Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo của phương tiện chuyển động ngầm Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo của phương tiện chuyển động ngầm Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo của phương tiện chuyển động ngầm Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo của phương tiện chuyển động ngầm Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo của phương tiện chuyển động ngầm Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo của phương tiện chuyển động ngầm Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo của phương tiện chuyển động ngầm Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo của phương tiện chuyển động ngầm Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo của phương tiện chuyển động ngầm Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo của phương tiện chuyển động ngầm Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo của phương tiện chuyển động ngầm Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo của phương tiện chuyển động ngầm Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo của phương tiện chuyển động ngầm Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo của phương tiện chuyển động ngầm Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo của phương tiện chuyển động ngầm Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo của phương tiện chuyển động ngầm Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo của phương tiện chuyển động ngầm Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo của phương tiện chuyển động ngầm Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo của phương tiện chuyển động ngầm Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo của phương tiện chuyển động ngầm Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo của phương tiện chuyển động ngầm Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo của phương tiện chuyển động ngầm Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo của phương tiện chuyển động ngầm Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo của phương tiện chuyển động ngầm Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo của phương tiện chuyển động ngầm Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo của phương tiện chuyển động ngầm
BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM VŨ VĂN QUANG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO CỦA PHƯƠNG TIỆN CHUYỂN ĐỘNG NGẦM Tóm tắt luận án tiến sĩ kỹ thuật Ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 9520216 Hải Phịng – 2024 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đinh Anh Tuấn PGS.TS Phạm Ngọc Tiệp Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Tiến Ban Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Tùng Lâm Phản biện 3: PGS.TS Phạm Tâm Thành Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Hàng hải Việt Nam vào hồi phút ngày tháng năm 2024 Có thể tìm hiểu luận án Thư viện Trường Đại học Hàng hải Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài luận án