Tóm tắt Luận án 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 SysMLModelica và Automate lai

1 
MỞ ĐẦU 
i. Tính cấp thiết của đề tài 
Trong kỷ nguyên công nghệ và nền kinh tế đa chiều, việc phát triển 
các hệ thống động lực công nghiệp có một vai trò quan trọng trong quá 
trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa và bảo vệ đất nước. Hệ thống điều 
khiển công nghiệp là một phần của lĩnh vực sản xuất công nghiệp, nó ngày 
càng được nhiều doanh nghiệp sử dụng và phát triển để góp phần tạo ra 
giá trị cạnh tranh. 
Một trong những ngành công nghiệp mũi nhọn, công nghệ tàu thủy 
và kỹ thuật dưới nước đang được phát triển rất nhanh tại nước ta. Nhiều 
nhà máy và xí nghiệp chế tạo tàu thủy đã phải nhập khẩu từ nước 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 chương trình, hệ thống điều khiển từ xa cho buồng máy Như 
thế, chi phí để hoàn thành một thiết bị dưới nước sẽ rất cao. 
Hơn thế nữa, do đặc thù địa lý, việc nghiên cứu tác động của môi 
trường biển tới đời sống kinh tế xã hội của dân sinh rất cần thiết đối với 
nước ta, ví dụ như cảnh báo thiên tai và sóng thần, khảo sát hệ sinh thái 
dưới biển, vận tải biển bằng tàu thủy cũng như việc phát triển các trang 
thiết bị cho hải quân trong quân sự. 
Các hoạt động trên đòi hỏi phải có các phương tiện tự hành dưới 
nước AUV/ASV thì mới đáp ứng được mục tiêu bảo đảm an ninh và khai 
thác tài nguyên biển một cách bền vững. Điều này có được là do các đặc 
tính cơ bản về an toàn và hiệu quả chi phí khi so sánh với thiết bị có người 
lái. Thiết bị AUV/ASV không yêu cầu điều hành của con người, nó phải 
chịu các điều kiện và các mối nguy hiểm vốn có trong môi trường dưới 
nước. Chi phí hiệu quả về cả thời gian và các khía cạnh tài chính được 
xuất phát từ một thiết bị nhỏ hơn nhiều, không chứa các hệ thống con khác 
nhau cần thiết để duy trì cuộc sống trong khi dưới nước cũng như các cơ 
cấu truyền động nhỏ hơn so với một thiết bị có người lái, vì vậy yêu cầu 
thực hiện bảo trì thường xuyên cần thiết sẽ nhỏ hơn. Với các đặc trưng nổi 
bật trên đây, các loại AUV/ASV đã được sử dụng thành công và hiệu quả 
trong ngành công nghệ hàng hải tại rất nhiều nước trên thế giới cho cả 
mục đích dân sự và quân sự. 
Do đó, việc nghiên cứu sản xuất các thiết bị này trong nước, đặc biệt 
là hệ thống điều khiển, 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. 
Xuất phát từ tính cấp thiết đã trình bày trên đây, cùng với sự hướng 
dẫn của tập thể các thầy hướng dẫn, NCS đã thực hiện luận án với tiêu đề: 
“Nghiên cứu phương pháp hướng đối tượng trong phân tích và thiết kế 
2 
điều khiển chuyển động cho thiết bị tự hành AUV/ASV với chuẩn SysML-
Modelica và Automate lai”. 
ii. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 
Mục đích nghiên cứu 
Mục đích nghiên cứu của luận án là nhằm đưa ra mô hình quản trị 
yêu cầu, phân tích, thiết kế, mô phỏng và thực thi một cách hiệu quả hệ 
thống điều khiển các thiết bị tự hành dưới nước AUV/ASV (ví dụ: tàu 
ngầm, ngư lôi, rô-bốt hoạt động dưới nước, các thiết bị phục vụ hải quân 
với mục đích quân sự, tàu thủy tự vận hành...) dựa trên phương pháp cụ 
thể hóa cách tiếp cận kiến trúc hướng đối tượng hướng theo mô hình 
(MBSE) bằng ngôn ngữ mô hình hóa hệ thống SysML kết hợp ngôn ngữ 
mô phỏng hướng đối tượng Modelica với Automate lai. 
Kết quả nghiên cứu cần đạt được là làm chủ công nghệ tích hợp 
hướng đối tượng có thể tùy biến và tái sử dụng một cách nhanh chóng cho 
các ứng dụng điều khiển các thiết bị tự hành dưới nước khác nhau với hiệu 
năng điều khiển và an ninh cao. Nhờ đó, việc chuyển giao công nghệ ứng 
dụng có thể sẽ được thực hiện một cách dễ dàng cho việc sản xuất ở trong 
nước. 
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 
Đối tượng nghiên cứu của luận án là thiết bị tự hành dưới nước 
không người lái AUV/ASV với các thông số kỹ thuật mô tả trên bảng 1.2. 
