Xây dựng các thuật toán xác định vị trí, tư thế và điều khiển chuyển động phương tiện ngầm
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.98 MB, 193 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ QUỐC PHÒNG
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ
54
PHẠM VĂN PHÚC
XÂY DỰNG CÁC THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ, TƢ THẾ
VÀ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG PHƢƠNG TIỆN NGẦM
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số:
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ QUỐC PHÒNG
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ
PHẠM VĂN PHÚC
XÂY DỰNG CÁC THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ, TƢ THẾ
VÀ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG PHƢƠNG TIỆN NGẦM
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số:
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
1.
PGS. TS Trần Đức Thuận
2.
TS Nguyễn Quang Vịnh
HÀ NỘI - 2019
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,
kết quả trong luận án là hoàn toàn trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố
trong bất kì công trình khoa học nào khác, các dữ liệu tham khảo đƣợc trích
dẫn đầy đủ.
Tác giả luận án
Phạm Văn Phúc
ii
LỜI CẢM ƠN
Trƣớc tiên, tôi bày tỏ sự kính trọng và xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới tập thể
giáo viên hƣớng dẫn, PGS.TS Trần Đức Thuận và TS Nguyễn Quang Vịnh đã
luôn nhiệt tình chỉ bảo và động viên để tôi hoàn thành bản luận án.
Tiếp theo, tôi gửi lời cảm ơn tới Phòng Đào tạo - Viện Khoa học và Công
nghệ quân sự, Viện Tên lửa, Viện Tự động hóa KTQS cùng các cán bộ công
tác tại viện đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu khoa học và có
những ý kiến đóng góp quý báu về nội dung, bố cục của luận án.
Cuối cùng, tôi muốn gửi lời cảm ơn tới gia đình tôi, bố mẹ, anh chị em và
đặc biệt là ngƣời vợ thân yêu cùng các con của tôi đã dành cho tôi tình yêu và
niềm tin để tôi có động lực và quyết tâm thực hiện thành công luận án.
TÁC GIẢ
iii
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................
DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ..............................................................................
MỞ ĐẦU
........................
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG TIỆN NGẦM VÀ CÁC VẤN ĐỀ
NGHIÊN CỨU VỀ ĐỘNG HỌC, ĐỊNH VỊ, ĐIỀU KHIỂN PHƢƠNG TIỆN
NGẦM .................................................................................................................
1.1Tổng quan về phƣơng tiện ngầm ......................
1.2Động học và động lực học cho phƣơng tiện ng
1.2.1
Các hệ quy chiế
1.2.2
Mô hình động h
1.2.3
Động lực học c
1.3Vấn đề xác định vị trí, tƣ thế cho các phƣơng t
1.4Các nghiên cứu về điều khiển cho phƣơng tiện
1.5Kết luận chƣơng 1 ............................................
Chƣơng 2: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ VÀ TƢ THẾ
CHO PHƢƠNG TIỆN NGẦM...........................................................................
2.1Các phƣơng pháp dẫn đƣờng bằng sóng âm ...
2.1.1
Phƣơng pháp đ
2.1.2
Phƣơng pháp đ
2.1.3
Phƣơng pháp đ
2.2Xây dựng thuật toán xác định vị trí cho phƣơng
2.3Xây dựng thuật toán xác định tƣ thế cho AUV
2.4Kết luận chƣơng 2 ............................................
Chƣơng 3: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG
PHƢƠNG TIỆN NGẦM ....................................................................................
3.1Lý thuyết điều khiển backstepping ...................
3.2Xây dựng bộ điều khiển Backstepping cho chu
iv
3.3 Xây dựng bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển ứng dụng đại số gia tử cho
chuyển động của phƣơng tiện ngầm....................................................................................... 69
3.3.1 Xây dựng bộ điều khiển mờ....................................................................................... 69
3.3.2 Xây dựng bộ điều khiển chuyển động PTN ứng dựng Đại số gia tử...75
3.4 Kết luận chƣơng 3.................................................................................................................... 90
Chƣơng 4: MÔ PHỎNG CÁC THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ, TƢ THẾ
VÀ ĐIỀU KHIỂN PHƢƠNG TIỆN NGẦM........................................................................... 91
4.1 Mô phỏng xác định tham số vị trí và tƣ thế cho phƣơng tiện ngầm..............91
4.1.1 Thiết lập các thông số mô phỏng............................................................................. 91
4.1.2 Kết quả mô phỏng........................................................................................................... 91
