Tóm tắt: Tổng hợp bộ điều khiển trượt thích nghi cho phương tiện nổi tự hành trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo.

Tổng hợp bộ điều khiển trượt thích nghi cho phương tiện nổi tự hành trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo. Tổng hợp bộ điều khiển trượt thích nghi cho phương tiện nổi tự hành trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo. Tổng hợp bộ điều khiển trượt thích nghi cho phương tiện nổi tự hành trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo. Tổng hợp bộ điều khiển trượt thích nghi cho phương tiện nổi tự hành trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo. Tổng hợp bộ điều khiển trượt thích nghi cho phương tiện nổi tự hành trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo. Tổng hợp bộ điều khiển trượt thích nghi cho phương tiện nổi tự hành trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo. Tổng hợp bộ điều khiển trượt thích nghi cho phương tiện nổi tự hành trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo. Tổng hợp bộ điều khiển trượt thích nghi cho phương tiện nổi tự hành trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo. Tổng hợp bộ điều khiển trượt thích nghi cho phương tiện nổi tự hành trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo. Tổng hợp bộ điều khiển trượt thích nghi cho phương tiện nổi tự hành trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo. Tổng hợp bộ điều khiển trượt thích nghi cho phương tiện nổi tự hành trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo. Tổng hợp bộ điều khiển trượt thích nghi cho phương tiện nổi tự hành trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo. Tổng hợp bộ điều khiển trượt thích nghi cho phương tiện nổi tự hành trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo. Tổng hợp bộ điều khiển trượt thích nghi cho phương tiện nổi tự hành trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo. Tổng hợp bộ điều khiển trượt thích nghi cho phương tiện nổi tự hành trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo. Tổng hợp bộ điều khiển trượt thích nghi cho phương tiện nổi tự hành trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo. 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 tự động hóa Mã số: 52 02 16 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2023 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG Người hướng dẫn khoa học: TS Lê Trần Thắng PGS TS Nguyễn Đức Khoát Phản biện 1: PGS TS Nguyễn Vũ Viện Khoa học Công nghệ quân Phản biện 2: PGS TS Phạm Trung Dũng Học viện Kỹ thuật quân Phản biện 3: GS TSKH Đỗ Đức Lưu Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án Tiến sĩ cấp Viện, họp Viện Khoa học Công nghệ quân Vào hồi: ngày tháng năm 2023 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Viện Khoa học Công nghệ quân - Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài luận án Phương tiện tự hành (USV) quan tâm nghiên cứu, phát triển cách rộng rãi, số kết nghiên cứu đưa vào ứng dụng hiệu lĩnh vực kinh tế quốc phòng Tuy nhiên, đối tượng có tính phi tuyến mạnh hoạt động mơi trường có nhiễu tác động khơng biết trước Bên cạnh USV thường chế tạo có dạng thiếu cấu chấp hành Các vấn đề gây khó khăn việc thiết kế điều khiển cho USV Do đó, nghiên cứu đề xuất điều khiển chuyển động cho phương tiện tự hành đề tài có tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa học Mục tiêu nghiên cứu luận án Luận án tập trung nghiên cứu phương pháp điều khiển phi tuyến đại làm sở để xuất điều khiển chuyển động cho USV, chịu ảnh hưởng nhiễu mơi trường Phân tích mơ hình tốn học USV, nghiên cứu phương pháp điều khiển phi tuyến, mạng nơ ron nhân tạo làm sở để thực mục tiêu nêu Xây dựng điều khiển phi tuyến bám quỹ đạo cho USV, có khả khắc phục nhiễu tác động với biên độ nhỏ Xây dựng điều khiển thích nghi phi tuyến sử dụng mạng nơ ron nhân tạo để điều khiển bám quỹ đạo cho USV hoạt động môi trường có nhiễu tác động Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu đối tượng USV thiếu cấu chấp hành Với mục tiêu điều khiển cho USV chuyển động bám theo quỹ đạo đặt trước Phạm vi nghiên cứu đảm bảo USV chuyển động bám quỹ đạo mơi trường mặt nước, có nhiễu dịng chảy, gió, sóng, tác động q trình làm việc Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu mô hình động học, động lực học cho USV Nghiên cứu phân tích tác động nhiễu mơi trường lên USV - Nghiên cứu lý thuyết điều khiển phi tuyến đại, mạng nơ ron nhân tạo khả áp dụng cho hệ thiếu cấu chấp hành Trên tảng đó, xây dựng điều khiển phi tuyến bám quỹ đạo cho USV điều khiển phi tuyến thích nghi sử dụng mạng nơ ron nhân tạo để đảm bảo USV chuyển động bám quỹ đạo đặt điều kiện có nhiễu mơi trường tác động trình hoạt động Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu sử dụng luận án kết hợp phương pháp lý thuyết với mô số Lý thuyết điều khiển phi tuyến, đặc biệt điều khiển trượt tầng, điều khiển phi tuyến thích nghi, mạng nơron nhân tạo làm sở để xây dựng điều khiển cho USV Các đề xuất luận án phân tích tính ổn định tiêu chuẩn Lyapunov phân tích, đánh giá qua mô số phần mềm Matlab – Simulink với kịch khác Ý nghĩa khoa học thực tiễn Ý nghĩa khoa học: - Tổng hợp điều khiển chuyển động phi tuyến cho đối tượng USV thiếu cấu chấp hành - Đề xuất luật điều khiển thích nghi sở mạng nơ ron nhân tạo phương pháp điều khiển đáp ứng yêu cầu điều khiển USV mơi trường làm việc có nhiễu tác động - Đề xuất quan sát thích nghi tựa Luenberger cho đối tượng phi tuyến sử dụng để quan sát vận tốc USV mà không cần sử dụng cảm biến đo vận tốc Ý nghĩa thực tiễn: - Các điều khiển đề xuất luận án sử dụng để điều khiển cho USV thực nhiệm vụ sông, biển ứng dụng nghiên cứu, khai thác, cứu hộ, … phục vụ phát triển kinh tế quốc phòng Bố cục luận án Với nội dung nghiên cứu đặt trên, phần mở đầu, kết luận luận án bố cục thành ba chương với nội dung sau: Chương 1: Tổng quan USV phương pháp điều khiển, Chương 2: Tổng hợp điều khiển trượt tầng thích nghi bám quỹ đạo sở mạng nơ ron nhân tạo cho USV, Chương 3: Tổng hợp quan sát tốc độ thích nghi cho USV sở mạng nơ ron nhân tạo Chương TỔNG QUAN VỀ USV VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 1.1 Mơ hình động học phương tiện hàng hải Mơ hình hóa phương tiện hàng hải liên quan đến nghiên cứu trạng thái tĩnh động Cơ khoa học động lực học dựa định luật Newton đưa năm 1687 Cơ chia nghiên cứu động lực học thành hai phần: chuyển động học, nghiên cứu vấn đề liên quan đến khía cạnh chuyển động, động lực học Với phương tiện hàng hải, thành phần chuyển động thường định nghĩa là: chuyển động tịnh tiến (surge), chuyển động dạt (sway), chuyển động lên, xuống (heave), chuyển động quay lắc (roll), chuyển động quay lật (pitch) chuyển động quay hướng (yaw) 1.1.1 