Luận án tiến sĩ: Nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo AUV

Tổng quan về luận án

Nghiên cứu phát triển phương tiện chuyển động ngầm tự hành (Autonomous Underwater Vehicle - AUV) là lĩnh vực then chốt trong kỹ thuật hàng hải và tự động hóa hiện đại. Biển Đông với diện tích hơn một triệu $\text{km}^2$ (gấp ba lần diện tích đất liền) và bờ biển dài hơn 3.200 km giữ vị trí địa chính trị, an ninh quốc phòng và kinh tế biển đặc biệt quan trọng theo tinh thần Nghị quyết số 36-NQ/TW về "Chiến lược phát triển bền vững kinh tế biển Việt Nam đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2045". Các tai nạn tàu ngầm có người lái trong lịch sử, điển hình như thảm kịch tàu ngầm KRI Nanggala 402 (Hải quân Indonesia, tải trọng 1.300 tấn, chìm ở độ sâu 850 m khiến 53 thủy thủ tử nạn năm 2021), đã thúc đẩy xu hướng chuyển dịch mạnh mẽ sang các thiết bị không người lái tự hành nhằm triệt tiêu rủi ro nhân mạng và tối ưu hóa chi phí vận hành.

                  ┌────────────────────────────────────────────────────────┐
                  │    AUV 4 DOF THIẾU CƠ CẤU CHẤP HÀNH (Underactuated)    │
                  │ Trạng thái: η = [x, y, z, ψ]ᵀ | Vận tốc: v = [u, v, w, r]ᵀ│
                  └───────────────────────────┬────────────────────────────┘
                                              │
                    ┌─────────────────────────┴─────────────────────────┐
                    ▼                                                   ▼
┌───────────────────────────────────────┐   ┌───────────────────────────────────────┐
│     NHÁNH 1: ĐIỀU KHIỂN BACKSTEPPING   │   │      NHÁNH 2: ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT TẦNG    │
│     THÍCH NGHI MỜ (AFB CONTROLLER)    │   │      THÍCH NGHI NƠ-RON (ANHSMC)       │
├───────────────────────────────────────┤   ├───────────────────────────────────────┤
│ • Đệ quy hàm Lyapunov phi tuyến       │   │ • Mặt trượt tổng hợp S = α₁S₁ + α₂S₂  │
│ • Hệ logic mờ Mamdani/Takagi-Sugeno   │   │ • Mạng RBF 2 lớp xấp xỉ f(C_A, D)     │
│ • Tự động chỉnh định gain điều khiển  │   │ • Triệt tiêu hiện tượng Chattering    │
└───────────────────┬───────────────────┘   └───────────────────┬───────────────────┘
                    │                                           │
                    └─────────────────────────┬─────────────────┘
                                              ▼
                  ┌────────────────────────────────────────────────────────┐
                  │   BÁM CHÍNH XÁC QUỸ ĐẠO 3D & ỔN ĐỊNH BỀN VỮNG LYAPUNOV  │
                  │ Triệt tiêu nhiễu dòng hải lưu, hội tụ sai số e(t) → 0  │
                  └────────────────────────────────────────────────────────┘

Khoảng trống nghiên cứu (Research Gap) cốt lõi nằm ở bài toán điều khiển bám quỹ đạo 3D cho AUV 4 bậc tự do (4 Degrees of Freedom - 4 DOF: chuyển động dọc surge $u$, trượt ngang sway $v$, chuyển động đứng heave $w$, và quay trở góc hướng yaw $r$) thuộc lớp hệ cơ điện tử thiếu cơ cấu chấp hành (Underactuated Mechanical Systems - UMS). Khi lược bỏ cơ cấu chấp hành trực tiếp theo phương trượt ngang nhằm tối ưu hóa trọng lượng và năng lượng, tính phi tuyến, liên kết chéo thủy động lực học (cross-coupling effects) và các thành phần bất định môi trường (dòng hải lưu $V_d$, sóng ngầm, mật độ nước $\rho$) tạo ra thách thức lớn đối với các bộ điều khiển tuyến tính kinh điển như LQR/LQG hay PID.

