Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Tổng hợp bộ điều khiển trượt thích nghi cho phương tiện nổi tự hành trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:160

Thêm vào BST

Báo xấu

3
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa "Tổng hợp bộ điều khiển trượt thích nghi cho phương tiện nổi tự hành trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về USV và các phương pháp điều khiển; Tổng hợp bộ điều khiển trượt tầng thích nghi bám quỹ đạo trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo cho USV; Tổng hợp bộ quan sát tốc độ thích nghi cho USV trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Tổng hợp bộ điều khiển trượt thích nghi cho phương tiện nổi tự hành trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ -------------------------- NGUYỄN KHẮC TUẤN TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT THÍCH NGHI CHO PHƯƠNG TIỆN NỔI TỰ HÀNH TRÊN CƠ SỞ MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9 52 02 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS Lê Trần Thắng 2. PGS. TS Nguyễn Đức Khoát Hà Nội – 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ -------------------------- NGUYỄN KHẮC TUẤN TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT THÍCH NGHI CHO PHƯƠNG TIỆN NỔI TỰ HÀNH TRÊN CƠ SỞ MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. Tác giả luận án Nguyễn Khắc Tuấn
ii LỜI CẢM ƠN Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy giáo hướng dẫn khoa học TS Lê Trần Thắng và PGS. TS Nguyễn Đức Khoát đã luôn quan tâm, động viên, giúp đỡ, đóng góp ý kiến quý báu và tạo mọi điều kiện để tác giả thực hiện và hoàn thành luận án. Xin chân thành cảm ơn Thủ trưởng Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự, Viện Tự động hóa Kỹ thuật Quân sự, Thủ trưởng và cán bộ phòng Đào tạo Viện Khoa học và Công nghệ quân sự đã luôn quan tâm và giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập và nghiên cứu. Tác giả chân thành cảm ơn các nhà giáo, các nhà khoa học, đồng nghiệp trong và ngoài Viện Khoa học và Công nghệ quân sự đã đóng góp ý kiến trong quá trình thực hiện luận án. Cuối cùng xin được cảm ơn các thành viên trong gia đình, đặc biệt là vợ, con và bố mẹ đã tạo mọi điều kiện về thời gian, vật chất cũng như luôn sát cánh động viên tinh thần để tác giả tập trung, cố gắng hoàn thành luận án này. Hà Nội, ngày …. tháng …. năm 2023 Nghiên cứu sinh Nguyễn Khắc Tuấn
iii MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT..........................................v DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................... viii DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................... ix MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ USV VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ..6 1.1. Các khái niệm ...................................................................................................6 1.1.1. Các hệ trục tọa độ được sử dụng trong phân tích các phương tiện hàng hải 6 1.1.2. Vị trí và hướng trong chuyển động của tàu...............................................8 1.2. Tổng quan về xây dựng phương trình chuyển động của phương tiện hàng hải......9 1.2.1. Phương trình chuyển động của vật rắn ...................................................10 1.2.2. Một số mô hình phương tiện hàng hải ....................................................15 1.3. Phương tiện nổi tự hành thiếu cơ cấu chấp hành ...........................................18 1.3.1. Mô hình động lực học của USV thiếu cơ cấu chấp hành ........................18 1.3.2. Biến đổi mô hình .....................................................................................22 1.3.3. Phân tích mô hình....................................................................................29 1.4. Mô hình các nhiễu môi trường .......................................................................29 1.4.1. Dòng chảy ...............................................................................................30 1.4.2. Gió ...........................................................................................................30 1.4.3. Sóng.........................................................................................................32 1.5. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ....................................................34 1.5.1. Tình hình nghiên cứu trong nước ............................................................34 1.5.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước ...........................................................35 1.6. Đặt bài toán ....................................................................................................39 1.7. Kết luận Chương 1 .........................................................................................40 Chương 2 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT TẦNG THÍCH NGHI BÁM QUỸ ĐẠO TRÊN CƠ SỞ MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO .......................41 2.1. Cơ sở lý thuyết ...............................................................................................41 2.1.1. Phương pháp điều khiển trượt tầng .........................................................41 2.1.2. Mạng nơ ron RBF ...................................................................................46 2.2. Tổng hợp bộ điều khiển trượt tầng thích nghi nơ ron cho USV ....................49 2.2.1. Tổng hợp bộ điều khiển bám quỹ đạo cho USV .....................................49
iv 2.2.2. Tổng hợp bộ điều khiển trượt tầng thích nghi có xét đến sai lệch mô hình và nhiễu .............................................................................................................55 2.2.3. Cấu trúc hệ thống điều khiển bám quỹ đạo trượt tầng thích nghi ...........62 2.3. Mô phỏng kiểm chứng thuật toán. .................................................................62 2.3.1. Kết quả mô phỏng bộ điều khiển với quỹ đạo đường thẳng ...................63 2.3.2. Kết quả mô phỏng bộ điều khiển với quỹ đạo là đường cong ................76 2.4. Kết luận Chương 2 .........................................................................................87 Chương 3 TỔNG HỢP BỘ QUAN SÁT TỐC ĐỘ THÍCH NGHI CHO USV TRÊN CƠ SỞ MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO .....................................................89 3.1. Cơ sở lý thuyết ...............................................................................................89 3.1.1. Bộ quan sát trạng thái Luenberger ..........................................................90 3.1.2. Bộ quan sát tựa Luenberger ....................................................................93 3.2. Thiết kế bộ quan sát tốc độ thích nghi trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo ......94 3.3. Mô phỏng kiểm chứng bộ điều khiển USV kết hợp bộ quan sát vận tốc ....106 3.3.1. Mô phỏng đánh giá chất lượng bộ quan sát vận tốc thích nghi ............106 3.3.2. Mô phỏng đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển trượt tầng thích nghi kết hợp bộ quan sát thích nghi ........................................................................111 3.4. Kết luận Chương 3. ......................................................................................114 KẾT LUẬN ............................................................................................................115 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ....................117 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................118 PHỤ LỤC ...............................................................................................................125
