Nghiên cứu phát triển hệ thống mô phỏng chuyển động tàu thuỷ với sàn treo ba bậc tự do ứng dụng thuật toán điều khiển hiện đại

Nghiên cứu phát triển hệ thống mô phỏng chuyển động tàu thuỷ với sàn treo ba bậc tự do ứng dụng thuật toán điều khiển hiện đại.Nghiên cứu phát triển hệ thống mô phỏng chuyển động tàu thuỷ với sàn treo ba bậc tự do ứng dụng thuật toán điều khiển hiện đại.Nghiên cứu phát triển hệ thống mô phỏng chuyển động tàu thuỷ với sàn treo ba bậc tự do ứng dụng thuật toán điều khiển hiện đại.Nghiên cứu phát triển hệ thống mô phỏng chuyển động tàu thuỷ với sàn treo ba bậc tự do ứng dụng thuật toán điều khiển hiện đại.Nghiên cứu phát triển hệ thống mô phỏng chuyển động tàu thuỷ với sàn treo ba bậc tự do ứng dụng thuật toán điều khiển hiện đại.Nghiên cứu phát triển hệ thống mô phỏng chuyển động tàu thuỷ với sàn treo ba bậc tự do ứng dụng thuật toán điều khiển hiện đại.Nghiên cứu phát triển hệ thống mô phỏng chuyển động tàu thuỷ với sàn treo ba bậc tự do ứng dụng thuật toán điều khiển hiện đại.Nghiên cứu phát triển hệ thống mô phỏng chuyển động tàu thuỷ với sàn treo ba bậc tự do ứng dụng thuật toán điều khiển hiện đại.Nghiên cứu phát triển hệ thống mô phỏng chuyển động tàu thuỷ với sàn treo ba bậc tự do ứng dụng thuật toán điều khiển hiện đại.Nghiên cứu phát triển hệ thống mô phỏng chuyển động tàu thuỷ với sàn treo ba bậc tự do ứng dụng thuật toán điều khiển hiện đại.Nghiên cứu phát triển hệ thống mô phỏng chuyển động tàu thuỷ với sàn treo ba bậc tự do ứng dụng thuật toán điều khiển hiện đại.Nghiên cứu phát triển hệ thống mô phỏng chuyển động tàu thuỷ với sàn treo ba bậc tự do ứng dụng thuật toán điều khiển hiện đại.Nghiên cứu phát triển hệ thống mô phỏng chuyển động tàu thuỷ với sàn treo ba bậc tự do ứng dụng thuật toán điều khiển hiện đại.Nghiên cứu phát triển hệ thống mô phỏng chuyển động tàu thuỷ với sàn treo ba bậc tự do ứng dụng thuật toán điều khiển hiện đại.Nghiên cứu phát triển hệ thống mô phỏng chuyển động tàu thuỷ với sàn treo ba bậc tự do ứng dụng thuật toán điều khiển hiện đại.Nghiên cứu phát triển hệ thống mô phỏng chuyển động tàu thuỷ với sàn treo ba bậc tự do ứng dụng thuật toán điều khiển hiện đại.Nghiên cứu phát triển hệ thống mô phỏng chuyển động tàu thuỷ với sàn treo ba bậc tự do ứng dụng thuật toán điều khiển hiện đại.Nghiên cứu phát triển hệ thống mô phỏng chuyển động tàu thuỷ với sàn treo ba bậc tự do ứng dụng thuật toán điều khiển hiện đại.Nghiên cứu phát triển hệ thống mô phỏng chuyển động tàu thuỷ với sàn treo ba bậc tự do ứng dụng thuật toán điều khiển hiện đại.Nghiên cứu phát triển hệ thống mô phỏng chuyển động tàu thuỷ với sàn treo ba bậc tự do ứng dụng thuật toán điều khiển hiện đại.Nghiên cứu phát triển hệ thống mô phỏng chuyển động tàu thuỷ với sàn treo ba bậc tự do ứng dụng thuật toán điều khiển hiện đại.Nghiên cứu phát triển hệ thống mô phỏng chuyển động tàu thuỷ với sàn treo ba bậc tự do ứng dụng thuật toán điều khiển hiện đại.Nghiên cứu phát triển hệ thống mô phỏng chuyển động tàu thuỷ với sàn treo ba bậc tự do ứng dụng thuật toán điều khiển hiện đại.Nghiên cứu phát triển hệ thống mô phỏng chuyển động tàu thuỷ với sàn treo ba bậc tự do ứng dụng thuật toán điều khiển hiện đại.Nghiên cứu phát triển hệ thống mô phỏng chuyển động tàu thuỷ với sàn treo ba bậc tự do ứng dụng thuật toán điều khiển hiện đại.Nghiên cứu phát triển hệ thống mô phỏng chuyển động tàu thuỷ với sàn treo ba bậc tự do ứng dụng thuật toán điều khiển hiện đại.Nghiên cứu phát triển hệ thống mô phỏng chuyển động tàu thuỷ với sàn treo ba bậc tự do ứng dụng thuật toán điều khiển hiện đại.Nghiên cứu phát triển hệ thống mô phỏng chuyển động tàu thuỷ với sàn treo ba bậc tự do ứng dụng thuật toán điều khiển hiện đại.

