Luận án Nghiên cứu phát triển hệ thống mô phỏng chuyển động tàu thuỷ với sàn treo ba bậc tự do ứng dụng thuật toán điều khiển hiện đại

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể giáo viên hướng dẫn và các nhà khoa học. Các tài liệu tham khảo đã được trích dẫn đầy đủ. Kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa từng được ai công bố trên bất cứ một công trình nào khác. Hải Phòng, ngày 12 tháng 12 năm 2023 Tác giả Trƣơng Công Mỹ ii LỜI CÁM ƠN Trong quá trình làm luận án, tôi đã nhận được nhiều góp ý về chuyên môn cũng như sự ủng hộ giúp đỡ của giáo viên hướng dẫn, của các nhà khoa học, của đồng nghiệp. Tôi xin được gửi tới họ lời cảm ơn sâu sắc. Tôi xin bày tỏ lòng cám ơn đến giáo viên hướng dẫn đã trực tiếp hướng dẫn tôi trong suốt thời gian qua. Tôi cũng xin chân thành cám ơn các nhà khoa học, Khoa Hàng hải, Khoa Điện – Điện tử, Viện đào tạo sau đại học, trường Đại học Hàng hải Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện luận án. Cuối cùng là lời cảm ơn sự ủng hộ, động viên khích lệ to lớn của gia đình để tôi hoàn thành nhiệm vụ học tập. Hải phòng, Ngày 12 tháng 12 năm 2023 Tác giả Trƣơng Công Mỹ iii MỤC LỤC MỤC LỤC .................................................................................................................... iii DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .........................................................................vi DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................ix DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ..................................................................................... x MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của luận án .............................................................................. 1 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án ................................................................... 4 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của luận án ............................................. 4 3.1 Đối tượng nghiên cứu ........................................................................................ 4 3.2 Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................... 4 4. Phƣơng pháp nghiên cứu của luận án ........................................................... 5 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ........................................................................ 5 6. Những điểm đóng góp mới....6 7. Bố cục của luận án.6 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÔ PHỎNG HÀNG HẢI VÀ MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CHUYỂN ĐỘNG TÀU THỦY .......................................... 8 1.1 Giới thiệu về hệ thống mô phỏng hàng hải ................................................. 8 1.2 Tính hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc có liên quan đến đề tài luận án.12 1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước ................................................................ 12 1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước ................................................................. 24 1.2.3 Hướng nghiên cứu của luận án .................................................................... 26 1.3 Mô hình toán học mô tả chuyển động tàu thủy dạng không gian trạng thái ...................................................................................................................... 27 1.3.1 Phương trình toán mô tả chuyển động tàu thuỷ với 6 bậc tự do.................. 29 1.3.2 Phân tích vectơ tổng hợp lực và mômen bên ngoài tác động vào con tàu (không bao gồm lực và mômen nổi) .............................................................................. 32 1.4 Lực và mômen do tác động của nhiễu loạn môi trƣờng .......................... 35 1.4.1 Lực và mô men của dòng chảy tạo ra .......................................................... 36 iv 1.4.2 Lực và mô men của gió tạo ra ...................................................................... 36 1.4.3 Lực và mô men của sóng tạo ra ................................................................... 38 1.5 Kết luận Chƣơng 1................................................................................................40 CHƢƠNG 2. MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG 3D TÀU THUỶ VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN 3 TRỤC TỰ DO CỦA SÀN TREO CABIN ....................................................................................................................................... 41 2.1. Phần mềm mô phỏng chuyển động 3D tàu thủy - Unity 3D .................. 41 2.1.1 Triển khai hệ thông mô phỏng chuyển động tàu thủy trong Unity3D ......... 42 2.1.2 Các công cụ cơ bản để chuyển đổi từ phương trình động học thành chuyển động 3D ......................................................................................................................... 