Nghiên cứu phát triển hệ thống mô phỏng chuyển động tàu thuỷ với sàn treo ba bậc tự do ứng dụng thuật toán điều khiển hiện đại

LỜICAMĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự
hướngdẫn của tập thể giáo viên hướng dẫn và các nhà khoa học. Các tài liệu tham
khảo đãđược trích dẫn đầy đủ. Kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa từng được ai
cơng bốtrênbấtcứmộtcơngtrìnhnàokhác.
HảiPhịng, ngày 12tháng12n ă m 2023
Tácgiả

TrƣơngCôngMỹ

1


LỜICÁM ƠN
Trong q trình làm luận án, tơi đã nhận được nhiều góp ý về chun mơn
cũngnhư sự ủng hộ giúp đỡ của giáo viên hướng dẫn, của các nhà khoa học, của
đồngnghiệp.Tơixinđượcgửitớihọlờicảmơn sâusắc.
Tơi xin bày tỏ lịng cám ơn đến giáo viên hướng dẫn đã trực tiếp hướng dẫn
tôitrongsuốtthờigianqua.
Tôicũngxinchânthànhcámơncácnhàkhoahọc,KhoaHànghải,KhoaĐiện
– Điện tử, Viện đào tạo sau đại học, trường Đại học Hàng hải Việt Nam đã tạo
điềukiệnthuậnlợichotơitrongsuốtqtrìnhhọctậpvànghiêncứuthựchiệnluậnán.
Cuối cùng là lời cảm ơn sự ủng hộ, động viên khích lệ to lớn của gia đình để
tơihồnthànhnhiệmvụhọctập.
Hải phịng,Ngày12tháng12n ă m 2023
Tácgiả

TrƣơngCơngMỹ


MỤCLỤC

MỤCLỤC.................................................................................................................... iii
DANHMỤCHÌNH VẼVÀĐỒTHỊ.............................................................................vi
DANHMỤCCÁCBẢNG.............................................................................................ix
DANHMỤCCHỮVIẾTTẮT.......................................................................................x
MỞĐẦU........................................................................................................................ 1

1. Tínhcấp thiết củaluậnán..................................................................................1
2. Mụctiêunghiêncứucủaluậnán.........................................................................4
3. Đốitƣợngvàphạmvinghiêncứucủaluậnán.......................................................4
3.1 Đốitượngnghiêncứu.........................................................................................4
3.2 Phạmvinghiêncứu............................................................................................4

4. Phƣơngphápnghiêncứucủaluậnán..................................................................5
5. Ýnghĩa khoa họcvà thựctiễn............................................................................5
6. Nhữngđiểmđónggópmới….......................................................................................6
7. Bốcụccủaluậnán.......................................................................................................6
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MƠ PHỎNG HÀNG HẢI VÀ MƠ HÌNH
TỐNĐỘNGLỰCHỌCCỦACHUYỂNĐỘNG TÀUTHỦY............................................8

1.1 Giớithiệuvềhệthống mơphỏnghàng hải........................................................8
1.2 Tínhhìnhnghiêncứutrongvàngồinƣớccóliênquanđếnđềtàiluậnán.12
1.2.1 Tìnhhìnhnghiêncứungồinước.....................................................................12
1.2.2 Tìnhhìnhnghiên cứutrongnước....................................................................24
1.2.3 Hướngnghiêncứu củaluận án.......................................................................26

1.3 Mơhìnhtốnhọcmơtảchuyểnđộngtàuthủydạngkhơnggiantrạng
thái 27
1.3.1 Phương trìnhtốnmơtảchuyểnđộngtàuthuỷvới6bậctựdo..............................29
1.3.2 Phânt í c h v e c t ơ t ổ n g h ợ p l ự c v à m ô m e n b ê n n g o à i t á c đ ộ n g v à o c o n t à
u (khơngbao gồmlực vàmơmennổi)..................................................................................32

1.4 Lựcvàmơmendotácđộngcủanhiễuloạnmơitrƣờng......................................35
1.4.1 Lựcvàmơmencủadịngchảytạora..................................................................36
1.4.2 Lựcvàmơmencủagió tạo ra..........................................................................36


1.4.3 Lựcvàmơmencủasóng tạora.........................................................................38
1.5 KếtluậnChƣơng1..................................................................................................40
CHƢƠNG2.MƠPHỎNGCHUYỂN ĐỘNG3DTÀUTHUỶVÀXÂYDỰNGMƠ
HÌNHTÍNHIỆUĐIỀUKHIỂN3TRỤCTỰDOCỦASÀNTREOCABIN
.......................................................................................................................................41

2.1. Phầnmềmmơ phỏng chuyểnđộng3Dtàuthủy-Unity3D.............................41
2.1.1 TriểnkhaihệthơngmơphỏngchuyểnđộngtàuthủytrongUnity3D.....................42
2.1.2 Cáccơngcụcơbảnđểchuyểnđổitừphươngtrìnhđộnghọcthànhchuyểnđộng3
D

43

2.2 ỨngdụngphầnmềmUnity3Dđểmôphỏngchuyểnđộngtàuthuỷ..................45
2.2.1 Tạo lựcnổichotàuthủy..................................................................................46
2.2.2 Tạo lựcvàmômenthủyđộnghọcchotàuthủy...................................................48
2.2.3 Tạo lựcvàmômenliênquanđếnthiếtbịđẩyvàbánhláichotàuthủy.....................48
2.2.4 Tạo lựcvàmômendonhiễu môitrường tácđộngtàuthủy..................................50
2.2.5 Thu thậpthơngtin6bậctựdocủamơhìnhtàuthủy.............................................51
2.2.6 Một sốđốitượng thờitiếtvàđịahình, địavậttươngtác trong lậptrình................51
2.2.7 Mộtsốmơhình3Dtàu mụctiêu.......................................................................54

