Thiết kế và điều khiển thuyền không người lái (Usvunmanned surface vehicle)

Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018

Kỷ yếu khoa học

THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN THUYỀN KHÔNG NGƯỜI LÁI (USVUNMANNED SURFACE VEHICLE)
Nguyễn Đăng Khoa*, Đặng Cao Cường, Bùi Quốc Chiến
Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
*Tác giả liên lạc:
TĨM TẮT
Thuyền khơng người lái (Unmanned Surface Vehicle -USV) đã trở thành phương
tiện phổ biến trên thế giới, đã được sử dụng trong một loạt các ứng dụng. Với
yêu cầu đó, việc thiết kế và xây dựng các hệ thống USV đang diễn ra sôi nổi, đồng
thời đã đạt được một số kết quả như mong đợi. Bài viết này mô tả thiết kế USV
với cấu trúc linh hoạt, phát triển thuật tóa n điều khiển đã được áp dụng trong
mơ phỏng và thực nghiệm. Mơ hình hóa USV được phát triển để nhanh chóng
trong việc triển khai thiết kế, phát triển và xây dựng bộ điều khiển. Với kết quả
mô phỏng và thực nghiệm đã chứng minh rằng hệ thống điều khiển, thuật tóa n
dẫn đường LOS và bộ điều khiển PID cho thấy hiệu suất tốt, tính khả thi và độ
tin cậy của hệ thống điều khiển được thiết kế.
Từ khóa: Hướng dẫn, đường dẫn, đường ngắm.
DESIGN AND CONTROL UNMANNED SURFACE VEHICLE USV
Nguyen Dang Khoa*, Dang Cao Cuong, Bui Quoc Chien
University of Technology – VNU Ho Chi Minh City
*Corresponding Author:
ABSTRACT
Unmanned Surface Vehicle (USV) has become a popular vehicle in the world,
has been used in a variety of applications.For that purpose,It is necessary to
design and develop USV systems, and the results have been as expected. This
article describes the design of USV with flexible structure, control algorithms
that have been applied in simulation and experiment. USV modeling was
developed to rapidly deploy design and develope controllers. With simulation and

experimental results it has been demonstrated that control systems, LOS routing
algorithms and PID controllers show good performance feasibility and reliability
Keyword: Guidance, path-following, line of sight.
TỔNG QUAN
Ngày nay nhiều ứng dụng thực tế về
việc khảo sát sông, hồ, biển,… được
thúc đẩy do môi trường sống của con
người bị thu hẹp dần và cần tìm nguồn
tài ngun, mơi trường mới cũng như
đảm bảo an tồn cho khu vực sinh sống
của chính mình. Đối mặt với vấn đề
này nhiều ứng dụng đã được phát triển
và một trong số đó là tàu tự hành trên
mặt nước để thu thập số liệu. Chúng
được thiết kế dựa trên nhiệm vụ cụ thể,

bên cạnh đó chúng khơng bị hạn chế
bởi môi trường nguy hiểm đối với con
người, chẳng hạn như môi trường hạt
nhân hoặc chất thải bị ô nhiễm. Ở một
số quốc gia, USV bắt đầu thực hiện các
nhiệm vụ nguy hiểm trong các ứng
dụng quân sự và dân sự. Với hệ thống
định vị toàn cầu (GPS) trở nên nhỏ
gọn, hiệu quả và giá vừa phải, cùng các
hệ thống dữ liệu không dây băng thông
cao hơn đã tạo thuận lợi đối với sự phát
triển của USV đối với nhiều ứng dụng.

506

Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018

Muốn phát triển tàu tự hành cần có các
hệ thống dẫn đường và điều khiển tự
động để tàu có thể tự đi theo một quỹ
đạo đã định trước. Trong hệ thống điều
khiển, các nhà nghiên cứu tập trung
vào các khía cạnh của điều hướng, dẫn
đường, tránh vật cản vật cản để tăng
cường khả năng của USV.
Trong đề tài này, hệ thống điều khiển
bao gồm các cấu trúc phần cứng và
phần mềm, các bộ điều hướng và điều
khiển được phát triển để đáp ứng các
nhu cầu khác nhau của thực nghiệm
như điều khiển góc heading, bám điểm
và vv . Xây dựng một bộ Guidance để
tạo đường dẫn bằng phương pháp LOS
và thiết kế một bộ điều khiển để bám
theo góc heading mong muốn Ngồi
ra, kết quả mơ phỏng và thử nghiệm sẽ
được thực hiện và trình bày.
NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG
PHÁP NGHIÊN CỨU
Để tăng tính ổn định cho USV, một tàu
kiểu catamaran được chọn để thiết kế.
Nó bao gồm hai thân tàu, hệ thống đẩy,
hệ thống điều khiển và cảm biến.

