Luận án Tiến sĩ Khoa học hàng hải: Nghiên cứu điều khiển thích nghi cho robot lặn tự hành

Chia sẻ: Hoamaudon | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:156

Thêm vào BST

Báo xấu

39
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của đề tài "Nghiên cứu điều khiển thích nghi cho robot lặn tự hành" là phát triển ứng dụng bộ điều khiển nơ-ron thích nghi cho hệ thống điều khiển hướng đi và độ sâu AUV, qua đó cải tiến nâng cao chất lượng bộ điều khiển cho loại phương tiện này, nhằm đưa ra bộ điều khiển mới và có tính ứng dụng thực tiễn. Từ đó, thiết kế thử nghiệm bộ điều khiển trên mô phỏng và thực nghiệm.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Khoa học hàng hải: Nghiên cứu điều khiển thích nghi cho robot lặn tự hành

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH PHẠM VIỆT ANH NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO ROBOT LẶN TỰ HÀNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP. HỒ CHÍ MINH – 2022
BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH PHẠM VIỆT ANH NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO ROBOT LẶN TỰ HÀNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH: KHOA HỌC HÀNG HẢI MÃ SỐ: 9840106 Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Nguyễn Phùng Hưng TS. Lê Văn Ty TP. HỒ CHÍ MINH – 2022
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... vi LỜI CẢM ƠN........................................................................................................ vii TÓM TẮT……………………………………………………………………….viii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ............................................. x DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .................................................................. xiii DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................. xvii MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................... 2 2. Mục đích nghiên cứu của đề tài.................................................................... 3 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................ 3 4. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................. 3 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ...................................................................... 3 6. Những điểm đóng góp mới của luận án ....................................................... 4 7. Kết cấu của luận án ...................................................................................... 4 CHƯƠNG 1 ............................................................................................................. 5 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT LẶN TỰ HÀNH (AUTONOMOUS UNDERWATER VEHICLE) .................................................................................. 5 1.1. Tổng quan về robot lặn tự hành AUV (Autonomous Underwater Vehicle) 5 1.1.1 Các ứng dụng của AUV trên thế giới ........................................................... 6 1.1.2 Các ứng dụng của AUV tại Việt Nam .......................................................... 9 1.1.3 Mô hình toán học và phương trình động học tổng quát của AUV ............. 11 1.2 Tổng quan về điều khiển AUV hiện nay .................................................... 18 1.2.1 Các nghiên cứu về điều khiển AUV trên thế giới ....................................... 18 1.2.2 Các nghiên cứu về điều khiển AUV tại Việt Nam ...................................... 25 1.3 Kết luận chương 1 ...................................................................................... 26 CHƯƠNG 2 ........................................................................................................... 27 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN NƠ-RON THÍCH NGHI THIẾT BỊ LẶN TỰ HÀNH ............................................................................................................. 27 2.1 Mạng nơ-ron nhân tạo ................................................................................ 27 2.1.1 Tổng quan về mạng nơ-ron nhân tạo trong điều khiển ............................. 27 2.1.1.1 Cấu trúc của mạng nơ-ron ..................................................................... 27
iv 2.1.1.2 Các hình trạng của mạng ....................................................................... 31 2.1.1.3 Các luật học của mạng nơ-ron nhân tạo ................................................ 32 2.1.2 Điều khiển tự động dùng mạng nơ-ron nhân tạo ...................................... 33 2.2 Ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo điều khiển AUV .................................... 34 2.3 Kết luận chương 2 ...................................................................................... 38 CHƯƠNG 3 ........................................................................................................... 39 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NƠ-RON THÍCH NGHI CHO ROBOT LẶN TỰ HÀNH .................................................................................................... 39 3.1 Mô hình toán học AUV sử dụng trong nghiên cứu .................................... 