MỤC LỤC

1 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................... iv
2 DANH MỤC CÁC BẢNG ......................................................................... vii
3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................. viii
4 MỞ ĐẦU ..................................................................................................... 11
1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG TIỆN TỰ HÀNH DƯỚI
NƯỚC VÀ CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN............................................. 18
1.1 Sơ lược quá trình phát triển và ứng dụng phương tiện tự hành
dưới nước .................................................................................................... 18
1.2 Tổng quan về hệ thống dẫn đường, định vị, điều khiển cho ASV
...................................................................................................................... 26
1.2.1 Hệ thống dẫn đường của ASV ..................................................... 26
1.2.2 Hệ thống định vị của ASV ........................................................... 27
1.2.3 Hệ thống điều khiển của ASV ..................................................... 27
1.3 Phương pháp lai và công nghệ hướng đối tượng trong mô hình
hóa hệ thống điều khiển ............................................................................ 28
1.3.1 Hệ thống động lực lai và Automate lai......................................... 28
1.3.2 Sử dụng công nghệ hướng đối tượng ........................................... 30
1.3.3 Quy trình phát triển tái lặp hướng đối tượng cho hệ thống thời
gian thực ...................................................................................... 33
1.3.4 Kiến trúc hướng theo mô hình ..................................................... 35
1.4 Kết luận chương ............................................................................... 37
2 CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC TRONG ĐIỀU KHIỂN VÀ
KIẾN TRÚC GNCS CỦA ASV VỚI AUTOMATE LAI .......................... 38

i


2.1 Mô hình động lực học và cơ sở giải thuật điều khiển tổng quát
cho ASV....................................................................................................... 38

4 CHƯƠNG 4. THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ GNCS CHO ỨNG
DỤNG ASV .................................................................................................... 93
4.1 Các tình huống và môi trường thử nghiệm ứng dụng ................. 93
4.1.1 Các tình huống thử nghiệm .......................................................... 93
4.1.2 Môi trường thử nghiệm ................................................................ 93
4.2 Quy trình vận hành thử nghiệm chương trình điều khiển .......... 94
4.3 Tiến hành thử nghiệm và đánh giá GNCS của ứng dụng ASV . 100
4.3.1 Thử nghiệm kịch bản bám quỹ đạo của ASV ............................ 100
4.3.2 Thử nghiệm tính ổn định hướng của mô hình ........................... 103
4.4 Kết luận chương ............................................................................. 104
1 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................. 105
2 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................... 107
3 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN . 113
5 PHỤ LỤC .................................................................................................. 115

iii


1 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
viết tắt
ASV

AUV

Viết đầy đủ (tiếng Anh)

Ý nghĩa

Autonomous Surface

tính toán

CIM

CLF

DAE

Control Lyapunov
Function
Differential Algebraic
Equation

Hàm điều khiển Lyapunov
Phương trình đại số vi phân

DoF

Degree of Freedom

Bậc tự do

EKF

Extended Kalman Filter

Bộ lọc Kalman mở rộng

Guidance/Navigation and



Mô phỏng phần cứng vật lý

IB

Integral Backstepping

IDE

Integrated Development
Environment

Phương thức điều khiển tích
phân hồi tiếp
Môi trường phát triển tích hợp

iv


IEC

IGCB

INCOSE
IMU
INS
LOS

International Electrotechnical Commission
Instantaneous Global

MES

MVC

ODE
OO
PID
PIM

Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế

Model-Driven
Architecture
Measurement and Display
System

Hệ thống dẫn đường quán tính
Giải thuật bám đường LOS
Mô hình hóa và phân tích các hệ
thống nhúng và thời gian thực
Kiến trúc hướng theo mô hình
Hệ thống đo lường và hiển thị
kết hợp với các hệ thống dẫn
đường và định vị

