Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong lĩnh vực đào tạo và huấn luyện hàng hải, việc thực hành trực tiếp trên tàu thật đòi hỏi chi phí nhiên liệu lớn, tiêu hao vật tư thiết bị, tiềm ẩn rủi ro tai nạn và gặp nhiều trở ngại khi muốn giả lập các tình huống sự cố nguy hiểm trên biển. Để giải quyết vấn đề này, các quy định pháp lý quốc tế và trong nước đã bắt buộc áp dụng công nghệ mô phỏng: Tổ chức Hàng hải Quốc tế (IMO) quy định tối thiểu 20/40 giờ huấn luyện mô phỏng buồng lái (IMO Model Course 1.22) và 80 giờ mô phỏng buồng máy (IMO Model Course 2.07); Bộ Giao thông Vận tải Việt Nam ban hành Thông tư 15/2019/TT-BGTVT quy định quy chuẩn kỹ thuật phòng mô phỏng buồng lái và buồng máy.

Tuy nhiên, việc tiếp nhận và vận hành các hệ thống mô phỏng nhập khẩu từ nước ngoài bộc lộ nhiều hạn chế: chi phí trang bị và chuyển giao cao; khó khăn trong bảo trì, nâng cấp do rào cản ngôn ngữ và khoảng cách địa lý; dữ liệu hải đồ số 2D/3D không sát với thực địa Việt Nam và tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn thông tin an ninh quốc gia khi phải cung cấp dữ liệu địa hình chi tiết cho đối tác nước ngoài; đa số các hệ thống thương mại chỉ dừng lại ở mô phỏng hình ảnh kết hợp bảng điều khiển tĩnh mà thiếu hệ thống sàn chuyển động vật lý.

Đối với các hệ thống mô phỏng có tích hợp sàn chuyển động (motion platform), các công trình nghiên cứu trước đây thường tính toán gần đúng góc quay cơ cấu chấp hành. Khi biên độ dao động đạt khoảng $\pm 15^\circ$ (tương đương chuyển động thực tế của tàu biển), sai số góc quay lên đến 5% và thời gian trễ giữa chuyển động cơ học của sàn treo với hình ảnh 3D quan sát được kéo dài tới 1200 ms. Độ trễ và sai số này làm mất tính đồng bộ giữa cảm giác tiền đình và thị giác của người vận hành. Do đó, yêu cầu nghiên cứu phát triển một hệ thống mô phỏng chuyển động tàu thủy tích hợp sàn treo 3 bậc tự do (3DOF) với thuật toán điều khiển hiện đại nhằm triệt tiêu độ trễ và nâng cao độ chính xác bám chuyển động là một đòi hỏi cấp thiết từ thực tiễn đào tạo và tự chủ công nghệ.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là nghiên cứu, phát triển thuật toán điều khiển nhằm cải thiện chất lượng của hệ thống mô phỏng chuyển động tàu thủy có tích hợp sàn treo ba bậc tự do, phục vụ công tác đào tạo, huấn luyện học viên ngành hàng hải, giảm thiểu rủi ro tai nạn và tiết kiệm chi phí khai thác.

Các mục tiêu cụ thể được xác định gồm:

