luận án tiến sĩ tổng hợp bộ điều khiển trượt thích nghi cho phương tiện nổi tự hành trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (6.01 MB, 160 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

---

NGUYÄN KHÀC TUÂN

CHO PH¯¡NG TIặN NịI T HNH TRấN CĂ Sọ

Ngnh: K thuật điều khiển và tự đáng hóa

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

---

NGUYN KHC TUN

CHO PHĂNG TIặN NịI T HNH TRấN CĂ Sọ

LUắN N TIắN S) Kỵ THUắT

H Nòi 2023

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

LâI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tơi. Các sá liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng đưÿc ai công bá trong bất kỳ cơng trình nào khác. Các dữ liệu tham khảo đưÿc trích dẫn đầy đủ.

Tác giÁ lu¿n án

NguyÅn KhÁc TuÃn

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

LâI CÀM ¡N

Tác giả xin đưÿc bày tß lịng biết ơn sâu sắc tới các thầy giáo hướng dẫn khoa học TS Lê Trần Thắng và PGS. TS Nguyễn Đức Khốt đã ln quan tâm, đáng viên, giúp đỡ, đóng góp ý kiến quý báu và t¿o mọi điều kiện để tác giả thực hiện và hoàn thành luận án.

Xin chân thành cảm ơn Thủ trưởng Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự, Viện Tự đáng hóa Kỹ thuật Quân sự, Thủ trưởng và cán bá phòng Đào t¿o Viện Khoa học và Công nghệ quân sự đã luôn quan tâm và giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập và nghiên cứu.

Tác giả chân thành cảm ơn các nhà giáo, các nhà khoa học, đồng nghiệp trong và ngồi Viện Khoa học và Cơng nghệ qn sự đã đóng góp ý kiến trong q trình thực hiện luận án.

Cuái cùng xin đưÿc cảm ơn các thành viên trong gia đình, đặc biệt là vÿ, con và bá mẹ đã t¿o mọi điều kiện về thời gian, vật chất cũng như luôn sát cánh đáng viên tinh thần để tác giả tập trung, cá gắng hoàn thành luận án này.

Hà Nội, ngày …. tháng …. năm 2023

Nghiên cứu sinh

NguyÅn KhÁc TuÃn

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

1.1.1. Các hệ trāc tọa đá đưÿc sử dāng trong phân tích các phương tiện hàng hải 6 1.1.2. Vị trí và hướng trong chuyển đáng của tàu ... 8

1.2. Tổng quan về xây dựng phương trình chuyển đáng của phương tiện hàng hải ... 9

1.2.1. Phương trình chuyển đáng của vật rắn ... 10

1.2.2. Mát sá mơ hình phương tiện hàng hải ... 15

1.3. Phương tiện nổi tự hành thiếu cơ cấu chấp hành ... 18

1.3.1. Mơ hình đáng lực học của USV thiếu cơ cấu chấp hành ... 18

1.3.2. Biến đổi mơ hình ... 22

1.5. Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước ... 34

1.5.1. Tình hình nghiên cứu trong nước ... 34

1.5.2. Tình hình nghiên cứu ngồi nước ... 35

1.6. Đặt bài tốn ... 39

1.7. Kt lun Chng 1 ... 40

ChÂng 2TịNG HỵP Bị IU KHIN TRỵT TNG THCH NGHI BM QUỵ Đ¾O TRÊN C¡ Sä M¾NG N¡ RON NHÂN T¾O ... 41

2.1. Cơ sở lý thuyết ... 41

2.1.1. Phương pháp điều khiển trưÿt tầng ... 41

2.1.2. M¿ng nơ ron RBF ... 46

2.2. Tổng hÿp bá điều khiển trưÿt tầng thích nghi nơ ron cho USV ... 49

2.2.1. Tổng hÿp bá điều khiển bám quỹ đ¿o cho USV ... 49

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

2.2.2. Tổng hÿp bá điều khiển trưÿt tầng thích nghi có xét đến sai lệch mơ hình

và nhiễu ... 55

2.2.3. Cấu trúc hệ tháng điều khiển bám quỹ đ¿o trưÿt tầng thích nghi ... 62

2.3. Mơ phßng kiểm chứng thuật tốn. ... 62

2.3.1. Kết quả mơ phßng bá điều khiển với quỹ đ¿o đường thẳng ... 63

2.3.2. Kết quả mơ phßng bá điều khiển với quỹ đ¿o là đường cong ... 76

2.4. Kết luận Chương 2 ... 87

ChÂng 3 TịNG HỵP Bị QUAN ST TC ị THÍCH NGHI CHO USV TRÊN C¡ Sä M¾NG N¡ RON NHÂN T¾O ... 89

3.1. Cơ sở lý thuyết ... 89

3.1.1. Bá quan sát tr¿ng thái Luenberger ... 90

3.1.2. Bá quan sát tựa Luenberger ... 93

3.2. Thiết kế bá quan sát tác đá thích nghi trên cơ sở m¿ng nơ ron nhân t¿o ... 94

3.3. Mô phßng kiểm chứng bá điều khiển USV kết hÿp bá quan sát vận tác .... 106

3.3.1. Mơ phßng đánh giá chất lưÿng bá quan sát vận tác thích nghi ... 106

3.3.2. Mơ phßng đánh giá chất lưÿng hệ tháng điều khiển trưÿt tầng thích nghi kết hÿp bá quan sát thích nghi ... 111

3.4. Kết luận Chương 3. ... 114

K¾T LU¾N ... 115

DANH MĀC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HàC ĐÃ CƠNG Bà ... 117

TÀI LIỈU THAM KHÀO ... 118

PHĀ LĀC ... 125

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

DANH MĀC CÁC KÝ HIỈU, CÁC CHỵ VIắT TT Ký

hiầu, ch vit tt

Ân vò Ý ngh*a

x

[m] Tọa đá phương tiện theo trāc

x

y [m] Tọa đá phương tiện theo trāc y

z

[m] Tọa đá phương tiện theo trāc

z

ø

Véc tơ vị trí của phương tiện

u

[m/s] Vận tác tịnh tiến dọc thân

v

[m/s] Vận tác tịnh tiến ngang

r [rad/s] Vận tác quay trở của mũi USV

ư

[rad] Góc lắc ngang USV

đ [rad] Góc lắc dọc USV

ù [rad] Góc hướng mũi USV

ô Véc tơ lực và mô men tác đáng lên USV

X [N] Lực tác đáng theo phương

x

Y [N] Lực tác đáng theo phương y

Z [N] Lực tác đáng theo phương

z

K [N.m] Mô men tác đáng theo trāc

x

M [N.m] Mô men tác đáng theo trāc y

N [N.m] Mô men tác đáng theo trāc

z

M Ma trận quán tính hệ tháng thân tàu

C Ma trận Coriolis và ma trận hướng tâm của phương tiện

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

hàng hải

C Ma trận Coriolis và lực hướng tâm của vật rắn

C Ma trận Coriolis và lực hướng tâm thủy đáng lực

D Ma trận suy giảm thủy đáng lực học

D Ma trận suy giảm thủy đáng lực học khái lưÿng nước kèm

U Vận tác tương đái của phương tiện hàng hải

 Các thành phần bất định của mơ hình tàu và nhiễu lo¿n từ mơi trường bên ngồi

ˆF Hàm xấp xỉ các thành phần bất định của mô hình tàu và

nhiễu lo¿n từ mơi trường bên ngồi

e Sai lệch vận tôc thành phần thứ hai

W

Ma trận trọng sá của m¿ng nơ ron DOF Bậc tự do (Degrees Of Freedom)

