Xây dựng thuật toán dẫn đường và điều khiển cho phương tiện ngầm

ARX Auto-Regressive-eXternal input Cấu trúc mô hình nhận dạng ARX ASWs Anti-Submarine Weapons Vũ khí chống ngầm DAFNOC Direct Adaptive Fuzzy-Neural Output Feedback Controller Bộ điều khi

TR¦¥NG DUY TRUNG

X©y dùng THUËT TO¸N dÉn ®−êng

vμ §IÒU KHIÓN CHO ph−¬ng tiÖn ngÇm

LuËn ¸n tiÕn sÜ kü thuËt

Hμ néi 2014

TRƯƠNG DUY TRUNG

Xây dựng THUậT TOáN dẫn đường

vμ ĐIềU KHIểN CHO phương tiện ngầm

Chuyên ngμnh: Kỹ thuật điều khiển vμ tự động hóa

Mã số: 62 52 02 16

  Luận án tiến sĩ kỹ thuật

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS.TS Trần Đức Thuận

2 TS Nguyễn Quang Vịnh

Hμ nội 2014 

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Những nội dung,

số liệu và kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa có tác giả nào công bố trong bất cứ một công trình nào khác

Tác giả luận án

Trương Duy Trung

Đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện luận án

Tác giả luận án xin chân thành cảm ơn Ban Lãnh đạo, Chỉ huy Viện Khoa học

và Công nghệ Quân sự, Phòng Đào tạo Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Viện Tên lửa, Viện Tự động hoá các đồng nghiệp đã luôn động viên, quan tâm và giúp

đỡ để hoàn thành luận án

Xin chân thành cám ơn các Thầy giáo, các nhà Khoa học và gia đình đã quan tâm giúp đỡ, đóng góp nhiều ý kiến quý báu, cổ vũ và động viên tác giả hoàn thành công trình khoa học này

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT vi

DANH MỤC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ xi

PHẦN MỞ ĐẦU 1

Chương 1:TỔNG QUAN VỀ DẪN ĐƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂNCHO PHƯƠNG TIỆN NGẦM 5

1.1 Tổng quan về phương tiện ngầm 5

1.2 Các hệ tọa độ sử dụng trong mô tả chuyển động của phương tiện ngầm 15

1.2.1 Hệ tọa độ quán tính 15

1.2.2 Hệ tọa độ cố định tâm trái đất 15

1.2.3 Hệ tọa độ địa lý 16

1.2.4 Hệ tọa độ gắn liền 16

1.2.5 Ma trận chuyển tọa độ 17

1.2.5.1 Phương pháp góc Ơle 17

1.2.5.2 Phương pháp sử dụng tham số Rodrig – Hamilton 20

1.3 Tổng quan về dẫn đường quán tính 22

1.3.1 Nguyên tắc dẫn đường quán tính 22

1.3.1.1 Dẫn đường quán tính có đế 24

1.3.1.2 Dẫn đường quán tính không đế 27

1.3.2 Kết hợp các hệ thống định vị và dẫn đường 28

1.4 Mô tả động học phương tiện ngầm tự hành dạng ngư lôi 31

1.4.1 Các lực, mô men quán tính và hướng tâm của phương tiện ngầm tự hành 32

1.4.2 Các lực và mô men ngoại lực tác động lên phương tiện ngầm tự hành 33

1.4.2.1 Các lực và mô men gây ra bởi trọng lực và lực nổi 33

1.4.2.2 Các lực và mô men khối nước kèm 33

1.4.2.3 Các lực và mô men thủy động 34

1.4.2.4 Các lực và mô men của bánh lái 36

1.4.3 Các yếu tố môi trường tác động lên phương tiện ngầm tự hành 38

1.5 Kết luận chương 1 39

Chương 2:XÂY DỰNG THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH THAM SỐ DẪN ĐƯỜNG CHO VŨ KHÍ CHỐNG NGẦM 41

2.1 Xây dựng thuật toán dẫn đường quán tính không đế cho vũ khí chống ngầm 42

2.1.1 Xây dựng thuật toán xác định tham số dẫn đường cho vũ khí chống ngầm ở giai đoạn chuyển động trong khí quyển 43

2.1.2 Xây dựng thuật toán xác định tham số dẫn đường cho vũ khí chống ngầm ở giai đoạn chuyển động trong nước 50

2.2 Xây dựng thuật toán dẫn đường quán tính có đế cho vũ khí chống ngầm 59

2.2.1 Xây dựng thuật toán xác định ma trận Côsin định hướng giữa hệ tọa độ đế với hệ tọa độ địa lý theo phương pháp phối hợp véc tơ vận tốc khi thả vũ khí chống ngầm từ máy bay phản lực 60

2.2.2 Xây dựng thuật toán xác định ma trận Côsin định hướng giữa hệ tọa độ đế với hệ tọa độ địa lý theo phương pháp phối hợp véc tơ vận tốc khi thả vũ khí chống ngầm từ máy bay lên thẳng 66

2.2.3 Thuật toán dẫn đường 70

2.3 Kết luận chương 2 72

Chương 3:XÂY DỰNG THUẬT TOÁN NHẬN DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂNCHO VŨ KHÍ CHỐNG NGẦM 73

3.1 Phương trình chuyển động của vũ khí chống ngầm 73

3.1.1 Phương trình chuyển động tổng quát 73

3.1.2 Phương trình chuyển động trong các mặt phẳng 76

3.1.2.1 Phương trình chuyển động trong mặt phẳng đứng 76

3.1.2.2 Phương trình chuyển động trong mặt phẳng ngang 78

3.1.2.3 Phương trình chuyển động theo góc lắc 79

3.2 Nhận dạng mô hình vũ khí chống ngầm 79

3.3 Điều khiển hồi tiếp đầu ra nơron mờ thích nghi trực tiếp cho vũ khí chống ngầm 82

3.4 Dẫn đường cho vũ khí chống ngầm hiệu chỉnh quỹ đạo sau khi chạm nước 91

3.4.1 Phương pháp dẫn đường cho vũ khí chống ngầm trong mặt phẳng ngang 91

3.4.2 Phương pháp dẫn đường cho vũ khí chống ngầm trong mặt phẳng đứng 94

3.5 Kết luận chương 3 96

Chương 4:MÔ PHỎNG KIỂM NGHIỆM THUẬT TOÁN NHẬN DẠNG,DẪN ĐƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CHO VŨ KHÍ CHỐNG NGẦM 97

4.1 Mô phỏng xác định tham số dẫn đường cho vũ khí chống ngầm 97

4.1.1 Xây dựng các hàm động học và hàm quan sát 97

4.1.2 Thực hiện bộ lọc Kalman 99

4.1.3 Kết quả mô phỏng 100

4.1.3.1 Giai đoạn vũ khí chống ngầm chuyển động trong khí quyển 100

4.1.3.2 Giai đoạn vũ khí chống ngầm chuyển động trong nước 101

4.2 Mô phỏng xác định ma trận Côsin định hướng giữa hệ tọa độ đế và hệ tọa độ địa lý theo phương pháp phối hợp véc tơ vận tốc 102

4.2.1 Trường hợp thả vũ khí chống ngầm từ máy bay phản lực 102

4.2.2 Trường hợp thả vũ khí chống ngầm từ máy bay lên thẳng 103

4.3 Mô phỏng nhận dạng tham số mô hình vũ khí chống ngầm 104

4.3.1 Nhận dạng tham số mô hình vũ khí chống ngầm theo góc chúc ngóc 104

4.3.2 Nhận dạng tham số mô hình vũ khí chống ngầm theo góc hướng 106

4.4 Mô phỏng điều khiển hồi tiếp đầu ra nơron mờ thích nghi trực tiếp cho vũ khí chống ngầm 109

4.4.1 Mô phỏng điều khiển vũ khí chống ngầm theo góc hướng 109

4.4.2 Mô phỏng điều khiển vũ khí chống ngầm theo góc chúc ngóc 111

4.4.3 Mô phỏng điều khiển vũ khí chống ngầm theo góc lắc 113

4.4.4 Mô phỏng điều khiển hồi tiếp đầu ra nơron mờ thích nghi trực tiếp cho vũ khí chống ngầm tổng hợp theo góc hướng, góc chúc ngóc và góc lắc 114

