Ứng dụng mạng nơ - rôn truyền thẳng nhiều lớp trong thiết bị lái tự động điều khiển hướng chuyển động của tàu ngầm

 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 71 - 2009 
12 
ỨNG DỤNG MẠNG NƠ - RÔN TRUYỀN THẲNG NHIỀU LỚP TRONG THIẾT BỊ 
LÁI TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN HƢỚNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA TÀU NGẦM 
APPLICATION OF MULTILAYER FEEDFORWARD NEURAL NETWORKS 
INTO AN AUTOPILOT FOR HEADING OF AN UNDERWATER VEHICLE 
Phạm Hữu Đức Dục 
Trường Đại học Kinh tế-Kỹ thuật Công nghiệp 
TÓM TẮT 
Tàu ngầm hoạt động thường gặp các chướng ngại vật trên hành trình. Vì vậy vấn đề đặt ra là 
cần trang bị cho nó một thiết bị lái tự động có mức độ thông minh cao, không cần có người điều khiển, 
mà tàu ngầm vẫn đi qua được các chướng ngại vật theo một hành trình đã định trước. Bài báo này 
giới thiệu động học hướng chuyển động của tàu ngầm, sau đó đề xuất một giải pháp ứng dụng mạng 
nơ - rôn truyền thẳng nhiều lớp đóng vai trò là thiết bị lái tự động hướng chuyển động trang bị cho tàu 
ngầm loại Remus với mục đích là làm tăng mức độ thông minh của thiết bị này và thực hiện mô phỏng 
trên phần mềm Matlab. Kết quả mô phỏng ứng dụng mạng nơ - rôn truyền thẳng nhiều lớp cho thiết bị 
lái tự động hướng chuyển động của tàu ngầm loại Remus sẽ cho thấy tính ưu việt và khả thi của giải 
pháp này. 
ABSTRACT 
When an underwater vehicle runs, it usually has to face up with a lot of obstacles on its 
itinerary. Hence, the matter is that it needs an intelligent autopilot which helps the vehicle be able to 
go through the obstacles to follow the target itinerary. This article is purposed to both introduce the 
heading of underwater vehicle model and propose a solution applying multilayer feed forward 
networks into an autopilot used for the heading of Remus underwater vehicle with the aim of 
increasing an intelligence level of an autopilot and it is simulated by Matlab software. The result of 
the simulation in the Matlab software when using feed forward neural networks into an autopilot used 
for heading of an underwater vehicle in an autopilot shows that the solution is advantageous and 
feasible. 
I. MỞ ĐẦU 
Tàu ngầm hoạt động thường gặp các 
chướng ngại vật trên hành trình. Để nó có thể 
vượt qua chúng, cần thay đổi hướng chuyển 
động theo lộ trình hợp lý. Với tàu ngầm có 
người điều khiển, hướng chuyển động được 
điều chỉnh bằng cách thực hiện quay tay lái 
điều khiển bánh lái. Có khá nhiều trường hợp 
cần khảo sát phía dưới mặt nước nhưng gây 
nguy hiểm cho thuỷ thủ đoàn, do đó cần có một 
loại tàu ngầm được trang bị thiết bị lái tự động 
có độ thông minh cao không có người điều 
khiển, cho phép hướng chuyển động của tàu 
ngầm bám theo được hướng chuyển động mẫu 
đã được định trước. Như vậy cần thiết kế một 
bộ điều khiển thích nghi đóng vai trò là thiết bị 
lái tự động có độ thông minh cao trang bị cho 
tàu ngầm sao cho hướng chuyển động của nó 
bám theo được hướng chuyển động mong muốn 
