Design, implement a sliding mode controller for an unmanned surface vehicle

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN TỨ CƯỜNG THIẾT KẾ, THỰC NGHIỆM BỘ ĐIỀU KHIỂN SLIDING MODE CHO TÀU KHÔNG NGƯỜI LÁI USV DESIGN, IMPLEMENT A SLIDING MODE CONTROLLER FOR AN UNMANNED SURFACE VEHICLE Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: 52 02 16 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2020 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG –HCM Người hướng dẫn khoa học 1: TS NGUYỄN HOÀNG GIÁP Người hướng dẫn khoa học 2: TS TRẦN NGỌC HUY Cán chấm nhận xét : PGS.TS TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN Cán chấm nhận xét : TS NGUYỄN VĨNH HẢO Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm 2020 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) Chủ tịch : PGS.TS HỒ PHẠM HUY ÁNH Thư ký : TS NGUYỄN TRỌNG TÀI Phản biện : PGS.TS TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN Phản biện : TS NGUYỄN VĨNH HẢO Ủy viên : TS NGÔ THANH QUYỀN Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS.TS HỒ PHẠM HUY ÁNH TRƯỞNG KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN TỨ CƯỜNG MSHV: 1870012 Ngày, tháng, năm sinh: 01/03/1995 Nơi sinh: Bà Rịa – Vũng Tàu Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa Mã số : 8520216 I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ, THỰC NGHIỆM BỘ ĐIỀU KHIỂN SLIDING MODE CHO TÀU KHÔNG NGƯỜI LÁI USV (Design, implement a sliding mode controller for an unmanned surface vehicle) II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Ước lượng thông số Nomoto Model điều khiển Sliding Mode cho USV - Xây dựng dẫn đường cho USV - Xây dựng hệ thống phần mềm hoàn chỉnh cho USV - Thực nghiệm, kiểm chứng mơ hình thuật tốn USV II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 19/08/2019 III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07/08/2020 IV.CÁN BỘ HƯỚNG DẪN :TS Nguyễn Hoàng Giáp – TS Trần Ngọc Huy Tp HCM, ngày tháng năm 20 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Lời xin cảm ơn tất quý thầy cô dạy hướng dẫn suốt năm học qua Quá trình học tập trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh cung cấp cho tơi nhiều kiến thức bổ ích quý giá để tạo thành tảng vững cho nghiệp sau Luận văn hội cho tổng hợp lại tất kiến thức học khả nghiên cứu giải vấn đề đạt năm học để giải vấn đề lớn Tôi xin chân thành cảm ơn Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh, Thầy Nguyễn Hồng Giáp Thầy Trần Ngọc Huy tận tình hướng dẫn Thầy nhiệt tình giúp đỡ tơi việc định hướng giải vấn đề khó khăn gặp phải, bên xin cảm ơn giúp đỡ người bạn, người em sát cánh trưởng thành môi trường học tập nghiên cứu Trường Đại học Bách Khoa Tôi xin dành lời cảm ơn cho ba mẹ, anh chị người thân bên, hỗ trợ tơi sống q trình học tập nghiên cứu trường Nghiên cứu thực nguồn kinh phí hỗ trợ từ đề tài nghiên cứu khoa học “Nghiên cứu thiết kế giải thuật tránh vật cản bất ngờ cho phương tiện tự hành USV sử dụng thuật toán Set-Based Guidance (SBG) cải tiến”, cấp sở mã số “GV2005”, Trường Đại học Dầu khí VN (PVU), Tập đồn Dầu khí Việt Nam Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2020 Nguyễn Tứ Cường TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn tập trung vào việc tìm hiểu nghiên cứu phuơng pháp cho việc ước lượng thơng số cho điều khiển góc Heading Sau số mơ Matlab thực để kiểm tra phương