39 3.1.1 Cấu tạo của mô hình NPS AUV II .............................................................. 39 3.1.2 Mô hình toán học AUV ............................................................................... 40 3.2 Mạng nơ-ron thích nghi trong điều khiển .................................................. 47 3.2.1 Bộ điều khiển nơ-ron thích nghi tương tác ................................................ 47 3.2.2 Mô hình tổng quát của bộ điều khiển NNC huấn luyện trực tuyến ............ 48 3.3 Thiết kế hệ thống điều khiển nơ-ron cho AUV .......................................... 50 3.3.1 Điều khiển riêng biệt các chuyển động của AUV....................................... 50 3.3.2 Thiết kế bộ điều khiển nơ-ron cho các hệ thống con ................................. 51 3.3.3 Điều khiển tổng hợp các chuyển động của AUV bằng phương pháp tách rời (decoupled control) ........................................................................................... 54 3.4 Hệ thống điều khiển dẫn đường AUV và thực hiện các nhiệm vụ dưới nước .................................................................................................................... 55 3.4.1 Điều khiển AUV theo quỹ đạo đặt trước .................................................... 55 3.4.2 Điều khiển AUV bám theo địa hình đáy ..................................................... 58 3.5 Các phương án thích nghi cho hệ thống điều khiển AUV ......................... 58 3.5.1 Mô hình dòng chảy tác động lên AUV ....................................................... 58 3.5.2 Thích nghi với tác động của dòng chảy ..................................................... 59 3.6 Kết luận chương 3 ...................................................................................... 61 CHƯƠNG 4 ........................................................................................................... 62 MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN AUV BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN NƠ-RON THÍCH NGHI ..................................................................................................................... 62 4.1 Giới thiệu phương pháp và điều kiện mô phỏng ........................................ 62 4.1.1 Phương pháp mô phỏng ............................................................................. 62 4.1.2 Điều kiện mô phỏng .................................................................................... 62
v 4.2 Mô phỏng điều khiển các chuyển động của AUV ..................................... 63 4.2.1 Điều khiển hướng....................................................................................... 64 4.2.2 Điều khiển hướng, độ sâu và góc chúi ...................................................... 65 4.2.3 Điều khiển hướng đi, độ sâu và tốc độ ...................................................... 69 4.2.4 Điều khiển tổng hợp các chuyển động khi có dòng chảy .......................... 71 4.3 Mô phỏng điều khiển dẫn đường AUV và thực hiện các nhiệm vụ dưới nước .................................................................................................................... 75 4.3.1 Điều khiển AUV theo quỹ đạo đặt trước ................................................... 76 4.3.2 Điều khiển AUV bám theo địa hình đáy .................................................... 93 4.4 Mô phỏng điều khiển AUV thích nghi với ngoại cảnh ................................ 95 4.4.1 Điều khiển AUV dưới tác động của dòng chảy ......................................... 95 4.4.2 Điều khiển AUV thích nghi với tác động của dòng chảy........................... 98 4.5 Kết luận chương 4 .................................................................................... 103 KẾT LUẬN ......................................................................................................... 104 1 Các kết quả đạt được của đề tài ................................................................ 104 2 Những ưu điểm và hạn chế của đề tài ...................................................... 104 3 Hướng phát triển tiếp theo của lĩnh vực nghiên cứu ................................ 105 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN TIẾN SỸ………………………………………………………………………..106 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………107 PHỤ LỤC ............................................................................................................ 121 CÁC FILE MATLAB ĐỂ THỰC HIỆN MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN AUV .... 121 PL1. File mô phỏng điều khiển hướng và độ sâu AUV .................................... 121 PL2. File mô phỏng điều khiển hướng, độ sâu và tốc độ AUV ........................ 125 PL3. File mô phỏng điều khiển dẫn đường AUV theo quỹ đạo ....................... 129 PL4. File LOSguide.m ...................................................................................... 134 PL5. File CurrGen.m ......................................................................................... 136 PL6. File mạng nơ-ron nhiều lớp truyền thẳng ................................................. 137 PL7. File huấn luyện mạng nơ-ron thích nghi .................................................. 138
