Sử dụng bộ điều khiển plc và phần mềm unity 3d trong thiết kế hệ thống mô phỏng radar hàng hải

Nội dung text: Sử dụng bộ điều khiển plc và phần mềm unity 3d trong thiết kế hệ thống mô phỏng radar hàng hải

1. TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC VÀ PHẦN MỀM UNITY 3D TRONG THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÔ PHỎNG RADAR HÀNG HẢI USING PLC CONTROLLER AND UNITY 3D SOFTWARE IN DESIGNING MARITIME RADAR SIMULATION SYSTEM NGUYỄN THANH VÂN*, ĐINH ANH TUẤN, NGUYỄN VĂN HÙNG Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam *Email liên hệ: vanntb.ddt@vimaru.edu.vn Tóm tắt 1. Đặt vấn đề Bài báo này trình bày giải pháp sử dụng bộ điều Trên thế giới hiện nay có một số công trình nghiên khiển PLC và phần mềm Unity 3D trong thiết kế cứu về hệ thống mô phỏng radar hàng hải, cũng như hệ thống mô phỏng radar hàng hải trong đó, quá thiết kế, chế tạo thành công hệ thống, điển hình một trình truyền và nhận dữ liệu giữa phần cứng và số hãng như Transas [1], Furuno [2]. Với công nghệ phần mềm cũng được tích hợp trong hệ thống mô mô phỏng tiên tiến, nhưng khi máy chủ bị sự cố toàn phỏng như tọa độ, tốc độ, hướng của tàu chủ và bộ hệ thống sẽ không hoạt động được, quan trọng hơn tàu mục tiêu. Ngoài ra, phát triển và ứng dụng dữ nữa là kinh phí bảo dưỡng, bảo trì lớn và phụ thuộc liệu biển Việt Nam khi xây dựng các kịch bản huấn hoàn toàn vào công nghệ nước ngoài. luyện. Hệ thống này là một tổ hợp các thiết bị để Ở trong nước, các công trình nghiên cứu về hệ huấn luyện và đào tạo về an toàn của thuyền viên thống còn hạn chế, chỉ có bài báo nghiên cứu xây dựng trên biển. Nó không chỉ giúp học viên thao tác trên phần mềm mô phỏng radar [3], trong đó các tác giả thiết bị trực quan, sinh động với các tình huống trình bày cách xây dựng phần mềm mô phỏng radar huấn luyện quen thuộc mà còn trang bị cho học dựa trên Visual Studio với giao diện đơn giản, chưa viên những kỹ năng cần thiết trước khi thao tác, sát với hình ảnh của radar trên thực tế. Do đó, người vận hành trên thiết bị thực tế, nâng cao hiệu quả vận hành khó có thể nắm bắt được hết thông số cũng huấn luyện hàng hải tại Việt Nam. như quy trình thực hành dẫn đến khó khăn khi vận Từ khóa: Hệ thống mô phỏng radar hàng hải, hành với radar thực. Tuy các phương pháp xây dựng phần mềm mô phỏng radar, màn hình radar. hệ thống mô phỏng radar nói trên có những ưu nhược Abstract điểm riêng nhưng độ chính xác giống với radar thật This article presents a solution using the PLC chưa đạt được yêu cầu huấn luyện [3]. Có những controller and Unity 3D software in designing trường hợp chính xác đạt đến 90% nhưng xét về mặt Radar simulation system. Besides, the process of kinh tế và kỹ thuật không được tối ưu nhất [1], [2]. transmitting and receiving data between Trong bài báo này, nhóm tác giả đề xuất xây dựng hardware and software is also integrated into the công nghệ mô phỏng hệ thống radar dựa trên phần simulation system such as the