2.3 Đềxuấtcấutrúchệthốngmơ phỏnghàng hải.................................................55
2.3.1 Mơhìnhmơ phỏngchuyểnđộngcủatàu thủy...................................................55

2.3.2 Mơphỏngchuyểnđộngcủatàuthủyvớisàntreobabậctựdo(3DOF)...................58

2.4 Mơhìnhđộnghọcngƣợcxácđịnhgócquayđộngcơservo.................................60
2.5 Kiểmchứng bằngmơ hìnhđộnghọcthuận....................................................61
2.6 Kếtquảmơphỏng..........................................................................................63
2.7 Xâydựngcấu
trúcđiềukhiểnbámtínhiệumơphỏngcủatổhợpDrive/ServoứngdụngPLC............65
2.7.1 Phân tíchcácvịnglặpđiềukhiển....................................................................65
2.7.2 CảithiệnchấtlượngđiềukhiểnvịtríbằngthuậttốndựbáosốtrêncơsởPLC69
2.8.KếtluậnChƣơng2..................................................................................................72
CHƢƠNG3 . T H I Ế T K Ế B Ộ Đ I Ề U K H I Ể N D Ự B Á O Ứ N G D Ụ N G M Ạ
N G NƠRONNHÂNTẠOTRONGĐIỀUKHIỂNSÀNTREO...........................................72


3.1 Trítuệnhântạo-AIvà mạngnơronnhântạo-ANN........................................72
3.2 CáchìnhtrạngcủamạngnơronANNvàmạngtruyềnthẳngnhiềulớpM
LP 73
3.2.1 Các hìnhtrạngcủamạngnơron.......................................................................73
3.2.2 MạngtruyềnthẳngnhiềulớpMLP..................................................................73

3.3 Ứngdụng mạngnơronnhân tạo dạngMLPtrong điều khiểnsàntreo75
3.3.1

BàitoándựbáotrướcgiátrịthamchiếuchotổhợpD r i v e /

S e r v o Mortor..............................................................................................................76
3.3.2.Xâydựngmạng nơronsửdụngcơngcụ Matlab/Nntool....................................78
3.3.3 Huấnluyện mạng trongMatlab/NNtool.........................................................82
3.3.4 Xâydựngkịchbảnmơphỏngvớimơhình Newton-Raphson.............................86

3.4. Sơđồkếtnối dữliệucủahệthốngmơ phỏnghànghải.....................................89
3.4.1 GiaodiệndữliệucủaPLCvớivơlăng,taytrangvàbộđotínhiệusàntreo
.......................................................................................................................................91
3.4.2 GiaodiệndữliệucủaPLCvớipanelđiềukhiểnmáychính,máylái,neo,
chânvịtmũi 92
3.4.3 GiaodiệndữliệucủaPLCvớiDrive/Servomotor.............................................94

3.5. Thiếthế,chếtạobànđiềukhiểncontrol console............................................97
3.6. Cải thiện chất lƣợng điều khiển sàn treo mơ hình vật lý bằng bộ dự
báoứngdụngmạngnơron...................................................................................100
3.7. KếtluậnChƣơng3…...........................................................................................104
KẾTLUẬN................................................................................................................104
CÁCCƠNGTRÌNHĐÃCƠNGBỐ...........................................................................106
TÀILIỆUTHAMKHẢO..........................................................................................107
PHỤLỤC..................................................................................................................119
Phụlục1:Bảng dữliệuđầuvàođểhuấnluyệnmạng.....................................................120
Phụlục2:Bảng dữliệuđầura đểhuấnluyện mạng.....................................................148


DANHMỤC HÌNHVẼVÀĐỒTHỊ
Hình1.1 Hệthốngmơ phỏnghànghải................................................................................8
Hình1.2 Hệthốngmơ phỏngláitàuthủy............................................................................9
Hình1.3 Hệthốngmơ phỏnghànghảicủahãngKongsbergMarine....................................10
Hình1.4 Hệthốngmơphỏnghànghảicủa hãng Wärtsilä/Transas......................................10
Hình1.5 Hệthốngmơ phỏnghànghảicủahãngNAUTIS/VSTEP.....................................11
Hình1.6Thưviệncácloại mơhìnhtàutrong MSS-GNCToolbox.......................................13
Hình1.7Thưviệncơ cấuchấphànhtrong MSS-GNCToolbox..........................................13
Hình1.8Thưviệnthiết bịđo,quansáttín hiệu hànghảit r o n g MSS-GNC........................14
Hình1.9ThưviệncácloạinhiễuloạnmơitrườngtrongMSS-GNCToolbox.........................14
Hình1.10 Hìnhảnhluồngvàthực địatrênphầnmềmSeamanOnline..................................15

Hình 1.11 Hình ảnh mơ phỏng chuyển động tàu thủy trên phần mềm CoSimulations15Hình1.12HìnhảnhmơphỏnghệthốngphươngtiệnHànghảidựatrênnềntảngcủahãngKongsberg. . .16
Hình1.13 Thànhphần chuyểnđộng,thamsốđộnghọccủachuyểnđộngtàuthủy28
Hình1.14. Địnhnghĩa tốc độgióv à hướng( n g u ồ n [32]).............................................36
Hình2.1. GiaodiệncủaUnity3D.....................................................................................42
Hình2.2. Mơhìnhđốitượngtàuchủa)và cửasổcàiđặtlực nổichotàuthủyb)........................46
Hình2.3Xácđịnhhìnhtamgiácchìmtrongnướca)vàcáctrườnghợptamgiácchìmvớithuật
tốntốiưu hóaxửlýsaisốb).............................................................................................47
Hình2.4. Cửasổcàiđặtcáclựcđẩy,lực cản vàmơmenvàođốitượngcontàu........................49
Hình2.5. Cửa sổcàiđặtmơphỏngtươngtác giữa đốitượngnghiêncứu..............................50
Hình2.6.Cửasổcàiđặtbầutrờia)vàcàiđặtthuộctínhbầutrờib)...........................................52
Hình 2.7.Đối tượngbầu trời Silverlining.....................................................................52
Hình2.8.ĐốitượngsóngbiểnTritonocean.........................................................................52
Hình2.9. Tạohiệuứnghìnhảnhbanđêm..........................................................................53
Hình2.10. Tạohiệuứnghìnhảnh banngày, trạngthái mặtbiểnvàmưa...............................53
Hình2.11. Cửasổlấyđịahìnhthựctế từWorldComposer..................................................54
Hình2.12. Mơhình3D tàuBulkCarriera)vàmơhình3DtàuCargob)..................................54
Hình 2.13. Cấu trúc khung cơ khí của hệ thống mơ phỏng chuyển động của tàu
thủy.55Hình2.14. Cấutrúcmạngcủahệthống mơphỏngchuyển độngtàuthủy....................56