DP Định vị đáng (Dynamic Positioning) DSC Bá điều khiển mặt đáng

ECEF Hệ tọa đá gắn với mặt đất

HSMC Bá điều khiển trưÿt tầng

AHSMC Bá điều khiển trưÿt tầng thích nghi

LQR Bá điều khiển tái ưu tồn phương tuyến tính MPC Bá điều khiển dự báo theo mơ hình

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

NED Hệ tọa đá quy chiếu địa lý

RBF Hàm cơ sở xuyên tâm (Radial basis function)

USV Phương tiện mặt nước tự hành (Unmanned surface vehicle)

LOS Luật dẫn hướng theo đường ngắm (Light of Sight)

SNAME Hiệp hái kỹ thuật hải quân và hàng hải

MNNs M¿ng nơ ron nhiều lớp

MIMO Hệ tháng nhiều tín hiệu vào và nhiều tín hiệu ra

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

DANH MĀC CÁC BÀNG

Trang Bảng 1.1: Các ký hiệu sử dāng trong phương tiện hàng hải ... 10

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

DANH MĀC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1 Hệ tọa đá gắn với thân tàu ... 6

Hình 1.2 Hệ tọa đá gắn với tâm trái đất (Earth-Centered Reference Frames) ... 8

Hình 1.3 Hệ trāc tọa đá trong mơ hình tàu nổi ... 11

Hình 1.4 Mát sá hình ảnh USV thiếu cơ cấu chấp hành ... 18

Hình 1.5 Cấu trúc USV thiếu cơ cấu chấp hành ... 19

Hình 2.1 Cấu trúc mặt trưÿt của điều khiển trưÿt tầng ... 41

Hình 2.2 Xấp xỉ hàm bất định bằng m¿ng nơ ron nhân t¿o RBF ... 48

Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc bá điều khiển bám trưÿt tầng thích nghi ... 62

Hình 2.4 Quỹ đ¿o của USV, đường thẳng, khơng có nhiễu... 64

Hình 2.5 Sai lệch bám theo phương x, HSMC, QĐ đường thẳng, khơng có nhiễu 64 Hình 2.6 Sai lệch bám phương

y

, HSMC, QĐ đường thẳng, khơng có nhiễu ... 64

Hình 2.7 Vận tác theo phương x, HSMC, QĐ đường thẳng, khơng có nhiễu ... 65

Hình 2.8 Vận tác theo phương

y

, HSMC, QĐ đường thẳng, khơng có nhiễu ... 65

Hình 2.9 Góc hướng của USV, HSMC, QĐ đường thẳng, khơng có nhiễu ... 65

Hình 2.10 Vận tác góc của USV, HSMC, QĐ đường thẳng, khơng có nhiễu ... 65

Hình 2.11 Tín hiệu điều khiển, HSMC, QĐ đường thẳng, khơng có nhiễu ... 66

Hình 2.12 Vị trí của USV, AHSMC, QĐ đường thẳng, khơng có nhiễu ... 67

Hình 2.13 Sai lệch theo phương x, AHSMC, QĐ đường thẳng, khơng có nhiễu ... 67

Hình 2.14 Sai lệch theo phương

y

, AHSMC, QĐ đường thẳng, khơng có nhiễu ... 67

Hình 2.15 Vận tác theo phương x, AHSMC, QĐ đường thẳng, khơng có nhiễu .... 68

Hình 2.16 Vận tác theo phương

y

, AHSMC, QĐ đường thẳng, khơng có nhiễu .... 68

Hình 2.17 Góc hướng của USV, AHSMC, QĐ đường thẳng, khơng có nhiễu ... 68

Hình 2.18 Vận tác góc của USV, AHSMC, QĐ đường thẳng, khơng có nhiễu ... 68

Hình 2.19 Tín hiệu điều khiển, AHSMC, QĐ đường thẳng, khơng có nhiễu ... 69

Hình 2.20 Sai lệch theo phương x của hai bá điều khiển HSMC và AHSMC, QĐ đường thẳng, không có nhiễu ... 69 Hình 2.21 Sai lệch theo phương

y

của hai bá điều khiển HSMC và AHSMC, QĐ

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

đường thẳng, khơng có nhiễu ... 69

Hình 2.22 Nhiễu sóng theo cơng thức (1.83) [56] ... 70

Hình 2.23 Vị trí của USV, HSMC, QĐ đường thẳng, nhiễu lớn ... 71

Hình 2.24 Sai lệch theo phương x, HSMC, QĐ đường thẳng, có nhiễu ... 71

Hình 2.25 Sai lệch theo phương

y

, HSMC, QĐ đường thẳng, có nhiễu ... 71

Hình 2.26 Vận tác theo phương x, HSMC, QĐ đường thẳng, có nhiễu ... 72

Hình 2.27 Vận tác theo phương

y

, HSMC, QĐ đường thẳng, có nhiễu ... 72

Hình 2.28 Góc hướng của USV, HSMC, QĐ đường thẳng, có nhiễu ... 72

Hình 2.29 Vận tác góc của USV, HSMC, QĐ đường thẳng, nhiễu lớn ... 72

Hình 2.30 Tín hiệu điều khiển, HSMC, QĐ đường thẳng, có nhiễu ... 73

Hình 2.31 Vị trí của USV, AHSMC, QĐ đường thẳng, có nhiễu ... 73

Hình 2.32 Sai lệch theo phương x, AHSMC, QĐ đường thẳng, có nhiễu ... 74

Hình 2.33 Sai lệch theo phương

y

, AHSMC, QĐ đường thẳng, có nhiễu ... 74

Hình 2.34 Vận tác theo phương x, AHSMC, QĐ đường thẳng, có nhiễu ... 74

Hình 2.35 Vận tác theo phương

y

, AHSMC, QĐ đường thẳng, có nhiễu ... 74

Hình 2.36 Góc hướng của USV, AHSMC, QĐ đường thẳng, có nhiễu ... 75

Hình 2.37 Vận tác góc của USV, AHSMC, QĐ đường thẳng, có nhiễu ... 75

Hình 2.38 Tín hiệu điều khiển, AHSMC, QĐ đường thẳng, có nhiễu ... 75

Hình 2.39 Sai lệch theo phương x của hai bá điều khiển HSMC và AHSMC, QĐ đường thẳng, có nhiễu ... 76

Hình 2.40 Sai lệch theo phương

y

của hai bá điều khiển HSMC và AHSMC, QĐ đường thẳng, có nhiễu ... 76

Hình 2.41 Quỹ đ¿o của USV, HSMC, QĐ đường cong, khơng có nhiễu ... 77

Hình 2.42 Sai lệch theo phương x, HSMC, QĐ đường cong, không có nhiễu ... 77

Hình 2.43 Sai lệch theo phương

y

, HSMC, QĐ đường cong, khơng có nhiễu ... 77

Hình 2.44 Vận tác theo phương x, HSMC, QĐ đường cong, không có nhiễu ... 78

Hình 2.45 Vận tác theo phương

y

, HSMC, QĐ đường cong, khơng có nhiễu ... 78

Hình 2.46 Góc hướng của USV HSMC, QĐ đường cong, khơng có nhiễu ... 78

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

Hình 2.47 Vận tác góc, HSMC, QĐ đường cong, khơng có nhiễu ... 78

Hình 2.48 Tín hiệu điều khiển, HSMC, QĐ đường cong, khơng có nhiễu ... 79

Hình 2.49 Quỹ đ¿o đường đi của USV, AHSMC, QĐ đường cong, khơng nhiễu ... 79

Hình 2.50 Sai lệch theo phương x, AHSMC, QĐ đường cong, không nhiễu ... 79

Hình 2.51 Sai lệch theo phương

y

, AHSMC, QĐ đường cong, khơng nhiễu ... 80

Hình 2.52 Vận tác theo phương x, AHSMC, QĐ đường cong, không nhiễu ... 80

Hình 2.53 Vận tác theo phương

y

, AHSMC, QĐ đường cong, khơng nhiễu ... 80

Hình 2.54 Góc hướng của USV, AHSMC, QĐ đường cong, khơng nhiễu ... 80

Hình 2.55 Vận tác góc, AHSMC, QĐ đường cong, khơng nhiễu ... 81

Hình 2.56 Tín hiệu điều khiển, AHSMC, QĐ đường cong, khơng nhiễu ... 81

Hình 2.57 Sai lệch theo phương x của hai bá điều khiển HSMC và AHSMC, QĐ đường cong, khơng nhiễu ... 81