  1. Xây dựng hệ thống mô phỏng chuyển động tàu thủy tạo ra cabin buồng lái tương đương tàu thực tế với kích thước đáy $2{,}4\text{ m}$, chiều cao $1{,}75\text{ m}$, tải trọng đủ tải khoảng $1300\text{ kg}$, tích hợp bàn điều khiển (control console), hệ thống Radar/ARPA, ECDIS, Conning và cơ cấu chuyển động sàn treo 3 bậc tự do dựa trên nguyên lý Stewart platform.
  2. Xây dựng thuật toán điều khiển trên bộ điều khiển logic khả trình (PLC) để điều khiển tổ hợp Drive/Servo Motor, tái tạo chuyển động 3 bậc tự do vật lý (lắc ngang, lắc dọc, trượt đứng) bám theo dữ liệu tính toán từ mô hình động học 3D thời gian thực.
  3. Tích hợp mạng nơ-ron nhân tạo nhiều lớp truyền thẳng (MLP) vào cấu trúc điều khiển nhằm dự báo trước quỹ đạo góc quay, nâng cao độ chính xác bám vị trí và giảm thiểu thời gian trễ đồng bộ giữa hình ảnh 3D và chuyển động cơ học của sàn treo.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống mô phỏng 3D động học tàu thủy đặt trong kết cấu cabin buồng lái có tích hợp cơ cấu chuyển động sàn treo ba bậc tự do (3DOF).
  • Phạm vi không gian và đối tượng kỹ thuật: Mô hình động học tàu thủy 6 bậc tự do áp dụng cho lớp tàu có chiều dài $L = 55\text{ m}$, chiều rộng $B = 9{,}6\text{ m}$, lượng chiếm nước/tải trọng $4429\text{ tấn}$; hệ thống đẩy gồm 01 chân vịt chính và 01 bánh lái. Môi trường mô phỏng 3D thiết kế trên Unity Engine.
  • Phạm vi thông số môi trường: Gió trong dải vận tốc $0 - 30\text{ knots}$, sóng biển theo 12 cấp thang Beaufort, dòng chảy hải lưu trong dải vận tốc $0 - 5\text{ knots}$.
  • Phạm vi phần cứng và điều khiển: Cơ cấu sàn treo 3DOF kiểu Stewart platform truyền động bằng 3 động cơ servo Delta kết hợp cơ cấu tay quay - tay đòn; hệ thống điều khiển sử dụng PLC Delta, cảm biến góc nghiêng 3 trục QK-AS08, encoder gắn tại tay trang điều khiển và truyền thông Modbus TCP, OPC.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trong và ngoài nước

Tổng quan tài liệu trong luận án phân loại các công trình nghiên cứu theo các nhóm hướng chính:

Hướng nghiên cứu Tác giả, công trình và năm công bố Đặc điểm kỹ thuật và kết quả chính
Mô phỏng toán học trên Matlab/Simulink Kenji Yoshimura, Nobuo Mitomo, Tadatsugi Okazaki, Kenjiro Hikida, Koji Murai (2009) [47]; Perez T., Blanke M. (2002) [48]; Perez T., Smogeli O., Fossen T., Sorensen A. (2006) [49]. Xây dựng thư viện Mariner Simulation System (MSS-GNC Toolbox) trên Matlab gồm các module mô hình tàu, cơ cấu chấp hành, thiết bị hàng hải và nhiễu môi trường nhằm phân tích động lực học và đặc tính điều khiển.
Mô phỏng trực tuyến và thực tế ảo N. Algell (2015) [51]; Stian Skjong (2017) [52]; Rybczak & Rak (2014) [53]; Charlott Sellberg (2018) [54]. Xây dựng mô phỏng huấn luyện hàng hải qua Web ("Seaman Online"), mô phỏng Co-Simulations hoặc phần mềm đồ họa 3D dựa trên nền tảng của Kongsberg, Transas, NAUTIS/VSTEP.
Cơ cấu Stewart Platform và động học song song Stewart (1965) [52]; Merlet (2006) [53]; Bonev (2003) [54]; Dasgupta & Mruthyunjaya (2000) [64]; Barents et al. (1989) [81]; Su et al. (2004) [82]; Cheng et al. (2008) [83]. Khảo sát các cấu hình 3-3, 6-3, 6-6; giải bài toán động học nghịch bằng ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất, lượng giác, lý thuyết trục vít; giải bài toán động học thuận bằng phương pháp giải tích dạng đóng hoặc phương pháp lặp số Newton-Raphson.
Điều khiển hiện đại cho cơ cấu song song L-W. Tsai (2000) [90]; B. C. Patel (2014) [94]; L-B. Cheng (2008) [105]; Y. Shen (2006) [110]; H-M. Gutierrez (2003) [116]; S. Ding (2010) [124]; G. P. Falconi (2012) [128]. Ứng dụng điều khiển thích nghi, điều khiển trượt, điều khiển mờ (Fuzzy), LQR, mạng nơ-ron BPNN, thuật toán tối ưu bầy đàn (PSO) và thuật toán di truyền (GA) để điều khiển bám vị trí, bù ma sát phi tuyến và giảm tiêu hao năng lượng.
Nghiên cứu mô phỏng và điều khiển tàu thủy tại Việt Nam Nhóm nghiên cứu ĐH Hàng hải Việt Nam và ĐH Giao thông Vận tải TP.HCM [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]. Ứng dụng mô hình Nomoto 1DOF [1, 2]; mô hình điều khiển tàu tự hành bằng UML/MARTE [3]; điều khiển trượt, Backstepping và mạng nơ-ron cho tàu 3DOF [4]; điều khiển dự báo MPC tuyến tính từng đoạn kết hợp bộ quan sát trạng thái và mô hình HIL [5, 6]; điều khiển thích nghi ADP với cấu trúc AC-NNs và giải thuật off-policy IRL [7].

