6. Bố cục của luận án
1.6. Tổng quan về các phương pháp điều khiển thiết bị lặn tự hành
Hệ thống điều khiển chuyển động của AUV đóng vai trò vô cùng quan trọng như não bộ của toàn bộ hệ thống điều khiển, có vai trò tiếp nhận và xử lý thông tin thông qua các luật điều khiển, sau đó cung cấp các tín hiệu điều khiển thông qua bộ phân bố điều khiển tới các cơ cấu chấp hành của AUV.
Bộ điều khiển PID đã được sử dụng một cách rất rộng rãi do tính đơn giản và dễ dàng trong việc thực thi. Bộ điều khiển bám quỹ đạo PID đã được ứng dụng một cách rất thành công trong nghiên cứu của Wettergreen [26] cũng như trong một số công
23
trình nghiên cứu khác như [27, 28]. Bộ điều khiển này là một phần mở rộng của luật điều khiển chuyển động mô men xoắn đã được áp dụng trong điều khiển rô bốt, máy tự động.
Lý thuyết về điều khiển tối ưu cho phép việc điều khiển hoạt động một hệ thống tại giá trị nhỏ nhất. Một trong những phương pháp chính trong lý thuyết này là bộ điều khiển bậc hai tuyến tính LQR. Các thiết lập của LQR được tìm thấy bằng cách sử dụng một thuật toán giảm thiểu một hàm các sai số với các yếu tố trọng số được cung cấp. Bộ điều khiển tuyến tính bậc hai LQR được giải quyết bằng cách giả định rằng tất cả các trạng thái có sẵn để phản hồi. Nhưng điều này không phải lúc nào cũng đúng bởi vì không có cảm biến có sẵn để đo trạng thái hoặc các phép đo bị nhiễu do các yếu tố ngoại vi. Ví dụ về thiết kế điều khiển LQR cho AUV được tìm thấy trong [29, 30, 32]. Cùng với sự xuất hiện của các bộ điều khiển đơn giản như PID, LQG các thuật toán điều khiển phức tạp khác cũng lần lượt xuất hiện để áp dụng trên thiết bị lặn tự hành AUV. Đó là một thực tế điển hình cho thấy rằng các vấn đề phức tạp của một hệ thống có thể được đơn giản hóa bằng cách biến đổi phù hợp. Ý tưởng cơ bản bằng phương pháp tuyến tính phản hồi là thay thế hàm phi tuyến đầu vào phù hợp, đơn giản hóa các hệ động lực vòng kín thành hệ thống tuyến tính chính xác. Sau đó, các kỹ thuật hệ thống tuyến tính thông thường có thể được áp dụng.
Các bộ điều khiển thích nghi cũng đã được sử dụng [33], [34]. Việc áp dụng luật điều khiển này cho AUV đã đáp ứng yêu cầu về sự thay đổi động lực học của thiết bị khi vận hành trên biển. Ví dụ, bộ điều khiển này có thể tự thay đổi luật điều khiển của nó tùy theo môi trường bên ngoài thay đổi, như việc thay đổi dòng hải lưu, để đạt được mục đích theo yêu cầu định ra. Hơn nữa, các bộ điều khiển thích nghi cũng rất thích hợp do các thiết bị tự hành AUV thường xuyên thay đổi về cấu trúc, hoặc thay đổi về nhiệm vụ yêu cầu, dẫn tới việc thay đổi về tính chất tĩnh học và động lực học của nó. Tuy nhiên áp dụng luật điều khiển này vào một thiết bị thực tế là hết sức khó khăn trong việc thử nghiệm. Một số luật điều khiển khác, như bộ điều khiển trượt SMC cũng đã được áp dụng trên AUV [35, 36, 37]. Trong luật điều khiển này, động lực học của toàn hệ thống được vận hành bởi việc điều khiển chuyển mạch tốc độ cao. Bên cạch đó, việc kết hợp giữa các luật điều khiển cao cấp khác nhau cũng được xét đến và ứng dụng trên AUV. Ví dụ bộ điều khiển Nơ-ron mờ đã được phát triển bởi Mill và Harris [39] trong việc mô hình hóa bộ điều khiển độ sâu cho AUV. Bộ điều khiển này là sự kết hợp của hai luật điều khiển mạng nơ-ron và lôgic mờ. Trong nghiên cứu của Filaretov [40], theo một cách khác, đã ứng dụng và áp dụng luật điều khiển trượt thích nghi cho việc điều khiển chuyển động của AUV. Một ví dụ khác bộ điều khiển khiển thích nghi cho thiết bị lặn AUV được trình bày trong [31]. Một số nghiên cứu khác có thể xem tại [38, 41, 42]. Việc sử dụng kết hợp giữa các luật điều khiển khác nhau làm cho bộ điều khiển của thiết bị lặn tự hành tận dụng được những điểm mạnh của từng luật điều khiển, cũng như giảm bớt được những điểm hạn chế của chúng. Ngoài ra bộ điều khiển cho AUV với phương pháp dựa trên
