Target tracking controller design for autonomous underwater vehicles

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN ĐỨC TÔ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BÁM MỤC TIÊU CHO PHƯƠNG TIỆN TỰ HÀNH DƯỚI NƯỚC TARGET TRACKING CONTROLLER DESIGN FOR AUTONOMOUS UNDERWATER VEHICLES Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: 60 52 02 16 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 - 2019 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán hướng dẫn khoa học : PGS.TS HUỲNH THÁI HOÀNG Cán chấm nhận xét : Cán chấm nhận xét : Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 26 tháng 12 năm 2019 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) TS Nguyễn Vĩnh Hảo TS Phạm Việt Cường PGS.TS Nguyễn Quốc Chí PGS.TS Nguyễn Thanh Phương TS Nguyễn Đức Thành 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 TRƯỞNG KHOA………… 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: NGUYỄN ĐỨC TÔ MSHV : 1770344 Ngày, tháng, năm sinh: 10/03/1994 Nơi sinh: Quảng Ngãi Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số : 60 52 02 16 I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BÁM MỤC TIÊU CHO PHƯƠNG TIỆN TỰ HÀNH DƯỚI NƯỚC II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: ➢ Xây dựng mô hình tốn mơ tả đặc trưng AUV ➢ Xây dựng điều khiển trượt cho AUV ➢ Xây dựng giải thuật di truyền (GA) tối ưu thông số điều khiển trượt ➢ Xây dựng giải thuật dẫn hướng Constant Bearing cho AUV bám mục tiêu ➢ Thử tích hợp giải thuật dẫn hướng bám mục tiêu vào điều khiển đội hình (leaderfollower) ➢ Đánh giá, nhận xét hướng phát triển III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 19/08/2019 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 08/12/2019 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS HUỲNH THÁI HOÀNG Tp HCM, ngày 09 tháng 12 năm 2019 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA………… (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Mở đầu xin gửi lời cảm ơn chân thành đến giảng viên hướng dẫn, thầy PGS.TS Huỳnh Thái Hồng người ln quan sát, định hướng giúp đỡ suốt trình thực đề cương luận văn cao học Xin cảm ơn tất thầy cô môn Điều Khiển Tự Động, thầy cô khoa Điện Điện tử trường đại học Bách Khoa Tp.HCM giảng dạy, cung cấp cho tơi nhiều kiến thức bổ ích khơng q trình nghiên cứu sau đại học mà cịn q trình học tập tơi cịn sinh viên Tôi xin chân thành cảm ơn cha mẹ, bạn bè khóa cao học Điều Khiển Tự Động Hóa 2017 khơng ngừng khích lệ, giúp đỡ để tơi hồn thành tốt đề cương luận văn Học viên thực NGUYỄN ĐỨC TƠ TĨM TẮT LUẬN VĂN Phương tiện ngầm điều khiển từ xa phương tiện ngầm nhà nghiên cứu đại dương sử dụng nhiều năm gần Đặc biệt nước ta có bờ biển dài 3000 km diện tích lớn ao hồ đầm lầy… Việc thăm dò khai thức nguồn tài nguyên lòng đại dương gặp phải hạn chế vùng biển sâu Đối với cơng trình biển giàn khoan, đường ống dẫn dầu, đường dây cáp quang… trình xây dựng khai thác nhu cầu thăm dị, khảo sát, tiến hành cơng việc nước tất yếu Việc nghiên cứu thiết kế điều khiển AUV phục vụ nghiên cứu triển khai rộng rãi giới Việt Nam khơng nằm ngồi xu hướng Do đó, đóng góp vào phát triển khoa học, cơng nghệ đổi sáng tạo Việt Nam Mang nhiều ưu điểm vượt trội công nghệ tự động hóa, đời AUV hệ chuyên biệt hóa hứa hẹn giải pháp lĩnh vực quen thuộc trắc địa đồ hay an ninh đường thủy Luận văn thực công việc bao gồm việc xây dựng mơ hình tốn mơ tả đặc trưng AUV Thiết kế điều khiển trượt cho AUV để điều khiển vận tốc, góc heading độ sâu Xây dựng