Tổng quan nghiên cứu

Phương tiện mặt nước không người lái (Unmanned Surface Vehicle - USV) đang khẳng định vị thế chiến lược trong giám sát môi trường, lập bản đồ đáy biển, cứu nạn cứu hộ và tuần tra an ninh hàng hải. Tại Việt Nam, với hơn 3260 km đường bờ biển cùng mạng lưới sông ngòi và ao hồ dày đặc, tiềm năng ứng dụng USV là vô cùng to lớn. Tuy nhiên, việc vận hành USV trong môi trường thực tế đối mặt với thách thức nghiêm trọng từ các yếu tố không chắc chắn, bao gồm nhiễu động sóng, gió, dòng chảy và sự biến đổi của các thông số động lực học chưa được mô hình hóa đầy đủ.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa (mã số 8520216) của tác giả Nguyễn Lê Phúc Minh, thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Trần Ngọc Huy tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM, tập trung giải quyết bài toán quy hoạch và điều khiển chuyển động cho USV. Mục tiêu trọng tâm của công trình là xây dựng một hệ thống hoàn chỉnh có khả năng quy hoạch quỹ đạo ngắn nhất qua nhiều điểm mốc (waypoint), làm trơn đường đi đạt chuẩn liên tục hình học G2 bằng xoắn ốc Fermat, và thiết lập luật dẫn hướng kết hợp bộ điều khiển trượt thích nghi (ASMC).

Nghiên cứu được triển khai thực hiện từ tháng 09 năm 2023 đến tháng 05 năm 2024, tập trung vào phạm vi môi trường nước tĩnh có chướng ngại vật biết trước, áp dụng trên mô hình tàu tự hành Cybership II có khối lượng 23.046 kg với số lượng điểm mốc lên đến 20 điểm. Kết quả nghiên cứu đóng góp giải pháp điều khiển bền vững, giúp rút ngắn khoảng 35.60% chiều dài lộ trình so với phương pháp phân giải đơn cấp và triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng rung giật cơ cấu chấp hành, tạo bước đệm kỹ thuật vững chắc cho việc làm chủ công nghệ tàu không người lái tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết động lực học tàu thủy 3 bậc tự do (3-DOF gồm chuyển động dọc surge, chuyển động ngang sway và chuyển động quay yaw) theo tiêu chuẩn của Fossen. Mô hình toán học tích hợp đầy đủ ma trận khối lượng quán tính, lực Coriolis và ma trận suy giảm thủy động lực học, đồng thời gộp các thành phần động lực học chưa biết và nhiễu sóng gió thành các vector bất định bị chặn.

Về mặt quy hoạch quỹ đạo, đề tài ứng dụng lý thuyết đường cong Dubins để giải bài toán người bán hàng rong Dubins (Dubins Travelling Salesman Problem - DTSP) với ràng buộc bán kính xoay vòng tối thiểu 2.0 m. Đối với yêu cầu làm trơn, luận văn áp dụng lý thuyết hình học vi phân về độ trơn liên tục G0, G1, G2 kết hợp phương trình tham số của đường xoắn ốc Fermat có dạng bán kính tỷ lệ với căn bậc hai của góc quay. Độ cong của xoắn ốc Fermat đạt cực đại xác định tại góc quay xấp xỉ 0.823 rad, cho phép thiết lập biểu thức giải tích dạng đóng để kết nối trơn tru giữa các đoạn thẳng và cung xoắn ốc.

Ở khâu điều khiển, lý thuyết điều khiển phi tuyến và tiêu chuẩn ổn định Lyapunov được áp dụng để thiết kế bộ điều khiển trượt thích nghi (ASMC). Cấu trúc này cho phép tự động điều chỉnh độ lợi thích nghi nhằm bù trừ các tác động không chắc chắn mà không cần biết trước cận trên của nhiễu.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số thực nghiệm trên nền tảng MATLAB và Simulink. Dữ liệu thử nghiệm quy hoạch quỹ đạo được xây dựng từ tập hợp mẫu ngẫu nhiên gồm 20 điểm mốc phân bố đều trong không gian làm việc kích thước 50 m x 50 m. Quy trình kiểm chứng được lặp lại qua 20 lần thử độc lập cho mỗi cấu hình để đảm bảo tính hội tụ và ý nghĩa thống kê của dữ liệu.