Mục tiêu khoa học và câu hỏi nghiên cứu của luận án được cụ thể hóa:

• RQ1: Làm thế nào để mô hình hóa chính xác động học và động lực học 4 DOF của AUV thiếu cơ cấu chấp hành trong điều kiện tồn tại ma trận quán tính khối nước kèm $M_A$ và ma trận lực cản thủy động $D(v)$ phi tuyến?
• RQ2: Làm thế nào để thiết kế bộ điều khiển Backstepping thích nghi mờ (Adaptive Fuzzy Backstepping - AFB) nhằm triệt tiêu sai số bám quỹ đạo và bù trừ độ bất định mô hình dạng hàm?
• RQ3: Làm thế nào để tích hợp mạng nơ-ron hàm hướng tâm (Radial Basis Function - RBF) vào bộ điều khiển trượt tầng (Hierarchical Sliding Mode Controller - HSMC) để tạo ra cấu trúc ANHSMC có khả năng tự học trực tuyến các thành phần bất định ma trận Coriolis $C_A(v)$ và lực cản $D(v)$ mà không gây hiện tượng rung chấn góc lái (chattering)?

Khung lý thuyết của luận án tích hợp chặt chẽ giữa lý thuyết phi tuyến Lyapunov, chuẩn ký hiệu thủy động học SNAME (1950), nguyên lý điều khiển trượt tầng suy rộng và tính toán thông minh (Intelligent Computational Techniques). Nghiên cứu giải quyết toàn diện bài toán điều khiển bám quỹ đạo với các kịch bản không gian 3D phức tạp (quỹ đạo hàm điều hòa, lặn sâu từ 8 m đến 10 m), mang lại độ chính xác cao và độ bền vững trước nhiễu động dòng hải lưu.

Literature Review và Positioning

Lý thuyết chuyển động thủy động lực học của phương tiện ngầm được đặt nền móng từ các công trình kinh điển của Fossen (1994, 2011) và tiêu chuẩn danh mục ký hiệu của Hiệp hội Kiến trúc Hải quân và Hàng hải Hoa Kỳ (Society of Naval Architects and Marine Engineers - SNAME, 1950). Trong các mô hình chuyển động 6 DOF, phương trình động lực học tổng quát được mô tả dưới dạng ma trận: $$M_{RB}\dot{v} + C_{RB}(v)v + M_A\dot{v} + C_A(v)v + D(v)v + g(\eta) = \tau_{bl} + \tau_{pl} + \tau_{wave/current}$$

Tổng quan tài liệu chỉ ra hai luồng quan điểm đối nghịch trong thiết kế điều khiển AUV:

1. Luồng quan điểm điều khiển dựa trên mô hình chính xác (Model-based Control): Tiêu biểu là các nghiên cứu áp dụng kỹ thuật tuyến tính hóa phản hồi (Feedback Linearization), $H_\infty$ và điều khiển trượt truyền thống (Sliding Mode Control - SMC) của Fossen (2011) và các cộng sự. Ưu điểm là tính chặt chẽ về toán học thông qua tiêu chuẩn ổn định Lyapunov; tuy nhiên, nhược điểm chí mạng là đòi hỏi xác định chính xác các hệ số đạo hàm thủy động ($X_{\dot{u}}, Y_{\dot{v}}, Z_{\dot{w}}, N_{\dot{r}}, Y_{uv}, Z_{uw}, N_{ur}$). Trong môi trường biển thực tế, các hệ số này biến thiên liên tục theo vận tốc tương đối $V_r = V_0 - V_d$, góc tấn $\alpha = \arctan(w/u)$, và góc dạt $\beta = \arcsin(v/V)$.
2. Luồng quan điểm điều khiển thông minh không mô hình (Model-free Intelligent Control): Ứng dụng mạng nơ-ron nhiều lớp (MNN) và hệ logic mờ (FLS). Nhóm phương pháp này có khả năng thích nghi cao và tự học đặc tính động học, nhưng gặp hạn chế lớn về chứng minh toán học tường minh cho tính ổn định tiệm cận toàn cục (Global Asymptotic Stability) và thời gian hội tụ chậm trong giai đoạn quá độ.

Luận án định vị nghiên cứu vào điểm giao thoa giữa điều khiển phi tuyến bền vững và tính toán thông minh: phát triển thuật toán trượt tầng thích nghi nơ-ron (ANHSMC) và Backstepping thích nghi mờ (AFB), giải quyết triệt để tính thiếu cơ cấu chấp hành mà không đòi hỏi nhận dạng chính xác ma trận tham số thủy động.

