Target tracking controller design for autonomous underwater vehicles

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

NGUYỄN ĐỨC TÔ

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BÁM MỤC TIÊU
CHO PHƯƠNG TIỆN TỰ HÀNH DƯỚI NƯỚC
TARGET TRACKING CONTROLLER DESIGN
FOR AUTONOMOUS UNDERWATER VEHICLES

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số: 60 52 02 16

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 - 2019


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS. HUỲNH THÁI HOÀNG
Cán bộ chấm nhận xét 1 :
Cán bộ chấm nhận xét 2 :
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 26 tháng 12 năm 2019
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. TS. Nguyễn Vĩnh Hảo
2. TS. Phạm Việt Cường
3. PGS.TS Nguyễn Quốc Chí

4. PGS.TS Nguyễn Thanh Phương
5. TS. Nguyễn Đức Thành
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA…………


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc
lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN ĐỨC TÔ

MSHV : 1770344

Ngày, tháng, năm sinh: 10/03/1994

Nơi sinh: Quảng Ngãi

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

Mã số : 60 52 02 16

I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BÁM MỤC TIÊU
CHO PHƯƠNG TIỆN TỰ HÀNH DƯỚI NƯỚC

II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
➢ Xây dựng mơ hình tốn mơ tả đặc trưng của AUV.
➢ Xây dựng bộ điều khiển trượt cho AUV.
➢ Xây dựng giải thuật di truyền (GA) tối ưu các thông số bộ điều khiển trượt.
➢ Xây dựng giải thuật dẫn hướng Constant Bearing cho AUV bám mục tiêu.
➢ Thử tích hợp giải thuật dẫn hướng bám mục tiêu vào điều khiển đội hình (leaderfollower)
➢ Đánh giá, nhận xét và hướng phát triển.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 19/08/2019
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 08/12/2019
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS. HUỲNH THÁI HOÀNG

Tp. HCM, ngày 09 tháng 12 năm 2019
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA…………..
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN
Mở đầu tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến giảng viên hướng dẫn, thầy
PGS.TS. Huỳnh Thái Hồng người đã ln quan sát, định hướng và giúp đỡ tơi trong
suốt q trình thực hiện đề cương luận văn cao học.
Xin cảm ơn tất cả thầy cô trong bộ môn Điều Khiển Tự Động, các thầy cô trong
khoa Điện Điện tử trường đại học Bách Khoa Tp.HCM đã giảng dạy, cung cấp cho tôi
nhiều kiến thức bổ ích khơng chỉ trong q trình nghiên cứu sau đại học mà cịn cả q
trình học tập khi tơi cịn là sinh viên.

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn cha mẹ, các bạn bè trong khóa cao học Điều Khiển
Tự Động Hóa 2017 đã khơng ngừng khích lệ, giúp đỡ để tơi có thể hồn thành tốt đề cương
luận văn này.

Học viên thực hiện

NGUYỄN ĐỨC TÔ


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Phương tiện ngầm điều khiển từ xa là một trong những phương tiện ngầm được các nhà
nghiên cứu đại dương sử dụng nhiều trong những năm gần đây. Đặc biệt nước ta có một
bờ biển dài hơn 3000 km và một diện tích rất lớn ao hồ đầm lầy… Việc thăm dò và khai
thức những nguồn tài nguyên trong lòng đại dương đã gặp phải những hạn chế trong những
vùng biển sâu. Đối với các cơng trình trên biển như giàn khoan, đường ống dẫn dầu, đường
dây cáp quang… trong quá trình xây dựng và khai thác thì nhu cầu thăm dị, khảo sát, tiến
hành các cơng việc dưới nước là tất yếu. Việc nghiên cứu thiết kế và điều khiển AUV phục
vụ nghiên cứu đang được triển khai rộng rãi trên thế giới và Việt Nam sẽ khơng nằm ngồi
xu hướng đó. Do đó, nó đóng góp vào sự phát triển khoa học, cơng nghệ và đổi mới sáng
tạo ở Việt Nam. Mang trên mình nhiều ưu điểm vượt trội trong cơng nghệ tự động hóa, sự
ra đời của AUV thế hệ mới chuyên biệt hóa hứa hẹn một giải pháp mới trong những lĩnh
vực quen thuộc như trắc địa bản đồ hay an ninh đường thủy.
Luận văn thực hiện các công việc bao gồm việc xây dựng mơ hình tốn mơ tả đặc trưng
của AUV. Thiết kế các bộ điều khiển trượt cho AUV để điều khiển vận tốc, góc heading
và độ sâu. Xây dựng giải thuật di truyền (GA) tối ưu các thông số bộ điều khiển trượt và
luật dẫn hướng Constant Bearing cho AUV bám mục tiêu. Thử tích hợp bám mục tiêu vào
xây dựng điều khiển đội hình (leader-follower). Các kết quả trên sẽ được đánh giá qua mô
phỏng trên Matlab/Simulink.

