Về một phương pháp giải bài toán tự động định vị cho máy bay không người lái theo bản đồ địa phương

BỘGIÁODỤCVÀĐÀOTẠO BỘQUỐCPHỊNG VIỆNKHOAHỌCVÀCƠNGNGHỆQNSỰ PHẠMVĂNHỊA VỀMỘTPHƯƠNGPHÁPGIẢIBÀITỐNTỰĐỘNG ĐỊNHVỊCHOMÁYBAYKHƠNGNGƯỜILÁITHEO BẢN ĐỒ ĐỊA PHƯƠNG Chunngành:KỹthuậtĐiệntử Mã số: 62 52 02 03 TĨMTẮTLUẬNÁNTIẾNSĨKỸTHUẬT HÀNỘI-2018 Cơngtrìnhđượchồnthànhtại: VIỆNKHOAHỌCVÀCƠNGNGHỆQNSỰB Ộ QUỐC PHỊNG Ngườihướngdẫnkhoahọc: PGS.TSNguyễnThế Hiếu TSLêKỳBiên Phảnbiện1:PGS.TSTrầnĐứcTân TrườngĐạihọcCơngnghệ,ĐạihọcQuốcgiaHàNội Phảnbiện2:PGS.TSLêVĩnhHà ViệnKhoahọcvàCơngnghệqnsự Phảnbiện3:TSPhanNhậtGiang HọcviệnKỹthuậtQnsự LuậnánđượcbảovệtrướcHộiđồngchấmluậnáncấpViệnhọptạiViện KH&CNqnsựvàohồi……ngày……tháng ……năm2018 Cóthểtìmhiểuluận ántạithưviện: - ThưviệnViệnKH&CNquânsự - ThưviệnQuốcgiaViệtNam MỞĐẦU Tínhcấpthiếtcủađềtàiluậnán Gần đây, máy bay không người lái (UAV) trở thành nhân tố quan trọng, phát huy hiệu tác chiến đại, khả hoạt động lại phụ thuộc nhiều vào hệ thống định vị dẫn đường khoang Việc nghiên cứu phươngpháp định vị dẫn đườngcho UAV thiết bị bay thu hút quan tâm nhà khoa học Tuy nhiên doliênquanđếnứngdụngquânsự,nhữngkếtquảnghiêncứuvàgiảipháp chi tiết cho hệ thống dẫn đường tham chiếu địa hình (TAN), TAN sử dụng thiết bị định vị vô tuyến (ĐVVT) khoang công bố rộng rãi, nước ta chưa quan tâm nhiều Vì vậy, nghiên cứu phương pháp TAN sử dụng thiết bị ĐVVT khoang cho UAV cần thiết, có ý nghĩa khoa học thực tiễn nước ta Xuất phát từ lý trên, nghiên cứu sinh chọn đề tài nghiên cứu cho luận án tiến sĩ “Về phương pháp giải toán tự động định vị cho máy bay không người lái theo đồ địa phương” Mụctiêunghiêncứucủaluậnán - Nghiên cứu xây dựng phương pháp tự động định vị cho UAV theo đồđịa phươngđượcbiểu diễndướidạnghệsốphản xạcủa bềmặt mặt đất, sử dụng thiết bị ĐVVT, hàm tương quan cực trị (ECF) hệ thốngd ẫ n đường qn tính (INS) - Thực nghiệm mơ thống kê máy tính thử nghiệm phầncứngdựatrêncácbảnđồđịaphươnggiảđịnhvàcácthơngsốchotrước củathiếtbịĐVVTđểphântích,đánhgiácáckếtquảnghiêncứuvàđềxuất Đốitượng,phạmvinghiêncứucủaluậnán Nghiên cứu hệ thống ĐVVT khoang theo đồ địa phương.X â y d ự n g m ộ t s ố g i ả i p h p v m h ì n h h ệ thống ĐVVT cho UAV kiểutrực thăng (bay độ cao từ 100 - 500m, tốc độ bay 80km/giờ) theo đồ địa phương Việt Nam Phươngphápnghiêncứucủaluậnán Vận dụng lý thuyết định vị vô tuyến, xác suất thống kê tính tốn giải tích để xây dựng mối liên hệ toán học, đề xuất số giải pháp toán định vị theo đồ địa phương Đánh giá kết mô thống kê máy tính thử nghiệm thuật toán định vị phần cứng Ýnghĩakhoahọcvàthựctiễncủaluậnán Luận án đặt giải nội dung nghiên cứu có tính cấp thiết khoa học xây dựng giải pháp định vị cho UAV theo đồ địa phương, cho phép cải thiện hiệu