Luận án TS: Nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo phương tiện ngầm - Vũ Văn Quang

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM VŨ VĂN QUANG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO CỦA PHƯƠNG TIỆN CHUYỂN ĐỘNG NGẦM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HẢI PHÒNG - 2024 BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM VŨ VĂN QUANG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO CỦA PHƯƠNG TIỆN CHUYỂN ĐỘNG NGẦM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA MÃ SỐ: 9520216 CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA Người hướng dẫn khoa học: 1.TS Đinh Anh Tuấn 2.TS Phạm Ngọc Tiệp HẢI PHÒNG - 2024 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể giảng viên hướng dẫn và các nhà khoa học. Các tài liệu tham khảo trong luận án được trích dẫn đầy đủ. Các kết quả nghiên cứu trung thực và chưa từng được tác giả khác công bố trên bất cứ công bố khoa học nào. Hải Phòng, ngày tháng 01 năm 2024 Giáo viên hướng dẫn Giáo viên hướng dẫn Tác giả PGS.TS Đinh Anh Tuấn PGS.TS Phạm Ngọc Tiệp Vũ Văn Quang i LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình hoàn thành luận án, tôi nhận được nhiều góp ý nhiệt tình của các giáo sư, tiến sĩ, các nhà khoa học uy tín và các bạn đồng nghiệp có chuyên môn.

Tôi xin được gửi tới họ lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất. Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến tập thể hướng dẫn PGS. Đinh Anh Tuấn và PGS. Phạm Ngọc Tiệp đã trực tiếp bằng tâm huyết giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua.

Cảm ơn tập thể giảng viên bộ môn Tự động hóa hệ thống điện, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện luận án. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến các anh chị em đồng nghiệp tại bộ môn Điện, Khoa Điện – Cơ, đặc biệt là Ban giám hiệu Trường Đại học Hải Phòng nơi tôi đang công tác chuyên môn đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi được yên tâm học tập, nghiên cứu. Sau cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến những người thân trong gia đình đã luôn bên tôi giúp tôi có thời gian và điều kiện tốt nhất để hoàn thành nhiệm vụ học tập. Hải Phòng, ngày tháng 01 năm 2024 Tác giả luận án Vũ Văn Quang ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC X ,Y , Z Lực tác dụng lên AUV (N) K,M , N Mô men tác dụng lên AUV (Nm) u , v, w Tham sô vận tốc chiếu lên các trục của hệ tọa độ gắn liền (m/s) uc , vc , wc Các thành phần vận tốc dòng chảy đổi với hệ tọa độ gắn liền (m/s) p, q, r Các thành phần vận tốc góc chiếu lên hệ tọa độ gắn liền (rad/s) x, y , z Vị trí của AUV trong hệ tọa độ địa lý (m) y, , Biểu diễn ba góc Ơle (rad) X.

Hệ số lực khối nước kèm (kg) u X wq , X qq , X vr , X rr Hệ số lực khối nước kèm chéo trục (kg/rad) X u u , X uv , X uw Hệ số lực cản theo trục X b của hệ tọa độ gắn liền (kg/m) X w w , X uv , X uw Hệ số lực cản theo trục X b của hệ tọa độ gắn liền (kg/m) X up Hệ số lực bánh lái (kg/rad) X uul Hệ số lực của bánh lái (kg/m.rad) X pl Lực đẩy động cơ (N) Y. Hệ số lực khối nước kèm (kg) v r Yv v Hệ số lực cản (kg/m) Ywp , Ypq Hệ số lực khối nước kèm chéo trục Yb (kg/rad) Yuv Hệ số khối nước kèm chéo trục, lực nâng và lực cản (kg/rad) Yur Hệ số khối nước kèm chéo trục, lực nâng (kg/rad) Yuu h Hệ số lực của bánh lái (kg/m. Hệ số lực khối nước kèm (kg) w q Zw w Hệ số lực cản (kg/m) Z uq Hệ số khối nước kèm chéo trục và lực nâng (kg/rad) Z vp , Z rp Hệ số lực khối nước kèm chéo trục (kg/rad) Z uw Hệ số lực khối nước kèm chéo trục, lực nâng và lực cản (kg/rad) Z uu s Hệ số lực của bánh lái (kg/m. Hệ số mô men khối nước kèm (kg.m2/rad2) p iii K uul Hệ số mô men bánh lái đối với hệ tọa độ gắn liền (kg/rad) K uu Hệ số mô men khối nước kèm (kg/rad) K up Hệ số mô men khối nước kèm chéo trục (kg/rad) M.

Hệ số mô men khối nước kèm (kg.m2/rad2) q w M uw Hệ số mô men thân và thành phần bánh lái (kg) M rp Hệ số mô men khối nước kèm chéo trục (kg.m2/rad2) M up Hệ số mô men khối nước kèm chéo trục và lực nâng (kg.m/rad) M vp Hệ số mô men khối nước kèm chéo trục (kg.m/rad) M uu s Hệ số mô men bánh lái (kg/rad) N. Hệ số mô men khối nước kèm (kg.m2/rad2) v r N ur Hệ số mô men khối nước kèm chéo trục và lực nâng (kg.m/rad) N uv Hệ số mô men thân và bánh lái (kg) N wp , N pq Hệ số mô men khối nước kèm chéo trục (kg.m/rad) Nuu h Hệ số mô men bánh lái (kg/rad) B Lực nổi (lực Acsimet) (N) W Lực trọng lực (N) D Lực cản (N) L Lực nâng (N)  Mật độ nước (kg/m3) Af Tổng diện tích bề mặt theo hướng vận tốc AUV (m2) , Các góc tấn công và góc trượt ngang của AUV (rad) Sbl Diện tích bề mặt của bánh lái (m2) e Góc ảnh hưởng của bánh lái (rad) xbl Khoảng cách từ trục của các bánh lái đến tâm trọng lực (m)  h1 ,  h 2 Góc quay các bánh lái hướng (rad)  s1 ,  s 2 Góc quay các bánh lái sâu (rad) h Tổng góc bẻ lái điều khiển theo góc hướng (rad) l Tổng góc bẻ lái điều khiển theo góc lắc (rad) s Tổng góc bẻ lái điều khiển theo góc chúc ngóc (rad) M RB Ma trận quán tính của AUV iv CRB Ma trận hướng tâm Coriolis của AUV  RB Ngoại lực và mô men ngoại lực tác động lên AUV GB Tâm khối của AUV trong OX bYb Zb I0 Ma trận mô men đường chéo MA Ma trận quán tính khối nước kèm C A   Ma trận hướng tâm Coriolis khối nước kèm D   Ma trận lực và mô men thủy động g   Biểu diễn lực và mô men trọng lực L   Ma trận thông số lực và mô men của bánh lái  bl Véc tơ lực và mô men của bánh lái  pl Véc tơ lực và mô men của động cơ đẩy Cf Biểu diễn tâm nổi của phương tiện ngầm tự hành AUV R , Rl Bán kính cong của trái đất theo tham chiếu Ellip R Bán kính của trái đất khi xem trái đất là hình cầu V Véc tơ vận tốc dài trong hệ tọa độ gắn liền  Véc tơ vận tốc góc trong hệ tọa độ gắn liền U Véc tơ vận tốc góc trái đất l,  Đại lượng biểu diễn kinh độ, vĩ độ  Số siêu phức quaternion 0 , 1 , 2 , 3 Biểu diễn các tham số Rodrig – Hamilton Cbn Ma trận chuyển từ hệ tọa độ gắn liền sang hệ tọa độ địa lý Cdn Ma trận chuyển từ hệ tọa độ đế sang hệ tọa độ địa lý ax , a y , az Chỉ số gia tốc cảm nhận có nhiễu đo đối với hệ tọa độ gắn liền abx , aby , abz Chỉ số gia tốc cảm nhận đối với hệ tọa độ gắn liền w4 , w5 , w6 Nhiễu đo của gia tốc kế Bx , By , Bz Ba chỉ số của từ kế trong OX bYb Zb VxDVL ,VyDVL ,VzDVL Ba chỉ số của từ kế trong OX 0Y0 Z0 VN ,VE ,VD Biểu diễn ba chỉ số vận tốc trong OX 0Y0 Z0  t  Véc tơ hồi quy v  t  Biểu diễn ước lượng sai số  Biểu diễn hệ số quên k Trọng số của mạng singleton êk Biểu diễn trạng thái ước lượng sai số Aki 1 , Aki 2 , Bki Ma trận biểu diễn các tập mờ OX I Y I Z I Hệ tọa độ quán tính OX eY e Z e Hệ tọa độ cố định tâm trái đất OX bYb Zb Hệ tọa độ gắn liền OX 0Y0 Z0 Hệ tọa độ địa lý  Vị trí và góc Euler chuyển động quay quanh trục x  Vị trí và góc Euler chuyển động quay quanh trục y  Vị trí và góc Euler chuyển động quay quanh trục z rg Véc-tơ tọa độ của trọng tâm của vật rắn 1 Biểu diễn vị trí của tàu trong OX eY e Z e 2 Biểu diễn góc hướng của tàu trong OX eY e Z e  Biểu diễn vị trí và góc hướng của tàu trong OX eY e Z e v1 Biểu diễn vận tốc dài trong OX bYb Zb v2 Biểu diễn vận tốc góc trong OX bYb Zb v Biểu diễn vận tốc góc và vận tốc dài trong OX bYb Zb 1 Thành phần lực tác động trong OX bYb Zb 2 Thành phần góc hướng của phương tiện ngầm trong OX eY e Z e  Thành phần lực và tác động lên phương tiện ngầm trong OX eY e Z e w Biểu diễn lực và mô men nhiễu loạn môi trường D Biểu diễn lực và mô men suy giảm H Biểu diễn lực và cảm ứng tác động lên phương tiện ngầm vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt AUV Autonomous Underwater Vehicle Phương tiện ngầm tự hành ROV Remotely Operated Vehicle Phương tiện ngầm điều khiển từ xa TUV Tetherless underwater vehicle Phương tiện dưới nước QUV Quadrotor Underwater Vehicle Phương tiện Quadrotor UAV Unmanned Aerial Vehicle Phương tiện bay không người lái ASWs Anti Submarine Weapons Các loại vũ khí chống ngầm ANB Adaptive neural network backstepping Thích nghi nơ-ron backstepping Adaptive neural network sliding mode backstepping Thích nghi nơ-ron trượt ANSB backstepping Adaptive neural network sliding mode Điều khiển thích nghi nơ-ron ANSBC backstepping control trượt backstepping nơ-ron BODY Body-fixed reference frame Khung tọa độ quy chiếu gắn thân CG Center of gravity Trọng tâm CB Center of buoyancy Tâm nổi Khung tọa độ quán tính gốc ECI The Earth-centered inertial frame trùng tâm trái đất. Khung tọa độ tham chiếu có gốc ECEF Earth-centered Earth-fixed reference frame trùng tâm trái đất.