Hệ Thống Điều Khiển Thích Nghi Cho USV Với Tham Số Không Chắc Chắn

Tìm hiểu về hệ thống điều khiển thích nghi cho USV, giải pháp tối ưu giúp tàu tự hành hoạt động hiệu quả trong môi trường có tham số không chắc chắn.

• Tác giả: Nguyễn Lê Phúc Minh
• Người hướng dẫn: Ts. Trần Ngọc Huy
• Trường học: Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Hệ Thống Điều Khiển Thích Nghi Cho USV Với Tham Số Không Chắc Chắn
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về USV Tự Hành và Điều Khiển Thích Nghi

Phương tiện mặt nước không người lái (USV) đang thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới nhờ vào tính đa dạng trong ứng dụng. Kích thước nhỏ gọn, tính cơ động cao và khả năng hoạt động trong môi trường khắc nghiệt giúp USV được sử dụng rộng rãi trong quân sự, giám sát môi trường, lập bản đồ dưới nước, vận chuyển hàng hóa, và cứu hộ. Việt Nam, với hệ thống sông ngòi, ao hồ và bờ biển dài, có tiềm năng lớn trong việc ứng dụng USV. Tuy nhiên, việc ứng dụng USV vào thực tế còn hạn chế do nhiều trở ngại, trong đó có yếu tố không chắc chắn. Các yếu tố này bao gồm sự thay đổi mô hình động học của USV trong quá trình vận hành và tác động từ môi trường như sóng, gió, dòng chảy. Việc phát triển một hệ thống điều khiển thích nghi cho USV có khả năng thích ứng với các yếu tố này là vô cùng quan trọng để triển khai hiệu quả các ứng dụng thực tế. Luận văn của Nguyễn Lê Phúc Minh tập trung vào phát triển hệ thống điều khiển thích nghi USV với tham số không chắc chắn, nhấn mạnh vào quy hoạch quỹ đạo, dẫn hướng và điều khiển trong môi trường biến động.

1.1. Tiềm Năng Ứng Dụng USV Trong Môi Trường Biển Việt Nam

Việt Nam có tiềm năng rất lớn trong việc phát triển và ứng dụng USV do vị trí địa lý đặc thù với đường bờ biển dài, nhiều sông ngòi và ao hồ. USV có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như giám sát môi trường biển, tuần tra biên giới, hỗ trợ tìm kiếm cứu nạn và khảo sát tài nguyên. Nghiên cứu và phát triển công nghệ điều khiển USV, đặc biệt là các hệ thống điều khiển thích nghi, sẽ giúp khai thác tối đa tiềm năng này.

1.2. Thách Thức Trong Điều Khiển USV Khi Gặp Môi Trường Biến Động

Việc điều khiển USV trong môi trường biển động gặp nhiều thách thức do ảnh hưởng của các yếu tố như sóng, gió, dòng chảy và sự thay đổi động lực học của USV. Các yếu tố này gây ra sự không chắc chắn trong mô hình điều khiển, đòi hỏi các hệ thống điều khiển phải có khả năng thích nghi và chống chịu tốt. Theo luận văn, các nghiên cứu về điều khiển USV ở Việt Nam còn ít, hầu hết chỉ quan tâm đến một khía cạnh trong điều khiển USV, điều này cho thấy cần tập trung nhiều hơn vào nghiên cứu chuyên sâu và toàn diện về điều khiển thích nghi USV.

II. Các Phương Pháp Quy Hoạch Quỹ Đạo Cho USV Tự Hành

Bài toán quy hoạch quỹ đạo cho USV là tìm đường đi tối ưu từ điểm xuất phát đến điểm đích, đồng thời thỏa mãn các ràng buộc về động học của USV và tránh các vật cản. Theo luận văn, các phương pháp thường dùng bao gồm giải thuật Heuristics và phương án decoupling. Giải thuật Heuristics thường kém hiệu quả hoặc đòi hỏi nhiều thời gian và tinh chỉnh tham số. Phương pháp decoupling, mặc dù cho ra kết quả tối ưu hơn, nhưng phụ thuộc vào giả định rằng độ dài quỹ đạo Dubins gần với độ dài đường thẳng, điều này không đúng với các điểm waypoint gần nhau. Nghiên cứu cần giải quyết vấn đề cải thiện độ dài quỹ đạo mà không phụ thuộc vào giả định trên và vẫn đảm bảo khả năng tính toán, có thể sử dụng bằng cách rời rạc hóa góc heading.

