Luận Văn Thạc Sĩ Về Giải Thuật Tránh Va Chạm Cho Phương Tiện Không Người Lái

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích kỹ thuật điều khiển và tự động hóa xây dựng giải thuật tránh va chạm cho phương tiện không người lái, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề

• Tác giả: Phan Minh Tâm
• Người hướng dẫn: GS. Hồ Phạm Huy Ánh
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển và Tự Động Hóa
• Đề tài: Giải Thuật Tránh Va Chạm Cho Phương Tiện Không Người Lái
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT ĐỀ TÀI
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Tình hình nghiên cứu về USV
• 1.3. Tình hình nghiên cứu giải thuật tránh va chạm
• 3. CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG TRÁNH VA CHẠM
• 3.1. Tổng quan hệ thống
• 3.2. Vùng ê-líp xâm hại (TE)
• 3.3. Chế độ hoạch định chủ động
• 3.3.1. Quỹ đạo tránh va chạm
• 3.3.2. Tối ưu hóa các tham số của ECCT
• 3.4. Chế độ phản ứng hành vi
• 4. CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO
• 4.1. Bộ điều hướng
• 4.2. Luật điều hướng
• 4.3. Tác động của dòng chảy
• 4.4. Bộ điều khiển
• 4.4.1. Điều khiển góc hướng
• 4.4.2. Điều khiển vận tốc
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 5.1. Mô hình Cyber Ship II
• 5.2. Mô phỏng bám quỹ đạo
• 5.3. Mô phỏng chế độ hoạch định chủ động
• 5.4. Chế độ phản ứng hành vi
• Danh mục các công bố
• Tài liệu tham khảo
• Lý lịch trích ngang

Tóm tắt

I. TỔNG QUAN VỀ GIẢI THUẬT TRÁNH VA CHẠM

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của công nghệ tự động hóa, giải thuật tránh va chạm trở thành một yếu tố quan trọng trong việc đảm bảo an toàn giao thông cho các phương tiện không người lái (USV). Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển một hệ thống tránh va chạm hai chế độ (DMCAS), bao gồm chế độ hoạch định chủ động và chế độ phản ứng hành vi. Hệ thống này không chỉ giúp giảm thiểu rủi ro va chạm mà còn tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của USV trong các tình huống phức tạp. Việc ứng dụng các công nghệ tự hành và trí tuệ nhân tạo trong việc phát triển thuật toán tránh va chạm cho phép USV tự động phát hiện và phản ứng kịp thời với các vật thể xung quanh, từ đó nâng cao tính tự động và an toàn trong quá trình di chuyển.

1.1. Các phương pháp tránh va chạm

Phương pháp tránh va chạm cho USV có thể được phân chia thành ba loại chính: phương pháp hoạch định chủ động, phương pháp phản ứng hành vi, và phương pháp lai. Phương pháp hoạch định chủ động sử dụng thông tin về bản đồ và vị trí của các vật cản để lập kế hoạch cho hành trình an toàn. Ngược lại, phương pháp phản ứng hành vi cho phép USV điều chỉnh hành vi một cách linh hoạt dựa trên các tín hiệu từ môi trường xung quanh. Sự kết hợp giữa hai phương pháp này tạo ra một hệ thống linh hoạt và hiệu quả, giúp USV có khả năng ứng phó nhanh chóng với các tình huống khẩn cấp. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc sử dụng mô hình hóa và phân tích dữ liệu có thể cải thiện đáng kể khả năng phát hiện và xử lý các tình huống va chạm tiềm ẩn.

II. HỆ THỐNG TRÁNH VA CHẠM

Hệ thống tránh va chạm hai chế độ (DMCAS) được phát triển nhằm tối ưu hóa khả năng tránh va chạm cho USV. Hệ thống này bao gồm hai chế độ hoạt động chính: chế độ hoạch định chủ động và chế độ phản ứng hành vi. Trong chế độ hoạch định chủ động, thuật toán sử dụng quỹ đạo độ cong liên tục theo ê-lip (ECCT) để tạo ra một lộ trình an toàn và tối ưu cho USV. Chế độ phản ứng hành vi, ngược lại, dựa trên trường thế ảo được xây dựng từ các thông tin môi trường để hướng dẫn USV tránh xa các khu vực có nguy cơ va chạm. Sự kết hợp giữa hai chế độ này cho phép USV hoạt động hiệu quả trong nhiều tình huống khác nhau, từ việc tránh các vật thể tĩnh cho đến các vật thể động trong môi trường phức tạp.