Hình 2.58 Sai lệch theo phương

y

của hai bá điều khiển HSMC và AHSMC, QĐ đường cong, khơng nhiễu ... 81

Hình 2.59 Quỹ đ¿o của USV, HSMC, QĐ đường cong, có nhiễu... 82

Hình 2.60 Sai lệch theo phương x, HSMC, QĐ đường cong, có nhiễu... 82

Hình 2.61 Sai lệch theo phương

y

, HSMC, QĐ đường cong, có nhiễu... 83

Hình 2.62 Vận tác theo phương x, HSMC, QĐ đường cong, có nhiễu ... 83

Hình 2.63 Vận tác theo phương

y

, HSMC, QĐ đường cong, có nhiễu ... 83

Hình 2.64 Góc hướng của USV, HSMC, QĐ đường cong, có nhiễu ... 83

Hình 2.65 Vận tác góc của USV, HSMC, QĐ đường cong, có nhiễu ... 84

Hình 2.66 Tín hiệu điều khiển, HSMC, QĐ đường cong, nhiễu lớn ... 84

Hình 2.67 Quỹ đ¿o của USV, AHSMC, QĐ đường cong, nhiễu lớn ... 84

Hình 2.68 Sai lệch theo phương x, AHSMC, QĐ đường cong, có nhiễu ... 84

Hình 2.69 Sai lệch theo phương

y

, AHSMC, QĐ đường cong, có nhiễu ... 85

Hình 2.70 Vận tác theo phương x, AHSMC, QĐ đường cong, có nhiễu ... 85

Hình 2.71 Vận tác theo phương

y

, AHSMC, QĐ đường cong, có nhiễu ... 85

Hình 2.72 Góc hướng của USV, AHSMC, QĐ đường cong, có nhiễu ... 85

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

Hình 2.73 Vận tác góc của USV, AHSMC, QĐ đường cong, có nhiễu ... 85

Hình 2.74 Tín hiệu điều khiển, AHSMC, QĐ đường cong, có nhiễu ... 86

Hình 2.75 Sai lệch theo phương x của hai bá điều khiển HSMC và AHSMC, QĐ đường cong, có nhiễu ... 86

Hình 2.76 Sai lệch theo phương

y

của hai bá điều khiển HSMC và AHSMC, QĐ đường cong, có nhiễu ... 86

Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc bá quan sát tác đá thích nghi trên cơ sở m¿ng nơ ron nhân t¿o ... 106

Hình 3.2 Lực và Mơ men tác đáng vào USV ... 107

Hình 3.3 Vận tác mơ phßng và vận tác quan sát theo phương x, khơng nhiễu ... 107

Hình 3.4 Sai lệch quan sát vận tác theo phương x, khơng nhiễu ... 107

Hình 3.5 Vận tác mơ phßng và vận tác quan sát theo phương

y

, khơng nhiễu ... 108

Hình 3.6 Sai lệch quan sát vận tác theo phương

y

, khơng nhiễu ... 108

Hình 3.7 Vận tác góc mơ phßng và vận tác góc quan sát theo phương, khơng nhiễu ... 108

Hình 3.8 Sai lệch quan sát vận tác góc, khơng nhiễu ... 108

Hình 3.9 Nhiễu sóng tác đáng ... 109

Hình 3.10 Vận tác mơ phßng và vận tác quan sát theo phương x, có nhiễu ... 109

Hình 3.11 Sai lệch quan sát vận tác theo phương x, có nhiễu ... 109

Hình 3.12 Vận tác mơ phßng và vận tác quan sát theo phương

y

, có nhiễu ... 110

Hình 3.13 Sai lệch quan sát vận tác theo phương

y

, có nhiễu ... 110

Hình 3.14 Vận tác góc mơ phßng và vận tác góc quan sát theo phương, có nhiễu 110 Hình 3.15 Sai lệch quan sát vận tác góc, có nhiễu ... 110

Hình 3.16 Sơ đồ cấu trúc hệ tháng điều khiển trưÿt tầng thích nghi kết hÿp bá quan sát thích nghi ... 111

Hình 3.17 Quỹ đ¿o của USV AHSMC và bá Quan sát ... 112

Hình 3.18 Sai lệch bám theo phương x ... 113

Hình 3.19 Sai lệch bám theo phương

y

... 113

Hình 3.20 Sai lệch vận tác theo phương x từ mơ phßng và quan sát ... 113

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

Hình 3.21 Sai lệch vận tác theo phương

y

từ mơ phßng và quan sát ... 113 Hình 3.22 Sai lệch vận tác góc từ mơ phßng và quan sát ... 113

</div>Trang 16<div class="page_container" data-page="16">

Mä ĐÄU 1. Tính cÃp thi¿t của đÁ tài lu¿n án

Trên thế giới nói chung cũng như ở Việt Nam nói riêng, mặt nước chiếm mát phần lớn diện tích và đóng vai trò rất quan trọng trong việc phát triển kinh tế cũng như bảo vệ an ninh quác gia. Do đó, các phương tiện ho¿t đáng trên biển, trên sơng ngịi ln đưÿc quan tâm và khơng ngừng phát triển để phāc vā cho nhiều māc đích khác nhau.

Ngày nay, với sự phát triển của khoa học - kỹ thuật, các phương tiện nổi tự hành (USV) đã và đang đưÿc quan tâm nghiên cứu, phát triển mát cách ráng rãi, mát sá kết quả nghiên cứu đã đưa vào ứng dāng hiệu quả trong các lĩnh vực kinh tế cũng như qc phịng. Tuy nhiên, đây là mát đái tưÿng có tính phi tuyến m¿nh và ho¿t đáng trong mơi trường có nhiễu tác đáng khơng biết trước. Trong trường hÿp này các bá điều khiển tuyến tính truyền tháng như PID, LQR & sẽ làm việc không hiệu quả, khó đảm bảo chất lưÿng điều khiển theo yêu cầu đặt ra.

