Bài báo này giới thiệu động học hướng chuyển động của tàu ngầm, sau đó đề xuất một giải pháp ứng dụng mạng nơ - rôn truyền thẳng nhiều lớp đóng vai trò là thiết bị lái tự động hướng chuyển động trang bị cho tàu ngầm loại Remus với mục đích là làm tăng mức độ thông minh của thiết bị này và thực hiện mô phỏng trên phần mềm Matlab. Kết quả mô phỏng ứng dụng mạng nơ - rôn truyền thẳng nhiều lớp cho thiết bị lái tự động hướng chuyển động của tàu ngầm loại Remus sẽ cho thấy tính ưu việt và khả thi của giải pháp này.
TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT SỐ 71 - 2009 ỨNG DỤNG MẠNG NƠ - RÔN TRUYỀN THẲNG NHIỀU LỚP TRONG THIẾT BỊ LÁI TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN HƢỚNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA TÀU NGẦM APPLICATION OF MULTILAYER FEEDFORWARD NEURAL NETWORKS INTO AN AUTOPILOT FOR HEADING OF AN UNDERWATER VEHICLE Phạm Hữu Đức Dục Trường Đại học Kinh tế-Kỹ thuật Cơng nghiệp TĨM TẮT Tàu ngầm hoạt động thường gặp chướng ngại vật hành trình Vì vấn đề đặt cần trang bị cho thiết bị lái tự động có mức độ thơng minh cao, khơng cần có người điều khiển, mà tàu ngầm qua chướng ngại vật theo hành trình định trước Bài báo giới thiệu động học hướng chuyển động tàu ngầm, sau đề xuất giải pháp ứng dụng mạng nơ - rôn truyền thẳng nhiều lớp đóng vai trò thiết bị lái tự động hướng chuyển động trang bị cho tàu ngầm loại Remus với mục đích làm tăng mức độ thơng minh thiết bị thực mô phần mềm Matlab Kết mô ứng dụng mạng nơ - rôn truyền thẳng nhiều lớp cho thiết bị lái tự động hướng chuyển động tàu ngầm loại Remus cho thấy tính ưu việt khả thi giải pháp ABSTRACT When an underwater vehicle runs, it usually has to face up with a lot of obstacles on its itinerary Hence, the matter is that it needs an intelligent autopilot which helps the vehicle be able to go through the obstacles to follow the target itinerary This article is purposed to both introduce the heading of underwater vehicle model and propose a solution applying multilayer feed forward networks into an autopilot used for the heading of Remus underwater vehicle with the aim of increasing an intelligence level of an autopilot and it is simulated by Matlab software The result of the simulation in the Matlab software when using feed forward neural networks into an autopilot used for heading of an underwater vehicle in an autopilot shows that the solution is advantageous and feasible bám theo hướng chuyển động mong muốn xác định trước mà khơng cần có người điều khiển I MỞ ĐẦU Tàu ngầm hoạt động thường gặp chướng ngại vật hành trình Để vượt qua chúng, cần thay đổi hướng chuyển động theo lộ trình hợp lý Với tàu ngầm có người điều khiển, hướng chuyển động điều chỉnh cách thực quay tay lái điều khiển bánh lái Có nhiều trường hợp cần khảo sát phía mặt nước gây nguy hiểm cho thuỷ thủ đồn, cần có loại tàu ngầm trang bị thiết bị lái tự động có độ thơng minh cao khơng có người điều khiển, cho phép hướng chuyển động tàu ngầm bám theo hướng chuyển động mẫu định trước Như cần thiết kế điều khiển thích nghi đóng vai trò thiết