớc nghiên cứu và chế tạo mô hình về hệ thống lái tự động, tuy nhiên nếu các thiết bị này đƣợc sản xuất công nghiệp thì việc sử dụng các chuẩn để phân tích, thiết kế và thi hành hệ thống điều khiểncần phải đƣợc xem xét đến. Việc tái sử dụng và tùy biến các mô đun điều khiển đã phát triển đƣợc 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 nƣớc 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 nƣớc đã và đang phát triển rất mạnh về điều khiển các phƣơng tiện tự hành dƣới nƣớc với công nghệ điều khiển tích hợp cao nhƣ là Na Uy, Mỹ, Nga và Pháp. Các phƣơng tiện này đƣợc sử dụng trong mục đích dân sự, nhƣ là thăm dò các nguồn tài nguyên thiên nhiên dƣới biển, do nguồn tài nguyên trên đất liền đang cạn kiệt dần và nhu cầu thiết yếu cho cuộc sống của con ngƣời ngày càng tăng cao. Các phƣơng tiện tự hành dƣới nƣớc cũng đƣợc 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 nhƣ là mục đích quân sự chung nhƣ là chống khủng bố và hải tặc quốc tế. 2. Mục đích AUV hoạt động trong môi trƣờng nƣớc 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 đƣợc lực cản, lực nâng, mômen tác động lên tàu hay các phân bố vận tốc, áp suất của môi trƣờng. 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 trƣờng làm việc khác nhau. Ngoài ra, để một AUV có thể hoạt động đƣợc một cách tự hành, cấu trúc điều khiển của nó phải có ba hệ thống chính[27], [28]: Hệ thống dẫn đƣờng nhằm đƣa ra quỹ đạo cho phƣơng tiện chuyển động bám theo; hệ thống định vị để xác định các trạng thái hiện hành của phƣơng tiện; hệ thống điều khiển nhằm tính toán và áp dụng theo mô hình thủy động lực học tƣơng ứng với các chế độ hoạt động khác nhau. Bên cạnh đó, hệ thống điều khiển AUV phải đƣợc 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, đƣợc gọi là hệ thống động lực lai (HDS)[31],[32],[51]. Những mô hình ứng xử này đƣợc phân phối theo các chế độ hoạt động khác nhau; chúng đƣợc kết hợp với các quá trình làm thay đổi tác nhân với các trƣờng hợp sử dụng nhƣ là: ngƣời thiết kế, ngƣời tƣ vấn và ngƣời bảo trì. Hơn nữa, các hệ thống điều khiển luôn luôn không có ứng xử giống nhau; do đó, nó phải đƣợc 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 khiểncông nghiệp cần phải đƣợc xét đến; việc tùy biến và tái sử dụng các mô đun điều khiển AUV đã phát triển đƣợc 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]. công nghệ hướng
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 CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG TIỆN TỰ HÀNH DƢỚI NƢỚC VÀ PHƢƠNG 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 Phƣơng trình động lực học 26 1.2.3 Một số luật 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 PHƢƠNG 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 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 hƣớng đối tƣợng việc phát triển AUV - HDS 38 1.3.3.1 Ngôn ngữ mô hình hóa hợp thời gian thực 38 1.3.3.2 Phân tích thiết kế hƣớng đối tƣợng 40 1.3.4 Một số phƣơng pháp mô 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 43 Kết luận chƣơng 44 CHƢƠNG 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 PHƢƠNG TIỆN DƢỚI NƢỚC 47 2.1.1 Vai trò mô hình hóa mô động lực học phƣơng tiện tự hành dƣới nƣớc 47 2.1.2 