Các nội dung nghiên cứu của đề tài được thực hiện tại Bộ môn Kỹ thuật 
Thủy khí và Tàu thủy, viện Cơ khí Động Lực, Trường đại học Bách khoa 
Hà nội. Do điều kiện hạn chế về thời gian cũng như chi phí về thiết bị (đặc 
biệt là các trang thiết bị, các cảm biến thích hợp phục vụ cho việc truyền 
thông dưới nước tích hợp trên AUV/ASV), phạm vi nghiên cứu của luận 
án được giới hạn như sau: 
- Thiết bị AUV/ASV được chế tạo và thử nghiệm trong bể thử giới 
hạn trong phạm vi 3 bậc tự do trên mặt phẳng ngang để đánh giá về tính tự 
hành là khả năng bám quỹ đạo định trước và ổn định hướng đi. 
- Nhiễu do ảnh hưởng của môi trường là nhiễu gây ra do sóng tuyến 
tính phổ bậc hai, không xét đến ảnh hưởng của dòng chảy và ảnh hưởng 
của gió; Tín hiệu nhiễu được đưa vào hệ thống qua giả lập mô phỏng vật 
lý. 
iii. Phương pháp nghiên cứu 
Trong luận án, phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hơp̣ với thưc̣ 
nghiêṃ se ̃đươc̣ tiến hành song song, sau đó các kết quả mô phỏng từ các 
mô hình thiết kế lý thuyết sẽ được so sánh với kết quả thực nghiệm nhằm 
đánh giá và đưa ra giải pháp tối ưu. 
3 
iv. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 
Đề tài có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao thông qua cụ thể hóa và 
áp dụng kết hợp các phương thức điều khiển và công nghệ thực thi mới 
gần đây nhất; có thể ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, như: dân sự, 
cứu hộ, cứu nạn, an ninh và quốc phòng trên biển. Dựa trên cơ sở bản thiết 
kế chi tiết hệ thống được phát triển trong luận án, các nhà sản xuất và khai 
thác có thể dễ dàng tùy biến và tái sử dụng cho các ứng dụng điều khiển 
các thiết bị tự hành dưới nước khác nhau, đặc biệt trong bối cảnh tại Việt 
Nam. 
v. Các điểm mới của luận án đạt được 
+ Xây dựng phương thức điều khiển tích phân cuốn chiếu (IB) kết 
hợp với bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) lấy Automate lai (HA) làm nền 
tảng cho hệ thống điều khiển của AUV/ASV. 
+ Đưa ra quy trình phân tích, thiết kế và thực thi hướng đối tượng 
bằng phương pháp công nghệ hệ thống hướng mô hình (MBSE/OOSEM) 
với ngôn ngữ mô hình hóa hệ thống (SysML) và ngôn ngữ mô phỏng 
Modelica. 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 thiết bị tự hành dưới nước 
khác nhau. 
+ Thiết kế và chế tạo thử nghiệm hệ thống điều khiển mô hình nhằm 
thực nghiệm tính ổn định hướng đi và bám quỹ đạo cho AUV/ASV với 
cấu hình vật lý có sẵn. 
vi. Cấu trúc của luận án 
Luận án được trình bày theo các nội dung chính sau: 
 Mở đầu 
 Chương 1. Nghiên cứu tổng quan. 
 Chương 2. Phương pháp mô hình hóa, mô phỏng và thi hành hệ 
thống điều khiển thiết bị tự hành AUV/ASV. 
 Chương 3. Quy trình phân tích thiết kế, mô phỏng và thi hành hệ 
thống điều khiển cho thiết bị tự hành AUV/ASV với SysML/Modelica và 
Automate lai. 
 Chương 4. Thử nghiệm và đánh giá kết quả. 
 Kết luận và kiến nghị. 
CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 
1.1. Tổng quan về phương tiện tự hành trên biển AUV/ASV 
1.1.1 Sơ lược về AUV/ASV 
Ngày nay, cùng với việc phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật 
cũng như ứng dụng các tiến bộ của khoa học đối với các ngành khác nhau, 
lĩnh vực nghiên cứu về đại dương rất cần các phương tiện tự hành dưới 
nước AUV/ASV nhằm mục đích nâng cao hiệu quả trong nghiên cứu như: 
4 
cảnh báo thiên tai sóng thần, dự báo thời tiết, nghiên cứu đáy đại dương, 
trong mục đích dân sự, như là thăm dò các nguồn tài nguyên thiên nhiên 
dưới biển, 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 đối với nền an ninh quốc phòng của các nước, có thể nói 
AUV/ASV là một trong những thành phần phục vụ tác chiến quan trọng 
trong chiến lược bảo vệ và duy trì lãnh hải. 
1.2. Hệ thống điều khiển AUV/ASV 
1.2.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển AUV/ASV 
Để một AUV/ASV có thể hoạt động được một cách tự hành, kiến 
trúc điều khiển của nó phải có ba hệ thống chính (hình 1.5): Hệ thống dẫn 
đường nhằm đưa ra quỹ đạo cho phương tiện chuyển động bám theo; hệ 
thống định vị để xác định các trạng thái hiện hành của phương tiện; và hệ 
thống điều khiển nhằm tính toán và áp dụng theo mô hình thủy động lực 
học thích hợp trong vận hành. 