4.5 Kết luận chương 4 116

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 117

1 Kết luận 117

2 Những đóng góp mới của luận án 118

3 Kiến nghị 119

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 120

TÀI LIỆU THAM KHẢO 122 PHỤ LỤC A ……… A1 PHỤ LỤC B ……… B1

 

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT

C Tâm nổi của AUV

R, R l Bán kính cong của trái đất theo tham chiếu Ellip

R Bán kính của trái đất khi xem trái đất là hình cầu

V Véc tơ vận tốc dài trong hệ tọa độ gắn liền

 Véc tơ vận tốc góc trong hệ tọa độ gắn liền

 Véc tơ vận tốc góc tuyệt đối của hệ tọa độ địa lý

U Véc tơ vận tốc góc trái đất

 Véc tơ vận tốc đối tượng đối với hệ tọa độ cố định tâm trái đất

 Véc tơ vận tốc dài và vận tốc góc trong hệ tọa độ gắn liền

 Véc tơ vị trí và góc Ơle trong hệ tọa độ địa lý

,

l  Kinh độ, vĩ độ

ARX Auto-Regressive-eXternal input

Cấu trúc mô hình nhận dạng ARX ASWs Anti-Submarine Weapons

Vũ khí chống ngầm DAFNOC Direct Adaptive Fuzzy-Neural Output Feedback Controller

Bộ điều khiển hồi tiếp đầu ra nơron mờ thích nghi trực tiếp DVL Doppler Velocity Log

Thiết bị đo vận tốc theo hiệu ứng Dople

MIMO Multi Input Multi Output

Hệ thống có nhiều đầu vào, nhiều đầu ra IMU Đơn vị đo lường quán tính

INS Inertial navigation system

Hệ thống dẫn đường quán tính GPS Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

PD Proportional-Derivative Controller

Bộ điều khiển PD PID Proportional-Integral-Derivative Controller

Bộ điều khiển PID SISO Single Input Single Output

Hệ thống có một đầu vào, một đầu ra

Phương tiện ngầm

ROV Underwater Remotely Operated Vehicles

Phương tiện ngầm điều khiển từ xa

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Quan hệ giữa các Côsin chỉ phương và các số quaternion 21

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1: Quỹ đạo chuyển động của ASWs khi thả từ máy bay……….……… ……… 2

Hình 1.1: Phương tiện ngầm điều khiển từ xa 5

Hình 1.2: Phương tiện ngầm có người lái 6

Hình 1.3: Phương tiện ngầm tự hành 7

Hình 1.4: Mô hình tên lửa chống ngầm AПР-2Э 8

Hình 1.5: Quỹ đạo mong muốn và quỹ đạo hiệu chỉnh của ASWs 9

Hình 1.6: Quỹ đạo hiệu chỉnh của vũ khí chống ngầm trong mặt phẳng ngang 11

Hình 1.7: Quỹ đạo hiệu chỉnh của vũ khí chống ngầm trong mặt phẳng đứng 11

Hình 1.8: Hệ tọa độ quán tính 15

Hình 1.9: Quan hệ của hệ tọa độ cố định tâm trái đất và hệ tọa độ địa lý 16

Hình 1.10: Hệ tọa độ gắn liền 16

Hình 1.11: Quay theo góc hướng  quanh trục Z0 18

Hình 1.12: Quay theo góc chúc ngóc  quanh trục Y1 18

Hình 1.13: Quay theo góc lắc  quanh trục X2 19

Hình 1.14: Hệ tọa độ địa lý và thiết bị dẫn đường quán tính có đế dạng giải tích 24

Hình 1.15: Bộ lọc Kalman phi tuyến mở rộng 30

Hình 1.16: Biễu diễn AUV trong các hệ tọa độ 31

Hình 1.17: Biễu diễn lực cản, lực nâng, góc tấn công, góc trượt bên của AUV 34

Hình 1.18: Vị trí, góc bẻ lái của bánh lái hướng và bánh lái sâu 36

Hình 1.19: Vận tốc dòng chảy đại dương trong hệ tọa độ địa lý 38

Hình 2.1: Chức năng của hệ thống điều khiển vũ khí chống ngầm 41

Hình 2.2: Cấu trúc hệ thống điều khiển vũ khí chống ngầm 42

Hình 2.3: Bố trí con quay vi cơ đo tốc độ góc, gia tốc kế và từ kế 43

Hình 2.4: Sơ đồ xác định tham số dẫn đường khi kết hợp con quay vi cơ, gia tốc kế và từ kế 49

Hình 2.5: Sơ đồ xác định tham số dẫn đường khi kết hợp con quay vi cơ, gia tốc kế, từ kế, vận tốc kế và cảm biến áp suất 58

Hình 2.6: Quan hệ giữa các hệ tọa độ 59

Hình 2.7: Hình chiếu vận tốc góc tuyệt đối  của hệ tọa độ địa lý 61

Hình 2.8: Sơ đồ dẫn đường quán tính có đế 71

Hình 3.1: Vị trí các bánh lái trên ASWs 76

Hình 3.2: Lưu đồ thuật toán ước lượng tham số mô hình bằng phương pháp bình phương tối thiểu đệ quy 81

Hình 3.3: Sơ đồ bộ điều khiển hồi tiếp đầu ra nơron mờ thích nghi trực tiếp 86

Hình 3.4: Cấu hình mạng nơron mờ Singleton 86

Hình 3.5: Quỹ đạo hiệu chỉnh trong mặt phẳng ngang 92

Hình 3.6: Quỹ đạo hiệu chỉnh trong mặt phẳng đứng 94

Hình 4.1: Các tham số Rodrig-Hamilton khi ASWs chuyển động trong khí quyển 100

Hình 4.2: Các các góc Ơle khi ASWs chuyển động trong khí quyển 100

Hình 4.3: Các tham số Rodrig-Hamilton khi ASWs chuyển động trong nước 101

Hình 4.4: Các các góc Ơle khi ASWs chuyển động trong nước 102

Hình 4 5: Các giá trị    0, , ,1 2 3 đúng và ước lượng 103

Hình 4.6: Các giá trị c ij đúng và tính toán được 103

Hình 4.7: Kết quả nhận dạng và sai số nhận dạng theo góc chúc ngóc 105

Hình 4.8: Giá trị các tham số mô hình ˆ theo góc chúc ngóc ước lượng được 105

Hình 4.9: Kết quả nhận dạng và sai số nhận dạng theo góc hướng 107

Hình 4.10: Giá trị các tham số mô hình ˆ theo góc hướng ước lượng được 108

Hình 4.11: Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển ASWs theo góc hướng 109

Hình 4.12: Kết quả mô phỏng điều khiển ASWs theo góc hướng 110

Hình 4.13: Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển ASWs theo góc chúc ngóc 111

Hình 4.14: Kết quả mô phỏng điều khiển vũ khí chống ngầm theo góc chúc ngóc 112

Hình 4.15: Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển ASWs theo góc lắc 113

Hình 4.16: Kết quả mô phỏng điều khiển vũ khí chống ngầm theo góc lắc 114

Hình 4.17: Sơ đồ mô phỏng điều khiển ASWs theo góc chúc ngóc, góc hướng và góc lắc 115

Hình 4.18: Kết quả mô phỏng điều khiển ASWs theo góc hướng, góc chúc ngóc và góc lắc 115