Hình2.15 Mơhình mơ phỏngchuyểnđộng3DOFbuồng láitàuthủy.................................57
Hình2.16Mơhìnhmơphỏngchuyểnđộng3bậctựdosửdụngđộngcơservo.a)Mặtsànđểgắnc
abinebuồnglái,b)Khungtamgiáctruyềnđộng..................................................................58
Hình2.17 a) Sơ đồhìnhhọc củamơhình 3DOF,b)Tayquayvàtayđịn...............................59
Hình2.18 ThuậttốnNewton-Raphson xácđịnh mơhìnhđộng họcthuận.........................62
Hình2.19S ơ đồmơphỏnghệthốngtrên Matlab/Simulink................................................62
Hình2.20 Kếtquảmơ phỏngkhi chỉcó lắcngang(-roll);...............................................63
Hình2.21 Kếtquảmơ phỏngkhi chỉcólắcdọc(-pitch);...................................................63
Hình2.22 Kếtquảmơ phỏngkhi chỉcótrượt dọctrụcthẳngđứng(z-heave)........................64
Hình2.23Kếtquảmơ phỏngkhi cóchuyểnđộnghỗnhợp...................................................64

Hình2.24 Cấutrúcvịnglặptrong điềukhiển nốitầngđộngcơ servo...................................65
Hình2.25. Cấutrúcđiềukhiểnsử dụngPLC vàServoMotorcủahãngDelta........................66
Hình2.26.Cấutrúcvịnglặpvịtrí(a)vàtốcđộ(b)trongchếđộcóFeedforwardđầuvào.67
Hình2.27SơđồmạchbùnhiễutảiFeedforward...............................................................688
Hình2.28. Đặctínhđáp ứngbámtheocácgócquaycontàucủasàncabine............................69
Hình2.29Đápứngbámtheocácgócquaycontàucủasàncabinekhisửdụngdựbáovới𝑇𝑠 =
5 0 0 𝑚 𝑠 ....................................................................................................................... 70
Hình3.1Mạngnơrontruyềnthẳngnhiềulớp MLP.............................................................74
Hình3.2.SơđồcấutrúchệthốngđiềukhiểnsàntreocótíchhợpmoduleANN/MLP
.......................................................................................................................................80
Hình3.3.KhốiOPCConfigurationđểcấuhìnhkếtnốia)KhốiOPCWriteđểghidữliệut
hờigianthựcđến PLCb)KhốiOPCReadđểđọcdữliệuđếntừPLC.......................................80
Hình3.4. KhốiOPCQualityPartsđểgiámsátchấtlượngkếtnối..........................................81
Hình3 . 5 . D ữ l i ệ u m ẫ u đ ể l u y ệ n m ạ n g n ơ r o n a ) C h u y ể n đ ộ n g r o l l ; b ) C h u y ể n đ
ộ n g pitch;c)Chuyểnđộng heave.......................................................................................83
Hình3.6. Sơđồcấutrúcmạngnơ ron................................................................................84
Hình3.7.Cửasổtrạngtháiquátrìnhluyệnmạng.................................................................85
Hình3.8.Đ ặ c tính saisốMSEcủaqtrìnhluyện mạng.................................................855
Hình3.9.Đườnghồi quyluyệnmạng.............................................................................865
Hình3.10Đườnghồiquykhithửnghiệmvới đầuraalpha1................................................875
Hình3.11.Đ ư ờ n g hồi quykhithửnghiệmvớiđầuraalpha2.........................................876


Hình3.12.Đườnghồiquykhithử nghiệmvớiđầuraalpha3..............................................886
Hình3.13Khốimạng nowrronđã hìnhthànhtrongmơi trườngSimulink...........................86
Hình3.14. Sơđồkhối mơ phỏng cósửdụngmạngnowrronnhântạo..................................87
Hình3 . 1 5 . Đ ặ c t í n h m ô p h ỏ n g đ á p ứ n g t í n h i ệ u r a ( l ắ c n g a n g ) ,
( l ắ c d ọ c ) v à chuyểnđộngtrượtdọctrụcthẳngđứnglàkhicómạngNơron..........................87
Hình3.16.Đặctínhmơphỏngtín
hiệu đầu ầu vào đầu iều khiển đầu ộng cơse