Khoảng trống nghiên cứu được lựa chọn giải quyết

Các công trình mô phỏng hàng hải trong nước chủ yếu khảo sát mô hình toán 1DOF hoặc 3DOF trên mặt phẳng ngang trong môi trường Matlab/Simulink 2D, chưa triển khai mô hình không gian trạng thái 6DOF đầy đủ gắn với phần mềm đồ họa 3D tương tác thời gian thực.

Đối với các nghiên cứu quốc tế về sàn treo chuyển động:

  1. Phương án đưa tín hiệu lực/mô-men đồng thời vào mô hình 3D và mô hình điều khiển song song kết hợp vòng kín PID/LQR/Fuzzy tuy giảm bớt độ trễ nhưng gây sai số bám lớn (có trường hợp sai số lên tới 32%).
  2. Phương án điều khiển bám góc quay trực tiếp từ mô hình 3D thường gặp phải hiện tượng trễ pha lớn (đạt tới 1200 ms) do trễ tính toán động học và trễ truyền thông, đồng thời thuật toán xấp xỉ góc quay servo khi góc nghiêng lớn ($\pm 15^\circ$) gây sai lệch tới 5%.

Luận án tập trung giải quyết khoảng trống này bằng cách thiết lập giải thuật động học ngược giải tích chính xác, kết hợp mạng nơ-ron MLP để dự báo trước quỹ đạo góc quay nhằm bù trừ hoàn toàn độ trễ truyền động của tổ hợp PLC - Servo Motor.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình toán học

Luận án sử dụng mô hình toán học không gian trạng thái mô tả chuyển động 6 bậc tự do của tàu thủy theo chuẩn Fossen (1990, 2011):

$$\eta = [x_0, y_0, z_0, \phi, \theta, \psi]^T$$

$$\nu = [u, v, w, p, q, r]^T$$

Mô hình cân bằng động lực học tổng quát có dạng:

$$M_{RB}\dot{\nu} + C_{RB}(\nu)\nu + M_A\dot{\nu} + C_A(\nu)\nu + D(\nu)\nu + g(\eta) = \tau_{prop} + \tau_{rudder} + \tau_{env}$$

Trong đó:

  • $M_{RB}$ và $C_{RB}(\nu)$ là ma trận quán tính và ma trận Coriolis của chất rắn (thân tàu).
  • $M_A$ và $C_A(\nu)$ là ma trận khối lượng nước kèm (added mass) và ma trận Coriolis thủy động lực học.
  • $D(\nu) = D_{lin} + D_{nonlin}(\nu)$ là ma trận giảm chấn thủy động học gồm thành phần tuyến tính và phi tuyến do ma sát bề mặt, tạo sóng bức xạ và bong bóng xoáy.
  • $g(\eta)$ là vectơ lực phục hồi do trọng lực và lực nổi thủy tĩnh.
  • $\tau_{prop}$ là lực và mô-men từ chân vịt chính và chân vịt mũi, phụ thuộc vào số vòng quay $u = n|n|$.
  • $\tau_{rudder}$ là lực và mô-men do bánh lái tạo ra, phụ thuộc vào diện tích bánh lái $A_r$, hệ số nâng $C_F$, vận tốc dòng chảy $V_{av}$ và góc bẻ lái $\delta$.
  • $\tau_{env} = \tau_{current} + \tau_{wind} + \tau_{wave}$ là tổng hợp lực và mô-men do nhiễu loạn môi trường:
    • Dòng chảy: Biểu diễn qua vận tốc dòng trôi $v_c \in \mathbb{R}^6$ tác động lên vận tốc tương đối của tàu.
    • Gió: Áp dụng mô hình Isherwood (1972) với 8 thông số hình học thân tàu nổi ($L, B, A_L, A_T, A_{SS}, S, C, M$) để tính các hệ số lực $C_X, C_Y$ và mô-men $C_K$.
    • Sóng: Mô hình đáp ứng sóng tuyến tính thông qua xấp xỉ hàm mật độ phổ $S(\omega)$ bằng hàm truyền bậc hai kết hợp quá trình nhiễu trắng Gauss và lực trôi sóng biến thiên chậm dạng quá trình Wiener.

Cấu trúc hình học của cơ cấu chuyển động sàn treo 3DOF buồng lái được xây dựng dựa trên nguyên lý bệ Stewart với 3 chuỗi động học tay quay - tay đòn nối giữa khung đế tam giác cố định và mặt sàn chuyển động.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Thiết lập hệ phương trình vi phân phi tuyến 6DOF mô tả chuyển động tàu và phương trình hình học xác định vị trí góc của các tay quay servo (động học ngược).
  • Phương pháp mô phỏng số:
    • Sử dụng Unity Engine (ngôn ngữ C#) để tính toán tương tác vật lý thông qua module Rigidbody, kết xuất hình ảnh 3D thời gian thực với các công cụ tạo môi trường (SilverLining cho bầu trời/thời tiết, Triton Ocean cho mô phỏng mặt sóng, World Composer cho địa hình thực tế).
    • Sử dụng Matlab/Simulink và Neural Network Toolbox để huấn luyện mạng nơ-ron MLP, giải thuật toán Newton-Raphson cho bài toán động học thuận để kiểm chứng đáp ứng bám quỹ đạo.
  • Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo mô hình buồng lái kích thước thực gắn trên sàn treo 3DOF; lắp ráp tủ điều khiển sử dụng PLC Delta, 3 bộ biến dòng Drive/Servo Motor, cảm biến góc nghiêng QK-AS08, giao tiếp máy tính qua OPC Server và Modbus TCP để đo đạc thông số thực tế.

Nội dung chính theo từng chương

Bảng tổng hợp các thành phần chuyển động của tàu thủy và sàn treo

Bậc tự do Chuyển động của tàu thủy (6DOF) Chuyển động của sàn treo (3DOF) Ký hiệu vị trí Ký hiệu vận tốc Cơ cấu chấp hành / Thiết bị đo
1 Trượt dọc (Surge) - $x_0$ $u$ Mô hình tính toán Unity 3D
2 Trượt ngang (Sway) - $y_0$ $v$ Mô hình tính toán Unity 3D
3 Trượt đứng (Heave) Trượt dọc trục thẳng đứng $z_0$ $w$ 3 Động cơ Servo / Cảm biến QK-AS08
4 Lắc ngang (Roll) Nghiêng ngang $\phi$ $p$ 3 Động cơ Servo / Cảm biến QK-AS08
5 Lắc dọc (Pitch) Nghiêng dọc $\theta$ $q$ 3 Động cơ Servo / Cảm biến QK-AS08
6 Quay trở (Yaw) - $\psi$ $r$ Vô lăng lái / Bánh lái tàu

Chương 1. Tổng quan về mô phỏng hàng hải và mô hình toán động lực học của chuyển động tàu thủy

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về mô phỏng hàng hải, cấu trúc phần cứng và phần mềm của các hệ thống buồng lái mô phỏng tiêu chuẩn. Chương này phân tích chi tiết tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, chỉ rõ các giới hạn về trễ đồng bộ và sai số góc quay trong các hệ thống tích hợp sàn chuyển động hiện hành.

