Điều khiển AUV theo quỹ đạo đặt trước

7. Kết cấu của luận án

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 được tạo thành từ hai điểm chuyển hướng

pn x ,

y T và pn x , y T

k k k k1 k1 k1

như trong hình 3.10, vận tốc và hướng đi AUV sẽ được xác định như sau:

U t  

 t  a tan 2 y t , xt

 , 

(3.51) (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

chiếu với gốc đặt tại waypoint

pn x , y

T và hệ trục tọa độ tham chiếu này

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  (3.53) t  R a T  pn t   pn  (3.54) k k k p k k

trong đó:

 (t) s(t),e(t)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 ()Tđược tính như sau:

R a T  cos ak  si n ak  (3.5 5) p k sin a cos a   k k  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 . 5 6 ) 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 ( lime(t)  0

). Để thực hiện được điều này thì hệ thống

t

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

cun g 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.

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 pn 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 k1 . p ak (3.58) ��(�) = ������ (− �(�) ) (3.59) Δ

Trong đó  là khoảng cách từ hình chiếu của điểm pn

(t) trên đoạn thẳng quỹ đạo mong muốn cho đến điểm chuyển

hướng

n k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) Trong đó  arcsin  v 

  là góc trượt của con tàu. Tuy nhiên vì 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: x xt 2  y  y t 2 R k1 p p U n .

(3.62)

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 ≤ �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.