Trong lĩnh vực điều khiển các phương tiện hàng hải đưÿc chia ra các thành ba phân nhánh chính theo các māc đích ứng dāng khác nhau đó là: điều khiển theo quỹ đ¿o (Path Following), điều khiển bám (Tracking) và điều khiển định vị đáng (Dynamic Positioning). Trong đó, điều khiển bám quỹ đ¿o đóng vai trị rất quan trọng với nhiều ứng dāng như: điều khiển các phương tiện phāc vā khảo sát, khai thác tài nguyên biển, cứu n¿n, cứu há, điều khiển các phương tiện thi cơng các cơng trình trên, dưới mặt nước như hệ tháng cáp, đường áng dưới biển, các phương tiện khảo sát, cứu n¿n cứu há, các phương tiện nổi tự hành sử dāng để phóng thả và thu hồi các phương tiện ngầm khác v.v&

Hệ tháng điều khiển phương tiện nổi tự hành bám quỹ đ¿o (Tracking) là mát hệ tháng điều khiển với māc tiêu là điều khiển phương tiện tiến đến và giữ cho phương tiện chuyển đáng theo mát quỹ đ¿o đưÿc đặt trước mà có xét đến ràng buác về thời gian bằng cách sử dāng các máy đẩy của các phương tiện đó. Trong thực tế, tùy thuác vào māc tiêu, nhiệm vā các phương tiện nổi đưÿc chế t¿o ở d¿ng đủ hoặc thiếu cơ cấu chấp hành. D¿ng đủ cơ cấu chấp hành thường đưÿc chế t¿o bằng cách

</div>Trang 17<div class="page_container" data-page="17">

kết hÿp nhiều lo¿i máy đẩy gắn vào hệ tháng, ví dā, máy đẩy d¿ng áng t¿o ra lực đẩy theo các hướng và phương vị sang mát bên thường đưÿc lắp dưới thân tàu, đưÿc sử dāng để t¿o ra các hiệu ứng mong muán. Máy đẩy đ¿o lưu (Azimuth Thruster) là lo¿i máy đẩy có thể đưÿc xoay 360 đá và do đó t¿o ra lực đẩy theo mọi hướng trong mặt phẳng ngang. Điều này đặc biệt hữu ích vì các lực và mơmen điều khiển có thể thay đổi theo thời gian cả về đá lớn và hướng. Dẫn đến việc thiết kế các bá điều khiển cho đái tưÿng này gặp ít khó khăn hơn. Tuy nhiên, để tăng tính linh ho¿t và giảm giá thành, đái với các phương tiện vừa và nhß, chẳng h¿n như USV, thường đưÿc chế t¿o ở d¿ng thiếu cơ cấu chấp hành với cấu trúc hai máy đẩy đưÿc gắn ở đuôi phương tiện. Với cấu trúc hệ tháng thiếu cơ cấu chấp hành việc điều khiển sẽ khó khăn hơn, do vậy cần thiết phải thiết kế bá điều khiển cho hai đáng cơ đẩy t¿o ra các lực và mô men để điều khiển USV chuyển đáng theo các phương dọc, phương ngang và góc hướng như mong muán.

Ngoài ra như đã đề cập ở trên, các phương tiện hàng hải luôn phải chịu nhiều tác đáng khác nhau do sóng, gió, dịng chảy, và các nhiễu đáng khơng theo mơ hình do tác đáng của môi trường và hệ tháng đẩy. Hơn nữa, Việc xác định chính xác tất cả các tham sá mơ hình của phương tiện nổi là rất khó khăn. Bên c¿nh đó các tác đáng của nhiễu mơi trường cũng có thể làm cho tham sá của mơ hình USV bị thay đổi. Các vấn đề trên đặt ra các thách thức trong việc thiết kế các bá điều khiển cho USV.

Từ các phân tích trên nhận thấy, hướng nghiên cứu kết hÿp các phương pháp điều khiển phi tuyến hiện đ¿i với các công cā xấp xỉ v¿n năng là mát hướng nghiên cứu có triển vọng, nhằm tổng hÿp bá điều khiển đảm bảo cho phương tiện hàng hải nói chung và USV nói riêng ho¿t đáng tát trong môi trường chịu tác đáng của nhiễu bất định. Bài toán nghiên cứu điều khiển USV nằm trong hướng nghiên cứu trên đã ngày càng thu hút đưÿc sự quan tâm của các nhà khoa học trong và ngoài nước, mát sá kết quả nghiên cứu đã đưÿc cơng bá. Tuy nhiên, vẫn cịn tồn t¿i nhiều vấn đề cần đưÿc tiếp tāc nghiên cứu, phát triển và hoàn thiện nhằm nâng cao chất lưÿng ho¿t đáng của USV. Đây chính là lý do để tác giả lựa chọn hướng nghiên cứu của đề tài luận án.

</div>Trang 18<div class="page_container" data-page="18">

2. Māc tiêu và nhiÇm vā của lu¿n án

Luận án tập trung nghiên cứu các phương pháp điều khiển phi tuyến hiện đ¿i làm cơ sở để xuất các bá điều khiển mới cho USV thiếu cơ cấu chấp hành, chịu ảnh hưởng của nhiễu môi trường. Với māc tiêu như vậy luận án đặt ra ba nhiệm vā chính sau đây:

Nhiệm vā thứ nhất: Xây dựng mô hình tốn học cho USV, nghiên cứu các phương pháp điều khiển phi tuyến, m¿ng nơ ron nhân t¿o làm cơ sở để thực hiện māc tiêu đã nêu ở trên.

Nhiệm vā thứ hai: Xây dựng bá điều khiển phi tuyến bám quỹ đ¿o cho USV thiếu cơ cấu chấp hành, có khả năng khắc phāc đưÿc nhiễu tác đáng với biên đá nhß. Nhiệm vā thứ ba: Xây dựng bá điều khiển thích nghi phi tuyến sử dāng m¿ng nơ ron nhân t¿o để điều khiển bám quỹ đ¿o cho USV thiếu cơ cấu chấp hành ho¿t đáng trong mơi trường có nhiễu tác đáng.

3. Đái t°ÿng và ph¿m vi nghiên cứu

Đái tưÿng nghiên cứu là USV thiếu cơ cấu chấp hành. Với māc tiêu điều khiển cho USV chuyển đáng bám theo mát quỹ đ¿o đặt trước.

Ph¿m vi nghiên cứu điều khiển USV có thể chuyển đáng bám quỹ đ¿o ở mơi trường mặt nước, có các nhiễu như dịng chảy, gió, sóng, ... tác đáng trong q trình làm việc.

4. Nßi dung nghiên cứu

Luận án tập trung nghiên cứu các phương pháp điều khiển thích nghi phi tuyến đảm bảo cho USV chuyển đáng bám theo quỹ đ¿o đặt cho trước. Để có thể làm đưÿc việc đó, luận án sẽ nghiên cứu các vấn đề sau đây:

- Nghiên cứu mơ hình đáng học, đáng lực học cho USV. Nghiên cứu phân tích các tác đáng của nhiễu môi trường vào USV. Tổng hÿp và phân tích các cơng trình đã đưÿc cơng bá trong lĩnh vực điều khiển USV làm cơ sở cho định hướng nghiên cứu phát triển mới của luận án.

- Nghiên cứu lý thuyết điều khiển phi tuyến hiện đ¿i, m¿ng nơ ron nhân t¿o và khả năng áp dāng cho hệ thiếu cơ cấu chấp hành. Trên những nền tảng đó, luận

</div>Trang 19<div class="page_container" data-page="19">

án đã xây dựng bá điều khiển phi tuyến bám quỹ đ¿o cho USV và bá điều khiển phi tuyến thích nghi sử dāng m¿ng nơ ron nhân t¿o để đảm bảo USV chuyển đáng bám quỹ đ¿o đặt trong điều kiện có nhiễu mơi trường tác đáng vào USV.

5. Ph°¢ng pháp nghiên cứu

Kết hÿp giữa phương pháp lý thuyết với mơ phßng sá. Lý thuyết điều khiển phi tuyến: điều khiển trưÿt tầng, điều khiển phi tuyến thích nghi, m¿ng nơron nhân t¿o; tổng hÿp các bá điều khiển mới cho USV. Phân tích tính ổn định bằng tiêu chuẩn Lyapunov; mơ phßng sá bằng phần mềm Matlab – Simulink.

6. Ý ngh*a khoa hác và thāc tiÅn

Luận án có những đóng góp về mặt khoa học và thực tiễn như tổng hÿp đưÿc bá điều khiển thích nghi mới trên cơ sở các phương pháp điều khiển hiện đ¿i đáp ứng đưÿc yêu cầu điều khiển trong mơi trường làm việc có nhiễu tác đáng. Các bá điều khiển mới đưÿc đề xuất trong luận án có thể đưÿc sử dāng để điều khiển cho USV thực hiện các nhiệm vā trên sông, biển trong các ứng dāng nghiên cứu, khai thác, cứu há, dân dāng cũng như quác phòng.

