Xem mẫu
- Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học
THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN THUYỀN KHÔNG NGƯỜI LÁI (USV-
UNMANNED SURFACE VEHICLE)
Nguyễn Đăng Khoa*, Đặng Cao Cường, Bùi Quốc Chiến
Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
*Tác giả liên lạc: 1411828@hcmut.edu.vn
TÓM TẮT
Thuyền không người lái (Unmanned Surface Vehicle -USV) đã trở thành phương
tiện phổ biến trên thế giới, đã được sử dụng trong một loạt các ứng dụng. Với
yêu cầu đó, việc thiết kế và xây dựng các hệ thống USV đang diễn ra sôi nổi, đồng
thời đã đạt được một số kết quả như mong đợi. Bài viết này mô tả thiết kế USV
với cấu trúc linh hoạt, phát triển thuật tóa n điều khiển đã được áp dụng trong
mô phỏng và thực nghiệm. Mô hình hóa USV được phát triển để nhanh chóng
trong việc triển khai thiết kế, phát triển và xây dựng bộ điều khiển. Với kết quả
mô phỏng và thực nghiệm đã chứng minh rằng hệ thống điều khiển, thuật tóa n
dẫn đường LOS và bộ điều khiển PID cho thấy hiệu suất tốt, tính khả thi và độ
tin cậy của hệ thống điều khiển được thiết kế.
Từ khóa: Hướng dẫn, đường dẫn, đường ngắm.
DESIGN AND CONTROL UNMANNED SURFACE VEHICLE USV
Nguyen Dang Khoa*, Dang Cao Cuong, Bui Quoc Chien
University of Technology – VNU Ho Chi Minh City
*Corresponding Author: 1411828@hcmut.edu.vn
ABSTRACT
Unmanned Surface Vehicle (USV) has become a popular vehicle in the world,
has been used in a variety of applications.For that purpose,It is necessary to
design and develop USV systems, and the results have been as expected. This
article describes the design of USV with flexible structure, control algorithms
that have been applied in simulation and experiment. USV modeling was
developed to rapidly deploy design and develope controllers. With simulation and
experimental results it has been demonstrated that control systems, LOS routing
algorithms and PID controllers show good performance feasibility and reliability
Keyword: Guidance, path-following, line of sight.
TỔNG QUAN bên cạnh đó chúng không bị hạn chế
Ngày nay nhiều ứng dụng thực tế về bởi môi trường nguy hiểm đối với con
việc khảo sát sông, hồ, biển,… được người, chẳng hạn như môi trường hạt
thúc đẩy do môi trường sống của con nhân hoặc chất thải bị ô nhiễm. Ở một
người bị thu hẹp dần và cần tìm nguồn số quốc gia, USV bắt đầu thực hiện các
tài nguyên, môi trường mới cũng như nhiệm vụ nguy hiểm trong các ứng
đảm bảo an toàn cho khu vực sinh sống dụng quân sự và dân sự. Với hệ thống
của chính mình. Đối mặt với vấn đề định vị toàn cầu (GPS) trở nên nhỏ
này nhiều ứng dụng đã được phát triển gọn, hiệu quả và giá vừa phải, cùng các
và một trong số đó là tàu tự hành trên hệ thống dữ liệu không dây băng thông
mặt nước để thu thập số liệu. Chúng cao hơn đã tạo thuận lợi đối với sự phát
được thiết kế dựa trên nhiệm vụ cụ thể, triển của USV đối với nhiều ứng dụng.
506
- Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học
Muốn phát triển tàu tự hành cần có các khiển,giải thuật điều khiển,… Các
hệ thống dẫn đường và điều khiển tự tham số này sẽ được gửi đến bộ xử lý
động để tàu có thể tự đi theo một quỹ trung tâm để thực hiện các nhiệm vụ
đạo đã định trước. Trong hệ thống điều như điều khiển từ xa, điều khiển góc
khiển, các nhà nghiên cứu tập trung heading.
vào các khía cạnh của điều hướng, dẫn Vai trò của trạm mặt đất là thiết bị đầu
đường, tránh vật cản vật cản để tăng cuối cho người dùng cuối giám sát và
cường khả năng của USV. điều khiển cho USV thông qua các
Trong đề tài này, hệ thống điều khiển kênh truyền thông RF. Sau khi bắt đầu
bao gồm các cấu trúc phần cứng và chương trình GUI, người dùng sẽ được
phần mềm, các bộ điều hướng và điều yêu cầu chọn chế độ điều khiển của
khiển được phát triển để đáp ứng các điều khiển từ xa hoặc tự động. Với
nhu cầu khác nhau của thực nghiệm vòng lặp 100ms (10Hz), hệ thống giám
như điều khiển góc heading, bám điểm sát mặt đất có thể cập nhật chính xác
và vv . Xây dựng một bộ Guidance để và hiển thị trạng thái của USV thông
tạo đường dẫn bằng phương pháp LOS qua biểu đồ đường thời gian và xem
và thiết kế một bộ điều khiển để bám trên bản đồ.