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu cá nhân tơi hướng dẫn tập thể giáo viên hướng dẫn nhà khoa học Các tài liệu tham khảo trích dẫn đầy đủ Kết nghiên cứu trung thực chưa công bố cơng trình khác Hải Phịng, ngày 12 tháng 12 năm 2023 Tác giả Trƣơng Công Mỹ LỜI CÁM ƠN Trong q trình làm luận án, tơi nhận nhiều góp ý chun mơn ủng hộ giúp đỡ giáo viên hướng dẫn, nhà khoa học, đồng nghiệp Tôi xin gửi tới họ lời cảm ơn sâu sắc Tơi xin bày tỏ lịng cám ơn đến giáo viên hướng dẫn trực tiếp hướng dẫn suốt thời gian qua Tôi xin chân thành cám ơn nhà khoa học, Khoa Hàng hải, Khoa Điện – Điện tử, Viện đào tạo sau đại học, trường Đại học Hàng hải Việt Nam tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt q trình học tập nghiên cứu thực luận án Cuối lời cảm ơn ủng hộ, động viên khích lệ to lớn gia đình để tơi hồn thành nhiệm vụ học tập Hải phòng, Ngày 12 tháng 12 năm 2023 Tác giả Trƣơng Công Mỹ MỤC LỤC MỤCLỤC iii DANH MỤC HÌNH VẼ VÀĐỒTHỊ vi DANH MỤCCÁCBẢNG ix DANH MỤC CHỮVIẾTTẮT x MỞĐẦU 1 Tính cấp thiết củaluậnán Mục tiêu nghiên cứu củaluậnán Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu củaluậnán 3.1 Đối tượngnghiêncứu 3.2 Phạm vinghiêncứu 4 Phƣơng pháp nghiên cứu củaluậnán 5 Ý nghĩa khoa học vàthựctiễn Những điểm đónggópmới… Bố cục củaluậnán CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ MÔ PHỎNG HÀNG HẢI VÀ MÔ HÌNH TỐNĐỘNG LỰC HỌC CỦA CHUYỂN ĐỘNGTÀUTHỦY 1.1 Giới thiệu hệ thốngmôphỏnghàng hải 1.2 Tính hình nghiên cứu ngồi nƣớc có liên quan đến đề tài luậnán .12 1.2.1 Tình hình nghiên cứungoàinước 12 1.2.2 Tình hình nghiên cứutrongnước 24 1.2.3 Hướng nghiên cứu củaluận án 26 1.3 Mơ hình tốn học mơ tả chuyển động tàu thủy dạng không gian trạngthái 27 1.3.1 Phương trình tốn mơ tả chuyển động tàu thuỷ với bậctựdo 29 1.3.2 Phân tích vectơ tổng hợp lực mơmen bên ngồi tác động vào tàu(khơng bao gồm lực vàmômennổi) 32 1.4 Lực mômen tác động nhiễu loạnmôitrƣờng 35 1.4.1 Lực mơ men dịng chảytạora 36 1.4.2 Lực mô men giótạo 36 1.4.3 Lực mơ men sóngtạora 38 1.5 Kết luậnChƣơng1 .40 CHƢƠNG MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG 3D TÀU THUỶ VÀ XÂY DỰNGMƠHÌNHTÍNHIỆUĐIỀUKHIỂN3TRỤCTỰDOCỦASÀNTREOCABIN .41 2.1 Phần mềm mô chuyển động 3D tàu thủy -Unity3D 41 2.1.1 Triển khai hệ thông mô chuyển động tàu thủytrongUnity3D 42 2.1.2 Các cơng cụ để chuyển đổi từ phương trình động học thành chuyểnđộng3D 43 2.2 Ứng dụng phần mềm Unity3D để mô chuyển độngtàuthuỷ .45 2.2.1 Tạo lực chotàuthủy 46 2.2.2 Tạo lực mô men thủy động học chotàuthủy 48 2.2.3 Tạo lực mô men liên quan đến thiết bị đẩy bánh lái chotàuthủy 48 2.2.4 Tạo lực mô men nhiễu môi trường tác độngtàuthủy 50 2.2.5 Thu thập thông tin bậc tự mơ hìnhtàuthủy 