7. Bá cāc của lu¿n án

Với các nái dung nghiên cứu đưÿc đặt ra ở trên, luận án có bá cāc như sau:

Må đÅu: Trình bày tính cấp thiết, ý nghĩa thực tiễn, ý nghĩa khoa học, từ đó đặt

bài tốn và xác định các nhiệm vā của luận án, đồng thời, nêu ra các kiến thức cần thiết, công cā đưÿc sử dāng để thực hiện giải quyết các vấn đề đặt ra trong luận ỏn.

ChÂng 1: Tòng quan v USV v cỏc phÂng pháp điÁu khiÃn: Nái dung

chính của chương 1 gồm có ba phần. Phần thứ nhất giới thiệu tổng quan về mát sá d¿ng mơ hình đáng học của các phương tiện hàng hải mà trọng tâm là mô hình đáng học của USV thiếu cơ cấu chấp hành, trong phần này cũng thực hiện biến đổi mô hình về d¿ng thích hÿp để phāc vā cho phương pháp thiết kế bá điều khiển đưÿc thực hiện trong chương 2 và chương 3. Nái dung phần thứ hai trình bày mơ hình các yếu tá tác đáng lên USV trong quá trình ho¿t đáng như dịng chảy, sóng, gió. Phần thứ ba, tổng hÿp các cơng trình nghiên cứu có liên quan đến đề tài luận án đã đưÿc thực

</div>Trang 20<div class="page_container" data-page="20">

hin trong v ngoi nc.

ChÂng 2: Tòng hp bò điÁu khiÃn tr°ÿt tÅng thích nghi bám quÿ đ¿o trên c¢ så m¿ng n¢ ron nhân t¿o cho USV: Nái dung chính của chương này trình bày

cơ sở lý thuyết của phương pháp thiết kế bá điều khiển trưÿt tầng. Tổng hÿp bá điều khiển trưÿt tầng cho māc tiêu điều khiển bám quỹ đ¿o cho USV. Đề xuất thuật tốn điều khiển trưÿt tầng thích nghi bám quỹ đ¿o sử dāng m¿ng nơ ron nhân t¿o khi xét đến các nhiễu tác đáng và các tham sá mơ hình có thể bị thay đổi. Chương hai đã mơ phßng trên phần mềm Matlab Simulink để kiểm chứng tính đúng đắn của các bá điều khin ó tng hp c.

ChÂng 3: Tòng hp bß quan sát tác đß thích nghi cho USV trên c¢ så m¿ng n¢ ron nhân t¿o: Trên cơ sở của bá quan sát Luenberger, chương 3 đã đề xuất

bá quan sát thích nghi sử dāng m¿ng nơ ron nhân t¿o để xấp xỉ hàm phi tuyến bất định của bá quan sát. Bá quan sát này đưÿc sử dāng để tổng hÿp bá điều khiển cho USV trong đó khơng cần thiết sử dāng các cảm biến đo vận tác. Trong chương ba đã thực hiện mơ phßng kiểm chứng tính đúng đắn của bá quan sát đề xuất.

K¿t lu¿n: Phần kết luận đánh giá các kết quả đã đ¿t đưÿc trong nái dung nghiên

cứu của luận án, cũng như chỉ ra những tồn t¿i, h¿n chế của các phương pháp đã đề xuất, từ đó đề xuất mát sá hướng nghiên cứu tiếp theo để đưa ra giải pháp hoàn thiện các vấn đề còn tồn t¿i.

</div>Trang 21<div class="page_container" data-page="21">

ChÂng 1

TịNG QUAN V USV V CÁC PH¯¡NG PHÁP ĐIÀU KHIÂN 1.1. Các khái niÇm

1.1.1. Các hệ trục tọa độ được sử dụng trong phân tích các phương tiện hàng hải

Để xét chuyển đáng của phương tiện hàng hải thông thường chúng ta sử dāng các hệ tọa đá như sau:

Hệ tọa độ gắn với thân phương tiện (b-frame)

x y z

bb blà hệ tọa đá đưÿc gắn với phương tiện và di chuyển cùng với phương tiện.

Khi phân tích chuyển đáng của các phương tiện hàng hải trong 6 DOF thông thường ta định nghĩa hệ tọa đá như trong Hình 1.1

Vị trí và hướng của phương tiện đưÿc miêu tả trong hệ tọa đá quy chiếu qn

tính n-frame (vì hệ tọa đá e-frame và n-frame gần trùng nhau đái với phương tiện

hàng hải), trong khi vận tác góc và vận tác dài của phương tiện thường đưÿc biểu diễn trong hệ tọa đá b - frame.

Với các tàu biển nói chung, vị trí của khung tọa đá gắn với thân thông thường t¿o ra sự đái xứng xung quanh gác tọa đá, có nghĩa là gác tọa đá thường nằm trên trāc chính của tàu như trong Hình 1.1.

Hình 1.1 Hệ tọa đá gắn với thân tàu

</div>Trang 22<div class="page_container" data-page="22">

z

- trāc thẳng đứng (normal axis) hướng từ đỉnh tới đáy tàu.

Chuyển đáng của hệ tọa đá gắn với thân tàu đưÿc biểu diễn liên quan đến mát hệ tọa đá gác ban đầu. Với các phương tiện hàng hải nó thường đưÿc giả thiết là mát chất điểm trên bề mặt trái đất. Bởi vì chuyển đáng của trái đất ảnh hưởng rất ít đến chuyển đáng chậm của phương tiện hàng hải, do đó mát hệ tọa đá đưÿc tham chiếu cá định trên mặt đất XYZ có thể đưÿc xem như là điểm mác ban đầu. Với giả thiết này vị trí và hướng của tàu có thể đưÿc biểu diễn bởi các quan hệ với hệ tọa đá mác ban đầu trong khi đó các vận tác dài và vận tác góc của tàu đưÿc biểu diễn trong hệ tọa đá gắn với thân tàu. Các đ¿i lưÿng khác nhau đưÿc định nghĩa theo SNAME (1950) ký hiệu t¿i Bảng 1.1. Dựa theo ký hiệu này, sự chuyển đáng của tàu trong 6 DOF có thể đưÿc biểu diễn bởi các vec tơ:

ở đây ø biểu diễn véc tơ vị trí và hướng với các tọa đá trong hệ tọa đá gắn với mặt đất,

õ

biểu diễn các véc tơ vận tác dài và vận tác góc với các tọa đá trong hệ tọa đá gắn với thân tàu và

ô

đưÿc sử dāng để biểu diễn các lực và mô men tác đáng lên tàu

trong hệ tọa đá gắn với thân tàu. Trong các hệ tháng điều khiển và dẫn đường các phương tiện hàng hải, phương thường đưÿc biểu diễn bởi giá trị của góc Euler hoặc "quaternions".

ECI (Earth-centered inertial) (i-frame) Là hệ tọa đá quán tính gác tọa đá

x y z

ii i

đưÿc đặt ở tâm trái đất với các trāc đưÿc chỉ ra như Hình 1.2.

ECEF (Earth-centered Earth-fixed) (e-frame) có gác tọa đá

x y z

ee egắn với trái đất nhưng quay tương đái so với hệ tọa đá quán tính ECI với tác đá quay là

7.2921.10 /

÷

ý  . Đái với các phương tiện hàng hải, sự quay của trái đất có thể bß qua và do đó hệ tọa đá ECEF đưÿc sử dāng để định vị, dẫn đường, điều khiển

</div>Trang 23<div class="page_container" data-page="23">

nói chung. Ví dā khi phải miêu tả chuyển đáng của các con tàu đi qua các đ¿i dương.