24
thuật toán tích phân cuốn chiếu (IB) hay còn gọi là tích phân hồi tiếp đã được thực hiện trong các nghiên cứu của Sontag và Arstein [43, 44]. Các bước để thực hiện phương pháp này được thể hiện rất chi tiết tại một số nghiên cứu của Kokotovíc [46] hay Arcak [47]. Đối với ngành hàng hải, Fossen [45] thuộc đại học hàng hải Na Uy là một trong những người đi tiên phong trong việc nghiên cứu và ứng dụng các phương pháp điều khiển vào thiết kế và thực thi trên các thiết bị tự hành dưới nước. Fossen đã đưa ra các phân loại và so sánh giữa các phương pháp điều khiển khác nhau trên các hệ phi tuyến [48], cũng như đưa ra các hướng dẫn để người thiết kế hệ thống có thể dễ dàng áp dụng luật điều khiển tích phân cuốn chiếu vào thiết kế bộ điều khiển cho AUV [49].
Tuy nhiên, các mô hình động học của AUV là phi tuyến. Trước khi chúng ta thiết kế các bộ điều khiển PID, cần phải thực hiện tuyến tính hóa về một điểm cân bằng. Healy và Marco [50] đã thiết kế bộ điều khiển PD và các luật điều khiển đã được được triển khai thử nghiệm ngoài thực tế. Một thiết kế khác của bộ điều khiển PID cho AUV là được mô tả trong [51], các phương trình chuyển động được tách thành 3 chương trình con để thực hiện các bộ điều khiển cho AUV NDRE. Trong [52], Prestero trình bày thiết kế bộ điều khiển P-PD cho việc kiểm soát độ sâu của AUV REMUS. Hiệu suất của bộ điều khiển PD, PID đã được chứng minh là khá tốt, tuy nhiên không so sánh được với các loại khác phương pháp điều khiển có kiểm soát khác.
Mục tiêu thiết kế các bộ điều khiển cho AUV là đạt được hiệu năng cao, ổn định và chính xác. Nhiều loại sơ đồ điều khiển đã được sử dụng để thiết kế bộ điều khiển cho AUV. Trong khi nhiều bộ điều khiển được thiết kế dựa trên một loạt các mô hình hệ thống tuyến tính SISO cho một AUV, một vài thiết kế bộ điều khiển phi tuyến cũng đã được thực hiện để đạt được hiệu suất tốt hơn và chính xác hơn, chống lại nhiễu ảnh hưởng đến mô hình AUV. Tuy nhiên, phương pháp kiểm soát này không phù hợp với tất cả các hệ thống phi tuyến. Nó phụ thuộc nhiều vào dữ liệu chính xác về mô hình và khả năng thay thế phi tuyến bằng tuyến tính. Một ví dụ về việc sử dụng bộ điều khiển này trong AUV có thể được tìm thấy trong nghiên cứu của tác giả Chellabi và Nahon [53].
Các bộ điều khiển logic mờ đã được nghiên cứu, triển khai rất thành công trên AUV công bố trong các tài liệu [54, 55, 56, 59]. Việc ứng dụng logic mờ vào điều khiển AUV đã mang lại các giải pháp phù hợp khi mô hình toán của thiết bị lặn tự hành không được xác định một cách đầy đủ hoặc không mô tả được tất cả các trường hợp trong thực tế. Như vậy, việc áp dụng bộ điều khiển logic mờ trên AUV có thể không cần thiết phải cung cấp đầy đủ tất cả các mô hình thủy động lực học của AUV. Tuy vậy, nó cũng có một số điểm hạn chế trong việc thể hiện đầy đủ được các chế độ vận hành phức tạp của AUV.
