Luận án tiến sĩ: Điều khiển phi tuyến và quan sát thông minh cho phương tiện lặn tự hành - ĐH Mỏ - Địa chất

Nghiên cứu xây dựng các thuật toán điều khiển phi tuyến và quan sát thông minh cho phương tiện lặn tự hành AUV 5 bậc tự do tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất.

• Tác giả: Ngô Sỹ Thanh Tùng
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Đức Khoát
• Trường học: Trường Đại học Mỏ - Địa chất
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Nghiên cứu xây dựng các thuật toán điều khiển phi tuyến và quan sát thông minh cho phương tiện lặn tự hành
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2026
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về điều khiển phi tuyến và quan sát thông minh cho AUV

Phương tiện lặn tự hành AUV đóng vai trò then chốt trong khảo sát đáy biển và khai thác tài nguyên đại dương. Đề tài nghiên cứu tại Đại học Mỏ - Địa chất tập trung hoàn thiện công nghệ tự hành cho thiết bị này. Phương tiện hoạt động trong không gian sáu bậc tự do. Môi trường nước biển luôn tồn tại sóng ngầm, dòng chảy siết và áp suất lớn. Những yếu tố này tạo ra lực cản phi tuyến nghiêm trọng lên thân vỏ. Bộ điều khiển tuyến tính truyền thống không còn đáp ứng độ chính xác mong muốn. Hệ thống đòi hỏi thuật toán điều khiển phi tuyến hiện đại. Thuật toán mới cần tích hợp cơ chế quan sát trạng thái thông minh. Mô hình toán học mô tả toàn diện chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay. Các tọa độ Euler xác định hướng di chuyển của thân tàu trong không gian. Bộ quan sát thu thập dữ liệu cảm biến và tái tạo các biến trạng thái bị thiếu. Nhờ đó, phương tiện duy trì quỹ đạo đặt trước một cách tin cậy. Nghiên cứu mở ra hướng đi bền vững cho việc chế tạo thiết bị lặn chuyên dụng trong nước.

1.1. Khái niệm và cấu trúc động học cơ bản của AUV

Phương tiện lặn tự hành AUV là robot ngầm vận hành độc lập không cần dây dẫn điều khiển. Cấu trúc động học của tàu bao gồm hệ tọa độ cố định Trái Đất và hệ tọa độ gắn liền thân BODY. Chuyển động của tàu phân bố trên sáu bậc tự do. Ba chuyển động tịnh tiến gồm dạt dọc surge, dạt ngang sway và dạt đứng heave. Ba chuyển động quay gồm lắc ngang roll, lắc dọc pitch và quay trở yaw. Vector trạng thái kết hợp vị trí không gian và góc quay Euler để xác định tư thế phương tiện. Ma trận chuyển đổi động học liên kết vận tốc góc với đạo hàm góc Euler. Sự biến đổi tọa độ này giúp hệ thống máy tính trung tâm theo dõi vị trí chính xác trong từng chu kỳ điều khiển.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu đề tài tại Đại học Mỏ Địa chất

Luận án tiến sĩ tại Đại học Mỏ - Địa chất giải quyết bài toán tự động hóa trong thăm dò địa chất biển. Mục tiêu trọng tâm là thiết kế thuật toán điều khiển quỹ đạo chịu tác động của nhiễu ngoài. Tác giả xây dựng mô hình toán học phản ánh chân thực các lực cản thủy động lực học. Nghiên cứu phát triển bộ quan sát trạng thái thông minh nhằm tái tạo vận tốc thực tế của phương tiện. Thuật toán giúp hệ thống khắc phục tình trạng thiếu hụt cảm biến đắt tiền dưới nước sâu. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết vững chắc cho các kỹ sư cơ điện tử. Đề tài góp phần khẳng định năng lực nghiên cứu công nghệ biển của nhà trường.