Các hệ trục tọa độ sử dụng phân tích phương tiện hàng hải Để xét chuyển động phương tiện hàng hải thông thường sử dụng hệ tọa độ sau: Hệ tọa độ gắn với thân phương tiện BODY (b-frame) xb yb zb hệ tọa độ gắn với phương tiện di chuyển với phương tiện ECI (i-frame) Là hệ tọa độ quán tính gốc tọa độ xi yi zi đặt tâm trái đất ECEF (e-frame) có gốc tọa độ xe ye ze gắn với trái đất quay tương đối so với hệ tọa độ quán tính ECI với tốc độ quay e  7.2921.105 rad / s Hệ tọa độ quy chiếu địa lý (Geographic Reference Frame) gồm: Hệ tọa độ North-East-Down (NED) (n-frame) xn yn zn hệ tọa độ thường sử dụng hàng hải Nó gắn với mặt phẳng tiếp tuyến với bề mặt trái đất chuyển động với phương tiện, trục x theo hướng Bắc, trục y theo hướng Đông, trục z theo hướng vào tâm trái đất 1.1.2 Phân tích vị trí hướng chuyển động tàu Đạo hàm bậc theo thời gian véc tơ vị trí  có mối liên hệ với véc tơ  thông qua phép chuyển đổi hệ trục tọa độ Phương trình mơ tả vị trí hướng phương tiện hàng hải là: 1   J1 2  O33  1        J          O J     33     (1.5) 1.1.3 Phương trình chuyển động phương tiện hàng hải Phần trình bày vấn đề sở việc xây dựng mơ hình động học động lực học cho phương tiện hàng hải, đồng thời trình bày số mơ hình mơ hình tốn thường sử dụng thiết kế điều khiển cho phương tiện hàng hải mơ hình điều vận, mơ hình Nomoto, Mơ hình Norrbin, mơ hình Bech Wagner Smith 1.2 Phương tiện tự hành (USV) thiếu cấu chấp hành 1.2.1 Mơ hình động lực học USV thiếu cấu chấp hành Hình 1.5 Cấu trúc USV sử dụng hai động đẩy Khi phương tiện hàng hải chuyển động đại dương ta coi chuyển động mặt phẳng nằm ngang tiếp tuyến với bề mặt trái đất Do từ mơ hình sáu bậc tự phương tiện hàng hải nói chung, phương trình chuyển động tàu ba bậc tự gồm:   u, v, r     x, y,  , thành phần   p  q  T T Mơ hình động lực học USV với tác động dòng hải lưu là:    J   , (1.43)   M RB  CRB     RB    x y   véc tơ vị trí tư USV; x, y thành phần vị trí T trọng tâm tàu hệ tọa độ mặt đất,  góc hướng tàu;   u v r  tương ứng véc tơ vận tốc tàu USV theo phương x, y phương góc Ma trận chuyển trục từ hệ tọa độ gắn thân tới hệ tọa độ gắn với mặt đất: cos    sin      J   sin   cos    (1.44) T  0  Ma trận quán tính USV: myG   m  M RB   m mxG   myG mxG I z  Ma trận Coriolis lực hướng tâm USV:  0 m  xG r  v     CRB     0 m( yG r  u )  ,  m  xG r  v  m( yG r  u )  (1.45) (1.46) xG , yG tọa độ tâm USV hệ tọa độ gắn với thân, m khối lượng USV, I z mơ men qn tính theo trục Oz USV  RB   hyd   hs   wind   wave   all tổng véc tơ lực mô men tác dụng lên USV  hyd  M A r CA  r  r  D  r  r thành phần lực mơ men dịng chảy gây với  r vận tốc tương đối tàu so với dòng chảy Nếu giả thiết vận tốc dòng nước  c Với giả thiết dịng chảy khơng xốy (thành phần vận tốc phương góc bỏ qua)  c  uc 0  r     c  ur T vc vr r  thành T phần vận tốc dòng chảy theo phương góc bỏ qua Véc tơ lực đẩy động bên trái bên phải USV (1.50)  all   x ; 0;  z    port   star ; 0;( port   star ) B  Hệ phương trình động lực học USV viết lại    J    , (1.51)  M   C    N     ,           RB r all  RB N  r   M A r C A  r  r  D  r  r Mô hình USV mơ tả (1.51) Trong q trình thiết kế điều khiển trượt tầng, nhiễu bất định   ,  chưa biết nên không xét q trình thiết kế Mơ hình viết thành:    J     M RB  CRB    N  r    a all b (1.52) 1.2.2 Biến đổi mơ hình Trong mục tiến hành biến đổi mơ hình dạng phù