Tổng quan CFD 48 2.1.2.1 Ƣu điểm CFD 48 2.1.2.2 Hạn chế 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 lý thuyết tính toán đƣợc sử dụng 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 Lƣới hóa mô hình 55 2.3.3 Đặt điều kiện biên tính toán 56 2.4 PHÂN TÍCH MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG THỦY ĐỘNG LỰC HỌC 57 2.4.1 Trƣờng 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 64 2.5.2 Giả thuyết thực thi Automate lai cho AUV – HDS 65 2.5.3 Chi tiết cấu trúc Automate lai AUV – HDS 66 2.5.4 Mô hệ thống điều khiển 71 Kết luận chƣơng 73 ii CHƢƠNG QUY TRÌNH PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ VÀ THỰC THI ĐIỀU KHIỂN CỦA AUV THEO CÔNG NGHỆ HƢỚNG ĐỐI TƢỢNG 74 3.1 CÁC ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN TRONG CÔNG NGHỆ HƢỚNG ĐỐI TƢỢNG74 3.1.1 Tính trừu tƣợng 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 phƣơng pháp hƣớng đối tƣợng 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 AUV – HDS công nghiệp 78 3.2.1.1 Nhận biết trƣờng 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 mở rộng 80 3.2.1.4 Xác định Automate lai 81 3.2.1.5 Cấu trúc tổng quan mô hình phân tích AUV – HDS 82 3.2.2 Mô hình thiết kế 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 AUV - HDS công nghiệp 88 3.2.3.1 Mô hình mô hƣớng đối tƣợng 88 3.2.3.2 Lựa chọn ngôn ngữ công nghiệp cho mô hình triển khai 92 Kết luận chƣơng 94 CHƢƠNG THỬ NGHIỆM, PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 96 4.1 CÀI ĐẶT HỆ THỐNG VÀ CÁC TRƢỜNG HỢP THỬ NGHIỆM 96 4.1.1 Cài đặt hệ thống 96 4.1.2 Các trƣờng hợp thử nghiệm hiệu 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 hƣớng bám quỹ đạo 100 iii Kết luận chƣơng 103 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 105 Kết luận 105 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 Kết tính toán thông số thủy động lực học tàu lặn mô hình 113 Phụ lục Mô hình phân tích thiết kế hƣớng đối tƣợng với RealTime UML cho hệ thống điều khiển tàu lặn mô hình 115 2.1 Mô hình phân tích hệ thống điều khiển tàu lặn 115 2.1.1 Mô hình trƣờng hợp sử dụng 115 2.1.2 Các ứng xử trƣờng hợp sử dụng hệ thống điều khiển tàu lặn 116 2.1.3 Máy trạng thái toàn cục 117 2.2 Mô hình thiết kế hệ thống điều khiển tàu lặn 118 2.2.1 Gói phần liên tục 120 2.2.2 Gói IGCB 122 2.2.3 Gói phần rời rạc 124 2.2.4 Gói giao diện bên 125 2.2.5 Gói giao diện bên 126 2.3 Kết mô 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 thử nghiệm tàu lặn mô hình 134 iv 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 Phƣơng tiện tự hành dƣới nƣớc B-Frame Body-Frame Hệ tọa độ gắn với vật thể BS Back-Stepping Phƣơng thức điều khiển cấp ngƣợc CFD Computational Fluid Dynamics Động lực học tính toán dòng DAE Differential Algebraic Equation Phƣơng trình đại số vi phân FB Function Block Khối chức 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 trƣờng phát triển tích hợp IEC International Electrotechnical 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 công nghệ hệ thống INS Inertial Navigation Systems Hệ thống dẫn đƣờng quán tính v LOS Line-Of-Sight Giải thuật bám đƣờng MBSE Model-Based Systems Engineering Công nghệ hệ thống hƣớng mô hình MVC Model-View-Controller