51 2.2.6 Một số đối tượng thời tiết địa hình, địa vật tương tác tronglậptrình 51 2.2.7 Một số mơ hình 3D tàumụctiêu 54 2.3 Đề xuất cấu trúc hệ thốngmôphỏnghàng hải 55 2.3.1 Mơ hình mô chuyển động củatàu thủy 55 2.3.2 Mô chuyển động tàu thủy với sàn treo ba bậc tựdo(3DOF) 58 2.4 Mơhìnhđộnghọcngƣợcxácđịnhgócquayđộngcơservo .60 2.5 Kiểm chứng bằngmơhình độnghọcthuận 61 2.6 Kết quảmôphỏng .63 2.7 Xây dựng cấu trúc điều khiển bám tín hiệu mơ tổ hợpDrive/ Servo ứngdụngPLC 65 2.7.1 Phân tích vịng lặpđiềukhiển .65 2.7.2 Cải thiện chất lượng điều khiển vị trí thuật tốn dự báo số sởPLC 69 2.8 Kết luậnChƣơng2 .72 CHƢƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO ỨNG DỤNG MẠNGNƠRON NHÂN TẠO TRONG ĐIỀU KHIỂNSÀNTREO 72 3.1 Trí tuệ nhân tạo - AI mạng nơron nhân tạo-ANN 72 3.2 Các hình trạng mạng nơronANNvà mạng truyền thẳng nhiều lớpMLP .73 3.2.1 Các hình trạng củamạngnơron 73 3.2.2 Mạng truyền thẳng nhiềulớpMLP .73 3.3 Ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo dạng MLP điều khiển sàntreo75 3.3.1 Bài toán dự báo trước giá trị tham chiếu cho tổ hợp Drive/ServoMortor 76 3.3.2 Xây dựng mạng nơron sử dụng côngcụ Matlab/Nntool 78 3.3.3 Huấn luyện mạngtrongMatlab/NNtool 82 3.3.4 Xây dựng kịch mô với mơhình Newton-Raphson .86 3.4 Sơ đồ kết nối liệu hệ thống mô phỏnghànghải 89 3.4.1 GiaodiệndữliệucủaPLCvớivơlăng,taytrangvàbộđotínhiệusàntreo .91 3.4.2 Giao diện liệu PLC với panel điều khiển máy chính, máy lái, neo,chânvịtmũi 92 3.4.3 Giao diện liệu PLC vớiDrive/Servomotor 94 3.5 Thiết hế, chế tạo bàn điều khiểncontrol console 97 3.6 Cải thiện chất lƣợng điều khiển sàn treo mơ hình vật lý dự báoứng dụngmạngnơron .100 3.7 Kết luậnChƣơng3… 104 KẾTLUẬN 104 CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃCƠNGBỐ 106 TÀI LIỆUTHAMKHẢO .107 PHỤLỤC 119 Phụ lục 1:Bảng liệu đầu vào để huấnluyệnmạng 120 Phụ lục 2: Bảng liệu đầu để huấnluyện mạng .148 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Hệ thống mô phỏnghànghải Hình 1.2 Hệ thống mơ láitàuthủy Hình 1.3 Hệ thống mô hàng hải hãngKongsbergMarine 10 Hình 1.4 Hệ thống mơ hàng hải củahãng Wärtsilä/Transas 10 Hình 1.5 Hệ thống mô hàng hải củahãngNAUTIS/VSTEP .11 Hình 1.6 Thư viện loại mơ hình tàu trongMSS-GNCToolbox 13 Hình 1.7 Thư viện cấu chấp hành trongMSS-GNCToolbox 13 Hình 1.8 Thư viện thiết bị đo, quan sát tín hiệu hàng hảit r o n g MSS-GNC .14 Hình 1.9 Thư viện loại nhiễu loạn môi trường trongMSS-GNCToolbox 14 Hình 1.10 Hình ảnh luồng thực địa phần mềmSeamanOnline 15 Hình 1.11 Hình ảnh mô chuyển động tàu thủy phần mềm CoSimulations15Hình 1.12 Hình ảnh mơ hệ thống phương tiện Hàng hải dựa tảng củahãngKongsberg 16 Hình 1.13 Thành phần chuyển động, tham số động học