MỞ ĐẦU Mục tiêu : Phần nghiên cứu nhắm đến xây dựng mô hình góc heading của USV, ước lượng model USV sử dụng Nomoto model [1-5], bộ điều khiển Sliding Mode khả năng thích nghi với các tác động nhiễu môi trường. Xây dựng được sản phầm USV phục vụ quan trắc môi trường nước, mang tính ứng dụng và thực tiễn cao trong dân sự và chứng minh khả năng làm chủ trong nghiên cứu và nắm bắt công nghệ tiên tiến. Mục tiêu cơ bản nghiên cứu như sau: Thu thập dữ liệu và ước lượng thông số Model. Xây dựng bộ điều khiển Sliding Mode dựa trên Model.
USV có khả năng xác định được vị trí của nó thông qua giao tiếp với người sử dụng. Sử dụng các giải thuật điều khiển có thể tự động đi đến những vị trí mong muốn được định sẵn. Xây dựng giao diện tương tác người dùng, điều khiển cho USV với các chức năng cơ bản. Bước đầu xây dựng bám đối tượng cho hệ thống USV, tạo tiền đề cho phát triển sau này.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu : Với nghiên cứu này quy mô nó rất rộng, thời gian thực hiện luận văn không nhiều, nên trong ta chỉ tập trung vào xây dựng lại mô hình và thực hiện bộ điều khiển Sliding Mode cho điều khiển góc heading, các nghiên cứu ban đầu đã cho kết quả tốt trên mô phỏng và đang được áp dụng nhiều vào thực tế. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ USV Việt Nam là một quốc gia ven biển có một bờ biển dài hơn 3000 km, liên quan mật thiết đối với những vấn đề kinh tế, môi trường, an ninh quốc phòng, du lịch trên biển diễn ra rất tấp nập. Hiện nay các đô thị lớn của Việt Nam chủ yếu phát triển dựa trên các con sông: vùng kinh tế trọng điểm phía Nam gắn với lưu vực hệ thống sông Đồng Nai là vùng có tốc độ phát triển kinh tế năng động nhất cả nước; vùng kinh tế trong điểm phía Bắc gắn với lưu vực sộng Hồng, vùng kinh tế trọng điểm gắn với sông Cửu Long… Bên cạnh phát triển kinh tế, tập trung gia tăng quy mô dân số là ô nhiễm môi trường nói chung và ô nhiễm môi trường nước nói riêng. Tình hình ô nhiễm nguồn nước tại VIệt Nam.
Chính vì vậy, những năm gần đây Nhà nước đã ban hành rất nhiều chính sách nhằm quản lý và khuyến khích đưa công nghệ mới ứng dụng vào công tác bảo vệ môi trường. Nhằm mục tiêu lượng hóa mức độ ô nhiễm, theo dõi diễn biến môi trường phục vụ công tác quản lý và thông tin đến người dân, Luật BVMT 2005 trước đây đã quy định trách nhiệm quan trắc môi trường tại chương IX (Quan trắc và thông tin Môi trường) và Luật BVMT 2018 - hiện nay tiếp tục làm rõ vai trò công tác quan trắc môi trường trong quản lý nhà nước, nghiên cứu và thông tin đến người dân tại chương XII về Quan trắc môi trường. Công nghệ trong quan trắc môi trường nói chung và môi trường nước nói riêng đang được nhà nước đầu tư từng bước hiện đại tiếp cận công nghệ của các nước phát triển trên thế giới. Tuy nhiên nhìn chung công tác quan 17 trắc chủ yếu dựa trên công nghệ chưa cao, đòi hỏi nhiều nhân lực và ít có công nghệ quan trắc tích hợp, tự động hóa trong quan trắc môi trường.
Công nghệ trắc môi trường nước phổ biến hiện nay tại Việt Nam. Song song đó nhà nước cũng khiến khích xây dựng hệ thống dân cư trên các đảo, quần đảo nhằm tăng cường việc khai thác thủy sản và đánh dấu lãnh thổ. Từ những vấn đề trên đòi hỏi phải một nhu cầu rất lớn về việc tiến hành thăm dò, khảo sát và cũng như thực hiện các công việc trên và dưới nước cho công tác nghiên cứu, chuẩn bị hiện trường khi xây dựng các công trình. Bên cạnh đó công việc cứu hộ, cứu nạn, trục vớt cũng rất cần thiết vì sự phát triển nhanh dẫn tới mật độ giao thông trên biển ngày càng lớn, cũng như cho mạng dưới dân cư trên các đảo, quần đảo.
Tất cả các nhiệm vụ nêu trên đều yêu cần một khối lượng công việc rất lớn và làm việc trong môi trường khắc nghiệt (độ sâu lớn, nhiệt độ thấp, áp suất lớn, môi trường nguy hiểm và ô nhiễm, sóng gió. Ở nước ta có trang bị các thiết bị để thực hiện việc trinh sát biển, kiểm tra và bảo trì các công trình biển bằng tàu thuyền tuy nhiên các trang bị vẫn còn lạc hậu so với thế giới, chưa có tính tự động cao vì vẫn cần con người lái trực tiếp, điều đó ảnh hưởng rất lớn tới khả năng và hiệu quả giải quyết nhiệm vụ ở những khu vực rộng lớn, hiểm trở với cường độ làm việc liên tục, hoặc ở những độ sâu mà con người không thể đến được, nên nhu cầu các thiết bị trợ giúp các hoạt động trên là rất lớn. Vì vậy, một thế hệ tàu loại nhỏ được phát triển, đa dạng trong chức năng, mang lại sự an toàn, tiện dụng cho người dùng, đồng thời chi phí đầu tư thấp. Thế hệ tàu mới này được đặt tên là tàu tự hành hay không người lái (Unmanned Surface 18 Vehicle-USV) có thể hoạt động trên bề mặt và vận hành mà không cần sự can thiệp của con người.