Nội dung trọng tâm của chương là thiết lập hệ phương trình toán học mô tả chuyển động tàu thủy dạng không gian trạng thái với 6 bậc tự do:

  1. Xác lập mối quan hệ giữa hệ tọa độ cố định gắn với trái đất ($Oxyz$) và hệ tọa độ động gắn với thân tàu ($O_b x_b y_b z_b$).
  2. Mô tả chi tiết các ma trận thành phần: ma trận quán tính tàu $M_{RB}$, ma trận Coriolis chất rắn $C_{RB}(\nu)$, ma trận khối lượng nước kèm $M_A$, ma trận Coriolis thủy động $C_A(\nu)$, và ma trận giảm chấn phi tuyến $D(\nu)$.
  3. Tính toán vectơ ngoại lực và mô-men tác động gồm lực đẩy chân vịt chính/mũi, lực nâng bánh lái, cùng hệ phương trình lực và mô-men do các yếu tố môi trường (dòng chảy đại dương, áp lực gió theo mô hình Isherwood và phổ sóng biển).

Chương 2. Mô phỏng chuyển động 3D tàu thuỷ và xây dựng mô hình tín hiệu điều khiển 3 trục tự do của sàn treo cabin

Chương 2 chuyển đổi các phương trình vi phân động lực học từ Chương 1 thành các thuật toán tương tác thời gian thực trong môi trường đồ họa Unity 3D:

  1. Mô phỏng 3D trên Unity: Ứng dụng module Rigidbody để giải hệ phương trình động lực học; xây dựng các khối tính toán lực nổi thủy tĩnh theo phương pháp chia nhỏ bề mặt ngập nước thành các tam giác; tích hợp các gói phần mềm chuyên dụng để tạo cảnh quan hàng hải gồm hiệu ứng bầu trời, ngày đêm, mưa bão (SilverLining), hiệu ứng mặt sóng biển động (Triton Ocean) và địa hình luồng lạch thực tế (World Composer); xây dựng mô hình 3D cho tàu chủ và các tàu mục tiêu (tàu chở hàng rời Bulk Carrier, tàu bách hóa Cargo).
  2. Xây dựng mô hình động học sàn treo 3DOF: Thiết kế cơ cấu cơ khí dạng Stewart platform thu gọn gồm 3 động cơ servo điều khiển 3 tay đòn đỡ mặt sàn tam giác. Thiết lập thuật toán giải bài toán động học ngược dạng giải tích chính xác để tính toán góc quay của 3 trục động cơ servo ($\alpha_1, \alpha_2, \alpha_3$) từ các giá trị đặt về độ nghiêng ngang ($\phi$), độ chúi dọc ($\theta$) và độ nâng hạ thẳng đứng ($z$).
  3. Kiểm chứng bằng động học thuận: Ứng dụng thuật toán lặp số Newton-Raphson trên Matlab/Simulink để giải bài toán động học thuận, kiểm tra độ hội tụ và độ chính xác bám tín hiệu khi sàn chuyển động độc lập từng trục (chỉ có roll, chỉ có pitch, chỉ có heave) và chuyển động hỗn hợp đồng thời cả 3 trục.
  4. Cấu trúc điều khiển PLC: Thiết lập cấu trúc vòng lặp điều khiển vị trí nối tầng trên PLC Delta phát xung (lệnh DRVA) điều khiển Drive/Servo, phân tích mạch bù nhiễu tải Feedforward để cải thiện đáp ứng cơ học.