ABSTRACT
The design and control of AUV for research is being widely implemented in the world and
Vietnam will not be out of that trend. Besides, research also contributes to the development
of science, technology and innovation in Vietnam. The introduction of a new generation of
AUVs will provide a new solution in many fields such as commerce, military, research...
The dissertation includes: building a mathematical model of AUV, designing sliding mode
controls for AUV, implementing genetic algorithm (GA) to optimize parameters of
controllers, Constant Bearing guidance for AUV in target tracking scenario, integrating
guidance algorithm to build a leader-follower formation. The results will be assessed
through simulations on Matlab/Simulink


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của bản thân, được xuất phát từ yêu cầu
phát sinh trong quá trình làm luận văn. Các tài liệu liên quan có nguồn góc rõ ràng, tuân
thủ đúng nguyên tắc, kết quả trình bày trong luận văn là kết quả quá trình nghiên cứu tại
trường đại học Bách Khoa TP.HCM.

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2019.
Tác giả luận văn

Nguyễn Đức Tô


MỤC LỤC
Chương 1.

TỔNG QUAN ........................................................................................... 1

1.1. Đặt vấn đề........................................................................................................... 1

1.2. Ý nghĩa khoa học ................................................................................................ 2
1.3. Phạm vi ứng dụng ............................................................................................... 2
1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước .......................................................... 3
1.4.1.

Tình hình ngồi nước ................................................................................ 3

1.4.2.

Tình hình trong nước ................................................................................ 6

1.5. Mục tiêu đề tài .................................................................................................... 9
Chương 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................. 10

2.1. Các biến chuyển động ....................................................................................... 10
2.2. Các hệ quy chiếu............................................................................................... 10
2.3. Mơ hình hóa AUV ............................................................................................ 13
2.3.1.

Phương trình động học 6DOF ................................................................. 13

2.3.2.

Phương trình chuyển động của AUV....................................................... 15

2.3.3.

Phương trình chuyển động tích hợp dịng ................................................ 24

2.4. Điều khiển trượt ................................................................................................ 28
2.4.1.

Lý thuyết điều khiển trượt ....................................................................... 28

2.4.2.

Xây dựng luật điều khiển SMC bằng phân tách trị riêng ......................... 30

2.5. Hệ thống dẫn hướng.......................................................................................... 33
2.5.1.

Bám mục tiêu .......................................................................................... 34

2.5.2.

Dẫn hướng Constant Bearing .................................................................. 35

Chương 3.

XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN ............................................ 40

3.1. Tuyến tính hóa hệ thống.................................................................................... 40


3.1.1.

Giải thuật điều khiển độ sâu .................................................................... 40

3.1.2.

Giải thuật điều khiển góc heading ........................................................... 43

3.1.3.

Giải thuật điều khiển vận tốc ................................................................... 44

Chương 4.

GIẢI THUẬT DI TRUYỀN .................................................................... 47

4.1. Giải thuật di truyền ........................................................................................... 47
4.1.1.

Thích nghi ............................................................................................... 48

4.1.2.

Chọn lọc ................................................................................................. 48

4.1.3.

Lai ghép .................................................................................................. 49

4.1.4.

Đột biến .................................................................................................. 50

4.2. Tối ưu bộ điều khiển trượt bằng GA ................................................................. 50

4.2.1.

Luật điều khiển ....................................................................................... 50

4.2.2.

Hàm chi phí ............................................................................................ 51

Chương 5.

