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
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!
- Nghiên cứu điều khiển thích nghi cho robot lặn tự hành - 1
- Tổng Quan Về Robot Lặn Tự Hành Auv (Autonomous Underwater Vehicle)
- Nghiên Cứu Auv Mô Hình Tại Trường Đh Bách Khoa Hà Nội [7]
- Các Nghiên Cứu Về Điều Khiển Auv Trên Thế Giới
Xem toàn bộ 169 trang tài liệu này.
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 |
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