xác định trước mà không cần có người điều 
khiển. 
Mạng nơ - rôn truyền thẳng nhiều lớp có 
nhiều ưu điểm là có cấu trúc đơn giản, có luật 
học lan truyền ngược của sai lệch tin cậy. Vì 
vậy ứng dụng nó trong các lĩnh vực nhận dạng, 
nhận mẫu và điều khiển sẽ đáp ứng được yêu 
cầu đặt ra. 
Bài báo này đề xuất một giải pháp ứng 
dụng mạng nơ - rôn truyền thẳng nhiều lớp 
đóng vai trò là thiết bị lái tự động trang bị cho 
tàu ngầm loại Remus làm việc phía dưới mặt 
nước, ở độ sâu không đổi, bám theo được 
hướng chuyển động mong muốn để làm tăng 
mức độ thông minh của thiết bị này, không đề 
cập đến điều khiển tàu ngầm thực hiện lặn sâu 
hoặc nổi lên mặt nước. 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 71 - 2009 
13 
II. ĐỘNG HỌC HƢỚNG CHUYỂN ĐỘNG 
CỦA TÀU NGẦM 
Phần này đưa ra mô hình hướng chuyển 
động của tàu ngầm, không nghiên cứu đến mô 
hình lặn sâu, nổi lên. Theo [1] mô hình tàu 
ngầm được thiết lập với các giả thiết sau. 
Mô hình ở dạng vật rắn tuyệt đối; sự 
quay của trái đất không ảnh hưởng đến các 
thành phần chuyển động của tàu ngầm; tàu 
ngầm có kết cấu là đối xứng theo trục dọc thân 
tàu; tàu ngầm đang chuyển động thẳng, đều với 
tốc độ chuyển động nhỏ, ở độ sâu không đổi, 
trên mặt phẳng nằm ngang, phía dưới mặt nước. 
Do đó khi cần xác định vectơ tốc độ thay đổi 
hướng r một cách gần đúng, chỉ cần quan tâm 
về độ lớn của nó, còn yếu tố về phương và 
chiều có thể coi là không thay đổi. Sau đây là 
các phương trình mô tả tác động của các lực 
thành phần làm tàu ngầm bị lắc và bị lệch 
hướng ảnh hưởng đến hướng chuyển động của 
nó: 
0r Uu  (1) 
f0r YrmUvm  (2) 
fzz NrI  (3) 
r (4) 
m là khối lượng của tàu ngầm; ru là tốc độ 
chuyển động của tàu ngầm với 
constUu 0r  ; rv , rv tương ứng là tốc 
độ, gia tốc lắc;  là hướng chuyển động; r , r 
tương ứng là tốc độ, gia tốc chuyển hướng; 
zzI là mômen quán tính. 
Với các giả thiết trên cho phép tồn tại sự 
cân bằng giữa lực đẩy thuỷ lực và phản lực 
giống như trọng lượng và lực đẩy của nước làm 
tàu ngầm nổi lên. Các lực thuỷ động học có 
quan hệ với tốc độ, gia tốc của tàu ngầm khi bị 
lắc hoặc bị lệch hướng so với hướng ban đầu 
(giả thi ế t là đường thẳng). Do tàu ngầm 
có kết cấu đối xứng theo trục dọc thân tàu nên 
các thông số thay đổi theo phương nằm ngang 
độc lập với nhau. [1] đã đưa ra các phương 
trình sau đây mô tả sự thay đổi của các lực thuỷ 
động học làm tàu ngầm bị lắc, bị lệch hướng 
theo phương nằm ngang: 
 t,,dt/dr,r,dt/dv,vfY rrrf  (5) 
 t,,dt/dr,r,dt/dv,vfN rrrf  (6) 
Lực tác động của bánh lái được phân 
thành hai thành phần tuyến tính là: rY  và 
rN  ( r là góc của bánh lái). Thực hiện khai 
triển (5), (6) theo chuỗi Taylo, biến đổi có 
fY và fN tương ứng là thay đổi của lực tác 
động ngang làm tàu ngầm bị lắc và mômen 
quay làm tàu ngầm bị lệch hướng, viết ở dạng 
phương trình tuyến tính sau đây: 
rrrrvrvf YrYrYvYvYY rr
   (7) 
rrrrvrvf NrNrNvNvNN rr
   (8) 
trong đó các hệ số của hai phương trình tuyến 
tính (7), (8) có dạng sau đây: 
;
v
Y
Y
r
f
vr  

