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 không
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Trang 2CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN 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)
Trang 3ĐẠI 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 mô hình toán mô 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 follower)
(leader-➢ 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
Trang 4LỜI CẢM ƠN
Mở đầu tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến giảng viên hướng dẫn, thầy
PGS.TS Huỳnh Thái Hoàng người đã luôn quan sát, định hướng và giúp đỡ tôi trong
suốt quá 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 không chỉ trong quá trình nghiên cứu sau đại học mà còn cả quá trình học tập khi tôi còn 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 không ngừng khích lệ, giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành tốt đề cương luận văn này
Học viên thực hiện
NGUYỄN ĐỨC TÔ
Trang 5vụ nghiên cứu đang được triển khai rộng rãi trên thế giới và Việt Nam sẽ không nằm ngoài
xu hướng đó Do đó, nó đóng góp vào sự phát triển khoa học, công nghệ và đổi mới sáng tạo ở Việt Nam Mang trên mình nhiều ưu điểm vượt trội trong công 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 mô hình toán mô 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
Trang 7LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công 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
Trang 8MỤC 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 ngoài nước 3
1.4.1 Tình hình ngoài 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 Mô 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 dòng 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
Trang 93.1.1 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 thông số mô hình 54
5.2 Luật dẫn hướng Constant Bearing 56
5.2.1 Khảo sát sự ảnh hưởng của hệ số pđến hành vi tiếp cận 58
5.2.2 Khi không có ảnh hưởng dòng tác động 59
5.2.3 Khi có ảnh hưởng dòng nhưng không bù dòng 62
5.2.4 Khi có ảnh hưởng dòng và có bù dòng 64
5.2.5 So sánh khi có ảnh hưởng dòng và khi không ảnh hưởng dòng 68
5.3 Thử tích hợp vào điều khiển đội hình leader-follower 69
Trang 105.4 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
Trang 11DANH 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
Trang 12Hình 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 Mô hình matlab Simulink của mục tiêu 57
Hình 5.10 Mô hình matlab Simulink của AUV 57
Hình 5.11 Ảnh hưởng của plên vận tốc AUV 58
Hình 5.12 Ảnh hưởng của plên góc heading AUV 58
Hình 5.13 Ảnh hưởng của plên 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
Trang 13Hình 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
Trang 14DANH 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
Trang 15DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
SNAME The Society of Naval Architects and Marine Engineers AUV Autonomous Underwater Vehicle
CP Constant Bearing
MT Manual Tuning
Trang 16Chương 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 môi trường làm cho việc thăm dò khó khăn Do đó, sự trợ giúp của các trang thiết bị tiên tiến để các nhà khoa học tìm hiểu, khảo sát môi 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 công 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 dò, khảo sát, tiến hành các công việc dưới nước là tất yếu
Trong quân sự, việc rà quét và tháo gỡ thủy lôi, 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, ô nhiễm, nguy hiểm …, với các công cụ thô sơ, các thợ lặn làm việc dưới nước thì khả năng còn 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,
Trang 17hàng 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
Ngoài chức năng thăm dò, khảo sát dưới nước và hỗ trợ cứu hộ cứu nạn, AUV còn
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)
Trang 18− Ứng dụng trong công tác khảo sát thực địa khi xây dựng các công trình dưới nước như: đê, hải cảng, cầu…
− Ngành công 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 công tác nghiên cứu đại dương…
1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.4.1 Tình hình ngoài nước
Để nghiên cứu sự biến đổi hình thái đáy sông 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 sông thay đổi dưới các quy luật xói mòn 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 mô lớn như sông 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
Trang 19nặng, 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 sông 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 toàn thế giới năm 2014 vẫn còn 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 quá trình thăm dò, tìm kiếm hộp đen của máy bay của những chiếc AUV Tháng 6 năm 2018, công 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]
