Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Nghị quyết số 36-NQ/TW về chiến lược phát triển bền vững kinh tế biển Việt Nam đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2045 đã định hướng việc tiếp cận, ứng dụng các thành tựu khoa học và công nghệ nhằm nâng cao năng lực thiết kế, đóng mới và khai thác các loại tàu chở hàng trọng tải lớn, tàu nghiên cứu biển, tàu kiểm ngư, cảnh sát biển và bộ đội biên phòng. Cùng với sự phát triển của công nghệ tự động hóa và tin học, các trang thiết bị hiện đại như hệ thống lái tự động (Auto Pilot), hệ thống điều khiển chuyển động theo quỹ đạo, hệ thống định vị động DP (Dynamic Position), định vị vệ tinh GPS và Radar ngày càng được ứng dụng rộng rãi.

Tuy nhiên, bài toán điều khiển chuyển động tàu thủy bám quỹ đạo đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật:

  • Môi trường biển mang tính phi cấu trúc với các tác động ngẫu nhiên không dự báo trước như sóng, gió, dòng chảy.
  • Mô hình động lực học của tàu thủy là mô hình phi tuyến, các tham số phụ thuộc vào các biến trạng thái, phương trình vi phân bậc cao, có tính dao động, thời gian quá độ dài và độ dự trữ ổn định thấp.
  • Việc tổng hợp các bộ điều khiển phi tuyến truyền thống phụ thuộc vào việc tìm hàm điều khiển Lyapunov, vốn phức tạp và khó khăn trong thiết kế kỹ thuật.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định là: các công trình trong và ngoài nước trước đây chủ yếu giải quyết các vấn đề điều khiển đơn lẻ. Chưa có công trình nào tích hợp đồng thời các yêu cầu: bám quỹ đạo, giải quyết ràng buộc biên độ của tín hiệu điều khiển, xử lý thành phần bất định hàm trong mô hình và lọc nhiễu tác động ngẫu nhiên từ môi trường trong cùng một cấu trúc điều khiển thống nhất cho đối tượng tàu thủy thiếu cơ cấu chấp hành.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là ứng dụng lý thuyết điều khiển dự báo theo mô hình (Model Predictive Control - MPC) với nguyên tắc trượt dọc theo trục thời gian (Receding Horizon Control - RHC), trên cơ sở tuyến tính hóa từng đoạn mô hình phi tuyến dọc theo trục thời gian để thiết kế hệ thống điều khiển bám quỹ đạo cho tàu thủy có ràng buộc tín hiệu và có thành phần bất định hàm ở đầu vào.

Luận án thực hiện 5 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Nghiên cứu mô hình toán mô tả chuyển động tàu thủy, các dạng biến đổi của mô hình và tổng quan các phương pháp điều khiển chuyển động tàu thủy trong và ngoài nước.
  2. Nghiên cứu lý thuyết điều khiển tối ưu có ràng buộc với bộ điều khiển dự báo MPC.
  3. Nghiên cứu xây dựng bộ quan sát trạng thái trực tiếp từ mô hình liên tục, bộ lọc Kalman mở rộng và bộ ước lượng bù thành phần bất định.
  4. Áp dụng nguyên lý MPC trên cơ sở tuyến tính hóa từng đoạn mô hình phi tuyến để thiết kế các bộ điều khiển bám quỹ đạo cho tàu thiếu cơ cấu chấp hành có ràng buộc tín hiệu đầu vào và có bất định hàm (MPC-S, MPC-O, DMPC-S, DMPC-O).
  5. Xây dựng mô hình thực nghiệm phần cứng trong vòng lặp (Hardware In the Loop - HIL) và mô phỏng trên nền thời gian thực để kiểm chứng chất lượng các bộ điều khiển đã đề xuất.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Tàu nổi choán nước có mô hình toán dạng thiếu cơ cấu chấp hành (Underactuated surface vessel) trong bài toán điều khiển chuyển động bám quỹ đạo đặt trên mặt phẳng ngang.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Mô hình toán động học và động lực học 3 bậc tự do (3 DOF: trượt dọc $u$, trượt ngang $v$, quay trở $r$) xét trên mặt phẳng ngang. Tàu chỉ có 2 tín hiệu điều khiển đầu vào gồm lực đẩy trượt dọc $\tau_u$ từ chân vịt chính và mô-men quay trở $\tau_r$ từ bánh lái chính phía sau lái, không có cơ cấu tạo lực đẩy trượt ngang $\tau_v$.
    • Tín hiệu điều khiển chịu các ràng buộc biên độ (góc bẻ lái $\delta$ nằm trong giới hạn $\pm 35^\circ$ khi điều động và $\pm 10^\circ$ ở chế độ tự động).
    • Mô hình toán có chứa thành phần bất định hàm ở đầu vào và chịu tác động của nhiễu ngẫu nhiên từ môi trường ngoài.
    • Tàu hoạt động ở chế độ chạy kiểm tra tính năng điều động, quay trở trong điều kiện sóng, gió, dòng chảy không vượt quá cấp 5 (nhiễu ngẫu nhiên ở mức giới hạn nhỏ). Luận án không xét mô hình động học chi tiết của cơ cấu chấp hành chấp hành vật lý.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây

Luận án đã phân loại và điểm lại các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước theo từng nhóm đối tượng và phương pháp tiếp cận:

Hướng nghiên cứu / Nhóm đối tượng Công trình tiêu biểu được trích dẫn Phương pháp và đặc điểm kỹ thuật
Nghiên cứu trong nước Tác giả công trình năm 1999 [3] Ứng dụng kỹ thuật vi xử lý cho hệ thống lái tàu, sử dụng mô hình Nomoto 1 bậc tự do để ổn định hướng đi.
Tác giả công trình [7] Ứng dụng kiến trúc hướng mô hình kết hợp Real Time UML/MARTE cho phương tiện mặt nước tự hành (USV).
Tác giả công trình [8] Sử dụng lý thuyết điều khiển thích nghi, trượt SMC, Backstepping và mạng nơ-ron nhận dạng nhiễu cho tàu đủ cơ cấu chấp hành 3 bậc tự do.
Tàu đủ cơ cấu chấp hành (Full Actuated) Fossen (1994, 2011) [24], [28] Điều khiển PID, LQR, LQG trên mô hình tuyến tính Nomoto bậc 1, bậc 2 và máy lái tuyến tính hóa.
Fossen [23], công trình [71] Áp dụng kỹ thuật Backstepping phi tuyến cho bài toán bám quỹ đạo.
Công trình [37], [47], [61], [49], [52] Các phương pháp điều khiển trượt (SMC), điều khiển bề mặt động (DSC), cửa sổ động (DWC), điều khiển dự báo (MPC), điều khiển thích nghi và các cấu trúc lai Backstepping - Neural, Backstepping - SMC.
Tàu thiếu cơ cấu chấp hành (Underactuated) Công trình [50], [36], [66], [34] Điều khiển Fuzzy-LQR, mạng nơ-ron thích nghi trên mô hình Nomoto/Norrbin; điều khiển $H_\infty$ giảm lắc ngang cho tàu container.
Do K.D., Pan J. (2002, 2003) [16], [17] Kỹ thuật Backstepping và hàm Lyapunov cho bài toán bám quỹ đạo; thuật toán chiếu liên tục Lipschitz ước lượng nhiễu. Giả thiết tín hiệu điều khiển không bị ràng buộc biên độ.
Công trình [22] Kỹ thuật điều khiển bề mặt động (DSC) có ràng buộc biên độ và tốc độ tín hiệu đầu vào, nhưng mô hình không xét thành phần bất định.
Công trình [69], [67], [70] UKF kết hợp Backstepping; điều khiển dựa trên phương trình Euler-Lagrange; Backstepping kết hợp sai lệch Serret-Frenet xử lý sai lệch mô hình và nhiễu.
Công trình [48], [60] Điều khiển trượt thích nghi 2 mặt trượt cho tàu ASV; điều khiển trượt kháng nhiễu chủ động (ADRC) với hệ phương trình trạng thái 8 chiều.
Công trình [53], [62], [48] Điều khiển dự báo phi tuyến (NMPC) và MPC đường ngắm (LOS). Hạn chế là khối lượng tính toán lớn khi giải bài toán tối ưu phi tuyến trực tiếp.
Công trình [14], [68], [75], [64] Các bộ điều khiển kết hợp: SMC - Neural, SMC thích nghi kết hợp bộ quan sát nhiễu phi tuyến (NDO), Neural thích nghi kết hợp DSC và Backstepping.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Tổng quan tài liệu cho thấy:

  1. Các phương pháp điều khiển phi tuyến dựa trên hàm Lyapunov (Backstepping, SMC) thường yêu cầu các bước tính toán phức tạp, dễ gặp hiện tượng bùng nổ đạo hàm (explosion of terms) và khó tích hợp trực tiếp các ràng buộc cứng về biên độ lực đẩy và góc bẻ lái.
  2. Các nghiên cứu về NMPC giải quyết được bài toán ràng buộc nhưng đòi hỏi tài nguyên tính toán rất lớn, gây khó khăn cho việc thực thi trên nền thời gian thực.
  3. Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống: phát triển giải pháp điều khiển dự báo MPC tuyến tính trên cơ sở tuyến tính hóa từng đoạn mô hình phi tuyến dọc theo trục thời gian, kết hợp với các bộ quan sát trạng thái (QSTT, EKF) và bộ ước lượng bù bất định hàm. Cấu trúc này vừa đảm bảo xử lý được các ràng buộc tín hiệu vào, vừa bù được các thành phần động lực học chưa mô hình hóa và nhiễu ngẫu nhiên, đồng thời giảm thiểu khối lượng tính toán để thực thi thời gian thực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình toán học

Luận án sử dụng hệ thống ký hiệu chuẩn của Hiệp hội Kiến trúc Hải quân và Kỹ sư Hàng hải Hoa Kỳ (SNAME 1950) và lý thuyết động lực học hàng hải của Fossen (1994, 2011), Faltinsen (1990).

Các hệ quy chiếu sử dụng:

  • Hệ quy chiếu quán tính định vị tâm Trái Đất: ECI ($i$-frame, $x_i y_i z_i$).
  • Hệ quy chiếu quán tính gắn với Trái Đất: ECEF ($e$-frame, $x_e y_e z_e$).
  • Hệ quy chiếu địa lý cục bộ: NED ($n$-frame, $x_n y_n z_n$).
  • Hệ quy chiếu gắn liền với thân tàu: BODY ($b$-frame, $o x_b y_b z_b$), có gốc $o$ đặt tại trọng tâm tàu.

Mối quan hệ động học và động lực học 6 bậc tự do: $$\dot{\eta} = J(\eta)\nu$$ $$M\dot{\nu} + C(\nu)\nu + D(\nu)\nu + g(\eta) = \tau + \tau_w$$

Trong đó:

  • $\eta = [x, y, z, \phi, \theta, \psi]^T$: véc-tơ vị trí và góc Euler trong hệ quy chiếu Trái Đất.
  • $\nu = [u, v, w, p, q, r]^T$: véc-tơ vận tốc dài và vận tốc góc trong hệ quy chiếu thân tàu.
  • $M = M_{RB} + M_A$: ma trận quán tính tổng hợp (vật rắn và khối lượng nước kèm).
  • $C(\nu) = C_{RB}(\nu) + C_A(\nu)$: ma trận Coriolis và lực hướng tâm.
  • $D(\nu) = D + D_n(\nu)$: ma trận suy giảm thủy động lực học (thành phần tuyến tính và phi tuyến).
  • $g(\eta)$: véc-tơ lực và mô-men phục hồi (trọng lực và lực đẩy Archimedes).
  • $\tau_w$: véc-tơ lực và mô-men do sóng, gió, dòng chảy.
  • $\tau$: véc-tơ lực và mô-men do cơ cấu chấp hành tạo ra ($\tau = \tau_{rd} + \tau_p$).

Mô hình động học và động lực học 3 bậc tự do trên mặt phẳng ngang cho tàu thiếu cơ cấu chấp hành: $$\begin{cases} \dot{x} = u\cos\psi - v\sin\psi \ \dot{y} = u\sin\psi + v\cos\psi \ \dot{\psi} = r \end{cases}$$

$$\begin{cases} \dot{u} = \frac{m_{22}}{m_{11}}vr - \frac{d_{11}}{m_{11}}u - \frac{d_{11n}}{m_{11}}u + \frac{1}{m_{11}}\tau_u + \frac{1}{m_{11}}\Delta_u(\nu, t) \ \dot{v} = -\frac{m_{11}}{m_{22}}ur - \frac{d_{22}}{m_{22}}v - \frac{d_{22n}}{m_{22}}v + \frac{1}{m_{22}}\Delta_v(\nu, t) \ \dot{r} = \frac{m_{11}-m_{22}}{m_{33}}uv - \frac{d_{33}}{m_{33}}r - \frac{d_{33n}}{m_{33}}r + \frac{1}{m_{33}}\tau_r + \frac{1}{m_{33}}\Delta_r(\nu, t) \end{cases}$$

