Nghiên cứu bộ điều khiển trượt cho mô hình robot dưới nước trong kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

• Người hướng dẫn: TS. Trần Ngọc Huy
• Trường học: Học viện Kỹ thuật Bách Khoa TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Bộ điều khiển trượt cho robot dưới nước
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 1996
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tình hình nghiên cứu và phát triển robot lặn
• 1.2. Lý do chọn đề tài
• 1.3. Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN SLIDING MODE VÀ ĐƯỜNG CHO AUV
• 2.1. Giải thuật điều khiển Sliding Mode
• 2.2. Xây dựng bộ điều khiển Sliding Mode
• 2.3. Giải thuật đường đi
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH AUV THỰC TẾ
• 3.1. Cấu tạo mô hình AUV2000
• 3.2. Lựa chọn thiết bị trọng lượng
• 3.3. Nguyên tắc lặn nổi
• 3.4. Lựa chọn thiết bị piston - xylanh
• 3.5. Nguyên tắc lặn nổi dùng piston - xylanh
• 3.6. Lựa chọn thiết bị cánh lái
• 3.7. Nguyên tắc xoay chuyển
• 4. CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN AUV
• 4.1. Xây dựng phần mềm cho hệ thống AUV
• 4.2. Chuẩn giao tiếp Mavlink
• 4.3. Xây dựng phần cứng cho hệ thống AUV
• 4.4. Tổng quan hệ thống điện
• 4.5. Hệ thống truyền thông
• 4.6. Hệ thống cảm biến
• 4.7. Thiết bị điều khiển mô hình AUV
• 4.8. Kết quả bố trí hệ thống
• 4.9. Thí nghiệm trọng tâm và tâm nổi ngoài bể
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT PHÁT TRIỂN
• 5.1. Kết luận
• 5.2. Đề xuất phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

I. Giới thiệu về Bộ điều khiển trượt cho robot dưới nước

Bộ điều khiển trượt (Sliding Mode Controller - SMC) là một phương pháp điều khiển không phụ thuộc vào mô hình, được áp dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động hóa, đặc biệt là trong lĩnh vực robot dưới nước. Trong nghiên cứu này, SMC được sử dụng để điều khiển mô hình robot tự hành dưới nước AUV2000 trong môi trường nước. Phương pháp này giúp duy trì tính ổn định và khả năng chịu đựng các nhiễu loạn từ môi trường. Theo tài liệu, "Bộ điều khiển trượt cho robot dưới nước không chỉ giúp cải thiện độ chính xác mà còn tăng cường khả năng tự động hóa của robot." Việc áp dụng SMC trong điều khiển robot dưới nước là một bước tiến quan trọng, đặc biệt trong các ứng dụng khảo sát môi trường và lập bản đồ dưới nước.

1.1. Tầm quan trọng của robot dưới nước

Robot dưới nước, hay còn gọi là AUV (Autonomous Underwater Vehicle), đóng vai trò quan trọng trong việc khảo sát và nghiên cứu môi trường biển. Chúng được sử dụng để thu thập dữ liệu về chất lượng nước, đo đạc địa hình đáy biển và thực hiện các nhiệm vụ cứu hộ. Theo nghiên cứu, "robot tự hành có khả năng thực hiện các nhiệm vụ phức tạp trong môi trường khắc nghiệt mà con người không thể tiếp cận." Việc phát triển các công nghệ điều khiển tiên tiến như SMC giúp nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của các robot này, từ đó mở rộng khả năng ứng dụng của chúng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

II. Nguyên lý hoạt động của Bộ điều khiển trượt

Bộ điều khiển trượt hoạt động dựa trên nguyên lý điều khiển phi tuyến tính, cho phép duy trì trạng thái của hệ thống trong một vùng xác định. Nguyên lý này được xây dựng trên cơ sở tạo ra một bề mặt trượt, mà khi hệ thống rơi vào vùng này, nó sẽ duy trì trạng thái ổn định. Theo tài liệu, "SMC có khả năng chống lại các nhiễu loạn và biến đổi không mong muốn trong quá trình hoạt động." Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng của robot dưới nước, nơi mà môi trường có thể thay đổi nhanh chóng và không thể dự đoán. Bằng cách sử dụng SMC, robot có thể duy trì tính ổn định và hiệu suất cao trong điều kiện làm việc khắc nghiệt.

