42 Điều khiển AUV bám theo địa hình đáy

(3 43)

(3 44) trong đó 2 ,2 , 2 , và 2 là hằng số; z kd zk là độ sâu mong muốn và độ sâu

E1k [1 ( kd k ) 21 Rk2 1rk2 ],

thực;  Sk là góc bẻ của bánh lái độ sâu; wk là tốc độ theo phương đứng; và k

là góc chúi của phương tiện ngầm (được thêm vào nhằm hạn chế góc chúi trong quá trình thay đổi độ sâu)

Hình 3 7 Sơ đồ hệ thống điều khiển độ sâu AUV

Luật cập nhật trọng số trong trường hợp này, áp dụng phương pháp biến đổi trong [3], được tính như sau:

w� 2 jp O2 p [2 j sig(I 2 j ) 2 0] O2 p2 j sig(I 2 j ) , w� 2ij 2 sig(I 2 j ) (2e2k2 Sk 2wk 2k )

��� 2�� O2 j�� (�2e2k����2� Sk���� 2wk���� 2� k )

(3 45)

(3 46) Chỉ số 2 biểu thị BĐK nơ-ron thứ hai dùng cho điều khiển độ sâu, trong đó �2� = ��� − ��

c Hệ thống điều khiển tốc độ

Để thực hiện nhiệm vụ điều khiển tốc độ, hàm mục tiêu của bộ điều khiển NNC được chỉnh với các thành phần như sau:

1

2 (3 47)

trong đó3 ,3 , 3 , và 3 là các hằng số; u kd , u k là giá trị mong muốn và giá trị thực tế của tốc độ phương tiện; �� là tốc độ vòng quay của máy; u� k là thành phần vi phân của tốc độ phương tiện; �� là tích phân của sai số tốc độ

Luật cập nhật trọng số trong trường hợp này, áp dụng phương pháp biến đổi trong [3], được tính như sau:

�Θ3�� = �3�[�3� ���(−�3� ) + �3 0] = ⋅ �3��3� ���(−�3� ), �Θ3�� = �3 ⋅���(�3� ) (⋅ �3�3� + �3�� + �3�Θ� + �3�� =    �3 ⋅�3� (⋅ �3�3� + �3�� + �3�Θ� + �3�� ) (3 48) (3 49) Chỉ số 3 biểu thị BĐK nơ-ron thứ ba dùng cho điều khiển tốc độ, trong đó e3k ukd uk , và

Z k (t) e3k (t)dt (3 50)

3 3 3 Điều khiển tổng hợp các chuyển động của AUV bằng phương pháp tách rời (decoupled control)

Hình 3 9 Sơ đồ hệ thống dẫn đường và điều khiển AUV

Trong luận án này, ngoài việc điều khiển riêng từng chuyển động của AUV (hướng, độ sâu và tốc độ) tác giả nghiên cứu điều khiển cả 3 yếu tố này trong hoạt động của AUV một cách đồng thời Sơ đồ hệ thống điều khiển AUV về hướng đi, độ sâu, tốc độ và điều khiển dẫn đường, thực hiện các nhiệm vụ làm việc dưới nước được thể hiện trên Hình 3 9

3 4 Hệ thống điều khiển dẫn đường AUV và thực hiện các nhiệm vụdưới nước dưới nước

3 4 1 Điều khiển AUV theo quỹ đạo đặt trước

Điều khiển AUV theo quỹ đạo đặt trước thường sử dụng trong trường hợp AUV khảo sát đáy biển, tìm kiếm cứu nạn, dò tìm hư hỏng trên đường ống ngầm… Việc điều khiển này giả định tốc độ AUV không thay đổi, quỹ đạo theo mặt phẳng ngang được định trước bằng các điểm chuyển hướng tạo thành tuyến (route) Độ sâu có thể thay đổi theo lệnh hoặc cố định Trong đề tài này, tác giả sử dụng luật dẫn đường LOS (Line-of-Sight) để điều khiển AUV theo tuyến

Giả sử AUV có tọa độ x, y trong hệ trục tọa độ {n} di chuyển trong

mặt phẳng nằm ngang và bám theo quỹ đạo mong muốn là một đoạn thẳng

T T

,y ,y

như trong hình 3 10, vận tốc và hướng đi AUV sẽ được xác định như sau:

2 2

(3 51)

t a tan 2 yt, xt , (3 52) Để xác định sai số bám quỹ đạo của con tàu e(t), ta tiến hành chuyển tọa độ x, y của con tàu trong hệ trục tọa độ {n} sang hệ trục tọa độ tham