Hình 1.2 Hệ tọa đá gắn với tâm trái đất (Earth-Centered Reference Frames) Hệ tọa đá quy chiếu địa lý (Geographic Reference Frame) gồm:

Hệ tọa độ North-East-Down (NED) (n-frame)

x y z

nn nlà hệ tọa đá thường đưÿc sử dāng trong hàng hải. Nó đưÿc gắn với mặt phẳng tiếp tuyến với bề mặt trái đất và chuyển đáng cùng với phương tiện, trāc xchỉ theo hướng Bắc, trāc

y

chỉ theo hướng Đông, trāc zchỉ theo hướng vào tâm trái đất.

Đái với các phương tiện hàng hải ho¿t đáng trong ph¿m vi hẹp, kinh đá, vĩ đá gần như không thay đổi, có thể sử dāng mặt phẳng tiếp tuyến để định vị cho chúng.

Khi đó trái đất đưÿc coi như là mát mặt phẳng và hệ tọa đá n-frame là hệ tọa đá qn

tính thì định luật Newton vẫn đưÿc áp dāng trong hệ tọa đá này.

1.1.2. Vị trí và hướng trong chuyển động của tàu

Đ¿o hàm bậc nhất theo thời gian của véc tơ vị trí ø1 có mái liên hệ với véc tơ

</div>Trang 24<div class="page_container" data-page="24">

Mặt khác, đ¿o hàm bậc nhất theo thời gian của véc tơ góc

ø

2 có mái liên hệ với

véc tơ

õ

2 thông qua phép chuyển đổi sau:

đ ý  và J2

ø ùø

2 khơng thßa mãn tính chất trực giao. Đái với phương tiện nổi sẽ khơng ho¿t đáng ở tr¿ng thái có góc quay lật ñ ý 900.

Kết hÿp (1.1) và (1.3) ta có phương trình mơ tả vị trí và hướng của phương tiện

Mơ hình hóa của phương tiện hàng hải liên quan đến nghiên cứu các tr¿ng thái tĩnh và đáng. Tr¿ng thái tĩnh quan tâm đến sự cân bằng của vật thể t¿i lúc dừng hoặc chuyển đáng với mát vận tác cá định, trong khi đó tr¿ng thái đáng xét vật thể có chuyển đáng với vận tác thay đổi. Các đóng góp quan trọng đã đưÿc tìm ra hơn 2000 năm trước bởi Archimedes, người đã đưa ra định luật cơ bản về lực đẩy của chất lßng. Định luật này là kiến thức cơ bản để phân tích sự ổn định tĩnh cho các phương tiện

</div>Trang 25<div class="page_container" data-page="25">

đường thủy.

Cơ bản về khoa học đáng lực học đưÿc dựa trên các định luật của Newton đưa ra năm 1687. Cơ bản nó chia các nghiên cứu về đáng lực học thành hai phần: Chuyển đáng học, nghiên cứu các vấn đề liên quan đến các khía c¿nh chuyển đáng, và đáng lực học, phân tích các vấn đề liên quan đến các lực gây ra chuyển đáng.

Bảng 1.1. Các ký hiệu sử dāng trong phương tiện hàng hải 1 Chuyển đáng tiến theo phương x (surge) X u x

2 Chuyển đáng tiến theo phương y (sway) Y

ỵ

y

3 Chuyn ỏng tin theo phương z (heave) Z

÷

z

4 Chuyển đáng quay quanh trāc x (roll) K p ö 5 Chuyển đáng quay quanh trāc y (pitch) M q

ñ

6 Chuyển đáng quay quanh trāc z (yaw) N r

ù

Trong chuyển đáng của phương tiện hàng hải với 6 bậc tự do (Degree of Freedom) do đó cần có 6 tọa đá để xác định vị trí và hướng của của vật thể: ba tọa đá thứ nhất và đ¿o hàm theo thời gian của chúng đưÿc sử dāng để xác định vị trí và chuyển đáng tịnh tiến theo các trāc x, y và z, trong khi đó ba tọa đá cuái và các đ¿o hàm theo thời gian của chúng đưÿc sử dāng để biểu diễn hướng và chuyển đáng quay. Với các phương tiện hàng hải, 6 thành phần chuyển đáng thường đưÿc định nghĩa là: chuyển đáng tịnh tiến (surge), chuyển đáng d¿t (sway), chuyển đáng lên, xuáng (heave), chuyển đáng quay lắc (roll), chuyển đáng quay lật (pitch) và chuyển đáng quay hướng (yaw) như trong Bảng 1.1.

1.2.1. Phương trình chuyển động của vật rắn

Để xét đến chuyển đáng và các yếu tá tác đáng lên phương tiện hàng hải, ta xét chuyển đáng của phương tiện hàng hải như là chuyển đáng của vật rắn trong môi

</div>Trang 26<div class="page_container" data-page="26">

trường chất lßng với hệ quy chiếu gắn với thân phương tiện, trọng tâm của vật rắn trùng với gác tọa đá như trong Hình 1.3.

Áp dāng cơng thức Newton-Euler cho vật rắn có khái lưÿng m, phương trình cân bằng lực và mơ men tác đáng lên tàu là:

trong đó rg ý ûùxg,yg,zgùûTlà tọa đá của trọng tâm của vật rắn trong hệ tọa đá gắn với thân,

I

0là ma trận quán tính hệ tháng xung quanh điểm

O

, Ix,Iy và

I

zlà các mơ men qn tính theo các trāc

x y z

b

, ,

bbvà Ixy ýIyx,

I

xz

ýI

zx, Iyz ýIzy là các tác đáng của mô men quán tính của trāc này lên trāc khác.

Hình 1.3 Hệ trāc tọa đá trong mơ hình tàu nổi Phương trình chuyển đáng của vật rắn đưÿc biểu diễn như sau:

</div>Trang 27<div class="page_container" data-page="27">

1.2.1.1. Lực và mô men thủy động lực học

Khi phương tiện hàng hải chuyển đáng trên biển, phương tiện chịu tác đáng của các lực và mô men thủy đáng học sau:

Lực cảm ứng bức xạ (RIF)

Là những lực tác đáng lên vật khi vật bị buác dao đáng với tần sá sóng kích thích mát cách thường xun và khơng có sóng bất thường.

</div>Trang 28<div class="page_container" data-page="28">

Lực và mô men cảm ứng bức x¿ có thể đưÿc định nghĩa như tổng của ba thành phần:

* Khái lưÿng nước kèm (added mass) do qn tính của chất lßng xung quanh; * Sự suy giảm thế năng cảm ứng bức x¿ do năng lưÿng bị mất bởi sóng trên bề mặt; * Lực phāc hồi theo Archimedes (trọng lưÿng và lực đẩy).

Ba thành phần này t¿o thành các lực và mơ men có thể đưÿc biểu diễn như sau:

Khối lượng nước kèm

Khi phương tiện chuyển đáng sẽ ép chất lßng bao quanh tàu dao đáng với các biên đá lớp bao chất lßng khác nhau, đồng bá chuyển đáng điều hòa cưỡng bức của phương tiện. Khái lưÿng nước kèm đưÿc hiểu như là lực và mô men cảm ứng áp suất sinh ra từ chuyển đáng điều hòa cưỡng bức của vật rắn và tỉ lệ với gia tác của vật rắn. Trong đó

M

Alà ma trận qn tính hệ tháng của khái lưÿng nước kèm, CA

ø ù

v là ma trận Coriolis và lực hướng tâm thủy đáng lực học.

