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 lặn116
2.1.3. Máy trạng thái toàn cục ....................................................................... 117
2.2. Mô hình thiết kế của hệ thống điều khiển tàu lặn....................................... 118
2.2.1. Gói của phần liên tục........................................................................... 120
2.2.2. Gói IGCB............................................................................................. 122
2.2.3. Gói của phần rời rạc ............................................................................ 124
2.2.4. Gói giao diện bên trong ....................................................................... 125
2.2.5. Gói giao diện bên ngoài....................................................................... 126
2.3. Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển tàu lặn .......................................... 127
2.4. Mô hình triển khai hệ thống điều khiển tàu lặn .......................................... 131
Phụ lục 3: Một số hình ảnh chế tạo và thử nghiệm tàu lặn mô hình...................... 135

v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
viết tắt
Viết đầy đủ (tiếng Anh) Ý nghĩa
AC Active Class Lớp chủ động
AUV
Autonomous Underwater
Vehicles
Phương tiện tự hành dưới
nước
B-Frame Body-Frame Hệ tọa độ gắn với vật thể
BS Back-Stepping
Phương thức điều khiển cấp
ngược
CFD
Computational Fluid
Dynamics
Động lực học tính toán dòng
DAE
Differential Algebraic
Equation
Phương trình đại số vi phân
FB Function Block Khối chức năng trong IEC
GPS Global Positioning Systems Hệ thống định vị toàn cầu
HDS Hybrid Dynamic System Hệ thống động lực lai
IDE
Integrated Development
Environment
Môi trường phát triển tích
hợp
IEC
International Electro-
technical Commission
Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế
IGCB
Instantaneous Global
Continuous Behavior
Ứng xử liên tục toàn cục tức
thời
IMO
International Maritime
Organization
Tổ chức hàng hải quốc tế
INCOSE
International Council on
Systems Engineering
Hội đồng quốc tế về công
nghệ hệ thống
INS Inertial Navigation Systems
Hệ thống dẫn đường quán
tính

vi
LOS Line-Of-Sight Giải thuật bám đường
MBSE
Model-Based Systems
Engineering
Công nghệ hệ thống hướng
mô hình
MVC
Model-View-Controller
pattern
Mẫu mô hình-khung nhìn-
điều khiển
NED-
Frame
North-East-Down Frame Hệ tọa độ gắn với trái đất
OOPRES
Object-Oriented
Programming for RealTime
Embedded Systems
Lập trình hướng đối tượng
cho hệ thống nhúng thời gian
thực
OMG Object Management Group
Tổ chức quản trị hướng đối
tượng quốc tế
PC Passive Class Lớp bị động
PID
Proportional – Integral –
Derivative regulator
Bộ điều chỉnh khuếch đại tỷ
lệ-tích phân-vi phân
PLC
Programmable Logic
Controller
Bộ điều khiển logic lập trình
được
RealTime
UML
RealTime Unified Modeling
Language
Ngôn ngữ mô hình hóa hợp
nhất trong thời gian thực
ROPES
Rapid Object-Oriented
Process for Embedded
Systems
Qui trình hướng đối tượng
cho hệ thống nhúng
SMC Sliding Mode Control Điều khiển trượt
SNAME
Society of Naval Architects
and Marine Engineers
Hiệp hội kiến trúc sư hải quân
& kỹ sư hàng hải quốc tế
UML Unified Modeling Language
Ngôn ngữ mô hình hoá hợp
nhất
WP Way-Point Điểm lộ trình

vii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1. Sơ lược về quá trình phát triển sản phẩm AUV trên thế giới 17
Bảng 1.2. Dữ liệu thông kê và dự báo về phát triển AUV trên thế giới 20
Bảng 1.3. Các ký hiệu SNAME cho phương tiện dưới nước 26
Bảng 2.1. Phân bố áp suất động của dòng chảy bao tàu 58
Bảng 2.2. Lực và mô men tác dụng lên tàu lặn theo hệ tọa độ OXYZ 59
Bảng 2.3. Lực và mô men tác dụng lên tàu lặn theo hệ tọa độ OXoYoZo 62
Bảng 2.4. Các thông số cụ thể của các dòng liên tục toàn cục 69
Bảng 4.1. Đường kính xác lập quay vòng 100
Bảng 4.2. Tổng hợp dữ liệu liên quan đến tính ăn lái của tàu 102
Bảng A.1. Các thông số thủy động lực học chính của tàu lặn mô hình 113

viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1. Sơ đồ khối điều khiển, định vị và dẫn đường của AUV 24
Hình 1.2. Các hệ tọa độ và tham số chuyển động của AUV 25
Hình 1.3. Sơ đồ khối bộ điều khiển PID 28
Hình 1.4. Hệ thống tự đáp ứng, hệ thống thời gian thực và hệ thống
động lực lai 33
Hình 1.5. Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống động lực lai công nghiệp 34
Hình 1.6. Ví dụ về các gói, các cổng và giao thức 39
Hình 1.7. Đặc tính khối chức năng theo chuẩn IEC61499 43
Hình 2.1. Sơ đồ tính toán trong Ansys Fluent 50
Hình 2.2. Trình tự mô phỏng động lực học trong FluidFlow (Fluent) 53
Hình 2.3. Biên dạng tàu lặn mô hình 54
Hình 2.4. Mô hình khảo sát 55
Hình 2.5. Mô hình đã chia lưới 55
Hình 2.6. Lưới biên dạng tàu lặn 56
Hình 2.7. Sơ đồ mô phỏng 57
Hình 2.8. Biểu đồ lực cản tác dụng lên tàu lặn 60
Hình 2.9. Biểu đồ lực nâng tác dụng lên tàu lặn 61
Hình 2.10. Biểu đồ mô men quay tác dụng lên tàu lặn 61
Hình 2.11. Biểu đồ lực dọc tàu 63
Hình 2.12. Biểu đồ lực ngang tác dụng lên tàu 63
Hình 2.13. Sơ đồ khối chức năng mở rộng của AUV – HDS 65
Hình 2.14a. Automate lai của AUV - HDS với các sự kiện bên trong
được sinh ra là Eii: trường hợp lái Phải – Trái 70
Hình 2.14b. Automate lai của AUV - HDS với các sự kiện bên trong

ix
được sinh ra là Eii: trường hợp lái Lặn – Nổi 70
Hình 2.15. Mô phỏng đáp ứng quá độ hướng đi của AUV - HDS 72
Hình 3.1. Tổng quan các đặc trưng trong công nghệ hướng đối tượng 75
Hình 3.2. Chu trình vòng đời lặp của AUV - HDS 78
Hình 3.3. Cấu trúc tổng quan về mô hình phân tích của AUV - HDS
công nghiệp 83
Hình 3.4. Sơ đồ cấu trúc kết nối các gói chính của AUV - HDS công
nghiệp
86
Hình 3.5. Sơ đồ lớp chi tiết về các gói chính, cổng và giao thức của
AUV
87
Hình 3.6. Minh họa cấu trúc điều khiển tàu lặn thông qua mô hình
OpenModelica 91
Hình 3.7. Mô phỏng đáp ứng quá độ hướng đi của AUV – HDS tương
ứng với kết quả mô phỏng trên Hình 2.15 trong Chương 2 91
Hình 4.1. Sơ đồ khối tổng quan kết nối phần cứng 96
Hình 4.2. Ví dụ minh họa một số thiết bị ngoại vi chính và lắp đặt tổng
thể
96
Hình 4.3. Sơ đồ khối thiết lập thử nghiệm về hiệu năng điều động tàu 97
Hình 4.4. Bán kính quay trở tại góc bánh lái 10o
với vận tốc 0.5m/s 98
Hình 4.5. Bán kính quay trở tại góc bánh lái 20o
với vận tốc 1.0m/s 99
Hình 4.6. Bán kính quay trở tại góc bánh lái 30o
với vận tốc 1.5m/s 99
Hình 4.7. Quá độ quĩ đạo khi đặt hướng đi mong muốn 10° với vận tốc
di chuyển trung bình 0.5m/s 101
Hình 4.8. Quá độ quĩ đạo khi đặt hướng đi mong muốn 20° với vận tốc
di chuyển trung bình 1.0m/s 101

x
Hình 4.9. Quá độ quĩ đạo khi đặt hướng đi mong muốn 30° với vận tốc
di chuyển trung bình 1.5m/s 102
Hình 4.10. Thử nghiệm bám quỹ đạo trên mặt phẳng nằm ngang của
tàu lặn 103
Hình A.1. Mô hình trường hợp sử dụng của hệ thống điều khiển tàu lặn 115
Hình A.2a. Sơ đồ diễn tiến của trường hợp sử dụng “Drive” 116
Hình A.2b. Máy trạng thái của trường hợp sử dụng “Drive” 117
Hình A.3. Máy trạng thái toàn cục của hệ thống điều khiển tàu lặn 117
Hình A.4. Sơ đồ kết nối giữa các gói cơ bản của AUV - HDS 118
Hình A.5. Sơ đồ lớp của các gói cơ bản trong AUV - HDS 118
Hình A.6. Sơ đồ diễn tiến toàn cục của AUV - HDS – trong trường
hợp: sự kiện bên ngoài được xử lý; sự kiện bên trong được sinh ra 119
Hình A.7. Sơ đồ cấu trúc của gói phần liên tục 120
Hình A.8. Sơ đồ lớp của gói phần liên tục của AUV - HDS 121
Hình A.9. Sơ đồ diễn tiến của gói phần liên tục 122
Hình A.10. Sơ đồ lớp của gói IGCB 123
Hình A.11. Máy trạng thái của gói IGCB 123
Hình A.12. Sơ đồ lớp của gói phần rời rạc 124
Hình A.13. Máy trạng thái của gói phần rời rạc 124
Hình A.14a. Sơ đồ lớp của gói giao diện bên trong 125
Hình A.14b. Máy trạng thái của gói giao diện bên trong 125
Hình A.15. Sơ đồ lớp của gói giao diện bên ngoài của AUV - HDS 126
Hình A.16. Máy trạng thái của gói giao diện bên ngoài 126
Hình A.17. Đáp ứng quá độ hướng đi của của tàu lặn mô hình tương
ứng với hướng đi mong muốn 10o
và vận tốc di chuyển 1,0m/s 127
Hình A.18. Đáp ứng quá độ hướng đi của của tàu lặn mô hình tương