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Vùng biển Việt Nam trải dài, diện tích rộng hơn cả diện tích đất liền Đây là nguồn tài nguyên vô cùng lớn cho cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước Xuất phát từ vị trí và tầm quan trọng của biển đối với sự phát triển kinh tế và củng

cố quốc phòng an ninh đặt ra yêu cầu cần thiết phải nghiên cứu, phát triển các loại phương tiện thực hiện các nhiệm vụ khảo sát, khai thác tài nguyên biển và các nhiệm vụ quốc phòng an ninh Trong những năm qua, chúng ta đã không ngừng củng cố và xây dựng lực lượng Hải quân để bảo vệ biển, đảo và toàn vẹn lãnh thổ, đặc biệt chú trọng đến các phương tiện ngầm trong đó có vũ khí chống ngầm (ngư lôi, tên lửa chống ngầm)

Trong biên chế của Hải quân Việt Nam, các loại vũ khí chống ngầm Submarine Weapons – ASWs) hiện có đều được mua từ các nước khác, tài liệu đi kèm chỉ mang tính hướng dẫn sử dụng, các công trình công bố của nước ngoài chỉ mang tính khái quát chung Hiện nay chưa có các công trình nghiên cứu trong nước công bố về các loại vũ khí chống ngầm, nếu có thì ở dạng sơ sài, không đầy đủ Trước yêu cầu xây dựng lực lượng Hải quân nhân dân hiện đại đòi hỏi phải làm chủ được vũ khí trang bị và hướng tới sửa chữa, cải tiến, nâng cấp, sản xuất mới các loại

(Anti-vũ khí chống ngầm Vì vậy, nghiên cứu về mô tả toán học, xây dựng phương trình chuyển động, nhận dạng, dẫn đường và điều khiển cho các loại vũ khí chống ngầm

là rất cần thiết

Vũ khí chống ngầm có thể được phóng từ các loại tàu chiến trên mặt nước, tàu ngầm hay có thể được thả từ máy bay (máy bay phản lực hay máy bay lên thẳng) Luận án tập trung nghiên cứu lớp đối tượng vũ khí chống ngầm thả từ máy bay Các thông tin về mục tiêu (tàu ngầm đối phương) được xác định bởi hệ thống Sonar (hệ thống phao có trang bị các đầu thu sóng siêu âm và có các đầu phát vô tuyến) Từ các thông tin này, hệ thống máy tính trên máy bay xác định thời cơ thả ASWs sao cho sau khi ASWs rơi xuống nước tại điểm chạm nước tính toán và chuyển động theo chương trình (quỹ đạo xoắn lò xo) sẽ phát hiện được mục tiêu

Trong trường hợp ASWs rơi xuống nước ở chế độ có mở dù thì điểm chạm nước thực tế có thể không trùng với điểm chạm nước tính toán Nếu sai lệch này lớn hơn giới hạn làm việc của đầu tự dẫn thì ASWs sau khi chuyển động theo chương trình

sẽ không phát hiện được mục tiêu và ngòi nổ được kích hoạt để tự hủy (hình 1)

Hình 1: Quỹ đạo chuyển động của ASWs khi thả từ máy bay

Từ quỹ đạo trên cho thấy sai số giữa điểm chạm nước tính toán và điểm chạm nước thực do các nguyên nhân sau: sai số thời cơ thả ASWs và sai số vị trí ASWs chạm nước do độ lệch quỹ đạo trong quá trình ASWs chuyển động trong khí quyển

Để tăng khả năng phát hiện mục tiêu thì sau khi chạm nước, ASWs cần phải chuyển động về điểm tiếp cận quỹ đạo thực đã xác định trước Điểm tiếp cận quỹ đạo thực

là điểm nằm trên quỹ đạo mong muốn ở độ sâu trước độ sâu có mục tiêu một số vòng quay xoắn lò xo Sau khi ASWs đi về điểm này và có tư thế trùng với tư thế tính toán của ASWs tại điểm này sẽ tiếp tục chuyển động theo chương trình xoắn lò

xo tìm kiếm mục tiêu

Để giải quyết vấn đề trên, luận án đề xuất việc cải tiến trang bị thêm thiết bị dẫn đường quán tính (có đế hoặc không đế) cho vũ khí chống ngầm được thả từ máy

bay Luận án đi sâu vào hai vấn đề cơ bản đó là vấn đề dẫn đường và điều khiển vũ khí chống ngầm cải tiến nêu trên

2 Mục đích nghiên cứu của luận án

Xây dựng phương pháp luận để tổng hợp thuật toán dẫn đường và thuật toán điều khiển chuyển động cho phương tiện ngầm có trang bị thiết bị dẫn đường quán tính có đế hoặc không đế trong giai đoạn chuyển động tự lập (Autonom)

3 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu của luận án: Hệ thống điều khiển của phương tiện ngầm tự hành dạng ngư lôi

- Phương pháp nghiên cứu: Áp dụng các công cụ và phương pháp toán điều khiển hiện đại để xây dựng thuật toán dẫn đường và điều khiển Dùng kỹ thuật mô phỏng để đánh giá

4 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án

- Kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở khoa học để xây dựng phần mềm cho hệ thống điều khiển vũ khí chống ngầm khi có trang bị thiết bị dẫn đường quán tính

- Kết quả luận án sẽ là cơ sở để cải tiến, hiện đại hóa vũ khí chống ngầm hiện có

và khi thiết kế chế tạo mới

5 Bố cục của luận án

Những vấn đề mà luận án giải quyết được phân bổ trong các chương:

Chương 1: Tổng quan về dẫn đường và điều khiển cho phương tiện ngầm

Đây là chương tổng quan về các loại phương tiện ngầm Các nghiên cứu về mô

tả động học, dẫn đường và điều khiển phương tiện ngầm Các hệ tọa độ tham chiếu, phép biến đổi tọa độ, các lực, mô men tác động lên phương tiện ngầm Trình bày tổng quan về dẫn đường quán tính, ứng dụng bộ lọc Kalman phi tuyến mở rộng trong dẫn đường quán tính Xác định các vấn đề cần giải quyết cho luận án

Chương 2: Xây dựng thuật toán xác định tham số dẫn đường cho vũ khí chống ngầm

Chương 2 trình bày các thuật toán dẫn đường quán tính có đế và không đế Xây dựng thuật toán kết hợp các thiết bị đo để xác định các tham số dẫn đường cho vũ khí chống ngầm trong cả giai đoạn chuyển động trong khí quyển và giai đoạn

chuyển động trong nước Xây dựng thuật toán xác định ma trận Côsin định hướng giữa hệ tọa độ đế với hệ tọa độ dẫn đường của thiết bị dẫn đường quán tính có đế trong trường hợp thả vũ khí chống ngầm từ máy bay phản lực bay ở tốc độ lớn và trong trường hợp thả từ máy bay lên thẳng bay tốc độ thấp

Chương 3: Xây dựng thuật toán nhận dạng và điều khiển cho vũ khí chống ngầm

Trong chương này trình bày hệ phương trình mô tả chuyển động tổng quát trong

hệ tọa độ 6 bậc tự do và các phương trình chuyển động theo các mặt phẳng của vũ khí chống ngầm Đề xuất ứng dụng thuật toán bình phương tối thiểu đệ quy để ước lượng tham số mô hình vũ khí chống ngầm dựa vào tập mẫu dữ liệu vào ra, tính toán góc tham chiếu sử dụng thông tin từ hệ thống dẫn đường và đề xuất thuật toán điều khiển thích nghi hồi tiếp đầu ra nơron mờ thích nghi trực tiếp cho vũ khí chống ngầm có 3 đầu vào, 3 đầu ra trong điều kiện có sai số mô hình và ảnh hưởng bởi dòng chảy đại dương