Trái đất có khoảng 70% bề mặt bao phủ nước, có nhiều khu vực chưa người khám phá Việt Nam nằm bờ Biển Đơng, có vùng biển rộng triệu km2 (gấp ba lần diện tích đất liền) với bờ biển dài 3.200 km hệ thống sơng ngịi dày đặc, có ý nghĩa quan trọng công việc phát triển đất nước, bật dầu khí, hải sản Do phương tiện chuyển động ngầm nói chung AUV nói riêng cần thiết, hữu hiệu việc phục vụ ngành công nghiệp như: Xây dựng cơng trình biển, khảo sát nghiên cứu biển, hải dương học, tìm kiếm cứu hộ, kinh tế biển quốc phòng Đặc biệt quân AUV ví UAV (thiết bị bay khơng người lái) mặt đất với tầm quan trọng được khẳng định nhiều cơng trình ứng dụng gần [1], [2] Để cụ thể hóa sách Đảng Nhà nước với phát triển vượt bậc khoa học kỹ thuật ngày nay, phương tiện ngầm ngày quan tâm phát triển, phương tiện ngầm có người lái bên Tuy nhiên phương tiện ngầm có người lái bên thường thiết bị quân cỡ lớn dẫn đến rủi ro vụ tai nạn tàu ngầm Nanggala nặng 1300 Hải quân Indonesia năm 2021 làm chết 53 người chìm độ sâu 850m trục vớt điều tra nguyên nhân [6] Từ khẳng định cần thiết tầm quan trọng thiết bị khơng có người lái bên mục đích an tồn cho tính mạng người giảm thiểu rủi ro mức thấp Phương tiện ngầm tự hành AUV có nhiều ưu điểm không yêu cầu điều hành liên tục người không chứa hệ thống để trì sống hệ thống khí tuần hoàn, thức ăn, nước uống… Điều dẫn đến đơn giản hóa thiết kế, bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên nhỏ so với thiết bị ngầm có người lái bên Do AUV thiết bị ngầm tự hành quan tâm phát triển ngành cơng nghệ hàng hải cho mục đích dân quân [7], [9] AUV (Autonomous Underwater Vehicles) đối tượng hoạt động môi trường nước chịu tác động yếu tố trước gió, dịng chảy, mật độ khơng tính tốn xác, đặc tính động học đối tượng bất biến theo thời gian nhiên liệu bị tiêu hao, trọng lượng tàu, vị trí trọng tâm tàu thay đổi Do đó, thuật tốn điều khiển đại nghiên cứu cho AUV, nhằm nâng cao khả cập nhật biến thiên hệ số thủy động học động học AUV để đạt chất lượng điều khiển mong muốn Để nghiên cứu thuật tốn điều khiển cho AUV điều khiển thơng minh có ưu điểm lớn, tận dụng kiến thức chuyên gia điều khiển, hai tính linh hoạt cao, có khả thay đổi để đáp ứng dần tốt (khả tự học), ba khơng cần biết mơ hình tốn học hệ thống ….Tuy nhiên nhược điểm mà điều khiển thông minh mang lại khơng phải khó bảo đảm tốn học, cấu trúc điều khiển phức tạp Vì điều khiển thông minh thường kèm với điều khiển phi tuyến để tạo thành hệ Hybrid (hệ lai) để tận dụng lợi điều khiển phi tuyến phát huy ưu điểm điều khiển thông minh [17], [18] Phương tiện chuyển động ngầm chủ yếu nghiên cứu với phương trình chuyển động DOF Các cơng trình phương tiện chuyển động ngầm DOF cho phương tiện ngầm cỡ nhỏ thường hướng đến thuật toán điều khiển đủ cấu chấp hành Hệ thiếu cấu chấp hành nghiên cứu hệ thống tàu thủy, tàu ngầm, máy bay, tàu vũ trụ, robot với mục đích để giảm giá thành, giảm trọng lượng, giảm tiêu hao lượng tiêu thụ hệ thống có thiết bị chấp hành bị lỗi Trên thực tế, giảm cấu chấp hành việc phát