Các tham số trong mô hình:

  • $m_{11} = m - X_{\dot{u}}$, $m_{22} = m - Y_{\dot{v}}$, $m_{33} = I_z - N_{\dot{r}}$.
  • $d_{11} = -X_u$, $d_{22} = -Y_v$, $d_{33} = -N_r$.
  • $\Delta(\nu, t) = [\Delta_u, \Delta_v, \Delta_r]^T$: véc-tơ bất định hàm gộp các thành phần phi tuyến khó xác định, sai lệch thông số mô hình và nhiễu ngẫu nhiên môi trường.
  • Ma trận phân bổ lực $F = \begin{bmatrix} 1 & 0 \ 0 & 0 \ 0 & 1 \end{bmatrix}$, phản ánh đặc trưng thiếu cơ cấu chấp hành (không có kênh điều khiển trực tiếp cho trục $y$).

Phương pháp nghiên cứu thực tế

Luận án kết hợp nghiên cứu lý thuyết điều khiển tối ưu, mô phỏng số học và thực nghiệm phần cứng:

  • Phương pháp lý thuyết: Tuyến tính hóa từng đoạn mô hình song tuyến dọc theo trục thời gian tại mỗi bước lấy mẫu; chuyển đổi bài toán MPC phi tuyến thành bài toán quy hoạch toàn phương (Quadratic Programming - QP) có ràng buộc giải được bằng thuật toán tuần tự SQP, GA hoặc PSO.
  • Kỹ thuật lọc và quan sát:
    • Xây dựng bộ quan sát trạng thái trực tiếp từ mô hình liên tục (QSTT).
    • Ứng dụng bộ lọc Kalman mở rộng (Extended Kalman Filter - EKF) để ước lượng trạng thái và lọc nhiễu đo.
    • Xây dựng bộ ước lượng bù thành phần bất định hàm $d = [d_1, d_2]^T$ hoặc $d = [d_1, d_2, d_3]^T$.
  • Mô phỏng và kiểm chứng: Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink và bộ công cụ chuyên ngành Marine Systems Simulator - Guidance Navigation Control (MSS-GNC Toolbox).
  • Thực nghiệm Hardware-In-the-Loop (HIL): Kết nối liên mạng giữa máy tính điều khiển PC1 và máy tính mô phỏng động lực học PC2 thông qua Card nhúng Arduino Due R3 (vi điều khiển Atmega16u2 / SAM3X8E), truyền nhận dữ liệu theo giao thức hàng hải NMEA 0183.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mô hình toán và tổng quan bài toán điều khiển chuyển động tàu thủy

Chương 1 thiết lập cơ sở toán học và khảo cứu tài liệu chuyên ngành:

  • Phân tích chuyển động 6 bậc tự do của tàu thủy trong các hệ quy chiếu quán tính và hệ quy chiếu thân tàu.
  • Tổng hợp bảng phân loại 6 thành phần chuyển động (surge, sway, heave, roll, pitch, yaw), các biến trạng thái, lực và mô-men tương ứng theo chuẩn SNAME 1950.
  • Thiết lập mô hình toán 3 bậc tự do trên mặt phẳng ngang dạng đủ cơ cấu chấp hành ($\tau = [\tau_u, \tau_v, \tau_r]^T$) và dạng thiếu cơ cấu chấp hành ($\tau = [\tau_u, \tau_r]^T$).
  • Đưa ra 2 giả định quan trọng: (i) Tàu có khối lượng đồng đều, đối xứng qua mặt phẳng dọc tâm $xz$, tọa độ trọng tâm $y_g = 0$; (ii) Bỏ qua các phần tử không nằm trên đường chéo chính của ma trận quán tính $M$ và ma trận giảm chấn $D(\nu)$.
  • Thiết lập mô hình toán dạng tiền định (khi bỏ qua nhiễu và các tham số xác định) và mô hình toán bất định (khi gom các thành phần phi tuyến bậc cao, sai số ma trận thủy động lực học và nhiễu sóng gió vào véc-tơ $\Delta(\nu, t)$).
  • Phân tích chi tiết ý nghĩa kỹ thuật của ràng buộc góc bẻ lái bánh lái: giới hạn vật lý là $\delta \in [-35^\circ, 35^\circ]$ và trong điều khiển tự động là $\delta \in [-10^\circ, 10^\circ]$.