ỨNG DỤNG ........................................................................................... 52

5.1. Hệ thống điều khiển trượt ................................................................................. 52
5.1.1.

Đáp ứng từng bộ điều khiển .................................................................... 52

5.1.2.

Đáp ứng khi kết hợp các bộ điều khiển.................................................... 54

5.1.3.

Khi thay đổi thơng số mơ hình ................................................................ 54

5.2. Luật dẫn hướng Constant Bearing ..................................................................... 56
5.2.1.

Khảo sát sự ảnh hưởng của hệ số  p đến hành vi tiếp cận ....................... 58

5.2.2.

Khi khơng có ảnh hưởng dịng tác động .................................................. 59

5.2.3.

Khi có ảnh hưởng dịng nhưng khơng bù dịng ........................................ 62

5.2.4.

Khi có ảnh hưởng dịng và có bù dịng .................................................... 64

5.2.5.

So sánh khi có ảnh hưởng dịng và khi khơng ảnh hưởng dịng ............... 68

5.3. Thử tích hợp vào điều khiển đội hình leader-follower ....................................... 69


5.4. Áp dụng GA tối ưu bộ điều khiển trượt ............................................................. 71
5.4.1.

Thông số bộ điều khiển trượt dùng phương pháp thử sai ......................... 71

5.4.2.

Thông số bộ điều khiển trượt dùng giải thuật GA .................................... 72

Chương 6.

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................... 76

6.1. Kết quả đạt được ............................................................................................... 76
6.2. Hạn chế của đề tài ............................................................................................. 76
6.3. Hướng phát triển ............................................................................................... 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 77


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 AUV nupiri muka (Úc) trong chiến dịch khảo sát sông Tamar, Lancestor ......... 4
Hình 1.2 AUV HUGIN ..................................................................................................... 5
Hình 1.3 Bluefin 21 .......................................................................................................... 5
Hình 1.4 Các phiên bản REMUS AUV duợc thiết kế, chế tạo bởi viện WHOI, USA.......... 6
Hình 1.5 Robot ngầm HVHQ02........................................................................................ 7
Hình 1.6 Tàu ngầm điều khiển từ xa................................................................................. 9
Hình 2.1 Các vận tốc của 6 bậc tự do trong một hệ quy chiếu gắn với AUV ................... 10
Hình 2.2 Hệ quy chiếu.................................................................................................... 12
Hình 2.3 Hệ trục tọa độ.................................................................................................. 14
Hình 2.4 Góc hướng, góc heading và góc sideslip .......................................................... 28
Hình 2.5 Hiện tương chattering ..................................................................................... 29
Hình 2.6 Quỹ đạo pha .................................................................................................... 30
Hình 2.7 Bộ điều khiển trượt phi tuyến........................................................................... 32
Hình 2.8 Các kiểu dẫn hướng của bám mục tiêu ............................................................ 35
Hình 2.9 Tốc độ xoay bằng 0 của LOS và giải thích cho parallel navigation ................. 36
Hình 2.10 Dẫn hướng Constant Bearing ........................................................................ 38
Hình 2.11 The speed assignment cho chuyển động theo trục x ....................................... 39
Hình 3.1 Sơ đồ điều khiển độ sâu ................................................................................... 43
Hình 3.2 Sơ đồ điều khiển góc heading .......................................................................... 44
Hình 3.3 Sơ đồ điều khiển vận tốc .................................................................................. 45
Hình 3.4 Sơ đồ kết hợp các bộ điều khiển....................................................................... 46

Hình 4.1 Lưu đồ giải thuật di truyền .............................................................................. 47
Hình 4.2 Lai ghép một điểm ........................................................................................... 49
Hình 5.1 Sơ đồ mô phỏng Simulink hệ thống .................................................................. 52
Hình 5.2 Đáp ứng của điều khiển lặn nổi ....................................................................... 52
Hình 5.3 Đáp ứng của điều khiển Heading..................................................................... 53
Hình 5.4 Đáp ứng của điều khiển vận tốc....................................................................... 53