4.2 Mô phỏng điều khiển Backstepping chuyển động của AUV..............................93
4.2.1 Mô Phỏng tín hiệu điều khiển đầu vào................................................................. 93
4.2.2. Mô phỏng điều khiển chuyển động theo hƣớng, độ sâu và góc cren.
96
4.3 Mô phỏng điều khiển AUV ứng dụng bộ điều khiển mờ...................................... 98
4.4 Mô phỏng điều khiển AUV ứng dụng đại số gia tử................................................. 99
4.4.1 Mô phỏng điều khiển AUV theo hƣớng ứng dụng đại số gia tử..........100
4.4.2 Mô phỏng điều khiển AUV theo góc chúc ngóc ứng dụng đại số gia
tử......................................................................................................................................................... 101
4.4.3 Mô phỏng điều khiển AUV theo góc lắc sử dụng đại số gia tử.............102
4.4.4 Mô phỏng điều khiển ứng dụng đại số gia tử cho AUV theo hƣớng,
góc chúc ngóc và góc lắc....................................................................................................... 103
4.5 So sánh kết quả mô phỏng điều khiển chuyển động của AUV giữa
phƣơng pháp mờ và ứng dụng Đại số gia tử.................................................................... 106
4.6 Kết luận chƣơng 4.................................................................................................................. 107
KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ................................................................................................................. 108
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ ĐƢỢC CÔNG BỐ.......................111
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................................ 112
PHỤ LỤC................................................................................................................................................. 120
v
M
B
D
K,M,N
L
p, q, r
u , v, w
X ,Y,Z
V
W
,
θ,ψ
ω,υ
η
λ
δ
Af
CA(υ)
C
RB
Cf
D(υ)
Gb
g(η)
K
p
K
uuδl
uuδs
Các thành phần vận tốc chiếu lên các trục hệ tọa độ liên kết
[m/s].
DANH MỤC
CÁC KÝ
HIỆU, CÁC
CHỮ VIẾT
TẮT
Lực nổi
Acsimet,
[N].
Các ngoại lực tác dụng lên AUV, [N].
Véc tơ vận tốc dài trong hệ tọa độ liên kết.
Trọng lực [N].
Các góc Euler, [rad].
Véc tơ vận tốc góc và vận tốc dài trong hệ tọa độ gắn liền.
Véc tơ vị trí và góc Ơle trong hệ tọa độ địa lý.
Lực cản,
[N].
Véc tơ điều khiển ảo
Các mô men
ngoại lực
tác dụng lên
AUV, [Nm].
Tổng diện tích bề mặt theo hƣớng vận tốc AUV, [m2].
Sai số bám
Lực nâng,
[N]
Các
thành
Ma trận hƣớng tâm Coriolis khối nƣớc kèm.
Ma trận hƣớng tâm Coriolis của AUV.
Tâm nổi của AUV.
Ma trận lực và mô men thủy động.
phần
vận
Tâm khối của AUV trong hệ tọa độ gắn liền.
tốc
góc
Véc tơ lực nổi và trọng trƣờng.
chiếu lên hệ
tọa độ gắn
liền [rad/s].
Hệ số mô men khối nƣớc kèm, [kg.m2/rad2].
Hệ số mô men bánh lái đối với hệ tọa độ gắn liền [kg/rad].
Hệ số mô men bánh lái, [kg/rad].
vi
MA
Ma trận quán tính khối nƣớc kèm.
M
Ma trận quán tính hệ thống AUV.
RB
Hệ số mô men khối nƣớc kèm, [kg.m2/rad2].
N ,N
v
r
Hệ số mô men khối nƣớc kèm chéo trục và lực nâng
N
ur
[kg.m/rad] Hệ số mô men thân và bánh lái, [kg].
N
uv
Hệ số mô men khối nƣớc kèm chéo trục, [kg.m/rad].
N ,N
wp
N
pq
Hệ số mô men bánh lái, [kg/rad].
uuδh
M
Hệ số mô men bánh lái, [kg/rad].
uuδs
Hệ số mô men khối nƣớc kèm chéo trục, [kg.m/rad].
N ,N
wp
N
pq
Hệ số mô men bánh lái, [kg/rad].
uuδh
O X Y Z
b
b b
b
OX 0Y0Z0
Hệ tọa độ liên kết.
Hệ tọa độ địa lý.
Diện tích bề mặt của bánh lái, [m2].
S
bl
RB
bl
pl
e
h
s
u c , vc , wc
Véc tơ và mô men ngoại lực tác động lên thân AUV.
Véc tơ lực và mô men của bánh lái.
Véc tơ lực và mô men của động cơ đẩy.
Góc ảnh hƣởng của bánh lái.
Góc bẻ lái của bánh lái hƣớng.
Góc bẻ lái của bánh lái sâu.
Các thành phần vận tốc dòng chảy đối với hệ tọa độ liên kết
[m/s].
X
u
Hệ số lực khối nƣớc kèm, [kg].
