Báo cáo luận văn: Thuật toán dẫn đường và điều khiển cho phương tiện ngầm

122 PHỤ LỤC A ………...A1 PHỤ LỤC B .………...B1 Trang 10 1, 2ss  Góc quay các bánh lái sâu rad h Tổng góc bẻ lái điều khiển theo góc hướng rad l Tổng góc bẻ lái điều khiển theo góc lắc

Bộ giáo dục v đo tạo Bộ quốc phòng Viện khoa học v công nghệ quân TRƯƠNG DUY TRUNG Xây dựng THUậT TOáN dẫn đờng v ĐIềU KHIểN CHO phơng tiện ngầm Luận án tiến sĩ kỹ thuật H nội 2014 Bộ giáo dục v đo tạo Bộ quốc phòng Viện khoa học v công nghệ quân TRƯƠNG DUY TRUNG Xây dựng THUậT TOáN dẫn đờng v ĐIềU KHIểN CHO phơng tiện ngầm Chuyên ngnh: Kỹ thuật điều khiĨn vμ tù ®éng hãa M· sè: 62 52 02 16   Ln ¸n tiÕn sÜ kü tht Ng−êi h−íng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Đức Thuận TS Ngun Quang VÞnh Hμ néi 2014  i   LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Những nội dung, số liệu kết trình bày luận án hồn tồn trung thực chưa có tác giả cơng bố cơng trình khác Tác giả luận án Trương Duy Trung   ii   LỜI CẢM ƠN Cơng trình nghiên cứu thực Viện Tên lửa, Viện Tự động hoá thuộc Viện Khoa học Cơng nghệ Qn - Bộ Quốc phịng Tác giả xin bày tỏ biết ơn sâu sắc tới tập thể cán giáo viên hướng dẫn khoa học: PGS TS Trần Đức Thuận TS Nguyễn Quang Vịnh Đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ suốt trình thực luận án Tác giả luận án xin chân thành cảm ơn Ban Lãnh đạo, Chỉ huy Viện Khoa học Cơng nghệ Qn sự, Phịng Đào tạo Viện Khoa học Công nghệ quân sự, Viện Tên lửa, Viện Tự động hoá đồng nghiệp ln động viên, quan tâm giúp đỡ để hồn thành luận án Xin chân thành cám ơn Thầy giáo, nhà Khoa học gia đình quan tâm giúp đỡ, đóng góp nhiều ý kiến quý báu, cổ vũ động viên tác giả hồn thành cơng trình khoa học   iii   MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT vi DANH MỤC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ xi PHẦN MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN VỀ DẪN ĐƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CHO PHƯƠNG TIỆN NGẦM 1.1 Tổng quan phương tiện ngầm 1.2 Các hệ tọa độ sử dụng mô tả chuyển động 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 dẫn đường quán tính 22 1.3.1 Nguyên tắc dẫn đường quán tính 22 1.3.1.1 Dẫn đường qn tính có đế 24 1.3.1.2 Dẫn đường quán tính khơng đế 27 1.3.2 Kết hợp hệ thống định vị dẫn đường 28 1.4 Mô tả động học phương tiện ngầm tự hành dạng ngư lôi 31 1.4.1 Các lực, mơ men qn tính hướng tâm phương tiện ngầm tự hành 32 1.4.2 Các lực mô men ngoại lực tác động lên phương tiện ngầm tự hành 33 1.4.2.1 Các lực mô men gây trọng lực lực 33 1.4.2.2 Các lực mô men khối nước kèm 33 1.4.2.3 Các lực mô men thủy động 34 1.4.2.4 Các lực mô men 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 39 Chương 2: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH THAM SỐ DẪN ĐƯỜNG CHO VŨ KHÍ CHỐNG NGẦM 41   iv   2.1 Xây dựng thuật tốn dẫn đường qn tính khơng 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 giai đoạn chuyển động khí 43 2.1.2 Xây dựng thuật toán xác định tham số dẫn đường cho vũ khí chống ngầm giai đoạn chuyển động nước 50 2.2 Xây dựng thuật tốn dẫn đường qn tính có đế cho vũ khí chống ngầm 59 2.2.1 Xây dựng thuật tốn xác định ma trận Cơsin định hướng hệ tọa độ đế với hệ tọa độ địa lý theo phương pháp phối hợp véc tơ vận tốc 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 hệ tọa độ đế với hệ tọa độ địa lý theo phương pháp phối hợp véc tơ vận tốc thả vũ khí chống ngầm từ máy bay lên thẳng 66 2.2.3 Thuật toán dẫn đường 70 2.3 Kết luận chương 72 Chương 3: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN NHẬN DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CHO VŨ KHÍ CHỐNG NGẦM 73 3.1 Phương trình chuyển động vũ khí chống ngầm 73 3.1.1 Phương