BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ QUỐC PHÒNG
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

VŨ TÀI TÚ

XÁC ĐỊNH THAM SỐ DAO ĐỘNG CỦA TÀU THỦY
HOẠT ĐỘNG TRONG MƠI TRƯỜNG SĨNG BIỂN
VÀ GIẢI PHÁP XÂY DỰNG HỆ THỐNG MÔ PHỎNG

Ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 9 52 02 03

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội – 2023


Luận án được hồn thành tại:
VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ QUÂN SỰ

Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS Nguyễn Quang Hùng
GS.TS Chu Anh Mỳ

Phản biện 1: PGS.TS Hoàng Văn Phúc
Học viện Kỹ thuật quân sự

Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Cảnh Minh
Trường Đại học Giao thông vận tải

Phản biện 3: TS Lê Thanh Hải
Viện Khoa học và Công nghệ quân sự

Luận án được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án cấp Viện, họp tại Viện
Khoa học và Công nghệ Quân sự vào hồi…. giờ… ngày….tháng… năm…..

Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Viện KH-CN quân sự.
- Thư viện Quốc gia Việt Nam.


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài luận án
Việt Nam là quốc gia biển với bờ biển dài trên 3.260 km trải dài từ Bắc
xuống Nam, đứng thứ 27 trong số 157 quốc gia biển trên thế giới. Biển không
chỉ chứa đựng tiềm năng kinh tế to lớn, cửa ngõ mở rộng quan hệ giao thương
với quốc tế mà cịn đóng vai trị quan trọng bảo đảm an ninh, quốc phòng, đồng
thời là địa bàn chiến lược trọng yếu trong cơng cuộc xây dựng và bảo vệ Tổ
quốc. Vì vậy, bảo vệ chủ quyền biển, đảo thiêng liêng của Tổ quốc trở thành một
trong những nhiệm vụ trọng yếu, thường xuyên, lâu dài đối với toàn Đảng, toàn
quân và tồn dân ta.
Để tăng cường khả năng phịng thủ và bảo vệ lãnh thổ, trong những năm
gần đây đã có nhiều chương trình khoa học cơng nghệ cấp Bộ Quốc phòng, cấp
Nhà nước được thực hiện nhằm nâng cao hiệu quả, uy lực của vũ khí, đáp ứng
yêu cầu tác chiến trên biển trong chiến tranh hiện đại và chiến tranh cơng nghệ
cao. Đã có nhiều nhiệm vụ, đề tài nghiên cứu thiết kế, chế tạo vũ khí, khí tài đặt
trên tàu, như: đề tài về pháo 37 mm hai nòng đặt trên tàu Hải quân; cải tiến pháo
25 mm đặt trên tàu Cảnh sát biển; nghiên cứu, thiết kế chế tạo đạn pháo Hải quân

ĐPST 630; nghiên cứu, thiết kế chế tạo cụm thân pháo AK630; và đề tài nghiên
cứu thiết kế chế tạo đạn nhiễu ĐN-10 cho tàu Hải quân.
Trong thực tế, dưới tác động của sóng biển, các dao động của tàu không
chỉ trở nên phức tạp mà cịn ảnh hưởng rất nhiều đến các q trình chuyển động,
điều hướng và vận hành các thiết bị lắp đặt trên tàu. Đặc biệt, do sự rung lắc của
tàu trong các điều kiện sóng biển khác nhau thì các hệ thống vũ khí, khí tài trên
tàu hoạt động kém hiệu quả, thiếu chính xác và kém ổn định.
Với mục tiêu nâng cao tính ổn định và hiệu quả cho việc vận hành khai
thác vũ khí, trang thiết bị trên tàu thì các trang thiết bị này cần được hiệu chỉnh
dựa trên các quá trình đánh giá thống kê về tác động của tàu trong điều kiện thực
tế. Để có được các kết quả đánh giá thống kê này, ta cần phải thực hiện rất nhiều
quy trình đo đạc về các dao động của tàu khi hoạt động trên biển trong các điều
kiện khác nhau như: tàu chạy ở các cấp sóng khác nhau, các tốc độ khác nhau,
các phương truyền sóng khác nhau so với phương chuyển động của tàu, ... Tuy
nhiên, việc tiến hành đo đạc dao động của tàu ở tất cả các điều kiện khai thác có
thể có của tàu là rất khó thực hiện bởi số lượng các phép đo rất lớn và chi phí
cũng rất tốn kém. Vì vậy, việc nghiên cứu xây dựng một hệ thống mơ phỏng dao
động của tàu trên sóng ở ngay trong phịng thí nghiệm mà nó có chức năng tạo
ra các dao động vật lý giống như dao động của tàu hoạt động trong các điều kiện


2

sóng biển khác nhau là vơ cùng cấp thiết. Hệ thống này không chỉ sử dụng cho
việc đo đạc các dao động của tàu mà còn để thử nghiệm, đánh giá các tác động
của sóng biển đến khả năng vận hành khai thác các vũ khí, trang bị lắp đặt trên
tàu.
Tuỳ thuộc vào mỗi mơ hình thuỷ động lực học của tàu cần khảo sát cũng
như khả năng đầu tư đã có nhiều các phương pháp xây dựng hệ thống mơ phỏng
dao động của tàu trên sóng đã được đề xuất trong những năm gần đây. Trong bối

cảnh hiện nay, việc tiếp cận mơ hình thuỷ động lực học của tàu một cách chi tiết
cịn gặp nhiều khó. Do vậy, việc nghiên cứu làm chủ một giải pháp xây dựng hệ
thống mơ phỏng tàu trên sóng trong trường hợp khơng thể tiếp cận mơ hình thuỷ
động lực học của tàu là rất cần thiết, có ý nghĩa thực tiễn cao và hoàn toàn phù
hợp với định hướng nghiên cứu làm chủ và phát triển các vũ khí trang bị kỹ thuật
hiện đại của quân đội ta.
Trên cơ sở đó, đề tài luận án “Xác định tham số dao động của tàu thủy
hoạt động trong mơi trường sóng biển và giải pháp xây dựng hệ thống mô phỏng”
sẽ tập trung nghiên cứu các kỹ thuật, phương pháp và thuật toán nhằm xây dựng
hệ thống mô phỏng dao động của tàu trên sóng nhằm phục vụ cho cơng tác thử
nghiệm, hiệu chỉnh vũ khí, khí tài lắp đặt trên tàu quân sự. Trong đó, luận án tập
trung đề xuất giải pháp xác lập mơ hình tín hiệu dao động, các giải pháp đo đạc
và hệ thống thiết bị đo các thông số dao động của tàu trên sóng dựa trên phép
nội suy, để đạt được các tiêu chí về đo lường và phù hợp với yêu cầu dùng cho
nghiên cứu sự ảnh hưởng của dao động của tàu trên sóng đối với sự hoạt động
của vũ khí, khí tài lắp đặt trên tàu. Các kết quả nghiên cứu của luận án sẽ đóng
góp thêm cơ sở khoa học trong nghiên cứu, tính tốn, tiến tới làm chủ giải pháp
thiết kế và cơng nghệ chế tạo các hệ thống mô phỏng dao động của tàu trên sóng
trong điều kiện mơi trường Việt Nam. Thành công của luận án sẽ mở ra hướng
nghiên cứu tiếp theo, góp phần thúc đẩy phát triển các định hướng nghiên cứu
khoa học và công nghệ về lĩnh vực giảm thiểu sự ảnh hưởng của dao động của
tàu quân sự trên sóng biển với các trang bị vũ khí, khí tài được trang bị trong
quân đội nước ta.
2. Mục đích nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu của luận án là nghiên cứu đề xuất một giải pháp xây
dựng hệ thống mơ phỏng dao động của tàu trên sóng theo phương pháp kết hợp
lý thuyết và thực nghiệm đảm bảo tính hiệu quả và khả thi trong điều kiện không
thể tiếp cận mơ hình thủy động lực học của tàu nhằm phục vụ cho thử nghiệm,
hiệu chỉnh vũ khí, khí tài lắp đặt trên tàu.