2.1. Vùng ê líp xâm phạm

Vùng ê-líp xâm phạm là một khái niệm mới trong nghiên cứu này, được sử dụng để dự đoán các khu vực có khả năng xảy ra va chạm. Khái niệm này giúp xác định các thông số quan trọng để thiết kế các giải thuật tránh va chạm. Bằng cách phân tích vùng ê-líp xâm phạm, các nhà nghiên cứu có thể phát triển các phương pháp tối ưu hóa cho việc lập kế hoạch và điều khiển hành trình của USV. Các mô phỏng số đã chỉ ra rằng việc áp dụng khái niệm này giúp cải thiện đáng kể hiệu suất tránh va chạm trong nhiều tình huống khác nhau, từ đó nâng cao mức độ an toàn cho các phương tiện tự hành.

III. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Các mô phỏng được thực hiện nhằm kiểm chứng khả năng tránh va chạm của DMCAS trong nhiều tình huống khác nhau như đối đầu, băng ngang và vượt. Kết quả cho thấy rằng hệ thống có khả năng phát hiện sớm các nguy cơ va chạm và thực hiện các hành động tránh né kịp thời. Đặc biệt, mô phỏng cho thấy rằng thuật toán ECCT mang lại hiệu quả cao trong việc lập kế hoạch lộ trình an toàn. Việc sử dụng mô hình hóa và phân tích dữ liệu trong quá trình mô phỏng cũng cho phép các nhà nghiên cứu điều chỉnh và tối ưu hóa các tham số của hệ thống, từ đó nâng cao khả năng hoạt động của USV trong thực tế.

3.1. So sánh hiệu suất

Kết quả mô phỏng cho thấy hiệu suất của DMCAS vượt trội so với các phương pháp truyền thống trong việc tránh va chạm. Cụ thể, các chỉ số như khoảng cách an toàn giữa USV và các vật thể khác được cải thiện đáng kể. Sự kết hợp giữa các phương pháp hoạch định chủ động và phản ứng hành vi không chỉ giúp giảm thiểu rủi ro mà còn nâng cao khả năng tự hành của USV. Nghiên cứu khẳng định rằng việc áp dụng công nghệ tự hành và trí tuệ nhân tạo trong thiết kế hệ thống tránh va chạm là cần thiết và có thể mang lại những lợi ích lớn cho ngành hàng hải.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Theo báo cáo của Hiệp Hội Vận Chuyển Quốc tế, vận tải hàng hải chiếm khoảng 90% trao đổi hàng hóa quốc tế, dẫn đến sự gia tăng đáng kể số vụ tai nạn tàu thuyền trên biển. Đáng chú ý, lỗi chủ quan của người điều khiển chiếm đến 96% nguyên nhân gây ra các vụ tai nạn này. Trong bối cảnh đó, tàu không người lái (Unmanned Surface Vessels - USV) ngày càng được ứng dụng rộng rãi nhờ khả năng thực hiện các nhiệm vụ dài và nguy hiểm, chi phí bảo trì thấp, cùng sự cơ động cao. USV được sử dụng trong nhiều lĩnh vực quân sự và dân sự như do thám, cứu hộ, vận chuyển hàng hóa, và quan trắc môi trường.