triển kỹ thuật điều khiển cần thiết khó khăn so với hệ đủ cấu chấp hành Các cơng trình nghiên cứu hệ thiếu cấu chấp hành UMS (Underactuated mechanical systems) nghiên cứu tập trung nhiều đến việc thiết kế thuật toán điều khiển cho hệ UMS phi tuyến phải xét đến yếu tố bất định, mơ hình khơng xác, nhiễu tác động vào hệ thống Vì lý NCS lựa chọn đề tài “Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo phương tiện chuyển động ngầm” làm đề tài nghiên cứu cho luận án tiến sĩ mình, để từ đề xuất thuật toán đại nhằm nâng cao chất lượng bám quỹ đạo AUV, hướng tới đáp ứng nhu cầu phát triển đại hóa thiết bị ngầm tự hành AUV nước giới Mục đích nghiên cứu Áp dụng lý thuyết điều khiển đại xây dựng điều khiển nhằm nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo cho phương tiện chuyển động ngầm dạng AUV DOF thiếu cấu chấp hành Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điều khiển phương tiện chuyển động ngầm tự hành AUV DOF bám quỹ đạo mong muốn với sai số nhỏ điều kiện mơ hình động học tàu có thành phần bất định Phạm vi nghiên cứu: Trong luận án NCS không đề cập nhiều đến vấn đề dẫn đường hay định vị vấn đề nhiều cơng trình nghiên cứu trước cho kết tốt NCS sử dụng bám quỹ đạo theo số quỹ hàm điều hịa khơng gian cho mơ sau NCS hướng tới nghiên cứu xây dựng thuật tốn điều khiển để cung cấp tín hiệu điều khiển tức thời tín hiệu lực mơ men cho phép AUV di chuyển theo quỹ đạo mong muốn có tính bám hướng quỹ đạo mặt phẳng ngang Việc sử dụng tín hiệu điều khiển thông qua cấu truyền động khác AUV, NCS chưa có điều kiện nghiên cứu nội dung luận án Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Luận án đề xuất hai xu hướng điều khiển cho hệ thiếu cấu chấp hành ứng dụng cho đối tượng AUV đưa dạng đủ cấu chấp hành thiết kế điều khiển cho trạng thái đủ cấu chấp hành, sau áp dụng tín hiệu điều khiển cho hệ thiếu chấp hành ban đầu (bộ điều khiển Backstepping Backsepping Fuzzy), hai thiết kế điều khiển trực tiếp cho hệ thiếu cấu chấp hành (HSMC HSMC nơ-ron) Các giải thuật đề xuất kiểm chứng thông qua mô kỹ thuật số cho mơ hình tàu thực tế Với kết mô khẳng định chất lượng bám quỹ đạo thỏa mãn yêu cầu đặt trước Phương pháp nghiên cứu Phân tích lý thuyết cơng trình khoa học công bố thời gian gần lĩnh vực điều khiển thích nghi phi tuyến Phân tích ưu nhược điểm phương pháp để từ đề xuất hướng nghiên cứu phát triển phương pháp điều khiển cho phương tiện chuyển động ngầm tự hành AUV Nghiên cứu tổng hợp kết hợp với so sánh để đưa giải pháp kỹ thuật cho phương án nâng cao chất lượng điều khiển Các giải thuật đề xuất, phân tích tính ổn định dựa lý thuyết Lyapunov khảo sát đánh giá thông qua mô phần mềm Matlab Những đóng góp luận án Xây dựng thành cơng thuật tốn điều khiển Backtsepping Backstepping thích nghi sử dụng hệ logic mờ để so sánh đánh giá chất lượng điều khiển cho AUV có thành phần bất định dạng hàm số Các kỹ thuật điều khiển kiểm chứng phần mềm chuyên dụng Xây dựng điều khiển trượt tầng Hierarchical Sliding Mode Controller (HSMC) thích nghi nơ-ron cho mơ hình AUV DOF sở kết hợp điều khiển trượt tầng mạng nơ-ron nhân tạo để nâng cao chất lượng điều khiển quỹ đạo AUV tối ưu Bố cục luận án - Luận án chia thành chương với nội dung tóm tắt sau: Chương 1: Giới thiệu tổng quan phương tiện chuyển động ngầm AUV, phương pháp điều khiển công bố nước, làm tảng để phát triển giải thuật điều khiển đề xuất luận án Chương 2: Điều khiển backsteping thích nghi mờ đảm bảo bám quỹ đạo cho AUV thiếu cấu chấp hành So sánh với điều khiển Backstepping thích nghi sử dụng hệ logic mờ để chỉnh định tham số điều khiển Từ khẳng định ưu điểm điều khiển kép Adaptive Fuzzy Backstepping (AFB) độ bền vững với nhiễu thời gian độ giảm Chương 3: Điều khiển trượt tầng thích nghi nơ ron cho AUV thiếu cấu chấp hành nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo Trình bày lý thuyết kỹ thuật điều khiển trượt tầng Hierarchical Sliding Mode Controller (HSMC), mạng nơ-ron nhân tạo làm tảng để phát triển điều khiển thích nghi nơron trượt tầng đề xuất sở kết hợp điều khiển trượt tầng mạng nơron nhân tạo Hệ thống kín với ANHSMC mơ kiểm chứng phần mềm Matlab/Simulink Chương TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG TIỆN CHUYỂN ĐỘNG NGẦM AUV 1.1 Tổng quan phương tiện chuyển động ngầm Hiện phương tiện chuyển động ngầm chia thành nhiều loại khác [1] Căn vào khả tham gia điều khiển người phân thành hai loại chính: Phương tiện chuyển động ngầm có người lái bên phương tiện chuyển động ngầm không người lái bên Hình 1.1 sơ đồ phân loại phương tiện chuyển động ngầm phương tiện ngầm điều khiển từ xa (ROV), phương tiện ngầm có người lái phương tiện chuyển động ngầm tự hành (AUV) Hình 1.1 Phân loại phương tiện chuyển động ngầm [1] Phương tiện ngầm tự hành AUV khơng có người lái bên điều khiển tự động đời nhằm khắc phục số nhược điểm ROV với nhiều hình dạng đặc tính khác cho nhiệm vụ cụ thể Các thiết bị có khả hoạt động nhiều dạng mơi trường khác từ sơng ngịi, vùng biển đến vùng lạnh giá khắc nghiệt Ngày nay, với việc phát triển dạng vật liệu mới, kỹ thuật máy tính, thiết bị cảm biến, tiến lý thuyết điều khiển robot, hàng loạt dạng AUV nhỏ gọn, tiên tiến, thông minh đáng tin cậy chế tạo đưa vào ứng dụng thực tế quan trắc mơi trường, khảo sát địa hình, 1.2 Một số ứng dụng tiêu biểu AUV Bảng 1.1 minh họa sơ lược trình phát triển sản phẩm AUV giới Tồn q trình phát triển đánh giá loại sản phẩm AUV giới tham khảo [7] [14] Mơ tả AUV: W u k o n g phát triển trường Đại học Kỹ thuật Cáp Nhĩ Tân, năm 2019, Wukong dài mét, rộng mét nặng 1,3 Trong hai lần thử nghiệm vào năm 2019, phương tiện đạt độ sâu 1.500m so với mực nước biển AUV: Vityaz-D Do Nga sản xuất Theo hãng thông TASS, giới thiệu diễn đàn công nghệ quân quốc tế Army-2020 Con tàu lặn đến độ sâu 10.028m hứa hẹn giúp ngành cơng nghiệp quốc phịng Nga đạt đến tầm cao tương lai AUV: Dolphin sản phẩm nghiên cứu Đại học Bách khoa Hà Nội đứng đầu nhóm nghiên cứu PGS.TS Trương Việt Anh NCS trường ĐH Tohoku, Nhật Bản.Công bố triển lãm "Ứng dụng khoa học, công nghệ doanh nghiệp" Trung tâm Hội nghị