Nghiên cứu điều khiển thích nghi cho robot lặn tự hành

ABSTRACT

Nowadays artificial neural network has been widely applied in many fields including automatic control as its ability to solve many complicated control problems, even for high nonlinear objects in unpredictable external environment that makes the objects hard to control. Furthermore, fast processing ability of neural networks make them feasible for real time control applications.

The research in advanced control systems for AUV has still been young and not enough widely applied in Vietnam.

However the demand for application of AUV for sea exploring, underwater construction, surveying and maintaining submerged cables and tubes, under sea search and rescue has been increasing in Vietnam. The AUV have been bought or hired from oversea countries for those works. Studies to improve AUV control systems, and step to step master manufacturing technology, operation of AUV is very necessary for exploring, surveying, managing sea for the sake of national security, defense, protecting sea and national sovereignty at sea.

Based on studying conventional and modern control methods of AUV, researching neural network control algorithm, this dissertation developed an application of adaptive neural network controller for AUV. The author upgrades and improve the controller quality applying for this kind of vehicle to introduce a new controller with applicable functions.

Theoretical and simulation results proved the feasibility of the control algorithms proposed by the author.

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

Chữ viết tắt

Giải thích ý nghĩa
AUV	Autonomous Underwater Vehicle
ANN	Artificial Neural Network
BĐK	Bộ điều khiển
LOS	Line of Sight
NNC	Neural Network Controller
PD	Proportion Derivative
PID	Proportion Integration Derivative
𝐼𝑥, 𝐼𝑦, 𝐼𝑧	momen quán tính đối với trục xb , yb, zb
𝑅𝑛 𝑏	ma trận chuyển đổi
𝜂	vector vị trí và hướng của AUV trong hệ trục tọa độ {n}
𝑝	vị trí của hệ trục tọa độ {b} so với hệ trục tọa độ {n}
Θ	góc xoay giữa hệ trục tọa độ {b} và hệ trục tọa độ {n}
𝑉	vector vận tốc dài và vận tốc góc của AUV ({b} so với {n}) trong hệ tọa độ {b}
𝑣	vận tốc dài của AUV ({b} so với {n}) trong hệ tọa độ {b}
𝜔	vận tốc góc của AUV ({b} so với {n}) trong hệ tọa độ {b}
𝜏	lực và moment tác động lên AUV trong hệ trục tọa độ {b}
𝑓	lực tác động lên AUV trong hệ trục tọa độ {b}
ɱ	moment tác động lên AUV trong hệ trục tọa độ {b}
wji	Các trọng số tương ứng với các đầu vào
j	Độ lệch (bias)
a j	Đầu vào mạng (net-input)

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 169 trang tài liệu này.

z j

Đầu ra của nơ-ron
g x	Hàm truyền (hay hàm kích hoạt)
𝐶(𝑉𝑟)	ma trận lực hướng tâm Coriolis
𝐷(𝑉𝑟)	ma trận lực cản
g(𝜂)	vector trọng lực/lực đẩy Acsimet và moment (lực phục hồi)
g0	vector trọng lực thêm vào để làm AUV cân bằng
Oi	tín hiệu ra của nơ-ron thứ i
Ii	tín hiệu vào của nơ-ron thứ i
i	giá trị ngưỡng của nơ-ron thứ i
wij	trọng số của liên kết từ nơ-ron thứ i đến nơ-ron thứ j
Od i	giá trị đầu ra mong muốn của nơ-ron thứ i
	bước học
d Xk	véc-tơ trạng thái mong muốn
Xk	véc-tơ trạng thái thực tế
c uk	véc-tơ lệnh điều khiển
uk	véc-tơ điều khiển thực tế
P	ma trận đối xứng dương phản ánh các trọng số của các biến của đối tượng được điều khiển
Λ	ma trận đối xứng dương của véc-tơ điều khiển
k	Chu trình điều khiển
n	số lần huấn luyện trong một chu trình
Ek	Hàm mục tiêu
ek	Sai số điều khiển
d k	hướng đi mong muốn

k

Hướng đi thực tế
z d k	Độ sâu mong muốn
zk	Độ sâu thực tế
k	Góc chúi của AUV
Rk	Góc bẻ lái
Sk	Góc bánh lái độ sâu
wk	Tốc độ theo phương đứng
rk	Tốc độ đổi hướng
u d k	Tốc độ mong muốn
uk	Tốc độ thực tế
𝑍𝑘	Tích phân sai số độ sâu

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Nghiên cứu AUV mô hình tại trường ĐH Bách khoa Hà Nội [7].10 Hình 1.2 KIAL – AUV của ĐH Bách khoa TP Hồ Chí Minh phối hợp nghiên cứu với Hàn Quốc [10] 10

Hình 1.3 Hệ trục tọa độ ECEF 11

Hình 1.4 Các vận tốc u, v, w, p, q, r trong hệ tọa độ Body-fixed 13

Hình 1.5 Các góc xoay Euler 15

Hình 2.1 Đơn vị xử lý của mạng nơ-ron nhân tạo 28

Hình 2.2 Hàm truyền tuyến tính 29

Hình 2.3 Hàm truyền giới hạn cứng 30

Hình 2.4 Hàm truyền dạng sigma 30

Hình 2.5 Hàm truyền dạng tang-sigma 31

Hình 2.6 Mạng nơ-ron truyền thẳng nhiều lớp 31

Hình 2.7 Mạng nơ-ron hồi quy 32

Hình 2.8 Sơ đồ phương pháp điều khiển gián tiếp [3] 33

Hình 2.9 Sơ đồ phương pháp điều khiển trực tiếp [3] 34

Hình 3.1 Mô hình NSP AUV II 39

Hình 3.2 Sơ đồ cấu tạo các chi tiết của NSP AUV II 40

Hình 3.3 Cấu trúc bộ điều khiển NNC 48

Hình 3.4 Cấu trúc bộ điều khiển NNC. Véc-tơ tín hiệu vào gồm sai số ek và các tín hiệu trễ của ek. Hàm mục tiêu Ek được xử lý bằng thuật toán Brandt-Lin nhằm cập nhật các trọng số sao cho giá trị của Ek được cực tiểu [3] 49

Hình 3.5 Sơ đồ giải thuật phương pháp huấn luyện lan truyền ngược “tăng cường” với n và bước học cố định 49

Hình 3.6 Sơ đồ hệ thống điều khiển hướng AUV 51

Hình 3.7 Sơ đồ hệ thống điều khiển độ sâu AUV 53

Hình 3.8 Sơ đồ hệ thống điều khiển tốc độ AUV 53

Hình 3.9 Sơ đồ hệ thống dẫn đường và điều khiển AUV 54

Hình 3.10 Luật điều hướng LOS 56

Hình 3.11 Sơ đồ hệ thống điều khiển AUV theo quỹ đạo tính đến độ dạt do dòng chảy gây ra 59