1.2.2 Cấu trúc động lực lai công nghiệp 
Trong luận án, hệ thống điều khiển và các cơ cấu chấp hành được mô 
hình hóa với các sự kiện rời rạc, các ứng xử liên tục cũng như sự kết hợp 
giữa các thành phần rời rạc và liên tục này. 
 Hình 1.6 mô tả sơ đồ khối của một hệ thống động lực lai công nghiệp 
điển hình. 
Hình 1.5. Sơ đồ hệ thống dẫn đường, 
định vị và điều khiển 
Hình 1.6.Sơ đồ khối mô tả hệ 
thống động lực lai công nghiệp 
IHDS điển hình 
1.2.3 Một số bộ điều khiển được ứng dụng trên AUV/ASV 
Điều khiển phương tiện tự hành dưới nước là một công việc vô cùng 
khó khăn và phức tạp do môi trường nước, đặc biệt là trong môi trường 
đại dương, xuất hiện rất nhiều các yếu tố khác nhau tác động lên 
AUV/ASV như sóng, gió, các dòng hải lưu tạo nên các lực phức tạp và phi 
tuyến. Các bộ điều khiển từ phức tạp đến đơn giản theo lịch sử phát triển 
đã lần lượt xuất hiện trên AUV/ASV như: PID, Lô gic mờ, điều khiển 
5 
thích nghi, bộ điều khiển trượt SMC 
1.2.4 Bộ điều khiển cuốn chiếu tích phân IB 
Trong nghiên cứu này, việc thiết kế bộ điều khiển cho AUV/ASV với 
phương pháp luận dựa trên nền tảng là thuật toán cuốn chiếu tích phân 
(IB). Phương pháp này xuất hiện vào khoảng đầu những năm 90, được 
đánh giá như một phương pháp thiết kế bộ điều khiển nhiều triển vọng cho 
đối tượng phi tuyến 
1.3. Công nghệ hệ thống hướng mô hình dựa trên nền tảng công nghệ 
hướng đối tượng 
1.3.1 Công nghệ hướng đối tượng hướng theo mô hình 
Xuất phát từ yêu cầu trong ngữ cảnh sản xuất công nghiệp, việc tái sử 
dụng và tùy biến các mô đun điều khiển đã phát triển được áp dụng cho hệ 
thống ứng dụng mới là rất quan trọng, nhằm giảm chi phí, thời gian và 
nhân công sản xuất; đặc biệt là có thể làm chủ được công nghệ tránh phải 
nhập khẩu từ nước ngoài. Do đó trong đề tài nghiên cứu này, NCS đã chọn 
công nghệ hướng đối tượng OOT dựa trên mô hình MBSE để phát triển hệ 
thống điều khiển phương tiện tự hành dưới nước AUV/ASV 
1.3.2 Công nghệ hệ thống hướng theo mô hình 
Công nghệ hệ thống hướng mô hình MBSE là một cách tiếp cận trong 
lĩnh vực công nghệ hệ thống, có thể được mô tả như một phương pháp ứng 
dụng mô hình hóa, phương pháp, các ngôn ngữ và các công cụ cho toàn bộ 
vòng đời của các hệ thống lớn, phức tạp, giao thoa từ nhiều lĩnh vực khác 
nhau như cơ khí, tự động hóa. Hình 1.7 là một VD về tiếp cận MBSE 
trong thiết kế hệ thống. 
Hình 1.7. Một ví dụ về tiếp cận 
MBSE trong thiết kế hệ thống 
Hình 1.8. Các thành phần chính 
của công nghệ hệ thống theo mô 
hình 
6 
Thành phần chính của MBSE Để thực hiện phân tích, thiết kế và thực 
thi hệ thống theo hướng tiếp cận MBSE thì một kỹ sư hệ thống cần phải 
trang bị kiến thức về: ngôn ngữ mô hình hóa, phương pháp/quy trình mô 
hình hóa và công cụ để mô hình hóa (hình 1.8). 
Một số ứng dụng của công nghệ MBSE trong công nghiệp Các ứng 
dụng của MBSE là rất rộng lớn, trải rộng từ các lĩnh vực quân sự quốc 
phòng, hàng không vũ trụ tới các ứng dụng cho các ngành công nghiệp 
như y tế, sản xuất, kinh doanh ...thuộc lĩnh vực dân sự . 