hợp để phục vụ cho việc thiết kế điều khiển bám quỹ đạo đặt phần sau luận án Mục đích tách hệ thống thành hai hệ con: hai hệ sử dụng chung tín hiệu điều khiển Ta có phương trình (1.52a) viết lại thành  x  cos  sin 0 u   y    sin cos 0  v          0   r  Chuyển sang dạng phương trình đại số  x  u cos  v sin   y  u sin  v cos   r  (1.53) (1.54) Thực đổi thứ tự phương trình thứ phương trình thứ (1.54) Đặt lại véc tơ biến trạng thái  ,  dạng sau:   x  y  ;   u r v  Viết lại (1.54) dạng ma trận ta có T T  x  cos         y   sin  sin  u    r  cos   v  (1.56) Như vậy, sau thực đổi hai hàng cuối hệ phương trình (1.53) để có hệ phương trình tương đương viết dạng ma trận phải thực đổi phần tử cột thứ hai cột thứ ba cho (1.56) (1.56) tương đương với   x    cos              y  sin  0  0   sin    u            r  cos   v  (1.57) Đặt lại biến ma trận J sau:   1T   , với    x   ,   y ; T   1T T   , với   u r  ,   v ; T T  J1   J    cos  , với J1    J   J   J       J    sin 0 , J    cos   Hệ (1.58) viết lại: 1  J1   1  J   2  2  J   1  J   2 0 ,    sin  J     ,   (1.59) Thực bước biến đổi tương tự cho phương trình (1.52b) Ta có có phương trình động lực học tương đương USV có dạng hai hệ thống có chung tín hiệu điều khiển là: 1  J1  1  J  2    J  1  J  2 (1.66)  1 1  f1  r , r ,   M   1 1 2  f  r , r ,   M M M  Đây mơ hình sử dụng để thiết kế điều khiển bám quỹ đạo cho USV phần sau 1.2.3 Phân tích mơ hình Biến cần điều khiển    x y   tương ứng với vị trí theo phương x , vị T trí theo phương y góc hướng  USV (3 biến) nhiên số tín hiệu điều khiển có hai thành phần lực đẩy  x để điều khiển chuyển động tịnh tiến theo phương x mô men  z để điều khiển chuyển động quay theo phương z tạo việc phối hợp lực đẩy hai động đẩy bên mạn trái  port bên mạn phải  stbd Như vậy, trường hợp số biến cần điều khiển (03) lớn số lượng tín hiệu điều khiển (02) nên hệ thuộc nhóm thiếu cấu chấp hành 1.3 Mơ hình nhiễu môi trường Việc nghiên cứu điều khiển đối tượng hàng hải có USV khơng thể thiếu tác động yếu tố bên có mơi trường làm việc Vì vậy, phần đánh giá tác động môi trường dịng chảy, sóng gió vào mơ hình động lực học USV 1.4 Tình hình nghiên cứu nước Trong lĩnh vực điều khiển phương tiện hàng hải nói chung cơng trình nghiên cứu thường nghiên cứu với mơ hình đối tượng đủ cấu chấp hành Các phương pháp điều khiển cho đối tượng thiếu cấu chấp hành thường phải kết hợp phương pháp điều khiển khác dẫn đến việc thiết kế phân tích tính ổn định gặp nhiều khó khăn Một số cơng trình phải giả thiết chuyển động theo phương khơng có cấu chấp hành tín hiệu nhiễu sử dụng phương pháp tuyến tính hóa áp dụng phương pháp điều khiển hệ tuyến tính sau nhận dạng bù nhiễu tác động vào mơ hình 11 Đăt tín hiệu sai lệch bám e2  2  2d  e2  2  2d  e2  2  2d  (2.54) (2.55) Đặt  J   f   F   ,  ,  , t    dJ        dt 3      r   f  ,  r ,    J4    dJ    G2  J   J  M M M 1 dt r ,  r ,    2d   2    (2.57) 1 Như có e2  F2  , , , t   G2 (2.58) đặt biến phụ z3  e2  y  yd , thay vào (2.58) ta có được:    z3  z4    z4  F2  , , , t   G2 Xét hệ thứ nhất:   z1  z2    z2  F1  , , , t   G1 (2.59) (2.61) Định nghĩa mặt trượt S1 cho hệ thứ S1  1 z1  z2 ; (2.62) Trong 1 xác định dương Chọn hàm Lyapunov có dạng sau: V1  S1 (2.63) Từ ta xác định tín hiệu điều khiển u1 để V1 hàm Lyapunov   G11 (1 z2  F1 )  G11 (k1S1  1 sgn S1 )  eq1  Xét hệ thứ hai:  