X ,X
wq
vr
rr
X ,X
X
u |u |
,X
Hệ số lực khối nƣớc kèm chéo trục, [kg/rad].
v | v|
Hệ số lực cản theo trục X b của hệ tọa độ liên kết, [kg/m].
vii
X
,X
w| w|
uv
Hệ số lực cản theo trục X b của hệ tọa độ liên kết, [kg/m].
X
uw
Hệ số lực bánh lái, [kg/rad].
X
up
X
Hệ số lực của bánh lái, [kg/m.rad].
uuδl
Lực đẩy động cơ, [N].
X
pl
Hệ số lực khối nƣớc kèm, [kg].
X
u
X ,X
wq
X ,X
Hệ số lực khối nƣớc kèm chéo trục, [kg/rad].
vr
X
u |u |
X
,X
v | v|
,X
w| w|
rr
uv
Hệ số lực cản theo trục X b của hệ tọa độ liên kết, [kg/m].
Hệ số lực cản theo trục X b của hệ tọa độ liên kết, [kg/m].
X
uw
Hệ số lực bánh lái, [kg/rad].
X
up
X
Hệ số lực của bánh lái, [kg/m.rad].
uuδl
Lực đẩy động cơ, [N].
X
pl
X
u |u |
,X
v | v|
AUV
Hệ số lực cản theo trục X b của hệ tọa độ liên kết, [kg/m].
Phƣơng tiện ngầm tự hành (Autonomous Underwater Vehicle).
LBL
Phƣơng pháp đƣờng cơ sở dài.
SBL
Phƣơng pháp đƣờng cơ sở ngắn.
USBL
Phƣơng pháp đƣờng cơ sở cực ngắn.
GPS
Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System).
PID
Bộ điều khiển mờ (Proportional-Integral-Derivative
PD
Controller) Bộ điều khiển PD (Proportional-Derivative
PTN
Controller). Phƣơng tiện ngầm (Underwater Vehicle)
ROV
Phƣơng tiện ngầm điều khiển từ xa (Underwater Remotely
Operated Vehicles).
INS
Hệ thống dẫn đƣờng quán tính (Inertial navigation system).
viii
HA
HAC
SISO
MIMO
ix
Bảng 1.1 Các ký hiệu sử dụng cho phƣơng tiện ngầm tự hành
Bảng 3.1 Bảng quy tắc luật mờ
Bảng 3.2 Luật điều khiển cho các nhãn ngôn ngữ HAC
Bảng 3.3 Tham số tính mờ của các đại số gia tử
Bảng 3.4 Mối quan hệ dấu giữa các gia tử
Bảng 3.5
Các giá
Bảng 3.6
Xác địn
Bảng 3.7
Bảng bộ
Bảng 3.8
Bảng kế
x
Hình 1.1
P
Hình 1.2
P
Hình 1.3
C
Hình 1.4
Q
Hình 1.5
Q
Hình 1.6
Q
Hình 1.7
V
Hình 2.1
H
Hình 2.2
H
Hình 2.3
H
Hình 2.4
P
Hình 2.5
L
Hình 2.6
H
Hình 2.7
Hình 3.1
S
Hình 3.2
L
Hình 3.3
S
Hình 3.4
C
Hình 3.5
H
Hình 3.6
H
Hình 3.7
H
Hình 3.8
S
Hình 3.9
Đ
Hình 3.10
K
Hình 4.1
X
xi
Hình 4.2
X
Hình 4.3
X
Hình 4.4
T
Hình 4.5
T
Hình 4.6
T
Hình 4.7
T
Hình 4.8
T
Hình 4.9
T
Hình 4.10
T
Hình 4.11
Đ
Hình 4.12
Đ
Hình 4.13
Đ
Hình 4.14
M
Hình 4.15
K
Hình 4.16
M
Hình 4.17
Đ
Hình 4.18
M
Hình 4.19
Đ
Hình 4.20
M
Hình 4.21
Đ
Hình 4.22
M
Hình 4.23
K
Hình 4.24
S
Hình 4.25
M
Hình 4.26
K
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài luận án
Việt Nam là nƣớc có chiều dài biên giới đƣờng biển rất lớn, khu vực biển
Đông đóng vai trò là vị trí chiến lƣợc đặc biệt quan trọng trong tác chiến và
phòng thủ biển cũng nhƣ kết nối với các tuyến đƣờng hàng hải quốc tế. Hiện
nay xu hƣớng mở rộng việc thăm dò, khai thác tài nguyên biển đƣợc rất
nhiều nƣớc quan tâm, dẫn đến nhiều cuộc tranh chấp trên biển giữa các nƣớc
ngày càng diễn ra phức tạp, đe dọa đến vấn đề chủ quyền, an ninh, an toàn
hàng hải trong khu vực và trên thế giới. Chính vì vậy cần phải phát triển tổ
hợp các loại vũ khí có khả năng chống lại hữu hiệu các cuộc tấn công trên
biển trong vùng lãnh hải của nƣớc ta cũng nhƣ trang bị các phƣơng tiện
ngầm để làm nhiệm vụ trinh sát, cảnh giới, thăm dò, khai thác nguồn tài
nguyên biển hiệu quả là một đòi hỏi cấp thiết trong giai đọan hiện nay.
