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 ...  tích hướng đối tượng để thực thi điều khiển các phương tiện tự hành dưới 
nước.Tạp chí khoa học công nghệ các trường đại học kỹ thuật, ISSN 0868-3980, 
(2012), tr. 101-106. 
[3] Lê Thanh Tùng, Nguyễn Đông, Lê Quang (2012) A design of autonomous 
underwater vehicle model for estimation of underwater manoeuvring coefficients. 
The 6th Asia-pacific workshop on marine hydrodynamics-AP Hydro 2012, 
Malaysia September 3-4, (2012), pp. 379-384. 
[4] Khương Minh Tuấn, Nguyễn Đông, Nguyễn Hoài Nam, Phạm Gia Điềm, Ngô 
Văn Hiền (2014) Quy trình hướng đối tượng trong mô hình hóa và mô phỏng các 
hệ thống cơ điện tử điều khiển thong qua tích hợp SYSML – MODELICA- MDA 
với Automate lai.Tạp chí cơ khí Việt Nam, ISSN 0866-7056, (2014), tr. 150-157. 
[5] Nguyen Dong, Nguyen Hoai Nam, Khuong Minh Tuan, Ngo Van Hien (2014) 
A Novel approach to model an implement planar trajectory tracking controllers for 
Auvs/Asvs. Advanced materials research Vol. 1016 Trans Tech Publications, 
Switzerland, (2014), pp. 686-693. 
[6] Nguyen Dong, Ngo Van He, Ngo Van Hien, Le Quang (2014) Hydrodynamics 
analysis to improve the controller of an autonomous underwater vehicle. 
Proceedings the 7th AUN/SEED-Net RCMME 2014, ISBN: 978-604-911-942-2, 
Ha noi 10/2014, pp. 420-406. 
113 
PHỤ LỤC 
Phụ lục 1. Kết quả tính toán các thông số thủy động lực học chính của tàu lặn 
mô hình 
Bảng A.1. Các thông số thủy động lực học chính của tàu lặn mô hình 
Thông số Giá trị Đơn vị Mô tả 
M 11.20 kg Khối lượng 
Ixx 0.057 kg.m2 Mô men quán tính theo x 
Iyy=Izz 1.271 kg.m2 Mô men quán tính theo y và z 
L 1.50 m Chiều dài 
R 0.10 m Bánh kính 
Xuu -4.12e+0 kg/m Lực cản do vận tốc u 
Xu˙ +4.25e-1 kg Khối lượng gia tăng do gia tốc u˙ 
Xuw +3.07e+1 kg/m Lực cản do vận tốc u và w 
Xuv +3.06e-2 kg/m Lực cản do vận tốc u và v 
Xvv -5.28e+1 kg/m Lực cản do vận tốc v 
Xvr +2.82e+1 kg/rad Khối lượng gia tăng do ảnh hưởng chéo 
Xww -5.28e+1 kg/m Lực cản do vận tốc w 
Xwq -2.89e+1 kg/rad Khối lượng gia tăng do ảnh hưởng chéo 
Xrr +1.68e+0 kg/rad Khối lượng gia tăng do ảnh hưởng chéo 
Yuuδr +1.21e+1 kg/(m.rad) Lực nâng do xoay cánh lái 
Yuv -5.23e+1 kg/rad Khối lượng gia tăng do ảnh hưởng chéo của 
lực nâng và lực cản do xoay cánh lái 
Yur +5.88e+0 kg/rad Khối lượng gia tăng do ảnh hưởng chéo của 
lực nâng do xoay cánh lái 
Yvv +3.37e+0 kg/m Lực cản do vận tốc v 
Yv˙ -2.67e+1 kg Khối lượng gia tăng do gia tốc v˙ 