3

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án bao gồm sự tương tác giữa thân tàu và
sóng biển, các thiết bị đo lường hiện đại, hệ vật lý Stewart - Gough Platform, và
hệ thống mơ phỏng dao động của tàu trên sóng. Phạm vi nghiên cứu của luận án
bao gồm các vấn đề liên quan đến giải pháp xây dựng hệ thống mô phỏng dao
động của tàu trên sóng theo phương pháp kết hợp lý thuyết và thực nghiệm.
4. Phương pháp nghiên cứu của đề tài
Đề tài luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu dựa trên tham khảo tài
liệu, tính tốn lý thuyết, mô phỏng kết hợp với thực nghiệm, bao gồm:
- Áp dụng các phương pháp thu thập thông tin, tài liệu và phân tích các
cơng trình, bài báo khoa học đã công bố để xác định hướng nghiên cứu và đề
xuất giải pháp giải quyết các vấn đề còn tồn tại theo hướng nghiên cứu đã xác
định.
- Phân tích lý thuyết về sóng biển, lý thuyết về thủy động lực học tàu thủy
và dao động của tàu trên sóng, các mơ hình tốn học trong bộ cơng cụ của hệ
thống mơ phỏng hàng hải MSS (Marine Systems Simulator) trong thư viện của
Matlab/Simulinks để phân tích và xây dựng giải pháp xác lập mơ hình tín hiệu
dao động của tàu trên sóng dựa trên số liệu đo thực nghiệm trên tàu ở điều kiện
biển thực tế.
- Áp dụng các phương pháp và kỹ thuật của các ngành điện tử, cơ khí
động lực và kỹ thuật đo lường thử nghiệm để đề xuất giải pháp xây dựng hệ
thống thiết bị đo dao động và xây dựng hệ thống mô phỏng dao động của tàu
trên sóng trên nền tảng hệ HexaPod 6-DOF.
5. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về mô phỏng dao động của tàu trên sóng và tình
tình nghiên cứu có liên quan, phân tích và lựa chọn mơ hình và đề xuất hướng
giải quyết hướng đến xây dựng hệ thống mơ phỏng dao động của tàu trên sóng

theo phương pháp kết hợp lý thuyết và thực nghiệm, đảm bảo tính khả thi và phù
hợp với điều kiện Việt Nam.
- Nghiên cứu xây dựng giải pháp xác lập mơ hình tín hiệu dao động của
tàu trên sóng dựa trên phép nội suy từ các số liệu đo thực nghiệm trong điều kiện
biển thực kết hợp với các mơ hình lý thuyết về sóng biển và thủy động lực học
của tàu trong bộ công cụ mô phỏng của MSS.
- Nghiên cứu xây dựng giải pháp đo và hệ thống thiết bị đo để đo đạc các
thông số dao động của tàu trên sóng trong điều kiện thực, đảm bảo khả năng
phân tách các thành phần dao động theo 6-DOF, làm cơ sở cho thực hiện phép


4

nội suy để xác lập mơ hình tín hiệu dao động của tàu trên sóng dựa trên các số
liệu đo thực nghiệm.
- Nghiên cứu giải pháp thiết kế hệ tạo dao động giả lập dao động của tàu
trên sóng trên nền tảng hệ HexaPod 6-DOF, đảm bảo phù hợp với yêu cầu dùng
cho nghiên cứu ảnh hưởng của dao động của tàu trên sóng đối với sự hoạt động
của các loại thiết bị quân sự (vũ khí, khí tài...) lắp đặt trên tàu.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Về ý nghĩa khoa học, luận án đã bổ sung vào lĩnh vực mô phỏng dao động
của tàu trên sóng một phương pháp mơ phỏng kết hợp lý thuyết và thực nghiệm.
Trong đó, xác lập mơ hình tín hiệu dao động của tàu trên sóng được thực hiện
dựa trên phép nội suy từ bộ số liệu đo thực nghiệm dao động trên tàu ở điều kiện
biển thực cùng với mơ hình động lực học của tàu và mơ hình sóng biển trong bộ
cơng cụ hệ thống mơ phỏng hàng hải MSS.
Về ý nghĩa thực tiễn, luận án đã đề xuất một giải pháp xây dựng hệ thống
mô phỏng dao động của tàu trên sóng khả thi trong điều kiện khơng thể tiếp cận
mơ hình thủy động lực học chi tiết của tàu, dùng cho nghiên cứu và thử nghiệm
tác động dao động của tàu trên sóng đến hiệu quả hoạt động của các vũ khí trang

bị đặt trên tàu.
7. Cấu trúc của luận án
Luận án được trình bày theo cấu trúc gồm 4 chương, như sau:
Chương 1. Tổng quan về mô phỏng dao động của tàu thủy trên sóng và
hướng nghiên cứu của luận án. Nội dung trình bày khái quát về hệ thống và
phương pháp mô phỏng dao động của tàu trên sóng, các biểu diễn tốn học tác
động của sóng đến dao động của tàu, và tổng quan về các nghiên cứu có liên
quan, từ đó xác định yêu cầu khoa học và yêu cầu thực tiễn đối với mơ phỏng
dao động của tàu trên sóng và định hướng nghiên cứu của luận án.
Chương 2. Xác lập mơ hình tín hiệu dao động của tàu trên sóng trên cơ
sở nội suy từ số liệu thực nghiệm.
Nội dung trình bày kết quả thực hiện nội dung nghiên cứu 2, trong đó
trình bày về một giải pháp xác lập mơ hình tín hiệu dao động của tàu trên sóng
dựa trên các mơ hình lý thuyết và từ bộ số liệu đo thực nghiệm ở điều kiện biển
thực tế.
Chương 3. Xây dựng giải pháp đo thực nghiệm xác định tham số dao
động của tàu trên sóng.
Nội dung trình bày kết quả nội dung nghiên cứu 3, trong đó đề cập yêu
cầu và giải pháp xây dựng hệ đo dao động của tàu trên sóng đảm bảo thỏa mãn


5

yêu cầu của phương pháp mô phỏng kết hợp lý thuyết và thực nghiệm. So sánh
kết quả đo thực nghiệm trên biển và tính tốn lý thuyết.
Chương 4. Giải pháp thiết kế hệ tạo dao động giả lập trên nền tảng hệ
HexaPod 6-DOF.
Nội dung trình bày kết quả nội dung nghiên cứu 4, trong đó đề xuất một
giải pháp thiết kế hệ tạo dao động giả lập dao động của tàu trên sóng trên nền
tảng một hệ HexaPod 6-DOF phù hợp với phương pháp mô phỏng kết hợp lý

thuyết và thực nghiệm. Thực hiện các phép kiểm tra đánh giá khả năng mô
phỏng.