II. Thách thức điều khiển phi tuyến và quan sát trạng thái cho AUV

Điều khiển chuyển động AUV gặp nhiều trở ngại xuất phát từ đặc tính phi tuyến cao của thủy động lực học. Thân tàu di chuyển trong môi trường chất lỏng nhớt chịu tác động của lực nâng, lực cản và mô men khối lượng bổ sung. Các hệ số này liên tục thay đổi theo vận tốc và góc tấn của phương tiện. Đa phần các dòng AUV hiện đại là hệ thiếu cơ cấu chấp hành. Phương tiện có sáu bậc tự do nhưng chỉ sở hữu ba hoặc bốn chân vịt đẩy. Số lượng tín hiệu điều khiển ít hơn số bậc tự do cần kiểm soát. Tình trạng này tạo ra liên kết động học phức tạp và ràng buộc không holonomic. Bên cạnh đó, các cảm biến vận tốc ngầm chịu ảnh hưởng nặng nề bởi nhiễu âm thanh và độ trôi đo đạc. Tín hiệu đo thường xuyên gián đoạn hoặc sai lệch lớn tại vùng nước sâu. Bộ điều khiển thiếu thông tin vận tốc tức thời rất dễ mất ổn định. Việc ước lượng trạng thái chưa biết trở thành thách thức kỹ thuật lớn nhất đối với các nhà khoa học.

2.1. Vấn đề thiếu cơ cấu chấp hành và ràng buộc phi tuyến

Phần lớn các phương tiện lặn AUV không trang bị động cơ đẩy trên toàn bộ các trục chuyển động. Thiết kế này nhằm tiết kiệm không gian lắp đặt và bảo tồn dung lượng pin. Phương tiện chỉ tạo ra lực đẩy trực tiếp trên trục dọc cùng mô men quay lái. Các chuyển động dạt ngang và dạt đứng phụ thuộc hoàn toàn vào tác động gián tiếp từ vận tốc tiến. Mối quan hệ ghép kênh phi tuyến giữa các bậc tự do khiến hệ thống rất khó cân bằng. Ma trận khối lượng và quán tính liên kết chặt chẽ với ma trận Coriolis. Phương trình trạng thái phi tuyến làm vô hiệu hóa các thuật toán tuyến tính hóa quanh điểm cân bằng. Kỹ sư phải thiết kế thuật toán bù phi tuyến trực tiếp trên toàn miền hoạt động.

2.2. Ảnh hưởng của nhiễu hải lưu và thiếu hụt tín hiệu đo

Dòng chảy đại dương gây ra gia tốc nhiễu không xác định lên toàn bộ thân phương tiện lặn. Lực thủy động không lường trước làm sai lệch hành trình định sẵn của robot. Đồng thời, sóng vô tuyến suy giảm cực nhanh trong môi trường nước biển. Hệ thống định vị vệ tinh GPS hoàn toàn mất tác dụng khi AUV lặn sâu. Các thiết bị đo vận tốc âm học DVL hay la bàn hồi chuyển thường chịu nhiễu tích lũy. Giá thành của cảm biến độ chính xác cao rất đắt đỏ và cồng kềnh. Sai số đo kéo dài làm suy giảm chất lượng bám quỹ đạo của bộ điều khiển. Do đó, việc xây dựng thuật toán quan sát thông minh để ước lượng chính xác vận tốc là yêu cầu sống còn.

III. Giải pháp điều khiển phi tuyến và quan sát thông minh cho AUV

Luận án đề xuất giải pháp tích hợp giữa điều khiển thích nghi phi tuyến và bộ quan sát trạng thái thông minh. Cấu trúc điều khiển áp dụng kỹ thuật trượt cải tiến kết hợp phương pháp cuốn chiếu backstepping. Thuật toán này phân rã hệ thống bậc cao thành các chuỗi hệ thống con bậc thấp hơn. Các biến ảo được tạo ra để bù trừ từng thành phần phi tuyến của mô hình. Cơ chế thích nghi tự động cập nhật và ước lượng các hệ số thủy động chưa biết trong ma trận khối lượng. Song song với đó, bộ quan sát trạng thái mở rộng được thiết lập để khôi phục vận tốc thực. Bộ quan sát sử dụng mạng nơ-ron hoặc logic mờ để xấp xỉ các thành phần nhiễu bất định của dòng chảy ngầm. Tín hiệu ước lượng có tính hội tụ nhanh và triệt tiêu sai số đo đạc. Bộ điều khiển tiếp nhận tín hiệu từ bộ quan sát để tạo ra lực đẩy chính xác cho các chân vịt. Hệ thống duy trì tính ổn định tiệm cận theo tiêu chuẩn Lyapunov trên toàn bộ miền làm việc.

