Điều khiển hệ thống lái tự động tàu thủy với thuật toán nơ ron mờ sử dụng luật TAKAGI SUGENO

1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1 Lý chọn đề tài Với tốc độ phát triển khoa học kỹ thuật nay, nhu cầu việc điều khiển tàu thủy chế độ tự động vô quan trọng điều khiển tàu thủy trực tiếp người mang tính chất chủ quan, cảm tính, đôi lúc không xác Điều khiển chế độ tự động triệt tiêu tính chất chủ quan, hệ thống tự động tự thu thập liệu đầu vào thông số tàu thời gian tại, kết hợp với yêu cầu điều khiển mà tính toán xử lí, sau đưa lệnh điều khiển tối ưu dứt khoát, giúp giảm thiểu tối đa thiệt hại đáng tiếc xảy ra, đồng thời giúp cho chuyến hành trình an toàn nhanh chóng, nâng cao hiệu suất vận chuyển Với đặc tính ưu việc chế độ điều khiển tự động trên, kết hợp với phát triển mạnh mẽ việc truyền liệu không dây yêu cầu điều khiển nâng cao hơn, điều khiển chế độ tự động có giám sát từ xa Giúp cho người điều khiển trực tiếp điều khiển tàu từ xa thiết lập thông số từ xa cho chế độ tự động điều khiển tàu Yêu cầu đặc biệt cấp thiết tàu đo đạt khảo sát với địa hình biển phức tạp, khó khăn mà người khó tiếp cận trực tiếp khu vực nguy hiểm Chính cần thiết tiềm điều khiển tàu thủy tự động kết hợp với việc điều khiển từ xa lớn thị trường nay, nên việc nghiên cứu chế tạo vô cấp thiết Hơn nữa, thị trường có thiết bị điều khiển tự động dành cho tàu thủy với giá cao chưa có kết hợp với chế độ điều khiển từ xa Vì vậy, để đáp ứng nhu cầu mang tính thực tiễn cao nên chọn đề tài “Điều khiển hệ thống lái tự động tàu thủy với thuật toán nơron – mờ sử dụng luật Takagi – Sugeno ảnh hưởng môi trường” 1.2 Cơ sở khoa học ý nghĩa thực tiển 1.2.1 Tổng quan số mô hình máy lái tự động 1.2.1.1 Mô hình hệ thống lái tự động RP-6000 Tokyo Keyki Hình 1.1 Hệ thống lái tự động RP-6000 Chế độ lái: lái tự động, lái tay, lái NFU NAV (RC lái vượt − cấp) − Bộ điều khiển lái tự động: điều khiển PID chức ADPT − Tín hiệu đầu vào: tín hiệu tốc độ tín hiệu điều hướng GYRO ADPT Giao diện IBS: − − • Có thể xếp hệ thống lái • Giao diện theo tiêu chuẩn IBS Hệ thống điều khiển: với loại đáp ứng điều khiển (đơn đôi) cung cấp cho điều khiển đơn theo tiêu chuẩn PID − Giao diện người máy: “cảnh báo đơn” “cảnh báo hệ thống” cải thiện với giao diện trực quan cải thiện Chi tiết hệ thống lái: - Tương thích với hệ thống điều khiển lái từ xa theo tiêu chuẩn IBS - Kết nối với thiết bị điều khiển khác hảng sản xuất - Có thể kết nối với ngõ la bàn số - Tích hợp chức tự động kiểm tra theo tiêu chuẩn Hình 1.2 Giao diện điều khiển người máy Bảng thích chức điều khiển - Option panel - Helm unit + Dimmer + Handle + Rudder order ind + P/S ind - System sel unit - Repeater unit + Repeater switch + Repeater + Dimmer - RC selection unit + P/W: port wing RC + W/H: wheel house RC + S/W: STBD wing RC + NAV: external navigation - Bảng điều khiển - Đơn vi bánh lái + Bộ điều chỉnh + Chế độ tay + Cài đặt giá trị bánh lái + Cài đặt P/S - Hệ thống tự động mở rộng - Đơn vị cảnh báo + Công tắc cảnh báo + Cảnh báo + Bộ điều chỉnh - Đơn vị lựa chọn RC + P/W: cổng cạnh RC + W/H: bánh xe vị trí góc RC + S/W: STBD cạnh RC + NAV: chuyển hướng bên 1.2.1.2 Hệ thống điều khiển tự động NT921MKII Hình 1.3 Hệ thống lái tự động NT921MKII − Là sản phẩm công ty Navitron − Tích hợp đầy đủ chế độ lái với điều khiển PID − Bộ hiển thị số giá trị hướng tàu, góc bẻ lái − Chức điều khiển: lái tự động, lái tay, lái điều khiển từ xa − Chế độ lái tay với ưu điểm tốc độ bẻ lái, góc bẻ lái thời điểm bẻ lái độc lập với nên tạo linh hoạt điều khiển − Chế độ điều khiển tự động chế độ bẻ lái góc bẻ lái hoàn toàn phụ thuộc vào tốc độ góc lệch hướng − Chế độ lái điều khiển từ xa giống chế độ điều khiển tay sử dụng tầm nhìn bị che khuất − Cảnh báo lỗi cố cảnh báo lỗi nguồn − Ghi nhớ hướng tàu − Điện áp cung cấp 11-40VDC, 5A 1.2.2 Các báo liên quan − Phương trình toán học tàu cho ứng dụng điều khiển (Tristan P´erez Mogens Blanke, Đại học kỹ thuật Đan Mạch) − Phương trình toán học tàu tác động bánh lái, thân tàu chân vịt (Yasuo Yoshimura, Đại học Hokkaido, Nhật Bản) − Ứng dụng ANFIS điều khiển lắc ngược (Lê Ngọc Thành, Trường Cao Đẳng nghề Đà Nẳng, Việt Nam) − Phương pháp phản hồi trực tiếp cho bánh lái tàu (Thor I.Fossen Marit J.Paulsen, Mỹ) 1.3 Mục tiêu đề tài - Nghiên cứu xây dựng mô hình điều khiển nơ ron – mờ sử dụng luật Takagi - Sugeno (TSK) để điều khiển mô hình tàu - Tìm hiểu ứng dụng công nghệ truyền - nhận liệu không dây vào việc điều khiển tàu - Nhúng giải thuật điều khiển nơ ron – mờ sử dụng luật TSK vào card DSP để điều khiển mô hình tàu - Tìm hiểu ứng dụng cảm biến bàn số vào định vị vị trí hướng di chuyển tàu - Thiết kế chế tạo mô hình tàu tự động điều khiển 1.4 Phương pháp nghiên cứu Đặt tính tàu mối quan hệ góc bẻ bánh lái góc lệch tàu phi tuyến Trong đó, để điều khiển mô hình xác cần ngõ vào phải tuyến tính Với mô hình điều khiển mờ sử dụng luật TSK mô tả linh hoạt hệ thống mà tạo tín hiệu ngõ điều khiển tuyến tính Trong mô hình điều khiển, tính chất nhận dạng hệ thống vô quan trọng nhận dạng xác hệ thống giúp trình điều khiển dễ dàng sai số thấp Mạng nơ ron đáp ứng tính chất mà giúp dự báo trạng thái ước lượng trạng thái mô hình Quá trình tín toán tiến hành song song phân tán nhiều nơ ron gần đồng thời Bên cạnh đó, trình tín toán thực chất trình học theo sơ đồ định sẵn từ trước Chính ưu điểm phương pháp mà mô hình lựa chọn phương pháp điều khiển nơ ron – mờ với luật điều khiển TSK CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan phương pháp điều khiển hệ thống lái tự động Tàu thủy đối tượng chuyển động phức tạp chuyển động riêng, tàu chịu ảnh hưởng tác động bên dòng chảy, sóng, gió làm lệch hướng tàu so với hướng mong muốn Bên cạnh đó, lực thủy động học tác động lên thân tàu tốc độ dòng chảy ảnh hưởng đến bánh lái làm suy giảm nhiều đến chất lượng ổn định hệ thống Chính mà hệ thống lái tự động hệ thống vô quan trọng giúp tàu di chuyển theo hướng định thách thức không nhỏ cho nhà thiết kế hệ thống Mô hình toán học tàu không gian xây dựng với hệ trục bậc tự [1], mô chuyển động tàu Matlab Trên sở đó, mô hình toán học tàu phân tích đánh giá tác động ngoại lực tác động lên tàu thân tàu bánh lái [2], xét yếu tố phi tuyến ảnh hưởng đến tàu, yếu tố phi tuyến thường đơn giản hóa trình thiết kế để mô hình trở nên đơn giản Bên cạnh đó, mối liên hệ máy lái chân vịt phân tích rỏ nét [3], ảnh hưởng trực tiếp chân vịt máy lái đến tốc độ, hướng đề cập đến Để mô tả xác hoạt động tàu nhằm cung cấp cho điều khiển đối tượng để huấn luyện thử nghiệm phương pháp điều khiển mô hình toán học tàu MMG phân tích cụ thể cách xác định thành phần tác động riêng lên tàu [4] như: bánh lái, chân vịt lực thủy động lực học ảnh hưởng đến hướng tàu Với mô hình toán học tàu thiết lập, thí nghiệm kiểm tra tàu thật kỹ thuật mô giới thiệu [5] nhằm mục đích xác định hệ số thực nghiệm mô hình xác Nguyên lí tổng quan điều khiển định vị tàu thủy [6] hay hệ thống phương tiện mặt biển đề cập đến giới thiệu tổng quan Gần đây, số nghiên cứu áp dụng lí thuyết điều khiển đại vào lĩnh vực điều khiển phương tiện nước, [7] [8] sử dụng nhận dạng mờ nơron online để ước lượng thời gian trễ điều khiển, từ nâng cao chất lượng hệ thống lái, kết hợp với điều khiển bền vững tổng hợp phương pháp Mc Farlan-Glover cho thấy hệ thống