L ỜI CẢM ƠN
7. Kết cấu của luận án
4.2 Mô phỏng điều khiển các chuyển động của AUV
Các tình huống mô phỏng được thiết lập trên Matlab M-file gồm chương trình chính và nhiều mô-đun có chức năng khác nhau. Tình huống trong phần 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 sốđiều khiển.
Hình 4.1 Sơ đồ mô phỏng điều khiển hướng AUV
Phần này chỉ mới sử dụng bánh lái hướng và cánh điều khiển độ sâu phía sau của NPS AUV II. Các thí nghiệm mô phỏng được thực hiện trong phần này bao gồm:
- Thí nghiệm 1: Mô phỏng điều khiển riêng hướng đi AUV và so sánh với BĐK PID đơn giản.
- Thí nghiệm 3: Mô phỏng điều khiển hướng đi và độ sâu AUV khí dòng chảy tác động.
- Thí nghiệm 4: Mô phỏng điều khiển tổng hợp hướng đi, độ sâu và tốc độ AUV.
- Thí nghiệm 5: Mô phỏng điều khiển tổng hợp hướng đi, độ sâu và tốc độ AUV khi có dòng chảy tác động.
4.2.1 Điều khiển hướng
- Thí nghiệm 1: Mô phỏng điều khiển riêng hướng đi AUV và so sánh với BĐK PID đơn giản.
Hình 4.2 Đáp ứng hướng đi của BĐK NNC
Với BĐK nơ-ron đề xuất ởhình 3.6 hướng đi của AUV được điều khiển thể hiện trên hình 4.2. Đồ thị trên phía trên là đáp hướng hướng đi của AUV (nét xanh liền) đối với hướng đi mong muốn (nét đỏ đứt). Đồ thị phía dưới hình 4.2 là góc bánh lái hướng của AUV theo thời gian.
Hình 4.3 so sánh hoạt động của BĐK PID và BĐK NNC. Trong thí nghiệm mô phỏng này hướng đi thay đổi 10 độ cho cả 2 trường hợp BĐK PID và NNC. Ở đồ thị phía trên của hình 4.3, hướng đi của BĐK NNC có thời gian xác lập nhỏ hơn và ổn định hướng nhanh hơn, độ quá điều khiển cũng nhỏ hơn so với BĐK PID. Ởđồ thị phía dưới là góc bánh lái của AUV khi được điều khiển bằng BĐK NNC (nét liền) và BĐK PID (nét gạch chấm). Nét liền thể hiện bánh lái hoạt động tích cực hơn đểđạt được chất lượng điều khiển tốt hơn ởđồ thị phía trên.
4.2.2 Điều khiển hướng, độ sâu và góc chúi
- Thí nghiệm 2: Mô phỏng điều khiển độ sâu AUV.
Hình 4.5 Đáp ứng hướng đi của AUV trong TN2
Hình 4.7 Quỹđạo chuyển động của AUV trong TN2
Trong thí nghiệm mô phỏng này hướng đi thay đổi 10 độ, độ sâu thay đổi từ 10m sang 4m. Độsâu được điều khiển bởi BĐK nơ-ron đề xuất ở hình 3.7. Bánh lái độ sâu có giới hạn 20. Độ sâu AUV đạt giá trị mong muốn 4m ở thời điểm 315 giây.
- Thí nghiệm 3: Mô phỏng điều khiển hướng đi và độ sâu AUV khi dòng chảy tác động.
Hình 4.9 Đáp ứng hướng đi của AUV khi có dòng chảy (TN3)
Giả định về dòng chảy: Trong thực tế, khu vực làm việc của AUV không quá lớn, thời gian làm việc không quá dài, nên dòng chảy trong đó có thể coi là ổn định về hướng trong khoảng thời gian hoạt động của AUV. Vì vậy tham số dòng chảy sử dụng trong mô phỏng có hướng 110, tốc độ thay đổi trong khoảng 0.05 m/s đến 0.16 m/s (đồ thị dưới cùng trên hình 4.9). Trong thí nghiệm mô phỏng này hướng đi thay đổi 10, độ sâu thay đổi từ 5m sang 10m. AUV đạt độ sau 10m sau thời gian 175 giây và ổn định dần về độ sâu này.
4.2.3 Điều khiển hướng đi, độ sâu và tốc độ
- Thí nghiệm 4: Mô phỏng điều khiển tổng hợp hướng đi, độ sâu và tốc độ AUV.
Hình 4.11 Sơ đồ mô phỏng điều khiển tốc độ AUV
Trong thí nghiệm mô phỏng này hướng đi thay đổi từ 0 sang 10, đến giây thứ 200 lại thay đổi về 0, sang giây thứ 400 lại thay đổi sang 15; độ sâu thay đổi từ 10m sang 2m, tốc độ tăng từ 0.3m/s lên 0.4m/s. BĐK thực hiện điều khiển tốt hướng đi, độ sâu và tốc độ AUV đến điểm đặt mong muốn. Trường hợp này AUV hoạt động trong điều khiện không có tác động của dòng chảy.
Hình 4.12 Đáp ứng hướng đi của AUV trong TN4
Hình 4.14 Đáp ứng tốc độ của AUV trong TN4
Hình 4.15 Vết chuyển động của AUV
4.2.4 Điều khiển tổng hợp các chuyển động khi có dòng chảy
- Thí nghiệm 5: Mô phỏng điều khiển tổng hợp hướng đi, độ sâu và tốc độ AUV khi có dòng chảy tác động.