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án tạo ra bước tiến quan trọng trong việc mở rộng lý thuyết điều khiển phi tuyến ứng dụng cho các đối tượng cơ khí ngầm thiếu cơ cấu chấp hành:

• Mở rộng lý thuyết Backstepping qua hệ suy diễn mờ Takagi-Sugeno/Mamdani: Khắc phục nhược điểm phụ thuộc tham số cố định của kỹ thuật Backstepping truyền thống. Bằng cách thiết lập luật thích nghi mờ trực tuyến, các hệ số khuếch đại ảo ($c_1, c_2, c_3, c_4$) được tự động tinh chỉnh theo sai số bám trạng thái $e_i(t)$, loại bỏ hiện tượng quá xung (overshoot) trong không gian 3D.
• Phát triển lý thuyết điều khiển trượt tầng suy rộng theo véctơ (Vector-based Hierarchical Sliding Mode Control): Thay vì thiết kế mặt trượt rời rạc cho từng biến độc lập, luận án xây dựng cấu trúc mặt trượt phân tầng liên kết: $$S_1 = c_1 e_1 + \dot{e}_1; \quad S_2 = c_2 e_2 + \dot{e}_2; \quad S = \alpha_1 S_1 + \alpha_2 S_2$$ trong đó $\alpha_1, \alpha_2$ là các trọng số phân tầng tối ưu hóa quan hệ ghép kênh giữa các trạng thái được tác động trực tiếp ($u, w, r$) và trạng thái gián tiếp ($v$).
• Chứng minh độ ổn định tiệm cận theo chuẩn Lyapunov: Mọi luật cập nhật trọng số nơ-ron $\hat{W}$ và tham số mờ đều được tổng hợp trực tiếp từ đạo hàm hàm mục tiêu Lyapunov $V(x) > 0$ sao cho $\dot{V}(x) \le -\kappa V(x) \le 0$, bảo đảm hệ thống đạt tính ổn định bị chặn đều (Uniform Ultimate Boundedness - UUB).

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của luận án tích hợp ba trụ cột lý thuyết cốt lõi:

1. Lý thuyết thủy lực và cơ học chất lỏng: Ứng dụng phương trình vi phân chuyển động 6 DOF và rút gọn thành 4 DOF theo hệ quy chiếu cố định thân (Body-fixed Frame - BODY: $G_b X_b Y_b Z_b$) và hệ quy chiếu mặt đất (North-East-Down - NED: $O X_0 Y_0 Z_0$). Các tương tác dòng chảy được biểu diễn tường minh qua ma trận khối nước kèm $M_A$, ma trận Coriolis thủy động $C_A(v)$, và ma trận cản bậc hai $D(v)$.
2. Kỹ thuật ước lượng hàm vạn năng bằng mạng RBF 2 lớp: Mạng nơ-ron hàm hướng tâm với cấu trúc kích hoạt Gauss: $$h_j(x) = \exp\left(-\frac{|x - c_j|^2}{2 b_j^2}\right)$$ được sử dụng để xấp xỉ hóa trực tuyến các thành phần bất định phi tuyến gộp $f(x) = C_A(v)v + D(v)v + \tau_{dist}$, chuyển đổi các hàm số ma trận phức tạp thành dạng tích véctơ trọng số $\hat{W}^T h(x) + \varepsilon$.
3. Điều kiện biên xác lập (Boundary Conditions): Khung phân tích được xác lập với giả thiết góc dạt $\beta$ và góc tấn $\alpha$ đủ nhỏ ($\tan\alpha \approx w/u$, $\sin\beta \approx v/V$), vận tốc tiến $u \gg {v, w}$, và bỏ qua vận tốc góc quay của Trái đất $\omega_e = 7,2921 \times 10^{-5}\text{ rad/s}$ do phạm vi hoạt động của AUV có tính cục bộ.

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Nghiên cứu theo trường phái thực chứng (Positivism) kết hợp giải tích toán học suy diễn (Deductive Mathematical Analysis) và mô phỏng thực nghiệm kỹ thuật số (Digital Empirical Simulation). Thiết kế nghiên cứu đa tầng bao gồm:

• Tầng động lực học đối tượng: Mô hình hóa AUV 4 DOF với các tham số hình học và thủy động chuẩn hóa từ mô hình thực tế.
• Tầng tổng hợp thuật toán: Thiết kế song song hai kiến trúc điều khiển cạnh tranh: (1) Adaptive Fuzzy Backstepping (AFB) và (2) Adaptive Neural Hierarchical Sliding Mode Control (ANHSMC).
• Tầng kiểm chứng đa kịch bản (Multi-scenario Validation): Đánh giá trên nền tảng MATLAB/Simulink với các quỹ đạo chuẩn từ đơn giản (đường thẳng, chuyển bậc độ sâu) đến phức tạp (quỹ đạo không gian 3D hàm điều hòa kết hợp dòng chảy xoáy).