Phƣơng tiện ngầm (PTN) có trong biên chế của Hải quân chủ yếu là tàu
ngầm và các loại vũ khí chống ngầm nhƣ ngƣ lôi, tên lửa chống ngầm, ngoài
ra PTN đƣợc sử dụng cho việc tìm kiếm cứu nạn, khảo sát đại dƣơng nhƣ
một số robot ngầm loại nhỏ. Các PTN hoạt động đa dạng, nhƣ tàu ngầm hoạt
động trong phạm vi rộng lớn có thể lên đến hàng nghìn kilomet, ngƣ lôi và
tên lửa chống ngầm hoạt động trong phạm vi hàng chục kilomet; các thiết bị
thăm dò đáy biển hoặc quản lý xây dựng các công trình biển, tìm kiếm cứu
nạn thƣờng hoạt động trong phạm vi hẹp.
Các thành phần trung tâm trong cấu trúc điều khiển của PTN là hệ thống
dẫn đƣờng và hệ thống điều khiển. Hệ thống dẫn đƣờng thực hiện chức năng
định vị và dẫn đƣờng để xác định vị trí và tƣ thế của PTN, tạo ra quỹ đạo
mong muốn để PTN chuyển động theo. Hệ thống điều khiển có trách nhiệm
cung cấp tín hiệu điều khiển tức thời cho phép PTN di chuyển theo quỹ đạo
mong muốn. Điều này đạt đƣợc bằng cách nhận trạng thái mong muốn từ hệ
thống dẫn đƣờng và trạng thái hiện tại từ hệ thống định vị. Hệ thống điều kiển
2
sau đó tính toán và đƣa ra các lực và mô men điều khiển thông qua việc sử
dụng các cơ cấu truyền động khác nhau trên PTN.
Đối với phƣơng tiện ngầm tự hành (AUV) do hoạt động trong môi trƣờng
nƣớc, sóng điện từ bị hấp thụ và luôn phải chịu sự ảnh hƣởng của các tham
số động học bất định nên các đặc tính động học AUV có tính phi tuyến cao,
đây là những thách thức không nhỏ cho các nhà nghiên cứu và thiết kế chế tạo
đối với hệ thống dẫn đƣờng và điều khiển AUV.
Thực tế chúng ta đã và đang nghiên cứu phát triển các hệ thống dẫn
đƣờng và điều khiển AUV dùng cho nhiều mục đích khác nhau cả quân sự và
dân sự nhƣ trong [3], [16], [17]. Các nghiên cứu này đã giải quyết đƣợc một
số vấn đề về động học, điều khiển chuyển động của ROV và AUV dựa trên lý
thuyết điều khiển truyền thống. Kết quả nghiên cứu trong [17] đã đề xuất đƣa
thêm thiết bị dẫn đƣờng quán tính và xây dựng bộ điều khiển nơ ron mờ thích
nghi để dẫn đƣờng và điều khiển vũ khí chống ngầm. Tuy nhiên để có thể áp
dụng cho các bài toán về định vị và điều khiển đối với AUV cần có sự phát
triển các bộ điều khiển và các thuật toán phù hợp hơn.
Trên thế giới có rất nhiều nƣớc quan tâm nghiên cứu phát triển các loại
AUV đi kèm với các thiết bị về dẫn đƣờng và điều khiển. Tuy nhiên các nhà
nghiên cứu và tích hợp hệ thống trong nƣớc khó có thể tiếp cận đƣợc nguồn
tài liệu này, nếu có thì cũng ở dạng sơ sài, các thuật toán không tƣờng minh.
Từ những phân tích trên cho thấy tính phức tạp và tính cấp thiết của bài toán
dẫn đƣờng và điều khiển AUV, đặc biệt trong lĩnh vực quân sự. Trƣớc yêu cầu
xây dựng lực lƣợng Hải quân nhân dân hiện đại đòi hỏi phải làm chủ đƣợc vũ
khí trang bị và hƣớng tới sửa chữa, cải tiến, nâng cấp, sản xuất mới các loại vũ
khí và phƣơng tiện ngầm. Việc xây dựng các thuật toán xác định vị trí, tƣ thế và
điều khiển chuyển động phƣơng tiện ngầm là một trong những đòi hỏi nhằm giải
quyết những vấn đề có ý nghĩa thiết thực trong khai thác và
3
làm chủ vũ khí trang bị hiện có, tiến tới nghiên cứu cải tiến, phát triển các loại
vũ khí trang bị ngầm của Hải Quân Việt Nam.