trình chuyển động tổng quát 73 3.1.2 Phương trình chuyển động mặt phẳng 76 3.1.2.1 Phương trình chuyển động mặt phẳng đứng 76 3.1.2.2 Phương trình chuyển động 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 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 chạm nước 91 3.4.1 Phương pháp dẫn đường cho vũ khí chống ngầm mặt phẳng ngang 91 3.4.2 Phương pháp dẫn đường cho vũ khí chống ngầm mặt phẳng đứng 94 3.5 Kết luận chương 96 Chương 4: MƠ PHỎNG KIỂM NGHIỆM THUẬT TỐN NHẬN DẠNG, DẪN ĐƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CHO VŨ KHÍ CHỐNG NGẦM 97 4.1 Mô xác định tham số dẫn đường cho vũ khí chống ngầm 97   v   4.1.1 Xây dựng hàm động học hàm quan sát 97 4.1.2 Thực lọc Kalman 99 4.1.3 Kết mô 100 4.1.3.1 Giai đoạn vũ khí chống ngầm chuyển động khí 100 4.1.3.2 Giai đoạn vũ khí chống ngầm chuyển động nước 101 4.2 Mô xác định ma trận Côsin định hướng hệ tọa độ đế 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 Mơ nhận dạng tham số mơ hình vũ khí chống ngầm 104 4.3.1 Nhận dạng tham số mơ hình vũ khí chống ngầm theo góc chúc ngóc 104 4.3.2 Nhận dạng tham số mơ hình vũ khí chống ngầm theo góc hướng 106 4.4 Mô điều khiển hồi tiếp đầu nơron mờ thích nghi trực tiếp cho vũ khí chống ngầm 109 4.4.1 Mô điều khiển vũ khí chống ngầm theo góc hướng 109 4.4.2 Mơ điều khiển vũ khí chống ngầm theo góc chúc ngóc 111 4.4.3 Mơ điều khiển vũ khí chống ngầm theo góc lắc 113 4.4.4 Mô điều khiển hồi tiếp đầu nơron mờ thích nghi trực tiếp cho vũ khí chống ngầm tổng hợp theo góc hướng, góc chúc ngóc góc lắc 114 4.5 Kết luận chương 116 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 117 Kết luận 117 Những đóng góp luận án 118 Kiến nghị 119 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH Đà CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 120 TÀI LIỆU THAM KHẢO 122 PHỤ LỤC A …………………………………………………………………… A1 PHỤ LỤC B …………………………………………………………………… B1     vi   DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT X ,Y , Z Các ngoại lực tác dụng lên AUV (N) K, M , N Các mô men ngoại lực tác dụng lên AUV (Nm) u, v, w Các thành phần vận tốc chiếu lên trục hệ tọa độ gắn liền (m/s) uc , vc , wc Các thành phần vận tốc dòng chảy hệ tọa độ gắn liền (m/s) p, q, r Các thành phần vận tốc góc chiếu lên hệ tọa độ gắn liền (rad/s) x, y , z Vị trí AUV hệ tọa độ địa lý (m)  ,  , Các góc Ơle (rad) X u Hệ số lực khối nước kèm (kg) X wq , X qq , X vr , X rr Hệ số lực khối nước kèm chéo trục (kg/rad) X u|u| , X v|v| Hệ số lực cản theo trục X b hệ tọa độ gắn liền (kg/m) X w|w| , X uv , X uw Hệ số lực cản theo trục X b hệ tọa độ gắn liền (kg/m) X up Hệ số lực bánh lái (kg/rad) X uul Hệ số lực bánh lái (kg/m.rad) X pl Lực đẩy động (N) Yv , Yr Hệ số lực khối nước kèm (kg) Yv|v| Hệ số lực cản (kg/m) Ywp , Ypq Hệ số lực khối nước kèm chéo trục Yb (kg/rad) Yuv Hệ số khối nước kèm chéo trục, lực nâng lực cản (kg/rad) Yur Hệ số khối nước kèm chéo trục, lực nâng (kg/rad) Yuu h Hệ số lực bánh lái (kg/m.rad) Zw , Zq   Hệ số lực khối nước kèm (kg) Z w|w| Hệ số lực cản (kg/m) Zuq Hệ số lực khối nước kèm chéo trục lực nâng (kg/rad) Z vp , Z rp Hệ số lực khối nước kèm chéo trục (kg/rad) Z uw Hệ số lực khối nước kèm chéo trục, lực nâng lực cản (kg/rad)   vii   Z uu s Hệ số lực bánh lái (kg/m.rad) Kp  Hệ số mô men khối nước kèm (kg.m2/rad2) Kuul Hệ số mô men bánh lái hệ tọa độ gắn liền (kg/rad) Kuu Hệ số mô men khối nước kèm (kg/rad) Kup Hệ số mô men khối nước kèm chéo trục (kg/rad) Mq, Mw   Hệ số mô men khối nước kèm (kg.m2/rad2) M uw Hệ số mô men thân thành phần bánh lái (kg) M rp Hệ số mô men khối nước kèm chéo trục (kg.m2/rad2) M uq Hệ số mô men khối nước kèm chéo trục lực nâng (kg.m/rad) M vp Hệ số mô men khối nước kèm chéo trục (kg.m/rad) M uu s Hệ số mô men bánh lái (kg/rad) N v , N r Hệ số mô men khối nước kèm (kg.m2/rad2) Nur Hệ số mô men khối nước kèm chéo trục lực nâng (kg.m/rad) Nuv Hệ số mô men thân bánh lái (kg) N wp , N pq Hệ số mô men khối nước kèm chéo trục (kg.m/rad) Nuu h Hệ số mô men bánh lái (kg/rad) B Lực (lực Acsimet) (N) W Lực trọng lực (N) D Lực cản (N) L Lực nâng (N)  Mật độ nước (kg/m3) Af Tổng diện tích bề mặt theo hướng vận tốc AUV (m2) ,  Các góc cơng góc trượt ngang AUV (rad) Sbl Diện tích bề mặt bánh lái (m2) e Góc ảnh hưởng bánh lái (rad) xbl Khoảng cách từ trục bánh lái đến tâm trọng lực (m)  h1 ,  h Góc quay bánh lái hướng (rad)   viii    s1 ,  s Góc quay bánh lái sâu (rad) h Tổng góc bẻ lái điều khiển theo góc hướng (rad) l Tổng góc bẻ lái điều khiển theo góc lắc (rad) s Tổng góc bẻ lái điều khiển theo góc chúc ngóc (rad) M RB Ma trận qn tính AUV CRB Ma trận hướng tâm Coriolis AUV  RB Véc tơ ngoại lực mô men ngoại lực tác động lên thân AUV Gb Tâm khối AUV hệ tọa độ gắn liền I0 Ma trận mô men đường chéo theo trục hệ tọa độ gắn liền MA Ma trận quán tính khối nước kèm CA (  ) Ma trận hướng tâm Coriolis khối nước kèm D(  ) Ma trận lực mô men thủy động g ( ) Véc tơ lực mô men liên quan đến trọng lực lực L(  ) Ma trận thông số lực mô men bánh lái  bl Véc tơ lực mô men bánh lái  pl Véc tơ lực mô men động đẩy Cf Tâm AUV R  , Rl Bán kính cong trái đất theo tham chiếu Ellip R Bán kính trái đất xem trái đất hình cầu V Véc tơ vận tốc dài hệ tọa độ gắn liền  Véc tơ vận tốc góc hệ tọa độ gắn liền  Véc tơ vận tốc góc tuyệt đối hệ tọa độ địa lý U Véc tơ vận tốc góc trái đất  Véc tơ vận tốc đối tượng hệ tọa độ cố định tâm trái đất  Véc tơ vận tốc dài vận tốc góc hệ tọa độ gắn liền  Véc tơ vị trí góc Ơle hệ tọa độ địa lý l,  Kinh độ, vĩ độ   119   tọa độ đế hệ tọa độ địa lý (hệ tọa độ dẫn đường) toán xác định tham số dẫn đường cho vũ khí chống ngầm hai giai đoạn (chuyển động rơi có dù khí chuyển động mơi trường nước) phục vụ cho việc điều khiển hiệu chỉnh quỹ đạo cho vũ khí chống ngầm - Đề xuất giải pháp nhận dạng tham số mơ hình áp dụng điều khiển hồi tiếp đầu nơron mờ thích nghi trực tiếp có sử dụng thơng tin từ thiết bị dẫn đường quán tính cho điều khiển vũ khí chống ngầm, cụ thể là: + Đề xuất giải pháp nhận dạng tham số mơ hình vũ khí chống ngầm áp dụng phương pháp bình phương tối thiểu đệ quy có sử dụng thơng tin từ thiết bị dẫn đường quán tính + Đề xuất áp dụng điều khiển hồi tiếp đầu nơron mờ thích nghi trực tiếp có sử dụng thơng tin từ thiết bị dẫn đường quán tính cho việc điều khiển vũ khí chống ngầm đồng thời theo góc hướng, góc chúc ngóc ổn định góc lắc giai đoạn điều khiển hiệu chỉnh quỹ đạo Kiến nghị Kết luận án dừng lại mô Đề nghị quan chức Bộ quốc phòng cho phép bước đưa kết luận án vào đề tài triển khai ứng dụng cải tiến, đại hóa vũ khí chống ngầm   120   DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH Đà CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ [1] Nguyễn Quang Vịnh, Lê Anh Tuấn, Trương Duy Trung, Nguyễn Hoàng, Đồng Văn Tấn, Nguyễn Đức Thành, (2011), “Khảo sát số tham số quan trọng khối đo lường quán tính IMU AHRS400”, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Viện KH&CN Quân sự, (9), tr.213-217 [2] Nguyễn Quang Vịnh, Trương Duy Trung, (2011), “Điều khiển hồi tiếp ngõ nơron mờ thích nghi trực tiếp hệ cánh tay hai khớp nối”, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Viện KH&CN Quân sự, (9), tr.93-101 [3] Nguyễn Quang Vịnh, Trương Duy Trung, Phan Tương Lai, (2011), “Điều khiển hồi tiếp ngõ nơron mờ thích nghi gián tiếp hệ cánh tay hai khớp nối”, Hội nghị toàn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hóa, tr.167-172 [4] Nguyễn Quang Vịnh, Phan Tương