6. Bố cục của luận án
4.3.1. Trường hợp 1:
Ví trí đặt theo phương x là 14 (m), vị trí đặt theo phương y là 7 (m), vị trí đặt theo phương z là -12 (m), giá trị đặt góc điều hướng 0 (rad).
Hình 4.12. Vị trí theo phương Ox
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
Hình 4.13. Vị trí theo phương Oy
Hình 4.14: Vị trí theo phương Oz
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
Hình 4.16. Vận tốc dài theo phương Ox
Hình 4.17. Vận tốc dài theo phương Oy
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
Hình 4.19. Vận tốc góc điều hướng của S-AUV2
4.3.2. Trường hợp 2: η
1d
Ví trí đặt theo phương x là 7 (m), vị trí đặt theo phương y là 5 (m), vị trí đặt theo phương z là -6 (m), giá trị đặt góc điều hướng -0,25 (rad).
Hình 4.20. Vị trí theo phương Ox
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
Hình 4.22. Vị trí theo phương Oz
Hình 4.23. Góc điều hướng của S-AUV2
4.3.3. Trường hợp 3: η
1d
Ví trí đặt theo phương x là 7 (m), vị trí đặt theo phương y là 4 (m), vị trí đặt theo phương z là -8 (m), giá trị đặt góc điều hướng 0,15 (rad).
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
Hinh 4.25. Vị trí theo phương Oy
Hình 4.26. Vị trí theo phương Oz
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
4.3.4. Trường hợp 4:
η
1d
Ví trí đặt theo phương x là 11 (m), vị trí đặt theo phương y là 6 (m), vị trí đặt theo phương z là -10 (m), giá trị đặt góc điều hướng 0,3 (rad).
Hình 4.28. Vị trí theo phương Ox
Hình 4.29. Vị trí theo phương Oy
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
Hình 4.31. Góc điều hướng của S-AUV2
Theo kết quả mô phỏng từ Hình 4.12 đến Hình 4.31, với các thông số động học của mô hình S-AUV2 đều cho thấy chất lượng điều khiển tốt. Mặc dù thời gian xác lập trong các trường hợp hơi lớn và có hiện tượng dao động khi chuyển mạch xung quanh mặt trượt hệ thống nhưng bộ điều khiển trượt tầng HSMC đều cho các giá trị mô phỏng bám sát với giá trị đặt mong muốn và gần như độ quá điều chỉnh rất nhỏ và chấp nhận được.
Kết quả mô phỏng trên phần mềm MATLAB đã minh chứng với giải thuật này, đáp ứng hệ thiết bị lặn tự hành S-AUV2 bám theo tín hiệu mong muốn với độ vọt lố không đáng kể, sai số xác lập gần bằng không và thời gian xác lập bám vị trí theo phương Ox, Oy lần lượt là 84s, 86s. Thời gian xác lập của vị trí theo phương
Oz khoảng 20s và góc điều hướng trong khoảng 40s - 60s. Bộ điều khiển HSMC được xây dựng cho chất lượng tốt so với yêu cầu bài toán điều khiển mô hình thiết bị lặn S-AUV2 mới của tác giả thiết kế. Độ quá độ điều chỉnh hệ thống thiết bị lặn S-AUV2 nhỏ hơn 5% so với giá trị đặt mong muốn có thể bỏ qua được đối với các giá trị véc tơ về vị trí, vận tốc theo các phương và góc điều hướng, vận tốc góc điều hướng của mô hình thiết bị lặn tự hành S-AUV2.
Qua kết quả các trường hợp mô phỏng cho thấy bộ điều khiển trượt tầng HSMC cho chất lượng tốt so với yêu cầu bài toán điều khiển mô hình thiết bị lặn S-AUV2 mới có 4 bậc tự do của tác giả. Đây sẽ là tiền đề để phát triển những thuật toán điều khiển tối ưu khác cho mô hình S-AUV2 được xây dựng.
Kết luận chương 4
Chương 4 trình bày các nội dung sau:
Tổng quan về bộ điều khiển trượt và các bước xây dựng bộ điều khiển trượt. Trình bày phương pháp điều khiển trượt tầng HSMC cho hệ thiếu cơ cấu chấp hành, số đầu vào ít hơn số đầu ra. Từ đó phân tích biến đổi mô hình động học thiết bị lặn tự hành 6 bậc tự do rút gọn xuống 4 bậc tự do, bỏ bậc tự do không cần thiết nhằm
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
đơn giản hóa bộ điều khiển cho thiết bị lặn tự hành, đồng thời giảm sự tiêu hao năng lượng cho thiết bị lặn tự hành.