Tuy nhiên, việc phát triển các giải thuật tránh va chạm cho USV vẫn còn nhiều thách thức do đặc tính động lực học phức tạp và môi trường hoạt động đa dạng. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng một hệ thống tránh va chạm hai chế độ (Dual-mode Collision Avoidance System - DMCAS) cho USV, bao gồm chế độ hoạch định chủ động và chế độ phản ứng hành vi, nhằm nâng cao hiệu quả và độ an toàn trong các tình huống va chạm khác nhau. Nghiên cứu tập trung vào việc phát triển khái niệm "vùng ê-líp xâm phạm" (Threat Ellipse - TE) để dự đoán vùng va chạm, từ đó thiết kế các thuật toán tránh va chạm tối ưu và khả thi.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. HCM trong giai đoạn 2021-2022, với các mô phỏng số nhằm kiểm chứng hiệu quả của hệ thống trong nhiều kịch bản va chạm như đối đầu, vượt, băng ngang và nhiều tàu cùng tham gia. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao tính tự hành và an toàn cho USV, góp phần giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản trong vận tải biển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Mô hình động học và động lực học 3 bậc tự do (3-DOF) của USV: Mô hình này rút gọn từ mô hình 6-DOF, tập trung vào chuyển động trên mặt phẳng ngang với các biến vị trí (x, y) và góc hướng ψ, cùng vận tốc surge, sway và yaw rate. Mô hình bao gồm các ma trận khối lượng, lực quán tính, lực cản và ngoại lực môi trường như dòng chảy.

• Trường thế nhân tạo (Artificial Potential Field - APF): Là phương pháp phản ứng hành vi phổ biến, trong đó các lực thế ảo được tạo ra quanh vật cản và điểm đích để điều khiển USV tránh va chạm và di chuyển đến mục tiêu. APF có ưu điểm đơn giản, nhưng dễ gặp vấn đề cực tiểu địa phương.

• Luật hàng hải quốc tế về phòng tránh va chạm trên biển (COLREGs): Các quy định này định nghĩa các tình huống va chạm cơ bản (đối đầu, vượt, băng ngang) và trách nhiệm của tàu nhường đường và tàu được nhường đường. COLREGs được tích hợp vào thuật toán để đảm bảo hành vi tránh va chạm hợp lý và dễ dự đoán.

• Khái niệm "vùng ê-líp xâm phạm" (Threat Ellipse - TE): Đây là một vùng dự đoán va chạm được mô tả bằng phương trình ê-líp tĩnh, dựa trên quỹ đạo dự đoán của USV và tàu mục tiêu. TE giúp biến đổi bài toán tránh va chạm với vật cản động thành bài toán tránh vật cản tĩnh, từ đó thiết kế các quỹ đạo tránh va chạm an toàn và tối ưu.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu mô phỏng được xây dựng dựa trên mô hình động học và động lực học 3-DOF của USV, cùng các thông số động học của tàu mục tiêu (Target Ship - TS) trong các kịch bản va chạm khác nhau.

• Phương pháp phân tích: Luận văn phát triển hệ thống tránh va chạm hai chế độ (DMCAS) gồm:

  • Chế độ hoạch định chủ động: Sử dụng thuật toán Ellipse-based Curvature Continuous Trajectory (ECCT) để hoạch định quỹ đạo tránh va chạm dựa trên vùng TE. Bài toán tối ưu đa mục tiêu được giải bằng phương pháp tối ưu hóa số (hàm fmincon trong Matlab) nhằm giảm tổng độ dài quỹ đạo và sai lệch so với đường toàn cục.

  • Chế độ phản ứng hành vi: Áp dụng trường thế ê-líp (Threat Ellipse-based Potential Field - TEPF) kết hợp lực đẩy và lực ly tâm để điều khiển USV tránh xa vùng TE trong các tình huống phức tạp hoặc khi không thể hoạch định quỹ đạo tối ưu.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 9/2021 đến tháng 6/2022, bao gồm giai đoạn tìm hiểu lý thuyết, xây dựng mô hình, phát triển thuật toán, thiết kế bộ điều khiển bám quỹ đạo và thực hiện các mô phỏng kiểm chứng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Khái niệm vùng ê-líp xâm phạm (TE) được xác định là vùng va chạm tĩnh có phương trình ê-líp với các hệ số không đổi, giúp biến đổi bài toán tránh va chạm với vật cản động thành bài toán tránh vật cản tĩnh. Điều này làm giảm đáng kể độ phức tạp tính toán trong chế độ hoạch định chủ động.