giải thuật di truyền (GA) tối ưu thông số điều khiển trượt luật dẫn hướng Constant Bearing cho AUV bám mục tiêu Thử tích hợp bám mục tiêu vào xây dựng điều khiển đội hình (leader-follower) Các kết đánh giá qua mô Matlab/Simulink ABSTRACT The design and control of AUV for research is being widely implemented in the world and Vietnam will not be out of that trend Besides, research also contributes to the development of science, technology and innovation in Vietnam The introduction of a new generation of AUVs will provide a new solution in many fields such as commerce, military, research The dissertation includes: building a mathematical model of AUV, designing sliding mode controls for AUV, implementing genetic algorithm (GA) to optimize parameters of controllers, Constant Bearing guidance for AUV in target tracking scenario, integrating guidance algorithm to build a leader-follower formation The results will be assessed through simulations on Matlab/Simulink LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu thân, xuất phát từ yêu cầu phát sinh trình làm luận văn Các tài liệu liên quan có nguồn góc rõ ràng, tuân thủ nguyên tắc, kết trình bày luận văn kết trình nghiên cứu trường đại học Bách Khoa TP.HCM Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2019 Tác giả luận văn Nguyễn Đức Tô MỤC LỤC Chương TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Ý nghĩa khoa học 1.3 Phạm vi ứng dụng 1.4 Tình hình nghiên cứu nước 1.4.1 Tình hình ngồi nước 1.4.2 Tình hình nước 1.5 Mục tiêu đề tài Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10 2.1 Các biến chuyển động 10 2.2 Các hệ quy chiếu 10 2.3 Mơ hình hóa AUV 13 2.3.1 Phương trình động học 6DOF 13 2.3.2 Phương trình chuyển động AUV 15 2.3.3 Phương trình chuyển động tích hợp dịng 24 2.4 Điều khiển trượt 28 2.4.1 Lý thuyết điều khiển trượt 28 2.4.2 Xây dựng luật điều khiển SMC phân tách trị riêng 30 2.5 Hệ thống dẫn hướng 33 2.5.1 Bám mục tiêu 34 2.5.2 Dẫn hướng Constant Bearing 35 Chương XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 40 3.1 Tuyến tính hóa hệ thống 40 3.1.1 Giải thuật điều khiển độ sâu 40 3.1.2 Giải thuật điều khiển góc heading 43 3.1.3 Giải thuật điều khiển vận tốc 44 Chương GIẢI THUẬT DI TRUYỀN 47 4.1 Giải thuật di truyền 47 4.1.1 Thích nghi 48 4.1.2 Chọn lọc 48 4.1.3 Lai ghép 49 4.1.4 Đột biến 50 4.2 Tối ưu điều khiển trượt GA 50 4.2.1 Luật điều khiển 50 4.2.2 Hàm chi phí 51 Chương ỨNG DỤNG 52 5.1 Hệ thống điều khiển trượt 52 5.1.1 Đáp ứng điều khiển 52 5.1.2 Đáp ứng kết hợp điều khiển 54 5.1.3 Khi thay đổi thơng số mơ hình 54 5.2 Luật dẫn hướng Constant Bearing 56 5.2.1 Khảo sát ảnh hưởng hệ số  p đến hành vi tiếp cận 58 5.2.2 Khi khơng có ảnh hưởng dòng tác động 59 5.2.3 Khi có ảnh hưởng dịng khơng bù dịng 62 5.2.4 Khi có ảnh hưởng dịng có bù dịng 64 5.2.5 So sánh có ảnh hưởng dịng khơng ảnh hưởng dịng 68 5.3 Thử tích hợp vào điều khiển đội hình leader-follower 69 5.4 Áp dụng GA tối ưu điều khiển trượt 71 5.4.1 Thông số điều khiển trượt dùng phương pháp thử sai 71 5.4.2 Thông số điều khiển trượt dùng giải thuật GA 72 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 76 6.1 Kết đạt 76 6.2 Hạn chế đề tài 76 6.3 Hướng phát triển 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 Hình 5.27 Quỹ đạo AUV mục tiêu mặt phẳng xz Hình 5.28 Quỹ đạo AUV mục tiêu không gian xyz Nhận xét: có ảnh hưởng dịng tác động lên AUV luật dẫn hướng CB có tính tốn để bù cho ảnh hưởng AUV hồn tồn thể tiếp cận bám mục tiêu Với vị trí