Thông thƣờng, quá trình dẫn đƣờng bao gồm hai giai đoạn: định vị (xác
định vị trí và tƣ thế) và dẫn đƣờng. Trong đó giai đoạn định vị có nhiệm vụ
xác định các đặc điểm chuyển động của vật thể nhƣ vị trí, góc hƣớng và tƣ
thế. Giai đoạn dẫn đƣờng thực hiện xử lý các thông tin thu đƣợc từ giai đoạn
định vị, từ đó điều khiển PTN chuyển động theo quỹ đạo mong muốn. Nhƣ
vậy, định vị chính xác là cơ sở để xây dựng hệ thống dẫn đƣờng chính xác.
Tuy nhiên trong khuôn khổ của luận án, các nghiên cứu tập trung vào giai
đoạn định vị nhằm xây dựng thuật toán có khả năng xác định chính xác vị trí
và tƣ thế, vì vậy ý nghĩa của thuật ngữ „„dẫn đƣờng“ dừng ở mức xác định
chính xác vị trí và tƣ thế của phƣơng tiện ngầm.
2. Mục tiêu nghiên cứu luận án
Tổng hợp thuật toán xác định vị trí, tƣ thế và thuật toán điều khiển quỹ đạo
chuyển động cho một chủng loại phƣơng tiện ngầm.
3.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
-
Đối tƣợng nghiên cứu của luận án: Hệ thống điều khiển của phƣơng tiện
ngầm dạng tự hành có vây (AUV), sử dụng động cơ đẩy. Điều khiển hƣớng
chuyển động của AUV đƣợc thực hiện bởi hai bánh lái hƣớng trong mặt
phẳng đứng; điều khiển chuyển động độ sâu đƣợc thực hiện bởi hai bánh lái
sâu nằm trong mặt phẳng ngang, với các thông số kỹ thuật cơ bản nhƣ sau:
trọng lƣợng toàn bộ của AUV là 20 kg; chiều dài 1600mm; chiều rộng
300mm; tốc độ di chuyển 0.2m/s; độ sâu lặn 100m; thời gian hoạt động một
lần liên tục trong 10 giờ; có nhiệm vụ thăm dò và khai khoáng tài nguyên
biển, theo dõi và bảo vệ môi trƣờng, trinh sát và giám sát vùng kinh tế biển
đảo, bảo vệ hải cảng và giàn khoan...
4
Hình 1.1. Phƣơng tiện ngầm dạng tự hành
4.
Phƣơng pháp nghiên cứu:
Nghiên cứu từ tổng quan đến chi tiết, kế thừa các kết quả nghiên cứu đã
đƣợc công bố. Kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu lý thuyết với mô phỏng để
kiểm nghiệm. Áp dụng các công cụ và phƣơng pháp toán điều khiển hiện đại
để xây dựng thuật toán dẫn đƣờng và điều khiển.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
-
Kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở khoa học để nghiên cứu, giảng
dạy cho hệ thống ổn định và điều khiển quỹ đạo chuyển động của PTN.
-
Kết quả luận án sẽ là cơ sở để cải tiến, hiện đại hóa các PTN hiện có và
áp dụng khi thiết kế chế tạo mới.
6.
Bố cục của luận án
Nội dung của luận án đƣợc trình bày có cấu trúc bao gồm phần mở đầu,
4
chƣơng, phần kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục. Nội dung nhƣ sau:
Mở đầu:
Trong phần mở đầu, các phân tích về vai trò vị trí của phƣơng tiện ngầm
trong thực hiện các nhiệm vụ để minh chứng cho tính cấp thiết, ý nghĩa khoa
học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài luận án.
Chương 1: Tổng quan về phương tiện ngầm và các vấn đề nghiên cứu về
động học, định vị, điều khiển phương tiện ngầm
5
Đây là chƣơng tổng quan về phƣơng tiện ngầm. Các nghiên cứu về lịch
sử phát triển, mô tả động học, các phƣơng pháp xác định vị trí, tƣ thế cho các
phƣơng tiện chuyển động. Các hệ tọa độ tham chiếu, các lực, mô men tác
động lên PTN. Trên cơ sở đánh giá tình hình nghiên cứu trong nƣớc và ngoài
nƣớc về các phƣơng pháp điều khiển, đƣa ra nhận xét về ƣu nhƣợc điểm và
đề xuất nhiệm vụ bài toán điều khiển cho một dạng phƣơng tiện ngầm tự
hành đạt hiệu quả cao nhất.