bị lái tự động có độ thông minh cao trang bị cho tàu ngầm cho hướng chuyển động Mạng nơ - rơn truyền thẳng nhiều lớp có nhiều ưu điểm có cấu trúc đơn giản, có luật học lan truyền ngược sai lệch tin cậy Vì ứng dụng lĩnh vực nhận dạng, nhận mẫu điều khiển đáp ứng yêu cầu đặt Bài báo đề xuất giải pháp ứng dụng mạng nơ - rơn truyền thẳng nhiều lớp đóng vai trò thiết bị lái tự động trang bị cho tàu ngầm loại Remus làm việc phía mặt nước, độ sâu không đổi, bám theo hướng chuyển động mong muốn để làm tăng mức độ thông minh thiết bị này, không đề cập đến điều khiển tàu ngầm thực lặn sâu lên mặt nước 12 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT SỐ 71 - 2009 II ĐỘNG HỌC HƢỚNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA TÀU NGẦM Phần đưa mơ hình hướng chuyển động tàu ngầm, khơng nghiên cứu đến mơ hình lặn sâu, lên Theo [1] mơ hình tàu ngầm thiết lập với giả thiết sau (1) mv r mU r Yf (2) I zz r N f (3) r (4) (5) N f f v r , dv r / dt , r, dr / dt , r , t (6) Lực tác động bánh lái phân thành hai thành phần tuyến tính là: Y r N r ( r góc bánh lái) Thực khai Mơ hình dạng vật rắn tuyệt đối; quay trái đất không ảnh hưởng đến thành phần chuyển động tàu ngầm; tàu ngầm có kết cấu đối xứng theo trục dọc thân tàu; tàu ngầm chuyển động thẳng, với tốc độ chuyển động nhỏ, độ sâu không đổi, mặt phẳng nằm ngang, phía mặt nước Do cần xác định vectơ tốc độ thay đổi hướng r cách gần đúng, cần quan tâm độ lớn nó, yếu tố phương chiều coi khơng thay đổi Sau phương trình mơ tả tác động lực thành phần làm tàu ngầm bị lắc bị lệch hướng ảnh hưởng đến hướng chuyển động nó: u r U0 Yf f v r , dv r / dt , r, dr / dt , r , t triển (5), (6) theo chuỗi Taylo, biến đổi có Yf N f tương ứng thay đổi lực tác động ngang làm tàu ngầm bị lắc mômen quay làm tàu ngầm bị lệch hướng, viết dạng phương trình tuyến tính sau đây: Yf Yv r v r Yvr v r Yr r Yr r Y r (7) N f N v r v r N vr v r N r r N r r N r (8) hệ số hai phương trình tuyến tính (7), (8) có dạng sau đây: Yf Y Y Y ; Yvr f ; Yr f ; Yr f ; v r v r r r N N N N f N v r f ; N vr f ; Nr f ; N r v r v r r r Yv r Từ phương trình (1) đến (8) thực phép biến đổi phương trình trạng thái động học hướng chuyển động tàu ngầm viết dạng ma trận sau: m khối lượng tàu ngầm; u r tốc độ chuyển động tàu ngầm với u r U const ; v r , v r tương ứng tốc m Yv Yr r Nv I zz N r r độ, gia tốc lắc; hướng chuyển động; r , r tương ứng tốc độ, gia tốc chuyển hướng; I zz mơmen qn tính 0 v Y Y mU v r r r 0 r Nv Nr r 1 0 v Y r 0 r N r (9) 0 III ỨNG DỤNG MẠNG NƠ - RÔN TRUYỀN THẲNG NHIỀU LỚP TRONG THIẾT BỊ LÁI TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN HƢỚNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA TÀU NGẦM LOẠI REMUS Với giả thiết cho phép tồn cân lực đẩy thuỷ lực phản lực giống trọng lượng lực đẩy nước làm tàu ngầm lên Các lực thuỷ động học có quan hệ với tốc độ, gia tốc tàu ngầm bị lắc bị lệch hướng so với hướng ban đầu (giả thi ế t đường thẳng) Do tàu ngầm có kết cấu đối xứng theo trục dọc thân tàu nên thông số thay đổi theo phương nằm ngang độc lập với [1] đưa phương trình sau mơ tả