ban đầu mục tiêu p t = 500,100,14 AUV T p =  0, 0,5 ; AUV gần 1100s để tiếp cận bám theo mục tiêu Nhưng có T dịng tác với động Vc =  0.3, −0.5, 0.2 AUV mục tiêu khơng cịn chuyển động T 67 vận tốc góc heading Với  p = 20 hành vi tiếp cận AUV với mục tiêu trở nên mượt lại tốn thời gian Trong trình tiếp cận mục tiêu, AUV giữ ln giữ cho hệ số góc vector LOS ln số Hình 5.25 điều tương tương tỉ lệ xoay vector LOS 5.2.5 So sánh có ảnh hưởng dịng khơng ảnh hưởng dòng Hình 5.29 So sánh vận tốc tương đối góc heading AUV Hình 5.30 So sánh quỹ đạo mặt phẳng xy mặt phẳng xz AUV 68 Nhận xét: Do có dịng tác động sinh góc sideslip nên góc heading khơng cịn góc course vận tốc tương đối khơng cịn với vận tốc tuyết đối nên có khác biệt 5.3 Thử tích hợp vào điều khiển đội hình leader-follower Giả sử đội hình gồm có leader hai follwers theo sau giữ khoảng cách 30m so với leader vector LOS leader với follower tạo với trục xb leader góc 1200 −1200 Hình 5.31 Quỹ đạo follower 69 Hình 5.32 Quỹ đạo follower Hình 5.33 Quỹ đạo leader hai follower 70 Hình 5.34 Đội hình leader-follower (mặt phẳng xy) Nhận xét: sau thành lập đơi hình leader follower giữ đội hình theo dạng hình học định sẵn trình di chuyển 5.4 Áp dụng GA tối ưu điều khiển trượt 5.4.1 Thông số điều khiển trượt dùng phương pháp thử sai Dùng phướng pháp thử sai tìm thơng số cho điều khiển Bảng 5.1 Bảng 5.1 Thông số điều khiển trượt dùng thử sai Dùng phương pháp thử sai Thông số điều khiển độ sâu Thơng số điều khiển góc heading p1d p2d d d Cd -0.635 -0.75 1.1 0.25 8612.4324 p1h p1h h h Ch Cdh = Cd + Ch 71 -1.24 -1.45 0.5 0.1 71.4620 8683.8944 5.4.2 Thông số điều khiển trượt dùng giải thuật GA Khi dùng giải thuật GA tối ưu thơng số điều khiển thông qua hàm n 2 chi phí điều khiển độ sâu Cd =  ( z ) +  ( xm )  hàm chi phí điều i =1 2 khiển góc heading Ch =  (  ) +  ( X prop )  n i =1   Ta có thơng số điều khiển tìm hàm chi phí giải thuật GA Bảng 5.2 Bảng 5.2 Thông số điều khiển trượt dùng GA Dùng phương pháp GA Thông số điều khiển độ sâu Thông số điều khiển góc heading p1d p2d d d Cd -2.2900 -1.9900 80.1100 99.6100 8608.0970 p1h p1h h h Ch Cdh = Cd + Ch -9.9980 -1.0227 7.2163 6.8898 71.2057 8679.3027 Hình 5.35 Đồ thị hàm chi phí độ sâu 72 Hình 5.36 Đồ thị tham số qua hệ độ sâu Hình 5.37 So sánh đáp ứng z 73 Hình 5.38 Đồ thị hàm chi phí góc heading Hình 5.39 Đồ thị tham số qua hệ góc heading 74 Hình 5.40 So sánh đáp ứng góc heading Nhận xét: Khi áp dụng giải thuật GA để tối ưu hệ thống ta có hàm chi phí hệ thống điều khiển góc heading CGAh = 71.2057 gần giống với dùng phương pháp thử sai CMTh = 71.4620 Trong hệ thống điều khiển độ sâu có khác biệt tương đối rõ với CGAh = 8608.0970 CMTh = 8612.4324 75 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 - Kết đạt Xây dựng mơ hình tốn mơ hệ thống AUV với phương trình phi tuyến tuyến tính hóa làm sở để xây dựng điều khiển - Xây dựng điều khiển trượt điều khiển vận tốc, góc heading, độ sâu cho AUV - Xây dựng luật dẫn hướng CB giúp AUV bám mục tiêu điều kiện có ảnh hưởng dịng - Giải thuật GA tối ưu tham số điều khiển trượt - Bài báo “Design, Simulation of AUV for Research and Rescue ”, The 16th Conference on Science & Technology, October 15, Ho Chi Minh City, Viet Nam 6.2 - Hạn chế đề tài Chưa thực nghiệm điều khiển trượt luật dẫn hướng CB mơ hình thực tế 6.3 - Chưa xét đến khả xoay trở AUV trình bám mục tiêu Hướng phát triển Xây dựng mơ hình AUV thực tế hồn chỉnh để thực nghiệm điều khiển trượt giải thuật dẫn hướng CB - Bộ điều khiển trượt sử dụng phương pháp khác để giảm tượng chattering - Nghiên cứu ứng dụng thực tế AUV hồn thiện giải thuật mơ thực khảo sát đáy biển, ao hồ… 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] (2017, Sep) Australian Maritime College http:// www.amc.edu.au/aboutamc/news-and-events/news-items/tamar-river-bedfeatures-revealed-on-auvs-first-science-mission [2] [(2018, June) Ocean Infinity [Online] https://oceaninfinity.com/wpcontent/uploads/ocean_infinity_press_release_donates.pdf [3] Ben Allen, et al., “REMUS: A small, low cost AUV; system description, field trials and performance results”, OCEANS 1997, MTS/IEEE conference proceedings, 6-9 Oct 1997, Canada [4] [Online] https://123doc.org//document/1314811-nghien-cuu-thiet-ke-che- tao-thiet-bi-robot-ngam-phuc-vu-tham-do-khao-sat-cac-cong-trinh-trenbien.htm [5] https://pcccanvinhphat.vn/thu-nghiem-thanh-cong-robot-tim-kiem-muctieuduoi-nuoc-rov-ho-tro-cong-tac-cuu-nan-cuu-ho-trong-dieu-kien-thuc-te [6] The Society of Naval Architects and Marine Engineers (SNAME) Nomenclature for Treating the Motion of a Submerged Body Through a Fluid Technical and Research Bulletin No 1-5,1950 [7] Fossen, “Handbook of Marine Craft Hydrodynamics and Motion Control”,( 2011) [8] Fossen TI “Marine Control Systems Guidance, Navigation, and Control of Ships, Rigs and Underwater Vehicles” Marine cybernetics AS (2002) [9] Prestero, T., “Verification of a Six-degree of Freedom Simulation Model for the REMUS Autonomous Underwater Vehicle,” Ph.D Thesis, Joint Program in Applied Ocean Science and Engineering, Massachusetts Institute of Technology, 2001 [10] Fossen, T.I Guidance and Control of Ocean Vehicles John Wiley and Sons Ltd., 1994 77 [11] Fossen, T.I Marine Control Systems Guidance, Navigation and Control of Ships, Rigs and Underwater Vehicles Marine Cybernetics AS, Trondheim, 2002 [12] Triantafyllou, M.S., & Hover, F.S Maneuvering and Control of Marine Vehicles (2002) [13] T M Josserand, Optimally-robust Nonlinear Control of a Class of Robotic Underwater Vehicles, Ph.D Dissertation, The University of Texas at Austin, USA, 2006 [14] Imlay, F HThe, Complete Expressions for Added Mass of a Rigid Body Moving in an Ideal Fluid Technical Report DTMB 1528 David Taylor Model Basin Washington DC (1961) [15] E Børhaug, A Pavlov, and K Y Pettersen, Integral LOS control for path following of underactuated marine surface vessels in the presence of constant ocean currents, in Proc of 47th IEEE Conference on Decision and Control., dec 2008, pp 4984–4991 [16] Caharija, W., Pettersen, K Y., Gravdahl, J T., & Borhaug, E (2012) Integral LOS guidance for horizontal path following of underactuated autonomous underwater vehicles in the presence of vertical ocean currents 2012 American Control Conference (ACC) [17] Fossen, T I (2012) How To Incorporate Wind, Waves And Ocean Currents In The Marine Craft Equations Of Motion Ifac Proceedings Volumes, 45(27), 126–131 [18] 21- M Breivik and T.I Fossen Guidance-based path following for autonomous underwater vehicles In Proc of MTS/IEEE Conference OCEANS ’05, pages 2807–2814, 2005 [19] Caharija, Integral Line-of-Sight Guidance and Control of Underactuated Marine Vehicles, PhD thesis (2014) [20] 21- V Utkin, J Guldner, J Shi, Sliding Mode Control in Electromechanical Systems, Taylor & Francis, Chap 8, pp 139-153, 1999 78 [21] Utkin, Sliding mode in Control and Optimazation,1992 [22] Morten Breivik, Topics in Guided Motion Control of