43 2.2 Ứng dụng phần mềm Unity3D để mô phỏng chuyển động tàu thuỷ ...... 45 2.2.1 Tạo lực nổi cho tàu thủy .............................................................................. 46 2.2.2 Tạo lực và mô men thủy động học cho tàu thủy ........................................... 48 2.2.3 Tạo lực và mô men liên quan đến thiết bị đẩy và bánh lái cho tàu thủy ..... 48 2.2.4 Tạo lực và mô men do nhiễu môi trường tác động tàu thủy ........................ 50 2.2.5 Thu thập thông tin 6 bậc tự do của mô hình tàu thủy .................................. 51 2.2.6 Một số đối tượng thời tiết và địa hình, địa vật tương tác trong lập trình .... 51 2.2.7 Một số mô hình 3D tàu mục tiêu .................................................................. 54 2.3 Đề xuất cấu trúc hệ thống mô phỏng hàng hải ......................................... 55 2.3.1 Mô hình mô phỏng chuyển động của tàu thủy ............................................. 55 2.3.2 Mô phỏng chuyển động của tàu thủy với sàn treo ba bậc tự do (3DOF) .... 58 2.4 Mô hình động học ngƣợc xác định góc quay động cơ servo.................... 60 2.5 Kiểm chứng bằng mô hình động học thuận .............................................. 61 2.6 Kết quả mô phỏng ....................................................................................... 63 2.7 Xây dựng cấu trúc điều khiển bám tín hiệu mô phỏng của tổ hợp Drive/Servo ứng dụng PLC .............................................................................. 65 2.7.1 Phân tích các vòng lặp điều khiển ............................................................... 65 2.7.2 Cải thiện chất lượng điều khiển vị trí bằng thuật toán dự báo số trên cơ sở PLC ................................................................................................................................ 69 2.8. Kết luận Chƣơng 2...............................................................................................72 v CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON NHÂN TẠO TRONG ĐIỀU KHIỂN SÀN TREO ................................... 72 3.1 Trí tuệ nhân tạo - AI và mạng nơron nhân tạo - ANN ............................ 72 3.2 Các hình trạng của mạng nơron ANN và mạng truyền thẳng nhiều lớp MLP .................................................................................................................... 73 3.2.1 Các hình trạng của mạng nơron .................................................................. 73 3.2.2 Mạng truyền thẳng nhiều lớp MLP .............................................................. 73 3.3 Ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo dạng MLP trong điều khiển sàn treo 75 3.3.1 Bài toán dự báo trước giá trị tham chiếu cho tổ hợp Drive/Servo Mortor............................................................................................................................76 3.3.2. Xây dựng mạng nơron sử dụng công cụ Matlab/Nntool ............................. 78 3.3.3 Huấn luyện mạng trong Matlab/NNtool ...................................................... 82 3.3.4 Xây dựng kịch bản mô phỏng với mô hình Newton-Raphson ...................... 86 3.4. Sơ đồ kết nối dữ liệu của hệ thống mô phỏng hàng hải .......................... 89 3.4.1 Giao diện dữ liệu của PLC với vô lăng, tay trang và bộ đo tín hiệu sàn treo ....................................................................................................................................... 91 3.4.2 Giao diện dữ liệu của PLC với panel điều khiển máy chính, máy lái, neo, chân vịt mũi ................................................................................................................... 92 3.4.3 Giao diện dữ liệu của PLC với Drive/Servo motor ...................................... 94 3.5. Thiết hế, chế tạo bàn điều khiển control console .................................... 97 3.6. Cải thiện chất lƣợng điều khiển sàn treo mô hình vật lý bằng bộ dự báo ứng dụng mạng nơron ..................................................................................... 100 3.7. Kết luận Chƣơng 3.....104 KẾT LUẬN ................................................................................................................ 104 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ....................................................................... 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 107 PHỤ LỤC ................................................................................................................... 119 Phụ lục 1: Bảng dữ liệu đầu vào để huấn luyện mạng ........................................... 120 Phụ lục 2: Bảng dữ liệu đầu ra để huấn luyện mạng ............................................148 vi DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Hệ thống mô phỏng hàng hải............................................................................ 8 Hình 1.2 Hệ thống mô phỏng lái tàu thủy ....................................................................... 