Lai, Trương Duy Trung, Vũ Huy Trung, (2012), “Bộ lọc cho hệ thống đo lường quán tính IMU AHRS400”, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Viện KH&CN Quân sự, (21), tr.7-14 [5] Trần Đức Thuận, Nguyễn Quang Vịnh, Trương Duy Trung, (2012), “Mô hình động học chuyển động ngư lơi”, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Viện KH&CN Quân sự, (21), tr.28-35 [6] Trần Đức Thuận, Bùi Hồng Huế, Trương Duy Trung, Trần Xuân Kiên, (2012), “Ứng dụng lọc Kalman phi tuyến mở rộng xây dựng thuật toán xác định tham số định hướng sở kết hợp quay tốc độ góc với từ kế gia tốc kế”, Hội nghị Cơ điện tử Toàn quốc lần thứ 6, tr 488-494 [7] Trương Duy Trung, Nguyễn Quang Vịnh, Nguyễn Quang Hùng, Trần Đức Thuận, (2013), “Xây dựng thuật toán xác định tham số dẫn đường cho phương tiện chuyển động sở kết hợp quay tốc độ góc với từ kế, gia tốc kế vận tốc kế”, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Viện KH&CN Quân sự, (21), tr 3-12 [8] Trần Đức Thuận, Trương Duy Trung, Nguyễn Quang Vịnh, Nguyễn Sĩ Long, Trần Xuân Kiên, Bùi Hồng Huế, Nguyễn Văn Diên, (2013), “Xây dựng thuật toán xác định tham số định hướng cho phương tiện chuyển động sở kết   121   hợp quay tốc độ góc với từ kế gia tốc kế”, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Viện KH&CN Quân sự, (25), tr 7-16 [9] Trần Đức Thuận, Nguyễn Quang Vịnh, Trương Duy Trung, (2013), “Mô hình hóa nhận dạng tên lửa chống ngầm”, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Viện KH&CN Quân sự, (28), tr3-11 [10] Trương Duy Trung, Trần Đức Thuận, Nguyễn Quang Vịnh, (2013), “Thuật toán đặt điều kiện ban đầu cho cấu đế hệ thống dẫn đường quán tính theo phương phương pháp phối hợp véc tơ vận tốc”, Hội nghị toàn quốc lần thứ hai Điều khiển Tự động hóa, tr 269-275 [11] Trương Duy Trung, Trần Đức Thuận, Nguyễn Quang Vịnh, (2013), “Điều khiển hồi tiếp ngõ nơron mờ thích nghi trực tiếp cho dạng phương tiện ngầm tự hành”, Hội nghị toàn quốc lần thứ hai Điều khiển Tự động hóa, tr 222-228 [12] Trương Duy Trung, Trần Đức Thuận, Bùi Hồng Huế, Nguyễn Văn Diên, (2013), “Xây dựng thuật toán xác định tham số dẫn đường cho phương tiện chuyển động sở kết hợp quay tốc độ góc với từ kế, gia tốc kế định vị vệ tinh GPS”, Hội nghị toàn quốc lần thứ hai Điều khiển Tự động hóa, tr 37-42 [13] Phạm Văn Phúc, Đặng Xuân Kiên, Trương Duy Trung, (2013), “Thiết kế hệ thống điều khiển ngư lôi sử dụng điều khiển hồi tiếp ngõ nơron mờ thích nghi trực tiếp”, Hội nghị tồn quốc lần thứ hai Điều khiển Tự động hóa, tr 283-289 [14] Truong Duy Trung, Tran Duc Thuan, Nguyen Quang Vinh, Nguyen Vinh Hao, Truong Viet Chuong, (2013), “Guidance, navigation and control of Autonomous underwater vehicles”, International Symposium on Electrical and Electronics Engineering ISBN 978-604-73-2039-4, pp 44-49 [15] Trương Duy Trung, Nguyễn Quang Vịnh, (2014), “Xây dựng thuật toán xác định tham số dẫn đường cho vũ khí chống ngầm”, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Viện KH&CN Quân sự, chấp nhận đăng số 31 tháng năm 2014   122   TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Bùi Cơng Cường, Nguyễn Dỗn Phước (2001) Hệ mờ mạng nơron & ứng dụng, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội [2] Phạm Hữu Đức Dục, (2009), Mạng nơron & Ứng dụng Điều khiển, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật – Hà Nội [3] Nguyễn Thị Phương Hà, Huỳnh Thái Hoàng (2003), Lý thuyết điều khiển tự động, Nhà xuất ĐHQG Tp Hồ Chí Minh [4] Huỳnh Thái Hồng, (2006), Hệ thống điều khiển thơng minh, Nhà xuất ĐHQG Tp Hồ Chí Minh [5] Huỳnh Thái Hồng (2005), Các thuật tốn tối ưu bền vững để nhận dạng điều khiển thích nghi hệ thống động, Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật, ĐHBK