pattern Mẫu mô hình-khung nhìnđiều khiển NEDFrame North-East-Down Frame Hệ tọa độ gắn với trái đất OOPRES Object-Oriented Programming for RealTime Embedded Systems Lập trình hƣớng đối tƣợng cho hệ thống nhúng thời gian thực OMG Object Management Group Tổ chức quản trị hƣớng đối tƣợng 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 đƣợc RealTime UML RealTime Unified Modeling Language Ngôn ngữ mô hình hóa hợp thời gian thực ROPES Rapid Object-Oriented Process for Embedded Systems Qui trình hƣớng đối tƣợng cho hệ thống nhúng SMC Sliding Mode Control Điều khiển trƣợt SNAME Society of Naval Architects and Marine Engineers Hiệp hội kiến trúc sƣ hải quân & kỹ sƣ hàng hải quốc tế UML Unified Modeling Language Ngôn ngữ mô hình hoá hợp WP Way-Point Điểm lộ trình vi DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 Sơ lƣợc trình phát triển sản phẩm AUV giới 17 Bảng 1.2 Dữ liệu thông kê dự báo phát triển AUV giới 20 Bảng 1.3 Các ký hiệu SNAME cho phƣơng tiện dƣới nƣớc 26 Bảng 2.1 Phân bố áp suất động dòng chảy bao tàu 58 Bảng 2.2 Lực mô men tác dụng lên tàu lặn theo hệ tọa độ OXYZ 59 Bảng 2.3 Lực mô men tác dụng lên tàu lặn theo hệ tọa độ OXoYoZo 62 Bảng 2.4 Các thông số cụ thể dòng liên tục toàn cục 69 Bảng 4.1 Đƣờng kính xác lập quay vòng 100 Bảng 4.2 Tổng hợp liệu liên quan đến tính ăn lái tàu 102 Bảng A.1 Các thông số thủy động lực học 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 dẫn đƣờng AUV 24 Hình 1.2 Các hệ tọa độ tham số chuyển động AUV 25 Hình 1.3 Sơ đồ khối điều khiển PID 28 Hình 1.4 Hệ thống tự đáp ứng, hệ thống thời gian thực hệ thống động lực lai 33 Hình 1.5 Sơ đồ khối tổng quan hệ thống động lực lai công nghiệp 34 Hình 1.6 Ví dụ gói, cổng giao thức 39 Hình 1.7 Đặc tính khối chức theo chuẩn IEC61499 43 Hình 2.1 Sơ đồ tính toán Ansys Fluent 50 Hình 2.2 Trình tự mô động lực học 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 chia lƣới 55 Hình 2.6 Lƣới biên dạng tàu lặn 56 Hình 2.7 Sơ đồ mô 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 mở rộng AUV – HDS 65 Hình 2.14a Automate lai AUV - HDS với kiện bên đƣợc sinh Eii: trƣờng hợp lái Phải – Trái Hình 2.14b Automate lai AUV - HDS với kiện bên viii 70 đƣợc sinh Eii: trƣờng hợp lái Lặn – Nổi 70 Hình 2.15 Mô đáp ứng độ hƣớng AUV - HDS 72 Hình 3.1 Tổng quan đặc trƣng công nghệ hƣớng đối tƣợng 75 Hình 3.2 Chu trình vòng đời lặp AUV - HDS 78 Hình 3.3 Cấu trúc tổng quan mô hình phân tích AUV - HDS công nghiệp 83 Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc kết nối gói AUV - HDS công 86 nghiệp Hình 3.5 Sơ đồ lớp chi tiết gói chính, cổng giao thức 87 AUV Hình 3.6 Minh họa cấu trúc điều khiển tàu lặn thông qua mô hình OpenModelica 91 Hình 3.7 Mô đáp ứng độ hƣớng AUV – HDS tƣơng ứng với kết mô Hình 2.15 Chƣơng 91 Hình 4.1 Sơ đồ khối tổng quan kết nối phần cứng 96 Hình 4.2 Ví dụ minh họa số thiết bị ngoại vi lắp đặt tổng 96 thể Hình 4.3 Sơ đồ khối thiết lập thử nghiệm hiệu điều động tàu 97 Hình 4.4 Bán kính quay trở góc bánh lái 10o với vận tốc 0.5m/s 98 Hình 4.5 Bán kính quay trở góc bánh lái 20o với vận tốc 1.0m/s 99 Hình 4.6 Bán kính quay trở góc bánh lái 30o với vận tốc 1.5m/s 99 Hình 4.7 Quá độ quĩ đạo đặt hƣớng mong muốn 10° với