3.1. Thuật toán điều khiển trượt thích nghi và cuốn chiếu

Kỹ thuật cuốn chiếu backstepping kết hợp mặt trượt phân số giúp loại bỏ hiện tượng chattering trên cơ cấu chấp hành. Quá trình thiết kế xây dựng các hàm Lyapunov ứng với từng biến trạng thái con. Đạo hàm của hàm Lyapunov luôn được bảo đảm mang giá trị âm xác định. Luật thích nghi tham số trực tiếp tính toán độ lớn của lực cản phi tuyến theo thời gian thực. Nhờ đó, bộ điều khiển không đòi hỏi biết trước thông tin chính xác của ma trận động lực học. Thuật toán tạo ra tín hiệu điều khiển mượt mà tại các van tiết lưu và cánh lái. Phương tiện duy trì góc chúc đầu pitch và hướng quay yaw ổn định ngay cả trong điều kiện dòng xoáy khắc nghiệt.

3.2. Thiết kế bộ quan sát thông minh ước lượng vận tốc ngầm

Bộ quan sát trạng thái thông minh hoạt động độc lập nhằm ước lượng vận tốc dài và vận tốc góc của AUV. Mạng nơ-ron hàm RBF được nhúng vào cấu trúc quan sát để bù trừ thành phần bất định chưa mô hình hóa. Bộ lọc Kalman mở rộng phối hợp xử lý dữ liệu vị trí thô từ các mốc âm thanh cố định. Thuật toán lọc bỏ thành phần nhiễu tần số cao do sóng biển gây ra. Các sai số ước lượng hội tụ về lân cận gốc tọa độ trong thời gian hữu hạn. Tín hiệu đầu ra cung cấp đầy đủ vector vận tốc phục vụ mạch hồi tiếp điều khiển kín. Giải pháp này giúp phương tiện vận hành chính xác mà không cần lắp đặt cụm cảm biến DVL đắt tiền.

IV. Ứng dụng điều khiển phi tuyến và quan sát thông minh cho AUV

Các kết quả nghiên cứu trong luận án tại Đại học Mỏ - Địa chất mang giá trị thực tiễn to lớn trong ngành kỹ thuật biển. Thuật toán đề xuất đã được kiểm chứng qua mô phỏng số và thử nghiệm phần cứng trong vòng lặp. Độ chính xác bám quỹ đạo của AUV tăng đáng kể khi hoạt động dưới tác động của dòng hải lưu mạnh. Sai số vị trí và vận tốc được giữ trong giới hạn cho phép của các nhiệm vụ hải dương học. Công nghệ điều khiển phi tuyến kết hợp quan sát thông minh cho phép AUV thực hiện nhiều nhiệm vụ phức tạp. Thiết bị có thể quét địa hình đáy biển, lập bản đồ khoáng sản và kiểm tra kết cấu công trình ngầm dầu khí. Khả năng tự chủ cao giảm thiểu rủi ro tai nạn cho thợ lặn trong môi trường nguy hiểm. Ngoài ra, thuật toán mở ra tiềm năng lớn phục vụ công tác an ninh quốc phòng và giám sát chủ quyền biển đảo. Nghiên cứu khẳng định bước tiến làm chủ công nghệ robot ngầm tự hành của các nhà khoa học trong nước.

4.1. Khảo sát địa chất và thăm dò tài nguyên đáy biển

Trong lĩnh vực địa chất, AUV trang bị thuật toán điều khiển mới hoạt động hiệu quả tại các vùng nước sâu. Thiết bị di chuyển sát tầng đáy với khoảng cách ổn định để thu thập ảnh quét địa tầng phân giải cao. Khả năng bám đường bão hòa giúp robot không bị lệch hướng khi gặp các khe nứt địa hình hiểm trở. Bộ quan sát thông minh duy trì tính toán vị trí chuẩn xác trong nhiều giờ làm việc liên tục. Dữ liệu địa vật lý thu nhận có độ tin cậy vượt trội, hỗ trợ đắc lực công tác đánh giá trữ lượng khoáng sản rắn và khí hydrate. Đây là bước đột phá kỹ thuật phục vụ chiến lược kinh tế biển.

