i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng
dẫn của tập thể giáo viên hướng dẫn và các nhà khoa học. Các tài liệu tham khảo đã
được trích dẫn đầy đủ. Kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa từng được ai công bố
trên bất cứ một công trình nào khác.
Hải Phòng, ngày 12 tháng 12 năm 2023
Tác giả
Trƣơng Công Mỹ
ii
LỜI CÁM ƠN
Trong quá trình làm luận án, tôi đã nhận được nhiều góp ý về chuyên môn cũng
như sự ủng hộ giúp đỡ của giáo viên hướng dẫn, của các nhà khoa học, của đồng
nghiệp. Tôi xin được gửi tới họ lời cảm ơn sâu sắc.
Tôi xin bày tỏ lòng cám ơn đến giáo viên hướng dẫn đã trực tiếp hướng dẫn tôi
trong suốt thời gian qua.
Tôi cũng xin chân thành cám ơn các nhà khoa học, Khoa Hàng hải, Khoa Điện
– Điện tử, Viện đào tạo sau đại học, trường Đại học Hàng hải Việt Nam đã tạo điều
kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện luận án.
Cuối cùng là lời cảm ơn sự ủng hộ, động viên khích lệ to lớn của gia đình để tôi
hoàn thành nhiệm vụ học tập.
Hải phòng, Ngày 12 tháng 12 năm 2023
Tác giả
Trƣơng Công Mỹ
iii
MỤC LỤC
MỤC LỤC .................................................................................................................... iii
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .........................................................................vi
DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................ix
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ..................................................................................... x
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của luận án .............................................................................. 1
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án ................................................................... 4
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của luận án ............................................. 4
3.1 Đối tượng nghiên cứu ........................................................................................ 4
3.2 Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................... 4
4. Phƣơng pháp nghiên cứu của luận án ........................................................... 5
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ........................................................................ 5
6. Những điểm đóng góp mới………………………………………………………....6
7. Bố cục của luận án………………………………………………………………….6
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÔ PHỎNG HÀNG HẢI VÀ MÔ HÌNH TOÁN
ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CHUYỂN ĐỘNG TÀU THỦY .......................................... 8
1.1 Giới thiệu về hệ thống mô phỏng hàng hải ................................................. 8
1.2 Tính hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc có liên quan đến đề tài luận
án……………………………………………………………………………….12
1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước ................................................................ 12
1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước ................................................................. 24
1.2.3 Hướng nghiên cứu của luận án .................................................................... 26
1.3 Mô hình toán học mô tả chuyển động tàu thủy dạng không gian trạng
thái ...................................................................................................................... 27
1.3.1 Phương trình toán mô tả chuyển động tàu thuỷ với 6 bậc tự do.................. 29
1.3.2 Phân tích vectơ tổng hợp lực và mômen bên ngoài tác động vào con tàu
(không bao gồm lực và mômen nổi) .............................................................................. 32
1.4 Lực và mômen do tác động của nhiễu loạn môi trƣờng .......................... 35
1.4.1 Lực và mô men của dòng chảy tạo ra .......................................................... 36
iv
1.4.2 Lực và mô men của gió tạo ra ...................................................................... 36
1.4.3 Lực và mô men của sóng tạo ra ................................................................... 38
1.5 Kết luận Chƣơng 1................................................................................................40
CHƢƠNG 2. MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG 3D TÀU THUỶ VÀ XÂY DỰNG
MÔ HÌNH TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN 3 TRỤC TỰ DO CỦA SÀN TREO CABIN
....................................................................................................................................... 41
2.1. Phần mềm mô phỏng chuyển động 3D tàu thủy - Unity 3D .................. 41
2.1.1 Triển khai hệ thông mô phỏng chuyển động tàu thủy trong Unity3D ......... 42
2.1.2 Các công cụ cơ bản để chuyển đổi từ phương trình động học thành chuyển