pháp ước lượng Dựa vào thông số Model (ở Model Nomoto), điều khiển Sliding Mode thiết kế cho việc điều khiển góc heading Do mục tiêu tập trung ứng dụng chủ yếu quan trắc môi trường để lấy mẫu nước, thuận lợi cho việc di chuyển, tránh vật cản …., nên USV điều khiển tốc độ chậm, điều kiện ràng buộc trình điều khiển Tiếp theo, hệ thống phần mềm hoàn chỉnh (GUI điều khiển, App điều khiển, hệ thống điều khiển) xây dựng giúp cho việc dễ dàng thực chức ứng dụng vào thực tế sau Để điều hướng cho tàu phía điểm định, điểm cố định thay đổi theo thời gian, Line of Sight (LOS) đơn giản dễ ứng dụng vào thực tế Dựa điều khiển điều hướng trên, mô hình tàu kết hợp với ứng dụng bám đối tượng đơn giản, tạo sở cho việc phát triển kết hợp nhiều tàu Do thời gian thực đề tài có hạn nên việc hồn chỉnh khả chạy tốt khó, nên phần làm giải thuật đơn giản mang lại hiệu quả, tính ổn định ABSTRACT The thesis focuses on understanding and researching basic methods for estimating parameters for Heading control A number of Matlab simulations were then performed to test the estimation method above Based on the Model parameter (Model Nomoto), the Sliding Mode controller is designed for heading control Because the goal is to focus on the application of environmental monitoring to collect water samples, as well as facilitate movement, avoiding obstacles, etc., the USV is controlled at a slow speed, which is also a constraint condition during control Next, a complete software system (GUI controller, App controller, as well as control system) is designed to make it easy to implement functions and applications in the future To navigate the ship toward a certain point, this point can be fixed or changed over time, the Line of Sight (LOS) guidance is simple and easy to apply in practice Based on the controller and guidance, the two ship models are combined in a simple target following application, which forms the basis for the development and integration of multiple ships Due to the limited time to implement the project, the completion as well as the ability to run well are very difficult, so in this section, we only simple but effective algorithms, as well as stability LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân, không chép số liệu hay kết từ nghiên cứu khác Các tài liệu liên quan sử dụng luận văn có trích dẫn nguồn góc rõ ràng Các nội dung, kết trình bày luận văn kết trình nghiên cứu trường đại học Bách Khoa TP.HCM Tôi xin hồn tồn chịu trách nhiệm trước mơn, khoa nhà trường cam đoan Tác giả luận văn Nguyễn Tứ Cường MỤC LỤC MỞ ĐẦU 16 Chương GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ USV 17 1.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 20 1.2 Tình hình nghiên cứu nước 25 Chương MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC 27 2.1 Định nghĩa thông số, hệ trục tọa độ mơ hình tốn USV 27 2.2 Mơ hình tốn USV .29 2.3 Điều khiển Phân Bố Lực .31 Chương ƯỚC LƯỢNG THÔNG SỐ MƠ HÌNH VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SLIDING MODE .33 3.1 Model USV gần cho điều khiển mũi tàu 33 3.1.1 Nomoto Model 34 3.1.2 R Model .34 3.1.3 Phương pháp nhận dạng 35 3.1.4 Phương pháp thu thập liệu để ước lượng .36 3.1.5 Đánh giá Model 38 3.2 Thiết kế điều khiển Sliding Mode: 39 Chương GIẢI THUẬT DẪN ĐƯỜNG 41 4.1 Định nghĩa hệ thống dẫn đường (Guidance): 41 4.2 Phương pháp dẫn đường LOS: 42 4.3 Tiêu chí