Thanh bên bài viết
ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO TÀU THỦY THIẾU CƠ CẤU CHẤP HÀNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP BACKSTEPPING THÍCH NGHI TRONG ĐIỀU KIỆN BẤT ĐỊNH THAM SỐ VÀ NHIỄU MÔI TRƯỜNG
Nội dung chính của bài viết
Tóm tắt
Bài báo này nghiên cứu bài toán điều khiển theo dõi quỹ đạo đối với hệ tàu thủy không đủ cơ cấu chấp hành (Underactuated), trong điều kiện hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu môi trường và tồn tại bất định về tham số trong mô hình. Mô hình phi tuyến mô tả động lực học ba bậc tự do (3-DOF: Degrees Of Freedom) của hệ tàu thủy thiếu cơ cấu chấp hành được thiết lập, trong đó các tham số bất định bao gồm các tham số thủy động lực học và khối lượng được xét đến đồng thời với các nhiễu bên ngoài như sóng, gió và dòng chảy.Trên cơ sở này, phương pháp Adaptive Backstepping được đề xuất nhằm đảm bảo bám quỹ đạo chính xác và ổn định. Luật cập nhật tham số được xây dựng để ước lượng các thành phần bất định của hệ, trong khi hàm Lyapunov được sử dụng để chứng minh tính ổn định của hệ kín. Kết quả mô phỏng số với kịch bản chịu tác động nhiễu môi trường và tham số mô hình thay đổi cho thấy bộ điều khiển đề xuất đạt sai số bám quỹ đạo nhỏ hơn và đáp ứng ổn định hơn so với phương pháp điều khiển PID truyền thống. Những kết quả đạt được cho thấy phương pháp đề xuất có khả năng ứng dụng trong thực tiễn điều khiển tàu thủy, góp phần nâng cao chất lượng điều khiển.
This paper investigates the trajectory tracking control problem of underactuated surface vessels in the presence of environmental disturbances and parameter uncertainties. A nonlinear 3-DOF dynamic model of an underactuated surface vessel is established, in which uncertain parameters, including hydrodynamic coefficients and mass properties, are considered together with external disturbances such as waves, wind, and ocean currents. Based on this model, an Adaptive Backstepping control scheme is developed to ensure accurate trajectory tracking and closed-loop system stability. An adaptive parameter update law is designed to estimate the uncertain system parameters online, while a Lyapunov-based stability analysis is employed to guarantee the stability of the closed-loop system. Numerical simulation results under various environmental disturbances and parameter variations demonstrate that the proposed controller achieves smaller tracking errors and smoother system responses than a conventional PID controller. These results confirm the effectiveness and practical applicability of the proposed control approach for trajectory tracking of underactuated surface vessels.
Keywords: Adaptive Backstepping Control; Underactuated Surface Vessels; Trajectory tracking problem; Parameter Uncertainties.
Từ khóa
Backstepping thích nghi (Adaptive Backstepping), Tàu thủy thiếu cơ cấu chấp hành, Điều khiển bám quỹ đạo, Bất định tham số.
Chi tiết bài viết
Tài liệu tham khảo
[2] Y.-H. Chen, S.-Y. Pan, and Y.-Y. Chen, “Trajectory Tracking Design of Autonomous Surface Vessels with Multiple Perturbations: A Robust Adaptive Fuzzy Approach,” Journal of Marine Science and Engineering, vol. 13, no. 8, p. 1419, 2025, doi: 10.3390/jmse13081419.
[3] Z. Deng, J. Cui, Z. Zhu, et al., “Adaptive trajectory tracking control of underactuated ships using parameter prediction based neural network coordinated control,” Ocean Engineering, vol. 329, p. 121188, 2025, doi: 10.1016/j.oceaneng.2025.121188.
[4] Z. Dong, S. Lu, Z. Hu, et al., “Simultaneous modeling and backstepping control algorithm for trajectory tracking of underactuated USV based on real-time sailing data in complex ocean conditions,” ISA Transactions, vol. 166, 2025, doi: 10.1016/j.isatra.2025.07.013.
[5] X. Wei, X. Song, H. Zhang, X. Hu, and X. Li, “Disturbance-observer-based tracking trajectory control of under-actuated surface vessel with input and output constraints,” Applied Mathematical Modelling, vol. 153, p. 116598, 2025, doi: 10.1016/j.apm.2025.116598.