T

quay quanh trục zn của hệ trục tọa độ {n} một góc k được xác định như sau:

ak a tan 2 yk1 yk , xk1 xk T

(3 53) (3 54) được tạo thành từ hai điểm chuyển hướng pnk x k k và pnk1 x k1 k1

Ut xt yt

chiếu với gốc đặt tại waypoint pnk x k , yk và hệ trục tọa độ tham chiếu này

trong đó:

T

s(t) : là khoảng cách along-track e(t): là sai số bám quỹ đạo

Theo tài liệu [31] thì giá trị ma trận R p ( k )T được tính như sau:

Tcos ak

 sin ak

 sin ak

cos ak (3 55)

Ta có thể xác định được sai số bám quỹ đạo của con tàu như sau:

et xt xk sin ak yt yk cos ak (3 56) Nhiệm vụ chính của hệ thống dẫn đường (Guidance) là tính toán các trạng thái mong muốn giúp cho AUV bám theo quỹ đạo được định trước, điều này cũng tương đương với việc hệ thống dẫn đường phải làm cho sai số bám quỹ đạo e(t) tiến về 0 ( lim e(t) 0 ) Để thực hiện được điều này thì hệ thống

dẫn đường LOS sử dụng nguyên lý Lookahead-based Steering để tính toán hướng đi mong muốn d và từ đó tính ra góc mũi tàu mong muốn d cung cấp cho hệ thống máy lái tự động Hệ thống máy lái tự động sẽ sử dụng d

như là tín hiệu điều khiển đầu vào nhằm điều khiển con tàu bám theo quỹ đạo mong muốn và làm cho sai số bám quỹ đạo của con tàu giảm dần về 0

Hình 3 10 Luật điều hướng LOS

t



 a Rp k

Phương pháp điều khiển tàu bằng nguyên lý Lookahead-based Steering sẽ làm cho sai số bám quỹ đạo e(t) tiến về 0 bằng cách hướng vector vận tốc của AUV đến điểm chuyển hướng kế tiếp trên quỹ đạo mà con tàu cần phải đi đến hay cũng chính là điểm chuyển hướng pnk1 trên đoạn thẳng quỹ đạo mà con tàu đang bám theo như hình 3 10

Theo tài liệu [31] thì hướng đi mong muốn d theo nguyên lý Lookahead-based Steering sẽ được tách thành hai thành phần như sau:

 d p re (3 57)

Trong đó p là góc tiếp tuyến của đoạn thẳng quỹ đạo mong muốn còn

 r là góc tương quan giữa vận tốc và quỹ đạo chuyển Góc r được thêm vào

d nhằm đảm bảo rằng vector vận tốc U của con tàu luôn hướng về điểm chuyển hướng pnk1

 p ak (3 58)

�� (�) = ������ (− � ( � )Δ ) (3 59)

n

thẳng quỹ đạo mong muốn cho đến điểm chuyển hướng pnk1

Từ (3 57), (3 58) và (3 59) thì ta có thể tính được hướng đi mong muốn (desired heading) theo nguyên lý Lookahead-based Steering như sau:

 d d p r (3 60)

 v  U

nên ta có thể giả thiết như 0

Khi đó (3 60) được viết lại thành:

 d p re (3 61)

Khoảng cách từ vị trí AUV đến điểm chuyển hướng được tính như sau:

2 2

(3 62) Trong đó là khoảng cách từ hình chiếu của điểm p (t) trên đoạn

 là góc trượt của con tàu Tuy nhiên vì v U Trong đó arcsin

Đây là điều kiện để AUV chuyển sang điểm chuyển hướng tiếp theo Trong trường hợp không gian 3 chiều (3D), độ sâu điểm chuyển hướng được tính đến:

[�� − �(�)]2 + [�� − �(�)]2 + [�� − �(�)]2 ≤ ��2 (3 63) Trong đề tài này, tác giả điều khiển AUV theo quỹ đạo vuông góc và zig-zag Các kết quả mô phỏng được trình bày ở Chương 4

3 4 2 Điều khiển AUV bám theo địa hình đáy

Trong hoạt động này, AUV có thể chuyển động thẳng hoặc chuyển hướng nhưng luôn giữ một độ sâu nhất định so với đáy ở vị trí hiện tại Giá trị độ sâu mong muốn mà hệ thống điều khiển độ sâu nhận được phụ thuộc vào độ sâu đo được từ máy đo sâu hồi âm Vị trí của AUV theo chiều thẳng đứng thay đổi theo địa hình đáy

Thực chất trong nghiên cứu này, bộ điều khiển sẽ giúp AUV bám theo giá trị độ sâu mong muốn khi độ sâu thay đổi Hàm mục tiêu của trường hợp này giống như tình huống điều khiển độ sâu đơn thuần nhưng điểm đặt thay đổi liên tục trong khi bộ điều khiển hướng và tốc độ giữ ổn định hướng đi và tốc độ mong muốn