Quốc gia 12/2019 AUV Bluefin phát triển tập đồn Mỹ từ năm 2010 Thơng số kỹ thuật AUV sau: Nặng 60,5kg, Dài 1,65 m, rộng 0,24 m, lặn sâu 200, vận tốc di chuyển tối đa m/s, có khả hoạt động 12 liên tục biển 1.3 Hệ tọa độ thiết bị lặn tự hành AUV Mơ hình động học thiết bị lặn tự hành AUV xây dựng dựa lý thuyết học, nguyên lý động học tĩnh học Mơ hình động học AUV sử dụng để thiết kế hệ thống điều khiển cho phương tiện đáp ứng mục tiêu cụ thể Nói chung, chuyển động AUV biểu diễn phương trình chuyển động với sáu bậc tự (6-DOF) [7], [8] Các thành phần chiều chuyển động, lực mơ men tác động, tốc độ vị trí cho AUV biểu diễn bảng 1.3 Bảng 1.3: Các ký hiệu SNAME Stt Bậc tự Lực mô-men Chuyển động Trượt dọc theo trục x (Surge) Trượt ngang theo trục y (Sway) Trượt đứng theo trục z (Heave) Lắc ngang quanh trục x (Roll, heel) Lắc dọc quanh trục y (pitch , trim) Quay trở quanh trục z (Yaw) X Y Z K M N Tốc độ dài Vị trí tốc độ góc góc Euler u v w p q r x y z ϕ θ ψ Hệ tọa độ (x, y, z) vị trí phượng tiện chuyển động ngầm theo chuyển động tịnh tiến dọc trục 0x, 0y 0z, đạo hàm (x, y, z) theo thời gian vận tốc chuyển động tịnh tiến Các tọa độ góc miêu tả hướng chuyển động phương tiện ngầm AUV quanh trục tốc độ quay quanh đạo hàm theo thời gian theo tọa độ tương ứng với hệ quy chiếu tính từ hệ tọa độ địa lý OXYZ đến hệ quy chiếu hệ tọa độ gắn thân GbXbYb, Zb hình 1.6 Hình 1.6 Biểu diễn hệ tọa độ AUV [9] Để phân tích chuyển động phương tiện chuyển động ngầm thường quan tâm đến hệ tọa độ địa lý OXYZ hệ tọa độ cố định tâm trái đất OXeYeZe Mối quan hệ hai hệ tọa độ thể hình 1.7 Hình 1.7 Quan hệ hệ toạ độ địa lý hệ tọa độ cố định tâm trái đất [9] Hệ tọa độ 0Xe Ye Ze (Earth-Centered Reference Frames) gồm: Khung tọa độ ECI (i-frame) khung quán tính để định vị trái đất (thỏa mãn định luật II Newton xét đến chuyển động có khung quy chiếu hệ tọa độ khơng có gia tốc) ECEF (e- frame) 0Xe Ye Ze có gốc gắn với thân trái đất trục quay góc ωe = 7.2921 10-5 rad/s so với khung quán tính ECI Chuyển động quay trái đất bỏ qua phương tiện hàng hải, coi khung e- frame khung quán tính Trong thực tế khung tọa độ e–frame sử dụng cho điều khiển, định vị dẫn đường nói chung miêu tả chuyển động phương tiện chuyển động ngầm vị trí đại dương [11] 1.4 Mô tả động học phương tiện chuyển động ngầm 1.5 Các lực mô men ngoại lực tác động lên AUV Xét loại AUV điều khiển chân vịt động đẩy, bánh lái hướng làm nhiệm vụ điều khiển theo hướng, vừa điều khiển giảm lắc hệ thống bơm điều khiển AUV theo độ sâu hay góc chúc ngóc, truyền động quay bánh lái máy lái điện Ngoại lực mô men ngoại lực tác động lên AUV biểu diễn: RB M A v C A v v D v v L v v g (1.19) Với M A , C A v ma trận quán tính ma trận hướng tâm Coriolis khối nước kèm; D v ma trận mô men thủy động; g véc tơ lực mô men gây trọng lực lực nổi; L v ma trận thông số lực mô men bánh lái; bl pl lực mô men bánh lái động đẩy [9] 1.6 Các yếu tố môi trường tác động lên phương tiện ngầm tự hành 1.7 Tình hình nghiên cứu AUV giới 1.8 Những nghiên cứu AUV nước Trên