thay đổi lực thuỷ động học làm tàu ngầm bị lắc, bị lệch hướng theo phương nằm ngang: Phần trình bày giải pháp ứng dụng mạng nơ - rôn truyền thẳng nhiều lớp thiết bị lái tự động điều khiển thích nghi hướng chuyển động tàu ngầm loại Remus Loại tàu ngầm thiết kế phòng thí nghiệm Oceanographic Systems, Wood’s Hole Oceanographic Institute [1], sử dụng để hoạt động khảo sát thuỷ văn vùng nước có độ sâu từ 40 đến 100 feet Nó có bốn vây sườn, 13 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT SỐ 71 - 2009 hai nằm ngang hai thẳng đứng Mơ hình tàu ngầm loại Remus trình bày hình m Yv r Yr det N v r I zz N r 0 hay: Hình Mơ hình tàu ngầm loại Remus 0 0 1 (12) (m Yv r )(I zz N r ) N v r Yr 3.1 Xây dựng toán điều khiển 3.2 Thiết lập sơ đồ điều khiển Phần trình bày giải pháp thiết kế thiết bị lái tự động ứng dụng mạng nơ - rôn truyền thẳng nhiều lớp, thoả mãn điều kiện hướng chuyển động mong muốn d thay đổi Hình sơ đồ thiết bị lái tự động điều khiển thích nghi hướng chuyển động tàu ngầm theo phương pháp mơ hình mẫu ứng dụng mạng nơ - rôn truyền thẳng nhiều lớp Mạng nơ - rơn (1xn x1) đóng vai trò thiết bị lái tự động có nhiệm vụ tạo tín hiệu điều khiển góc bánh lái r thay đổi tự động làm cho hướng chuyển động tàu ngầm ln bám theo góc quay bánh lái r thay đổi cách tự động nhằm thực tác động điều khiển làm cho hướng chuyển động tàu ngầm bám theo d cho trước Từ (9) thực biến đổi, phương trình trạng thái động học tàu ngầm có dạng: x Ax B r m Yv r Yr 0 A N v r I zz N r 0 0 1 hướng chuyển động mẫu mong muốn d cho trước Sơ đồ điều khiển ứng dụng mạng nơ - rôn truyền thẳng nhiều lớp thiết bị lái tự động tàu ngầm trình bày hình Mạng nơ - rơn (1xn 2x1) gồm có ba (10) 1 m Yv r Yr 0 B N v r I zz N r 0 0 1 Yvr Yr mU N Nr vr 1 0 0 0 lớp: lớp vào có số nút n1 đưa tín hiệu sai lệch e d vào mạng; lớp có số nút n đưa tín hiệu điều khiển góc quay Y N ; x v r r T bánh lái r điều khiển hướng chuyển động tàu ngầm; lớp ẩn có số nút n cần xác định trình điều khiển 3.3 Quá trình điều khiển (11) Phần trình bày luật học lan truyền ngược theo sai lệch [2] để tìm luật điều Giả thiết tồn ma trận nghịch đảo: Thiết bị lái tự động Luật học lan truyền ngược theo sai lệch e Mạng nơ - rôn truyền thẳng lớp (1xn x1) Hướng mong muốn r d Mơ hình tàu ngầm Remus + _ Hình Sơ đồ ứng dụng mạng nơ - rôn truyền thẳng lớp ( 1xn2 x1 ) thiết bị lái tự động tàu ngầm loại Remus 14 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT SỐ 71 - 2009 tương ứng nút thứ i lớp nút thứ m lớp ẩn thời điểm thứ k; v m (k ), v i (k ) tương ứng trọng lượng nút thứ m lớp ẩn nút thứ i lớp tạithời điểm thứ k; x j ( k ) chỉnh ma trận trọng số bias mạng (1xn x1) là: w [ w mj ] n 2x1 ; w [ w im ]1xn ma trận bias: b [b m ]1xn ; b [b i ]1x1 (với j 1; m 1,2, , n ; i ) để tạo tín hiệu điều khiển góc lái tự động r cho ln bám theo d cho trước, tín hiệu vào nút thứ j lớp vào thời điểm thứ k; hệ số học ( 1); x j (k ) e(k ) ; j ) a(.) hàm chuyển đổi tang hyperbolic: tức sai lệch điều khiển đạt cực tiểu Luật cập nhật giá trị điều chỉnh mạng 1x n x1 sau: a (net ) Lớp : w im (k) w im (k 1) w im (k) a (net ) ; net (13) (14) Sử dụng công thức từ (13) đến (21) tìm thơng số điều chỉnh ma trận trọng số, bias mạng (1xn x1) thoả mãn điều kiện E E cp (22) ( E cp sai lệch cho phép); e(k) sai lệch thời điểm thứ k; T số đó: b i (k ) i (k ) (víi i ) i (k) a ' (v i (k) b i (k))e(k) e 2net ; a ' (net ) T T E e(k) d (k) a (v (k) b (k)2 (21) k 1 k 1 w im (k) i (k)a (v m (k) b m (k)) b i (k) b i (k 1) b i (k) (15) lượng điểm lấy mẫu chu kỳ học; k (1,2, , T) Nếu chưa thoả mãn, tiếp tục n2 v i (k ) w im (k )a ( v m (k ) b m (k )) (16) Lớp ẩn: w mj (k ) w mj (k 1) w mj (k ) (17) thay đổi số nút lớp ẩn n thoả mãn (22) Chú ý cần đảm bảo yêu cầu thiết bị lái tự động cần có cấu trúc khơng q phức tạp, số nút lớp ẩn n mạng w mj (k ) m a ( v j (k ) b j (k )) bảo điều kiện (22) m 1 (với m 1,2, , n ; i ) b m (k) b m (k 1) b m (k) (1xn x1) cần có giá trị nhỏ mà đảm 3.4 Kết mô (18) Thực mô Matlab với thông số tàu ngầm loại Remus [1]: m (kg); U 1.543 (m/s); i 1 Yv r 35.5(kg ), b m (k ) m (k ) m (k ) a ' ( v m (k ) b m (k )) w im (k ) i (k ) (19) Yr 1.93(kgm / rad), Yvr 66.6(kg / s), v m (k ) w mj (k )x j (k) w mj (k)e(k) (20) j 1 Yr 2.2(kgm / s), N v r 1.93(kgm ), ( j 1; m 1,2, , n ;i=1); w im (k ), b i (k ) tương ứng thay đổi trọng số liên kết nút lớp ẩn với nút lớp ra, thay đổi bias nút lớp thời điểm thứ k; w mj (k ), b m (k ) tương ứng thay đổi Nr 4.88(kgm / rad), N vr 4.47(kgm / s), I zz 3.45(kg / m ), N r 6.87(kgm / s), Nd 34.6 / 3.5(kgm / s2 ), Yd 50.6 / 3.5(kgm / s ), trọng số liên kết nút lớp vào với nút lớp ẩn thay đổi bias nút lớp ẩn thời điểm thứ k; i (k ), m (k ) sai lệch 15 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT SỐ 71 - 2009 điều khiển (nét liền) sử dụng loại mạng nơ - rôn truyền thẳng: (1x2x1) , (1x3x1) , (1x4x1) , (1x5x1) , (1x6x1) Dễ nhận thấy tín hiệu bám theo d mức độ khác Cần chọn loại mạng nơ - rơn truyền thẳng có số nút lớp ẩn n , tức chọn mạng nơ - rơn truyền thẳng ba lớp có cấu trúc (1x6x1) đóng vai trò thiết bị lái tự động cho tàu ngầm có hướng sau điều khiển (nét liền) bám theo Hình Sơ đồ mạng nơ - rôn truyền thẳng lớp ( 1xn2 x1 ) thiết bị lái tự động hướng mong muốn d (nét đứt) (hình 9) tốt Đồ thị hình 10, hình 11 mơ tả tín hiệu điều khiển bánh lái r đồ thị không gian chiều mơ tả quan hệ ba tín hiệu ( d , , r ) ứng với trường hợp sử dụng hướng chuyển động mong muốn d biểu diễn đồ thị hình Thực mô với phần mềm Matlab Kết mô trình bày đồ thị từ hình đến hình 11 Các đồ thị từ hình đến hình tương ứng mơ tả hướng mong muốn d (nét đứt) hướng sau mạng (1x6x1) 1.5 2 1 0.8 1.5 1.5 0.6 0.5 0.5 0.4 0.5 0.2 0 -0.5 -0.2 -0.5 -0.5 -0.4 -1 -0.6 -1 -1 -1.5 -0.8 -1.5 -1 200 400 600 800 1000 200 400 600 800 1000 1200 1200 Hình Hướng mong Hình Hướng mong Hình Đồ thị hướng muốn muốn d (nét đứt), d (nét đứt), mong muốn d hướng chuyển động hướng chuyển động (nét liền) sử dụng (nét liền) sử dụng mạng ( 1x3 x1 ) mạng ( 1x2 x1 ) 200 400 600 800 1000 1200 1.5 1.5 1 0.5 0.5 0 -0.5 -0.5 -1 -1 -1.5 200 400 600 800 1000 1200 Hình Hướng mong muốn d (nét đứt), hướng chuyển động (nét liền) sử dụng mạng ( 1x4 x1 ) 0.1 