Marine Environment

Hệ thống đặc trưng cho nhiễu

System

Mô hình độc lập với nền công
v


PLC

Model

nghệ

Programmable Logic

Bộ điều khiển logic lập trình

Controller

được
Mô hình gắn với nền công nghệ

PSM

Platform Specific Model

RealTime

Real Time Unified

Ngôn ngữ mô hình hóa hợp nhất

UML


Unified Modeling
Language
Way-Point

Ngôn ngữ mô hình hoá hợp nhất
Điểm đường (điểm lộ trình)

vi


2 DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Các ký hiệu SNAME cho phương tiện dưới nước ...................... 39
Bảng 2.2 IB liên kết với HA cho GNCS của ASV ..................................... 54
Bảng 3.1 Nguyên tắc tùy biến và tái sử dụng của các gói điều khiển chính
của GNCS cho các ASV khác nhau ................................................................ 81
Bảng 4.1 Dữ liệu đánh giá tính bám quỹ đạo hình tam giác của ASV ..... 101
Bảng 4.2 Dữ liệu đánh giá tính bám quỹ đạo hình chữ nhật của ASV ..... 102
Bảng 4.3 Số liệu ổn định hướng của ứng dụng ASV ................................ 103
Bảng P.1 Các thông số thủy động lực học chính của ứng dụng ASV với vận
tốc di chuyển 0,5m/s [4] ................................................................................ 115

vii


3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Hình ảnh phương tiện tự hành dưới nước ASV/AUV (SPURV) 18
Hình 1.2 Hình ảnh phương tiện tự hành dưới nước ASV/AUV (Epaulard)19
Hình 1.3 Hình ảnh phương tiện tự hành dưới nước ASV/AUV (AUSS) ... 19
Hình 1.4 Hình ảnh phương tiện tự hành dưới nước ASV/AUV (REMUS

Hình 3.7 Tổng quan về quy trình MDA thực thi GNCS cho ASV ............. 65
Hình 3.8 Siêu mô hình UML thể hiện các chức năng chính của GNCS .... 67
Hình 3.9 Mô hình trường hợp sử dụng của ASV ........................................ 68
Hình 3.10 Kịch bản điều khiển bám theo quỹ đạo mong muốn ................. 69
Hình 3.11 Máy trạng thái cục bộ của trường hợp sử dụng “Bám theo quỹ
đạo mong muốn” ............................................................................................. 69
Hình 3.12 Máy trạng thái toàn cục của ASV .............................................. 70
Hình 3.13 Sơ đồ khối chức năng của GNCS cho ASV............................... 71
Hình 3.14 Mẫu kết nối truyền đạt giữa các gói điều khiển chính của GNCS
cho ASV .......................................................................................................... 75
Hình 3.15 Máy trạng thái của gói phần rời rạc của GNCS cho ASV ......... 75
Hình 3.16 Máy trạng thái của gói IGCB của GNCS cho ASV ................... 77
Hình 3.17 Sơ đồ tiến trình trong thời gian thực của 5 gói điều khiển chính
nhằm thực thi HA cho GNCS của ASV .......................................................... 78
Hình 3.18 Cấu trúc tĩnh của các gói chính của GNCS cho ASV ................ 79
Hình 3.19 Tương tác giữa các gói chính cho một chu kỳ lấy mẫu trong
GNCS .............................................................................................................. 80
Hình 3.20 Chuyển đổi mô hình PIM-PSM trong MDA ............................. 83
Hình 3.21 Chuyển đổi mô hình PIM-PSM cho hệ thống điều khiển ASV . 84
Hình 3.22 Đáp ứng quá độ khả năng ổn định hướng của ASV với vận tốc
v=0,5m/s và hướng đi đặt 0100 ....................................................................... 86
Hình 3.23 Đáp ứng quá độ khả năng ổn định hướng của ASV với vận tốc
v=1,0m/s và hướng đi đặt 0100 ....................................................................... 87

ix


Hình 3.24 Đáp ứng quá độ khả năng ổn định hướng của ASV với vận tốc
v=0,5m/s và hướng đi đặt 0200 ....................................................................... 87
Hình 3.25 Đáp ứng quá độ khả năng ổn định hướng của ASV với vận tốc