2. Thuật toán ECCT cho phép hoạch định quỹ đạo tránh va chạm an toàn, khả thi và tối ưu, với quỹ đạo liên tục về độ cong và không cắt vùng TE. Qua mô phỏng, ECCT giảm tổng độ dài quỹ đạo trung bình khoảng 15-20% so với các phương pháp truyền thống như Dubins hay Bezier, đồng thời sai số bám quỹ đạo được giữ trong giới hạn ±0.5 m.

3. Chế độ phản ứng hành vi sử dụng trường thế ê-líp (TEPF) cải thiện hiệu suất tránh va chạm trong các tình huống phức tạp, như va chạm với nhiều tàu cùng lúc hoặc khi tàu mục tiêu có quỹ đạo không thể dự đoán. Mô phỏng cho thấy TEPF giúp USV duy trì khoảng cách an toàn trung bình trên 10 m với các vật cản, tăng 25% so với APF truyền thống.

4. Bộ điều khiển và luật điều hướng được thiết kế đảm bảo sai số bám quỹ đạo luôn bị giới hạn trong vùng quy định, với sai số ngang (cross-track error) và dọc (along-track error) không vượt quá ±0.3 m trong các kịch bản mô phỏng có dòng chảy tác động. Điều này giúp đảm bảo an toàn và chính xác trong quá trình tránh va chạm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân thành công của hệ thống DMCAS là do sự kết hợp hiệu quả giữa hai chế độ hoạch định chủ động và phản ứng hành vi, tận dụng ưu điểm của từng phương pháp. Việc sử dụng vùng TE làm cơ sở cho cả hai chế độ giúp đơn giản hóa bài toán và tăng tính ổn định của giải thuật. So với các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào một phương pháp duy nhất, DMCAS thể hiện sự linh hoạt và hiệu quả hơn trong nhiều tình huống thực tế.

Kết quả mô phỏng được trình bày qua các biểu đồ so sánh quỹ đạo tránh va chạm, sai số bám quỹ đạo và khoảng cách an toàn giữa USV và các tàu mục tiêu trong các kịch bản đối đầu, vượt, băng ngang và nhiều tàu cùng tham gia. Các bảng tổng hợp đánh giá chất lượng quỹ đạo cũng cho thấy ECCT vượt trội về độ ngắn và độ mượt so với các phương pháp khác.

Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ nằm ở việc nâng cao tính tự hành và an toàn cho USV mà còn góp phần giảm thiểu rủi ro tai nạn hàng hải do lỗi con người, đồng thời mở rộng ứng dụng USV trong các lĩnh vực quân sự và dân sự.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai hệ thống DMCAS trên các mẫu USV thực tế trong môi trường biển đa biến động nhằm kiểm chứng hiệu quả ngoài mô phỏng, với mục tiêu giảm thiểu tai nạn va chạm ít nhất 30% trong vòng 2 năm tới. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu và doanh nghiệp phát triển USV.

2. Phát triển bộ cảm biến và hệ thống nhận dạng vật cản chính xác hơn để nâng cao chất lượng dữ liệu đầu vào cho DMCAS, đặc biệt trong điều kiện thời tiết xấu hoặc vùng nước phức tạp. Mục tiêu cải thiện độ chính xác dự đoán vùng TE lên trên 95% trong 1 năm. Chủ thể thực hiện: các công ty công nghệ cảm biến và đối tác nghiên cứu.

3. Tích hợp luật COLREGs đầy đủ hơn vào thuật toán để xử lý các tình huống phức tạp và đa dạng hơn, bao gồm các quy định về tín hiệu và ưu tiên trong giao thông hàng hải. Mục tiêu hoàn thiện hệ thống tuân thủ COLREGs 100% trong 18 tháng. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu và chuyên gia luật hàng hải.

4. Phát triển thuật toán tối ưu hóa tham số ECCT sử dụng các phương pháp học máy hoặc tối ưu bầy đàn để nâng cao tốc độ và chất lượng hoạch định quỹ đạo, nhằm đáp ứng yêu cầu thời gian thực trong các tình huống khẩn cấp. Mục tiêu giảm thời gian tính toán quỹ đạo xuống dưới 0.1 giây trong 2 năm. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu về trí tuệ nhân tạo và điều khiển tự động.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình động học USV, thuật toán tránh va chạm và thiết kế bộ điều khiển bám quỹ đạo, hỗ trợ phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

2. Doanh nghiệp phát triển và sản xuất USV: Các công ty có thể ứng dụng giải thuật DMCAS để nâng cao tính tự hành và an toàn cho sản phẩm, từ đó tăng khả năng cạnh tranh trên thị trường quốc tế.

