Xây dựng các thuật toán xác định vị trí, tư thế và điều khiển chuyển động phương tiện ngầm

PHẠM VĂN PHÚC XÂY DỰNG CÁC THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ, TƯ THẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG PHƯƠNG TIỆN NGẦM Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

PHẠM VĂN PHÚC

XÂY DỰNG CÁC THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ, TƯ THẾ

VÀ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG PHƯƠNG TIỆN NGẦM

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số:

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2019

PHẠM VĂN PHÚC

XÂY DỰNG CÁC THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ, TƯ THẾ

VÀ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG PHƯƠNG TIỆN NGẦM

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

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 bốtrong bất kì công trình khoa học nào khác, các dữ liệu tham khảo đƣợc tríchdẫn đầy đủ

Tác giả luận án

Phạm Văn Phúc

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi bày tỏ sự kính trọng và xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới tập thểgiáo viên hướng dẫn, PGS.TS Trần Đức Thuận và TS Nguyễn Quang Vịnh đãluôn 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 Côngnghệ quân sự, Viện Tên lửa, Viện Tự động hóa KTQS cùng các cán bộ côngtác tại viện đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu khoa học và cónhững 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 vàđặc biệt là người vợ thân yêu cùng các con của tôi đã dành cho tôi tình yêu vàniềm tin để tôi có động lực và quyết tâm thực hiện thành công luận án

TÁC GIẢ

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG TIỆN NGẦM VÀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU VỀ ĐỘNG HỌC, ĐỊNH VỊ, ĐIỀU KHIỂN PHƯƠNG TIỆN NGẦM

1.1Tổng quan về phương tiện ngầm

1.2Động học và động lực học cho phương tiện ngầm

1.2.1 Các hệ quy chiếu

1.2.2 Mô hình động học của AUV

1.2.3 Động lực học của AUV

1.3Vấn đề xác định vị trí, tư thế cho các phương tiện chuyển động

1.4Các nghiên cứu về điều khiển cho phương tiện ngầm

1.5Kết luận chương 1

Chương 2: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ VÀ TƯ THẾ CHO PHƯƠNG TIỆN NGẦM

2.1Các phương pháp dẫn đường bằng sóng âm

2.1.1 Phương pháp đường cơ sở dài

2.1.2 Phương pháp đường cơ sở ngắn SBL

2.1.3 Phương pháp đường cơ sở cực ngắn USBL

2.2Xây dựng thuật toán xác định vị trí cho phương tiện ngầm

2.3Xây dựng thuật toán xác định tư thế cho AUV

2.4Kết luận chương 2

Chương 3: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG PHƯƠNG TIỆN NGẦM

3.1Lý thuyết điều khiển backstepping

3.2Xây dựng bộ điều khiển Backstepping cho chuyển động của AUV

3.3 Xây dựng bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển ứng dụng đại số gia tử cho

chuyển động của phương 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 chương 3 90

Chương 4: MÔ PHỎNG CÁC THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ, TƯ THẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN PHƯƠNG TIỆN NGẦM 91

4.1 Mô phỏng xác định tham số vị trí và tư thế cho phương 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 hướng, 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 hướng 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 hướng, góc chúc ngóc và góc lắc 103

4.5 So sánh kết quả mô phỏng điều khiển chuyển động của AUV giữa phương pháp mờ và ứng dụng Đại số gia tử 106

4.6 Kết luận chương 4 107

KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ 108

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ 111

TÀI LIỆU THAM KHẢO 112

PHỤ LỤC 120

Tổng diện tích bề mặt theo hướng vận tốc AUV, [m 2].

Ma trận hướng tâm Coriolis khối nước kèm

Ma trận hướng tâm Coriolis của AUV

Tâm nổi của AUV

Ma trận lực và mô men thủy động

Tâm khối của AUV trong hệ tọa độ gắn liền

Véc tơ lực nổi và trọng trường

Hệ số mô men khối nước kèm, [kg.m 2 /rad 2]

Hệ số mô men bánh lái đối với hệ tọa độ gắn liền [kg/rad].