vi LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là Phạm Việt Anh - Nghiên cứu sinh ngành Khoa học hàng hải và tác giả luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu điều khiển thích nghi cho robot lặn tự hành”, dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Nguyễn Phùng Hưng, TS. Lê Văn Ty thực hiện tại Trường Đại học Giao thông Vận tải Thành Phố Hồ Chí Minh. Bằng danh dự của bản thân, nghiên cứu sinh cam đoan rằng: - Luận án này là công trình nghiên cứu của riêng nghiên cứu sinh, không có phần nội dung nào được sao chép một cách bất hợp pháp, từ công trình nghiên cứu của tác giả hay nhóm tác giả khác; - Các số liệu, kết quả nghiên cứu được nêu trong luận án, chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác trước đó; - Các thông tin, số liệu trích dẫn, tài liệu tham khảo trong luận án đều được chỉ rõ về xuất xứ, nguồn gốc và đảm bảo tính trung thực./. Tp.HCM, ngày 27 tháng 03 năm 2022 Nghiên cứu sinh Phạm Việt Anh
vii LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Giao thông Vận tải Thành Phố Hồ Chí Minh, Viện Đào tạo Sau Đại học - Trường Đại học Giao thông Vận tải Thành Phố Hồ Chí Minh đã cho phép và tạo điều kiện cho tôi thực hiện luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Phùng Hưng, TS. Lê Văn Ty đã tận tình, tâm huyết hướng dẫn, định hướng nghiên cứu giúp tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cám ơn Viện Hàng Hải, Bộ môn Điều Khiển Tàu Biển Trường Đại học Giao thông Vận tải Thành Phố Hồ Chí Minh luôn giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy cô giáo, nhà khoa học đã góp ý, phản biện và đánh giá giúp tôi từng bước hoàn thiện luận án này. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình và bạn bè đã luôn động viên, khuyến khích, tạo điều kiện cho tôi trong suốt thời gian tôi nghiên cứu hoàn thành công trình này! Tp.HCM, ngày 27 tháng 03 năm 2022 Tác giả Phạm Việt Anh
viii TÓM TẮT Hiện nay, mạng nơ-ron nhân tạo (Artificial Neural Network) được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, trong đó có lĩnh vực điều khiển tự động, vì mạng nơ-ron có thể giải quyết những vấn đề điều khiển phức tạp, ngay cả với đối tượng điều khiển có tính phi tuyến cao, có môi trường bên ngoài tác động không dự đoán được, làm cho tính năng của đối tượng trở nên khó điều khiển. Hơn nữa, khả năng tính toán nhanh của mạng nơ-ron cũng làm cho chúng trở nên khả thi với các ứng dụng điều khiển theo thời gian thực. Tại Việt Nam, việc nghiên cứu hệ thống điều khiển tiên tiến cho AUV vẫn còn non trẻ và chưa được ứng dụng rộng rãi. Mặc dù vậy nhu cầu ứng dụng AUV cho khảo sát biển, các công trình ngầm dưới nước, thăm dò và bảo trì đường ống hay cáp ngầm, tìm kiếm cứu nạn dưới biển tại Việt Nam vẫn ngày một tăng cao. Chúng ta vẫn chủ yếu thuê hoặc mua các AUV nước ngoài cho các công tác này. Những nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển AUV, từng bước tự chủ công nghệ chế tạo, vận hành AUV tại Việt Nam là rất cần thiết cho ngành khai thác, thăm dò, quản lý biển và phục vụ an ninh quốc phòng, bảo vệ biển đảo và chủ quyền quốc gia trên biển. Trên cơ sở nghiên cứu các phương pháp điều khiển AUV thông thường và hiện đại, nghiên cứu các thuật toán điều khiển với mạng nơ-ron nhân tạo. Luận án này đã phát triển ứng dụng bộ điều khiển nơ-ron thích nghi cho hệ thống điều khiển hướng đi và độ sâu AUV, qua đó cải tiến nâng cao chất lượng bộ điều khiển cho loại phương tiện này, nhằm đưa ra bộ điều khiển mới và có tính ứng dụng thực tiễn. Các kết quả lý thuyết và mô phỏng thành công đã cho thấy tính khả thi của các thuật toán được NCS đề xuất.
ix ABSTRACT Nowadays artificial neural network has been widely applied in many fields including automatic control as its ability to solve many complicated control problems, even for high nonlinear objects in unpredictable external environment that makes the objects hard to control. Furthermore, fast processing ability of neural networks make them feasible for real time control applications. The research in advanced control systems for AUV has still been young and not enough widely applied in Vietnam. However the demand for application of AUV for sea exploring, underwater construction, surveying and maintaining submerged cables and tubes, under sea search and rescue has been increasing in Vietnam. The AUV have been bought or hired from oversea countries for those works. Studies to improve AUV control systems, and step to step master manufacturing technology, operation of AUV is very necessary for exploring, surveying, managing sea for the sake of national security, defense, protecting sea and national sovereignty at sea. Based on studying conventional and modern control methods of AUV, researching neural network control algorithm, this dissertation developed an application of adaptive neural network controller for AUV. The author upgrades and improve the controller quality applying for this kind of vehicle to introduce a new controller with applicable functions. Theoretical and simulation results proved the feasibility of the control algorithms proposed by the author.
x DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Chữ viết tắt Giải thích ý nghĩa AUV Autonomous Underwater Vehicle ANN Artificial Neural Network BĐK Bộ điều khiển LOS Line of Sight NNC Neural Network Controller PD Proportion Derivative PID Proportion Integration Derivative 𝐼𝑥 , 𝐼𝑦 , 𝐼𝑧 momen quán tính đối với trục xb , yb, zb 𝑅𝑏𝑛 ma trận chuyển đổi 𝜂 vector vị trí và hướng của AUV trong hệ trục tọa độ {n} 𝑝 vị trí của hệ trục tọa độ {b} so với hệ trục tọa độ {n} Θ góc xoay giữa hệ trục tọa độ {b} và hệ trục tọa độ {n} 𝑉 vector vận tốc dài và vận tốc góc của AUV ({b} so với {n}) trong hệ tọa độ {b} 𝑣 vận tốc dài của AUV ({b} so với {n}) trong hệ tọa độ {b} 𝜔 vận tốc góc của AUV ({b} so với {n}) trong hệ tọa độ {b} 𝜏 lực và moment tác động lên AUV trong hệ trục tọa độ {b} 𝑓 lực tác động lên AUV trong hệ trục tọa độ {b} ɱ moment tác động lên AUV trong hệ trục tọa độ {b} w ji Các trọng số tương ứng với các đầu vào j Độ lệch (bias) aj Đầu vào mạng (net-input)
xi zj Đầu ra của nơ-ron g ( x) Hàm truyền (hay hàm kích hoạt) 𝐶(𝑉𝑟 ) ma trận lực hướng tâm Coriolis 𝐷(𝑉𝑟 ) ma trận lực cản g(𝜂) vector trọng lực/lực đẩy Acsimet và moment (lực phục hồi) g0 vector trọng lực thêm vào để làm AUV cân bằng Oi tín hiệu ra của nơ-ron thứ i Ii tín hiệu vào của nơ-ron thứ i i giá trị ngưỡng của nơ-ron thứ i wij trọng số của liên kết từ nơ-ron thứ i đến nơ-ron thứ j Oid giá trị đầu ra mong muốn của nơ-ron thứ i  bước học Xkd véc-tơ trạng thái mong muốn Xk véc-tơ trạng thái thực tế ukc véc-tơ lệnh điều khiển uk véc-tơ điều khiển thực tế P ma trận đối xứng dương phản ánh các trọng số của các biến của đối tượng được điều khiển Λ ma trận đối xứng dương của véc-tơ điều khiển k Chu trình điều khiển n số lần huấn luyện trong một chu trình Ek Hàm mục tiêu ek Sai số điều khiển  kd hướng đi mong muốn
xii k Hướng đi thực tế z kd Độ sâu mong muốn zk Độ sâu thực tế k Góc chúi của AUV  Rk Góc bẻ lái  Sk Góc bánh lái độ sâu wk Tốc độ theo phương đứng rk Tốc độ đổi hướng u kd Tốc độ mong muốn uk Tốc độ thực tế 𝑍𝑘 Tích phân sai số độ sâu
xiii DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Nghiên cứu AUV mô hình tại trường ĐH Bách khoa Hà Nội [7] . 10 Hình 1.2 KIAL – AUV của ĐH Bách khoa TP Hồ Chí Minh phối hợp nghiên cứu với Hàn Quốc [10] ................................................................. 10 Hình 1.3 Hệ trục tọa độ ECEF ..................................................................... 11 Hình 1.4 Các vận tốc u, v, w, p, q, r trong hệ tọa độ Body-fixed. ................ 13 Hình 1.5 Các góc xoay Euler........................................................................ 15 Hình 2.1 Đơn vị xử lý của mạng nơ-ron nhân tạo ....................................... 28 Hình 2.2 Hàm truyền tuyến tính ................................................................... 29 Hình 2.3 Hàm truyền giới hạn cứng ............................................................. 30 Hình 2.4 Hàm truyền dạng sigma................................................................. 30 Hình 2.5 Hàm truyền dạng tang-sigma ........................................................ 31 Hình 2.6 Mạng nơ-ron truyền thẳng nhiều lớp ............................................ 31 Hình 2.7 Mạng nơ-ron hồi quy ..................................................................... 32 Hình 2.8 Sơ đồ phương pháp điều khiển gián tiếp [3] ................................. 33 Hình 2.9 Sơ đồ phương pháp điều khiển trực tiếp [3] ................................. 