Tổng quan về luận án

Nghiên cứu của nghiên cứu sinh Nguyễn Khắc Tuấn với đề tài "Tổng hợp bộ điều khiển trượt thích nghi cho phương tiện nổi tự hành trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo" thuộc ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa (Mã số: 9 52 02 16), được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Lê Trần Thắng và PGS. TS. Nguyễn Đức Khoát tại Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự – Bộ Quốc phòng (Hà Nội, 2023). Luận án giải quyết một bài toán kỹ thuật trọng yếu trong kỷ nguyên tự hành hóa phương tiện hàng hải: điều khiển bám quỹ đạo chính xác cho phương tiện mặt nước tự hành (Unmanned Surface Vehicle - USV) trong điều kiện thiếu cơ cấu chấp hành (underactuated) và chịu tác động tổng hợp từ các nhiễu loạn môi trường biển bất định (sóng, gió, dòng hải lưu) cũng như sai lệch tham số mô hình thủy động lực học.

Khoảng trống nghiên cứu (research gap) cốt lõi xuất phát từ thực tế hình học và vật lý của các phương tiện USV cỡ vừa và nhỏ: nhằm tối ưu hóa chi phí sản xuất và nâng cao tính cơ động, USV thường chỉ được trang bị 2 động cơ đẩy đặt song song ở phía đuôi tàu, tạo ra lực đẩy tịnh tiến dọc trục $\tau_x = \tau_{port} + \tau_{stbd}$ và mô men quay trở quanh trục thẳng đứng $\tau_z = (\tau_{port} - \tau_{stbd}) \cdot \frac{B}{2}$, trong khi không có cơ cấu tạo lực đẩy trực tiếp theo phương ngang $\tau_y = 0$. Về mặt toán học, hệ thống có 3 bậc tự do phẳng $(x, y, \psi)$ tương ứng với tọa độ vị trí và góc hướng mũi, nhưng chỉ có 2 tín hiệu điều khiển độc lập ($\tau_x, \tau_z$). Sự bất đối xứng giữa số bậc tự do cần điều khiển và số biến điều khiển đầu vào khiến hệ USV không thỏa mãn điều kiện khả tích Brockett, không thể ổn định hóa tiệm cận mượt bằng các luật điều khiển phản hồi trạng thái dừng độc lập với thời gian. Hơn nữa, việc môi trường biển liên tục biến động sinh ra các lực nhiễu phi tuyến và sự suy giảm thủy động lực học biến thiên khiến các phương pháp tuyến tính hóa truyền thống như PID, LQR hay MPC tuyến tính từng đoạn bộc lộ nhiều hạn chế nghiêm trọng về độ chính xác và tính ổn định.

Luận án thiết lập hệ thống 3 câu hỏi nghiên cứu (Research Questions - RQ) và 3 giả thuyết khoa học tương ứng (Hypotheses - H):

  • RQ1: Làm thế nào để giải trừ liên kết phi tuyến và thiết kế cấu trúc điều khiển thống nhất cho hệ thống USV 3 bậc tự do thiếu cơ cấu chấp hành chỉ với 2 kênh tác động lực/mô men?
    • H1: Phương pháp điều khiển trượt tầng (Hierarchical Sliding Mode Control - HSMC) thông qua kỹ thuật phân rã và gộp mặt trượt tương đương cho phép điều khiển đồng thời cả 2 hệ thống con (chuyển động dọc - quay trở và chuyển động ngang) từ một vector tín hiệu điều khiển chung.
  • RQ2: Cơ chế thích nghi nào có thể triệt tiêu ảnh hưởng của thành phần động lực học chưa mô hình hóa $\Delta f_1, \Delta f_2$ và nhiễu sóng, gió, dòng chảy ngoại sinh mà không đòi hỏi biên trên của nhiễu phải biết trước?
    • H2: Cấu trúc xấp xỉ vạn năng của mạng nơ-ron hàm cơ sở xuyên tâm (Radial Basis Function - RBF) kết hợp thuật toán chỉnh định trọng số thích nghi Lyapunov trực tuyến sẽ ước lượng chính xác hàm bất định phi tuyến, giúp bộ điều khiển thích nghi tầng (AHSMC) duy trì độ bám quỹ đạo tiệm cận lý tưởng.
  • RQ3: Có thể thực thi bộ điều khiển bám quỹ đạo chất lượng cao trong điều kiện không có cảm biến đo vận tốc dài $(u, v)$ và vận tốc góc $(r)$ hay không?
    • H3: Một bộ quan sát trạng thái vận tốc thích nghi phi tuyến tựa Luenberger tích hợp mạng RBF có thể tái tạo hoàn chỉnh vector vận tốc $\nu = [u, v, r]^T$ chỉ từ dữ liệu vị trí - góc hướng $\eta = [x, y, \psi]^T$, bảo đảm hệ kín ổn định tiệm cận theo chuẩn Lyapunov.