Hệ số mô men bánh lái, [kg/rad].

Hệ số mô men khối nước kèm, [kg.m 2 /rad 2].

Hệ số mô men khối nước kèm chéo trục và lực nâng

[kg.m/rad] Hệ số mô men thân và bánh lái, [kg].

Hệ số mô men khối nước kèm chéo trục, [kg.m/rad].

Hệ số mô men bánh lái, [kg/rad].

Hệ số mô men bánh lái, [kg/rad].

Hệ số mô men khối nước kèm chéo trục, [kg.m/rad].

Hệ số mô men bánh lái, [kg/rad].

Hệ tọa độ liên kết

Hệ tọa độ địa lý

Diện tích bề mặt của bánh lái, [m 2]

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 hưởng của bánh lái

Góc bẻ lái của bánh lái hướng

Góc bẻ lái của bánh lái sâu

Các thành phần vận tốc dòng chảy đối với hệ tọa độ liên kết

[m/s].

Hệ số lực khối nước kèm, [kg].

Hệ số lực khối nước kèm chéo trục, [kg/rad].

Hệ số lực cản theo trục X b của hệ tọa độ liên kết, [kg/m].

Hệ số lực khối nước kèm chéo trục, [kg/rad].

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].

Hệ số lực bánh lái, [kg/rad].

Hệ số lực của bánh lái, [kg/m.rad].

Lực đẩy động cơ, [N].

Hệ số lực cản theo trục X b của hệ tọa độ liên kết, [kg/m].

Phương tiện ngầm tự hành (Autonomous Underwater Vehicle).Phương pháp đường cơ sở dài

Phương pháp đường cơ sở ngắn

Phương pháp đường cơ sở cực ngắn

Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System)

Bộ điều khiển mờ (Proportional-Integral-Derivative

Controller) Bộ điều khiển PD (Proportional-Derivative

Controller) Phương tiện ngầm (Underwater Vehicle)

Phương tiện ngầm điều khiển từ xa (Underwater Remotely Operated Vehicles)

Hệ thống dẫn đường quán tính (Inertial navigation system)

HAC SISO MIMO

Bảng 1.1 Các ký hiệu sử dụng cho phương 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

Hình 1.1 Phương tiện ngầm dạng tự hành

Hình 4.2 Xác định phần tử

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài luận án

Việt Nam là nước có chiều dài biên giới đường biển rất lớn, khu vực biểnĐông đóng vai trò là vị trí chiến lược đặc biệt quan trọng trong tác chiến vàphòng thủ biển cũng như kết nối với các tuyến đường hàng hải quốc tế Hiệnnay xu hướng mở rộng việc thăm dò, khai thác tài nguyên biển được rấtnhiều nước quan tâm, dẫn đến nhiều cuộc tranh chấp trên biển giữa các nướcngày càng diễn ra phức tạp, đe dọa đến vấn đề chủ quyền, an ninh, an toànhàng hải trong khu vực và trên thế giới Chính vì vậy cần phải phát triển tổhợp các loại vũ khí có khả năng chống lại hữu hiệu các cuộc tấn công trênbiển trong vùng lãnh hải của nước ta cũng như trang bị các phương tiệnngầm để làm nhiệm vụ trinh sát, cảnh giới, thăm dò, khai thác nguồn tàinguyên biển hiệu quả là một đòi hỏi cấp thiết trong giai đọan hiện nay

Phương tiện ngầm (PTN) có trong biên chế của Hải quân chủ yếu là tàungầm và các loại vũ khí chống ngầm như ngư lôi, tên lửa chống ngầm, ngoài

ra PTN được sử dụng cho việc tìm kiếm cứu nạn, khảo sát đại dương nhưmột số robot ngầm loại nhỏ Các PTN hoạt động đa dạng, như tàu ngầm hoạtđộng trong phạm vi rộng lớn có thể lên đến hàng nghìn kilomet, ngư lôi vàtên lửa chống ngầm hoạt động trong phạm vi hàng chục kilomet; các thiết bịthăm dò đáy biển hoặc quản lý xây dựng các công trình biển, tìm kiếm cứunạn thường hoạt động trong phạm vi hẹp

