Điều khiển hướng đi và độ sâu của phương tiện ngầm ứng dụng mạng Nơ ron

Bài báo trình bày về ứng dụng của bộ điều khiển nơ-ron phản hồi trực tiếp trong điều khiển hướng và độ sâu của phương tiện ngầm. Các thí nghiệm mô phỏng trên máy tính được tiến hành nhằm chứng tỏ tính hiệu quả, tính khả thi của thuật toán đề xuất của bộ điều khiển nơ-ron dưới các tác động khác nhau như: nhiễu trong thiết bị đo, ảnh hưởng của dòng chảy đến chuyển động phương tiện ngầm.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Điều khiển hướng đi và độ sâu của phương tiện ngầm ứng dụng mạng Nơ ronNghiên cứu khoa học công nghệĐIỀU KHIỂN HƯỚNG ĐI VÀ ĐỘ SÂU CỦA PHƯƠNG TIỆN NGẦM ỨNG DỤNG MẠNG NƠ RON Phạm Văn Phúc1, Trương Duy Trung2, Nguyễn Quang Vịnh1* Tóm tắt: Bài báo trình bày về ứng dụng của bộ điều khiển nơ-ron phản hồi trực tiếp trong điều khiển hướng và độ sâu của phương tiện ngầm. Các thí nghiệm mô phỏng trên máy tính được tiến hành nhằm chứng tỏ tính hiệu quả, tính khả thi của thuật toán đề xuất của bộ điều khiển nơ-ron dưới các tác động khác nhau như: nhiễu trong thiết bị đo, ảnh hưởng của dòng chảy đến chuyển động phương tiện ngầm.Từ khóa: Điều khiển tối ưu, Điều khiển nơ ron, Phương tiện ngầm. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, tàu ngầm và phương tiện ngầm được phát triển rộng rãi nhằmphục vụ cho nhiều mục đích khác nhau, trong đó có việc thăm dò và khai thác tàinguyên nằm trong lòng biển. Các phương tiện ngầm này thường được điều khiểntừ xa, làm những công việc ở độ sâu mà con người thường khó thực hiện được.Trong lĩnh vực quân sự, hải quân các nước phát triển phương tiện chiến đấu vàphục vụ theo hướng thay thế các hệ thống có người lái (điều khiển trực tiếp) bằngcác hệ thống điều khiển từ xa hoặc tự hành. Điều này đảm bảo an toàn cho kípnhân viên vận hành, tinh giảm được quân số đồng thời lại nâng cao hiệu quả chiếnđấu. Điều khiển phương tiện ngầm là một thách thức lớn đối với các kỹ sư điềukhiển bởi vì bản chất phi tuyến hỗn hợp của chính phương tiện ngầm và môitrường mà nó hoạt động. Các phương pháp điều khiển thông thường như bộ điềukhiển kiểu tỷ lệ - tích phân- vi phân (PID) không thể cho ra kết quả thỏa mãn[7,8]. Vì vậy, các hệ thống điều khiển chất lượng cao cho phương tiện ngầm cầnphải có khả năng học và cập nhật sự biến thiên của các hệ số thủy động học vàđộng học của tàu ngầm để đạt được chất lượng điều khiển mong muốn. Polycarpou [5] đã đề xuất phương pháp điều khiển thích nghi dùng mạng nơ-ron cho lớp các hệ thống phi tuyến phản hồi chặt (strict-feedback nonlinearsystems), trong đó các hàm độ lợi điều khiển đã được biết chính xác. Zhang và cáccộng sự [6] đã mở rộng kết quả nghiên cứu trên thành các hệ thống phi tuyến phảnhồi chặt tổng quát với giả thiết các hàm độ lợi điều khiển không được biết, các tácgiả đã sử dụng thuật toán lan truyền ngược để điều chỉnh các hàm trọng lượng củamạng nơ-ron. Trong [3], tác giả đã đề xuất một bộ điều khiển (BĐK) nơ-ron thíchnghi tự động giữ hướng tàu và điều khiển tàu theo quỹ đạo dựa trên BĐK đề xuấttrong [8] bằng một số cải tiến và nâng cấp. BĐK nơ-ron này có khả năng huấnluyện trực tuyến và không cần đến giai đoạn huấn luyện để tìm các hàm trọnglượng của mạng từ trước. Ngoài ra, hai thông số của BĐK là bước học (learningrate) và số lần huấn luyện trong một chu trình (number of iterations) được tự độngcập nhật đồng thời. Trong bài báo này, chúng tôi mở rộng kết quả nghiên cứu trong[3] để ứng dụng trong thiết kế BĐK hướng và độ sâu có xét đến sự ảnh hưởng củanhiễu thiết bị đo và dòng chảy ngầm ảnh hưởng đến chuyển động của phương tiện.Kết quả mô phỏng là cơ sở cho việc nghiên cứu, học tập nâng cao chất lượng điềukhiển và thử nghiệm.Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 15 Cơ học & Điều khiển thiết bị bay 2. PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG PHƯƠNG TIỆN NGẦM Phương trình động học phương tiện ngầm được mô tả:   J ( ) (1)trong đó, J ( ) là ma trận chuyển tọa độ [1,9]. Phương tiện ngầm được điều khiển bởi hai bánh lái trong mặt phẳng ngang, haibánh lái theo mặt phẳng đứng và hai vây điều khiển giảm lắc quanh trục X b . Giảthiết chuyển động phương tiện ngầm ở độ sâu lớn nên chỉ xét đến sự ảnh hưởngcủa dòng chảy, bỏ qua sự ảnh hưởng của sóng và gió. Vị trí và góc định hướng của phương tiện ngầm   [ x, y, z ,  ,  , ]T được mô tảtương đối trong hệ tọa độ cố định tâm trái đất OXYZ, vận tốc tuyến tính và vận tốcgóc   [u , v, w, p, q, r ]T được mô tả trong hệ tọa độ gắn liền Cb X bYb Z b có tâm trùngvới tâm nổi Cb (hình 1). Hình 1. Các hệ tọa độ tham chiếu chuyển động của phương tiện ngầm. Khi xét đến sự ảnh hưởng của vận tốc dòng chảy tác động lên phương tiện ngầm,phương trình chuyển động của phương tiện ngầm sẽ là (Sorensen, 2005a) [9]. ( M RB  M A )  (C A (td )td  CRB ( ) )  D (td )td  L(td )td  g ( )   (2)trong đó, M RB là ma trận quán tính; CRB là ma trận hướng tâm Coriolis; M A , C A (td )là ma trận quán tính và ma trận hướng tâm Coriolis khối nước kèm; D(td ) là matrận lực và mô men thủy động; g ( ) là véc tơ lực và mô men phục hồi; L(td ) làma trận lực và mô men của bánh lái;    bl   cvit là lực và mô men của bánh lái, ...