Phương pháp tối ưu hóa hai mức phân giải góc hành trình (mức thấp gồm 16 góc và mức cao lên tới 512 hoặc 1024 góc) kết hợp biến đổi Noon-Bean được lựa chọn nhằm chuyển bài toán DTSP thành bài toán người bán hàng rong bất đối xứng (ATSP). Thuật toán mặt phẳng cắt Dantzig-Fulkerson-Johnson được áp dụng nhằm loại bỏ triệt để các chu trình con (sub-tour) mà không làm bùng nổ không gian tìm kiếm.

Để giải bài toán tiếp tuyến chung cho đường cong nội suy ba đoạn Fermat, phương pháp hạ độ dốc (Gradient Descent) kết hợp chặn biên bước nhảy Jacobi được thiết lập. Toàn bộ chu trình từ quy hoạch, dẫn hướng đường nhìn trước (LOS) thích ứng đến lọc xung tín hiệu đạo hàm được thực hiện liên tục trong khoảng thời gian nghiên cứu 9 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thuật toán quy hoạch đường đi DTSP hai mức phân giải đã tối ưu hóa vượt trội độ dài quỹ đạo. Khi tăng mức phân giải góc hành trình từ 4 lên 256, chiều dài quỹ đạo chuẩn hóa trung bình giảm mạnh từ 1.0000 xuống 0.6440, tương đương mức tiết kiệm 35.60% tổng quãng đường di chuyển và loại bỏ hoàn toàn các đoạn vòng cung không cần thiết quanh điểm mốc.

Phương pháp làm trơn quỹ đạo bằng đường cong nội suy 3 đoạn xoắn ốc Fermat bảo đảm độ trơn đạt chuẩn G2, với độ cong biến thiên liên tục trong khoảng từ 0 đến 0.5 m-1. Quỹ đạo mới đi qua chính xác 100% các điểm mốc tọa độ và duy trì khoảng cách an toàn tuyệt đối với vật cản có bán kính 4.0 m.

Thuật toán cửa sổ tìm kiếm trượt với độ rộng cửa sổ 12 điểm lấy mẫu đã giải quyết dứt điểm hiện tượng nhảy điểm tham chiếu trên các quỹ đạo không lồi. Nhờ đó, sai số bám ngang (cross-track error) của USV luôn được duy trì dưới mức 0.05 m trong suốt hành trình.

Bộ điều khiển trượt thích nghi ASMC kết hợp bộ lọc chống xung đạo hàm bậc cao đã giảm biên độ vọt lố của mô-men quay yaw từ 15.8 Nm xuống dưới 4.2 Nm, triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng chattering tần số cao và duy trì vận tốc dọc ổn định ở mức 1.2 m/s ngay cả khi chịu tác động của thành phần bất định.

Thảo luận kết quả

Sự vượt trội về độ dài quỹ đạo đạt được là nhờ khâu tối ưu hóa mức cao bằng thuật toán Dijkstra đã bù đắp số lượng góc tiếp cận bị thiếu hụt ở mức phân giải thấp, đưa vector hướng di chuyển tiệm cận nghiệm tối ưu toàn cục.

So với phương pháp làm trơn góc nhọn truyền thống của một nghiên cứu gần đây vốn khiến tàu bị lệch khỏi điểm mốc từ 0.8 m đến 1.5 m và có nguy cơ đi vào vùng nguy hiểm của vật cản, phương pháp đường cong chuyển tiếp ba đoạn Fermat trong luận văn đã bảo toàn tính nội suy tại các điểm waypoint.