Các thành phần trung tâm trong cấu trúc điều khiển của PTN là hệ thốngdẫn đường và hệ thống điều khiển Hệ thống dẫn đường thực hiện chức năngđịnh vị và dẫn đường để xác định vị trí và tư thế của PTN, tạo ra quỹ đạomong muốn để PTN chuyển động theo Hệ thống điều khiển có trách nhiệmcung cấp tín hiệu điều khiển tức thời cho phép PTN di chuyển theo quỹ đạomong muốn Điều này đạt được bằng cách nhận trạng thái mong muốn từ hệthống dẫn đường và trạng thái hiện tại từ hệ thống định vị Hệ thống điều kiển

sau đó tính toán và đưa ra các lực và mô men điều khiển thông qua việc sửdụng các cơ cấu truyền động khác nhau trên PTN.

Đối với phương tiện ngầm tự hành (AUV) do hoạt động trong môi trườngnước, sóng điện từ bị hấp thụ và luôn phải chịu sự ảnh hưởng 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 tạođối với hệ thống dẫn đường và điều khiển AUV

Thực tế chúng ta đã và đang nghiên cứu phát triển các hệ thống dẫnđường và điều khiển AUV dùng cho nhiều mục đích khác nhau cả quân sự vàdân sự như trong [3], [16], [17] Các nghiên cứu này đã giải quyết được một

số vấn đề về động học, điều khiển chuyển động của ROV và AUV dựa trên lýthuyết điều khiển truyền thống Kết quả nghiên cứu trong [17] đã đề xuất đưathêm thiết bị dẫn đường quán tính và xây dựng bộ điều khiển nơ ron mờ thíchnghi để dẫn đường và điều khiển vũ khí chống ngầm Tuy nhiên để có thể ápdụng cho các bài toán về định vị và điều khiển đối với AUV cần có sự pháttriển các bộ điều khiển và các thuật toán phù hợp hơn

Trên thế giới có rất nhiều nước quan tâm nghiên cứu phát triển các loạiAUV đi kèm với các thiết bị về dẫn đường và điều khiển Tuy nhiên các nhànghiên cứu và tích hợp hệ thống trong nước khó có thể tiếp cận được nguồntài liệu này, nếu có thì cũng ở dạng sơ sài, các thuật toán không tường minh

Từ những phân tích trên cho thấy tính phức tạp và tính cấp thiết của bài toándẫn đường và điều khiển AUV, đặc biệt trong lĩnh vực quân sự Trước yêu cầuxây dựng lực lượng Hải quân nhân dân hiện đại đòi hỏi phải làm chủ được vũkhí trang bị và hướng tới sửa chữa, cải tiến, nâng cấp, sản xuất mới các loại vũkhí và phương tiện ngầm Việc xây dựng các thuật toán xác định vị trí, tư thế vàđiều khiển chuyển động phương tiện ngầm là một trong những đòi hỏi nhằm giảiquyết những vấn đề có ý nghĩa thiết thực trong khai thác và

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 thường, quá trình dẫn đường bao gồm hai giai đoạn: định vị (xácđịnh vị trí và tư thế) và dẫn đường Trong đó giai đoạn định vị có nhiệm vụxác định các đặc điểm chuyển động của vật thể như vị trí, góc hướng và tưthế Giai đoạn dẫn đường thực hiện xử lý các thông tin thu được từ giai đoạnđịnh vị, từ đó điều khiển PTN chuyển động theo quỹ đạo mong muốn Nhưvậy, định vị chính xác là cơ sở để xây dựng hệ thống dẫn đường chính xác.Tuy nhiên trong khuôn khổ của luận án, các nghiên cứu tập trung vào giaiđoạn định vị nhằm xây dựng thuật toán có khả năng xác định chính xác vị trí

và tư thế, vì vậy ý nghĩa của thuật ngữ „„dẫn đường“ dừng ở mức xác địnhchính xác vị trí và tư thế của phương tiện ngầm