34 Hình 3.1 Mô hình NSP AUV II ..................................................................... 39 Hình 3.2 Sơ đồ cấu tạo các chi tiết của NSP AUV II ................................... 40 Hình 3.3 Cấu trúc bộ điều khiển NNC ......................................................... 48 Hình 3.4 Cấu trúc bộ điều khiển NNC. Véc-tơ tín hiệu vào gồm sai số ek và các tín hiệu trễ của ek. Hàm mục tiêu Ek được xử lý bằng thuật toán Brandt-Lin nhằm cập nhật các trọng số sao cho giá trị của Ek được cực tiểu [3]. .......................................................................... 49 Hình 3.5 Sơ đồ giải thuật phương pháp huấn luyện lan truyền ngược “tăng cường” với n và bước học  cố định .............................................49 Hình 3.6 Sơ đồ hệ thống điều khiển hướng AUV .........................................51 Hình 3.7 Sơ đồ hệ thống điều khiển độ sâu AUV .........................................53 Hình 3.8 Sơ đồ hệ thống điều khiển tốc độ AUV ..........................................53
xiv Hình 3.9 Sơ đồ hệ thống dẫn đường và điều khiển AUV..............................54 Hình 3.10 Luật điều hướng LOS...................................................................56 Hình 3.11 Sơ đồ hệ thống điều khiển AUV theo quỹ đạo tính đến độ dạt do dòng chảy gây ra. .......................................................................... 59 Hình 4.1 Sơ đồ mô phỏng điều khiển hướng AUV ....................................... 63 Hình 4.2 Đáp ứng hướng đi của BĐK NNC ................................................. 64 Hình 4.3 Đáp ứng hướng đi của BĐK NNC và PID .................................... 64 Hình 4.4 Sơ đồ mô phỏng điều khiển độ sâu AUV ....................................... 65 Hình 4.5 Đáp ứng hướng đi của AUV trong TN2 ........................................ 66 Hình 4.6 Đáp ứng độ sâu của AUV trong TN2 ............................................ 66 Hình 4.7 Quỹ đạo chuyển động của AUV trong TN2 ................................... 67 Hình 4.8 Đáp ứng độ sâu của AUV khi có dòng chảy (TN3) ....................... 67 Hình 4.9 Đáp ứng hướng đi của AUV khi có dòng chảy (TN3) ................... 68 Hình 4.10 Vết chuyển động của AUV khi có dòng chảy (TN3) .................... 68 Hình 4.11 Sơ đồ mô phỏng điều khiển tốc độ AUV ...................................... 69 Hình 4.12 Đáp ứng hướng đi của AUV trong TN4 ...................................... 70 Hình 4.13 Đáp ứng độ sâu của AUV trong TN4 .......................................... 70 Hình 4.14 Đáp ứng tốc độ của AUV trong TN4 ........................................... 71 Hình 4.15 Vết chuyển động của AUV ........................................................... 71 Hình 4.16 Đáp ứng hướng đi của AUV khi có dòng chảy (TN5) ................. 72 Hình 4.17 Đáp ứng tốc độ của AUV trong TN5 ........................................... 72 Hình 4.18 Đáp ứng độ sâu của AUV trong TN5 .......................................... 73 Hình 4.19 Vết chuyển động của AUV khi có dòng chảy (TN5) .................... 73 Hình 4.20 Mô phỏng hệ thống điều khiển và dẫn đường AUV .................... 76 Hình 4. 21 Đáp ứng hướng đi của AUV trong TN6 ..................................... 77 Hình 4. 22 Đáp ứng độ sâu trong TN6 ......................................................... 77 Hình 4. 23 Đáp ứng tốc độ trong TN6.......................................................... 78 Hình 4. 24 Vết chuyển động của AUV trong TN6 ........................................ 78 Hình 4. 25 Quỹ đạo trên mặt phẳng ngang của AUV trong TN6 ................. 79