xi
ứng với hướng đi mong muốn 10o
và vận tốc di chuyển 1,5m/s 128
Hình A.19. Đáp ứng quá độ hướng đi của của tàu lặn mô hình tương
ứng với hướng đi mong muốn 20o
và vận tốc di chuyển 0,5m/s 128
Hình A.20. Đáp ứng quá độ hướng đi của của tàu lặn mô hình tương
ứng với hướng đi mong muốn 20o
và vận tốc di chuyển 1,0m/s 129
Hình A.21. Đáp ứng quá độ hướng đi của của tàu lặn mô hình tương
ứng với hướng đi mong muốn 20o
và vận tốc di chuyển 1,5m/s 129
Hình A.22. Đáp ứng quá độ hướng đi của của tàu lặn mô hình tương
ứng với hướng đi mong muốn 30o
và vận tốc di chuyển 0,5m/s 130
Hình A.23. Đáp ứng quá độ hướng đi của của tàu lặn mô hình tương
ứng với hướng đi mong muốn 30o
và vận tốc di chuyển 1,0m/s 130
Hình A.24. Đáp ứng quá độ hướng đi của của tàu lặn mô hình tương
ứng với hướng đi mong muốn 30o
và vận tốc di chuyển 1,5m/s 131
Hình A.25. Vi xử lý Arduino Mega2560 kèm theo các giao thức kết
nối
132
Hình A.26. Tích hợp phần cứng trong hệ thống điều khiển tàu lặn mô
hình
132
Hình A.27. Kiểm tra mã chương trình chính của bộ điều khiển PID
được biên dịch để nạp vào vi xử lý Arduino Mega2560 134

12
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Phương tiện tự hành dưới nước (AUV) [7] đang ngày càng được sử dụng bởi
các nhà khai thác dân sự và quốc phòng cho các nhiệm vụ phức tạp và nguy hiểm.
Điều này có được là do các đặc tính cơ bản về an toàn và hiệu quả khi so sánh với
phương tiện có người lái [58], [67]. AUV không yêu cầu điều hành của con người
và phải chịu các điều kiện và các mối nguy hiểm vốn có trong môi trường dưới
nước. AUV hiệu quả hơn so với phương tiện có người lái cả về thời gian và tài
chính do phương tiện nhỏ hơn và không cần các hệ thống để duy trì sự sống dưới
nước. Điều này cũng dẫn 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 AUV đã được 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 nước, ngành kinh tế biển
ngày một đóng vai trò quan trọng.Việc nghiên cứu về đại dương cũng rất cần các
phương tiện tự hành dưới nước nhằm mục đích nâng cao hiệu quả kinh tế xã hội
trong dân sự cũng như các trang thiết bị hải quân [56]; ví dụ: tìm hiểu các nguồn
sinh vật học của đại dương, cảnh báo thiên tai và sóng thần, các thiết bị quân sự tự
hành dưới nước. 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 phương
tiện dưới nước sẽ rất cao. Hơn thế nữa, 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

13
là: 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. Các hoạt
động trên đòi hỏi phải có các phương tiện tự hành dưới nước thì mới đáp ứng được
mục tiêu. Do đó, việc nghiên cứu sản xuất các phương tiện này 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 nếu các thiết bị này được sản xuất công
nghiệp thì việc sử dụng các chuẩn để phân tích, thiết kế và thi hành hệ thống điều
khiển cần phải được xem xét đến. 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 [1]. Ở nước 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 nước đã và đang phát triển rất mạnh về điều khiển các
phương tiện tự hành dưới nước với công nghệ điều khiển tích hợp cao như là Na
Uy, Mỹ, Nga và Pháp. Các phương tiện này được sử dụng trong mục đích dân sự,
như là thăm dò các nguồn tài nguyên thiên nhiên dưới biển, do nguồn tài nguyên
trên đất liền đang cạn kiệt dần và nhu cầu thiết yếu cho cuộc sống của con người
ngày càng tăng cao. Các phương tiện tự hành dưới nước cũng được 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 như là mục đích quân sự
chung như là chống khủng bố và hải tặc quốc tế.
2. Mục đích
AUV hoạt động trong môi trường nước 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 được

14
lực cản, lực nâng, mômen tác động lên tàu hay các phân bố vận tốc, áp suất của
môi trường. 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 trường
làm việc khác nhau. Ngoài ra, để một AUV có thể hoạt động được một cách tự
hành, cấu trúc điều khiển của nó phải có ba hệ thống chính [27], [28]: 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; hệ thống điều khiển
nhằm tính toán và áp dụng theo mô hình thủy động lực học tương ứng với các chế
độ hoạt động khác nhau.
Bên cạnh đó, hệ thống điều khiển AUV phải được 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, được gọi là hệ thống động lực lai (HDS) [31], [32],
[51]. Những mô hình ứng xử này được phân phối theo các chế độ hoạt động khác
nhau; chúng được kết hợp với các quá trình làm thay đổi tác nhân với các trường
hợp sử dụng như là: người thiết kế, người tư vấn và người bảo trì. Hơn nữa, các hệ
thống điều khiển luôn luôn không có ứng xử giống nhau; do đó, nó phải được 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 khiển công nghiệp cần phải
được xét đến; việc tùy biến và tái sử dụng các mô đun điều khiển AUV đã phát
triển được 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].
3. Phạm vi nghiên cứu của đề tài
Để đáp ứng được các yêu cầu hệ thống điều khiển cho AUV gắn liền với mô
hình thủy động lực học của nó, các phương pháp phát triển hướng mô hình hóa

15
hướng đối tượng đã cho phép tạo ra các bản thiết kế trực quan và có khả năng đáp
ứng được các yêu cầu thay đổi của hệ thống điều khiển. Ngôn ngữ mô hình hóa
hợp nhất trong thời gian thực (RealTime UML) [16], [22], [44] đã được tổ chức
quản trị đối tượng quốc tế (OMG) [52] chuẩn hóa theo công nghệ hướng đối tượng
để ứng dụng trong việc phát triển công nghệ hệ thống nói chung (MBSE, INCOSE)
[37], [38] và các ứng dụng điều khiển hướng đối tượng theo thời gian thực nói
riêng [13], [39], [55], [59], [64]. RealTime UML kết hợp với qui trình phân tích và
thiết kế hướng đối tượng (ROPES) [22], [24] cho phép tách các đặc tả chức năng
của một hệ thống độc lập với các đặc tả thực thi chức năng trên một nền công nghệ
cụ thể. Do đó, các chức năng hệ thống có thể được sử dụng lại để thực thi trên các
nền công nghệ khác nhau. RealTime UML và ROPES cho phép hệ thống thực hiện
được ba mục tiêu cơ bản là khả năng di động, tính xuyên chức năng và sự sử dụng
lại thông qua việc tách rời các mối liên quan. Do vậy, cách tiếp cận hướng đối
tượng và ngôn ngữ mô hình hóa hợp nhất trong thời gian thực cho phép đáp ứng
các yêu cầu luôn luôn thay đổi và tính phức tạp ngày càng tăng cao của hệ thống
điều khiển công nghiệp.
Theo cách tiếp hướng đối tượng đã có nhiều ứng dụng được phát triển thành
công trên các hệ thống điều khiển công nghiệp, đặc biệt các hệ thống điều khiển
nhúng trong thời gian thực trong các lĩnh vực điều khiển công nghiệp khác nhau
[6], [13], [14], [24], [53], [64]. Ngoài ra, có những công cụ phần mềm mã nguồn
mở hoặc thương mại hỗ trợ cho việc phân tích, thiết kế và thi hành hệ thống một
cách nhanh chóng và có kế thừa dựa trên phương pháp luận này, như:
OpenModelica [54], MatLab-Simulink [49], IBM Rational Rose RealTime, IBM
Rational Rhapsody và IBM Bational Software Architect RealTime [35].
Xuất phát từ các phân tích và đánh giá trên đây, đề tài nghiên cứu của luận
án đã được lựa chọn là: “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”.

16
Ngoài ra, do giới hạn về tài chính nên để minh họa dễ dàng cách tiếp cận
hướng đối tượng trong phát triển hệ thống điều khiển AUV, luận án chỉ xét hệ
thống điều khiển cho AUV có tính năng bám hướng và quỹ đạo trên mặt ngang.
4. Các điểm mới của luận án đạt được
- Nghiên cứu và phân tích thủy động lực học cho một ứng dụng AUV cỡ nhỏ
cụ thể (Tàu lặn không người lái tự hành cỡ nhỏ).
- Đưa ra qui trình công nghệ hướng đối tượng trong thời gian thực để phân
tích, thiết kế, mô phỏng và thực thi hệ thống điều khiển bám hướng và quỹ đạo trên
mặt ngang cho 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 được trình bày theo các nội dung chính sau: Chương 1 trình bày
tổng quan về các phương tiện tự hành dưới nước (AUV) và phương 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 người
lái tự hành cỡ nhỏ) được thể hiện trong Chương 2. Chương 3 đưa ra quy trình phân
tích, thiết kế và thực thi điều khiển của tàu lặn không người lài tự hành cỡ nhỏ đã
lựa chọn theo công nghệ hướng đối tượng. Chương 4 trình bày các kết quả thử
nghiệm và đánh giá. Cuối cùng là kết luận và kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp
theo.

17
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
1.1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG AUV
Trên thế giới, phương tiện tự hành dưới nước (AUV) đã có bước phát triển
vượt bậc trong các thập niên qua. Hiện tại, AUV/ASV được sử dụng cho một số
các ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực quân sự và dân sự, ví dụ: giám sát mục
tiêu, thăm dò nguồn tài nguyên biển, cảnh báo thảm họa và cứu nạn trên biển [1],
[7], [21], [57]. Bảng 1.1 minh họa sơ lược về quá trình phát triển sản phẩm AUV
trên thế giới. Toàn bộ quá trình phát triển và đánh giá các loại sản phẩm về AUV
thế giới cho thể tham khảo trong [12], [21].
Bảng 1.1. Sơ lược về quá trình phát triển sản phẩm AUV trên thế giới
STT Mô tả chính / Hình ảnh
1 AUV: SPURV được phát triển bởi trường Đại học Washington, Mỹ,
1957.
- Lặn sâu 3.000m và thời gian lặn liên tục trong 4 giờ.
- Có khả năng đo nhiệt độ và độ truyển được sử dụng để hỗ trợ nghiên
cứu hải dương học, bao gồm nghiên cứu truyền tải âm thanh và phát hiện
tàu ngầm.
2 AUV: Epaulard được chế tạo bởi Viện nghiên cứu đại dương
(IFREMER), Pháp, 1980.

