Điều khiển phi tuyến phương tiện ngầm bằng mạng nơron thích nghi

ểu diễn theo 
hệ qui chiếu trái đất bằng cách áp dụng các phép biến đổi động học, giả thiết là các 
ma trận trong  J  không kỳ dị, ta có: 
         , , , dM C D g t                     (4) 
3. XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN 
Hệ thống tự động điều khiển ngư lôi thể hiện trên hình 1 bao gồm [8]: 
* Hệ thống chỉ đạo: nhận thông tin ban đầu để tạo ra quỹ đạo mong muốn bao 
gồm quỹ đạo theo hướng và độ sâu [1],[8]. 
* Hệ thống dẫn đường: được trang bị khối dẫn đường quán tính INS, cảm biến 
áp suất, thiết bị đo tốc độ âm thanh ...để đo độ sâu, hướng và vị trí [1],[8]. 
* Hệ thống điều khiển: So sánh hướng, độ sâu theo tín hiệu nhận được từ hệ 
thống dẫn đường với quỷ đạo mong muốn để tính toán tín hiệu điều khiển là góc 
quay các bánh lái và vây ổn định (các kênh điều khiển) [1],[8].. 
Hình 1. Sơ đồ hệ thống tự động điều khiển chuyển động PTN. 
Sai số hệ thống vòng hở đối với  r t được biểu diễn như sau [1]: 
,
d d
Mr f S      (5) 
Trong đó, 
1 1 1 1
d d d d d d d d d d d d d d
f M J M J C J D J g   
   
           
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 203
   1 1 1 1 1 1
1 1 1 1
1 1 1 1 1 1
1 1 1
d d d d d d
d d d d d d d
S M J k e MJ M J M J k e MJ M J
M J k e M J e CJ C J DJ D J g g
 
     
     
     
     
       
      
    
Áp dụng lý thuyết xấp xỉ tổng quát để xấp xỉ hàm phụ không tường minh mạng 
nơ ron 3 lớp:    T T
d d d
f W V     (6) 
trong đó,     218 1 NV t   và    2 1 6NW t   tương ứng là các trọng số của mạng từ 
lớp 1-2 và từ 2-3, Các trọng số này là hằng số lý tưởng và hữu hạn; N2 là số nơ ron 
của lớp ẩn,    2 1 6N    là hàm kích hoạt;   19
d
t  là đầu vào của mạng nơ 
ron và là 1 tập compact chứa các giá trị quĩ đạo mong muốn hữu hạn và biết trước: 
 1, , ,
T
T T T
d d d d
      
Từ (5), bộ điều khiển được thiết kế sử dụng mạng nơ ron truyền thẳng 3 lớp 
được bổ sung thêm thành phần phản hồi tích phân bền vững dấu sai số, bộ điều 
khiển có dạng: 
ˆ
d
f   (7) 
Thành phần phản hồi được xác định:      
2 2
1 1 0
s s
k e k e      (8) 
trong đó,   6
2
,e t  là nghiệm phương trình: 
     
2 2
1 sgn , 0 0
s
k e e       (9) 
s
k  và   là độ lợi điều khiển và là các giá trị hằng dương. Thành phần 
mạng truyền tiến của mạng nơ ron:  ˆ ˆ ˆT T
d d
f W V  (10) 
trong đó,   219ˆ NV t  và    2 1 6ˆ NW t   là các ước lượng trọng số lý. Ước 
lượng trọng số của mạng trong (10) được cập nhật trực tuyến theo các phương 
trình: 
 
1 2
ˆ ˆˆ
T T
d
W proj V e  

 (11) 
  
2
'
2
ˆ ˆˆ
T
T
d e
V proj W  

 (12) 
trong đó, 
   
2 2
1 1
1
N N  
  và 
19 19
2

  là các ma trận độ lợi điều khiển, các ma 
trận này là đối xứng, không đổi và xác định dương, còn   2 1ˆ ' N   là đạo hàm 
riêng của  ˆˆ T
d
V   . 
Tiến hành thay bộ điều khiển trong (7) vào mạch vòng hở (5) ta nhận được sai 
số hệ thống bám vòng kín : 
ˆ
d d d
Mr f f S       (13) 
Ước lượng sai lệch đối với trọng số mạng được xác định bằng 
     ˆV t V t V t  và      ˆW t W t W t  , trong đó   219 NV t   và 
   2 1 6NW t    . Sử dụng (6) và (10) để xác định đạo hàm của (13), ta được: 
Kỹ thuật điều khiển 
P. H.Nam, L.K. Biên, B.T.T.Tâm, “Điều khiển phi tuyến nơ ron thích nghi.” 204 
ˆ ˆ ˆˆ ˆ ˆ' ' ' '
T T T T T T T T
d d d d
Mr Mr W V W V W V W V            
      
