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.