18
- Dài 4m và nặng 2,9 tấn.
- Lặn sâu tới 6.000m, được sử dụng trong nghiên cứu đại đại dương.
3 AUV: AUSS được chế tạo bởi Trung tâm nghiên cứu quân sự về đại
dương và không gian (SPAWAR), Mỹ, 1983.
- Hoạt động ở độ sâu lên đến 6.000m.
- Có thể chụp và truyền hình ảnh đáy của đại dương thông qua một máy
truyền âm ở tốc độ lên đến 4.800 bít/giây.
- Được trang bị các Sonar quét bên và các Sonar nhìn về phía trước để
giúp xác định vị trí các đối tượng lạ trong đại dương.
4 AUV: REMUS 6000 được chế tạo bởi tập đoàn Kongsberg Maritime,
Nay Uy, 1997.
- Có thể lặn sâu tới 6.000m.
- Phục vụ nghiên cứu giám sát, thăm dò và lập bản đồ đại dương.
- Dễ dàng tùy biến cho các tác vụ dân sự và quân khác khi trang bị các
Sonar chức năng.

19
5 AUV: SEAOTTER MKII được chế tạo bởi tập đoàn Atlas Elektronik,
Đức, 2007.
- Chiều dài 3,65m, Trọng lượng 1000 kg, Chiều sâu lặn tới 600m, tải
trọng mang thêm đến 160kg và thời gian hoạt động một lần 20 giờ.
- Tác vụ: 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.
6 AUV: Bluefin-9 được phát triển bởi tập đoàn Bluefin Robotics, Mỹ, 2010.
- 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.
- Tác vụ: 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.

20
Bảng 1.2 mô tả dư liệu về thống kê AUV đã phát triển đến năm 2009 và dự
báo thị trường AUV trên thế giới giai đoạn từ năm 2010 đến năm 2019, được thực
hiện bởi Hãng nghiên cứu chiến lược Douglas-Westwood [21].
Bảng 1.2. Dữ liệu thông kê và dự báo về phát triển AUV trên thế giới
Giai
đoạn
Số lượng
AUV
Lĩnh vực sử dụng Căn cứ
trước -
2009
629 - Quân sự: 23%,
- Thăm dò: 41%,
- Nghiên cứu: 35%,
- Khác: 11%.
- Thực tế AUV đã phát triển.
2010 -
2019
1144 - Quân sự: 49%,
- Nghiên cứu: 31%,
- Dầu khí: 8%,
- Thủy văn: 7%,
- Cáp ngầm: 5%.
- Nhu cầu năng lượng và khai thác
dầu khí trữ lượng dưới lòng đại
dương.
- Yêu cầu an ninh quốc phòng.
- Tiềm năng tài nguyên sinh vật biển.
Ở trong nước với kỷ nguyên công nghệ và nền kinh tế đa chiều, toàn cầu hóa
và tri thức, việc phát triển các hệ thống 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. Đặc biệt là các hệ thống điều khiển cho các phương tiện phục vụ cho việc
khảo sát, thăm dò, khai khoáng tài nguyên biển và bảo vệ lãnh hải của đất nước.
Hơn nữa, nó góp phần trong mục tiêu “Chiến lược Biển” mà Đảng và Nhà nước
đang đầu tư phát triển.
Ngoài ra, việc nghiên cứu về đại dương cũng rất cần các phương tiện tự hành
dưới nước (AUV) nhằm mục đích nâng cao hiệu quả kinh tế xã hội trong dân sự
cũng như các trang thiết bị hải quân trong quân sự ở nước ta; ví dụ như là tìm hiểu

21
các nguồn sinh vật học của đại dương, cảnh báo thiên tai và sóng thần, các thiết bị
quân sự tự hành dưới nước v.v... AUV có các đặc tính cơ bản về an toàn và chi phí
hiệu quả hơn khi so sánh với phương tiện có người lái. AUV không yêu cầu điều
hành của con người và phải chịu các điều kiện và các mối nguy hiểm vốn có trong
môi trường dưới nước, hiệu quả về cả thời gian và tài chính được do phương tiện
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
phương tiện có người lái. Điều này cũng dẫn 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 AUV đã được sử dụng thành công và
hiệu quả trong ngành công nghệ hàng hải cho cả mục đích dân sự và quân sự.
Do đó, việc nghiên cứu sản xuất các phương tiện này 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 AUV 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 AUV đã sử dụng kỹ thuật tính toán mềm để đưa
ra giải pháp tối ưu cho việc kiểm soát mô hình động lực học của các phương tiện
này. Ví dụ, Titan và Collins [65] đã đề xuất một phương pháp lập kế hoạch quỹ
đạo mong muốn cho AUV nhưng 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 trôi
qua tại các điểm lộ trình (WP) của quỹ đạo mong muốn khi thực thi tác vụ; thuật
toán dịch chuyển cũng đã được giới thiệu nhằm tìm kiếm giải pháp tương ứng và
tối ưu cho quỹ đạo hiện thời. Li và Lee [48] đã giới thiệu bộ điều khiển phi tuyến

22
cho phép AUV có thể kiểm soát được chiều sâu lặn dựa trên kỹ thuật điều khiển
cấp ngược (BS). Một loại hệ thống điều khiển khác có sử dụng chế độ kiểm soát
trượt (SMC) [18] đã được áp dụng cho AUV và thể hiện được khả năng bám quỹ
đạo chính xác của bộ điều khiển phi tuyến trong giải tiến trình thực thi điều khiển
hẹp. Son và Kim [63] đã công bố một nghiên cứu về điều khiển chuyển động cho
AUV từ quan điểm mô hình lai có kết hợp giữa mô hình rời rạc và mô hình liên
tục. Jouffroy và Opderbecke [41] đã đưa ra một mô hình điều khiển thích nghi có
kết hợp với kỹ thuật BS nhằm đưa ra bộ điều khiển phi tuyến tương đối hoàn thiện
cho phép AUV có khả năng bám theo quỹ đạo ít sai lệch nhất về vị trí và thời gian.
Dong et al. [20] đã giới thiệu bộ điều chỉnh PID kết hợp với mạng nơ ron cho một
AUV hình cầu có tính đến các nhiễu phức tạp trong môi trường dưới nước. Bộ điều
khiển của AUV này cũng bao gồm nhận dạng và kiểm soát mạng lưới nơ ron; các
trọng số của mạng nơ ron được thiết lập thông qua việc sử dụng phương pháp bình
phương tối thiểu Davidon có chống nhiễu mạnh và tốc độ hội tụ nhanh.
Tuy nhiên, các mô hình điều khiển trên đây đã được phát triển theo hướng
thủ tục; do đó chúng sẽ rất khó khăn trong việc được tùy biến và tái sử dụng các
thành phần điều khiển đã được thiết kế để ứng dụng cho AUV khác nhau. Do đó,
các phương thức điều khiển truyền thống trên đây cần được kết hợp với các ngôn
ngữ mô hình hóa, mô phỏng và thực thi theo hướng hệ thống [55] nhằm đưa ra bản
phân tích và thiết kế có tính mô đun hóa để có thể trực quan các tham số điều khiển
trong thời gian thực, tùy biến và tái sử dụng các thành phần đã phát triển cho các
AUV mới. Xuất phát từ các phân tích và đánh giá trên đây, mục tiêu và giải pháp
nghiên cứu của luận án đã được đề xuất như sau: Nghiên cứu và phân tích thủy
động lực học cho một ứng dụng AUV cỡ nhỏ cụ thể (Tàu lặn không người lái tự
hành cỡ nhỏ); từ đó đưa ra qui trình phân tích, thiết kế, mô phỏng và thực thi hệ
thống điều khiển bám hướng và quỹ đạo trên mặt ngang cho tàu lặn đã chọn thông

23
qua việc cụ thể hóa công nghệ hướng đối tượng; 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
Trước khi tìm hiểu về các luật điều khiển và các phương pháp thực thi, mô
hình quản trị yêu cầu của các hệ thống con khác nhau trong AUV cần phải được
xem xét. Điều này sẽ cung cấp thông tin cho hệ thống điều khiển được 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
đường, hệ thống định vị và hệ thống điều khiển. Tất cả ba hệ thống này có nhiệm
vụ riêng của mình, nhưng chúng cũng phải hoạt động kết hợp với nhau nhằm cho
AUV hoàn thành mục tiêu của nó. Hình 1.1 trình bày sơ đồ khối nhằm thể hiện
tương tác giữa các hệ thống này [43].
Hệ thống dẫn đường có trách nhiệm để tạo ra quỹ đạo mong muốn cho AUV
chuyển động theo. Nhiệm vụ này được hoàn thành bằng cách lấy các điểm đường
mong muốn xác định trước bao gồm ảnh hưởng của nhiễu loạn môi trường bên
ngoài, tạo ra điểm đường đi tiếp theo lân cận. Thông tin về trạng thái hiện tại của
AUV cũng có thể được sử dụng để cung cấp một quỹ đạo thực tế cho AUV. Quỹ
đạo này sau đó hình thành nên trạng thái mong muốn của AUV, như là vị trí,
hướng đi, vận tốc và gia tốc.
Các hệ thống định vị được sử dụng để xác định trạng thái hiện tại của AUV.
Đối với các phương tiện bay hoặc mặt đất, hệ thống định vị toàn cầu (GPS) là có
sẵn và thường được sử dụng để cung cấp thông tin định vị chính xác liên tục cho