ˆ ˆ ˆ ˆˆ ˆ' '
T T T T T
d d d
W V S W W V             
      (14) 
ở đây,  ˆ  được tính toán trong (11) và (12), và đạo hàm của (8) xác định bởi 
phương trình:      
2
1 sgn
s
t k r e    (15) 
Thực hiện việc nhóm các thành phần, (14) có thể được viết lại: 
   
2 2
1
1 sgn
2
s
Mr Mr N N e k e       
  (16) 
trong đó,   6
1 2
ˆ ˆ, , , , , , ,
d d
N W V e e r t     và   6ˆ ˆ, , , ,
d d
N W V t    , 
 
1 2
1
ˆˆ ˆ'
2
T T
d
N Mr proj V e  

     
   2 2 2ˆ ˆˆ ˆ' '
T
TT
d d
W proj We S e       (17) 
d B
N N N

 
 với   6, ,
d d d
N t    được xác định: 
'
T T
d d d
N W V   

     
và thành phần   6ˆ ˆ, , , ,
B d d
N W V t    được tách ra sao cho: 
1 2
B B B
N N N

  (18) 
với    
1 2
6ˆ ˆ ˆ ˆ, , , , , , , , ,
B d d B d d
N W V t N W V t       , 
1
ˆˆ ˆ' '
T T T T
B d d
N W V W V   

     
2
ˆ ˆˆ ˆ' '
T T T T
B d d
N W V W V   

    
Sỡ dĩ tách ra như vậy là vì các thành phần khác nhau trong (17) bị chặn khác 
nhau. 
Việc tách các thành phần trong (17,18) làm cơ sở cho việc xây dựng luật cập 
nhật trọng số của mạng nơ ron và phân tích tính ổn định của hệ [1]. Giới hạn trên 
của (17) được xác định:  N    
 (19) 
Trong đó:  1 2
T
T T T
e e r

 (20) 
và     là hàm dương toàn cục khả nghịch không tăng. 
1 2 3
, ,
d B d
N N N    
Từ (14) và (15), đạo hàm của (22) bị chặn trên vì: 
4 5 2B
N e   
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 205
Trong đó  , 1, ..., 5
i
i   là các hằng dương đã biết. 
4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 
Với dữ liệu đầu vào của quĩ đạo mẫu là đường xoắn ốc có phương trình sau: 
2sin 2 cos 0 0
10 10 10 10
T
d
t t t t
  
    
        
với điều kiện đầu:    0 1 2 0 0 0 0 Td  . Tham số khởi tạo cho ma trận 
trọng số lý tưởng cho mạng nơ ron được chọn là:  2ˆ 19,initNNV rand N , 
 2ˆ 1, 6initNNW zeros N  và số nơ ron trong lớp ẩn được chọn 2 5N  . 
Hình 2. Mô hình mô phỏng PTN trên Matlab/Simulink. 
 Độ lợi phản hồi được chọn là ma trận đường chéo có cấu trúc véc tơ như sau: 
 1 1 1 0.5 4 3 5
T
k  ;  310 4 5 7 8 8 7 Tsk   
 0.3 0.3 0.5 0.3 0.3 0.1 T  ;  0.2 0.2 0.1 0.1 0.5 0.2 T  
 Độ lợi mạng nơ ron truyền thẳng được chọn là 
1 6 6
2000 I

