Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Mặt nước chiếm phần lớn diện tích bề mặt Trái Đất và giữ vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế biển cũng như bảo vệ an ninh quốc phòng. Trong những năm gần đây, phương tiện nổi tự hành (Unmanned Surface Vehicle - USV) nhận được sự quan tâm nghiên cứu và phát triển rộng rãi. Các lĩnh vực ứng dụng của USV trải dài từ dân sự đến quân sự, bao gồm khảo sát và khai thác tài nguyên biển, tìm kiếm cứu nạn, cứu hộ, thi công các công trình dưới nước (như lắp đặt hệ thống cáp, đường ống ngầm), cho đến việc phục vụ phóng thả và thu hồi các phương tiện ngầm.

Trong lĩnh vực điều khiển phương tiện hàng hải, bài toán điều khiển được phân chia thành ba phân nhánh chính theo mục đích ứng dụng:

  1. Điều khiển theo lộ trình hay đường dẫn (Path Following): Điều khiển phương tiện hội tụ và chuyển động theo một đường dẫn cho trước mà không có ràng buộc khắt khe về mặt thời gian.
  2. Điều khiển bám quỹ đạo (Tracking): Điều khiển phương tiện tiến đến và bám theo một quỹ đạo xác định gắn liền với các ràng buộc về thời gian thông qua việc điều khiển hệ thống đẩy.
  3. Điều khiển định vị động (Dynamic Positioning - DP): Duy trì vị trí và góc hướng của phương tiện tại một điểm làm việc cố định dưới tác động của các nhiễu môi trường.

Về mặt cấu trúc cơ khí, các phương tiện nổi có thể được chế tạo ở dạng đủ cơ cấu chấp hành (sử dụng máy đẩy dạng ống đa hướng hoặc máy đẩy đạo lưu Azimuth Thruster xoay 360 độ) hoặc dạng thiếu cơ cấu chấp hành (Underactuated). Nhằm mục đích tối ưu hóa kết cấu, tăng tính linh hoạt và giảm chi phí chế tạo, các phương tiện nổi cỡ vừa và nhỏ như USV thường được thiết kế ở dạng thiếu cơ cấu chấp hành với cấu hình hai máy đẩy đặt ở đuôi phương tiện. Cấu hình này chỉ cung cấp hai kênh điều khiển độc lập gồm lực đẩy tịnh tiến dọc và mô men quay trở quanh trục thẳng đứng, trong khi phương tiện phải điều khiển đồng thời ba bậc tự do trên mặt phẳng ngang (vị trí $x$, vị trí $y$ và góc hướng mũi $\psi$).

Mặt khác, USV là đối tượng có tính chất phi tuyến mạnh, các tham số mô hình thủy động lực học khó xác định chính xác và luôn chịu ảnh hưởng của các nhiễu loạn môi trường không biết trước như sóng biển, gió và dòng chảy. Khi hoạt động trong điều kiện này, các bộ điều khiển tuyến tính truyền thống (như PID, LQR) bộc lộ nhiều hạn chế và khó đảm bảo chất lượng bám quỹ đạo. Do đó, việc kết hợp các phương pháp điều khiển phi tuyến với các công cụ xấp xỉ vạn năng (mạng nơ-ron nhân tạo) và các bộ quan sát trạng thái thích nghi là hướng nghiên cứu cần thiết nhằm giải quyết bài toán điều khiển bám quỹ đạo cho USV thiếu cơ cấu chấp hành khi có sai lệch mô hình và nhiễu môi trường tác động.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là tập trung nghiên cứu các phương pháp điều khiển phi tuyến làm cơ sở đề xuất các bộ điều khiển bám quỹ đạo cho USV thiếu cơ cấu chấp hành hoạt động trong môi trường chịu ảnh hưởng của nhiễu.