Dữ liệu mô phỏng được tổng hợp rõ nét qua bảng ma trận độ dài chuẩn hóa và các đồ thị đáp ứng động học. Trên biểu đồ sai số bám theo thời gian, quỹ đạo của bộ điều khiển ASMC nhanh chóng hội tụ về 0 m sau 4.5 giây đầu tiên. Các xung tín hiệu delta Dirac tại điểm chuyển tiếp được bộ lọc triệt tiêu hoàn hảo, giúp tín hiệu điều khiển gửi tới cơ cấu chấp hành luôn mượt mà và nằm trong ngưỡng giới hạn vật lý của động cơ.

Đề xuất và khuyến nghị

Tích hợp hệ thống cảm biến nhận dạng thời gian thực: Đội ngũ kỹ sư điều khiển cần trang bị thêm các cụm cảm biến LiDAR 3D và Radar hàng hải trên thân tàu nhằm phát hiện chướng ngại vật động với thời gian đáp ứng dưới 0.20 giây trong bán kính quét 50 m, dự kiến triển khai thử nghiệm trong quý 3 năm 2024.

Thực nghiệm thực địa trên mô hình phần cứng thu nhỏ: Phòng thí nghiệm VIAM Lab và nhóm nghiên cứu nên tiến hành thử nghiệm giải thuật ASMC trên mẫu USV dài 1.5 m tại môi trường nước hở như hồ Đá ĐHQG-HCM, đánh giá khả năng kháng nhiễu thực tế khi có tác động của sóng gió cấp 2 đến cấp 3 trong vòng 6 tháng tới.

Tối ưu hóa mã nguồn thuật toán nhúng: Các chuyên viên lập trình hệ thống nhúng cần biên dịch toàn bộ thuật toán quy hoạch DTSP và hạ độ dốc xoắn ốc Fermat sang ngôn ngữ C++ để nạp trực tiếp vào các kit xử lý như Jetson Nano hoặc Raspberry Pi 4, đặt mục tiêu kéo giảm độ trễ tính toán quỹ đạo xuống dưới 15 ms trước tháng 12 năm 2024.

Mở rộng chứng minh giải tích tính ổn định của bộ lọc xung: Nhóm nghiên cứu thuộc bộ môn Kỹ thuật Điều khiển cần tiếp tục phát triển khung toán học giải tích chặt chẽ để chứng minh tính ổn định vòng kín theo tiêu chuẩn Lyapunov cho hệ thống khi kết hợp bộ lọc chống xung phi tuyến, hoàn thành công bố trong năm 2025.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Tự động hóa: Tài liệu cung cấp cơ sở lý thuyết chuẩn mực về mô hình hóa động lực học tàu thủy 3 bậc tự do, phương pháp thiết kế bộ điều khiển phi tuyến ASMC và giải thuật tối ưu hóa DTSP qua 20 điểm mốc.

Kỹ sư phát triển robot và thiết bị tự hành hàng hải: Vận dụng trực tiếp cấu trúc hệ thống 5 khâu cùng giải thuật làm trơn G2 bằng xoắn ốc Fermat vào quy trình thiết kế các dòng tàu không người lái thương mại phục vụ khảo sát thủy văn trên các tuyến hải trình dài hơn 100 hải lý.

Cán bộ kỹ thuật thuộc lực lượng cứu nạn và tuần tra biển: Tham khảo mô hình điều khiển bền vững kháng nhiễu sóng gió cấp 3 để trang bị cho các phương tiện rà phá chướng ngại vật ngầm, vận chuyển trang thiết bị y tế và trinh sát cứu trợ vùng ngập lụt.

Doanh nghiệp công nghệ môi trường và đo đạc trắc địa: Khai thác giải pháp quy hoạch đường đi tối ưu giúp tiết kiệm từ 25% đến 35% mức tiêu hao năng lượng cho đội tàu tự hành lấy mẫu chất lượng nước mặt định kỳ.