   , 
2 6 6
500 I

   . 
 Mô hình toán mô phỏng trên matlab/simulink thể hiện trên hình 2. 
Hình 3. Sai số bám của các biến dịch dọc (x), dịch ngang (y) và lặn nổi (z). 
Kỹ thuật điều khiển 
P. H.Nam, L.K. Biên, B.T.T.Tâm, “Điều khiển phi tuyến nơ ron thích nghi.” 206 
Hình 4. Sai số bám của các biến góc nghiêng ngang (roll -  ), 
nghiêng dọc (pitch -  ) và góc hướng (yaw -  ) theo thời gian. 
Trên hình 3 và hình 4 là kết quả sai số bám của các biến trạng thái. Từ kết quả 
ta có thể rút ra được các kết luận sau: 
- Bộ điều khiển nơ ron bám quĩ đạo cho dạng PTN 6 bậc tự do đã thực hiện bám 
tiệm cận theo quĩ đạo cho trước. 
- Khả năng bám dựa trên việc thích nghi với mô hình phi tuyến của PTN và khử 
bỏ được nhiễu môi trường.Từ giây 30 trở đi hệ gần như bám hoàn toàn theo quĩ 
đạo với nhiễu dòng chảy của môi trường trong giới hạn. 
- Giải thuật học trực tuyến của mạng nơ ron đa lớp cho phép PTN bám theo một 
quĩ đạo liên tục, quán tính (hệ có chứa thành phần lực quán tính do chuyển động 
theo quĩ đạo xoắn ốc). 
5. KẾT LUẬN 
Bài báo đã phát triển bộ điều khiển phi tuyến sử dụng mạng nơ ron truyền thẳng 
độc lập cho một đối tượng phi tuyến hoạt động không rõ ràng. Kết quả nhận được 
đã minh chứng tính đúng đắn của thuật toán. Kết quả nghiên cứu làm tiền đề cho 
việc phát triển hệ điều khiển phi tuyến thích nghi ứng dụng hệ mờ - nơ ron với các 
hệ thống tương tự. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] T.I.Fossen, “Guidance and Control Of Ocean Vehicles,” John Wiley & Sons, 1994. 
[2] M. Santhakumar and T. Asokan, “Coupled, non-linear control system design 
for autonomous underwater vehicle (AUV)” in Proc. Int. Conf.on Control, 
Autom. Robot., and Vis., 17-20 2008, pp. 2309 –2313. 
[3] R. P. Kumar, A. Dasgupta, and C. S. Kumar, “A new tracking controller 
design for underwater vehicles using quadratic stabilization” J. Dyn.Syst. 
Meas. Contr., vol. 130, no. 2, 2008. 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 207
[4] L. Lapierre and B. Jouvencel, “Robust nonlinear path-following control of an 
AUV” IEEE J. Oceanic. Eng., vol. 33, no. 2, pp. 89–102, 2008. 
[5] L.-J. Zhang, X. Qi, and Y.-J. Pang, “Adaptive output feedback control based 
on DRFNN for AUV” IEEE J. Oceanic. Eng., vol. 36(9-10), pp. 716–722, 
2009. 
[6] G. Indiveri, M. Pino, M. Aicardi, and G. Casalino, “Nonlinear timeinvariant 
feedback control of an underactuated marine vehicle along a straight 
course” in Proc. IFAC Conf. on Manoeuvring and Control of Mar. Craft, 
2000, pp. 221–226. 
[7] G.N. Robert “Advance in Unmanned Marine Vehicles,” Control of 
Engineering Series 69 (1996) pp. 92-101. 
[8] Trương Duy Trung, Trần Đức Thuận, Nguyễn Quang Vịnh “Mô hình động 
học chuyển động của ngư lôi”, Tạp chí Nghiên cứu khoa học và công nghệ 
quân sự, (2012). 
ABSTRACT 
NONLINEAR CONTROL OF UNDERWATER VEHICLES 
USING AN ADAPTIVE NEURAL NETWORK 
Autonomous and remotely operated underwater vehicles such as ships and 
submarines are becoming a key component in search and recovery, 
exploration, surveillance, monitoring, and military applications. Underwater 
are nonlinear systems, works in unknown disturbance environment. This 
paper explores the development of a nonlinear controller for a fully actuated 
autonomous underwater vehicle (AUV) using an adaptive neural network to 
achieve asymptotic tracking results in the presence of complete model 
uncertainty and unknown disturbances. 
Keywords: Neural network, Nonlinear control, Underwater vehicles. 
Nhận bài ngày 20 tháng 07 năm 2015 
Hoàn thiện ngày 10 tháng 08 năm 2015 
Chấp nhận đăng ngày 07 tháng 09 năm 2015 
Địa chỉ: 1 Học viện Hải quân; 
 2 Viện Khoa học và Công nghệ quân sự; 
 * Email: namphanhoai@gmail.com.