1.4. Cấu hình cho bài toán áp dụng 
Phương pháp luận Trong nghiên cứu, phương pháp luận OOSEM đã 
được sử dụng trong việc phân tích thiết kế và thực thi đối với AUV/ASV 
Kiến trúc bộ điều khiển Nhóm nghiên cứu đưa vào luật điều khiển 
điều khiển cuốn chiếu kết hợp với bộ lọc EKF cho bộ điều khiển của 
AUV/ASV trên nền Automate lai. Thông số của thiết bị thử nghiệm được 
mô tả trên bảng 1.2 
Bảng 1.2. Thông số kỹ thuật thiết bị tự hành AUV/ASV 
Thông số Giá trị 
Kích thước (LxHxW) (1.50x0.20x0.20) m 
Khối lượng khô 11.20 kg 
Thời gian hoạt động trung bình 30 phút 
Pin 2xLi-Po 22.2 V; 20 000 mAh 
Công suất lớn nhất 224W 
Tốc độ di chuyển trung bình trên mặt phẳng ngang 1.50 m/s 
Phạm vi hoạt động 400 m 
Cơ cấu chấp hành 01 chân vịt 
02 hệ cánh hướng 
Kết luận chương 
Trong chương này, luận án đã trình bày nghiên cứu tổng quan về thiết 
bị tự hành AUV/ASV bao gồm các điểm chính sau: 
- Sơ lược về thiết bị tự hành trên biển AUV/ASV cũng như các ứng 
dụng tiêu biểu nhất đang được ứng dụng của thiết bị này. 
- Tổng quát về các hệ điều khiển cũng như các luật điều khiển có thể 
được áp dụng trên thiết bị tự hành AUV/ASV. 
- Giới thiệu tổng quan về phân tích thiết kế hệ thống hướng đối tượng 
theo cách tiếp cận MBSE cũng như phương pháp luận OOSEM đối với 
các hệ thống động lực công nghiệp. 
- Lựa chọn giải pháp nghiên cứu cho hệ thống điều khiển cũng như 
cấu hình ứng dụng của thiết bị AUV/ASV 
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG VÀ 
THI HÀNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TỰ HÀNH 
AUV/ASV 
7 
2.1 Mô hình động lực học điều khiển tổng quát AUV/ASV 
2.1.1 Các hệ tọa độ 
Hình 2.1. Các hệ tọa độ thiết bị dưới nước 
Khi nghiên cứu về mô hình chuyển động của thiết bị dưới nước ta 
coi nó là một vật rắn với 6 bậc tự do và được mô tả trên hình 2.1. Từ 6 
thành phần độc lập trong hệ tọa độ để xác định vị trí và định hướng của 
thiết bị này. 
2.1.2 Phương trình động lực học tổng quát AUV/ASV 
Trong quá trình hoạt động, một phương tiện dưới nước chuyển động 
theo 6 bậc tự do được biểu diễn bởi phương trình sau: 
Trong đó: ν = (u, v, w, p, q,r )T là vận tốc của AUV/ASV trong hệ 
quy chiếu gắn với phương tiện; η = (x,y, z, ϕ,θ,ψ )T là vị trí toạ độ và góc 
Euler; M = MRB + MA là ma trận quán tính 6 x 6 bao gồm vật rắn chuyển 
động MRB và khối lượng bổ sung MA; (ν)=CRB(ν)+CA(ν) là ma trận 
Coriolis và lực ly tâm 6 x 6 kèm theo khối lượng bổ sung; D(ν)=D+Dn(ν): 
giảm chấn thủy động lực tuyến tính và phi tuyến được biễu diễn bởi ma 
trận 6 x 6, D biểu diễn đại lượng giảm chấn tuyến tính, Dn(ν) biểu diễn đại 
lượng giảm chấn phi tuyến; g(η) là véc tơ 6 x 1 của lực trọng trường, các 
lực và mô men nổi;  là véc tơ 6 x 1 lực điều khiển, =(X, Y, Z, K, 
M, N)T go là véc tơ lực và mô men dùng để điểu khiển cân bằng;  là véc 
tơ 6 x 1 của các ảnh hưởng nhiễu tác động do môi trường gây ra, như là 
sóng, gió và dòng hải lưu. 
2.1.3 Tác động của môi trường tới AUV/ASV 
Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài chỉ nghiên cứu tới chuyển động 
chạy nổi của AUV/ASV trên mặt phẳng ngang, do vậy đối với tác động 
nhiễu do môi trường, chỉ có tác động do sóng. Sự tạo sóng thường thường 
được diễn tả như là tổng của rất nhiều các thành phần của các con sóng với 
8 
tần số khác nhau. Chính vì thế có thể diễn tả trạng thái không đồng đều 
của bề mặt biển bằng cách sử dụng xếp chồng tuyến tính các con sóng 
(hình 2.3). 
Đối với AUV/ASV phần ngập dưới nước coi như là một mặt phẳng 
song song với chiều dài L, bề rộng B và lực kéo T [23], khi đó ta có: 
 (2.12) 
 (2.13) 
 (2.14) 
2.2. Luật dẫn đường và mô hình hệ thống điều khiển thiết bị 
AUV/ASV trên mặt phẳng ngang 
 2.2.1. Luật dẫn đường ...  thể hiêṇ trên Hı̀nh 3.10. 
3.3 Mô hình mô phỏng và thực thi hệ thống điều khiển AUV/ASV 
3.3.1 Mô hình chuyển đổi SysML-Modelica 
Như đã phân tích ở chương 2, luận án trước tiên tạo ra các mô hình 
phân tích và thiết kế hệ thống trong các công cụ phần mềm mô hình hóa 
với SysML. Sau đó, áp dụng phần mở rộng SysML4Modelica để tạo ra mô 
hình phát triển mới trong khung nhìn Modelica 
Hình 3.11. Mô hình chuyển đổi tổng quát 
3.3.2 Mô hình mô phỏng và thực thi 
Sau khi tiến hành chuyển đổi từ mô hình thiết kế sang mô hình mô 
phỏng và thực thi với các luật chuyển đổi đã nêu ở phần trên, mô hình mô 
phỏng này cho phép chúng ta 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 
18 
hệ thống trước khi thi hành triển khai nó. Sau đó, mô hình thiết kế SysML 
sẽ được cập nhật lại với các giá trị thành phần điều khiển với mô hình mô 
phỏng tối ưu. 