Xây dựng bộ điều khiển trượt tầng HSMC cho hệ thiếu cơ cấu chấp hành S- AUV2 gồm 2 tín hiệu đầu vào, 4 tín hiệu đầu ra.
Mô phỏng kiểm chứng bộ điều khiển HSMC cho thiết bị lặn tự hành S-AUV2 bằng phần mềm Matlab/Simulink. Kết quả cho thấy tín hiệu bám theo tín hiệu đặt với độ vọt lố không đáng kể, sai số xác lập gần bằng không. Độ quá điều chỉnh hệ thống thiết bị lặn S-AUV2 nhỏ hơn 5% so với giá trị đặt.
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN
Kết luận:
Với đề tài “Nghiên cứu tối ưu thiết kế một thiết bị lặn tự hành (AUV) cỡ nhỏ có bổ sung năng lượng”, luận án đã xây dựng được mô hình thiết bị lặn S-AUV2 mới có khả năng thu năng lượng mặt trời bằng cánh năng lượng linh hoạt. Đề xuất bộ điều khiển HSMC áp dụng cho mô hình S-AUV2 mới với các thông số được xác định qua phân tích và lựa chọn thông số phù hợp. Luận án có những đóng góp sau đây:
- Xây dựng mô hình thủy động học thiết bị lặn tự hành S-AUV2, phân tích thủy động học bằng công cụ CFD, tối ưu lựa chọn hình dáng thiết bị lặn.
- Xây dựng phương trình chuyển động 4 bậc tự do cho mô hình S-AUV2 từ mô hình 6 bậc tự do. Bỏ những bậc tự do không cần thiết đối với loại mô hình thiết bị lặn tự hành cỡ nhỏ S-AUV2.
- Chế tạo một mô hình thiết bị lặn S-AUV2 mới có cánh năng lượng mặt trời đóng mở linh hoạt giúp thiết bị lặn có khả năng thu năng lượng mặt trời và giảm lực cản khi di chuyển.
- Thực nghiệm đánh giá hiệu quả thu năng lượng mặt trời ngoài thực tế tại một số tỉnh khu vực phía Bắc, Việt Nam sau khi tích hợp cánh năng lượng mặt trời linh hoạt trên thiết bị lặn tự hành S-AUV2. Tích hợp cánh năng lượng linh hoạt giúp tăng 2,7 lần khả năng thu năng lượng mặt trời so với loại thiết bị lặn cùng loại không có cánh năng lượng mặt trời linh hoạt. So sánh với một số nghiên cứu về thiết bị tương tự có bổ sung năng lượng mặt trời khác. Hiệu quả thu năng lượng mặt trời của mô hình thiết bị lặn S-AUV2 cho thấy tốt hơn các nghiên tương tự dựa trên các yếu tố về khối lượng, kích thước và tổng năng lượng thu được.
- Xây dựng bộ điều khiển trượt tầng HSMC cho mô hình thiết bị lặn S-AUV2 bám vị trí theo phương x, y, góc lái ψ và độ sâu lặn z. Luận án đã áp dụng thành công bộ điều khiển HSMC cho hệ thiếu cơ cấu chấp hành S-AUV2 có 4 bậc tự do trong trường hợp mô phỏng. Mô phỏng kiểm chứng bộ điều khiển HSMC bằng phần mềm Matlab/Simulink. Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển được thiết kế đáp ứng tốt với hệ S-AUV2 thiếu cơ cấu chấp hành có 4 bậc tự do, các giá trị mô phỏng bám sát với giá trị đặt mong muốn và độ quá điều chỉnh nhỏ hơn 5% so với giá trị đặt.
Hướng phát triển của luận án:
Luận án mới chỉ tập trung nghiên cứu động học thiết bị lặn có bổ sung năng lượng mặt trời với cánh năng lượng linh hoạt có thể đóng mở, kết hợp với giải thuật điều khiển trượt tầng HSMC để nâng cao chất lượng điều khiển lái hướng và độ sâu lặn ở trường hợp mô phỏng bằng phần mềm.