9 Hình 1.3 Hệ thống mô phỏng hàng hải của hãng Kongsberg Marine ........................... 10 Hình 1.4 Hệ thống mô phỏng hàng hải của hãng Wärtsilä/Transas .............................. 10 Hình 1.5 Hệ thống mô phỏng hàng hải của hãng NAUTIS/VSTEP ............................. 11 Hình 1.6 Thư viện các loại mô hình tàu trong MSS-GNC Toolbox ............................. 13 Hình 1.7 Thư viện cơ cấu chấp hành trong MSS-GNC Toolbox .................................. 13 Hình 1.8 Thư viện thiết bị đo, quan sát tín hiệu hàng hải trong MSS-GNC ................ 14 Hình 1.9 Thư viện các loại nhiễu loạn môi trường trong MSS-GNC Toolbox ............. 14 Hình 1.10 Hình ảnh luồng và thực địa trên phần mềm Seaman Online ........................ 15 Hình 1.11 Hình ảnh mô phỏng chuyển động tàu thủy trên phần mềm Co-Simulations15 Hình 1.12 Hình ảnh mô phỏng hệ thống phương tiện Hàng hải dựa trên nền tảng của hãng Kongsberg ............................................................................................................. 16 Hình 1.13 Thành phần chuyển động, tham số động học của chuyển động tàu thủy ..... 28 Hình 1.14. Định nghĩa tốc độ gió và hướng (nguồn [32]) ................................ 36 Hình 2.1. Giao diện của Unity3D .................................................................................. 42 Hình 2.2. Mô hình đối tượng tàu chủ a) và cửa sổ cài đặt lực nổi cho tàu thủy b) ....... 46 Hình 2.3 Xác định hình tam giác chìm trong nước a) và các trường hợp tam giác chìm với thuật toán tối ưu hóa xử lý sai số b) ........................................................................ 47 Hình 2.4. Cửa sổ cài đặt các lực đẩy, lực cản và mô men vào đối tượng con tàu ......... 49 Hình 2.5. Cửa sổ cài đặt mô phỏng tương tác giữa đối tượng nghiên cứu .................... 50 Hình 2.6. Cửa sổ cài đặt bầu trời a) và cài đặt thuộc tính bầu trời b) ........................... 52 Hình 2.7. Đối tượng bầu trời Silver lining .................................................................... 52 Hình 2.8. Đối tượng sóng biển Triton ocean .................................................................. 52 Hình 2.9. Tạo hiệu ứng hình ảnh ban đêm .................................................................... 53 Hình 2.10. Tạo hiệu ứng hình ảnh ban ngày, trạng thái mặt biển và mưa .................... 53 Hình 2.11. Cửa sổ lấy địa hình thực tế từ World Composer ......................................... 54 Hình 2.12. Mô hình 3D tàu Bulk Carrier a) và mô hình 3D tàu Cargo b) ..................... 54 Hình 2.13. Cấu trúc khung cơ khí của hệ thống mô phỏng chuyển động của tàu thủy. 55 Hình 2.14. Cấu trúc mạng của hệ thống mô phỏng chuyển động tàu thủy ................... 56 vii Hình 2.15 Mô hình mô phỏng chuyển động 3DOF buồng lái tàu thủy ......................... 57 Hình 2.16 Mô hình mô phỏng chuyển động 3 bậc tự do sử dụng động cơ servo. a) Mặt sàn để gắn cabine buồng lái, b) Khung tam giác truyền động....................................... 58 Hình 2.17 a) Sơ đồ hình học của mô hình 3DOF, b) Tay quay và tay đòn ................... 59 Hình 2.18 Thuật toán Newton-Raphson xác định mô hình động học thuận ................. 62 Hình 2.19 Sơ đồ mô phỏng hệ thống trên Matlab/Simulink ........................................ 62 Hình 2.20 Kết quả mô phỏng khi chỉ có lắc ngang (-roll); ........................................ 63 Hình 2.21 Kết quả mô phỏng khi chỉ có lắc dọc (-pitch); ........................................... 63 Hình 2.22 Kết quả mô phỏng khi chỉ có trượt dọc trục thẳng đứng (z-heave) ............. 64 Hình 2.23 Kết quả mô phỏng khi có chuyển động hỗn hợp .......................................... 64 Hình 2.24 Cấu trúc vòng lặp trong điều khiển nối tầng động cơ servo ......................... 65 Hình 2.25. Cấu trúc điều khiển sử dụng PLC và Servo Motor của hãng Delta ............ 66 Hình 2.26. Cấu trúc vòng lặp vị trí (a) và tốc độ (b) trong chế độ có Feedforward đầu vào ................................................................................................................................. 67 Hình 2.27 Sơ đồ mạch bù nhiễu tải Feedforward ........................................................ 688 Hình 2.28. Đặc tính đáp ứng bám theo các góc quay con tàu của sàn cabine ............... 69 Hình 2.29 Đáp ứng bám theo các góc quay con tàu của sàn cabine khi sử dụng dự báo với .......................................................................................................... 70 Hình 3.1 Mạng nơron truyền thẳng nhiều lớp MLP ...................................................... 74 Hình 3.2. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển sàn treo có tích hợp module ANN/MLP ....................................................................................................................................... 80 Hình 3.3. Khối OPC Configuration để cấu hình kết nối a) Khối OPC Write để ghi dữ liệu thời gian thực đến PLC b) Khối OPC Read để đọc dữ liệu đến từ PLC ................ 