25
Ngoài các bộ điều khiển nêu trên, các phương án điều khiển khác đã được được thiết kế cho AUV. Ví dụ như tác giả Yuh và Lorentz [57] đề xuất việc sử dụng bộ điều khiển mạng nơ ron. Logan [58] thiết kế bộ điều khiển H∞ cho AUV.
Để kiểm soát hiệu quả chuyển động của AUV, chúng ta cần thiết kế bộ điều khiển dựa trên mô hình động học. Thông qua kiểm soát tốc độ chân vịt và hướng di chuyển thông qua cánh lái chúng ta có thể kiểm soát được các hoạt động của AUV.
Một số bộ điều khiển đã được ứng dụng cho hệ thiếu cơ cấu chấp hành như [59] để giảm sự phức tạp của mô hình tổng thể của AUV, tác giả trong [60] đã chia mô hình thành ba hệ thống con cho việc điều khiển tốc độ, lái và lặn. Sau đó, tác giả thiết kế một bộ điều khiển bằng kỹ thuật điều khiển chế độ trượt.
Một hệ thống thiếu cơ cấu chấp hành khó có thể được ổn định về điểm cân bằng bởi bộ điều khiển phản hồi bất biến theo thời gian liên tục [61], điều này có nghĩa là bộ điều khiển không liên tục là cần thiết để điều khiển các hệ thống như vậy. Do đó, kỹ thuật điều khiển chế độ trượt SMC là phù hợp. Hơn nữa, vì AUV thường hoạt động trong môi trường khắc nghiệt dưới nước, các luật kiểm soát được thiết kế cần phải mạnh mẽ chống lại các nhiễu động học, thông số mô hình thay đổi và các nhiễu động bên ngoài do các dòng hải lưu và sóng. Bộ điều khiển trượt tầng HSMC đem lại hiệu suất tốt ngay cả khi có các nhiễu loạn hoặc với các tham số hoặc mô hình luôn thay đổi. Nhiều công trình nghiên cứu được tiến hành để thiết kế bộ điều khiển AUV và các phương tiện hàng hải với các kỹ thuật điều khiển khác nhau theo phương pháp này như điều khiển chế độ trượt bậc cao [62], điều khiển thích nghi [63]. Các kỹ thuật dựa trên lý thuyết điều khiển Lyapanov phi tuyến được sử dụng cho tàu nổi trong [64, 65] để phát triển bộ điều khiển bám quỹ đạo cho các phương tiện thủy nổi thiếu cơ cấu chấp hành. Phương pháp trực tiếp của Lyapanov được sử dụng trong [66] để giải quyết vấn đề kiểm soát theo dõi quỹ đạo của tàu thiếu cơ cấu chấp hành cho tàu nổi.
Trong nghiên cứu [67] trình bày bộ điều khiển kiểm soát độ sâu của hệ AUV thiếu cơ cấu chấp hành theo phương pháp bình phương tuyến tính LQR. Trong nghiên cứu [68] kiểm soát quỹ đạo chuyển động của AUV đã được nghiên cứu với hệ thiếu cơ cấu chấp hành sử dụng mạng nơ ron. Do đó điều khiển một hệ thiếu cơ cấu chấp hành chưa được áp dụng nhiều và còn những hạn chế nhất định vì mỗi một mô hình AUV có các thông số động lực học mô hình khác nhau. HSMC là một phương pháp điều khiển hiệu quả, có ý nghĩa lý thuyết và thực tiễn đối với các hệ thiếu cơ cấu chấp hành. HSMC lấp đầy khoảng cách giữa bộ điều khiển trượt SMC và các ứng dụng của nó đối với các hệ thống cơ khí thiếu cơ cấu chấp hành.
Tại Việt Nam trong những năm gần đây các nghiên cứu về lĩnh vực thiết bị lặn, phương tiện thủy cũng đạt được những thành tựu nhất định, đặc biệt là các công trình nghiên cứu được công bố ở các luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Đông [7], luận án tiến sĩ của tác giả Khương Minh Tuấn [70], luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Hoài Nam [71]. Các tác giả trên thực hiện nghiên cứu, phân tích động học cho các phương
26
tiện tự hành dưới nước thành các khối chức năng và thiết kế hệ thống điều khiển theo công nghệ hướng đối tượng, hoặc sử dụng công nghệ hướng đối tượng để phân tích và thiết kế điều khiển chuyển động cho thiết bị tự hành dựa trên các chuẩn và các phần mềm mô phỏng. Một số nghiên cứu khác như tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội cũng đã nghiên cứu và chế tạo thiết bị lặn tự hành “Dolphin” của tác giả Trương Việt Anh. Tàu lặn tự hành dưới nước của tác giả Nguyễn Đông và nhóm nghiên cứu như Hình 1.7.