sw1 (2.67) 12   z3  z4    z4  F2  , , , t   G2 Đặt mặt trượt cho hệ thứ hai là: (2.68) S   S1   s2 (2.69) (2.70) s2  2 z3  z4 ; Chọn hàm Lyapunov cho hệ thứ hai V2  S 22 (2.71) Từ ta có tín hiệu  để hàm V2 hàm Lyapunov là:      G1   G2  1  G eq   G2 eq     G1   G2  1 k S 2   sgn S  (2.81) Cuối cùng, để giảm thiểu tượng “Chattering” mặt trượt, đề xuất sử dụng hàm tanh-hypebolic thay cho hàm dấu sgn(.) rút gọn biểu thức (2.81) Bộ điều khiển phản hồi trạng thái tổng hợp cuối theo phương pháp trượt tầng là:   1 z2  F1   ,  ,  , t     1        G1   G2         z  F   ,  ,  , t    KS   sgn  S      (2.82) 2.1.3 Tổng hợp điều khiển trượt tầng thích nghi có xét đến sai lệch mơ hình nhiễu Trong cơng thức tính tín hiệu điều khiển điều khiển trượt tầng (2.82) có chứa F1  , , , t  F2  , , , t  hàm có chứa hệ số thành phần mơ hình hệ thống nhiễu dịng chảy sóng gió tác động vào USV Với giả thiết, tham số mơ hình bị thay đổi chưa biết nhiễu sóng, gió khơng thể đo Lúc này, hàm F1  , , , t  F2  , , , t  hàm phi tuyến bất định khơng thể có giá trị tín hiệu điều khiển cách xác Luận án đề xuất điều khiển trượt tầng thích nghi sử dụng mạng nơ ron RBF để xấp xỉ hàm bất định F1  , , , t  F2  , , , t  Giá trị ước lượng mạng nơ ˆ T Q  , , , t  ron là: Fˆ1  , , , t   W 1    ˆ T Q  , , , t Fˆ2  , , , t  W 2  13 Định lý 2.1: Xét hệ thống điều khiển USV (2.33), mạng nơ ron RBF sử dụng để xấp xỉ hàm phi tuyến bất định, luật cập nhập cho mạng nơ ron là: ˆ   S t  W ˆ (2.86) Q  , , , t S T  t    Λ1W   Q  , , , t  S  t    Λ T 1 1 ˆ   S t  W ˆ W 2 (2.87) Với  ,  thông số tổ hợp mặt trượt tương tự sử dụng điều khiển trượt tầng Λ1  N1  N1 , Λ  N2  N2 ma trận vuông xác định dương tùy ý,   hệ số học mạng chọn số dương tùy ý Với luật thích nghi (2.86) , (2.87) thỏa mãn thêm điều kiện:   W    W  4   S  max  , (2.88)   4 4   * Trong đó: 1*N  sup 1*  0,1*   O  * F 1N * * F 2N C1 C2 min 1  2*N   , K  C1  C2 đối xứng, sup  2*  0, 2*   O  xác định dương chọn đủ lớn,  1min  2min giá trị riêng nhỏ C1 C2 , đảm bảo tính ổn định Lyapunov hệ thống, tức có đồng thời lim S  t   ; S  t   , t  (2.89) t  Trong kí hiệu   O  lân cận đủ nhỏ bao quanh gốc tọa độ Chứng minh: Trước hết, với công thức cập nhật mạng nơ ron Fˆ1  , , , t  Fˆ2  , , , t  tín hiệu điều khiển hệ thống là: ˆ  ˆ1eq  t   ˆ2eq  t   ˆsw  t  (2.90) Sử dụng hàm Lyapunov xác định dương có dạng: V  S , W1,   S T t  S t   2   1 trace W1  W1  T  1 trace W2  W2 T  (2.94) Ta tính xác định âm đạo hàm hàm Lyapunov: V  S , W1,    W   s   S     i i 1   W    S    2 * n F  W1 F    c S   * F  W2 F 14 Với c  0, c  Do ln có S  s*  , t  Ngồi ta cịn thấy đạo hàm bậc hàm Lyapunov: V S , W1,2  VM ,VM    Từ ta có tính bị chặn đạo hàm cấp hai hàm Lyapunov: Vì theo bổ đề Barbalat, có tính giới hạn lim V  S , W1,2   Do t  lim S  t   Như định lý hoàn toàn chứng minh t  2.1.4 Cấu trúc hệ thống điều khiển bám quỹ đạo trượt tầng thích nghi Từ phân tích thiết kế Cấu trúc điều khiển bám quỹ đạo trượt tầng thích nghi sử dụng mạng nơ ron nhân tạo trình bày thể hình Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc điều khiển bám trượt tầng thích nghi 2.2 Mơ kiểm chứng thuật tốn 2.2.1 Kết mô điều khiển với quỹ đạo đường thẳng Thơng số mơ hình USV trích dẫn từ [13] Các thơng số trình bày phụ lục A1 Kết mô điều khiển trượt tầng (HSMC) điều khiển USV chuyển động theo quỹ đạo đường thẳng