có khả giữ ổn định với đối tượng nằm giới hạn không chắn chưa xác định [9] Phương pháp phản hồi trực tiếp áp dụng cho mô hình toán học tàu sử dụng công thức Nomoto bậc bậc 2, phương pháp đáp ứng tốt tín hiệu ngõ Ứng dụng điều khiển ANFIS để điều khiển đối tượng [10], xây dựng phương pháp huấn luyện điều khiển để áp ứng tốt ngõ theo giá trị ngõ vào yêu cầu, kết đáp ứng tương đối tốt Thiết kế hệ thống máy lái tự động cho tàu, di chuyển theo đường định trước [11] phần đáp ứng tốt yêu cầu, mô hình lại chưa xét đến tác động bên ảnh hưởng đến thân tàu góc bẻ lái Bằng việc sử dụng công thức Nomoto bậc 2, kết hợp với phương pháp điều khiển DSC [12] phần mô hoạt động tàu với tham số lựa chọn từ thực nghiệm Bộ điều khiển hồi tiếp ngõ nơron mờ thích nghi trực tiếp sử dụng để điều khiển phương tiện quân [13] có kết hợp với yếu tố thay đổi độ sâu mực nước biển vận tốc dòng nước chảy ảnh hưởng đến mô hình phần thấy khả đáp ứng tốt tính ổn định phương pháp điều khiển nơron –mờ Tuy nhiên, chưa có kết hợp phương pháp điều khiển máy lái tàu tự động phương pháp điều khiển đại tác động yếu tố sóng, gió, dòng chảy nước Như vậy, luận văn sâu phân tích hai phương pháp điều khiển: phương pháp PID kinh điển TKS 2.2 Phương pháp điều khiển PID 2.2.1 Sơ đồ khối điều khiển PID Hình 2.1 Sơ đồ khối điều khiển PID Bộ điều khiển PID hay gọi điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID- Proportional Integral Derivative) với chế phản hồi vòng điều khiển tổng quát sử dụng rộng rãi hệ thống điều khiển công nghiệp điều khiển sử dụng phổ biến số điều khiển phản hồi có mặt thị trường Đây phương pháp điều khiển cổ điển đến sử dụng rộng rãi công nghiệp tín ổn định hiệu mà điều khiển mang lại tương đối cao Bộ điều khiển tính toán giá trị sai số (hiệu số giá trị đo giá trị cài đặt), sau thực giảm tối đa sai số cách điều chỉnh giá trị sai số dựa khâu tỉ lệ, khâu tích phân khâu vi phân, tổng hợp giá trị hiệu chỉnh khâu lại với tạo nên tín hiệu điều khiển hệ thống Mỗi hệ thống có thông số điều khiển PID khác nhằm giúp cho hệ thống đạt giá trị điều khiển tối ưu Bộ điều khiển dựa thông số để chỉnh định giá trị tín hiệu điều khiển cho phù hợp với hệ thống, thông số bao gồm: tỉ lệ (P), tích phân (I) vi phân (D) Giá trị tỉ lệ xác định tác động sai số tại, giá trị tích phân xác định tác động tổng sai số khứ, giá trị vi phân xác định tác động tốc độ biến đổi sai số Tổng hợp giá trị lại tạo nên tín hiệu điều khiển Với ý nghĩa thông số điều khiển mà ta điều chỉnh giá trị thông số giải thuật điều khiển PID để tạo nên đáp ứng khác cho hệ thống khác cho điều khiển có yêu cầu thiết kế đặc biệt Tùy vào mục đích sử dụng yêu cầu độ xác điều khiển mà ta lựa chọn điều khiển khác nhau, thông số hệ thống không thiết phải có mặt đầy đủ (tùy thuộc yêu cầu điều khiển), yếu tố vi phân điều khiển PID trở thành điều khiển PI, yếu tố tích phân điều khiển PID trở thành điều khiển PD 2.2.2 Lý thuyết điều khiển PID Sơ đồ điều khiển PID đặt tên theo ba khâu hiệu chỉnh nó, tổng ba khâu tạo thành tín hiệu điều khiển MV (t ) = Pout + I out + Dout Trong đó: Pout , Iout , Dout thành phần đầu từ ba khâu điều khiển PID 2.2.2.1 Khâu tỉ lệ (2.1) 10 Hình 2.2 Thay đổi giá trị tỉ lệ giá trị tích phân vi phân số Khâu tỉ lệ (đôi gọi độ lợi) làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số Đáp ứng tỉ lệ điều chỉnh cách nhân sai số với số Kp, gọi độ lợi tỉ lệ Khâu tỉ lệ cho bởi: Pout = K p e(t ) (2.2) Trong đó: Pou Kp t : thừa số tỉ lệ đầu : độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh e: sai số = giá trị đặt – giá trị t: thời gian thời gian Độ lợi khâu tỉ lệ lớn thay đổi lớn đầu mà sai số thay đổi nhỏ Nếu độ lợi khâu tỉ lệ cao, hệ thống không ổn định Ngược lại, độ lợi nhỏ đáp ứng đầu nhỏ sai số đầu vào lớn, làm cho điều khiển nhạy, đáp ứng chậm Nếu độ lợi khâu tỉ lệ thấp, tác động điều khiển bé đáp ứng với nhiễu hệ thống 2.2.2.2 Khâu tích phân 75 Hình 4.19 Mạch giám sát điều khiển từ xa Vì mạch điều khiển card DSP bố trí trực tiếp tàu chế độ điều khiển offline nên thông số cần giám sát lệnh điều khiển cần theo dõi giám sát mạch điều khiển không dây cầm tay máy tính Chức mạch điều khiển không dây cầm tay chọn chế độ điều khiển tay chế độ tự động, chọn hướng mong muốn chế độ tự động góc bẻ bánh lái chế độ điều khiển tay, bắt đầu điều khiển dừng điều khiển tàu Bên cạnh đó, hệ thống điều khiển cầm tay giám sát thông số như: góc bẻ lái mong muốn, hướng mong muốn, hướng tàu, hướng trực tiếp tàu bắt đầu chế độ điều khiển tự động, tất tham số hiển thị trực tiếp lên hình giám sát LCD 16x2 thuận tiện theo dõi giám sát Mạch giao tiếp chế độ không dây với mạch điều khiển gắn trực tiếp tàu qua chuẩn wireless giao tiếp với vi điều khiển thông qua chuẩn RS232 76 CHƯƠNG V: KIỂM NGHIỆM KẾT QUẢ THỰC TẾ 5.1 Kết chạy mô với thông số tàu SANTANA 77 Hình 5.1 Mô mô hình tàu SANTANA với điều khiển ANFIS Mô hình tàu thật sử dụng mô hình tàu SANTANA nên thông số tàu điều chỉnh lại cho phù hợp với mô hình thực tế Thông số tàu đo kiểm tra tàu thật, hệ số điều chỉnh dựa vào kết thử nghiệm thực tế tàu Mô hình tài SANTANA mô trường hợp có tác động môi trường tác động môi trường Kết mô hệ thống máy lái tàu tự động sử dụng đồng thời phương pháp: PID nơron-mờ nhằm mục đích khảo sát đáp ứng hệ thống máy lái tự động, bên cạnh so sánh ưu nhược điểm phương pháp tác động môi trường tác động môi trường Phương pháp điều khiển PID với hệ số sau: Kp=1, Ki=1, Kd=1 Khi tác động môi trường: 78 Hình 5.2 Hướng tàu Hình 5.3 Góc bẻ lái tàu 79 Hình 5.4 Hướng tàu Hình 5.5 Góc bẻ lái tàu Vì mô hình tàu khối lượng tàu nhỏ nên tốc độ đáp ứng tàu nhanh so với kết mô tàu chở dầu trình bày bên Sử dụng điều khiển Anfis thời gian đạt tới giá trị mong muốn trễ so với phương pháp PID thời gian để tàu hoạt động ổn định với giá trị mong muốn tương đương so với phương pháp PID Với giản đồ hướng mong muốn lựa chọn 15o so với hướng điều khiển Anfis thể ưu điểm trội 80 giúp tàu dao động đạt tới giá trị mong muốn, độ vọt lố thấp hơn, điều khiển PID độ vọt lố 3.5o/15o, điều khiển Anfis o/15o, tàu bị thay đổi hướng đạt tới giá trị mong muốn, góc bẻ lái tàu tàu đạt đến giá trị mong muốn điều khiển PID phải bẻ lái với góc dao động 10 o điều khiển Anfis bẻ lái với góc dao động o Sau vọt lố, điều khiển Anfis giúp hướng tàu lấy lại hướng đặt điều khiển PID bị dao động thêm lần bắt đầu dần ổn định Với đồ thị hướng góc bẻ lái góc bẻ lái điều khiển Anfis hoạt động hơn, độ dao động thấp hiệu so với phương pháp PID Khi có yếu tố tác động từ môi trường lên tàu tàu bị dao động, với thời điểm tác động điều khiển tác động làm hướng tàu thay đổi khác - Tại thời điểm 50s tàu bắt đầu chịu ảnh hưởng sóng lúc điều khiển PID Anfis bẻ lái giống nhau, tàu dao động giống thời điểm 60s sóng ngừng tác động đột ngột, điều khiển quán tính góc bẻ lái nên tàu bị dao động mạnh, sau hướng tàu lấy lại hướng mong muốn điều khiển Anfis giúp tàu dao động ích hơn, góc bẻ lái dao động hiệu - Tại thời điểm 90s tàu bắt đầu chịu ảnh hưởng gió, hướng tàu với điều khiển Anfis bị dao động hơn, góc bẻ lái dao động so với điều khiển PID thời điểm 100s gió ngừng tác động đột ngột, hướng tàu với điều khiển PID dao động lớn hơn, đáp ứng thời gian để tàu di chuyển theo hướng đặt điều khiển PID làm cho hướng tàu dao động nhiều, góc bẻ lái lớn so với Anfis - Tại thời điểm 120s tàu chịu ảnh hưởng dòng chảy, hướng tàu lệch khỏi hướng cân bằng, điều khiển Anfis giúp tàu lệch ích hơn, góc bẻ lái dao động thời điểm 130s dòng chảy ngừng tác động đột ngột, điều khiển Anfis giúp tàu lấy lại hướng theo hướng đặt với độ dao động thấp điều khiển PID 81 Dưới tác động môi trường điều khiển Anfis thể ưu điểm trội giúp cho hướng tàu thay đổi hơn, độ dao động hướng tàu thấp hơn, góc bẻ lái tàu hiệu so với điều khiển phương pháp PID 5.2 Kết thử nghiệm thực tế tàu SANTANA Hình 5.6 Mô hình tàu SANTANA hoàn chỉnh thực nghiệm Mô hình tàu thật sử dụng mô hình tàu SANTANA làm vật liệu composite, thiết kế theo kiểu Mono Hull Các thông số tàu: − Chiều dài tàu 100cm − Chiều cao tàu 18cm − Chiều rộng tàu 22cm − Tổng khối lượng tàu 2.8kg Nguyên tắc hoạt động: tàu nhận tín hiệu điều khiển từ máy tính, cập nhật hướng tàu thông qua cảm biến la bàn số, cập nhật trạng thái tàu thông qua cảm biến dao động, tất liệu đưa vào điều khiển Anfis nạp card điều khiển DSP, tín hiệu điều khiển từ card DSP điều khiển góc bẻ bánh lái tàu Tùy theo trạng thái tàu ổn định hay trạng thái dao động tác động môi trường mà điều khiển Anfis điều chỉnh góc bẻ lái tàu tác động nhanh hay tác động chậm để tránh gây nguy hiểm cho tàu 82 Hình 5.7 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tàu Hình 5.8 Chế độ tự động môi trường tĩnh 83 Hình 5.9 Chế độ tự động nhiễu môi trường tác động Hình 5.10 Chế độ tự động nhiễu môi trường tác động Khi tàu môi trường tĩnh (không có tác động sóng, gió dòng chảy), tốc độ tàu 0.5m/s, góc bẻ lái cho phép 10 o/s Với góc đặt 10o, tàu đạt 84 giá trị đặt 4s (tính thời gian tàu khởi động) di chuyển ổn định giây thứ 7, độ vọt lố tàu o so với hướng đặt 10o, sau đạt giá trị cài đặt, hướng tàu bị dao động nhẹ quán tính tàu tốc độ tàu tương đối nhanh, sau hướng tàu nhanh chóng cân với hướng đặt di chuyển ổn định, góc bẻ lái tàu hoạt động tốt, với góc bẻ lái cho phép 10 o/s góc bẻ lái tăng từ từ giá trị góc bẻ lái giới hạn cho phép, bẻ lái đến góc 21 o góc bẻ lái đổi hướng để giúp hướng tàu đạt giá trị đặt với độ vọt lố thấp giúp tàu nhanh chóng hoạt động ổn định, tàu đạt giá trị cài đặt tác động môi trường tàu di chuyển ổn định không bị dao động nhiều Khi tàu di chuyển môi trường có tác động nhẹ, dòng chảy tương đối thấp, sóng dao động biên độ nhỏ, có gió nhẹ có phương vuông góc với hướng tàu, tốc độ tàu 0.5m/s Với góc đặt 10 o, trình khởi động trình tàu đạt hướng theo giá trị cài đặt tương tự trường hợp tàu môi trường tĩnh thời gian kéo dài hơn, tàu đạt trạng thái ổn định giây thứ (do tác động sóng liên tục nên thời gian đạt trạng thái ổn định tương đối lâu), độ vọt lố trường hợp lên đến 1.5 o, góc bẻ lái tàu điều khiển lên đến 22.5 o bắt đầu chuyển hướng để giúp tàu hạn chế độ vọt lố hướng đi, thời điểm giây thứ 16 có dao động nhẹ nên tàu bị lệch hướng 0.8 o, góc bẻ lái tàu nhanh chóng dịch chuyển 2.5o điều khiển tàu nhanh chóng quay trạng thái ổn định, thời điểm giây thứ 26 tàu dao động nhẹ nên bị lệch hướng đặt 0.5 o, sau góc bẻ lái nhanh chóng đưa tàu trạng thái ổn định Khi tàu di chuyển môi trường có tác động tương đối lớn, gió tương đối mạnh, có phương vuông góc với hướng tàu sóng dao động nhiều ảnh hưởng gió, dòng chảy tác động nhỏ Bộ điều khiển Anfis tự động điều chỉnh giới hạn góc bẻ lái lúc 5o/s điều chỉnh tốc độ động chậm lại 0.4m/s nhằm giúp tàu tránh tình nguy hiểm đồng thời giúp bảo vệ hệ thống bánh lái Hướng mong muốn tàu so với hướng 10 o, thời gian giây tàu đạt hướng mong muốn di chuyển ổn định, 85 thời điểm giây thứ 11 tàu bị dao động ảnh hưởng chủ yếu môi trường (vì tàu có khối lượng nhẹ, chiều dài gần 1m mà