Ywp +2.56e+1 kg/rad Khối lượng gia tăng do ảnh hưởng chéo 
Ypq -1.78e+0 kg/rad Khối lượng gia tăng do ảnh hưởng chéo 
Yr˙ -1.78e+0 kg Khối lượng gia tăng do gia tốc r˙ 
Zuuδs -1.21e+1 kg/(m.rad) Lực nâng do xoay cánh lái 
Zuw -5.96e+1 kg/rad Khối lượng gia tăng do ảnh hưởng chéo của 
lực nâng và lực cản do xoay cánh lái 
Zuq -5.89e+0 kg/rad Khối lượng gia tăng do ảnh hưởng chéo của 
lực nâng do xoay cánh lái 
Zvp -2.56e+1 kg/rad Khối lượng gia tăng do ảnh hưởng chéo 
Zww +3.26e+1 kg/m Lực cản do vận tốc w 
Zw˙ -2.34e+1 kg Khối lượng gia tăng do gia tốc w˙ 
114 
Zq˙ +1.78e+0 kg Khối lượng gia tăng do gia tốc q˙ 
Zrp -1.78+0 kg/rad Khối lượng gia tăng do ảnh hưởng chéo 
Kp˙ -4.23e-2 kg.m2 /rad2 Khối lượng gia tăng p˙ 
Kuuδr +4.43e+0 kg/rad Mô men xoay cánh lái 
Kuuδs +4.43e+0 kg/rad Mô men xoay cánh lái 
Muuδs -6.35e+0 kg/rad Mô men nâng cánh lái 
Muw +2.45e+1 kg Mô men thân và cánh lái 
Muq -4.93e+0 kg.m/rad Khối lượng gia tăng do ảnh hưởng chéo của 
lực nâng cánh lái 
Mvp +1.67e+0 kg.m/rad Khối lượng gia tăng do ảnh hưởng chéo 
Mw˙ +1.67e+0 kg.m2 /rad2 
Khối lượng gia tăng 
Mq˙ -4.33e+0 kg.m/rad Khối lượng gia tăng 
Mrp +4.33e+0 kg.m2 /rad2 
Khối lượng gia tăng do ảnh hưởng chéo 
Nuuδr -6.11e+0 kg/rad Mô men nâng cánh lái 
Nuv -2.44e+1 kg Mô men thân và cánh lái 
Nur -4.90e+0 kg.m/rad Khối lượng gia tăng do ảnh hưởng chéo của 
lực nâng cánh lái 
Nv˙ -1.78e+0 kg.m2 /rad2 Khối lượng gia tăng 
Nwp +1.78e+0 kg.m /rad Khối lượng gia tăng do ảnh hưởng chéo 
Npq -4.35e+0 kg.m2 /rad2 
Khối lượng gia tăng do ảnh hưởng chéo 
Nr˙ -4.27e+0 kg.m /rad Khối lượng gia tăng 
115 
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 
2.1. Mô hình phân tích của hệ thống điều khiển tàu lặn 
2.1.1. Mô hình trường hợp sử dụng 
Các tác nhân: 
- Hệ thống “dẫn đường và định vị” nhằm cung cấp/thu nhận các tín hiệu dẫn đường-định 
vị và hiển thị các thông số chuyển động của AUV. 
- “Môi trường” đại diện cho các nhiễu loạn, như là sóng, dòng hải lưu và gió. 
- “Người bảo trì” thực hiện bảo trì hoặc cấu hình lại AUV theo yêu cầu cần thiết, theo 
định kỳ hoặc khi có lỗi. 
Các trường hợp sử dụng trong hệ thống điều khiển tàu lặn: 
Các trường hợp sử dụng (Hình A.1) của AUV - HDS bao gồm: vận hành (Drive), an toàn 
(Security), bảo trì (Maintain) và cấu hình (Configure). 
Hình A.1. Mô hình trường hợp sử dụng của hệ thống điều khiển tàu lặn 
- Drive: thực hiện các tác vụ chính trong hoạt động của AUV, như là: lặn, nổi, di chuyển 
ngầm dưới nước và chạy nổi. 