Ma trận

M

Alà ma trận vuông

6 6ô

đưÿc định nghĩa như sau:

Ký hiệu của SNAME (Hiệp hái kỹ thuật hải quân và hàng hải) đưÿc sử dāng trong biểu thức này như sau, ví dā lực khái lưÿng nước kèm thủy đáng lực học

Y

dọc trāc

y

do gia tác

u

(hướng x) t¿o ra đưÿc viết:

</div>Trang 29<div class="page_container" data-page="29">

giả thiết

M

A đác lập với tần sá sóng, đây là mát giả thiết tát đái với các ứng dāng điều khiển ở tần sá thấp. Với những ứng dāng như ho¿t đáng của phương tiện ngầm ở đá sâu lớn và tàu thủy ở vị trí cá định, chúng ta có thể giả thiết

M

Alà đái xứng. Tuy nhiên giả thiết

M

Alà đái xứng không đúng đái với tàu thủy đang chuyển đáng ở tác đá nào đó.

Ma trận Coriolis và lực hướng tâm thủy đáng lực học CA

ø ù

v có thể đưÿc viết chi tiết như sau:

là lực và mô men suy giảm do ma sát bề mặt, đá trơi của sóng và dịng xốy

Ngồi sự suy giảm thế năng cảm ứng bức x¿, cần phải xét cả những tác đáng suy giảm khác như là ma sát bề mặt, sự suy giảm do dịng xốy đó là:

</div>Trang 30<div class="page_container" data-page="30">

có nghĩa là lực và mơ men thủy đáng lực

Mát cách tổng quát, mát phương tiện hàng hải với sáu bậc tự do t¿i vận tác lớn ma trận suy giảm sẽ là phi tuyến và các thành phần bị ảnh hưởng lẫn nhau. Tuy nhiên, với các phương tiện đái xứng có thể xấp xỉ nó là mát ma trận đường chéo có d¿ng

1.2.2. Một số mơ hình phương tiện hàng hải

Từ các phân tích trên, theo tài liệu của Fossen [55] chúng ta có mát sá mơ hình đáng lực học của tàu nổi với giả thiết các chuyển đáng lên xng, quay lắc, quay lật đưÿc bß qua, có nghĩa là các đ¿i lưÿng

÷ý ý ýp q0

sẽ có các d¿ng như sau.

a) Mơ hình cho điÁu khiÃn điÁu v¿n

Đái với tàu chuyển đáng với vận tác không đổi

với giả thiết trên. Việc đái xứng m¿n trái, m¿n phải cho phép chuyển đáng tịnh tiến đưÿc tách ra từ chuyển đáng d¿t và chuyển đáng quay hướng. Do đó, phương trình tác đá có thể viết l¿i thành

ømX u

u

ùX u

u

X

u u

uýơ

1, (1.22) trong đó

ơ

1 là tổng của các lực điều khiển theo chuyển đáng tịnh tiến. Đái với mơ

hình tách này, bá điều khiển tác đá có thể đưÿc thiết kế bằng cách chỉ sử dāng phản hồi tác đá u.

Mơ hình điều vận tuyến tính hai bậc tự do (Mơ hình con Sway-Yaw)

Mơ hình điều vận (maneuvering) tuyến tính đưÿc dựa trên giả thiết tác đá tiến

uý uconst

trong khi v và r giả thiết là rất nhß. Từ hàng 2 và 3 trong (1.15) với

uýu

0. Ta có

</div>Trang 31<div class="page_container" data-page="31">

Phương trình lái tàu có thể có đưÿc bằng cách xét hệ con chuyển đáng d¿t - quay hướng, tương ứng với các biến tr¿ng thái

v r,

và

ù

với đầu vào điều khiển là

ơ

b) Mơ hình của Davidson và Schiff (1946)

Davidson và Schiff [55] giả thiết ma trận suy giảm D v

ø ù

là tuyến tính và khái lưÿng nước kèm thủy đáng lực học C v vA

ø ù

có thể bß qua, tức là

X Y Y

u

, ,

vrtrong biểu thức (1.15) đưÿc bß qua và đưÿc viết l¿i thành:

</div>Trang 32<div class="page_container" data-page="32">

c) Mơ hình của Nomoto (1957)

Từ (1.29) ta thấy đây là hệ có mát đầu vào và hai đầu ra

v r,

nên khi các hệ sá là hằng nó sẽ đưÿc thay thế bằng hai hàm truyền

G

1và

G

2. Đó chính là mơ hình đưÿc Nomoto đề xuất [34]. Mơ hình này thường đưÿc sử dāng để tổng hÿp bá điều khiển cho hệ tháng tự đáng lái tàu trong nhiều thập kỷ qua:

trong đó

K

vvà

T

vlà hệ sá khuyếch đ¿i và hệ sá thời gian trong chuyển đáng d¿t. Biểu thức xấp xỷ (1.31) có đưÿc bằng cách cho hằng sá thời gian

trong đó T và K là hằng sá thời gian và hệ sá khuyếch đ¿i Nomoto. Nếu bß qua chuyển đáng quay lắc và quay lật

øư đ

ý ý0

ù

làm cho

Đây là mô hình thường đưÿc sử dāng để thiết kế bá điều khiển tự đáng lái tàu do tính đơn giản và chính xác của nó.

Kết hÿp (1.31) và (1.35) ta có:

</div>Trang 33<div class="page_container" data-page="33">

d) Mơ hình của Norrbin (1963)

Norrbin [40] đã đề xuất mơ hình lái tàu phi tuyến bậc nhất như sau:

Hr ýr ta có đưÿc mơ hình tuyến tính trong (1.38)

e) Mơ hình lái tàu phi tuy¿n của Bech và Wagner Smith (1969)

Bech và Wagner [55] đề xuất mơ hình bậc hai:

trong đó HB

ø ù

r đưÿc tìm thấy trong nghiên cứu của Bech.

1.3. Ph°¢ng tiần nòi t hnh thiu cÂ cu chp hnh

1.3.1. Mơ hình động lực học của USV thiếu cơ cấu chấp hành

Hình 1.4 Mát sá hình ảnh USV thiếu cơ cấu chấp hành

</div>Trang 34<div class="page_container" data-page="34">

Khi phương tiện hàng hải chuyển đáng trên đ¿i dương ta coi như nó chuyển đáng trên mát mặt phẳng nằm ngang tiếp tuyến với bề mặt trái đất. Khi đó chuyển đáng của các phương tiện nổi thường đưÿc mô tả bởi các thành phần chuyển đáng tịnh tiến, d¿t và chuyển đáng quay hướng. Các chuyển quay lắc, quay lật, chuyển đáng lên, xuáng đưÿc bß qua. Do đó từ mơ hình sáu bậc tự do của các phương tiện hàng hải nói chung, phương trình chuyển đáng của tàu nổi chỉ cịn ba bậc tự do gồm:

* Đặt gác tọa đá gắn thân vào đường trung tâm của USV, sao cho

y

g

ý0

, tâm của khái lưÿng gia tăng trùng với trọng tâm của USV.

Hình 1.5 Cấu trúc USV thiếu cơ cấu chấp hành

Mơ hình USV thường đưÿc chế t¿o với các d¿ng đái xứng như trong Hình 1.5 và chỉ có hai đáng cơ đẩy để t¿o ra các lực và mô men để điều khiển USV theo ba chuyển đáng. Do đó, USV có d¿ng phương tiện nổi với ba bậc tự do (surge, sway và yaw) thiếu cơ cấu chấp hành. Mơ hình đáng lực học của USV với sự tác đáng của dòng hải lưu theo [56] là:

</div>Trang 35<div class="page_container" data-page="35">

xy

là véc tơ vị trí và tư thế của USV;

,x y

là thành phần vị trí của

trọng tâm tàu trong hệ tọa đá mặt đất,

ù

là góc hướng tàu;

õý

T

u v r

tương

ứng là véc tơ vận tác của tàu USV theo các phương x, y và phương góc.