Để đạt được mục tiêu nêu trên, luận án xác định ba nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Nhiệm vụ thứ nhất: Xây dựng mô hình toán học động học và động lực học cho USV, nghiên cứu cơ sở lý thuyết điều khiển phi tuyến và mạng nơ-ron nhân tạo làm nền tảng cho việc thiết kế hệ thống điều khiển.
  2. Nhiệm vụ thứ hai: Xây dựng bộ điều khiển phi tuyến bám quỹ đạo cho USV thiếu cơ cấu chấp hành, có khả năng khắc phục được nhiễu tác động với biên độ nhỏ.
  3. Nhiệm vụ thứ ba: Xây dựng bộ điều khiển thích nghi phi tuyến sử dụng mạng nơ-ron nhân tạo để điều khiển bám quỹ đạo cho USV thiếu cơ cấu chấp hành hoạt động trong môi trường có nhiễu tác động biên độ lớn và sai lệch mô hình.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Phương tiện nổi tự hành (USV) cấu hình thiếu cơ cấu chấp hành với 3 bậc tự do trên mặt phẳng ngang (chuyển động tịnh tiến dọc $u$, chuyển động dạt ngang $v$, chuyển động quay trở quanh trục đứng $r$) và 2 tín hiệu điều khiển đầu vào (lực đẩy tịnh tiến $\tau_x$ và mô men quay $\tau_z$).
  • Phạm vi nghiên cứu: Bài toán điều khiển USV chuyển động bám theo quỹ đạo đặt trước có ràng buộc thời gian trên môi trường mặt nước, chịu tác động của các yếu tố nhiễu môi trường bao gồm dòng chảy, gió và sóng biển.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu nền tảng và nghiên cứu quốc tế

Lý thuyết chuyển động của các phương tiện hàng hải dựa trên các nguyên lý cơ bản của cơ học chất lưu và động lực học vật rắn, khởi nguồn từ định luật đẩy Archimedes và các định luật chuyển động của Newton (1687). Quy chuẩn ký hiệu về vị trí, vận tốc, lực và mô men của phương tiện hàng hải 6 bậc tự do được chuẩn hóa theo Hiệp hội Kỹ thuật Hải quân và Hàng hải Hoa Kỳ (SNAME, 1950).

Trong quá trình phát triển mô hình toán học động lực học tàu thủy, nhiều mô hình kinh điển đã được đề xuất:

  • Mô hình điều vận tuyến tính hai bậc tự do (Sway - Yaw) cho tàu chuyển động với vận tốc tiến không đổi.
  • Mô hình Davidson và Schiff (1946): Tuyến tính hóa ma trận suy giảm thủy động lực học và bỏ qua khối lượng nước kèm ma sát chéo.
  • Mô hình Nomoto (1957): Mô tả quan hệ giữa góc bẻ lái bánh lái và vận tốc góc quay trở thông qua các hàm truyền bậc nhất và bậc hai.
  • Mô hình Norrbin (1963): Bổ sung các thành phần phi tuyến bậc cao của vận tốc góc quay trở vào phương trình lái tàu.
  • Mô hình Bech và Wagner Smith (1969): Mô tả đặc tính tự quay trở phi tuyến bậc hai của tàu thủy.
  • Công trình của Thor I. Fossen (1994, 2011, [55], [56]): Hệ thống hóa toàn diện mô hình động học, động lực học phi tuyến 6 bậc tự do của tàu thủy và phương tiện ngầm, mô hình tương tác thủy động lực học, phổ sóng Pierson-Moskowitz và mô hình nhiễu môi trường Gauss - Markov/Wiener.

Các công trình nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, các nghiên cứu về mô hình hóa và điều khiển phương tiện hàng hải đã ghi nhận nhiều công trình tiêu biểu:

  • Tác giả Nguyễn Hoài Nam [3]: Nghiên cứu mô hình, phân tích, thiết kế và thực thi hệ thống điều khiển cho các phương tiện tự hành dưới nước (AUV/UUV).
  • Tác giả Hoàng Thị Tú Uyên [6]: Phân tích động lực học và thiết kế thuật toán điều khiển cho mô hình tàu choán nước 3 bậc tự do đủ cơ cấu chấp hành, ứng dụng các kỹ thuật điều khiển phi tuyến như Backstepping, điều khiển trượt (SMC), điều khiển mặt động (DSC) và mạng nơ-ron nhân tạo.
  • Tác giả Ngô Trí Nam Cường [1]: Thiết kế bộ điều khiển thích nghi bền vững cho hệ thống tự động lái tàu dựa trên mô hình hàm truyền Nomoto, chỉ phản ánh mối quan hệ giữa góc bánh lái và hướng mũi tàu ở phương tiện có cơ cấu chân vịt - bánh lái truyền thống.
  • Tác giả Nguyễn Hữu Quyền [5]: Tiếp cận mô hình tàu có chân vịt và bánh lái dưới dạng hệ thiếu cơ cấu chấp hành, sử dụng phương pháp điều khiển dự báo theo mô hình (MPC) trên mô hình tuyến tính hóa từng đoạn kết hợp bộ ước lượng bù nhiễu thay đổi chậm, phù hợp với tàu cỡ lớn.
  • Tác giả Võ Hồng Hải [2]: Kết hợp bộ điều khiển PID với mạng nơ-ron nhân tạo để xấp xỉ mô hình bất định cho bài toán điều khiển theo lộ trình (Path Following) dựa trên mô hình Nomoto.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Mặc dù các công trình trong nước đã đạt được những kết quả nhất định, phần lớn nghiên cứu trước đây tập trung vào đối tượng tàu đủ cơ cấu chấp hành, phương tiện ngầm, hoặc tàu truyền thống sử dụng hệ thống chân vịt kết hợp bánh lái với mô hình tuyến tính hóa Nomoto phục vụ bài toán điều khiển lộ trình (Path Following). Chưa có công trình trong nước nào giải quyết trọn vẹn bài toán điều khiển bám quỹ đạo (Tracking) có ràng buộc thời gian cho USV thiếu cơ cấu chấp hành sử dụng cấu hình hai động cơ đẩy đặt ở đuôi, đồng thời tích hợp mạng nơ-ron xấp xỉ hàm bất định/nhiễu sóng gió và thiết kế bộ quan sát tốc độ thích nghi thay thế cảm biến đo vận tốc.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và các hệ tọa độ sử dụng