xv Hình 4. 26 Đáp ứng hướng đi của AUV trong TN7 ..................................... 79 Hình 4. 27 Đáp ứng độ sâu của AUV trong TN7 ......................................... 80 Hình 4. 28 Đáp ứng tốc độ của AUV trong TN7 .......................................... 80 Hình 4. 29 Quỹ đạo chuyển động của AUV trong TN7 ................................ 81 Hình 4. 30 Quỹ đạo trên mặt phẳng ngang của AUV trong TN7 ................. 81 Hình 4. 31 Đáp ứng hướng đi của AUV trong TN8 ..................................... 82 Hình 4. 32 Đáp ứng độ sâu của AUV trong TN8 ......................................... 82 Hình 4. 33 Đáp ứng tốc độ của AUV trong TN8 .......................................... 83 Hình 4. 34 Quỹ đạo chuyển động của AUV trong TN8 ................................ 83 Hình 4. 35 Quỹ đạo của AUV trên mặt phẳng ngang trong TN8 ................. 84 Hình 4. 36 Đáp ứng hướng đi của AUV trong TN9 ..................................... 84 Hình 4. 37 Đáp ứng tốc độ của AUV trong TN9 .......................................... 85 Hình 4. 38 Đáp ứng độ sâu của AUV trong TN9 ......................................... 85 Hình 4. 39 Quỹ đạo chuyển động của AUV trong TN9 ................................ 86 Hình 4. 40 Quỹ đạo của AUV trên mặt phẳng ngang trong TN9 ................. 86 Hình 4. 41 Đáp ứng hướng đi của AUV trong TN10 ................................... 87 Hình 4. 42 Đáp ứng độ sâu của AUV trong TN10 ....................................... 87 Hình 4. 43 Đáp ứng tốc độ của AUV trong TN10 ........................................ 88 Hình 4. 44 Quỹ đạo chuyển động của AUV trong TN10 .............................. 88 Hình 4. 45 Quỹ đạo trên mặt phẳng ngang của AUV trong TN10 ............... 89 Hình 4. 46 Khoảng cách dạt trên mặt phẳng ngang (TN10)........................ 89 Hình 4. 47 Đáp ứng hướng đi của AUV trong TN11 ................................... 90 Hình 4. 48 Đáp ứng độ sâu của AUV trong TN11 ....................................... 90 Hình 4. 49 Đáp ứng tốc độ của AUV trong TN11 ........................................ 91 Hình 4. 50 Quỹ đạo chuyển động của AUV trong TN11 .............................. 91 Hình 4. 51 Quỹ đạo trên mặt phẳng ngang của AUV trong TN11 ............... 92 Hình 4. 52 Khoảng cách dạt trên mặt phẳng ngang (TN11)........................ 92 Hình 4. 53 Đáp ứng hướng của AUV trong TN12........................................ 93 Hình 4. 54 Đáp ứng độ sâu của AUV trong TN12 ....................................... 94 Hình 4. 55 Đáp ứng tốc độ AUV trong TN12 ............................................... 94
xvi Hình 4. 56 Độ sâu thực tế của AUV (nét liền, xanh) và đáy (nét đứt, đỏ) ... 95 Hình 4. 57 Đáp ứng hướng đi của AUV trong TN13 ................................... 95 Hình 4. 58 Đáp ứng tốc độ của AUV trong TN13 ........................................ 96 Hình 4. 59 Đáp ứng độ sâu của AUV trong TN13 ....................................... 96 Hình 4. 60 Quỹ đạo chuyển động của AUV trong TN13 .............................. 97 Hình 4. 61 Quỹ đạo trên mặt phẳng ngang của AUV trong TN13 ............... 97 Hình 4. 62 Khoảng cách dạt trên mặt phẳng ngang (TN13)........................ 97 Hình 4. 63 Đáp ứng hướng đi của AUV trong TN14 ................................... 98 Hình 4. 64 Đáp ứng tốc độ của AUV trong TN14 ........................................ 98 Hình 4. 65 Đáp ứng độ sâu của AUV trong TN14 ....................................... 