vận tốc di chuyển trung bình 0.5m/s 101 Hình 4.8 Quá độ quĩ đạo đặt hƣớng mong muốn 20° với vận tốc di chuyển trung bình 1.0m/s 101 ix Hình 4.9 Quá độ quĩ đạo đặt hƣớng mong muốn 30° với vận tốc di chuyển trung bình 1.5m/s 102 Hình 4.10 Thử nghiệm bám quỹ đạo mặt phẳng nằm ngang tàu lặn 103 Hình A.1 Mô hình trƣờng hợp sử dụng hệ thống điều khiển tàu lặn 115 Hình A.2a Sơ đồ diễn tiến trƣờng hợp sử dụng “Drive” 116 Hình A.2b Máy trạng thái trƣờng hợp sử dụng “Drive” 117 Hình A.3 Máy trạng thái toàn cục hệ thống điều khiển tàu lặn 117 Hình A.4 Sơ đồ kết nối gói AUV - HDS 118 Hình A.5 Sơ đồ lớp gói AUV - HDS 118 Hình A.6 Sơ đồ diễn tiến toàn cục AUV - HDS – trƣờng hợp: kiện bên đƣợc xử lý; kiện bên đƣợc sinh 119 Hình A.7 Sơ đồ cấu trúc gói phần liên tục 120 Hình A.8 Sơ đồ lớp gói phần liên tục AUV - HDS 121 Hình A.9 Sơ đồ diễn tiến gói phần liên tục 122 Hình A.10 Sơ đồ lớp gói IGCB 123 Hình A.11 Máy trạng thái gói IGCB 123 Hình A.12 Sơ đồ lớp gói phần rời rạc 124 Hình A.13 Máy trạng thái gói phần rời rạc 124 Hình A.14a Sơ đồ lớp gói giao diện bên 125 Hình A.14b Máy trạng thái gói giao diện bên 125 Hình A.15 Sơ đồ lớp gói giao diện bên AUV - HDS 126 Hình A.16 Máy trạng thái gói giao diện bên 126 Hình A.17 Đáp ứng độ hƣớng của tàu lặn mô hình tƣơng ứng với hƣớng mong muốn 10o vận tốc di chuyển 1,0m/s Hình A.18 Đáp ứng độ hƣớng của tàu lặn mô hình tƣơng x 127 2.2.5 Gói giao diện bên Sơ đồ lớp gói giao diện bên đƣợc giới thiệu hình A.15 Hình A.15 Sơ đồ lớp gói giao diện bên AUV - HDS Máy trạng thái gói giao diện bên thể hình A.16 Hình A.16 Máy trạng thái gói giao diện bên 126 2.3 Kết mô hệ thống điều khiển tàu lặn Để tiến hành kiểm tra đánh giá mô hình thiết kế đây, qui tắc chuyển đổi từ mô hình thiết kế sang mô công cụ OpenModelica đƣợc đƣa Chƣơng áp dụng chúng mô hiệu điều chỉnh hƣớng mong muốn hệ thống Tùy thuộc vào vận tốc di chuyển trung bình (công suất vận hành) AUV mô hình (tàu lặn mô hình), tổng thời gian ổn định hƣớng nằm dải từ 7,0s đến 14,0s theo trƣờng hợp đƣợc xây dựng hƣớng mong muốn 10o, 20o 30o tƣơng ứng với vận tốc di chuyển trung bình 0,5m/s, 1,0m/s 1,5 m/s Đáp ứng độ hƣớng AUV mô hình cho trƣờng hợp mô đƣợc thể hình A.17, A.18, A.19, A.20, A.21, A.22, A.23 A.24 với thông số PID thích ứng nhằm đảm bảo hiệu điều khiển hƣớng - Trƣờng hợp 1: Hƣớng mong muốn 10o vận tốc di chuyển 0,5m/s, đáp ứng độ hƣớng tàu lặn mô hình đƣợc thể Hình 3.6, Chƣơng - Trƣờng hợp 2: Hƣớng mong muốn 10o vận tốc di chuyển 1,0m/s (Hình A.17) Hình A.17 Đáp ứng độ hƣớng của tàu lặn mô hình tƣơng ứng với hƣớng mong muốn 10o vận tốc di chuyển 1,0m/s 127 - Trƣờng hợp 3: Hƣớng mong muốn 10o vận tốc di chuyển 1,5m/s (Hình A.18) Hình A.18 Đáp ứng độ hƣớng của tàu lặn mô hình tƣơng ứng với hƣớng mong muốn 10o vận tốc di chuyển 1,5m/s - Trƣờng hợp 4: Hƣớng mong muốn 20o vận tốc di chuyển 0,5m/s (Hình A.19) Hình A.19 Đáp ứng độ hƣớng của tàu lặn mô hình tƣơng ứng với hƣớng mong muốn 20o vận tốc di chuyển 0,5m/s 128 - Trƣờng hợp 5: Hƣớng mong muốn 20o vận tốc di chuyển 1,0m/s (Hình A.20) Hình A.20 Đáp ứng độ hƣớng của tàu lặn mô hình tƣơng ứng với hƣớng mong muốn 20o vận tốc di chuyển 1,0m/s - Trƣờng hợp 6: Hƣớng mong muốn 20o vận tốc di chuyển 