v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu, chữ Đơn vị Ý nghĩa viết tắt x [m] Tọa độ phương tiện theo trục x y [m] Tọa độ phương tiện theo trục y z [m] Tọa độ phương tiện theo trục z  Véc tơ vị trí của phương tiện u [m/s] Vận tốc tịnh tiến dọc thân v [m/s] Vận tốc tịnh tiến ngang r [rad/s] Vận tốc quay trở của mũi USV  Véc tơ vận tốc của USV  [rad] Góc lắc ngang USV  [rad] Góc lắc dọc USV  [rad] Góc hướng mũi USV  Véc tơ lực và mô men tác động lên USV X [N] Lực tác động theo phương x Y [N] Lực tác động theo phương y Z [N] Lực tác động theo phương z K [N.m] Mô men tác động theo trục x M [N.m] Mô men tác động theo trục y N [N.m] Mô men tác động theo trục z p [rad/s] Vận tốc góc theo trục x q [rad/s] Vận tốc góc theo trục y  [rad/s] Vận tốc góc theo trục z I Ma trận mô men quán tính M RB Ma trận quán tính hệ thống thân tàu C Ma trận Coriolis và ma trận hướng tâm của phương tiện
vi hàng hải CRB Ma trận Coriolis và lực hướng tâm của vật rắn CA Ma trận Coriolis và lực hướng tâm thủy động lực D Ma trận suy giảm thủy động lực học DA Ma trận suy giảm thủy động lực học khối lượng nước kèm U Vận tốc tương đối của phương tiện hàng hải J1 1  Ma trận quay chuyển đổi vận tốc dài J2 2  Ma trận quay chuyển đổi vận tốc góc Các thành phần bất định của mô hình tàu và nhiễu loạn   ,  từ môi trường bên ngoài Hàm xấp xỉ các thành phần bất định của mô hình tàu và ˆ F nhiễu loạn từ môi trường bên ngoài e1 Sai lệch vị trí thành phần thứ nhất e2 Sai lệch vận tôc thành phần thứ nhất e3 Sai lệch vị trí thành phần thứ hai e4 Sai lệch vận tôc thành phần thứ hai W Ma trận trọng số của mạng nơ ron DOF Bậc tự do (Degrees Of Freedom) DP Định vị động (Dynamic Positioning) DSC Bộ điều khiển mặt động ECEF Hệ tọa độ gắn với mặt đất ECI Hệ tọa độ quán tính HSMC Bộ điều khiển trượt tầng AHSMC Bộ điều khiển trượt tầng thích nghi LQR Bộ điều khiển tối ưu toàn phương tuyến tính MPC Bộ điều khiển dự báo theo mô hình
vii NED Hệ tọa độ quy chiếu địa lý PID Bộ điều khiển PID RBF Hàm cơ sở xuyên tâm (Radial basis function) SMC Bộ điều khiển trượt USV Phương tiện mặt nước tự hành (Unmanned surface vehicle) LOS Luật dẫn hướng theo đường ngắm (Light of Sight) SNAME Hiệp hội kỹ thuật hải quân và hàng hải QĐ Quỹ đạo MNNs Mạng nơ ron nhiều lớp MIMO Hệ thống nhiều tín hiệu vào và nhiều tín hiệu ra
viii DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1: Các ký hiệu sử dụng trong phương tiện hàng hải ....................... 10
ix DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Hệ tọa độ gắn với thân tàu ...........................................................................6 Hình 1.2 Hệ tọa độ gắn với tâm trái đất (Earth-Centered Reference Frames) ............8 Hình 1.3 Hệ trục tọa độ trong mô hình tàu nổi .........................................................11 Hình 1.4 Một số hình ảnh USV thiếu cơ cấu chấp hành ...........................................18 Hình 1.5 Cấu trúc USV thiếu cơ cấu chấp hành .......................................................19 Hình 2.1 Cấu trúc mặt trượt của điều khiển trượt tầng .............................................41 Hình 2.2 Xấp xỉ hàm bất định bằng mạng nơ ron nhân tạo RBF..............................48 Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển bám trượt tầng thích nghi ............................62 Hình 2.4 Quỹ đạo của USV, đường thẳng, không có nhiễu......................................64 Hình 2.5 Sai lệch bám theo phương x , HSMC, QĐ đường thẳng, không có nhiễu 64 Hình 2.6 Sai lệch bám phương y , HSMC, QĐ đường thẳng, không có nhiễu ........64 Hình 2.7 Vận tốc theo phương x , HSMC, QĐ đường