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

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 15 ĐIỀU 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 nhằm phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau, trong đó có việc thăm dò và khai thác tài nguyên nằm trong lòng biển. Các phương tiện ngầm này thường được điều khiển từ 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 và phục vụ theo hướng thay thế các hệ thống có người lái (điều khiển trực tiếp) bằng các hệ thống điều khiển từ xa hoặc tự hành. Điều này đảm bảo an toàn cho kíp nhân viên vận hành, tinh giảm được quân số đồng thời lại nâng cao hiệu quả chiến đấu. Điều khiển phương tiện ngầm là một thách thức lớn đối với các kỹ sư điều khiển bởi vì bản chất phi tuyến hỗn hợp của chính phương tiện ngầm và môi trường mà nó hoạt động. Các phương pháp điều khiển thông thường như bộ điều khiển 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 cần phải có khả năng học và cập nhật sự biến thiên của các hệ số thủy động học và động 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 nonlinear systems), trong đó các hàm độ lợi điều khiển đã được biết chính xác. Zhang và các cộng sự [6] đã mở rộng kết quả nghiên cứu trên thành các hệ thống phi tuyến phản hồi chặt tổng quát với giả thiết các hàm độ lợi điều khiển không được biết, các tác giả đã sử dụng thuật toán lan truyền ngược để điều chỉnh các hàm trọng lượng của mạng nơ-ron. Trong [3], tác giả đã đề xuất một bộ điều khiển (BĐK) nơ-ron thích nghi tự động giữ hướng tàu và điều khiển tàu theo quỹ đạo dựa trên BĐK đề xuất trong [8] bằng một số cải tiến và nâng cấp. BĐK nơ-ron này có khả năng huấn luyện trực tuyến và không cần đến giai đoạn huấn luyện để tìm các hàm trọng lượng của mạng từ trước. Ngoài ra, hai thông số của BĐK là bước học (learning rate) và số lần huấn luyện trong một chu trình (number of iterations) được tự động cập 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 của nhiễu 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 điều khiển và thử nghiệm. Cơ học & Điều khiển thiết bị bay P. V. Phúc, T. D. Trung. N. Q. Vịnh, “Điều khiển hướng đi ứng dụng mạng nơ ron.” 16 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, hai bánh lái theo mặt phẳng đứng và hai vây điều khiển giảm lắc quanh trục b X . Giả thiết chuyển động phương tiện ngầm ở độ sâu lớn nên chỉ xét đến sự ảnh hưởng của dòng chảy, bỏ qua sự ảnh hưởng của sóng và gió. Vị trí và góc định hướng của phương tiện ngầm [ , , , , , ]Tx y z    được mô tả tương đối trong hệ tọa độ cố định tâm trái đất OXYZ, vận tốc tuyến tính và vận tốc góc [ , , , , , ]Tu v w p q r  được mô tả trong hệ tọa độ gắn liền b b b b C X Y Z có tâm trùng với tâm nổi b C (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]. ( ) ( ( ) ( ) ) ( ) ( ) ( ) RB A A td td RB td td td td M M C C D L g                 (2) trong đó, RB M là ma trận quán tính; RB C là ma trận hướng tâm Coriolis; , ( ) A A td M C  là ma trận quán tính và ma trận hướng tâm Coriolis khối nước kèm; ( ) td D  là ma trận lực và mô men thủy động; ( )g  là véc tơ lực và mô men phục hồi; ( ) td L  là ma trận lực và mô men của bánh lái; bl cvit    là lực và mô men của bánh lái, vây và chân vịt;  Ttd c td td tdu v w p q r     ; [ , , , 0, 0,0] T c c c c u v w  là vận tốc dòng chảy đối với hệ tọa độ gắn liền. Giả thiết vận tốc chuyển động thẳng của phương tiện ngầm luôn là hằng số 0u u , từ (2) ta có hệ phương trình chuyển động phương tiện ngầm là [2, 4]: 2 | | 0 0 0 2 | | 0 0 2 0 0 ( ) ( | | ) ( ) ( ) ( ) ( | | ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) h s vay v g v v td uv td g ur uu h w g q w w td uw td g uq uu s xx p g uu vay g w yy q g uw m Y v mx r Y v Y u v my r Y u r Y u m Z w mx Z q Z w Z u w mz q Z u q Z u I K p z W K u mx M w I M q mz q M u                                                2 0 0 2 0 0 0 ( ) ( ) ( ) s h td uq uu s g v zz r g uv td ur uu h w M u q BGW M u mx N v I N r my r N u v N u r N u                             (3) Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 17 0 0 0 0 cos cos (cos sin sin sin cos ) (cos sin cos sin sin ) sin cos (sin sin sin cos cos ) (sin sin cos cos sin ) sin (cos sin ) cos cos tan sin tan cos cos sin x u v w y u v w z u v w p q r q r                                                                 sin sec cos secq r             (4) Từ các phương trình (3) và (4) sử dụng phương pháp hạn chế theo các mặt phẳng có thể xây dựng được phương trình chuyển động riêng cho kênh điều khiển theo hướng và theo độ sâu [4]. 3. MÔ HÌNH BỘ ĐIỀU KHIỂN NƠ RON THÍCH NGHI TRỰC TIẾP Xây dựng bộ điều khiển nơ ron thích nghi trực tiếp (DAFNOC) với tín hiệu vào điều khiển là các góc quay bánh lái hướng, sâu   T h s   , ngõ ra là góc hướng, độ sâu   T z  . Hình 2. Sơ đồ bộ điều khiển nơ ron thích nghi trực tiếp. Sơ đồ giải thuật DAFNOC được thực hiện theo các bước sau [3g]:  Bước 1: Chọn độ lợi hồi tiếp và bộ quan sát:   0 45 3150 T h K  ;  480 450T ch K  ;   0 15 580 T s K  ;  130 580T cs K  .  B­íc 2: C¸c th«ng sè cña thµnh phÇn khö sai sè m« h×nh ®­îc chän 20 /180 h pi  ; 0.08 s pi  ; 0.0025 h   ; 0.06 s   . C¸c hÖ sè cña luËt thÝch nghi ®­îc chän 8 h pi  ; 0.5 s pi  . Bé läc 1( )L s ®­îc chän 1( ) 1 / ( 1)L s s   .  B­íc 3: X©y dùng bé quan s¸t x¸c ®Þnh vector sai sè ­íc l­îng eˆ . Cơ học & Điều khiển thiết bị bay P. V. Phúc, T. D. Trung. N. Q. Vịnh, “Điều khiển hướng đi ứng dụng mạng nơ ron.” 18  B­íc 4: X©y dùng c¸c luËt vµ tÝnh c¸c vÐc t¬ c¬ së ˆ( )k e víi ®Ò xuÊt cè ®Þnh c¸c th«ng sè cña hµm liªn thuéc. VÐc t¬ c¬ së dïng chung cho c¸c kªnh ®iÒu khiÓn.  B­íc 5: Thùc hiÖn luËt ®iÒu khiÓn ˆ( )T fk k ku e  sö dông m¹ng n¬ron cã cÊu tróc cè ®Þnh vµ luËt thÝch nghi cËp nhËt k víi k lµ c¸c thµnh phÇn theo h­íng, ®é s©u. 4. ĐIỀU KHIỂN PHƯƠNG TIỆN NGẦM THEO HƯỚNG Theo Zhang và cộng sự có thể sử dụng hàm mục tiêu cho bộ điều khiển dưới dạng [6]:   2 2 2 1 1 1 1 1 2 d k k k RK kE r            trong đó, RK và rk lần lượt là góc bẻ lái và tốc độ đổi hướng phương tiện ngầm tại thời điểm k , các hằng số 1 , 1, và 1 tương ứng là hệ số tỷ lệ, hệ số phản hồi góc bẻ lái và hệ số vi phân hướng đi. Bộ điều khiển nơ-ron được chọn là một mạng nơ- ron nhiều lớp truyền thẳng có một lớp ẩn. Mạng gồm bốn nơ-ron lớp vào, sáu nơ- ron lớp ẩn và một nơ-ron lớp ra tương tự như đã mô tả ở [3]. Trong đó, wij là ký hiệu hàm trọng lượng của nơ-ron lớp ra, wjp là ký hiệu hàm trọng lượng nơ-ron lớp ẩn. Các chỉ số p, i và j tương ứng là số lượng nơ-ron lớp vào, lớp ra và lớp ẩn. Các tín hiệu vào của BĐK chỉ gồm sai số hướng đi của phương tiện ngầm và các giá trị trễ của sai số này. Ký hiệu kd là hướng đi mong muốn và k là hướng đi thực tế của phương tiện ngầm, nhiệm vụ của bộ điều khiển là tính toán góc bẻ lái phù hợp để hàm mục tiêu (4) đạt cực tiểu bằng luật cập nhật trọng số sau:    1 1 1 1 1 1 1 1w .0jp p j j p j jO sig I O sig I              1ij 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1w . 0 .j k RK k j k RK ksig I e r e r               Chỉ số 1 biểu thị BĐK nơ-ron thứ nhất dùng cho điều khiển hướng, trong đó, 1 d k k ke    và   1 1 1 ( ) 1 0 . 1 j j j I sig I e     ;  1 1 1 1w 0j jp p j p I   ; 1 1ij 1ijw .wj   Hình 3. Sơ đồ mô phỏng điều khiển phương tiện ngầm theo hướng. 5. ĐIỀU KHIỂN PHƯƠNG TIỆN NGẦM THEO ĐỘ SÂU Tương tự (4) ta chọn hàm mục tiêu cho bộ điều khiển góc chúc ngóc như sau Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 19   2 2 2 2 2 2 1 2 2 1 w 2 d k k k SK k kE z z k            Trong đó 2 , 2 ,  2 , và k2 là hằng số; d kz , zk là độ sâu mong muốn và độ sâu thực; Sk là góc bẻ của bánh lái độ sâu; wk là tốc độ theo phương đứng; và k là góc chúi của phương tiện ngầm (được thêm vào nhằm hạn chế góc chúi trong quá trình thay đổi độ sâu). Luật cập nhật trọng số trong trường hợp này được tính như sau [3]:    2 2 2 2 2 2 2 2w .0jp p j j p j jO sig I O sig I              2ij 2 2 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2w . 0 .j k RK k j k SK ksig I e r e r                Chỉ số 2 trong phương trình trên biểu thị bộ điều khiển nơ-ron thứ hai dùng cho điều khiển độ sâu, trong đó 2 d k k ke z z  . Hình 4. Sơ đồ mô phỏng điều khiển phương tiện ngầm theo góc chúc ngóc. 6. MÔ PHỎNG, TÍNH TOÁN, THẢO LUẬN Để kiểm nghiệm các thuật toán trên, chúng tôi sử dụng số liệu đầu vào của phương tiện ngầm APR-2E. Quỹ đạo mong muốn là đường thẳng nối giữa điểm ASWs chạm nước (vị trí ban đầu) và điểm bắn đón (điểm đích) đã xác định trước khi thả ASM. Giả thiết vị trí ban đầu ASM có tọa độ 0 0 0( , , ) (100,100,20)x y z  với góc trạng thái ban đầu 0 0 0 0 0 0( (0, , ) , 18 ,3 )     , điểm đích có tọa độ 2 2 2( , , ) (1100,1100,120)x y z  . Nhiễu ngoài là ảnh hưởng của dòng chảy đại dương giả sử được xét tại thời điểm 20s: [ , , ] [4,4,0.5]T Tc c cu v w  (m/s). 6.1. Điều khiển phương tiện ngầm theo hướng Xét trong mặt phẳng ngang với giả thiết 0w p q   , góc hướng nhỏ [4]. Sử dụng bộ điều khiển DAFNOC theo hướng với các thông số thiết kế trên, đáp ứng của phương tiện ngầm theo hướng như hình 5. Kết quả mô phỏng điều khiển như hình 5 cho thấy khi có ảnh hưởng của dòng chảy đại dương, các thông số của bộ điều khiển được cập nhật on-line nên góc quay bánh lái sẽ thay đổi đảm bảo đáp ứng hệ thống ít bị tác động và nhanh chống bám theo quỹ đạo mong muốn. Quỹ đạo của Phương tiện ngầm tại thời điểm bắt Cơ học & Điều khiển thiết bị bay P. V. Phúc, T. D. Trung. N. Q. Vịnh, “Điều khiển hướng đi ứng dụng mạng nơ ron.” 20 đầu mô phỏng có sai lệch do góc hướng ban đầu không trùng với phương đường ngắm vị trí ban đầu và điểm đích (LOS). Tuy nhiên do hệ thống thích nghi nhanh nên sau một thời gian ngắn quỹ đạo của Phương tiện ngầm bám theo quỹ đạo mong muốn. 0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50 60 G o c h u o n g [d o ] Huong mong muon Huong thuc te Huong quy dao 0 10 20 30 40 50 -40 -20 0 20 40 Thoi gian [s] G o c b e la i [ d o ] Goc be lai banh lai huong 1 Goc be lai banh lai huong 2 0 200 400 600 800 1000 1200 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Truc X [m] T ru c Y [m ] Quy dao thuc Quy dao mong muon Hình 5. Kết quả mô phỏng điều khiển ASM theo hướng. 6.2. Điều khiển phương tiện ngầm theo góc chúc ngóc Điều khiển theo góc chúc ngóc với tín hiệu điều khiển là góc bẻ lái su  gồm hai bánh lái 1 2,s s  được giả thiết là quay theo cặp, nghĩa là 1 2s s   . Sơ đồ mô phỏng theo phương trình động học với tham số mô phỏng của tên lửa chống ngầm APR-2E và ngõ ra hệ thống là góc chúc ngóc được tính toán từ hệ thống dẫn đường. Hình 6. Kết quả mô phỏng điều khiển ASM theo góc chúc ngóc. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 21 Ứng dụng bộ điều khiển DAFNOC mô phỏng điều khiển Phương tiện ngầm theo góc chúc ngóc cho kết quả như hình 6. Từ kết quả mô phỏng cho thấy tại thời điểm bắt đầu mô phỏng, góc chúc ngóc Phương tiện ngầm không trùng với góc chúc ngóc mong muốn nên có sai số quỹ đạo, tuy nhiên quỹ đạo của hệ thống nhanh chống đáp ứng theo quỹ đạo mong muốn. Hệ thống có khả năng thích nghi tốt trong điều kiện có ảnh hưởng của dòng chảy đại dương. 7. KẾT LUẬN Bài báo đã trình bầy hệ phương trình chuyển động của phương tiện ngầm được điều khiển bởi hai bánh lái hướng, hai bánh lái sâu trong 6 bậc tự do, có xét đến sự ảnh hưởng của dòng chảy và nhiễu đo. Bài báo đã trình bầy về một ứng dụng mạng nơ ron thích nghi sử dụng các thông số hàm liên thuộc, cấu trúc mạng cố định để mô phỏng điều khiển đơn kênh theo hướng, theo độ sâu và phân tích khả năng thích nghi của hệ thống đối với sự ảnh hưởng của dòng chảy, nhiễu thiết bị đo. Từ kết quả mô phỏng cho thấy rõ khả năng thích nghi của bộ điều khiển đề xuất với đối tượng điều khiển cũng như thay đổi môi trường và yếu tố ảnh hưởng gây ra trong hệ thống. Bộ điều khiển nơ ron thích nghi này có thể áp dụng cho các phương tiện ngầm nói chung, ngư lôi nói riêng cũng như các nhiệm vụ điều khiển phức tạp hơn. Tiếp theo, nhóm tác giả sẽ tiến hành nghiên cứu trong các điều kiện đa dạng hơn, nhiệm vụ điều khiển khó hơn và phân tích kỹ khả năng thích nghi của bộ điều khiển nhằm nâng cao chất lượng điều khiển cũng như chứng minh tính ổn định của toàn bộ hệ thống hướng tới xây dựng bộ điều khiển cho toàn bộ chức năng chuyển động của phương tiện ngầm. Sau các thí nghiệm khảo sát, đánh giá, mô phỏng trên máy tính, việc tiến hành thực nghiệm trên mô hình phương tiện ngầm là cần thiết trước khi ứng dụng bộ điều khiển vào thực tế./. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Thor I. Fossen, “Guidance and Control of Ocean Vehicles”, John Wiley and Sons, Ltd. 1994. [2]. Thor I. Fossen, “Maritime Control Systems - Guidance, Navigation and Control of Ships”, Rigs and Underwater Vehicles, Marine Cybernetics, Trondheim, Norway, ISBN 82-92356-00-2, 2002. [3]. Nguyễn Quang Vịnh, Trương Duy Trung “Guidance, navigation and control of Autonomous underwater vehicle”. International Symposium on Electrical-Electronics, p 44-49, 2013. [4]. J. Q. Gong, , “Neural network adaptive robust control of nonlinear systems in semi-strict feedback form”, Automatica, vol. 37, pp. 1149-1160, 2001. [5]. M. M. Polycarpou, “Stable adaptive neural control scheme for nonlinear systems”, IEEE Trans. on Automatic Control, vol. 41, no. 3, pp. 447-451, 1996. Cơ học & Điều khiển thiết bị bay P. V. Phúc, T. D. Trung. N. Q. Vịnh, “Điều khiển hướng đi ứng dụng mạng nơ ron.” 22 [6]. Zhang, Y., Hearn, G.E. and Sen, P. “Neural network approaches to a class of ship control problems”, Part I, II. Eleventh Ship Control Systems Symposium. Vol. 1 (Edited by P. A. Wilson), 1997. [7]. T. Zhang, S. S. Ge, and C. C. Hang, “Adaptive neural network control for strict-feedback nonlinear systems using backstepping design”, Automatica, vol. 36, pp. 1835-1846, 2000. [8]. R.D. Brandt and F. Lin. “Adaptive interaction and its application to neural networks”, Elsevier, Information Science 121, pp. 201-215, 1999. [9]. T.I. Fossen and A. Ross, “Chapter 2 Nonlinear Modelling, Indentification and Control of UUVs”. Advances in Unmanned Marine Vehicles. The Institution of Electrical Engineers Steevnage, Herts, UK. 2006. ABSTRACT CONTROL OF THE MOTION ORIENTATION AND THE DEPTH OF UNDERWATER VEHICLES BY USE OF THE NEURAL NETWORK In this paper an application of the direct feedback neural controller in control of the orientation and the depth of underwater vehicles is presented. The experiments simulated on computers are done to prove the effectiveness, the feasibility of the proposed algorithm of the neural controller under different actions such as the noise in the measuring devices, the influence of the flow to the motion of underwater vehicles. Keywords: Optimal control, Neural control, Underwater vehicle. Nhận bài ngày 15 tháng 6 năm 2016 Hoàn thiện ngày 20 tháng 8 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 9 năm 2016 Địa chỉ: 1Viện Tên lửa, Viện KHCNQS; 2Trường Trung cấp kỹ thuật hải quân/ Quân chủng Hải quân. * Email : vinhquang2808@gmail.com.