coordinate, speed mềm Unity 3D và bộ điều khiển PLC với những cấu and heading of ownership and target ship. trúc truyền và nhận dữ liệu sau đó hiển thị trên màn Additionally, developing and creating specificity hình radar để đáp ứng được yêu cầu trong công tác for the system when building training scenarios đào tạo và huấn luyện tại Việt Nam cũng như khả năng using data of Vietnam’s Sea. This system is a áp dụng trên thực tế. device for effective education concerning safety in Nội dung chính của bài báo được sắp xếp theo thứ ship navigation. It will help not only students tự như sau: Mục 2 xây dựng cấu trúc cho hệ thống mô manipulate visual equipment, vividly with familiar phỏng radar. Mục 3 đề xuất thuật toán truyền và nhận training situations, but also equipping the dữ liệu giữa máy tính chủ và máy tính radar. Mục 4 là trainees with necessary skills before manipulating thực hiện mô phỏng hoạt động của hệ thống radar và and operating on real equipment, improving the phần cuối cùng là kết luận. efficiency of maritime training in Vietnam. 2. Xây dựng cấu trúc cho hệ thống mô phỏng radar Keywords: Marine Radar simulation system, “Radar” là viết tắt của “Radio Dectection And radar simulator software, radar screens. Ranging” là hệ thống xác định vị trí của mục tiêu bằng việc đo cự ly và phương vị nhờ nguyên lý sóng phản 72 SỐ 66 (4-2021)
2. TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY xạ. Radar hoạt động ở tần số vô tuyến siêu cao có bước bài toán cụ thể mà có thể sử dụng các giao thức khác sóng siêu ngắn, dưới dạng xung và được phát theo 1 nhau. Trong nghiên cứu này nhóm tác giả đã sử dụng tần số lặp xung nhất định [4]. Hệ thống mô phỏng giao thức UDP (User Datagram Protocol). Đây là radar là tổ hợp hệ thống phần cứng và phần mềm để một trong những giao thức cốt lõi IP/Ethernet. Khi mô phỏng lại nguyên lí hoạt động cũng như các thao sử dụng giao thức UDP giúp chương trình trên máy tác vận hành của một thiết bị radar thực. tính có thể gửi những dữ liệu ngắn được gọi là Trên Hình 1 là cấu trúc chung của hệ thống mô phỏng datagram tới máy khác. Đây là giao thức có tốc độ radar hàng hải do nhóm tác giả xây dựng: truyền nhanh và truyền các gói dữ liệu liên tục. 3.1. Thuật toán truyền dữ liệu từ máy chủ đến Nhận Máy tính Thiết bị mạng máy tính radar dữ liệu radar Máy chủ Gửi dữ liệu (Ethernet (RADAR (Workstation) Switch) Thuật toán xây dựng quy trình truyền dữ liệu được computer) 1 Nhận 2 dữ liệu 3 trình bày như Hình 2. Gửi và nhận dữ liệu Bộ điều khiển khả trình PLC (PLC controller) 4 Hình 1. Cấu trúc hệ thống mô phỏng Khối 1: Máy chủ mô phỏng (Workstation) đây là máy tính có chức năng mô phỏng 3D hệ thống hàng hải như tàu chủ, tàu mục tiêu, thời tiết và xây dựng được địa hình, địa vật tùy vào từng khu vực cảng nhất định. Ở khối này, dữ liệu của tàu chủ và tàu mục tiêu được thiết lập sao cho giống với thực tế nhất. Khối 2: Thiết bị mạng (Ethernet Switch) khối này có chức năng tạo ra đường