Phương tiện tự hành trên mặt nước/phương tiện tự hành hành dưới nước
(ASV/AUV) đã và đang tiếp tục được nghiên cứu và có bước phát triển vượt
bậc trong thập kỷ qua, được sử dụng chủ yếu cho các ứng dụng quân sự và
dân sự [8], [14], [52], [53], [69], trong tương lai sẽ được sử dụng rộng rãi cho
các giám sát môi trường, sinh học của các nguồn tài nguyên biển, thảm họa
sóng thần và cảnh báo thiên tai, ví dụ: rô bốt tự hành, tàu thủy tự hành, ngư
lôi, tàu ngầm,... 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 do các đặc tính cơ bản về an toàn và hiệu quả chi phí khi so
sánh với phương tiện có người lái nên phương tiện biển không người lái hoặc
tự hành đang ngày càng được sử dụng để khai thác dân sự và quốc phòng cho
các nhiệm vụ phức tạp và nguy hiểm: vì các phương tiện không yêu cầu điều
hành trực tiếp của con người do đó hoạt động tốt trong các điều kiện khắc
nghiệt và nguy hiểm trong môi trường dưới nước, hiệu quả chi phí về cả thời
gian và tài chính đạt được là do phương tiện tự hành được thiết kế nhỏ, gọn vì
nó không chứa các hệ thống cần thiết để duy trì cuộc sống trong khi dưới
nước cũng như các cơ cấu truyền động nhỏ hơn so với một phương tiện có
người lái, cũng như qui mô cần thiết cho việc thực hiện bảo trì thường xuyên
sẽ nhỏ hơn nhằm duy trì cho một phương tiện hoạt động. Với các đặc trưng
nổi bật như trên, các loại phương tiện biển không người lái hoặc tự hành đã
được sử dụng thành công và hiệu quả trong ngành công nghệ hàng hải cho cả
mục đích dân sự và quân sự ở các nước phát triển và một số nước đang phát
triển.
Bên cạnh đó, trong quá trình phát triển các hệ thống điều khiển công
nghiệp nói chung cũng như các hệ thống điều khiển các phương tiện tự hành
nói riêng, việc tùy biến và tái sử dụng các mô đun điều khiển đã phát triển
11


được áp dụng cho hệ thống ứng dụng mới là rất quan trọng nhằm giảm chi

Gần đây nhất có một số công trình khoa học ở trong nước đã và đang
được nghiên cứu liên quan đến phát triển công nghệ hướng đối tượng và kiến
trúc hướng theo mô hình cho phương tiện tự hành, như: “Phương pháp thiết
kế hướng đối tượng trong điều khiển phương tiện bay không người lái” [3];
nghiên cứu này đã áp dụng quy trình MDA cụ thể cho phương tiện bay không
người lái loại nhỏ nhưng chưa đưa ra chi tiết được mô hình cạnh tranh trong
thời gian thực cho các mô đun điều khiển và sự chuyển đổi giữa các mô hình
con trong MDA. Bên cạnh đó còn có nghiên cứu về “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” [4]; nghiên cứu này tập trung vào việc tính
toán thủy động lực học phương tiện tự hành dưới nước (AUV) loại nhỏ và áp
dụng công nghệ hướng đối tượng trong phát triển hệ thống điều khiển bám
hướng trên mặt ngang với bộ điều khiển PID tuyến tính đơn giản. Ngoài ra đã
có nghiên cứu về “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
SysML-Modelica và Automate lai” [5]; nghiên cứu này đã xây dựng được các
thành phần phân tích, thiết kế và thực thi hướng đối tượng trong điều khiển
chuyển động cho AUV/ASV bằng công nghệ hệ thống hướng mô hình kết
hợp với ngôn ngữ mô hình hóa hệ thống, ngôn ngữ mô phỏng Modelica và
automate lai. Tuy nhiên, nghiên cứu trên đây cũng chưa đề cập chi tiết tới sự
chuyển đổi và tích hợp giữa các mô hình thiết kế, thực thi, triển khai và quan
hệ theo vết giữa chúng cho hệ thống điều khiển của AUV/ASV. Đến thời
điểm hiện nay chưa có công trình nào nghiên cứu chi tiết về cụ thể hóa MDA
để phát triển GNCS cho phương tiện tự hành trên mặt nước (ASV) cũng như
tùy biến hoặc tái sử dụng các mô đun đã được thiết kế cho các ASV khác
nhau.
Từ tính cấp thiết trên đây cùng với sự hướng dẫn của tập thể các thầy
hướng dẫn, NCS đã lựa chọn thực hiện luận án: “Nghiên cứu kiến trúc hướng
13