2 Mục tiêu nghiên cứu luận án

Tổng hợp thuật toán xác định vị trí, tư thế và thuật toán điều khiển quỹ đạochuyển động cho một chủng loại phương tiện ngầm

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu của luận án: Hệ thống điều khiển của phương tiệnngầm dạng tự hành có vây (AUV), sử dụng động cơ đẩy Điều khiển hướngchuyển động của AUV được thực hiện bởi hai bánh lái hướng trong mặtphẳng đứng; điều khiển chuyển động độ sâu được thực hiện bởi hai bánh láisâu nằm trong mặt phẳng ngang, với các thông số kỹ thuật cơ bản như sau:trọng lượng toàn bộ của AUV là 20 kg; chiều dài 1600mm; chiều rộng300mm; tốc độ di chuyển 0.2m/s; độ sâu lặn 100m; thời gian hoạt động mộtlần liên tục trong 10 giờ; có nhiệm vụ thăm dò và khai khoáng tài nguyênbiển, theo dõi và bảo vệ môi trường, trinh sát và giám sát vùng kinh tế biểnđảo, bảo vệ hải cảng và giàn khoan

Hình 1.1 Phương tiện ngầm dạng tự hành

4. Phương pháp nghiên cứu:

Nghiên cứu từ tổng quan đến chi tiết, kế thừa các kết quả nghiên cứu đãđược công bố Kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu lý thuyết với mô phỏng đểkiểm nghiệm Áp dụng các công cụ và phương pháp toán điều khiển hiện đại

để xây dựng thuật toán dẫn đường 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 được trình bày có cấu trúc bao gồm phần mở đầu,

4 chương, phần kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục Nội dung như sau:

Mở đầu:

Trong phần mở đầu, các phân tích về vai trò vị trí của phương tiện ngầmtrong thực hiện các nhiệm vụ để minh chứng cho tính cấp thiết, ý nghĩa khoahọc 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

Đây là chương tổng quan về phương tiện ngầm Các nghiên cứu về lịch

sử phát triển, mô tả động học, các phương pháp xác định vị trí, tư thế cho cácphương tiện chuyển động Các hệ tọa độ tham chiếu, các lực, mô men tácđộng lên PTN Trên cơ sở đánh giá tình hình nghiên cứu trong nước và ngoàinước về các phương pháp điều khiển, đưa ra nhận xét về ưu nhược điểm và

đề xuất nhiệm vụ bài toán điều khiển cho một dạng phương tiện ngầm tựhành đạt hiệu quả cao nhất

Nội dung chương 1 đã được công bố trong công trình [05]

Chương 2: Xây dựng thuật toán xác định vị trí và tư thế cho phương tiện ngầm

Chương hai được trình bày với hai nội dung chính Nội dung 1: Cácphương pháp dẫn đường bằng sóng âm cho phương tiện ngầm Nội dung 2:Xây dựng các thuật toán xác định vị trí và tư thế cho phương tiện ngầm bằngphương pháp dẫn đường sóng âm

Nội dung chương 2 đã được công bố trong công trình [01], [04]

Chương 3: Xây dựng các thuật toán điều khiển chuyển động phương tiện ngầm

Trong chương 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 củaphương tiện ngầm trong điều kiện có sai số mô hình và ảnh hưởng của dòngchảy đại dương Nội dung chương 3 được 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, đánhgiá các thuật toán xác định tham số dẫn đường đã xây dựng ở chương 2 Môphỏng các chỉ số ma trận cosin chỉ phương trong xác định vị trí và tư thế củaphương tiện ngầm; mô phỏng các thuật toán điều khiển Backstepping, điều

khiển mờ và điều khiển sử dụng đại số gia tử cho một chủng loại PTN có mô

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG TIỆN NGẦM VÀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU VỀ ĐỘNG HỌC, ĐỊNH VỊ,