thẳng, không có nhiễu........65 Hình 2.8 Vận tốc theo phương y , HSMC, QĐ đường thẳng, không có nhiễu.........65 Hình 2.9 Góc hướng của USV, HSMC, QĐ đường thẳng, không có nhiễu .............65 Hình 2.10 Vận tốc góc của USV, HSMC, QĐ đường thẳng, không có nhiễu ..........65 Hình 2.11 Tín hiệu điều khiển, HSMC, QĐ đường thẳng, không có nhiễu .............66 Hình 2.12 Vị trí của USV, AHSMC, QĐ đường thẳng, không có nhiễu..................67 Hình 2.13 Sai lệch theo phương x , AHSMC, QĐ đường thẳng, không có nhiễu ...67 Hình 2.14 Sai lệch theo phương y , AHSMC, QĐ đường thẳng, không có nhiễu ...67 Hình 2.15 Vận tốc theo phương x , AHSMC, QĐ đường thẳng, không có nhiễu ....68 Hình 2.16 Vận tốc theo phương y , AHSMC, QĐ đường thẳng, không có nhiễu ....68 Hình 2.17 Góc hướng của USV, AHSMC, QĐ đường thẳng, không có nhiễu ........68 Hình 2.18 Vận tốc góc của USV, AHSMC, QĐ đường thẳng, không có nhiễu .......68 Hình 2.19 Tín hiệu điều khiển, AHSMC, QĐ đường thẳng, không có nhiễu ..........69 Hình 2.20 Sai lệch theo phương x của hai bộ điều khiển HSMC và AHSMC, QĐ đường thẳng, không có nhiễu .............................................................................69 Hình 2.21 Sai lệch theo phương y của hai bộ điều khiển HSMC và AHSMC, QĐ
x đường thẳng, không có nhiễu ....................................................................................69 Hình 2.22 Nhiễu sóng theo công thức (1.83) [56] ....................................................70 Hình 2.23 Vị trí của USV, HSMC, QĐ đường thẳng, nhiễu lớn ..............................71 Hình 2.24 Sai lệch theo phương x , HSMC, QĐ đường thẳng, có nhiễu .................71 Hình 2.25 Sai lệch theo phương y , HSMC, QĐ đường thẳng, có nhiễu .................71 Hình 2.26 Vận tốc theo phương x , HSMC, QĐ đường thẳng, có nhiễu..................72 Hình 2.27 Vận tốc theo phương y , HSMC, QĐ đường thẳng, có nhiễu..................72 Hình 2.28 Góc hướng của USV, HSMC, QĐ đường thẳng, có nhiễu ......................72 Hình 2.29 Vận tốc góc của USV, HSMC, QĐ đường thẳng, nhiễu lớn ...................72 Hình 2.30 Tín hiệu điều khiển, HSMC, QĐ đường thẳng, có nhiễu ........................73 Hình 2.31 Vị trí của USV, AHSMC, QĐ đường thẳng, có nhiễu .............................73 Hình 2.32 Sai lệch theo phương x , AHSMC, QĐ đường thẳng, có nhiễu ..............74 Hình 2.33 Sai lệch theo phương y , AHSMC, QĐ đường thẳng, có nhiễu ..............74 Hình 2.34 Vận tốc theo phương x , AHSMC, QĐ đường thẳng, có nhiễu ...............74 Hình 2.35 Vận tốc theo phương y , AHSMC, QĐ đường thẳng, có nhiễu ...............74 Hình 2.36 Góc hướng của USV, AHSMC, QĐ đường thẳng, có nhiễu ...................75 Hình 2.37 Vận tốc góc của USV, AHSMC, QĐ đường thẳng, có nhiễu ..................75 Hình 2.38 Tín hiệu điều khiển, AHSMC, QĐ đường thẳng, có nhiễu .....................75 Hình 2.39 Sai lệch theo phương x của hai bộ điều khiển HSMC và AHSMC, QĐ đường thẳng, có nhiễu ...............................................................................................76 Hình 2.40 Sai lệch theo phương y của hai bộ điều khiển HSMC và AHSMC, QĐ đường thẳng, có nhiễu ...............................................................................................76 Hình 2.41 Quỹ đạo của USV, HSMC, QĐ đường cong, không có nhiễu ................77 Hình 2.42 Sai lệch theo phương x , HSMC, QĐ đường cong, không có nhiễu .......77 Hình 2.43 Sai lệch theo phương y , HSMC, QĐ đường cong, không có nhiễu .......77 Hình 2.44 Vận tốc theo phương x , HSMC, QĐ đường cong, không có nhiễu ........78 Hình 2.45 Vận tốc theo phương y , HSMC, QĐ đường cong, không có nhiễu ........78 Hình 2.46 Góc hướng của USV HSMC, QĐ đường cong, không có nhiễu .............78
