Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo cho phương tiện chuyển động ngầm

• Tác giả: Vũ Văn Quang
• Người hướng dẫn: TS. Đinh Anh Tuấn
• Trường học: Trường Đại học Hàng hải Việt Nam
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo cho phương tiện chuyển động ngầm
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hải Phòng

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• MỞ ĐẦU. MỞ ĐẦU
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài luận án
• 1.2. Mục đích nghiên cứu
• 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
• 1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Những đóng góp mới của luận án
• 1.7. Bố cục của luận án
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG TIỆN CHUYỂN ĐỘNG NGẦM AUV
• 1.1. Tổng quan về phương tiện chuyển động ngầm
• 1.2. Một số ứng dụng tiêu biểu của AUV
• 1.3. Hệ tọa độ của thiết bị lặn tự hành AUV
• 1.4. Mô tả động học phương tiện chuyển động ngầm
• 1.5. Các lực và mô men ngoại lực tác động lên AUV
• 1.6. Các lực và mô men gây ra bởi trọng lực và lực nổi
• 1.7. Các lực và khối nước kèm
• 1.8. Các lực và mô men thủy động
• 1.9. Các lực và mô men của bánh lái
• 1.10. Các yếu tố môi trường tác động lên phương tiện ngầm tự hành
• 1.11. Tình hình nghiên cứu AUV trên thế giới
• 1.12. Những nghiên cứu AUV trong nước
• 1.13. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN BACKSTEPPING THÍCH NGHI MỜ ĐẢM BẢO BÁM QUỸ ĐẠO CHO AUV 4 DOF THIẾU CƠ CẤU CHẤP HÀNH
• 2.1. Mô hình toán của AUV
• 2.1.1. Mô hình toán AUV 6 DOF (Dynamics)
• 2.1.2. Mô hình toán AUV 4 DOF hệ thiếu cơ cấu chấp hành
• 2.2. Cơ sở lý thuyết điều khiển Backstepping thích nghi mờ
• 2.2.1. Kỹ thuật điều khiển Backstepping
• 2.2.2. Điều khiển dựa trên hệ suy diễn mờ
• 2.2.3. Điều khiển Backstepping cho AUV 4 DOF thiếu cơ cấu chấp hành
• 2.2.4. Tổng hợp bộ điều khiển cho AUV bằng kỹ thuật Backstepping
• 2.2.5. Phân tích mô hình mô phỏng điều khiển Backstepping cho AUV
• 2.3. Phân tích mô hình mô phỏng bộ điều khiển Backstepping thích nghi mờ (AFB)
• 2.3.1. Tổng hợp bộ điều khiển cho AUV bằng kỹ thuật Backstepping thích nghi mờ
• 2.3.2. Mô hình mô phỏng hệ điều khiển Backstepping thích nghi mờ
• 2.3.3. So sánh kết quả mô phỏng bộ điều khiển Backstepping với Backstepping thích nghi mờ (AFB)
• 2.4. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT TẦNG THÍCH NGHI NƠ RON NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN CHO AUV THIẾU CƠ CẤU CHẤP HÀNH
• 3.1. Bộ điều khiển trượt tầng (HSMC)
• 3.2. Mạng nơ-ron nhân tạo
• 3.3. Thiết kế bộ điều khiển HSMC cho thiết bị lặn tự hành AUV
• 3.4. Tổng hợp bộ điều khiển trượt tầng HSMC cho AUV 4 DOF
• 3.5. Mô hình mô phỏng AUV 4 DOF điều khiển trượt tầng HSMC
• 3.6. Bộ điều khiển trượt tầng (HSMC) thích nghi Nơ ron cho AUV
• 3.7. Tổng hợp bộ điều khiển trượt tầng (HSMC) thích nghi Nơ ron cho AUV
• 3.8. Phân tích kết quả mô phỏng
• 3.9. So sánh kết quả mô phỏng bộ điều khiển HSMC với thích nghi Nơ-ron HSMC (ANHSMC)
• 3.10. Kết luận chương 3
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• NHỮNG CÔNG TRÌNH ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC 1
• PHỤ LỤC 2

I. Giới thiệu và tính cấp thiết của đề tài

Luận án tập trung vào nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo cho phương tiện chuyển động ngầm (AUV), một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật điều khiển và tự động hóa. Với 70% bề mặt Trái Đất là nước, việc khám phá và nghiên cứu đại dương đòi hỏi các công cụ hiệu quả như AUV. Việt Nam, với vùng biển rộng lớn, cần phát triển công nghệ này để phục vụ các ngành công nghiệp biển, quốc phòng, và an ninh. Luận án nhấn mạnh sự cần thiết của việc cải thiện khả năng điều khiển AUV để đáp ứng các yêu cầu thực tiễn và chiến lược phát triển bền vững kinh tế biển.

