Thiết kế bộ điều khiển bám đường cho phương tiện thủy sử dụng thiết bị đẩy khớp nối từ

64 Science and Technology Development Journal, vol 20, No.K5-2017 
 
Tóm tắt—Vấn đề điều khiển phương tiện tự 
động bám theo một mục tiêu hay một quỹ đạo 
định sẵn do có nhiều ứng dụng quan trọng trong 
các lĩnh vực như quân sự, quan trắc địa hình, 
khảo sát chất lượng môi trường nên đã được 
nghiên cứu ở rất nhiều nước trên thế giới. Bài 
báo này trình bày kết quả tìm hiểu phương pháp 
điều khiển phương tiện thủy trên mặt nước sử 
dụng thiết bị đẩy khớp nối từ để bám theo các 
quỹ đạo hình xung vuông hay zig-zag bằng cách 
sử dụng giải thuật đường ngắm (Line of sight, 
LOS) kết hợp với bộ điều khiển cuốn chiếu 
(Backstepping). Hệ thống được xét ở đây sẽ bao 
gồm 3 khối chính là Dẫn đường – Điều khiển – 
Vận hành (Guidance – Control – Ship). Trong 
đó Guidance sẽ giúp chọn điểm waypoint hình 
thành quỹ đạo, sử dụng giải thuật LOS với 
khoảng cách lookahead để điều chỉnh và tính ra 
góc ψ mong muốn (góc heading). Control với 
giải thuật Backstepping sẽ tính lực và moment 
áp vào mô hình động học của tàu trong khối 
Ship. Vị trí và góc của tàu sẽ được feedback trở 
về 2 khối Guidance-Control để tính toán và xử 
lý. Tính hiệu quả của thuật toán sẽ được trình 
bày qua kết quả mô phỏng sử dụng 
MATLAB/SIMULINK. 
Từ khóa—Dẫn đường, đường dẫn, đường ngắm, 
khoảng cách phía trước, điều khiển, bộ điều khiển 
cuốn chiếu 
1 GIỚI THIỆU 
gày nay nhiều ứng dụng thực tế về việc 
khảo sát sông, hồ, biển được thúc đẩy do 
Bài báo này được gửi vào ngày 25 tháng 05 năm 2017 và 
được chấp nhận đăng vào ngày 19 tháng 09 năm 2017. 
Công trình nghiên cứu này được thực hiện tại Phòng thí 
nghiệm trọng điểm Quốc gia Điều khiển số và Kỹ thuật Hệ 
thống và được tài trợ bởi ĐHQG TP.HCM trong đề tài mã số 
C2017-20b-01 
Trần Ngọc Huy, Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM 
Phạm Nguyễn Nhựt Thanh, Trường Đại học Bách Khoa, 
ĐHQG-HCM 
Võ Hồng Thái Bảo, Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia 
Điều khiển số và Kỹ thuật Hệ thống, ĐHQG-HCM 
môi trường sống của con người bị thu hẹp dần và 
cần tìm nguồn tài nguyên, môi trường mới cũng 
như đảm bảo an toàn cho khu vực sinh sống của 
chính mình. Đối mặt với vấn đề này nhiều ứng 
dụng đã được phát triển và một trong số đó là tàu tự 
hành trên mặt nước để thu thập số liệu. Trên thế 
giới đã phát triển nhiều loại tàu tự hành với nhiều 
mục đich khác nhau (cũng có thể là đa nhiệm vụ) 
như tàu AutoCat của học viện MIT hoàn thành năm 
2000, tàu HWT X-1 của Mỹ được hoàn thành năm 
2007, Viknes USV được phát triển năm 2008 bởi 
Đại học Khoa học và Công nghệ Norwegian, tàu 
UMV – O sản xuất bởi công ty Yamaha của Nhật, 
USV-ZhengHe 101 của Trung Quốc, Wave Glider 
USV được sản xuất bởi hãng Liquid Robotics ở 
Mỹ. Ngoài ra một số ứng dụng của dạng tàu tự 
hành này cũng được mô tả trong các kết quả nghiên 
cứu [1-3]. 
 Muốn phát triển tàu tự hành cần có các hệ thống 
dẫn đường và điều khiển tự động để tàu có thể tự đi 
theo một quỹ đạo đã định trước. Trong khuôn khổ 
bài viết ta sẽ xoay quanh vấn đề khảo sát môi 
trường do đó thường yêu cầu tàu đi theo các quỹ 
đạo quen thuộc như sóng vuông hay zig-zag tức là 
đi qua các điểm mong muốn cho trước (way-point 
tracking control) được đề cập trong [4]. Bài viết sẽ 
trình bày cách để xây dựng một bộ Guidance để tạo 
đường dẫn bằng phương pháp Line of sight (LOS) 
và thiết kế một bộ điều khiển để bám theo góc ψ 
mong muốn từ Guidance và đạt được vận tốc mong 
muốn trong quá trình di chuyển bằng thuật toán 
điều khiển cuốn chiếu. 
2 XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH TOÁN 
Với η = [n, e, ψ]T là ba bậc tự do biểu thị vị trí 
(x,y) và góc heading (ψ) của tàu trong hệ qui chiếu 
quán tính cố định trên trái đất và υ = [u, v, r]T biểu 
thị tương ứng với các vận tốc tuyến tính gọi là 
sugre (u) và sway (v) và vận tốc gốc yaw (r) trong 
hệ qui chiếu cố định trên tàu. Theo [5] phương trình 
động lực học của tàu là: 
Thiết kế bộ điều khiển bám đường cho phương 
tiện thủy sử dụng thiết bị đẩy khớp nối từ 
Trần Ngọc Huy, Phạm Nguyễn Nhựt Thanh, Võ Hồng Thái Bảo 
N 
Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ, tập 20, số K5-2017 
65 
R
M C D
  