Tp.Hồ Chí Minh [6] Phan Xn Minh, Nguyễn Dỗn Phước (2002) Lý thuyết điều khiển mờ, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội [7] Nguyễn Thương Ngô (1998), Lý thuyết điều khiển tự động đại, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội [8] Phạm Công Ngô (1998), Lý thuyết điều khiển tự động, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội [9] Nguyễn Thương Ngô (2000), Lý thuyết điều khiển tự động hệ tuyến tính, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội [10] Nguyễn Thương Ngô (2003), Lý thuyết điều khiển tự động thông thường đại-hệ phi tuyến-hệ ngẫu nhiên, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội [11] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh (2001), Nhận dạng hệ thống điều khiển, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội [12] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Hán Thành Trung (2003), Lý thuyết điều khiển phi tuyến, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [13] “Thuyết minh kỹ thuật Tên lửa AПР-2Э” (2003), Cục kỹ thuật, Qn chủng Phịng Khơng – Khơng Qn   123   Tiếng Anh [14] A Forouzantabar,B Gholami, M Azadi, (2012), “Adaptive Neural Network Control of Autonomous Underwater Vehicles”, World Academy of Science, Engineering and Technology 67, pp 304-309 [15] Alexander V Inzartsev, (2008), Underwater Vehicles, ISBN 978-953-7619-497, I-Tech, Vienna, Austria [16] A Faruq, S Abdullah, M Shah, (2011), “Optimization of An Intelligent Controller for An Unmanned Underwater Vehicle”, TELKOMNIKA, Vol.9, No.2, pp 245~256 [17] B Raeisy, A Safavi, R Khayatian, (2012), “Optimized Fuzzy Control Degign of An Autonomous Underwater Vehicle”, Iranian Journal of Fuzzy Systems Vol 9, No 2, pp 25-41 [18] C Vuilmet, (2006), “A MIMO Backstepping Control with Acceleration Feedback for Torpedo”, The 38th Southeastern Symposium on System Theory Tennessee Technological University Cookeville, TN, USA, pp 157-162 [19] D Ven, C Flanagan, D Toal, (2005), “Neural Networkcontrol of Underwater Vehicles”, Engineering Applications of Artificial Intelligence 18, pp 533–547 [20] D H Titterton, J L Weston, (2004), Strapdown Inertial Navigation Technology, 2nd Edition, The Institution of Electrical Engineers, ISBN 0863413587 [21] D H Shin, S T Kwon, S H Park, M G Joo, (2013), “ Fuzzy State Feedback Control for Way-Point Tracking of Autonomous Underwater Vehicle”, International Journal of Control and Automation, Korea Vol 6, No 1, pp 119-130 [22] Graham LeBlanc, (2011), Design and Simulation of A Control Continuum for Tetherless Underwater Vehicles, Master thesis, Dalhousie University Halifax, Nova Scotia [23] G N Robert, R Sutton, (1996), “Advance in Unmanned Marine Vehicles”, Control of Engineering Series 69, pp 92-101 [24] Hung Duc Nguyen, Riaan Pienaar, Dev Ranmuthugala, William West, (2011) “Modelling, Simulation and Control of Underwater Vehicles”, The first Vietnam Conference on Control and Automation, pp 150-159   124   [25] J.E.G Refsnes, (2007), Nonlinear Model-Based Control of Slender Body AUVs, Thesis for the degree of philosophy doctor, Trondheim [26] J Refsnes, A J Sørensen, K Y Pettersen, (2007), “ Output Feedback Control of an AUV with Experimental Results”, Conference on Control & Automation, Athens – Greece, pp 1-8 [27] J H Li, P M Lee, B H Jun, (2004), “A Neural Network Adaptive Controller for Autonomous Diving Control of An Autonomous Underwater Vehicle”, International Journal of Control, Automation, and Systems, vol 2, no 3, pp 374-383 [28] K M Fauske, F Gustafsson, Ø Hegrenæs, (2007), “Estimation of AUV Dynamics for Sensor Fusion”, The 10th International Conference on Information Fusion, Canada, pp 9-12 [29] Khac Duc Do, J