24
hệ thống định vị. Tuy nhiên, do truyền thông tín hiệu bị hạn chế thông qua nước,
GPS phần lớn là không có sẵn cho các phương tiện dưới nước. Như vậy, cần phải
kết hợp GPS với các thiết bị thủy âm để giải quyết các hạn chế về truyền thông tín
hiệu dưới nước. Ngoài ra, các loại bộ lọc Kalman, tích hợp GPS/INS cũng được sử
dụng nhằm có được một dự báo tốt nhất trạng thái hoạt động hiện tại và đưa ra cơ
chế điều chỉnh cho hệ thống tổng thể. Nhìn chung, nhiệm vụ của hệ thống định vị
là để cung cấp một ước tính tốt nhất của trạng thái hiện tại của AUV dựa trên các
thông tin từ cảm biến.
Hình 1.1. Sơ đồ khối điều khiển, định vị và dẫn đường của AUV
Hệ thống điều khiển có trách nhiệm cung cấp tín hiệu điều khiển tức thời
cho phép AUV di chuyển theo quỹ đạo mong muốn. Điều này đạt được bằng cách
nhận trạng thái mong muốn của AUV từ hệ thống dẫn đường và trạng thái hiện tại
từ hệ thống định vị. Hệ thống điều khiển sau đó tính toán và đưa ra lực điều khiển
thông qua việc sử dụng các cơ cấu truyền động khác nhau trên AUV nhằm giảm
thiểu sai số giữa trạng thái mong muốn và hiện tại. Cách này cho phép AUV di
chuyển bám theo quỹ đạo mong muốn ngay cả khi có nhiễu loạn không rõ. Môi
trường dưới nước rất phức tạp, như là sự xuất hiện của dòng hải lưu, sóng và làm
cho sự điều khiển AUV trở nên rất khó khăn. Những nhiễu loạn này cần phải được
xem xét đến khi xây dựng mô hình động lực học điều khiển của AUV. Mặc dù, các

25
hệ thống nói trên có tác vụ riêng của nó, nhưng chúng phải cũng hoạt động kết hợp
để đạt được đầy đủ tính tự hành của AUV.
1.2.2. Mô hình động lực học điều khiển
1.2.2.1. Hệ tọa độ sử dụng
+ Hệ tọa độ NED: Hình 1.2 biểu diễn hệ tọa độ không gian thường được gắn
với trái đất, phổ biến nhất trong điều khiển phương tiện tự hành dưới nước là hệ
NED. Như tên cho thấy, ba thành phần trục của hệ tọa độ này có trục x chỉ hướng
tới phía bắc, trục y trỏ về phía đông trục z theo hướng đi xuống vuông góc với bề
mặt trái đất. Nói chung, các điểm dẫn đường được định nghĩa với tham chiếu đến
một điểm cố định trên trái đất; do đó nó thuận tiện trong việc tiến hành dẫn đường
và định vị trọng hệ tọa độ này.
Hình 1.2. Các hệ tọa độ và tham số chuyển động của AUV [61]
+ Hệ tọa độ Body là hệ tọa độ tham chiếu chuyển động gắn với AUV (Hình
1.2). Do tính chất khác nhau mà tồn tại ở điểm đặc trưng khác nhau trong AUV,
như trọng tâm và tâm nổi của nó. Như qui định chung, trục x của hệ này chỉ từ phía
sau theo trục dọc của AUV, trục y điểm từ cổng vào mạn và z từ trên xuống dưới;
nó có phù hợp để biểu diễn vận tốc của AUV trong hệ tọa độ này.

26
1.2.2.2. Phương trình động lực học
Như đã trình bày ở trên, cả hai hệ tọa độ NED và Body đều có những đặc
trưng hữu dụng trong thiết kế điều khiển AUV và có thể chuyển đổi các thông số
chuyển động giữa hai hệ tọa độ này với nhau tùy theo mục đích sử dụng.
Theo SNAME [61], các hệ trục tọa độ dùng để biểu diễn chuyển động của
phương tiện tự hành dưới nước (AUV) bao gồm hệ trục cố định trên trái đất và hệ
trục tọa độ cố định trên AUV được biểu diễn bởi ký hiệu như Bảng 1.3.
Bảng 1.3. Các ký hiệu SNAME cho phương tiện dưới nước
Bậc tự do Chuyển động Lực và mô men Vận tốc Vị trí
1
2
3
4
5
6
Trượt dọc
Trượt ngang
Trượt đứng
Lắc dọc
Lắc ngang
Quay trở
X
Y
Z
K
M
N
u
v
w
p
q
r
x
y
z
ϕ
θ
ψ
Trong quá trình hoạt động, một phương tiện dưới nước chuyển động theo 6
bậc tự do được biểu diễn bởi phương trình sau:
𝜂𝜂̇ = 𝐽𝐽(𝜂𝜂)𝜈𝜈 (1.1)
𝑀𝑀𝜈𝜈̇ + 𝐶𝐶(𝜈𝜈)𝜈𝜈 + 𝐷𝐷(𝜈𝜈)𝜈𝜈 + 𝑔𝑔(𝜂𝜂) = 𝜏𝜏 + 𝑔𝑔𝑜𝑜 + 𝜔𝜔
Ở đây:
[ ]T
rqpwvu ,,,,,=υ là vận tốc của AUV trong hệ quy chiếu gắn với phương tiện.
[ ]T
zyx ψθφη ,,,,,= là vị trí toạ độ và góc Euler.
M là ma trận quán tính 6 x 6 bao gồm vật rắn chuyển động MRB và khối lượng bổ
sung MA:
𝑀𝑀 = 𝑀𝑀𝑅𝑅𝑅𝑅 + 𝑀𝑀𝐴𝐴 (1.2)

27
C là ma trận Coriolis và lực ly tâm 6x6 bao gồm cả khối lượng bổ sung:
𝐶𝐶(𝜈𝜈) = 𝐶𝐶𝑅𝑅𝑅𝑅(𝜈𝜈) + 𝐶𝐶𝐴𝐴(𝜈𝜈) (1.3)
Giảm chấn thủy động lực tuyến tính và phi tuyến được biễu diễn bởi ma trận 6 x 6
D(ν); D biểu diễn đại lượng giảm chấn tuyến tính; Dn(ν) biểu diễn đại lượng giảm
chấn phi tuyến.
𝐷𝐷(𝜈𝜈) = 𝐷𝐷 + 𝐷𝐷𝑛𝑛(𝜈𝜈) (1.4)
( )ηg là véc tơ 6 x 1 của lực trọng trường, các lực và mô men nổi.
1.2.3. Một số luật và phân phối điều khiển cho AUV
Có nhiều phương pháp và luật điều khiển khác nhau đã được thực hiện cho
các hệ thống tàu ngầm trên thế giới, trong đó có AUV. Giải thuật PID đã được sử
dụng thành công để điều khiển các loại máy khác nhau bao gồm cả phương tiện tự
động. Tuy nhiên, PID không phải là rất hiệu quả trong việc xử lý các tình huống
AUV có mô hình động lực phi tuyến; do đó nó thường được sử dụng cho AUV rất
đơn giản làm việc trong môi trường mà không nhiễu loạn bên ngoài [43]. Một giải
thuật thay thế được gọi là điều khiển trượt (SMC) đã được chứng minh hiệu quả
hơn khi xử lý mô hình động lực học phi tuyến với nhiễu loạn phi tuyến [26]. SMC
là một cách tiếp cận điều khiển phi tuyến [3], trong đó sử dụng các giải thuật
chuyển đổi phi tuyến để có được một đáp ứng quá độ nhanh nhằm giữ trạng thái ổn
định cho hệ thống.
1.2.3.1. Một số luật điều khiển sử dụng cho AUV
+ Bộ điều chỉnh PID:
Bộ điều khiển PID có ba thành phần cơ bản là khâu khuếch đại P, khâu vi
phân D và khâu tích phân I. Bộ điều khiển PID đơn giản về cả cấu trúc và nguyên

28
lý làm việc nên nó được sử dụng rộng rãi trong điều khiển các đối tượng theo
nguyên lý hồi tiếp. Hình 1.3 giới thiệu sơ đồ khối của bộ điều chỉnh PID.
Hình 1.3. Sơ đồ khối bộ điều khiển PID
Bộ điều chỉnh PID có nhiệm vụ đưa sai lệch của hệ thống về “O” sao cho
quá trình quá độ thoả mãn các yêu cầu về chất lượng.
Mô hình toán học của bộ điều chỉnh PID được mô tả như sau:
( ) ( ) ( ) ( )






++= ∫ dt
tde
Tde
T
tektu D
t
I
p
0
1
ττ
(1.5)
Trong đó: kp; kd = TD; ki = kp/Ti lần lượt là các hệ số khuếch đại của khâu
khuếch đại, hằng số thời gian vi phân của khâu vi phân, hằng số thời gian tích phân
của khâu tích phân.
Đã có nhiều ứng dụng trong hệ thống lái các phương tiện biển tự động và
điều khiển vòng lặp kín có kèm theo bộ điều chỉnh PID. Các tín hiệu hồi tiếp được
xử lý bởi máy vi tính hoặc thiết bị điều khiển đặc chủng ví dụ như là PLC hoặc các
bộ vi điều khiển công nghiệp. Trong đó, bộ điều chỉnh PID được thực thi bằng
phần mềm tính toán nhằm mục đích nâng cao hiệu năng và chất lượng điều khiển
của hệ thống [25], [68].

29
+ Giải thuật SMC:
Như đã tổng hợp ở trên, SMC là giải thuật điều khiển được áp dụng khi xử
lý các mô hình động lực học phi tuyến với nhiễu loạn phi tuyến. Để mô tả áp dụng
giải thuật SMC cho AUV, mô hình động lực học điều khiển AUV (1) trong hệ tọa
độ NED được viết lại dưới dạng sau:
𝑀𝑀𝜂𝜂(𝜂𝜂)𝜂𝜂̈ + 𝑓𝑓(𝜂𝜂̇, 𝜂𝜂, 𝑡𝑡) = 𝝉𝝉𝜂𝜂(𝜂𝜂) (1.6)
Ở đây 𝑓𝑓(𝜂𝜂̇, 𝜂𝜂, 𝑡𝑡) biễu diễn các động lực học phi tuyến bao gồm các lực ly
tâm và Coriolis, các lực giảm chấn tuyến tính và phi tuyến, lực và mô men của
trọng trường và nổi cùng với các nhiễu loạn tác động bên ngoài.
Mặt điều khiển trượt được xác định như sau:
𝑠𝑠 = 𝜂𝜂̇ + 𝑐𝑐𝑐𝑐 (1.7)
𝜂𝜂(𝑡𝑡) = 𝜂𝜂(𝑡𝑡𝑜𝑜)𝑒𝑒𝑐𝑐𝑡𝑡𝑜𝑜 𝑒𝑒−𝑐𝑐𝑐𝑐
(1.8)
Vì vậy, vấn đề điều khiển được đơn giản hóa khi mà một luật điều khiển
được áp dụng như là:
lim
𝑛𝑛→∞
𝑠𝑠(𝑡𝑡) = 0
𝜏𝜏 = −𝑇𝑇(𝜂𝜂̇, 𝜂𝜂)𝑠𝑠𝑠𝑠 𝑠𝑠𝑠𝑠(𝑠𝑠), 𝑇𝑇(𝜂𝜂̇, 𝜂𝜂) > 0 (1.9)
Nếu η được thay thế bởi sai lệch giữa các trạng thái hiện tại và mong muốn
của AUV thì có thể được thấy rằng ứng dụng luật điều khiển này sẽ cho phép AUV
theo vết một quỹ đạo đã định trước.
Trên thực tế có hai biến thể SMC tách cặp và ghép cặp, chúng được sử dụng
tùy theo mức độ phức tạp của mô hình động lực học điều khiển của AUV. Chi tiết
về các kỹ thuật điều khiển trượt được mô tả trong [27], [28], [58], [63].