     
 (1) 
Hình 1. Các tham số chuyển động của tàu 
trong đó R(.) là ma trận xoay bậc ba với 
0
0
0 0 1
cos sin
R sin cos
 
  
và M là ma trận quán tính hệ thống có các thành 
phần cụ thể như 
11
22 23
32 33
0 0
0
0
 0 0
0
0
u
G r
G z r
m
M m m
m m
m X
m Y mx Y
mx N I N


với và . 
 C(υ) là ma trận Coriolis và D(υ) là ma trận 
Damping. Trong khuôn khổ bài viết ta sẽ đơn giản 
hóa và chỉ quan tâm các yếu tố ảnh hưởng đến tàu 
trong điều kiện di chuyển chậm nên sẽ hợp hai ma 
trận C(υ)và D(υ) thành một ma trận N(υ) duy nhất 
như trong [6]. Các thành phần cụ thể trong ma trận 
sau khi đơn giản hóa được chỉ ra bên dưới: 
11
22 23
32 33
0 0
 0
0
0 0
0
0
u
v r
v g r
n
N n n
n n
X
Y mu Y
N mx u N

 Trong đó là khoảng cách từ trọng tâm của tàu 
đến gốc tọa độ của hệ quy chiếu gắn trên tàu. Các 
thành phần là các tham số thủy học 
theo các ký hiệu của [7].Tín hiệu điều khiển T = 
[ , , ]T = [F, , ]T trong đó F là lực đẩy 
từ thiết bị đẩy, là góc bánh lái điều khiển. Từ đây 
ta có thể thấy rằng chỉ có hai ngõ vào điều khiển là 
F và và mong muốn điều khiển là tác động vào 
, nhưng phải chú ý rằng khi tác động cũng 
sẽ tạo ra với tỉ lệ là A = . Lúc này phương 
trình động lực học cho tàu sẽ được viết lại như sau: 
  υ υ ,   ,    
T
R
M N F Y N 
  
  
 (2) 
Hình 2. Mô hình thiết bị đẩy khớp nối từ 
Phương trình lực đẩy chân vịt có dạng [8]: 
2 4 0
2 2 2
D
D
c f g
p
V p e
T n
nD nD n
 