 ;
v
Y
Y
r
f
vr 

 ;
r
Y
Y fr  

 ;
r
Y
Y fr


 
;
v
N
N
r
f
vr  

 ;
v
N
N
r
f
vr 

 ;
r
N
N fr  


r
N
N fr


 
Từ các phương trình (1) đến (8) thực hiện 
các phép biến đổi được phương trình trạng thái 
động học hướng chuyển động của tàu ngầm viết 
ở dạng ma trận như sau: 
r
r
r
r
v
0r
r
v
r
rzz
r
v
r
r
v
0
N
Y
r
v
010
0NN
0mUYY
r
v
100
0NIN
0YYm




































 






























(9) 
III. ỨNG DỤNG MẠNG NƠ - RÔN 
TRUYỀN THẲNG NHIỀU LỚP TRONG 
THIẾT BỊ LÁI TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 
HƢỚNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA TÀU 
NGẦM LOẠI REMUS 
Phần này trình bày một giải pháp ứng 
dụng mạng nơ - rôn truyền thẳng nhiều lớp 
trong thiết bị lái tự động điều khiển thích nghi 
hướng chuyển động của tàu ngầm loại Remus. 
Loại tàu ngầm này được thiết kế tại phòng thí 
nghiệm Oceanographic Systems, Wood’s Hole 
Oceanographic Institute [1], được sử dụng để 
hoạt động khảo sát thuỷ văn ở vùng nước có độ 
sâu từ 40 đến 100 feet. Nó có bốn vây ở sườn, 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 71 - 2009 
14 
hai nằm ngang và hai thẳng đứng. Mô hình tàu 
ngầm loại Remus trình bày tại hình 1. 
Hình 1. Mô hình tàu ngầm loại Remus 
3.1 Xây dựng bài toán điều khiển 
 Phần này trình bày giải pháp thiết kế 
thiết bị lái tự động ứng dụng mạng nơ - rôn 
truyền thẳng nhiều lớp, thoả mãn điều kiện khi 
hướng chuyển động mong muốn d thay đổi 
thì góc quay của bánh lái r sẽ thay đổi một 
cách tự động nhằm thực hiện tác động điều 
khiển làm cho hướng chuyển động của tàu 
ngầm  luôn bám theo được d cho trước. 
Từ (9) thực hiện biến đổi, phương trình trạng 
thái động học của tàu ngầm có dạng: 
rBAxx  (10) 









 














010
0NN
0mUYY
100
0NIN
0YYm
A rv
0rv
1
rzzv
rv
r
r
r
r


;
0
N
Y
100
0NIN
0YYm
B
1
rzzv
rv
r
r






















 




 Tr rvx  (11) 
Giả thiết tồn tại ma trận nghịch đảo: 
0
100
0NIN
0YYm
 det rzzv
rv
r
r