Luận án sử dụng khung phân tích cơ học vật rắn và thủy động lực học tàu thủy theo tiêu chuẩn SNAME (1950) với các hệ tọa độ quy chiếu:

  • Hệ tọa độ quán tính gắn với tâm Trái Đất ($i$-frame / ECI) và hệ tọa độ gắn cố định với Trái Đất ($e$-frame / ECEF).
  • Hệ tọa độ quy chiếu địa lý gắn tiếp tuyến mặt đất ($n$-frame / NED - North-East-Down): Trục $x_n$ hướng Bắc, $y_n$ hướng Đông, $z_n$ hướng vào tâm Trái Đất.
  • Hệ tọa độ gắn với thân phương tiện ($b$-frame): Gốc đặt tại trục đối xứng thân tàu; trục dọc $x_b$ hướng từ đuôi đến mũi, trục ngang $y_b$ hướng sang mạn phải, trục đứng $z_b$ hướng từ đỉnh xuống đáy.

Bảng chuyển động 6 bậc tự do của phương tiện hàng hải theo SNAME (1950):

Bậc tự do (DOF) Tên chuyển động Vị trí và góc Euler Vận tốc dài và vận tốc góc Lực và mô men
1 Tiến dọc (Surge) $x$ $u$ $X$
2 Dạt ngang (Sway) $y$ $v$ $Y$
3 Chìm/nổi đứng (Heave) $z$ $w$ $Z$
4 Lắc ngang (Roll) $\phi$ $p$ $K$
5 Lắc dọc (Pitch) $\theta$ $q$ $M$
6 Quay trở mũi (Yaw) $\psi$ $r$ $N$

Quan hệ động học giữa đạo hàm vị trí $\dot{\eta}_1 = [\dot{x}, \dot{y}, \dot{z}]^T$ và vận tốc $\nu_1 = [u, v, w]^T$ qua ma trận trực giao $J_1(\eta_2)$; giữa đạo hàm góc $\dot{\eta}_2 = [\dot{\phi}, \dot{\theta}, \dot{\psi}]^T$ và vận tốc góc $\nu_2 = [p, q, r]^T$ qua ma trận chuyển đổi $J_2(\eta_2)$.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa phân tích giải tích lý thuyết và mô phỏng số học:

  • Phương pháp lý thuyết điều khiển: Ứng dụng lý thuyết điều khiển phi tuyến hiện đại gồm phương pháp điều khiển trượt tầng (Hierarchical Sliding Mode Control - HSMC), lý thuyết điều khiển thích nghi, mạng nơ-ron nhân tạo hàm cơ sở xuyên tâm (Radial Basis Function - RBF) để xấp xỉ các thành phần bất định mô hình và nhiễu loạn môi trường ($\hat{F}$), và lý thuyết bộ quan sát trạng thái tựa Luenberger.
  • Phương pháp phân tích ổn định: Sử dụng tiêu chuẩn ổn định Lyapunov để phân tích và chứng minh tính ổn định tiệm cận của toàn bộ hệ thống kín (bộ điều khiển và bộ quan sát).
  • Phương pháp mô phỏng số: Thiết lập mô hình toán học và kiểm chứng các thuật toán điều khiển trên môi trường phần mềm Matlab - Simulink với các kịch bản quỹ đạo đường thẳng, đường cong trong điều kiện có và không có nhiễu môi trường.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ USV VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

Chương 1 thiết lập cơ sở mô hình hóa phương tiện hàng hải và biến đổi cấu trúc toán học của USV thiếu cơ cấu chấp hành nhằm phục vụ cho việc tổng hợp bộ điều khiển.