(3) 
 Trong đó: D- Đường kính chân vịt; Vp- Vận tốc 
tiến; n- Số vòng quay; - Khối lượng riêng của 
chất lỏng;  - Hệ số nhớt động lực học; po -e Áp 
suất tĩnh trên trục chân vịt. 
3 THIẾT KẾ BỘ GUIDANCE 
Guidance: Trong trường hợp này được định 
nghĩa là quá trình dẫn một vật thể đi về phía một 
điểm cố định. Guidance có thể được thiết kế cho tất 
cả các loại phương tiện trên không, trên cạn, trên 
mặt nước hay dưới nước. Trong hình thức đơn giản 
nhất của nó, hệ thống dẫn đường được chia làm hai 
loại chính: 
 + Target tracking: hướng vật thể mong muốn (cụ 
thể ở đây là hệ thống tàu thuyền trên mặt nước) 
bám theo một mục tiêu nhất định. Để thực hiện 
mục đích trên đòi hỏi quỹ đạo của tàu phải phụ 
thuộc theo thời gian. 
 + Path following: hướng mục tiêu kiểm soát hội 
tụ và đi theo một con đường đã được định sẵn mà 
không có bất kì một sự ràng buộc nào về thời gian. 
 Trong bài viết này chúng ta sẽ tập trung tìm hiểu 
“guidance for path following”. Rất nhiều phương 
pháp đã được đưa ra nghiên cứu cho vấn đề này, 
trong đó các phương pháp phổ biến thường thấy là 
Line of Sight (LOS), Pure Pursuit (PP), Constant 
Bearing (CB). Line of Sight tuy là một phương 
pháp đơn giản nhất nhưng nhiều thí nghiệm cũng 
như áp dụng thực tế đã chứng minh tính hiệu quả 
66 Science and Technology Development Journal, vol 20, No.K5-2017 
của nó trong hệ thống bám đường đặc biệt khi sử 
dụng cho những phương tiện tàu thuyền trên mặt 
nước. Hệ thống LOS thường được kết hợp với hệ 
thống tự động điều khiển phần đầu để tính góc bánh 
lái thích hợp hay nói cách khác là kết hợp với hệ 
thống điều khiển để tạo ra lực moment tương ứng 
có thể hướng phương tiện đi theo góc ψ mong 
muốn, toàn bộ hệ thống sau đó được đưa qua mô 
hình động học của tàu để trả về về vị trí và vận tốc 
của nó như hình 3. 
Với mục đích khảo sát chất lượng môi trường 
nước, quỹ đạo đường đi được xem là những quỹ 
đạo zig-zag hay sóng vuông (hình ảnh quỹ đạo 
được minh họa trong phần mô phỏng), thì phương 
pháp LOS cho đường thẳng là phương pháp thích 
hợp nhất. Trong bài viết này phương pháp được 
chọn lựa là “LOS with lookahead distance”. Với 
bất kì một vị trí nào bên ngoài đường đi mong 
muốn, giải thuật LOS này sẽ giúp phương tiện hội 
tụ về một điểm mong muốn trên quỹ đạo và bám 
theo quỹ đạo đó. Tùy thuộc vào cơ chế động học 
của tàu chúng ta sẽ đặt vận tốc U, bán kính hội tụ R 
và khoảng cách lookahead ∆ sao cho sai số vị trí và 
độ quán tính của tàu là nhỏ nhất. 
Hình 3. Sơ đồ khối hệ thống dẫn đường 
Horizontal-Plane Path Following (Bám đường 
trên mặt phẳng ngang) 
 Khi xét những phương tiện di chuyển trên mặt 
nước hay nói cách khác là mặt phẳng ngang xy, 
chúng ta sẽ có phương trình động học cho tàu khi 
đó sẽ là 
x ucos vsin
y usin vcos
r
 
 