Hình 5.5 Đáp ứng độ sâu và góc heading khi điều khiển kết hợp.................................... 54
Hình 5.6 Đáp ứng của điều khiển lặn nổi ....................................................................... 55
Hình 5.7 Đáp ứng của điều khiển Heading..................................................................... 55
Hình 5.8 Đáp ứng độ sâu và góc heading khi điều khiển kết hợp.................................... 56
Hình 5.9 Mơ hình matlab Simulink của mục tiêu ............................................................ 57
Hình 5.10 Mơ hình matlab Simulink của AUV ................................................................ 57
Hình 5.11 Ảnh hưởng của  p lên vận tốc AUV. .............................................................. 58
Hình 5.12 Ảnh hưởng của  p lên góc heading AUV. ...................................................... 58
Hình 5.13 Ảnh hưởng của  p lên khoảng cách giữa AUV và mục tiêu............................ 59
Hình 5.14 Đáp ứng vận tốc của AUV và mục tiêu .......................................................... 59
Hình 5.15 Đáp ứng góc heading của AUV và mục tiêu................................................... 60
Hình 5.16 Khoảng cách giữa AUV và mục tiêu và hệ số góc .......................................... 60
Hình 5.17 Quỹ đạo AUV và mục tiêu trong mặt phẳng xy .............................................. 61
Hình 5.18 Quỹ đạo AUV và mục tiêu trong mặt phẳng xz............................................... 61
Hình 5.19 Quỹ đạo AUV và mục tiêu trong không gian xyz ............................................ 62
Hình 5.20 Quỹ đạo AUV và mục tiêu trong mặt phẳng xy .............................................. 63
Hình 5.21 Quỹ đạo AUV và mục tiêu trong mặt phẳng xz............................................... 63
Hình 5.22 Quỹ đạo AUV và mục tiêu trong không gian xyz ............................................ 64
Hình 5.23 Đáp ứng vận tốc của AUV và mục tiêu .......................................................... 65
Hình 5.24 Đáp ứng góc heading của AUV và mục tiêu................................................... 65
Hình 5.25 Khoảng cách giữa AUV và mục tiêu .............................................................. 66
Hình 5.26 Quỹ đạo AUV và mục tiêu trong mặt phẳng xy .............................................. 66

Hình 5.27 Quỹ đạo AUV và mục tiêu trong mặt phẳng xz............................................... 67
Hình 5.28 Quỹ đạo AUV và mục tiêu trong không gian xyz ............................................ 67
Hình 5.29 So sánh vận tốc tương đối và góc heading của AUV ...................................... 68
Hình 5.30 So sánh quỹ đạo trong mặt phẳng xy và mặt phẳng xz của AUV .................... 68
Hình 5.31 Quỹ đạo của follower 1 ................................................................................. 69
Hình 5.32 Quỹ đạo của follower 2 ................................................................................. 70


Hình 5.33 Quỹ đạo của leader và hai follower ............................................................... 70
Hình 5.34 Đội hình leader-follower (mặt phẳng xy) ....................................................... 71
Hình 5.35 Đồ thị của hàm chi phí của độ sâu ................................................................. 72
Hình 5.36 Đồ thị các tham số qua các thế hệ của độ sâu................................................ 73
Hình 5.37 So sánh đáp ứng của z ................................................................................... 73
Hình 5.38 Đồ thị của hàm chi phí của góc heading ........................................................ 74
Hình 5.39 Đồ thị các tham số qua các thế hệ của góc heading ....................................... 74
Hình 5.40 So sánh đáp ứng góc heading ........................................................................ 75


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Ký hiệu được sử dụng cho phương tiện hàng hải (SNAME): ........................... 12
Bảng 4.1 Thông số bộ điều khiển SMC ........................................................................... 50
Bảng 5.1 Thông số bộ điều khiển trượt dùng thử sai ...................................................... 71
Bảng 5.2 Thông số bộ điều khiển trượt dùng GA ............................................................ 72


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

SMC

Sliding Mode Control

SNAME

The Society of Naval Architects and Marine Engineers

AUV

Autonomous Underwater Vehicle

CP

Constant Bearing

PN

Proportional Navigation

GA

Genetic Algorithm

MT

Manual Tuning


Chương 1. TỔNG QUAN
1.1.