[6] H. Liu, Z. Zhuo, X. Tian, and Q. Mai, “Practical Prescribed-time Trajectory Tracking Control for Underactuated Unmanned Surface Vessels With Asymmetric Prescribed Performance Constraints,” International Journal of Control, Automation and Systems, vol. 23, no. 8, pp. 2383–2398, 2025, doi: 10.1007/s12555-025-0241-0.
[7] Y. Li, Y. Zhou, Y. Zhou, and L. Chai, “Adaptive optimal tracking control for underactuated surface vessels using extended state observer and reinforcement learning,” Journal of Automation and Intelligence, 2025, doi: 10.1016/j.jai.2025.09.002.
[8] S. Yu, G. Shi, and G. Zhu, “Adaptive neural predefined-time control for underactuated MSVs under input saturation: A definition-based approach,” Ocean Engineering, vol. 331, p. 121328, 2025, doi: 10.1016/j.oceaneng.2025.121328.
[9] Z. Wang, S. Chen, S. Fang, and Z. Dong, “Trajectory tracking of USV with disturbance observer and predictive compensator under network attacks and network delays,” Transactions of the Institute of Measurement and Control, 2025, doi: 10.1177/01423312251391382.
[10] C. Dong, B. Zheng, and L. Chen, “Trajectory tracking control for uncertain underactuated surface vessels with guaranteed prescribed performance under stochastic disturbances,” Nonlinear Dynamics, vol. 112, pp. 13215–13231, 2024, doi: 10.1007/s11071-024-09716-3.
[11] S. Dong, Z. Shen, L. Zhou, and H. Yu, “Event-triggered Trajectory Tracking Control of Marine Surface Vessels With Time-varying Output Constraints Using Barrier Functions,” International Journal of Control, Automation and Systems, vol. 21, pp. 2708–2717, 2023, doi: 10.1007/s12555-022-0072-1.
[12] H. Liu, X. Huang, Q. Mai, and X. Tian, “Fixed-time self-structuring neural network fault-tolerant tracking control of underactuated surface vessels with state constraints,” Ocean Engineering, vol. 279, p. 114599, 2023, doi: 10.1016/j.oceaneng.2023.114599.
[13] T. I. Fossen and A. P. Aguiar, “A Uniform Semiglobal Exponential Stable Adaptive Line-of-Sight (ALOS) Guidance Law for 3-D Path Following,” Automatica, vol. 163, p. 111556, 2024, doi: 10.1016/j.automatica.2024.111556.
[14] T. I. Fossen, “An Adaptive Line-of-Sight (ALOS) Guidance Law for Path Following of Aircraft and Marine Craft,” IEEE Transactions on Control Systems Technology, vol. 31, no. 6, pp. 2887–2894, 2023, doi: 10.1109/TCST.2023.3259819.
[15] T. I. Fossen, “Line-of-sight Path-following Control utilizing an Extended Kalman Filter for Estimation of Speed and Course over Ground from GNSS Positions,” Journal of Marine Science and Technology, vol. 27, pp. 806–813, 2022, doi: 10.1007/s00773-022-00872-y
[16] Fossen TI. Marine Control Systems: Guidance, Navigation and Control of Ships, Rigs and Underwater Vehicles. Trondheim, Norway: Marine Cybernetics; 2002. ISBN: 978-8292356005.
[17] Do K.D, Jie Pan (2009): Control of Ships and Underwater Vehicles Design for Underactuated and Nonlinear Marine Systems. Spring Science& Business Media, 2009. doi: 10.1007/978-1-84882-730-1
Các bài báo được đọc nhiều nhất của cùng tác giả
- TS. Nguyễn Hữu Quyền, TS Nguyễn Hùng Cường, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID TỰ THÍCH NGHI TRỰC TUYẾN DỰA TRÊN THUẬT TOÁN HỌC SÂU TĂNG CƯỜNG TD3 CHO HỆ THỐNG LÁI TỰ ĐỘNG TÀU THỦY , Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải: Số 86 (2026): Số 86 (04/2026)
- Nguyễn Hữu Quyền, Phan Đăng Đào, NGHIÊN CỨU BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO MÔ HÌNH ĐỂ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG CHO HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ ĐỘNG TÀU BIỂN (A STUDY ON ENERGY-EFFICIENT MODEL PREDICTIVE CONTROL FOR MARINE VESSEL DYNAMIC POSITIONING SYSTEM) , Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải: Số 85 (2026): Số 85 (01/2026)