3. Cơ quan quản lý và tổ chức hàng hải: Tham khảo để xây dựng các quy định, tiêu chuẩn kỹ thuật cho USV, đặc biệt trong việc áp dụng luật COLREGs và đảm bảo an toàn giao thông trên biển.

4. Chuyên gia phát triển hệ thống điều khiển tự động và trí tuệ nhân tạo: Luận văn cung cấp các phương pháp kết hợp giữa hoạch định chủ động và phản ứng hành vi, cùng với ứng dụng trường thế nhân tạo và tối ưu hóa đa mục tiêu, là tài liệu tham khảo quý giá cho các dự án tương tự.

Câu hỏi thường gặp

1. Vùng ê-líp xâm phạm (Threat Ellipse) là gì và tại sao lại quan trọng?
   Vùng ê-líp xâm phạm là vùng dự đoán va chạm giữa USV và tàu mục tiêu, được mô tả bằng phương trình ê-líp tĩnh. Nó giúp biến đổi bài toán tránh va chạm với vật cản động thành bài toán tránh vật cản tĩnh, từ đó đơn giản hóa và nâng cao hiệu quả thuật toán tránh va chạm.

2. Thuật toán ECCT có ưu điểm gì so với các phương pháp hoạch định quỹ đạo khác?
   ECCT tạo ra quỹ đạo liên tục về độ cong, không cắt vùng TE, đảm bảo an toàn và khả thi cho USV. Mô phỏng cho thấy ECCT giảm tổng độ dài quỹ đạo khoảng 15-20% và sai số bám quỹ đạo nhỏ hơn so với các phương pháp như Dubins hay Bezier.

3. Chế độ phản ứng hành vi sử dụng trường thế ê-líp (TEPF) hoạt động như thế nào?
   TEPF tạo ra lực đẩy và lực ly tâm xung quanh vùng TE để điều khiển USV tránh xa vùng va chạm trong thời gian thực, đặc biệt hiệu quả khi không thể hoạch định quỹ đạo tối ưu do sự biến động của vật cản hoặc số lượng vật cản lớn.

4. Luật COLREGs được tích hợp như thế nào trong hệ thống tránh va chạm?
   Luật COLREGs cung cấp các quy định về hành vi tránh va chạm, trách nhiệm nhường đường và các tình huống va chạm cơ bản. Hệ thống sử dụng các quy tắc này để dự đoán hành vi tàu mục tiêu và lựa chọn quỹ đạo hoặc hướng đi phù hợp, giúp USV tuân thủ luật và dễ dàng phối hợp với các tàu khác.

5. Sai số bám quỹ đạo được kiểm soát như thế nào trong hệ thống?
   Bộ điều khiển và luật điều hướng được thiết kế để giữ sai số bám ngang và dọc luôn nằm trong giới hạn ±0.3 m, đảm bảo USV bám chính xác quỹ đạo tránh va chạm ngay cả khi có tác động của dòng chảy hoặc nhiễu môi trường.

Kết luận

• Đã phát triển thành công hệ thống tránh va chạm hai chế độ (DMCAS) cho USV, kết hợp hiệu quả giữa hoạch định chủ động và phản ứng hành vi.
• Khái niệm vùng ê-líp xâm phạm (Threat Ellipse) được giới thiệu và ứng dụng để đơn giản hóa bài toán tránh va chạm với vật cản động.
• Thuật toán ECCT cho phép hoạch định quỹ đạo tránh va chạm an toàn, khả thi và tối ưu, vượt trội so với các phương pháp truyền thống.
• Trường thế ê-líp (TEPF) cải thiện hiệu suất tránh va chạm trong các tình huống phức tạp và đa vật cản.
• Bộ điều khiển bám quỹ đạo đảm bảo sai số luôn bị giới hạn, nâng cao độ chính xác và an toàn cho USV.

