Nghiên cứu điều khiển thích nghi cho robot lặn tự hành

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

PHẠM VIỆT ANH NGHIÊN CỨU

ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO ROBOT LẶN TỰ HÀNH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH – 2022

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 169 trang tài liệu này.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

PHẠM VIỆT ANH NGHIÊN CỨU

ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO ROBOT LẶN TỰ HÀNH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

NGÀNH: KHOA HỌC HÀNG HẢI MÃ SỐ: 9840106

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Nguyễn Phùng Hưng

TS. Lê Văn Ty

TP. HỒ CHÍ MINH – 2022

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN vi

LỜI CẢM ƠN vii

TÓM TẮT viii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU x

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ xiii

DANH MỤC CÁC BẢNG xvii

MỞ ĐẦU 1

1. Tính cấp thiết của đề tài 2

2. Mục đích nghiên cứu của đề tài 3

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4. Phương pháp nghiên cứu 3

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3

6. Những điểm đóng góp mới của luận án 4

7. Kết cấu của luận án 4

CHƯƠNG 1 5

TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT LẶN TỰ HÀNH (AUTONOMOUS UNDERWATER VEHICLE) 5

1.1. Tổng quan về robot lặn tự hành AUV (Autonomous Underwater Vehicle) 5

1.1.1Các ứng dụng của AUV trên thế giới 6

1.1.2Các ứng dụng của AUV tại Việt Nam 9

1.1.3Mô hình toán học và phương trình động học tổng quát của AUV 11

1.2 Tổng quan về điều khiển AUV hiện nay 18

1.2.1Các nghiên cứu về điều khiển AUV trên thế giới 18

1.2.2Các nghiên cứu về điều khiển AUV tại Việt Nam 25

1.3 Kết luận chương 1 26

CHƯƠNG 2 27

CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN NƠ-RON THÍCH NGHI THIẾT BỊ LẶN TỰ HÀNH 27

2.1 Mạng nơ-ron nhân tạo 27

2.1.1 Tổng quan về mạng nơ-ron nhân tạo trong điều khiển 27

2.1.1.1 Cấu trúc của mạng nơ-ron 27

2.1.1.2 Các hình trạng của mạng 31

2.1.1.3 Các luật học của mạng nơ-ron nhân tạo 32

2.1.2 Điều khiển tự động dùng mạng nơ-ron nhân tạo 33

2.2 Ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo điều khiển AUV 34

2.3 Kết luận chương 2 38

CHƯƠNG 3 39

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NƠ-RON THÍCH NGHI CHO ROBOT LẶN TỰ HÀNH 39

3.1 Mô hình toán học AUV sử dụng trong nghiên cứu 39

3.1.1Cấu tạo của mô hình NPS AUV II 39

3.1.2Mô hình toán học AUV 40

3.2 Mạng nơ-ron thích nghi trong điều khiển 47

3.2.1Bộ điều khiển nơ-ron thích nghi tương tác 47

3.2.2Mô hình tổng quát của bộ điều khiển NNC huấn luyện trực tuyến 48

3.3 Thiết kế hệ thống điều khiển nơ-ron cho AUV 50

3.3.1Điều khiển riêng biệt các chuyển động của AUV 50

3.3.2Thiết kế bộ điều khiển nơ-ron cho các hệ thống con 51

3.3.3Điều khiển tổng hợp các chuyển động của AUV bằng phương pháp tách rời (decoupled control) 54

3.4 Hệ thống điều khiển dẫn đường AUV và thực hiện các nhiệm vụ dưới nước

.................................................................................................................... 55

3.4.1Điều khiển AUV theo quỹ đạo đặt trước 55

3.4.2Điều khiển AUV bám theo địa hình đáy 58

3.5 Các phương án thích nghi cho hệ thống điều khiển AUV 58

3.5.1Mô hình dòng chảy tác động lên AUV 58

3.5.2Thích nghi với tác động của dòng chảy 59

3.6 Kết luận chương 3 61

CHƯƠNG 4 62

MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN AUV BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN NƠ-RON THÍCH NGHI 62

4.1 Giới thiệu phương pháp và điều kiện mô phỏng 62

4.1.1Phương pháp mô phỏng 62

4.1.2Điều kiện mô phỏng 62

4.2 Mô phỏng điều khiển các chuyển động của AUV 63

4.2.1 Điều khiển hướng 64

4.2.2 Điều khiển hướng, độ sâu và góc chúi 65

4.2.3 Điều khiển hướng đi, độ sâu và tốc độ 69

4.2.4 Điều khiển tổng hợp các chuyển động khi có dòng chảy 71

4.3 Mô phỏng điều khiển dẫn đường AUV và thực hiện các nhiệm vụ dưới nước 75

4.3.1 Điều khiển AUV theo quỹ đạo đặt trước 76

4.3.2 Điều khiển AUV bám theo địa hình đáy 93

4.4 Mô phỏng điều khiển AUV thích nghi với ngoại cảnh 95

4.4.1 Điều khiển AUV dưới tác động của dòng chảy 95

4.4.2 Điều khiển AUV thích nghi với tác động của dòng chảy 98

4.5 Kết luận chương 4 103

KẾT LUẬN 104

1 Các kết quả đạt được của đề tài 104

2 Những ưu điểm và hạn chế của đề tài 104

3 Hướng phát triển tiếp theo của lĩnh vực nghiên cứu 105

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN

TIẾN SỸ 106

TÀI LIỆU THAM KHẢO 107

PHỤ LỤC 121

CÁC FILE MATLAB ĐỂ THỰC HIỆN MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN AUV 121