rvo
khicó mạngNơron.........................................................................................................88
Hình3.17.Cấutrúcmạngcủahệthống mơphỏnghànghải..................................................89
Hình3.18.SơđồkhốicấpnguồnchoPLCđiềukhiển...........................................................90
Hình 3.19. Cảmbiếntín hiệu sàntreo3 trụcloại QK–AS08 a)vàencodergắn
vàotaytrangđiềukhiểnb)..................................................................................................91
Hình3.20. Bảnvẽ kết nốitínhiệuvào/ragiữaPLCvàdrivecủađộngcơservo.......................96
Hình3.21. Thuậttốnđiềukhiển vịtríservo bằnglệnh DRVA..........................................97
Hình3.22. MặttrướcPanelđiềukhiển..............................................................................98
Hình3.23.Mặttráicủa Panelđiềukhiển...........................................................................98
Hình3.24.MặttrêncủaPanelđiềukhiển...........................................................................98
Hình3.25.Hìnhảnhbàncontrolconsolebuồngláisaukhiđượcchếtạo.................................99
Hình3.26. Mộtsốhình ảnhcủahệthốngmơphỏngsauchếtạo..........................................100
Hình3.27.SơđồcấutrúcứngmạngnơronnhântạoMLPtrongđiềukhiểnmơhìnhv
ậtlýsàntreo3 DOF.......................................................................................................101
Hình3.28.Đápứngtínhiệukhitínhiệunghiêng,lắcvàtrượtđừngcủasàntreokhiứ
ngdụng mạngnơron nhântạoMLPso sánhvớitínhiệutừ mơphỏng3D............................102


DANHMỤCCÁCBẢNG
Bảng1.1. Thànhphần chuyểnđộngvàthamsốđộnghọccủatàuthủy[32,36].......................28
Bảng2.1Cácthànhphầnlựcvàmơ men............................................................................48
Bảng2.2Cácthànhphầnlựcvàmơ men............................................................................49
Bảng2.3Thànhphầnlựcvàmơ men.................................................................................50
Bảng2.4 Cácthànhphầntọađộvàgóc..............................................................................51
Bảng3.1. Mơtảcácthànhphầnchuyểnđộng của sàntreo...................................................77
Bảng3.2.Cácthơngsốchínhđểhuấnluyện mạng..............................................................84
Bảng3.3 Cácđầuvào/racủapanelđiềukhiểnmáychính.....................................................92
Bảng3.4 Cácđầuvào/racủapanel điềukhiển máylái........................................................93
Bảng3.5. Cácđầu vào/racủapanel điềukhiển.................................................................93

Bảng3.6. CácđầuvàocủaDriverServo/PLC....................................................................94
Bảng3.7 CácđầuvàocủaDriveServo/PLC......................................................................94


DANHMỤCCHỮVIẾTTẮT
Chữviếttắt

Giảithích

AI

ArtificialIntelligence

ANN

ArtificalNeuralNetworks

BP

BackPropagation

BPNN

Backpropogation NerualNetwork

BPTT

BackPropagation- Through-Time

BTF

Backprorationnetworktrainingfuntion

CAN

ControllerAreaNetwork

DOF

Degreeof freedom

ECDIS

ElectronicChartDisplayandInformation System

EE

EndEffector

FFNN

Feed-forwardneural network

GA

GeneticAlgorithms

GNC

GuideNavigationControl

GPS

GlobalPositioningSystem

HMI

HumanMachineinterface

LQR

LinearquadraticRegulator

MAE

Meanabsoluteerror

MLP

Multi-layerpeprcetron

MPC

Marginalpropensitytoconsume

MSS

MarinerSimulationSystem

NNs

NeuralNetworks

OPC

OpenPlatformCommunications

PF

Performancefunction

PID
PLC

ProportionalIntegralDerivative
Programmablelogiccontroller

RNN

Recurrentneuralnetwork

TCP

TransmissionControlProtocol

TFi

Transferfuntionofwithlayer

MỞĐẦU
1. Tínhcấpthiết củaluậnán

Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ
của ngành công nghệ công tin trongcuộc cách
mạng công nghệ 4.0, các lĩnh vực cơng nghệ khác
đang có trào lưu tận dụngtối đa lợi thế của phần
mềm tin học vào lĩnh vực của mình. Với các lĩnh
vực gặp khókhăn trong công tác triển khai kiểm
chứng, thử nghiệm kết quả hoặc vận hành như
hàngkhông vũ trụ, năng lượng hạt nhân, y tế thì
việc ứng dụng cơng nghệ thơng tin đem
lạihiệuquảrấttolớn.Tuynhiên,cáclĩnhvựckhá
cnhưgiaothơngvậntải,nănglượng,hóad ầ u, t h
i ế t b ị n â n g h ạ c ũ n g k h ô n g n ằ m n goà i x u h ư ớ n
g đ ó , đ ặ c b i ệ t l à t r o n g k h í a cạnhsảnxuấtthiếtbịvàhuấnluyện
đào tạo. Về mặt pháp lý, ngành giao thông vận tảiđã và đang triển
khai các thông tư yêu cầu các cơ sở đào tạo áp
dụng các hệ thống môphỏng vào đào tạo, huấn
luyện. Cụ thể là trong giao thơng đường bộ có
thơng tư số04/2022/TT-BGTVT ngày 22/4/2044
về “Sửa đổi, bổ sung một số điều của Thông tư
số12/2017/TT-BGTVT ngày 15 tháng 4 năm
2017 của Bộ trưởng Bộ Giao thông vận tảiquy
định về đào tạo sát hạch, cấp giấy phép lái xe cơ
giới đường bộ”, trong đó điều 47khoản 2 có yêu
cầu “Cơ sở đào tạo trang bị và sử dụng ca bin học
lái xe ô tô để đào tạolái xe ô tô trước ngày
31/12/2022”. Trong ngành hàng hải có thơng tư
số 15/2019/TT-BGTVT ngày 26/4/2019 về “Ban

hành quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về cơ sở vật
chất,trang thiết bị đào tạo của cơ sở đào tạo, huấn
luyện thuyền viên hàng hải”, trong đó tạiphụ lục 5
khoản 3 về u cầu phịng mơ phỏng buồng lái,
1