chuyển điểm 44 Chương MƠ HÌNH VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂU 46 5.1 Tổng quan hệ thống phần cứng USV 46 5.2 Hệ thống phần mềm điều khiển 49 5.2.1 Giao diện điều khiển: Plutus .51 5.2.2 App điều khiển: Kepler .53 5.2.3 Bộ điều khiển Onboard : RUNE 54 5.3 Nhiệm vụ tàu (maneuvering) .54 Chương KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 58 6.1 Ước lượng thơng số mơ hình .58 6.1.1 Mô 58 6.1.1.1 Thu thập liệu .58 6.1.1.2 Ước lượng Đánh giá Model 63 6.1.2 Thực nghiệm 69 6.2 Bộ điều khiển Sliding Mode 72 6.2.1 Mô 72 6.2.2 Thực nghiệm 77 6.3 Bám đường thẳng (Path following) .79 6.4 Bám đối tượng (Target following) 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO 93 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LUẬN VĂN .96 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA TÁC GIẢ 97 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Tình hình nhiễm nguồn nước VIệt Nam 17 Hình 1.2 Cơng nghệ trắc mơi trường nước phổ biến Việt Nam 18 Hình 1.3 Dự báo thị trường phát triển Unmanned Surface Vehicle từ 2016-2023 19 Hình 1.4 Tàu AUTOCAT, 2000 20 Hình 1.5 USV ESM30 (vàng) USV MM70 (vàng-trắng) 22 Hình 1.6 Khảo sát 53 hồ Wuhan 23 Hình 1.7 USV SONOBOT EvoLogics GmbH 23 Hình 1.8 Kết thực tế khảo sát vẽ biểu đồ đáy sơng, hồ 24 Hình 1.9 Mơ hình USV giới .25 Hình 2.1 Hệ tọa độ NED .27 Hình 2.2 USV với DOF với hệ Body mặt phẳng 2D Oxy 28 Hình 2.3 Cách bố trí động tàu 31 Hình 3.1 Phương pháp thử nghiệm Turning Cricle 37 Hình 3.2 Phương pháp thử nghiệm Zig-Zig Test .38 Hình 3.3 Phân bố lực động trình thử nghiệm 38 Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống dẫn đường 42 Hình 4.2 Mơ hình cho vector LOS tàu thuyền trường hơp khơng xét góc sideslip β 42 Hình 4.3 Ảnh hưởng ngoại lực lên đến hướng di chuyển tàu 44 Hình 5.1 Các dạng tàu thuyền thân chạy tuyến sông .46 Hình 5.2 Mơ hình USV hồn chỉnh 47 Hình 5.3 Sơ đồ kết nối thiết bị điện 48 Hình 5.4 Sơ đồ giải thuật điều khiển tàu 49 Hình 5.5 Phần mềm điều khiển hiển thị trạm mặt đất 50 Hình 5.6 Sơ đồ tổng quát hệ thống phần mềm sử dụng USV 51 Hình 5.7 Các thành phần menu: Thanh cơng cụ, bảng điều khiển, trạng thái Plutus 52 Hình 5.8 Giao diện Đánh giá phân tích nhiệm vụ .52 Hình 5.9 Giao diện điều khiển App với chức năng: Manual, Path Follwing 53 Hình 6.43 Quỹ đạo USV qua điểm Waypoint Hình 6.44 Thơng số điều khiển SMC 83 Hình 6.45 Vận tốc USV vận hành Hình 6.46 Sai số đường mong muốn quỹ đạo USV (ye) Hình 6.47 Tín hiệu điều khiển SMC 84 Khi tăng tốc độ USV lực điều khiển động khơng đủ để đường thời gian ngắn bị tượng chạy vòng hình 6.40 Tín hiệu điều khiển giao động tốc độ khoảng 0.9m/s, đồng thời sai số ye tăng lên khoảng 1.5m Với trường hợp tăng tốc độ lên tín hiệu điều khiển dao động hình 6.54 Nguyên dẫn đến tốc độ cao mơ hình ước lượng khơng cịn xác dẫn tới lực dao động liên tục, việc làm ảnh hưởng xấu đến thruster Hình 6.48 Tín hiệu điều khiển SMC bị dao động liên tục tăng vận tốc Thử Nghiệm 3: Bám quỹ đạo sóng vng Hình 6.49 Quỹ đạo USV sóng vng 85 Hình 6.50 Thơng số điều khiển SMC Hình 6.51 Vận tốc USV vận hành 86 Hình 6.52 Sai số đường mong muốn quỹ đạo USV (ye) Hình 6.53 Tín hiệu điều khiển Thử Nghiệm 4: Bám quỹ đạo hình trịn 87 Hình 6.54 Quỹ đạo USV hình trịn Hình 6.55 Sai số đường mong muốn quỹ đạo USV (ye) Thử Nghiệm : Quỹ đạo 88 Hình 6.56 Bám theo quỹ đạo Hình 6.57 Sai số ye trình di chuyển