Chương 2: Điều khiển chuyển động tàu thủy bám quỹ đạo đặt với bộ điều khiển dự báo có ràng buộc tín hiệu điều khiển khi mô hình tàu xác định

Chương 2 tập trung thiết kế các bộ điều khiển MPC cho mô hình tiền định (xác định hoàn toàn tham số):

  • Nguyên lý điều khiển dự báo: Trình bày cấu trúc 3 khối cơ bản (Khối mô hình dự báo, Khối hàm mục tiêu toàn phương, Khối thuật toán tối ưu hóa) hoạt động theo nguyên tắc cửa sổ trượt RHC.
  • Tuyến tính hóa từng đoạn: Biến đổi mô hình phi tuyến/song tuyến của tàu thành mô hình trạng thái tuyến tính biến đổi theo thời gian tại mỗi chu kỳ trượt $k$, giúp giảm độ phức tạp tính toán so với NMPC.
  • Kỹ thuật nâng cao chất lượng:
    • Ứng dụng nguyên lý học lặp (Iterative Learning Control - ILC) để hiệu chỉnh tín hiệu đặt, làm tăng tốc độ hội tụ của sai lệch bám.
    • Tích hợp ràng buộc tín hiệu điều khiển dạng bất đẳng thức $a \le \tau(k) \le b$ vào bài toán tối ưu toàn phương tuần tự (SQP).
  • Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái (MPC-S): Giả thiết toàn bộ biến trạng thái đo được hoàn toàn. Thuật toán MPC-S tính toán chuỗi tác động tối ưu $\tau_u, \tau_r$. Kết quả mô phỏng trên quỹ đạo hình tròn và hình sin khẳng định sai lệch bám $e_x, e_y, e_\psi$ nhanh chóng tiến về lân cận 0.
  • Thiết kế bộ điều khiển phản hồi đầu ra (MPC-O): Áp dụng nguyên lý tách (Separation Principle) kết hợp bộ điều khiển dự báo với các bộ quan sát trạng thái:
    • Bộ quan sát trạng thái trực tiếp (QSTT): Tái tạo vận tốc từ các tín hiệu vị trí và hướng đo được.
    • Bộ lọc Kalman mở rộng (EKF): Khử nhiễu đo từ cảm biến, ước lượng chính xác trạng thái trong môi trường có nhiễu ngẫu nhiên.
  • Chứng minh ổn định: Sử dụng hàm Lyapunov dạng toàn phương chứng minh tính ổn định tiệm cận của hệ thống kín với bộ điều khiển đề xuất.

Chương 3: Điều khiển chuyển động tàu thủy bám quỹ đạo đặt với bộ điều khiển dự báo khi mô hình tàu có chứa thành phần bất định

Chương 3 giải quyết bài toán điều khiển khi mô hình tàu có chứa thành phần bất định hàm ở đầu vào:

  • Cấu trúc bù bất định: Đề xuất bộ ước lượng trực tuyến để nhận dạng véc-tơ bất định $\Delta(\nu, t)$ từ sai lệch giữa động học mô hình danh định và đáp ứng thực tế. Tín hiệu ước lượng $\hat{d}$ được đưa trực tiếp vào vòng bù để đưa hệ bất định về tương đương một hệ tiền định.
  • Kiểm chứng bộ ước lượng: Thực hiện mô phỏng kiểm tra bộ ước lượng với 3 dạng tín hiệu bất định giả thiết: dạng sóng hình Sin, tín hiệu ngẫu nhiên (Random) và tín hiệu xung vuông, cũng như trường hợp thay đổi hệ số ma trận thủy động lực $D(\nu)$. Kết quả cho thấy tín hiệu ước lượng $\hat{d}$ bám sát thành phần bất định thực tế.
  • Bộ điều khiển DMPC-S (Disturbance MPC - State): Kết hợp thuật toán MPC phản hồi trạng thái với kênh bù tín hiệu bất định. Mô phỏng bám quỹ đạo hình tròn và hình sin chứng minh hệ thống duy trì được độ chính xác bám cao ngay cả khi có thành phần bất định tác động.
  • Bộ điều khiển DMPC-O (Disturbance MPC - Output): Tích hợp đồng thời 3 khối: bộ điều khiển MPC giải bài toán tối ưu có ràng buộc, bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) quan sát trạng thái/khử nhiễu đo, và bộ ước lượng bù thành phần bất định hàm. Kết quả mô phỏng cho thấy sai lệch bám vị trí và hướng được triệt tiêu tốt trên cả quỹ đạo tròn và quỹ đạo hình sin phức tạp.