6

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÔ PHỎNG DAO ĐỘNG CỦA TÀU
THỦY TRÊN SÓNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN
Chương 1 trình bày về nguyên lý và các phương pháp tạo tín hiệu dao
động của tàu trên sóng cho các tàu qn sự dựa trên mơ hình động lực học của
tàu và sóng biển. Tổng quan tình hình nghiên cứu về mơ phỏng dao động của
tàu trên sóng, các xu hướng nghiên cứu về phân tích, xác định các tham số dao
động của tàu trên sóng cũng được thể hiện trong chương này. Trên cơ sở bài toán
đo lường và phân tách các thành phần dao động của tàu do sự ảnh hưởng của
sóng biển, nghiên cứu sinh đề xuất các hướng nghiên cứu trong khn khổ luận
án.
Mơ hình cấu trúc và phương pháp mô phỏng dao động của tàu trên sóng
1.1.1 Ngun lý xây dựng và mơ hình cấu trúc hệ thống mơ phỏng dao động
của tàu trên sóng:
Các dao động của tàu trên mặt
nước bao gồm:
- chòng chành tịnh tiến dọc
(Surge);
- chòng chành tịnh tiến ngang
(Sway);
- chòng chành thẳng đứng Hình 1.1 Các dao động của tàu
(Heave);
- chịng chành mạn (Roll);
- chịng chành sống chính (Pitch);
- chịng chành đảo lái (Yaw).

1.1.2 Phương pháp tạo dao động mô phỏng
Dựa trên mơ hình hệ thống mơ phỏng của tàu trên sóng, các phương pháp
tạo dao động của tàu trên sóng gồm 2 thành phần: (1) tạo mơ hình tín hiệu dao
động; (2) tạo dao động giả lập.
Tác động của sóng biển đến dao động của tàu và khả năng đo đạc, phân
tách các thành phần dao động của tàu trên sóng
1.2.1 Hệ quy chiếu và các tham số dao động của tàu:
Dao động của tàu trên sóng có thể được biểu diễn bằng tốn học thơng qua
3 hệ quy chiếu (Hình 1.7), bao gồm:


7

Hình 1.7. Các hệ quy chiếu được sử dụng để biểu diễn toán học
dao động của tàu.
Một là, hệ quy chiếu cố định gắn trên bờ OnXnYnZn – gọi là hệ quy chiếu
“n-frame”, có trục OXn chỉ về hướng Bắc, trục OYn chỉ về hướng Đông và trục
OZn hướng xuống dưới, được sử dụng để xác định vị trí và hướng của tàu cũng
như hướng gió và dịng chảy.
Hai là, hệ quy chiếu cố định gắn trên tàu và chuyển động cùng với tàu
ObXbYbZb - gọi là hệ quy chiếu “b-frame”, được sử dụng để xây dựng các phương
trình chuyển động của tàu. Các phép đo gia tốc và vận tốc góc tuyến tính được
thực hiện trên tàu được quy về hệ quy chiếu này. Trong hệ quy chiếu này, một
số điểm được định nghĩa, gồm: CO - gốc tọa độ Ob nằm tại giao điểm giữa mặt
phẳng sườn giữa với đường nước thiết kế của tàu; CG - trọng tâm của tàu; CB tâm nổi của tàu; CF - tâm diện tích đường nước.
Ba là, hệ quy chiếu di động so với tàu nhưng cố định so với trạng thái cân
bằng của tàu OhXhYhZh - gọi là hệ quy chiếu “h-frame” (hệ quy chiếu đi biển),
được sử dụng trong thủy động lực học để tính tốn lực và chuyển động do tương
tác giữa thân tàu và sóng trong các tình huống cụ thể.
Trong hệ quy chiếu n-frame, vị trí tổng quát của tàu được biểu diễn trên

phương trình (1.1):

η  ( pn )T , ΘT    n, e, d, , ,  
T

T

(1.1)

Trong đó, T là tốn tử chuyển vị của ma trận. pn là vị trí của tàu trong hệ
tọa độ trái đất, được biểu diễn như sau:
pn  n e d

T

(1.2)

Với n, e, d lần lượt là toạ độ của tàu trên các trục OnXn, OnYn và OnZn. 
là góc nghiêng của tàu (cũng chính là góc lệch giữa hệ toạ độ ObXbYbZb và hệ
tọa độ OnXnYnZn), thường được gọi là góc Euler. Nó có dạng như sau:


8

Θ     

T

(1.3)


Trong đó ϕ, θ, ψ lần lượt là góc quay của tàu theo trục X, Y, Z.
Trong hệ quy chiếu b-frame, chuyển động của tàu được biểu diễn trên
phương trình về vận tốc dài và vận tốc góc như sau:
- Vận tốc dài:
v 0b   u , v, w 

T

(1.4)

Với u, v, w lần lượt và vận tốc tịnh tiến theo các trục X, Y, Z.
- Vận tốc góc:
ω0b   p, q , r 

T

(1.5)

Với p, q, r lần lượt là vận tốc góc quay quanh các trục X, Y, Z.
Vận tốc tổng quát của tàu tại vị trí CO được biểu diễn dưới dạng:

v   vb0 , ω0b    u , v, w , p, q, r 
T

T

(1.6)

Theo hệ quy chiếu h-frame, lực và mô-men tác dụng lên tàu được biểu
diễn trên phương trình (1.7) và (1.8):

Lực tác dụng lên tàu:
f ob   X Y Z 

T

(1.7)

Mô-men tác dụng lên tàu:
m bo   K M

N

T

(1.8)

Và lực tổng quát tác động lên tàu sẽ được biểu diễn bởi phương trình
(1.9):

τ RB  f ob , mob    X, Y, Z, K, M, N 
(1.9)
Với mục đích xác định vị trí chuyển động của tàu trong hệ tọa độ trục trái
đất thì vận tốc dài, vận tốc góc phải được chuyển đổi từ hệ quy chiếu trên tàu (bframe) sang hệ quy chiếu cố định trên bờ (n-frame). Lúc này, vận tốc dài của tàu
trong hệ tọa độ trái đất được biểu diễn như sau:
von  R nb (Θ)vob
(1.10)
T

T


trong đó, vn0  p n , và R nb (Θ) là ma trận chuyển đổi hệ quy chiếu và được
xác định như sau (Công thức 1.11):


9

R (Θ )  R z ,  R y ,  R x , 
n
b

cos  cos   sin  cos   cos  sin  sin  sin  sin   cos  sin  cos  
  sin  cos  cos  cos   sin  sin  sin   cos  sin   sin  sin  cos  
  sin 

cos  sin 
cos  cos 
(1.11)
vận tốc của tàu trong hệ tọa độ trái đất được biểu diễn như sau:
  T (Θ)ωb
Θ
(1.12)


0

Trong đó, TΘ (Θ) là ma trận chuyển đổi hệ quy chiếu, có dạng như sau:
1 sin  tan  cos  tan  

TΘ ( Θ)   0
cos 

 sin   ,   
(1.13)
2
0 sin  / cos  cos  / cos 
Như vậy, vận tốc tổng quát của tàu theo 6-DOF trong hệ tọa độ trái đất
được biểu diễn như sau:
η  J(Θ)v
(1.14)

