Thiết kế bộ điều khiển ổn định hóa cho robot lặn có dây dưới tác động của ngoại lực

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ MẠNH CẦM THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HÓA CHO ROBOT LẶN CÓ DÂY DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA NGOẠI LỰC 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 Cán hướng dẫn khoa học 1: TS NGUYỄN LÊ DŨNG Cán hướng dẫn khoa học 2: TS TRẦN NGỌC HUY Cán chấm nhận xét : PGS.TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG Cán chấm nhận xét : TS HỒNG MINH TRÍ 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 HUỲNH THÁI HOÀNG Thư ký : TS NGUYỄN HOÀNG GIÁP Phản biện : PGS.TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG Phản biện : TS HỒNG MINH TRÍ Ủy viên : PGS.TS NGUYỄN TẤN LUỸ 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 Huỳnh Thái Hoàng TRƯỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: LÊ MẠNH CẦM .MSHV: 1870006 Ngày, tháng, năm sinh: 27/08/1995 .Nơi sinh: Bà Rịa Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa Mã số : 8520216 I TÊN ĐỀ TÀI: Thiết kế điều khiển ổn định hóa cho robot lặn có dây nước tác động ngoại lực (Stabilizing Controller Design For An Remotely Operated Underwater Vehicle Under Unknown External Force) II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Khảo sát tình hình nghiên cứu giải thuật điều khiển cho ROV ngồi nước - Mơ phỏng, phân tích mơ hình toán động học/động lực học cho ROV - Nghiên cứu xây dựng điều khiển có khả ổn định hóa phương đứng ROV (pitch, độ sâu) - Nghiên cứu xây dựng ước lượng trạng thái cho điều khiển phương đứng - Chỉnh sửa số thiết kế hệ thống điều khiển cho mô hình ROV III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 19/08/2019 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07/08/2020 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS.Nguyễn Lê Dũng – TS.Trần Ngọc Huy Tp HCM, ngày tháng năm 20 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Trước hết, cho tơi bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến quý thầy, cô giáo - với tri thức tâm huyết mình, truyền đạt vốn kiến thức đại cương chuyên ngành quý báu cho năm tháng học tập trường đại học Bách Khoa TPHCM Chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn, anh/bạn/em đồng hành suốt hai năm làm việc, sinh hoạt VIAMLAB Nghiên cứu thực nguồn kinh phí hỗ trợ từ Chương trình Vườn ươm Sáng tạo Khoa học Công nghệ Trẻ, quản lý Trung tâm Phát triển Khoa học Công nghệ Trẻ - Thành Đồn thành phố Hồ Chí Minh Sở Khoa học Cơng nghệ thành phố Hồ Chí Minh, theo hợp đồng số “04/2019/HĐ-KHCN-VƯ” Và cuối cùng, xin dành lời cảm ơn đến gia đình, người thân u ln chăm sóc, quan tâm động viên tơi suốt q trình học tập TP.HCM, ngày tháng năm 2020 Học viên thực Lê Mạnh Cầm TÓM TẮT LUẬN VĂN Robot lặn có dây nước (ROV) loại robot quan trọng loại robot nước sử dụng cho nhiều mục đích, đặc biệt cho hải quân ngành cơng nghiệp hàng hải ROV hệ thống có tính phi tuyến cao thường hoạt động mơi trường đại dương có nhiều nhiễu loạn, khơng đốn trước Do chúng có nhiều thơng số ban đầu khơng chắn thay đổi Để khắc phục vấn đề này, cần điều khiển tự thích ứng với điều kiện thay đổi Trong luận văn này, sơ đồ điều khiển để ổn định chuyển động thẳng đứng ROV, gọi điều khiển hồi tiếp tuyến tính hố danh định (NLFC), điều khiển hồi tiếp tuyến tính hố thích nghi (ANFC), điều khiển trượt (SMC) điều khiển PID thảo luận Tính mơ hình tốn học ROVVIAM900 sử dụng làm hệ thống điều khiển xem xét Nghiên cứu so sánh điều khiển thực trường hợp khác cách sử dụng mô số Bên cạnh đó, ước lượng trạng thái cho điều khiển xây dựng với số lượng cảm biến tối thiểu Kết mô điều khiển ước lượng áp dụng cho mơ hình ROV chi phí thấp ABSTRACT Remotely operated underwater vehicle (ROV) is one of the most important types of underwater