khoản 4 về yêu cầu phòng

triển rất nhiều các chủng loại tàu thủy ngày càng

môphỏng

hiện

buồngmáy

-

đại

và

đa

dạng

điện, điện tử, khoản 5

vềthiếtk ế . D o đ ó , n h i ệ m v ụ c ủ a c á c đ ộ i n g ũ t h

vều

uyềnviêncầnphảinắmbắtchínhxác,

cầu

phịng

phầnm ề m ứ n g d ụ n g
x ế p dỡ hàng hóa. Bên
cạnh đó, trên phương diện
quốc tế tổ chức hàng hải
quốc

tế

-

IMO

cócáchướngdẫnđốivớih
uấnluyệnđàotạosỹquan
hànghảitrongIMOMode
lCourse
1.22 về “Ship simulator
and

bridge

teamwork”

trong đó yêu cầu sỹ quan
hàng hải phảicó ít nhất
20/40

giờ

huấn

luyện

trong phịng mơ phỏng
buồng lái. Đối với sỹ quan
máykhai thác, trong IMO
Model Course 2.07 về
“Engine
Simulator”

-

Room
trong

đó

yêucầu sỹ quan máy khai
thác phải có ít nhất 80 giờ
huấn luyện trong phịng
mơ phỏngbuồng máy.

Mặt

khác,

trong

ngành hàng hải nói chung
và cơng nghiệp đóng tàu
nói riêng đãvà đang phát
2


nhanh chóng cách thức vận hành. Tuy nhiên, việc đào tạo trên các thiết bị thật rất
tốnkém nhiên liệu, thiết bị, nguồn lực và dễ tạo ra các sự cố nguy hiểm gây hỏng hóc
chothiết bị thật. Để khắc phục tình trạng này, việc đào tạo hiện nay có xu hướng sử
dụngcôngn g h ệ t h ự c t ế ả o 3 D k ế t h ợ p v ớ i m ơ h ì n h c h u y ể n đ ộ n g n h i ề u b ậ c t ự d o
đ ể m ơ phỏngcáctrangthiếtbị,cáctìnhhuốngcóthểxảyratrongqtrìnhhuấnluyện.
Khin g ư ờ i v ậ n h à n h t h ự c h i ệ n t r ê n c h ư ơ n g t r ì n h m ô p h ỏ n g h à n g h ả i s ẽ r ấ
t a n tồn,hạnchếđượcrủirosovớidùngthiếtbịthựctếmàvẫnđượctrảinghiệmđượccáctìnhhuốnggiốngnhư trênbiển.
Việc chủ động nghiên cứu, ứng dụng các thuật tốn điều khiển hiện đại và
pháttriểncácmơhình mơphỏngsẽkhắcphụcđượcrấtnhiềunhượcđiểmnhư:
-

Phụ thuộc vào các cơng trình nghiên cứu ở nước ngồi nên khả năng làm
chủcơngnghệkhơngcao.

-

Q trình chuyển giao cơng nghệ và kết quả nghiên cứu rất tốn nhiều thời
gian,kinhphíđàotạolớn.

-

Khó khăn trong việc bảo hành, bảo trì, nâng cấp, phát triển hệ thống do

khoảngcáchđịalývàbấtđồngngơnngữgiữanhàsảnxuấtvàđơnvịsửdụng.
-

Dữ liệu hải đồ địa hình, địa vật khơng được cập nhật và xây dựng đúng như

địahìnhđịa vậtthực tếtrongnước.
-

Khơng đảm bảo các yếu tố bí mật thơng tin an ninh quốc gia của dữ liệu địa

hình,địa vật nếu cung cấp các tham số dữ liệu địa hình đặc tả cho phía đối tác nước ngồi để xâydựngdữ
liệusố(2Dvà3D)phụcvụmơphỏngđịalýhệthống.
-

Các hệ thống mơ phỏng của các cơng trình nghiên cứu nước ngồi thường có

tínhchấtđộclậpvàgiớihạnphạmvivậnhànhtrongmộtphịnghuấnl u y ệ n b u ồ n g l á i , buồng máy
hoặc bảng điện mà không hỗ trợ nhiều việc liên kết thơng tin giữa các
buồngđểtạoramộtcấutrúchợpluyệnhồnchỉnhnhư mộtcontàu.
-

Cuốicùng làtổngchiphícho mộtmơhình mơ phỏngthườngrấtcao.
Hiệnnay,hệthốngmơphỏngcótíchhợpmơhìnhchuyểnđộng(motionplatform)

nói

chung và hệ thống mơ phỏng chuyển động cho các phương tiện giao thơngvậntảinóiriêngđang
đượcứngdụngrấtrộngrãitrongđàotạo,giảitrí.Trênthếgiớiđãcórấtnhiềucáccơngtrìnhnghiêncứuvềhệthốngmơphỏngchuyểnđộng
2DOF,3DOF,6DOF.Cáccơngtrìnhnghiêncứuvớicấutrúchệthốngsửdụngđộngcơpiston,


động cơ servo hoặc xi lanh/piston thủy lực, phần mềm thiết kế là chun dụng
cơngnghiệp. Bên cạnh đó, có các cơng trình tập trung vào nâng cao hiệu suất, giảm độ
ồn,
vàtăngcườngtruyền thơngm ạ n g tronghệthống. Cáccơngtrình nghiêncứutrongn
ướctậptrungvàovấnđềứngdụngmộtsảnphẩmphầncứngvàphầnmềmcơngnghiệpchun dụng của nước ngồi
vào một dự án mơ phỏng cụ thể cho trị chơi hoặc cơngnghiệp quốc phịng. Khi nghiên
cứu tích hợp thêm mơ hình chuyển động 3DOF cho hệmơ phỏng có rất nhiềucơng trình
nghiên cứu xoay quanh kiểu cấut r ú c