Marine Vehicles Thesis (2010) [23] Fossen, Chapter 10-Guidance System of Lecture Notes TTK 4190 Guidance and Control of Vehicles [24] Morten Breivik, M & Fossen, T.I (2007) Applying missile guidance concepts to motion control of marine craft In: proceeding of the 7th IFAC CAMS, Bol, Croatia [25] Morten, B Topics in Guided Motion Control of Marine Vehicles Ph.D Thesis, Tapir Uttrykk, Trondheim, Norway, 2010 [26] Breiviketal, Straight-Line Target Tracking for Unmanned Surface Vehicles, 2008 [27] Healey, A J., & Marco, D B (n.d.) Experimental verification of mission planning by autonomous mission execution and data visualization using the NPS AUV II Proceedings of the 1992 Symposium on Autonomous Underwater Vehicle Technology [28] Sneha Dhananjay Joshi- Mathematical Modeling & Robust Fault Tolerant Controller Design For Autonomous Underwater Vehicles, PhD thesis 2016 [29] A J Healey and D Lienard Multivariable Sliding Mode Control for Autonomous Diving and Steering of Unmanned Underwater Vehicles IEEE Journal of Oceanic Engineering, 18(3):327-338, Jul 1993 [30] Fossen, Nonlinear Modelling, Identification and Control of UUVs, 2006 [31] Jenna Carr, An Introduction to Genetic Algorithms, May 16, 2014 [32] McGookin, Euan William, Optimization of sliding mode controllers for marine applications: a study of methods and implementation issues” PhD thesis, 1997 [33] Fengxu Liu et, 3DOF Adaptive Line-Of-Sight Based Proportional Guidance Law for Path Following of AUV in the Presence of Ocean Currents, 2019 79 [34] McGookin, E W., Murray-Smith, D J., Li, Y., & Fossen, T I (2000) Ship steering control system optimization using genetic algorithms Control Engineering Practice [35] Alfaro-Cid, E., McGookin, E W., Murray-Smith, D J.,Fossen, T I (2005) Genetic algorithms optimisation of decoupled Sliding Mode controllerssimulated and real results Control Engineering Practice [36] McGookin, E W., & Murray-Smith, D J (2006) Submarine manoeuvring controllers’ optimisation using simulated annealing and genetic algorithms Control Engineering Practice [37] Alfaro-Cid, E., McGookin, E W., Murray-Smith, D J., & Fossen, T I (2008) Genetic Programming for the Automatic Design of Controllers for a Surface Ship IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems 80 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Nguyễn Đức Tô Nam, Nữ: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 10/03/1994 Nơi sinh: Quảng Ngãi Địa email: 1770344@hcmut.edu.vn Điện thoại: 0976341643 QUÁ TRÌNH ÐÀO TẠO 2012 – 2017: Sinh viên trường Ðại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh khoa Ðiện Điện tử chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa 2017 – 2019: Học viên cao học trường Ðại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh khoa Ðiện - Điện tử chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa 81 ... mathematical model of AUV, designing sliding mode controls for AUV, implementing genetic algorithm (GA) to optimize parameters of controllers, Constant Bearing guidance for AUV in target tracking scenario,... Path tracking: mục tiêu điều khiển bám theo vị trí mục tiêu di chuyển theo đường định trước 2.5.1 Bám mục tiêu Từ nhiệm vụ đề tài, giải thuật dẫn hướng chọn cho ứng dụng bám mục tiêu (target tracking) ... TẮT SMC Sliding Mode Control SNAME The Society of Naval Architects and Marine Engineers AUV Autonomous Underwater Vehicle CP Constant Bearing PN Proportional Navigation GA Genetic Algorithm MT