99 Hình 4. 66 Qũy đạo chuyển động của AUV trong TN14 .............................. 99 Hình 4. 67 Qũy đạo trên mặt phẳng ngang của AUV (TN14) ...................... 99 Hình 4. 68 Khoảng cách dạt trên mặt phẳng ngang (TN14)...................... 100 Hình 4. 69 Đáp ứng hướng đi của AUV trong TN15 ................................. 100 Hình 4. 70 Đáp ứng tốc độ của AUV trong TN15 ...................................... 101 Hình 4. 71 Đáp ứng độ sâu của AUV trong TN15 ..................................... 101 Hình 4. 72 Quỹ đạo chuyển động của AUV trong TN15 ............................ 102 Hình 4. 73 Quỹ đạo trên mặt phẳng ngang của AUV trong TN15 ............. 102 Hình 4. 74 Khoảng cách dạt trên mặt phẳng ngang (TN15)...................... 102
xvii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. 1 Một số mẫu AUV trên thế giới. ...................................................... 6 Bảng 1. 2 Thống kê tàu tự hành AUV ............................................................. 8 Bảng 1. 3 Bảng quy ước các đại lượng ........................................................ 13 Bảng 4. 1 Các hệ số của mô hình động học NPS AUV II (Matlab code) ..... 62
1 MỞ ĐẦU Cho đến ngày nay, các phương pháp điều khiển truyền thống để thiết kế các hệ thống điều khiển tiên tiến cho phương tiện thủy điển hình như bộ điều khiển tỷ lệ - vi phân – tích phân (PID) vẫn còn phổ biến bởi vì nó có cấu trúc đơn giản và tính bền vững cao, dễ tổng hợp và thiết kế. Tuy nhiên, việc cải tiến chất lượng bộ điều khiển PID của hệ thống điều khiển vẫn luôn là đề tài nóng hổi cho các nhà nghiên cứu. Bởi vì khi thiết kế bộ điều khiển cho phương tiện thủy, bộ điều khiển PID thường yêu cầu phải có mô hình động học của phương tiện thủy đó. Nhưng trong thực tế, các tính năng động học của chúng thường mang tính phi tuyến cao và chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố nhiễu loạn bên ngoài. Đặc biệt là phương tiện lặn tự hành (AUV) trong môi trường 6 bậc tự do. Các yếu tố nhiễu loạn bên ngoài cũng mang những đặc tính phi tuyến và không xác định cao. Điều đó dẫn đến việc phải xây dựng các cấu trúc và tham số không xác định đồng thời yêu cầu phải có những kỹ thuật điều khiển tiên tiến. Vì vậy, các nhà khoa học không ngừng nghiên cứu cải tiến chất lượng bộ điều khiển PID theo hai hướng: một là, cải tiến cấu trúc bộ điều khiển PID; hai là kết hợp lý thuyết lô-gic mờ, mạng nơ-ron nhân tạo, thuật toán di truyền và các lý thuyết điều khiển thông minh khác với bộ điều khiển PID thông thường để đạt được chất lượng điều khiển mong muốn. Do vậy, các bộ điều khiển kết hợp này còn được gọi là bộ điều khiển PID thông minh. Bộ điều khiển PID thông minh không yêu cầu phải có mô hình toán học của đối tượng một cách chính xác, các tham số của hệ thống có tính bền vững hơn. Hiện nay, mạng nơ-ron nhân tạo (Artificial Neural Network) được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, trong đó có lĩnh vực điều khiển tự động, vì mạng nơ-ron có thể giải quyết những vấn đề điều khiển phức tạp, ngay cả với đối tượng điều khiển có tính phi tuyến cao, có môi trường bên ngoài tác động không dự đoán được, làm cho tính năng của đối tượng trở nên khó điều