dẫn thông tin giữa các máy tính với nhau giúp cho chúng có thể giao tiếp gửi và nhận dữ liệu được. Khối 3: Máy tính mô phỏng Radar hàng hải (Radar Computer) đây là máy tính có chức năng nhận dữ liệu từ máy chủ gửi sang sau đó giải mã dữ liệu. Tiếp theo, Hình 2. Thuật toán truyền dữ liệu của máy chủ dữ liệu này sẽ được tính toán, xử lí phù hợp để hiển thị lên màn hình. Ngoài ra, dữ liệu ở máy tính mô Trước tiên, nhóm tác giả xây dựng giao diện mô phỏng radar được mã hóa và gửi sang máy tính hải đồ phỏng hàng hải trên máy tính chủ dựa trên phần mềm điện tử (ECDIS) để hiển thị thông số nhận dạng tự Unity 3D với ngôn ngữ lập trình C#. Các thông số động (AIS) của tàu chủ và tàu mục tiêu. chính gửi cho radar có thể kể đến như tọa độ, tốc độ, hướng, tàu chủ và tàu mục tiêu. Khối 4: Bộ điều khiển khả trình PLC, thực hiện nhận và xử lý dữ liệu từ các thiết bị khác chuyển tới Bước 1: Thực hiện thiết lập các địa chỉ IP tĩnh cho như vô lăng, tay trang điều khiển, la bàn, sau đó sẽ máy chủ: 192.168.0.140, cổng port: 8001 và IP máy gửi sang máy tính chủ thông qua mạng ethernet. Đồng radar: 192.168.0.150, cổng port: 8999. Sau đó tiến thời cũng nhận dữ liệu từ máy chủ để hiển thị lên màn hành khởi tạo giao thức và tạo ra socket UDP, bộ đếm hình trong bàn điều khiển. thời gian tạo ra vòng quét 500ms để gửi dữ liệu. Bước 2: Kiểm tra điều kiện địa chỉ socket UDP và 3. Xây dựng thuật toán truyền và nhận dữ liệu thông báo lỗi nếu xảy ra sự cố. trong hệ thống mô phỏng radar Bước 3: Mỗi loại thông số như tọa độ, tốc độ, Hiện nay, có rất nhiều giao thức truyền dữ liệu như hướng tàu có định dạng khác nhau, dữ liệu này được TCP/IP, UDP, HTTP, FTP, mà trong đó, mỗi giao chuyển về dạng format RADAR 1 trước khi gửi. Cấu thức đều có ưu nhược điểm nhất định. Tùy vào từng trúc quy đổi dữ liệu về dạng byte và sử dụng hàm S Ố 66 (4-2021) 73
3. TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Buffer.BlockCopy như cấu trúc lệnh: Bước 2: Máy tính radar sẽ tiến hành nhận dữ liệu Buffer.BlockCopy(info, 0, message, 0, 86); Dữ liệu lúc này được quy định theo dạng format Buffer.BlockCopy(newfloat[]{ boatEngine.Speed RADAR1 và cần được kiểm tra theo đúng định dạng gửi. _Log},0,speed,0,4); Bước 3: Sau khi kiểm tra sẽ tiến hành chuyển dữ Buffer.BlockCopy(dataSource.Speed_target_p,0, liệu đã nhận sang dạng format RADAR 2 để tiến hành speed, 4, 4 * 31); thực hiện tính toán. Bước 4: Sau khi quy đổi dữ liệu xong máy chủ sẽ Bước 4: Đây là bước xử lý thông số đã gửi để tính gửi dữ liệu đến địa chỉ IP máy radar thông qua lệnh toán và hiển thị trên màn hình của Radar. Chương send. Cuối cùng là kết thúc thuật toán và quay lại vòng trình con thực hiện để tính toán sau đó đưa ra mức độ lặp ban đầu. cảnh báo va chạm. Cuối cùng là kết thúc thuật toán và bắt đầu vòng lặp. 3.2. Thuật toán nhận dữ liệu của máy tính radar từ máy chủ 3.3. Tính toán thông số để hiển thị và đưa ra cảnh báo Hình 3 trình bày thuật toán nhận dữ liệu của máy tính radar