 R nb (Θ ) 033 

với J(Θ)  
,  .
T (Θ)
2
 033
Theo lý thuyết đi biển (seakeeping), dao động của tàu trên sóng được giả
định là sự xếp chồng dao động ở trạng thái cân bằng cộng với nhiễu loạn. Trạng
thái cân bằng được xác định bởi sự ổn định của góc hành trình ψ và tốc độ tàu u.
Cịn sự nhiễu loạn ξ được thể hiện qua thành phần dao động có trung bình bằng
0 gây ra bởi các lực kích thích sóng bậc nhất. Do đó, dao động của tàu thường
được mô tả theo trạng thái cân bằng hay hệ quy chiếu h-frame.
1.2.2 Phương trình chuyển động của tàu thủy:
Phương trình cơ bản mô tả sự chuyển động của tàu trên mặt nước có thể
được biểu diễn dưới dạng sau:
M RB ν  CRB ( ν )ν  τ RB
(1.18)
Trong đó, M RB - ma trận quán tính của tàu được xác định theo công thức:
 mI33  mS( rgb )
M RB  


b
Io 
 mS( rg )
T

(1.19)

Trong đó, rgb   x g yg zg  là véc tơ từ O đến OG được phân tách trong
hệ quy chiếu b-frame, m là khối lượng nước tàu chiếm chỗ, S – ma trận đối xứng


10

xiên, S  S , S  R
T

3x 3

. Và CRB ( ν) - ma trận hướng tâm có thể được tính từ

M RB như sau:

033
S  M11 ν1  M12 ν 2  
C( ν )  

 S  M11 ν1  M12 ν 2  S  M 21 ν1  M 22 ν 2  

(1.20)


với ν1   u , v, w  , ν 2   p, q , r  .
T

T

Trong đó, các ma trận con Mi,j, i, j = 1, 2 là các ma trận vng, kích thước
3x3 được trích suất từ ma trận M RB có kích thước 6x6.
Và khi xét chi tiết yếu tố tác động và cấu thành, phương trình động lực
học mơ tả chuyển động của tàu trên biển được xác định ở dạng:
MRB ν  CRB ( ν )ν  MA ν r  CA ( ν) ν r  D( ν) ν r  μ  g( η)  τ  τw
(1.21)
ở đây: M RB - ma trận quán tính của tàu, MRB  R 6x6 ; CRB ( ν) - ma trận
hướng tâm của tàu; M A - ma trận quán tính của khối lượng nước bổ sung; CA ( ν )
- ma trận hướng tâm của khối lượng nước bổ sung; D( ν ) - ma trận giảm chấn;
μ - lực ảnh hưởng bổ sung do độ nhớt của nước; g( η) - vec-tơ lực và mô-men

hồi phục (nổi); τ - vec-tơ lực động lực hành trình; τ w - vec-tơ nhiễu lực (gây ra
do sóng, gió và dịng hải lưu).
1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước về mơ phỏng dao động của tàu
trên sóng
Về tồn tại của các nghiên cứu:
Nghiên cứu về mơ phỏng dao động của tàu trên sóng đã và đang diễn ra
trên tất cả các hướng với nhiều cách tiếp cận khác nhau. Từ nội dung và kết quả
nghiên cứu đạt được cho phép nhận định rằng:
- Các nghiên cứu về mô phỏng dao động của tàu trên sóng đều thống nhất
áp dụng nguyên lý xếp chồng các thành phần dao động gây ra do các yếu tố tác
động lên tàu với nguyên lý xếp chồng lực và mô-men tác động lên thân tàu, tức
là thừa nhận “đặc tính cộng” của dao động của tàu trên sóng.
- Hầu hết các mơ hình mơ phỏng đều được xây dựng trên nền tảng

Matlab/Simulink và được thiết kế dạng mô-đun nên hồn tồn có thể sử dụng
tích hợp các mơ-đun từ nhiều phần mềm khác nhau để giải các bài tốn mơ phỏng
dao động của tàu trên sóng.


11

- Sai lệch giữa kết quả tính tốn dựa theo các mơ hình tốn học lý thuyết
và kết quả đo đạc thực nghiệm thường chỉ nằm trong khoảng nhỏ hơn 10%. Đây
là mức sai lệch có thể chấp nhận được khi nghiên cứu đánh giá tác động dao
động của tàu trên sóng đến hoạt động của các hệ thống trên tàu.
Hướng nghiên cứu của luận án:
Hiện nay, phần lớn các tàu quân sự được trang bị trong Quân đội đều được
tài trợ hoặc mua sắm từ nước ngoài, nên các thông số thiết kế kỹ thuật của tàu
không được công bố. Do vậy, ảnh hưởng rất lớn đến công tác khai thác, bảo quản
bảo dưỡng và nâng cao hiệu quả hoạt động của các trang thiết bị, vũ khí, khí tài
lắp đặt trên tàu. Trong những năm gần đây, lực lượng kỹ thuật trong quân đội ta
đã và đang tập trung nghiên cứu các giải pháp giảm thiểu sự ảnh hưởng dao động
của tàu trên sóng với các trang thiết bị lắp đặt trên tàu. Tuy nhiên, phần lớn các
giải pháp này đều đo đạc các dao động của tàu trong điều kiện hoạt động thực tế
trên biển. Nhược điểm chính của giải pháp này là chi phí lớn và khơng phải lúc
nào cũng có thể thực hiện đo đạc tại điều kiện sóng biển khác nhau. Do vậy, việc
nghiên cứu xây dựng hệ mô phỏng dao động của tàu trên sóng cho mục đích này
là vơ cùng cấp thiết.
Bài tốn mơ phỏng dao động vật lý của tàu trên sóng theo hướng nghiên
cứu của luận án có thể được giải quyết thông qua 3 vấn đề cơ bản sau:
Một là, xây dựng giải pháp xác lập mơ hình tín hiệu dao động của tàu
trên sóng theo phương pháp kết hợp lý thuyết và thực nghiệm, trong đó có sử
dụng phép nội suy từ số liệu thực nghiệm và mô hình lý thuyết về lực sóng.
Hai là, xây dựng giải pháp đo xác định tham số dao động của tàu trên

sóng, sao cho vừa đảm bảo độ chính xác cho phép và vừa có khả năng phân tách
các thành phần dao động.
Ba là, xây dựng hệ tạo dao động giả lập trên nền tảng một hệ HexaPod
6-DOF vừa đảm bảo cung cấp dao động vật lý giống như dao động của tàu trên
sóng, vừa có khả năng kiểm sốt và hỗ trợ q trình nội suy xác lập mơ hình tín
hiệu dao động của tàu trên sóng với độ chính xác cao.
Để giải quyết 3 vấn đề cơ bản nêu trên và kế thừa kết quả từ các cơng
trình nghiên cứu trước đây, trên cơ sở kiến thức kỹ thuật điện tử, cơ khí động
lực và đo lường thử nghiệm, luận án đi sâu nghiên cứu 3 giải pháp:
- Xác lập mơ hình tín hiệu dao động của tàu trên sóng dựa trên phép nội
suy mơ hình thủy động lực học tàu “hợp lý” từ số liệu đo thực nghiệm.
- Xây dựng giải pháp đo xác định tham số dao động của tàu trên sóng với
độ chính xác phù hợp và có khả năng phân tách các thành phần dao động.


