Tổng quan nghiên cứu

Phương tiện mặt nước không người lái (USV) đang trở thành xu hướng nghiên cứu và ứng dụng quan trọng trên thế giới nhờ tính cơ động cao, kích thước nhỏ gọn và khả năng hoạt động trong môi trường nguy hiểm. Việt Nam, với đặc điểm địa lý có nhiều sông ngòi, ao hồ và bờ biển dài, sở hữu tiềm năng lớn để phát triển và ứng dụng USV trong nhiều lĩnh vực như quân sự, giám sát môi trường, vận chuyển và cứu hộ. Tuy nhiên, các nghiên cứu về điều khiển USV tại Việt Nam còn hạn chế, chủ yếu tập trung vào một số khía cạnh riêng lẻ, chưa xây dựng được hệ thống điều khiển toàn diện.

Một trong những thách thức lớn trong điều khiển USV là sự tồn tại của các yếu tố không chắc chắn như biến đổi động lực học trong quá trình vận hành và tác động từ môi trường như gió, sóng, dòng chảy. Luận văn này nhằm xây dựng một hệ thống điều khiển thích nghi, bao gồm quy hoạch quỹ đạo, dẫn hướng và điều khiển USV trong môi trường tĩnh có vật cản biết trước, chịu ảnh hưởng vừa phải của các yếu tố không chắc chắn. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào USV hoạt động trong môi trường nước tĩnh với khoảng 20 điểm waypoint, đảm bảo quỹ đạo có độ trơn G2 và giới hạn độ cong phù hợp để USV vận hành ổn định.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là phát triển giải thuật quy hoạch quỹ đạo Dubins ngắn nhất qua nhiều điểm waypoint, giải thuật làm trơn quỹ đạo dựa trên xoắn ốc Fermat, giải thuật dẫn hướng LOS với khoảng cách nhìn trước thích nghi và bộ điều khiển trượt thích nghi (ASMC) có khả năng chống xung tín hiệu. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả vận hành USV trong điều kiện thực tế, đồng thời mở rộng ứng dụng USV tại Việt Nam.

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 lực học USV: Mô hình được xây dựng theo phương trình động lực học 6 bậc tự do, giản lược thành mô hình 3 bậc tự do (surge, sway, yaw) với ma trận quán tính, lực Coriolis và lực cản. Mô hình này cho phép mô phỏng chính xác chuyển động USV trong mặt phẳng ngang, đồng thời tính đến các lực nhiễu động và yếu tố không chắc chắn.

  • Quỹ đạo Dubins: Quỹ đạo tối ưu ngắn nhất giữa hai điểm với ràng buộc về góc heading và bán kính quay tối thiểu. Quỹ đạo Dubins gồm các đoạn thẳng và cung tròn, được sử dụng để quy hoạch đường đi qua nhiều điểm waypoint.

  • Xoắn ốc Fermat: Được sử dụng để làm trơn quỹ đạo Dubins nhằm đảm bảo độ trơn G2, giúp USV bám theo quỹ đạo chính xác hơn. Phương pháp này cho phép xây dựng đường cong nội suy ba đoạn với độ cong liên tục và có thể đi qua các điểm waypoint.

  • Phương pháp dẫn hướng LOS (Line Of Sight): Sử dụng khoảng cách nhìn trước biến đổi theo sai số cross-track để xác định góc heading đặt cho USV, đảm bảo giảm sai số bám đường và ổn định vòng kín.

  • Bộ điều khiển trượt thích nghi (ASMC): Giúp điều khiển USV ổn định trong điều kiện có yếu tố không chắc chắn về mô hình và môi trường, đồng thời giảm hiện tượng chattering nhờ luật điều khiển thích nghi độ lợi và bộ lọc chống xung tín hiệu.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu mô phỏng được xây dựng dựa trên mô hình USV Cybership II với các tham số động lực học cụ thể (khối lượng 23.046 kg, bán kính quay 2 m, các lực cản và quán tính được xác định chi tiết).

  • Phương pháp phân tích: Luận văn sử dụng phương pháp mô phỏng trên phần mềm Simulink để đánh giá hiệu quả các giải thuật quy hoạch quỹ đạo, làm trơn, dẫn hướng và điều khiển. Bài toán tối ưu hóa quỹ đạo Dubins được giải bằng giải thuật rời rạc hóa góc heading với hai mức phân giải, kết hợp thuật toán tìm đường đi ngắn nhất (TSP) và thuật toán mặt phẳng cắt.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 9/2023 đến tháng 5/2024, bao gồm các giai đoạn xây dựng mô hình, phát triển giải thuật, mô phỏng và đánh giá kết quả.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô phỏng được thực hiện với tập hợp điểm waypoint ngẫu nhiên gồm 10-20 điểm phân bố đều trong vùng 50x50 m², đảm bảo tính đại diện cho các trường hợp thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tối ưu hóa quỹ đạo Dubins với hai mức phân giải:

    • Với 20 điểm waypoint, việc tăng độ phân giải góc heading từ 4 lên 64 lần giúp giảm độ dài quỹ đạo chuẩn hóa trung bình từ 1 xuống còn khoảng 0.644, cải thiện đáng kể hiệu quả đường đi.
    • Giải thuật hai mức phân giải giúp cân bằng giữa thời gian tính toán và chất lượng lời giải, phù hợp với yêu cầu thực tế.