Kiến trúc phần cứng
Board định vị được kết nối với các cảm
biến bao gồm đơn vị đo quán tính
(IMU) và hệ thống định vị tồn cầu
(GPS). Hệ thống USV có thể truy cập
không dây RF để truyền/nhận lệnh từ
trạm mặt đất và gửi chúng đến board
chính để đưa ra quyết định điều khiển.
Dựa vào sơ đồ trên, STM32F4 đóng
vai trị xử lý trung tâm. Nó có nhiệm
vụ đọc các tín hiệu được trả về từ GPS,
IMU và tín hiệu điều khiển được gửi từ
máy tính thơng qua sóng RF. Sau đó,
STM32F4 sẽ điều khiển các động cơ để
đáp ứng yêu cầu đặt ra.
Cấu trúc phần mềm
Nhiệm vụ của USV được gửi từ trạm
giám sát mặt đất và sau đó USV sẽ lựa
chọn và thực hiện các nhiệm vụ khác
nhau như lựa chọn chế độ điều

Kỷ yếu khoa học

khiển,giải thuật điều khiển,… Các
tham số này sẽ được gửi đến bộ xử lý
trung tâm để thực hiện các nhiệm vụ
như điều khiển từ xa, điều khiển góc
heading.
Vai trị của trạm mặt đất là thiết bị đầu
cuối cho người dùng cuối giám sát và

điều khiển cho USV thông qua các
kênh truyền thông RF. Sau khi bắt đầu
chương trình GUI, người dùng sẽ được
yêu cầu chọn chế độ điều khiển của
điều khiển từ xa hoặc tự động. Với
vòng lặp 100ms (10Hz), hệ thống giám
sát mặt đất có thể cập nhật chính xác
và hiển thị trạng thái của USV thông
qua biểu đồ đường thời gian và xem
trên bản đồ.
KẾT QUẢ
Kết quả điều khiển góc heading được
áp dụng trong thực nghiệm với kết quả
vọt lố nằm trong phạm vi 5 độ. Nói
chung, cả kết quả thực nghiệm cho
thấy sự hội tụ tốt với các góc heading
mong muốn.
Trong thực nghiệm bám qua các điểm
waypoint cho trước, USV được điều
khiển để bám bốn điểm định sẵn được
xác định trước như P1 P2 P3 P4. USV
bắt đầu tại điểm S. Để kiểm tra thuật
tóa n LOS và điều khiển góc heading
được mơ tả trong phần trước. Kết quả
thực nghiệm được thể hiện trong hình
5 với bốn điểm waypoint mong muốn
KẾT LUẬN
Trong bài viết này ta đã trình bày
phương hướng giải quyết và thiết kế bộ
Guidance và Controller. Các kết quả

thu được qua mô phỏng là phù hợp và
khả quan với thực tế. Tàu có khả năng
hội tụ về đường đi mong muốn và điều
đó cho thấy tính chính xác của
Guidance và chất lượng của
Controller. Tuy nhiên, tất cả được thử
nghiệm với điều kiện tương đối yên
tĩnh, tốc độ và hướng không đổi. Việc

507


Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018

điều chỉnh bộ điều khiển để PID tốt
hơn có thể xử lý điều kiện thời tiết khắc
nghiệt có thể gây ra sự thay đổi lớn hơn
về tốc độ của hành trình và hơn thế nữa

Kỷ yếu khoa học

thay đổi nhanh theo hướng.
Điều này hy vọng sẽ giảm bớt lắc lư và
làm cho bộ điều khiển đáng tin cậy và
ổn định hơn.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
J. BROWN, C. TUGGLE, J. MACMAHAN, AND A. RENIERS. The use of
autonomous vehicles for spatially measuring mean velocity profiles in
rivers and estuaries. Intelligent Service Robotics, vol. 4, pp. 233–244, Oct.

2011.
R. MURPHY, E. STEIMLE, M. HALL, M. LINDEMUTH, D. TREJO, S.
HURLEBAUS, Z. MEDINA-CETINA, AND D. SLOCUM. RobotAssisted Bridge Inspection. Journal of Intelligent & Robotic Systems, vol.
64, pp. 77–95, Oct. 2011.
S. CAMPBELL, W. NAEEM, AND G. IRWIN. A review on improving the
autonomy of unmanned surface vehicles through intelligent collision
avoidance manoeuvres. Annual Reviews in Control, vol. 36, pp. 267– 283,
Dec. 2012.

508