độ tin cậy định vị Các kết đạt luận án phù hợp đáp ứng nhu cầu thực tiễn tương lai, mở hướng nghiên cứu ứng dụng khả thi Việt Nam Nộidungnghiêncứuvàbốcụccủaluậnán 1) Nghiên cứu phương pháp định vị cho thiết bị bay, phân tích sở tốn học để xây dựng giải pháp định vị theo đồ địa phương 2) Đề xuất giải pháp, thuật toán phần mềm xây dựng đồ địa phương theo hệ số phản xạ bề mặt mặt đất 3) Xây dựng mơ hình hệ thống tự động định vị cho UAV theo đồ địaphươngsửdụngthiếtbịĐVVTtrênkhoang,hàmECFvàhệthốngINS 4) Xâydựngthuậttoánđịnhvịtheobảnđồđịaphương,đềxuấtphương pháplựachọncácthamsốnhằmnângcaođộtincậyvà hiệusuất địnhvị 5) Thực nghiệm mơ thống kê máy tính thử nghiệm phần cứng để phân tích, đánh giá kết nghiên cứu, từ đưa số khuyến nghị với mơ hình hệ thống ĐVVT khoang cho UAV Ngồi phầnmởđầu,kếtluận,danhmụccác cơngtrìnhđãcơngbốcủa tác giả, tài liệu tham khảo phụ lục, nội dung luận án gồm chương: Chương Tổng quan hệ thống định vị dẫn đường khoang cho UAV; Chương Thông tin định vị vô tuyến xây dựng giải pháp tạob ả n đ địa hình phương; hệ thống Chương giải Xây pháp đồ địa phương cho UAV dựng định vị mô theo Chương1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊV À DẪNĐƯỜNGTRÊNKHOANGCHOUAV 1.1 NhucầupháttriểnhệthốngđịnhvịvàdẫnđườngchoUAV Sử dụng hệ thống định vị dẫn đường phức hợp, hỗ trợ nhiều tình tác chiến xu phát triển UAV vàt h i ế t bị bay đại, đặt nhiều nội dung cần tiếp tục nghiên cứu 1.2 HệtọađộtrongcáchệthốngđịnhvịvàdẫnđườngchoUAV 1.2.1 Hệtọađộtham chiếuvnggóckhơnggian 1.2.2 HệtọađộđịalýtồncầuWGS-84 1.2.3 Hệquychiếutọađộvnggócphẳng 1.3 Hệthốngdẫnđườngqntính 1.3.1 Sơđồchứcnăngcủahệthốngdẫnđườngqntính 1.3.2 Phươngtrìnhdẫnđườngqntính 1.3.3 KhảnăngứngdụngcủaINSvàhệthốngdẫnđườngkếthợp INShoạtđộngkhơngdựavàonguồnthamkhảobênngồi,khơngbịgâynhiễu, nhưngtồntạisaisốtíchlũytheothờigiannênthườngcầnkếthợpvới cáchệthốngthamchiếukhác:địnhvịvệtinhtồncầu(GNSS),TAN… 1.4 Hệthốngđịnhvịvệtinhtồncầu 1.4.1 Cấutrúchệthốngđịnhvịvệtinhtồncầu 1.4.2 NgunlýtínhtốnvàđịnhvịtronghệthốngGNSS 1.4.3 ĐộchínhxácđịnhvịcủahệthốngGNSS Hệ thống GNSS có độ xác cao, dễ sử dụng chịu tác động nhiều yếu tố, dễ bị gây nhiễu từ bên ngồi bị tạo giả 1.5 Hệthốngdẫnđườngthamchiếuđịahình 1.5.1 SựpháttriểnvàứngdụngcủadẫnđườngTAN TANsử dụngphép so ghépđặctrưngđịa hình mặt đấtđể xác địnhtọa độ cho phương tiện mang Do hoạt động chủ động, TAN khó bị gây nhiễu GNSS ln cần có khác biệt đặc trưng địa hình 1.5.2 DẫnđườngtheođộcaođịahìnhTERCOMvàSITAN TERCOM SITAN phương pháp TAN điển hình, sử dụng đặc trưng đường bao độ cao địa hình để định vị cho phương tiện mang, ứng dụng nhiều UAV tên lửa hành trình 1.5.3 DẫnđườngtheobảnđồđịahìnhsốDTM Biểudiễnđặctrưngđịahìnhdạngbảnđồđịahìnhsố(DTM)chophép cải thiện độ xác