(4) 
 Tốc độ tổng của tàu được xét theo phương ngang là 
2 2
U u v (5) 
 Với 
min max min
,0 UU U U 
 Tùy theo cấu trúc tàu mà vận tốc U và bán kính 
hội tụ R được chọn thích hợp để khi tàu di chuyển 
qua điểm waypoint sẽ có quán tính nhỏ, đảm bảo 
sai lệch về đường đi nằm trong phạm vi cho phép. 
 Giả sử rằng phương tiện đang được hội tụ về 
đường kết nối các điểm tham chiếu (way-point) 
wptk – wptk+1, sai số along track (xe) và cross track 
(ye) của tàu khi đó được định nghĩa bởi công thức: 
( )
e kT
p
e k
x x x
R
y y y
(6) 
 Trong đó xk, yk là vị trí của điểm waypoint thứ k 
trong hệ tọa độ NED (k = 1  N); x, y là vị trí hiện 
tại của con tàu trong hệ tọa độ NED; RT là ma trận 
quán tính trong chuyển hệ tọa độ, được xác định 
theo công thức: 
cos( ) sin( )
( ) (2)
sin( ) cos( )
P P
p
P P
R SO
(7) 
 Khi khai triển ra chúng ta sẽ có: 
( ) cos( ) ( ) sin( )
( ) sin( ) ( ) cos( )
e k P k P
e k P k P
x x x y y
y x x y y
 (8) 
 Với 
P
 là góc tiếp tuyến được xác định theo 
công thức 
1 1
 atan2( , )
p k k k k
y y x x 
(9) 
 Mục đích là kiểm soát sai số cross track nằm trong 
giới hạn cho phép hay nói cách khác: 
lim ( ) 0
e
t
y t
(10) 
 Lưu ý rằng đối với những ứng dụng mà thuật 
toán của nó có sự ràng buộc về thời gian chúng 
ta cần phải giới hạn thêm sai số dọc (xe) về bán 
kính hội tụ còn nếu chỉ xét bài toán dò đường 
chúng ta chỉ cần kiểm soát (ye). 
Thuật toán dẫn đường LOS 
 Tùy theo nhiều mục đích ứng dụng, phương tiện 
sử dụng hay phương pháp dẫn đường mà vector 
LOS có thể được định nghĩa theo nhiều cách khác 
nhau. Cụ thể trong ứng dụng path following cho 
phương tiện trên mặt nước, LOS được xem như là 
một vector có điểm đầu đặt tại trọng tâm của 
thuyền và điểm cuối đặt tại một điểm (xlos, ylos) trên 
đường tiếp tuyến nối 2 điểm waypoint pk và pk+1. 
Vị trí điểm (xlos, ylos) sẽ cách điểm chiếu vuông góc 
của tàu trên đường tiếp tuyến (điểm giao giữa yevà 
đường mong muốn) một khoảng cách ∆ > 0. Tùy 
thuộc vào đặc tính động học của tàu hay vấn đề 
quan tâm là độ chính xác hoặc hiệu suất mà ta chọn 
∆ cho thích hợp. Nếu xét ∆ là hằng số thì khi giá trị 
∆ càng nhỏ, phương tiện hội tụ về quỹ đạo mong 
muốn càng nhanh, tuy nhiên góc ψ sẽ thay đổi liên 
tục nhiều lần, đòi hỏi góc bánh phải thay đổi liên 
tục theo, hệ thống có thể đáp ứng không kịp và thời 
gian đáp ứng tăng kéo dài quá trình đi hết quỹ đạo 
của phương tiện. Để giải quyết vấn đề trên, người 
ta có thể xét ∆ có giá trị thay đổi theo thời gian từ 
nhỏ đến lớn. 
Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ, tập 20, số K5-2017 
67 
Hình 4. Mô hình cho vector LOS của tàu thuyền trong trường 
hơp không xét góc trượt bên β 
Như hình 4, ta có thể xác định góc ψ mong muốn 
của tàu theo công thức: 
arctan( )e
d p
y
 
. Lấy đạo hàm của ye 
trong công thức (8) ta được: 
sin( ) cos( ),
( cos( ) vsin( )) sin( )
( sin( ) cos( )) cos( ),
sin( ) cos( )
e p p
p
p
p p
y x y
u
u v
u v
  
  
  
 (11) 
 Biến đổi công thức (11) ở dạng biên độ pha 
chúng ta nhận được: 
2 2
sin( )
sin( )
e p
p
y u v
U
 
 
 (12) 
 Lưu ý: trong thực tế khi tàu di chuyển sẽ có 
thành phần ngoại lực như gió, dòng chảy hay 
những nhiễu không mong muốn tác động làm cho 
tàu đáng lý di chuyển theo phương của góc ψ sẽ bị 
lệch đi thêm một thành phần góc nhỏ trượt β. 
 Khi đó công thức ψd,
.
e
y trở thành: 
arctan( )
sin( )
e
d p
e p
y
y U
 
