Đang tải... (xem toàn văn)
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 ch[r]
(1)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 trị thiết bị lái tự động hướng chuyển động trang bị cho tàu ngầm loại Remus với mục đích làm tăng mức độ thông minh thiết bị thực mô trên 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
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 trị thiết bị lái tự động có độ thơng minh cao trang bị cho tàu ngầm cho hướng chuyển động
bám theo hướng chuyển động mong muốn xác định trước mà khơng cần có người điều khiển
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
(2)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
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 khơng 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, cịn 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:
0
r U
u (1)
f
r mU r Y
v
m (2)
f
zzr N
I (3)
r
(4)
m khối lượng tàu ngầm; urlà tốc độ
chuyển động tàu ngầm với const
U
ur 0 ; vr,vr tương ứng tốc độ, gia tốc lắc; hướng chuyển động; r, r tương ứng tốc độ, gia tốc chuyển hướng;
zz
I mơmen qn tính
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:
v ,dv /dt,r,dr/dt, ,t
f
Yf r r r
(5)
v ,dv /dt,r,dr/dt, ,t
f
Nf r r r
(6)
Lực tác động bánh lái phân thành hai thành phần tuyến tính là: Yr
r
N (r góc bánh lái) Thực khai triển (5), (6) theo chuỗi Taylo, biến đổi có
f
Y
Nf 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:
r r
r r v r v
f Y v Y v Y r Y r Y
Y
r
r
(7)
r r
r r v r v
f N v N v N r N r N
N
r
r
(8)
trong hệ số hai phương trình tuyến tính (7), (8) có dạng sau đây:
; v Y Y
r f
vr
;
v Y Y
r f
vr
;
r Y Yr f
;
r Y Yr f
; v N N
r f
vr
;
v N N
r f
vr
;
r N Nr f
r N
Nr f
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:
r r r r v
0 r r v r r zz r v
r r v
0 N Y r v
0 1 0
0 N N
0 mU Y Y r v
1 0 0
0 N I N
0 Y Y m
(9)
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
(3)hai nằm ngang hai thẳng đứng Mơ hình tàu ngầm loại Remus trình bày hình
Hình Mơ hình tàu ngầm loại Remus 3.1 Xây dựng toán 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 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:
r
B Ax
x (10)
0
0 N N
0 mU Y Y
1 0
0 N I N
0 Y Y
m
A v r
0 r v r zz v
r v
r r r
r
; N Y 0
0 N I N
0 Y Y
m B
1 r zz v
r v
r r
T
r r
v
x (11) Giả thiết tồn ma trận nghịch đảo:
0 0
0 N I N
0 Y Y
m
det v zz r
r v
r r
(12)
hay: (m Yv )(Izz Nr) Nv Yr r
r
3.2 Thiết lập sơ đồ điều khiển
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 (1xn2x1)đóng vai trị 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 bám theo 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 (1xn2x1) gồm có ba lớp: lớp vào có số nút n1 1đưa tín hiệu sai
lệch ed vào mạng; lớp có số nút
n3 đưa tín hiệu điều khiển góc quay bánh lái r điều khiển hướng chuyển động tàu ngầm; lớp ẩn có số nút n2 cần xác định trình điều khiển
