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, = x2 ( t ) + y2 ( t ) (2.11) dt Luận văn thạc sĩ Trang 6 Độ cong không dấu k ( t ) và độ cong có dấu ( t ) : dp ( s ) xy − yx 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.