 
 (13) 
 Với β được định nghĩa động học là 
atan2( , )v u . Ta sẽ đánh giá ảnh hưởng của β 
với ngoại lực từ môi trường (cụ thể ở đây là gió, 
dòng chảy) tới chất lượng của hệ thống trong phần 
mô phỏng bên dưới. 
 Chúng ta có thể giải quyết những vấn đề mà 
khoảng cách ∆ mạng lại như đã đề cập ở trên bằng 
cách xây dựng ∆ như một biến có giá trị thay đổi 
theo thời gian: 
2
max min min
( )e e
K y (14) 
 Trong đó ∆max , ∆minvà hằng số biểu thị tốc độ hội 
tụ K có thể chọn từ mô hình tàu hay từ thực nghiệm. 
4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 
Với việc sử dụng phương pháp LOS cho bộ 
Guidance, về phương thức điều khiển để đạt được 
mục đích tự động lái phần đầu và vận tốc mong 
muốn trong quá trình di chuyển người ta có thể sử 
dụng nhiều cách điều khiển khác nhau để kết hợp 
với bộ Guidance một cách dễ dàng và phù hợp như 
PID, Sliding mode Trong bài viết này ta sẽ trình 
bày một phương pháp tiếp cận khác để giải quyết 
hai vấn đề tự động lái phần đầu và vận tốc mong 
muốn trong một bộ điều khiển duy nhất cho tàu là 
giải thuật cuốn chiếu. Cuốn chiếu là giải thuật điều 
khiển bền vững được xây dựng dựa trên định lý 
Lyapunov, do đó ta có thể dễ dàng phát triển thêm 
cho bộ điều khiển để đảm bảo cho các nhiễu môi 
trường và các loại nhiễu khác. Sau đây ta sẽ trình 
bày cụ thể cách xây dựng bộ điều khiển để thực 
hiện chức năng tự động lái phần đầu và đạt được 
vận tốc mong muốn. 
 Tiếp tục khai triển ta thu hệ phương trình sau: 
11 11 1
22 23 22 23 3
33 32 32 33 3
τ
Aτ
 τ
x ucos vsin
y usin vcos
r
m u n u
m v m r n v n r
m r m v n v n r
 
 

 (15) 
 Bước 1: 
 Đặt :
1
2
d
z
z
 
 
 Trong đó  1 2 3, ,
T
 và
2 2,1 2,2 2,3
, ,
T
z z z z 
 Đạo hàm ta có: 
1
3 2
d
T
d
T
d
z r r
h r
h z r

 Tương tự đạo hàm cho 
2
τ
Mz M M
N M
 
 
 Bước 2 : 
 Định nghĩa hàm Lyapunov điều khiển (CLF) như 
sau 
2
1 2 2
1 1
2 2
T
V z z Mz 
 Ta có đạo hàm của theo thời gian của nó là: 
1 1 2 2
1 3 2 2
τ
T
T T
d
V z z z Mz
z h z r z N M  
68 Science and Technology Development Journal, vol 20, No.K5-2017 
Chọn luật điều khiển ảo: 
 3 1 d
cz r 
(16) 
trong đó c>0 là hằng số dương. Từ đây thế α3 
vào V ta có kết quả sau: 
2
1 1 2 2
2
1 2 1
τ
τ
T T
T
V cz z h z z N M
cz z hz N M
 
 
từ đây luật điều khiển sẽ được chọn như sau: 
 2 1
Kz N M hz  
(17) 
trong đóK = KT = diag(k1, k2, k3)là ma trận 
đường chéo với các hệ số dương. Khi đó: 
2
1 2 2
 0
T
V cz z Kz 
 Điều này chứng tỏ với luật điều khiển đã xác 
định ở công thức (17) thì với tính chất của hàm 
CLF ta sẽ có tức là vấn đề autopilost đã 
được giải quyết. Tiếp theo chúng ta sẽ xem xét về 
bài toán vận tốc. 
 Bước 3: 
 Chú ý rằng    1 3 3, , , ,
T T
F Y N A       kết 
hợp với (4.3) ta có: 
1 11 1 11 1 1
3 22 2 23 3
22 23 2 2
3 32 2 33 3 32
33 3 3 1
m n u k u
m m
n v n r k v
m m n v
n r k r z
τ
Aτ
τ
 (18) 
 Ở đây sẽ được chọn để đảm bảo . Mà 
từ hệ phương trình của thuyền ta kết hợp với (18) 
suy ra 
1 11 11
11 1 11 1 1
11 1 1 1
0
m u d u
m n u k u
m u k u

Chọn
1 d
u để thỏa mãn chỉ tiêu. 
 Bây giờ ta cần cân bằng trong (17) và (18) để 
tìm ra
2
 .Ta có: 
 22 2 23 3 22 23 2 2 3m m n v n r k v A  
22 2 23 3 22 23 2 2
32 2 33 3 32 33 3 3 1
)(
m m n v n r k v
A m m n v n r k r z
22 32 2 22 2 22 2
23 3 23 3 23 3 2 2
33 3 32 2 32 2 33 3
33 3 3 3 1
(
)
m Am n v n
n r n m k v
A m n v n n r
n k r z
 22 32 2 22 32 2m Am n An  
(19) 
Trong đó 
2
23 33 1 2,3
22 32 2,2
23 33 2,3 1
2 2,2 3 2,3 1
d
d
m Am c z cz r
n An z
n An z cz r
k z A k z z
 