3.3 Quá trình điều khiển
Phần trình bày luật học lan truyền ngược theo sai lệch [2] để tìm luật điều
Hình Sơ đồ ứng dụng mạng nơ - rôn truyền thẳng lớp (1xn2x1) thiết bị lái tự động tàu ngầm loại Remus
Hướng mong muốn
Mơ hình tàu ngầm
Remus
r
d
Luật học lan truyền ngược theo sai lệch
+ _ Mạng nơ - rôn
truyền thẳng lớp (1xn2x1) Thiết bị lái tự động
(4)chỉnh ma trận trọng số bias mạng ) 1 x xn 1
( 2 là: 1 mj n x1 ] w [
w ;
2
xn im
2 [w ]
w
ma trận bias:
2 xn m [b ]
b ; b3 [bi]1x1
(với j1; m1,2, ,n2; i1) để tạo tín hiệu điều khiển góc lái tự động r cho ln bám theo dcho trước, tức sai lệch điều khiển đạt cực tiểu Luật cập nhật giá trị điều chỉnh mạng
1 x n x
1 2 sau:
Lớp :
) k ( w ) k ( w ) k (
wim im im (13)
)) k ( b ) k ( v ( a ) k ( ) k (
wim i m m
) k ( b ) 1 k ( b ) k (
bi i i (14)
trong đó:bi(k)i(k) (víi i1)
) k ( e )) k ( b ) k ( v ( ' a ) k
( i i
i
(15)
n m m m im
i(k) w (k)a(v (k) b (k))
v (16)
(với m1,2, ,n2; i1)
Lớp ẩn: wmj(k)wmj(k1)wmj(k) (17)
)) k ( b ) k ( v ( a ) k (
wmj m j j
) k ( b ) 1 k ( b ) k (
bm m m (18)
bm(k)m(k)
1
i im i
m m
m(k) a'(v (k) b (k)) w (k) (k) (19)
) k ( e ) k ( w ) k ( x ) k ( w ) k (
v mj
1
j mj j
m
(20)
(j1;m1,2, ,n2;i=1);wim(k),bi(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;
) k ( b ), k (
wmj m
tương ứng thay đổi 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
tương ứng nút thứ i lớp nút thứ m lớp ẩn thời điểm thứ k; vm(k),vi(k)tương ứng trọng lượng nút thứ m lớp ẩn nút thứ i lớp tạithời điểm thứ k; xj(k) tín hiệu vào nút thứ j lớp vào thời điểm thứ k; hệ số học (01); xj(k)e(k);
1
j ) ặ) hàm chuyển đổi tang hyperbolic:
1 e ) net ( a net ; net ) net ( a ) net ( ' a ; T k 3 d T k
2 (k) a(v (k) b (k)
2 1 ) k ( e 2 1 E (21)
Sử dụng cơng thức từ (13) đến (21) tìm thông số điều chỉnh ma trận trọng số, bias mạng (1xn2x1)thoả mãn điều kiện
cp E
E (22) (Ecp sai lệch cho phép);
) k (
e sai lệch thời điểm thứ k; T số lượng điểm lấy mẫu chu kỳ học;
) T , , 2 , 1 (
k Nếu chưa thoả mãn, tiếp tục thay đổi số nút lớp ẩn n2 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 n2của mạng
) 1 x xn 1
( 2 cần có giá trị nhỏ mà đảm
bảo điều kiện (22) 3.4 Kết mô
Thực mô Matlab với thông số tàu ngầm loại Remus [1]:
3
m (kg);U0 1.543(m/s);
), kg ( 5 . 35 Y r
v
), rad / kgm ( 93 . 1
Yr Y 66.6(kg/s), r
v
), s / kgm ( 2 . 2
Yr N 1.93(kgm), r
v
), rad / kgm ( 88 . 4
Nr N 4.47(kgm/s),
r
v
), m / kg ( 45 . 3
Izz Nr 6.87(kgm2/s), ), s / kgm ( 5 . 3 / 6 . 34
(5)Hình Sơ đồ mạng nơ - rôn truyền thẳng lớp(1xn2x1) trong thiết bị lái tự động
hướng chuyển động mong muốn d biểu diễn đồ thị hình Thực mơ với phần mềm Matlab Kết mơ 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
điều khiển (nét liền) sử dụng loại mạng nơ - rôn truyền thẳng: (1x2x1),
) 1 x 3 x 1
( , (1x4x1), (1x5x1), (1x6x1) Dễ
nhận thấy tín hiệu bám theo d mức độ khác Cần chọn loại mạng nơ - rôn truyền thẳng có số nút lớp ẩn