Khung lý thuyết của công trình tích hợp chặt chẽ giữa Cơ học chất lỏng thủy động lực học hàng hải (Fossen, 1994, 2011), Lý thuyết điều khiển trượt tầng phi tuyến hiện đại và Trí tuệ tính toán xấp xỉ vạn năng (Universal Approximation Theorem của mạng nơ-ron RBF). Phạm vi nghiên cứu bao quát toàn diện từ thiết lập phương trình toán học 3 bậc tự do (Surge - Sway - Yaw), mô hình hóa phổ sóng ngẫu nhiên Pierson-Moskowitz kết hợp quá trình Wiener, lực khí động học gió theo tiêu chuẩn SNAME (Hiệp hội Kiến trúc sư Hải quân và Kỹ sư Hàng hải), đến mô phỏng số kiểm chứng trên nền tảng MATLAB/Simulink cho cả hai kịch bản quỹ đạo đường thẳng và quỹ đạo đường cong phức tạp.

Literature Review và Positioning

Các công trình nghiên cứu về điều khiển phương tiện nổi tự hành trên thế giới và tại Việt Nam tập trung vào ba phân nhánh chính: điều khiển bám đường dẫn không phụ thuộc thời gian (Path Following), điều khiển định vị động (Dynamic Positioning - DP), và điều khiển bám quỹ đạo có ràng buộc khắt khe về thời gian (Trajectory Tracking).

Tại Việt Nam, các nghiên cứu tiêu biểu của Ngô Trí Nam Cường (2014) về hệ thống lái tự động tàu thủy bền vững sử dụng mô hình Nomoto bậc một và bậc hai; tuy nhiên, mô hình Nomoto chỉ phản ánh quan hệ một đầu vào - một đầu ra giữa góc bẻ lái $\delta$ và góc hướng mũi $\psi$, hoàn toàn bỏ qua các lực tác động dọc trục và sự ghép kênh động lực học đa chiều. Luận án của Nguyễn Hoài Nam (2018) tập trung vào phương tiện ngầm tự hành (AUV) với đặc tính thủy tĩnh và cơ cấu chấp hành khác biệt. Nghiên cứu của Hoàng Thị Tú Uyên (2020) đã phát triển các thuật toán Backstepping, điều khiển mặt động (Dynamic Surface Control - DSC) và điều khiển trượt thích nghi nơ-ron, nhưng chỉ giới hạn cho mô hình tàu choán nước 3 bậc tự do đủ cơ cấu chấp hành (fully-actuated), nơi mỗi bậc tự do đều có kênh điều khiển tương ứng. Công trình của Nguyễn Hữu Quyền (2021) áp dụng điều khiển dự báo mô hình (MPC) cho tàu thiếu cơ cấu chấp hành có chân vịt và bánh lái dựa trên mô hình tuyến tính hóa từng đoạn, yêu cầu biến thiên tham số phải diễn ra chậm và không xử lý triệt để được tính phi tuyến tốc độ cao. Gần đây, Võ Hồng Hải (2022) kết hợp PID và mạng nơ-ron cho bài toán bám đường dẫn (Path Following) qua mô hình Nomoto, vốn không thể áp dụng cho bài toán bám quỹ đạo thời gian thực (Tracking) đòi hỏi điều khiển đồng thời vận tốc và tọa độ không gian.

Tiêu chí So sánh Luận án Nguyễn Khắc Tuấn (2023) Fossen & Pettersen (2014) / Do & Pan (2006) Hoàng Thị Tú Uyên (2020) Nguyễn Hữu Quyền (2021)
Đối tượng điều khiển USV 3-DOF thiếu cơ cấu chấp hành (2 máy đẩy đuôi) USV thiếu cơ cấu chấp hành Tàu nổi 3-DOF đủ cơ cấu chấp hành Tàu nổi thiếu cơ cấu chấp hành (bánh lái + chân vịt)
Phương pháp chính Điều khiển trượt tầng thích nghi (AHSMC) + RBF Backstepping phi tuyến + Hàm Lyapunov chuyển đổi Backstepping / Dynamic Surface Control (DSC) Điều khiển dự báo mô hình (MPC) tuyến tính hóa
Bù bất định & Nhiễu Mạng RBF online + Luật học thích nghi Lyapunov Bù chặn ngưỡng cố định (Bounding techniques) Mạng nơ-ron xấp xỉ hàm sai lệch mô hình Ước lượng nhiễu biến đổi chậm (Disturbance observer)
Trạng thái vận tốc Bộ quan sát thích nghi nơ-ron tựa Luenberger (Output Feedback) Giả thiết đo đầy đủ vector vận tốc $\nu = [u, v, r]^T$ Đo đầy đủ hoặc bộ lọc Kalman mở rộng Đo vận tốc trực tiếp từ cảm biến đạo hàng
Mô hình nhiễu kiểm chứng Phổ sóng Pierson-Moskowitz + Gió SNAME + Dòng chảy $D(v_r)$ Nhiễu hằng số hoặc nhiễu điều hòa đơn giản Nhiễu biên độ nhỏ tổng quát Nhiễu giả định biến thiên chậm

Luận án khẳng định vị thế học thuật tiên phong khi giải quyết đồng thời ba thách thức: (1) Khắc phục bản chất thiếu cơ cấu chấp hành mà không làm kỳ dị ma trận điều khiển; (2) Tự động học và bù trừ động học phi tuyến chưa biết bằng mạng RBF trực tuyến; và (3) Tách bỏ sự phụ thuộc vào các cảm biến đo vận tốc tịnh tiến và vận tốc góc đắt tiền, dễ bị nhiễu thông qua bộ quan sát trạng thái thích nghi phi tuyến.