Hình 4.1 Sơ đồ mô phỏng điều khiển hướng AUV 63

Hình 4.2 Đáp ứng hướng đi của BĐK NNC 64

Hình 4.3 Đáp ứng hướng đi của BĐK NNC và PID 64

Hình 4.4 Sơ đồ mô phỏng điều khiển độ sâu AUV 65

Hình 4.5 Đáp ứng hướng đi của AUV trong TN2 66

Hình 4.6 Đáp ứng độ sâu của AUV trong TN2 66

Hình 4.7 Quỹ đạo chuyển động của AUV trong TN2 67

Hình 4.8 Đáp ứng độ sâu của AUV khi có dòng chảy (TN3) 67

Hình 4.9 Đáp ứng hướng đi của AUV khi có dòng chảy (TN3) 68

Hình 4.10 Vết chuyển động của AUV khi có dòng chảy (TN3) 68

Hình 4.11 Sơ đồ mô phỏng điều khiển tốc độ AUV 69

Hình 4.12 Đáp ứng hướng đi của AUV trong TN4 70

Hình 4.13 Đáp ứng độ sâu của AUV trong TN4 70

Hình 4.14 Đáp ứng tốc độ của AUV trong TN4 71

Hình 4.15 Vết chuyển động của AUV 71

Hình 4.16 Đáp ứng hướng đi của AUV khi có dòng chảy (TN5) 72

Hình 4.17 Đáp ứng tốc độ của AUV trong TN5 72

Hình 4.18 Đáp ứng độ sâu của AUV trong TN5 73

Hình 4.19 Vết chuyển động của AUV khi có dòng chảy (TN5) 73

Hình 4.20 Mô phỏng hệ thống điều khiển và dẫn đường AUV 76

Hình 4. 21 Đáp ứng hướng đi của AUV trong TN6 77

Hình 4. 22 Đáp ứng độ sâu trong TN6 77

Hình 4. 23 Đáp ứng tốc độ trong TN6 78

Hình 4. 24 Vết chuyển động của AUV trong TN6 78

Hình 4. 25 Quỹ đạo trên mặt phẳng ngang của AUV trong TN6 79

Hình 4. 26 Đáp ứng hướng đi của AUV trong TN7 79

Hình 4. 27 Đáp ứng độ sâu của AUV trong TN7 80

Hình 4. 28 Đáp ứng tốc độ của AUV trong TN7 80

Hình 4. 29 Quỹ đạo chuyển động của AUV trong TN7 81

Hình 4. 30 Quỹ đạo trên mặt phẳng ngang của AUV trong TN7 81

Hình 4. 31 Đáp ứng hướng đi của AUV trong TN8 82

Hình 4. 32 Đáp ứng độ sâu của AUV trong TN8 82

Hình 4. 33 Đáp ứng tốc độ của AUV trong TN8 83

Hình 4. 34 Quỹ đạo chuyển động của AUV trong TN8 83

Hình 4. 35 Quỹ đạo của AUV trên mặt phẳng ngang trong TN8 84

Hình 4. 36 Đáp ứng hướng đi của AUV trong TN9 84

Hình 4. 37 Đáp ứng tốc độ của AUV trong TN9 85

Hình 4. 38 Đáp ứng độ sâu của AUV trong TN9 85

Hình 4. 39 Quỹ đạo chuyển động của AUV trong TN9 86

Hình 4. 40 Quỹ đạo của AUV trên mặt phẳng ngang trong TN9 86

Hình 4. 41 Đáp ứng hướng đi của AUV trong TN10 87

Hình 4. 42 Đáp ứng độ sâu của AUV trong TN10 87

Hình 4. 43 Đáp ứng tốc độ của AUV trong TN10 88

Hình 4. 44 Quỹ đạo chuyển động của AUV trong TN10 88

Hình 4. 45 Quỹ đạo trên mặt phẳng ngang của AUV trong TN10 89

Hình 4. 46 Khoảng cách dạt trên mặt phẳng ngang (TN10) 89

Hình 4. 47 Đáp ứng hướng đi của AUV trong TN11 90

Hình 4. 48 Đáp ứng độ sâu của AUV trong TN11 90

Hình 4. 49 Đáp ứng tốc độ của AUV trong TN11 91

Hình 4. 50 Quỹ đạo chuyển động của AUV trong TN11 91

Hình 4. 51 Quỹ đạo trên mặt phẳng ngang của AUV trong TN11 92

Hình 4. 52 Khoảng cách dạt trên mặt phẳng ngang (TN11) 92

Hình 4. 53 Đáp ứng hướng của AUV trong TN12 93

Hình 4. 54 Đáp ứng độ sâu của AUV trong TN12 94

Hình 4. 55 Đáp ứng tốc độ AUV trong TN12 94

Hình 4. 56 Độ sâu thực tế của AUV (nét liền, xanh) và đáy (nét đứt, đỏ) ...95 Hình 4. 57 Đáp ứng hướng đi của AUV trong TN13 95

Hình 4. 58 Đáp ứng tốc độ của AUV trong TN13 96

Hình 4. 59 Đáp ứng độ sâu của AUV trong TN13 96

Hình 4. 60 Quỹ đạo chuyển động của AUV trong TN13 97

Hình 4. 61 Quỹ đạo trên mặt phẳng ngang của AUV trong TN13 97

Hình 4. 62 Khoảng cách dạt trên mặt phẳng ngang (TN13) 97

Hình 4. 63 Đáp ứng hướng đi của AUV trong TN14 98

Hình 4. 64 Đáp ứng tốc độ của AUV trong TN14 98

Hình 4. 65 Đáp ứng độ sâu của AUV trong TN14 99

Hình 4. 66 Qũy đạo chuyển động của AUV trong TN14 99

Hình 4. 67 Qũy đạo trên mặt phẳng ngang của AUV (TN14) 99

Hình 4. 68 Khoảng cách dạt trên mặt phẳng ngang (TN14) 100

Hình 4. 69 Đáp ứng hướng đi của AUV trong TN15 100

Hình 4. 70 Đáp ứng tốc độ của AUV trong TN15 101

Hình 4. 71 Đáp ứng độ sâu của AUV trong TN15 101

Hình 4. 72 Quỹ đạo chuyển động của AUV trong TN15 102

Hình 4. 73 Quỹ đạo trên mặt phẳng ngang của AUV trong TN15 102

Hình 4. 74 Khoảng cách dạt trên mặt phẳng ngang (TN15) 102