Vài nét về hệ thống điều khiển và lái tàu thủy

Những con tàu đầu tiên do con người chế tạo ra có lẽ là những chiếc thuyền gỗ nhỏ. Có nhiều loại thuyền gỗ, những chiếc thuyền gỗ đầu tiên được đóng bằng các tấm gỗ ghép lại. Để di chuyển được trên mặt nước con người đầu tiên sử dụng mái chèo và sau đó đã biết tận dụng sức gió bằng những cách buồm. Mái chèo và cánh buồm vừa làm nhiệm vụ đẩy thuyền, vừa làm nhiệm vụ điều chỉnh thuyền theo hướng đi đã định. Như vậy có thể nói bộ phận lái đầu tiên cho tàu thủy là mái chèo và cách buồm.

Thời kỳ phát triển mạnh nhất của ngành hàng hải bắt đầu từ thế kỷ thứ 15, khi các thuyền buồm bằng gỗ cỡ lớn có thể chạy được nhiều ngày trên biển, và mở ra thời kỳ thám hiểm hàng hải. Các đội thuyền buồm mạnh nhất thời bấy giờ là đội thuyền của Tây Ban Nha, Bồ Đào Nha và Anh. Các cuộc thám hiểm và chinh phục các thuộc địa bằng thuyền buồm (gỗ) liên tiếp cho tới thế kỷ 19 khi tàu sắt thay thế thuyền gỗ. Thời kỳ này là thời kỳ lái tàu bằng hệ thống lái vô lăng truyền động cơ học và sử dụng la bàn, thời kế, sextant và các bảng lịch thiên văn để điều khiển thuyền buồm. Một số nhà thám hiểm hàng hải nổi tiếng thời bấy giờ có thể kể đến Magellan, Colombus, và James Cook.

Vào cuối thế kỷ thứ 18 và đầu thế kỷ thứ 19, sự xuất hiện của máy hơi nước, của tàu sắt và máy phát điện đã tạo ra một cuộc cách mạng công nghiệp ở Châu Âu, kéo theo sự ra đời của tàu vỏ thép cỡ lớn chạy bằng hơi nước. Sự phát triển từ thuyền buồm bằng gỗ sang tàu vỏ thép chạy máy hơi nước đã nảy sinh nhu cầu đòi hỏi phải phát triển hệ thống lái tốt hơn và phương pháp xác định trị trí tàu tốt hơn. Vào giữa thế kỷ thứ 19, nhà khoa học người Pháp J.B.L. Foucault tiến hành thí nghiệm với một bánh đà quay gắn trên các vòng các đăng (các vòng tròn nối khớp với nhau và nối với trục của bánh đà để bánh đá có thể quay tự do theo các hướng). Thiết bị bánh đà quay trên vòng các đăng này được gọi là con quay (gyroscope). Qua thí nghiệm Foucault phát hiện ra đặc điểm quan trọng của con quay là khi nó tự quay nó vẫn duy trì hướng ban đầu của nó trong không gian mà không phụ thuộc vào chiều quay của trái đất. Từ thí nghiệm này đã mở đầu cho phát minh ra la bàn con quay điện vào năm 1890 do G.M. Hopkins.

Sự ra đời của con quay điện đã làm phát sinh nhu cầu sử dụng con quay để tạo ra la bàn con quay dùng trong việc điều khiển tàu vỏ thép và tàu ngầm vì khi sử dụng tàu vỏ thép, la bàn từ trên tàu đó bị ảnh hưởng của các nguồn từ trên tàu. La bàn điện (la bàn con quay) đã được hai người, H. Anschutz của Đức và E. Sperry của Mỹ cùng đồng thời phát minh vào đầu thế kỷ 20 (1908 Anschutz được cấp bằng sáng chế la bàn con quay chỉ hướng bắc, 3 năm sau E. Sperry đựơc cấp bằng sáng chế về ballistic compass).

La bàn con quay ra đời đã kích thích các nhà nghiên cứu tiếp tục phát minh ra máy lái tự động cho tàu vỏ thép. Chiếc máy lái tự động (autopilot) đầu tiên do Sperry chế tạo đã ra đời vào năm 1911 với tên gọi "Metal Mike". Chiếc máy lái tự động đầu tiên này của Sperry được gọi là máy lái tự động do con quay chỉ đạo (gyroscope-guided autopilot), sử dụng nguyên lý điều khiển phản hồi và điều chỉnh khuếch đại tự động.

Từ thập niên 20s và 30s, đặc biệt trong chiến tranh thế giới thứ hai, đã có những phát triển mạnh về hệ thống điều khiển tàu biển và hệ thống dẫn đường. Máy tính phát triển và cũng đã được áp dụng vào kỹ thuật điều khiển các phương tiện trên biển, đặc biệt tàu ngầm.