2.1. Ưu Điểm và Hạn Chế của Quỹ Đạo Dubins trong Ứng Dụng USV

Quỹ đạo Dubins được sử dụng rộng rãi trong quy hoạch đường đi cho USV vì nó đảm bảo tìm được đường đi ngắn nhất giữa hai điểm với các ràng buộc về góc và độ cong. Tuy nhiên, quỹ đạo Dubins thường không trơn tru và cần được làm trơn để đảm bảo USV có thể bám theo quỹ đạo một cách mượt mà. Luận văn nhấn mạnh việc cần cải thiện độ dài quỹ đạo Dubins mà không phụ thuộc vào giả định độ dài quỹ đạo Dubins gần với độ dài đường thẳng.

2.2. Giải Pháp Tối Ưu Hóa Quỹ Đạo Dubins Cho USV

Việc tối ưu hóa quỹ đạo Dubins bao gồm việc giảm thiểu độ dài quỹ đạo, đảm bảo tính trơn tru và tránh các vật cản. Các phương pháp tối ưu hóa có thể bao gồm sử dụng các thuật toán tìm kiếm như A*, D* hoặc các phương pháp dựa trên tối ưu hóa phi tuyến. Ngoài ra, việc rời rạc hóa góc heading có thể giải quyết được các vấn đề liên quan đến độ dài quỹ đạo nhưng đổi lại kích thước bài toán trở nên rất lớn, điều này cần được xem xét để có thể đạt được hiệu quả tốt nhất.

III. Phương Pháp Dẫn Hướng và Điều Khiển USV Thích Nghi

Sau khi có được quỹ đạo, hệ thống dẫn hướng sẽ điều khiển USV bám theo quỹ đạo này. Phương pháp LOS (Line of Sight) với khoảng cách nhìn trước là một phương pháp phổ biến. Nghiên cứu giải quyết vấn đề tìm điểm tham chiếu gần nhất nhằm đơn giản hóa cấu trúc bộ dẫn hướng. Về điều khiển, giải thuật điều khiển trượt thích nghi (ASMC) có thể điều khiển USV ổn định dưới tác động của yếu tố không chắc chắn. ASMC có thể sử dụng mô hình động học đã được giản lược hóa, làm giảm độ phức tạp của bộ điều khiển, và hạn chế được hiện tượng chattering so với bộ điều khiển SMC. Để hạn chế hiện tượng xung tín hiệu điều khiển, luận văn đề xuất sử dụng bộ lọc.

3.1. Ưu Điểm của Phương Pháp LOS Trong Dẫn Hướng USV

Phương pháp LOS đơn giản, trực quan và đã được chứng minh là có tính ổn định vòng kín trong hệ thống cascade dựa trên giả định về tính ổn định hàm mũ của bộ điều kiến. Phương pháp này dựa trên việc giữ cho USV luôn hướng về một điểm trên quỹ đạo tham chiếu, giúp USV bám theo quỹ đạo một cách chính xác.

3.2. Điều Khiển Trượt Thích Nghi ASMC Cho USV

Giải thuật điều khiển trượt thích nghi (ASMC) có khả năng điều khiển USV ổn định dưới tác động của yếu tố không chắc chắn. ASMC có thể sử dụng mô hình động học đã được giản lược hóa, làm giảm độ phức tạp của bộ điều khiển, và hạn chế được hiện tượng chattering so với bộ điều khiển SMC. Để hạn chế hiện tượng xung tín hiệu điều khiển do đạo hàm bậc cao của giá trị heading đặt, luận văn đề xuất sử dụng bộ lọc.

3.3. Ứng dụng thuật toán Điều Khiển thích nghi thời gian thực cho USV

Ứng dụng điều khiển thích nghi thời gian thực cho phép hệ thống điều khiển của USV tự động điều chỉnh các tham số điều khiển dựa trên dữ liệu cảm biến và thông tin về môi trường, nhằm đạt được hiệu suất và độ tin cậy cao trong các điều kiện hoạt động khác nhau.

IV. Kết Quả Mô Phỏng và Đánh Giá Hiệu Suất Điều Khiển USV

Luận văn trình bày kết quả mô phỏng giải thuật quy hoạch quỹ đạo, dẫn hướng và điều khiển. Mô phỏng tập trung vào tối ưu hóa đường đi Dubins và làm trơn quỹ đạo. Kết quả cho thấy giải thuật có thể quy hoạch được quỹ đạo hợp lý và USV có thể bám theo quỹ đạo này. Đánh giá chất lượng điều khiển với cả quỹ đạo Dubins và quỹ đạo Fermat. Đánh giá khả năng chống chịu nhiễu và sự ổn định của giải thuật điều khiển thích nghi.