từ máy tính chủ, sau khi máy chủ đã gửi gói Để mô phỏng radar hàng hải sát với thực tế nhất dữ liệu thì nhiệm vụ của máy radar là nhận gói dữ liệu thì mọi thông số được tính toán và xử lý trong phần đó và xử lý để hiển thị trên màn hình. Máy chủ gửi dữ mềm mô phỏng Unity 3D. Trong mục này trình bày liệu sang với kiểu dữ liệu dạng byte quy định theo hai phương pháp cơ bản để quy đổi hướng và khoảng dạng RADAR 1. Do đó, tất cả dữ liệu nhận được sẽ cách của tàu mục tiêu, tính toán thông số khoảng cách được chuyển sang dạng RADAR 2 có kiểu định dạng gần nhất xảy ra va chạm (CPA), thời gian ngắn nhất như int, float, ushort. để dẫn đến va chạm (TCPA). a. Tính toán khoảng cách và hướng tàu mục tiêu so với tàu chủ. Hình 4 biểu diễn tọa độ tàu chủ và tàu mục tiêu trên mặt phẳng Oxy [5] sau khi được quy đổi. Tọa độ tàu chủ có vị trí giữa màn hình và được lấy trùng với tâm của màn hình với tọa độOxy(,)11. Trong đó: 푌 = 푠 푒푒푛 , = 푠 푒푒푛 (1) 1 2 1 2 Y A (x2', y2') y2' O' x2' X Hình 4. Tọa độ tàu mục tiêu trên mặt phẳng Hình 3. Thuật toán nhận dữ liệu của máy tính radar Sử dụng phương pháp bắn tia từ màn hình vào trong terrain (địa hình) để chuyển tọa độ từ không gian Bước 1: Máy radar sẽ thiết lập địa chỉ IP. Sau đó của tàu mục tiêu ' sang tọa độ mặt khởi tạo socket UDP. Tiếp theo là kiểm tra điều kiện A(,,) x2 y 2 z 2 địa chỉ IP. 74 SỐ 66 (4-2021)
4. TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY VXXYYZZ (,,) (6) phẳng nhờ Unity sẽ có được A( x , y )'': RVTVoVTVoVTVo 22 Vector AO''là vector khoảng cách giữa tàu chủ và //Vector3screenPos=Cam.WorldToScreenPoint(R_Sh tàu mục tiêu trong không gian. ips[currentClickTarget].transform.position);// AOxxyyzz''(,,) 222 ooo (7) Sau đó tính được vector khoảng cách: Tính toán góc giữa vector khoảng cách và vector '' tốc độ tương đối sau đó quy đổi từ độ sang radian. OAxxyy (,)2121 (2) V R Tiếp theo là tính độ lớn vector khoảng cách: cos. (8) D 180 OA ()() x' x 2 y ' y 2 (3) 2 1 2 1 Trong đó: Ứng với mỗi thang đo i khác nhau sẽ có một hệ số D: là khoảng cách giữa tàu chủ và tàu mục tiêu và được tính D A O ''. K tương ứng. i Sau đó tính được CPA khoảng cách gần nhất hai tàu va chạm: OA K. i (4) Di D RG. X .sin (MN) (9) Trong đó: 1852 Tính toán TCPA là thời gian ngắn nhất để hai tàu D : Hệ số khoảng cách; i có thể va chạm: : Là hệ số quy đổi từ thang đo hải lý sang mét; Ki D .cos 1852 R: Bán kính đường tròn hiển thị thang đo; t (đơn vị phút) (10) G: Hệ số quy đổi ngược lại sang hải lý; VR .60 Gọi góc giữa vector khoảng cách và hướng của tàu chủ là : Cuối cùng đặt giá trị CPACPA LIMIT , TCPATCPA LIMIT trong đó hai thông số x1 tan (5) CPATCPA, có thể do người vận hành tùy y LIMITLIMIT 1 chỉnh. Thực hiện hiển thị và cảnh báo thông qua đoạn b. Tính toán thông số CPA, TCPA lệnh chương trình con: If(( CPA 0 )&&( )&& ( )) TCPATCPA LIMIT { // thực hiện chương trình cảnh báo và hiển thị// VR Vo } TARGET VT A' 4. Mô phỏng hoạt động của hệ thống mô X D O' phỏng radar hàng