 Với kết quả trên ta đã giải quyết được hai vấn đề 
autopilot và vận tốc đã đề ra đồng thời cũng đảm 
bảo cho mối quan hệ ràng buộc giữa và trong 
tính chất qủa lực điều khiển tàu. Việc thiết kế bộ 
điều khiển đã hoàn thành ta sẽ kiểm tra thực 
nghiệm chất lượng bằng cách mô phỏng và đánh 
giá kết quả trong phần kế tiếp. 
5 MÔ PHỎNG 
Để đánh giá chất lượng bộ điều khiển đã thiết kế 
cho các ứng dụng thực tế ta sẽ thực hiện mô phỏng 
trong các điều kiện ngoại lực tác động từ môi 
trường như gió, dòng chảy để so sánh với trường 
hợp không có tác dụng của ngoại lực. 
 a)Gió: 
 Công thức tính toán cho ngoại lực gió đối với tàu 
chuyển động về phía trước với giả sử vận tốc tuyến 
tính của gió là và hướng gió trong hệ qui chiếu 
{e} là 
w
 theo [6]: 
 Vận tốc của gió trong hệ qui chiếu {e}: 
w w w
w w w
cos( ),
sin( )
u V
v V
 
 
 Lực gió: 
w
w
w2
w w
w
w
w
( )
( )
( )1
( )2
( )
( )
X r Fw
Y r Lw
Z r Fw
ind a r
K r Lw Lw
M r Fw Fw
N r Lw oa
C A
C A
C A
V
C A H
C A H
C A H



 



 trong đó 
a
 : là tỉ trọng không khí 
 2 2 2
w w wr r r
V u v : là vận tốc tuyến tính tương 
ứng của gió so với thuyền 
w r
tan 2( , )
r rw w
a v u : là góc tác động của gió 
vào thuyền 
với 
r ww
u u u và r wwv v v 
Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ, tập 20, số K5-2017 
69 
Đối với tàu có biên dạng đối xứng thì có thể xấp 
xỉ cho tàu chuyển động theo phương ngang các 
thành phần sau: 
w w
w w
w w
( ) cos( )
( ) sin( )
( ) sin(2 )
X r x r
Y r y r
N r n r
C c
C c
C c
 
 
 