1. Mô hình động học và động lực học 3 bậc tự do của USV

Bỏ qua các chuyển động lắc dọc, lắc ngang và chuyển động đứng ($\phi = \theta = w = p = q = 0$), phương trình chuyển động của USV trên mặt phẳng ngang rút gọn về 3 bậc tự do với véc tơ vị trí $\eta = [x, y, \psi]^T$ và véc tơ vận tốc $\nu = [u, v, r]^T$: $$\dot{\eta} = J(\psi)\nu$$ $$M_{RB}\dot{\nu} + C_{RB}(\nu)\nu + N(\nu_r) = \tau + \tau_d$$

Trong đó:

  • Ma trận biến đổi động học $J(\psi)$: $$J(\psi) = \begin{bmatrix} \cos\psi & -\sin\psi & 0 \ \sin\psi & \cos\psi & 0 \ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix}$$
  • Ma trận quán tính thân tàu $M_{RB}$ và ma trận Coriolis $C_{RB}(\nu)$ với giả thiết khối tâm đặt trên trục dọc ($y_G = 0$): $$M_{RB} = \begin{bmatrix} m & 0 & 0 \ 0 & m & mx_G \ 0 & mx_G & I_z \end{bmatrix}$$
  • Thành phần thủy động lực học $N(\nu_r) = M_A\dot{\nu}r + C_A(\nu_r)\nu_r + D(\nu_r)\nu_r$, trong đó $\nu_r = [u - u_c, v - v_c, r]^T$ là vận tốc tương đối so với dòng chảy; $M_A$ là ma trận khối lượng nước kèm, $C_A(\nu_r)$ là ma trận Coriolis thủy động, $D(\nu_r)$ là ma trận suy giảm thủy động chứa các hệ số suy giảm tuyến tính ($X_u, Y_v, N_r$) và bậc hai ($X{u|u|}, Y_{v|v|}, N_{r|r|}$).
  • Véc tơ tín hiệu điều khiển từ hai động cơ đẩy mạn trái ($\tau_{port}$) và mạn phải ($\tau_{stbd}$): $$\tau = \begin{bmatrix} \tau_x \ 0 \ \tau_z \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \tau_{port} + \tau_{stbd} \ 0 \ \frac{B}{2}(\tau_{port} - \tau_{stbd}) \end{bmatrix}$$ Do lực đẩy ngang bằng không ($\tau_y = 0$), số lượng biến trạng thái cần điều khiển (3 biến: $x, y, \psi$) lớn hơn số lượng tín hiệu điều khiển (2 tín hiệu: $\tau_x, \tau_z$), khẳng định USV thuộc nhóm hệ thống thiếu cơ cấu chấp hành.

2. Biến đổi mô hình USV thành hai hệ thống con

Để áp dụng phương pháp điều khiển trượt tầng, tác giả thực hiện hoán vị biến trạng thái: $\eta_1 = [x, \psi]^T$, $\eta_2 = y$; $\nu_1 = [u, r]^T$, $\nu_2 = v$. Hệ phương trình được phân rã thành hai hệ con liên kết có chung tín hiệu điều khiển $\tau = [\tau_x, \tau_z]^T$: $$\begin{cases} \dot{\eta}_1 = J_1 \nu_1 + J_2 \nu_2 \ \dot{\eta}_2 = J_3 \nu_1 + J_4 \nu_2 \ \dot{\nu}_1 = f_1(\nu_r, \dot{\nu}_r, \nu) + M^{-1}\tau \ \dot{\nu}_2 = f_2(\nu_r, \dot{\nu}_r, \nu) - M_4^{-1}M_3 M^{-1}\tau \end{cases}$$ Trong đó $M = M_1 - M_2 M_4^{-1} M_3$ là ma trận khả nghịch; $J_1 = \begin{bmatrix} \cos\psi & 0 \ 0 & 1 \end{bmatrix}$, $J_2 = \begin{bmatrix} -\sin\psi \ 0 \end{bmatrix}$, $J_3 = [\sin\psi \quad 0]$, $J_4 = \cos\psi$; các hàm $f_1, f_2$ là các hàm phi tuyến trơn và khả vi.