Đặt vấn đề

Đại dương chiếm khoảng 2/3 diện tích bao phủ Trái đất và có ảnh hưởng rất lớn tới
sự tồn tại và phát triễn của mọi vật kể cả con người. Ngày nay khi dân số thế giới
tăng lên, nguổn tài nguyên trong đất liền ngày càng cạn kiệt thì con người mở rộng
khám phá ra biển, đại dương. Tuy nhiên, cho đến thời điểm hiện tại thì kiến thức của
con người về đại dương rất hạn chế. Một trong những nguyên nhân đó là do tính chất
phức tạp và nguy hiểm của mơi trường làm cho việc thăm dị khó khăn. Do đó, sự trợ
giúp của các trang thiết bị tiên tiến để các nhà khoa học tìm hiểu, khảo sát mơi trường
là rất cần thiết.
Phương tiện ngầm điều khiển từ xa là một trong những phương tiện ngầm được các
nhà nghiên cứu đại dương sử dụng nhiều trong những năm gần đây. Đặc biệt nước ta
có một bờ biển dài hơn 3000 km và một diện tích rất lớn ao hồ đầm lầy… Việc thăm
dò và khai thức những nguồn tài nguyên trong lòng đại dương đã gặp phải những hạn
chế trong những vùng biển sâu. Đối với các cơng trình trên biển như giàn khoan,
đường ống dẫn dầu, đường dây cáp quang… trong quá trình xây dựng và khai thác
thì nhu cầu thăm dị, khảo sát, tiến hành các cơng việc dưới nước là tất yếu.
Trong quân sự, việc rà quét và tháo gỡ thủy lơi, mìn làm sạch các vùng nước sau
chiến tranh và chuẩn bị cho việc đổ bộ tác chiến… cũng được tiến hành dưới nước.
Các công việc cứu hộ, cứu nạn, trục vớt trên biển cũng phát sinh khi việc lưu thông
ngày càng phát triển.
Vấn đề đặt ra là các công việc dưới nước được thực hiện trong môi trường khắc nghiệt
như độ sâu, sóng, gió, ơ nhiễm, nguy hiểm …, với các công cụ thô sơ, các thợ lặn làm
việc dưới nước thì khả năng cịn giới hạn và tính rủi ro cao. Vì vậy, sự trợ giúp của
các công cụ nghiên cứu, giám sát hiện đại là việc làm tất yếu.
Ngày nay, cùng với việc phát triển của các dạng vật liệu mới, kỹ thuật máy tính, kỹ
thuật cơ điện tử, thiết bị cảm biến, cũng như sự tiến bộ về lý thuyết điều khiển robot,

1

hàng loạt các dạng AUV đa dạng về kích thước, tiên tiến, thông minh và đáng tin cậy
đã được chế tạo và đưa vào ứng dụng trong từng hoàn cảnh thực tế cụ thể.
Đó chính là một trong những lý do quan trọng để nghiên cứu và phát triển các loại
phương tiện, thiết bị ngầm phục vụ cho các nhiệm vụ dưới nước và phương tiện ngầm
tự hành AUV được chọn làm đề tài nghiên cứu trong luận văn này.
1.2.

Ý nghĩa khoa học

Từ các lợi ích thiết thực mang lại, việc nghiên cứu thiết kế và điều khiển robot lặn
AUV phục vụ khảo sát và cứu hộ cứu nạn đang được triển khai rộng rãi trên thế giới
và Việt Nam sẽ khơng nằm ngồi xu hướng đó. Do đó, nó đóng góp vào sự phát triển
khoa học, cơng nghệ và đổi mới sáng tạo ở Việt Nam. Công nghệ sử dụng AUV phục
vụ các tác vụ thăm dò, khảo sát dưới nước hướng phục vụ những mục tiêu dân sự
hoặc cơng tác cứu hộ cứu nạn. Mang trên mình nhiều ưu điểm vượt trội trong cơng
nghệ tự động hóa, sự ra đời của AUV thế hệ mới chuyên biệt hóa hứa hẹn một giải
pháp mới trong những lĩnh vực quen thuộc như trắc địa bản đồ hay an ninh đường
thủy.
Ngoài chức năng thăm dò, khảo sát dưới nước và hỗ trợ cứu hộ cứu nạn, AUV cịn
có thể thực hiện các tác vụ khác như quan trắc môi trường nước hay cao hơn là áp
dụng mở rộng trong các lĩnh vực quân sự như mang ngòi nổ, trinh sát bám mục tiêu,
cảnh giới trong tác chiến ngầm.
1.3.