Ma trận chuyển trāc từ hệ tọa đá gắn thân tới hệ tọa đá gắn với mặt đất:

trong đó

x

G,

y

G là tọa đá tâm của USV trong hệ tọa đá gắn với thân, m là khái lưÿng của USV,

I

z là mơ men qn tính theo trāc Oz của USV.

ôýôôôô

là tổng véc tơ lực và mơ men tác dāng lên USV.

Trong đó

ô

là các lực và mô men do các cơ cấu chấp hành tác đáng lên USV

w

,

w

ô

ind

ô

ave là thành phần các lực và mô men tác đáng từ các nhiễu lo¿n từ môi

trường gây ra bởi gió, sóng

ơ

ý 

õ



õ õ



õ õ

là thành phần lực và mơ men do dịng chảy

</div>Trang 36<div class="page_container" data-page="36">

gây ra với

õ

r là vận tác tương đái của tàu so với dòng chảy. Nếu giả thiết vận tác

dòng nước là

õ

c. Với giả thiết dòng chảy khơng xốy (thành phần vận tác phương

góc bß qua)

õý0

T

c

u

c

v

c thì

õý õ õý

T

rc

u

r

v

r

r

thành phần vận tác dòng chảy theo phương góc bß qua.

Ma trận qn tính hệ tháng của khái lưÿng tăng thêm: Trong luận án này, các thành phần sai lệch mơ hình đưÿc ký hiệu là 

ø ùø õ

, .

Giả thiết thủy đáng lực học phương ngang bằng 0 nghĩa là

ô

hs

ý0

. Véc tơ lực đẩy của đáng cơ bên trái và bên phải của USV

</div>Trang 37<div class="page_container" data-page="37">

Hệ phương trình đáng lực học của USV đưÿc viết l¿i là

Với ưu điểm cấu trúc đơn giản, dễ dàng chế t¿o, giá thành thấp và đưÿc đáp ứng đưÿc nhiều nhiệm vā trên mặt nước. Cho nên, USV ngày càng đưÿc sử dāng mát cách phổ biến trong dân dāng, công nghiệp cũng như quân sự. Do vậy, USV thiếu cơ cấu chấp hành là đái tưÿng thu hút đưÿc nhiều nghiên cứu trong những năm gần đây. Đây chính là mơ hình đái tưÿng sẽ đưÿc nghiên cứu để thiết kế bá điều khiển bám quỹ đ¿o trong luận án.

Mô hình USV thiếu cơ cấu chấp hành đã đưÿc mơ tả bởi (1.51). Trong quá trình thiết kế bá điều khiển trưÿt tầng, các thành phần bất định trong mơ hình

ø ùõ

chưa biết nên khơng xét trong quá trình thiết kế, coi như là mát thành phần tác đáng vào để kiểm tra tính đáp ứng của bá điều khiển với nhiễu. Mơ hình viết thành:

1.3.2. Biến đổi mơ hình

Phương pháp điều khiển trưÿt tầng đưÿc phát triển dựa trên phương pháp điều khiển trưÿt với māc đích sử dāng thiết kế bá điều khiển cho đái tưÿng thiếu cơ cấu chấp hành và cho thấy có chất lưÿng tát, ổn định với lớp đái tưÿng phi tuyến thiếu cơ cấu chấp hành như cần cẩu treo [36], xe di đáng trên quả bóng [22]. Để thiết kế bá

</div>Trang 38<div class="page_container" data-page="38">

điều khiển trưÿt tầng cho đái tưÿng USV thiếu cơ cấu chấp hành, luận án biến đổi mơ hình về d¿ng phù hÿp để phāc vā cho việc thiết kế bá điều khiển bám quỹ đ¿o đặt trong các phần sau của luận án. Māc đích là tách hệ tháng thành hai hệ con: trong đó cả hai hệ con cùng sử dāng chung mát tín hiệu điều khiển.

Thực hiện việc biến đổi ba phương trình thứ nhất của (1.52) như sau. Ta có phương trình (1.52a) đưÿc viết l¿i thành Như vậy, sau khi thực hiện đổi hai hàng cuái của hệ phương trình (1.53) để có đưÿc hệ phương trình tương đương viết dưới d¿ng ma trận thì phải thực hiện đổi các phần tử trong cát thứ hai và cát thứ ba cho nhau như trong (1.56).

(1.56) tương đương với

</div>Trang 39<div class="page_container" data-page="39">

Khai triển (1.58) ta sẽ đưÿc phương trình hồn tồn giáng với phương trình (1.55). Cho thấy các phép biến đổi trên là hoàn toàn tương đương.

Đặt l¿i các biến và ma trận J như sau:

Thực hiện các bước biến đổi tương tự như trên cho phương trình (1.52b). Viết l¿i véc tơ vị trí và vận tác, véc tơ lực đẩy đáng cơ của hệ dưới d¿ng:

</div>

luận án tiến sĩ tổng hợp bộ điều khiển trượt thích nghi cho phương tiện nổi tự hành trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo

<b>CHO PH¯¡NG TIặN NịI T HNH TRấN CĂ Sọ </b>

<b>CHO PHĂNG TIặN NịI T HNH TRấN CĂ Sọ </b>

<b>LâI CAM ĐOAN </b>

Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tơi. Các sá liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng đưÿc ai công bá trong bất kỳ cơng trình nào khác. Các dữ liệu tham khảo đưÿc trích dẫn đầy đủ.

<b> Tác giÁ lu¿n án </b>

<b> NguyÅn KhÁc TuÃn </b>

<b>LâI CÀM ¡N </b>

Tác giả chân thành cảm ơn các nhà giáo, các nhà khoa học, đồng nghiệp trong và ngồi Viện Khoa học và Cơng nghệ qn sự đã đóng góp ý kiến trong q trình thực hiện luận án.

Cuái cùng xin đưÿc cảm ơn các thành viên trong gia đình, đặc biệt là vÿ, con và bá mẹ đã t¿o mọi điều kiện về thời gian, vật chất cũng như luôn sát cánh đáng viên tinh thần để tác giả tập trung, cá gắng hoàn thành luận án này.

<i> Hà Nội, ngày …. tháng …. năm 2023 </i>

<b> Nghiên cứu sinh </b>

<b> NguyÅn KhÁc TuÃn</b>

<i>x</i>

<i>x</i>

<i>z</i>

<i>z</i>

ø

<i>u</i>

<i>v</i>

ư

<i>x</i>

<i>z</i>

<i>x</i>

<i>z</i>

<i>W</i>

<i>y</i>

<i>y</i>

<i>y</i>

<i>y</i>

<i>y</i>

<i>y</i>

<i>y</i>

<i>y</i>

<i>y</i>

<i>y</i>

<i>y</i>

<i>y</i>

<i>y</i>

<i>y</i>

<i>y</i>

<i>y</i>

<i>y</i>

<i>y</i>

<i>y</i>

<i>y</i>

<i>y</i>

<i>y</i>

<i>y</i>

<i>y</i>

<i>y</i>

<i>y</i>

<i>x y z</i>

<i>z</i>

õ

ô

<i>x y z</i>

<i>x y z</i>

÷

<i>x y z</i>

<i>y</i>

ø

õ

ø ùø

ỵ

÷

ñ

ù

<i>I</i>

<i>O</i>

<i>I</i>

<i>x y z</i>

, ,

<i>I</i>

ý<i>I</i>

<i>M</i>

ø ù

<i>M</i>

6 6ô

<i>Y</i>