3. Mô hình hóa các yếu tố nhiễu môi trường

  • Dòng chảy: Biểu diễn qua véc tơ vận tốc $\nu_c = [u_c, v_c, 0]^T$, tương tác trực tiếp vào hệ thống qua ma trận suy giảm thủy động $D(\nu_r)$ với giả thiết dòng chảy thay đổi chậm.
  • Gió: Xác định lực và mô men tác động $\tau_{wind} = [X_{wind}, Y_{wind}, N_{wind}]^T$ phụ thuộc vận tốc gió tương đối $V_r$, hướng gió $\gamma_r$, mật độ không khí $\rho_a$, diện tích cản gió dọc $A_T$, ngang $A_L$ và các hệ số khí động học $C_x, C_y, C_N$.
  • Sóng biển: Mô hình hóa phổ năng lượng sóng Pierson - Moskowitz với các tham số $A, B$ tính theo chiều cao sóng có nghĩa $H_s$ và chu kỳ sóng trung bình $T_z$. Lực và mô men sóng $\tau_{wave} = [X_{wave}, Y_{wave}, N_{wave}]^T$ gồm thành phần sóng bậc 1 và lực trôi sóng bậc 2 được sinh ra từ quá trình Wiener kết hợp nhiễu trắng Gaussian.

Chương 2: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT TẦNG THÍCH NGHI BÁM QUỸ ĐẠO TRÊN CƠ SỞ MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO

Chương 2 trình bày quy trình tổng hợp bộ điều khiển trượt tầng (HSMC) và bộ điều khiển trượt tầng thích nghi (AHSMC) tích hợp mạng nơ-ron RBF, đồng thời tiến hành mô phỏng đánh giá.

1. Tổng hợp bộ điều khiển trượt tầng (HSMC)

  • Cấu trúc sai lệch bám quỹ đạo được xác định dựa trên sai lệch vị trí $e_1, e_3$ và sai lệch vận tốc $e_2, e_4$ của hai hệ thống con.
  • Xây dựng mặt trượt cấp 1 cho từng hệ con: $S_1$ cho hệ con thứ nhất và $S_2$ cho hệ con thứ hai.
  • Thiết lập mặt trượt cấp 2 (mặt trượt tầng tổng hợp) $S = c_1 S_1 + c_2 S_2$ nhằm phối hợp đồng thời chuyển động của cả hai hệ thống con dưới tác động của tín hiệu điều khiển chung $\tau$.
  • Phân tích tính ổn định hệ thống bằng hàm Lyapunov bậc hai chứng minh sai lệch bám hội tụ về lân cận gốc tọa độ khi các tham số mô hình được xác định chính xác và biên độ nhiễu nhỏ.

2. Tổng hợp bộ điều khiển trượt tầng thích nghi nơ-ron (AHSMC)

Khi USV hoạt động trong điều kiện có sai lệch tham số mô hình lớn và nhiễu sóng, gió bất định $\tau_d$, thành phần bất định tổng hợp được xấp xỉ bằng mạng nơ-ron RBF: $$\hat{F}(x) = W^T h(x)$$ Trong đó $W$ là ma trận trọng số mạng nơ-ron, $h(x)$ là véc tơ hàm cơ sở xuyên tâm Gauss. Thuật toán thích nghi cập nhật trọng số $\dot{\hat{W}}$ được xây dựng từ đạo hàm hàm Lyapunov để bù trừ sai lệch mô hình và nhiễu ngoại cảnh trực tuyến.

3. Kết quả mô phỏng kiểm chứng

Mô phỏng được thực hiện trên Matlab - Simulink với hai kịch bản quỹ đạo:

  • Kịch bản quỹ đạo đường thẳng:
    • Khi không có nhiễu: Cả HSMC và AHSMC đều điều khiển USV bám sát quỹ đạo. Sai lệch vị trí $x, y$ nhanh chóng hội tụ về 0.
    • Khi có nhiễu sóng và gió lớn: Sai lệch vị trí theo phương $x$ và $y$ của bộ điều khiển HSMC bị dao động lớn; trong khi bộ điều khiển AHSMC nhờ cơ chế học thích nghi của mạng RBF đã khử đáng kể ảnh hưởng của nhiễu, giữ sai lệch bám trong phạm vi nhỏ, tín hiệu điều khiển mượt mà hơn.
  • Kịch bản quỹ đạo đường cong:
    • Khi không có nhiễu: Hai bộ điều khiển đáp ứng tốt các chỉ tiêu chất lượng bám vị trí, góc hướng mũi $\psi$ và vận tốc góc $r$.
    • Khi có nhiễu lớn: Bộ điều khiển AHSMC thể hiện chất lượng vượt trội so với HSMC thông qua việc giảm thiểu biên độ sai lệch bám trên cả hai trục tọa độ $x, y$, ổn định góc hướng và giữ đáp ứng vận tốc bám sát giá trị đặt.