30
1.2.3.2. Phân phối điều khiển
Vai trò của các luật điều khiển là để tạo ra tổ hợp tín hiệu cho lực điều khiển
để AUV có được 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 được đặc tả kỹ thuật, vị trí và cấu
hình của tất cả các thiết bị truyền động trên AUV.
+ Cơ cấu chấp hành:
Mô hình toán học các tín hiệu lực điều khiển cho các cơ cấu chấp hành khác
nhau của AUV có thể được xây dựng như sau:
τ = TKu (1.10)
Ở đây: AUV hoạt động với 6 bậc tự do và với n cơ cấu truyền động; T là ma
trận 6 x n thể hiện cấu hình thiết bị truyền động; K là ma trận đường chéo n x n hệ
số lực; u là ma trận n x 1 tín hiệu điều khiển đầu vào. Các cấu hình cụ thể của các
thiết bị truyền động sẽ cho phép xác định kích thước và cấu trúc của T, K và u. Với
mỗi cột của T, ký hiệu là ti, kết hợp với đại lượng tương ứng trên đường chéo
chính của K sẽ đại diện cho một thiết bị truyền động.
Trên thực tế, các thiết bị truyền động truyền thống trong điều khiển AUV
bao gồm: chân vịt, vây điều khiển, ống đạo lưu và có thể có một số thiết bị đặc biệt
khác nữa tùy theo yêu cầu của nơi đặt hàng AUV. Để mô tả thiết bị truyền động
trong mô hình động lực học điều khiển AUV, các ký hiệu lx, ly và lz biểu diễn các
dịch chuyển thành phần của nó lần lượt dọc theo trục x, y và z.
- Chân vịt là thiết bị truyền động được sử dụng phổ biến nhất để cung cấp
lực điều khiển tịnh tiến chính cho phương tiện dưới nước. Nó thường được đặt ở

31
đuôi phương tiện và tác dụng một lực chính dọc theo trục dọc của phương tiện này.
Cấu trúc đại lượng ti cho một chân vịt được biểu diễn như sau:
𝑡𝑡𝑖𝑖 = [1 0 0 0 𝑙𝑙𝑧𝑧 −𝑙𝑙𝑦𝑦]𝑇𝑇
(1.11)
- Vây điều khiển là thiết bị truyền động tạo ra mô men quay cho AUV.
Thông thường một AUV có bốn vây điều khiển độc lập được bố trí theo cặp ngang
và dọc. Cấu trúc đại lượng ti cho vây điều khiển được biểu thị như sau:
Vây ngang:
𝑡𝑡𝑖𝑖 = [0 0 1 𝑙𝑙𝑦𝑦 −𝑙𝑙𝑥𝑥 0]𝑇𝑇
(1.12)
Vây dọc:
𝑡𝑡𝑖𝑖 = [0 1 0 −𝑙𝑙𝑧𝑧 0 𝑙𝑙𝑥𝑥]𝑇𝑇
(1.13)
Ngoài ra cũng có thể suy luận đại lượng ti cho trường hợp AUV có sử dụng
các ống đạo lưu. Chi tiết của các thiết bị truyền động đã được giới thiệu trong [27],
[28]. Với cách biểu diễn các đại lượng ti như trên cho phép thực hiện dễ dàng trong
phân phối điều khiển một cách lô gíc; đặc biệt là trong quá trình thực thi điều khiển
bằng chương trình mã hóa.
+ Phương pháp phân phối:
Một trong những phương pháp đơn giản nhất để phân phối điều khiển là:
𝑢𝑢 = (𝑇𝑇𝑇𝑇)−1
τ (1.14)
Phương pháp này rất đơn giản để thực hiện, bởi nó chỉ có một phép nhân ma
trận duy nhất; nó được thường được sử dụng cho các AUV có yêu cầu xử lý và tính
toán các tác vụ đơn giản. Tuy nhiên, do tính đơn giản của nó nên việc tối ưu và
giảm điện năng tiêu thụ của các cơ cấu truyền động là khó hơn.
Đối với các AUV có các hệ thống truyền động phức tạp nhằm xử lý và thực
hiện tác vụ mang tính đa nhiệm, thì cần phải sử dụng các phương pháp phân phối

32
điều khiển khác, như là: lập trình bậc hai và giải thuật bước. Các phương pháp này
được mô tả chi tiết trong [28].
1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA, 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 này một cách cạnh tranh có ưu tiên để đưa ra các tín hiệu
và sự kiện đầu ra một cách đồng bộ.
- Hệ thống thời gian thực là hệ thống tự đáp ứng có kèm theo chu trình xử lý
các sự kiện và tín hiệu đầu vào, đầu ra gắn với điều kiện ràng buộc về khoảng thời
gian và thời điểm thực thi. Ngoài ra, trong hệ thống thời gian thực có thể phát sinh
các sự kiện và tín hiệu bên trong phụ thuộc vào thời gian. Ví dụ: Hệ thống điều
khiển điện thủy lực nhằm duy trì mức chất lỏng và áp suất không đổi trong một bể
chứa, khi nguồn tiêu thụ môi chất thay đổi lưu lượng.
- Hệ thống động lực lai (HDS) là hệ thống thời gian thực, nó bao gồm phần
liên tục, phần rời rạc, và sự tương tác giữa chúng. Ngoài ra, trong hệ thống động
lực lai có thể phát sinh các sự kiện bên trong không theo thời gian. Ví dụ: Các hệ
thống điều khiển điện thủy lực trong máy nâng chuyển, hệ thống lái tự động trong
tàu thủy hoặc máy bay, hệ thống theo dõi đối tượng tại cảng hàng không, v.v... có
thể xem như là các hệ thống động lực lai.

33
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 lượt 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 lai công nghiệp; bởi hệ thống điều khiển hiện tại và
cơ cấu chấp hành có xét tới các mô hình với dữ kiện rời rạc và mô hình ứng xử liên
tục. Những mô hình ứng xử này được phân tán thành các mô hình hoạt động khác
nhau; chúng được kết hợp với các quá trình làm thay đổi tác nhân với các trường
hợp sử dụng như là: người thiết kế, người tư vấn, người bảo trì v.v…
Hình 1.4. Hệ thống tự đáp ứng, hệ thống thời gian thực và hệ thống động lực lai
Hơn nữa, các hệ thống điều khiển luôn luôn không có ứng xử giống nhau; do
đó, nó sẽ được kết hợp với giả thuyết hợp lý để kiểm tra tại mọi thời điểm. Ứng xử
của các hệ thống này là khá phức tạp. Trong luận án này chỉ xét đến hệ điều khiển
công nghiệp đó là hệ thống động lực lai (HDS) và được mô hình hóa bằng
Automate lai [17], [31], [32].
1.3.1.2. AUV với HDS trong điều khiển công nghiệp
Trong mục này, luận án 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 như Hình 1.5.

34
Hình 1.5. Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống động lực lai công nghiệp
Trong đó:
- Eveo: sự kiện đầu ra,
- Evei: sự kiện đầu vào,
- Sigo: tín hiệu đầu ra,
- Sigi: tín hiệu đầu vào,
- ΔT: khoảng thời gian lấy mẫu của mô hình thực thi,
- Actor1, Actor2, Actor3,…, Actorm: tổ hợp con người hoặc hệ thống tác động
đến hệ thống thi hành (phần điều khiển lai và cơ cấu chấp hành lai).
Hệ thống thi hành và tác nhân trao đổi các thông điệp không theo chu kỳ ở
dưới dạng không đồng bộ, và được thực hiện qua máy trạng thái. Mặt khác, cơ cấu
chấp hành lai có thể được thực thi bởi nhiều mô hình điều khiển khác nhau và tồn
tại sự tương tác giữa các mô hình này, vậy sự tương tác này có thể được mô hình
hóa thông qua ngôn ngữ hình thức như: Automate, Grafcet, biểu đồ trạng thái.
Xuất phát từ mô hình động lực học điều khiển của AUV và các đặc tả về hệ
thống động lực lai được mô tả ở các mục trước, hệ thống điều khiển AUV có thể
xem như là một hệ thống động lực lai công nghiệp và được gọi là AUV - HDS; bởi

35
vì trong hệ thống này có các phần liên tục/rời rạc và tác động qua lại giữa các phần
đó, như là: các chuyển động trượt dọc, trượt ngang, trượt đứng, các chuyển động
quay và các tác động từ môi trường biển do sóng, gió và dòng hải lưu.
1.3.2. Mô hình hóa ứng xử AUV - HDS
1.3.2.1. Automate lai
Một Automate lai [17], [32] được xác định bởi dữ liệu sau:
H = [Q, X, Σ, A, Inv, F, q0, x0] (1.15)
Trong đó:
− Q: tổ hợp của các vị trí mô tả các chế độ hoạt động của hệ thống,
− qo: trạng thái ban đầu,
− X: không gian trạng thái liên tục hiện tại của Automate, X ⊂ℜn
,
− xo: giá trị ban đầu của trạng thái liên tục hiện tại của Automate,
− Σ: tập hợp hữu hạn của các sự kiện,
− A: tập hợp các dịch chuyển được xác định bởi [q, Guard, σ, Jump, q’
] và
được biểu diễn bởi một cung giữa các trạng thái, trong đó:
- q∈ Q, q’
∈ Q,
- Guard: một tổ hợp điều kiện cho phép thực hiện dịch chuyển,
- Jump: giá trị bước nhảy giữa hai không gian trạng thái liên tục của hai
vị trí liền kề nhau,
- σ∈Σ: tổ hợp các sự kiện cho phép dịch chuyển vị trí.
− Inv: đại lượng bất biến, dùng để theo dõi trạng thái liên tục phải được duy
trì; cụ thể là khi vị trí là q thì trạng thái liên tục phải được xác định theo x∈Inv(q),
− F: hàm liên tục tổng thể (dòng liên tục) được xác định theo từng vị trí của
hệ thống; nó là tổng hợp từ các phần tử liên tục của hệ thống theo một sơ đồ điều
khiển đã được xác định, tiến trình của trạng thái liên tục được xuất hiện khi trạng