Pan, (2009), Control of Ships and Underwater Vehicles, e-ISBN 978-1-84882-730-1 Springer Dordrecht Heidelberg London New York [30] L Ljung, (2007), System Identification Theory for The User, second edition, Prentice Hall PRT Upper Saddle River, NJ 07458 [31] M Santhakumar, T Asokan, (2009), “Non-linear Adaptive Control System for an Underactuated Autonomous Underwater Vehicle using Dynamic State Feedback”, International Journal of Recent Trends in Engineering, India, Vol 2, No 5, pp 380-384 [32] Oleg S Salychev, (1988), Inertial systems in navigation and geophysics, Bauman MSTU Press Moscow [33] P Kaniewski, G S Kaliski, (2005), “Integrated Positioning System for AUV”, Molecular and Quantum Acoustics (26), pp 115-128 [34] P A Ioannou, J Sun, (1996), Robust Adaptive Control, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ [35] Robert M Rogers, (2003), Applied Mathematics in Integrated Navigation Systems, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc 1801 Alexander Bell Drive, Reston, VA 20191-4344, Second Edition [36] S Tong, T Wang, J.T Tang, (2005), “Fuzzy Adaptive Output Tracking Control of Nonlinear System”, Fuzzy Sets and Systems 156, pp 285-299   125   [37] S.S Sastry, M Bodson, (1989), Adaptive Control: Stability, Convergence, and Robustness, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ [38] T S TSAY, (2010), “Intelligent Guidance and Control Laws for An Autonomous Underwater Vehicle”, Wseas transactions on systems, pp 463-475 [39] T I.Fossen, (1994), Guidance and Control of Ocean Vehicles, Chichester: John Wiley & Sons [40] T I Fossen, (2002), Marine Control Systems, Marine Cybernetics, ISBN 8293256-00-2 [41] W.Y.Wang, Y.G.Leu, T.T.Lee, (2002), “Output Feedback Control of Nonlinear Systems Using Direct Adaptive Fuzzy – Neural Controller”, Fuzzy Set and Systems, pp 341-358 [42] X Yun, E R Bachmann, (2006), “Design, Implementation, and Experimental Results of a Quaternion-Based Kalman Filter for Human Body Motion Tracking”, IEEE Transactions on Robotics, vol 22, no 6, pp 1216-1227 [43] Y J Mon, C M Lin, (2012), “Supervisory Recurrent Fuzzy Neural Network Guidance Law Design for Autonomous Underwater Vehicle”, International Journal of Fuzzy Systems, Vol 14, No 1, pp 54-64 [44] Z Tang, Q He, S Wang, J Shen, J Luo, (2012), “Predictive Fuzzy PID Control Method for Underwater Vehicles”, Journal of Computational Information Systems 8, China, pp 3635-3642 [45] Z Qin, J Gu, (2010) “Adaptive Control of Autonomous Underwater Vehicle Base on The Fuzzy Neural Network”, Journal of Automation, Mobile Robotics & Intelligent Systems, pp 104-111 Tiếng Nga [46] В.В Матвеев, В.Я Распопов (2009), Основы построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем, Москва [47] К Т Леондес, (1980), Фильтрация и стохастическое управление в динамических системах, Мир, Москва     A1 PHỤ LỤC A MỘT SỐ THAM SỐ CỦA MỘT CHỦNG LOẠI TÊN LỬA CHỐNG NGẦM Tên lửa chống ngầm thả từ máy bay tiêu diệt tàu ngầm, có đặc tính kỹ chiến thuật sau: - Chiều dài: 3700 mm - Trọng lượng: 575 kg - Đường kính thân: 350 mm - Khoảng cách từ trục bánh lái đến tâm trọng lực: 175mm - Độ sâu hành trình: tới 600m - Vùng hoạt động: theo hướng 00 – 3600; theo góc lắc: -500 đến 500 - Tốc độ: tới 115 km/h - Giản đồ định hướng hệ thống an ten thu phát: theo mặt phẳng ngang 70 , theo mặt phẳng đứng 40 ; khoảng cách đến 1500m - Động cơ: động tên lửa nhiên liệu rắn với trọng lượng nhiên liệu 165kg, thời gian làm việc động 55s, lực đẩy điều kiện tiêu chuẩn 6500-7500N - Máy lái: có máy lái điện quay bánh lái - Bánh lái: bốn bánh lái có kích thước 164 mm x 99 mm với góc giới hạn lớn 220  0.50 Hai bánh lái điều khiển tên lửa theo độ sâu, hai bánh lái điều