tương

tự

n à y như các cơng trình

[9,11,12,13] nghiên cứu về động học ngược, động học thuận dạng bapiston,cơngtrình[11]nghiên
cứuvềđiềukhiểnđộnglựchọc.Tuynhiên,chỉcócáccơng trình [12,13] nghiên cứu cấu trúc sử dụng 3 động
cơ servo thông qua hệ thống trụckhủy/tay đòn để truyền động cho sàn treo cabine. Tuy nhiên, về mặt kỹ thuật các
cơngtrình nghiên cứu vẫn còn tồn tại nhưng hạn chế nhất định như chất lượng điều
khiển,chất lượng và độ trung thực của hình ảnh, khả năng đồng bộ dữ liệu điều khiển
cịn tồntạithờigiantrễ ...Cáccơngtrìnhnàyđềuchophéptínhtốngầnđúnggócquay
động cơ servodo đó khi dao động của mặt sàn mô phỏng khoảng ±15°, gần giống thực tế
chuyển động củam ộ t c o n t à u t h ì s a i s ố đ ế n 5 % v à t h ờ i g i a n
t r ễ g i ữ a c h u y ể n động nghiêng/lắc của của mơ hình và hình ảnh thực tế 3D là

tương

đối

lớn

lên

đến1200ms.Điềunàylàmgiảmtínhđồngbộgiữathịgiácvàcảmnhậnchuyểnđộngthựct
ếcủangườihuấnluyện,giảmtính chính xáctrongmơphỏngchuyểnđộngtàuthủy.
Vì vậy, để góp phần vào nhiệm vụ khắc phục các nhược điểm trên nhằm cải
thiệnchấtlượngmôphỏngchuyểnđộngtàuthuỷvớisàntreonhiềubậctựdo,đồngthờihướng tới chủ động phát triển
công nghệ, giảm bớt giá thành và ứng dụng được các sảnphẩm cơng nghiệp phổ biến,
các

linh

kiện

cơ/điện

tử

sẵn

có

trên

thị

trường

thì

vấn

đềtrênlàrấtcấpthiếtvàcầnđượctiếptụcnghiêncứu.
Xuất phát từ những lý do trên đây, NCS đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu
pháttriển hệ thống mô phỏng chuyển động tàu thuỷ với sàn treo ba bậc tự do ứng
dụngthuật toán điều khiển hiện đại” làm đề tài nghiên cứu cho luận án tiến sĩ của
mình, đểtừ đó đề xuất các thuật tốn hiện đại nhằm nâng cao chất lượng mơ phỏng
chuyển độngtàu thuỷ có tích hợp sàn treo ba bậc tự do, hướng tới đáp ứng nhu cầu tự
động hóa vàhiện đại hóa của đất nước cũng như ngành công nghiệp mô phỏng đã và
đang rất pháttriển.


2. Mụctiêunghiêncứucủaluậnán
Mục tiêu tổng quát của luận án là nghiên cứu, phát triển thuật tốn khiển hiện
đạinhằmcảithiệnchấtlượnghệthốngmơphỏngchuyểnđộngtàuthuỷcótíchhợpsàntreobabậctựdophụcvụchođàotạo,huấnluyệnsinh
viên,họcviênnhómngànhhànghảinhằm mục đích hạn chế thấp nhất các tai nạn trên biển và giảm
chi phí so với việc huấnluyệntrêntàuthật.
Để giải quyết được mục tiêu tổng quát, NCS xác định các mục tiêu cụ thể
củaluậnánnhưsau:
Thứnhất,xâydựnghệthốngmôphỏngchuyểnđộngtàuthủynhằmtạoramộtbả
nsaogiốnghệtbuồngláicủamộtcontàu hiệnđạiđượcđềxuấtđápứngđượccácyêuc
ầuhuấnluyệnchongànhhànghải.Kíchthướccủabuồngláiđượcthiếtkế
l à 2.4x2.4mv à c h i ề u c a o l à 1 , 7 5 m . K h ố i l ư ợ n g đ ủ t ả i c ủ a b u ồ n g l á i k h o ả n g
1 3 0 0 k g . Buồngláimơphỏngcótíchhợpbànđiềukhiển,cácthiếtbịnhưRadar/
ARPA,ECDIS,Conning.. và nộithấtkhác cũng đượctrangbị.Buồngláiđược gắntrênmộtsàn

chuyểnđộngbabậctựdo.Sànchuyểnđộngđượcthiết kếtrênnguyêntắccủaStewartplatform.
Thứ hai,trên cơ sở tiếp cận Stewart platform với ba bậc tự do (lắc ngang, lắc
dọcvà trượt đư) và sau khi mô phỏng động học tàu thủy dạng hình ảnh 3D. NCS tiến
hànhxâydựthuậ t tốn đi ề u kh iể n trênbộ đi ề u khiểnlogic khảtrình PLCđểđiề ukhiể
ntổhợp DRIVE/SERVO nhằm tạo ra chuyển động thật 3 trục tự do mơ phỏng lại chuyểnđộngtừmơhình3D
ảotrênmáytính.
Thứ ba,tích hợp hồn chỉnh một hệ thống mô phỏng 3D động học tàu thuỷ vớimơ
hình chuyển động sàn treo được điều khiển trên cơ sở ứng dụng trí tuệ nhân tạo AIdạng
mạng nơ ron nhân tạo để tăng độ chính xác và giảm thời giant r ễ đ ồ n g b ộ
g i ữ a hìnhảnhvàchuyểnđộngvậtlý.
3. Đốitƣợngvàphạmvinghiêncứucủaluậnán
3.1 Đốitƣợngnghiêncứ u
Trên cơ sở đánh giá sự cần thiết cùng với mục tiêu của đề tài luận án, đối
tượngnghiên cứu của luận án là hệ thống mô phỏng 3D động học tàu thuỷ trong cấu
trúc cabinbuồngláicó tíchhợpmơ hìnhchuyểnđộng3bậctự do(3DOF) củasàntreo.
3.2 Phạmvinghiêncứu
Nghiên cứu về mơ hình động học tàu thủy bao gồm đầy đủ 6 bậc tự do với
bộthamsốcủalớptàuvớichiềudài55m,chiềurộng9.2m,mớnnước2.6mvàtảitrọnglà


429tấn;mơhìnhtốncủa3yếutốmơitrườngnhư:giótrongdải0-30knots,sóngvới12
cấpthangbeaufortvàhải lưu trong dải 0-5knots; mơ hình tốn của hệ động lực 01chân vịt và 01
bánh

lái.