36
thái hoạt động. F thường được biểu diễn bởi hệ phương trình vi phân hoặc hệ
phương trình trạng thái hoặc hàm truyền đạt.
Để mô hình hóa ứng xử các hệ thống điều khiển công nghiệp nói chung,
người ta sử dụng biểu đồ diễn tiến chức năng; nhưng để mô hình hóa cấu trúc và
ứng xử các AUV - HDS thì Automate lai được sử dụng, bởi vì:
- Chỉ duy nhất một ứng xử liên tục tại một thời điểm được xác định,
- Có đại lượng bất biến để kiểm tra lại giả thuyết về trạng thái liên tục trong
Automate lai,
- Automate lai được bắt nguồn từ Automate nên mô hình ứng xử động của hệ
thống tương thích các ứng dụng tương tác sẵn có,
- Nó có thể sử dụng được các công cụ phần mềm mô phỏng.
1.3.2.2. Grafcet
Khi thiết kế hệ thống phải tính đến các phương thức làm việc khác nhau để
đảm bảo an toàn và xử lý kịp thời các hư hỏng trong quá trình hoạt động của nó,
phải luôn luôn có phương án can thiệp trực tiếp của người vận hành đến việc dừng
máy khẩn cấp, xử lý tắc nghẽn vật liệu và các hiện tượng nguy hiểm khác. Grafcet
[31] là công cụ rất hữu ích để thiết kế và thực hiện đầy đủ các yêu cầu của hệ tự
động hóa các quá trình công nghệ.
Grafcet là từ viết tắt của tiếng pháp (GRAphe Fonctionnel de Commande
Etaps/Transitions), là một biểu đồ chức năng cho phép mô tả các trạng thái làm
việc của hệ thống và biểu diễn quá trình điều khiển với các trạng thái chuyển biến
từ trạng thái này sang trạng thái khác, đó là một graphe định hướng và được xác
định bởi các phần tử sau:
G = [E, T, A, M] (1.16)
Trong đó:

37
- E = [E1, E2,..., En]: một tập hữu hạn các trạng thái của hệ thống, được ký
hiệu bằng các hình vuông. Mỗi trạng thái ứng với tác động nào đó của phần điều
khiển và trong mỗi trạng thái các hành vi điều khiển là không thay đổi. Một trạng
thái có thể là chủ động hoặc bị động. Điều khiển chính là thực hiện các mệnh đề
logic chứa các biến vào và các biến ra để hệ thống có được một trạng thái xác định,
- T = [t1, t2,…, ti]: tập hữu hạn các dịch chuyển trạng thái được biểu hiện bằng
gạch ngang “-”. Hàm Boole gắn với mỗi dịch chuyển trạng thái được gọi là “một
tiếp nhận”,
- A = [a1, a2,…, an]: tập các cung định hướng nối giữa một trạng thái với một
dịch chuyển hoặc ngược lại,
- M = [m1, m2,…, mn]: tập các giá trị (0, 1). Nếu mi = 1 thì trạng thái i là hoạt
động, nếu mi = 0 thì trạng thái i là không hoạt động.
Grafcet cho một quá trình luôn luôn là một đồ hình khép kín từ trạng thái
đầu đến trạng thái cuối và từ trạng thái cuối đến trạng thái đầu.
1.3.2.3. Mạng Petri
Mạng Petri lai [31] là một giải pháp mở rộng của mạng Petri chuẩn, trong
đó các phương trình có thể được gắn hoặc liên kết với vị trí hệ thống mà các chức
năng được gắn vào mối quan hệ dịch chuyển.
Một mạng Petri lai được định nghĩa bởi:
[R, PC, IH, M0, x0] (1.17)
Trong đó:
- R: tổ hợp mạng Petri mà nó có thể đồng bộ qua các bộ phận sự kiện bên
trong như là: biểu đồ trạng thái, mỗi sự dịch chuyển có thể kèm theo sự kiện đúp là
rẽ nhánh hoặc phát sinh ra các lệnh rẽ nhánh,

38
- PC: phần liên tục của mô hình mà nó được hiểu là tổ hợp các biến liên tục và
các phương trình vi phân đại số; nó nhằm mô phỏng các ứng xử liên tục khác nhau
của hệ thống. Các biến toàn cục, giá trị của nó được truy cập tại mọi nơi trong mô
hình tại mọi thời điểm.
- IH: giao diện lai kết nối giữa phần liên tục và mạng Petri.
- M0: giá trị ban đầu của R.
- X0: giá trị ban đầu của biến liên tục.
Tuy rằng mạng Petri có thể mô hình hóa ứng xử và cấu trúc của AUV-HDS
một cách rõ ràng, nhưng trên thực tế để thực thi phần điều khiển của HDS công
nghiệp thì việc kết nối giữa mô hình mô phỏng và mô hình triển khai là rất khó. Nó
thường dùng trong việc nghiên cứu mô hình lý thuyết của hệ thống.
1.3.3. Công nghệ hướng đối tượng trong việc phát triển AUV - HDS
1.3.3.1. Ngôn ngữ mô hình hóa hợp nhất trong thời gian thực
Để phục vụ cho công việc mô hình hóa vốn là cốt lõi của việc phân tích,
thiết kế hướng đối tượng, ngôn ngữ UML [15] được sử dụng rộng rãi. UML đã
được chuẩn hóa bởi tổ chức OMG [52] như là một ngôn ngữ đồ họa dùng để trực
quan hóa, đặc tả, xây dựng và lập tư liệu cho các ứng dụng hệ thống phần mềm
chuyên nghiệp. UML đem lại cho người sử dụng phương pháp chuẩn để tạo ra bản
thiết kế hệ thống bao trùm từ cụ thể như các lớp viết bằng một ngôn ngữ lập trình
nào đó, các thành phần phần mềm có thể tái sử dụng v.v… cho đến những yếu tố
trừu tượng như những chức năng của toàn bộ hệ thống. Vì lý do này, ngôn ngữ
UML không những chỉ được sử dụng để mô tả, xây dựng kiến trúc và thiết kế các
hệ thống phần mềm, mà còn là một công cụ mô hình hóa thích hợp cho các hệ
thống kỹ thuật nói chung và các hệ thống điều khiển nói riêng.
Ngôn ngữ mô hình hóa trong thời gian thực (RealTime UML) [16], [22],
[24], [44] được phát triển dựa trên UML và chuẩn hóa bởi OMG. Nó dùng để đặc

39
tả, trực quan, xây dựng và lập tài liệu các thành phần của các ứng dụng phần mềm
điều khiển trong các hệ thống thời gian thực và hệ thống nhúng. RealTime UML
bao gồm tất cả các ký hiệu mô hình hóa của UML, ngoài ra nó còn đưa ra các ký
hiệu mô hình hóa: gói, cổng và giao thức nhằm mô hình hóa các hệ thống điều
khiển trong công nghiệp.
Gói là một lớp có kiểu mở rộng được đặc trưng «Capsule». Các gói có nhiều
đặc tính giống nhau như là các lớp; ví dụ: Chúng có thể có nhiều thao tác
(Operation) và thuộc tính (Attributes). Tuy nhiên, chúng cũng có một vài tính chất
đặc biệt như là các cổng dùng chung, thao tác riêng, thông điệp thông qua giao
thức truyền đạt ứng xử.
Giao thức là tập hợp các thông điệp trao đổi giữa các gói. Các thông điệp này
có thể là tín hiệu hoặc sự kiện trên đầu vào hoặc đầu ra của giao thức.
Các cổng là những đối tượng có mục đích là để gửi và nhận các thông điệp từ
các gói. Chúng được tạo ra và mất đi khi gói được sinh ra và mất đi. Để xác định rõ
những thông điệp nào có thể được gửi đi từ cổng, cổng được kết hợp với giao thức.
Ví dụ về các gói, các gói con, các cổng và các giao diện được thể hiện trên Hình 1.6
thông qua sơ đồ lớp.
Hình 1.6. Ví dụ về các gói, các cổng và giao thức

40
Như vậy, các ký hiệu của UML bao gồm: lớp, đối tượng, thông điệp, kết hợp
để mô hình một hệ thống thông tin tổng quát; nhưng các ký hiệu này không đủ để
mô tả cách chính xác các tương tác giữa các đối tượng của hệ thống phức tạp. Vì lý
do đó, luận án lựa chọn RealTime UML bao gồm thêm các ký hiệu: các gói, cổng và
giao thức, để đặc tả mô hình phân tích và thiết kế các hệ thống điều khiển với
Automate lai.
1.3.3.2. Phân tích và thiết kế hướng đối tượng
Phương pháp lập trình đã phát triển từ lập trình không có cấu trúc tới lập
trình có cấu trúc và tới nay là lập trình hướng đối tượng. Phương pháp phân tích,
thiết kế phần mềm cũng đi theo các bước tiến triển này. Trước đây, người ta phân
tích, thiết kế phần mềm theo kiểu hướng thủ tục hoặc hướng dữ liệu [16]. Theo
phương pháp này, phần mềm cần xây dựng được chia thành giải thuật và cấu trúc
dữ liệu. Trong quá trình phân tích, giải thuật được phân chia thành các giải thuật
con đơn giản hơn, cấu trúc dữ liệu lớn được chia thành những cấu trúc nhỏ hơn.
Quá trình tương tự cũng được tiến hành trong quá trình thiết kế.
Phương pháp phân tích, thiết kế hướng thủ tục hoặc hướng dữ liệu có ưu
điểm đơn giản, nhanh chóng tạo ra kết quả (do tiến hành theo kiểu từ trên xuống)
nhưng kết quả tạo ra không phản ánh bản chất thực, dẫn đến cứng nhắc, khó thay
đổi khi yêu cầu đặt ra thay đổi, khó mở rộng khi hệ thống phát triển.
Phương pháp phân tích, thiết kế phần mềm tiên tiến hiện nay là hướng đối
tượng, trong đó khối cơ bản để xây dựng nên phần mềm là đối tượng hay lớp. Nói
một cách đơn giản, đối tượng là sự phản ánh thế giới tự nhiên xung quanh.
Ưu điểm lớn nhất của phân tích, thiết kế phần mềm hướng đối tượng không
phải nằm ở chỗ tạo ra chương trình nhanh tốn ít công sức, mà nằm ở chỗ nó gần
với thực tế và do đó thúc đẩy việc tái sử dụng lại những thành quả đã xây dựng
được như mã lệnh hay bản thiết kế.