khiển tên lửa vừa theo hướng vừa điều khiển giảm lắc - Khối thiết bị điều khiển:  Hệ thống truyền cảm góc chúc ngóc: Hệ thống gồm quay ba bậc tự dùng để định hướng tạo góc chúc ngóc 700 cho tên lửa chuyển động khơng khí  Hệ thống truyền cảm tốc độ góc: Hệ thống gồm có ba quay hai bậc tự để đo vận tốc góc tên lửa theo trục hệ tọa độ gắn liền  Hệ thống truyền cảm theo độ sâu: Làm việc theo nguyên tắc áp lực nước biển tác dụng lên bề mặt biến trở làm dịch chuyển chạy biến trở   A2 Một số tham số sử dụng để mơ phỏng: Mơ tả Kí hiệu Giá trị Đơn vị Chiều dài thân L 3700 mm Đường kính thân R 350 mm Khối lượng m 575 kg Vận tốc u 31.94 m/s Khoảng cách trục bánh lái đến tâm xbl 175 mm Mật độ nước  1025 kg/m3 Diện tích bề mặt bánh lái Sbl 0.016236 m2  max 22 độ Hệ số lực khối nước kèm theo trục dọc hệ tọa độ gắn liền X u 0.4 kg Hệ số lực cản theo trục X b X u|u| -3 kg/m Hệ số lực cản theo trục X b X uv 0.1 kg/m Hệ số lực cản theo trục X b X v |v | -52 kg/m Hệ số lực cản theo trục X b X uw 30 kg/m Hệ số lực cản theo trục X b X w|w| -52 kg/m Hệ số lực khối nước kèm chéo trục X wq -27 kg/rad Hệ số lực khối nước kèm chéo trục X rr 1.8 kg/rad Hệ số lực khối nước kèm chéo trục X qq kg/rad Hệ số lực khối nước kèm chéo trục X vr kg/rad Lực đẩy động X pl 7000 N Hệ số lực bánh lái X uul 13.48 kg/m.rad Hệ số lực khối nước kèm Yv -676 kg Hệ số lực khối nước kèm Yr -92 kg Hệ số lực khối nước kèm chéo trục Ywp 270 kg/rad Góc bẻ lái lớn   A3 Hệ số lực khối nước kèm chéo trục Ypq -100 kg/rad Hệ số lực cản Yv|v| -20.27 kg/m Hệ số khối nước kèm chéo trục, lực nâng lực cản Yuv -220 kg/rad Hệ số khối nước kèm chéo trục, lực nâng Yur -100 kg/rad Các lực bánh lái Yuu h 13.48 kg/m.rad Hệ số lực khối nước kèm Zw  -676 kg Hệ số lực khối nước kèm Zq  -92 kg Hệ số lực cản Z w|w| 20.27 kg/m Hệ số lực khối nước kèm chéo trục lực nâng Z uq -620 kg/rad Hệ số lực khối nước kèm chéo trục Z vp -270 kg/rad Hệ số lực khối nước kèm chéo trục Z rp -270 kg/rad Hệ số lực khối nước kèm chéo trục lực nâng lực cản Z uw -10 kg/rad Hệ số lực bánh lái Z uu s 13.48 kg/m.rad Kp  -676 kg.m2/rad2 Hệ số mô men bánh lái K uul 23.59 kg/rad Hệ số mô men khối nước kèm chéo trục Kup -100 kg/rad Hệ số mô men khối nước kèm K uu -100 kg/rad Hệ số mô men khối nước kèm Mq  -406.6 kg.m2/rad2 Hệ số mô men khối nước kèm Mw  92 kg.m2/rad2 Hệ số mô men thân thành phần bánh lái hướng M uw 362 kg Hệ số mô men khối nước kèm chéo trục lực nâng M uq -125 kg.m/rad Hệ số mô men khối nước kèm M vp 10 kg.m/rad Hệ số mô men khối nước kèm   A4 Hệ số mô men khối nước kèm chéo trục M rp 140 kg.m2/rad2 Hệ số mô men bánh lái M uu s -23.59 kg/rad Hệ số mô men khối nước kèm N v 92 kg.m2/rad2 Hệ số mô men khối nước kèm N r 676 kg.m2/rad2 Hệ số mô men khối nước kèm chéo trục lực nâng N ur -90 kg.m/rad Hệ số mô men thân bánh lái N uv -78 kg Hệ số mô men khối nước kèm chéo trục N wp 100 kg.m/rad Hệ số mô men khối nước kèm chéo trục N pq -140 kg.m/rad Hệ số mô men bánh lái N uu h -23.59 kg/rad I0 [70.83, 70.83, 1.83] Cf [0.007, 0, 0.015] Ma trận mô men đường chéo theo trục hệ tọa độ gắn liền Tọa độ tâm ASWs B1   PHỤ LỤC B Bổ đề [41]: Tính bị chặn nghiệm hệ tuyến tính ổn định  Cho hệ thống x (t )  Ax (t )  Bu (t ) có điều kiện đầu x (0)  x0 đó, x  R n , u  R m , A  R nn , B  R nm Giả sử A ma trận Hurwitz u (t )  L2 e , cho  0 số dương,   [0,  l ] đó,   l  2 thỏa mãn điều kiện || e A(t  ) || 0 e  Thì ta có: || x (t ) || 0 e t || x0 ||  || B || 0 || ut ||2 2   ( t  ) (B.1) t đó, giá trị || ut ||2 tính theo cơng thức: || ut ||2  (  e  (t  ) u T ( )u ( )d )1/2 Định lý [41]: Tính hội tụ hệ thống điều khiển theo phương pháp hồi tiếp đầu nơron mờ thích nghi trực tiếp Xét hệ thống có mơ tả động học (3.35) thỏa