xi Hình 2.47 Vận tốc góc, HSMC, QĐ đường cong, không có nhiễu ..........................78 Hình 2.48 Tín hiệu điều khiển, HSMC, QĐ đường cong, không có nhiễu ..............79 Hình 2.49 Quỹ đạo đường đi của USV, AHSMC, QĐ đường cong, không nhiễu ...79 Hình 2.50 Sai lệch theo phương x , AHSMC, QĐ đường cong, không nhiễu .........79 Hình 2.51 Sai lệch theo phương y , AHSMC, QĐ đường cong, không nhiễu .........80 Hình 2.52 Vận tốc theo phương x , AHSMC, QĐ đường cong, không nhiễu..........80 Hình 2.53 Vận tốc theo phương y , AHSMC, QĐ đường cong, không nhiễu..........80 Hình 2.54 Góc hướng của USV, AHSMC, QĐ đường cong, không nhiễu ..............80 Hình 2.55 Vận tốc góc, AHSMC, QĐ đường cong, không nhiễu ............................81 Hình 2.56 Tín hiệu điều khiển, AHSMC, QĐ đường cong, không nhiễu ................81 Hình 2.57 Sai lệch theo phương x của hai bộ điều khiển HSMC và AHSMC, QĐ đường cong, không nhiễu ..........................................................................................81 Hình 2.58 Sai lệch theo phương y của hai bộ điều khiển HSMC và AHSMC, QĐ đường cong, không nhiễu ..........................................................................................81 Hình 2.59 Quỹ đạo của USV, HSMC, QĐ đường cong, có nhiễu............................82 Hình 2.60 Sai lệch theo phương x , HSMC, QĐ đường cong, có nhiễu...................82 Hình 2.61 Sai lệch theo phương y , HSMC, QĐ đường cong, có nhiễu...................83 Hình 2.62 Vận tốc theo phương x , HSMC, QĐ đường cong, có nhiễu ...................83 Hình 2.63 Vận tốc theo phương y , HSMC, QĐ đường cong, có nhiễu ...................83 Hình 2.64 Góc hướng của USV, HSMC, QĐ đường cong, có nhiễu .......................83 Hình 2.65 Vận tốc góc của USV, HSMC, QĐ đường cong, có nhiễu ......................84 Hình 2.66 Tín hiệu điều khiển, HSMC, QĐ đường cong, nhiễu lớn ........................84 Hình 2.67 Quỹ đạo của USV, AHSMC, QĐ đường cong, nhiễu lớn .......................84 Hình 2.68 Sai lệch theo phương x , AHSMC, QĐ đường cong, có nhiễu................84 Hình 2.69 Sai lệch theo phương y , AHSMC, QĐ đường cong, có nhiễu................85 Hình 2.70 Vận tốc theo phương x , AHSMC, QĐ đường cong, có nhiễu ................85 Hình 2.71 Vận tốc theo phương y , AHSMC, QĐ đường cong, có nhiễu ................85 Hình 2.72 Góc hướng của USV, AHSMC, QĐ đường cong, có nhiễu ....................85
xii Hình 2.73 Vận tốc góc của USV, AHSMC, QĐ đường cong, có nhiễu ...................85 Hình 2.74 Tín hiệu điều khiển, AHSMC, QĐ đường cong, có nhiễu .......................86 Hình 2.75 Sai lệch theo phương x của hai bộ điều khiển HSMC và AHSMC, QĐ đường cong, có nhiễu ................................................................................................86 Hình 2.76 Sai lệch theo phương y của hai bộ điều khiển HSMC và AHSMC, QĐ đường cong, có nhiễu ................................................................................................86 Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc bộ quan sát tốc độ thích nghi trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo ............................................................................................................................106 Hình 3.2 Lực và Mô men tác động vào USV ..........................................................107 Hình 3.3 Vận tốc mô phỏng và vận tốc quan sát theo phương x , không nhiễu .....107 Hình 3.4 Sai lệch quan sát vận tốc theo phương x , không nhiễu...........................107 Hình 3.5 Vận tốc mô phỏng và vận tốc quan sát theo phương y , không nhiễu ......108 Hình 3.6 Sai lệch quan sát vận tốc theo phương y , không nhiễu...........................108 Hình 3.7 Vận tốc góc mô phỏng và vận tốc góc quan sát theo phương, không nhiễu .................................................................................................................................108 Hình 3.8 Sai lệch quan sát vận tốc góc, không nhiễu .............................................108 Hình 3.9 Nhiễu sóng tác động .................................................................................109 Hình 3.10 Vận tốc mô phỏng và vận tốc quan sát theo phương x , có nhiễu .........109 Hình 3.11 Sai lệch quan sát vận tốc theo phương x , có nhiễu ...............................109 Hình 3.12 Vận tốc mô phỏng và vận tốc quan sát theo phương y , có nhiễu ..........110 Hình 3.13 Sai lệch quan sát vận tốc theo phương y , có nhiễu ...............................110 Hình 3.14 Vận tốc góc mô phỏng và vận tốc góc quan sát theo phương, có nhiễu 110 Hình 3.15 Sai lệch quan sát vận tốc góc, có nhiễu..................................................110 Hình 3.16 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển trượt tầng thích nghi kết hợp bộ quan sát thích nghi ...........................................................................................................111 Hình 3.17 Quỹ đạo của USV AHSMC và bộ Quan sát ..........................................112 Hình 3.18 Sai lệch bám theo phương x ..................................................................113 Hình 3.19 Sai lệch bám theo phương y ..................................................................113 Hình 3.20 Sai lệch vận tốc theo phương x từ mô phỏng và quan sát ....................113
xiii Hình 3.21 Sai lệch vận tốc theo phương y từ mô phỏng và quan sát ....................113 Hình 3.22 Sai lệch vận tốc góc từ mô phỏng và quan sát .......................................113
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Trên thế giới nói chung cũng như ở Việt Nam nói riêng, mặt nước chiếm một phần lớn diện tích và đóng vai trò rất quan trọng trong việc phát triển kinh tế cũng như bảo vệ an ninh quốc gia. Do đó, các phương tiện hoạt động trên biển, trên sông ngòi luôn được quan tâm và không ngừng phát triển để phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau. Ngày nay, với sự phát triển của khoa học - kỹ thuật, các phương tiện nổi tự hành (USV) đã và đang được quan tâm nghiên cứu, phát triển một cách rộng rãi, một số kết quả nghiên cứu đã đưa vào ứng dụng hiệu quả trong các lĩnh vực kinh tế cũng như quốc phòng. Tuy nhiên, đây là một đối tượng có tính phi tuyến mạnh và hoạt động trong môi trường có nhiễu tác động không biết trước. Trong trường hợp này các bộ điều khiển tuyến tính truyền thống như PID, LQR … sẽ làm việc không hiệu quả, khó đảm bảo chất lượng điều khiển theo yêu cầu đặt ra. Trong lĩnh vực điều khiển các phương tiện hàng hải được chia ra các thành ba phân nhánh chính theo các mục đích ứng dụng khác nhau đó là: điều khiển theo quỹ đạo (Path Following), điều khiển bám (Tracking) và điều khiển định vị động (Dynamic Positioning). Trong đó, điều khiển bám quỹ đạo đóng vai trò rất quan trọng với nhiều ứng dụng như: điều khiển các phương tiện phục vụ khảo sát, khai thác tài nguyên biển, cứu nạn, cứu hộ, điều khiển các phương tiện thi công các công trình trên, dưới mặt nước như hệ thống cáp, đường ống dưới biển, các phương tiện khảo sát, cứu nạn cứu hộ, các phương tiện nổi tự hành sử dụng để phóng thả và thu hồi các phương tiện ngầm khác v.v… Hệ thống điều khiển phương tiện nổi tự hành bám quỹ đạo (Tracking) là một hệ thống điều khiển với mục tiêu là điều khiển phương tiện tiến đến và giữ cho phương tiện chuyển động theo một quỹ đạo được đặt trước mà có xét đến ràng buộc về thời gian bằng cách sử dụng các máy đẩy của các phương tiện đó. Trong thực tế, tùy thuộc vào mục tiêu, nhiệm vụ các phương tiện nổi được chế tạo ở dạng đủ hoặc thiếu cơ cấu chấp hành. Dạng đủ cơ cấu chấp hành thường được chế tạo bằng cách