PL1. File mô phỏng điều khiển hướng và độ sâu AUV 121

PL2. File mô phỏng điều khiển hướng, độ sâu và tốc độ AUV 125

PL3. File mô phỏng điều khiển dẫn đường AUV theo quỹ đạo 129

PL4. File LOSguide.m 134

PL5. File CurrGen.m 136

PL6. File mạng nơ-ron nhiều lớp truyền thẳng 137

PL7. File huấn luyện mạng nơ-ron thích nghi 138

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là Phạm Việt Anh - Nghiên cứu sinh ngành Khoa học hàng hải và tác giả luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu điều khiển thích nghi cho robot lặn tự hành”, dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Nguyễn Phùng Hưng, TS. Lê Văn Ty thực hiện tại Trường Đại học Giao thông Vận tải Thành Phố Hồ Chí Minh.

Bằng danh dự của bản thân, nghiên cứu sinh cam đoan rằng:

- Luận án này là công trình nghiên cứu của riêng nghiên cứu sinh, không có phần nội dung nào được sao chép một cách bất hợp pháp, từ công trình nghiên cứu của tác giả hay nhóm tác giả khác;

- Các số liệu, kết quả nghiên cứu được nêu trong luận án, chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác trước đó;

- Các thông tin, số liệu trích dẫn, tài liệu tham khảo trong luận án đều được chỉ rõ về xuất xứ, nguồn gốc và đảm bảo tính trung thực./.

Tp.HCM, ngày 27 tháng 03 năm 2022

Nghiên cứu sinh

Phạm Việt Anh

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Giao thông Vận tải Thành Phố Hồ Chí Minh, Viện Đào tạo Sau Đại học - Trường Đại học Giao thông Vận tải Thành Phố Hồ Chí Minh đã cho phép và tạo điều kiện cho tôi thực hiện luận án này.

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Phùng Hưng, TS. Lê Văn Ty đã tận tình, tâm huyết hướng dẫn, định hướng nghiên cứu giúp tôi hoàn thành luận án này.

Tôi xin chân thành cám ơn Viện Hàng Hải, Bộ môn Điều Khiển Tàu Biển Trường Đại học Giao thông Vận tải Thành Phố Hồ Chí Minh luôn giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.

Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy cô giáo, nhà khoa học đã góp ý, phản biện và đánh giá giúp tôi từng bước hoàn thiện luận án này. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình và bạn bè đã luôn động viên, khuyến khích, tạo điều kiện cho tôi trong suốt thời gian tôi nghiên cứu hoàn thành công trình này!

Tp.HCM, ngày 27 tháng 03 năm 2022

Tác giả

Phạm Việt Anh

TÓM TẮT

Hiện nay, mạng nơ-ron nhân tạo (Artificial Neural Network) được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, trong đó có lĩnh vực điều khiển tự động, vì mạng nơ-ron có thể giải quyết những vấn đề điều khiển phức tạp, ngay cả với đối tượng điều khiển có tính phi tuyến cao, có môi trường bên ngoài tác động không dự đoán được, làm cho tính năng của đối tượng trở nên khó điều khiển. Hơn nữa, khả năng tính toán nhanh của mạng nơ-ron cũng làm cho chúng trở nên khả thi với các ứng dụng điều khiển theo thời gian thực.

Tại Việt Nam, việc nghiên cứu hệ thống điều khiển tiên tiến cho AUV vẫn còn non trẻ và chưa được ứng dụng rộng rãi.

Mặc dù vậy nhu cầu ứng dụng AUV cho khảo sát biển, các công trình ngầm dưới nước, thăm dò và bảo trì đường ống hay cáp ngầm, tìm kiếm cứu nạn dưới biển tại Việt Nam vẫn ngày một tăng cao. Chúng ta vẫn chủ yếu thuê hoặc mua các AUV nước ngoài cho các công tác này. Những nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển AUV, từng bước tự chủ công nghệ chế tạo, vận hành AUV tại Việt Nam là rất cần thiết cho ngành khai thác, thăm dò, quản lý biển và phục vụ an ninh quốc phòng, bảo vệ biển đảo và chủ quyền quốc gia trên biển.

Trên cơ sở nghiên cứu các phương pháp điều khiển AUV thông thường và hiện đại, nghiên cứu các thuật toán điều khiển với mạng nơ-ron nhân tạo. Luận án này đã phát triển ứng dụng bộ điều khiển nơ-ron thích nghi cho hệ thống điều khiển hướng đi và độ sâu AUV, qua đó cải tiến nâng cao chất lượng bộ điều khiển cho loại phương tiện này, nhằm đưa ra bộ điều khiển mới và có tính ứng dụng thực tiễn.

Các kết quả lý thuyết và mô phỏng thành công đã cho thấy tính khả thi của các thuật toán được NCS đề xuất.