robots used in water environments for many purposes, especially for navy and marine industries They are highly nonlinear systems and often operate in an unpredictable nature of the ocean environment Therefore they have many initially uncertain and varying parameters To overcome this problem, we need controllers adapting itself to such changing conditions In this paper, control schemes for stabilising vertical motion of ROVs, called nominal nonlinear feedback controller (NLFC), adaptive nonlinear feedback controller (ALFC), sliding mode controller (SMC) and PID will be discussed The main feature and mathematical model of the ROVVIAM900 used as a controlled system are also considered The comparative study of four controllers is performed in the different scenarios using a numerical simulation Besides, the state estimator for the controllers is also built with the minimum number of sensors The controller and estimator simulation results can be applied to low cost ROV models 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 Lê Mạnh Cầm MỤC LỤC Chương GIỚI THIỆU VỀ ROV 1.1 Tổng quan ROV 1.2 Tình hình nghiên cứu ROV 1.3 Mục tiêu 1.4 Ý nghĩa thực tiễn đề tài Chương MƠ HÌNH HOÁ HỆ ROV .7 2.1 Giới thiệu mơ hình ROVVIAM900 2.2 Phương trình chuyển động ROV 2.2.1 Phương trình động học động lực học bậc .9 2.2.2 Phân bố lực động .11 2.2.3 Mơ hình hố động .12 2.3 Phân tích tính ổn định 14 2.4 Thơng số mơ hình ROV 16 Chương THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN .18 3.1 Cấu trúc tổng thể giải thuật điều khiển chuyển động hệ ROV 18 3.2 Bộ điều khiển PID .19 3.3 Bộ điều khiển hồi tiếp tuyến tính hố danh định (NLFC) 20 3.4 Bộ điều khiển trượt (SMC) 23 3.5 Bộ điều khiển hồi tiếp tuyến tính hố thích nghi (ALFC) 23 3.6 Kết mô 27 3.6.1 Bối cảnh mô 27 3.6.2 Nhận xét 29 Chương XÂY DỰNG BỘ ƯỚC LƯỢNG 39 4.1 Sơ lược lọc Kalman mở rộng (EKF) 39 4.2 Mơ hình cảm biến 43 4.2.1 Mơ hình cảm biến IMU 43 4.2.2 Cảm biến độ sâu .46 4.2.3 Cảm biến vận tốc 46 4.3 Xây dựng ước lượng trạng thái cho điều khiển phương đứng 47 4.3.1 EKF1 trạng thái 47 4.3.1 EKF1 trạng thái 48 4.3.2 EKF2 không cập nhật cảm biến vận tốc 48 4.3.1 EKF2 có cập nhật cảm biến vận tốc .49 4.4 Kết mô 49 4.4.1 Tham số cảm biến 49 4.4.2 Mô kiểm tra ước lượng 50 4.4.3 Kết hợp ước lượng điều khiển 57 Chương KẾT LUẬN 63 5.1 Ưu điểm luận văn 63 5.2 Nhược điểm luận văn .63 5.3 Hướng phát triển đề tài 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LUẬN VĂN 66 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA TÁC GIẢ 67 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Phương tiện tự hành nước có dây (ROV) Hình 1.2 Sơ đồ bố trí động RRC ROV II Hình 2.1 Mơ hình 3D hệ ROV Hình 2.2 Hình chiếu cạnh hình chiếu đứng hệ ROV Hình 2.3 Sơ đồ khối mơ hình tốn hệ ROV .9 Hình 2.4 Đường đặc tuyến động BlueRobotics T200 xấp xỉ từ liệu thực nghiệm 13 Hình 3.1 Cấu trúc tổng thể hệ thống điều khiển hệ ROV 18 Hình 3.2 Sơ đồ khối điều khiển PID 19 Hình 3.3 Cấu trúc điều khiển hồi tiếp tuyến tính hố ổn định hoá phương đứng với tham số danh định 20 Hình 3.4 Cấu trúc điều khiển hồi tiếp tuyến tính hố ổn định hố phương đứng với luật thích nghi 23 Hình 3.5 Biểu đồ thời gian ngoại lực mô-men tác dụng vào ROV thời điểm 100 giây 28 Hình 3.6 So sánh sai số hiệu dụng điều khiển hai giai đoạn trường hợp .30 Hình 3.7 Đáp ứng ngõ hệ thống trường hợp 31 Hình 3.8 Các tham số thích nghi ALFC trường hợp 32 Hình 3.9 Quỹ đạo pha dùng SMC trường hợp 32 Hình 3.10 Biểu đồ thời gian động đứng trường hợp .33 Hình 3.11 So sánh sai số hiệu dụng điều khiển hai giai đoạn trường hợp .34 Hình 3.12 Đáp ứng ngõ hệ thống trường hợp .36 Hình 3.13 Các tham số thích nghi ALFC trường hợp .36 Hình 3.14 Quỹ đạo pha dùng SMC trường hợp 37 Hình 4.12 Gia tốc ước lượng EKF1 trạng thái trạng thái Hình 4.13 Phóng to đáp ứng