4.2. Giám sát công trình dầu khí và an ninh quốc phòng biển

Hệ thống điều khiển phi tuyến bảo đảm cho AUV tự động tuần tra bám sát tuyến ống dẫn dầu khí ngầm. Phương tiện kịp thời phát hiện rò rỉ hoặc hiện tượng xói lở chân đế giàn khoan ngoài khơi. Tính năng vận hành linh hoạt cho phép robot luồn lách qua các cụm van khai thác phức tạp dưới đáy đại dương. Đối với an ninh quốc phòng, AUV thực hiện nhiệm vụ trinh sát tầm xa và rà phá chướng ngại vật ngầm. Tàu lặn vận hành êm ái, khó bị phát hiện bởi hệ thống thủy âm đối phương. Ứng dụng thành công thuật toán góp phần nâng cao năng lực bảo vệ vùng đặc quyền kinh tế quốc gia.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG TIỆN LẶN TỰ HÀNH VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HIỆN NAY 1. Tổng quan về phương tiện lặn tự hành và nguyên lý chuyển động 1. Tổng quan về đối tượng điều khiển Phương tiện lặn tự hành AUV (Autonomous Underwater Vehicle) là phương tiện tự động hóa được thiết kế để hoạt động dưới nước mà không cần sự điều khiển trực tiếp của con người. Với khả năng vận hành độc lập, các AUV đã và đang đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như thăm dò địa chất đáy biển, nghiên cứu sinh thái biển, giám sát môi trường, khảo sát tài nguyên dưới đáy đại dương và thực hiện các phép đo chuyên sâu.

Tùy thuộc vào chức năng và mục tiêu ứng dụng, AUV được chia thành nhiều loại: loại đa nhiệm có thể đảm nhận cùng lúc nhiều tác vụ [16]; loại chuyên dụng cho hải quân nhằm phục vụ các hoạt động quân sự như dò mìn, tuần tra và giám sát dưới nước [15]; loại phục vụ cho nghiên cứu khoa học trong các chiến dịch khảo sát biển sâu [23]; và loại công nghiệp dùng để kiểm tra, bảo trì cơ sở hạ tầng ngầm như ống dẫn dầu, hệ thống cáp ngầm và trụ cầu [24]. Các thiết bị này thường được trang bị một tổ hợp các cảm biến hiện đại như sonar, camera, hệ thống định vị quán tính và các thiết bị đo lường để thu thập thông tin môi trường và hỗ trợ quá trình điều hướng. Nhờ ưu điểm về độ an toàn, chi phí vận hành thấp và không yêu cầu hệ thống hỗ trợ sự sống như phương tiện có người lái, AUV đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong cả khu vực dân sự và quốc phòng [16], [17], [20], [22]. Không chỉ giúp giảm thiểu rủi ro cho con người khi làm việc trong môi trường biển sâu đầy nguy hiểm, các AUV còn giúp tiết kiệm thời gian và tài chính nhờ thiết kế nhỏ gọn và khả năng tự vận hành hiệu quả trong thời gian dài [16], [14].

Tuy nhiên, để đảm bảo khả năng hoạt động ổn định và chính xác trong điều kiện biển động phức tạp, việc thiết kế hệ thống điều khiển cho AUV đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật. Không chỉ bị chi phối bởi đặc tính phi tuyến mạnh và sự không chắc chắn trong các tham số mô hình - vốn khó đo đạc trực tiếp, AUV còn chịu ảnh hưởng liên tục bởi các yếu tố môi trường khó tiên lượng như dòng hải lưu, sóng biển, 7 nhiễu do chính hệ thống đẩy gây ra, hoặc xáo trộn từ áp lực nước xung quanh thân thiết bị. Các yếu tố này không chỉ làm biến đổi đặc tính hệ thống theo thời gian mà còn gây ra những tác động bất định lên bộ điều khiển, đòi hỏi các chiến lược điều khiển phải có khả năng thích nghi cao, tính bền vững tốt và phù hợp với từng cấu trúc cụ thể của AUV [14], [16]. Trong kỷ nguyên vươn mình của dân tộc, Việt Nam sở hữu đường bờ biển dài hơn 3.000 km cùng vùng lãnh hải rộng lớn với nhiều quần đảo [2], tạo điều kiện thuận lợi cho việc ứng dụng AUV vào các lĩnh vực kinh tế, khoa học và quốc phòng.