Chương 3. Thiết kế bộ điều khiển dự báo ứng dụng mạng nơron nhân tạo trong điều khiển sàn treo

Chương 3 giải quyết triệt để vấn đề thời gian trễ truyền động và trễ mạng trong hệ thống mô phỏng bằng phương pháp học máy:

  1. Thiết kế mạng nơ-ron MLP: Xây dựng mạng nơ-ron truyền thẳng nhiều lớp (Multilayer Perceptron - MLP) sử dụng công cụ Matlab/NNtool. Mạng nhận đầu vào là chuỗi dữ liệu chuyển động từ mô hình 3D trong quá khứ và hiện tại để dự báo trước giá trị tham chiếu góc quay ($\alpha_1, \alpha_2, \alpha_3$) cho các động cơ servo ở các bước thời gian kế tiếp.
  2. Huấn luyện mạng: Thu thập tập dữ liệu mẫu chuyển động lắc ngang, lắc dọc và trượt đứng của tàu trong các điều kiện sóng gió khác nhau (lưu tại Phụ lục 1 và Phụ lục 2); tối ưu hóa hàm mục tiêu sai số trung bình bình phương (MSE) bằng thuật toán lan truyền ngược (Backpropagation), đánh giá qua hệ số tương quan hồi quy $R$.
  3. Thiết kế và chế tạo phần cứng:
    • Chế tạo hoàn chỉnh bàn điều khiển buồng lái (control console) gồm bảng điều khiển máy chính, máy lái, neo, chân vịt mũi, vô lăng lái tích hợp biến trở/encoder và các cụm nút ấn công nghiệp.
    • Thiết lập cấu trúc truyền thông điều khiển phân tán: Máy tính mô phỏng 3D kết nối với Matlab/Simulink và khối mạng nơ-ron qua giao thức OPC (OPC Configuration, OPC Read, OPC Write, OPC Quality Parts); Matlab truyền dữ liệu góc quay dự báo xuống PLC Delta qua mạng công nghiệp Modbus TCP/Ethernet; PLC trực tiếp điều khiển các bộ Driver Servo.
    • Bố trí cảm biến đo quán tính 3 trục QK-AS08 trên sàn treo để đo kiểm phản hồi chuyển động thực tế.
  4. Kết quả thực nghiệm mô hình vật lý: So sánh đáp ứng góc nghiêng, lắc và trượt đứng của mô hình sàn treo vật lý khi có tích hợp bộ dự báo mạng nơ-ron MLP với tín hiệu đặt từ mô phỏng 3D. Kết quả thực nghiệm chứng minh hệ thống triệt tiêu được độ trễ pha và duy trì sai số bám trong giới hạn cho phép.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  1. Luận án đã đề xuất cấu trúc điều khiển phân tách cho hệ thống sàn treo 3 bậc tự do của buồng lái mô phỏng hàng hải thành hai khối chức năng độc lập: Khối dự báo góc quay và Khối điều khiển vị trí cơ cấu chấp hành.
  2. Tổng hợp và hoàn thiện cơ sở lý thuyết của thuật toán dự báo trước góc quay động cơ servo bằng mạng nơ-ron nhân tạo nhiều lớp truyền thẳng (MLP), tạo cơ sở phương pháp luận để khắc phục độ trễ pha vốn có giữa hệ thống hiển thị hình ảnh 3D và cơ cấu chấp hành cơ khí trong các hệ thống mô phỏng chuyển động.
  3. Thiết lập hệ thống phương trình động học ngược giải tích chính xác cho cơ cấu Stewart platform 3DOF truyền động bằng tổ hợp tay quay - tay đòn, loại bỏ hoàn toàn sai số 5% do tính toán gần đúng trong các nghiên cứu trước đây khi góc nghiêng đạt tới $\pm 15^\circ$.