chuyển động tàu thủy28 Hình 1.14 Định nghĩa tốc độ gió hướng( n g u n [32]) 36 Hình 2.1 Giao diệncủaUnity3D 42 Hình 2.2 Mơ hình đối tượng tàu chủ a) cửa sổ cài đặt lực cho tàuthủyb) 46 Hình 2.3 Xác định hình tam giác chìm nước a) trường hợp tam giác chìmvới thuật tốn tối ưu hóa xử lý saisốb) .47 Hình 2.4 Cửa sổ cài đặt lực đẩy, lực cản mô men vào đối tượngcontàu 49 Hình 2.5 Cửa sổ cài đặt mơ tương tác đối tượngnghiêncứu .50 Hình 2.6 Cửa sổ cài đặt bầu trời a) cài đặt thuộc tính bầutrờib) 52 Hình 2.7 Đối tượng bầu trờiSilverlining 52 Hình 2.8 Đối tượng sóng biểnTritonocean 52 Hình 2.9 Tạo hiệu ứng hình ảnhbanđêm 53 Hình 2.10 Tạo hiệu ứng hình ảnh ban ngày, trạng thái mặt biểnvàmưa 53 Hình 2.11 Cửa sổ lấy địa hình thực tế từWorldComposer 54 Hình 2.12 Mơ hình 3D tàu Bulk Carrier a) mơ hình 3D tàuCargob) 54 Hình 2.13 Cấu trúc khung khí hệ thống mơ chuyển động tàu thủy.55Hình 2.14 Cấu trúc mạng hệ thống mô chuyển độngtàuthủy .56 Hình 2.15 Mơ hình mơ chuyển động 3DOF buồng láitàuthủy 57 Hình 2.16 Mơ hình mô chuyển động bậc tự sử dụng động servo a) Mặtsàn để gắn cabine buồng lái, b) Khung tam giáctruyềnđộng 58 Hình 2.17 a) Sơ đồ hình học mơ hình 3DOF, b) Tay quay vàtayđịn 59 Hình 2.18 Thuật tốn Newton-Raphson xác định mơ hình độnghọcthuận 62 Hình 2.19 Sơ đồ mơ hệ thốngtrên Matlab/Simulink 62 Hình 2.20 Kết mơ có lắcngang(-roll); 63 Hình 2.21 Kết mơ có lắcdọc(-pitch); 63 Hình 2.22 Kết mơ có trượt dọc trục thẳngđứng(z-heave) 64 Hình 2.23 Kết mơ có chuyển độnghỗnhợp 64 Hình 2.24 Cấu trúc vòng lặp điều khiển nối tầng độngcơ servo 65 Hình 2.25 Cấu trúc điều khiển sử dụng PLC Servo Motor củahãngDelta .66 Hình 2.26 Cấu trúc vịng lặp vị trí (a) tốc độ (b) chế độ có Feedforward đầuvào 67 Hình 2.27 Sơ đồ mạch bù nhiễutảiFeedforward .688 Hình 2.28 Đặc tính đáp ứng bám theo góc quay tàu củasàncabine .69 Hình 2.29 Đáp ứng bám theo góc quay tàu sàn cabine sử dụng dự báovới 70 Hình 3.1 Mạng nơron truyền thẳng nhiềulớp MLP .74 Hình3.2.SơđồcấutrúchệthốngđiềukhiểnsàntreocótíchhợpmoduleANN/MLP .80 Hình 3.3 Khối OPC Configuration để cấu hình kết nối a) Khối OPC Write để ghi dữliệu thời gian thực đến PLC b) Khối OPC Read để đọc liệu đếntừPLC 80 Hình 3.4 Khối OPC Quality Parts để giám sát chất lượngkếtnối .81 Hình 3.5 Dữ liệu mẫu để luyện mạng nơron a) Chuyển động roll; b) Chuyển độngpitch; c) Chuyểnđộng heave 83 Hình 3.6 Sơ đồ cấu trúc mạngnơ ron 84 Hình 3.7 Cửa sổ trạng thái trìnhluyệnmạng 85 Hình 3.8 Đặc tính sai số MSE trìnhluyện mạng 855 Hình 3.9 Đường hồi quyluyệnmạng 865 Hình 3.10 Đường hồi quy thử nghiệm với đầu raalpha1 .875 Hình 3.11 Đường hồi quy thử nghiệm với đầu raalpha2 876 Hình 3.12 Đường hồi quy thử nghiệm với đầu raalpha3 886 Hình 3.13 