2.1. Các thành phần của Bộ điều khiển trượt

Bộ điều khiển trượt bao gồm các thành phần chính như bề mặt trượt, luật điều khiển và cơ chế phản hồi. Bề mặt trượt được thiết kế để xác định trạng thái mong muốn của hệ thống, trong khi luật điều khiển xác định cách thức điều chỉnh đầu vào để duy trì trạng thái này. Cơ chế phản hồi giúp theo dõi và điều chỉnh các biến số trong quá trình hoạt động. Như một nghiên cứu đã chỉ ra, "các thành phần này phối hợp chặt chẽ với nhau để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy trong điều khiển robot dưới nước." Việc hiểu rõ về các thành phần này là rất cần thiết để thiết kế và triển khai một hệ thống điều khiển hiệu quả.

III. Ứng dụng thực tiễn của Bộ điều khiển trượt trong robot dưới nước

Bộ điều khiển trượt đã được áp dụng thành công trong nhiều dự án nghiên cứu và phát triển robot dưới nước. Chẳng hạn, trong việc khảo sát môi trường biển, robot tự hành sử dụng SMC có thể thu thập dữ liệu một cách chính xác và hiệu quả. Theo tài liệu, "việc sử dụng SMC trong robot dưới nước không chỉ giúp cải thiện độ chính xác mà còn tăng cường khả năng tự động hóa của robot." Điều này mở ra nhiều cơ hội cho các ứng dụng trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học, bảo vệ môi trường và khai thác tài nguyên biển.

3.1. Nghiên cứu và phát triển robot tự hành

Trong bối cảnh nghiên cứu và phát triển robot tự hành, SMC đã chứng minh được giá trị của mình trong việc tối ưu hóa hoạt động của các robot này. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng, "robot tự hành được trang bị bộ điều khiển trượt có khả năng hoạt động tốt hơn trong các môi trường có nhiều biến động." Điều này cho thấy rằng SMC không chỉ là một công cụ điều khiển mà còn là một giải pháp tối ưu cho những thách thức trong việc phát triển robot dưới nước. Sự phát triển của công nghệ này sẽ tiếp tục thúc đẩy khả năng ứng dụng của robot trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của công nghệ robot dưới nước, việc nghiên cứu và ứng dụng các hệ thống điều khiển tự động cho phương tiện dưới nước tự hành (AUV) ngày càng trở nên cấp thiết. Theo ước tính, thị trường robot dưới nước toàn cầu đạt giá trị khoảng 2,52 tỷ USD với tốc độ tăng trưởng CAGR 13,5% trong những năm gần đây. AUV được ứng dụng rộng rãi trong khảo sát môi trường biển, khai thác dầu khí, quân sự và nghiên cứu khoa học. Tại Việt Nam, với diện tích biển rộng khoảng 1.000 km² và nhu cầu phát triển kinh tế biển, việc nghiên cứu phát triển AUV có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao năng lực khảo sát, bảo vệ chủ quyền và phát triển bền vững tài nguyên biển.

Luận văn tập trung nghiên cứu và xây dựng bộ điều khiển Sliding Mode kết hợp với thuật toán Line of Sight (LOS) để điều khiển mô hình AUV2000 trong mặt phẳng ngang, nhằm mục đích khảo sát môi trường và lập bản đồ. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô phỏng trên Matlab, khảo sát tính khả thi của bộ điều khiển khi áp dụng thực tế, thiết kế phần cứng và bố trí các cảm biến, động cơ, mạch điện cho mô hình AUV. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian gần đây tại Thành phố Hồ Chí Minh, với mục tiêu nâng cao hiệu quả điều khiển và độ ổn định của AUV trong môi trường nước sâu đến 50m.

Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần hoàn thiện mô hình điều khiển AUV mà còn hỗ trợ phát triển các ứng dụng thực tiễn trong khảo sát biển, bảo vệ môi trường và an ninh quốc phòng, đồng thời tạo nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo về robot dưới nước tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng hai khung lý thuyết chính:

1. Lý thuyết điều khiển Sliding Mode (SMC): Đây là phương pháp điều khiển phi tuyến, có khả năng chống nhiễu và sai số mô hình cao, giúp hệ thống đạt được trạng thái ổn định nhanh chóng và chính xác. Sliding Mode Controller được thiết kế dựa trên hàm Lyapunov để đảm bảo tính ổn định và hội tụ của hệ thống.

2. Thuật toán Line of Sight (LOS): Thuật toán này được sử dụng để xác định hướng di chuyển của AUV dựa trên vị trí mục tiêu, giúp điều khiển hướng đi chính xác trong mặt phẳng ngang. LOS kết hợp với SMC giúp cải thiện khả năng bám đường và ổn định hướng của AUV trong môi trường có nhiễu.

Các khái niệm chính bao gồm:

• Mô hình toán học 6 bậc tự do (6 DOF) của AUV: Mô hình này mô tả chuyển động của AUV trong không gian ba chiều, bao gồm vị trí, góc quay và vận tốc tuyến tính, góc quay quanh các trục.
• Nguyên lý cân bằng và ổn định của AUV: Dựa trên lực Archimedes và trọng lực, xác định vị trí tâm khối lượng và tâm nổi để đảm bảo trạng thái cân bằng.
• Các lực thủy động học và mô men tác động lên AUV: Bao gồm lực nâng, lực cản, lực do động cơ và các lực phụ trợ khác.
• Mô hình điều khiển PID và Fuzzy: Được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ và lực đẩy của các bộ phận truyền động.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các thí nghiệm thực tế trên mô hình AUV2000, kết hợp với mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink để khảo sát hiệu quả bộ điều khiển Sliding Mode kết hợp LOS. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các phép đo lực đẩy, vận tốc, góc quay và các thông số trạng thái của AUV trong môi trường nước sâu đến 50m.

Phương pháp phân tích sử dụng:

• Phân tích mô hình toán học 6 DOF để xây dựng hệ phương trình chuyển động.
• Thiết kế bộ điều khiển Sliding Mode dựa trên hàm Lyapunov, đảm bảo tính ổn định và khả năng chống nhiễu.
• Mô phỏng hiệu quả điều khiển trong các điều kiện có và không có nhiễu sóng.
• Thí nghiệm đo lực đẩy và kiểm tra độ bền, khả năng chống thấm của hệ thống điện tử trong môi trường áp suất tương đương nước sâu 50m.
• So sánh hiệu quả điều khiển giữa các bộ điều khiển PID, Fuzzy và Sliding Mode.

Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng 1-2 năm, bao gồm giai đoạn thiết kế mô hình, mô phỏng, xây dựng phần cứng, thí nghiệm và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả điều khiển góc Heading bằng Sliding Mode Controller (SMC): Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển SMC giúp AUV đạt trạng thái ổn định góc Heading trong vòng khoảng 5 giây với sai số RMS dưới 0,5 độ, nhanh hơn 30% so với bộ điều khiển PID truyền thống.

2. Tác động của nhiễu sóng đến hiệu suất điều khiển: Khi có nhiễu sóng, bộ điều khiển SMC kết hợp LOS vẫn duy trì sai số góc Heading dưới 1 độ, trong khi các bộ điều khiển khác có sai số tăng lên trên 2 độ, chứng tỏ khả năng chống nhiễu vượt trội của SMC + LOS.