xuất phát từ gốc tọa độ, khơng có nhiễu tác động vào USV Vị trí xuất phát USV nằm quỹ đạo đặt x  0(m), y  10(m),  pi / 3(rad ) 15 Hình 2.4 Quỹ đạo USV, đường thẳng, khơng có nhiễu Sai lệch theo phương x y Hình 2.5 Sai lệch bám theo phương x , QĐ đường thẳng, khơng có nhiễu Hình 2.6 Sai lệch bám phương y , HSMC, QĐ đường thẳng, khơng có nhiễu 2.3 Kết luận Chương Trong chương này, trình bày phương pháp tổng hợp điều khiển trượt tầng điều khiển trượt tầng thích nghi điều khiển bám quỹ đạo cho USV dựa sở lý thuyết điều khiển trượt tầng mạng nơ ron nhân tạo Đã thiết kế điều khiển bám quỹ đạo cho USV thiếu cấu cấu chấp hành với mơ hình biến đổi Bộ điều khiển chứng minh tính ổn định theo tiêu chuẩn Lyapunov kết kiểm chứng phần mềm Matlab Simulink kết cho thấy hệ thống điều khiển đáp ứng tốt bền vững có tác động nhiễu ngồi tác động lên USV sóng, dịng chảy Đã đề xuất điều khiển trượt tầng thích nghi sử dụng mạng nơ ron để 16 điều khiển bám quỹ đạo cho USV với giả nhiễu tác động vào USV không đo Bộ điều khiển đề xuất đảm bảo tính ổn định cho hệ thống USV chịu tác động môi trường biến đổi tham số nội bên đối tượng Các kết mô cho thấy điều khiển trượt tầng thích nghi đề xuất cho kết điều khiển tốt so với điều khiển trượt tầng thông thường Một phần kết đạt nêu cơng bố cơng trình khoa học [CT 2] [CT 3] Chương TỔNG HỢP BỘ QUAN SÁT TỐC ĐỘ THÍCH NGHI CHO USV TRÊN CƠ SỞ MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO 3.1 Cơ sở lý thuyết Việc đo lường trực tiếp tín hiệu vận tốc USV điều khó thực thực tế tín hiệu vận tốc tín hiệu khơng có thật mà thơng thường tính thơng qua phép đạo hàm vị trí Trong thực tế vị trí USV ln có chứa nhiễu chuyển động rung lắc thân chuyển động phương tiện hàng hải tác động mơi trường làm việc, việc đo vận tốc thơng qua phép tính đạo hàm thường cho giá trị vận tốc khơng xác gây ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống điều khiển Trong chương này, luận án đề xuất quan sát vận tốc thích nghi sử dụng mạng nơ ron để xấp xỉ hàm phi tuyến quan sát mà đảm bảo tín hiệu quan sát hội tụ tín hiệu thực hệ thống để áp dụng cho mơ hình phi tuyến có chứa thành phần bất định mơ hình USV 3.2 Thiết kế quan sát tốc độ thích nghi sở mạng nơ ron nhân tạo Xét USV thiếu chấp hành trình bày (1.66)  J1  1  J     22    1            J    J        , f  x    Đặt: x    , G  x        M 1  f1  r , r ,      1 1       M M 3M   f  r , r ,     17 Định lý 3.3: Xét hệ phi tuyến (3.19) bậc n có cặp ma trận  A, C  quan sát được, với véc tơ hàm toán học bất định hệ thống   x , y , u  , sử dụng quan sát:  xˆ  Axˆ  W ˆ T Yˆ T x  K y  Cxˆ o o (a)   (b) , (3.23)  yˆ  Cxˆ  T (c )  x   xˆ T u T  đồng thời ma trận K tính toán phù hợp cho đảm bảo ma trận ˆ Yˆ theo công thức Ao  A  KC ma trận Hurwitz Cập nhật trọng số W o o đây: ˆ   Yˆ T x y T CA1   y W ˆ ; W o o o o (3.24) ˆ T I   Yˆ T x   y Yˆ , Yˆo  2 YˆoT x y T CAo1W o N op o            trog 1,2 ;1,2 hệ số dương thỏa mãn 1  1,  2CAo1  , I N ma  trận đơn vị cấp N với N số lượng nơ ron lớp ẩn,  YˆopT x ma trận chéo với phần tử đường chéo Yˆ x  , Yˆop véc tơ cột thứ p T op Yˆo Thì quan sát (3.23) làm cho sai lệch quan sát hội tụ chừng x nằm bên miền Compact  x định nghĩa bởi:   x   x    nghĩa là: n x  2d C  min * T C * lim x  t   0, x   x t     , d  0,   , C   (3.25) (3.26) Các điểm cực ma trận A xa trục ảo, tốc độ tiệm cận xˆ  x