ĐIỀU KHIỂN PHƯƠNG TIỆN NGẦM

Trong chương này sẽ nêu khái quát về các loại phương tiện ngầm Cácnghiên cứu về động học, các hệ tọa độ tham chiếu, phép biến đổi tọa độ, cáclực, mô men tác động lên phương tiện ngầm, việc xác định vị trí, tư thế vàcác phương pháp điều khiển phương tiện ngầm Xác định các vấn đề cần giảiquyết cho luận án

1.1 Tổng quan về phương tiện ngầm

Phương tiện ngầm (PTN) bắt đầu xuất hiện vào đầu thế kỷ XIX tại Đạihọc Washington và đã có những bước phát triển vượt bậc trong những thậpniên qua Hiện nay PTN đang được sử dụng một cách rộng rãi trong nhiềunhiệm vụ dân sự, quân sự khác nhau như giám sát mục tiêu, thăm dò và khaithác tài nguyên biển, khảo sát hải dương học, cảnh báo thiên tai, tìm kiếm cứunạn, xử lý bom mìn, làm sạch môi trường nước bị ô nhiễm [3]

Từ những năm 1970, PTN đã được nghiên cứu phát triển mạnh mẽ để hỗtrợ hoặc thay thế con người làm việc ở những vùng nước sâu (dưới đáy sông,

hồ, đại dương), những vùng nước ô nhiễm hoặc khi làm việc trong thời giandài dưới nước

Hiện nay, PTN giúp đạt đến độ sâu mà con người không thể lặn tới được.PTN được sử dụng nhiều trong nghiên cứu khoa học, quân sự, dầu khí, hànghải, giao thông Trong ngành dầu khí, PTN được sử dụng để làm những côngviệc như kiểm tra các giàn khoan và đường ống dẫn khí, dẫn dầu Trongngành viễn thông, PTN được sử dụng để khảo sát đáy biển trước khi đặt cáptrong lòng biển, chôn cáp và kiểm tra hiện trạng cáp truyền Trong quân sự,PTN được sử dụng để gài hoặc tìm kiếm và tháo gỡ thủy lôi, mìn hoặc phốihợp cùng con người trong việc tác chiến dưới nước PTN còn là các thiết bịquan trọng khi cứu hộ các tàu thuyền bị đắm dưới đáy biển

Trong giao thông vận tải PTN được dùng trong công tác khảo sát trướckhi thi công các công trình giao thông dưới nước Trong thám hiểm và nghiêncứu biển, PTN được sử dụng để khảo sát địa hình dưới đáy biển, độ rò rỉ củacác nguồn khí, theo dõi việc sinh sản của các loài cá, Trong ngành nănglượng nguyên tử các PTN cỡ nhỏ được dùng để kiểm tra các thiết bị trongnhà máy điện nguyên tử.

PTN là một thiết bị có giá thành thấp hiệu quả cao cho các nghiên cứungầm hoặc thăm dò đại dương Sự phát triển nhanh chóng của ngành khaithác dầu khí trong lòng đại dương đã làm bùng nổ lĩnh vực nghiên cứu cácloại PTN

Căn cứ vào khả năng tham gia điều khiển của con người, PTN được chiathành hai loại, PTN có người lái và PTN không có người lái, trong đó PTNkhông có người lái được chia thành PTN điều khiển từ xa (ROV) và PTN tựhành (AUV) [14]

ROV được kết nối với trung tâm điều khiển bằng cáp hoặc một liên kết

âm thanh dưới dạng sóng thủy âm Cáp liên kết đảm bảo cho việc cung cấpthông tin và tín hiệu điều khiển, theo cách này có thể liên tục bám và điềukhiển phương tiện ngầm theo những chương trình dự báo trước Thôngthường ROV phải làm việc trong những điều kiện phức tạp hoặc trong nhữngvùng nước sâu vì vậy sợi cáp liên kết và truyền tín hiệu được sử dụng cùngvới một hệ thống điều khiển cáp