41
1.3.4. Một số phương pháp mô phỏng và thực thi
Việc mô phỏng của hệ thống công nghiệp là một nhu cầu tất yếu, đặc biệt
khi các hệ thống ngày càng trở nên phức tạp. Nhu cầu này xuất phát từ nhiều yếu
tố khác nhau, tuy nhiên có thể đưa ra mấy nguyên nhân chính như sau:
- Đầu tư cho các hệ thống thường rất cao (ngay cả hệ thống thí nghiệm bán
công nghiệp); đặc biệt là các thiết bị dùng trong công nghiệp. Chi phí này
bao gồm tiền mua thiết bị, đầu tư phòng ốc, chi phí vận hành, bảo dưỡng,
sửa chữa, v.v…
- Mô phỏng các hệ thống cho phép thực hiện việc đánh giá, kiểm tra chất
lượng hệ thống trước khi thực thi trong thực tế, nhất là với các hệ thống
công nghiệp lớn và phức tạp.
- Mô phỏng hệ thống cho phép quá trình thiết kế, xây dựng và vận hành hệ
thống được thực hiện linh hoạt, hiệu quả.
Xuyên suốt toàn bộ quá trình thực hiện một dự án, từ đề xuất ý tưởng thiết
kế cho đến thực hiện và vận hành hệ thống, mô phỏng cho phép kiểm tra, đánh giá
nhiều phương án khác nhau, từ đó lựa chọn được phương án thích hợp nhất để thực
thi. Trải qua một quá trình phát triển lâu dài, lĩnh vực mô phỏng đã có những bước
tiến đáng kể [29]. Các phần mềm mô phỏng ngày càng trở nên linh hoạt, mạnh mẽ,
thân thiện và gần gũi với thế giới.
Sau đây, luận án giới thiệu một vài công cụ và ngôn ngữ mô hình hóa để mô
phỏng và thực thi hiệu quả các hệ thống điều khiển công nghiệp đang phổ biến.
1.3.4.1. Modelica
Ngôn ngữ Modelia [29] được phát triển bởi một nhóm các nhà khoa học ở
châu Âu trong nỗ lực tạo ra một ngôn ngữ mô hình hóa và mô phỏng thống nhất và
hiện đại, hướng đối tượng và phi nhân quả. Là một ngôn ngữ hướng đối tượng,
Modelica định nghĩa các loại hệ thống con, ví dụ như điện trở, tụ điện, cuộn cảm,

42
động cơ điện, bơm thủy lực, v.v… và thành phần cơ điện tử khác như mối nối đều
được định nghĩa là một lớp. Ứng xử có thể được mô tả bằng các phương trình đại
số, phương trình vi phân hoặc các thuật toán. Modelica hỗ trợ mô tả các ứng xử
dựa trên sự kiện, do đó cho phép dễ dàng mô tả các hệ thống sự kiện rời rạc và liên
tục của hệ thống lai. Một lớp có thể thừa kế từ một lớp khác, qua đó cũng thừa kế
tất cả các đặc điểm của lớp đó, kể cả ứng xử của chúng.
1.3.4.2. MatLab & Simulink
MATLAB [49] là một bộ chương trình phần mềm lớn của lĩnh vực toán số
dựa trên các phép tính véc tơ và ma trận. Phần cốt lõi của chương trình bao gồm
một số hàm toán, các chức năng nhập/xuất cũng như các khả năng điều khiển chu
trình mà nhờ đó ta có thể dựng nên các kịch bản. Thêm vào phần cốt lõi, có thể bổ
sung các bộ công cụ với phạm vi chức năng chuyên dụng mà người sử dụng cần.
Một số các bộ công cụ liên quan tới Điều khiển - Tự động hóa [4], như: Control
System Toolbox, Signal Processing Toolbox, Optimization Toolbox, Stateflow
Blockset, Power System Blockset, Real-Time Workshop và SIMULINK. SIMULINK
là một công cụ có vai trò đặc biệt quan trọng phục vụ mô hình hóa và mô phỏng
các hệ thống Kỹ thuật - Vật lý trên cơ sở sơ đồ cấu trúc dạng khối. Cùng với
SIMULINK, Stateflow-Blockset tạo cho ta khả năng mô hình hóa và mô phỏng các
Automate trạng thái hữu hạn. Giao diện đồ họa trên màn hình của SIMULINK cho
phép thể hiện hệ thống dưới dạng sơ đồ tín hiệu với các khối chức năng quen
thuộc. SIMULINK cung cấp cho người sử dụng một thư viện rất phong phú, có sẵn
với các số lượng lớn các khối chức năng cho các hệ tuyến tính, phi tuyến và rời
rạc. Hơn thế, người sử dụng cũng có thể tạo nên các khối riêng của mình. Sau khi
đã xây dựng mô hình của hệ thống cần nghiên cứu, bằng cách ghép các khối cần
thiết thành sơ đồ cấu trúc của hệ, ta có thể khởi động quá trình mô phỏng. Trong
quá trình mô phỏng ta có thể trích tín hiệu tại vị trí bất kỳ của sơ đồ cấu trúc và

43
hiển thị đặc tính của tín hiệu đó trên màn hình. Việc nhập hoặc thay đổi tham số
của tất cả các khối cũng có thể được thực hiện rất đơn giản bằng cách nhập trực
tiếp hay thông qua MATLAB.
1.3.4.3. Mô hình khối chức năng
Trong thực tế, để thực thi hệ thống điều khiển công nghiệp sau khi được mô
phỏng, người ta thường sử dụng kiến trúc IEC. Kiến trúc này cho phép đặc tả cấu
trúc của các hệ thống điều khiển có ứng xử phức tạp và đảm bảo được độ an toàn
cao, cũng như nó hỗ trợ kết nối với các ngôn ngữ mô hình hóa (RealTime UML)
và phần thi hành, như là: PLC hoặc các lập trình hướng đối tượng nhúng cho vi
điều khiển. Sau đây là ví dụ về các đặc điểm chính của kiến trúc IEC61499 [36],
[47], [60]: Mỗi khối chức năng là sự cụ thể của một kiểu khối chức năng nào đó
cũng tương tự như mỗi đối tượng là sự cụ thể của một lớp nào đó. Hình 1.7 thể
hiện các đặc tính của khối chức năng ở dưới dạng sơ đồ khối.
Hình 1.7. Đặc tính khối chức năng theo chuẩn IEC61499
Các đặc tính của khối chức năng:
- Tên biến (là tên của khối chức năng đó) và tên kiểu (là tên của kiểu khối
chức năng mà nó phụ thuộc vào),

44
- Một tập các đầu vào sự kiện, dùng để nhận các sự kiện đến từ các liên kết sự
kiện với bên ngoài. Các sự kiện đầu vào sẽ ảnh hưởng tới việc thực thi thuật
toán bên trong khối chức năng,
- Một tổ hợp các đầu ra sự kiện, dùng để đẩy các sự kiện ra các liên kết sự
kiện với bên ngoài tùy thuộc vào sự thực thi của thuật toán và một số yếu tố
khác,
- Một tổ hợp các đầu vào dữ liệu, chúng được ánh xạ tới các biến đầu vào
tương ứng,
- Một tổ hợp các đầu ra dữ liệu, chúng được ánh xạ tới các biến đầu ra tương
ứng,
- Dữ liệu nội bộ, chúng được ánh xạ tới tập các biến nội bộ,
- Các đặc trưng của khối chức năng, được xác định bằng cách kết hợp giữa dữ
liệu nội bộ với thuật toán của khối chức năng.
Thuật toán bên trong khối hàm, về nguyên tắc không nhìn thấy được từ bên
ngoài, trừ khi được người cung cấp khối hàm mô tả theo một cách nào đó. Hơn
nữa, khối hàm có thể chứa bên trong nó các biến nội bộ hay các thông tin về trạng
thái tồn tại không đổi giữa những lần gọi thuật toán của khối hàm nhưng chúng
cũng không truy cập được từ bên ngoài.
Kết luận chương
Trong chương này, luận án đã trình bày các kỹ thuật điều khiển theo chương
trình cho các AUV đang được sử dụng trên thực tế, bao gồm các điểm chính sau:
- Cập nhật tổng quan về AUV;
- Nghiên cứu mô hình động lực học điều khiển tổng quát, các luật điều khiển
cũng như phương pháp phân phối điều khiển cho AUV;

45
- Giới thiệu về các hệ thống điều khiển công nghiệp hiện nay: hệ thống tự
đáp ứng, hệ thống thời gian thực và hệ thống động lực lai. Xuất phát từ mô hình
động lực học điều khiển của AUV và các luật điều khiển được sử dụng, hệ thống
điều khiển cho AUV được coi như là mang đặc tính của hệ thống động lực lai
(HDS); bởi nó bao gồm phần liên tục, phần rời rạc và phần tương tác giữa liên tục
và rời rạc;
- Đưa ra một số mô hình dùng để đặc tả ứng xử AUV - HDS như: Automate
lai, Grafcet, mạng Petri. Một số phương pháp mô phỏng và thực thi hệ thống như:
Modelica, MatLab & Simulink, mô hình khối chức năng (chuẩn IEC61499). Ngoài
ra, luận án cũng đã giới thiệu công nghệ hướng đối tượng để phát triển các HDS,
đặc tả ngôn ngữ mô hình hóa trong thời gian thực, nhằm phân tích, thiết kế và thực
thi một cách có hệ thống cho AUV - HDS công nghiệp có ứng xử được mô hình
hóa bởi Automate lai (HA).
Xuất phát từ các phân tích và đánh giá tổng quan về AUV và phương pháp
mô hình hóa, mô phỏng, thực thi hệ thống điều khiển trên đây, mục tiêu và giải
pháp nghiên cứu cụ thể của luận án đã được đề xuất như sau sau:
- Nghiên cứu và phân tích thủy động lực học cho một ứng dụng AUV cỡ nhỏ
cụ thể (Tàu lặn không người lái tự hành cỡ nhỏ có kích thước hình học: chiều dài
1,50m, đường kính 0,20m và vận tốc di chuyển tối đa trên mặt ngang v = 1,8m/s),
kèm theo sự hỗ trợ tính toán số của phần mềm AnsysFluent [10].
- Đưa ra qui trình công nghệ hướng đối tượng trong thời gian thực với
RealTime UML và ROPES để phân tích, thiết kế, mô phỏng và thực thi hệ thống
điều khiển bám hướng và quỹ đạo trên mặt ngang cho tàu lặn đã chọn với sự hỗ trợ
của các công cụ phần mềm IBM Rational Rose RealTime [35], OpenModelica [54]
và MatLab-Simulink [49]. Để minh họa cho qui trình được đề xuất này, bộ điều