Trên

cơ

sở

các

mơ

hình

tốn

đó

thiết

kế

tàu

mơ

hình

chuyểnđộngtrongkhơnggian3DcủaUnityEngine.
Nghiên cứu xây dựngmơhìnhsàn treo cabin buồngl á i

dạng

Stewart

p l a t f o r m với 03 bậc tự do và ứng dụng của PLC, mạng truyền thông công nghiệp,

động cơ servođể điều khiển 03 chuyển động của sàn bám theo 03 tín hiệu lắc ngang, lắc
dọc và trượtđứngcủatàumơhình3D.
NghiêncứuthuậttốnđiềukhiểnhiệnđạilàmạngnơronnhântạoMLPđểhọcvà
dựbáotrướcquỹđạonhằmđiềukhiển03chuyểnđộngcủasàntreobámtheochuyểnđộngcủatàumơhình3Dvớiđộchínhxácvàthờigiantrễ
đượccảithiệngópphầnnângcaochấtlượngcủa hệ thốngmơphỏng.
4. Phƣơngphápnghiêncứucủaluậnán
Phương pháp nghiên cứu của đề tài luận án bao gồm: phương pháp phân tích
vàtổng hợp lý thuyết, phương pháp mơ phỏng, phương pháp thống kê thu thập dữ liệu
vàđánh giá, phương pháp thực nghiệm. Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết
phụcvụ cho mục tiêu xây dựng mơ hình động học của con tàu. Đối với phương pháp
môphỏng, đề tài sử dụng mơ phỏng 3D các tình huống trên biển cũng như mô phỏng
cáctrang thiết bị như hải đồ điện tử/ECDIS (Electronic Chart Display and
InformationSystem), RADAR, CONNING... Sử dụng mô phỏng trên Matlab/Simulink
cho các thuậttốntìmtínhiệuđiềukhiểncủamơhìnhđộnghọcngượcvàthuậtgiảilặpNewton-Raphson của mơ hình
động học thuận. Phương pháp thống kê, thu thập dữ liệu và đánhgiá để xây dựng, chọn
lọc

bộ

dữ

liệu

học

tốt

nhất

cho

mạng

nơron

nhân

tạo

MLP.

Ngồira,đểkiểmchứngcáckếtquảmơphỏngNCSsửdụngphươngphápthựcnghiệmtrê
ncơsởthựchiệnlắpđặtmơhình,lậptrìnhđiềukhiểncácđộngcơservotrênPLC,xâydựng giao tiếp mạng truyền thơng
Modbus TCP, thuật tốn quy đổi các góc roll, pitch,heave ra các góc quay của động cơ
servo, thuật toán điều khiển xung phát xung điềukhiểnđộngcơservo.
5. Ýnghĩakhoahọcvàthựctiễn
Vềmặtphươngpháp luận, luậnánhướngtới
Luận án đưa ra phương pháp luận, đề xuất áp dụng một thuật tốn điều khiển
mớiđểdựbáovàđiềukhiểnchuyểnđộngcủamơhìnhsàntreobabậctựdobámtheotín


hiệu đặt từ mơ hình mơ phỏng 3D. Cụ thể thuật toán này cho phép huấn luyện trước
vớibộ dữ liệu mẫu và dự báo tín hiệu chuyển động nghiêng, lắc và trượt đứng của con
tàutrên cơ sở sử dụng mạng nơ ron nhân tạo MLP. Luận án sẽ góp phần bổ sung và
làmphongphú thêmcácphương phápđiề uk hi ể n nhằ m làmgiảmđộ trễc ủa mơ hình
sà ntreobabậctự dosovớimơhìnhchuyểnđộngcủahìnhảnhtrong khơng gian3D.
Vềmặtthựctiễn,vớimơhìnhvàthuậttốndựbáođềxuất,luận ánhướngtới
Kết quả của luận án sẽ hiện thực hóa vấn đề khiều khiển mơ hình sàn treo
cabinbuồng lái 3 bậc tự do chuyển động đồng bộ với chuyển động của con tàu trong mơ
hìnhmơ phỏng 3D bằng mơ hình cơ khí có cấu trúc Stewart platform. Cụ thể là mơ hình

dựbáo trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo được cài đặt trong phần mềm Matlab/Simulink
trênmáytính,cóchứcnăngdựbáotrướcchuyểnđộngcủacontàutrongmơhìnhmơphỏng3D và phát lệnh tới PLC để
điều

khiển

thời

gian

thực

các

cơ

cấu

chấp

hành

Drive/ServoMotortruyềnđộngcho03tayđịn.
6. Nhữngđiểmđónggópmới
Đóng góp mới của luận án là phân tách cấu trúc điều khiển sàn treo 3 bậc tự
docủahệthốngmơphỏngchuyểnđộngtàuthủythànhhaikhốilà:khốidựbáogócquayv
àkhốiđiềukhiểnvịtrícủacơcấuchấphành.Từđótổnghợpvàhồnthiệncơsởlýthuyết của thuật tốn dự báo trước
góc quay của của động cơ servo bằng mạng nơronnhân tạo, chứng minh tính đúng đắn
và khả thi của phương pháp đề xuất bằng thựcnghiệm với mơ hình vật lý trên cơ sở các
tiêu chí về độ chính xác bám và giảm thời giantrễ.