Phạm vi ứng dụng

Trước kia, giới hạn công nghệ của AUV khiến cho khả năng ứng dụng bị hạn chế
trong một số nhiệm vụ nhất định. Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ xử lý
cao cấp hơn và nguồn năng lượng cao hơn, AUV hiện đang ngày càng mở rộng phạm
vi ứng dụng của mình.

− Thực hiện giám sát, do thám, bảo vệ các mục tiêu dưới nước, rà phá thủy lôi…
(ứng dụng trong quân sự).

2


− Ứng dụng trong công tác khảo sát thực địa khi xây dựng các cơng trình dưới
nước như: đê, hải cảng, cầu…
− Ngành cơng nghiệp dầu khí sử dụng AUV để xây dựng các bản đồ đáy biển
chi tiết trước khi xây dựng cơ sở hạ tầng dưới biển, hệ thống đường ống dẫn
và các lắp đặt cần thiết sao cho phi phí sử dụng hiệu quả nhất.
− Xây dựng bản đồ khu vực để xác định vị trí mục tiêu, có thể là một cảng biển,
hoặc giám sát một khu vực quân sự. AUV cũng được sử dụng trong chiến
tranh, như phát hiện và tiêu diệt tàu ngầm địch (tàu ngầm có người lái).
− Ứng dụng trong việc khảo sát, lắp đặt các thiết bị viễn thông…
− Khảo sát thâm dò bề mặt địa chất dưới đáy biển, thu thập thông tin địa chất,
các nơi con người không thể xuống được, trong cơng tác nghiên cứu đại
dương…
1.4.

Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước

1.4.1. Tình hình ngồi nước
Để nghiên cứu sự biến đổi hình thái đáy sơng Tamar ở Launceston, Úc, trường đại
học Tasmania đã sử dụng AUV nupiri muka (hay Eye of the Sea). Theo thời gian, địa
hình đáy sơng thay đổi dưới các quy luật xói mịn và lắng đọng trầm tích. Trước đây,
người ta đã khảo sát đáy sông bằng cảm biến sonar multibeam liên kết với tàu trên
mặt nước và có một tập dữ liệu tham chiếu nhưng hiện nay, nhờ có sự hỗ trợ từ AUV,
thông tin về đáy sông thu thập được phục vụ cho mục đích nghiên cứu, lập bản đồ sẽ
trở nên chi tiết, chính xác với độ phân giải cao hơn. Không dừng lại ở lần hoạt động

đầu tiên này, AUV này còn được hướng đến áp dụng kĩ thuật dựng bản đồ đáy biển
ở Nam Cực trong thời gian gần đây [1]. Để thực hiện những nhiệm vụ khoa học có
quy mơ lớn như sơng Tamar (dài 70km, nơi sâu nhất khoảng 60m) hay biển ở Nam
Cực, kích thước của nupiri muka rất lớn, vào khoảng 6.6m chiều dài và 1.5 tấn cân

3


nặng, cho phép thiết bị lặn ở độ sâu tối đa 5000m với thời lượng khoảng 1 ngày (tương
đương 140km).

Hình 1.1 AUV nupiri muka (Úc) trong chiến dịch khảo sát sơng Tamar, Lancestor
Gần đây, có nhiều vụ tai nạn nghiêm trọng xảy ra, đặc biệt là trong khu vực đường
thủy hoặc liên quan đến các vùng nước nội địa và vùng biển quốc tế. Trong đó, hầu
hết những vụ tai nạn thường bắt nguồn từ các sự cố trên những phương tiện như tàu
thuyền hoặc máy bay. Vụ việc mất tích của chuyến bay MH370 như một bí ẩn gây
chấn động trên tồn thế giới năm 2014 vẫn cịn dư âm trong suốt những năm vừa qua.
Nhiều đơn vị, tổ chức trên thế giới đã ra sức tìm kiếm dấu vết của chiếc máy bay
Boeing này. Điều đặc biệt đó chính là sự tham gia q trình thăm dị, tìm kiếm hộp
đen của máy bay của những chiếc AUV. Tháng 6 năm 2018, cơng ty Ocean Ifinity đã
gửi tặng gói dữ liệu thu thập được của một đoàn tàu AUV gồm 8 chiếc trong suốt thời
gian thăm dò cho tổ chức The Nippon Foundation, hỗ trợ đắc lực cho công tác tìm
kiếm cứu hộ [2].