Chương 4: Mô phỏng kiểm nghiệm thuật toán nhận dạng, dẫn đường và điều khiển cho vũ khí chống ngầm

Sử dụng công cụ Matlab - Simulink mô phỏng kiểm nghiệm, khảo sát, đánh giá các thuật toán xác định tham số dẫn đường đã xây dựng ở chương 2 Mô phỏng nhận dạng tham số mô hình và điều khiển hồi tiếp đầu ra nơron mờ thích nghi trực tiếp theo tham số của một chủng loại vũ khí chống ngầm

Nội dung chính của luận án được công bố trong 15 bài báo trong đó có 8 bài công bố trên Tạp chí Nghiên cứu khoa học và công nghệ quân sự, thuộc Viện KH-

CN quân sự/BQP, 06 bài báo tại các hội nghị tự động hóa và cơ điện tử toàn quốc,

01 bài báo tại hội nghị quốc tế Luận án được trình bày trong 119 trang A4, trong đó

có 52 hình vẽ và đồ thị, 2 phụ lục

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ DẪN ĐƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN

CHO PHƯƠNG TIỆN NGẦM 1.1 Tổng quan về phương tiện ngầm

Trải qua nhiều thập niên phương tiện ngầm đã được phát triển rất đa dạng về chủng loại và dùng cho nhiều mục đích khác nhau như mục đích quân sự, cứu hộ, thám hiểm đáy đại dương, thăm dò, khai thác tài nguyên biển

Phương tiện ngầm (Underwater Vehicle – UV) có nhiều loại khác nhau, căn cứ vào khả năng tham gia điều khiển của con người có thể phân thành hai loại: loại có người lái và loại không người lái UV không người lái được chia thành UV điều khiển

từ xa và UV tự hành Dưới đây khảo sát một số dạng UV với các ứng dụng và đặc tính làm việc khác nhau:

- Phương tiện ngầm điều khiển từ xa :

Có nhiều kiểu thiết kế phương tiện ngầm điều khiển từ xa (Underwater Remotely Operated Vehicles – ROV), hầu hết ROV được thiết kế dạng rô bốt chuyển động trong nước bằng các hệ thống đẩy có hướng trục đẩy theo các mặt phẳng khác nhau (hình 1.1)

Hình 1.1: Phương tiện ngầm điều khiển từ xa  

ROV có khả năng cơ động tốt, được liên kết với vị trí điều khiển bằng cáp [22] Các ROV đã được nghiên cứu phát triển và thương mại hóa rộng rãi trên thế giới có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ dưới nước như kiểm tra đường ống ngầm, các hoạt

động tìm kiếm, cứu hộ, kiểm tra kỹ thuật các công trình ngầm, kiểm tra về mặt sinh thái các tham số của môi trường nước, khai thác, nghiên cứu khoa học và phục vụ quân sự Vì ROV được liên kết với vị trí điều khiển bằng cáp nên thường bán kính làm việc của ROV không xa Hiện nay trong nước có một số nghiên cứu như rô bốt cá của nhóm nghiên cứu vốn là những sinh viên ở ĐH Sư phạm kỹ thuật TP HCM hay đề tài nghiên cứu thiết kế chế tạo, thử nghiệm thiết bị điều khiển cho rô bốt ngầm mini hoạt động trong vùng nước nông của Học viện Hải quân Tuy nhiên các nghiên cứu trong

nước chưa được đưa vào sản xuất ứng dụng thực tiễn hay thương mại hóa

- Phương tiện ngầm có người lái:

Hình 1.2: Phương tiện ngầm có người lái

Tàu ngầm là dạng phương tiện ngầm có người lái và đồng thời cũng có chế độ lái

tự hành như dạng phương tiện ngầm tự hành (hình 1.2) [39] Hiện nay trên thế giới

đã có nhiều công trình nghiên cứu về mô hình động học, dẫn đường và điều khiển cho phương tiện ngầm dạng tàu ngầm [24], [25], [39], các công bố của nghiên cứu này dựa trên các mô hình đơn giản, chưa phải là các mô hình thực tế của các tàu ngầm hiện đại hiện có

- Phương tiện ngầm tự hành:

Phương tiện ngầm tự hành (Autonomous Underwater Vehicle – AUV) có nhiều dạng thiết kế và dùng cho nhiều mục đích khác nhau như hiện các nhiệm vụ khảo sát, khai thác tài nguyên biển và các nhiệm vụ quốc phòng an ninh Về kết cấu, cũng có nhiều loại khác khau, có kiểu thiết kế dạng rô bốt chuyển động trong nước

bằng các hệ thống đẩy có hướng trục đẩy theo các mặt phẳng khác nhau, có kiểu thiết kế dạng ngư lôi dùng động cơ đẩy dạng chân vịt (hình 1.3)

Hình 1.3: Phương tiện ngầm tự hành  

Vũ khí chống ngầm (ASWs) là một trong các loại AUV dùng để tiêu diệt các loại tàu ngầm Vũ khí chống ngầm có thiết kế dạng ngư lôi thường có kết cấu dạng thân tròn xoay dài, phía đầu có dạng parabol tròn xoay và đuôi có dạng thon dần để giảm lực cản thủy động Hệ thống lái của ASWs có các máy lái điều khiển các bánh lái gồm hai bánh lái trong mặt phẳng ngang và hai bánh lái trong mặt phẳng đứng, các bánh lái này có thể được điều khiển riêng biệt hay theo cặp Một số loại vũ khí chống ngầm sử dụng bánh lái trong mặt phẳng đứng để điều khiển theo góc hướng

và đồng thời điều khiển giảm lắc, một số loại có vây điều khiển giảm lắc Hầu hết các loại vũ khí chống ngầm đều được trang bị đầu tự dẫn và thiết bị nổ cảm ứng, điều này cho phép tăng khả năng phát hiện và tiêu diệt mục tiêu Kích thước, trọng lượng và tốc độ của ASWs tùy thuộc vào thiết kế

Các loại vũ khí chống ngầm (tên lửa, ngư lôi) có thể được phóng đi từ tàu chiến trên mặt nước, tàu ngầm hay thả từ máy bay Các loại ngư lôi chống ngầm chuyển động trong nước bởi lực đẩy của chân vịt, nguồn điện cung cấp cho động cơ để quay chân vịt thường là nguồn ác quy vì thế ngư lôi thường có khoảng cách làm việc ngắn, tốc độ chuyển động thấp Các loại tên lửa chống ngầm chuyển động trong nước bởi lực đẩy của động cơ phản lực nhiên liệu rắn vì thế tốc độ chuyển động của tên lửa chống ngầm nhanh hơn ngư lôi chống ngầm nhưng thời gian làm việc của động cơ thường ngắn hơn ngư lôi chống ngầm vì vậy trong giai đoạn đầu

quỹ đạo chuyển động trong nước của tên lửa chống ngầm thường sử dụng lực trọng lực để đưa tên lửa về độ sâu nhất định mới mở động cơ hành trình

Các loại vũ khí chống ngầm hiện có của Hải quân Việt Nam hầu hết là theo thiết kế của Nga, trong đó có một số loại được thả từ máy bay tiêu diệt tàu ngầm như tên lửa chống ngầm AПР-2Э (hình 1.4) [13] hay ngư lôi chống ngầm AT-1MЭ

Hình 1.4: Mô hình tên lửa chống ngầm AПР-2Э

Cả hai loại vũ khí chống ngầm này trong hệ thống điều khiển có một con quay

ba bậc tự do để xác định góc lắc và đầu tự dẫn thủy âm dạng thụ động có thể phát hiện được mục tiêu có khoảng cách đến 1500m Luận án đi sâu vào chủng loại vũ khí chống ngầm này