12

- Xây dựng giải pháp thiết kế hệ tạo dao động giả lập trên nền tảng một
hệ HexaPod 6-DOF.
1.4 Kết luận chương 1
Trong chương 1, luận án đã tập trung nghiên cứu tổng quan trong nước
và thế giới về mô phỏng dao động của tàu trên sóng, các nguồn dao động chính
gây ra dao động của tàu trên sóng, các phương pháp tạo tín hiệu mơ phỏng cho
từng loại dao động này. Ngoài ra, Chương 1 đã tổng hợp, phân tích các nghiên
cứu về tác động của sóng biển đến dao động của tàu trên sóng và khả năng đo
đạc, phân tách các thành phần dao động của tàu trên sóng. Bên cạnh đó, luận án
cũng đã nghiên cứu và phân tích bài tốn tổng qt về xây dựng hệ thống mơ
phỏng dao động của tàu trên sóng dựa trên các phân tích mơ hình thuỷ động lực
học của tàu. Trên cơ sở đó, luận án đề xuất định hướng về giải pháp kỹ thuật về
xây dựng hệ thống mô phỏng dao động của tàu trên sóng dùng cho nghiên cứu

ảnh hưởng các dao động này đến độ tin cậy, hiệu quả các vũ khí, khí tài và trang
thiết bị được lắp đặt trên tàu, các định hướng này sẽ được nghiên cứu và thảo
luận trong các nội dung nghiên cứu của luận án.
CHƯƠNG 2. XÁC LẬP MƠ HÌNH TÍN HIỆU DAO ĐỘNG CỦA
TÀU TRÊN SÓNG TRÊN CƠ SỞ NỘI SUY
TỪ SỐ LIỆU ĐO THỰC NGHIỆM
Trong chương này, luận án tập trung nghiên cứu về xác định mơ hình thuỷ
động lực học tàu hợp lý dựa trên phương pháp nội suy từ dữ liệu đo đạc được
trong thực nghiệm và đi sâu phân tích các đặc tính dao động của sóng biển và
tàu trong khơng gian tín hiệu. Trên cơ sở về mơ hình thuỷ động lực học tàu hợp
lý, luận án tập trung vào phân tích và đề xuất phương pháp kết hợp giữa lý thuyết
và thực nghiệm cho xây dựng mơ hình tín hiệu dao động của tàu trên sóng. Dựa
trên phương pháp kết hợp đề xuất, trong chương này, luận án cũng đề xuất thuật
toán 3 giai đoạn cho xây dựng mơ hình tín hiệu dao động của tàu trên sóng với
mục tiêu giảm thiểu chi phí, làm tăng tính khả thi của hệ thống mơ phỏng khi áp
dụng trong các điều kiện biển khác nhau mà không cần thực hiện nhiều các phép
đo thực nghiệm.
Cơ sở khoa học của việc xác lập mơ hình tín hiệu dao động của tàu trên
sóng bằng phép nội suy từ số liệu đo thực nghiệm
Sự liên kết không gian tọa độ của các điểm đang xét trên tàu được mô tả
như Hình 2.1. Theo đó, ta có:


13

Hình 2.1. Mơ hình liên kết khơng gian tọa độ của các điểm trên tàu.
- Tọa độ trọng tâm tàu G( x b yb z b );
- Tọa độ điểm đo thực nghiệm D( xd yd zd ) với các góc Ơle d , d , d ;
- Tọa độ nơi lắp đặt vũ khí V( x v yv z v ) với các góc Ơle v , v , v .
Giả sử rằng, ta thực hiện phép đo tham số dao động của tàu tại điểm D(xi,

yi, zi), và có được:
ηdi   n i , ei , d i , i , i , i 

T

(2.1)

Khi đó, ta xác định được ma trận η tại vị trí trọng tâm G của tàu bằng
biểu thức:

η  Ti .ηdi

(2.2)

Và ta cũng xác định ma trận ηV tại vị trí đặt vũ khí V là:

η  TV .ηV  ηV  TV1 .η

(2.3)

Ở đây, Ti là ma trận chuyển đổi tại tọa độ của điểm D(xi, yi, zi) trong hệ
quy chiếu định tâm G(xb, yb, zb), có thể được xác định bằng:
Ti  R z (i ).R y (i ).R x (i ).Txi yi zi
(2.4)
với
 cos i
  sin 
i
R z  i   
 0


 0

sin i
cos i
0
0

0 0
cos i

 0
0 0
; R y  i   
 sin i
1 0


0 1
 0

0 sin i
1

0

0 cos i
0
0


0
0 
0

1


14

0
1
0 cos 
i
R x  i   
0  sin i

0
0

0
1 0 0 x i 

0 1 0 y 
sin i 0 
i
; Tx y z  
.
(2.5)
0 0 1 zi 
cos i 0 




0
1
0 0 0 1 
Từ các phân tích ở trên, dao động của tàu trên sóng hay thơng tin tín
hiệu dao động cơ học đo được từ thực nghiệm trên tàu được coi là tổng hợp của
nhiều thành phần dao động gây ra do các lực và mô-men khác nhau tác động lên
thân tàu. Đây được xem là đặc tính “cộng” của các dao động cơ học hay thơng
tin trong khơng gian tín hiệu, và cũng chính là cơ sở tốn học cho các phép xử
lý “khơng gian - thời gian” của thơng tin tín hiệu dao động đo được từ thực
nghiệm.
Các mơ hình sóng biển và giải pháp lựa chọn mơ hình sóng tối ưu dùng cho
mơ phỏng dao động của tàu trên sóng
Để mơ phỏng dao động của tàu trên sóng, ta cần thiết phải sử dụng mơ
hình sóng biển. Hiện tại, các nhà thủy động lực học và Hiệp hội bể thử thế giới
(ITTC - The International Towing Tank Conference) đã xây dựng và đang sử
dụng các mơ hình sóng biển sau:
- Mơ hình sóng điều hịa (regular waves);
- Mơ hình sóng khơng điều hịa (irregular waves);
- Mơ hình sóng ngẫu nhiên (random waves).
Xây dựng mơ hình tín hiệu dao động của tàu trên sóng bằng phương pháp
kết hợp dựa trên mơ hình thủy động lực học tàu “hợp lý”
2.3.1 Xác định mơ hình thủy động lực học tàu “hợp lý” dựa thuật toán 3 giai
đoạn:
Luận án đề xuất một thuật toán 3 giai đoạn cho việc triết xuất các dao
động của mơ hình thủy động lực học tàu “hợp lý” dựa trên bài tốn nội suy.
2.3.2 Xác lập mơ hình tín hiệu dao động của tàu trên sóng dựa trên mơ hình
thủy động lực học tàu “hợp lý”:

Dựa vào mơ hình thủy động lực học tàu “hợp lý” đã được xác định trong
thuật tốn 3 giai đoạn, ta có thể xây dựng mơ hình tín hiệu dao động của tàu trên
sóng tại vị trí cần khảo sát tương đương như trường hợp đã biết trước về mơ hình
thủy động lực học của tàu. Và khi đó, hệ thống mơ hình dao động tín hiệu của
tàu trên sóng đề xuất sẽ hoạt động tương tự như phương pháp lý thuyết.
Kết luận Chương 2
Trong chương 2, luận án đã nghiên cứu mơ hình hố sóng biển điều hồ,
sóng biển khơng điều hồ và sóng biển ngẫu nhiên bằng phương pháp xác suất
0