Những tàu tự hành này đã cách mạng hóa trong khám phá mặt nước. Với chúng, người ta đã có thể khám phá, với độ an toàn 100%, những vùng nước có thể mang lại nguy hiểm cho con người và chúng có thể hoạt động liên tục. Trên thế giới, với tính linh hoạt, hoạt động rộng lớn của USV cho phép chúng thực hiện nhiều nhiệm vụ lớn khác nhau. Chúng đã trở thành một công cụ chính để khảo sát các ao, hồ, sông, biển trong các ứng dụng khoa học, vì khả năng vượt trội của chúng so phương pháp truyền thống [1-5], nâng cao hơn nữa độ tin cậy trong công tác quan trắc môi trường, hỗ trợ một phần công việc của con người.
Gần đây, USV đã được sử dụng trong phát triển quân sự [6-8], phát hiện các chất gây ô nhiễm [9]. Chúng được thiết kế không bị hạn chế bởi môi trường mà nguy hiểm đối với con người, chẳng hạn như môi trường hạt nhân hoặc chất thải bị ô nhiễm. Không chỉ vậy chúng hổ trợ công tác cứu hộ cứu nạn tự động, là một ý tưởng đột phá được nhiều nước phát triển trên thế giới áp dụng và ngày càng phổ biến trên thế giới [10]. Với sự phát triển đó, theo MarketsandMarkets thị trường toàn cầu của Unmanned Surface Vehicle (USV) được ước tính khoảng 534 triệu USD trong năm 2018 và sẽ lên tới 1,020 triệu USD ở năm 2023 [11].
Dự báo thị trường phát triển Unmanned Surface Vehicle từ 2016-2023 Hiện nay, với hệ thống định vị toàn cầu (GPS) đã trở nên nhỏ gọn, hiệu quả và dễ dàng tích hợp vào phương tiện, cùng hệ thống dữ liệu không dây băng thông rộng, tầm xa chi phí thấp đã đóng một vai trò quan trọng đối với sự phát triển của USV cho 19 nhiều ứng dụng [12]. Chính vì thế, mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu, nâng cao khả năng về: dẫn đường, điều khiển, tránh vật cản vật cản [10] để tăng cường khả năng hoạt động và tự hành của chúng. Đồng thời nâng cao khả năng khảo sát, độ chính xác của công nghệ quan trắc môi trường nước tự động liên tục và các ứng dụng khác nhau. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Tàu không người lái USV (Unmanned Surface Vessels) còn có tên gọi khác là tàu tự hành ASC (Autonomous Surface Craft) [1].
Nó đầu tiên được phát triển vào năm 1993 tại học viện MIT Sea Grant, nó được thiết kế cho nhiều nhiệm vụ khác nhau. Con tàu này có tên gọi là ARTEMIS, nó có kích thước nhỏ, lúc đầu được thử nghiệm để kiểm tra sự kết hợp của hệ thống định vị và hệ thống điều khiển, sau đó được sử dụng để thu thập dữ liệu trên sông Charles ở Boston. Tuy nhiên việc thu thập dữ liệu này gặp nhiều khó khăn, chính kích thước nhỏ của ARTEMIS là một hạn chế lớn của nó, điều này làm cho độ bền và tính ổn định của tàu giảm đi nhanh chóng trước những tác động của môi trường nước. ARTEMIS chỉ dừng lại ở ứng dụng thu thập những mẫu dữ liệu đơn giản của nó.
Tàu AUTOCAT, 2000 Trên cơ sở nền tảng của tàu ARTEMIS,năm 1996 một thiết bị tàu lái tự động cũng với kích thước nhỏ nhưng có độ linh hoạt và tính ổn định cao được nghiên cứu. Hệ thống này có tên gọi là ACS ACES (Autonomous Coastal Exploration System) được 20 hiểu là thiết bị tự lái chuyên phục vụ để khảo sát chất lượng môi trường nước. Thiết bị này trải qua rất nhiều thí nghiệm về tính năng của nó tại Gloucester, sau đó nó được tích hợp các cảm biến thu thập để thực nhiệm vụ chính là khảo sát chất lượng thủy văn tại bến cảng Boston. Năm 1998 nó được trả về phòng thí nghiệm để nâng cấp và chính thức được công bố như một thiết bị tàu thủy tự động hoàn thiện vào năm 2000 với tên gọi “AUTOCAT”.
Trên cơ sở nền tảng về USV đầu tiên Autocat, hàng loạt những nghiên cứu về USV được tiến hành và đã lan rộng ra trên phạm vi toàn thế giới. Dưới đây là bản thống kê một vài thiết bị tàu tự hành và nhiệm vụ của chúng khi được chế tạo [2]: Bảng 1.