Phần lớn các ROV được thiết kế dạng rô bốt chuyển động trong nước, trong

đó thân ROV được trang bị các hệ thống đẩy có hướng trục đẩy theo các mặtphẳng khác nhau nên ROV có khả năng cơ động tốt Ngoài ra ROV được trang

bị thêm một số thiết bị để mở rộng khả năng làm việc của ROV như: máy ảnh,tay máy có khớp nối được sử dụng để lấy các vật nhỏ, cắt đường dây, gắn móc

để nâng các vật lớn và các thiết bị đo lường dưới nước

Hiện nay các ROV đã được nghiên cứu phát triển và thương mại hóarộng rãi trên thế giới và có thể thực hiện được rất nhiều nhiệm vụ dưới nước.Tuy nhiên do ROV được liên kết với trung tâm điều khiển bằng cáp nênthường bán kính làm việc của ROV không xa ( hình 1.2).

Hình 1.2 Phương tiện ngầm điều khiển từ xaTrong nước đã có một số nghiên cứu như về ROV như nghiên cứu thiết

kế chế tạo, thử nghiệm thiết bị điều khiển cho rô bốt ngầm mini hoạt độngtrong vùng nước nông của Học viện Hải quân hay thiết kế, chế tạo rô bốtngầm mini ROV có 6 bậc tự do của nhóm nghiên cứu Đại học Bách khoa HàNội, luận án “Xây dựng thuật toán dẫn đường và điều khiển cho phương tiệnngầm”của tác giả Trương Duy Trung Ngoài ra còn có một số đề tài luận văntốt 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 cácnghiên cứu trong nước còn có nhiều hạn chế, chưa được đưa vào sản xuấtứng dụng thực tiễn hay thương mại hóa

Phương tiện ngầm tự hành (AUV) là một dạng robot hoạt động sâu tronglòng đại dương, trong đó việc cấp nguồn và điều khiển quá trình hoạt độngkhông cần sự can thiệp từ bên ngoài Thông thường AUV được lập trình sẵn cácchương trình hoạt động, được định vị và dẫn đường bằng tín hiệu GPS kết hợpvới thiết bị dẫn đường quán tính, hay dẫn đường âm thanh AUV có thể hoạtđộng độc lập trong khoảng thời gian dài, có khi lên đến hàng chục giờ Phần lớncác AUV được thiết kế dạng trụ tròn xoay để giảm lực cản của nước trong quá

trình chuyển động Một số AUV có hình dạng mang tính đặc thù, điều đó chophép chúng di chuyển được trên những nơi có địa hình phức tạp.

Các phương tiện ngầm tự hành đầu tiên được nghiên cứu và ứng dụng tạiĐại học Washington vào đầu năm 1957 với mục đích để nghiên cứu sự lantruyền của ánh sáng và âm thanh trong nước ngầm Năm 1966, sau nhiều lầnthử nghiệm, Robert Whitehead đã thiết kế chế tạo thành công AUV dạng ngưlôi và được đặt tên là “ Fish”, đây có thể xem là AUV đầu tiên, bắt đầu choquá trình nghiên cứu và phát triển AUV sau này

Phương tiện ngầm đề cập trong luận án này là một loại AUV chuyển độngtrong nước bằng hệ thống đẩy, chuyển động trong không gian ba chiều, dùng

để khảo sát, thăm dò đại dương hoặc trinh sát, cảnh giới trên vùng biển đượcxác định trước

1.2 Động học và động lực học cho phương tiện ngầm

Trong môi trường nước PTN luôn phải chịu sự tác động của nhiều lực phituyến làm cho việc điều khiển của PTN trở nên phức tạp hơn Vì vậy phântích động học và động lực học của PTN là cơ sở để xây dựng các tham số điềukhiển chính xác cho PTN