Những đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp kỹ thuật

  1. Thiết kế, chế tạo thành công hệ thống mô phỏng buồng lái tàu thủy hoàn chỉnh tại Việt Nam bao gồm: cabin buồng lái kích thước thực ($2{,}4\text{ m} \times 1{,}75\text{ m}$, tải trọng $1300\text{ kg}$), bàn điều khiển control console tích hợp đầy đủ các thiết bị hàng hải (máy lái, máy chính, neo, chân vịt mũi, Radar/ARPA, ECDIS, Conning), và sàn chuyển động 3DOF kiểu Stewart platform.
  2. Xây dựng phần mềm mô phỏng động học tàu thủy 6DOF trên nền tảng Unity 3D, tích hợp đầy đủ mô hình toán học về lực cản, lực đẩy và tương tác môi trường (sóng biển Triton, bầu trời SilverLining, địa hình luồng lạch World Composer).
  3. Triển khai thành công cấu trúc mạng truyền thông thời gian thực đồng bộ giữa phần mềm đồ họa Unity 3D, phần mềm tính toán dự báo Matlab/Simulink và thiết bị điều khiển công nghiệp PLC Delta qua chuẩn OPC và Modbus TCP, ứng dụng các linh kiện cơ điện tử phổ biến trên thị trường giúp giảm giá thành chế tạo.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Mô hình tính toán động học tàu thủy và các thử nghiệm thực nghiệm mới tập trung khảo sát trên một lớp tàu cụ thể có chiều dài $55\text{ m}$, chiều rộng $9{,}6\text{ m}$ và tải trọng $4429\text{ tấn}$; chưa mở rộng đánh giá định lượng trên nhiều cấu hình tàu có kích thước và tải trọng khác nhau (như tàu container cỡ lớn hoặc tàu chuyên dụng).
  • Cơ cấu sàn treo vật lý được thiết kế và thực nghiệm ở cấu hình 3 bậc tự do (lắc ngang, lắc dọc, trượt đứng), chưa bao quát toàn bộ 6 bậc tự do của chuyển động tàu trong không gian.
  • Dữ liệu sóng gió thử nghiệm trong phần mềm mô phỏng được giới hạn theo các dải thông số kỹ thuật đặt trước (gió $0 - 30\text{ knots}$, dòng chảy $0 - 5\text{ knots}$).

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng thuật toán dự báo và mô hình động học cho nhiều kiểu loại tàu thủy với các đặc tính thủy động lực học đa dạng.
  • Nghiên cứu phát triển và nâng cấp cơ cấu chuyển động sàn treo lên 6 bậc tự do (6DOF) đầy đủ nhằm nâng cao độ chân thực cho các bài huấn luyện điều động tàu phức tạp.
  • Tích hợp thêm module liên kết truyền thông giữa phòng mô phỏng buồng lái với phòng mô phỏng buồng máy và bảng điện để tạo thành tổ hợp mô phỏng toàn tàu hoàn chỉnh.

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng

  • Cơ sở đào tạo và viện nghiên cứu hàng hải: Cung cấp tài liệu tham khảo kỹ thuật chi tiết để tự chủ thiết kế, chế tạo các phòng mô phỏng lái tàu đáp ứng tiêu chuẩn IMO Model Course 1.22 và Thông tư 15/2019/TT-BGTVT với chi phí thấp hơn nhiều so với nhập ngoại.
  • Giảng viên và nghiên cứu sinh chuyên ngành Điều khiển - Tự động hóa: Là tài liệu chuyên khảo về việc kết hợp giữa lý thuyết điều khiển hiện đại (mạng nơ-ron ANN/MLP), mô hình toán động lực học phi tuyến, thuật toán giải động học song song (Newton-Raphson) và kỹ thuật điều khiển chuyển động công nghiệp sử dụng PLC.
  • Kỹ sư và doanh nghiệp phát triển thiết bị mô phỏng: Cung cấp giải pháp kỹ thuật thực tế về việc ghép nối truyền thông thời gian thực giữa các nền tảng phần mềm đồ họa (Unity 3D), phần mềm toán học (Matlab) và phần cứng công nghiệp (PLC, Servo, cảm biến).