Next steps: Triển khai thử nghiệm thực tế, nâng cấp cảm biến và tích hợp đầy đủ luật COLREGs, đồng thời phát triển thuật toán tối ưu hóa thời gian thực.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực USV nên áp dụng và phát triển tiếp hệ thống DMCAS để nâng cao tính tự hành và an toàn cho phương tiện không người lái trên biển.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU normal distribution trajectory - LNDT) được giới thiệu bởi [15]. Tuy nhiên, các phương pháp của [14] và [15] hay tương tự chỉ phù hợp với việc tránh một tàu đơn lẻ và không có tính linh hoạt để tránh nhiều tàu một lúc. Một hướng tiếp cận khác được đề xuất trong [16], các tàu được xấp xỉ bằng các vùng dự đoán va chạm (Predicted Area of Danger - PAD) và các PAD này sau đó được sử dụng để hoạch định tránh va chạm. Hạn chế lớn nhất của [16] tốn nhiều thời gian tính toán, nên khó có thể bắt thể bắt kịp sự biến động của ngoại cảnh.

Khác với phương pháp hoạch định chủ động, các giải thuật phản ứng hành vi lại chú trọng phản ứng nhanh với các sự biến đổi của môi trường hơn tối ưu hiệu suất, do đó không bước hoạch định (hình 1. Phương pháp đơn giản và Hình 1.10: Lưu đồ minh họa phương pháp phản ứng hành vi (reactive). phổ biến nhất cho loại giải thuật này có lẽ là Trường thế nhân tạo (Artificial Potential Field - APF) [17]. Đúng như tên gọi của giải thuật, APF sẽ thiết lập các trường thế xung quanh các vật cản và điểm đích, và các lực thế sinh ra sẽ có đặc điểm luôn hướng ra vật cản và hướng đến điểm đích.

Tuy nhiên, vấn đề lớn nhất của phương pháp là các điểm cực tiểu địa phương. [18] đã đề xuất hàm APF mới cho robot di chuyển trong môi trường động bằng cách xem xét thêm vận tốc của điểm đích và gia tốc, vận tốc của robot khi thiết kế các hàm thế. [19] đã chia miền thế thành bốn miền khác theo thứ tự tăng dần mức độ nguy hiểm gồm vùng an toàn, vùng điều tiết, vùng khẩn cấp, và vùng cấm. [20] giới thiệu phương pháp hoạch định đường đi theo theo APF (PGHAPF) để giải quyết vấn Luận Văn Thạc Sĩ HV: Phan Minh Tâm 9 Luận Văn Thạc Sĩ 10 CHƯƠNG 1.

MỞ ĐẦU đề cực tiểu cục bộ của APF truyền thống. PGHAPF xem xét giá trị thế năng tại 4 điểm gồm: vị trí hiện tại, và các vị trí sau khi thực hiện các hành động đi thẳng, rẽ phải, rẽ trái. Nếu thế năng tại bất kì vị trí nào lớn hơn ngưỡng cho trước, thì hành động tương ứng với giá trị thế năng nhỏ nhất sẽ được chọn để điều động USV. Để giải quyết cực tiểu địa phương khi mà robot, vật cản, điểm đích thẳng hàng, [21] đề xuất thêm vào mô hình APF một thành phần lực mới mà tiếp tuyến với biên dạng của vật cản.

Trong [22], một thành phần lực cũng được giới thiệu nhưng vuông thành phần lực đẩy. Các hệ thống lai là sự kết hợp của các phương pháp hoạch định chủ động và giải thuật phản ứng hành vi để tận dụng lợi thế cũng như bù đắp nhược điểm của hai phương pháp này (1. Trong hệ thống này, lớp hoạch định chủ động Hình 1.11: Lưu đồ minh họa phương pháp lai (hybrid). là lớp cao hơn có nhiệm vụ hoạch định đường đi tối ưu trong môi trường tĩnh.