Nội dung chƣơng 1 đã đƣợc công bố trong công trình [05].
Chương 2: Xây dựng thuật toán xác định vị trí và tư thế cho phương tiện
ngầm
Chƣơng hai đƣợc trình bày với hai nội dung chính. Nội dung 1: Các
phƣơng pháp dẫn đƣờng bằng sóng âm cho phƣơng tiện ngầm. Nội dung 2:
Xây dựng các thuật toán xác định vị trí và tƣ thế cho phƣơng tiện ngầm bằng
phƣơng pháp dẫn đƣờng sóng âm.
Nội dung chƣơng 2 đã đƣợc công bố trong công trình [01], [04].
Chương 3: Xây dựng các thuật toán điều khiển chuyển động phương tiện ngầm
Trong chƣơng này luận án xây dựng thuật toán điều khiển Backstepping,
thuật toán điều khiển mờ và đại số gia tử để điều khiển chuyển động của
phƣơng tiện ngầm trong điều kiện có sai số mô hình và ảnh hƣởng của dòng
chảy đại dƣơng. Nội dung chƣơng 3 đƣợc công bố trong các công trình [02],
[03], [06], [07]
Chương 4: Mô phỏng các thuật toán xác định vị trí, tư thế và điều khiển
phương tiện ngầm
Sử dụng công cụ Matlab - Simulink mô phỏng kiểm nghiệm, khảo sát, đánh
giá các thuật toán xác định tham số dẫn đƣờng đã xây dựng ở chƣơng 2. Mô
phỏng các chỉ số ma trận cosin chỉ phƣơng trong xác định vị trí và tƣ thế của
phƣơng tiện ngầm; mô phỏng các thuật toán điều khiển Backstepping, điều
6
khiển mờ và điều khiển sử dụng đại số gia tử cho một chủng loại PTN có mô
tả động học trong chƣơng 1.
Kết luận:
Nội dung phần kết luận khẳng định và nêu rõ những kết quả nghiên cứu đã
đạt đƣợc trong luận án, chỉ ra những đóng góp khoa học mới của luận án và
đề xuất hƣớng ứng dụng và hƣớng phát triển của đề tài.
7
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG TIỆN NGẦM VÀ
CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU VỀ ĐỘNG HỌC, ĐỊNH VỊ,
ĐIỀU KHIỂN PHƢƠNG TIỆN NGẦM
Trong chƣơng này sẽ nêu khái quát về các loại phƣơng tiện ngầm. Các
nghiên cứu về động học, các hệ tọa độ tham chiếu, phép biến đổi tọa độ, các
lực, mô men tác động lên phƣơng tiện ngầm, việc xác định vị trí, tƣ thế và
các phƣơng pháp điều khiển phƣơng tiện ngầm. Xác định các vấn đề cần giải
quyết cho luận án.
1.1 Tổng quan về phƣơng tiện ngầm
Phƣơng tiện ngầm (PTN) bắt đầu xuất hiện vào đầu thế kỷ XIX tại Đại
học Washington và đã có những bƣớc phát triển vƣợt bậc trong những thập
niên qua. Hiện nay PTN đang đƣợc sử dụng một cách rộng rãi trong nhiều
nhiệm vụ dân sự, quân sự khác nhau nhƣ giám sát mục tiêu, thăm dò và khai
thác tài nguyên biển, khảo sát hải dƣơng học, cảnh báo thiên tai, tìm kiếm cứu
nạn, xử lý bom mìn, làm sạch môi trƣờng nƣớc bị ô nhiễm [3].
Từ những năm 1970, PTN đã đƣợc nghiên cứu phát triển mạnh mẽ để hỗ
trợ hoặc thay thế con ngƣời làm việc ở những vùng nƣớc sâu (dƣới đáy sông,
hồ, đại dƣơng), những vùng nƣớc ô nhiễm hoặc khi làm việc trong thời gian
dài dƣới nƣớc.
Hiện nay, PTN giúp đạt đến độ sâu mà con ngƣời không thể lặn tới đƣợc.
PTN đƣợc sử dụng nhiều trong nghiên cứu khoa học, quân sự, dầu khí, hàng
hải, giao thông. Trong ngành dầu khí, PTN đƣợc sử dụng để làm những công
việc nhƣ kiểm tra các giàn khoan và đƣờng ống dẫn khí, dẫn dầu. Trong
ngành viễn thông, PTN đƣợc sử dụng để khảo sát đáy biển trƣớc khi đặt cáp
trong lòng biển, chôn cáp và kiểm tra hiện trạng cáp truyền. Trong quân sự,
PTN đƣợc sử dụng để gài hoặc tìm kiếm và tháo gỡ thủy lôi, mìn hoặc phối
hợp cùng con ngƣời trong việc tác chiến dƣới nƣớc. PTN còn là các thiết bị
quan trọng khi cứu hộ các tàu thuyền bị đắm dƣới đáy biển.