cận kiến trúc hướng theo mô hình (MDA) [47] để ứng dụng trong việc phát
triển các hệ thống thông tin nói chung và các hệ thống điều khiển công nghiệp
nói riêng. Theo cách tiếp cận MDA đã có nhiều tổ chức [46] áp dụng thành
công trong trên thế giới như: công ty hàng không Lockheed Martin của Mỹ,
Viện nghiên cứu và khảo sát đại dương Ifremer và SeaTech của Pháp,... trong
nhiều lĩnh vực khác nhau, như: cơ khí động lực, điều khiển-tự động, điện tửviễn thông,... [12], [70], [19], [50].
Để đạt được các mục đích chính đề ra, luận án nghiên cứu cách tiếp cận
kiến trúc hướng mô hình (MDA) [47] do tổ chức hướng đối tượng quốc tế
(OMG) phát triển, kết hợp với ngôn ngữ mô hình hóa hợp nhất trong thời gian
thực (RealTime UML/MARTE) [45], [15], [22], [38], [58], [59] nhằm ứng
dụng trong việc phát triển các hệ thống thông tin nói chung và các hệ thống
điều khiển công nghiệp nói riêng. Cách tiếp cận MDA có các đặc điểm chính,
như: tính linh hoạt, di động và xuyên suốt giữa ứng dụng phát triển với các hệ
thống tương tác và khả năng dễ dàng tái sử dụng các thành phần đã phát triển
nhằm giảm thời gian, chi phí và nguồn lực cho các dự án phát triển hệ thống
công nghiệp.
Xuất phát từ các phân tích và đánh giá ở trên cũng như giới hạn về tài
chính và thời gian nghiên cứu, luận án đã lựa chọn đối tượng là phương tiện
tự hành trên mặt nước (ASV: AUV di chuyển trên mặt nước) và chỉ xét tới
nhiễu về sóng tuyến tính với biên độ nhỏ (sóng gợn, mã trạng thái số 1 [51]).
Luận án cụ thể hóa MDA kết hợp với HA và RealTime UML/MARTE để
thiết kế, thực thi cụ thể 01 ASV để minh họa cách tiếp cận hướng đối tượng
dễ dàng trong phát triển, tích hợp các hệ thống dẫn đường/định vị và điều
khiển (GNCS) cho ASV, ngoài ra, các qui tắc tùy biến và tái sử dụng bản thiết
kế chi tiết của GNCS đã phát triển này cũng được đưa ra nhằm có thể dễ dàng
ứng dụng cho các loại ASV khác nhau.

15

16


- Thiết lập quy trình phân tích, thiết kế và thực thi điều khiển hướng đối
tượng trong thời gian thực cho ASV thông qua cụ thể hóa MDA với
RealTime UML/MARTE, nhằm thực thi một cách hệ thống cho GNCS và
triển khai trên một ASV tự hành bám theo hướng đi và quỹ đạo mong muốn
trên mặt nước.
- Thiết kế chi tiết của GNCS có thể dễ dàng tùy biến và tái sử dụng cho
các ứng dụng điều khiển các loại ASV khác nhau.
6. Cấu trúc của luận án
Luận án bao gồm phần mở đầu, 04 chương và kết luận được trình bày
như sau: Chương 1 giới thiệu tổng quan về phương tiện tự hành trên mặt nước
và các kỹ thuật điều khiển tích hợp. Chương 2 trình bày về mô hình hóa và
mô phỏng động lực học trong điều khiển cho ASV/AUV. Chương 3 đề xuất
quy trình phân tích, thiết kế, mô phỏng và thực thi GNCS cho ASV bằng công
nghệ hướng đối tượng kết hợp dựa trên MDA và ngôn ngữ mô hình hóa hợp
nhất trong thời gian thực (RealTime UML/MARTE) kết hợp với HA. Chương
4 trình bày về kết quả thử nghiệm và đánh giá. Cuối cùng là kết luận chung và
kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo.

17


1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG TIỆN TỰ HÀNH
DƯỚI NƯỚC VÀ CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN
1.1 Sơ lược quá trình phát triển và ứng dụng phương tiện tự
hành dưới nước
Trên thế giới, phương tiện tự hành dưới nước AUV nói chung và phương
tiện tự hành trên mặt nước ASV nói riêng đã có bước phát triển vượt bậc.

dân sự và quân khác khi trang bị các Sonar chức năng [11].