 (12) 
hay: 0YN)NI)(Ym( rvrzzv rr
  
3.2 Thiết lập sơ đồ điều khiển 
Hình 2 là sơ đồ thiết bị lái tự động điều 
khiển thích nghi hướng chuyển động tàu ngầm 
theo phương pháp mô hình mẫu ứng dụng 
mạng nơ - rôn truyền thẳng nhiều lớp. Mạng nơ 
- rôn )1xxn1( 2 đóng vai trò là thiết bị lái tự 
động có nhiệm vụ tạo tín hiệu điều khiển là góc 
bánh lái r thay đổi tự động làm cho hướng 
chuyển động của tàu ngầm  luôn bám theo 
được hướng chuyển động mẫu mong muốn d 
đã được cho trước. Sơ đồ bộ điều khiển ứng 
dụng mạng nơ - rôn truyền thẳng nhiều lớp 
trong thiết bị lái tự động của tàu ngầm trình bày 
ở hình 3. Mạng nơ - rôn )1xxn1( 2 gồm có ba 
lớp: lớp vào có số nút là 1n1  đưa tín hiệu sai 
lệch  de vào mạng; lớp ra có số nút là 
1n 3  đưa tín hiệu điều khiển là góc quay của 
bánh lái là r điều khiển hướng chuyển động 
của tàu ngầm; lớp ẩn có số nút là 2n cần được 
xác định trong quá trình điều khiển. 
3.3 Quá trình điều khiển 
 Phần này trình bày luật học lan truyền 
ngược theo sai lệch [2] để tìm luật điều 
Hình 2. Sơ đồ ứng dụng mạng nơ - rôn truyền thẳng 3 lớp )1xxn1( 2 trong thiết bị lái tự động của tàu 
ngầm loại Remus 
Hướng 
mong 
muốn 
Mô hình 
tàu ngầm 
Remus 
r 
d 
Luật học lan truyền 
ngược theo sai lệch 
+ 
_ Mạng nơ - rôn 
truyền thẳng 3 lớp 
 )1xxn1( 2 
Thiết bị lái tự động 
 e 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 71 - 2009 
15 
chỉnh ma trận trọng số và bias của mạng 
)1xxn1( 2 là: 1xnmj1 2]w[w 
; 
2xn1im2
]w[w  
ma trận bias: 
2xn1m2
]b[b  ; 1x1i3 ]b[b  
(với ;1j 2n,...,2,1m  ; 1i  ) để tạo ra 
được tín hiệu điều khiển góc lái tự động r 
sao cho  luôn bám theo được d cho trước, 
tức là sai lệch điều khiển đạt cực tiểu. Luật cập 
nhật bộ các giá trị điều chỉnh của mạng 
1xn x1 2 như sau: 
Lớp ra : 
)k(w)1k(w)k(w imimim  (13) 
))k(b)k(v(a)k()k(w mmiim  
)k(b)1k(b)k(b iii  (14) 
trong đó: )k()k(b ii  (víi 1i  ) 
)k(e))k(b)k(v('a)k( iii  (15) 
 

2n
1m
mmimi ))k(b)k(v(a)k(w)k(v (16) 
(với 2n,...,2,1m  ; 1i  ). 
Lớp ẩn: )k(w)1k(w)k(w mjmjmj  (17) 
))k(b)k(v(a)k(w jjmmj  
)k(b)1k(b)k(b mmm  (18) 
 )k()k(b mm  
  

1
1i
iimmmm )k()k(w))k(b)k(v('a)k( (19) 
)k(e)k(w)k(x)k(w)k(v mj
1
1j
jmjm 

 (20) 
( ;1j 2n,...,2,1m  ;i=1); )k(b),k(w iim  
tương ứng là thay đổi trọng số liên kết giữa các 
nút ở lớp ẩn với các nút ở lớp ra, thay đổi bias 
của nút ở lớp ra tại thời điểm thứ k; 
)k(b),k(w mmj  tương ứng là thay đổi 
trọng số liên kết giữa các nút ở lớp vào với các 
nút ở lớp ẩn và thay đổi bias của nút ở lớp ẩn tại 
thời điểm thứ k; )k(),k( mi  là sai lệch 
tương ứng của nút thứ i lớp ra và nút thứ m lớp 
ẩn tại thời điểm thứ k; )k(v),k(v im tương 
ứng là trọng lượng của nút thứ m ở lớp ẩn và 
nút thứ i ở lớp ra tạithời điểm thứ k; )k(x j là 
tín hiệu vào nút thứ j lớp vào tại thời điểm thứ 
k;  là hệ số học ( 10  ); )k(e)k(x j  ; 
1j ) a(.) là hàm chuyển đổi tang hyperbolic: 
1
e1
2
)net(a
net2




; 
net
)net(a
)net('a


 ; 
   