Trong bối cảnh ngành kinh tế biển ngày càng đóng vai trò quan trọng, nhu cầu sử dụng các phương tiện tự hành dưới nước ngày càng tăng - từ khai thác tài nguyên biển, nghiên cứu sinh học đại dương, cảnh báo thiên tai, đến vận hành thiết bị quân sự dưới nước [15]. Hơn nữa, việc tận dụng tài nguyên biển đã được xác định là nhiệm vụ trọng tâm trong giai đoạn phát triển kinh tế 2025-2030. Một số ngành công nghiệp như đóng tàu, kỹ thuật dưới nước và khai thác biển đang được đầu tư mạnh, tuy nhiên vẫn phụ thuộc nhiều vào thiết bị nhập khẩu, đặc biệt là các hệ thống điều khiển tự động. Điều này không chỉ làm tăng chi phí mà còn dẫn đến sự phụ thuộc công nghệ trong các lĩnh vực nhạy cảm như quốc phòng.

Do đó, việc nghiên cứu và sản xuất AUV trong nước sẽ giúp nâng cao tính chủ động, giảm chi phí nhập khẩu và tăng khả năng tự lực về công nghệ. Một số trường đại học, cao đẳng trong nước đã bước đầu phát triển hệ thống lái tự động, nhưng để sản phẩm có thể ứng dụng công nghiệp rộng rãi, cần chú trọng đến tiêu chuẩn thiết kế, khả năng tái sử dụng và tùy biến mô -đun điều khiển nhằm tiết kiệm chi phí và thời gian phát triển [2]. Ở nước ta, việc xem xét sử dụng các chuẩn dùng để phân tích thiết kế hệ thống điều khiển, tái sử dụng và tùy biến các mô-đun điều khiển đã phát triển nhưng vẫn còn hạn chế. Do đó việc nâng cao chất lượng điều khiển, phát triển các thuật toán điều khiển có vai trò hết sức quan trọng.

Nguyên lý của chuyển động 1. Các hệ trục toạ độ 8 Trước khi tiến hành những nghiên cứu cơ bản về chuyển động của phương tiện lặn tự hành, cần thiết phải đề cập đến những hệ tọa độ cơ bản trong chuyển động của AUV. Có thể nói rằng, tất cả chuyển động của phương tiện lặn tự hành (AUV) về mặt động học và động lực học thì đều xác định thông qua hệ thống các hệ trục toạ độ. Khi đó mọi chuyển động của phương tiện lặn tự hành (AUV) sẽ quy về chuyển động của hệ trục toạ độ.

Trong lĩnh vực hàng hải nói chung và lĩnh vực nghiên cứu về phương tiện lặn tự hành (AUV) nói riêng, các hệ trục toạ độ sau đây thường được sử dụng: a. Hệ trục tọa độ ECEF ( The Earth-Centered Earth-Fixed) i = ( xi , yi , zi ) là hệ trục tọa độ quán tính được sử dụng để mô tả định hướng trong không gian cố định so với Trái Đất, trong đó các định luật chuyển động của Newton được áp dụng trực tiếp. Hệ này thường là cơ sở cho các hệ thống định hướng quán tính. Gốc tọa độ, ký hiệu i , được đặt tại tâm Oi của Trái Đất, như minh họa trong Hình 1.

Hệ trục tọa độ ECEF (the Earth-Centered Earth-Fixed) [1] Hệ tọa độ ECEF có gốc tọa độ Oe trùng với tâm của Trái Đất, tuy nhiên các trục của nó quay tương đối so với hệ tọa độ quán tính gắn với không gian (ECI – Earth-Centered Inertial) với vận tốc góc là e = 7, 292110−5 rad/s. Trong nhiều ứng dụng có vận tốc di chuyển tương đối thấp, tác động của chuyển động quay Trái Đất 9 có thể được xem là không đáng kể, do đó hệ e có thể được giả định như một hệ quán tính. Tuy vậy, khi nghiên cứu các hiện tượng như sự trôi của tàu theo thời gian, ảnh hưởng của sự quay Trái Đất không thể bỏ qua. Hệ tọa độ e thường được sử dụng trong các bài toán định hướng, dẫn đường và điều khiển ở quy mô toàn cầu, điển hình như mô tả chuyển động và vị trí của phương tiện khi di chuyển xuyên lục địa [1].

