Như đã đề cập trong mục 1.3, tất cả các tàu thuyền tham gia giao thông trên biển đều phải COLREGs, làm cho tàu COLREGs trở nên phổ biến và có hành vi dễ dự đốn. Việc áp dụng phương pháp hoạch định hoạch định chủ động để xử lý tránh va chạm với các loại tàu này có thể mang lại nhiều lợi ích khác nhau như tiết kiệm thời gian, năng lượng, có thể kiểm sốt quỹ đạo. Tuy nhiên, khi số lượng tàu COLREGs tăng lên hay có sự tham gia của tàu phi COLREGs, phương pháp hoạch định chủ động sẽ gặp nhiều khó khăn hoặc thậm chí khơng thể giải quyết được. Trong những tình huống này thì các giải thuật phản ứng hành vi lại là phương án tốt vì lúc này việc giữ an tồn nên được ưu tiên hơn việc tối ưu chất lượng. Từ nhưng quan sát trên, luận văn này đề xuất hệ thống tránh va chạm hai chế độ (DMCAS) được xây dựng dựa trên kiến trúc của hệ thống lai, gồm: chế độ hoạch định chủ động để xử lý các tàu COLREGs, và chế độ phản ứng hành vi để xử lý các trường hợp phức tạp hơn. Với thiết kế này, DMCAS có thể khai thác tối đa luật COLREGs để đạt được hiệu suất cao khi tránh va chạm tàu COLREGs, trong khi vẫn ln giữ an tồn trong các tình huống phức tạp hơn. Để xây dựng được DMCAS thỏa mãn các mục tiêu này, các nội dung nghiên cứu chi tiết của đề tài này như sau:
• Đề xuất phương pháp xây dựng “vùng ê-lip xâm phạm” (threat ellipse - TE) cho phép biến đổi bài toán tránh vật cản động thành tránh vật cản tĩnh với các đối tượng là tàu tuân thủ luật COLREGs.
• Đề xuất phương pháp xây dựng một quỹ đạo tránh vật cản dựa trên TE có tên là quỹ đạo độ cong liên tục theo ê-lip (Ellipse-bases Curvature- Continuous Trajectory - ECCT).
• Phát triển giải thuật tránh vật cản cho trường hợp đa vật cản bằng cách sử dụng tính chất tĩnh của TE.
• Phát triển giải thuật tránh vật cản cho trường hợp vật cản không tuân thủ COLREGs bằng cách tích hợp threat ellipse vào trường thế của APF. • Thiết kế bộ điều khiển và giải thuật điều hướng để điều khiển USV bám
Chương 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Mơ hình tốn USV
2.1.1 Mơ hình động học của USV Các hệ quy chiếu
Hệ quy chiếu với trái đất là trung tâm: Có 2 loại
ECI (The Earth-centered inertial): Là một hệ quy chiếu quán tính cho điều hướng trên mặt đất, nó là hệ quy chiếu mà trong đó các luật của Newton được áp dụng để tính tốn, ký hiệu là {i}. Gốc của {i} thì nằm tại tâm oi của trái đất cùng với các trục được biễu diễn trong hình 2.1.
ECEF (The Earth-centered Earth-fixed): Là một bản chỉnh sửa của ECI. Đây là hệ quy chiếu xem trái đất là cố định (không xoay). Ký hiệu là {e}. Gốc của {e} vẫn nằm tại tâm của trái đất, nhưng trục của nó xoay lệch đi so với ECI. Trong đó tỷ góc quay là ωe = 7.2921x10−5 rad/s. Đối với các tàu di chuyển chậm thì ta có thể bỏ qua chuyển động quay của trái đất do đó có thể xem {e} như là {i}. Hệ tọa độ {e} thường được sử dụng trong định vị, dẫn đường và điều khiển toàn cầu.
Hệ quy chiếu địa lý: Cũng có 2 loại
NED (North-East-Down): Là hệ tọa độ với tâm là on được định nghĩa dựa vào 13
dạng ellip của trái đất. Nó là hệ tọa độ chúng ta đề cập trong cuộc sống hàng ngày. Thường thì NED được định nghĩa là một mặt phẳng tiếp tuyến với bề mặt của trái đất, ký hiệu {n}. Trong hệ tọa độ này trục x của nó sẽ hướng về phía Bắc cịn trục y sẽ hướng về phía Đơng và trục z sẽ hướng xuống vng góc với mặt phẳng tiếp tuyến với bề mặt trái đất. Vị trí của {n} so với {e} sẽ được xác định qua hai góc l vൠbiễu thị tương ứng cho kinh độ và vĩ độ. Đối với các tàu hoạt động trong một vùng địa lý cố định thì kinh độ và vĩ độ có thể được xem là xấp xỉ khơng đổi. Khi đó một mặt phẳng tiếp tuyến với trái đất cố định (không xoay) được sử dụng để định vị và được ký hiệu là {n} sẽ có thể giả sử là qn tính và các luật Newton có thể áp dụng được.
BODY: Ký hiệu là {b} với gốc ob là một hệ tọa độ di chuyển gắn với cố định
Hình 2.1: Hệ quy chiếu ECEF¶e♢= (xe, ye, ze) xoay với một tỷ góc ωe so với hệ quychiếu ECI ¶i♢= (xi, yi, zi). chiếu ECI ¶i♢= (xi, yi, zi).
với tàu. Vị trí và hướng của tàu thì được mơ tả tương ứng trong hệ quy chiếu quán tính (xấp sẽ {e} hoặc {n}) trong khi đó vận tốc góc và vận tốc tuyến tính của tàu nên được thể hiện trong hệ tọa độ BODY này. Gốcob thường được chọn trùng với điểm giữa thuyền trong đường nổi trên mặt nước. Với tàu thì các trục