T
1k
2
33d
T
1k
2 )k(b)k(v(a)k(
2
1
)k(e
2
1
E (21) 
 Sử dụng các công thức từ (13) đến (21) 
tìm bộ thông số điều chỉnh là các ma trận trọng 
số, bias của mạng )1xxn1( 2 thoả mãn điều kiện 
cpEE  (22) ( cpE là sai lệch cho phép); 
)k(e là sai lệch tại thời điểm thứ k; T là số 
lượng điểm lấy mẫu của chu kỳ học; 
)T,...,2,1(k  . Nếu chưa thoả mãn, tiếp tục 
thay đổi số nút ở lớp ẩn 2n cho đến khi thoả 
mãn (22). Chú ý cần đảm bảo yêu cầu thiết bị 
lái tự động cần có cấu trúc không quá phức tạp, 
do đó số nút ở lớp ẩn 2n của mạng 
)1xxn1( 2 cần có giá trị nhỏ nhất mà vẫn đảm 
bảo điều kiện (22). 
3.4 Kết quả mô phỏng 
 Thực hiện mô phỏng trên Matlab với các 
thông số của tàu ngầm loại Remus [1]: 
3m  (kg); 543.1U0  (m/s);
),kg(5.35Y
rv
 
),rad/kgm(93.1Yr  ),s/kg(6.66Y rv  
),s/kgm(2.2Yr  ),kgm(93.1N rv  
),rad/kgm(88.4N 2r  ),s/kgm(47.4N rv  
),m/kg(45.3I 3zz  ),s/kgm(87.6N
2
r  
),s/kgm(5.3/6.34N 2d  ),s/kgm(5.3/6.50Y
2
d 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 71 - 2009 
16 
Hình 3. Sơ đồ mạng nơ - rôn truyền thẳng 3 
lớp )1xxn1( 2 trong thiết bị lái tự động. 
hướng chuyển động mong muốn d biểu diễn 
tại đồ thị hình 4. Thực hiện mô phỏng với 
phần mềm Matlab. Kết quả mô phỏng được 
trình bày trên các đồ thị từ hình 5 đến hình 11. 
Các đồ thị từ hình 5 đến hình 9 tương ứng mô tả 
hướng mong muốn d (nét đứt) và hướng sau 
điều khiển  (nét liền) khi lần lượt sử dụng các 
loại mạng nơ - rôn truyền thẳng: )1x2x1( , 
)1x3x1( , )1x4x1( , )1x5x1( , )1x6x1( . Dễ 
nhận thấy tín hiệu  đã bám theo được d 
nhưng ở các mức độ khác nhau. Cần chọn loại 
mạng nơ - rôn truyền thẳng có số nút ở lớp ẩn 
6n2  , tức là chọn được mạng nơ - rôn truyền 
thẳng ba lớp có cấu trúc là )1x6x1( đóng vai 
trò là thiết bị lái tự động cho tàu ngầm vì có 
hướng sau điều khiển  (nét liền) bám theo 
hướng mong muốn d (nét đứt) (hình 9) tốt 
nhất. Đồ thị hình 10, hình 11 mô tả tín hiệu 
điều khiển bánh lái r và đồ thị không gian 3 
chiều mô tả quan hệ giữa ba tín hiệu 
) , ,( rd  ứng với trường hợp sử dụng 
mạng )1x6x1( . 
0 200 400 600 800 1000 1200
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Hình 4. Đồ thị hướng 
mong muốn d 
0 200 400 600 800 1000 1200
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
Hình 5. Hướng mong 
muốn d (nét đứt), 
hướng chuyển động  
(nét liền) sử dụng mạng 
)1x2x1( 
0 200 400 600 800 1000 1200
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
Hình 6. Hướng mong 
muốn d (nét đứt), 
hướng chuyển động 
 (nét liền) sử dụng 
mạng )1x3x1( 
0 200 400 600 800 1000 1200
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
Hình 7. Hướng mong 
muốn d (nét đứt), 
hướng chuyển động 
 (nét liền) sử dụng 
mạng )1x4x1( 
0 200 400 600 800 1000 1200
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
Hình 8. Hướng mong 
muốn d (nét đứt), 
hướng chuyển động 