               QUY TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ĐỐI SÁNH THUẬT TOÁN (RESEARCH FRAMEWORK)
               
┌────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ BƯỚC 1: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC AUV 4 DOF UMS (SNAME 1950, BODY/NED FRAMES)          │
│ • Vị trí/góc hướng: η = [x, y, z, ψ]ᵀ         • Ngoại lực: τ = [X_pl, 0, Z_s, N_h]ᵀ     │
│ • Vận tốc: v = [u, v, w, r]ᵀ                 • Nhiễu bất định: Dòng chảy V_d, sóng    │
└───────────────────────────────────────────┬────────────────────────────────────────────┘
                                            │
                                            ▼
┌────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ BƯỚC 2: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN & CHỨNG MINH ỔN ĐỊNH BỀN VỮNG (LYAPUNOV STABILITY)      │
├───────────────────────────────────────────┬────────────────────────────────────────────┤
│ • Bộ điều khiển AFB (Backstepping + Fuzzy)│ • Bộ điều khiển ANHSMC (Trượt tầng + RBF)  │
│   V_1 = (1/2)e₁²; V₂ = V₁ + (1/2)e₂²      │   Mặt trượt: S = α₁S₁ + α₂S₂               │
│   Chỉnh định online hệ số khuếch đại      │   Luật thích nghi: Ẇ = -γ S h(x)           │
└───────────────────────────────────────────┬────────────────────────────────────────────┘
                                            │
                                            ▼
┌────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ BƯỚC 3: MÔ PHỎNG VÀ ĐỐI SÁNH HIỆU NĂNG TRÊN MATLAB/SIMULINK                            │
├───────────────────────────────────────────┬────────────────────────────────────────────┤
│ • Kịch bản 1: Quỹ đạo 3D điều hòa         │ • Kịch bản 2: Lặn sâu 8m - 10m có dòng chảy│
│ • Đánh giá: Sai số bám e_x, e_y, e_z, e_ψ │ • Đo lường: Độ suy giảm Chattering & ISE   │
└────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

Quy trình nghiên cứu rigorous

Quy trình nghiên cứu tuân thủ nghiêm ngặt các bước giải tích và tổng hợp hệ thống:

1. Thiết lập phương trình trạng thái: Tách biệt hệ thống thành phương trình động học $\dot{\eta} = J(\eta)v$ và phương trình động lực học $M\dot{v} + C(v)v + D(v)v + g(\eta) = \tau + \tau_d$.
2. Thu thập và chuẩn hóa bộ tham số thủy động: Trích xuất toàn bộ các hệ số khối nước kèm ($X_{\dot{u}}, Y_{\dot{v}}, Z_{\dot{w}}, K_{\dot{p}}, M_{\dot{q}}, N_{\dot{r}}$) và hệ số lực cản phi tuyến ($X_{u|u|}, Y_{v|v|}, Z_{w|w|}, N_{r|r|}$) từ các nghiên cứu thực nghiệm tin cậy.
3. Triệt tiêu Chattering: Trong cấu trúc ANHSMC, hàm dấu gián đoạn $\text{sgn}(S)$ được thay thế bằng hàm bão hòa trơn $\text{sat}(S/\Phi)$ hoặc hàm tang hypebol $\tanh(S/\epsilon)$, kết hợp với khả năng bù trừ chính xác của mạng RBF giúp giảm biên độ dao động điều khiển xuống mức tối thiểu.
4. Kiểm tra tính hợp lệ (Validity Checks): Đánh giá độ tin cậy thông qua phân tích ma trận sai số hội tụ $\lim_{t \to \infty} |e(t)| \le \delta$ dưới nhiều điều kiện biên vận tốc ban đầu và góc lệch hướng ban đầu $\Delta\psi_0 \ne 0$.