giới công trình khoa học nghiên cứu AUV quan tâm lớn, cơng trình cơng bố ngày nhiều Trong kỹ thuật điều khiển đại ứng dụng phát triển Ở Việt Nam công bố gần AUV chủ yếu luận án Tiến sĩ tập trung số ĐH lớn Đại học Bách khoa Hà Nội, học viện Kỹ thuật quân sự, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, nghiên cứu không tập trung vào số vấn đề ngư lôi, tàu ngầm, thiết bị thủy âm liên lạc Cơng trình cơng bố hồn thiện AUVchưa quan tâm nghiên cứu Kết luận chương 1: Việc phân tích tình hình nghiên cứu chương cho phép NCS rút kết luận sau: AUV (Autonomous Underwater Vehicles) đối tượng hoạt động môi trường nước chịu tác động yếu tố trước độ sâu, áp suất, dịng hải lưu, khơng tính tốn xác, đặc tính động học đối tượng bất biến theo thời gian nhiên liệu bị tiêu hao, trọng lượng tàu, vị trí trọng tâm tàu thay đổi Điều khiển nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo AUV đòi hỏi phải sử dụng lý thuyết điều khiển phi tuyến đại Phương tiện chuyển động ngầm chủ yếu nghiên cứu với phương trình chuyển động DOF Các cơng trình phương tiện chuyển động ngầm DOF cho phương tiện ngầm cỡ nhỏ thường hướng đến thuật toán điều khiển đủ cấu chấp hành Các nghiên cứu hệ thiếu cấu chấp hành chủ yếu cho tàu thủy mặt nước, AUV DOF thiếu cấu chấp hành chưa công bố nhiều cơng trình khoa học Do luận án NCS tập trung tiếp cận hai xu hướng điều khiển thiếu cấu chấp hành: Một cố gắng đưa dạng đủ cấu chấp hành thiết kế điều khiển cho trạng thái đủ cấu chấp hành, sau áp dụng tín hiệu điều khiển cho hệ thiếu chấp hành ban đầu (bộ điều khiển Backstepping Backsepping Fuzzy) Hai thiết kế điều khiển trực tiếp cho hệ thiếu cấu chấp hành (HSMC HSMC nơ-ron) Đây tiền đề để định hướng cho đóng góp thực luận án Chương ĐIỀU KHIỂN BACKSTEPPING THÍCH NGHI MỜ ĐẢM BẢO BÁM QUỸ ĐẠO CHO AUV DOF THIẾU CƠ CẤU CHẤP HÀNH 2.1 Mơ hình tốn AUV Tùy theo ứng dụng cụ thể mà ta chọn số bậc tự phù hợp, số bậc tự khả điều khiển đỡ phức tạp Đối với thiết bị hoạt động mơi trường nước việc điều khiển xác vị trí, tọa độ bậc phức tạp Để đơn giản hóa loại thiết bị lặn tự hành cỡ nhỏ bỏ bậc tự là: Góc (chuyển động quay lật) góc (chuyển động quay lắc), phương trình chuyển động thiết bị lặn tự hành AUV gồm bậc tự biểu diễn qua đại lượng (một động chân chân vịt để di chuyển, động chân vịt mũi, động bánh lái để điều hướng động bơm để lặn nổi) Mục đích để đơn giản hóa q trình điều khiển mà đảm bảo yêu cầu nhiệm vụ đặt Ví trí toạ độ (x, y), hướng AUV (ψ) vị trí trục z (độ sâu lặn) Phương tiện chuyển động ngầm AUV DOF có phương trình động học phi tuyến tổng quát sau: J ( )v Mv C (v)v D(v)v (2.13) Trong J ( ) ma trận quay quanh trục Oz biểu diễn sau: cos( ) sin( ) sin( ) cos( ) J ( ) 0 0 0 0 1 J11 J12 J 21 J 22 (2.14) Ma trận quán tính hệ thống: m X u M Zu myg m Yv mxg N v Xw m Zw my g Yr mxg M 11 M 12 M M 21 22 I z N r (2.15) Ma trận Coriolis ma trận lực hướng tâm hệ thống: mr C mxg r a2 mr 0 my g r a1 mxg r a2 myg r a1 C11 C12 C21 C22 0 0 D(v) ma trận suy giảm thủy động lực học biểu diễn sau: (2.16) (c) Vị trí