7. Bốcụccủaluậnán
Nhằm đạt được mục tiêu nghiên cứu của luận án tiến sĩ, ngoài phần mở đầu,
kếtluận, danh mục tài liệu tham khảo và phụ lục, NCS sẽ tập trung vào giải quyết nội
dungcủaluận án vớikết cấuđược phânbốtrong3chươngcụthểnhưsau:
Chƣơng 1. Tổng quan về mơ phỏng hàng hải và mơ hình tốn động lực
họccủachuyểnđộngtàuthủy
Nội dung chương này đã tổng quan về các cơng trình nghiên cứu về mơ
phỏnghàng hải, đánh giá và phân tích các kết quả của những cơng trình nghiên cứu
trong vàngồi nước. Sau đó xác định khoảng trống nghiên cứu và định hướng xu thế
nghiên cứuchính trong mơ phỏng chuyển động tàu thủy. Chương 1 cũng đề xuất mơ
hình

tốn


họcmơtảchuyểnđộngcủacontàudướidạngkhơnggiantrạngthái6bậctựdo,mơhìn
h


tốn của cácy ế u t ố m ơ i t r ư ờ n g n h ư s ó n g , g i ó v à d ò n g c h ả y
p h ụ c v ụ c h o m ô p h ỏ n g chínhxácchuyển độngtàu thủytrong khơng gian3D.
Chƣơng 2. Mơ phỏng chuyển động 3D tàu thuỷ và xây dựng mơ hình
tínhiệuđiềukhiển3trụctựdocủasàntreocabin
Trong chương này tiến hành nghiên cứu và ứng dụng phần mềm mơ
phỏngUnity3Dđểmơphỏngchuyểnđộngtàuthủytrêncơsởphươngtrìnhđộnghọccóđược
ởchương1.Haivếcủaphươngtrình()
̇= ()đầđượcmơphỏngthơng qua module Rigitbody và
đưa vào mơ hình tàu, trong đó các thành phần lực nổi,lực và mơ men thủy động lực học,
lực và mômen tạo ra do tác động của các lực đẩy củachân vịt chính, chân vịt mũi, bánh
lái, lực do tác động của môi trường như sóng, gió,dịng chảy… đều lần lượt được tính

tốn

bằng

các

khối

hàm.

Chương

này

cũng

nghiêncứuvàxâydựngbộđiềukhiểnbámtínhiệuchuyểnđộngcủacontàumơphỏng3D
bằng mơ hình động học ngược và sử dụng mơ hình động học thuận mơ phỏng
sửdụngthuậttốnNewton-Raphsonđểkiểmtrađáp ứngbámtínhiệu.
Chƣơng 3. Thiết kế bộ điều khiển dự báo ứng dụng mạng nơron nhân
tạotrongđiềukhiểnsàntreo
Nội dung chương 3 trình bày mạng nơron nhân tạo ANN, sau đó thiết kế bộ
dựbáo trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo dạng nhiều lớp truyền thẳng MLP. Tiến hành
kiểmchứngbằngmơphỏngdựatrênmơhìnhđộnghọcthuậnsửdụngphươngphápNewton-Raphson. Xây dựng mơ
hình vật lý để thực nghiệm kiểm chứng kết quả nhằm đánh giáchất lượng điều khiển
bám so với mô phỏng. Trên cơ sở chế tạo thành cơng mơ hình vậtlýcủasàntreobabậctựdotiếnhành
xâydựngcấutrúcđiềukhiểnsửdụngthuậttốndự báo MLP để điều khiển mơ hình sàn treo vật lý vừa
được chế tạo để thu thập kết quảthựcnghiệm.

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MƠ PHỎNG HÀNG HẢI VÀ
MƠHÌNHTỐNĐỘNGLỰCHỌCCỦACHUYỂNĐỘNGTÀUTHỦY
1.1 Giớithiệuvềhệthốngmôphỏng hànghải
Vận hành, khai thác hệ thống các thiết bị hàng hải là một việc làm hết sức
quantrọng với các học viên thuộc nhóm ngành hàng hải, nó trang bị cho các học viên
các kỹnăng cần thiết trướck h i r a t r ư ờ n g v à c ô n g t á c t r ê n c á c c o n
t à u . N h ư đ ã đ ề c ậ p t r o n g phần mở đầu, việc đào tạo học viên trên các con
tàu thật rất tốn kém nhiên liệu làm tăngchiphí,thiếtbị,nguồnlựcvàdễtạoracácsựcốnguyhiểmgâyhỏnghócchothiết
bịthật. Ngồi ra, việc huấn luyện trên các tàu thật cịn gặp rất nhiều khó khi muốn
xâydựng các tình huồng sự cố nhằm tạo ra các trải nghiệm cần thiết cho học viên. Để
khắcphục tình trạng này trong đào tạo, hiện nay người ta sẽ sử dụng cơng nghệ thực tế
ảo 3Dđểmơphỏngcáctrangthiếtbị,cáctìnhhuốngcóthểxảyratrongqtrìnhhuấnluyện.Khi người vận hành thực hiện
trên chương trình mơ phỏng buồng lái tàu một cách antồn, việc hạn chế rủi ro càng
lớn

thì

trong

thực

tế

các

tình

huống

nguy

hiểm

cho

qtrìnhđiềuđộngtàusẽđượcpháthiệnvàgiảmthiểucàngnhiều.

Hình1.1Hệthốngmơ phỏnghànghải
Một hệ thống mơ phỏng hàng hải (hình 1.1) là một khái niệm rộng, bao qt
nóbao gồm thành phần chính là mơ phỏng chuyển động của tàu thủy và nhiều hệ
thốngthiếtbịmôphỏngkhácnhư:
-

HệthốngRadar;

-

Hệthốnghảiđồđiệntử (EDICS);

-

Hệthốngmáyđosâu;