 (nét liền) sử dụng 
mạng )1x5x1( 
0 200 400 600 800 1000 1200
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
Hình 9. Hướng mong 
muốn d (nét đứt), 
hướng chuyển động  
(nét liền) sử dụng mạng 
)1x6x1( 
0 200 400 600 800 1000 1200
-0.1
-0.08
-0.06
-0.04
-0.02
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
Hình 10. Đồ thị tín 
hiệu điều khiển góc 
quay của bánh lái 
r
 khi sử dụng 
mạng )1x6x1( 
-1
-0.5
0
0.5
1 -2
-1
0
1
2
-0.1
-0.05
0
0.05
0.1
Huong tau ngam (), don vi=rad
Huong tau ngam mong muon(
m
), don vi=rad
G
o
c
 q
u
a
y
 b
a
n
h
 l
a
i 
( 
),
 d
o
n
 v
i=
ra
d
Hình 11. Đồ thị ba 
chiều mô tả quan hệ 
) , ,( rd  khi sử 
dụng mạng )1x6x1( . 
Các đồ thị hình 9 và hình 10 cho thấy 
hướng chuyển động  của tàu ngầm khi sử 
dụng mạng )1x6x1( bám theo được hướng 
chuyển động mong muốn d với độ đập mạch 
và độ quá điều chỉnh là nhỏ và tín hiệu điều 
khiển r có độ đập mạch nhỏ phù hợp với yêu 
cầu đặt ra đối với thiết bị lái tự động cho tàu 
ngầm. Kết quả ma trận trọng số và bias điều 
chỉnh tại thời điểm 1200k  của mạng 
)1x6x1( : 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 71 - 2009 
17 
 T0.1315-0.07410.16240.19600.1685-0.1495)1200(1w  
 0.1924-0.18000.0100-0.10660.0294-0.1615)1200(2w  
 0.03080.11510.06980.16020.05930.0929)1200(2b  
 0.0442-)1200(3b  . 
IV. KẾT LUẬN 
Kết quả mô phỏng đã cho thấy giải pháp 
ứng dụng mạng nơ - rôn truyền thẳng (1x6x1) 
trong thiết bị lái tự động trong điều khiển thích 
nghi hướng chuyển động của tàu ngầm loại 
Remus là phù hợp, vì hướng chuyển động  đã 
bám sát theo được hướng chuyển động mẫu 
mong muốn Ψd. Ứng dụng mạng nơ - rôn 
truyền thẳng nhiều lớp trong điều khiển là một 
hướng nghiên cứu mới, chưa được ứng dụng 
nhiều tại nước ta. Giải pháp này góp phần 
khẳng định hướng nghiên cứu ứng dụng mạng 
nơ - rôn truyền thẳng nhiều lớp là đúng đắn và 
là lĩnh vực cần được quan tâm hơn nữa. Đây 
thực sự là một giải pháp mới, cải thiện được 
mức độ thông minh của thiết bị lái tự động điều 
khiển thích nghi hướng chuyển động của tàu 
ngầm nói riêng và có thể ứng dụng nó trong các 
lĩnh vực điều khiển hệ tuyến tính hoặc phi 
tuyến khác nói chung. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. Lynn Renee Fodrea, Obstacle avoidance control for the Remus autonomous underwater vehicle, 
Monterey, California, 2002. 
2. C.T. Lin, C.S. George Lee; Neural Fuzzy systems; Prentice Hall Internatinal, 1996. 
3. Astrom K.J.,Wittenmark B., Adaptive Control, Reading, MA: Addison Wesley, 1989. 
4. Eduardo F. Camacho, Carlos Bordon; Model Predictive Control; Springer Verlag London 
Limited, 1999. 
5.  Matlab-the Language of Technical Computing; 1996. 
Địa chỉ liên hệ: Phạm Hữu Đức Dục - Tel: 0913.238632; Email: phdduc.uneti@moet.edu.vn 
 Trường Đại học Kinh tế Kỹ thuật công nghiệp 
 Số 456, Minh Khai, Hà Nội