động 3D ......................................................................................................................... 43
2.2 Ứng dụng phần mềm Unity3D để mô phỏng chuyển động tàu thuỷ ...... 45
2.2.1 Tạo lực nổi cho tàu thủy .............................................................................. 46
2.2.2 Tạo lực và mô men thủy động học cho tàu thủy ........................................... 48
2.2.3 Tạo lực và mô men liên quan đến thiết bị đẩy và bánh lái cho tàu thủy ..... 48
2.2.4 Tạo lực và mô men do nhiễu môi trường tác động tàu thủy ........................ 50
2.2.5 Thu thập thông tin 6 bậc tự do của mô hình tàu thủy .................................. 51
2.2.6 Một số đối tượng thời tiết và địa hình, địa vật tương tác trong lập trình .... 51
2.2.7 Một số mô hình 3D tàu mục tiêu .................................................................. 54
2.3 Đề xuất cấu trúc hệ thống mô phỏng hàng hải ......................................... 55
2.3.1 Mô hình mô phỏng chuyển động của tàu thủy ............................................. 55
2.3.2 Mô phỏng chuyển động của tàu thủy với sàn treo ba bậc tự do (3DOF) .... 58
2.4 Mô hình động học ngƣợc xác định góc quay động cơ servo.................... 60
2.5 Kiểm chứng bằng mô hình động học thuận .............................................. 61
2.6 Kết quả mô phỏng ....................................................................................... 63
2.7 Xây dựng cấu trúc điều khiển bám tín hiệu mô phỏng của tổ hợp
Drive/Servo ứng dụng PLC .............................................................................. 65
2.7.1 Phân tích các vòng lặp điều khiển ............................................................... 65
2.7.2 Cải thiện chất lượng điều khiển vị trí bằng thuật toán dự báo số trên cơ sở
PLC ................................................................................................................................ 69
2.8. Kết luận Chƣơng 2...............................................................................................72
v
CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO ỨNG DỤNG MẠNG
NƠRON NHÂN TẠO TRONG ĐIỀU KHIỂN SÀN TREO ................................... 72
3.1 Trí tuệ nhân tạo - AI và mạng nơron nhân tạo - ANN ............................ 72
3.2 Các hình trạng của mạng nơron ANN và mạng truyền thẳng nhiều lớp
MLP .................................................................................................................... 73
3.2.1 Các hình trạng của mạng nơron .................................................................. 73
3.2.2 Mạng truyền thẳng nhiều lớp MLP .............................................................. 73
3.3 Ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo dạng MLP trong điều khiển sàn treo 75
3.3.1 Bài toán dự báo trước giá trị tham chiếu cho tổ hợp Drive/Servo
Mortor............................................................................................................................76
3.3.2. Xây dựng mạng nơron sử dụng công cụ Matlab/Nntool ............................. 78
3.3.3 Huấn luyện mạng trong Matlab/NNtool ...................................................... 82
3.3.4 Xây dựng kịch bản mô phỏng với mô hình Newton-Raphson ...................... 86
3.4. Sơ đồ kết nối dữ liệu của hệ thống mô phỏng hàng hải .......................... 89
3.4.1 Giao diện dữ liệu của PLC với vô lăng, tay trang và bộ đo tín hiệu sàn treo
....................................................................................................................................... 91
3.4.2 Giao diện dữ liệu của PLC với panel điều khiển máy chính, máy lái, neo,
chân vịt mũi ................................................................................................................... 92
3.4.3 Giao diện dữ liệu của PLC với Drive/Servo motor ...................................... 94
3.5. Thiết hế, chế tạo bàn điều khiển control console .................................... 97
3.6. Cải thiện chất lƣợng điều khiển sàn treo mô hình vật lý bằng bộ dự báo
ứng dụng mạng nơron ..................................................................................... 100
3.7. Kết luận Chƣơng 3…………...………………………………………………..104
KẾT LUẬN ................................................................................................................ 104
CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ....................................................................... 106
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 107
PHỤ LỤC ................................................................................................................... 119
Phụ lục 1: Bảng dữ liệu đầu vào để huấn luyện mạng ........................................... 120
Phụ lục 2: Bảng dữ liệu đầu ra để huấn luyện mạng ............................................148