Câu hỏi thường gặp

Quỹ đạo Dubins truyền thống gặp hạn chế gì khi áp dụng cho USV? Quỹ đạo Dubins chỉ đạt độ trơn hình học cấp G1, đồng nghĩa với việc độ cong bị thay đổi đột ngột giữa đoạn thẳng và cung tròn. Với mô hình USV có quán tính 23.046 kg, sự gián đoạn này đòi hỏi gia tốc góc vô hạn tại điểm chuyển tiếp, khiến động cơ lái bị quá tải và thân tàu bị rung giật mạnh.

Tại sao luận văn lựa chọn xoắn ốc Fermat thay vì đường cong Clothoid hay B-Spline? Xoắn ốc Fermat có phương trình tham số dạng đóng và độ cong cực đại xác định chính xác tại góc 0.823 rad. Khác với đường Clothoid phức tạp trong tính toán nghiệm hay B-Spline khó khống chế bán kính xoay tối thiểu 2.0 m, xoắn ốc Fermat cho phép nội suy chính xác qua các điểm mốc định trước.

Thuật toán cửa sổ tìm kiếm giải quyết hiện tượng nhảy điểm tham chiếu như thế nào? Khi quỹ đạo có dạng không lồi, phép tìm cực tiểu khoảng cách toàn cục dễ gây hiện tượng nhảy cóc vị trí tham chiếu. Thuật toán giới hạn phạm vi tìm kiếm trong cửa sổ trượt gồm 12 điểm lân cận, loại bỏ 100% rủi ro mất ổn định và duy trì sai số bám ngang luôn dưới 0.05 m.

Bộ điều khiển trượt thích nghi ASMC khắc phục nhược điểm gì của SMC truyền thống? Bộ điều khiển SMC cổ điển sử dụng độ lợi cố định lớn nên sinh ra hiện tượng chattering tần số cao gây hại phần cứng. Thuật toán ASMC tự động cập nhật độ lợi thích nghi theo trạng thái mặt trượt, giúp giảm biên độ vọt lố mô-men lái xuống dưới 4.2 Nm và triệt tiêu dao động dư thừa.

Phương pháp quy hoạch hai mức phân giải mang lại hiệu quả thực tế ra sao? Qua 20 lần thử nghiệm trên bản đồ 50 m x 50 m với 20 điểm mốc, phương pháp hai mức phân giải giúp rút ngắn chiều dài đường đi từ giá trị chuẩn hóa 1.0000 xuống 0.6440, tiết kiệm 35.60% quãng đường di chuyển và giảm đáng kể thời gian tính toán so với phương pháp vét cạn.

Kết luận

  • Xây dựng thành công thuật toán quy hoạch đường đi DTSP hai mức phân giải, giúp rút ngắn 35.60% tổng chiều dài lộ trình qua tối đa 20 điểm mốc tọa độ.
  • Phát triển phương pháp làm trơn quỹ đạo đạt chuẩn liên tục hình học G2 bằng xoắn ốc Fermat, bảo toàn 100% tính nội suy qua các waypoint và né vật cản an toàn.
  • Thiết lập giải thuật dẫn hướng LOS thích ứng tích hợp cửa sổ tìm kiếm trượt, duy trì sai số bám ngang ổn định dưới 0.05 m trên mọi dạng quỹ đạo phức tạp.
  • Thiết kế bộ điều khiển trượt thích nghi ASMC kết hợp bộ lọc chống xung, giảm mô-men điều khiển vọt lố xuống dưới 4.2 Nm và thích ứng hoàn hảo với nhiễu bất định.
  • Đánh giá toàn diện trên mô hình USV Cybership II khối lượng 23.046 kg qua 20 kịch bản mô phỏng kiểm chứng độ tin cậy của hệ thống.

Công trình đóng góp một cấu trúc điều khiển tự hành khép kín, bền vững và tối ưu cho phương tiện mặt nước không người lái. Kế hoạch tiếp theo trong giai đoạn 2024-2025 là hoàn thiện thử nghiệm trên phần cứng thực tế tại vùng nước tự nhiên. Hãy kết nối và ứng dụng ngay giải pháp điều khiển tiên tiến này để nâng tầm hiệu quả cho các dự án phát triển robot hàng hải tự hành!