Hình 4.16 Đáp ứng hướng đi của AUV khi có dòng chảy (TN5)
Hình 4.18 Đáp ứng độ sâu của AUV trong TN5
Trong thí nghiệm mô phỏng này, tương tự phần trên, hướng đi thay đổi từ 0 sang 10, đến giây thứ 200 lại thay đổi về 0, sang giây thứ 400 lại thay đổi sang 15; độ sâu thay đổi từ 10m sang 2m, tốc độ tăng từ 0.3m/s lên 0.4m/s. Dòng chảy làm hướng AUV dao động tuy nhiên hướng đi, độ sâu và tốc độ vẫn đạt đến các giá trịđặt.
Nhận xét các kết quả:
Các kết quả điều khiển AUV trong chương này chưa ràng buộc AUV chuyển động theo một quỹ đạo nhất định. Hướng đi, độ sâu và tốc độ được điều khiển theo giá trị đặt. BĐK NNC được khởi tạo các giá trị ngẫu nhiên ban đầu cho các trọng số của mạng nơ-ron. Qua quá trình điều khiển, mạng nơ-ron được cập nhật các trọng số theo tiêu chí cực tiểu hóa hàm mục tiêu của từng tình huống điều khiển. Việc cập nhật này diễn ra trong từng chu trình điều khiển, được đảm bảo bởi cách thiết lập hàm mục tiêu và thuật toán tính trọng số của các lớp ẩn, lớp ra của mạng nơ-ron để tính ra được lệnh điều khiển.
Trong các phần đầu Chương 4 tác giả đã mô phỏng điều khiển bằng BĐK NNC cho các tình huống riêng biệt về hướng đi, độ sâu và tốc độ của AUV. Các BĐK làm việc hiệu quả và đạt được mục tiêu điều khiển theo giá trị đặt. Trong trường hợp hoạt động đồng thời các chuyển động của AUV, BĐK NNC thể hiện tốt khả năng điều khiển khi không có và có dòng chảy tác động lên AUV.
Khi kết hợp với hệ thống dẫn đường, các BĐK sẽ giúp AUV chuyển động theo quỹ đạo, theo độ sâu hay theo tốc độ mong muốn hoặc đồng thời tuân theo các yêu cầu tổng hợp đó tùy vào tình huống công tác. Các phần tiếp theo sau đây của Chương 4 sẽ mô phỏng hoạt động của AUV trong một số hoạt động như vậy.
Điều khiển hoạt động của AUV ngầm dưới nước phục vụ các công việc đặt ra một nhiệm vụkhó khăn, phức tạp. Không những hệđộng lực của AUV phải mạnh, hiệu quả, các cảm biến tốc độ, độ sâu, khoảng cách, vị trí phải
chính xác mà thuật toán điều khiển cũng phải bền vững, hệ thống dẫn đường phải chính xác, tin cậy đạt hiệu quả cao.
Trong Chương 3 tác giảđề xuất kết hợp hệ thống dẫn đường LOS với BĐK hướng đi AUV để dẫn đường theo quỹđạo, đồng thời điều khiển độ sâu và tốc độ AUV theo giá trị mong muốn. Đề tài chỉ giới hạn nghiên cứu đề xuất hệ thống dẫn đường AUV đi theo các điểm chuyển hướng mà quãng đường giữa các điểm là thẳng. Các yêu cầu điều khiển và hiệu chỉnh nâng cao chất lượng điều khiển như đưa khoảng cách dạt khỏi đường đi trong mặt phẳng ngang vào hàm mục tiêu BĐK hướng (phương trình 3.68), thành phần tích phân sai số tốc độ Zkvào hàm mục tiêu BĐK tốc độ (phương trình 3.47) đã giúp nâng cao chất lượng điều khiển, đạt được khảnăng thích nghi với tác động ngoại cảnh lên AUV và tính phi tuyến của động học AUV khi diễn ra đồng thời các chuyển động trong 6 bậc tự do. Phần tiếp theo tác giả sẽ trình bày kết quả các thí nghiệm mô phỏng minh họa cho hệ thống điều khiển dẫn đường đãđề xuất trong Chương 3.
4.3 Mô phỏng điều khiển dẫn đường AUV và thực hiện các nhiệm vụdưới nước 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 sốđiều khiển.
LOSguide.m: là file tính hướng đi LOS cho AUV.
offtrackdist.m: là file tính khoảng cách lệch khỏi đường đi trên mặt phẳng ngang của AUV.
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, độsâu 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 quỹđạo 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 tựđộng. 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 quỹđạo.
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, độsâu thay đổi, không có dòng chảy tác động.
Hình 4.27 Đáp ứng độ sâu của AUV trong TN7
Hình 4.29 Quỹđạo 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 ởphương độ sâu, giá trị độ sâu đạt được như mong muốn.
- Thí nghiệm 8: Điều khiển AUV theo quỹđạo 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 Quỹđạo 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 độsâu 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 Quỹđạo 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 quỹđạo.
- 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 Quỹđạo 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 quỹđạo 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) nên BĐK
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 quỹđạo 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 cốđịnh 0có tác động của dòng chảy. Vị trí của AUV theo chiều thẳng đứng (trục Oz) luôn cách