Nguyên lý hoạt động của loại vũ khí chống ngầm này được mô tả như sau: Trên

cơ sở thông tin mục tiêu nhận được từ các phao thủy âm cảnh giới vùng biển, máy bay sẽ bay đến vùng có mục tiêu ngầm và thả vũ khí chống ngầm Giả thiết vũ khí chống ngầm được thả ở chế độ có dù và rơi đúng điểm chạm nước tính toán (hình 1.5) Sau khi chạm nước vũ khí chống ngầm hoạt động theo chương trình tạo ra quỹ đạo xoắn hình lò xo Trong quá trình chuyển động xoắn nếu đầu tự dẫn bắt được tính hiệu thủy âm của mục tiêu thì sẽ tự động chuyển qua chế độ điều khiển tự dẫn

để đưa vũ khí chống ngầm đến gặp mục tiêu Trong trường hợp sau khi chuyển động theo chương trình vẫn không bắt được mục tiêu thì vũ khí chống ngầm sẽ tự động kích hoạt khối thuốc nổ (phần chiến đấu) để tự hủy

Nguyên nhân của việc không bắt được mục tiêu có thể là:

- Trong quá trình rơi trong khí quyển do điều kiện thời tiết (gió) vũ khí chống ngầm chạm nước ở vị trí xa điểm chạm nước tính toán

- Vũ khí chống ngầm rời khỏi máy bay không đúng thời cơ thả tính toán

Hình 1.5: Quỹ đạo mong muốn và quỹ đạo hiệu chỉnh của ASWs

Vũ khí chống ngầm thả từ máy bay hiện có trong biên chế không được trang bị

hệ thống dẫn đường nên không xác định được tọa độ điểm chạm nước Khi sai số điểm chạm nước lớn hơn khoảng cách phát hiện mục tiêu của đầu tự dẫn thì sau khi chuyển động theo chương trình ASWs không thể phát hiện được mục tiêu Để nâng cao khả năng phát hiện mục tiêu, vấn đề đặt ra là phải đưa thêm thiết bị dẫn đường quán tính và một số thiết bị đo khác khi cải tiến hoặc sản xuất mới các loại vũ khí chống ngầm Các tài liệu đi kèm với các loại vũ khí này do đối tác bàn giao chỉ mang tính hướng dẫn sử dụng, không thể hiện các tham số động học và thuật toán điều khiển nó Trong nước cũng chưa có các báo cáo nghiên cứu về mô tả động học, dẫn đường và điều khiển các loại vũ khí này Để tiến tới cải tiến hoặc sản xuất mới các loại vũ khí chống ngầm như trên đòi hỏi phải có những nghiên cứu có tính phát triển của riêng Việt Nam Những nghiên cứu phát triển về giải pháp, học thuật

thường phải kèm theo là nghiên cứu về thiết kế công nghệ Tuy nhiên trong giới hạn của luận án chỉ tập trung nghiên cứu về giải pháp và học thuật Việc đưa thêm thiết

bị dẫn đường quán tính vào hệ thống điều khiển cho phép xác định vị trí của vũ khí chống ngầm và tư thế của nó khi đang rơi ở chế độ có dù trong khí quyển và khi chuyển động trong nước Nhờ có thiết bị dẫn đường quán tính có thể xác định các tham số dẫn đường tại điểm chạm nước, từ nguồn thông tin này kết hợp với thông tin về tọa độ, góc định hướng của ASWs tại điểm tiếp cận quỹ đạo mong muốn trước khi thả ASWs, hệ thống điều khiển trên ASWs điều khiển hiệu chỉnh quỹ đạo nhằm đưa ASWs về điểm tiếp cận quỹ đạo mong muốn tính toán trước (hình 1.5) Quá trình ASWs rơi trong khí quyển các bánh lái duy trì góc chúc ngóc trong giới hạn 700 750 sao cho khi chạm nước phần đầu của ASWs sẽ tiếp xúc trước Điểm chạm nước thực được xác định tại thời điểm có lực va chạm giữa vũ khí chống ngầm và bề mặt nước, thời điểm này các bánh lái cũng được quy không để tránh lực

va đập và cơ cấu dù được tách ra khỏi vũ khí chống ngầm Dẫn đường cho ASWs trong nước bắt đầu từ thời điểm này Sau khi chạm nước 0.5s kênh điều khiển góc lắc mở để đảm bảo ổn định góc lắc trong giới hạn 30 nhằm duy trì sự chuyển động độc lập của ASWs trong mặt phẳng ngang và mặt phẳng đứng ASWs lặn theo quán tính đến độ sâu 20m thì bắt đầu điều khiển về điểm tiếp cận quỹ đạo mong muốn tính toán trước

Luận án đi sâu vào vấn đề xác định quỹ đạo cần hiệu chỉnh và điều khiển vũ khí chống ngầm chuyển động theo quỹ đạo hiệu chỉnh này

Mỗi loại vũ khí chống ngầm khi quay trở trong nước bao giờ cũng nằm trong giới hạn của bán kính lượn vòng cho phép vì thế ASWs không thể chuyển động thẳng từ điểm ở độ sâu 20m sau khi chạm nước đến điểm tiếp cận quỹ đạo mong muốn sao cho tư thế của ASWs tại điểm tiếp cận quỹ đạo mong muốn trùng với tư thế tính toán trước tại điểm này

Để ASWs vừa tiếp cận được quỹ đạo mong muốn vừa có tư thế trùng với tư thế tính toán tại điểm này ta thiết kế một quả cầu có bán kính cho phép ( )R n quanh điểm tiếp cận quỹ đạo mong muốn ( )T , bán kính R n phù hợp với bán kính lượn

vòng của ASWs Khi ASWs đi vào trong quả cầu này sẽ bắt đầu quay theo góc hướng và góc chúc ngóc đi về điểm giao nhau ( )C giữa quỹ đạo mong muốn và bề mặt quả cầu cho phép sao cho tại điểm này tư thế của ASWs trùng với tư thế (góc hướng qd, góc chúc ngóc qd) đã tính toán trước Quỹ đạo hiệu chỉnh khi này vẽ trong mặt phẳng ngang và mặt phẳng đứng như hình 1.6 và hình 1.7

 

Hình 1.6: Quỹ đạo hiệu chỉnh của vũ khí chống ngầm trong mặt phẳng ngang

Hình 1.7: Quỹ đạo hiệu chỉnh của vũ khí chống ngầm trong mặt phẳng đứng

Như vậy điểm kết thúc quá trình dẫn đường và điều khiển hiệu chỉnh quỹ đạo là điểm giao nhau giữa quỹ đạo mong muốn và bề mặt quả cầu cho phép C, luận án chỉ giới hạn giải quyết các vấn đề dẫn đường và điều khiển khi ASWs đi đến điểm này, quá trình tìm kiếm mục tiêu theo chương trình tiếp theo không xét

Từ những phân tích ở trên cho thấy cần phải liên tục xác định vị trí và tư thế của

vũ khí chống ngầm trong quá trình rơi trong khí quyển và khi chuyển động dưới nước ở giai đoạn hiệu chỉnh quỹ đạo Việc trang bị thêm thiết bị dẫn đường quán tính và một số thiết bị đo khác hoàn toàn khả thi

ASWs R

b X

R R AWs bán kính vòng xoắn lò xo của

quỹ đạo mong muốn trong mặt phẳng ngang

LOS

 góc hướng quỹ đạo hiệu chỉnh tại điểm bắt đầu quá trình điều khiển 

b X

LOS

 góc chúc ngóc quỹ đạo hiệu chỉnh tại điểm bắt đầu quá trình điều khiển 

Như vậy có hai vấn đề đặt ra luận án cần giải quyết đó là:

- Vấn đề dẫn đường, tức là vấn đề xác định vị trí, vận tốc và tư thế của vũ khí chống ngầm khi chuyển động trong khí quyển và khi chuyển động trong nước trong giai đoạn hiệu chỉnh quỹ đạo