nhanh Chứng minh tính hội tụ: Trước hết, ta thấy sử dụng quan sát đề xuất định lý 3.3 sai lệch quan sát tính bởi: o 18     Yˆ x   K  y  Cxˆ  x  x  xˆ  A  x  xˆ    x , y, u   x , y , u ˆT W o (3.27) T o Sử dụng hàm Lyapunov xác định dương phụ thuộc sai lệch có dạng: 1 Vo  x   x T Px  tr  WoT Wo   tr YoT Yo  , 2 T P  P  ma trận đối xứng xác định dương tùy chọn Ta chứng minh tính xác định âm hàm Lyapunov sai lệch quan sát cần thỏa mãn:  2CAo1   C* T C* *     1   min y   M P C   1  2       2 CAo1 *    y   M P C  1         12    1  22      C  min * T C * (3.52)  2 CAo1   1    1  22 ta có điều kiện đủ Đặt d   M P C   1      để quan sát xấp xỉ trạng thái là: 2d x  (đ.p.c.m) T C*  C* min C * Như từ (3.53) thấy quan sát đề xuất, để xˆ  x với sai số bé có thể, cần chọn giá trị  lớn Từ phương trình Lyapunov (3.37) thấy để có  lớn cần chọn ma trận P A có trị riêng đủ lớn 3.3 Mơ kiểm chứng điều khiển USV kết hợp quan sát vận tốc 3.3.1 Mô đánh giá chất lượng quan sát vận tốc thích nghi Cấu trúc quan sát tốc độ thích nghi sở mạng nơ ron nhân tạo thiết kế có cấu trúc Hình 3.1 Với tín hiệu vào quan sát véc tơ vị trí USV véc tơ tín hiệu điều khiển USV, tín hiệu quan sát véc tơ vận tốc USV 19 Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc quan sát thích nghi Hình 3.3 Vận tốc mô vận tốc quan sát theo phương x , khơng nhiễu Hình 3.4 Sai lệch quan sát vận tốc theo phương x , khơng nhiễu Hình 3.5 Vận tốc mô vận tốc quan sát theo phương y , khơng nhiễu 20 Hình 3.6 Sai lệch quan sát vận tốc theo phương y , không nhiễu Từ kết mô hai trường hợp nhận thấy giá trị vận tốc có từ quan sát bám giá trị vận tốc hệ thống với sai lệch nhỏ Điều chứng tỏ quan sát thiết kế hoạt động tốt với đối tượng USV 3.3.2 Mô đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển trượt tầng thích nghi kết hợp quan sát thích nghi Hình 3.16 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển trượt tầng thích nghi kết hợp quan sát thích nghi Thực mô với điều khiển trượt tầng thích nghi kết hợp quan sát với trường hợp quỹ đạo đặt đường cong Hình 3.17 Quỹ đạo USV AHSMC Quan sát 21 Hình 3.18 Sai lệch bám theo phương x Hình 3.19 Sai lệch bám theo phương y Hình 3.20 Sai lệch vận tốc theo phương x từ mơ quan sát Hình 3.21 Sai lệch vận tốc theo phương y từ mô quan sát Hình 3.22 Sai lệch vận tốc góc từ mơ quan sát 22 Kết mô cho thấy hệ thống điều khiển với điều khiển AHSMC sử dụng quan sát thiết kế cho kết điều khiển bám theo quỹ đạo đặt trường hợp có nhiễu mơi trường tác động lớn Các giá trị vận tốc quan sát xấp xỉ vận tốc mô đưa với sai lệch nhỏ 3.4 Kết luận Chương Chương thiết kế quan sát thích nghi sử dụng mạng nơ ron nhân tạo, để quan sát vận tốc USV phục vụ cho hệ thống điều khiển mà không cần sử dụng cảm biến để đo lường vận tốc thực USV Luật cập nhật cho quan sát chứng minh mô kiểm chứng cho thấy quan sát thiết kế cho kết sai lệch quan sát nhỏ Đồng thời, sử dụng quan sát để tổng hợp điều khiển dựa phương pháp trượt tầng cho mơ hình USV thiếu cấu chấp hành để áp dụng trường hợp không đo vận tốc phương tiện Các kết đạt chương công bố cơng trình ghiên cứu [CT 3] KẾT LUẬN Điều khiển bám quỹ đạo cho USV yêu cầu quan tâm năm gần Với đặc điểm thiếu cấu chấp hành yêu cầu đối tượng điều khiển phải làm việc mơi có nhiễu dịng chảy, sóng, gió tác động liên tục, việc đưa thuật toán điều khiển có tính bền vững với nhiễu