Hình 1.7. Tàu lặn tự hành của tác giả Nguyễn Đông và các cộng sự [7]
Ngoài ra cũng có một số nghiên cứu khác đến từ các trường đại học, học viện trên cả nước. Tuy nhiên trong nước chưa có một công bố nào về thiết bị lặn tự hành có tích hợp hệ thống bổ sung năng lượng và cũng chưa có công bố nào về bộ điều khiển HSMC cho AUV thiếu cơ cấu chấp hành. Trong luận án này tác giả trình bày thiết kế một thiết bị lặn tự hành S-AUV2 có cánh thu năng lượng mặt trời linh hoạt. Đồng thời xây dựng bộ điều khiển trượt tầng HSMC cho mô hình thiết bị lặn tự hành kiểm soát độ sâu, vị trí và hướng di chuyển của thiết bị lặn.
Kết luận chương 1:
Trong chương 1, luận án đã nghiên cứu:
- Tổng quan về các thiết bị lặn tự hành nói chung, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước. Tổng quan về năng lượng cho thiết bị lặn tự hành, tổng quan nguồn năng lượng bổ sung cho AUV, phân tích hệ thống bổ sung năng lượng mặt trời. - Nghiên cứu đánh giá tổng quan các phương pháp điều khiển đã được công bố trong và ngoài nước, phân tích ưu nhược điểm của từng bộ điều khiển áp dụng trong điều khiển AUV, từ đó xác định hướng nghiên cứu cụ thể của luận án. - Tổng quan bộ điều khiển bộ điều khiển trượt tầng HSMC cho các hệ thiếu cơ
cấu chấp hành. Đề xuất áp dụng bộ điều khiển HSMC cho hệ thiết bị lặn tự hành thiếu cơ cấu chấp hành.
27
CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH HÓA THIẾT BỊ LẶN TỰ HÀNH CÓ BỔ SUNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Trong chương này, tác giả biểu diễn mô hình động học của S-AUV (Solar Autonomus Underwater Vehicle). Trong môi trường nước sự hoạt động của thiết bị lặn chịu tác dụng của một số lực phức tạp và phi tuyến, đặc biệt là với loại thiết bị lặn tự hành có kết cấu không kín, do đó việc điều khiển trở nên khó khăn hơn. Một số lực phức tạp và phi tuyến như lực thủy động học, giảm chấn, lực nâng, lực Coriolis và lực hướng tâm, lực hấp dẫn và lực nổi, lực đẩy và những xáo trộn của môi trường xung quanh thiết bị lặn [72]. Đầu tiên tác giả xây dựng mô hình động học và động lực học cho thiết bị S-AUV. Sử dụng công cụ CFD-ANSYS để phân tích nhằm tối ưu năng lượng thu được khi tích hợp hệ thống bổ sung năng lượng mặt trời. Khi tích hợp hệ thống bổ sung năng lượng mặt trời cho thiết bị lặn tự hành cần quan tâm đến các yếu tố như: hình dáng, kết cấu S-AUV, hệ thống điều khiển thu năng lượng mặt trời. Trong đó hình dáng kết cấu đóng một vai trò rất lớn đến hiệu quả hoạt động của AUV [73, 74]. Việc tối ưu giữa phần năng lượng thu được và lực cản sau khi lắp thêm cánh năng lượng cần phải được phân tích khi thiết kế S-AUV. Để có cơ sở lựa chọn trước khi chế tạo thử nghiệm S-AUV, cần khảo sát sự ảnh hưởng của cánh năng lượng mặt trời khi tích hợp hệ thống bổ sung năng lượng mặt trời cho S-AUV sử dụng công cụ ANSYS-CFD [75]. Đề xuất các phương án thiết kế, chế tạo phù hợp nhằm tối ưu về hình dáng, kết cấu nhưng vẫn đảm bảo việc thu nhận năng lượng mặt trời để bù đắp phần năng lượng tiêu hao.