1.1. Bối cảnh và mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu nhằm giải quyết các thách thức trong việc điều khiển AUV, đặc biệt là trong môi trường phức tạp và nhiều yếu tố nhiễu. Mục tiêu chính là phát triển các phương pháp điều khiển tiên tiến như Backstepping thích nghi mờ và điều khiển trượt tầng thích nghi nơ-ron để nâng cao độ chính xác và ổn định của AUV khi bám quỹ đạo.

1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Luận án không chỉ đóng góp vào lý thuyết điều khiển mà còn có ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực như khảo sát biển, tìm kiếm cứu hộ, và quốc phòng. Việc cải thiện chất lượng điều khiển AUV sẽ giúp giảm thiểu rủi ro và tăng hiệu quả hoạt động trong các nhiệm vụ phức tạp.

II. Tổng quan về phương tiện chuyển động ngầm AUV

Chương này cung cấp cái nhìn tổng quan về phương tiện chuyển động ngầm (AUV), bao gồm phân loại, ứng dụng, và các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của AUV. Các hệ tọa độ, mô hình động học, và các lực tác động lên AUV được phân tích chi tiết. Ngoài ra, chương cũng đề cập đến tình hình nghiên cứu AUV trên thế giới và trong nước, từ đó làm nổi bật sự cần thiết của việc phát triển các phương pháp điều khiển mới.

2.1. Phân loại và ứng dụng của AUV

AUV được phân loại thành các loại như phương tiện ngầm tự hành, phương tiện ngầm điều khiển từ xa, và phương tiện ngầm không dây. Các ứng dụng tiêu biểu bao gồm khảo sát địa chất, nghiên cứu hải dương học, và quân sự.

2.2. Mô hình động học và các lực tác động

Mô hình động học của AUV được mô tả thông qua các hệ tọa độ và phương trình chuyển động. Các lực tác động lên AUV bao gồm lực khối nước kèm, lực cản, lực nâng, và lực từ bánh lái. Các yếu tố môi trường như dòng chảy và nhiễu cũng được xem xét.

III. Phương pháp điều khiển Backstepping thích nghi mờ

Chương này tập trung vào việc áp dụng Backstepping thích nghi mờ để điều khiển AUV. Phương pháp này kết hợp kỹ thuật Backstepping với hệ suy diễn mờ để tăng cường khả năng thích nghi và ổn định của hệ thống. Các kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả của phương pháp này trong việc nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo cho AUV.

3.1. Cơ sở lý thuyết Backstepping

Kỹ thuật Backstepping được sử dụng để thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống phi tuyến. Phương pháp này dựa trên việc phân tách hệ thống thành các hệ con và thiết kế bộ điều khiển cho từng hệ con.

3.2. Hệ suy diễn mờ và tích hợp

Hệ suy diễn mờ được tích hợp vào bộ điều khiển Backstepping để xử lý các yếu tố bất định và nhiễu trong môi trường hoạt động của AUV. Các kết quả mô phỏng cho thấy sự cải thiện đáng kể trong độ chính xác và ổn định của hệ thống.

IV. Điều khiển trượt tầng thích nghi nơ ron

Chương này giới thiệu phương pháp điều khiển trượt tầng thích nghi nơ-ron (ANHSMC) để nâng cao chất lượng điều khiển cho AUV. Phương pháp này kết hợp kỹ thuật trượt tầng với mạng nơ-ron nhân tạo để tăng cường khả năng thích nghi và ổn định của hệ thống. Các kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả vượt trội của ANHSMC so với các phương pháp truyền thống.

4.1. Cơ sở lý thuyết trượt tầng

Kỹ thuật trượt tầng được sử dụng để thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống phi tuyến. Phương pháp này dựa trên việc tạo ra một mặt trượt và đưa hệ thống về mặt trượt đó.

4.2. Mạng nơ ron và tích hợp

Mạng nơ-ron được tích hợp vào bộ điều khiển trượt tầng để xử lý các yếu tố bất định và nhiễu. Các kết quả mô phỏng cho thấy sự cải thiện đáng kể trong độ chính xác và ổn định của hệ thống.

V. Kết luận và kiến nghị

Luận án đã đề xuất và thử nghiệm thành công các phương pháp điều khiển tiên tiến như Backstepping thích nghi mờ và điều khiển trượt tầng thích nghi nơ-ron để nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo cho AUV. Các kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ AUV tại Việt Nam, đặc biệt trong các lĩnh vực quốc phòng và kinh tế biển. Các kiến nghị hướng tới việc tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng các phương pháp này trong thực tế.