Hướng phát triển tiếp theo của luận án, tác giả mong muốn triển khai thực nghiệm thuật toán điều khiển trên S-AUV2 mô hình được chế tạo để kiểm chứng thuật toán trên cơ sở thực tế và phát triển thành sản phẩm để có thể áp dụng trong thực tế.
Kết hợp bộ điều khiển thích nghi mờ (Adaptive Fuzzy Controller) cho các tham số mặt trượt có nhiễu tác động và phương pháp thích nghi nơ-ron (Adaptive Neural Network Controller) để xấp xỉ các thông số khó xác định trong thực tế của S-AUV2 nhằm mục đích nâng cao chất lượng điều khiển tối ưu nhất.
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
DANH MỤC NHỮNG CÔNG TRÌNH ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ CỦA
LUẬN ÁN
Nguyễn Văn Tuấn, Đinh Văn Phong, Nguyễn Chí Hưng, 2017. “Nghiên
cứu khả năng tích hợp hệ thống bổ sung năng lượng mặt trời cho một thiết 1 bị lặn tự hành trong điều kiện khí hậu của Việt Nam”, Hội nghị Khoa học
Toàn Quốc lần thứ 2 về Cơ kỹ thuật và Tự động hóa, ISBN: 978-604-95- 0221-7, pp. 259 - 263.
Nguyễn Văn Tuấn, Đinh Văn Phong, Nguyễn Chí Hưng và Hoàng Thế Phương, 2017. “Nghiên cứu sự ảnh hưởng của cánh thu năng lượng đến 2 lực cản chuyển động của thiết bị lặn tự hành có bổ sung năng lượng mặt
trời”, Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ X, Hà Nội, ISBN: 978-604-913- 719-8, pp. 309 – 318.
Nguyễn Văn Tuấn, Đinh Văn Phong, Nguyễn Chí Hưng, 2019. “Nguồn 3 năng lượng cho thiết bị lặn tự hành AUV”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam,
ISSN 0866-7056, Số 7.
Nguyen Van Tuan, Nguyen Chi Hung, Hoang The Phuong, Dinh Van Phong, 2019. “Influence of Energy Wing to the Dynamic Resistance of a 4 Solar Autonomous Underwater Vehicle”, Proceeding of 13th South East
Asian Technical University Consortium Symposium (SEATUC), Ha Noi, Vietnam, ISSN: 2186-7631.
Tuan Nguyen Van, Phong Dinh Van, Hung Nguyen Chi, Phuong Hoang The, Sone Akira, 2019. “Studying the Resistance of the Autonomous 5 Underwater Vehicle’s Hull Having Flexible Solar Wing using
Computational Fluid Dynamics”, Proceedings ofInternational
Symposium on Precision Engineering and Sustainable Manufacturing 2019 (PRESM2019), Da nang, VietNam, ISSN 2635-7887.
Tuan Nguyen Van, Phong Dinh Van, Hung Nguyen Chi, 2019. “Research,
Design and Manufacture of Floating Diving System Low Cost for Small Autonomous Underwater Vehicle”, Proceedings of the 2019
6 International Conference on “Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications (PHENMA 2019). Nova Science Publishers, Series: Physics Research and Technology, Chapter 42, ISBN: 978-1- 53618-255-2.
Dinh Gia Ninh, Vu Tri Minh, Tuan Nguyen Van, Nguyen Chi Hung, Dinh 7 Van Phong, 2020. “Novel Numerical Approach for Free Vibration of
Nanocomposite Joined Conical-Cylindrical-Conical Shells”, AIAA Journal, 59(10):1-13. (Q1-ISI).
Nguyễn Văn Tuấn, Đinh Văn Phong, Nguyễn Chí Hưng, Mai Thế Thắng, 8 2021. “Nghiên cứu khả năng thu năng lượng của thiết bị lặn tự hành AUV
có cánh năng lượng mặt trời linh hoạt”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, ISSN 2815-5505, no. 1+2, pp. 71-77.
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
Tuan Nguyen Van, Phong Dinh Van, Hung Nguyen Chi, 2021.
“Researching and Development of an Autonomous Underwater Vehicles
9 with Capability of Collecting Solar Energy”, Journal of Science and
Technology Technical Universities, Smart Systems and Devices, ISSN 2734 – 9373, Vol 31.2, pp 75-83.
