7. Kết cấu của luận án
4.3 Mô phỏng điều khiển dẫn đường AUV và thực hiện các nhiệm vụ dướ
dưới nước
Tình huống trong phần 4.3 của chương này gồm các mô-đun sau:
submarine.m: là file chương trình mô phỏng chính.
npsauv.m: là file mô hình toán học AUV.
CurrGen.m: là file tạo ra tác động của dòng chảy lên AUV.
annaiTrain.m: là file chương trình huấn luyện mạng nơ-ron điều khiển theo thuật toán thích nghi tương tác.
mlnnc.m: là file mạng nơ-ron tạo ra các tham số điều khiển.
LOSguide.m: là file tính hướng đi LOS cho AUV. offtrackdist.m: là file tính khoảng cách lệch khỏi đường đi trên mặt
Hình 4.20 Mô phỏng hệ thống điều khiển và dẫn đường AUV
Trong phần này tác giả mô phỏng những tình huống sau đây:
- Thí nghiệm 6: Điều khiển AUV chuyển động theo quỹ đạo hình
vuông, độ sâu không đổi, không có dòng chảy tác động.
- Thí nghiệm 7: Điều khiển AUV chuyển động theo quỹ đạo hình
vuông, độ sâu thay đổi, không có dòng chảy tác động.
- Thí nghiệm 8: Điều khiển AUV theo quỹ đạo zig-zag khi không có dòng chảy tác động, độ sâu không đổi.
- Thí nghiệm 9: Điều khiển AUV theo quỹ đạo zig-zag khi có dòng chảy tác động, độ sâu không đổi.
- Thí nghiệm 10: Mô phỏng điều động zig-zag khi tính đến độ lệch khỏi đường đi theo mặt phẳng ngang.
- Thí nghiệm 11: Mô phỏng điều động zig-zag khi tính đến độ lệch khỏi đường đi theo mặt phẳng ngang, có dòng chảy tác động.
4.3.1 Điều khiển AUV theo quỹ đạo đặt trước
- Thí nghiệm 6: Điều khiển AUV chuyển động theo quỹ đạo hình
vuông, độ sâu không đổi, không có dòng chảy tác động.
Đồ thị phía trên của hình 4.21 là hướng đi thực tế của AUV (nét liền, xanh) và hướng đi mong muốn (nét đứt, đỏ). Hướng đi mong muốn được thuật toán dẫn đường tính toán tự động. BĐK NNC làm cho hướng đi thực tế bám
theo giá trị hướng đi mong muốn này và do đó, AUV chuyển động theo quỹ đạo hình vuông mong muốn.
Hình 4.21 Đáp ứng hướng đi của AUV trong TN6
Hình 4.23 Đáp ứng tốc độ trong TN6
Hình 4.24 Vết chuyển động của AUV trong TN6
Hình 4.21 và 4.22 cho thấy tác động qua lại phức tạp của hướng đi và độ sâu khi AUV chuyển hướng. Độ sâu AUV dao động mỗi khi nó chuyển sang hướng đi mới tại góc vuông của quỹ đạo.
Hình 4.25 Quỹ đạo trên mặt phẳng ngang của AUV trong TN6
- Thí nghiệm 7: Điều khiển AUV chuyển động theo quỹ đạo hình vuông, độ sâu thay đổi, không có dòng chảy tác động.
Hình 4.27 Đáp ứng độ sâu của AUV trong TN7
Hình 4.29 Quỹ đạo chuyển động của AUV trong TN7
Hình 4.30 Quỹ đạo trên mặt phẳng ngang của AUV trong TN7
Trong thí nghiệm mô phỏng này, độ sâu của điểm chuyển hướng thứ 3 giảm từ 10m về 3m. Cánh điều khiển phía trước được điều khiển bởi một BĐK PD với hệ số khuếch đại tỉ lệ nhỏ để hỗ trợ. Trên từng đoạn của quỹ đạo, AUV bám theo đường đi ở mặt phẳng ngang và ở phương độ sâu, giá trị độ sâu đạt được như mong muốn.
- Thí nghiệm 8: Điều khiển AUV theo quỹ đạo zig-zag khi không có dòng chảy tác động, độ sâu không đổi.
Hình 4.31 Đáp ứng hướng đi của AUV trong TN8
Hình 4.33 Đáp ứng tốc độ của AUV trong TN8
Hình 4.34 Quỹ đạo chuyển động của AUV trong TN8
Đây là hoạt động khá phức tạp của AUV khi quỹ đạo chuyển động là đường zig-zag tạo bởi các đoạn vuông góc trong hoạt động khảo sát đáy biển hoặc tìm kiếm cứu nạn, thăm dò,… (hình 4.34).