Hệ trục tọa độ NED (the North-East-Down) Hệ tọa độ này là hệ quy chiếu được sử dụng phổ biến trong các mô tả vị trí thường ngày. Gốc tọa độ On của hệ được xác định liên quan đến mặt ellipsoid tham chiếu của Trái Đất. Trong ngữ cảnh điều hướng hàng hải, hệ này thường được xem như một mặt phẳng tiếp tuyến với bề mặt Trái Đất tại vị trí tức thời của AUV, đồng thời di chuyển cùng thiết bị, tuy nhiên các trục tọa độ không trùng với hệ trục cố định gắn trên thân AUV. Cụ thể, trục x được định hướng về phía Bắc (North), trục y hướng về phía Đông (East), còn trục z vuông góc và hướng xuống tâm Trái Đất (Down) [5].

Với các phương tiện hoạt động trong phạm vi hẹp, nơi vĩ độ và kinh độ gần như không thay đổi đáng kể, có thể giả định bề mặt Trái Đất là phẳng và sử dụng mặt phẳng tiếp tuyến để định vị. Trong trường hợp đó, hệ tọa độ NED được xem như hệ quy chiếu quán tính, cho phép áp dụng trực tiếp các định luật Newton. Ngoài ra, trong nhiều tài liệu, hệ tọa độ này còn được gọi tắt là Earth Coordinate System. Hệ trục tọa độ BODY của AUV (Body-Fixed Reference Frame) Hình 1.

Hệ trục toạ độ BODY Hệ tọa độ BODY b = ( u, v, w ) với gốc Ob là một hệ quy chiếu chuyển động cùng với AUV, nhưng được gắn cố định tương đối so với thân phương tiện. 10 Trong khi vị trí và hướng của AUV được biểu diễn so với hệ tọa độ quán tính (thường trong hệ NED hoặc ECEF), thì vận tốc tuyến tính và vận tốc góc của nó lại được mô tả trong hệ tọa độ gắn trên thân, gọi là Body-Fixed. Gốc Ob thường được lựa chọn đặt tại điểm giữa thân AUV [3]. Đối với các phương tiện hàng hải nói chung và AUV nói riêng, hệ tọa độ Body thường được quy ước như Hình 1.1b: • Trục u : trục dọc theo phương chuyển động chính của tàu, hướng từ đuôi đến mũi tàu.

• Trục v : trục ngang, hướng từ mạn trái sang mạn phải. • Trục w : trục thẳng đứng, vuông góc với mặt phẳng u − v , hướng từ phần trên xuống đáy tàu. Nguyên lý của chuyển động của phương tiện lặn tự hành Trong phần này, luận án tập trung trình bày cơ bản về một số đặc điểm chuyển động của AUV, đồng thời với đó là cách điều hướng của AUV. Động học của chuyển động Hình 1.

Minh họa chuyển động của AUV trong các hệ trục tọa độ tại một thời điểm bất kì, [1] Phương tiện lặn tự hành thường được mô hình hóa dựa trên thiết kế cơ khí, sử dụng các định luật của cơ học cổ điển về động học và động lực học. Động học là một phạm trù của cơ học quan tâm tới khía cạnh chuyển động của AUV trên phương diện hình học, không xét đến lực tác dụng hoặc sự biến dạng về cấu trúc của vật thể trong quá trình chuyển động. Trong khi đó, động lực học giải quyết bài toán gia tốc chuyển 11 động khi xem xét nguyên nhân gây ra chuyển động là lực tác động của từ chân vịt hoặc lực tác động từ bên ngoài [12], [14], [20], [22], [24]. Để xây dựng mô hình toán học cho AUV, một điều bắt buộc là phải xem xét đối tượng AUV trong không gian như một robot có 6 bậc tự do độc lập (6 Degree-of- Freedom (DOF)) tương ứng với 6 chuyển động độc lập khác nhau.

Trong các chuyển động đó, có 3 bậc tự do dùng để xác định vị trí của AUV và 3 bậc tự do còn lại xác định hướng của AUV trong một thời điểm nhất định.