 (a) 
 (b) 
model PI_Motor 
Modelica.Mechanics.Rotational.Components.Inertia Motor 
annotation(Placement(visible = true, transformation(origin = 
{6, 32}, extent = {{-10, -10}, {10, 10}}, rotation = 0))); 
Modelica.Blocks.Continuous.PI PI(k = 1) 
annotation(Placement(visible = true, transformation(origin = 
{-38, 32}, extent = {{-10, -10}, {10, 10}}, rotation = 0))); 
equation 
connect(PI.y, Motor.flange_a) annotation(Line(points = {{-27, 
32}, {-4, 32}}, color = {0, 0, 127})); 
annotation(uses(Modelica(version = "3.2.1")), Diagram(graphics 
= {Bitmap(origin = {-42, 40}, extent = {{-4, -4}, {4, 4}})})); 
end PI_Motor; 
(c) 
Hình 3.13. Mô hình chuyển đổi SysML-Modelica khối điều khiển 
Mô tơ-PI 
Hình 3.13 là mô hình chuyển đổi SysML-Modelica của khối điều 
khiển Mô tơ-PI trong khung nhìn của ngôn ngữ SysML 
Các hình dưới đây lần lượt từ 3.14 tới 3.18 là một số kết quả mô 
phỏng về khả năng ổn định hướng của AUV/ASV với các hướng đi đặt tại 
100 và 200 với các vận tốc lần lượt là 0,5m/s và 1m/s 
Hình 3.14. Kêt quả mô phỏng khả năng ổn định hướng AUV/ASV với 
thông số đầu vào v=1m/s, hướng đi đặt 100, bán kính rẽ 2,6m. 
19 
Hình 3.15. Kêt quả mô phỏng khả năng ổn định hướng AUV/ASV với 
thông số đầu vào v=0,5m/s, hướng đi đặt 200, bán kính rẽ 2,6m. 
Hình 3.16. Kêt quả mô phỏng khả năng ổn định hướng AUV/ASV với 
thông số đầu vào v=1 m/s, hướng đi đặt 200, bán kính rẽ 3,2 m 
Hình 3.17. Kêt quả mô phỏng khả năng ổn định hướng AUV/ASV với 
thông số đầu vào v=0,5m/s, hướng đi đặt 300, bán kính rẽ 3,1m 
Hình 3.18. Kêt quả mô phỏng khả năng ổn định hướng AUV/ASV với 
thông số đầu vào v=1 m/s, hướng đi đặt 300, bán kính rẽ 3,9m 
3.3.3 Mô hình cài đặt và triển khai 
Để tiến hành triển khai thi hành bản thiết kế, mô hình thiết kế 
SysML với các thành phần điều khiển được sửa đổi và tối ưu trong mô 
hình thực thi được cập nhật để có được mô hình thiết kế mới cho các mô 
20 
hình thi hành và triển khai AUV/ASV, được chuyển đổi thành mã 
Modelica thông qua các nguyên tắc đã được phân tích tại 3.3.1 trong khối 
SysML4Modelica. Khối này dựa trên việc thực thi hướng đối tượng trên 
môi trường phát triển mô phỏng động lực học có hỗ trợ ngôn ngữ lập trình 
hướng đối tượng như C++ nhằm thực hiện toàn bộ hệ thống điều khiển 
AUV/ASV với vi xử lý hoặc bộ lập trình lô gíc tương thích. 
Hình 3.19. Sơ đồ thực thi hướng đối tượng của HAUV/ASV cho thiết bị 
AUV/ASV 
Kết luận chương 
Trong chương này, luận án đã trình bày và phân tích toàn bộ quy 
trình phân tích, thiết kế và thực thi hướng đối tượng để phát triển hệ thống 
điều khiển cho thiết bị AUV/ASV, kèm theo mô hình cấu trúc và ứng xử 
điều khiển phi tuyến lai đã được đề xuất và đánh giá chất lượng sơ bộ 
trong Chương 2. Từ đó, xây dựng qui trình cụ thể hóa mô hình phân tích, 
thiết kế và thực thi với SysML dựa trên phương pháp luận OOSEM để 
phát triển theo hướng đối tượng cho hệ thống điều khiển AUV/ASV, cụ 
thể là: 
- Trong mô hình phân tích, việc cụ thể hóa mô hình trường hợp sử 
dụng và đặc trưng của HAUV/ASV cho phép phân tích chi tiết cấu trúc và 
ứng xử của hệ thống điều khiển AUV/ASV; 
- Mô hình thiết kế đưa ra thiết kế chi tiết với SysML của hệ thống 
điều khiển; mô hình hệ thống con và cơ chế hướng đối tượng được sử 
dụng để xây dựng mô hình mô phỏng và thực thi của hệ thống này nhằm 
thực hiện giai đoạn thực thi mô phỏng và triển khai hệ thống; các qui tắc 
chuyển đổi mô hình đã được đưa ra và áp dụng, nó cho phép các mô hình 
thiết kế SysML có thể chuyển đổi sang mô hình mô phỏng Modelica. 