- Vấn đề tạo lệnh điều khiển hiệu chỉnh quỹ đạo

Việc xác định vị trí và tư thế của vũ khí chống ngầm sẽ là tiền đề để xác định lệnh điều khiển hiệu chỉnh quỹ đạo Để tạo lệnh điều khiển cần có mô hình toán mô

tả chuyển động của vũ khí chống ngầm

Hiện nay trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về mô tả động học của AUV dạng ngư lôi [15], [24], [25], [39], [40] Hầu hết các nghiên cứu này tập trung vào AUV loại nhỏ làm các nhiệm vụ nghiên cứu khoa học với tốc độ thấp Chưa có các nghiên cứu về mô tả động học theo thiết kế của vũ khí chống ngầm hiện có trong lực lượng Hải quân Đây là vấn đề bí mật nên không được công bố rộng rải

Mô tả chuyển động của ASWs dựa trên các quy luật vật lý chưa thực sự mô tả chính xác chuyển động của đối tượng thực, hơn nữa có nhiều thông số không thể xác định chính xác, sai số mô hình lớn dẫn đến bài toán điều khiển theo mô hình toán xây dựng với nhiều tham số giả định khi áp dụng thực tế có thể đáp ứng không tốt, khi này có thể sử dụng thuật toán nhận dạng để ước lượng tham số mô hình Có nhiều phương pháp ước lượng tham số mô hình [4], [5], [11], [30], trong đó thuật toán bình phương tối thiểu đệ quy với ưu điểm là không cần lưu giữ các dữ liệu trong quá khứ nên khả năng cập nhật thông số nhanh [30], có thể ứng dụng cho các loại phương tiện ngầm [28] Vì vậy luận án đề xuất sử dụng thuật toán bình phương tối thiểu đệ quy theo mô hình ARX (Auto-Regressive-eXternal input) để ước lượng tham số mô hình ASWs

Đã có những quan tâm về thiết kế bộ điều khiển cho các loại AUV khác nhau trong những thập kỷ qua Bộ điều khiển kinh điển PID [3], [8] đã được đề xuất cho AUV [40] Tuy nhiên, đối tượng hoạt động ở môi trường nước chịu tác động của các yếu tố không biết trước như gió, dòng chảy, hướng dòng chảy, mật độ, nhiệt độ nước và một số thông số trong bản thân AUV không được tính toán chính xác, đặc

tính động học của đối tượng không phải bất biến theo thời gian như nhiên liệu bị tiêu tốn, trọng lượng, vị trí trọng tâm thay đổi Như vậy, mô hình động học xây dựng được hay nhận dạng được không thể hiện chính xác mô hình thực đối tượng

Vì thế, một bộ điều khiển PID truyền thống với các thông số của bộ điều khiển cố định không đủ linh hoạt để điều khiển AUV nếu sai số mô hình động học và sự ảnh hưởng của các yếu tố môi trường quá lớn Xuất phát từ thực tế đó, các thuật toán điều khiển hiện đại [7], [10], [12] đã được nghiên cứu ứng dụng cho AUV: điều khiển trượt [40], điều khiển tối ưu [16], điều khiển thích nghi [14], [27], [45], điều khiển bền vững [23], điều khiển hồi tiếp ngược [18], điều khiển hồi tiếp trạng thái [21], [31], điều khiển hồi tiếp đầu ra [26], [29] Điều khiển sử dụng mô hình mờ, giải thuật di truyền hay mạng nơron [1], [2], [4], [6] gần đây cũng được nghiên cứu phát triển mạnh cho phương tiện ngầm [14], [17], [19], [27], [38], [44], [45]

Bộ điều khiển hồi tiếp đầu ra được đề xuất cho mô hình AUV năm bậc và ba bậc tự do có xét đến sự ảnh hưởng của dòng chảy [26] với kết quả thực nghiệm trên AUV dạng ngư lôi kiểu nhỏ cho thấy chất lượng bám vết của hệ thống rất tốt Tuy nhiên, một mô hình đầy đủ trong hệ tọa độ 6 bậc tự do vẫn chưa được xét đến Điều khiển với kỹ thuật hồi tiếp gia tốc được đề xuất để điều khiển ngư lôi bám theo quỹ đạo mong muốn [18] Kết quả trong công trình minh chứng tính bền vững của thuật toán trước các thông số bất định của mô hình ngư lôi và ảnh hưởng của dòng chảy Tuy nhiên, gia tốc nhận được từ hệ thống dẫn đường dùng để hồi tiếp luôn tồn tại sai số và độ trôi vì thế kết quả điều khiển thực luôn tồn tại sai số

Tối ưu hóa bộ điều khiển thông minh AUV theo độ sâu [16] cho thấy tính hiệu quả của thuật toán với thời gian cập nhật thông số của bộ điều khiển nhanh Tuy nhiên chỉ mới thể hiện sự hoạt động độc lập theo độ sâu, điều khiển AUV thực tế có nhiều đầu vào, nhiều đầu ra và có sự tác động qua lại giữa các đầu vào, đầu ra Thành phần điều khiển trượt có thể được áp dụng để giải quyết vấn đề không chắc chắn [39] Tuy nhiên, nó thường được giả định là biết trước Đây cũng là một trong những hạn chế của thuật toán vì thực tế các đặc tính phi tuyến và các yếu tố không chắc chắn không thể giới hạn trước Để thực hiện luật cập nhật thích nghi

mạng nơron nhiều lớp được áp dụng [14] Các trọng số của mạng được cập nhật theo thuật toán hồi tiếp ngược Có thể xây dựng mạng nơron để xấp xỉ các hàm không biết trước Tuy nhiên, không thể xác định chính xác số nơron ở lớp ẩn mà luôn tồn tại sai số cấu trúc mạng vì thế kết hợp mạng nơron với thành phần điều khiển chế độ trượt được áp dụng [43]

Việc kết hợp chặt chẽ giữa hệ mờ và mạng nơron trong xấp xỉ hàm với luật điều khiển thích nghi hồi tiếp đầu ra cho hệ phi tuyến được đề xuất [41] Trong thực tế không phải luôn dễ dàng đo được tất cả các trạng thái của hệ thống hay chi phí cho việc đo lường rất lớn, độ chính xác không cao khi này để điều khiển hồi tiếp phải ước lượng các trạng thái từ các đầu ra của hệ thống Xuất phát từ những cơ sở trên,

và tham khảo về điều khiển mờ thích nghi hồi tiếp đầu ra cho hệ phi tuyến MIMO [36] Thuật toán điều khiển hồi tiếp đầu ra nơron mờ thích nghi trực tiếp (Direct Adaptive Fuzzy-Neural Output Feedback Controller-DAFNOC) cho hệ MIMO được đề xuất cho vũ khí chống ngầm điều khiển theo góc hướng, góc chúc ngóc và

Bộ điều khiển DAFNOC ước lượng trực tiếp luật điều khiển nên giảm đáng kể khối lượng tính toán so với bộ điều khiển gián tiếp Điều này cho phép sử dụng thuật toán DAFNOC trong những hệ thống có nhiều đầu vào, đầu ra với khối lượng tính toán lớn Bộ điều khiển DAFNOC có thể ứng dụng trong điều khiển vũ khí chống ngầm (ASWs) theo từng kênh riêng biệt hay điều khiển tổng hợp đồng thời theo góc hướng, góc chúc ngóc và ổn định góc lắc với đầu ra của ASWs được tính toán được nhờ thuật toán xác định tham số dẫn đường

Để giải quyết hai nhiệm vụ cơ bản nêu trên cần phải có các cơ sở học thuật về

mô tả chuyển động, dẫn đường và điều khiển vũ khí chống ngầm Vì vậy, luận án sẽ trình bày các cơ sở toán học có liên quan và xác định các vấn đề cần giải quyết khi

thực thi việc xác định các tham số dẫn đường trong quá trình vũ khí chống ngầm chuyển động trong khí quyển và giai đoạn chuyển động trong nước, xác định quỹ đạo hiệu chỉnh và điều khiển vũ khí chống ngầm bám theo quỹ đạo hiệu chỉnh