gia tốc ước lượng 53 Hình 4.14 So sánh sai số hiệu dụng EKF1 trạng thái EKF1 trạng thái Tiếp theo ta mô kiểm tra hai ước lượng độ sâu, vận tốc (có khơng có cập nhật cảm biến vận tốc) xây dựng Các kết mô trình bày hình Qua ta rút nhận xét sau : +) Giá trị độ sâu ước lượng từ hai EKF2 khử nhiễu từ cảm biến áp suất đồng thời giữ đáp ứng hệ thống Điều cho thấy tính đắn hiệu ước lượng xây dựng Sai số ước lượng độ sâu hai ước lượng nhỏ chênh lệch khơng đáng kể (Hình 4.15) +) Các vận tốc phương ngang ước lượng có sai số lớn  u, v  khơng có cảm biến đo trực tiếp cập nhật Tuy nhiên, ta không cần quan tâm đến điều hai giá trị khơng nằm vector hồi tiếp điều khiển phương đứng mà ta xét Vận tốc phương đứng  w  cho kết ước lượng xác vận tốc phương 54 ngang  u, v  cảm biến áp suất EKF2 cập nhật có liên quan “mật thiết” đến giá trị đo miền góc  , nhỏ Cụ thể lúc d  w +) Ta xét khoảng thời gian góc lệch  , lớn (Xem Hình 4.16 đoạn từ 25 giây đến 65 giây) Khi d  w Lúc này, giá trị đo từ cảm biến áp suất dùng để ước lượng lại w khơng cịn xác Bộ EKF2 không cập nhật cảm biến vận tốc chủ yếu dựa vào giá trị gia tốc ngồi từ EKF1 để tích phân vận tốc Tuy nhiên, tích phân khơng giúp sai số ước lượng trì tốt khoảng thời gian dài Khuyết điểm khắc phục có cảm biến vận tốc góc cập nhật Việc trang bị cảm biến vận tốc (DVL) không khả thi với hệ thống ROV giá rẻ Hơn nữa, ước lượng trạng thái dùng chung với điều khiển để điều khiển ROV quanh giá trị góc đặt  , nhỏ, nên nhìn chung EKF2 không sử dụng cảm biến vận tốc cho kết chấp nhận Hình 4.15 Độ sâu ước lượng EKF2 có khơng có cập nhật cảm biến vận tốc 55 Hình 4.16 Vận tốc ước lượng EKF2 có khơng có cập nhật cảm biến vận tốc Hình 4.17 So sánh sai số hiệu dụng EKF2 có khơng có cập nhật cảm biến vận tốc 56 4.4.3 Kết hợp ước lượng điều khiển Thay hồi tiếp trạng thái lý tưởng cho điều khiển chương trước, ta thay trạng thái ước lượng từ EKF đánh giá kết Kết mơ trình bày hình Có thể thấy có nhiễu đo, EKF cho kết ước lượng tốt nên áp dụng điều khiển cho chất lượng điều khiển gần tương tự với hồi tiếp giá trị lí tưởng a) Tồn đáp ứng ngõ 57 b) Phóng to giai đoạn khơng có ngoại lực c) Phóng to giai đoạn có ngoại lực Hình 4.18 Đáp ứng ngõ hệ thống sử dụng EKF 58 Hình 4.19 Các tham số thích nghi ALFC sử dụng EKF Hình 4.20 Biểu đồ thời gian lực động đứng sử dụng EKF 59 Hình 4.21 Các giá trị góc ước lượng từ EKF1 Hình 4.22 Giá trị độ sâu ước lượng từ EKF2 60 Hình 4.23 Giá trị vận tốc ước lượng từ EKF2 Hình 4.24 thể đáp ứng góc pitch thay đổi hệ số thích nghi Có thể thấy với hệ số thích nghi lớn, thời gian để sai số góc pitch hội tụ giảm Tuy nhiên, hệ thống dao động 61 Hình 4.24 Sự ảnh hưởng hệ số thích nghi lên đáp ứng góc pitch hệ thống 62 Chương KẾT LUẬN 5.1 Ưu điểm luận văn Các nhiệm vụ đề hoàn thành luận văn : Khảo sát tình hình nghiên cứu giải thuật điều khiển cho ROV ngồi nước Mơ phỏng, phân tích mơ hình tốn động học/động lực học cho ROV Nghiên cứu xây dựng điều khiển thích nghi có khả ổn định hóa phương đứng ROV (pitch, độ sâu) Mơ hình hố cảm biến sử dụng cho ROV (IMU cảm biến áp suất) Từ xây dựng ước lượng trạng thái cho điều khiển xây dựng Chỉnh sửa số thiết kế hệ thống điều khiển cho mơ hình ROV 5.2 Nhược điểm luận văn Chưa nhúng giải thuật điều khiển ước lượng xây dựng vào mơ hình xây dựng 5.3 Hướng phát triển đề tài Xây dựng hệ bàn xoay bàn nâng để đánh giá sai số giải thuật ước lượng thực tế Phát triển phương pháp nhận dạng thơng số mơ hình ROV để áp dụng điều khiển bền vững thực tế 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Fossen, Thor I “Marine Control Systems–Guidance Navigation, and Control of Ships, Rigs and Underwater Vehicles.” Marine Cybernetics, Trondheim, Norway, Org Number NO 985 195 005 MVA, www marinecybernetics com, ISBN: 82 92356 00 (2002) [2] Chin, C., et al “Dynamic modelling and