hải Để mô phỏng hoạt động của hệ thống, trước hết, thực hiện truyền và nhận dữ liệu giữa các máy tính. Hình 5. Khoảng cách, vận tốc giữa tàu chủ và tàu Máy tính chủ sẽ giao tiếp với PLC để nhận dữ liệu mục tiêu thông qua phần mềm Unity 3D. Toàn bộ dữ liệu như hướng, tốc độ của tàu chủ đều được lấy từ phần cứng. Hình 5 thể hiện hướng vector vận tốc tương đối Tọa độ tàu chủ tại điểm có vị trí gần đảo Bạch Long cũng như là khoảng cách giữa các tàu với nhau. Vector Vĩ và vùng biển Hải Phòng. Điểm này có vĩ độ 20007’220”N và kinh độ 107057’754’’E. Tọa độ tàu vận tốc tương đối tàu chủ VXYZOVVV (,,)0 0 0 và vector chủ ở đúng vị trí đã chọn được thể hiện ở Bảng 1. vận tốc tương đối tàu mục tiêu VXYZTVTVTVT (,,) trong không gian [5]. Tiếp theo, tính toán vector vận tốc tương đối dựa vào tàu chủ và tàu mục tiêu. Gọi VR là vector vận tốc tương đối [6]: S Ố 66 (4-2021) 75
5. TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Bảng 1. Bảng hiển thị thông số tàu chủ lập hai thông số khoảng cách xảy ra va chạm nhỏ nhất (CPAlimit) và thời gian ngắn nhất để dẫn đến va chạm VN_TT400 (TCPAlimit). Khi có cảnh báo radar thông báo cho LAT 107057.7441’ N người vận hành biết để phòng ngừa đâm va. LON 2000.7223’ E Khi tàu mục tiêu vi phạm các điều kiện cảnh báo, HDG 550 DEG mọi thông số cảnh cáo, tên tàu mục tiêu sẽ được lưu -.- lại là hiển thị trong hộp báo động. Người vận hành sẽ ROT 0 0 /MIN quan sát và đưa ra những giải pháp phù hợp để xử lý 0 COG 55 tình huống trong Hình 7. SOG 0,45 KN VHW 0,40 0 DPT 0 KN Tiếp theo là thử nghiệm chức năng đo khoảng cách (RNG) và góc (BRG) của tàu mục tiêu so với tàu chủ được biểu diễn ở Hình 6 và thống kê trong Bảng 2. Bảng 2. Bảng thông số tàu mục tiêu TARGET READOUT Hình 7. Hiển thị cảnh báo CPA và TCPA NAME LCONT CARGO ID 15 01 Trong Hình 7, hai thông số ban đầu để thiết lập cho AIS AIS AIS CPALIMIT,TCPALIMIT là 4.6984MN và thông số RNG 0,0717 0,1075 NM 5.1844MIN. Sau khi tính toán từ radar đối với mỗi tàu BRG 199,6 137,02 DEG mục tiêu nếu tàu nào có giá trị CPA và TCPA nhỏ hơn CPA 0,1540176 0,17483 NM giá trị đặt thì sẽ phát tín hiệu cảnh báo. TCPA 1,450326 2,462938 MIN HDG 50,10 50,40 DEG COG 400 60,50 DEG SOG 5,654 3,876 KN LAT 2000.0490’ 19059.8630’ N LON 107059.5684’ 107059.9302’ E Mọi thông số như vĩ độ, kinh độ, hướng tàu thực, khoảng cách của tàu mục tiêu LARGE CONTAINER, Hình 8. Hiển thị nhiễu thời tiết CARGO. Cùng một thời gian cho phép hiển thị thông tin hai tàu mục tiêu. Hình 6. Hiển thị thông số tọa độ tàu mục tiêu Tính năng khoảng đo cách khi xảy ra va chạm Hình 9. Hiển thị vết tàu di chuyển ngắn nhất và thời gian xảy ra va chạm ngắn nhất là tính năng cần thiết khi mô phỏng hệ thống radar. Khi Điều kiện thời tiết là yếu tố ảnh hưởng đến yếu tố vận hành hệ thống radar, người vận hành có thể thiết nhiễu trong radar. Nhóm tác giả đã mô phỏng yếu tố 76 SỐ 66 (4-2021)
6. TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY nhiễu mưa với mức 5 thể hiện trong Hình 8. năng radar thực cũng như các hệ thống radar hàng hải Trong một số tình huống nguy hiểm dẫn đến đắm của nhiều hãng trên thế giới. Với nhiều tính năng như tàu thì chức năng truy vết tàu (trail) là một yếu tố cần tạo nhiễu cho radar, quét mục tiêu, dùng các vòng cự ly thiết cho việc tìm kiếm cứu nạn. Nhóm cũng mô động, truy vết tàu khi tìm kiếm cứu nạn. Hệ thống mô phỏng chức năng này với những thông số theo quy phỏng radar hàng hải này đã đáp ứng được 85% so với chuẩn đối với radar hàng hải như Hình 9. những hệ thống radar hàng hải của một số hãng lớn trên Cuối cùng, nhóm tác giả thực hiện xây dựng một thế giới. Đặc biệt, nhóm tác giả còn làm chủ hoàn toàn số kịch bản huấn luyện hệ thống radar hàng hải, thử công nghệ và nội địa hóa sản phẩm. Hướng phát triển nghiệm và đánh giá, so sánh với một số hệ thống mô của bài báo trong tương lai sẽ thử nghiệm nhiều thuật phỏng của hãng lớn như Transas, Kongsberg được lắp toán trong radar và xây dựng được hệ mô phỏng radar đặt tại Trường Đại học Hàng hải Việt Nam. cho các loại thiết bị radar hàng hải khác nhau. Một trong những kịch bản đó là cho tàu chủ xuất TÀI LIỆU THAM KHẢO phát từ cảng Nam Đình Vũ với hướng 3200 điều khiển [1] www.transas.com, NTPR4000 - Leaflet - prev. tàu bằng vô lăng, hướng bắc thật N up, vận tốc [2] MFD Radar User Manual -Transas Ltd., December 6,754kts và gặp hai tàu mục tiêu đi chạy theo chiều 2010. ngược lại, mục tiêu có phương vị 70,80, khoảng cách [3] Lê Xuân Việt, Nguyễn Minh Đức, "Xây dựng phần 0.1179NM. Thời gian mô phỏng là 8 giờ 10 phút. Yêu cầu của radar đo khoảng cách từ tàu chủ đến hai tàu mềm mô phỏng RADAR phục vụ đào tạo và huấn mục tiêu với từng thang đo cụ thể và dùng vòng cự ly luyện", Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải, động, tốc độ của tàu mục tiêu như Hình 10. (Số 50), tr.75-78, 2017. [4] Tiếu Văn Kinh, Sổ Tay Hàng Hải tập 1+2, tr. 674- 678, NXB Giao thông vận tải, Hà Nội, 2010. [5] Alan Bole, Alan Wall, Andy Norris, Radar and ARPA manual, Butterworth Heineman, pp.08-30, 2013. [6] David F. Burch, Radar for mariners, Mc Graw-Hill Education, pp.190-194, 2013. Ngày nhận bài: 06/02/2021 Ngày nhận bản sửa: 26/02/2021 Ngày duyệt đăng: 11/3/2021 Hình 10. Hiển thị VRM, EBL Hình 10 thể hiện đường phương vị (EBL) và vòng cự ly (VRM) được đo thủ công của tàu mục tiêu Cargo ship, giá trị đo được hiển thị trên màn hình radar. Bên cạnh phương pháp xác định thủ công, hệ thống mô phỏng radar này còn cho phép tự động tính toán khoảng cách và phương vị mục tiêu. Qua quá trình thử nghiệm một số tính năng của radar và so sánh với hệ thống mô phỏng radar của Transas kết quả thu được cho thấy hệ thống radar này đáp ứng đủ được yêu cầu cơ bản trong huấn luyện radar hàng hải. 5. Kết luận Trong bài báo này đã đề xuất giải pháp và thiết kế chế tạo thành công hệ thống mô phỏng radar hàng hải dựa trên thiết bị phần cứng PLC và phần mềm Unity 3D. Đặc biệt, mô phỏng gần chính xác cơ bản chức S Ố 66 (4-2021) 77