4.1. Phân Tích và So Sánh Quỹ Đạo Dubins và Quỹ Đạo Fermat

Luận văn phân tích và so sánh hiệu suất của quỹ đạo Dubins và quỹ đạo Fermat trong việc điều khiển USV. So sánh này tập trung vào các yếu tố như độ dài quỹ đạo, độ trơn tru và khả năng bám theo quỹ đạo của USV. Việc này cung cấp thông tin quan trọng để lựa chọn quỹ đạo phù hợp cho các ứng dụng cụ thể.

4.2. Đánh Giá Ảnh Hưởng của Các Yếu Tố Không Chắc Chắn

Mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố không chắc chắn như gió, sóng và dòng chảy lên hiệu suất điều khiển của USV. Các kết quả mô phỏng cho thấy khả năng thích nghi của giải thuật điều khiển thích nghi và khả năng duy trì sự ổn định của USV trong điều kiện môi trường biến động.

V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Cho Điều Khiển USV

Luận văn đã xây dựng được giải thuật điều khiển, dẫn hướng và quy hoạch quỹ đạo cho USV có khả năng thích nghi với yếu tố không chắc chắn. Giải thuật có thể quy hoạch được quỹ đạo ngắn nhất đi qua các waypoint và đảm bảo USV có thể bám theo quỹ đạo. Bộ điều khiển có thể thích nghi với sự thay đổi về động học hệ thống và tác động từ môi trường. Hướng phát triển bao gồm cải thiện giải thuật quy hoạch quỹ đạo và giải thuật điều khiển để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

5.1. Tổng Kết Các Đóng Góp Chính Của Nghiên Cứu

Nghiên cứu đã đóng góp vào việc phát triển hệ thống điều khiển USV hoàn chỉnh có khả năng thích nghi với các yếu tố không chắc chắn. Giải thuật quy hoạch quỹ đạo, dẫn hướng và điều khiển được xây dựng có thể được ứng dụng trong thực tế để điều khiển USV trong môi trường biển động.

5.2. Đề Xuất Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Về Điều Khiển USV

Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc cải thiện giải thuật quy hoạch quỹ đạo để giảm thiểu độ dài quỹ đạo và tăng tính trơn tru. Ngoài ra, cần nghiên cứu thêm về các giải thuật điều khiển tiên tiến như điều khiển dự đoán mô hình (MPC) để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống điều khiển thích nghi.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1. Lý do chọn đề tài Phương tiện mặt nước không người lái - USV đã thu hút nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới bởi gần đây nhở bởi tính đa dạng trong ứng dụng của nó. Nhờ có kích thước nhỏ gọn, tính cơ động cao và khả năng hoạt động trong các môi trường khắc nghiệt mà USV được sử dụng cho hoạt động quân sự , giảm sát môi trường, lập bản đồ dưới nước, vận chuyển hàng hóa, vận chuyển người, cứu nạn cứu hộ [1] [2] [3]. Với tính chất địa lí nhiều sông ngòi, ao hồ và giáp biển, Việt Nam là một quốc gia có tiềm năng lớn trong việc ứng dụng USV.

Song dù đã có xuất hiện những nghiên cứu liên quan tới USV, việc ứng dụng USV vào thực tế còn hạn chế do nhiều trở ngại khác nhau. Một trong những trở ngại với USV là sự xuất hiện của các yếu tố không chắc chắn. Các yếu tố không chắc chắn này bao gồm sự thay đổi mô hình động học của USV trong quá trình vận hành và sự tác động bên ngoài từ môi trường (sóng, gió, dòng chảy …). Vì vậy tôi chọn đề tài này nhằm phát triển một hệ thống điều khiển USV hoàn chỉnh có thể thích nghi với sự tác động của yếu tố không chắc chắn lên USV.

Mục đích và phạm vi nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của đề tài này là xây dựng giải thuật điều khiển, dẫn hướng và quy hoạch quỹ đạo cho một hệ thống điều khiển USV đáp ứng các yêu cầu sau: - Quy hoạch được quỹ đạo ngắn nhất đi qua một tập hợp các waypoint và bảo đảm rằng USV có khả năng bám được theo quỹ đạo đã quy hoạch. - Bộ điều khiển có thể thích nghi với các yếu tố không chắc chắn của USV, bao gồm có sự thay đổi về động học hệ thống, động học chưa được mô hình hóa và tác động từ môi trường như sóng, gió,… Phạm vi nghiên cứu: đề tài này nghiên cứu việc điều khiển USV trong phạm vi môi trường tĩnh có vật cản với các giả định sau đây: - USV hoạt động trong môi trường nước tĩnh: tác động từ gió, dòng chảy, sóng không quá lớn, các chuyển động roll, pitch, heave có thể bỏ qua. Luận văn thạc sĩ Trang 1 - Các vật cản xuất hiện trong môi trường được biết trước về vị trí, kích thước. Các vật cản và waypoint không quá gần nhau.