116 
- Configure: cho phép cấu hình mới thông số điều khiển của hệ thống 
- Maintain: đưa AUV về trạng thái để tiến hành bảo trì. 
- Make safety: đảm bảo an toàn cho hoạt động của AUV, như là: nguồn năng lượng cung 
cấp sắp cạn và lỗi ở các cơ cấu truyền động hoặc điều khiển. 
2.1.2. Các ứng xử của các trường hợp sử dụng trong hệ thống điều khiển tàu lặn 
 Trường hợp sử dụng “Drive” (Hình A.2a và A.2b): 
Hình A.2a. Sơ đồ diễn tiến của trường hợp sử dụng “Drive” 
117 
Hình A.2b. Máy trạng thái của trường hợp sử dụng “Drive” 
2.1.3. Máy trạng thái toàn cục 
Máy trạng thái toàn cục của hệ thống điều khiển AUV thể hiện trên hình A.3. 
Hình A.3. Máy trạng thái toàn cục của hệ thống điều khiển tàu lặn 
118 
2.2. Mô hình thiết kế của hệ thống điều khiển tàu lặn 
Sơ đồ kết nối giữa các gói chính của AUV - HDS được giới thiệu ở hình A.4. 
Hình A.4. Sơ đồ kết nối giữa các gói cơ bản của AUV - HDS 
 Sơ đồ lớp của các gói (Capsules), các cổng (Ports) và giao thức (Protocols) của AUV - 
HDS được giới thiệu trên hình A.5. 
Hình A.5. Sơ đồ lớp của các gói cơ bản trong AUV - HDS 
119 
 Hình A.6 thể hiện tiến trình tương tác trong một chu kỳ giữa các gói cơ bản của AUV - 
HDS; trong trường hợp này có thể thấy rằng sự kiện bên ngoài được xử lý và sự kiện bên trong 
được sinh ra. 
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 
120 
− Tín hiệu đầu vào (InputSignals) hoặc tín hiệu đầu ra (OutputSignals), là các biến điều 
khiển của bộ phận điều khiển tới phần chấp hành của AUV - HDS thực cho khoảng thời gian 
lấy mẫu của gói IGCB. 
− Biến ghi nhớ (MemoVariable), các biến đầu ra của các phần tử liên tục của AUV - HDS 
là được ghi nhớ bởi các tín hiệu tương ứng của chúng để mà gói giao diện bên trong có thể 
kiểm tra các đại lượng bất biến của mô hình liên tục hiện thời. 
− Các đại lượng bất biến mỗi trạng thái của AUV - HDS đã được giới thiệu ở trên theo từng 
giai đoạn phân tích. 
2.2.1. Gói của phần liên tục 
Sơ đồ cấu trúc gói phần liên tục của AUV - HDS được thể hiện trên hình A.7. 
Hình A.7. Sơ đồ cấu trúc của gói phần liên tục 
Sơ đồ lớp của gói phần liên tục được giới thiệu trong hình A.8. 
121 
Hình A.8. Sơ đồ lớp của gói phần liên tục của AUV - HDS 
 Sơ đồ diễn tiến của gói phần liên tục của AUV - HDS được giới thiệu trong hình A.9. Sơ 
đồ này tương ứng với trường hợp kích hoạt tuần tự các phần tử liên tục. 
122 
Hình A.9. Sơ đồ diễn tiến của gói phần liên tục 
2.2.2. Gói IGCB 
 Sơ đồ lớp của gói IGCB được giới thiệu trên hình A.10. 
123 
Hình A.10. Sơ đồ lớp của gói IGCB 
 Máy trạng thái của gói IGCB được thể hiện ở hình A.11. 
Hình A.11. Máy trạng thái của gói IGCB 
124 
2.2.3. Gói của phần rời rạc 
 Sơ đồ lớp của gói phần rời rạc được giới thiệu trên hình A.12. 
