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.