Lớp thấp hơn là lớp phản ứng hành vi có nhiệm vụ nhận đường đi tham chiếu từ lớp hoạch định chủ động và đưa ra chỉ dẫn để tránh các vật cản động. [23] giới thiệu NHNA (New Hybrid Navigation Algorithm), gồm lớp hoạch định chủ động và lớp phản ứng hành vi. Trong đó đường tham chiếu được tạo ra bởi thuật toán A*, DHB (Distance Histogram bug) là thuật toán phản ứng hành vi được sử dụng. [24] cũng đề xuất HNA (Hybrid Navigation algorithm with roaming trails) nhưng với APF được sử dụng trong lớp reactive.

[25] cũng đề xuất hệ thống lai tương tự với NHNA và HNA, nhưng WSM (Weight Sum Model) là Luận Văn Thạc Sĩ HV: Phan Minh Tâm 10 Luận Văn Thạc Sĩ 11 CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU thuật toán phản ứng hành vi được sử dụng để giải bài toán tối ưu đa mục tiêu. Bên cạnh những nghiên cứu này, còn rất nghiên cứu về hệ thống lai như [26], [27].4 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu Như đã đề cập trong mục 1.3, tất cả các tàu thuyền tham gia giao thông trên biển đều phải COLREGs, làm cho tàu COLREGs trở nên phổ biến và có hành vi dễ dự đoán. Việc áp dụng phương pháp hoạch định hoạch định chủ động để xử lý tránh va chạm với các loại tàu này có thể mang lại nhiều lợi ích khác nhau như tiết kiệm thời gian, năng lượng, có thể kiểm soát quỹ đạo.

Tuy nhiên, khi số lượng tàu COLREGs tăng lên hay có sự tham gia của tàu phi COLREGs, phương pháp hoạch định chủ động sẽ gặp nhiều khó khăn hoặc thậm chí không thể giải quyết được. Trong những tình huống này thì các giải thuật phản ứng hành vi lại là phương án tốt vì lúc này việc giữ an toàn nên được ưu tiên hơn việc tối ưu chất lượng. Từ nhưng quan sát trên, luận văn này đề xuất hệ thống tránh va chạm hai chế độ (DMCAS) được xây dựng dựa trên kiến trúc của hệ thống lai, gồm: chế độ hoạch định chủ động để xử lý các tàu COLREGs, và chế độ phản ứng hành vi để xử lý các trường hợp phức tạp hơn. Với thiết kế này, DMCAS có thể khai thác tối đa luật COLREGs để đạt được hiệu suất cao khi tránh va chạm tàu COLREGs, trong khi vẫn luôn giữ an toàn trong các tình huống phức tạp hơn.

Để xây dựng được DMCAS thỏa mãn các mục tiêu này, các nội dung nghiên cứu chi tiết của đề tài này như sau: • Đề xuất phương pháp xây dựng “vùng ê-lip xâm phạm” (threat ellipse - TE) cho phép biến đổi bài toán tránh vật cản động thành tránh vật cản tĩnh với các đối tượng là tàu tuân thủ luật COLREGs. • Đề xuất phương pháp xây dựng một quỹ đạo tránh vật cản dựa trên TE có tên là quỹ đạo độ cong liên tục theo ê-lip (Ellipse-bases Curvature- Continuous Trajectory - ECCT). Luận Văn Thạc Sĩ HV: Phan Minh Tâm 11 Luận Văn Thạc Sĩ 12 CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU • Phát triển giải thuật tránh vật cản cho trường hợp đa vật cản bằng cách sử dụng tính chất tĩnh của TE.

• Phát triển giải thuật tránh vật cản cho trường hợp vật cản không tuân thủ COLREGs bằng cách tích hợp threat ellipse vào trường thế của APF. • Thiết kế bộ điều khiển và giải thuật điều hướng để điều khiển USV bám theo quỹ đạo tránh va chạm. Luận Văn Thạc Sĩ HV: Phan Minh Tâm 12 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Mô hình toán USV 2.1 Mô hình động học của USV Các hệ quy chiếu Hệ quy chiếu với trái đất là trung tâm: Có 2 loại ECI (The Earth-centered inertial): Là một hệ quy chiếu quán tính cho điều hướng trên mặt đất, nó là hệ quy chiếu mà trong đó các luật của Newton được áp dụng để tính toán, ký hiệu là {i}. Gốc của {i} thì nằm tại tâm oi của trái đất cùng với các trục được biễu diễn trong hình 2.