- Các qui tắc tùy biến và tái sử dụng các thành phần thiết kế được đưa 
ra nhằm ứng dụng trong điều khiển AUV/ASV.Dựa theo mô hình này, ứng 
dụng của luận án đã được mô phỏng và thực thi dựa trên các nền công 
21 
nghệ mã nguồn mở OpenModelica và Arduino cho hệ thống điều khiển 
AUV/ASV bám theo quĩ đạo đặt trước. 
- Các kết quả mô phỏng đã được đưa ra nhằm nhận xét và đánh giá 
một số tính năng tự hành của thiết bị AUV/ASV. 
CHƯƠNG 4: THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 
4.1 Điều kiện và kịch bản thử nghiệm trên thiết bị AUV/ASV 
4.1.1 Mô hình thử nghiệm AUV/ASV 
Hình 4.1. Chế tạo thân vỏ và hệ động lực thiết bị tàu tự hành tại Phòng thí 
nghiệm bộ môn Kỹ thuật tàu thủy - ĐHBK Hà Nội 
4.1.2 Môi trường thử nghiệm 
Chiều dài bể L = 50 m; Chiều rộng bể B = 25 m; Chiều sâu tối đa H 
= 2,6 m; Ưu điểm: Do chiều rộng của bể rộng, có thể thử nghiệm với các 
chế độ quay vòng với bán kính rộng, dễ dàng thử nghiệm với các WP 
định trước (Hình 4.2). Nhược điểm: Không thử nghiệm với các trường hợp 
ảnh hưởng do nhiễu loạn của môi trường như sóng, gió hay các dòng hải 
lưu. 
Hình 4.2. Bể bơi Đại học Bách khoa Hà nội được sủ dụng trong tiến hành 
thực nghiệm 
4.1.3 Các tình huống thử nghiệm 
+ Kịch bản 1: Thử nghiệm khả năng bám quỹ đạo của mô hình đối 
với quỹ đạo đã được định nghĩa trước. 
+ Kịch bản 2: Đánh giá tính ổn định của hướng đi của mô hình. 
4.2 Tích hợp hệ thống và qui trình thử nghiệm 
4.2.1 Tích hợp các thiết bị phần cứng 
22 
Sơ đồ khối tổng quan kết nối phần cứng và các thiết bị ngoại vi chính 
cho hệ thống điều khiển AUV/ASV được thể hiện trên Hình 4.3 
Hình 4.3. Sơ đồ tổng quan kết nối phần cứng và các thiết bị ngoại vi 
 (a) (b) 
Hình 4.4. Thiết bị GPS và IMU được tích hợp trong thử nghiệm (a) và 
bảng vi mạch MCU-STM32-Cortex M4 lập trình được (b) 
4.3 Tiến hành thử nghiệm và đánh giá hệ thống điều khiển tàu mô 
hình AUV/ASV 
4.3.1 Mô tả thí nghiệm 
Hình 4.9. Thiết lập quỹ đạo cho tàu 
mô hình AUV/ASV gồm 4 điểm 
Hình 4.10. Thiết lập quỹ đạo cho 
tàu mô hình AUV/ASV gồm 6 điểm 
4.3.2 Thử nghiệm kịch bản bám quỹ đạo của mô hình AUV/ASV 
Kết quả được thể hiện tại các hình 4.10 và 4.11. Đường màu vàng 
ứng với quỹ đạo chuyển động được thiết lập bởi các WP trước đó (tương 
ứng là các quỹ đạo hình chữ nhật và hình tam giác), các đường màu tím là 
kết quả thu nhận được từ các cảm biến cài đặt trên mô hình thể hiện 
chuyển động thực tế của AUV/ASV được vẽ lại trên giao diện người dùng, 
sai lệch tĩnh ~ 1%-2,5% so với quỹ đạo được đặt trước, tuy nhiên sai số 
23 
này phải cộng thêm ảnh hưởng sai số ngẫu nhiên của GPS loại dùng cho 
dân sự. 