Trang 20Hình 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
Trang 21nơi 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, công 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
Trang 22vực của đời sống như giáo dục, giải trí, công nghiệp và an ninh quốc phòng 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 công trình trên biển" do Học viện Hải quân 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 rôbốt 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 công 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 nông và tầm nhìn dưới nước rõ [5]
Trang 23Qua quá trình tìm kiếm, tham khảo tôi 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 công 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 công bố Vì vậy các công 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 Mô 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 đô tự động duy trì độ sâu trong nước, tích hợp giải thuật điều khiển PID
Trang 24Hình 1.6 Tàu ngầm điều khiển từ xa
1.5 Mục tiêu đề tài
Đề tài hướng tới xây dựng mô hình toán mô tả được đặc trưng của AUV, xây dựng giải thuật điều khiển có khả năng thực hiện trên mô hình toán, 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)
Trang 25Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
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 mô 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
Trang 26ECI (The Earth-centered inertial): Ký hiệu (i = x y z i, i, i) là một hệ quy chiếu quán tính cho điều hướng trên mặt đất, nó là hệ quy chiếu mà trong đó các luật của Newton được áp dụng để tính toán Gốc của i thì nằm tại tâm o i của trái đất
ECEF (The Earth-centered Earth-fixed): Ký hiệu (e = x y z e, e, e) là hệ quy chiếu tương tự ECI, chỉ khác ở chỗ, trong hệ quy chiếu này Trái Ðất đuợc xem như đứng yên, cố định (không xoay) Gốc của e cũng nằm tại tâm Trái Ðất, nhưng do Trái Ðất tự quay quanh trục của mình nên hệ trục của e cũng xoay lệch di so với ECI với tốc độ góc xấp xỉ 5
BODY: Ký hiệu là (b = x y z b, b, b)với gốc o b là một hệ tọa độ di chuyển so với những
hệ tọa độ khác nhưng gắn với cố định với vật thể, cụ thể ở đây là AUV Vị trí và hướng của AUV được mô tả tương ứng trong hệ quy chiếu quán tính (xấp xỉ e hoặc
n , ở dây ta chọn n để dễ quan sát) trong khi đó vận tốc góc và vận tốc tuyến tính của AUV nên được thể hiện trong hệ tọa độ BODY Gốc o bthường được chọn trùng với điểm giữa thân AUV Các trục x y z b, b, bđược chọn trùng với trục quán tính chính,
và thường được định nghĩa như sau:
x b- trục dọc (hướng từ phía sau đến truớc)
Trang 27y b- trục ngang (hướng từ bên trái sang bên phải)
z b- trục pháp tuyến (hướng từ trên xuống duới)
Hình 2.2 Hệ quy chiếu
Ta định nghĩa các biến như sau [6]:
Bảng 2.1 Ký hiệu được sử dụng cho phương tiện hàng hải (SNAME):
momen
Vận tốc dài
và vận tốc góc
Vị trí và góc Euler
3 Chuyển động theo phương z
(heave)
Trang 28Vị trí và hướng của phương tiện phải được mô tả trong khung tham chiếu quán tính trong khi vận tốc tuyến tính và vận tốc góc của phương tiên phải được xét trong hệ tọa độ cố định thân xe Các tham số khác nhau được xác định theo ký hiệu SNAME
được trình bày trong Bảng 2.1 Dựa trên ký hiệu này, chuyển động chung của một
phương tiện đường thủy với 6 DOF có thể được mô tả bằng các vectơ sau:
= : moment quay tác động vào AUV theo các trục của hệ BODY
2.3 Mô hình hóa AUV
Nghiên cứu về động lực có thể được chia ra thành 2 phần: động học (kinematics) là khía cạnh chỉ xem xét các khía cạnh hình học của chuyển động và động lực (kinetics)
đó là phân tích các lực gây ra chuyển động
2.3.1 Phương trình động học 6DOF
Khi phân tích chuyển động của các phương tiện đường thủy với 6 DOF, hai hê trục tọa độ tham chiếu được chỉ ra như trong hình sau:
Trang 29Hình 2.3 Hệ trục tọa độ
Với AUV, xét vị trí thường sử dụng hệ tọa độ NED trong khi lực và momen hay vận tốc thường sử dụng hệ tọa độ BODY Do đó việc phân tích chuyển đổi giữa các hệ quy chiếu là rất cần thiết
Thực tế cho thấy, việc chuyển hệ tọa độ tương đương với việc nhân ma trận, áp dụng các quy tắc ma trận xoay [7], [8] thu được là một ma trận chuyển hệ tọa độ, gọi là
Trang 30Ta có thể thấy khi góc pitch bằng ±90° thì ma trận J2( ) 2 không xác định Tuy nhiên
theo thiết kế cơ khí và cách vận hành khi thay đổi các cơ cấu đối trọng, góc pitch khi
vận hành chỉ vào khoảng ±60° Vì vậy ta có thể sử dụng công thức trên mà vẫn đảm