Tuan Nguyen Van, Phong Dinh Van, Hung Nguyen Chi, Hoang Tran Viet, 2021. “Research, Design and Development a Model Solar
10 Autonomous Underwater Vehicles”, International Journal of Emerging Trends in Engineering Research, Volume 9. No.9, pp1217-1223, ISSN2347-3983 (Scopus).
Nguyễn Văn Tuấn, Đinh Văn Phong, Nguyễn Chí Hưng. Quyết định chấp 11 nhận đơn Sáng chế số 1-2020-03264 “Thiết bị lặn tự hành dưới nước có
cánh thu năng lượng mặt trời linh hoạt”, theo QĐ số 19483w/QĐ-SHTT, ngày 22/12/2020 của Cục sở hữu trí tuệ.
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Bluefin robotics. [online], 2004. Available: http://www.bluefin.com/auv.htm/
[2].Alam K., Ray T., Anavatti S. G. (2014). A brief taxonomy of autonomous underwatervehicle design literature. Ocean Engineering, Elsevier, ISSN 0029- 8018, Volume 88,pp. 627–630.
[3].Shukla, Amit; Karki, Hamad (2015). Application of robotics in offshore oil and gas industry — A review part II. Robotics and Autonomous Systems, (2015), 1- 24.
[4].AUVAC (2015) Autonomous Undersea Vehicles Applications Center.
http://auvac.org/
[5]. Ngô Văn Hiền, Lê Thị Thái, Phan Anh Tuấn, Trương Việt Anh et al. (2013)
Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển tích hợp theo công nghệ hướng đối tượng (MDA & RealTime UML) và thiết bị dẫn đường (INS/GPS) cho các phương tiện tự hành dưới nước. Báo cáo nghiệm thu cấp Nhà nứớc, Đề tài Khoa học và Công nghệ tiềm năng, Mã số KC03.TN05/11-15, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
[6].G.N. Roberts and R. Sutton. Advances in unmanned marine vehicles. Book IEE control series 69, 2006.
[7].Nguyễn Đông. Phân tích thủy động lực học và thiết kế hệ thống điều khiển theo công nghệ hướng đối tượng cho phương tiện tự hành dưới nước. Luận án Tiến sĩ , Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, năm 2015.
[8].Nguyễn Văn Tuấn. Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình Robot hoạt động dưới nước, Tạp chí Cơ khí Việt Nam – Số 8 năm 2015.
[9].Dekoulis, George. Autonomuos Vehicles/ Review of Autonomous Underwater Vehicles, Chapter 2, 2020.
[10]. Ferial El-Hawary. The Ocean Engineering Handbook, The Electrical Engineering Handbook Series, 2001.
[11]. Bradley, A.M., et al., Power systems for autonomous underwater vehicles. Oceanic Engineering, IEEE Journal of, 2001. 26(4): p. 526-538.
[12]. Singh, H., D. Yoerger, and A. Bradley. Issues in AUV design and deployment for ocean ographic research. in IEEE International Conference on Robotics andAutomation. 1997, p. 1857 -1862.
[13]. Singh, H., et al., Imaging CoralI: Imaging Coral Habitats with the SeaBED AUV. Subsurface Sensing Technologies and Applications, 2004. 5(1): p. 25-42. [14]. Collar, P.G. and S.D. McPhail, Autosub: an autonomous unmanned
submersible for ocean datacollection. Electronics & Communication Engineering Journal, 1995. 7(3): p. 105-114.
[15]. Ura, T. and T. Obara. Twelve hour operation of cruising type AUV 'R-One Robot' equipped with a closed cycle diesel engine system. in MTS/IEEE OCEANS. 1999, p.1188-1193.
[16]. Linden, D., Handbook of Batteries. 1994, New York: McGraw-Hill Inc [17]. Allen, B., et al. REMUS: a small, low cost AUV; system description, field
trials and performance results. 1997, p.994-1000 vol.2
[18]. Smith, S.M., et al., The Morpheus ultra modular autonomous underwater vehicle. Oceanic Engineering, IEEE Journal of, 2001. 26(4): p. 453-465.
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
[19]. Wilson, R.A. and J.W. Bales. Development and Experience of a Practical, Pressure-Tolerant, Lithium Battery for Underwater Use. in OCEANS 2006. 2006, p. 1-5.
[20]. Toshio Maeda, Shinji Ishiguro, Kazuhisa Yokoyama, Kiyoshi Hirokawa, Nagao hisatome, Toshihiro tani. Fuel cell system of AUV Urashima. Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Technical Review Vol. 43 No. 1, Jan. 2006.