Hình A.12. Sơ đồ lớp của gói phần rời rạc 
 Máy trạng thái của gói phần rời rạc được thể hiện trên hình A.13. 
Hình A.13. Máy trạng thái của gói phần rời rạc 
125 
2.2.4. Gói giao diện bên trong 
 Sơ đồ lớp của gói giao diện bên trong được giới thiệu trong hình A.14a. 
Hình A.14a. Sơ đồ lớp của gói giao diện bên trong 
 Máy trạng thái của gói giao diện bên trong được trình bày trên hình A.14b. 
Hình A.14b. Máy trạng thái của gói giao diện bên trong 
126 
2.2.5. Gói giao diện bên ngoài 
 Sơ đồ lớp của gói giao diện bên ngoài được giới thiệu trong hình A.15. 
Hình A.15. Sơ đồ lớp của gói giao diện bên ngoài của AUV - HDS 
 Máy trạng thái của gói giao diện bên ngoài thể hiện trên hình A.16. 
Hình A.16. Máy trạng thái của gói giao diện bên ngoài 
127 
2.3. Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển tàu lặn 
Để tiến hành kiểm tra và đánh giá mô hình thiết kế ở trên đây, các qui tắc chuyển đổi từ 
mô hình thiết kế sang mô phỏng bởi công cụ OpenModelica đã được đưa ra trong Chương 3 và 
áp dụng chúng trong mô phỏng hiệu năng điều chỉnh hướng đi mong muốn của hệ thống. 
Tùy thuộc vào vận tốc di chuyển trung bình (công suất vận hành) của AUV mô hình (tàu 
lặn mô hình), tổng thời gian ổn định hướng nằm trong dải từ 7,0s đến 14,0s theo các trường hợp 
được xây dựng trên các hướng đi mong muốn là 10o, 20o và 30o tương ứng với vận tốc di chuyển 
trung bình là 0,5m/s, 1,0m/s và 1,5 m/s. Đáp ứng quá độ hướng đi của AUV mô hình cho các 
trường hợp mô phỏng này được thể hiện trên các hình A.17, A.18, A.19, A.20, A.21, A.22, A.23 
và A.24 với các thông số PID thích ứng nhằm đảm bảo hiệu năng điều khiển hướng đi. 
- Trường hợp 1: Hướng đi mong muốn 10o và vận tốc di chuyển 0,5m/s, đáp ứng quá độ 
hướng đi của tàu lặn mô hình đã được thể hiện tại Hình 3.6, trong Chương 3. 
- Trường hợp 2: Hướng đi mong muốn 10o và vận tốc di chuyển 1,0m/s (Hình A.17). 
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 
128 
- Trường hợp 3: Hướng đi mong muốn 10o và vận tốc di chuyển 1,5m/s (Hình A.18). 
Hình A.18. 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 1,5m/s 
- Trường hợp 4: Hướng đi mong muốn 20o và vận tốc di chuyển 0,5m/s (Hình A.19). 
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 
129 
- Trường hợp 5: Hướng đi mong muốn 20o và vận tốc di chuyển 1,0m/s (Hình A.20). 
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 
- Trường hợp 6: Hướng đi mong muốn 20o và vận tốc di chuyển 1,5m/s (Hình A.21). 
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 
130 
- Trường hợp 7: Hướng đi mong muốn 30o và vận tốc di chuyển 0,5m/s (Hình A.22). 
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 
- Trường hợp 8: Hướng đi mong muốn 30o và vận tốc di chuyển 1,0m/s (Hình A.23). 
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 
131 
- Trường hợp 9: Hướng đi mong muốn 30o và vận tốc di chuyển 1,5m/s (Hình A.24). 