4


Hình 1.2 AUV HUGIN

Hình 1.3 Bluefin 21

Trước đó, năm 2014, AUV Bluefin 21 của Bluefin Robotic, nay được tiếp quản bởi
General Dynamic đã có chuyến hành trình 6 giờ tìm kiếm xung quanh được cho là

5


nơi phát ra tín hiệu hộp đen máy mặc dù không thu được kết quả như mong đợi do
vùng nước quá sâu vượt khỏi giởi hạn độ sâu an toàn của thiết bị.
Hệ thống REMUS của WHOI được phát triển vào cuối những năm 90 để hỗ trợ cho
việc nghiên cứu khoa học ở đài thiên văn LEO-15 thuộc Tuckerton. REMUS đã hoàn
thành nhiệm vụ khoa học đầu tiên của mình vào năm 1997 [3]. Đến hiện nay đã có
trên 50 hệ thống REMUS với 20 cấu hình khác nhau, dựa trên 3 loại cơ bản phân theo
độ sâu hoạt động như hình 1.5. Rất nhiều nhiệm vụ đã được lên phương án và tiến
hành cùng với REMUS, trong đó, nhiệm vụ dài nhất là 17 giờ, đã đi được 60km với
vận tốc 1,75m/s và độ sâu tối đa 20m.

Hình 1.4 Các phiên bản REMUS AUV duợc thiết kế, chế tạo bởi viện WHOI, USA
1.4.2. Tình hình trong nước
Do quá trình hội nhập và phát triển, cơng nghệ robot đang ngày càng phổ biến và
phong trào nghiên cứu trong nước đang được áp dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh

6


vực của đời sống như giáo dục, giải trí, cơng nghiệp và an ninh quốc phịng. Trong
đó hướng nghiên cứu, chế tạo robot lặn dưới nước ứng dụng trong quân sự cũng bắt
đầu được nhà nước đặc biệt quan tâm. Tiêu biểu là đề tài Độc lập theo Nghị định thư
hợp tác quốc tế "Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị robot ngầm phục vụ thăm dò,
khảo sát các cơng trình trên biển" do Học viện Hải qn chủ trì [4].

Hình 1.5 Robot ngầm HVHQ02.
Tuy nhiên đây là dạng ROV vẫn do người điều khiển từ trên tàu mẹ, có thể thực hiện
một số chức năng đơn giản như chuyển động tiến, lùi, sang trái, phải. Tầm hoạt động
tối đa là 200m với khả năng truyền hình ảnh từ camera về cho người điều khiển trên
tàu. Do vẫn còn là con người hoạt động điều khiển là chính nên robot này còn nhiều
hạn chế như thiếu khả năng tự động vận hành, thời gian vận hành phục thuộc nhiều
vào điều kiện môi trường và sức khỏe của người vận hành trên tàu mẹ, tầm hoạt động
hạn chế,… Chưa tập trung nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm các giải thuật điều
khiển cho robot giữ hướng phương vị, giữ độ sâu, di chuyển bám quỹ đạo.
Tương tự một đề tài khác là “Nghiên cứu chế tạo rơbốt tìm kiếm mục tiêu dưới nước
hỗ trợ công tác cứu nạn, cứu hộ” do Trung tá ThS. Nguyễn Đức Ánh thực hiện nhằm
phục vụ cơng tác tìm kiếm mục tiêu dưới nước để cứu hộ, cứu nạn, trục với. Hạn chế
của đề tài này là đâu cũng là ROV được điều khiển bằng joystick để di chuyển qua
quan sát bằng camera gắn trên thiết bị. Chỉ mới áp dụng được trên hồ bơi, nơi có vùng
nước nơng và tầm nhìn dưới nước rõ [5].