Chương 4: Xây dựng mô hình thực nghiệm, kiểm chứng, đánh giá chất lượng bộ điều khiển đã đề xuất

Chương 4 hiện thực hóa và đánh giá giải pháp điều khiển trên hệ thống thực nghiệm thời gian thực:

  • Phương pháp thực nghiệm HIL: Xây dựng cấu trúc phần cứng trong vòng lặp kết hợp phần mềm mô phỏng và vi điều khiển thực tế.
  • Cấu hình hệ thống thực nghiệm:
    • Máy tính 1 (PC1): Cài đặt bộ điều khiển DMPC-O đề xuất trên môi trường Matlab/Simulink.
    • Máy tính 2 (PC2): Cài đặt mô hình động lực học tàu thủy 3 bậc tự do và mô hình nhiễu môi trường sử dụng thư viện MSS-GNC Toolbox.
    • Khối giao tiếp phần cứng: Card Arduino Due R3 (vi điều khiển 32-bit SAM3X8E và chip giao tiếp Atmega16u2) kết nối qua thư viện Arduino Library I/O, thực hiện truyền nhận dữ liệu qua cổng nối tiếp.
    • Mô hình cảm biến Hàng hải: Mô phỏng máy đo sâu, định vị vi sai GPS và La bàn điện con quay (Gyrocompass) phát chuẩn bản tin NMEA 0183.
  • Kịch bản thực nghiệm: Thử nghiệm bám quỹ đạo hình tròn trong điều kiện môi trường có nhiễu sóng gió cấp $\le 5$, có nhiễu đo và tín hiệu điều khiển bị chặn biên độ nghiêm ngặt.
  • Kết quả thực nghiệm: Đồ thị đáp ứng thực nghiệm HIL tại Phòng thí nghiệm Mô hình hóa - Đại học Hàng hải Việt Nam xác nhận hệ thống hoạt động ổn định, tàu bám sát quỹ đạo đặt, các tín hiệu lực đẩy và góc bẻ lái hoàn toàn nằm trong giới hạn cho phép, khẳng định tính khả thi của thuật toán khi triển khai thực tế.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt lý luận và học thuật

  1. Phương pháp luận điều khiển mới: Đề xuất giải pháp ứng dụng điều khiển dự báo MPC theo nguyên lý trượt RHC trên cơ sở tuyến tính hóa từng đoạn mô hình phi tuyến dọc theo trục thời gian cho tàu thủy 3 bậc tự do thiếu cơ cấu chấp hành. Giải pháp này giúp đơn giản hóa bài toán tối ưu phi tuyến phức tạp thành bài toán quy hoạch toàn phương (QP), giảm tải khối lượng tính toán.
  2. Cấu trúc bù bất định hàm và quan sát trạng thái: Xây dựng thành công thuật toán ước lượng trực tuyến thành phần bất định hàm $\Delta(\nu, t)$ kết hợp với bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) và bộ quan sát QSTT, tạo thành hệ thống điều khiển phản hồi đầu ra (DMPC-O) có khả năng tự bù sai lệch mô hình và triệt tiêu nhiễu đo.
  3. Chứng minh ổn định hệ thống: Đã chứng minh toán học về tính ổn định tiệm cận của hệ thống điều khiển dự báo đề xuất thông qua phương pháp hàm Lyapunov.