1,5m/s (Hình A.21) Hình A.21 Đáp ứng độ hƣớng của tàu lặn mô hình tƣơng ứng với hƣớng mong muốn 20o vận tốc di chuyển 1,5m/s 129 - Trƣờng hợp 7: Hƣớng mong muốn 30o vận tốc di chuyển 0,5m/s (Hình A.22) Hình A.22 Đáp ứng độ hƣớng của tàu lặn mô hình tƣơng ứng với hƣớng mong muốn 30o vận tốc di chuyển 0,5m/s - Trƣờng hợp 8: Hƣớng mong muốn 30o vận tốc di chuyển 1,0m/s (Hình A.23) Hình A.23 Đáp ứng độ hƣớng của tàu lặn mô hình tƣơng ứng với hƣớng mong muốn 30o vận tốc di chuyển 1,0m/s 130 - Trƣờng hợp 9: Hƣớng mong muốn 30o vận tốc di chuyển 1,5m/s (Hình A.24) Hình A.24 Đáp ứng độ hƣớng của tàu lặn mô hình tƣơng ứng với hƣớng mong muốn 30o vận tốc di chuyển 1,5m/s Mô hình mô cho phép xác định cách dễ dàng tham số phần tử điều khiển kiểm định mặt lý thuyết hiệu điều chỉnh hệ thống trƣớc thi hành triển khai Sau đó, mô hình thiết kế với RealTime UML đƣợc cập nhật lại với giá trị thành phần điều khiển với mô hình mô tối ƣu nhất, nhằm đảm bảo phù hợp cho việc chế tạo, lập trình phần điều khiển chạy thử tàu lặn mô hình thực tế 2.4 Mô hình triển khai hệ thống điều khiển tàu lặn Phần cứng bao gồm:các giao diện kết nối, mạch điện chuyển đổi tín hiệu chuyển mạch, nguồn cung cấp lƣợng, vi xử lý Arduino Mega2560 Ngoài ra, Arduino Mega 2560 có giao thức để kết nối với GPS/INS (Hình A.25) Hình A.26 thể thành phần phần phần cứng đƣợc tích hợp hệ thống điều khiển tàu lặn mô hình 131 Hình A.25 Vi xử lý Arduino Mega2560 kèm theo giao thức kết nối Hình A.26 Tích hợp phần cứng hệ thống điều khiển tàu lặn mô hình Phần mềm bao gồm mô đun điều khiển giao diện ngƣời sử dụng đƣợc lập trình dựa IDE mã nguồn mở Arduino Microsoft Visual 2010 C# Dƣới ví dụ minh họa mã chƣơng trình điều khiển PID hai tệp “M_PID.h” “M_PID.cpp”; hình A.27 thể kiểm tra mã chƣơng trình điều khiển PID đƣợc biên dịch để nạp vào vi xử lý Arduino Mega2560 Arduino IDE version 1.0.1 _ _ 132 Hình A.27 Kiểm tra mã chƣơng trình điều khiển PID đƣợc biên dịch để nạp vào vi xử lý Arduino Mega2560 133 Phụ lục 3: Một số hình ảnh chế tạo thử nghiệm tàu lặn mô hình 134 135 136 137 138 139 140 [...]... MÔ PHỎNG VÀ THỰC THI ÁP DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN AUV 1.3.1 AUV với hệ thống động lực lai 1.3.1.1 Phân loại hệ thống điều khiển công nghiệp Hiện nay, các hệ thống điều khiển tự động công nghiệp có thể phân loại theo các loại sau: hệ thống tự đáp ứng, hệ thống thời gian thực và hệ thống động lực lai[31] - Hệ thống tự đáp ứng có thể nhận tất cả sự kiện và tín hiệu đầu vào; nó xử lý các sự kiện và tín hiệu... 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 hƣớng đối tƣợng trong phát triển hệ thống điều khiển AUV, luận án chỉ xét hệ thống điều khiển cho AUV có tính năng bám hƣớng và quỹ đạo trên mặt ngang 4 Các điểm mới của luận án đạt đƣợc - Nghiên cứu và phân tích thủy động lực học cho một... tự hành, cấu trúc điều khiển của nó phải có ba hệ thống chính[27], [28]: Hệ thống dẫn đƣờng nhằm đƣa ra quỹ đạo cho phƣơng tiện chuyển động bám theo; hệ thống định vị để xác định các trạng thái hiện hành của phƣơng tiện; hệ thống điều khiển nhằm tính toán và áp dụng theo mô hình thủy động lực học tƣơng ứng với các chế độ hoạt động khác nhau Bên cạnh đó, hệ thống điều