khả tính tốn TAN sử dụng thiết bị ĐVVT hoạt động ví trí, điều kiện thời tiết, khó bị gây nhiễu… 1.5.4 PhươngphápdẫnđườngtrongmơitrườngchưabiếtSLAM 1.6 Mộtsốnghiêncứuvềdẫnđườngthamchiếuđịahình Trongcáckếtquảnghiêncứuđãcơngbố,việcxâydựngphươngpháp tự động định vị cho UAV theo đặc trưng phản xạ bề mặt mặt đất sử dụng thiết bị ĐVVT số vấn đề chưa đề cập không công bố rộng rãi, cần tiếp tục nghiên cứu chi tiết cụ thể 1.7 BàitoántựđộngđịnhvịchoUAVtheobảnđồđịaphương 1.7.1 Đặtbàitoán Nghiên cứu xây dựng phương pháp tựđộng định vị cho UAVtheo đồđịaphươngđượcbiểudiễndướidạnghệsốphảnxạcủabềmặtmặtđất, sử dụng thiết bị ĐVVT khoang, hàm ECF hệ thống INS Thực nghiệmmơphỏngthốngkêtrênmáytínhvàthửnghiệmtrênphầncứngdựa trêncácbảnđồ địa phương giả định vàcácthơng sốcho trước củathiết bị ĐVVT để phân tích, đánh giá kết nghiên cứu vàđề xuất 1.7.2 Đốitượng,phạmvinghiêncứuvàgiớihạncủabàitoán Bàitoánđượcgiảitrongnhữngđiềukiệnvàgiớihạnsau: - Tại thời điểm định vị, UAV giai đoạn bay bằng, ổn định trạng thái sở dẫn đường INS (có mơ hình sai số tọa độ theo thời gian ước lượng trước), giữ độ cao hướng bay theo hành trình định trước Việc thu thập, phân tích tín hiệu phản xạ xử lý thơng tin định vị xem q trình dừng so với tốc độ tính tốn - Các thông số kỹ thuật thiết bị ĐVVT khoang xác định trướcvàcốđịnhtrongsuốtqtrìnhhoạtđộng,chứcnăngqtmặtđấtcủa thiếtbịĐVVTcóthểthựchiệnchuẩnxáctheoucầucủahệthốngđịnhvị Các tham số cung cấp cho hệ thống từ thiết bị ĐVVT cảm biến khoang(trạngthái gócantenvàđộcaobay) làđủchínhxácvàtứcthời - Đểphụcvụmơphỏng,thưviệnbảnđồtheohệsốphảnxạcủabềmặt mặt đất (tại khu vực độ cao bay hành trình bay UAV) tạo bằngphương pháp giả định, xem đủ tin cậy tương ứng với thơngsố củathiết bị ĐVVTđã chọn.Mơ hìnhthốngkê phạm vi cácyếutốngẫunhiêntácđộngđếntínhiệuphảnxạcóthểdựđốn.Dữliệu tra cứu từcác tài liệuthamkhảo trongluận án đủ độ tin cậy 1.7.3 Phươngpháp,nộidungnghiêncứuvàhướnggiảiquyết 1.8 Kếtluậnchương1 Dựatrêncáckếtquảnghiêncứu,cóthểrútramộtsốnhậnxétsau: Để đáp ứngyêu cầu khả năngtácchiến vàcácnhu cầuứngdụng ngày cao UAV thiết bị bay, việc sử dụng hệ thống dẫn đường phức hợp dựa dẫn đường INS, GNSS TAN nhằm hỗ trợn h a u nhiều tình thực tế phức tạp, nâng cao độ xác, độổ n định khả chống nhiễu xu tất yếu Dẫn đường TAN sử dụng thiết bị ĐVVT khoang chưa đượcnghiêncứunhiều,nhấtlàtạiViệtNamvàítđượccơngbốrộngrãido yếu tố liên quan đến ứng dụng qn Các kết nghiên cứu theo hướng cho UAV cịn số nội dung chưa cơng bố, cần có nghiên cứu chi tiết cụ thể Do đó, tốn tự động định vị cho UAV theo đồ địa phương đặt giải luận án có tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa học thực tiễn Trên sở đó, nội dung nghiên cứu đặtr a v s ẽ t h ự c h i ệ n t r o n g c c c h n g