Hình 4.35 Quỹ đạo của AUV trên mặt phẳng ngang trong TN8
Hướng đi mong muốn trên từng đoạn có thể là LOS, hướng dọc theo đoạn quỹ đạo hiện thời (từ điểm đầu đến điểm cuối đoạn đường hiện thời), hoặc hướng từ vị trí hiện tại của AUV tới điểm chuyển hướng hiện tại phía trước. Trong trường hợp này hướng LOS được chọn. BĐK NNC được dùng cho cả bánh lái hướng và cánh điều khiển độ sâu phía trước và sau của NPS AUV II.
- Thí nghiệm 9: Điều khiển AUV theo quỹ đạo zig-zag khi có dòng
chảy tác động, độ sâu không đổi.
Hình 4.37 Đáp ứng tốc độ của AUV trong TN9
Hình 4.39 Quỹ đạo chuyển động của AUV trong TN9
Hình 4.40 Quỹ đạo của AUV trên mặt phẳng ngang trong TN9
Trong Thí nghiệm 9 dòng chảy tác động làm hướng và vị trí AUV dịch chuyển và dao động. Độ sâu cũng dao động nhưng vẫn đảm bảo trên mặt phẳng ngang.
- Thí nghiệm 10: Mô phỏng điều động zig-zag khi tính đến độ lệch khỏi đường đi theo mặt phẳng ngang.
Hình 4.41 Đáp ứng hướng đi của AUV trong TN10
Hình 4.43 Đáp ứng tốc độ của AUV trong TN10
Hình 4.45 Quỹ đạo trên mặt phẳng ngang của AUV trong TN10
Hình 4.46 Khoảng cách dạt trên mặt phẳng ngang (TN10)
Trong Thí nghiệm 10, BĐK NNC chỉ điều khiển cánh điều khiển độ sâu phía sau do AUV chỉ làm việc trong mặt phẳng ngang, BĐK PD điều khiển cánh phía trước giúp ổn định góc chúi AUV. Hướng dẫn đường là hướng giữa 2 điểm chuyển hướng của đoạn quỹ đạo hiện tại. Độ dạt ngang được đưa vào thuật toán học online của BĐK NNC giúp AUV ổn định bám theo quỹ đạo.
- Thí nghiệm 11: Mô phỏng điều động zig-zag khi tính đến độ lệch khỏi đường đi theo mặt phẳng ngang, có dòng chảy tác động.
Hình 4.47 Đáp ứng hướng đi của AUV trong TN11
Hình 4.49 Đáp ứng tốc độ của AUV trong TN11
Hình 4.50 Quỹ đạo chuyển động của AUV trong TN11
Ảnh hưởng tác động của ngoại cảnh làm AUV dao động và dạt ngang nhưng vẫn ổn định xung quanh quỹ đạo chuyển động mong muốn.
Hình 4.51 Quỹ đạo trên mặt phẳng ngang của AUV trong TN11
Hình 4.52 Khoảng cách dạt trên mặt phẳng ngang (TN11)
Mục đích của thí nghiệm này là minh họa hoạt động của hệ thống điều khiển dẫn đường trên hình 3.11. Trong đó BĐK NNC nhận dạng tác động của dòng chảy thông qua độ dạt do nó gây ra cho AUV được tính trong mỗi chu trình điều khiển. Độ dạt này đại diện bởi tham số (mục 3.5.2). Quá trình học của mạng nơ-ron được tính đến giá trị (phương trình 3.68)
thích nghi với tác động của dòng chảy qua mỗi chu trình điều khiển, làm cho AUV bám sát quỹ đạo mong muốn mặc dù dòng chảy có xu hướng đẩy dạt AUV ra xa quỹ đạo này, hoặc sau mỗi lần thay đổi hướng trên đoạn đường tiếp theo, khoảng cách từ AUV đến đoạn quỹ đạo mới lại ổn định dần về zero (hình 4.52, đồ thị phía trên).
4.3.2 Điều khiển AUV bám theo địa hình đáy
- Thí nghiệm 12: Mô phỏng điều khiển AUV bám theo địa hình đáy.
Hình 4.54 Đáp ứng độ sâu của AUV trong TN12
Hình 4.56 Độ sâu thực tế của AUV (nét liền, xanh) và đáy (nét đứt, đỏ)
Trong thí nghiệm này, AUV đi thẳng theo hướng cố định 0 có tác động của dòng chảy. Vị trí của AUV theo chiều thẳng đứng (trục Oz) luôn cách đáy khoảng cách 5m. Trong thực tế khoảng cách này luôn xác định được bằng máy đo sâu hồi âm. Kết quả mô phỏng cho thấy AUV luôn đi theo quỹ đạo ổn định cách đáy một khoảng cách mong muốn 5m với sai số nhỏ và bám theo hình dạng đáy.