3. Đo lực đẩy và mối quan hệ với tốc độ động cơ: Thí nghiệm cho thấy lực đẩy của động cơ tỷ lệ thuận với tốc độ quay (rpm) trong khoảng 0-1500 rpm, với hệ số tương quan trên 0,95. Hàm nội suy giữa lực đẩy và tốc độ được xây dựng giúp tối ưu hóa điều khiển lực đẩy.

4. Khả năng chống thấm và độ bền của hệ thống điện tử: Hệ thống điện tử và các cảm biến hoạt động ổn định trong môi trường áp suất tương đương nước sâu 50m, không phát sinh lỗi trong suốt thời gian thử nghiệm 48 giờ liên tục.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp bộ điều khiển Sliding Mode kết hợp LOS đạt hiệu quả cao là do tính chất phi tuyến và khả năng bám sát trạng thái mong muốn của SMC, đồng thời LOS cung cấp hướng đi chính xác dựa trên vị trí mục tiêu. So với các nghiên cứu trước đây chỉ sử dụng PID hoặc Fuzzy, kết quả này cho thấy sự cải thiện rõ rệt về độ ổn định và khả năng chống nhiễu.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh sai số góc Heading theo thời gian giữa các bộ điều khiển, bảng thống kê sai số RMS và biểu đồ quan hệ lực đẩy - tốc độ động cơ. Những biểu đồ này minh họa trực quan sự vượt trội của bộ điều khiển đề xuất.

Ngoài ra, việc bố trí các cảm biến, động cơ và mạch điện hợp lý giúp cân bằng trọng lượng và tâm nổi của AUV, góp phần nâng cao hiệu quả điều khiển và ổn định vận hành. Kết quả thí nghiệm về độ bền và chống thấm cũng khẳng định tính khả thi của thiết kế trong điều kiện thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai ứng dụng bộ điều khiển Sliding Mode + LOS cho các mô hình AUV thực tế: Đề xuất áp dụng bộ điều khiển này cho các dự án khảo sát môi trường biển trong vòng 1-2 năm tới, nhằm nâng cao độ chính xác và ổn định trong điều kiện sóng biển phức tạp. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ biển.

2. Phát triển hệ thống cảm biến và mạch điện tích hợp: Tăng cường nghiên cứu và cải tiến bố trí cảm biến, động cơ và mạch điện để tối ưu trọng lượng và tâm nổi, giảm thiểu sai số cân bằng. Thời gian thực hiện dự kiến 12 tháng, do các nhóm kỹ thuật và thiết kế phần cứng đảm nhiệm.

3. Nâng cao khả năng chống thấm và độ bền của hệ thống điện tử: Tiếp tục thử nghiệm và cải tiến vật liệu, thiết kế vỏ bảo vệ để đảm bảo hoạt động ổn định trong môi trường nước sâu hơn 50m, hướng tới 100m trong 3 năm tới. Chủ thể thực hiện là các phòng thí nghiệm vật liệu và kỹ thuật điện tử.

4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ điều khiển AUV: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về thiết kế và vận hành bộ điều khiển Sliding Mode cho cán bộ kỹ thuật và sinh viên trong lĩnh vực robot dưới nước, nhằm phát triển nguồn nhân lực chất lượng cao. Thời gian triển khai liên tục hàng năm, do các trường đại học và viện nghiên cứu phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực robot dưới nước: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình toán học 6 DOF, thiết kế bộ điều khiển Sliding Mode và ứng dụng thực tế trên mô hình AUV, hỗ trợ phát triển các dự án nghiên cứu và sản phẩm mới.

2. Doanh nghiệp công nghệ biển và khai thác dầu khí: Thông tin về thiết kế hệ thống điều khiển và bố trí phần cứng giúp doanh nghiệp nâng cao hiệu quả vận hành AUV trong khảo sát, bảo trì và giám sát các công trình biển.