2 kết hợp nhiều loại máy đẩy gắn vào hệ thống, ví dụ, máy đẩy dạng ống tạo ra lực đẩy theo các hướng và phương vị sang một bên thường được lắp dưới thân tàu, được sử dụng để tạo ra các hiệu ứng mong muốn. Máy đẩy đạo lưu (Azimuth Thruster) là loại máy đẩy có thể được xoay 360 độ và do đó tạo ra lực đẩy theo mọi hướng trong mặt phẳng ngang. Điều này đặc biệt hữu ích vì các lực và mômen điều khiển có thể thay đổi theo thời gian cả về độ lớn và hướng. Dẫn đến việc thiết kế các bộ điều khiển cho đối tượng này gặp ít khó khăn hơn. Tuy nhiên, để tăng tính linh hoạt và giảm giá thành, đối với các phương tiện vừa và nhỏ, chẳng hạn như USV, thường được chế tạo ở dạng thiếu cơ cấu chấp hành với cấu trúc hai máy đẩy được gắn ở đuôi phương tiện. Với cấu trúc hệ thống thiếu cơ cấu chấp hành việc điều khiển sẽ khó khăn hơn, do vậy cần thiết phải thiết kế bộ điều khiển cho hai động cơ đẩy tạo ra các lực và mô men để điều khiển USV chuyển động theo các phương dọc, phương ngang và góc hướng như mong muốn. Ngoài ra như đã đề cập ở trên, các phương tiện hàng hải luôn phải chịu nhiều tác động khác nhau do sóng, gió, dòng chảy, và các nhiễu động không theo mô hình do tác động của môi trường và hệ thống đẩy. Hơn nữa, Việc xác định chính xác tất cả các tham số mô hình của phương tiện nổi là rất khó khăn. Bên cạnh đó các tác động của nhiễu môi trường cũng có thể làm cho tham số của mô hình USV bị thay đổi. Các vấn đề trên đặt ra các thách thức trong việc thiết kế các bộ điều khiển cho USV. Từ các phân tích trên nhận thấy, hướng nghiên cứu kết hợp các phương pháp điều khiển phi tuyến hiện đại với các công cụ xấp xỉ vạn năng là một hướng nghiên cứu có triển vọng, nhằm tổng hợp bộ điều khiển đảm bảo cho phương tiện hàng hải nói chung và USV nói riêng hoạt động tốt trong môi trường chịu tác động của nhiễu bất định. Bài toán nghiên cứu điều khiển USV nằm trong hướng nghiên cứu trên đã ngày càng thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học trong và ngoài nước, một số kết quả nghiên cứu đã được công bố. Tuy nhiên, vẫn còn tồn tại nhiều vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu, phát triển và hoàn thiện nhằm nâng cao chất lượng hoạt động của USV. Đây chính là lý do để tác giả lựa chọn hướng nghiên cứu của đề tài luận án.
3 2. Mục tiêu và nhiệm vụ của luận án Luận án tập trung nghiên cứu các phương pháp điều khiển phi tuyến hiện đại làm cơ sở để xuất các bộ điều khiển mới cho USV thiếu cơ cấu chấp hành, chịu ảnh hưởng của nhiễu môi trường. Với mục tiêu như vậy luận án đặt ra ba nhiệm vụ chính sau đây: Nhiệm vụ thứ nhất: Xây dựng mô hình toán học cho USV, nghiên cứu các phương pháp điều khiển phi tuyến, mạng nơ ron nhân tạo làm cơ sở để thực hiện mục tiêu đã nêu ở trên. Nhiệm vụ thứ hai: Xây dựng bộ điều khiển phi tuyến bám quỹ đạo cho USV thiếu cơ cấu chấp hành, có khả năng khắc phục được nhiễu tác động với biên độ nhỏ. Nhiệm vụ thứ ba: Xây dựng bộ điều khiển thích nghi phi tuyến sử dụng mạng nơ ron nhân tạo để điều khiển bám quỹ đạo cho USV thiếu cơ cấu chấp hành hoạt động trong môi trường có nhiễu tác động. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là USV thiếu cơ cấu chấp hành. Với mục tiêu điều khiển cho USV chuyển động bám theo một quỹ đạo đặt trước. Phạm vi nghiên cứu điều khiển USV có thể chuyển động bám quỹ đạo ở môi trường mặt nước, có các nhiễu như dòng chảy, gió, sóng, ... tác động trong quá trình làm việc. 4. Nội dung nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu các phương pháp điều khiển thích nghi phi tuyến đảm bảo cho USV chuyển động bám theo quỹ đạo đặt cho trước. Để có thể làm được việc đó, luận án sẽ nghiên cứu các vấn đề sau đây: - Nghiên cứu mô hình động học, động lực học cho USV. Nghiên cứu phân tích các tác động của nhiễu môi trường vào USV. Tổng hợp và phân tích các công trình đã được công bố trong lĩnh vực điều khiển USV làm cơ sở cho định hướng nghiên cứu phát triển mới của luận án. - Nghiên cứu lý thuyết điều khiển phi tuyến hiện đại, mạng nơ ron nhân tạo và khả năng áp dụng cho hệ thiếu cơ cấu chấp hành. Trên những nền tảng đó, luận