khiển AUV phải đƣợc phân tích và. .. phƣơng tiện tự hành dƣới nƣớc (AUV) và phƣơng 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 ngƣời lái tự hành cỡ nhỏ) đƣợc thể hiện trong Chƣơng 2.Chƣơng 3 đƣa raquy trình phân tích, thiết kế và thực thi điều khiển của tàu lặn không ngƣời lài tự hành cỡ nhỏ đã lựa chọn theo công nghệ. .. bay, hệ thống theo dõi đối tƣợng tại cảng hàng không, v.v có thể xem nhƣ là các hệ thống động lực lai 32 Hình 1.4 giới thiệu mối liên kết tổng quan giữa các hệ thống đã giới thiệu ở trên; trong đó: RS, RTS và HDS lần lƣợt là các hệ thống tự đáp ứng, hệ thống thời gian thực và hệ thống động lực lai Trong nội dung nghiên cứu, luận án quan tâm tới việc phân tích thiết kế và mô phỏng hệ thống động lực. .. ngƣời lái tự hành cỡ nhỏ) - Đƣa ra qui trình công nghệ hƣớng đối tƣợng trong thời gian thực để phân tích, thiết kế, mô phỏng và thực thi hệ thống điều khiển bám hƣớng và quỹ đạo trên mặt ngangcho 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 đƣợc trình bày theo các nội... thiết kế, mô phỏng và thực thi hệ thống điều khiển bám hƣớng và quỹ đạo trên mặt ngang cho tàu lặn đã chọn thông 22 qua việc cụ thể hóa công nghệ hƣớng đối tƣợng; 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 1.2.ĐỘNG LỰC HỌC TRONG ĐIỀU KHIỂN AUV Trƣớc khi tìm hiểu về các luật điều khiển và các phƣơng pháp thực thi, mô... luật điều khiển là để tạo ra tổ hợp tín hiệu cho lực điều khiển để AUV có đƣợc trạng thái hoạt động mong muốn Các tín hiệu điều khiển lực τ này bao gồm sáu thành phần Hệ thống phân bổ điều khiển chịu trách nhiệm phân phối các tín hiệu điều khiển này tới các thiết bị truyền động trên AUV Điều này có nghĩa là mô đun phân phối điều khiển phải có đƣợc đặc tả kỹ thuật, vị trí và cấu hình của tất cả các thiết. .. nghiên cứu sâu về phân tích thiết kế và mô phỏng hệ thống động lực lai công nghiệp Hệ thống này bao gồm phần điều khiển lai và cơ cấu chấp hành lai, hai phần này liên kết với nhau bởi sự trao đổi các tín hiệu và sự kiện theo chu kỳ và không theo chu kỳ[34] Các sự kiện không theo chu kỳ có thể là sự kiện bên trong hoặc bên ngoài, ta có sơ đồ khối tổng quan của hệ thống động lực lai công nghiệp nhƣ Hình... cầu của các hệ thống con khác nhau trong AUV cần phải đƣợc xem xét Điều này sẽ cung cấp thông tin cho hệ thống điều khiển đƣợc thực thi phù hợp với tính tự hành của AUV 1.2.1 Mô hình yêu cầu Các thành phần khác nhau trong kiến trúc điều khiển AUV là hệ thống dẫn đƣờng, hệ thống định vị và hệ thống điều khiển Tất cả ba hệ thống này có nhiệm vụ riêng của mình, nhƣng chúng cũng phải hoạt động kết hợp với ... ĐIỀU KHIỂN AUV 1.3.1 AUV với hệ thống động lực lai 1.3.1.1 Phân loại hệ thống điều khiển công nghiệp Hiện nay, hệ thống điều khiển tự động công nghiệp phân loại theo loại sau: hệ thống tự đáp... lực học điều khiển tổng quát, luật điều khiển nhƣ phƣơng pháp phân phối điều khiển cho AUV; 44 - Giới thiệu hệ thống điều khiển công nghiệp nay: hệ thống tự đáp ứng, hệ thống thời gian thực hệ thống. .. từ mô hình động lực học điều khiển AUV đặc tả hệ thống động lực lai đƣợc mô tả mục trƣớc, hệ thống điều khiển AUV xem nhƣ hệ thống động lực lai công nghiệp đƣợc gọi AUV - HDS; 34 hệ thống có phần