Đóng góp về mặt thực tiễn

  1. Giải quyết triệt để bài toán ràng buộc tín hiệu: Tích hợp trực tiếp các điều kiện ràng buộc vật lý về góc bẻ lái ($\pm 35^\circ$ hoặc $\pm 10^\circ$) và lực đẩy vào giải thuật tối ưu nội tại của bộ điều khiển, tránh hiện tượng bão hòa cơ cấu chấp hành mà các phương pháp Backstepping/SMC kinh điển thường gặp phải.
  2. Xây dựng hoàn chỉnh mô hình thực nghiệm HIL: Thiết lập hệ thống thực nghiệm thời gian thực kết nối máy tính điều khiển với phần cứng nhúng Arduino Due R3 và chuẩn truyền thông hàng hải NMEA 0183, chứng minh tính khả thi khi ứng dụng vào các hệ thống lái tự động và dẫn đường tàu thủy thực tế.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Ứng dụng cấu trúc điều khiển DMPC-O vào việc nâng cấp các hệ thống lái tự động (Autopilot) và hệ thống hỗ trợ điều động trên các tàu chở hàng, tàu vận tải biển hoạt động trong điều kiện luồng lạch hẹp hoặc tuyến hành trình định sẵn.
  • Ứng dụng mô hình thực nghiệm HIL đã thiết lập phục vụ công tác đào tạo, nghiên cứu chuyên sâu và thử nghiệm trước các thuật toán điều khiển hàng hải trước khi lắp đặt trên tàu thật.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

Theo văn bản luận án tự xác định:

  • Luận án mới chỉ dừng lại ở việc khảo sát bài toán điều khiển trên mặt phẳng ngang 3 bậc tự do ($u, v, r$), chưa mở rộng đầy đủ cho không gian 6 bậc tự do có tính đến chuyển động lắc ngang (roll), lắc dọc (pitch) và trượt đứng (heave).
  • Chưa xét đến mô hình động học và trễ thời gian chi tiết của bản thân cơ cấu chấp hành vật lý (đặc tính thủy lực máy lái, động cơ đẩy).
  • Thực nghiệm mới dừng lại ở mức mô phỏng phần cứng trong vòng lặp (HIL) trên nền thời gian thực trong phòng thí nghiệm với điều kiện sóng gió cấp $\le 5$, chưa tiến hành thử nghiệm trực tiếp trên tàu thực tế hoạt động ngoài biển khơi.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Nghiên cứu mở rộng thuật toán điều khiển MPC cho mô hình tàu thủy đầy đủ 6 bậc tự do có tính đến việc giảm lắc ngang và lắc dọc.
  • Tích hợp mô hình động lực học phi tuyến chi tiết của hệ thống máy lái thủy lực và chân vịt biến bước vào vòng điều khiển dự báo.
  • Hoàn thiện phần cứng công nghiệp và triển khai thử nghiệm trên phương tiện mặt nước tự hành (USV) hoặc tàu thủy thật trong các điều kiện môi trường biển thực tế.

Giá trị tham khảo

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

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Tàu thủy, Kỹ thuật Hàng hải: Tham khảo phương pháp tuyến tính hóa từng đoạn cho hệ phi tuyến, kỹ thuật thiết kế bộ điều khiển dự báo MPC có ràng buộc và phương pháp chứng minh ổn định Lyapunov.
  • Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) tại các viện nghiên cứu, nhà máy đóng tàu: Tham khảo cấu trúc ghép nối phần cứng trong vòng lặp HIL, thư viện MSS-GNC Toolbox và việc xử lý chuẩn truyền thông NMEA 0183 trong tích hợp hệ thống nghi khí hàng hải.
  • Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu:
    • Chương 2: Thuật toán quy hoạch toàn phương tuần tự giải bài toán MPC có ràng buộc và cấu trúc bộ lọc EKF.
    • Chương 3: Thuật toán nhận dạng, ước lượng trực tuyến và bù thành phần bất định hàm.
    • Chương 4: Sơ đồ kết nối phần cứng vi điều khiển Arduino Due với Simulink phục vụ kiểm thử thời gian thực.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án lựa chọn đối tượng nghiên cứu là tàu thủy thiếu cơ cấu chấp hành thay vì tàu đủ cơ cấu chấp hành?