4 án đã xây dựng bộ điều khiển phi tuyến bám quỹ đạo cho USV và bộ điều khiển phi tuyến thích nghi sử dụng mạng nơ ron nhân tạo để đảm bảo USV chuyển động bám quỹ đạo đặt trong điều kiện có nhiễu môi trường tác động vào USV. 5. Phương pháp nghiên cứu Kết hợp giữa phương pháp lý thuyết với mô phỏng số. Lý thuyết điều khiển phi tuyến: điều khiển trượt tầng, điều khiển phi tuyến thích nghi, mạng nơron nhân tạo; tổng hợp các bộ điều khiển mới cho USV. Phân tích tính ổn định bằng tiêu chuẩn Lyapunov; mô phỏng số bằng phần mềm Matlab – Simulink. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Luận án có những đóng góp về mặt khoa học và thực tiễn như tổng hợp được bộ điều khiển thích nghi mới trên cơ sở các phương pháp điều khiển hiện đại đáp ứng được yêu cầu điều khiển trong môi trường làm việc có nhiễu tác động. Các bộ điều khiển mới được đề xuất trong luận án có thể được sử dụng để điều khiển cho USV thực hiện các nhiệm vụ trên sông, biển trong các ứng dụng nghiên cứu, khai thác, cứu hộ, dân dụng cũng như quốc phòng. 7. Bố cục của luận án Với các nội dung nghiên cứu được đặt ra ở trên, luận án có bố cục như sau: Mở đầu: Trình bày tính cấp thiết, ý nghĩa thực tiễn, ý nghĩa khoa học, từ đó đặt bài toán và xác định các nhiệm vụ của luận án, đồng thời, nêu ra các kiến thức cần thiết, công cụ được sử dụng để thực hiện giải quyết các vấn đề đặt ra trong luận án. Chương 1: Tổng quan về USV và các phương pháp điều khiển: Nội dung chính của chương 1 gồm có ba phần. Phần thứ nhất giới thiệu tổng quan về một số dạng mô hình động học của các phương tiện hàng hải mà trọng tâm là mô hình động học của USV thiếu cơ cấu chấp hành, trong phần này cũng thực hiện biến đổi mô hình về dạng thích hợp để phục vụ cho phương pháp thiết kế bộ điều khiển được thực hiện trong chương 2 và chương 3. Nội dung phần thứ hai trình bày mô hình các yếu tố tác động lên USV trong quá trình hoạt động như dòng chảy, sóng, gió. Phần thứ ba, tổng hợp các công trình nghiên cứu có liên quan đến đề tài luận án đã được thực
5 hiện trong và ngoài nước. Chương 2: Tổng hợp bộ điều khiển trượt tầng thích nghi bám quỹ đạo trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo cho USV: Nội dung chính của chương này trình bày cơ sở lý thuyết của phương pháp thiết kế bộ điều khiển trượt tầng. Tổng hợp bộ điều khiển trượt tầng cho mục tiêu điều khiển bám quỹ đạo cho USV. Đề xuất thuật toán điều khiển trượt tầng thích nghi bám quỹ đạo sử dụng mạng nơ ron nhân tạo khi xét đến các nhiễu tác động và các tham số mô hình có thể bị thay đổi. Chương hai đã mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulink để kiểm chứng tính đúng đắn của các bộ điều khiển đã tổng hợp được. Chương 3: Tổng hợp bộ quan sát tốc độ thích nghi cho USV trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo: Trên cơ sở của bộ quan sát Luenberger, chương 3 đã đề xuất bộ quan sát thích nghi sử dụng mạng nơ ron nhân tạo để xấp xỉ hàm phi tuyến bất định của bộ quan sát. Bộ quan sát này được sử dụng để tổng hợp bộ điều khiển cho USV trong đó không cần thiết sử dụng các cảm biến đo vận tốc. Trong chương ba đã thực hiện mô phỏng kiểm chứng tính đúng đắn của bộ quan sát đề xuất. Kết luận: Phần kết luận đánh giá các kết quả đã đạt được trong nội dung nghiên cứu của luận án, cũng như chỉ ra những tồn tại, hạn chế của các phương pháp đã đề xuất, từ đó đề xuất một số hướng nghiên cứu tiếp theo để đưa ra giải pháp hoàn thiện các vấn đề còn tồn tại.