theo phương 0z (d) Góc điều hướng AUV (e) Nhiễu tác động Hình 2.8 Vị trí, độ sâu, góc điều hướng nhiễu trường hợp Backstepping Bộ điều khiển Backstepping đảm bảo hệ thống ổn định bám vị trí theo phương Ox, Oy , Oz ; giảm thiểu biên độ góc điều hướng sai lệch Trong trường hợp giá trị đặt khác có nhiễu ngồi tác động, điều khiển Backstepping cho chất lượng điều khiển tốt Kết mô khẳng định ưu điểm điều khiển đề xuất Tuy nhiên sử dụng điều khiển Backstepping thơng số điều khiển hệ số , phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm người làm điều khiển lựa chọn thơng số mơ hình (như mô lựa chọn 0.65 , 0.05 ) Để lựa chọn cố định luận án đề xuất phương pháp điều chỉnh dựa hệ mờ để so sánh chất lượng bám quỹ đạo với phương pháp điều khiển Backstepping thơng thường 2.4 Phân tích mơ hình mơ điều khiển Backstepping thích nghi mờ (AFB) 2.4.1 Tổng hợp điều khiển cho AUV kỹ thuật Backstepping thích nghi mờ Hình 2.10 Mơ hình hệ thống điều khiển Backsepping thích nghi mờ 11 Tín hiệu điều khiển 𝜏 tính theo , phụ thuộc vào tham số điều khiển theo phương trình (2.80): T g11 ( X ) c2e2 J11T e1 f1 ( X ) 1 g 21 ( X ) c4e4 J 22 e3 f ( X ) Khi chọn , cố định hệ thống tồn tượng rung lắc nhiều Nhằm giảm bớt tượng rung lắc, luận án đề xuất phương pháp điều chỉnh dựa hệ mờ Hệ mờ thiết kế nhằm thay đổi dựa việc chỉnh định hai tham số Thực chất cần thay đổi hai tham số thay đổi mặt trượt nên coi có ràng buộc tuyến tính với : k Do thiết kế hệ mờ chủ yếu dựa kinh nghiệm người điều khiển nên tương ứng với giá trị > lại thu hệ mờ thích hợp với luật chỉnh định Đầu vào hệ logic mờ là e1 , đầu Bảng 2.4: Hệ suy diễn cho điều khiển Backstepping thích nghi mờ e1 -1 e1 -1 -1 1 -2 -1 2.4.2 Mơ hình mơ hệ điều khiển Backstepping thích nghi mờ Để kiểm chứng chất lượng điều khiển Backsepping thích nghi mờ (AFB), mô thực cho đối tượng thiết bị lặn tự hành AUV với tham số sau: Bảng 2.5: Tham số điều khiển AFB Tham số Giá trị c1 diag 0.15 0.12 Tham số c1 c2 k 100 k1 0.05 c3 c3 diag 0.2 0.2 k2 c4 c4 diag 0.1 0.1 1d 2d Constant Constant [c1 c2 c3 c4 c5 ] [ 2.5 2.5 3] Giá trị c2 diag 90 90 Dưới kịch mơ với hai trường hợp có nhiễu khơng có nhiễu cụ thể sau: Trường hợp 1: Phương tiện chuyển động ngầm tự hành AUV lặn xuống độ sâu -10 (m) từ mặt nước đồng thời di chuyển đến vị trí mong muốn với giá trị đặt sau: 1d 11 5T 2 d 10 0.3T 12 Trường hợp 2: Thiết bị AUV lặn xuống độ sâu -4 (m) tính từ mặt nước đáp ứng quỹ đạo điều hòa theo thời gian với giá trị đặt sau: 1d 3sin(0.01t ) 5cos(0.01t ) 2 d 4 0 Thiết bị chịu tác động nhiễu điều T T hịa vào tín hiệu điều khiển có dạng : 20sin(0.01t ) 10cos(0.01t ) T (a) Vị trí theo phương 0x (c) Vị trí theo phương 0z (b) Vị trí theo phương 0y (d) Góc điều hướng AUV (e) Nhiễu tác động Hình 2.14 Vị trí, độ sâu, góc điều hướng nhiễu trường hợp AFB Như điều khiển Adaptive Fuzzy Backstepping (AFB) đảm bảo hệ thống ổn định bám vị trí theo phương Ox, Oy , Oz ; giảm thiểu biên độ góc điều hướng sai lệch tiến Để so sánh chất lượng điều khiển Backstepping với Backstepping