Cụ thể là khoảng cách tối thiểu giữa các vùng an toàn của các vật cản với nhau, giữa vùng an toàn của vật cản và waypoint, và giữa điểm waypoint với nhau phải lớn hơn bốn lần bán kính xoay trở của tàu, và đủ để làm trơn quỹ đạo. - Sự xuất hiện của vật cản có thể được bỏ qua khi tối ưu hóa độ dài quỹ đạo. - Số lượng điểm Waypoint được giả định là nhỏ hơn hoặc bằng 20. Tình hình nghiên cứu.

Về giải thuật tối ưu hóa độ dài quỹ đạo: do tính phức tạp của bài toán tối ưu hóa quỹ đạo Dubins (Dubins travelling salesman problem, DTSP) các phương pháp quy hoạch quỹ đạo thường được sử dụng là giải thuật Heuristics và phương án decoupling. Tuy nhiên các giải thuật Heuristics thường hoặc không hiệu quả, hoặc đòi hỏi tinh chỉnh tham số hoặc thời gian giải lớn. Trong khi đó phương pháp decoupling thường có thể đưa ra lời giải tối ưu hơn, nhưng phụ thuộc vào giả định rằng độ dài quỹ đạo Dubins gần với độ dài đường thẳng, trong khi điều này không đúng với điểm waypoint gần nhau. Việc rời rạc hóa góc heading có thể giải quyết vấn đề trên nhưng đổi lại kích thước bài toán trở nên rất lớn.

Do đó luận văn này cần giải quyết vấn đề cải thiện độ dài quỹ đạo mà không phụ thuộc vào giả định trên mà vẫn nằm trong khả năng tính toán. Về giải thuật làm trơn quỹ đạo: đối với USV, quỹ đạo phải có độ cong không vượt quá giới hạn xoay trở và tối thiểu phải có độ trơn G 2 để USV có khả năng bám hoàn hảo theo quỹ đạo. Có nhiều phương pháp để xây dựng quỹ đạo trơn G2 , như đường Belzier, B-Spline, … nhưng các phương pháp này rất khó kiểm soát độ cong tối đa. Phương pháp dựa trên xoắn ốc Fermat mà Lekkas đề xuất có thể giải quyết vấn đề trên, nhưng lại không có tính nội suy (quỹ đạo không đi qua điểm waypoint).

Điều này làm giảm độ chính xác và khiến việc tích hợp giải thuật né bằng quỹ đạo Dubins không thể thực hiện được do quỹ đạo làm trơn đi vào vùng nguy hiểm của vật cản. Do đó luận văn này đưa ra cần giải quyết vấn đề làm trơn quỹ đạo với độ trơn G 2 dựa trên xoắn ốc Fermat mà vẫn bảo đảm tính nội suy, và có thể kết hợp với giải thuật né vật cản bằng quỹ đạo Dubins. Luận văn thạc sĩ Trang 2 Về giải thuật dẫn hướng, có nhiều phương pháp được sử dụng để dẫn hướng cho USV, trong đó LOS là phương pháp phổ biến nhất. Luận văn này sử dụng phương pháp LOS với khoảng cách nhìn trước.

Phương pháp này đơn giản, trực quan và đã được chứng minh là có tính ổn định vòng kín trong hệ thống cascade dựa trên giả định về tính ổn định hàm mũ của bộ điều kiến. Bên cạnh đó, luận văn giải quyết vấn đề tìm điểm tham chiếu gần nhất nhằm làm đơn giản hóa cấu trúc bộ dẫn hướng. Về giải thuật điều khiển: có nhiều giải thuật điều khiển USV như giải thuật backtracking (BC), giải thuật điều khiển trượt (sliding mode control, SMC), giải thuật dự đoán mô hình (model predictive control, MPC), … Trong đó giải thuật điều khiển trượt thích nghi (ASMC) có thể điều khiển USV ổn định dưới tác động của yếu tố không chắc chắn và có thể sử dụng mô hình động học đã được giản lược hóa, làm giảm độ phức tạp của bộ điều khiển, và hạn chế được hiện tượng chattering do bộ điều khiển SMC gây ra. Tuy nhiên giải thuật này có nhược điểm là phụ thuộc vào đạo hàm bậc cao của giá trị heading đặt, dẫn đến hiện tượng xung tín hiệu điều khiển nếu quỹ đạo không phải là đường cong có độ trơn cao.