2 khiển. Hơn nữa, khả năng tính toán nhanh của mạng nơ-ron cũng làm cho chúng trở nên khả thi với các ứng dụng điều khiển theo thời gian thực [1], [2], [3], [5], [6], [33]. Để giải quyết được các bài toán có yếu tố không xác định trong các mô hình động học tàu thủy mặt nước hay phương tiện ngầm cũng như nhiễu loạn do môi trường bên ngoài như sóng, gió, dòng chảy…, phương pháp sử dụng mạng nơ-ron nhân tạo đã chứng tỏ được hiệu quả và tính khả thi trong điều khiển [8], [9], [14], [61-64] và đã được đề xuất, nghiên cứu và phát triển nhiều trên thế giới trong thời gian gần đây. 1. Tính cấp thiết của đề tài Với lợi thế về biển, Việt Nam đã có chủ trương phát triển mạnh ngành vận tải biển và công nghiệp đóng tàu, quản lý và khai thác tài nguyên biển theo hướng hội nhập quốc tế và đáp ứng nhu cầu của xã hội với mục tiêu “phát triển kinh tế biển phù hợp với Chiến lược biển Việt Nam đến năm 2020, phục vụ nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội; góp phần củng cố quốc phòng, an ninh và bảo vệ chủ quyền quốc gia trên các vùng biển và hải đảo của Tổ quốc”. Tại Việt Nam, việc nghiên cứu hệ thống điều khiển tiên tiến cho AUV vẫn còn non trẻ và chưa được ứng dụng rộng rãi. Mặc dù vậy nhu cầu ứng dụng AUV cho khảo sát biển, các công trình ngầm dưới nước, thăm dò và bảo trì đường ống hay cáp ngầm, tìm kiếm cứu nạn dưới biển tại Việt Nam vẫn ngày một tăng cao. Chúng ta vẫn chủ yếu thuê hoặc mua các AUV nước ngoài cho các công tác này. Những nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển AUV, từng bước tự chủ công nghệ chế tạo, vận hành AUV tại Việt Nam là rất cần thiết cho ngành khai thác, thăm dò, quản lý biển và phục vụ an ninh quốc phòng, bảo vệ biển đảo và chủ quyền quốc gia trên biển. Vì vậy nghiên cứu điều khiển AUV sẽ là một trong những vấn đề quan trọng cho sự nghiệp hiện đại hóa ngành chế tạo và điều khiển phương tiện ngầm tại Việt Nam. Từ các lý do trên, tác giả đã chọn đề tài “Nghiên cứu điều khiển thích nghi cho robot lặn tự hành”.
3 2. Mục đích nghiên cứu của đề tài Trên cơ sở nghiên cứu các phương pháp điều khiển AUV thông thường và hiện đại, nghiên cứu các thuật toán điều khiển với mạng nơ-ron nhân tạo. Mục đích nghiên cứu của đề tài là phát triển ứng dụng bộ điều khiển nơ-ron thích nghi cho hệ thống điều khiển hướng đi và độ sâu AUV, qua đó cải tiến nâng cao chất lượng bộ điều khiển cho loại phương tiện này, nhằm đưa ra bộ điều khiển mới và có tính ứng dụng thực tiễn. Từ đó, thiết kế thử nghiệm bộ điều khiển trên mô phỏng và thực nghiệm. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu các thuật toán điều khiển nơ-ron và điều khiển thích nghi dựa trên hoạt động của mạng nơ-ron nhân tạo. Đề xuất phát triển thuật toán và ứng dụng vào thiết kế Bộ điều khiển nơ-ron thích nghi cho điều khiển hướng đi, độ sâu và tốc độ AUV. Sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng bộ điều khiển được đề xuất, đánh giá chất lượng bộ điều khiển nơ-ron thích nghi trong các phương án điều khiển AUV ứng dụng vào thực tiễn. 4. Phương pháp nghiên cứu Phân tích, tổng hợp hệ thống điều khiển AUV dựa trên mạng nơ-ron thích nghi. Nghiên cứu ứng dụng thuật toán điều khiển nơ-ron thích nghi cho hệ thống điều khiển hướng đi, độ sâu và tốc độ AUV. Phương pháp mô phỏng sử dụng Matlab làm công cụ để mô phỏng kiểm chứng lại tính khả thi và chính xác của thuật toán. Phương pháp so sánh: so sánh với bộ điều khiển PID thông thường để chứng minh tính hiệu quả của bộ điều khiển nơ-ron. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Kết quả nghiên cứu của luận án có thể đóng góp về lý thuyết, làm tài liệu tham khảo cho các sinh viên, học viên, nghiên cứu sinh và những người quan tâm đến lĩnh vực điều khiển. Thuật toán điều khiển và kết quả nghiên cứu cũng có thể ứng dụng vào nghiên cứu chế tạo các bộ điều khiển có chất