ECEF (The Earth-centered Earth-fixed): Là một bản chỉnh sửa của ECI. Đây là hệ quy chiếu xem trái đất là cố định (không xoay). Gốc của {e} vẫn nằm tại tâm của trái đất, nhưng trục của nó xoay lệch đi so với ECI. Trong đó tỷ góc quay là ωe = 7.

Đối với các tàu di chuyển chậm thì ta có thể bỏ qua chuyển động quay của trái đất do đó có thể xem {e} như là {i}. Hệ tọa độ {e} thường được sử dụng trong định vị, dẫn đường và điều khiển toàn cầu. Hệ quy chiếu địa lý: Cũng có 2 loại NED (North-East-Down): Là hệ tọa độ với tâm là on được định nghĩa dựa vào 13 Luận Văn Thạc Sĩ 14 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT dạng ellip của trái đất.

Nó là hệ tọa độ chúng ta đề cập trong cuộc sống hàng ngày. Thường thì NED được định nghĩa là một mặt phẳng tiếp tuyến với bề mặt của trái đất, ký hiệu {n}. Trong hệ tọa độ này trục x của nó sẽ hướng về phía Bắc còn trục y sẽ hướng về phía Đông và trục z sẽ hướng xuống vuông góc với mặt phẳng tiếp tuyến với bề mặt trái đất. Vị trí của {n} so với {e} sẽ được xác định qua hai góc l và µ biễu thị tương ứng cho kinh độ và vĩ độ.

Đối với các tàu hoạt động trong một vùng địa lý cố định thì kinh độ và vĩ độ có thể được xem là xấp xỉ không đổi. Khi đó một mặt phẳng tiếp tuyến với trái đất cố định (không xoay) được sử dụng để định vị và được ký hiệu là {n} sẽ có thể giả sử là quán tính và các luật Newton có thể áp dụng được. BODY: Ký hiệu là {b} với gốc ob là một hệ tọa độ di chuyển gắn với cố định Hình 2.1: Hệ quy chiếu ECEF {e} = (xe , ye , ze ) xoay với một tỷ góc ωe so với hệ quy chiếu ECI {i} = (xi , yi , zi ). Vị trí và hướng của tàu thì được mô tả tương ứng trong hệ quy chiếu quán tính (xấp sẽ {e} hoặc {n}) trong khi đó vận tốc góc và vận tốc tuyến tính của tàu nên được thể hiện trong hệ tọa độ BODY này.

Gốc ob thường được chọn trùng với điểm giữa thuyền trong đường nổi trên mặt nước. Với tàu thì các trục Luận Văn Thạc Sĩ HV: Phan Minh Tâm 14 Luận Văn Thạc Sĩ 15 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT xb , yb và zb được chọn trùng với trục chính của quán tính, và thường được định nghĩa như sau: + xb - trục theo chiều dọc (hướng từ phía sau đến trước). + yb - trục hoành (hướng từ bên trái sang bên phải).

+ zb - trục thường (hường từ trên xuống dưới).2 Mô hình động lực học Chuyển động của một vật thể trong không gian có thể mô tả một cách tổng quát bằng 6 bậc tự do (6 DOF). Các giá trị x, y và z sẽ mô tả vị trí trong không gian 3 chiều và các góc roll, pitch, và yaw ϕ, θ, ψ sẽ mô tả hướng của con tàu. Giả sử rằng con tàu đang nằm ngang ổn định không bị nghiêng (đặc biệt là cho các loại tàu hai thân có tính ổn định cao khi di chuyển) thì ta có thể xem góc roll, pitch xấp xỉ bằng không nên ta có thể loại bỏ. Tương tự với độ nổi của con tàu ta xem không đổi nên ta có thể bỏ qua giá trị z.

Như vậy mô hình chuyển động của tàu trên mặt nước có thể rút gọn thành 3 DOF. Ta có mô hình động lực học 3 DOF được rút gọn từ mô hình tổng quát 6 DOF của (Fossen, 2002) [28] như sau:     η̇ = R (ψ) υ  (2.