i i i


15

thống kê, phương pháp phân tích phổ, đã xác định được mối quan hệ giữa phổ
sóng và sự phân bố năng lượng của sóng theo các hướng lan truyền sóng trong
khơng gian. Từ đó luận án lựa chọn được mơ hình sóng tối ưu dùng cho mơ
phỏng dao động của tàu trên sóng. Các kết quả này được cơng bố trong cơng
trình [CT2]. Chương 2 cũng đã trình bày các đặc tính dao động của tàu trong
khơng gian tín hiệu và giải pháp xây dựng mơ hình thuỷ động lực tàu hợp lý dựa
trên phép nội suy từ dữ liệu đo đạc được trong thực nghiệm. Để thực hiện xây
dựng mơ hình thuỷ động lực tàu hợp lý từ dữ liệu thực nghiệm luận án đề xuất
thuật toán 3 giai đoạn. Trong đó, giai đoạn xác định mơ hình thuỷ động lực tàu
hợp lý được thực hiện qua hai bài tốn: (1) Xác lập tín hiệu dao động tại toạ độ
định tâm; (2) Xác lập tín hiệu dao động tại toạ độ đo thực nghiệm. Trên cơ sở
đó, Chương 2 đề xuất phương pháp kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm cho
xây dựng mơ hình tín hiệu dao động của tàu trên sóng. Mơ hình này được xây
dựng để thực hiện chức năng hiệu chỉnh toàn bộ hệ thống mơ phỏng trong q
trình khai thác, đánh giá sự ảnh hưởng các dao động của tàu trên sóng đến hiệu

quả khai thác các trang bị vũ khí lắp đặt trên tàu. Các kết quả của các giải pháp
đề xuất này được cơng bố trong cơng trình [CT1].
Từ các kết quả nghiên cứu bài tốn xây dựng mơ hình tín hiệu dao động
của tàu trên sóng từ mơ hình thuỷ động lực học tàu hợp lý dựa trên phương pháp
kết hợp, trong phần tiếp theo luận án sẽ nghiên cứu các giải pháp đo thực nghiệm
trong xác định các tham số dao động của tàu trên sóng.
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG GIẢI PHÁP ĐO THỰC NGHIỆM XÁC
ĐỊNH THAM SỐ DAO ĐỘNG CỦA TÀU TRÊN SÓNG
Trong chương này, luận án tập trung nghiên cứu, tính tốn và đề xuất giải
pháp đo thực nghiệm cho xác định tham số dao động của tàu trên sóng. Trước
tiên, luận án xác định các yêu cầu đối với hệ đo tham số dao động của tàu trên
sóng. Sau đó, Chương 3 thực hiện xây dựng hệ đo tham số dao động tàu trên
sóng trên cơ sở tích hợp các thiết bị đo lường có sẵn trên thị trường. Theo đó, hệ
đo tham số dao động của tàu trên sóng sẽ gồm một thiết bị cảm biến đo dao động
6 bậc tự do IB6 và thiết bị thu thập, phân tích tín hiệu đa kênh DEWE3020. Trên
cơ sở đó, luận án đề xuất quy trình đo tham số dao động của tàu trên sóng trong
các điều kiện biển khác nhau. Nhằm đánh giá tính đúng đắn và hợp lý của quy
trình đo đề xuất, các kết quả đo thực nghiệm trong điều kiện biển thực tế được
thực hiện và so sánh với các số liệu được tính tốn từ lý thuyết.
Yêu cầu đối với hệ đo tham số dao động của tàu trên sóng
- Yêu cầu về tham số đo;


16

- Yêu cầu về dải đo và độ chính xác;
- Yêu cầu về tốc độ lấy mẫu;
- Yêu cầu về phương pháp biểu diễn số liệu đo.
Xây dựng hệ đo xác định tham số dao động của tàu trên sóng
Thiết bị đo sử dụng trong thực nghiệm đo dao động của tàu trên sóng là

IMU 6 bậc tự do, tích hợp trong đó 3 gia tốc kế và 3 con quay hồi chuyển đo vận
tốc góc của 3 trục. Đó là cảm biến đo dao động IB6 của hãng Texense - Pháp,
chuyên sử dụng để đo dao động của hệ chuyển động dựa trên cảm biến gia tốc
trên 3 trục và vận tốc góc của 3 trục. Từ giá trị 6 tham số đo được của IMU sẽ
tiến hành phân tích, tính tốn ra các tham số dao động của tàu gồm: lắc ngang
(Roll), chịng chành sống chính (Pitch), chịng chành đảo lái (Yaw), chuyến động
tính tiến theo các trục Ox, Oy và Oz (Surge, Sway, Heave).
Thành phần của hệ đo dao động bao gồm: Thiết bị IMU kết nối với máy
tính, phần mềm thực hiện đo, tính tốn và phân tích. Ngồi ra cịn sử dụng thiết
bị phân tích và thu thập dữ liệu DEWE3020 (của hãng DEWETRON - Áo) để
xử lý tín hiệu đo. Với hệ thống thiết bị trên, quy trình đo được tiến hành theo 6
bước: 1- Khảo sát đối tượng và vị trí lắp đặt thiết bị đo trên tàu; 2- Hiệu chỉnh
cân bằng thiết bị đo dao động; 3- Triển khai thiết bị đo tại vị trí khảo sát; 4- Thực
hiện đo dao động của tàu; 5- Xử lý kết quả đo (lọc nhiễu, tính tốn độ sai lệch...);
6- Phân tích tín hiệu dao động của tàu trên sóng trên miền thời gian – tần số; 7Trích xuất kết quả đo.
Đo thực nghiệm dao động của tàu trong điều kiện biển thực tế
3.3.1 Lựa chọn mẫu tàu phục vụ cho thực nghiệm
Mẫu tàu được thực nghiệm là tàu HQ285 được thiết kế hoạt động trên
vùng biển Việt Nam tương đương vùng hoạt động cấp hạn chế II theo Quy phạm
“Phân cấp và đóng tàu cao tốc” của Đăng kiểm Việt Nam năm 1998.
Bảng 3.3. Các thông số kỹ thuật của tàu HQ285
Các thông số hình học

Ký hiệu Đơn vị

Kích
thước tàu

Chiều dài lớn nhất


Lmax

[m]

27,60

Chiều dài thiết kế

Ltk

[m]

25,33

Chiều rộng lớn nhất

Bmax

[m]

6,50

Chiều rộng thiết kế

Btk

[m]

5,80



17

Các thơng số hình học
Lượng chiếm nước đầy tải

Ký hiệu Đơn vị

Kích
thước tàu

Δmax

[t]

84,7

Lượng chiếm nước trung bình

Δtb

[t]

78,00

Cơng suất máy chính

Ps

[BHP]


02x1500

Tốc độ tàu lớn nhất ở lượng chiếm nước
trung bình

V

[knots]

25,00

Khả năng đi biển của tàu: chịu được cấp
sóng 6 cấp gió 8 trong thang Beaufort
3.3.2 Lựa chọn điều kiện thử nghiệm
Việc thực nghiệm đo đạc dao động của tàu dưới tác động của sóng biển
thực, được thực hiện dưới các điều kiện sau:
- Khu vực diễn ra thử nghiệm: được tiến hành cách bờ 18 hải lý tại khu
vực biển Bạch Long Vĩ. Tọa độ và khu vực tiến hành phép đo tại vị trí 20.54’864,
107.09’821 (Hình 3.6).
- Điều kiện mơi trường: được thực hiện trong điều kiện sóng cấp 4 theo
bảng cấp gió và sóng của Việt Nam (tốc độ gió; chiều cao sóng trung bình), tốc
độ dịng chảy thực tế.
- Phương truyền sóng so với phương chuyển động của tàu: Tàu chạy
ngược sóng (sóng tới).
- Tàu chạy tại chiều chìm T = 4.85m, với độ chúi bằng khơng, chạy ở tốc
độ V = 10 knots.
3.3.3 Tiến hành đo đạc thực nghiệm
Trên Hình 3.8 trình bày hình ảnh thiết bị và quá trình đo đạc các dao động
của tàu trên sóng trên tàu thực HQ285.