Hình 4.11. Kết quả thí nghiệm đối với 
trường hợp bám quỹ đạo tam giác Hình 4.12. Kết quả thí nghiệm đối với trường hợp bám quỹ đạo hình 
chữ nhật 
4.3.3.Thử nghiệm tính ổn định hướng của mô hình 
Tùy thuộc vào vận tốc di chuyển trung bình của tàu, thời gian ổn 
định hướng từ 6,0s đến 10,0s và thời gian trễ từ 0,8s đến 2,0s theo các 
hướng đi mong muốn là 10o, 20o và 30o tương ứng với vận tốc di chuyển 
trung bình là 0,5m/s và 1,0m/s. So sánh với kết quả mô phỏng trên máy 
tính được mô tả trong chương 3 có thời gian ổn định lái hướng tương ứng 
từ 6,0s đến 9,5s và thời gian trễ từ 0,2s đến 0,4s cho thấy kết quả thực 
nghiệm về tính ổn định hướng đi là phù hợp với yêu cầu hệ thống. 
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 
1. Kết luận chung 
Luận án trình bày mô hình phân tích, thiết kế và thực thi hệ thống 
điều khiển cho thiết bị tự hành dưới nước AUV/ASV; mô hình này dựa 
trên việc cụ thể hóa công nghệ hướng đối tượng hướng mô hình dựa trên 
phương pháp OOSEM và ngôn ngữ hệ thống SysML. Nội dung của luận án 
được thể hiện thông qua các điểm chính như sau: 
+ Nghiên cứu tổng quan về AUV/ASV và các kỹ thuật mô hình hóa, 
mô phỏng và thực thi điều khiển. 
+ Dựa trên mô hình động lực học trong điều khiển AUV/ASV kết 
hợp với cụ thể hóa Automate lai (HA) thông qua các giả thuyết thi hành hệ 
thống nhằm đưa ra cấu trúc điều khiển cho AUV/ASV tự hành bám theo 
hướng đi và quỹ đạo mong muốn. 
+ Đưa ra mô hình phân tích, thiết kế và thực thi hướng đối tượng 
thông qua phương pháp luận OOSEM với ngôn ngữ mô hình hóa hệ thống 
SysML và ngôn ngữ mô phỏng Modelica được kết hợp với sự hỗ trợ của 
24 
các phần mềm IBM Rational Rapshody và OpenModelica. Từ đó, mô hình 
thực thi được kết hợp với tùy biến nền công nghệ mã nguồn mở Arduino 
nhằm thực hiện nhanh chóng mô hình triển khai cho AUV/ASV. 
+ Thử nghiệm, hiệu chỉnh và đánh giá chương trình điều khiển thông 
qua các kịch bản cụ thể; kết quả thử nghiệm có thể minh họa mô hình điều 
khiển AUV/ASV với cấu hình vật lý sẵn có (thân vỏ và hệ động lực đẩy), 
nhằm khẳng định được tính ổn định và tính năng điều khiển phù hợp với 
mô hình phân tích và thiết kế đã được đề xuất. 
Các điểm mới trong nghiên cứu bao gồm: 
+ Nghiên cứu công nghệ hướng đối tượng MBSE với chuẩn 
SysML/Modelica được kết hợp HA để phân tích, thiết kế và thực thi hệ 
thống điều khiển cho thiết bị AUV/ASV. 
+ Cụ thể hóa phương pháp điều khiển : Điều khiển tích phân cuốn 
chiếu IB kết hợp với EKF lấy HA làm nền tảng cho hệ thống điều khiển 
của AUV/ASV. 
+ Thiết kế và chế tạo thử nghiệm hệ thống điều khiển mô hình nhằm 
thực nghiệm tính ổn định hướng đi và bám quỹ đạo cho AUV/ASV với 
cấu hình vật lý có sẵn (các thông số thủy động lực học trong điều khiển đã 
cho trước). 
+ Thiết kế chi tiết của hệ thống điều khiển này có thể dễ dàng tùy 
biến và tái sử dụng cho các ứng dụng điều khiển các thiết bị tự hành dưới 
nước khác nhau. 
Tuy nhiên, trong luận án có một số điểm hạn chế như sau: 
Trong phạm vi điều kiện về trang thiết bị ngoại vi còn giới hạn, luận 
án chỉ dừng ở mức thử nghiệm hệ thống điều khiển với khả năng ổn định 
hướng và bám quỹ đạo trên mặt phẳng ngang. Các thử nghiệm mô phỏng 
liên quan đến nhiễu của môi trường mới chỉ được thực hiện với tín hiệu 
nhiễu giả lập đưa trực tiếp vào chương trình điều khiển của hệ thống, chưa 
được thực hiện với điều kiện hệ thống nhiễu và đo lường trên thực tế. 
2. Kiến nghị 
Trong thời gian sắp tới, NCS sẽ tiếp tục phát triển cách tiếp cận trên 
đây với các thành phần vật lý và trang thiết bị ngoại vi thêm cho 
AUV/ASV; đặc biệt là ứng dụng sẽ được trang bị các cảm biến truyền 
thông dưới nước và vi xử lý công nghiệp nhằm cải thiện hiệu năng và 
phạm vi hoạt động của toàn bộ hệ thống. Cách tiếp cận đề xuất trên đây có 
thể được phát triển tiếp theo cho ứng dụng điều khiển phối hợp cho nhóm 
các AUV/ASV tự hành theo đội hình. 