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án đóng góp quan trọng vào lý thuyết điều khiển phi tuyến và điều khiển thích nghi thông qua việc mở rộng lý thuyết điều khiển trượt tầng (Hierarchical Sliding Mode Control) cho lớp hệ thống cơ điện tử - hàng hải thiếu cơ cấu chấp hành phi tuyến bậc hai phức tạp:

  1. Phân rã và tái cấu trúc mô hình động lực học USV: Hệ thống 3 bậc tự do được phân rã thành hai hệ thống con liên kết: hệ con thứ nhất $\eta_1 = [x, \psi]^T$, $\nu_1 = [u, r]^T$ tương ứng với các biến được điều khiển trực tiếp bởi lực đẩy $\tau_x$ và mô men quay $\tau_z$; hệ con thứ hai $\eta_2 = y$, $\nu_2 = v$ là chuyển động dạt ngang chịu chi phối gián tiếp thông qua lực Coriolis và ma trận suy giảm thủy động học. Luận án đã chứng minh toán học rằng ma trận biến đổi kết hợp $\bar{M} = M_1 - M_2 M_4^{-1} M_3$ luôn khả nghịch trên toàn miền trạng thái vật lý của USV, tạo tiền đề giải bài toán bám quỹ đạo đa biến.
  2. Thiết lập mặt trượt phân tầng tích hợp (Hierarchical Sliding Surface): Thiết kế mặt trượt cấp 1 cho từng hệ con: $S_1 = \dot{e}1 + \Lambda_1 e_1$ (với $e_1 = \eta_1 - \eta{1d}$) và $S_2 = \dot{e}2 + \Lambda_2 e_2$ (với $e_2 = \eta_2 - \eta{2d}$). Sau đó, mặt trượt tổng hợp cấp 2 được cấu tạo dưới dạng tổ hợp tuyến tính $S = c_1 S_1 + c_2 S_2$. Cấu trúc này bảo đảm khi mặt trượt cấp 2 hội tụ về gốc $S \to 0$, cả hai mặt trượt thành phần $S_1, S_2$ cùng đồng thời tiến về 0, buộc sai lệch vị trí $(e_x, e_y)$ và góc hướng $(e_\psi)$ triệt tiêu tiệm cận.
  3. Mở rộng lý thuyết thích nghi dựa trên mạng nơ-ron RBF: Không giống các phương pháp kinh điển đòi hỏi biết trước chặn trên của nhiễu $|\Delta f| \le \rho$, luận án xây dựng luật thích nghi cập nhật ma trận trọng số $\hat{W}$ của mạng RBF dựa trên đạo hàm âm xác định của hàm năng lượng Lyapunov toàn phần $V = \frac{1}{2}S^T \bar{M} S + \frac{1}{2}\text{tr}(\tilde{W}^T \Gamma^{-1} \tilde{W})$, bảo đảm tính ổn định tiệm cận toàn cục theo tiêu chuẩn Lyapunov (Uniform Ultimate Boundedness - UUB).
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                           MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC USV (3-DOF)                        |
|   Vị trí/Hướng: eta = [x, y, psi]^T     |     Vận tốc: nu = [u, v, r]^T           |
+-----------------------------------------+-----------------------------------------+
                                          |
                                          v
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                        PHÂN RÃ HỆ THỐNG THÀNH 2 HỆ CON                            |
|    Hệ con 1: eta_1 = [x, psi]^T, nu_1 = [u, r]^T  <--- Có kênh lực/mômen [tau_x, tau_z]|
|    Hệ con 2: eta_2 = y,         nu_2 = v          <--- Thiếu kênh lực (tau_y = 0) |
+-----------------------------------------+-----------------------------------------+
                                          |
                                          v
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                   CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT TẦNG THÍCH NGHI (AHSMC)               |
|  * Mặt trượt cấp 1:  S_1 = e_dot_1 + Lambda_1*e_1  |  S_2 = e_dot_2 + Lambda_2*e_2|
|  * Mặt trượt cấp 2:  S = c_1*S_1 + c_2*S_2                                        |
|  * Mạng RBF:         F_hat = W_hat^T * Phi(xi) ---> Bù bất định Delta_f & Nhiễu   |
|  * Luật thích nghi:  W_hat_dot = Gamma * Phi(xi) * S^T (Chứng minh Lyapunov)      |
+-----------------------------------------+-----------------------------------------+
                                          ^
                                          | Ước lượng vận tốc [u_hat, v_hat, r_hat]
+-----------------------------------------+-----------------------------------------+
|                BỘ QUAN SÁT VẬN TỐC THÍCH NGHI NƠ-RON (TỰA LUENBERGER)             |
|   Đầu vào: eta = [x, y, psi]^T  --->  Ước lượng trạng thái không cần cảm biến tốc độ|
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của luận án kết hợp 3 trụ cột lý thuyết: (1) Mô hình động lực học tàu thủy phi tuyến Fossen trong hệ quy chiếu NED (North-East-Down) và hệ quy chiếu thân tàu (Body-fixed frame); (2) Lý thuyết bề mặt trượt phân tầng điều khiển hệ thiếu cơ cấu chấp hành; (3) Mạng nơ-ron RBF với hàm kích hoạt Gaussian nhiều chiều:

$$\phi_i(\xi) = \exp\left(-\frac{|\xi - \mu_i|^2}{2\sigma_i^2}\right)$$

trong đó vector đầu vào $\xi = [e_1^T, \dot{e}_1^T, e_2, \dot{e}_2, \eta^T, \nu^T]^T$, $\mu_i$ là tâm của hàm Gauss và $\sigma_i$ là độ rộng trường tiếp nhận.

Điều kiện biên xác định rõ: Tàu hoạt động trên mặt phẳng ngang không xét chuyển động chìm-nổi ($heave - z$), lắc ngang ($roll - \phi$), lắc dọc ($pitch - \theta$), góc nghiêng lật $\phi \ne 90^\circ$ nhằm bảo đảm ma trận chuyển đổi tọa độ $J_1(\psi), J_2(\psi)$ không rơi vào điểm kỳ dị hình học.

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Luận án tuân thủ chặt chẽ triết học thực chứng (positivism) trong kỹ thuật điều khiển tự động: xây dựng mô hình giải tích chính xác từ các định luật cơ bản của vật lý (Định luật Newton-Euler cho vật rắn 6 bậc tự do), thu gọn có căn cứ khoa học về mô hình 3 bậc tự do, chuyển dịch toán học sang không gian trạng thái thích hợp, tổng hợp thuật toán bằng giải tích giải phương trình vi phân phi tuyến và chứng minh độ ổn định tuyệt đối bằng giải tích Lyapunov.

Mô hình động học và động lực học 3-DOF của USV chịu ảnh hưởng của dòng chảy được mô tả qua phương trình:

$$\dot{\eta} = J(\psi)\nu$$

$$M_{RB}\dot{\nu} + C_{RB}(\nu)\nu + N(\nu_r) = \tau_{all} + \tau_{wind} + \tau_{wave}$$

trong đó:

  • $M_{RB} \in \mathbb{R}^{3 \times 3}$ là ma trận quán tính vật rắn:

    $$M_{RB} = \begin{bmatrix} m & 0 & -m y_G \ 0 & m & m x_G \ -m y_G & m x_G & I_z \end{bmatrix}$$

    với $m$ là khối lượng USV, $x_G, y_G$ là tọa độ trọng tâm trong hệ trục thân tàu, $I_z$ là mô men quán tính quanh trục thẳng đứng.

  • $C_{RB}(\nu)$ là ma trận lực Coriolis và hướng tâm vật rắn.

  • Vector lực và mô men thủy động học:

    $$N(\nu_r) = M_A \dot{\nu}_r + C_A(\nu_r)\nu_r + D(\nu_r)\nu_r$$

    với $\nu_r = [u - u_c, v - v_c, r]^T = [u_r, v_r, r]^T$ là vector vận tốc tương đối đối với dòng hải lưu; $M_A$ là ma trận khối lượng nước kèm (added mass); $C_A(\nu_r)$ là ma trận Coriolis thủy động lực; $D(\nu_r)$ là ma trận suy giảm thủy động lực học phi tuyến chứa các thành phần ma sát tuyến tính và ma sát bậc hai:

    $$D(\nu_r) = \text{diag}(X_u + X_{u|u|}|u_r|, Y_v + Y_{v|v|}|v_r|, N_r + N_{r|r|}|r|)$$

Quy trình nghiên cứu rigorous

Quy trình nghiên cứu được tiến hành qua 4 giai đoạn chuẩn hóa:

  1. Biến đổi tương đương đại số ma trận khối: Thực hiện hoán vị các hàng và cột của hệ phương trình động lực học gốc để nhóm các biến trạng thái theo hai cụm $\eta_1 = [x, \psi]^T$ và $\eta_2 = y$, đưa phương trình về dạng tường minh:

    $$\dot{\eta}_1 = J_1 \nu_1 + J_2 \nu_2$$

    $$\dot{\eta}_2 = J_3 \nu_1 + J_4 \nu_2$$

    $$\dot{\nu}_1 = f_1(\nu_r, \dot{\nu}_r, \nu) + \bar{M}^{-1}\tau$$

    $$\dot{\nu}_2 = f_2(\nu_r, \dot{\nu}_r, \nu) + \bar{M}_4^{-1}\bar{M}_3\bar{M}^{-1}\tau$$

    trong đó $\tau = [\tau_x, \tau_z]^T$ là vector tín hiệu điều khiển thực.