Nội dung có giá trị tham khảo cao

  • Bản vẽ cấu trúc hình học, thuật toán động học ngược và động học thuận của cơ cấu Stewart platform 3DOF sử dụng động cơ servo.
  • Hệ phương trình không gian trạng thái 6DOF mô tả chi tiết các ma trận thủy động lực học và các mô hình nhiễu môi trường sóng, gió Isherwood, dòng chảy.
  • Quy trình thu thập dữ liệu, cấu hình khối giao tiếp OPC và huấn luyện mạng nơ-ron MLP phục vụ dự báo chuỗi thời gian trong điều khiển vị trí servo.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án giải quyết vấn đề độ trễ truyền động giữa hình ảnh 3D và sàn treo vật lý bằng giải pháp kỹ thuật nào?

Tác giả đề xuất cấu trúc điều khiển phân tách, đưa thêm khối dự báo góc quay ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo nhiều lớp truyền thẳng (MLP) vào trước khối điều khiển vị trí của PLC. Mạng MLP được huấn luyện để dự báo trước quỹ đạo góc quay cần đạt của các trục servo dựa trên dữ liệu chuyển động quá khứ từ phần mềm 3D, từ đó phát lệnh điều khiển sớm đến PLC để bù trừ thời gian trễ truyền thông và quán tính cơ học của hệ thống.

2. Mô hình động học tàu thủy trong luận án được xây dựng dựa trên đối tượng tàu và các dải thông số môi trường cụ thể nào?

Luận án xây dựng mô hình toán 6 bậc tự do cho lớp tàu có chiều dài $L = 55\text{ m}$, chiều rộng $B = 9{,}6\text{ m}$, tải trọng $4429\text{ tấn}$, trang bị 01 chân vịt chính và 01 bánh lái. Các yếu tố môi trường mô phỏng gồm: gió có vận tốc trong dải $0 - 30\text{ knots}$, sóng biển theo 12 cấp thang Beaufort, và dòng chảy đại dương trong dải vận tốc $0 - 5\text{ knots}$.

3. Cấu trúc phần cứng của hệ thống sàn treo buồng lái mô phỏng được chế tạo với các thông số kỹ thuật nào?

Cabin buồng lái có kích thước mặt sàn $2{,}4\text{ m}$, chiều cao $1{,}75\text{ m}$, khối lượng đủ tải khoảng $1300\text{ kg}$, bên trong tích hợp bàn điều khiển control console, Radar/ARPA, ECDIS, Conning. Sàn chuyển động 3DOF (lắc ngang, lắc dọc, trượt đứng) được thiết kế theo nguyên lý Stewart platform, dẫn động bởi 3 động cơ servo Delta qua cơ cấu tay quay - tay đòn, điều khiển bởi PLC Delta và đo kiểm bằng cảm biến góc nghiêng 3 trục QK-AS08.

4. Thuật toán Newton-Raphson được sử dụng nhằm mục đích gì trong luận án?

Thuật toán lặp số Newton-Raphson được sử dụng trong môi trường Matlab/Simulink để giải bài toán động học thuận cho cơ cấu sàn treo 3DOF. Mục đích là từ góc quay của 3 trục động cơ servo tính toán ngược lại vị trí và góc nghiêng thực tế của mặt sàn, từ đó kiểm chứng tính đúng đắn của giải thuật động học ngược và đánh giá sai số bám quỹ đạo của sàn treo trong các kịch bản mô phỏng.

Kết luận

Luận án của tác giả Trương Công Mỹ đã hoàn thành việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thực nghiệm hệ thống mô phỏng chuyển động tàu thủy buồng lái tích hợp sàn treo ba bậc tự do kiểu Stewart platform. Bằng việc phân tách cấu trúc điều khiển và ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo MLP để dự báo trước góc quay động cơ servo, công trình đã giải quyết được các hạn chế về sai số góc quay lớn và độ trễ pha giữa hình ảnh mô phỏng 3D trên Unity với cảm giác chuyển động vật lý. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn cao, đóng góp giải pháp kỹ thuật hoàn chỉnh phục vụ tự chủ sản xuất trang thiết bị đào tạo hàng hải tại Việt Nam.