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 
Mô hình mô phỏng này cho phép 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 hệ thống trước khi thi hành 
triển khai nó. Sau đó, mô hình thiết kế với RealTime UML sẽ được cập nhật lại với các giá trị 
thành phần điều khiển với mô hình mô phỏng tối ưu nhất, nhằm đảm bảo phù hợp cho việc chế 
tạo, lập trình phần điều khiển và chạy thử trên 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 và chuyển 
mạch, nguồn cung cấp năng lượng, vi xử lý Arduino Mega2560. Ngoài ra, Arduino Mega 2560 
cũng có các giao thức để kết nối với GPS/INS (Hình A.25). Hình A.26 thể hiện các thành phần 
phần phần cứng được tích hợp trong hệ thống điều khiển tàu lặn mô hình. 
132 
Hình A.25. Vi xử lý Arduino Mega2560 kèm theo các giao thức kết nối 
Hình A.26. Tích hợp phần cứng trong hệ thống điều khiển tàu lặn mô hình 
Phần mềm bao gồm mô đun điều khiển chính và giao diện người sử dụng được lập trình 
dựa trên IDE mã nguồn mở của Arduino và Microsoft Visual 2010 C#. Dưới đây là ví dụ minh 
họa mã chương trình chính của bộ điều khiển PID bởi hai tệp “M_PID.h” và “M_PID.cpp”; hình 
A.27 thể hiện kiểm tra mã chương trình chính của bộ điều khiển PID được biên dịch để nạp vào 
vi xử lý Arduino Mega2560 trên Arduino IDE version 1.0.1. 
______________________________________________________________________________________ 
/// @file M_PID.h 
/// @brief PID algorithm for the block motor control of AUV, with EEPROM-backed storage of constants. 
#ifndef M_PID_h 
#define M_PID_h 
#include 
#include 
class M_PID { 
public: 
 M_PID(); 
133 
 long get_pid(int32_t error, uint16_t dt, float scaler = 1.0); 
 /// Reset the PID integrator 
 void reset_I(); 
 void kP(const float v) { _kp = v; } 
 void kI(const float v) { _ki = v; } 
 void kD(const float v) { _kd = v; } 
 void imax(const int16_t v) { _imax = v; } 
 float kP() { return _kp; } 
 float kI() { return _ki; } 
 float kD() { return _kd; } 
 float imax() { return _imax; } 
 float get_integrator() const { return _integrator; } 
private: 
 float _kp; 
 float _ki; 
 float _kd; 
 float _imax; 
 float _integrator; 
 int32_t _last_error; 
 float _last_derivative; 
 static const uint8_t _fCut = 20; 
}; 
#endif 
---------------------------- 
/// @file M_PID.cpp 
#include 
#include "M_PID.h" 
M_PID::M_PID() 
{ 
} 
long 
M_PID::get_pid(int32_t error, uint16_t dt, float scaler) 
{ 
 float output = 0; 
 float delta_time = (float)dt / 1000.0; 
 output += error * _kp; 
 if ((fabs(_kd) > 0) && (dt > 0)) { 
 float derivative = (error - _last_error) / delta_time; 
 float RC = 1/(2*M_PI*_fCut); 
 derivative = _last_derivative + 
 (delta_time / (RC + delta_time)) * (derivative - _last_derivative); 
 // update state 
 _last_error = error; 
 _last_derivative = derivative; 
 output += _kd * derivative; 
 } 
 output *= scaler; 
 if ((fabs(_ki) > 0) && (dt > 0)) { 
 _integrator += (error * _ki) * scaler * delta_time; 
 if (_integrator < -_imax) { 
 _integrator = -_imax; 
 } else if (_integrator > _imax) { 
 _integrator = _imax; 
 } 
 output += _integrator; 
 } 
 return output; 
} 
void 
M_PID::reset_I() 
{ 
 _integrator = 0; 
 _last_error = 0; 
 _last_derivative = 0; 
} 
134 
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 
135 
Phụ lục 3: Một số hình ảnh chế tạo và thử nghiệm tàu lặn mô hình 
136 
137 
138 
139 
140 
141