Chương 3: TỔNG HỢP BỘ QUAN SÁT TỐC ĐỘ THÍCH NGHI CHO USV TRÊN CƠ SỞ MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO

Chương 3 tập trung thiết kế bộ quan sát trạng thái tốc độ thích nghi nhằm loại bỏ sự phụ thuộc vào các cảm biến đo vận tốc dài và vận tốc góc trên USV.

1. Thiết kế bộ quan sát tốc độ tựa Luenberger kết hợp mạng RBF

Trong thực tế, việc trang bị đầy đủ các cảm biến đo vận tốc chính xác (như DVL, con quay vi cơ điện tử tốc độ cao) trên các USV cỡ nhỏ gặp khó khăn do giới hạn không gian, tải trọng và giá thành. Dựa trên cấu trúc bộ quan sát trạng thái Luenberger, luận án đề xuất bộ quan sát tốc độ thích nghi sử dụng mạng nơ-ron RBF để ước lượng các thành phần phi tuyến chưa biết của mô hình và tác động của nhiễu.

Bộ quan sát sử dụng thông tin đo vị trí và hướng mũi tàu $\eta = [x, y, \psi]^T$ từ hệ thống định vị để ước lượng véc tơ vận tốc $\hat{\nu} = [\hat{u}, \hat{v}, \hat{r}]^T$. Thuật toán thích nghi đảm bảo sai lệch giữa giá trị vận tốc thực và vận tốc ước lượng hội tụ về 0 theo tiêu chuẩn Lyapunov.

2. Kết quả mô phỏng kiểm chứng

  • Đánh giá riêng bộ quan sát tốc độ:
    • Trong điều kiện không có nhiễu: Các thành phần vận tốc ước lượng $\hat{u}, \hat{v}, \hat{r}$ bám sát các giá trị vận tốc mô phỏng thực $u, v, r$, sai lệch quan sát triệt tiêu nhanh chóng.
    • Trong điều kiện có nhiễu sóng tác động: Bộ quan sát thích nghi lọc được dao động tần số cao, ước lượng chính xác xu hướng biến đổi của vận tốc dài theo phương $x$, phương $y$ và vận tốc góc quay trở $r$.
  • Đánh giá hệ thống điều khiển tích hợp (AHSMC kết hợp Bộ quan sát thích nghi):
    • Hệ thống tích hợp không sử dụng phản hồi vận tốc trực tiếp từ cảm biến mà sử dụng tín hiệu vận tốc ước lượng $\hat{\nu}$ từ bộ quan sát cung cấp cho bộ điều khiển AHSMC.
    • Kết quả mô phỏng bám quỹ đạo khẳng định hệ thống điều khiển tích hợp duy trì tính ổn định, sai lệch bám vị trí $x, y$ và sai lệch bám vận tốc hội tụ tốt ngay cả khi chịu tác động đồng thời của sai lệch mô hình và nhiễu sóng biển.

Kết quả và những đóng góp mới

Dựa trên các nội dung nghiên cứu đã thực hiện, luận án đạt được các kết quả và đóng góp mới về mặt khoa học và thực tiễn:

  1. Về mô hình hóa: Xây dựng hoàn chỉnh mô hình toán học động học và động lực học 3 bậc tự do cho USV thiếu cơ cấu chấp hành có xét đến tác động đồng thời của các yếu tố nhiễu môi trường (sóng biển theo phổ Pierson-Moskowitz, gió và dòng hải lưu). Đề xuất phương pháp biến đổi và phân rã mô hình USV thành hai hệ thống con liên kết có chung tín hiệu điều khiển, tạo điều kiện thuận lợi cho việc áp dụng kỹ thuật điều khiển trượt tầng.
  2. Về giải thuật điều khiển: Tổng hợp thành công bộ điều khiển trượt tầng thích nghi (AHSMC) trên cơ sở tích hợp mạng nơ-ron RBF. Thuật toán có khả năng xấp xỉ trực tuyến các thành phần bất định của mô hình tàu và nhiễu ngoại cảnh, khắc phục hiện tượng suy giảm chất lượng bám quỹ đạo của bộ điều khiển trượt tầng thông thường khi biên độ nhiễu lớn.
  3. Về kỹ thuật quan sát trạng thái: Thiết kế thành công bộ quan sát tốc độ thích nghi tựa Luenberger sử dụng mạng nơ-ron RBF, cho phép ước lượng chính xác véc tơ vận tốc 3 bậc tự do ($u, v, r$) từ tín hiệu đo vị trí và góc hướng, giúp hệ thống hoạt động ổn định mà không cần trang bị cảm biến đo vận tốc chuyên dụng.
  4. Về tính ứng dụng: Cung cấp giải pháp điều khiển bám quỹ đạo hoàn chỉnh cho USV thiếu cơ cấu chấp hành hai động cơ đẩy đuôi, có khả năng ứng dụng trong các nhiệm vụ dân sự (khảo sát địa hình, quan trắc môi trường biển, cứu hộ cứu nạn) và quân sự (tuần tra, trinh sát mặt nước).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Mô hình nghiên cứu của USV được xây dựng trên giả thiết chuyển động phẳng 3 bậc tự do (Surge, Sway, Yaw), các chuyển động lắc dọc (Pitch), lắc ngang (Roll) và chuyển động thẳng đứng (Heave) được bỏ qua. Giả thiết này phù hợp trong điều kiện sóng vừa và nhỏ nhưng chưa phản ánh đầy đủ trạng thái động lực học khi biển động cấp cao.
  • Toàn bộ kết quả đánh giá chất lượng của bộ điều khiển AHSMC và bộ quan sát tốc độ thích nghi mới dừng lại ở mức độ kiểm chứng bằng mô phỏng số học trên phần mềm Matlab - Simulink, chưa được thử nghiệm thực nghiệm trên mô hình vật lý hoặc phương tiện thực tế tại hiện trường mặt nước.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng mô hình động lực học của USV lên đầy đủ 6 bậc tự do có xét đến hiện tượng ghép kênh phi tuyến giữa chuyển động quay lắc và chuyển động dạt khi hoạt động trong điều kiện sóng biển phức tạp.
  • Triển khai cài đặt phần cứng, tích hợp thuật toán điều khiển thích nghi và bộ quan sát lên bo mạch nhúng để tiến hành thử nghiệm thực nghiệm trên mô hình USV thực tế trong bể thử và trên môi trường sông, biển.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu và hữu ích cho:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Robot, Kỹ thuật Hàng hải và Cơ điện tử: Cung cấp tài liệu hệ thống về phương pháp mô hình hóa phương tiện thủy, kỹ thuật trượt tầng (HSMC) cho hệ thiếu cơ cấu chấp hành, ứng dụng mạng nơ-ron RBF trong điều khiển thích nghi và thiết kế bộ quan sát trạng thái phi tuyến.
  • Giảng viên và các nhà nghiên cứu tại các viện nghiên cứu, trường đại học kỹ thuật: Tham khảo phương pháp phân rã mô hình phi tuyến MIMO thiếu cơ cấu chấp hành và kỹ thuật chứng minh ổn định Lyapunov cho hệ thống kín kết hợp mạng nơ-ron.
  • Kỹ sư thiết kế và phát triển hệ thống điều khiển phương tiện không người lái (USV/UUV): Ứng dụng cấu trúc thuật toán AHSMC và bộ quan sát tốc độ để xây dựng hệ thống phần mềm điều khiển dẫn đường tự động cho USV với chi phí cảm biến tối ưu.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao USV trong luận án lại được xếp vào nhóm đối tượng thiếu cơ cấu chấp hành?

USV được xem xét trong chuyển động mặt phẳng ngang có 3 bậc tự do cần điều khiển là vị trí dọc $x$, vị trí ngang $y$ và góc hướng mũi $\psi$. Tuy nhiên, phương tiện chỉ được trang bị 2 động cơ đẩy đặt song song ở mạn trái và mạn phải tại đuôi tàu, tạo ra 2 tín hiệu điều khiển độc lập là lực đẩy tịnh tiến dọc $\tau_x = \tau_{port} + \tau_{stbd}$ và mô men quay trở $\tau_z = \frac{B}{2}(\tau_{port} - \tau_{stbd})$, hoàn toàn không có cơ cấu tạo lực trực tiếp theo phương dạt ngang ($\tau_y = 0$). Do số lượng biến trạng thái cần điều khiển (3 biến) lớn hơn số lượng tín hiệu điều khiển độc lập (2 tín hiệu), hệ thống thuộc nhóm thiếu cơ cấu chấp hành (Underactuated).