trong đó các tính toán thực nghiệm cho thấy rằng 
{0,5;0,9), {0,7;0,95), {0,05;0, 2)
x y n
c c c 
 b)Dòng chảy: 
 Giả sử dòng chảy có vận tốc tuyến tính là và 
hướng dòng chảy trong hệ qui chiếu {e} chỉ xét 
theo phương ngang là . Khi đó ta có vận tốc của 
dòng chảy xét trong hệ qui chiếu {e} là: 
 , 
 Theo [6] thì phương trình động lực học bao gồm 
cả dòng chảy cho tàu di chuyển theo phương ngang 
với giả sử dòng chảy thay đổi rất chậmsẽ là : 
trong đó với và 
 Do đó với cách thiết kế bộ điều khiển ở phần trên 
ta chỉ việc thay thế thành và các thành phần 
bên trong tương ứng của nó sẽ vẫn giữ nguyên 
được sự chính xác trong phương thức điều khiển 
trong trường hợp bao gồm cả dòng chảy. Tiếp theo 
ta sẽ thực hiện mô phỏng để dánh giá chất lượng 
của bộ điều khiển. 
Các thông số sử dụng để mô phỏng được lấy từ 
mô hình tàu CyberShip II (CS2) có khối lượng là 
15 kg và chiều dài 1.255 m của phòng thí nghiệm 
Mariner Cybernetics (MCLab) thuộc học viện 
NTNU trong [6] vì có tính tương đồng trong hình 
dáng (tàu một thân) và cách thức điều khiển (chỉ tác 
động lực đẩy tới và góc bánh lái ). 
11
22 23
32 33
0 0 25,8 0 0
0 0 33,8 1, 0115
0 0 1, 0115 2, 76
m
M m m
m m
11
22 23
32 33
0 0 2 0 0
0 0 7 0,1 
0 0 0,1 0,5
n
N n n
n n
Các thông số cài đặt cho mô phỏng được chọn 
trong các công thức (17), (18) và (19) là c = 1,75; 
k1= 25; k2 = 10; k3 = 15; A = 1,2. 
Trường hợp 1: Sóng vuông và không có ngoại 
lực (hình 5) 
 Thiết đặt các giá trị ban đầu: 
p0 =(x0; y0) = (40, 5), 0= -pi. Các điểm waypoint 
(x; y) bao gồm: wpt1 = (50; 0); wpt2 = (0; 0); wpt3 
= (0; 20); wpt4 = (50; 20); wpt5 = (50; 40); wpt6 = 
(0; 40); wpt7 = (0; 60); wpt8 = (50; 60); wpt9 = 
(50; 80); wpt10 = (0; 80). 
 Nhận xét: Đường dẫn với ∆ = hằng số sẽ hội tụ 
về đường mong muốn chậm hơn so với đường dẫn 
có ∆ là một biến đã được xây dựng như một 
phương trình thay đổi theo thời gian. 
Hình 5. Đường dẫn thực tế hội tụ về đường dẫn mong muốn với khoảng cách ∆ = hằng số = 0.5m (chấm gạch), và với khoảng cách 
∆ thay đổi theo thời gian ∆max = 0.5m, ∆min= 0.1 m, K =1 (nét liền) 
Trường hợp 2: Zig-zag và không có ngoại lực 
(hình 6) 
 Thiết đặt các giá trị ban đầu: p0 = (x0; y0) = 
(5;-10), 0 = -pi. Các điểm waypoint (x;y): wpt1 = 
(0; 0); wpt2 = (20; 10); wpt3 = (0; 20); wpt4 = (20; 
40); wpt5 = (0; 60). 
Nhận xét: Khi vận tốc là 1 m/s thì bán kính 
R = 0,7 m sẽ giúp đối tượng sau khi qua bộ điều 
khiển bám theo quỹ đạo mong muốn. Nhưng khi 
vận tốc tàu tăng lên, nếu vẫn chọn bán kính hội tụ 
nhỏ (R = 0,7 m) thì khi qua các điểm waypoint do 
vận tốc lớn nên quán tính tàu lớn sẽ làm đường đi 
thực tế không bám tốt theo được đường đi mong muốn. 
70 Science and Technology Development Journal, vol 20, No.K5-2017 
Hình 6. Đường dẫn thực tế hội tụ về đường mong muốn với vận tốc U = 1 m/s (nét liền) và với vận tốc U = 2 m/s (đường chấm 
gạch). Cả 2 hình đều chọn bán kính hội tụ R = 0,7 m. 
Trường hợp 3: Zig-zag và có ngoại lực (hình 7) 
 Thiết đặt các giá trị ban đầu: 
p0 = (x0; y0) =(-5;2), 0 = 0. 
Các điểm waypoint (x;y) : wpt1 = (0; 0); wpt2 = 
(20; 10); wpt3 = (0; 20); wpt4 = (20; 40); wpt5 = 
(0; 60). 
Nhận xét: Trong điểu kiện có nhiễu gió và dòng 
chảy, hướng di chuyển của con tàu sẽ bị lệch đi một 
thành phần trượt bên mà ta gọi đó là β, nếu không 
bù trừ thành phần này hệ thống sẽ không thể bám 
theo đường đi mong muốn như minh họa cụ thể 
trong hình 7. 
Hình 7. Đường dẫn thực tế hội tụ về đường mong muốn với vận tốc U = 1m/s trong điều kiện có nhiễu sóng gió với hình bên trái là 
không xét đến thành phần biến β và hình bên phải là có bổ sung thành phần β trong thuật toán LOS của hệ dẫn đường. 
6 KẾT LUẬN 
Trong bài viết này ta đã nêu ra hai vấn đề chính 
cho một tàu tự hành là tự động lái phần đầu và đạt 
được vận tốc mong muốn trong quá trình di 
chuyển, đồng thời cũng trình bày phương hướng 
giải quyết và thiết kế bộ Guidance và Controller 
cho nó. Các kết quả thu được qua mô phỏng là phù 
hợp và khả quan với thực tế. Khả năng hội tụ về 
đường đi mong muốn và đi trên đó cho thấy tính 
chính xác của Guidance và chất lượng của 
Controller. Bên cạnh đó việc so sánh tác động của 
tỉ lệ giữa bán kính hội tụ R,và vận tốc cũng như sự 