8
Trong giao thông vận tải PTN đƣợc dùng trong công tác khảo sát trƣớc
khi thi công các công trình giao thông dƣới nƣớc. Trong thám hiểm và nghiên
cứu biển, PTN đƣợc sử dụng để khảo sát địa hình dƣới đáy biển, độ rò rỉ của
các nguồn khí, theo dõi việc sinh sản của các loài cá,...Trong ngành năng
lƣợng nguyên tử các PTN cỡ nhỏ đƣợc dùng để kiểm tra các thiết bị trong
nhà máy điện nguyên tử.
PTN là một thiết bị có giá thành thấp hiệu quả cao cho các nghiên cứu
ngầm hoặc thăm dò đại dƣơng. Sự phát triển nhanh chóng của ngành khai
thác dầu khí trong lòng đại dƣơng đã làm bùng nổ lĩnh vực nghiên cứu các
loại PTN.
Căn cứ vào khả năng tham gia điều khiển của con ngƣời, PTN đƣợc chia
thành hai loại, PTN có ngƣời lái và PTN không có ngƣời lái, trong đó PTN
không có ngƣời lái đƣợc chia thành PTN điều khiển từ xa (ROV) và PTN tự
hành (AUV) [14].
ROV đƣợc kết nối với trung tâm điều khiển bằng cáp hoặc một liên kết
âm thanh dƣới dạng sóng thủy âm. Cáp liên kết đảm bảo cho việc cung cấp
thông tin và tín hiệu điều khiển, theo cách này có thể liên tục bám và điều
khiển phƣơng tiện ngầm theo những chƣơng trình dự báo trƣớc. Thông
thƣờng ROV phải làm việc trong những điều kiện phức tạp hoặc trong những
vùng nƣớc sâu vì vậy sợi cáp liên kết và truyền tín hiệu đƣợc sử dụng cùng
với một hệ thống điều khiển cáp.
Phần lớn các ROV đƣợc thiết kế dạng rô bốt chuyển động trong nƣớc, trong
đó thân ROV đƣợc trang bị các hệ thống đẩy có hƣớng trục đẩy theo các mặt
phẳng khác nhau nên ROV có khả năng cơ động tốt. Ngoài ra ROV đƣợc trang
bị thêm một số thiết bị để mở rộng khả năng làm việc của ROV nhƣ: máy ảnh,
tay máy có khớp nối đƣợc sử dụng để lấy các vật nhỏ, cắt đƣờng dây, gắn móc
để nâng các vật lớn và các thiết bị đo lƣờng dƣới nƣớc...
9
Hiện nay các ROV đã đƣợc nghiên cứu phát triển và thƣơng mại hóa
rộng rãi trên thế giới và có thể thực hiện đƣợc rất nhiều nhiệm vụ dƣới nƣớc.
Tuy nhiên do ROV đƣợc liên kết với trung tâm điều khiển bằng cáp nên
thƣờng bán kính làm việc của ROV không xa ( hình 1.2).
Hình 1.2. Phƣơng tiện ngầm điều khiển từ xa
Trong nƣớc đã có một số nghiên cứu nhƣ về ROV nhƣ nghiên cứu thiết
kế chế tạo, thử nghiệm thiết bị điều khiển cho rô bốt ngầm mini hoạt động
trong vùng nƣớc nông của Học viện Hải quân hay thiết kế, chế tạo rô bốt
ngầm mini ROV có 6 bậc tự do của nhóm nghiên cứu Đại học Bách khoa Hà
Nội, luận án “Xây dựng thuật toán dẫn đƣờng và điều khiển cho phƣơng tiện
ngầm”của tác giả Trƣơng Duy Trung. Ngoài ra còn có một số đề tài luận văn
tốt nghiệp đại học và thạc sỹ của Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh,
Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, Học Viện Kỹ thuật quân sự. Tuy nhiên các
nghiên cứu trong nƣớc còn có nhiều hạn chế, chƣa đƣợc đƣa vào sản xuất
ứng dụng thực tiễn hay thƣơng mại hóa.