Hầu hết các tàu vận tải thương mại phổ biến (tàu chở hàng, tàu container) trong thực tế chỉ được trang bị 2 cơ cấu chấp hành chính là chân vịt phía sau lái (tạo lực đẩy dọc $\tau_u$) và bánh lái chính (tạo mô-men quay trở $\tau_r$), không có chân vịt phụ tạo lực đẩy ngang $\tau_v$. Do số biến trạng thái cần điều khiển trên mặt phẳng ngang (3 biến: $u, v, r$) lớn hơn số tín hiệu điều khiển đầu vào (2 tín hiệu: $\tau_u, \tau_r$), đối tượng này mang đặc tính thiếu cơ cấu chấp hành, đặt ra bài toán phi tuyến phức tạp và có giá trị thực tiễn cao hơn so với loại tàu đủ cơ cấu chấp hành (vốn chỉ phổ biến ở tàu công trình hoặc tàu định vị động DP).

2. Ưu điểm chính của việc sử dụng MPC tuyến tính hóa từng đoạn so với điều khiển dự báo phi tuyến (NMPC) là gì?

Điều khiển dự báo phi tuyến trực tiếp (NMPC) đòi hỏi phải giải bài toán tối ưu phi tuyến phi lồi tại mỗi chu kỳ lấy mẫu, dẫn đến khối lượng tính toán lớn, nguy cơ kẹt tại cực trị địa phương và thời gian xử lý kéo dài, rất khó đáp ứng yêu cầu thời gian thực. Bằng cách tuyến tính hóa từng đoạn mô hình dọc theo trục thời gian, bài toán tối ưu được chuyển đổi về dạng quy hoạch toàn phương (QP), giúp giảm đáng kể thời gian tính toán mà vẫn đảm bảo độ chính xác bám quỹ đạo và thỏa mãn các ràng buộc đầu vào.

3. Véc-tơ bất định hàm $\Delta(\nu, t)$ trong luận án bao gồm những thành phần cụ thể nào?

Véc-tơ bất định hàm $\Delta(\nu, t) = [\Delta_u, \Delta_v, \Delta_r]^T$ được tác giả thiết lập để gộp chung:

  • Các thành phần phi tuyến bậc cao khó xác định chính xác trong ma trận giảm chấn thủy động lực học $D_n(\nu)$.
  • Sai số mô hình hóa do giả định bỏ qua các phần tử ngoài đường chéo chính của ma trận quán tính $M$ và ma trận Coriolis $C(\nu)$.
  • Sai lệch do sự thay đổi tải trọng của tàu và vùng nước di chuyển.
  • Nhiễu ngẫu nhiên không mô hình hóa tác động từ môi trường biển bên ngoài (sóng, gió, dòng chảy).

4. Hệ thống thực nghiệm HIL trong luận án được cấu hình bằng các thiết bị và công cụ nào?

Hệ thống HIL thời gian thực gồm:

  • Hai máy tính cá nhân: PC1 chạy thuật toán điều khiển DMPC-O; PC2 chạy mô hình mô phỏng động lực học tàu và môi trường từ thư viện MSS-GNC Toolbox trên Matlab/Simulink.
  • Phần cứng trung gian: Card Arduino Due R3 (vi điều khiển 32-bit Atmel SAM3X8E và Atmega16u2) giao tiếp với máy tính qua thư viện Arduino Library I/O.
  • Giao thức dữ liệu: Chuẩn truyền thông hàng hải quốc tế NMEA 0183 mô phỏng tín hiệu cảm biến GPS và La bàn điện con quay (Gyrocompass).

Kết luận

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Nguyễn Hữu Quyền đã nghiên cứu và phát triển thành công giải pháp điều khiển bám quỹ đạo cho tàu thủy 3 bậc tự do thiếu cơ cấu chấp hành dựa trên lý thuyết điều khiển dự báo MPC và kỹ thuật tuyến tính hóa từng đoạn mô hình phi tuyến. Công trình đã giải quyết kết hợp các yêu cầu kỹ thuật phức tạp bao gồm: bám quỹ đạo đặt, xử lý ràng buộc biên độ góc bẻ lái, bù thành phần bất định hàm và lọc nhiễu môi trường thông qua các cấu trúc MPC-S, MPC-O, DMPC-S và DMPC-O. Các kết quả nghiên cứu đã được chứng minh tính ổn định bằng toán học, kiểm chứng thông qua mô phỏng số và thực nghiệm phần cứng trong vòng lặp (HIL) trên nền thời gian thực, đóng góp giá trị khoa học cho lĩnh vực điều khiển tự động phương tiện thủy.