theo góc heading mong muốn Ngoài
ra, kết quả mô phỏng và thử nghiệm sẽ KẾT QUẢ
được thực hiện và trình bày. Kết quả điều khiển góc heading được
áp dụng trong thực nghiệm với kết quả
NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG vọt lố nằm trong phạm vi 5 độ. Nói
PHÁP NGHIÊN CỨU chung, cả kết quả thực nghiệm cho
Để tăng tính ổn định cho USV, một tàu thấy sự hội tụ tốt với các góc heading
kiểu catamaran được chọn để thiết kế. mong muốn.
Nó bao gồm hai thân tàu, hệ thống đẩy, Trong thực nghiệm bám qua các điểm
hệ thống điều khiển và cảm biến. waypoint cho trước, USV được điều
Kiến trúc phần cứng khiển để bám bốn điểm định sẵn được
Board định vị được kết nối với các cảm xác định trước như P1 P2 P3 P4. USV
biến bao gồm đơn vị đo quán tính bắt đầu tại điểm S. Để kiểm tra thuật
(IMU) và hệ thống định vị toàn cầu tóa n LOS và điều khiển góc heading
(GPS). Hệ thống USV có thể truy cập được mô tả trong phần trước. Kết quả
không dây RF để truyền/nhận lệnh từ thực nghiệm được thể hiện trong hình
trạm mặt đất và gửi chúng đến board 5 với bốn điểm waypoint mong muốn
chính để đưa ra quyết định điều khiển.
Dựa vào sơ đồ trên, STM32F4 đóng KẾT LUẬN
vai trò xử lý trung tâm. Nó có nhiệm Trong bài viết này ta đã trình bày
vụ đọc các tín hiệu được trả về từ GPS, phương hướng giải quyết và thiết kế bộ
IMU và tín hiệu điều khiển được gửi từ Guidance và Controller. Các kết quả
máy tính thông qua sóng RF. Sau đó, thu được qua mô phỏng là phù hợp và
STM32F4 sẽ điều khiển các động cơ để khả quan với thực tế. Tàu có khả năng
đáp ứng yêu cầu đặt ra. hội tụ về đường đi mong muốn và điều
Cấu trúc phần mềm đó cho thấy tính chính xác của
Nhiệm vụ của USV được gửi từ trạm Guidance và chất lượng của
giám sát mặt đất và sau đó USV sẽ lựa Controller. Tuy nhiên, tất cả được thử
chọn và thực hiện các nhiệm vụ khác nghiệm với điều kiện tương đối yên
nhau như lựa chọn chế độ điều tĩnh, tốc độ và hướng không đổi. Việc
507
- Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học
điều chỉnh bộ điều khiển để PID tốt thay đổi nhanh theo hướng.
hơn có thể xử lý điều kiện thời tiết khắc Điều này hy vọng sẽ giảm bớt lắc lư và
nghiệt có thể gây ra sự thay đổi lớn hơn làm cho bộ điều khiển đáng tin cậy và
về tốc độ của hành trình và hơn thế nữa ổn định hơn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
J. BROWN, C. TUGGLE, J. MACMAHAN, AND A. RENIERS. The use of
autonomous vehicles for spatially measuring mean velocity profiles in
rivers and estuaries. Intelligent Service Robotics, vol. 4, pp. 233–244, Oct.
2011.
R. MURPHY, E. STEIMLE, M. HALL, M. LINDEMUTH, D. TREJO, S.
HURLEBAUS, Z. MEDINA-CETINA, AND D. SLOCUM. Robot-
Assisted Bridge Inspection. Journal of Intelligent & Robotic Systems, vol.
64, pp. 77–95, Oct. 2011.
S. CAMPBELL, W. NAEEM, AND G. IRWIN. A review on improving the
autonomy of unmanned surface vehicles through intelligent collision
avoidance manoeuvres. Annual Reviews in Control, vol. 36, pp. 267– 283,
Dec. 2012.
508
nguon tai.lieu . vn