1.2 Các hệ tọa độ sử dụng trong mô tả chuyển động của phương tiện ngầm 1.2.1 Hệ tọa độ quán tính

Theo định luật Newton, hệ tọa độ quán tính là hệ tọa độ không quay hoặc

chuyển động không có gia tốc (hình 1.8) [32]:

Gốc tọa độ tại tâm trái đất;

Trục X I đi qua điểm xuân phân là giao điểm giữa quỹ đạo quay của trái đất và đường xích đạo thiên văn;

Trục Y I nằm phía bên phải của khung toạ độ trực giao;

Trục Z I hướng theo cực Bắc;

Hình 1.8: Hệ tọa độ quán tính

1.2.2 Hệ tọa độ cố định tâm trái đất

Hệ tọa độ này quay xung quanh mặt trời với tốc độ 7.292115 x 10-5 rad/s Mô tả

hệ tọa độ cố định tâm trái đất như hình 1.9 [32]:

Gốc tọa độ tại tâm trái đất;

Trục X e có hướng đi qua kinh tuyến của đài thiên văn Greenwich trong mặt phẳng xích đạo;

Trục Y e hướng 900 phía Đông của đài thiên văn Greenwich trong mặt phẳng xích đạo;

Trục Z e trục quay của tham chiếu Ellip của trái đất

Có hai khái niệm về hệ tọa độ địa lý, hệ tọa độ địa lý cố định và hệ tọa độ địa lý

di động Hệ tọa độ địa lý cố định OX Y Z được gắn chặt với trái đất, thường thì hệ 0 0 0

tọa độ địa lý cố định có gốc tọa độ tại điểm xuất phát của phương tiện ngầm, trục

0

tạo thành tam diện thuận (hình 1.9) [39] Vị trí của hệ tọa độ địa lý trong hệ tọa độ

cố định tâm trái đất được xác định bởi kinh độ l và vĩ độ  Trong luận án, hệ tọa

độ này được chọn làm hệ tọa độ dẫn đường

Hệ tọa độ địa lý di động có tâm hệ tọa độ trùng với tâm khối vật thể chuyển động, trục X theo hướng bắc (N), trục 0 Y hướng đông (E) và trục 0 Z hướng xuống 0

dưới (D) tạo thành tam diện thuận

Gốc tọa độ thường chọn trùng với tâm trọng lực G b; Trục dọc G X b b hướng theo chiều dọc của phương tiện ngầm, trục G Z b b hướng xuống dưới và trục G Y b b hướng ngang tạo thành tam diện thuận

1.2.5 Ma trận chuyển tọa độ

Việc xác định quan hệ giữa hai hệ tọa độ thực chất là xác định ma trận chuyển tọa độ và chuyển đổi véc tơ từ hệ tọa độ này sang hệ tọa độ khác Có bốn phương pháp thường được sử dụng như sau :

- Phương pháp góc Ơle : Phương pháp đo góc Ơle trực tiếp bằng các cơ cấu đo góc (các Encoder) chỉ phù hợp với các thiết bị đặt trên mặt đất Đối thiết bị bay hoặc phương tiện ngầm để đo trực tiếp góc Ơle phải dùng các con quay ba bậc tự do Nhược điểm của con quay ba bậc tự do là khối lượng lớn và giá thành rất cao, vì

là thiết bị cơ điện tinh vi đòi hỏi độ chính xác cao trong gia công và lắp ráp

- Phương pháp giải trực tiếp hệ phương trình phi tuyến: Việc dùng phương pháp giải trực tiếp hệ phương trình phi tuyến gặp phải hai khó khăn về mặt toán học

đó là vấn đề phi tuyến và vấn đề điểm kỳ dị (chia 0)

- Phương pháp ma trận Côsin định hướng: Việc dùng phương pháp ma trận Côsin định hướng sẽ phải giải số lượng lớn các phương trình vi phân

- Phương pháp sử dụng tham số Rodrig-Hamilton: Người ta thường dùng trong thiết bị dẫn đường quán tính không đế với các phần tử đo gồm các gia tốc kế và các con quay vi cơ đo tốc độ quay tuyệt đối

Các phương pháp xác định ma trận chuyển ở trên là kiến thức cơ bản đã được trình bày trong nhiều tài liệu tham khảo Phương pháp góc Ơle và phương pháp sử dụng tham số Rodrig-Hamilton có liên quan sẽ được trình bày trong luận án

1.2.5.1 Phương pháp góc Ơle

Thực hiện ba phép quay liên tiếp để biến đổi tọa độ giữa hệ tọa độ gắn liền sang

hệ tọa độ địa lý như hình 1.11 – 1.13 ta có được các góc Ơle , ,  

Quay hệ tọa độ địa lý OX Y Z một góc hướng  quanh trục 0 0 0 Z0 được hệ tọa độ mới là OX Y Z (hình 1.11) Phương trình thể hiện mối quan hệ giữa hai hệ tọa độ 1 1 1

viết dưới dạng ma trận: 

Hình 1.11: Quay theo góc hướng  quanh trục Z0

Quay hệ tọa độ OX Y Z một góc chúc ngóc 1 1 1  quanh trục Y1 được hệ tọa độ

mới là OX Y Z (hình 1.12) Phương trình thể hiện mối quan hệ giữa hai hệ tọa độ 2 2 2

w  

 

Quay hệ tọa độ OX Y Z một góc lắc 2 2 2  quanh trục X2 đưa về hệ tọa độ

mối quan hệ giữa hai hệ tọa độ viết dưới dạng ma trận:

Hình 1.13: Quay theo góc lắc  quanh trục X2

Thực hiện ba phép quay liên tiếp bên trên ta có các ma trận quay:

địa lý với ma trận Côsin định hướng n

b

C được biểu diễn:

11 12 13 , , , 21 22 23

31 32 33

C là ma trận trực giao nên có thể chuyển một véc tơ từ hệ tọa độ địa lý

sang hệ tọa độ gắn liền bởi ma trận chuyển 1

1.2.5.2 Phương pháp sử dụng tham số Rodrig – Hamilton

Số siêu phức quaternion được định nghĩa [20], [35]:

Phép nhân hai số quaternion được ký hiệu là  và tuân thủ quy tắc nhân các số

Ma trận chuyển của của véc tơ R b từ hệ tọa độ gắn liền sang hệ tọa độ địa lý R n

có thể định nghĩa thông qua số siêu phức quaternion  như sau [20]:

Bảng 1.1: Quan hệ giữa các Côsin chỉ phương và các số quaternion

Thứ tự quay Góc Ơle Góc Côsin chỉ phương Các số quaternion

Có thể xác định các tham số Rodrig-Hamilton thông qua các vận tốc góc quay

tuyệt đối của hệ tọa độ gắn liền và hệ tọa độ địa lý [20], [46]:

Từ (1.13) sử dụng quy tắc nhân số ảo (1.7), các tham số Rodrig-Hamilton được

viết trong miền số thực:

Từ các tham số Rodrig-Hamilton của ma trận Côsin định hướng n

b

C có thể xác định các góc Ơle: góc lắc  , góc chúc ngóc , góc hướng  như sau:

c

arctg c

c c

1.3 Tổng quan về dẫn đường quán tính

1.3.1 Nguyên tắc dẫn đường quán tính

Ý tưởng chính của dẫn đường quán tính là dựa trên phép tích phân gia tốc Thiết

bị đo gia tốc đối tượng là gia tốc kế Gia tốc kế đo gia tốc cảm nhận của tâm khối đối tượng chuyển động, trong hệ tọa độ quán tính chỉ số gia tốc kế f được biểu diễn [20], [32]:

g là gia tốc trọng trường sinh ra do lực hút trái đất

Gia tốc tuyệt đối a được xác định từ công thức Coriolis [32]:

đạo hàm  đối với hệ tọa độ địa lý (trong trường hợp chọn làm hệ tọa độ dẫn đường);

N E D

U U U U vận tốc góc trái đất;  là ký hiệu tích véc tơ;

( , , )T

N E D

  

  vận tốc góc tuyệt đối của hệ tọa độ địa lý;

r là véc tơ vị trí của đối tượng ngầm trong hệ tọa độ quán tính

Từ phương trình (1.16), (1.17) gia tốc cảm nhận có thể được viết lại thành:

Phương trình (1.18) là phương trình dẫn đường tổng quát

Xem hệ tọa độ địa lý như một hệ tọa độ dẫn đường và định nghĩa phép chiếu của phương trình (1.18) trên các trục của hệ tọa độ địa lý Với mục đích đó, quy tắc nhân véc tơ được giới thiệu [20], [32]:

trong đó, a b c, , là ba véc tơ đơn vị trên ba trục

Dùng luật ở trên, phép chiếu của gia tốc lên các trục của hệ tọa độ địa lý được

kế và con quay tốc độ góc được lắp đặt trực tiếp trên thân đối tượng

1.3.1.1 Dẫn đường quán tính có đế

Đế của thiết bị dẫn đường quán tính là một tấm phẳng được ổn định vị trí trong không gian nhằm tạo ra hệ tọa độ đo (gọi là hệ tọa độ đế) Có ba loại thiết bị dẫn đường quán tính có đế:

- Thiết bị dẫn đường quán tính có đế dạng giải tích: Loại này tạo ra một hệ tọa độ

đo ổn định trong không gian quán tính

- Thiết bị dẫn đường quán tính có đế dạng bán giải tích: Loại này tạo ra một hệ tọa độ đo vừa ổn định trong không gian vừa quay trong không gian với tốc độ góc bằng tốc độ góc quay trái đất tại vị trí vũ khí rời khỏi bệ phóng

- Thiết bị dẫn đường quán tính có đế dạng hình học: Loại này tạo ra một hệ tọa

độ đo vừa ổn định trong không gian vừa quay theo sự quay ngày đêm của trái đất và quay theo do sự chuyển động bám theo độ cong của bề mặt trái đất

Vũ khí chống ngầm thường rơi trong khí quyển khoảng vài phút và chuyển động trong môi trường nước khoảng một vài phút nữa, không gian hoạt động tương đối hẹp nên nếu sử dụng thiết bị dẫn đường quán tính có đế thì nên dùng loại đế ổn định trong không gian quán tính, có giá thành rẻ nhất trong các thiết bị dẫn đường quán tính có đế (rẻ hơn thiết bị dẫn đường quán tính bán giải tích và thiết bị dẫn đường quán tính hình học – hai loại thường dùng cho vật thể chuyển động thời gian dài và không gian rộng)

Hình 1.14: Hệ tọa độ địa lý và thiết bị dẫn đường quán tính có đế dạng giải tích

Trên hình 1.12 là cấu trúc của của thiết bị dẫn đường quán tính có đế dạng giải tích [46] Nguyên lý hoạt động của thiết bị dẫn đường quán tính có đế dạng giải tích như sau:

Trên tấm đế, ngoài ba gia tốc kế còn có 3 con quay ba bậc tự do, ba con quay đó được đặt sao cho các trục chỉ hướng theo 3 phương của tam diện thuận Khi các rôto của ba con quay đạt tốc độ quay danh định và các con quay được mở chốt thì 3 trục nhạy của chúng xác lập một hệ tọa độ quán tính (hệ tọa độ đế) Tấm đế quan hệ với

vỏ của AUV (tức là với hệ tọa độ gắn liền với AUV) thông qua 3 khung treo các đăng, 3 khung này có thể quay xung quanh các trục OX OY OZ D, D, D bằng 3 động cơ điện tương ứng Hệ tọa độ đế trùng với hệ tọa độ gắn liền của AUV ở thời điểm mở chốt 3 con quay ba bậc tự do Khi AUV chuyển động trong không gian, nếu động

cơ điện không quay thì tấm đế sẽ quay theo, các cơ cấu đo của các con quay ba bậc

tự do sẽ xuất hiện tín hiệu tỉ lệ với sai lệch của vị trí tấm đế so với hệ tọa độ quán tính đã xác lập Các tín hiệu này được khuyếch đại và đưa đến các động cơ điện, các động cơ quay để đưa tấm đế về trùng với hệ tọa độ quán tính đã xác lập để khử bỏ các sai lệch Bản chất quá trình ổn định vị trí tấm đế là quá trình tự động bám bởi 3

hệ tự động bám

Một đầu của các trục quay OX OY OZ D, D, D gắn cảm biến góc để đo góc quay

1 , , 2 3

AUV Như vậy từ thông tin của 3 góc quay do ba cảm biến góc cung cấp sẽ xác định được ma trận Côsin đinh hướng b

d

C dạng (1.5) mô tả quan hệ giữa hệ tọa độ đế

và hệ tọa độ gắn liền với AUV

Việc mở chốt ba con quay của thiết bị đế được thực hiện ở thời điểm mang tính ngẫu nhiên (do người phi công lái máy bay thực hiện) nên hệ tọa độ đế được xác lập

sẽ là một hệ tọa độ cố định bất kỳ trong không gian quán tính Vì vậy, để xác định được các tham số định vị và tham số định hướng của ASWs so với hệ tọa độ dẫn đường (hệ tọa độ địa lý nơi máy bay thả ASWs) cần phải xác định ma trận Côsin định hướng n

d

C giữa hệ tọa độ đế và hệ tọa độ địa lý tại nơi máy bay thả ASWs

Từ việc xác định được ma trận Côsin định hướng n

d

C sẽ xác định được các thành phần của véc tơ gia tốc trong hệ tọa độ dẫn đường (hệ tọa độ địa lý):

n n n là thành phần của véc tơ gia tốc trong hệ tọa độ đế, được đo bởi gia tốc kế

Các tổ hợp khí tài quân sự nói chung và đối với các loại ASWs nói riêng thường

chọn hệ toạ độ địa lý nơi ASWs rời phương tiện mang làm hệ toạ độ dẫn đường

đồng thời bỏ qua vận tốc góc quay của hệ tọa độ địa lý và vận tốc góc quay của hệ

tọa độ cố định tâm trái đất, khi đó phương trình (1.20) được viết lại:

Tọa độ tâm khối x y z, , của ASWs trong hệ tọa độ địa lý được xác định bằng

cách giải hệ phương trình vi phân:

C giữa hệ tọa độ đế và hệ tọa

độ địa lý và ma trận Côsin định hướng b

Từ (1.24) các góc trạng thái được xác định theo công thức (1.15)

Để đế hoạt động có các thuật toán điều khiển đế và thuật toán xác định ma trận

Côsin định hướng giữa hệ tọa độ đế với hệ tọa độ dẫn đường (hệ tọa độ địa lý) Các

thuật toán điều khiển đế được cài đặt khi chế tạo thiết bị dẫn đường quán tính có đế

còn thuật toán xác định ma trận Côsin định hướng giữa hệ tọa độ đế với hệ tọa độ

dẫn đường là thuật toán được hình thành khi sử dụng thiết bị dẫn đường quán tính

có đế, vấn đề này không được chuyển giao khi mua sắm thiết bị Vì vậy, luận án sẽ

đi sâu vào giải quyết vấn đề xây dựng thuật toán xác định ma trận Côsin định hướng

giữa hệ tọa độ đế với hệ tọa độ dẫn đường