Khối mạng nowrron hình thành mơitrườngSimulink 86 Hình 3.14 Sơ đồ khối mơ có sử dụng mạng nowrronnhântạo 87 Hình 3.15 Đặc tính mơ đáp ứng tín hiệu (lắc ngang), (lắc dọc) vàchuyển động trượt dọc trục thẳng đứng cómạngNơron 87 Hình 3.16 Đặc tính mơ tín hiệu đầu vào điều khiển độngầu vào đầu vào điều khiển độngiều khiển đầu vào điều khiển độngộng servo cómạngNơron .88 Hình 3.17 Cấu trúc mạng hệ thống mô phỏnghànghải 89 Hình 3.18 Sơ đồ khối cấp nguồn cho PLCđiềukhiển 90 Hình 3.19 Cảm biến tín hiệu sàn treo trục loại QK – AS08 a) encoder gắn vào taytrang điềukhiểnb) 91 Hình 3.20 Bản vẽ kết nối tín hiệu vào/ra PLC drive độngcơservo 96 Hình 3.21 Thuật tốn điều khiển vị trí servo bằnglệnh DRVA 97 Hình 3.22 Mặt trước Panelđiềukhiển 98 Hình 3.23 Mặt trái Panelđiềukhiển .98 Hình 3.24 Mặt Panelđiềukhiển 98 Hình 3.25 Hình ảnh bàn control console buồng lái sau đượcchếtạo 99 Hình 3.26 Một số hình ảnh hệ thống mơ sauchếtạo .100 Hình 3.27 Sơ đồ cấu trúc ứng mạng nơron nhân tạo MLP điều khiển mơ hình vật lý sàn treo3 DOF 101 Hình 3.28.Đáp ứng tín hiệu tín hiệu nghiêng, lắc trượt đừng sàn treo khiứng dụng mạng nơron nhân tạo MLP so sánh với tín hiệu từ mơphỏng3D .102 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Thành phần chuyển động tham số động học tàu thủy[32,36] 28 Bảng 2.1 Các thành phần lực vàmô men 48 Bảng 2.2 Các thành phần lực vàmô men 49 Bảng 2.3 Thành phần lực vàmô men 50 Bảng 2.4 Các thành phần tọa độvàgóc .51 Bảng 3.1 Mô tả thành phần chuyển động củasàntreo 77 Bảng 3.2 Các thơng số để huấnluyện mạng 84 Bảng 3.3 Các đầu vào/ra panel điều khiểnmáychính 92 Bảng 3.4 Các đầu vào/ra panel điều khiểnmáylái 93 Bảng 3.5 Các đầu vào/ra panelđiềukhiển 93 Bảng 3.6 Các đầu vào củaDriverServo/PLC 94 Bảng 3.7 Các đầu vào củaDriveServo/PLC 94 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Giải thích AI Artificial Intelligence ANN Artifical Neural Networks BP Back Propagation BPNN Back propogation Nerual Network BPTT Back Propagation - Through- Time BTF Backproration network training funtion CAN Controller Area Network DOF Degree of freedom ECDIS Electronic Chart Display and Information System EE End Effector FFNN Feed-forward neural network GA Genetic Algorithms GNC Guide Navigation Control GPS Global Positioning System HMI Human Machine interface LQR Linear quadratic Regulator MAE Mean absolute error MLP Multi- layer peprcetron MPC Marginal propensity to consume MSS Mariner Simulation System NNs Neural Networks OPC Open Platform Communications PF Performance function PID PLC Proportional Integral Derivative Programmable logic controller RNN Recurrent neural network TCP Transmission Control Protocol TFi Transfer funtion of with layer