Hình 3.8. Hình ảnh kết quả đo đạc các dao động của tàu trên sóng tàu HQ285


18

Kết quả đo các thông số dao động của tàu thu được ở các điều kiện khai
thác khác nhau và so sánh với kết quả mơ phỏng tính tốn ở điều kiện tương ứng.

Hình 3.9. Kết quả đo đạc và mơ phỏng dao động lắc ngang của tàu trên
sóng chéo w  450
Từ các phân tích ở trên ta có thể kết luận rằng, phương pháp đo dao động
tàu thực tế ngoài biển mà NCS đề xuất là tin cậy và có thể sử dụng để đo các dao
động trên tàu.
- Biên độ dao động roll (lắc ngang) của tàu đạt giá trị lớn nhất khi tàu
chạy trên sóng chéo w  900 . Đây là trường hợp đặc biệt nguy hiểm có thể dẫn
đến lật tàu và trong thực tế khai thác người ta không chạy tàu theo phương sóng
cặp mạn;
- Dao động heave (thẳng đứng) của tàu lớn nhất khi tàu chạy trên sóng
theo và nhỏ nhất khi chạy trên sóng cặp mạn;
- Dao động pitch (chịng chành sống chính) của tàu đạt giá trị lớn nhất khi
tàu chạy trên sóng chéo w  450 và w  1350 và đạt giá trị cực tiểu khi nó chạy
trên sóng cặp mạn;
- Các kết quả đo thực nghiệm và tính tốn lý thuyết tương đối phù hợp
với quy luật thực tế dao động của tàu trên sóng tại các phương truyền sóng khác
nhau. Kết quả đo thực nghiệm và tính tốn lý thuyết có sự khác nhau về biên độ,
pha do trong tính tốn lý thuyết khơng thể bổ sung các yếu tố ảnh hưởng như
gió, dịng hải lưu. Tuy nhiên, sự chênh lệch này là khá nhỏ. Ngoài ra, các kết
quả thực nghiệm và tính tốn lý thuyết dao động của tàu cũng tương đồng với
kết quả nghiên cứu của Zhang và các cộng sự.

Các phân tích ở trên có thể cho phép kết luận rằng, giải pháp đo thực
nghiệm xác định tham số dao động của tàu ở điều kiện biển thực tế theo đề xuất
của luận án như trên có độ chính xác cao và tin cậy. Giải pháp đo và hệ thống


19

thiết bị đo này cũng hồn tồn có thể sử dụng để đo thực nghiệm dao động của
tàu trên sóng đối với các loại tàu nổi và với mọi điều kiện sóng biển bất kỳ. Các
kết quả đo thực nghiệm có thể so sánh được với kết quả mơ phỏng bằng lý thuyết
với lượng sai lệch không đáng kể, do đó giải pháp đo và hệ thống thiết bị đo này
hồn tồn đáp ứng u cầu của phương pháp mơ phỏng kết hợp lý thuyết và thực
nghiệm nêu ra.
Kết luận chương 3
Trong Chương 3, luận án đã nghiên cứu các yêu cầu đối với hệ đo tham
số dao động của tàu trên sóng như yêu cầu về tham số đo, dải đo và độ chính
xác, biểu diễn số liệu. Trên cơ sở đó, Chương 3 luận án đã thực hiện xây dựng
một thiết bị đo tham số dao động của tàu trên sóng dựa trên sự tích hợp thiết bị
thu thập và phân tích dữ liệu DEWE3020 và cảm biến IB6. Thiết bị này không
chỉ đáp ứng được các yêu cầu về các tiêu chí đo lường mà cịn có cấu trúc nhỏ
gọn, dễ mang vác và triển khai ngoài thực địa. Chương 3 cũng đã đề xuất một
quy trình đo tham số dao động của tàu trên sóng trong các điều kiện biển khác
nhau. Các kết quả đo thực nghiệm được so sánh với kết quả mơ phỏng tính tốn
bằng lý thuyết với lượng sai lệch khơng đáng kể (nhỏ hơn 5%), qua đó khẳng
định quy trình đo và thiết bị đo này hoàn toàn đáp ứng yêu cầu của phương pháp
mô phỏng kết hợp lý thuyết với thực nghiệm mà luận án đã đề xuất. Hiệu quả
của quy trình đo xác định tham số dao động của tàu trong các điều kiện biển
khác nhau mà luận án đề xuất có độ chính xác và tin cậy cao, và làm cơ sở cho
việc thiết kế chế tạo hệ tạo dao động giả lập trên nền tảng HEXAPOD 6-DOF
có độ tin cậy cao. Các kết quả của giải pháp đo này được cơng bố trong cơng

trình [CT5].
CHƯƠNG 4. GIẢI PHÁP THIẾT KẾ HỆ TẠO DAO ĐỘNG GIẢ LẬP
TRÊN NỀN TẢNG HEXAPOD 6-DOF
Kế thừa các kết quả đạt được trong 3 chương đầu, trong chương này, luận
án tập trung nghiên cứu, tính tốn và thiết kế hệ tạo dao động giả lập của tàu trên
sóng phục vụ cho việc nghiên cứu ảnh hưởng dao động của tàu đối với các trang
thiết bị lắp đặt trên tàu. Đây được xem là điều kiện đủ cho bài tốn mơ phỏng
dao động của tàu trên sóng. Trước tiên, luận án nghiên cứu, xây dựng phương
trình chuyển động 6 bậc tự do cho hệ HexaPod 6-DOF. Đây là một trong những
cơ sở quan trọng cho việc xây dựng thuật tốn điều khiển và mơ phỏng dao động
của tàu trên sóng. Trên cơ sở đó, luận án đề xuất sử dụng thuật toán điều khiển
PID cho mơ phỏng dao động của tàu trên sóng trên nền tảng HexaPod 6-DOF.
Cuối cùng, luận án thực hiện đánh giá khả năng mơ phỏng thơng qua mơ hình


20

điều khiển và mức sai lệch giữa dao động tại bàn gá động so với bộ số liệu về
dao động của tàu đo được trong thực nghiệm.
Thiết lập phương trình chuyển động cho hệ HexaPod 6-DOF
Trong những năm gần đây, hệ vật lý kiểu Stewart - Gough Platform mà
điển hình nhất là hệ HexaPod 6-DOF đang được nghiên cứu và ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực khác nhau. Với độ cứng vững cao và khả năng chịu tải trọng lớn,
hệ HexaPod 6-DOF ngày càng được ứng dụng rộng rãi, từ giá đỡ kính hiển vi,
giá đỡ thiết bị đo chính xác, cơ cấu chuyển động trong máy gia cơng cơ khí chính
xác, giá đỡ ăng-ten vệ tinh và ăngten rada, hay dùng làm bệ đỡ cho thiết bị hoặc
vũ khí đặt trên xe ô tô, trên máy bay, trên tàu thủy hoặc tàu ngầm, hay giá đỡ
cho buồng tập lái máy bay, buồng tập lái ô tô, buồng tập lái xe tăng hoặc buồng
tập lái tàu chiến.


Hình 4.1. Hệ HexaPod 6-DOF.
4.2 Thiết kế hệ vật lý tạo dao động giả lập trên nền tảng HexaPod
Hệ tạo dao động trên HexaPod 6-DOF dùng để tạo dao động giả lập của
tàu khi chịu tác động của sóng gồm hai phần chính là khối điều khiển và hệ vật
lý HexaPod chấp hành (Hình 4.16).

