THÔNG TIN LUẬN ÁN TIẾN SĨ
Tác giả: Trương Công Mỹ
Tên đề tài: Nghiên cứu phát triển hệ thống mô phỏng chuyển động tàu thuỷ với sàn treo ba bậc tự do ứng dụng thuật toán điều khiển hiện đại
Chuyên ngành: Khoa học hàng hải
Mã số: 9840106
Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Nguyễn Kim Phương; PGS. TS. Đinh Anh Tuấn
Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Hàng hải Việt Nam
TÓM TẮT NỘI DUNG
1. Mục đích và đối tượng nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu: Mục tiêu tổng quát của luận án là nghiên cứu, phát triển thuật toán khiển hiện đại nhằm cải thiện chất lượng hệ thống mô phỏng chuyển động tàu thuỷ có tích hợp sản treo ba bậc tự do phục vụ cho đào tạo, huấn luyện sinh viên, học viên nhóm ngành hàng hải nhằm mục đích hạn chế thấp nhất các tai nạn trên biển và giảm chi phí so với việc huấn luyện trên tàu thật.
Để giải quyết được mục tiêu tổng quát, NCS xác định các mục tiêu cụ thể của luận án như sau:
Thứ nhất, xây dựng hệ thống mô phỏng chuyển động tàu thủy nhằm tạo ra một bản sao giống hệt buồng lái của một con tàu hiện đại được đề xuất đáp ứng được các yêu cầu huấn luyện cho ngành hàng hải. Kích thước của buồng lái được thiết kế là 2.4×2.4m và chiều cao là 1,75m. Khối lượng đủ tải của buồng lái khoảng 1300kg. Buồng lái mô phỏng có tích hợp bản điều khiển, các thiết bị như Radar/ARPA, ECDIS, Conning… và nội thất khác cũng được trang bị. Buồng lái được gắn trên một sàn chuyển động ba bậc tự do. Sản chuyển động được thiết kế trên nguyên tắc của Stewart platform.
Thứ hai, trên cơ sở tiếp cận Stewart platform với ba bậc tự do (lắc ngang, lắc dọc và trượt đư) và sau khi mô phỏng động học tàu thủy dạng hình ảnh 3D. NCS tiến hành xây dự thuật toán điều khiển trên bộ điều khiển logic khả trình PLC để điều khiển tổ hợp DRIVE/SERVO nhằm tạo ra chuyển động thật 3 trục tự do mô phỏng lại chuyển động từ mô hình 3D ảo trên máy tính.
Thứ ba, tích hợp hoàn chỉnh một hệ thống mô phỏng 3D động học tàu thuỷ với mô hình chuyển động sản treo được điều khiển trên cơ sở ứng dụng trí tuệ nhân tạo AI dạng mạng nơ ron nhân tạo để tăng độ chính xác và giảm thời gian trễ đồng bộ giữa hình ảnh và chuyển động vật lý.
Đối tượng nghiên cứu: Trên cơ sở đánh giá sự cần thiết cùng với mục tiêu của đề tài luận án, đối tượng nghiên cứu của luận án là hệ thống mô phỏng 3D động học tàu thuỷ trong cấu trúc cabin buồng lái có tích hợp mô hình chuyển động 3 bậc tự do (3DOF) của sàn treo.
2. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của đề tài luận án bao gồm: phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết, phương pháp mô phỏng, phương pháp thống kê thu thập dữ liệu và đánh giá, phương pháp thực nghiệm. Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết phục vụ cho mục tiêu xây dựng mô hình động học của con tàu. Đối với phương pháp mô phỏng, để tải sửdụng mô phỏng 3D các tỉnh huống trên biển cũng như mô phỏng các trang thiết bị như hải đồ điện tử ECDIS (Electronic Chart Display and Information System), RADAR, CONNING… Sử dụng mô phỏng trên Matlab/Simulink cho các thuật toán tìm tín hiệu điều khiển của mô hình động học ngược và thuật giải lặp Newton-Raphson của mô hình động học thuận. Phương pháp thống kê, thu thập dữ liệu và đánh giá để xây dựng, chọn lọc bộ dữ liệu học tốt nhất cho mạng nơron nhân tạo MLP. Ngoài ra, để kiểm chứng các kết quả mô phỏng NCS sử dụng phương pháp thực nghiệm trên cơ sở thực hiện lắp đặt mô hình, lập trình điều khiến các động cơ servo trên PLC, xây dựng giao tiếp mạng truyền thông Modbus TCP, thuật toán quy đổi các góc roll, pitch, heave ra các góc quay của động cơ servo, thuật toán điều khiển xung phát xung điều khiển động cơ servo.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Về mặt phương pháp luận, luận án hướng tới:
Luận án đưa ra phương pháp luận, đề xuất áp dụng một thuật toán điều khiển mới để dự báo và điều khiển chuyển động của mô hình sản treo ba bậc tự do bám theo tín hiệu đặt từ mô hình mô phỏng 3D. Cụ thể thuật toán này cho phép huấn luyện trước với bộ dữ liệu mẫu và dự báo tín hiệu chuyển động nghiêng, lắc và trượt đứng của con tàu trên cơ sở sử dụng mạng nơ ron nhân tạo MLP. Luận án sẽ góp phần bổ sung và làm phong phú thêm các phương pháp điều khiển nhằm làm giảm độ trễ của mô hình sản treo ba bậc tự do so với mô hình chuyển động của hình ảnh trong không gian 3D.
Về mặt thực tiễn, với mô hình và thuật toán dự báo đề xuất, luận án hướng tới:
Kết quả của luận án sẽ hiện thực hóa vấn đề khiều khiển mô hình sàn treo cabin buồng lái 3 bậc tự do chuyển động đồng bộ với chuyển động của con tàu trong mô hình mô phỏng 3D bằng mô hình cơ khí có cấu trúc Stewart platform. Cụ thể là mô hình dự báo trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo được cài đặt trong phần mềm Matlab/Simulink trên máy tính, có chức năng dự báo trước chuyển động của con tàu trong mô hình mô phỏng 3D và phát lệnh tới PLC để điều khiển thời gian thực các cơ cấu chấp hành Drive/Servo Motor truyền động cho 03 tay đòn.
4. Đóng góp mới của luận án
Đóng góp mới của luận án là phân tách cấu trúc điều khiển sàn treo 3 bậc tự do của hệ thống mô phỏng chuyển động tàu thủy thành hai khối là: khối dự báo góc quay và khối điều khiển vị trí của cơ cấu chấp hành. Từ đó tổng hợp và hoàn thiện cơ sở lý thuyết của thuật toán dự báo trước góc quay của của động cơ servo bằng mạng nơron nhân tạo, chứng minh tính đúng đắn và khả thi của phương pháp để xuất bằng thực nghiệm với mô hình vật lý trên cơ sở các tiêu chí về độ chính xác bám và giảm thời gian trễ.