v c ủ a luận án Chương2 THÔNGTINĐỊNHVỊVÔTUYẾNVÀ XÂYDỰNGGIẢIPHÁPTẠOBẢNĐỒĐỊAPHƯƠNG 2.1 Đặctrưngphảnxạsóngvơtuyếncủabềmặtmặtđất 2.1.1 Tínhchấtphảnxạsóngvơtuyếncủabềmặtmặtđất Kíchthướcphầntửphângiảimặtđấtcóthểtínhtheobiểuthức: dxR/cosc./(2cos) (2.1)   d y B 2.R.sin(/2)R. với R c./2v  B 2.R.sin(/2)t n g ứngl àđ ộ phâ ngi ả i t he o c ự ly phương vị thiết bị ĐVVT,-độ rộng búp sóng anten,-độ rộng xungp h t , - g ó c c h i ế u x , c = 8m/s- t ố c đ ộ t r u y ề n s ó n g đ i ệ n từ trongkhơngkhí,R-cựlyđếnvùngmặtđất chiếuxạ GọiHlà độ cao thiết vị ĐVVT so với mặt đất, ta cóR = H / sin, diện tích phản xạ hiệu dụng (RCS) vùng mặt đất chiếu xạ là:  .H..c. (2.5) 2.cos vớil hệsốphảnxạcủabềmặtmặtđấtchiếuxạ 2.1.2 Phươngtrìnhxácđịnhhệsốphảnxạcủabềmặtmặtđất DạngphổbiếncủaphươngtrìnhradarvàĐVVTcódạng: P.G2.2. Рt  (2.13) р (4)3.R4.L đó:Pp- cơng suất phát đỉnh,G- tăng ích anten,- bước sóng xung thăm dị,L- suy giảm cơng suất tín hiệu Vì biểu thức (2.5) sử dụng để tính RCS cho mục tiêu dạng bềm ặ t c ủ a m ặ t đ ấ t , t h a y t ( ) v R = H/ sinv o ( ) t a n h ậ n đ ợ c : Pt 2  .c..sin4 P.G р cos 128.  H3.L  (2.16) Trongphạmvicủaluậnán, C  P.G  .c..sin4 р cos 128.  làhằngsố.Từ biểuthức(2.16),hệsốphảnxạc ó thểxácđịnhdướidạngđơnvịdB: dB  dB Pt  C dB  dB 3.H  L dB (2.20) Cácp h n g t r ì n h ( ) v ( ) l c s đ ể x â y d ự n g b ả n đ đ ị a phương giải pháp định vị theo đồ địa phương 2.1.3 Đặctrưngthốngkêbiênđộcủatínhiệuphảnxạ Hàmmậtđộ xácsuất(PDF)củabiên độtínhiệuphảnxạcódạng: U.U U 2U2 U 0 f(U) exp (2.30) 2 I  2        trongđó: U.U0 U.U0.cos  làhàmBesselloạiIbậc0, 2 12 I0 2      exp d  2  U- biênđộtínhi ệu phả n xạtổng hợp,U 0- biênđột h n h phầnphả nxạ chính, 2- phươngsai biênđộcácthànhphầnphảnxạphụ 2.2 Sựsuygiảmcơngsuấttínhiệuphảnxạ 2.2.1 Cácyếutốlàmsuygiảm cơngsuấttínhiệuphảnxạ Suygiảmcơngsuất tínhiệuphảnxạđượcchiathành: LdB L dBc  LdB trongđó:L dB-suyhaocốđịnh,LdB-thănggiángcơngsuất c (2.32) f VớithiếtbịĐVVTtrênkhoang,suyhaocốđịnhgồm: LdB LdB LdB LdB c với a ant (2.33) B dB ứnglàsuyhaodokhíquyển,dodạngbúpsóng B L , Lant , LdBtương antenvàdohệ sốđộrộngbúpsónganten 2.2.2 Mơhìnhthănggiángcơngsuấttínhiệuphảnxạ Từ(2.30), hàmPDFcủabiênđộtínhiệuphảnxạcócácdạngsau: - Phân bố Rice theo (2.30) tín hiệu phản xạ gồm thành phần phản xạ thành phần phụ - PhânbốReyleighnếutínhiệuphảnxạchỉ cócácthànhphầnphụ - Tiến tới phân bố Gaussian thành phần phản xạ mạnhh n c c t h n h p h ầ n p h ả n x p h ụ Đâyl c s c h o v i ệ c t h ự c h i ệ n m ô p h ỏ n g s ự t c đ ộ n g c ủ a y ế u t ố thăng giáng cơng suất tín hiệu phản xạ luận án dB a 3.2.2 GiảiphápxácđịnhtọađộcủaUAVtheobảnđồđịaphương TọađộcủaUAV đượcxácđịnhtheobiểuthức: xM y  x0k J.dxk.sink I.dyk.cosk Hk.cotk.cosk y J.d c o s  I.d s i n  H c