Phƣơng tiện ngầm tự hành (AUV) là một dạng robot hoạt động sâu trong
lòng đại dƣơng, trong đó việc cấp nguồn và điều khiển quá trình hoạt động
không cần sự can thiệp từ bên ngoài. Thông thƣờng AUV đƣợc lập trình sẵn các
chƣơng trình hoạt động, đƣợc định vị và dẫn đƣờng bằng tín hiệu GPS kết hợp
với thiết bị dẫn đƣờng quán tính, hay dẫn đƣờng âm thanh. AUV có thể hoạt
động độc lập trong khoảng thời gian dài, có khi lên đến hàng chục giờ. Phần lớn
các AUV đƣợc thiết kế dạng trụ tròn xoay để giảm lực cản của nƣớc trong quá
10
trình chuyển động. Một số AUV có hình dạng mang tính đặc thù, điều đó cho
phép chúng di chuyển đƣợc trên những nơi có địa hình phức tạp.
Các phƣơng tiện ngầm tự hành đầu tiên đƣợc nghiên cứu và ứng dụng tại
Đại học Washington vào đầu năm 1957 với mục đích để nghiên cứu sự lan
truyền của ánh sáng và âm thanh trong nƣớc ngầm. Năm 1966, sau nhiều lần
thử nghiệm, Robert Whitehead đã thiết kế chế tạo thành công AUV dạng ngƣ
lôi và đƣợc đặt tên là “ Fish”, đây có thể xem là AUV đầu tiên, bắt đầu cho
quá trình nghiên cứu và phát triển AUV sau này.
Phƣơng tiện ngầm đề cập trong luận án này là một loại AUV chuyển động
trong nƣớc bằng hệ thống đẩy, chuyển động trong không gian ba chiều, dùng
để khảo sát, thăm dò đại dƣơng hoặc trinh sát, cảnh giới trên vùng biển đƣợc
xác định trƣớc.
1.2 Động học và động lực học cho phƣơng tiện ngầm
Trong môi trƣờng nƣớc PTN luôn phải chịu sự tác động của nhiều lực phi
tuyến làm cho việc điều khiển của PTN trở nên phức tạp hơn. Vì vậy phân
tích động học và động lực học của PTN là cơ sở để xây dựng các tham số điều
khiển chính xác cho PTN.
1.2.1 Các hệ quy chiếu
Hệ quy chiếu là một hệ vật đƣợc quy ƣớc làm mốc, để xác định vị trí, đặc
điểm chuyển động (vận tốc, gia tốc, hƣớng chuyển động) của vật thể trong
không gian, theo thời gian. Để xác định vị trí và chuyển động của vật thể
trong hệ quy chiếu, cần gắn vào hệ quy chiếu đóm ột hệ trục tọa độ cố định.
Hai hệ tọa độ thƣờng đƣợc sử dụng là: hệ tọa độ cầu và hệ tọa độ đề các.
Trong luận án này sử dụng các hệ quy chiếu sau:
1.2.1.1 Hệ quy chiếu địa lý
Hệ quy chiếu địa lý (n-frame) là hệ quy chiếu gắn liền với trái đất, gốc
quy chiếu đƣợc lựa chọn tại một điểm cố định trong khu vực xuất phát của
phƣơng tiện ngầm. Gắn vào hệ quy chiếu này một hệ trục tọa độ đề các với
11
gốc tọa độ trùng với gốc quy chiếu, trục x của hệ hƣớng về phía cực Bắc địa
lý (theo chiều tăng vĩ độ), trục y của hệ hƣớng về phía Đông (theo chiều tăng
kinh độ), trục x và trục y tạo thành một mặt phẳng tiếp tuyến với bề mặt Trái
đất, trục z có hƣớng đi xuống vuông góc với bề mặt Trái đ ất và thu đƣợc hệ
NED (hình 1.3). Trong luận án, hệ tọa độ này đƣợc chọn làm hệ tọa độ dẫn
đƣờng.
0
Trƣợt ngang
v,y
Y
b
Lắc ngang q, M
Hình 1.3. Các hệ quy chiếu của phƣơng tiện
ngầm 1.2.1.2 Hệ quy chiếu liên kết
Hệ quy chiếu liên kết (b-frame) là hệ quy chiếu gắn liền với vật thể, gốc
quy chiếu đƣợc lựa chọn trùng với gốc tâm trọng lực của phƣơng tiện ngầm.
0b X b
0b Zb
Gắn vào hệ b-frame hệ tọa độ vật thể có gốc tọa độ trùng với gốc quy chiếu,
trục dọc
hƣớng theo chiều dọc của phƣơng tiện ngầm, trục
nằm
trong mặt phẳng đối xứng của phƣơng tiện ngầm và hƣớng xuống dƣới và
trục 0 Y hƣớng ngang sang mạn phải tạo thành tam diện thuận. Khi đó b b
chuyển động phƣơng tiện ngầm mô tả trong hệ tọa độ gắn liền 6 bậc tự do.