46
khiển PID được sử dụng nhằm đơn giản hóa cho các tác tạo và hoạt động của các
tác nhân tham gia vào qui trình.
- Thiết kế của hệ thống điều khiển được thực hiện thông qua các gói, cổng,
giao thức và bộ kết nối tổng quát trong RealTime UML nhằm có thể dễ dàng tùy
biến và tái sử dụng chúng cho các ứng dụng điều khiển các loại AUV khác nhau.
Phương pháp và kỹ thuật điều khiển này sẽ được sử dụng trong các nội dung
tiếp theo của luận án nhằm đưa ra qui trình phân tích và thiết kế với RealTime
UML và ROPES để phát triển hệ thống điều khiển AUV mang đặc điểm động lực
lai công nghiệp; nó được gắn chặt với mô hình tính toán thủy động lực học của một
AUV cụ thể được trình bày trong chương tiếp theo.

47
CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH MÔ HÌNH THỦY ĐỘNG LỰC HỌC VÀ CẤU
TRÚC ĐIỀU KHIỂN CỦA AUV
AUV được mô hình hóa và mô phỏng động lực học nhằm khảo sát, đánh giá
và lấy số liệu các thông số động lực học tàu lặn phục vụ cho thiết kế hệ thống điều
khiển. Chương này sẽ tập trung vào việc mô hình hóa và mô phỏng động lực học
tàu lặn, bao gồm các nội dung chính sau: Tổng quan về động lực học tính toán
(CFD) và mô phỏng động lực học AUV, lý thuyết tính toán cơ bản và công cụ hỗ
trợ mô hình hóa và mô phỏng động lực học AUV; giới thiệu quy trình mô hình hóa
và mô phỏng động lực học AUV; phân tích đánh giá động lực học tàu lặn thiết kế
qua mô hình hóa và mô phỏng động lực học; lựa chọn cấu trúc hệ thống điều khiển
cho AUV – HDS; Chi tiết cấu trúc Automate lai điều khiển cho AUV và một số kết
quả mô phỏng.
2.1. MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC PHƯƠNG TIỆN
DƯỚI NƯỚC
2.1.1. Vai trò mô hình hóa và mô phỏng động lực học phương tiện tự hành
dưới nước
Các phương tiện làm việc dưới nước hiện nay có rất nhiều dạng như tàu
thủy, tàu ngầm, tàu lặn, ca nô, xuồng máy, v.v… Việc tính toán nghiên cứu tương
tác giữa môi chất với phương tiện rất phức tạp, ta cần phải giải được các phương
trình phức tạp như phương trình liên tục, phương trình Navier-Stokes, phương trình
năng lượng, v.v…Việc tính toán giải các phương trình này với các hệ phức tạp như
vậy thực sự rất khó khăn [5]. Vấn đề này sẽ được giải quyết với sự phát triển mạnh
mẽ của công nghệ, có thể trợ giúp con người giải quyết những vấn đề này. CFD [8]
là một lựa chọn tất yếu. Hai chục năm trở lại đây cùng với sự phát triển của CFD,
rất nhiều bài toán hóc búa về động lực học các phương tiện thủy khí đã được giải

48
quyết thông qua mô phỏng. Như những nghiên cứu về sức cản tàu thủy, xâm thực
chân vịt, động lực học tàu ngầm, v.v…
AUV hoạt động trong môi trường nước 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 được
lực cản, lực nâng, mômen tác động lên tàu hay các phân bố vận tốc, áp suất của
môi trường, v.v… Đánh giá hoạt động của tàu, hiệu chỉnh thiết kế, tính toán các
thiết bị động lực. Nghiên cứu hoạt động tàu trong các chế độ và môi trường làm
việc khác nhau.
2.1.2. Tổng quan về CFD
CFD là tính toán động lực học chất lưu có trợ giúp của máy tính là một
ngành khoa học tính toán chuyên dự đoán các đặc tính của dòng chất lưu, các quá
trình nhiệt động học, các phản ứng hóa học, v.v… bằng việc sử dụng các mô hình
tính toán số để giải các phương trình toán học liên quan trên máy tính. Cùng với sự
phát triển của khoa học máy tính, CFD đã trở thành công cụ nghiên cứu hiệu quả
được phát triển và ngày càng phổ biến bên cạnh việc nghiên cứu thực nghiệm
truyền thống. Quy trình nghiên cứu sẽ đi từ tính toán thiết kế lý thuyết, rồi tính
toán mô hình số, sau đó là quá trình làm thực nghiệm. Với sự trợ giúp của máy tính
cùng các phần mềm hỗ trợ, nhà thiết kế không chỉ có thể rút ngắn thời gian nghiên
cứu và thử nghiệm, tiết kiệm được chi phí đầu tư mà còn có thể nghiên cứu sâu
hơn bản chất hiện tượng tính toán mô phỏng ở những điều kiện mà thực nghiệm
gặp khó khăn hoặc không thể tiến hành được.
2.1.2.1. Ưu điểm của CFD
CFD cho phép tiết kiệm thời gian và chi phí nghiên cứu đưa ra sản phẩm
mới. Khi chưa có các công cụ hỗ trợ của máy tính, các sản phẩm mới thường phải
qua rất nhiều lần làm thử nghiệm, hiệu chỉnh để có thể tối ưu sản phẩm. Mỗi lần

49
thử nghiệm là phải đầu tư thời gian và tiền bạc. Làm việc trong môi trường mô
phỏng có thể đánh giá được thiết kế để đưa ra hiệu chỉnh trước khi làm thực
nghiệm. Mô phỏng được những điều kiện thực, điều kiện ảo, điều kiện lý tưởng.
Trong những điều kiện làm việc đặc biệt, ví dụ: siêu thanh, không trọng lực, nhiệt
độ lớn, v.v…, không phải lúc nào con người cũng có thể tạo ra, đo đạc và giám sát
được. Khi tiến hành thực nghiệm, do hạn chế về công nghệ, chi phí nên mỗi lần
tiến hành ta chỉ xác định được một số dạng thông số, tại những điểm nhất định;
trong khi đó, CFD cho phép ta xác định toàn bộ trường kết quả tại tất cả những
điểm trong vùng khảo sát và tại tất cả thời điểm khảo sát.
2.1.2.2. Hạn chế của CFD
Về mô hình vật lý: CFD giải quyết bài toán trên cơ sở mô hình vật lý được
tạo lập, mỗi dạng bài toán chỉ phù hợp với mô hình vật lý của nó. Việc chọn sai mô
hình vật lý có thể dẫn đến sai lệch về kết quả.
Về sai số: Sai số do mô hình toán, sai số bởi năng lực tính toán của máy, sai
số khi xây dựng và chọn bài toán. Từ đó nên chọn mô hình toán và xây dựng mô
hình phù hợp để giảm sai số.
Về điều kiện biên: Điều kiện biên chọn khi tính toán rất quan trọng, quyết
định kết quả tính toán chính xác hay không.
2.2. CÔNG CỤ HỖ TRỢ VÀ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TRONG MÔ HÌNH
HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC AUV
2.2.1. Công cụ hỗ trợ tính toán
Ansys [8] hiện nay là một phần mềm rất mạnh và được dùng rộng rãi trong
lĩnh vực mô phỏng số. Ansys cung cấp các khả năng tính toán mô phỏng với rất
nhiều dạng mô hình từ mô hình vật rắn, thể lỏng, khí hay hóa học, điện từ trường,
v.v… Ngoài ra, Ansys Fluent [9] là một phần trong gói phần mềm Ansys về động

50
lực học dòng chất lưu; nó có thể được sử dụng mô phỏng dòng chảy chất lỏng,
nhiệt với dạng hình học phức tạp. Để tiến hành tính toán mô phỏng trong Ansys
Fluent cần phải trải qua các bước cơ bản mô tả ngắn gọn trên Hình 2.1.
Hình 2.1. Sơ đồ tính toán trong Ansys Fluent [9]
Trước tiên trong mô phỏng cần có mô hình, Ansys cung cấp phần mềm
DesignModeler để người dùng có thể xây dựng các mô hình dạng hình học của mô
hình nghiên cứu. DesignModeler có đầy đủ các công cụ vẽ đồ họa để có thể xây
dựng được các mô hình từ đơn giản tới phức tạp. Người dùng cũng có thể sử dụng
bất cứ phần mềm đồ họa kĩ thuật nào để xây dựng mô hình để đưa vào mô phỏng.
Các phần mềm hỗ trợ trực tiếp như: ACIS, CATIA v5, IGES, Parasoild, Pro-
ENGINEER, Solid Edge, SolidWorks và STEP.
Mô hình dạng hình học xây dựng được sẽ được chuyển sang bước lưới hóa
trong phần MESHING. Nó cung cấp khả năng linh hoạt trong việc chia lưới cho
mô hình hoànchỉnh, bao gồm cả khả năng sử dụng lưới phi cấu trúccó thể tạo được
lưới cho các mô hình hình học phức tạp tương đối dễ dàng. Các loại lưới hỗ trợ bao
• DesignModeler
• Xây dựng mô
hình
• Có thể sử dụng
các phần mềm
đồ họa kỹ thuật
khác như
Solidworks
MÔ HÌNH DẠNG
HÌNH HỌC
• MESHING
• Chia lưới
• Định nghĩa
các đường,
mặt và khối
của mô hình
MÔ HÌNH ĐÃ
LƯỚI HÓA
• Ansys Fluent
• Khai báo đặt
điều kiện biên
để tính toán
• Tiến hành các
công việc tiền
xử lý số liệu
• Tính toán
KẾT QUẢ