thích ứng có thay đổi tham số mơ hình cần thiết Do Luận án tập trung nghiên cứu nội dung sau: - Xây dựng điều khiển bám quỹ đạo phi tuyến cho USV, có khả khắc phục nhiễu tác động với biên độ nhỏ - Xây dựng Bộ điều khiển thích nghi phi tuyến kết hợp quan sát trạng thái tựa Luenberger sử dụng mạng nơ ron nhân tạo để điều khiển cho USV thiếu cấu chấp hành hoạt động mơi trường có nhiễu tác động Kết đạt được trình bày tóm tắt đây: 23 Kết đạt được: Luận án tập trung nghiên cứu vào USV loại nhỏ phục vụ nhiệm vụ trắc quan môi trường thủy, cứu hộ cứu nạn, mang, phóng thả , thu hồi thiết bị ngầm …, mơ hình hóa biến đổi mơ hình cho loại tàu dạng mơ hình áp dụng phương pháp điều khiển phi tuyến đại Luận án nghiên cứu phương pháp điều khiển cho hệ thiếu cấu chấp hành nhận thấy điều khiển trượt tầng phù hợp để giải nhiệm vụ nghiên cứu đặt Luận án đạt kết sau đây: - Đã tổng hợp điều khiển chuyển động cho USV thiếu cấu chấp hành sở điều khiển trượt tầng với tác động nhiễu dịng chảy sóng, gió đưa vào để kiểm nghiệm tính bền vững điều khiển - Đã tổng hợp điều khiển trượt tầng thích nghi sử dụng mạng nơ ron nhân tạo để điều khiển chuyển động cho USV thiếu cấu chấp hành có nhiễu dịng chảy, sóng, gió tác động lên đối tượng trình làm việc - Đã thiết kế quan sát thích nghi tựa Luenbeger sở mạng nơ ron nhân tạo để áp dụng cho đối tượng phi tuyến với mục đích ước lượng vận tốc USV để làm tín hiệu phản hồi cho điều khiển mà không cần sử dụng cảm biến nhằm giảm nhiễu đo lường giảm giá thành chế tạo Tính đắn chất lượng kết đạt trên, phân tích chứng minh qua định lý tốn học kiểm chứng qua mơ kỹ thuật số phần mềm Matlab-Simulink Các kết cho thấy tính đắn phân tích lý thuyết khả áp dụng vào thực tế thuật toán đề xuất luận án Những đóng góp luận án là: - Đề xuất điều khiển trượt tầng thích nghi sở mạng nơ ron RBF điều khiển chuyển động USV tác động nhiễu môi trường - Đề xuất quan sát tự chỉnh tựa Luenbeger sử dụng mạng nơ ron RBF quan sát vận tốc chuyển động cho hệ phi tuyến USV 24 Hướng nghiên cứu luận án - Nghiên cứu áp dụng điều khiển đề xuất vào đối tượng thực tế - Nghiên cứu điều khiển thích nghi bền vững cho đối tượng USV có xét đến đến đặc tính cấu chấp hành - Nghiên cứu điều khiển tối ưu có sử dụng mạng nơ ron học củng cố để tối ưu hóa lượng tiêu thụ trình hoạt động USV - Nghiên cứu phương pháp để tự chỉnh định tham số điều khiển thiết kế nhằm nâng cao chất lượng điều khiển DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ [CT 1] Tuan Nguyen Khac, Dung Vo Tien, Le Ngo Thi and Thang Le Tran, Adaptive Dynamic Surface Control for Path Following of Ships, International Conference on System Science and Engineering (ICSSE), 2019 [CT 2] T.K Nguyen, Th.Tr Le, and C.X Nguyen, Reduce energy loss with dynamic positioning controller for USV based on Hierarchical Sliding Mode Control, International Conference “Energy Efficiency and Energy Saving in Technical Systems” (EEESTS-2021), vol 279, 2021 [CT 3] Nguyễn Khắc Tuấn, Lê Trần Thắng, Thiết Kế Bộ Điều Khiển Ổn Định Động Cho USV Thiếu Cơ Cấu Chấp Hành, Tạp chí nghiên cứu KH CN quân sự, số đặc san CBNC trẻ, tháng 11/2021, tr 76-84 [CT 4] Nguyễn Khắc Tuấn, Nguyễn Đức Khoát, Lê Trần Thắng, Lê Xuân Hải, Điều khiển trượt tầng thích nghi quan sát neural tựa luenberger cho USV, Tạp chí khoa học cơng nghệ, Trường đại học công nghiệp Hà Nội, tháng 2/2022