Ngoài hệ thống máy lái tự động dùng để điều khiển hướng tàu, các hệ thống điều khiển vị trí động cũng được phát triển nhằm giúp cho việc duy trì vị trí tàu phục vụ các công tác truyền tải, tiếp nhiên liệu và lắp đặt đường ống cáp quang và các thiết bị ngầm. Ngày càng nhiều các thuật toán điều khiển khác nhau được áp dụng vào điều khiển tự động các phương tiện trên biển.

Ngày nay bằng kĩ thuật vệ tinh, Internet và kỹ thuật không dây, kỹ thuật thông tin dải băng rộng và qua hệ thống vệ tinh nhân tạo cùng những tiến bộ khác trong ngành công nghệ thông tin nên sẽ có những máy móc điều khiển từ xa thu phát và nhận tín hiệu qua vệ tinh. Hệ hệ thống điều khiển tự động cho các phương tiện vẫn đang tiếp tục phát triển với những xu hướng mới.

Trong nghiên cứu và phát triển hệ thống điều khiển tự động cho các phương tiện trên biển thường có những khái niệm sau:

+ Chỉ đạo (Guidance): là hành động hoặc hệ thống tính toán liên tục các vị trí. tốc độ và gia tốc mong muốn của tàu được dùng trong hệ thống điều khiển. Những dữ liệu này thường được cung cấp cho người vận hành và hệ thống hành hải. Những thành phần cơ bản của một hệ thống chỉ đạo gồm các bộ cảm biến chuyển động, các dữ liệu bên ngoài như dữ liệu thời tiết (tốc độ và hướng gió, độ cao và độ dốc của sóng, tốc độ và hướng dòng chảy, v.v…) và máy tính. Máy tính thu thập và xử lý thông tin, và cung cấp kết quả cho hệ thống điều khiển của tàu. Trong nhiều trường hợp, những kỹ thuật tối ưu hóa cao cấp được dùng để tính toán quỹ đạo hoặc tuyến hành trình tối ưu cho tàu đi theo. Có thể hệ thống này còn bao gồm những đặc điểm phức tạp như tối ưu hóa nhiên liệu, chạy tàu theo thời gian nhỏ nhất, tuyến hành trình theo thời tiết, tránh va chạm, điều khiển theo đội hình  và đảm bảo lịch trình.

+ Dẫn đường (Navigation): Dẫn đường là một khoa học chỉ dẫn cho một phương tiện chuyển động bằng cách xác định vị trí, hướng chạy và khoảng cách mà phương tiện đã chạy được. Trong một số trường hợp tốc độ và gia tốc cũng được xác định. Việc dẫn đường này thường được tiến hành bằng cách dùng hệ thống dẫn đường bằng vệ tinh  kết hợp với những bộ cảm biến chuyển động như máy đo gia tốc và con quay. Hệ thống dẫn đường cao cấp nhất cho ứng dụng trong ngành hàng hải là hệ thống dẫn đường quán tính (inertial navigation system, INS).

Từ navigation có nguyên gốc là hàng hải, nghĩa là dẫn tàu thuyền chạy trên biển. Từ này có nguồn gốc từ tiếng La Tinh (trong thần thoại Hy Lạp có nhắc đến một con thuyền mang tên Argo Navis, mà một số phần của con thuyền này trở thành các chòm sao trên bầu trời). Ngày nay từ này đã được mở rộng nghĩa và không còn chỉ mang nghĩa hàng hải mà còn mang nghĩa dẫn đường (xác định vị trí và điều khiển) cho các phương tiện khác như ô tô (chúng ta có GPS navigator dùng cho xe ô tô), máy bay và vũ trụ. Từ này cũng còn được dùng đặt tên cho cả chương trình phần mềm (trình duyệt Internet) Navigator!

+ Ðiều khiển (Control): là hành động xác định những lực và mô men điều khiển cần thiết do tàu cung cấp nhằm đáp ứng mục tiêu điều khiển. Mục tiêu điều khiển mong muốn thường được xem xét trong mối liên quan với hệ thống chỉ đạo. Những ví dụ về mục tiêu điều khiển là tiết kiệm năng lượng, điều chỉnh tín hiệu đặt, truy theo quỹ đạo, chạy theo tuyến hành trình, và điều động  .v.v… Việc xây dựng thuật toán điều khiển liên quan đến việc thiết kế các quy luật điều khiển phản hồi (feedback) và nuôi thuận (feedforward). Tín hiệu ra của những hệ thống dẫn đường, vị trí, tốc độ và gia tốc, được dùng điều khiển phản hồi trong khi điều khiển nuôi thuận được thực hiện bằng cách dùng những tín hiệu có sẵn trong hệ thống chỉ đạo và những bộ cảm biến bên ngoài.

T.Hồ