Data và phân tích

Toàn bộ dữ liệu mô phỏng được phân tích định lượng chi tiết qua phần mềm MATLAB/Simulink:

• Thông số cấu hình mô phỏng: Thời gian mô phỏng $t = 100\text{ s} - 200\text{ s}$, bước tích phân cố định Runge-Kutta 4 ($dt = 0,01\text{ s}$).
• Vận tốc dòng chảy đặt trước: Dòng hải lưu đa trục $V_d = [u_d, v_d, w_d]^T$ với biên độ từ $0,2\text{ m/s}$ đến $0,5\text{ m/s}$.
• Cấu hình mạng RBF: Lớp ẩn gồm 7 đến 11 nơ-ron với véc-tơ tâm $c_j$ phân bố đều trên miền không gian trạng thái hoạt động; tốc độ học thích nghi $\gamma > 0$.
• Luật hợp thành mờ: 49 luật suy diễn (cấu trúc 7 tập mờ: NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB) giải mờ theo phương pháp trọng tâm (Center of Gravity).

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

Kết quả mô phỏng và phân tích toán học mang lại 4 phát hiện đột phá:

1. Khả năng triệt tiêu sai số xác lập của ANHSMC vượt trội so với HSMC truyền thống: Khi chịu tác động của dòng chảy ngầm và biến thiên tải trọng, sai số vị trí không gian 3D ($\sqrt{e_x^2 + e_y^2 + e_z^2}$) của bộ điều khiển ANHSMC hội tụ về lân cận 0 ($< 0,05\text{ m}$), giảm hơn 65% so với HSMC thuần túy ($0,15\text{ m} - 0,22\text{ m}$).
2. Bộ điều khiển AFB vượt trội về thời gian đáp ứng quá độ: So với Backstepping thông thường (BCS), bộ điều khiển Adaptive Fuzzy Backstepping (AFB) rút ngắn thời gian quá độ bám quỹ đạo góc hướng $\psi$ và độ sâu $z$ từ $12\text{ s}$ xuống dưới $4,5\text{ s}$ (giảm hơn 60% thời gian xác lập), đồng thời triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng vọt lố.
3. Mạng RBF ước lượng chính xác động lực học chưa biết: Sai số ước lượng hàm bất định $\tilde{f}(x) = f(x) - \hat{f}(x)$ tiệm cận về 0 chỉ sau $2,5\text{ s}$ kích hoạt, chứng minh khả năng tự thích ứng xuất sắc của mạng nơ-ron hướng tâm trước sự thay đổi đột ngột của dòng hải lưu.
4. Tính ổn định của quỹ đạo lặn sâu phức tạp (8 m và 10 m): AUV bám chính xác quỹ đạo không gian mong muốn mà không xảy ra hiện tượng mất ổn định góc chúc ngóc $\theta$ hay trôi dạt ngang không kiểm soát do tính chất thiếu cơ cấu chấp hành.

Implications đa chiều

• Về mặt lý thuyết: Cung cấp một phương pháp luận hoàn chỉnh kết hợp giải tích phi tuyến Lyapunov với mạng nơ-ron hướng tâm RBF và logic mờ, làm giàu kho tàng lý thuyết điều khiển hệ cơ học phi tuyến thiếu cơ cấu chấp hành (UMS).
• Về mặt phương pháp luận: Thiết lập quy trình thiết kế bộ điều khiển hai lớp có khả năng áp dụng cho nhiều đối tượng ngầm khác nhau (tàu ngầm mini, ngư lôi thông minh, robot ngầm dạng Quadrotor Underwater Vehicle - QUV).
• Về mặt ứng dụng thực tiễn: Cung cấp thuật toán tối ưu cho các kỹ sư điều khiển hàng hải, cho phép triển khai trực tiếp lên các vi điều khiển nhúng công nghiệp (DSP, ARM, FPGA) mà không cần trang bị thêm các cảm biến dòng chảy đắt tiền.
• Về mặt chính sách: Đóng góp luận cứ kỹ thuật vững chắc phục vụ mục tiêu nội địa hóa công nghệ chế tạo phương tiện ngầm tự hành, bảo đảm tính tự chủ trong bảo vệ chủ quyền biển đảo quốc gia.

Limitations và Future Research

Luận án thừa nhận một số giới hạn nghiên cứu khách quan:

1. Phạm vi mô phỏng số: Các kết quả điều khiển mới được kiểm chứng thông qua mô phỏng số học chi tiết trên phần mềm MATLAB/Simulink dựa trên bộ tham số hình học - động lực học chuẩn; chưa có điều kiện thử nghiệm thực tế trên mô hình vật lý trong bể thử (towing tank) hoặc môi trường biển mở.
2. Giới hạn mô hình 4 DOF: Nghiên cứu giả thiết triệt tiêu chuyển động lắc ngang (roll $p$) và xem góc lắc dọc (pitch $q$) được tự ổn định tĩnh nhờ mô-men phục hồi thủy tĩnh ($W \cdot z_f \cdot \sin\theta$). Khi AUV thực hiện thao tác cơ động quay vòng gắt ở vận tốc cao, các tương tác 6 DOF đầy đủ có thể làm phát sinh sai số phụ.
3. Độ trễ cơ cấu chấp hành: Luận án chưa mô hình hóa chi tiết động học phi tuyến của động cơ máy lái (actuator dynamics/saturation) và hiện tượng bão hòa góc bẻ lái ($\delta_{max}$).

Các hướng phát triển nghiên cứu tiếp theo bao gồm:

• Mở rộng thuật toán cho mô hình 6 DOF đầy đủ có xét đến hiện tượng trễ và bão hòa công suất của cơ cấu chấp hành (Actuator Saturation and Dead-zone).
• Tích hợp hệ thống dẫn đường quán tính GNSS/INS kết hợp bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) hoặc bộ lọc hạt (Particle Filter) để ước lượng trạng thái khi mất hoàn toàn tín hiệu vệ tinh dưới nước.
• Chế tạo phần cứng mẫu thử nghiệm thực địa (Hardware-in-the-Loop - HIL) để đánh giá hiệu năng thuật toán ANHSMC trên biển thực tế.

Tác động và ảnh hưởng

• Tác động học thuật: Mở ra hướng nghiên cứu mới về điều khiển trượt tầng suy rộng thích nghi nơ-ron cho hệ thiếu cơ cấu chấp hành. Công trình dự kiến tạo nguồn trích dẫn quan trọng cho các nghiên cứu sinh và học giả trong lĩnh vực Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa (Mã số: 9520216).
• Chuyển đổi công nghiệp: Tạo tiền đề công nghệ cho các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghiệp tàu thủy đóng mới các dòng AUV phục vụ khảo sát địa chất đáy biển, kiểm tra đường ống dẫn dầu khí ngầm và giám sát cáp quang biển.
• An ninh quốc phòng: Cung cấp thuật toán cốt lõi cho các phương tiện ngầm trinh sát không người lái, thiết bị rà phá bom mìn tự động, nâng cao năng lực tác chiến ngầm của lực lượng Hải quân Việt Nam.

Đối tượng hưởng lợi

• Nghiên cứu sinh và Giảng viên ngành Điều khiển - Tự động hóa: Tiếp cận khung lý thuyết và phương pháp thiết kế bộ điều khiển phi tuyến kết hợp mạng nơ-ron/mờ cho hệ UMS.
• Kỹ sư R&D tại các Viện nghiên cứu Hải quân và Hàng hải: Ứng dụng trực tiếp cấu trúc thuật toán AFB và ANHSMC để nâng cấp hệ thống lái tự động (Autopilot) cho các phương tiện ngầm không người lái.
• Các cơ quan quản lý và hoạch định chính sách biển: Có cơ sở khoa học để xây dựng các chương trình khoa học công nghệ trọng điểm cấp quốc gia về làm chủ công nghệ thiết bị ngầm tự hành đến năm 2030 - 2045.

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì và đã mở rộng lý thuyết nào?

Luận án đã mở rộng lý thuyết điều khiển trượt tầng (Hierarchical Sliding Mode Control) bằng cách đề xuất cấu trúc trượt tầng theo véctơ thích nghi nơ-ron (ANHSMC) kết hợp mạng RBF 2 lớp. Điểm độc đáo nằm ở chỗ thuật toán cho phép xấp xỉ hóa trực tiếp các phần tử của ma trận bất định thủy động Coriolis $C_A(v)$ và lực cản $D(v)$ mà không cần biết trước cấu trúc giải tích tường minh, bảo đảm tính ổn định tiệm cận toàn cục theo lý thuyết Lyapunov cho hệ AUV 4 DOF thiếu cơ cấu chấp hành.

2. Điểm cải tiến phương pháp luận so với các nghiên cứu quốc tế tiền nhiệm là gì?

So với các nghiên cứu cổ điển của Fossen (2011) sử dụng SMC truyền thống (thường gây hiện tượng rung chấn chattering phá hủy cơ cấu chấp hành) và các nghiên cứu của dòng AUV REMUS/Bluefin 9 (áp dụng điều khiển phân rã tuyến tính từng kênh), phương pháp của luận án giải quyết trọn vẹn bài toán liên kết chéo phi tuyến giữa kênh trượt ngang không có lực đẩy trực tiếp ($v$) với kênh chuyển động dọc ($u$) và góc hướng ($r$) mà không gây chattering góc bẻ lái.

3. Phát hiện bất ngờ nhất từ dữ liệu mô phỏng là gì?

Phát hiện bất ngờ nhất là khả năng triệt tiêu hoàn toàn sai số dạt do dòng chảy ngầm của bộ điều khiển ANHSMC mà không cần đo trực tiếp vận tốc dòng hải lưu $V_d$. Mạng nơ-ron RBF đã tự động xem tác động của dòng chảy như một thành phần bất định gộp và ước lượng chính xác giá trị này trong thời gian dưới $2,5\text{ s}$, giúp quỹ đạo bám không gian 3D đạt độ chính xác gần như tuyệt đối ($e_{3D} < 0,04\text{ m}$).

4. Luận án có cung cấp quy trình tái lập nghiên cứu (Replication Protocol) không?

Có. Luận án cung cấp toàn bộ hệ thống phương trình vi phân mô tả đối tượng, bảng danh mục đầy đủ các hệ số thủy động lực học chuẩn SNAME (Bảng 2.2), hệ 49 luật suy diễn mờ (Bảng 2.4), cấu trúc các thông số trọng số bộ điều khiển HSMC/ANHSMC (Bảng 3.1, Bảng 3.2), cùng sơ đồ khối chi tiết mô phỏng trên nền tảng MATLAB/Simulink.

5. Lộ trình nghiên cứu 10 năm tiếp theo được vạch ra như thế nào?

Lộ trình 10 năm tập trung vào 3 giai đoạn: (1) 2024-2026: Tích hợp hệ thống dẫn đường quán tính tích hợp lọc Kalman thích nghi và kiểm thử phần cứng HIL; (2) 2027-2030: Chế tạo mẫu thử nghiệm AUV 4 DOF thực tế và thử nghiệm tại vùng biển ven bờ Hải Phòng - Quảng Ninh; (3) 2031-2035: Phát triển thuật toán điều khiển phối hợp bầy đàn (Swarm AUVs) cho các nhiệm vụ khảo sát biển sâu và an ninh quốc phòng diện rộng.

Kết luận

1. Luận án đã xây dựng hoàn chỉnh mô hình toán học động học và động lực học 4 bậc tự do (4 DOF) cho phương tiện ngầm tự hành (AUV) thuộc lớp hệ cơ học thiếu cơ cấu chấp hành, mô tả chính xác các lực thủy động, khối nước kèm và tương tác dòng hải lưu.
2. Đề xuất thành công bộ điều khiển Backstepping thích nghi mờ (AFB), chứng minh khả năng tự chỉnh định tham số điều khiển trực tuyến và giảm hơn 60% thời gian quá độ so với kỹ thuật Backstepping kinh điển.
3. Phát triển đột phá bộ điều khiển trượt tầng thích nghi nơ-ron (ANHSMC) ứng dụng mạng RBF 2 lớp, giải quyết triệt để bài toán bù trừ ma trận bất định phi tuyến $C_A(v), D(v)$ và triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng rung chấn (chattering).
4. Chứng minh toán học chặt chẽ tính ổn định tiệm cận toàn cục của toàn bộ hệ thống kín thông qua hàm thế năng Lyapunov.
5. Kiểm chứng toàn diện qua mô phỏng số học trên MATLAB/Simulink với nhiều kịch bản không gian 3D phức tạp (lặn sâu 8 m, 10 m), khẳng định sai số bám quỹ đạo tiệm cận 0 và vượt trội so với các bộ điều khiển truyền thống.
6. Đặt nền tảng lý thuyết và công nghệ vững chắc, mở ra hướng nghiên cứu làm chủ công nghệ chế tạo phương tiện ngầm tự hành không người lái phục vụ kinh tế biển và bảo vệ chủ quyền biển đảo Việt Nam.