bảo không có vấn đề trong tính toán
Từ (2.1) và (2.2) ta có:
cos cos (cos sin sin sin cos )
(cos sin sin sin sin )sin cos (sin sin sin cos cos )
(sin sin cos cos sin )
sin tan cos tan
2.3.2 Phương trình chuyển động của AUV
Vị trí của tâm nổi và trọng tâm trong hệ tọa độ gắn với tâm quay của AUV, kí hiệu
các phần tử của hai tâm này như sau:
Trang 31Theo [9] ta có các phương trình động học bậc 6 của AUV như sau:
đường chéo Tuy nhiên, do (nếu) ta chọn gốc tọa độ ngay tại tâm nổi thì các thành
phần ngoài đường chéo sẽ rất nhỏ và gần như có thể bỏ qua [9]
Trang 32 là lực và moment của thủy lực tĩnh và động
là lực và moment của tín hiệu điều khiển
Đối với AUV khi chuyển động dưới nước thì các moment và lực thủy tĩnh sẽ do phần khối lượng tăng thêm (added mass) và giảm chấn (damping) gây nên trong khi các moment và lực thủy tĩnh là do trọng lượng và lực đẩy gây ra Do đó phương trình (2.7) viết lại như sau:
( ) ( ) ( ) ( )
RB RB A A
hydrostaticterms rigid body terms hydrodynamicterms
Trang 332.3.2.1 Lực thủy tĩnh (Hydrostatic)
Khi các phương tiên hàng hải di chuyển trong môi trường nước, chúng sẽ bị tác động lực thủy tĩnh là tổng hợp của lực nổi (lực đẩy Archimedes) và trọng lực Với AUV
có khối lượng là m thì trọng lực W =mg và lực nổi B= trong đó là mật độ g
dòng và là thể tích của AUV Các lực này có phương song song với trục z của hệ NED, do đó để phân tích ta cần chuyển các lực này từ hệ NED sang hệ BODY Ta có công thức chuyển sang hệ BODY:
HS HS HS
Ma trận giám chấn được định nghĩa là các thành phần đối lập với chuyển động thẳng
và xoay do chuyển động tương đối của chất lưu nhớt tiếp xúc với mặt ngoài của vật
Trang 34thể như ma sát vỏ tàu, dòng chảy xoáy và gồm nhiều thành phần có bậc từ thấp đến cao, thành phần tuyến tính cũng như phi tuyến Tuy nhiên, với phạm vi nghiên cứu
đã xác định ban đầu, ta dựa theo [8] có một số giả thuyết sau:
• Thành phần lực cản lớn hơn bậc 2 có thể bỏ qua, ví dụ như Y vvv
• Chúng ta có thể loại bỏ các thành phần liên hệ cả tuyến tính và góc hướng như
Added mass- khối lượng ảo hay khối lượng tăng thêm (virtual mass, added mass) là khối lượng biểu kiến tạo ra bởi dòng chất lưu di chuyển quanh vật thể khi nó di chuyển
có gia tốc Theo [13] ta có công thức tổng quát của lực và moment tạo thành bởi khối lượng ảo:
Trang 35Ngoài những lực bị tác động bởi môi trường đã nêu ra, ta còn xét đến lực nâng tác dụng lên thân Lực nâng thân xuất hiện khi phương tiện di chuyển không cùng phương với dòng nước chảy Xét trong mặt phẳng ngang và mặt phẳng đứng ta có các lực nâng thân tàu:
2 2
1212
ký hiệu là l cp Khi đó ta có công thức để xác định các momen như sau:
Trang 362 2 2 2
r s s r
Thiết bị đẩy giúp tạo ra lực đẩy về phía sau cho AUV, ngoài ra do tác động quay của chân vịt còn sinh ra thêm moment xoắn theo phương x của phương tiện Moment xoắn này tỉ lệ với lực đẩy sinh ra và bán kính của chân vịt Nếu lực đẩy do thiết bị đẩy sinh ra là X prop, theo [13] thì moment xoắn sẽ tỉ lệ với lực đẩy này và bán kính R của chân vịt:
prop prop
Tổng kết lại các lực và moment tác động lên AUV được xác định như sau:
Trang 37v r ur wp pq uv uu r ext HS w w q q
w q uq vp rp uw ext
Ta có phương trình tổng hợp của AUV
Chuyển động theo phương x (Surge):
Trang 38Chuyển động theo phương y (Sway):
| | |
2
HS w w q q w q uq
Trang 39( )
RB RB A r A r r r r
hydrostaticterms rigid body terms hydrodynamicterms
Trang 40Những ảnh hưởng của nhiễu môi trường (gió, sóng, dòng) được tích hợp vào (2.32) thông qua vector vận tốc tương đối r = −v v cvà vector tải của môi trường
wind wave
= +
Tuy nhiên theo [33] [30] việc xem xét những nhiễu môi trường, thì động học của AUV sẽ bị ảnh hưởng bởi gió, sóng, dòng… Tuy nhiên, bởi vì mô hình AUV mô tả chuyển động dưới mặt nước, đối với độ sâu từ 0->100m dưới mực nước biển, thì nước biển xấp xỉ là 1 lớp đồng nhất Do đó, những ảnh hưởng của gió và sóng tác động lên AUV có thể bỏ qua mà chỉ xét đến những ảnh hưởng của dòng biển Do đó vector tải môi trường sẽ không xuất hiện trong (2.32) mà chỉ xét đến những ảnh hưởng của dòng nên trở thành:
( )
RB RB A r A r r r r
hydrostaticterms rigid body terms hydrodynamicterms
Trong đó: r = −v v clà vận tốc tương đối của AUV trong hệ {b} và được định nghĩa
là vận tốc của AUV so với dòng Và 6
= là vector vận tốc tuyến tính và xoay trong hệ {b}
Chú ý rằng rigid-body kinetics thì độc lập với dòng Theo [7], [15], [16], [17]thì việc đơn giản hóa phương trình (2.33) bằng cách giả sử rằng dòng là không điều hòa và không đổi (irrotational and constant current) trong hệ {n} Với giả thuyết này phương trình (2.33) trở thành:
( ) ( ) ( ) ( )