Ứng dụng bộ lọc Kalman mở rộng cho hệ thống lái thích nghi tàu thủy

Bài báo giới thiệu mô hình toán của phương tiện chuyển động hàng hải liên quan đến việc nghiên cứu yếu tố động của nó trong hai phần là động học và động lực học. Chuyển động của phương tiện hàng hải trên biển giống như chuyển động của vật thể rắn có dạng sáu bậc tự do từ sáu trục độc lập để diễn tả vị trí và hướng của thiết bị. Trên cơ sở đó đưa ra mô hình động học của tàu thủy ở dạng đầy đủ, cũng như dạng Nomoto đơn giản; đồng thời đề xuất hệ thống lái thích nghi tàu thủy sử dụng cấu trúc bộ lọc Kalman mở rộng để lọc thành phần chuyển động tần số thấp của tàu ra khỏi nhiễu sóng bậc cao do sóng biển gây ra, cũng như nhận dạng các tham số của tàu.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Ứng dụng bộ lọc Kalman mở rộng cho hệ thống lái thích nghi tàu thủy THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Ứng dụng bộ lọc Kalman mở rộng cho hệ thống lái thích nghi tàu thủy Using extended Kalman filter to design ship’s adaptive autopilot system Đinh Anh Tuấn, Hoàng Đức Tuấn, Phạm Tâm Thành Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, dinhanhtuan@gmail.com Tóm tắt Bài báo giới thiệu mô hình toán của phương tiện chuyển động hàng hải liên quan đến việc nghiên cứu yếu tố động của nó trong hai phần là động học và động lực học. Chuyển động của phương tiện hàng hải trên biển giống như chuyển động của vật thể rắn có dạng sáu bậc tự do từ sáu trục độc lập để diễn tả vị trí và hướng của thiết bị. Trên cơ sở đó đưa ra mô hình động học của tàu thủy ở dạng đầy đủ, cũng như dạng Nomoto đơn giản; đồng thời đề xuất hệ thống lái thích nghi tàu thủy sử dụng cấu trúc bộ lọc Kalman mở rộng để lọc thành phần chuyển động tần số thấp của tàu ra khỏi nhiễu sóng bậc cao do sóng biển gây ra, cũng như nhận dạng các tham số của tàu. Từ khóa: Hệ thống lái thích nghi, chuyển động của phương tiện hàng hải, bộ lọc Kalman mở rộng. Abstract This paper presents the modeling of marine vehicles related to the study dynamics into two parts: kinematics and kinetics. This study discusses the motion of marine vehicles in six degrees of freedom since six independent coordinates are necessary to determine the position and orientation of a rigid body. On that basis, the dynamic model of the ship is presented in full form, and simple as Nomoto model; design of an adaptive autopilot for ships is discussed with an extended Kalman filter estimating the ship’s parameters and separating the low frequency component of the motion from the noisy measurement due to the wave disturbances. Keywords: Adaptive autopilot, the motion of marine vehicles, extended Kalman filter. 1. Đặt vấn đề Trong quá trình nghiên cứu tổng hợp, thiết kế các bộ điều khiển của hệ thống lái cho tàu thủy thì yếu tố quan trọng hàng đầu là có mô hình động học của đối tượng. Cho tới nay đã có rất nhiều công trình đề xuất các mô hình toán của phương tiện hàng hải như SNAME (1950), Davidson và Schiff (1946), Nomoto (1957),… Trên cơ sở các kết quả đó, tác giả trình bày trình tự hình thành mô hình toán của phương tiện chuyển động hàng hải nói chung và tàu thủy nói riêng, đồng thời xây dựng dạng mô hình thích hợp nhất cho hướng tiếp cận nghiên cứu, sao cho mô hình không quá phức tạp để có thể sử dụng, cũng như không quá đơn giản để đánh mất đi tính chính xác khi tổng hợp bộ điều khiển. Trong hầu hết các ứng dụng lái tự động tàu thủy, một yếu tố quan trọng là góp phần vào loại bỏ thành phần chuyển động do sóng biển tần số cao [2, 4]. Nếu không xử lý được vấn đề này, thì nhiễu sóng sẽ gây ra hiện tượng mài mòn trên các phần tử thực hiện như bánh lái, chân vịt. Hiện nay, có nhiều phương pháp loại bỏ thành phần nhiễu sóng tần số cao như sử dụng kỹ thuật vùng không nhạy, thiết kế bộ lọc thông thường, sử dụng bộ quan sát trạng thái, bộ lọc thích nghi,… [3, 5, 6]. Bên cạnh đó, chế độ vận hành khai thác và tốc độ của tàu cũng thay đổi thường xuyên nên vấn đề nhận dạng tham số K, T khi sử dụng mô hình toán Nomoto để thiết kế bộ điều khiển cũng cần được giải quyết như trong các tài liệu [1, 2]. Do đó, ở hầu hết công trình nghiên cứu thì hai vấn đề lọc trạng thái hướng đi và nhận dạng tham số của con tàu được thực hiện tách biệt. Trong bài báo này, tác giả đề xuất giải pháp sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng để thực hiện đồng thời hai nhiệm vụ trên. 2. Nội dung 2.1. Mô hình toán học các phương tiện hàng hải Khi phân tích chuyển động trên biển của một phương tiện hàng hải bất kỳ (tàu thủy, tàu ngầm, thiết bị lặn,…) có dạng 6 bậc tự do, thường sử dụng hai hệ tọa độ được thể hiện như hình 1. HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 333 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Hình 1. Các hệ tọa độ cho phương tiện hàng hải Hệ tọa độ cố định (quán tính) gắn trên trái đất XYZ  O  gọi là hệ tọa độ n (NED: North-Eath- Down) trong đó trục Z hướng xuống dưới vào tâm trái đất. Như vậy, đã bỏ qua chuyển động của Trái đất quay quanh trục của nó và chuyển động của Trái đất quanh Mặt trời. Hệ tọa độ cố định gắn trên phương tiện hàng hải X 0Y0 Z0  C  gọi là hệ tọa độ b, (trong nhiều trường hợp chọn gốc tọa độ C trùng với G là trọng tâm của phương tiện) được định nghĩa như sau: X 0 - trục hướng từ sau về phía trước của phương tiện; Y0 - trục hướng từ bên trái sang bên phải của phương tiện; Z 0 - trục hướng từ trên đỉnh xuống dưới đáy phương tiện. Trong hệ tọa độ n phương tiện hàng hải được biểu diễn bởi vector  bao gồm vector tọa độ  1 và vector hướng  2 như sau:    1T  T2  ;  1   x y z  ;  2     (1) T T Trong đó: x, y, z là tọa độ của chuyển động dọc theo các trục X , Y , Z ;  ,  , là góc Euler của chuyển động quay quanh các trục X , Y , Z . Ngoài ra, vector tốc độ  trong hệ tọa độ b bao gồm hai thành phần là tốc độ dài  1 và tốc độ góc  2 như sau:    1T  T2  ; 1  u v w ;  2   p q r T T (2) Trong đó: u , v, w là vận tốc dài ...