  2. Thiết kế bộ điều khiển trượt tầng (HSMC) cơ sở: Xác lập luật điều khiển tương đương và luật điều khiển chuyển mạch bảo đảm tiêu chuẩn trượt Lyapunov $\dot{V} = S^T \dot{S} \le -\kappa |S| - \epsilon \text{sign}(S)$.

  3. Mạng nơ-ron hóa và thích nghi hóa (AHSMC-RBF): Bố trí mạng RBF gồm lớp vào, lớp ẩn với các neuron hàm Gauss, và lớp ra tuyến tính $\hat{F}(\xi) = \hat{W}^T \phi(\xi)$ để xấp xỉ liên tục thành phần phi tuyến bất định $F = f_1 + \Delta f_1 + M_2 M_4^{-1} f_2$. Tích hợp thuật toán học trực tuyến trọng số:

    $$\dot{\hat{W}} = -\Gamma \phi(\xi) S^T$$

    nhằm bù trừ triệt để sai lệch xấp xỉ và nhiễu ngoài.

  4. Thiết kế bộ quan sát vận tốc thích nghi (Adaptive Velocity Observer): Xây dựng bộ quan sát trạng thái tựa Luenberger:

    $$\dot{\hat{\eta}} = J(\psi)\hat{\nu} + L_1(\eta - \hat{\eta})$$

    $$\dot{\hat{\nu}} = M^{-1}[-C(\hat{\nu})\hat{\nu} - D(\hat{\nu})\hat{\nu} + \tau + \hat{W}_o^T \phi_o(\hat{\nu})] + L_2 J^T(\psi)(\eta - \hat{\eta})$$

    với $L_1, L_2$ là các ma trận hệ số khuếch đại quan sát được chọn thỏa mãn tiêu chuẩn ổn định ma trận đại số Riccati / Lyapunov.

Data và phân tích mô phỏng

Mô phỏng kiểm chứng số trị được thực hiện trên môi trường MATLAB/Simulink với độ phân giải bước tích phân thời gian thực $dt = 0.01$ s bằng thuật toán Runge-Kutta bậc 4 (ODE4).

Các nguồn nhiễu môi trường biển được số hóa theo tiêu chuẩn hải quân quốc tế:

  • Nhiễu sóng (Wave disturbance): Mô hình hóa theo phổ Pierson-Moskowitz 2 tham số:

    $$S(\omega) = \frac{A}{\omega^5}\exp\left(-\frac{B}{\omega^4}\right)$$

    với $A = 8.10 \times 10^{-3} g^2$, $B = \frac{3.11}{H_s^2}$, chiều cao sóng có ý nghĩa $H_s = 1.5 - 2.5$ m, chu kỳ sóng đặc trưng $T_z = 0.921 T_1$. Lực trôi dạt sóng bậc hai được mô hình hóa qua quá trình Wiener $d_i = \omega_{i+3}$ ($i=1,2,3$).

  • Nhiễu gió (Wind disturbance): Vận tốc gió tương đối $V_r = \sqrt{u_r^2 + v_r^2}$ tại độ cao chuẩn 10 m, lực và mô men khí động học tính theo hệ số thực nghiệm SNAME: $X_{wind} = \frac{1}{2} C_x(\gamma_r) \rho_a V_r^2 A_T$, $Y_{wind} = \frac{1}{2} C_y(\gamma_r) \rho_a V_r^2 A_L$, $N_{wind} = \frac{1}{2} C_N(\gamma_r) \rho_a V_r^2 A_L L_{OA}$.

  • Dòng hải lưu (Ocean current): Vận tốc dòng chảy không đổi $u_c = 0.5$ m/s, $v_c = 0.2$ m/s tác động trực tiếp vào ma trận ma sát giảm chấn $D(\nu_r)$.

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

Kết quả mô phỏng so sánh chi tiết giữa bộ điều khiển trượt tầng truyền thống (HSMC) và bộ điều khiển trượt tầng thích nghi nơ-ron (AHSMC) trên cả hai kịch bản quỹ đạo đường thẳng và quỹ đạo đường cong phức tạp mang lại các phát hiện khoa học định lượng rõ nét:

  1. Khả năng triệt tiêu sai lệch tĩnh và bám quỹ đạo chính xác cao: Trong điều kiện có nhiễu sóng, gió và dòng chảy cực đại, bộ điều khiển HSMC truyền thống bộc lộ sai lệch bám dao động lớn quanh quỹ đạo đặt, sai lệch vị trí theo trục $x$ dao động trong khoảng $\pm 1.2$ m và sai lệch theo trục $y$ dao động $\pm 1.8$ m. Ngược lại, bộ điều khiển AHSMC tích hợp mạng RBF đã thích nghi nhanh chóng, bù trừ chính xác thành phần bất định, kéo sai lệch bám theo cả hai trục $e_x, e_y$ về tiệm cận 0 (sai số xác lập ổn định $< 0.08$ m sau $t = 6.5$ s).
  2. Khắc phục hiện tượng rung lắc tín hiệu điều khiển (Chattering Elimination): Trong bộ điều khiển HSMC kinh điển, thành phần chuyển mạch gián đoạn $\text{sign}(S)$ với hệ số khuếch đại lớn (buộc phải chọn lớn để thắng biên trên của nhiễu) gây ra hiện tượng rung giật tần số cao (chattering) nghiêm trọng ở đầu ra lực đẩy động cơ $\tau_x, \tau_z$. Hiện tượng này gây quá nhiệt cuộn dây và mài mòn cơ khí máy đẩy. Ở bộ điều khiển AHSMC, do mạng RBF đã xấp xỉ và bù phần lớn giá trị hàm nhiễu phi tuyến, hệ số chuyển mạch của hàm trượt được giảm thiểu, tín hiệu điều khiển lực và mô men trở nên trơn mượt, bảo vệ cơ cấu chấp hành.
  3. Độ chính xác tái tạo trạng thái của bộ quan sát thích nghi: Bộ quan sát vận tốc nơ-ron tựa Luenberger hội tụ trạng thái ước lượng $[\hat{u}, \hat{v}, \hat{r}]^T$ về trạng thái thực của phương tiện trong thời gian $t < 2.0$ s ngay cả khi khởi tạo sai lệch ban đầu $100%$. Sai số ước lượng vận tốc trong điều kiện biển động duy trì dưới mức $0.02$ m/s cho vận tốc dài và $0.005$ rad/s cho vận tốc góc quay trở.
  4. Tính bền vững tuyệt đối trước sự thay đổi tham số mô hình: Khi các tham số khối lượng $m$, mô men quán tính $I_z$, và các hệ số thủy động lực học $X_u, Y_v, N_r$ bị biến thiên giả định đến $\pm 30%$ so với giá trị danh định, bộ điều khiển AHSMC kết hợp bộ quan sát vẫn duy trì tính ổn định toàn hệ thống, không xuất hiện hiện tượng phân kỳ quỹ đạo.
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|               BẢNG SO SÁNH HIỆU NĂNG ĐỊNH LƯỢNG (KỊCH BẢN CÓ NHIỄU BIỂN)          |
+------------------------------------+---------------------+------------------------+
| Thông số đánh giá                  | Bộ điều khiển HSMC  | Bộ điều khiển AHSMC-RBF|
+------------------------------------+---------------------+------------------------+
| Thời gian xác lập bám quỹ đạo (s)  | ~ 12.5 s            | ~ 6.5 s (Nhanh hơn 48%)|
| Sai số vị trí trục x cực đại (m)   | 1.20 m              | 0.08 m (Giảm 93.3%)    |
| Sai số vị trí trục y cực đại (m)   | 1.80 m              | 0.07 m (Giảm 96.1%)    |
| Dao động góc hướng mũi psi (rad)   | +/- 0.15 rad        | +/- 0.01 rad           |
| Đặc tính tín hiệu điều khiển tau   | Rung giật cao tần   | Trơn nhẵn, liên tục    |
| Phụ thuộc cảm biến vận tốc phần cứng| Bắt buộc có cảm biến| Không cần (Dùng Obser.)|
+------------------------------------+---------------------+------------------------+

Implications đa chiều

  • Về mặt học thuật: Cung cấp phương pháp luận tổng quát để thiết kế bộ điều khiển cho các lớp hệ thống phi tuyến phi holonomic thiếu cơ cấu chấp hành khác như phương tiện bay không người lái (UAV quadrotor), robot tự hành dưới nước (AUV), hay hệ thống tay máy linh hoạt.
  • Về mặt công nghệ - kỹ thuật: Cho phép loại bỏ cụm cảm biến đo vận tốc đắt tiền (như đồng hồ đo vận tốc Doppler - DVL, cụm con quay hồi chuyển quang sợi cao cấp) trên các dòng USV thương mại và quân sự cỡ nhỏ, giúp giảm từ $20% - 35%$ giá thành phần cứng hệ thống định vị mà vẫn nâng cao độ tin cậy vận hành trong môi trường nước mặn ăn mòn cao.
  • Về mặt an ninh - quốc phòng: Tăng cường độ chính xác bám quỹ đạo tuần tra bờ biển, rà phá bom mìn tự động, trinh sát mặt nước và thiết lập hải đồ địa hình đáy biển trong các điều kiện thời tiết khắc nghiệt cấp 3 - cấp 5.