2. Ý nghĩa của việc biến đổi mô hình động học và động lực học ở Chương 1 là gì?

Mô hình gốc 3 bậc tự do của USV có tính phi tuyến và liên kết chéo phức tạp giữa các kênh chuyển động. Việc hoán vị và nhóm lại các biến trạng thái ($\eta_1 = [x, \psi]^T, \eta_2 = y$ và $\nu_1 = [u, r]^T, \nu_2 = v$) cho phép phân rã mô hình toàn phần thành hai hệ thống con liên kết nhưng có chung tín hiệu điều khiển $\tau = [\tau_x, \tau_z]^T$. Cấu trúc hai hệ thống con này là điều kiện tiên quyết để thiết kế các mặt trượt cấp 1 và tổng hợp mặt trượt cấp 2 trong phương pháp điều khiển trượt tầng (HSMC).

3. Mạng nơ-ron nhân tạo RBF đảm nhận vai trò gì trong bộ điều khiển AHSMC ở Chương 2?

Trong điều kiện thực tế, các tham số mô hình thủy động lực học của USV (ma trận khối lượng nước kèm $M_A$, ma trận Coriolis $C_A$, ma trận suy giảm $D$) khó xác định chính xác và chịu thêm tác động của nhiễu sóng, gió không mô hình hóa được. Mạng nơ-ron RBF đóng vai trò là công cụ xấp xỉ vạn năng, tự động ước lượng thành phần hàm phi tuyến bất định tổng hợp $\hat{F}(x)$ trong thời gian thực. Tín hiệu này được đưa vào luật điều khiển để bù trừ sai lệch mô hình và triệt tiêu ảnh hưởng của nhiễu môi trường, giúp duy trì chất lượng bám quỹ đạo chính xác.

4. Tại sao cần thiết kế bộ quan sát tốc độ thích nghi ở Chương 3?

Việc trang bị các cảm biến đo vận tốc dài ($u, v$) và vận tốc góc ($r$) có độ chính xác cao làm tăng giá thành, kích thước và khối lượng của USV cỡ nhỏ. Bộ quan sát tốc độ thích nghi tựa Luenberger kết hợp mạng RBF được thiết kế để ước lượng toàn bộ véc tơ vận tốc $\hat{\nu} = [\hat{u}, \hat{v}, \hat{r}]^T$ chỉ dựa trên tín hiệu đo vị trí và góc hướng mũi từ hệ thống định vị, giúp loại bỏ sự phụ thuộc vào cảm biến vận tốc mà vẫn đảm bảo hệ thống điều khiển bám quỹ đạo hoạt động ổn định.

5. Luận án đã sử dụng những mô hình nhiễu môi trường nào trong quá trình mô phỏng?

Luận án đã mô hình hóa và đưa vào kiểm chứng ba yếu tố nhiễu môi trường biển chính:

  • Dòng chảy: Biểu diễn qua vận tốc dòng chảy $\nu_c = [u_c, v_c, 0]^T$ tác động vào ma trận suy giảm thủy động lực học $D(\nu_r)$.
  • Gió: Tính toán lực và mô men gió 3 bậc tự do ($\tau_{wind}$) dựa trên diện tích cản gió, vận tốc gió tương đối và các hệ số khí động học.
  • Sóng biển: Mô phỏng phổ sóng Pierson - Moskowitz với các tham số tính theo chiều cao sóng $H_s$ và chu kỳ sóng $T_z$, bao gồm sóng bậc 1 dao động tần số cao và lực trôi sóng bậc 2 biểu diễn bằng quá trình Wiener kết hợp nhiễu trắng Gaussian.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Khắc Tuấn đã giải quyết bài toán điều khiển bám quỹ đạo cho phương tiện nổi tự hành (USV) thiếu cơ cấu chấp hành hoạt động trong môi trường có sai lệch mô hình và nhiễu sóng, gió, dòng chảy. Bằng việc kết hợp phương pháp điều khiển trượt tầng, mạng nơ-ron RBF thích nghi và bộ quan sát tốc độ tựa Luenberger, luận án đã xây dựng thành công cấu trúc hệ thống điều khiển bám quỹ đạo không phụ thuộc cảm biến vận tốc. Các kết quả mô phỏng số học trên Matlab - Simulink trên các kịch bản quỹ đạo đường thẳng và đường cong đã kiểm chứng tính đúng đắn và khả năng kháng nhiễu của các thuật toán đề xuất.