25 
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI 
Nguyễn Hoài Nam 
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 
Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực 
Mã số: 62520116 
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC 
Hà Nội - 2017 
26 
Công trình được hoàn thành tại: 
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 
 Người hướng dẫn khoa học: 
1. PGS. TS Ngô Văn Hiền 
2. GS. TSKH Vũ Duy Quang 
Phản biện 1: PGS. TS Nguyễn Phú Hùng 
Phản biện 2: PGS. TS Thái Doãn Tường 
Phản biện 3: PGS. TS Phạm Kỳ Quang 
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp 
Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 
 Vào hồi .. giờ, ngày .. tháng .. năm  
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam 
27 
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 
1. Nguyễn Hoài Nam, Ngô Văn Hiền, Vũ Duy Quang (2012) 
Tích hợp ngôn ngữ mô hình hóa hệ thống SysML/Modelica để thực 
thi các hệ thống động lực công nghiệp. Hội nghị Cơ học Thủy khí 
Toàn quốc, Nha Trang, Việt Nam, 2012, ISSN: 1859-4182, Tr. 
636-645. 
2. Nguyễn Hoài Nam, Khương Minh Tuấn, Ngô Văn Hiền, Vũ 
Duy Quang (2013) Mô hình điều khiển theo đường dẫn phi tuyến 
cho phương tiện tự hành dưới nước. Hội nghị Cơ học Thủy khí 
Toàn quốc, Đồng hới, Quảng Bình, Việt Nam, ISSN: 1859-4182, 
Tr. 433-440. 
3. Khương Minh Tuấn, Nguyễn Hoài Nam, Ngô Văn Hiền, Vũ 
Duy Quang (2013) Mô hình phân tích và mô phỏng hướng đối 
tượng cho bộ điều khiển tàu lặn không người lái cỡ nhỏ tự hành 
bằng Automate lai và ngôn ngữ Modelica. Hội nghị Cơ học Thủy 
khí Toàn quốc, Đồng hới, Quảng Bình, Việt Nam, ISSN: 1859-
4182, Tr. 636-645. 
4. Nam N. H., Hien N. V., Quang V. D (2013) Using SysML-
Modelica Transformation to Implement the Ship Motion’s 
Controller. Proc. of ACFM14, ISBN: 978-604-913-146-2, pp. 
841-845, Hanoi, Vietnam, 2013. 
5. Nguyễn Hoài Nam, Ngô Văn Hiền, Vũ Duy Quang (2014) 
Phương pháp phân tích, thiết kế và thực thi hệ thống điều khiển 
cho phương tiện biển tự hành bám theo quỹ đạo bằng tích hợp 
SysML-Modelica với Automate lai. Hội nghị Khoa học Cơ học 
Thuỷ khí Toàn quốc năm 2014, Phan Rang, tỉnh Ninh Thuận, Việt 
Nam, ISSN: 1859-4182, Tr. 388-396. 
28 
 6. Khương Minh Tuấn, Nguyễn Hoài Nam, Ngô Văn Hiền, Vũ Duy Quang (2014) Bộ điều khiển bám quỹ đạo cho tàu thủy tự 
hành dựa trên tích hợp EKF và automate lai. Hội nghị Khoa học 
Cơ học Thuỷ khí Toàn quốc năm 2014, Phan Rang, tỉnh Ninh 
Thuận, Việt Nam, ISSN: 1859-4182, Tr. 628-635 
7. N. H. Nam, K. M. Tuan, N. V. Hien, H. S. Truong (2014) 
An object-oriented approach to analyze and design controllers of 
autonomous surface vessel. Journal of Science & Technology, 07 
Technical Universites, ISSN: 0868-3980, No 100, pp. 11-15, 2014. 
8. Dong N., Nam N. H., Tuan K. M., Hien N. V. (2014) A 
Novel Approach to Model and Implement Planar Trajectory-
Tracking Controllers for ASVs/AUVs. Journal of Advanced 
materials research, ISSN: 1022-6680, (Included in 
Scopus/SCImago, SJR=0.115), Vol. 1016 Trans Tech 
Publications, Switzerland, pp. 686-693. 
9. Nam N. H, Tuan K. M, Hien N. V (2014) An Object-
Oriented Simulation Model to Planar Trajectory-Tracking 
Controllers for AUVs/ASVs by specifying Modelica Language. 
Proc of RCMME 2014, ISBN: 978-604-911-942-2, pp. 392-396, 
Hanoi, Vietnam, 2014. 
10. K.M Tuấn, N. Đông, N.H. Nam, P.G. Điềm, N.V. Hiền 
(2014) Qui trình hướng đối tượng trong mô hình hóa và mô phỏng 
các hệ thống cơ điện tử điều khiển thông qua tích hợp 
SysML/Modelica/MDA với Automate lai. Tạp chí Cơ khí Việt 
Nam, ISSN: 0866-7056, Tr. 150-157, 2014. 
11. Nguyen Hoai Nam, Ngo Van Hien (2015) A UML/SysML-
Based for Implementing Controllers of AUVs/ASVs. Tạp chí khoa 
học và công nghệ các trường đại học kỹ thuật, ISSN 2354-1083, 
tr.69-074, 2015.