[21]. Scamans, G.M., et al. Aluminum fuel cell power sourcesfor long range unmanned underwater vehicles. in Symposium on Autonomous Underwater Vehicle Technology. 1994, p. 179-186.
[22]. Moltz, J.C. Global Submarine Proliferation: Emerging Trends and Problems. 2006, cited 2007; Monterey Institute of International Studies.
[23]. Tổng cục thống kê, Số liệu thống kê tổng số giờ nắng tại một số trạm quan trắc tại Việt Nam, năm 2019. https://www.gso.gov.vn.
[24]. D. Blidberg, S. Mupparapu, S. Chappell, R. Komerska, J. C. Jalbert, Nitzelm R, The SAUV II (solar powered AUV) test results 2004, Europe Oceans 2005, Volume 1, pp.545 – 550, 2005.
[25]. Francisco García-Córdova1 and Antonio Guerrero-González. Intelligent Navigation for a Solar Powered Unmanned Underwater Vehicle. International Journal of Advanced Robotic Systems, 2013, Vol. 10, 185:2013.
[26]. Wettergreen D. Development of autonomous underwater vehicle towards visual servo control. Proceedings of the Australian Conference on Robotics and Automation. 2000.
[27]. Johansen T. A. and Fossen T. I.(2013) Control allocation—A survey. Automatica vol. 49, pp. 1087-1103.
[28]. Banazadeh A. and Ghorbani M. T.(2013) Frequency domain identification of the Nomoto model to facilitate Kalman filter estimation and PID heading control of a patrol vessel. Ocean Engineering vol. 72, pp. 344-355.
[29]. W. Naeem, R. Sutton, and J. Chudley, System Identification, Modeling and Control of An Autonomous Underwater Vehicle, University of Plymouth, 2003. [30]. Naeem W.(2003) Lqg/ltr control of an autonomous underwater vehicle using a hybrid guidance law. International Federation on Automatic Control Journal. [31]. Santhakumar Mohan . T. Asokan Thondiyath. A non-linear tracking control
scheme for an under-actuated autonomous underwater robotic vehicle. International Journal of Ocean System Engineering 1(3). September 2011. pp120-135.
[32]. Juul D.(1994) Submersible control using the linear quadratic gaussian with loop transfer recovery method. Proceedings of the Symposium on Autonomous Underwater Technology
[33]. T. Fossen and Sagatun S.(1991) Adaptive control of nonlinear underwater vehicles systems. Proceedings of the IEEE Conference and Automation, pages 1687–1695.
[34]. T. Fossen and Fjellstad I.(1995) Robust adaptive control of underwater vehicles. 3rd IFAC Workshop on Control Applications in Marine Systems. [35]. J. Healey and Lienard D.(1993) Multivariable sliding model control for
autonomous diving and steering of unmanned underwater vehicles. IEEE Journal of Oceanic Engineering, volume 18, pages 327–339
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
[36]. Liao Y.-l., Wan L., and Zhuang J.-y.(2011) Backstepping Dynamical Sliding Mode Control Method for the Path Following of the Underactuated Surface Vessel. Procedia Engineering vol. 15, pp. 256-263.
[37]. Zhu D. and Sun B.(2013) The bio-inspired model based hybrid sliding-mode tracking control for unmanned underwater vehicles. Engineering Applications of Artificial Intelligence vol. 26, pp. 2260-2269
[38]. Adams S. M. and Friedland C. J. (2011) A survey of unmanned aerial vehicle (UAV) usage for imagery collection in disaster research and management:https://www.researchgate.net
[39]. Mills D. and Harris C.(1996) Neurofuzzy modelling and control of a six
degree of freedom auv. Available:
http://www.ecs.soton.ac.uk/publications/rj/1995- 1996/isis/djm/rj95.html
[40]. Filaretov V.(1995) The sliding mode adaptive control system for autonomous underwater. Proceedings of ICAR ’9.
[41]. Bessa W. M., Dutra M. S., and Kreuzer E.(2010) An adaptive fuzzy sliding mode controller for remotely operated underwater vehicles. Robotics and Autonomous Systems vol. 58, pp. 16-26
[42]. Fang M.-C., Zhuo Y.-Z., and Lee Z.-Y.(2010) The application of the