0.08 Goc quay banh lai (), don vi=rad 0.06 0.04 0.02 -0.02 -0.04 -0.06 -0.08 0.1 0.05 -0.05 -0.1 -1 -0.5 -1.5 200 400 600 800 1000 1200 Hình Hướng mong muốn d (nét đứt), hướng chuyển động (nét liền) sử dụng mạng ( 1x5 x1 ) -1.5 200 400 600 800 1000 -0.1 1200 Hình Hướng mong muốn d (nét đứt), hướng chuyển động (nét liền) sử dụng mạng ( 1x6 x1 ) -1 0.5 200 400 600 800 1000 1200 -2 Huong tau ngam ( ), don vi=rad Huong tau ngam mong muon(m), don vi=rad Hình 10 Đồ thị tín Hình 11 Đồ thị ba hiệu điều khiển góc chiều mơ tả quan hệ quay bánh lái ( d , , r ) sử r sử dụng dụng mạng (1x6x1) mạng ( 1x6 x1 ) khiển r có độ đập mạch nhỏ phù hợp với yêu cầu đặt thiết bị lái tự động cho tàu ngầm Kết ma trận trọng số bias điều chỉnh thời điểm k 1200 mạng (1x6x1) : Các đồ thị hình hình 10 cho thấy hướng chuyển động tàu ngầm sử dụng mạng (1x6x1) bám theo hướng chuyển động mong muốn d với độ đập mạch độ điều chỉnh nhỏ tín hiệu điều 16 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT SỐ 71 - 2009 w1 (1200) 0.1495 - 0.1685 0.1960 0.1624 0.0741 - 0.1315T w (1200) 0.1615 - 0.0294 0.1066 - 0.0100 0.1800 - 0.1924 b (1200) 0.0929 0.0593 0.1602 0.0698 0.1151 0.0308 b (1200) - 0.0442 IV KẾT LUẬN nhiều nước ta Giải pháp góp phần Kết mô cho thấy giải pháp khẳng định hướng nghiên cứu ứng dụng mạng ứng dụng mạng nơ - rôn truyền thẳng (1x6x1) nơ - rôn truyền thẳng nhiều lớp đắn thiết bị lái tự động điều khiển thích lĩnh vực cần quan tâm Đây nghi hướng chuyển động tàu ngầm loại thực giải pháp mới, cải thiện Remus phù hợp, hướng chuyển động mức độ thơng minh thiết bị lái tự động điều bám sát theo hướng chuyển động mẫu khiển thích nghi hướng chuyển động tàu mong muốn Ψd Ứng dụng mạng nơ - rơn ngầm nói riêng ứng dụng truyền thẳng nhiều lớp điều khiển lĩnh vực điều khiển hệ tuyến tính phi hướng nghiên cứu mới, chưa ứng dụng tuyến khác nói chung TÀI LIỆU THAM KHẢO Lynn Renee Fodrea, Obstacle avoidance control for the Remus autonomous underwater vehicle, Monterey, California, 2002 C.T Lin, C.S George Lee; Neural Fuzzy systems; Prentice Hall Internatinal, 1996 Astrom K.J.,Wittenmark B., Adaptive Control, Reading, MA: Addison Wesley, 1989 Eduardo F Camacho, Carlos Bordon; Model Predictive Control; Springer Verlag London Limited, 1999 http://www.mathworks.com; Matlab-the Language of Technical Computing; 1996 Địa liên hệ: Phạm Hữu Đức Dục - Tel: 0913.238632; Email: phdduc.uneti@moet.edu.vn Trường Đại học Kinh tế Kỹ thuật công nghiệp Số 456, Minh Khai, Hà Nội 17 ... cứu ứng dụng mạng ứng dụng mạng nơ - rôn truyền thẳng (1x6x1) nơ - rôn truyền thẳng nhiều lớp đắn thiết bị lái tự động điều khiển thích lĩnh vực cần quan tâm Đây nghi hướng chuyển động tàu ngầm. .. thiết bị lái tự động điều khiển thích nghi hướng chuyển động tàu ngầm theo phương pháp mơ hình mẫu ứng dụng mạng nơ - rôn truyền thẳng nhiều lớp Mạng nơ - rơn (1xn x1) đóng vai trò thiết bị lái. .. Phần trình bày giải pháp ứng dụng mạng nơ - rôn truyền thẳng nhiều lớp thiết bị lái tự động điều khiển thích nghi hướng chuyển động tàu ngầm loại Remus Loại tàu ngầm thiết kế phòng thí nghiệm