Hình 4.16. Mơ hình vật lý hệ tạo dao động trên HexaPod 6-DOF.


21

Cơ cấu chấp hành gồm các xy lanh điện được dẫn động bởi các động cơ
một chiều. Khối điều khiển gồm sáu Kit phụ Arduino UNO MEGA 2560 và Kit
vi điều khiển myRIO-1900 của hãng NI. Khối điều khiển cho HexaPod là dạng
điều khiển mạch hở, các đáp ứng của hệ sẽ được hiệu chỉnh bằng việc thay đổi
các tham số dao động được đưa vào vi điều khiển để thực hiện việc tính tốn và
đưa dữ liệu đến từng Kit phụ Arduino.
4.3 Đánh giá khả năng mô phỏng của hệ tạo dao động giả lập xây dựng trên
nền tảng HexaPod
Chương trình mơ phỏng được viết trên phần mềm LabView, giao diện mô
phỏng gồm: nhập tham số ứng với từng cấp sóng, giám sát động học q trình
dịch chuyển của mặt chuyển động. Dao động giả lập tạo ra sẽ được đo trực tiếp
bằng mô-đun đo IMU trong khối điều khiển, tín hiệu gửi về được hiển thị trên
giao diện điều khiển.
Khi thực hiện ở chế độ mô phỏng theo mơ hình thủy động lực học “có
sẵn” đối với tàu hàng theo 2 tham số chính: hướng tàu so với hướng truyền sóng
và cấp sóng. Kết quả mơ phỏng đạt được gồm các dịch chuyển lắc ngang (Roll),
chòng chành sống chính (Pitch), chịng chành đảo lái (Yaw) và chuyển động tính
tiến theo trục Oz (Heave) như mơ tả trên Hình 4.40.


Hình 4.40. Dao động trên bàn gá động của HexaPod
(trường hợp sóng cấp 3, hướng sóng 180o).
Với kết quả mơ phỏng như trên tương ứng với chế độ mô phỏng theo mơ
hình thủy động lực học tàu “có sẵn” và chế độ mô phỏng trực tiếp từ số liệu thực
nghiệm cho thấy rằng, hệ tạo dao động giả lập được xây dựng trên nền tảng hệ


22

HexaPod 6-DOF đã tạo ra được các dao động có biên độ, pha và tần số tương
ứng với biên độ, pha và tần số dao động của tàu.
4.4 Kết luận chương 4
Trong chương 4, luận án đã nghiên cứu các giải pháp thiết kế hệ tạo dao
động của tàu trên sóng sử dụng hệ vật lý HexaPod 6-DOF. Áp dụng phương
trình chuyển động của hệ HexaPod, cho thấy ta có thể thiết lập các phương trình
chuyển của bàn gá động tương đồng với các phương trình chuyển động của tàu
chạy trên mặt biển. Từ đó, luận án cũng nghiên cứu đánh giá hiệu quả của thuật
tốn điều khiển trong khơng gian khớp cũng như khơng gian thao tác cho bài
tốn điều khiển bám quỹ đạo chuyển động của các khâu trong hệ HexPod 6DOF. Trên cơ sở đó, luận án đề xuất thuật toán điều khiển PID cho xây dựng
cấu trúc phần cứng, phần mềm cho hệ tạo dao động giả lập của tàu trên sóng dựa
trên nền tảng hệ vật lý HexaPod 6-DOF. Các kết quả mô phỏng kiểm chứng đã
cho phép khẳng định hệ tạo dao động giả lập được thiết kế đã tạo ra các dao động
có biên độ, pha và tần số tương ứng với các dao động của tàu trên sóng trong
điều kiện biển thực tế. Sự hoạt động ổn định và chính xác của hệ thống mơ phỏng
dao động của tàu trên sóng đề xuất một lần nữa khẳng định tính hợp lý khi sử
dụng hệ HexaPod 6-DOF phục vụ cho nghiên cứu ảnh hưởng dao động của tàu
đối với vũ khí, khí tài lắp đặt trên tàu. Các kết quả của giải pháp đã được cơng
bố trong các cơng trình [CT3] và [CT4].



23

KẾT LUẬN CỦA LUẬN ÁN
1. Các kết quả nghiên cứu
Nội dung luận án “Xác định tham số dao động của tàu thuỷ hoạt động
trong mơi trường sóng biển và giải pháp xây dựng hệ thống mô phỏng” đã giải
quyết một phần bài tốn đo lường và mơ phỏng dao động của tàu quân sự trên
sóng, hướng tới mục tiêu áp dụng có hiệu quả trong việc nghiên cứu đánh giá sự
ảnh hưởng dao động của tàu đối với hoạt động của các vũ khí, khí tài được lắp
đặt trên tàu. Luận án đã đạt được một số kết quả như sau:
- Luận án đã nghiên cứu kỹ thuật, phương pháp để mơ phỏng dao động
tàu thuỷ trên sóng. Phân bố và xu hướng dao động của tàu đã được phân tích và
luận giải chi tiết, đồng thời xác định được phương pháp mô phỏng kết hợp lý
thuyết và thực nghiệm là cần thiết cho xây dựng hệ thống mô phỏng dao động
của tàu khi khơng biết trước được mơ hình thuỷ động lực học của tàu.
- Luận án đã nghiên cứu và xây dựng giải pháp xây dựng mơ hình tín hiệu
dao động của tàu trên sóng bằng phép nội suy từ số liệu thực nghiệm. Dựa trên
cơ sở nghiên cứu được, luận án đã đề xuất thuật toán ba giai đoạn cho xây dựng
mơ hình tín hiệu dao động của tàu trên sóng dựa trên mơ hình thủ động lực tàu
“hợp lý”. Thuật toán đề xuất thực hiện xác lập tín hiệu dao động tại toạ độ tịnh
tâm và toạ độ thực nghiệm, nhằm tăng độ chính xác trong xác định các dao động
của tàu trên sóng trong mơi trường thực nghiệm.
- Luận án đã nghiên cứu và đề xuất giải pháp đo dao động của tàu trên
sóng dựa trên các phương tiện đo lường hiện đại. Giải pháp đã đề xuất một quy
trình đo 7 bước kết hợp với việc xử lý tín hiệu đo 6 tham số dao động và phân
tích phổ tần tín hiệu nhằm xác định tần số dao động của tàu trên sóng.
- Luận án đã phát triển và làm chủ các công cụ, thiết bị thực nghiệm dùng
cho đo dao động của tàu trên sóng. Thiết bị đo thực nghiệm được phát triển dựa
trên cơ sở tích hợp thiết bị thu và phân tích dữ liệu DEWE3020 và cảm biến đo
IB6 và đánh giá trên tàu HQ285 trong điều kiện biển thực tế. Thơng qua việc

phân tích kết quả đo thực nghiệm cho thấy thiết bị đo này phù hợp tốt cho các
phép đo dao động của tàu trên sóng cũng như đáp ứng được u cầu của bài tốn
mơ phỏng theo phương pháp kết hợp lý thuyết và thực nghiệm. Kết quả này cũng
cho thấy tính đúng đắn và hợp lý của giải pháp đo đề xuất.
- Luận án đã nghiên cứu mơ hình cấu trúc dao động của hệ HexPod 6DOF. Cách tiếp cận, phương pháp và kỹ thuật dùng để tính tốn và mơ phỏng
dao động của tàu trên sóng dựa trên nền tảng hệ vật lý HexPod 6-DOF.