Limitations và Future Research

Luận án thừa nhận một số giới hạn nghiên cứu khách quan:

  1. Kiểm chứng dừng lại ở mức mô phỏng số học (Numerical Simulation): Mặc dù các kịch bản mô phỏng trên MATLAB/Simulink được thiết kế công phu với đầy đủ các mô hình nhiễu thực tế (phổ Pierson-Moskowitz, lực cản gió SNAME, ma trận thủy động lực học phi tuyến Fossen), công trình chưa thực hiện thử nghiệm trên mô hình thực nghiệm USV vật lý trên hồ nước hoặc biển thật do điều kiện cơ sở vật chất và kinh phí chế tạo phần cứng.
  2. Giới hạn bậc tự do mô hình: Việc bỏ qua 3 bậc tự do dao động thẳng đứng ($heave$), lắc ngang ($roll$), lắc dọc ($pitch$) có thể làm giảm độ chính xác khi USV hoạt động trong điều kiện sóng biển cấp 6 trở lên với hiện tượng nhấc mũi và trôi dạt dữ dội.
  3. Hiện tượng bão hòa cơ cấu chấp hành (Actuator Saturation): Thuật toán chưa tích hợp tường minh khâu bù bão hòa công suất động cơ đẩy $|\tau_i| \le \tau_{max}$ và giới hạn tốc độ biến thiên lực đẩy $\dot{\tau}i \le \Delta \tau{max}$, vốn là yếu tố thực tế có thể gây trễ pha điều khiển.

Chương trình nghiên cứu tương lai (Future Research Directions):

  • Chế tạo mô hình USV tỉ lệ thực nghiệm, tích hợp vi máy tính nhúng (NVIDIA Jetson / STM32 / ARM Cortex-M) để thử nghiệm thuật toán AHSMC-RBF trong môi trường hồ thủy lực và ven biển.
  • Bổ sung khâu điều khiển chống bão hòa công suất máy đẩy (Anti-windup / Auxiliary state compensation) và giới hạn góc bẻ lái động.
  • Phát triển thuật toán điều khiển phối hợp bầy đàn (Swarm USVs tracking) trên cơ sở lý thuyết đồ thị đồng thuận và tránh va chạm thời gian thực theo quy tắc quốc tế về phòng ngừa đâm va trên biển (COLREGs).

Tác động và ảnh hưởng

Đề tài luận án mang lại giá trị tác động toàn diện trên các phương diện:

  • Tác động học thuật: Đóng góp hệ thống bài báo khoa học chất lượng cao trên các tạp chí và hội nghị chuyên ngành uy tín trong nước và quốc tế thuộc danh mục Scopus/VAK, thúc đẩy sự phát triển của phân ngành điều khiển thông minh ứng dụng trong kỹ thuật hàng hải tại Việt Nam.
  • Hiện đại hóa công nghiệp đóng tàu và tự động hóa biển: Cung cấp thuật toán lõi mã nguồn mở/bản quyền phục vụ phát triển các dòng USV nội địa phục vụ khảo sát địa vật lý biển, quan trắc môi trường sông hồ tự động, và hộ tống cứu nạn hàng hải.
  • Chủ quyền biển đảo và an ninh quốc phòng: Nâng cao năng lực tự chủ công nghệ điều khiển tự hành cho các khí tài hải quân không người lái của Quân đội Nhân dân Việt Nam, phục vụ hiệu quả chiến lược phát triển bền vững kinh tế biển kết hợp bảo vệ vững chắc chủ quyền biển đảo Tổ quốc theo Nghị quyết số 36-NQ/TW.

Đối tượng hưởng lợi

  1. Nghiên cứu sinh, Học viên cao học & Nhà khoa học chuyên ngành Tự động hóa: Tiếp cận một cấu trúc hoàn chỉnh từ biến đổi không gian trạng thái ma trận khối, thiết kế mặt trượt tầng, thuật toán thích nghi RBF, đến chứng minh toán học Lyapunov chặt chẽ cho hệ thống thiếu cơ cấu chấp hành.
  2. Kỹ sư R&D tại các Viện nghiên cứu và Doanh nghiệp Quốc phòng - Hàng hải: Ứng dụng trực tiếp cấu trúc điều khiển và bộ quan sát trạng thái vào việc lập trình firmware điều khiển cho các trạm điều khiển USV/tàu không người lái.
  3. Các cơ quan quản lý và cứu hộ hàng hải: Sở hữu giải pháp kỹ thuật tin cậy để triển khai các phương tiện tìm kiếm cứu nạn tự hành hoạt động chính xác trong điều kiện sóng to gió lớn nguy hiểm cho con người.

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì và đã mở rộng lý thuyết nào?

Đóng góp độc đáo nhất là việc phát triển thành công cấu trúc điều khiển trượt tầng thích nghi nơ-ron (AHSMC-RBF) cho mô hình USV 3 bậc tự do thiếu cơ cấu chấp hành. Luận án đã mở rộng lý thuyết điều khiển trượt tầng của Qian & Gao (2005) từ các hệ thống cơ học đơn giản sang lớp phương tiện thủy động lực học phi tuyến cao, liên kết chéo phức tạp, đồng thời tích hợp luật thích nghi Lyapunov trực tuyến bằng mạng RBF giúp loại bỏ triệt để giả định phi thực tế về việc phải biết trước biên trên của nhiễu.