1.2.1 Các hệ quy chiếu

Hệ quy chiếu là một hệ vật được quy ước làm mốc, để xác định vị trí, đặcđiểm chuyển động (vận tốc, gia tốc, hướng chuyển động) của vật thể trongkhông gian, theo thời gian Để xác định vị trí và chuyển động của vật thểtrong hệ quy chiếu, cần gắn vào hệ quy chiếu đóm ột hệ trục tọa độ cố định.Hai hệ tọa độ thường được 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, gốcquy chiếu được lựa chọn tại một điểm cố định trong khu vực xuất phát củaphương tiện ngầm Gắn vào hệ quy chiếu này một hệ trục tọa độ đề các với

gốc tọa độ trùng với gốc quy chiếu, trục x của hệ hướng về phía cực Bắc địa

lý (theo chiều tăng vĩ độ), trục y của hệ hướng về phía Đông (theo chiều tăngkinh độ), trục x và trục y tạo thành một mặt phẳng tiếp tuyến với bề mặt Tráiđất, trục z có hướng đi xuống vuông góc với bề mặt Trái đ ất và thu được hệNED (hình 1.3) Trong luận án, hệ tọa độ này được chọn làm hệ tọa độ dẫnđường

Hình 1.3 Các hệ quy chiếu của phương 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, gốcquy chiếu được lựa chọn trùng với gốc tâm trọng lực của phương tiện ngầm

Gắn vào hệ b-frame hệ tọa độ vật thể có gốc tọa độ trùng với gốc quy chiếu,

trục dọc hướng theo chiều dọc của phương tiện ngầm, trục nằm

trong mặt phẳng đối xứng của phương tiện ngầm và hướng xuống dưới và trục 0 Y hướng ngang sang mạn phải tạo thành tam diện thuận Khi đó b b

chuyển động phương tiện ngầm mô tả trong hệ tọa độ gắn liền 6 bậc tự do

0 b Z b

0 b X b

1.2.1.3 Chuyển hệ tọa độ theo phương pháp góc Ơle.

Nguyên lý của phương pháp này d ựa trên nguyên tắc khi xoay một tronghai hệ trục tọa độ có gốc trùng nhau quanh các trục của nó một góc thích hợp,thì sẽ được một hệ trục tọa độ mới, có các trục trùng với hệ tọa độ còn lại.Khi đó việc xác định quan hệ giữa hai hệ tọa độ thực chất là xác định ma trậnchuyển tọa độ và chuyển đổi véc tơ từ hệ tọa độ này sang hệ tọa độ khác

Quay hệ tọa độ địa lý một góc ψ quanh trục Z được hệ tọa độ mới

Hình 1.4 Quay theo góc quay trở ψ quanh trục Z

Quay hệ tọa độ OX'Y'Z' một góc θ quanh trục Y ' được hệ tọa độ mới là

OX''Y''Z'' (hình 1.5) Phương trình thể hiện mối quan hệ giữa hai hệ tọa độ viếtdưới dạng ma trận:

 x '' 

 y '' 

 z'' 

0XYZ

độ OX'''Y'''Z''' trùng với hệ tọa độ liên kết

thể hiện mối quan hệ giữa hai hệ tọa độ viết dưới dạng ma trận:

Hình 1.6 Quay theo góc lắc φ quanh trục X ''

Thực hiện ba phép quay liên tiếp bên trên ta có các ma trận quay:

Các góc đƣợc gọi là các góc Ole Ma trận C b n là ma trận trực giao

nên có thể chuyển một véc tơ từ hệ tọa độ địa lý sang hệ tọa độ liên kết bởi

ma trận chuyển:

C bn = (C n )Tb = (C n ) − 1 = R Tφ R Tθ R Tψ bX,Y,Z,

1.2.2 Mô hình động học của AUV

Chuyển động của AUV là chuyển động 6 bậc tự do bao gồm 3 dịch

chuyển dọc theo 3 trục trực giao X, Y, Z và 3 chuyển động quay quanh mỗi

trục ấy (hình 1.3) Theo tiêu chuẩn ký hiệu SNAME năm 1950, các ký hiệu

trong bảng 1.1 sẽ đƣợc sử dụng để mô tả các bậc tự do, lực và mô men, vận

φ , θ , ψ

Ba bậc tự do đầu tiên mô tả chuyển động tịnh tiến của AUV, ba bậc tự do

còn lại mô tả chuyển động quay quanh các trục tọa độ với chiều dương của

các trục x, y ,z chuyển động tịnh tiến về phía trước, sang mạn phải và đi từ

trên xuống dưới

Véc tơ tốc độ bao gồm các tốc độ góc và tốc độ thẳng, véc tơ tốc độ có thể

được chuyển đổi từ trục tọa độ liên kết vật thể vào trục tọa độ địa lý bởi các

công thức dưới đây [32]:

Mối quan hệ giữa các thành phần véc tơ trong hệ tọa độ liên kết và hệ tọa độ địa

lý đối với AUV là [6]:

trong đó, J (η)=

Thông thường khi thiết kế AUV bị giới hạn bởi các góc quay sau:

−π <φ ≤π ; −

1.2.3 Động lực học của AUV

Mô hình động lực học được xác định để xây dựng thuật toán điều khiển

và thực hiện mô phỏng cho AUV

Phương trình động lực học phi tuyến của AUV trong hệ tọa độ 6 bậc tự dođược mô tả như sau [20],[32]:

trong đó:

M = M RB+ M Alà ma trận quán tính 6 × 6bao gồm vật rắn chuyển động

M RBvà khối lượng bổsung M A;

vậtrắn chuyển động và khối lượng bổ sung;

g( η)

D l ( υ)

D q ( υ)

là vector 6 × 1 của lực trọng trường, các lực và mô men nổi.

τ là vector lực và mô men điều khiển;

Phương trình tổng các lực tác động lên AUV trong hệ tọa độ liên kết có

chiếu lên hệ tọa độ liên kết

G b là véc tơ tọa độtâm khối của AUV trong hệtọa độliên kết

Khi xem AUV là vật rắn, phương trình tổng lực của các điểm được viết lại

Khi trọng tâm của AUV không trùng với gốc của hệ tọa độ liên kết, phương

trình momen theo các trục tọa độ có thể được biểu diễn dưới dạng [32]:

∑ K = I xx p + ( I zz

M I yy q ( I xx I zz

m[

Các lực sinh bởi sự giảm chấn thủy lực, khối lượng quán tính, Coriolis vàhướng tâm, lực hấp dẫn và lực nổi được giải thích trong các phần dưới đây.

1.2.3.1 Ma trận khối lượng và ma trận quán tính

Ma trận khối lượng quán tính bao gồm khối lượng AUV chuyển động M

RB và khối lượng bổ sung M A

Giả thiết rằng AUV đối xứng trong tất cả các mặt phẳng và khi gốc tọa độ

của hệ tọa độ liên kết AUV nằm ở trọng tâm của AUV, tức là r G = [0 0 0]T khi

đó ma trận quán tính M RB và ma trận khối lượng bổ sung M A được xác địnhnhư sau [32]:

Khi đó các phương trình lực và mô men do khối lượng khối nước kèm

được diễn giải như sau:

1.2.3.2 Ma trận lực Coriolis và lực hướng tâm.

Ma trận lực Coriolis và lực hướng tâm bao gồm khối lượng thân AUV

Việc làm giảm lực thủy động của AUV thường do lực kéo và lực nâng.

Tuy nhiên, AUV chỉ hoạt động ở tốc độ thấp làm cho lực nâng không đáng kể

so với lực kéo Các lực kéo được tách ra thành đại lượng giảm chấn tuyến

tính và đại lượng giảm chấn phi tuyến:

D ( υ) = D l ( υ) + D q ( υ)

trong đó: D l (υ) biểu diễn đại lượng giảm chấn tuyến

tính; D q ( υ) biểu diễn đại lượng giảm chấn phi tuyến

Với giả thiết AUV đối xứng trên tất cả các mặt phẳng vì thế đại lượng

giảm chấn tuyến tính và phi tuyến của AUV được mô tả như sau: