ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
----------------

NGUYỄN HOÀNG THIÊN ÂN

THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LÁI TÀU
TỰ ĐỘNG CHO MƠ HÌNH TÀU THỦY
DESIGN AND CONTROL AUTOPILOT SYSTEM FOR
A MODEL SHIP
Chuyên ngành: Kỹ Thuâ ̣t Cơ Điê ̣n Tử
Mã số : 6052114

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2017


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG –HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS Nguyễn Duy Anh ........................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Phạm Công Bằng
........................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Võ Hoàng Duy
........................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày 21 tháng 12 năm 2017.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. PGS. TS Nguyễn Phùng Hưng

.........................

2. TS. Lê Thanh Hải

.........................

3. TS. Phạm Công Bằng

.........................

4. TS. Võ Hồng Duy

.........................

5. TS. Ngơ Hà Quang Thịnh

.........................

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH

KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN HOÀNG THIÊN ÂN

MSHV: 1570344

Ngày, tháng, năm sinh: 26/06/1990

Nơi sinh: TP.HCM

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử

Mã số : 60520114

I. TÊN ĐỀ TÀI :
Thiết kế và điều khiển hệ thống lái tự động cho mơ hình tàu thủy
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-

Tìm hiểu động lực học con tàu, mơ hình tuyến tính Nomoto điều khiển góc
mũi tàu (Heading angle).

-

Áp dụng giải thuật mạng nơ-ron thiết kế bộ điều khiển góc mũi tàu.


-

Áp dụng giải thuật Line-of-Sight thiết kế bộ dẫn hướng tàu bám quỹ đạo cho
trước.

-

Áp dụng giải thuật vào mơ phỏng và mơ hình để kiểm chứng kết quả và hiệu
chỉnh.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : ..............................................................................
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ...............................................................
V.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS. TS NGUYỄN DUY ANH
Tp. HCM, ngày…. tháng…. năm 20....
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CÁM ƠN
Xin được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến quý Thầy, Cô, đặc biệt nhất là

Thầy Nguyễn Duy Anh, đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt những kiến thức và kinh
nghiệm quý báu giúp tôi vững vàng hoàn thành đề tài này. Đồng thời tạo nền tảng tri
thức giúp tôi tiếp tục nghiên cứu và làm việc.
Xin cảm ơn Thầy Nguyễn Phùng Hưng, đã cho phép và ta ̣o điề u kiê ̣n cho tôi trong
suố t thời gian thực nghiê ̣m luâ ̣n văn này.
Xin cảm ơn những ba ̣n bè và đồ ng nghiê ̣p luôn quan tâm và giúp đỡ tôi trong suốt
quá trình học tập và nghiên cứu đề tài.
Xin cảm ơn Gia đình đã luôn bên ca ̣nh tôi.
Trân tro ̣ng cảm ơn!
Tp. HCM, ngày 4 tháng 12 năm 2017

Nguyễn Hoàng Thiên Ân


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Hệ thống lái tự động có giá trị cho nhiều ứng dụng như là: hải dương học,
quân sự, vận chuyển hàng hải… những ứng dụng này thường yêu cầu khả năng tự
thích nghi tốt và giảm chi phí so với hệ thống thơng thường. Luận văn này tập trung
vào thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển sử dụng giải thuật mạng nơ-ron sử dụng
phương pháp huấn luyện tương tác thích nghi Adaptive Neural Network Adaptive
Interaction (ANNAI) kết hợp với thuật toán chỉ đường Line-of-Sight (LOS) nhằm tìm
ra sự điều khiển tối ưu cho bánh lái giúp con tàu đi theo một quỹ đạo xác định trước
và được kiểm chứng bằng mô phỏng Matlab và thực nghiệm trên mơ hình thực tế.
Kết quả xác thực hiệu quả của thuật toán

ABSTRACT
Autopilot

system


are

valuable

for

many applications,

such

as:

oceanographic, military purposes, maritime transport,... which offer greater selfadaptive capacity and cost-effectiveness compared to traditional systems. This thesis
focus on design and simulation a Adaptive Neural Network Adaptive Interaction
(ANN) course-keeping autopilot of an USV with the Line of Sight (LOS) guidance
law. The ANNAI-controller for USV is verified by Matlab simulation and real
experiment.


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan : Luận văn thạc sĩ với đề tài “THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ
THỐNG LÁI TỰ ĐỘNG CHO MƠ HÌNH TÀU THỦY” là cơng trình nghiên cứu
của cá nhân tơi dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Nguyễn Duy Anh.
Các nội dung nghiên cứu, kết quá trong đề tài này là trung thực. Những số liệu
trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét và đánh giá được thu thập
từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo.
Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm về cơng trình nghiên cứu của mình!
Tp. HCM, ngày 4 tháng 12 năm 2017.

Nguyễn Hoàng Thiên Ân



MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ................................................................................................. 1
1.1 Lý do cho ̣n đề tài ........................................................................................................ 1
1.2 Giới thiê ̣u chung về máy lái tự đơ ̣ng tàu thủy ............................................................ 2
1.3 Tình hình nghiên cứu ................................................................................................. 3
1.3.1 Ngồi nước: ......................................................................................................... 4
1.3.2. Trong nước: ........................................................................................................ 5
1.4 Mục tiêu, nội dung cụ thể của đề tài .......................................................................... 6
1.5 Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu ....................................................... 7
1.5.1 Đối tượng nghiên cứu: ........................................................................................ 7
1.5.2 Phạm vi nghiên cứu: ........................................................................................... 7
1.5.3 Giới hạn của đề tài: ............................................................................................. 7
1.5.4 Phương pháp nghiên cứu: ................................................................................... 7
1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................................... 8
CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MƠ HÌNH ................................................................................. 9
2.1. Giới thiệu thành phần hệ thống lái tự động: .............................................................. 9
2.2. Phân tích động học – động lực học con tàu ............................................................... 9
2.2.1. Các hệ trục toạ độ tham chiếu ............................................................................. 9
2.2.2. Sự chuyển đổi giữa hệ trục body và ned ........................................................... 12
2.2.3. Động lực học vật rắn con tàu ............................................................................ 13
2.2.4. Thuỷ động lực học ............................................................................................ 14
2.3. Lý thuyết điều động tàu ........................................................................................... 16
2.3.1. Mơ hình điều động tàu mặt phẳng ngang (3-DOF)........................................... 16
2.3.2. Tuyến tính hố mơ hình điều động tàu ............................................................. 17
CHƯƠNG 3. HỆ THỐNG PID VÀ NƠ-RON THÍCH NGHI PID CHO VIỆC ĐIỀU KHIỂN
TÀU THEO QUỸ ĐẠO ...................................................................................................... 20
3.1. Bộ điều khiển PID .................................................................................................... 20
3.1.1. Tổng quan ......................................................................................................... 20

3.1.2 Hạn chế của khâu vi phân D ............................................................................. 21
3.1.3 Hiện tượng windup do khâu tích phân I............................................................ 21
3.1.4 Bộ điều khiển PID rời rạc ................................................................................. 22
3.1.5 Ước lượng thơng số của mơ hình tàu thí nghiệm sử dụng Matlab Identification
System Toolbox ................................................................................................ 23
3.2. Bộ điều khiển ANNAI ............................................................................................. 24
3.2.1. Giới thiệu bộ điều khiển nơ-ron thích nghi tương tác (ANNAI) ...................... 24


3.2.2. Hệ thống điều khiển tàu theo quỹ đạo kết hợp giữa bộ điều khiển ANNAI và
thuật toán LOS (chưa đến khoảng cách dịch ngang). ....................................... 25
3.2.3. Ảnh hưởng của ngoại cảnh đến quỹ đạo của tàu .............................................. 29
3.2.4. Hệ thống điều khiển tàu theo quỹ đạo kết hợp giữa bộ điều khiển ANNAI và
thuật tốn LOS (có tính đến khoảng cách dịch ngang). .................................... 30
3.3. Bộ điều khiển ANNAI kết hợp với PID ................................................................... 34
CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG ................................................................................................... 37
4.1. Mô phỏng đáp ứng bộ điều khiển PID ..................................................................... 37
4.1.1. Mô hình toán hê ̣ thố ng mô hình tàu thủy cho mô phỏng .................................. 37
4.1.2. Mô phỏng tim
̀ hê ̣ số bô ̣ điề u khiể n PID ............................................................ 38
4.2. Mô phỏng sự kết hợp giữa bộ điều khiển PID và thuật tốn LOS ........................... 39
4.3. Mơ phỏng sự kết hợp giữa bộ điều khiển ANNAI và thuật tốn LOS (chưa tính đến
khoảng dịch ngang) .................................................................................................. 41
4.4. Mơ phỏng sự kết hợp giữa bộ điều khiển ANNAI và thuật tốn LOS(có tính đến
khoảng dịch ngang) .................................................................................................. 42
4.5. Mơ phỏng bộ điều khiển PID kết hợp ANNAI ........................................................ 45
CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM......................................................................... 48
5.1 Mơ hình thực nghiệm ............................................................................................... 48
5.1.1 Trạm điều khiển trên bờ .................................................................................... 48
5.1.2 Trạm đặt trên con tàu ........................................................................................ 49

5.2 Thực nghiệm bộ điều khiển PID kết hợp thuật toán LOS ........................................ 50
5.2.1 Thực nghiệm ước lượng mơ hình thơng số con tàu thực nghiệm bằng Matlab
System Identification Toolbox .......................................................................... 50
5.2.2 Kết quả ước lượng mơ hình hàm truyền Nomoto ............................................. 52
5.2.3 Kết quả thực nghiệm bộ PID kết hợp thuật toán LOS ...................................... 53
5.3. Mô phỏng kết hợp bộ điều khiển PID kết hợp ANNAI ........................................... 56
5.4. Tổng kết thực nghiệm .............................................................................................. 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 59


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Tàu thủy thực tế vâ ̣n hành ........................................................................... 2
Hình 1.2: Mơ hiǹ h tở ng quan hê ̣ thố ng máy lái tự đô ̣ng tàu thủy ............................... 3
Hình 1.3: Con tàu Kassboll 19 được sử dụng cho thực nghiệm ................................. 4
Hình 1.4: Con tàu khơng người lái Ribcraft USV ...................................................... 4
Hình 1.5: Mơ hình tàu FRP của trường đại học NTOU .............................................. 5
Hình 2.1: Các thành phần cơ bản của một hệ thống lái tự động ................................. 9
Hình 2.2: Các hệ toạ độ tham chiếu .......................................................................... 10
Hình 2.3: Hệ trục toạ độ và các đại lượng ................................................................ 11
Hình 2.4: Mơ hình điều động tàu trên mặt phẳng ngang .......................................... 17
Hinh 3.1: Cấu trúc bộ điều khiển PID ....................................................................... 20
Hinh 3.2: PID với tracking antiwindup ..................................................................... 22
Hinh 3.3: Mô tả kế t quả rời ra ̣c khâu I theo 3 phương pháp rời ra ̣c khác nhau. ....... 22
Hinh 3.4: Giao diện Matlab System Identification ToolBox .................................... 24
Hinh 3.5: Cấu trúc mạng nơ-ron điều khiển ANNAI................................................ 25
Hinh 3.6: Hệ thống điều khiển tàu theo quỹ đạo kết hợp giữa bộ điều khiển ANNAI
và thuật toán LOS...................................................................................................... 26
Hinh 3.7: Cấu trúc hệ thống điều khiển hướng ANNAI ........................................... 27
Hinh 3.8: Điều khiển tàu theo quỹ đạo sử dụng thuật tốn LOS dưới ảnh hưởng của
dịng chảy .................................................................................................................. 29

Hinh 3.9: Hệ thống điều khiển tàu theo quỹ đạo kết hợp giữa bộ điều khiển ANNAI
và thuật toán LOS (khoảng cách dịch ngang được tính đến) .................................... 30
Hinh 3.10: Tính tốn tín hiệu dẫn đường LOS ......................................................... 31
Hinh 3.11: Điểm bắt đầu chuyển hướng (wheel over point) và khoảng cách chuyển
hướng (reach) ............................................................................................................ 32
Hinh 3.12: Cấu trúc hệ thống điều khiển tàu theo quỹ đạo sử dụng khoảng cách dịch
chuyển ngang và thành phần vi, tích phân ................................................................ 34


Hình 4.1: Máy lái tự đơ ̣ng dùng bơ ̣ điề u khiể n PID .................................................. 37
Hình 4.2: Mơ hình bánh lái ....................................................................................... 37
Hình 4.3: Sơ đờ Simulink xác đinh
̣ Ku và Tu ............................................................ 38
Hình 4.4: Xác đinh
̣ Tu ............................................................................................... 38
Hình 4.5: Đáp ứng bộ điều khiển PID....................................................................... 39
Hình 4.6: Bám quỹ đạo bộ điều khiển PID kết hợp LOS ......................................... 40
Hình 4.7: Điều khiển hướng bộ điều khiển PID kết hợp LOS .................................. 40
Hình 4.8: Góc bánh lái bộ điều khiển PID kết hợp LOS .......................................... 41
Hình 4.9: Bám quỹ đạo ANNAI + LOS.................................................................... 41
Hình 4.10: Điều khiển hướng ANNAI kết hợp LOS ................................................ 42
Hình 4.11: Góc bánh lái ANNAI kết hợp LOS ......................................................... 42
Hình 4.12: Bám quỹ đạo ANNAI kết hợp LOS có dịch ngang ................................ 43
Hình 4.13: Điều khiển hướng ANNAI kết hợp LOS có dịch ngang......................... 43
Hình 4.14: Góc bánh lái ANNAI kết hợp LOS có dịch ngang ................................. 43
Hình 4.15: Dịch ngang .............................................................................................. 44
Hình 4.16: Vận tốc dịng chảy................................................................................... 44
Hình 4.17: Dịng chảy và gió .................................................................................... 44
Hình 4.18: Bám quỹ đạo bộ điều khiển PID kết hợp ANNAI .................................. 45
Hình 4.19: Điều khiển hướng bộ điều khiển PID kết hợp ANNAI .......................... 45

Hình 4.20: Góc bánh lái bộ điều khiển PID keeys hợp ANNAI ............................... 45
Hình 4.21: Dịch ngang bộ điều khiển PID kết hợp ANNAI ..................................... 46
Hình 4.22: Vận tốc dịng chảy bộ điều khiển PID kết hợp ANNAI ......................... 46
Hình 4.23: Vận tốc dịng chảy và gió bộ điều khiển PID kết hợp ANNAI .............. 46

Hình 5.1: Hệ thống thực nghiệm ......................................................................................... 48
Hình 5.2: Giao diện điều khiển trạm trên bờ ....................................................................... 49
Hình 5.3: Mơ hình tàu thực nghiệm ..................................................................................... 49
Hình 5.4: Lưu đồ các bước thực nghiệm ước lượng ............................................................ 51
Hình 5.5: File thu thập dữ liệu trong thực nghiệm .............................................................. 51


Hình 5.6: Điều động Zigzag -20/+20 của mơ hình tàu thực nghiệm với ngõ ra là hướng mũi
tàu ........................................................................................................................ 52
Hình 5.7: Kiểm tra Best Fits của các mơ hình ước lượng.................................................... 52
Hình 5.8: Phương pháp xác định quỹ đạo tham chiếu ......................................................... 53
Hình 5.9: File dữ liệu quỹ đạo dưới dạng vĩ độ, kinh độ thông qua định vị GPS khi dùng bộ
điều khiển PID kết hợp LOS. .............................................................................. 54
Hình 5.10: Bám quỹ đạo PID kết hợp LOS ......................................................................... 54
Hình 5.11: Điều khiển hướng bộ điều khiển PID kết hợp LOS ........................................... 55
Hình 5.12: Góc bánh lái bộ điều khiển PID kết hợp LOS ................................................... 55
Hình 5.13: Dịch ngang bộ điều khiển PID kết hợp LOS ..................................................... 55
Hình 5.14: Dữ liệu quĩ đạo dưới dạng vĩ độ, kinh độ thông qua GPS khi dùng bộ điều khiển
ANNAI kết hợp PID và LOS. ........................................................................... 56
Hình 5.15: Bám quỹ đạo bộ điều khiển PID kết hợp ANNAI ............................................. 56
Hình 5.16: Điều hiển hướng bộ điều khiên PID kết hợp ANNAI ....................................... 57
Hình 5.17: Góc bánh lái bộ điều khiển PID kết hợp ANNAI .............................................. 57
Hình 5.18: Dịch ngang bộ điều khiển PID kết hợp ANNAI................................................ 58



DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Ký hiệu của SNAME (1950) đối với tàu biển: ......................................... 11
Bảng 4. 1: Xác đinh
̣ các hê ̣ số bô ̣ điề u khiể n PID ..................................................... 39
Bảng 4.2: so sánh kết quả mô phỏng ........................................................................ 47
Bảng 5. 1: So sánh trường hợp PID kết hợp LOS và PID kết hợp ANNAI ............. 58


1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 Lý do cho ̣n đề tài
Mỗi ngày, trên thế giới có mô ̣t lươ ̣ng hàng hóa lớn đươ ̣c vâ ̣n chuyể n qua đường
biể n, các con tàu vâ ̣n chuyể n hàng hóa. Ngành công nghiê ̣p hảng hải chiế m vi ̣ trí
quan tro ̣ng trong phát triể n kinh tế và là ngành công nghiê ̣p đươ ̣c phát triể n sớm nhấ t.
Tàu biển ngày càng có trọng tải lớn và hiện đại, đáp ứng ngày càng nhiều nhu cầu
của con người như vận chuyển hàng hóa, du lịch, quốc phịng. Trong thời buổi cơng
nghệ ngày càng tiên tiến, điều khiển tự động cho tàu biển cũng ngày càng phát triển
với những hệ thống điều khiển phức tạp, có khả năng đáp ứng những tác vụ cao cấp
thay thế cho con người.
Máy lái tự đô ̣ng trong ngành công nghiê ̣p hàng hải chiế m giữ vai trò quan tro ̣ng
trong điề u khiể n tàu biể n, đươ ̣c dùng để điề u khiể n giữ hướng di chuyể n của tàu biể n
theo hướng di chuyể n đă ̣t trước. Mô ̣t máy lái tự đô ̣ng tố t sẽ giảm các thao tác vâ ̣n
hành của thủy thủ, giảm nhiên liê ̣u sử du ̣ng và rút ngắ n hành trin
̀ h vâ ̣n chuyể n trên
biể n.
Với những đặc tính ưu việc của chế độ điều khiển tự động như trên, kết hợp với
sự phát triển mạnh mẽ của việc truyền dữ liệu khơng dây thì u cầu điều khiển được
nâng cao hơn, đó chính là điều khiển chế độ tự động và giám sát từ xa giúp cho người
điều khiển có thể trực tiếp điều khiển tàu từ xa hoặc thiết lập các thông số từ xa cho

chế độ tự động điều khiển của tàu. Yêu cầu này đặc biệt cần thiết đối với các tàu đi
đo đạc, khảo sát các địa hình biển phức tạp, khó khăn mà con người khó tiếp cận trực
tiếp hoặc những khu vực nguy hiểm, hoặc xa hơn nữa là một tương lai trên các phương
tiện di chuyển dưới nước khơng cần phải có mặt của con người.
Từ chiếc máy lái tự động tàu thuỷ đầu tiên lắp đặt trên tàu dầu J.A. Moffet năm
1920 đến nay, kỹ thuật điều khiển áp dụng trong hệ thống lái tự động đã tiến được
một bước dài. Cho đến năm 1970, các bộ điều khiển chủ yếu là loại PID hoặc PID
kết hợp với các phương pháp bổ sung khác. Một hệ thống lái tự động kinh điển bằng
thuật tốn PID có ưu điểm là đơn giản, dễ áp dụng. Tuy nhiên một bộ hệ số PID dù
chất lượng tốt cũng chỉ hoạt động tối ưu trong một điều kiện làm việc nhất định và
trong q trình vận chuyển, các đặc tính này liên tục thay đổi bên cạnh các tác động


2

từ mơi trường. Do đó bộ điều khiển PID cịn rất hạn chế khi áp dụng vào hệ thống lái
tàu tự động.
Cho đến thập kỷ 80, với sự ra đời và phát triển của máy tính và vi điều khiển,
nhiều lý thuyết mới được áp dụng và cho ra đời nhiều loại bộ điều khiển khác nhau
như bộ điểu khiển ứng dụng Fuzzy logic, ứng dụng mạng nơron, hệ thống chuyên
gia…đã từng bước giải quyết giải quyết vấn đề trên. Vì vậy, việc nghiên cứu và ứng
dụng các kỹ thuật điều khiển hiện đại vào hệ thống lái tàu tự động trong các điều kiện
làm việc thay đổi là hết sức cần thiết.
1.2 Giới thiêụ chung về máy lái tự đô ̣ng tàu thủy
Về tổng quan, các nghiên cứu và sự phát triển của điều khiển tàu biển với hai
mục đích chính: điều khiển tàu biển một cách an tồn và một cách kinh tế. Trong đó,
điều khiển tàu một cách an tồn u cầu máy lái phải có khả năng lái tàu tránh va
chạm, ổn định tránh tàu bị chìm và mắc cạn. Và một máy lái kinh tế sẽ giảm các thao
tác vận hành của thủy thủ, giảm nhiên liệu sử dụng và rút ngắn thời gian cũng như
hành trình vận chuyển trên biển.


Hình 1.1: Tàu thủy thực tế vâ ̣n hành
Trong lịch sử phát triển của tàu thủy, những con tàu đầu tiên của con người là
những chiếc thuyền nhỏ, được làm bằng các tấm gỗ ghép lại. Để di chuyển được,
người ta dùng mái chèo hoặc dùng sức gió bằng những cánh buồm. Như vậy, bộ phận
máy lái đầu tiên cho tàu thủy là mái chèo và cánh buồm.
Sau đó là sự ra đời của một máy lái đơn giản là một tấm gỗ đặt giữa ở đi
thuyền và nối với một tay cầm. Khi đó, muốn điều khiển thuyền sang trái thì phải đẩy
tấm gỗ sang trái và ngược lại. Với máy lái này, sẽ rất vất vả cho thủy thủ khi lái con
thuyền lớn nên vơ lăng lái được thiết kế sau đó.


3

Vào cuối thế kỷ 18 và đầu thế kỷ 19, sự xuất hiện của máy hơi nước và máy
phát điện kéo theo sự ra đời của tàu thủy cỡ lớn bằng sắt. Sự phát triển từ thuyền
buồm bằng gỗ sang tàu sắt chạy máy hơi nước đã nảy sinh nhu cầu phát triển hệ thống
lái tốt hơn và phương pháp xác định vị trí tàu tốt hơn. Thiết bị bánh đà quay trên vòng
các đăng này được gọi là con quay (gyroscope). Qua thí nghiệm Foucault phát hiện
ra đặc điểm quan trọng của con quay là khi nó tự quay nó vẫn duy trì hướng ban đầu
của nó trong khơng gian mà không phụ thuộc vào chiều quay của trái đất. Từ thí
nghiệm này đã mở đầu cho phát minh ra la bàn con quay điện vào năm 1890 do G.M.
Hopkins.
La bàn con quay ra đời đã kích thích các nhà nghiên cứu tiếp tục phát minh ra
máy lái tự động cho tàu sắt. Chiếc máy lái tự động (autopilot) đầu tiên do Sperry chế
tạo đã ra đời vào năm 1911 với tên gọi "Metal Mike". Chiếc máy lái tự động đầu tiên
này của Sperry được gọi là máy lái tự động do con quay chỉ đạo (gyroscope-guided
autopilot).
Sau đó hơn 10 năm, vào năm 1922, Nicholas Minorsky (1885-1970) đã trình
bày phân tích chi tiết cho hệ thống điều khiển phản hồi vị trí mà ơng gọi là luật điều

khiển ba số hạng, ngày nay chúng ta gọi là điều khiển tỷ lệ tích phân vi phân (PID)
vào ứng du ̣ng giữ hướng con tàu trong máy lái tự đơ ̣ng.

Hình 1.2: Mô hình tổ ng quan hê ̣ thố ng máy lái tự đơ ̣ng tàu thủy
1.3 Tình hình nghiên cứu
Qua tìm hiểu, có rất nhiều nghiên cứu liên quan đến thiết kế hệ thống lái và dẫn
đường cho tàu thuỷ sử dụng các thuật toán từ PID kinh điển, PID kết hợp với các
thuật tốn thích nghi cho đến các thuật toán điều khiển hiện đại Fuzzy, Neural
network, nổi trội là một số nghiên cứu sau đây:


4

1.3.1 Ngoài nước:
Đề tài “Controller Design for an Unmanned Surface Vessel” của Geir Beinset
và Jarle Sag Blomhoff năm 2007 tại trường đại học Norwegian University of Science
and Technology ở Nauy.

Hình 1.3: Con tàu Kassboll 19 được sử dụng cho thực nghiệm
Các tác giả đã trình bày lý thuyết và thực nghiệm nhận dạng đặc tính tàu thuỷ
bằng phương pháp thu thập dữ liệu kết hợp cùng Matlab System Identification
Toolbox, thiết kế và thực nghiệm bộ điều khiển PID trên tàu Kassboll 19 (Hình 1.3).
Đề tài đã thành cơng xác định các thơng số mơ hình tàu bằng thực nghiệm, mơ phỏng
và điều khiển thành công hệ thống lái sử dụng PID của mình.
Đề tài “Modeling, Identification, and Control of an Unmanned Surface
Vehicle” của Christian R. Sonnenburg với nhận dạng các thơng số mơ hình tàu, thiết
kế bộ điều khiển Backstepping so sánh với bộ điều khiển PD kinh điển được thực
nghiệm trên con tàu Ribcraft (Hình 1.4).

Hình 1.4: Con tàu không người lái Ribcraft USV



5

Một số bài báo khoa học ứng dụng điều khiển hiện đại cho hệ thống lái tự động,
tiêu biểu “A fuzzy track-keeping autopilot for ship steering” của E Omerdic, G N
Roberts & Z Vukic. Với yêu cầu điều khiển góc mũi tàu, các tác giả đã sử dụng mơ
hình tốn của Nomoto với các thông số mô phỏng của con tàu lớp Mariner, thiết kế
bộ điều khiển Fuzzy để thực hiện tác vụ bám quỹ đạo đã định sẵn. Tuy nhiên, bài báo
chỉ dừng lại ở việc mô phỏng. Chưa nêu các kết quả ứng dụng thực nghiệm của các
thuật toán đã nêu.
Bài báo “Design and experiment of a fuzzy PID track-keeping ship autopilot”
của Sin-Der Lee, Ching-Yaw Tzeng và Ber-Jin Chen của trường đại học National
Taiwan Ocean University Keelung. Các tác giả cũng sử dụng mơ hình tàu Nomoto,
bên cạnh sử dụng Internal Model Control để thiết kế bộ điều khiển PID cho con tàu,
với các thông số PID được thay đổi bởi bộ điều khiển Fuzzy. Bộ điều khiển trên được
mô phỏng và thực nghiệm thành công dựa trên mơ hình tàu FRP (Hình 1.5).

Hình 1.5: Mơ hình tàu FRP của trường đại học NTOU
1.3.2. Trong nước:
Các đề tài về thiết kế bộ điều khiển tự động lái không nhiều, tiêu biểu có Luận
văn Thạc sĩ “Thiết kế bộ điều khiển số cho máy lái tự động” của tác giả Nguyễn Lê
Nhật Thắng do PGS.TS Nguyễn Phùng Hưng hướng dẫn.
Đề tài mang lại một số kết quả đáng kể:
o Sử dụng thuật tốn ước lượng bình phương tối thiểu đệ quy trực tuyến được
áp dụng để ước lượng mô hình tốn con tàu, bên cạnh kết quả mơ hình từ
Matlab Identification Toolbox.
o Máy lái tự động PID cho kết quả mô phỏng tốt hơn so với thực nghiệm.



6

o Máy lái tự động thích nghi PID cho kết quả mô phỏng tốt, nhưng thực nghiệm
lại chưa tốt.
o Máy lái tự động thích nghi gián tiếp dùng thuật tốn điều khiển tối ưu được
thiết kế, mô phỏng và thực nghiệm thành cơng trên mơ hình
o Đề tài mang tính thực nghiệm và có khả năng áp dụng thực tế cao.
Bài báo khoa học có “Design and simulate a Fuzzy autopilot for an Unmanned
Surface Vessel” do Đỗ Nhật Minh thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. TS Nguyễn
Duy Anh và PGS. TS Nguyễn Phùng Hưng. Bài báo thực hiện thiết kế một bộ điều
khiển Fuzzy cho mơ hình tàu Nomoto sử dụng các thông số của con tàu lớp Mariner.
Bên cạnh đó, một luật dẫn đường Line-of-Sight được thiết kế để con tàu có thể bám
theo quỹ đạo đã định sẵn. Tuy nhiên, các kết quả chỉ dừng lại ở việc mơ phỏng thành
cơng. Do đó, luận văn này sẽ tiếp theo đó thực hiện nhận dạng thơng số của một mơ
hình con tàu và áp dụng bộ điều khiển PID và PID kết hợp ANNAI, thực hiện tác vụ
bám quỹ đạo dựa trên luật LOS.

1.4

Mục tiêu, nội dung cụ thể của đề tài

1.4.1 Mục tiêu cụ thể của đề tài
Mục tiêu đề tài áp dụng các kiến thức đã học về điện và các lý thuyết điều khiển
thiết kế và hiện thực bộ điều khiển PID và kết hợp ANNAI cho hệ thống tự động lái
mơ hình tàu thủy.
Thiết kế hệ thống dẫn đường và thực hiện mô phỏng dựa trên luật Line–of–
Sight giúp con tàu bám theo quỹ đạo cho trước.
Thực nghiệm trên mơ hình con tàu thu nhỏ để kiểm chứng góc mũi tàu với kết
quả mô phỏng.
1.4.2 Nội dung nghiên cứu cụ thể của đề tài

Tìm hiểu động lực học con tàu, mơ hình tuyến tính Nomoto điều khiển góc mũi
tàu (Heading angle).
Áp dụng giải thuật mạng nơ-ron thiết kế bộ điều khiển góc mũi tàu (Heading
angle).


7

Áp dụng giải thuật Line–of–Sight thiết kế bộ dẫn hướng tàu bám quỹ đạo cho
trước.
Áp dụng giải thuật vào mô phỏng và mơ hình để kiểm chứng kết quả và hiệu
chỉnh.
1.5 Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu
1.5.1 Đối tượng nghiên cứu:
Hệ thống lái tự động cho đáp ứng góc mũi tàu tối ưu và bộ dẫn hướng bám quỹ
đạo cho con tàu.
1.5.2 Phạm vi nghiên cứu:
Nghiên cứu này chỉ giới hạn trong phạm vi đưa ra giải thuật PID và ANNAI
điều khiển góc mũi tàu của với vận tốc tiến của tàu là cố định. Mô phỏng và thực hiện
kiểm chứng đáp ứng góc mũi tàu của bộ điều khiển trên mơ hình tàu container thu
nhỏ. Bên cạnh đó, giải thuật Line–of–Sight được áp dụng cho bộ điều khiển dẫn
hướng tàu bám quỹ đạo. Mô phỏng quá trình bám quỹ đạo của tàu dựa trên toạ độ các
điểm đích (Waypoint) được cho trước.
1.5.3 Giới hạn của đề tài:
Thiết kế và chế tạo hệ thống lái tự động cho mơ hình thực nghiệm tàu container
thu nhỏ, mơ hình được sử dụng để thực nghiệm kểm chứng lý thuyết.
Thiết bị la bàn số được sử dụng cho sai số từ 1° đến 2°.
Vận tốc tiến của tàu là cố định (V < 0.5 m/s)
Thiết bị truyền nhận dữ liệu cho phép khoảng cách tàu hoạt động trong phạm
vi 100m.

1.5.4 Phương pháp nghiên cứu:
Tìm hiểu các tài liệu liên quan.
Ước lượng thơng số tàu sử dụng Matlab Identification Toolbox.
Đặc tính cơ bản của tàu là mối quan hệ giữa góc bẻ của bánh lái và góc mũi của
tàu là phi tuyến. Trong khi đó, để điều khiển mơ hình chính xác thì rất cần ngõ vào
phải tuyến tính. Với mơ hình điều khiển mạng nơ-ron thì khơng những mơ tả linh


8

hoạt hệ thống mà cịn tạo được tín hiệu ngõ ra cực tiểu hóa sai số. Ứng dụng phần
mềm Matlab mô phỏng đáp ứng mũi tàu của bộ điều khiển PID và ANNAI.
Thực nghiệm trên mơ hình thực tế: sử dụng phần mềm Keil C thông qua vi điều
khiển STM32F4 DISCOVERY để giao tiếp và điều khiển giữa máy tính và driver
động cơ, kiểm tra và hiệu chỉnh giải thuật điều khiển.
1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Vận tải hàng hải nói chung và các ứng dụng tàu khơng người lái nói riêng cho
mục đích qn sự, thăm dò địa chất… đang ngày càng là nhu cầu hết sức cần thiết,
do vậy việc ứng dụng các hệ thống lái và dẫn đường tự động đòi hỏi phải ngày càng
hiện đại, tối ưu và linh hoạt, dẫn đến việc nghiên cứu điều khiển và thực thi ứng dụng
vào thực tiễn của đề tài. Trong lĩnh vực điều khiển và dẫn đường tàu thuỷ, các hệ
thống lái tự động đã có những sản phẩm cơng nghiệp hiện đại trên thế giới. Tuy nhiên,
nội dung của các hệ thống lái này là bí mật cơng nghệ, việc nghiên cứu các hệ thống
lái tự động ở các trường đại học còn hạn chế và đặc biệt ở Việt Nam.
Luận văn sẽ đóng góp một phần nhỏ để xây dựng lĩnh vực này, xây dựng bộ
điều khiển tự động lái dựa trên lý thuyết điều khiển hiện đại, cụ thể là Fuzzy logic.
Bên cạnh đó, luận văn sử dụng một mơ hình tàu thuỷ thu nhỏ để kiểm nghiệm bộ điều
khiển từ lý thuyết, mô phỏng cho đến thực tiễn. Việc áp dụng thành công hệ thống lái
tự động PID kết hợp ANNAI sẽ giúp nâng cao hiệu suất làm việc, giảm các sai sót
chủ quan và tiết kiệm nhiên liệu cho tàu biển.



9

CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MƠ HÌNH
2.1.

Giới thiệu thành phần hệ thống lái tự động:
Một hệ thống tự động lái bao gồm 3 thành phần cơ bản như Hình 2.1:
Weather routing
program

Weather data
Wave, Current, Wind

Trajectory
Generator

Autopilot

Control
Allocation

Ship

DGPS +
Gyrocompass

Observer


Guidance System

Control System

Navigation System

Hình 2.1: Các thành phần cơ bản của một hệ thống lái tự động
Trong đó, Guidance System là hệ thống tạo dữ liệu hành trình với đầu vào là
dữ liệu thời tiết và các thơng tin vị trí, hướng mũi tàu từ hệ thống định vị (Navigation
System). Dữ liệu hành trình của khối này là đầu vào cho Hệ thống điều khiển chính
(Control System). Khối lái tự động Autopilot bên trong Control System sẽ sử dụng
dữ liệu vị trí, phương hướng hiện tại và dữ liệu hành trình để tạo ra mệnh lệnh cho
khối lái tàu và hệ thống động lực.
2.2. Phân tích động học – động lực học con tàu
2.2.1. Các hệ trục toạ độ tham chiếu
Khi phân tích chuyển động tổng quát của một con tàu, người ta thường sử dụng
hệ trục toạ độ gắn với trái đất NED và hệ trục toạ độ gắn với thân của vật rắn đang
xét như hình 2.2.
Hệ toạ độ ECEF {e} là hệ trục toạ độ chuẩn địa tâm, có tâm trùng với tâm trái
đất và quay cùng với trái đất. Hướng các trục của {e} được xác định như sau: trục Ox


10

là trục nối tâm O với giao điểm của đường kinh tuyến gốc và đường xích đạo; Oz là
trục quay của trái đất và hướng theo phương bắc, Oy vuông góc với Ox, Oz tạo thành
một tam diện thuận.

Hình 2.2: Các hệ toạ độ tham chiếu
Hệ tọa độ NED {n}: Hình 2.2 biểu diễn hệ tọa độ khơng gian thường được

gắn với trái đất, phổ biến nhất trong điều khiển phương tiện tự hành dưới nước là hệ
NED. Như tên cho thấy, ba thành phần trục của hệ tọa độ này có trục x chỉ hướng tới
phía bắc, trục y trỏ về phía đơng trục z theo hướng đi xuống vng góc với bề mặt
trái đất. Nói chung, các điểm dẫn đường được định nghĩa với tham chiếu đến một
điểm cố định trên trái đất; do đó nó thuận tiện trong việc tiến hành dẫn đường và định
vị trọng hệ tọa độ này.
Hệ tọa độ Body {b} là hệ tọa độ tham chiếu chuyển động gắn với USV/ASV.
Như qui định chung, trục x của hệ này chỉ từ phía sau theo trục dọc của USV/ASV,
trục y điểm từ cổng vào mạn và z từ trên xuống dưới; nó có phù hợp để biểu diễn vận
tốc của USV/ASV trong hệ tọa độ này.
Theo SNAME, 1950, các hệ trục toạ độ dùng để biểu diễn chuyển động của
phương tiện dưới nước bao gồm cả hệ trục cố định trên trái đất (ECEF và NED) và
hệ trục cố định trên con tàu (BODY) được biểu diễn bởi ký hiệu như Bảng 2.1 và
Hình 2.3


11

Hình 2.3: Hệ trục toạ độ và các đại lượng
Bảng 2.1: Ký hiệu của SNAME (1950) đối với tàu biển:
Bậc tự do:

Chuyển động

Lực và mơmen Vận tốc

Vị trí

1


Trượt dọc (Surge)

X

u

x

2

Trượt ngang (Sway)

Y

v

y

3

Trượt đứng (Heave)

Z

w

z

4


Lắc dọc (Roll)

K

p



5

Lắc ngang (Pitch)

M

q



6

Quay trở (Yaw)

N

r



Đối với các loại tàu biển, các ký hiệu sau sẽ được áp dụng cho các tốc độ dài
và tốc độ góc khi phân tích trong hệ tham chiếu {b}, {e} và {n}.

vbe/ n : tốc độ dài của điểm Ob so với hệ {n}, biểu diễn trong {e}
b
: tốc độ góc của hệ {n} so với {e}, biểu diễn trong {b}
n/e

fbn : lực tác động đi qua Ob , biểu diễn trong {n}

mbn : moment cuả Ob , biểu diễn trong {n}

 nb : góc Euler giữa {n} và {b}

Các đại lượng ở Bảng 2.1, định nghĩa bởi SNAME (1950), có thể được biểu
diễn ở dạng vector theo:


12

Vị trí ECEF

e
b/e

x 
  y 
 z 

n
b /n

N 

  E 
 D 

p

Vị trí NED

p

Tốc độ dài Body-fixed v

b
b /n

Lực Body-fixed

Kinh độ và vĩ độ

 
 nb   
 

Góc Euler

u 
 v 
 w

l 
en   

 

Tốc độ góc Body-



b
b /n

fixed

u 
f  v 
 w
b
b

Moment Body-fixed

 p
  q 
 r 

K 
m   M 
 N 
b
b

Chuyển động cơ bản của con tàu 6 bậc tự do với Ob là gốc toạ độ được mô tả

bởi các vector sau:
 f bb 
vbb/ n 
 pbn/ n 
    v   b     b
 mb 
b / n  ;
nb  ;

2.2.2. Sự chuyển đổi giữa hệ trục body và ned
Vector vận tốc dài vbb/n có thể được biểu diễn trong {n} bởi
pbn/ n  Rbn (nb )vbb/ n

(2.1)

Với Rbn ( nb ) là tích của ba ma trận xoay quanh các trục z, y và x
R (nb )  Rz , Ry, Rx,
n
b

Vector vận tốc góc bb/n

c c
  s c
  s

 s c  c s s
c c  s s s
c s


s s  c c s 
c s  s s c 

c c

 
 p
 
  q  và tốc độ Euler  nb    được biểu diễn mối
 
 r 
 

liên quan bằng ma trận chuyển đổi T ( nb ) bởi công thức:
 nb  T ( nb )bb/ n

(2.2)


13

1 s t
c
Với T (nb )  0
0 s / c

c t 
 s 
c / c 


Tóm lại, phương trình động học 6 bậc tự do của con tàu có thể được biểu
diễn dưới dạng
  J  ( )v

(2.3)

b
 pbn/ n   Rbn (nb )
033  vb / n 




T (nb )  bb/n 
nb   033

(2.4)

Hay

2.2.3. Động lực học vật rắn con tàu
Phương trình động lực học con tảu có thể được biểu diễn bởi Fossen, 1991
M RB  CRB ( )   RB

(2.5)

T

Trong đó v  vbb/ n bb/ n   [u, v, w, p, q, r]T là vector vận tốc biểu diễn trong
{b}

 RB   fbb

T

mbb   [X, Y, Z, K, M, N]T là vector ngoại lực và moment tác động.

Có thể phân tích trở thành:  RB   H   wind ,wave  
M RB là ma trận khối lượng và moment quán tính của con tàu, cho bởi:

M RB

 m
 0

 0

 0
 mz g

  my g

0

0

0

mz g

m


0

mz g

0

0

m

my g

mx g

 mz g

my g

Ix

I xy

0

mx g

I yx

Iy


mx g

0

I zx

I zy

my g 
mx g 
0 

I xz 
I yz 

I z 

(2.6)

C RB ( ) là ma trận lực Coriolis và hướng tâm dựa vào chuyển động quay của

hệ trục BODY so với hệ trục NED