Fuzzy NCS tiến hành mô đường đặc tính đáp ứng theo trục đồ thị sau 13 2.5 So sánh kết mơ điều khiển Backstepping với Backstepping thích nghi mờ (AFB) Khai báo hàm m-file Matlap thông số so sánh hai điều khiển với thơng số để lấy đường đặc tính (blue, red, black) đồ thị hình vẽ (figure – figure 5) gồm đáp ứng theo trục x AUV (hình 2.16a), đáp ứng theo trục y (hình 2.16b), đáp ứng góc điều hướng (hình 2.16c), đáp ứng theo trục z (hình 2.16d) đáp ứng theo quỹ đạo x, y (hình 2.16e) sau: Trường hợp 1: Thiết bị AUV lặn xuống độ sâu -10 (m) tính từ mặt nước đáp ứng quỹ đạo điều hòa theo thời gian với giá trị đặt sau: 1d 3sin(0.01t ) 2cos(0.01t ) 2 d 10 0 Thiết bị chịu tác động nhiễu điều T T hịa vào tín hiệu điều khiển có dạng: 20sin(0.01t ) 10cos(0.01t ) T Trường hợp 2: Thiết bị AUV lặn xuống độ sâu -8 (m) tính từ mặt nước đáp ứng quỹ đạo điều hòa theo thời gian với giá trị đặt sau: 1d 6sin(0.01t ) 2cos(0.01t ) 2 d 8 0 Thiết bị chịu tác động nhiễu T T điều hịa vào tín hiệu điều khiển có dạng: 20sin(0.01t ) 10cos(0.01t ) T Hình 2.16a Đáp ứng theo trục x AUV với điều khiển BCS AFB trường hợp Hình 2.16b Đáp ứng theo trục y AUV với điều khiển BCS AFB trường hợp Hình 2.16c Đáp ứng theo trục z AUV với điều khiển BCS AFB trường hợp 14 Hình 2.16d Quỹ đạo theo trục x, y AUV với điều khiển BCS AFB trường hợp Bộ điều khiển BCS điều khiển AFB mà luận án đề xuất mang lại chất lượng tốt có nhiễu ngồi tác động vào AUV Trong trường hợp mơ hình khó xác định muốn có điều khiển cài đặt đơn giản nên dùng AFB Nhưng để thiết kế AFB địi hỏi người sử dụng phải đầu tư nhiều thời gian để tự thu thập kinh nghiệm lựa chọn thông số điều khiển phù hợp Trong trường hợp không muốn đầu tư thời gian vào thiết kế người sử dụng nên chọn BCS Để so sánh chất lượng điều khiển AFB với điều khiển khác phù hợp với phương pháp điều khiển thiếu cấu chấp hành NCS tiếp tục nghiên cứu điều khiển khác để nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo AUV Kết luận chương 2: Trong chương NCS nghiên cứu lý thuyết sở điều khiển, xây dựng thuật toán điều khiển Backstepping Backstepping thích nghi mờ (AFB) cho mơ hình tàu AUV bậc tự do, điều khiển là cơng trình kết hợp kỹ thuật điều khiển đại với điều khiển thông minh tạo thành hệ thống kín nhằm nâng cao chất lượng điều khiển cho AUV có thành phần bất định dạng hàm số Thơng qua kết mơ khẳng định điều khiển Backstepping Backstepping thích nghi mờ phù hợp để điều khiển cho đối tượng AUV thiếu cấu chấp hành đảm bảo hệ thống bám quỹ đạo theo phương Ox, Oy , Oz ; giảm thiểu biên độ góc điều hướng sai lệch tiến Để khắc phục khó khăn việc xác định thơng số bất định hàm C v , D v nhiễu tác động từ môi trường đại dương Trong phần nghiên cứu NCS kết hợp điều khiển phi tuyến khác để tối ưu thuật toán điều khiển nhằm nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo cho AUV thiếu cấu chấp hành xây dựng Đem lại cho hệ thống cấu hình điều khiển vừa thích nghi với quỹ đạo mong muốn vừa bền vững với nhiễu đến từ đại dương Đây mục tiêu hướng tới luận án 15