2. Sự đổi mới về mặt phương pháp luận so với các nghiên cứu trước đây là gì?

So với các nghiên cứu của Hoàng Thị Tú Uyên (2020) (chỉ áp dụng cho hệ đủ cơ cấu chấp hành) và Do & Pan (2006) (yêu cầu đo trực tiếp toàn bộ vector vận tốc), luận án đã đổi mới toàn diện phương pháp luận bằng cách kết hợp bộ điều khiển trượt tầng với bộ quan sát vận tốc thích nghi tựa Luenberger. Phương pháp này cho phép hệ thống chỉ cần đọc dữ liệu định vị vị trí và góc hướng $(x, y, \psi)$ từ GPS/la bàn từ trường mà vẫn tái tạo chính xác trạng thái vận tốc và bù nhiễu ngoại sinh toàn diện.

3. Phát hiện nào gây bất ngờ nhất từ kết quả nghiên cứu định lượng?

Phát hiện bất ngờ nhất là khả năng triệt tiêu gần như hoàn toàn hiện tượng rung lắc (chattering) của tín hiệu điều khiển lực đẩy khi mạng RBF tham gia xấp xỉ hàm phi tuyến. Thay vì phải chấp nhận sự đánh đổi kinh điển giữa biên độ chuyển mạch và hiện tượng rung giật cơ khí, mạng RBF đã "gánh" đến hơn $90%$ tải trọng bất định động học, cho phép hệ số chuyển mạch trượt co về giá trị rất nhỏ mà vẫn giữ vững sai số bám quỹ đạo $< 0.08$ m trong điều kiện biển động mạnh.

4. Luận án có cung cấp quy trình tái lặp nghiên cứu (Replication Protocol) hoàn chỉnh không?

Hoàn toàn đầy đủ. Luận án trình bày chi tiết toàn bộ các ma trận mô hình động lực học ($M_{RB}, C_{RB}, M_A, C_A, D$), các thông số khí động học gió SNAME ($C_x, C_y, C_N$), phương trình phổ sóng Pierson-Moskowitz, thông số mạng RBF (số nút ẩn, tâm Gauss $\mu_i$, phương sai $\sigma_i$), ma trận hệ số học thích nghi $\Gamma$, và các hệ số khuếch đại mặt trượt ($\Lambda_1, \Lambda_2, c_1, c_2$), tạo điều kiện tuyệt đối cho cộng đồng khoa học tái lập và phát triển tiếp trên phần mềm MATLAB/Simulink.

5. Chương trình nghiên cứu 10 năm tiếp theo được định hình như thế nào?

Lộ trình 10 năm tập trung vào: (1) Hoàn thiện phần cứng nhúng và thử nghiệm thực địa biển; (2) Tích hợp thuật toán điều khiển thích nghi thông minh vào bài toán bầy đàn USV phân tán (Swarm USVs); (3) Ứng dụng trí tuệ nhân tạo học tăng cường sâu (Deep Reinforcement Learning) kết hợp điều khiển trượt bền vững để USV có khả năng tự động thích nghi với các hỏng hóc cơ cấu chấp hành đột ngột (Fault-Tolerant Control).

Kết luận

Luận án tiến sĩ của nghiên cứu sinh Nguyễn Khắc Tuấn đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu và nhiệm vụ khoa học đặt ra, mang lại 5 đóng góp học thuật và thực tiễn nổi bật:

  1. Xây dựng và chuẩn hóa thành công mô hình toán học giải tích 3 bậc tự do cho USV thiếu cơ cấu chấp hành chịu tác động của hệ thống nhiễu biển ngẫu nhiên (phổ sóng Pierson-Moskowitz, lực khí động gió SNAME, dòng chảy tương đối Fossen).
  2. Đề xuất phương pháp biến đổi đại số ma trận khối, phân rã mô hình USV thành 2 hệ con có chung tín hiệu điều khiển, giải quyết triệt để rào cản toán học của hệ thiếu cơ cấu chấp hành.
  3. Tổng hợp thành công bộ điều khiển trượt tầng thích nghi (AHSMC) tích hợp mạng nơ-ron RBF, chứng minh tính ổn định tiệm cận toàn cục theo tiêu chuẩn Lyapunov và triệt tiêu hiện tượng rung giật tín hiệu điều khiển.
  4. Thiết kế bộ quan sát vận tốc thích nghi phi tuyến tựa Luenberger xấp xỉ nơ-ron, cho phép hệ thống điều khiển bám quỹ đạo chính xác cao mà không cần lắp đặt cảm biến đo vận tốc phần cứng.
  5. Kiểm chứng định lượng toàn diện trên MATLAB/Simulink, chứng minh tính vượt trội về độ chính xác (sai số vị trí $< 0.08$ m, giảm trên $90%$ so với HSMC truyền thống) và độ bền vững trước biến thiên tham số và nhiễu biển phức tạp.

Công trình tạo nền tảng lý thuyết vững chắc và mở ra các hướng phát triển công nghệ tự hành hóa hiện đại cho phương tiện hàng hải tại Việt Nam trong tương lai.