cascaded controller design of a lowspeed maneuvering ROV.” Advanced technologies: research, development and application Book: 159-186 [3] Maalouf, Divine, Ahmed Chemori, and Vincent Creuze “L1 adaptive depth and pitch control of an underwater vehicle with real-time experiments.” Ocean Engineering 98 (2015): 66-77 [4] Soylu, S., Proctor, A A., Podhorodeski, R P., Bradley, C., & Buckham, B J (2016) “Precise trajectory control for an inspection class ROV” Ocean Engineering, 111, 508-523 [5] Guerrero, Jesus, et al “Trajectory tracking for autonomous underwater vehicle: An adaptive approach.” Ocean Engineering 172 (2019): 511-522 [6] Campos, E., et al “A nonlinear controller based on saturation functions with variable parameters to stabilize an AUV.” International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering 11.1 (2019): 211-224 [7] Yan, Jing, et al “Tracking control of a remotely operated underwater vehicle with time delay and actuator saturation.” Ocean Engineering 184 (2019): 299-310 [8] Huang, Bolun, and Qi Yang “Double-loop sliding mode controller with a novel switching term for the trajectory tracking of work-class ROVs.” Ocean Engineering 178 (2019): 80-94 [9] Guerrero, Jesus, et al “Adaptive disturbance observer for trajectory tracking control of underwater vehicles.” Ocean Engineering 200 (2020): 107080 64 [10] Anderlini, Enrico, Gordon G Parker, and Giles Thomas “Control of a ROV carrying an object.” Ocean Engineering 165 (2018): 307-318 [11] Le, Khoa Duy, et al “A heading observer for ROVs under roll and pitch oscillations and acceleration disturbances using low-cost sensors.” Ocean Engineering 110 (2015): 152-162 [12] Fang, Ming-Chung, Chang-Shang Hou, and Jhih-Hong Luo “On the motions of the underwater remotely operated vehicle with the umbilical cable effect.” Ocean engineering 34.8-9 (2007): 1275-1289 65 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LUẬN VĂN [1] Trinh, Xuan-Dung, Manh-Cam Le, and Ngoc-Huy Tran “IMU Calibration Methods and Orientation Estimation Using Extended Kalman Filters.” International Conference on Advanced Engineering Theory and Applications Springer, Cham, 2019 [2] Ngoc-Huy Tran, Manh-Cam Le, Thien-Phuong Ton, The-Cuong Le, and ThienPhuc Tran “ROV stabilization using an adaptive nonlinear feedback controller.” Advances in Intelligent Systems and Computing Springer, Cham, 2020 (đã chấp nhận đăng, chưa xuất bản) 66 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA TÁC GIẢ Họ tên : Lê Mạnh Cầm Ngày tháng năm sinh : 27/08/1995 Nơi sinh : Bà Rịa Địa liên lạc : B2-10-14 Đường 37 CL, Phường Cát Lái, Quận 2, TPHCM QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO : - 09/2013 – 04/2018 : học đại học chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển tự động hoá, trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM - 04/2018 đến : học cao học chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển tự động hoá, trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM Q TRÌNH CƠNG TÁC : - 04/2018 – 12/2018 : hữu PTN Trọng điểm Quốc gia Điều khiển số Kĩ thuật hệ thống (DCSELAB), nhà C6, trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM 67 ... Bà Rịa Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa Mã số : 8520216 I TÊN ĐỀ TÀI: Thiết kế điều khiển ổn định hóa cho robot lặn có dây nước tác động ngoại lực (Stabilizing Controller Design... Chương THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN .18 3.1 Cấu trúc tổng thể giải thuật điều khiển chuyển động hệ ROV 18 3.2 Bộ điều khiển PID .19 3.3 Bộ điều khiển hồi tiếp tuyến tính hố danh định (NLFC)... tiêu đề tài thiết kế, xây dựng điều khiển thích nghi có khả ổn định hóa phương đứng ROV (roll, pitch, độ sâu) điều kiện có ngoại lực khơng biết trước tác động Các phương án điều khiển hiệu suất