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