hướng gió sóng vuông góc với hướng tàu nên tàu dễ bị tác động), điều khiển Anfis điều chỉnh góc bẻ lái để tàu di chuyển theo hướng đặt trước dao động với biên độ thấp Thời điểm giây thứ 21 tàu có dao động nhẹ, hướng tàu bị lệch 1o, điều khiển nhanh chóng lấy lại hướng mong muốn cho tàu thời điểm giây thứ 24 Góc bẻ lái tàu thiết kế thay đổi tốc độ không lớn tùy theo tác động môi trường nhằm đảm bảo an toàn cho tàu, cho bánh lái, nên bắt đầu điều khiển góc bẻ lái tăng từ từ để không phá hỏng hệ thống bánh lái Tàu bắt đầu điều khiển từ vận tốc 0m/s nên giai đoạn vừa tăng tốc vừa bẻ bánh lái tàu nhanh chóng đạt hướng mong muốn, điều khiển Anfis dự đoán thời gian tàu đạt trạng thái ổn định nên điều khiển góc bẻ lái nhằm giúp tàu đạt trạng thái ổn định với độ vọt lố thấp (đây ưu điểm mà có điều khiển có được), với tác động môi trường góc bẻ lái có dao động nhằm giúp cho tàu hướng đặt độ sai lệch hướng thấp Bộ Anfis thể khả điều khiển tốt hệ thống máy lái tự động tàu Santana 86 CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 6.1 Kết luận Đề tài giải yêu cầu việc thiết kế mô hình hệ thống máy lái tàu tự động sử dụng điều khiển nơron-mờ phương pháp Takagi-Sugeno ảnh hưởng môi trường Tổng quan công việc mà luận văn thực được: - Tìm hiểu phương hình toán học tàu thủy (6 bậc tự bậc tự do), yếu tố môi trường (sóng, gió, dòng chảy) ảnh hưởng đến hướng - tàu Tìm hiểu điều khiển PID mô điều khiển với đối tượng tàu SARACENA trạng thái đầy tải không tải tác động - môi trường, điều chỉnh thông số lựa chọn hệ số PID phù hợp Tìm hiểu điều khiển nơron-mờ, xây dựng tập liệu phù hợp cho điều khiển dựa điều khiển PID, huấn luyện mạng, mô tàu SARACENA trạng thái đầy tải không tải với điều khiển - nơron-mờ yếu tố tác động môi trường, kết đáp ứng tốt So sánh hướng đi, góc bẻ lái tàu với điều khiển PID, nơronmờ điều kiện tàu SARACENA không tải đầy tải, điều kiện tác - động nhẹ tác động mạnh yếu tố môi trường Mô đáp ứng điều khiển với mô hình tàu thật SANTANA Thiết kế hệ thống máy lái tàu tự động với mô hình tàu SANTANA, tìm hiểu giao tiếp với cảm biến la bàn số để xác định hướng tàu, sử dụng card điều khiển DSP TMS320F28335 để nhúng giải thuật nơron-mờ, sử dụng module giao tiếp không dây tần số 433MHz để giao tiếp liệu từ máy - tính đến điều khiển Sử dụng phần mềm Microsoft Visual Basic 6.0 để thiết kế giao diện điều - khiển vẽ đồ thị hướng đi, góc bẻ lái tàu So sánh kết đáp ứng mô hình thực nghiệm với kết mô cho thấy đáp ứng hệ thống tàu thực nghiệm tương đối tốt đôi lúc có dao động nhẹ quanh hướng đặt, dao động chủ yếu tác 87 động môi trường thực nghiệm yếu tố truyền nhận liệu không dây điều khiển 6.2 Hạn chế đề tài - Chưa khảo sát đáp ứng hệ thống máy lái tự động tàu SANTANA với tác động môi trường (sóng, gió, dòng chảy) trạng thái như: tác động nhẹ, tác động mạnh, tác động riêng lẻ, tác động lúc với cường độ biên độ khác - Mô hình tàu nhỏ, chưa sát với mô hình tàu thực tế 6.3 Hướng phát triển đề tài - Mô thiết kế hệ thống máy lái tàu tự động hệ trục tự - Thiết kế mô hình tàu có kích thước lớn gần giống với mô hình tàu thực tế kiểm nghiệm môi trường thực tế sóng, gió dòng chảy đại dương - Sử dụng card điều khiển thay đổi thông số online, giám sát thay đổi thông số giao diện điều khiển TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] C.W Mohd Noor, K.B Samo, W.B Wan Nik; ship manoeuvring assessment by using numerical simulation approach, Vol No.01 January 2012 88 [2] Tristan P´erez and Mogens Blanke; Mathematical Ship Modeling for Control Applications; Technical University of Denmark, Building 326 [3] Nguyễn Đăng Cường; Động lực tàu thủy, Nxb Khoa học Kỹ thuật, 2005 [4] Yasuo Yoshimura (Graduate School of Fisheries Sciences, Hokkaido University, Japan); Mathematical Model for Manoeuvring Ship Motion (MMG Model); Workshop on Mathematical Models for Operations involving Ship-Ship Interaction August 2005 Tokyo [5] Giulio Dubbioso, Salvatore Mauro, Michele Viviani; Off-Design Propulsion Power Plant Investigations by Means of Free Running Manoeuvring Ship Model Test and Simulation Techniques; Maui, Hawaii, USA, June 19-24, 2011 [6] TS Nguyễn Phùng Hưng; TS Nguyễn Viết Thành; Dynamic positioning system for ships (part 1: principles); Số 14 - 6/2008 [7] Xuan-Kien Dang, Hoang-Dung Tran, Duc-Cuong Quach; Robust Controller Design for Ship Autopilot with Unknown Time-delay; Viet Nam conference on Control and Automation, Nov, 2011 [8] Xuan-Kien Dang, Hoang-Dung Tran, Duc-Cuong Quach; Ship Autopilot Design Based on Adaptive Smith Predictor Under the Effect of Uncertain Time-delay and Disturbances; Proc The 6th Viet Nam conference on Mechantronics, Dec, 2012 [9] Thor I.Fossen and Marit J.Paulsen; Adaptive Feedback Linearization Applied to Steering of Ships; Presented at the 1st IEEE conference on Control Applications Dayton, Ohio, September 13-16, 1992 [10] Lê Ngọc Thành; Ứng dụng ANFIS điều khiển lắc ngược; Trường Cao Đẳng nghề Đà Nẳng, Việt Nam, 19/5/2014 [11] Đinh Xuân Mạnh; study on automaticaly controlling a ship following intended route by deviation compensation method; Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải, Số 29 – 1/2012 89 [12] Fengwei Yu; Adaptive Fuzzy Design of Ship’s Autopilot with Input Saturation; International Conference on Information Technology and Applications 2013 [13] Phạm Văn Phúc, Đặng Xuân Kiên, Trương Duy Trung; Control system Design for Torpedo using a Direct Adaptive Fuzzy – Neural Output-feedback Controller; Viet Nam conference on Control and Automation, Nov, 2013 [14] Ming-Chung Fang, Yu-Hsien Lin, Bo-Jhe Wang; Applying the PD controller on the roll reduction and track keeping for the ship advancing in waves; Ocean Engineering 54 (2012) [15] Nguyễn Thanh Quỳnh, Đặng Xuân Kiên, Nguyễn Xuân Phương; thiết kế hệ thống lái tự động tàu thủy sử dụng điều khiển Nơron-mờ dựa phương pháp Takagi-Sugeno ảnh hưởng môi trường; Tạp chí giao thông vận tải 10/2014 [16] Nguyễn Thanh Quỳnh, Đặng Xuân Kiên, Nguyễn Xuân Phương; thiết kế hệ thống lái tự động tàu thủy sử dụng điều khiển Nơron-mờ dựa phương pháp Takagi-Sugeno ảnh hưởng môi trường; Tạp chí giao thông vận tải 5/2015 [...]... mang lại nhiều thành công trong kỹ thuật điều khiển đó là hệ thống suy luận n ron mờ 2.3.3.4 Cấu trúc của hệ n ron – mờ Hình 2.11 Kiến trúc kiểu mẫu của một hệ n ron mờ Hình 2.12 Mô hình hệ n ron mờ 30 Hình 2.13 Cấu trúc chung của hệ n ron- mờ sử dụng luật Takagi- Sugeno Phương pháp điều khiển logic mờ và mạng n ron ra đời muộn hơn so với các phương pháp điều khiển PID cổ điển và các phương pháp hiện... khiển ứng dụng phương pháp này trong lĩnh vực điều khiển của công nghiệp 31 CHƯƠNG III: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ THỐNG MÁY LÁI TỰ ĐỘNG 3.1 Các thành phần cơ bản hệ thống máy lái tàu tự động Hình 3.1 Hệ thống máy lái tự động Hệ thống điều khiển máy lái tự động cơ bản bao gồm: hệ thống la bàn số để định vị hướng đi của tàu, cảm biến vị trí góc của bánh lái, bộ điều khiển trung tâm để nhận giá trị... pháp điều khiển n ron – mờ Trong những năm gần đây lý thuyết tập mờ và mạng noron nhân tạo đã phát triển rất nhanh Với logic mờ, trí tuệ nhân tạo phát triển mạnh mẽ tạo cơ sở xây dựng các hệ chuyên gia, những hệ có khả năng cung cấp kinh nghiệm điều khiển hệ thống Trí tuệ nhân tạo được xây dựng dựa trên mạng noron nhân tạo Sự kết hợp giữa logic mờ và mạng n ron trong thiết kế hệ thống điều khiển tự động. .. 2.3.3.2 Lịch sử phát triển Năm 1970, Lee nghiên cứu về mối liên quan giữa lý thuyết tập mờ với mạng n ron đã đánh dấu sự ra đời của bộ điều khiển n ron- mờ Năm 1971 đã xuất hiện thiết bị tự động với cơ chế suy diễn mờ theo nguyên lý mạng n ron nhưng còn ở mức độ thấp Trong những năm 1980 đến 1990 được xem là thời kỳ nở rộ của các công trình n ron- mờ với những ứng dụng trong nhận dạng ảnh, trong hệ thống hỗ... Và những ưu điểm của mạng n ron là nhược điểm của bộ điều khiển mờ và ngược lại Từ đó để có được ưu điểm của cả điều khiển mờ và mạng n ron trong một bộ điều khiển, người ta đã ghép chúng thành một hệ thống ta sẽ có một hệ lai với ưu điểm của cả hai: logic mờ cho phép thiết kế hệ dễ dàng, tường minh trong khi mạng n ron cho phép học những gì mà ta yêu cầu về bộ điều khiển Nó sửa đổi các hàm phụ thuộc... toàn tự động Điều này làm giảm bớt thời gian cũng như giảm bớt chi phí khi phát triển hệ mờ n ron, mà khả năng điều khiển thì đáp ứng tốt hơn Kết hợp giữa mạng n ron và logic mờ có thể được thực hiện theo nhiều cách khác nhau và mỗi cách ghép nối sẽ có một giá trị riêng cho một hệ thống điều khiển nhất định Một kỹ thuật ghép nối giữa điều khiển mờ và mạng n ron đã mang lại nhiều thành công trong kỹ thuật. .. các quá trình điều khiển ở điều kiện chưa xác định rõ và thiếu thông tin Nguyên lý điều khiển mờ đã cho phép con người tự động hóa được điều khiển cho một quá trình, một thiết bị…và mang lại chất lượng mong muốn 2.3.1.2 Cấu trúc của hệ điều khiển mờ a Sơ đồ khối Sơ đồ các khối chức năng của hệ điều khiển mờ được miêu tả như hình 2.5 Trong đó các khối chính của bộ điều khiển mờ là khối mờ hóa, khối thiết... ra Trong lớp ẩn thì tùy theo đặc tính của mạng mà có thể có 1 hoặc nhiều lớp khác nhau Hình 2.7 Mạng n ron Đối với các n ron lớp vào sẽ nhận tín hiệu trực tiếp ở đầu vào, ở đó mỗi n ron chỉ có một tín hiệu vào Mỗi n ron ở lớp ẩn được nối với tất cả các n ron lớp vào và lớp ra Các n ron ở lớp ra có đầu vào được nối với tất cả các n ron ở lớp ẩn, chúng là đầu ra của mạng Các mạng n ron trong mỗi n ron. .. hiệu điều khiển động cơ chính, động cơ góc bánh lái, bảng điều khiển để chọn các giá trị điều khiển tự động, điều khiển bằng tay, chế độ dừng hay bắt đầu điều khiển, màn hình giao diện để hiển thị các giá trị cũng như các thông số của hệ thống La bàn: dùng để xác định hướng đi của tàu so với hệ trục vật lí của trái đất La bàn này có thể được dùng để định vị hướng đi khi tàu đang hoạt động chế độ điều. .. năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đặc biệt là lĩnh vực điều khiển đòi hỏi chất lượng cao Có được điều đó là do lý thuyết tập mờ, mạng n ron được kết hợp khi ứng dụng vào kỹ thuật điều khiển có nhiều ưu điểm nổi trội bởi tính linh họat trong xử lý, mềm dẻo trong khả năng ứng dụng Hiện nay sự phát triển của hệ n ron mờ vẫn tiếp tục phát triển mạnh mẽ và ngày càng có nhiều bộ điều khiển ứng dụng phương ... kỹ thuật điều khiển hệ thống suy luận n ron mờ 2.3.3.4 Cấu trúc hệ n ron – mờ Hình 2.11 Kiến trúc kiểu mẫu hệ n ron mờ Hình 2.12 Mô hình hệ n ron mờ 30 Hình 2.13 Cấu trúc chung hệ n ron- mờ sử dụng. .. phần hệ thống máy lái tàu tự động Hình 3.1 Hệ thống máy lái tự động Hệ thống điều khiển máy lái tự động bao gồm: hệ thống la bàn số để định vị hướng tàu, cảm biến vị trí góc bánh lái, điều khiển. .. máy lái tự động 1.2.1.1 Mô hình hệ thống lái tự động RP-6000 Tokyo Keyki Hình 1.1 Hệ thống lái tự động RP-6000 Chế độ lái: lái tự động, lái tay, lái NFU NAV (RC lái vượt − cấp) − Bộ điều khiển lái