o t .sin M 0k xk k yk k k k (3.20) k đó: (I, J) - số định vị, (dxk,dyk) - kích thước phần tử phân giải,( x0k, y0k) - tọa độ gốc đồ địa phươngk,Hk- độ cao bay so với mặt đất,k- góc phương vị vàk- góc chiếu xạ 3.3 Xây dựng mơ hình hệ thống thuật toán định vị theo đồ địa phương cho UAV 3.3.1 Xâydựngmơhìnhhệthốngđịnhvịvơtuyếntrênkhoang Hình3.3.Mơhình hệthốngĐVVTtrênkhoangchoUAV Khi UAV thâm nhập vào đồ thứk, thiết bị ĐVVT phát xung thăm dò quét mặt đất để xác định (m x n) pixel đồ thăm dò, tạo ma trận thăm dòATD Việc so ghép sử dụng hàm ECF tìm ma trận chuẩnACh-k-i,jtrong ma trận tham chiếuACh-kgiống với ma trận thăm dòATD, xác định tọa độ UAV, làm thông tin hiệu chỉnh cho INS 3.3.2 Xâydựngthuậttốnđịnhvịtheobảnđồđịaphương Trong thuật tốn định vị (hình 3.5), ngưỡng định so ghépKngliên quan đến yêu cầu mức độ tin cậy định vị hệ thống ĐVVT Với hệ thốngđịnhvịsửdụnghàmECF,ucầuđộtincậycàngcaothìngưỡng Kngphải chọn gần Cịn với phương pháp LMAE MMSE,K ngphải chọn gần Với nội dung “Thoát lặp”, luận án đề xuất giải pháp thích nghi nhằm bảo đảm độ tin cậy định vị: giám sát số lần định vị không đủ tin cậy để tăng giảm kích thước (m x n) ma trận thăm dị cách tự động, thích nghi với mức tác động thăng giáng cơng suấtLf Hình3.5 Lưuđồthuật tốnđịnhvịtheobảnđồđịaphương 3.3.3 Cácyếutốảnhhưởngđếnchấtlượngđịnhvị Chất lượng định vị mơ hình hệ thống ĐVVT (độ tin cậy thời gian thực định vị) chịu ảnh hưởng yếu tố: suy hao cố định, thăng giáng ngẫu nhiên phần tử ma trận thăm dò, phương pháp so ghép ma trận (ECF, LMAE MMSE) kích thước ma trận thăm dị (m x n) Do đó, đánh giá tác động yếu tố đến chất lượng địnhv ị c ủ a m ô h ì n h h ệ t h ố n g Đ V V T v t h u ậ t t o n định vị cần thiết 3.3.4 Saisốcủaphươngphápđịnhvịtheobảnđồđịaphương Saisốtọađộđịnhvị choUAVtínhtheobiểuthức: xM 1,5.(dxk  sin k d yk.cos k) y 1,5.(d c o s  d s i n )  M xk k yk k 3.4 Xâydựngphươngphápđánhgiácáckếtquảnghiêncứu (3.24) 3.4.1 PhươngphápđánhgiákếtquảdựatrênmôphỏngMonte-Carlo Để đánh giá thống kê tínhhiệu quả, độ tin cậy định vị mơ hình hệ thống ĐVVT thuật toán định vị đề xuất, luận án sử dụng phương pháp Monte-Carlo thực Matlab với 1000 mẫu 3.4.2 Phươngphápđánhgiákếtquảbằngthửnghiệmtrênphầncứng Dựa thuật toán định vị đề xuất, phần mềm định vị xây dựng ngôn ngữ C nạp cho chip ARM Kit STM32F4 Discovery (hình 3.8), thực theo phương pháp so ghép ma trận: MMSE, LMAE ECF Các ma trận thăm dò ma trận tham chiếu tạo từ phần mềm máy tính chương truyền cho Kit STM32F4 Discoveryq u a c ổ n g R S C h i p S T M F V G T s ẽ t h ự c h i ệ n s o g h é p m a t r ậ n đ ể t ì m sốđịnhvị (I,J) xác địnhthời giantính tốn địnhvị, truyền trở lại máy tính để thống kê, đánh giá Hình3.8.KitSTM32F4Discoverythửnghiệmthuậttốnđịnhvị