Do đó luận văn này đưa ra bộ lọc nhằm hạn chế hiện tượng xung tín hiệu điều khiển. Luận văn thạc sĩ Trang 3 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Mô hình động lực học USV Hình 2.1 Hệ thống tọa độ USV Các thành phần tọa độ của USV được mô tả trong Hình 2.Quy ước  = x y   là biến vị trí bao gồm vị trí ( x,y ) và góc heading ψ của con tàu trong T hệ quy chiếu quán tính Trái Đất và  = u v r  là biến vận tốc bao gồm vận tốc dọc T - surge ( u ), vận tốc ngang - sway ( v ) và vận tốc góc yaw ( r ). Dựa theo Fossen và cộng sự [4] , mô hình USV được mô tả bởi những phương trình sau:  = R ( )  (2.1)  M  + C ( ) + D ( ) =  + d Luận văn thạc sĩ Trang 4 Trong đó M là ma trận quán tính, C là thành phần lực Coriolis, D là ma trận lực T cản,  =  x , y , z  là thành phần lực và moment từ động cơ theo trục xb , yb , zb , d là lực nhiễu động.

Các phần tử của các ma trận trên như sau:  m11 0 0   m − Xu 0 0      M =  0 m22 m23  =  0 m − Yv mxG − Yr  (2.7) d 22 = −Yv − Yv v v − Yr v r (2.10) Trong đó: m là khối lượng, xG là vị trí của trọng tâm theo phương dọc, yG giả định bằng 0 do tính đối xứng, các thành phần X , Y lần lượt là lực theo ba trục xb , yb , N là moment theo trục zb Trong luận văn này, các giá trị tham số của mô hình Cybership II được sử dụng trong mô phỏng 2. Cấu trúc hệ thống điều khiển USV So đồ cho một hệ thống điều khiển USV hoàn chỉnh được trình bày trong Hình 2.2 Hệ thống bao gồm 5 khâu: Mission (Nhiệm vụ), Path Planning (Quy hoạch quỹ đạo), Guidance (Dẫn hướng), Control (Điều khiển), Navigation (Định vị) và USV Dynamics (Động lực học USV). Vai trò của các khâu lần lượt như sau: - Mission: căn cứ vào nhiệm vụ mà USV cần thực hiện, xác định tập hợp các điểm đến (Waypoints) mà USV cần đi qua và gửi đến khâu Path Planning. Luận văn thạc sĩ Trang 5 - Path Planning: Từ danh sách các Waypoints (WP) được gửi đến và điều kiện ràng buộc, quy hoạch quỹ đạo mong muốn cho USV và gửi đến khâu Guidance.

- Guidance: từ vị trí, vận tốc của USV và quỹ đạo mong muốn cho USV, xác định các giá trị đặt về góc và tốc độ cho USV để USV bám theo quỹ đạo. - Navigation: Đo lường và ước lượng các thông tin về trạng thái của USV, bao gồm: vị trí, các giá trị vận tốc và gia tốc. - Control: Xuất tín hiệu điều khiển đến cơ cấu chấp hành để điều khiển USV bám theo tốc độ đặt và góc đặt. - USV Dynamics: Mô hình động lực học của USV Mission Waypoints Path Desired USV Guidance Setpoints Control Control signals planning Path dynamics Measured state Navigation Physical signals Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển USV hoàn chỉnh 2.

Đặc điểm và phân loại quỹ đạo Trong trường hợp khoảng cách di chuyển không đáng kể so với bán kính Trái Đất, quỹ đạo của USV có thể được coi là một đường cong trên mặt phẳng Euclid. Gọi C là đường cong với phương trình tham số p ( t ) =  x ( t ) y ( t )  trong đó x ( t ) và y ( t ) T là hàm số liên tục trên D. Ta có các định nghĩa sau Độ dài đường cong s ( t ) : ds s ( 0 ) = 0, = x2 ( t ) + y2 ( t ) (2.11) dt Luận văn thạc sĩ Trang 6 Độ cong không dấu k ( t ) và độ cong có dấu  ( t ) : dp ( s ) xy − yx k (s) = = (2.14) Khi chuyển sang hệ tọa độ cực ( r , ) , ta có công thức sau:  x = r cos   (2.15)  y = r sin  Từ đó suy ra r 2 + 2r  − rr  k= (2.