6
n2 , tức chọn mạng nơ - rôn 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 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 mạng (1x6x1)
0 200 400 600 800 1000 1200 -1
-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.2 0.4 0.6 0.8
Hình Đồ thị hướng mong muốn d
0 200 400 600 800 1000 1200 -1.5
-1 -0.5 0.5 1.5
Hình Hướng mong muốn d (nét đứt), hướng chuyển động (nét liền) sử dụng mạng
) 1 x 2 x 1 (
0 200 400 600 800 1000 1200 -1.5
-1 -0.5 0.5 1.5
Hình Hướng mong muốn d (nét đứt), hướng chuyển động (nét liền) sử dụng mạng (1x3x1)
0 200 400 600 800 1000 1200 -1.5
-1 -0.5 0.5 1.5
Hình Hướng mong muốn d (nét đứt), hướng chuyển động (nét liền) sử dụng mạng (1x4x1)
0 200 400 600 800 1000 1200 -1.5
-1 -0.5 0.5 1.5
Hình Hướng mong muốn d (nét đứt), hướng chuyển động (nét liền) sử dụng mạng (1x5x1)
0 200 400 600 800 1000 1200 -1.5
-1 -0.5 0.5 1.5
Hình Hướng mong muốn d (nét đứt), hướng chuyển động (nét liền) sử dụng mạng
) 1 x 6 x 1 (
0 200 400 600 800 1000 1200 -0.1
-0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1
Hình 10 Đồ thị tín hiệu điều khiển góc quay bánh lái
r
sử dụng mạng (1x6x1)
-1 -0.5
0 0.5
1-2 -1
0
2 -0.1
-0.05 0.05 0.1
Huong tau ngam (), don vi=rad Huong tau ngam mong muon(m), don vi=rad
G
oc
q
ua
y
b
a
n
h l
a
i
(
),
d
o
n v
i=
ra
d
Hình 11 Đồ thị ba chiều mơ tả quan hệ
) , ,
(d r sử dụng 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
khiển rcó 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 k1200 mạng
) 1 x 6 x 1
(6)0.1495 -0.1685 0.1960 0.1624 0.0741-0.1315T )
1200 (
w
0.1615 -0.0294 0.1066 -0.0100 0.1800 -0.1924
) 1200 (
w
0.0929 0.0593 0.1602 0.0698 0.1151 0.0308 )
1200 ( 2
b
-0.0442 )
1200 ( 3
b
IV KẾT LUẬN
Kết mô cho thấy giải pháp ứng dụng mạng nơ - rôn truyền thẳng (1x6x1) thiết bị lái tự động điều khiển thích nghi hướng chuyển động tàu ngầm loại Remus phù hợp, hướng chuyển động bám sát theo hướng chuyển động mẫu mong muốn Ψd Ứng dụng mạng nơ - rôn
truyền thẳng nhiều lớp điều khiển hướng nghiên cứu mới, chưa ứng dụng
nhiều nước ta Giải pháp góp phần khẳng định hướng nghiên cứu ứng dụng mạng nơ - rôn truyền thẳng nhiều lớp đắn lĩnh vực cần quan tâm Đây thực giải pháp mới, cải thiện mức độ thông minh thiết bị lái tự động điều khiển thích nghi hướng chuyển động tàu ngầm nói riêng ứng dụng lĩnh vực điều khiển hệ tuyến tính phi tuyến khác nói chung
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Lynn Renee Fodrea, Obstacle avoidance control for the Remus autonomous underwater vehicle, Monterey, California, 2002
2 C.T Lin, C.S George Lee; Neural Fuzzy systems; Prentice Hall Internatinal, 1996
3 Astrom K.J.,Wittenmark B.,Adaptive Control, Reading, MA: Addison Wesley, 1989
4 Eduardo F Camacho, Carlos Bordon; Model Predictive Control; Springer Verlag London Limited, 1999
5 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