  2. Làm trơn quỹ đạo bằng xoắn ốc Fermat:

    • Quỹ đạo làm trơn có độ trơn G2, đảm bảo độ cong liên tục và phù hợp với khả năng vận hành của USV.
    • So sánh mô phỏng cho thấy quỹ đạo làm trơn giúp giảm sai số cross-track trung bình xuống khoảng 30% so với quỹ đạo Dubins chưa làm trơn.
    • Độ cong tối đa của quỹ đạo làm trơn được kiểm soát tốt, không vượt quá giới hạn bán kính quay của USV.

  3. Hiệu quả dẫn hướng LOS với khoảng cách nhìn trước thích nghi:

    • Phương pháp LOS với khoảng cách nhìn trước biến đổi theo sai số cross-track giúp USV nhanh chóng điều chỉnh hướng đi, giảm dao động và tăng độ ổn định khi bám theo quỹ đạo.
    • Việc sử dụng cửa sổ tìm kiếm để xác định điểm gần nhất trên quỹ đạo giúp tránh hiện tượng "nhảy điểm" gây mất ổn định.

  4. Bộ điều khiển trượt thích nghi (ASMC) với bộ lọc chống xung:

    • ASMC duy trì ổn định hệ thống trong điều kiện có yếu tố không chắc chắn về mô hình và môi trường.
    • Bộ lọc chống xung hiệu quả trong việc giảm hiện tượng xung tín hiệu điều khiển, đặc biệt tại các điểm nối quỹ đạo có độ trơn G2 không đạt G3.
    • Mô phỏng cho thấy sai số góc heading và tốc độ surge được kiểm soát trong giới hạn cho phép, đảm bảo vận hành ổn định.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy giải thuật quy hoạch quỹ đạo Dubins với hai mức phân giải là một phương pháp hiệu quả để tối ưu hóa đường đi qua nhiều điểm waypoint, khắc phục nhược điểm của các giải thuật heuristics hoặc decoupling truyền thống. Việc làm trơn quỹ đạo bằng xoắn ốc Fermat không chỉ đảm bảo độ trơn G2 mà còn giữ được tính nội suy, giúp USV đi chính xác qua các điểm waypoint, điều này vượt trội hơn so với các phương pháp làm trơn khác như B-Spline hay Bézier.

Phương pháp dẫn hướng LOS với khoảng cách nhìn trước thích nghi và cửa sổ tìm kiếm điểm gần nhất giúp giảm thiểu dao động và hiện tượng mất ổn định do điểm tham chiếu thay đổi đột ngột, phù hợp với yêu cầu vận hành thực tế. Bộ điều khiển trượt thích nghi ASMC kết hợp bộ lọc chống xung đã chứng minh khả năng điều khiển USV ổn định trong môi trường có yếu tố không chắc chắn, giảm thiểu hiện tượng chattering thường gặp ở điều khiển trượt truyền thống.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, luận văn đã phát triển một hệ thống điều khiển USV toàn diện hơn, tích hợp các giải thuật quy hoạch, dẫn hướng và điều khiển thích nghi, phù hợp với điều kiện môi trường và yêu cầu vận hành tại Việt Nam. Các kết quả mô phỏng có thể được trình bày qua biểu đồ độ dài quỹ đạo chuẩn hóa, biểu đồ sai số cross-track và góc heading theo thời gian, cũng như bảng so sánh các tham số điều khiển giữa các giải thuật.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống điều khiển thích nghi trên USV thực tế

    • Thực hiện thử nghiệm thực địa với USV trang bị bộ điều khiển ASMC và giải thuật quy hoạch quỹ đạo Dubins làm trơn.
    • Mục tiêu giảm sai số bám đường xuống dưới 0.5 m trong môi trường nước tĩnh trong vòng 12 tháng.
    • Chủ thể thực hiện: các phòng thí nghiệm nghiên cứu và doanh nghiệp phát triển USV.

  2. Phát triển giải thuật quy hoạch quỹ đạo cho môi trường động

    • Nghiên cứu mở rộng giải thuật để xử lý vật cản động và yếu tố môi trường biến đổi như sóng lớn, dòng chảy mạnh.
    • Mục tiêu nâng cao khả năng thích nghi và an toàn vận hành trong 18 tháng tiếp theo.
    • Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu chuyên sâu về điều khiển và robot thủy.

  3. Tối ưu hóa bộ lọc chống xung và luật điều khiển thích nghi

    • Cải tiến bộ lọc để giảm thiểu hiện tượng xung tín hiệu trong các trường hợp quỹ đạo có độ trơn thấp hơn G3.
    • Mục tiêu nâng cao độ ổn định và tuổi thọ thiết bị chấp hành trong 6 tháng.
    • Chủ thể thực hiện: nhóm kỹ thuật điều khiển và phát triển phần mềm.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ

    • Tổ chức các khóa đào tạo về hệ thống điều khiển USV cho cán bộ kỹ thuật và sinh viên ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa.
    • Mục tiêu nâng cao năng lực nghiên cứu và ứng dụng USV trong 1 năm.
    • Chủ thể thực hiện: các trường đại học và viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa

    • Lợi ích: Nắm bắt kiến thức về mô hình động lực học USV, giải thuật quy hoạch quỹ đạo và điều khiển thích nghi.
    • Use case: Phát triển đề tài nghiên cứu, luận văn tốt nghiệp liên quan đến robot thủy và hệ thống điều khiển.

  2. Doanh nghiệp phát triển và sản xuất USV

    • Lợi ích: Áp dụng giải thuật điều khiển thích nghi và quy hoạch quỹ đạo để nâng cao hiệu suất và độ ổn định sản phẩm.
    • Use case: Thiết kế hệ thống điều khiển cho USV thương mại hoặc quân sự.

  3. Cơ quan quản lý và tổ chức đào tạo

    • Lợi ích: Hiểu rõ tiềm năng và thách thức trong ứng dụng USV tại Việt Nam, từ đó xây dựng chính sách và chương trình đào tạo phù hợp.
    • Use case: Xây dựng chương trình đào tạo, chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ USV.

  4. Nhóm nghiên cứu về robot và tự động hóa trong môi trường nước

    • Lợi ích: Tham khảo phương pháp tích hợp giải thuật quy hoạch, dẫn hướng và điều khiển thích nghi trong môi trường có yếu tố không chắc chắn.
    • Use case: Phát triển các hệ thống robot thủy đa nhiệm vụ, nâng cao khả năng vận hành trong điều kiện thực tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Giải thuật Dubins Travelling Salesman Problem (DTSP) là gì và tại sao quan trọng?
    DTSP là bài toán tìm quỹ đạo ngắn nhất đi qua nhiều điểm waypoint với ràng buộc về góc heading và bán kính quay tối thiểu. Nó quan trọng vì giúp tối ưu hóa đường đi của USV, giảm thời gian và năng lượng tiêu thụ trong các nhiệm vụ khảo sát hoặc vận chuyển.

  2. Tại sao cần làm trơn quỹ đạo Dubins bằng xoắn ốc Fermat?
    Quỹ đạo Dubins có độ cong không liên tục (G1), gây khó khăn cho USV trong việc bám theo chính xác. Xoắn ốc Fermat giúp làm trơn quỹ đạo đạt độ trơn G2, đảm bảo chuyển động mượt mà và ổn định hơn, giảm sai số bám đường.

  3. Phương pháp dẫn hướng LOS với khoảng cách nhìn trước thích nghi hoạt động như thế nào?
    Phương pháp này xác định góc heading đặt dựa trên điểm nhìn trước trên quỹ đạo, khoảng cách nhìn trước thay đổi theo sai số cross-track. Khi USV gần quỹ đạo, khoảng cách giảm để tăng độ chính xác; khi xa quỹ đạo, khoảng cách tăng để giảm dao động.

  4. Bộ điều khiển trượt thích nghi (ASMC) có ưu điểm gì so với điều khiển trượt truyền thống?
    ASMC có khả năng thích nghi với các yếu tố không chắc chắn và giảm hiện tượng chattering nhờ luật điều khiển thích nghi độ lợi. Điều này giúp hệ thống điều khiển ổn định hơn và giảm hao mòn thiết bị chấp hành.

  5. Bộ lọc chống xung tín hiệu được thiết kế như thế nào và tại sao cần thiết?
    Bộ lọc chống xung giữ nguyên giá trị tín hiệu khi phát hiện xung lớn vượt ngưỡng, tránh việc tín hiệu điều khiển bị dao động mạnh gây hư hại hoặc mất ổn định. Thiết kế đơn giản, không gây trễ khi không có xung, giúp cải thiện chất lượng điều khiển.

Kết luận

  • Đã phát triển thành công giải thuật quy hoạch quỹ đạo Dubins với hai mức phân giải, tối ưu hóa độ dài quỹ đạo qua nhiều điểm waypoint.
  • Giải thuật làm trơn quỹ đạo dựa trên xoắn ốc Fermat đảm bảo độ trơn G2 và tính nội suy, giúp USV bám theo quỹ đạo chính xác hơn.
  • Phương pháp dẫn hướng LOS với khoảng cách nhìn trước thích nghi và cửa sổ tìm kiếm điểm gần nhất giúp tăng độ ổn định và giảm dao động khi bám đường.
  • Bộ điều khiển trượt thích nghi (ASMC) kết hợp bộ lọc chống xung tín hiệu duy trì ổn định hệ thống trong điều kiện không chắc chắn và giảm hiện tượng chattering.
  • Các kết quả mô phỏng chứng minh tính khả thi và hiệu quả của hệ thống điều khiển USV toàn diện, mở ra hướng phát triển ứng dụng thực tế tại Việt Nam.

Next steps: Triển khai thử nghiệm thực địa, mở rộng giải thuật cho môi trường động và đào tạo chuyển giao công nghệ. Đề nghị các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm liên hệ để hợp tác phát triển và ứng dụng hệ thống điều khiển USV tiên tiến này.