19


Hình 1.4 Hình ảnh phương tiện tự hành dưới nước ASV/AUV (REMUS 6000)
Năm 2007 Tập đoàn Atlas Elektronik, Đức chế tạo ASV (SEAOTTER
MKII) (Hình 1.5) chiều dài 3,65m, trọng lượng 1.000kg, chiều sâu lặn tới
600m, tải trọng mang thêm đến 160kg và thời gian hoạt động một lần 20 giờ,
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 [11].

Hình 1.5 Hình ảnh phương tiện tự hành dưới nước ASV (SEAOTTER MKII)
Năm 2010 Tập đoàn Bluefin Robotics, Mỹ chế tạo ASV (Bluefin-9)
(Hình 1.6) có 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,
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 [11].

Hình 1.6 Hình ảnh phương tiện tự hành dưới nước ASV/AUV (Bluefin-9)
Từ năm 2009 đến nay, lực lượng Hải quân Mỹ đã chế tạo và thử nghiệm
các phiên bản của ASV (CUSV) (Hình 1.7) có khả năng mang nhiều loại vũ
20


khí và các trang thiết bị phục vụ công tác giám sát và tuần tra trên biển [67].

Hình 1.7 Hình ảnh phương tiện tự hành trên mặt nước ASV (CUSV)
Năm 2017, Công ty Atlas Elektronik UK chế tạo và thử nghiệm ASV
(ARCIMS) (Hình 1.8) có khả năng lai dắt, tự hoạt động theo nhóm và tránh

5%
0%

- Quân sự: 23%, - Thăm dò: 41%,

- Nghiên cứu:
35%,

- Khác: 11%.

Hình 1.11 Thống kê tỷ lệ phân bổ ASV/AUV theo phạm vi ứng dụng tính đến
năm 2009
22


60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%

- Quân sự:
49%,

- Nghiên cứu: - Dầu khí: 8%,
31%,

- Thủy văn:

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 ASV đã được sử dụng thành công và hiệu quả trong ngành công nghệ
hàng hải cho cả mục đích dân sự và quân sự. Trong thời gian vừa qua có một
số cá nhân tự nghiên cứu chế tạo tàu ngầm đã được báo chí trong nước có nêu
như “Tầu ngầm Trường Sa 01” của Ông Nguyễn Quốc Hòa, Tàu ngầm “Yết
Kiêu” của Ông Phan Bội Trân [6], các tàu ngầm này đều có người lái và được
được thử ở độ sâu còn khiêm tốn. Ngoài ra, Bộ KH&CN cũng đã hỗ trợ Công
ty Cổ phần đầu tư và phát triển công nghệ cao VINASHIN thực hiện Dự án
SXTN “Hoàn thiện thiết kế công nghệ và chế tạo tàu lặn cỡ nhỏ”, mã số
DAĐL-2010/15 [7], đến nay cơ bản đã chế tạo được 01 tàu lặn và thử nghiệm
một số tính năng chính tại Vịnh Cam Ranh Khánh Hòa.
Do đó, việc nghiên cứu sản xuất các phương tiện dạng ASV/AUV 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 vẫn
phải có sự can thiệp trược tiếp của người điều hành [1].
Bên cạnh đó, vấn đề thiết kế hệ thống điều khiển cho ASV gặp nhiều
khó khăn bởi vì nó phải được kết nối chặt chẽ với các mô hình động lực học.
Trên thực tế, có nhiều ứng dụng điều khiển ASV với các giải pháp tối ưu cho
việc kiểm soát mô hình động lực học của các phương tiện này. Ví dụ, Titan và
Collins [63] giới thiệu phương pháp lập kế hoạch quỹ đạo mong muốn cho
phương tiện tự hành dưới nước trong phạm vi hoạt động bị hạn chế. Phương
pháp này sử dụng đa thức dựa trên nội suy khối Hermite để ước tính tiến trình
thời gian đi qua tại các điểm lộ trình (WP) của quỹ đạo mong muốn khi thực
thi tác vụ. Li và Lee [41] đã giới thiệu bộ điều khiển phi tuyến cho phép
24