80 Hình 3.4. Khối OPC Quality Parts để giám sát chất lượng kết nối ............................... 81 Hình 3.5. Dữ liệu mẫu để luyện mạng nơron a) Chuyển động roll; b) Chuyển động pitch; c) Chuyển động heave ......................................................................................... 83 Hình 3.6. Sơ đồ cấu trúc mạng nơ ron ........................................................................... 84 Hình 3.7. Cửa sổ trạng thái quá trình luyện mạng......................................................... 85 Hình 3.8. Đặc tính sai số MSE của quá trình luyện mạng ......................................... 855 Hình 3.9. Đường hồi quy luyện mạng ......................................................................... 865 Hình 3.10 Đường hồi quy khi thử nghiệm với đầu ra alpha 1 .................................... 875 Hình 3.11. Đường hồi quy khi thử nghiệm với đầu ra alpha 2 .................................. 876 viii Hình 3.12. Đường hồi quy khi thử nghiệm với đầu ra alpha 3 ................................... 886 Hình 3.13 Khối mạng nowrron đã hình thành trong môi trường Simulink ................... 86 Hình 3.14. Sơ đồ khối mô phỏng có sử dụng mạng nowrron nhân tạo ......................... 87 Hình 3.15. Đặc tính mô phỏng đáp ứng tín hiệu ra (lắc ngang), (lắc dọc) và chuyển động trượt dọc trục thẳng đứng là khi có mạng Nơron ................................. 87 Hình 3.16. Đặc tính mô phỏng tín hiệu đầu vào điều khiển động cơ servo khi có mạng Nơron ........................................................................................................ 88 Hình 3.17. Cấu trúc mạng của hệ thống mô phỏng hàng hải ........................................ 89 Hình 3.18. Sơ đồ khối cấp nguồn cho PLC điều khiển ................................................ .90 Hình 3.19. Cảm biến tín hiệu sàn treo 3 trục loại QK – AS08 a) và encoder gắn vào tay trang điều khiển b) ........................................................................................................ .91 Hình 3.20. Bản vẽ kết nối tín hiệu vào/ra giữa PLC và drive của động cơ servo ....... .96 Hình 3.21. Thuật toán điều khiển vị trí servo bằng lệnh DRVA .................................. .97 Hình 3.22. Mặt trước Panel điều khiển ........................................................................ .98 Hình 3.23. Mặt trái của Panel điều khiển......................................................................98 Hình 3.24. Mặt trên của Panel điều khiển.....................................................................98 Hình 3.25. Hình ảnh bàn control console buồng lái sau khi được chế tạo .................... 99 Hình 3.26. Một số hình ảnh của hệ thống mô phỏng sau chế tạo...............................100 Hình 3.27. Sơ đồ cấu trúc ứng mạng nơron nhân tạo MLP trong điều khiển mô hình vật lý sàn treo 3 DOF..................................................................................................101 Hình 3.28. Đáp ứng tín hiệu khi tín hiệu nghiêng, lắc và trượt đừng của sàn treo khi ứng dụng mạng nơron nhân tạo MLP so sánh với tín hiệu từ mô phỏng 3D..102 ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Thành phần chuyển động và tham số động học của tàu thủy [32, 36] .......... 28 Bảng 2.1 Các thành phần lực và mô men ...................................................................... 48 Bảng 2.2 Các thành phần lực và mô men ...................................................................... 49 Bảng 2.3 Thành phần lực và mô men ............................................................................ 50 Bảng 2.4 Các thành phần tọa độ và góc ........................................................................ 51 Bảng 3.1. Mô tả các thành phần chuyển động của sàn treo .......................................... 77 Bảng 3.2. Các thông số chính để huấn luyện mạng.......................................................84 Bảng 3.3 Các đầu vào/ra của panel điều khiển máy chính ............................................ 92 Bảng 3.4 Các đầu vào/ra của panel điều khiển máy lái ................................................. 93 Bảng 3.5. Các đầu vào/ra của panel điều khiển ............................................................. 93 Bảng 3.6. Các đầu vào của Driver Servo/PLC .............................................................. 94 Bảng 3.7 Các đầu vào của Drive Servo/PLC ................................................................ 94 x DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Giải thích AI Artificial Intelligence ANN Artifical Neural Networks BP Back Propagation BPNN Back propogation Nerual Network BPTT Back Propagation - Through- Time BTF Backproration network training funtion CAN Controller Area Network DOF Degree of freedom ECDIS Electronic Chart Display and Information System EE End Effector FFNN Feed-forward neural network GA Genetic Algorithms GNC Guide Navigation Control G