7


Qua q trình tìm kiếm, tham khảo tơi thấy tình hình nghiên cứu trong nước phần lớn
tập trung vào nghiên cứu robot lặn điều khiển có dây ROV là chính. Các kết quả, ứng
dụng của ROV đã nghiên cứu còn nhiều hạn chế và tương đối thô sơ so với thế giới
và chỉ dừng lại ở mức điều khiển trực tiếp ở con người là chính chứ chưa có khả năng
động hay tự hành. Về các cơng trình nghiên cứu AUV thì chỉ mới dừng lại ở những
nghiên cứu cơ bản, chưa có kết quả, sản phẩm nào thực sự mang tính thực tế được
cơng bố. Vì vậy các cơng trình nghiên cứu về phương pháp điều khiển AUV trong
nước ta là rất khan hiếm, gây khó khăn cản trở nếu một tổ chức hay một nhóm nghiên
cứu triển khai tiến hành chế tạo một AUV thật sự.
Hiện nay việc nghiên cứu hoạt động của phương tiện ngầm bắt đầu được quan tâm ở
một số trường đại học tại Việt Nam như trường đại học Bách Khoa TP.HCM, trường

đại học giao thông vận tải...Một đề tài nghiên cứu tại trường Đại Học Bách Khoa TP
Hồ Chí Minh: Để tài luận văn tốt nghiệp Đại học năm 2017 “Điều khiển Từ Xa Mơ
Hình Tàu Ngầm” của Trương Tất Nhật Minh và Phan Thành Đạt. Tàu ngầm có kích
thước nhỏ gon dài 115 cm và đường kính thân tàu 12 cm. Có khả năng lặn sâu tối đa
1.5m trong vòng 30 phút, có cả chế độ lặn tĩnh và động. Có thể bơi tự do đa hướng
nhờ vào sự kết hợp của vây ngang và vâu dọc. Có chức năng điều khiển từ xa thông
qua giao diện người dùng ở trạm điều khiển mặt đất. Có chế đơ tự động duy trì độ
sâu trong nước, tích hợp giải thuật điều khiển PID.

8


Hình 1.6 Tàu ngầm điều khiển từ xa
1.5.

Mục tiêu đề tài

Đề tài hướng tới xây dựng mơ hình tốn mơ tả được đặc trưng của AUV, xây dựng
giải thuật điều khiển có khả năng thực hiện trên mơ hình tốn, xây dựng giải thuật di
truyền (GA) tối ưu các thông số bộ điều khiển, xây dựng giải thuật dẫn hướng giúp
AUV bám mục tiêu và thử tích hợp giải thuật dẫn hướng bám mục tiêu để điều khiển
đội hình (leader-follower)

9


Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1.

Các biến chuyển động

Đối với phương tiện hàng hải nói chung và AUV nói riêng sẽ được phân tích chuyển
động trong 6 bậc tự do (6DOF), do đó, 6 biến tọa độ độc lập là cần thiết để xác định
vị trí và hướng. Trong đó với ba tọa độ đầu tiên và các đạo hàm theo thời gian của
chúng, tương ứng với vị trí và chuyển động tịnh tiến dọc theo trục x, y và z, trong khi
ba tọa độ còn lại và các đạo hàm theo thời gian của chúng được sử dụng để mô tả
hướng và chuyển động xoay của tàu. Và sáu thành phần chuyển động khác nhau đó
được định nghĩa là surge, sway, heave, roll, pitch, yaw [6] như Bảng 2.1 và Hình 2.1

Hình 2.1 Các vận tốc của 6 bậc tự do trong một hệ quy chiếu gắn với AUV
2.2.

Các hệ quy chiếu

Khi phân tích chuyển động của phương tiện hàng hải trong 6 bậc tự do, các mối quan
hệ về động học có thể được mơ tả bằng cách sử dụng các hệ quy chiếu khác nhau. Ở
phần này, theo [7] ta có tổng cộng có 4 hệ quy chiếu thường được sử dụng để mô tả
chuyển động của phương tiện trên phạm vi toàn cầu. Ta sẽ đề cập đến 2 hệ quy chiếu
lấy trái đất làm trung tâm (địa tâm) bao gồm ECI và ECEF, hệ quy chiếu thứ ba là hệ
quy chiếu địa lý gọi là NED, trong khi hệ quy chiếu thứ tư được cố định với phương
tiện gọi là BODY.

10