thay đổi độ lớn ∆ của tàu đến chất lượng quỹ đạo sẽ 
giúp người thiết kế hiểu rõ tính chất các thông số để 
tinh chỉnh chúng cho phù hợp và đạt được chỉ tiêu 
mong muốn cũng được trình bày rõ ràng trong phần 
mô phỏng. Ta cũng có thể phát triển thêm cho bộ 
điều khiển bằng cách đánh giá các thành phần 
không chắc chắn và sử dụng hàm Lyapunov để giải 
quyết và đảm bảo cho bộ điều khiển làm việc tốt 
trong điều kiện có nhiễu. Nhìn chung bài viết đã 
Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ, tập 20, số K5-2017 
71 
đưa ra vấn đề trong tàu tự hành và đề ra phương 
pháp giải quyết, kết quả mô phỏng đã giải thích và 
chứng minh cho chất lượng và tính khả thi cho 
phương pháp này. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Micaelli A, & Samson C. Trajectory 
tracking for unicycle-type and two-steering-
wheels mobile robots. Research report 2097. 
Inst. National de Recherche en Informatique 
et en Automatique (1993). 
[2] Hauser J, & Hindman R. Maneuver 
regulation from trajectory tracking: 
feedback linearizable systems. Proceedings 
of the IFAC symposium on nonlinear 
control systems design. IFAC, Lake Tahoe, 
CA, USA, 595–600 (1995). 
[3] Hauser J, & Hindman R. Aggressive flight 
maneuvers. Proceedings of the 36th IEEE 
conference on decision & control. IEEE, 
San Diego, CA, USA, 4186–4191 (1997). 
[4] Pettersen KY, & Lefeber E. Way-point 
tracking control of ships. Proceedings of the 
40th IEEE conference on decision & 
control. IEEE, Orlando, FL, USA, 940–945 
(2001). 
[5] Fossen TI. Marine Control Systems 
Guidance, Navigation, and Control of 
Ships, Rigs and Underwater Vehicles. 
Marine cybernetics AS (2002). 
[6] Fossen TI. Handbook of Marine Craft 
Hydrodynamics and Motion Control. Wiley, 
New York (2011). 
[7] The Society of Naval Architects and Marine 
Engineers. Nomenclature for treating the 
motion of a submerged body through a 
fluid, Technical and Research Bulletin No. 
1–5 (1950). 
[8] James R. Wilkins IV. Propeller Design 
Optimization for Tunnel Bow Thrusters in 
the Bollard Pull Condition. B.S., Systems 
Engineering United States Naval Academy, 
2004. 
Trần Ngọc Huy nhận bằng 
thạc sĩ và tiến sĩ tại Khoa 
Cơ khí trường Đại học 
Korea Maritime and Ocean 
University năm 2012 và 
2015. Tác giả hiện là giảng 
viên khoa Điện – Điện tử, 
trường Đại học Bách Khoa, 
ĐHQG-HCM. Tác giả nghiên cứu về lĩnh vực 
robot, hệ thống định vị và cơ điện tử. 
Phạm Nguyễn Nhật Thanh 
sinh năm 1995 hiện đang theo 
học tại Khoa Quản lý và Tự 
động hoá tại Trường Đại học 
Bách Khoa, ĐHQG-HCM. Các 
hướng nghiên cứu của tác giả 
robot, hệ thống định vị và cơ 
điện tử. 
Võ Hồng Thái Bảo sinh năm 
1995 hiện đang theo học tại 
Trường Đại học Bách Khoa, 
ĐHQG-HCM. Các hướng 
nghiên cứu của tác giả robot, 
hệ thống định vị và cơ điện tử. 
72 Science and Technology Development Journal, vol 20, No.K5-2017 
Abstract—Controlling the unmanned surface 
vehicles to follow the object or define trajectory 
have many important applications in the field as 
military, survey quality environment so this 
problem has been much research on the world. 
This report represents the method to control the 
unmanned surface vehicles which use thruster 
with coupling follow square or zig-zag 
trajectories using the Line of Sight (LOS) 
algorithm combined with the Backstepping 
Controller. The system consists of three main 
blocks, Guidance - Control - Ship. Guidance will 
help to select waypoints to create the trajectory 
the use the LOS algorithm with lookahead 
distance to adjust and calculate the desired 
heading angle ψ. Control with the Backstepping 
algorithm will calculate the force and moment to 
apply to the dynamic model of the Ship. The 
position and heading angle of the vehicles will be 
feedback to the two Guidance-Control blocks 
for calculation and updating. The effectiveness 
of the algorithm will be presented in simulation 
results with MATLAB / SIMULINK 
Keywords—Guidance, Path-Following, Line of 
sight, Lookahead distance, Control, Backstepping. 
A study on tracking controller design 
for unmanned surface vehicles 
using magnetic coupling thruster 
Tran Ngoc Huy, Pham Nguyen Nhut Thanh, Vo Hong Thai Bao