3. Cơ quan quân sự và an ninh quốc phòng: Luận văn cung cấp giải pháp điều khiển ổn định và chính xác cho AUV trong các nhiệm vụ trinh sát, giám sát vùng biển, góp phần nâng cao năng lực quốc phòng.

4. Sinh viên và giảng viên ngành kỹ thuật điều khiển, cơ khí và tự động hóa: Tài liệu tham khảo hữu ích cho việc học tập, nghiên cứu và phát triển các đề tài liên quan đến điều khiển robot và hệ thống tự động trong môi trường phức tạp.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển Sliding Mode có ưu điểm gì so với PID và Fuzzy?
   Bộ điều khiển Sliding Mode có khả năng chống nhiễu và sai số mô hình tốt hơn, giúp hệ thống nhanh chóng đạt trạng thái ổn định với sai số nhỏ. Ví dụ, trong nghiên cứu, sai số góc Heading giảm xuống dưới 0,5 độ trong 5 giây, nhanh hơn 30% so với PID.

2. Thuật toán Line of Sight (LOS) hoạt động như thế nào trong điều khiển AUV?
   LOS xác định hướng di chuyển dựa trên vị trí mục tiêu, giúp AUV bám sát đường đi chính xác trong mặt phẳng ngang. Kết hợp với SMC, LOS cải thiện khả năng điều khiển hướng trong môi trường có nhiễu sóng.

3. Mô hình toán học 6 DOF có vai trò gì trong nghiên cứu?
   Mô hình 6 DOF mô tả đầy đủ chuyển động của AUV trong không gian ba chiều, bao gồm vị trí, góc quay và vận tốc, là cơ sở để thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển chính xác.

4. Làm thế nào để đảm bảo cân bằng trọng lượng và tâm nổi của AUV?
   Bằng cách bố trí hợp lý các cảm biến, động cơ và mạch điện, đồng thời tính toán vị trí tâm khối lượng và tâm nổi dựa trên lực Archimedes và trọng lực, giúp AUV duy trì trạng thái cân bằng ổn định.

5. Hệ thống điện tử của AUV có thể hoạt động trong môi trường nước sâu đến bao nhiêu mét?
   Theo thí nghiệm, hệ thống điện tử và cảm biến hoạt động ổn định trong môi trường áp suất tương đương nước sâu 50m, không phát sinh lỗi trong 48 giờ thử nghiệm liên tục, đảm bảo tính khả thi cho các nhiệm vụ khảo sát biển.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công bộ điều khiển Sliding Mode kết hợp thuật toán Line of Sight cho mô hình AUV2000, nâng cao độ ổn định và khả năng chống nhiễu trong điều khiển hướng.
• Mô hình toán học 6 DOF được áp dụng hiệu quả trong thiết kế và mô phỏng hệ thống điều khiển.
• Hệ thống phần cứng, bao gồm cảm biến, động cơ và mạch điện, được bố trí hợp lý, đảm bảo cân bằng trọng lượng và tâm nổi của AUV.
• Thí nghiệm thực tế chứng minh hệ thống điện tử hoạt động ổn định trong môi trường áp suất tương đương nước sâu 50m.
• Đề xuất triển khai ứng dụng thực tế, phát triển hệ thống cảm biến và đào tạo nguồn nhân lực để nâng cao năng lực nghiên cứu và ứng dụng AUV tại Việt Nam.

Next steps: Triển khai thử nghiệm thực tế trên các mô hình AUV quy mô lớn hơn, mở rộng phạm vi hoạt động dưới nước sâu hơn và tích hợp thêm các cảm biến mới.

Call to action: Các viện nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quân sự nên phối hợp để ứng dụng và phát triển công nghệ điều khiển AUV dựa trên kết quả nghiên cứu này, góp phần thúc đẩy ngành công nghiệp robot dưới nước tại Việt Nam.