mãn giả thiết 1,3 với quan sát trạng thái (3.38), luật cập nhật (3.62), (3.63) thành phần để khử nhiễu sai số mơ hình (3.64), luật điều khiển (3.39) Khi tất tín hiệu vịng lặp kín hệ thống bị chặn Ek1 (t ) tiến tới t   Chứng minh: Định nghĩa hàm Lyapunov hệ thống sau: V   Vk (B.2) k 1   đó, Vk  ekT Pk ek  T  k k 2 k (B.3) với Pk  PkT  Đạo hàm theo thời gian hàm Vk ta có :      1     Vk  ekT Pk ek  ekT Pk ek   kT  k k 2 (B.4) Từ (3.60) (B.4) ta có:    T   1   ˆ Vk  ekT ( Ack Pk  Pk Ack ) ek  ekT Pk Bck [ kT k ( ek )  v fk  w fk ]   kT  k k (B.5) Bởi H k ( s ) Lk ( s ) hàm truyền thực dương chặt, nên tồn Pk  PkT  cho: T Ack Pk  Pk Ack  Qk Pk Bck  Ck với Qk  QkT  (B.6) B2   Từ (B.5) (B.6) ta có: 1     ˆ     Vk   ekT Qk ek  Ek 1[ kT k ( ek )  v fk  w fk ]   kT k k (B.7)  Trong trường hợp Ek1  , theo (3.64) vk   k   k /  , mặt khác theo giả  thiết | w fk |  k v fk  w fk Do Ek1[v fk  w fk ]   Trong trường hợp Ek1  , theo (3.64) vk    k , mặt khác theo giả thiết  | w fk |  k v fk  w fk Do Ek 1[v fk  w fk ]    Như hai trường hợp Ek   hay Ek  (B.7) viết lại: 1     ˆ     Vk   ekT Qk ek  Ek 1 kT k ( ek )   kT  k k (B.8)   Sự thật min (Qk ) || ek ||2  min (Qk ) | Ek1 |2 (B.9) đó, giá trị riêng nhỏ min (Qk )  , nên từ (B.7) (B.8) có: 1        ˆ Vk   min (Qk ) | Ek |2  Ek 1 kT k ( ek )   kT  k k (B.10) T   *T   T j j j * ˆ Mặt khác theo giả thiết  k*  arg  k M  k [sup ek Uek , eˆk Ueˆk | u k  u k ( ek /  k ) |]  Tức k*  , T  T phương trình (B.9) viết lại: j j 1       ˆ Vk   min (Qk ) | Ek |2  Ek 1 kT k ( ek )   kT  k k (B.11)  ˆ Trường hợp Ek1 kT k ( ek )  , theo (3.62) phương trình (B.10) viết lại:      ˆ ˆ Vk   min (Qk ) | Ek |2  Ek  kT k ( ek )  [k ( ek )]T  k    (B.12) ˆ ˆ Vì kT k ( ek )  [k ( ek )]T k  nên từ (B.12) có:   Vk   min (Qk ) | Ek |2 Trường hợp ||  k || m viết lại: (B.13) k  ˆ vaø Ek 1 kT k ( ek )  , theo (3.63) phương trình (B.11) B3    ˆ Ek 1 kT k ( ek ) T       ˆ ˆ k k Vk   min (Qk ) | Ek |2  Ek  kT k ( ek )  [k ( ek )]T  k     ||  k ||    Vk   min (Qk ) | Ek |2   ˆ Ek 1 kT k ( ek ) ||  k ||2 Trong trường hợp  ˆ Ek 1 kT k ( ek ) ||  k ||2 (B.14)  kTk ||  k || mk ; (B.15)  ||  k || 2mk  ˆ Ek 1 kT k ( ek )  nên   kT  k  phương trình (B.14) viết (B.13)   Từ (B.2) (B.13) cho thấy Ek1 (t )  L ek (t )  L , không đảm bảo   hội tụ tất biến vế phải (3.60) bị chặn, Ek1 (t ) bị chặn,   Ek1 (t )  L Tích phân vế (B.13) ta được: Vk   1       min (Qk ) | Ek |2  dt      | E k1 |2 dt  Vk (0)  Vk () (1/ 2)min (Qk ) (B.16) (B.17)  Bởi vế phải (B.16) bị chặn nên Ek1 (t )  L2 , theo bổ đề Barlalat [37] ta có  lim | Ek (t ) | t  Với định nghĩa hàm Lyapunov hệ thống (B.2) này: 3    V   Vk   min (Qk ) | Ek |2 k 1 k 1 (B.18)  Chứng tỏ Ek1 (t )  t   Tiếp theo xét phương trình sai số động học quan sát 2 j 1 (3.38) Đặt j 1  ˆ uk   g kj T  j ( ej )   g kj v j  wk  d k , theo luật cập nhật (3.62), (3.63) giả thiết j T 1,3 cho thấy uk bị chặn Mặt khác A0 k  K k Ck ma trận Hurwitz, theo bổ đề ta có: B4     || ek (t ) || 0 k e 0 k t || ek (0) ||  || Bk || 0 k || uk ||2 k 2 k   k (B.19) T  Bởi A0 k  Bk K ck ma trận Hurwitz ek (t ) bị chặn, từ phương trình động ˆ học quan sát trạng thái (3.38) cho thấy ek (t ) bị chặn Vì  ˆ ek  ek  ek  ˆ Ek1 , ek  L Ek1 (t )  t   dẫn tới xk , xk  L Sự giới hạn yk (t ) theo Ek1 (t ) yink (t ) ... trực tiếp cho vũ khí chống ngầm 82 3.4 Dẫn đường cho vũ khí chống ngầm hiệu chỉnh quỹ đạo sau chạm nước 91 3.4.1 Phương pháp dẫn đường cho vũ khí chống ngầm mặt phẳng ngang 91 3.4.2 Phương pháp... QUAN VỀ DẪN ĐƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CHO PHƯƠNG TIỆN NGẦM 1.1 Tổng quan phương tiện ngầm Trải qua nhiều thập niên phương tiện ngầm phát triển đa dạng chủng loại dùng cho nhiều mục đích khác mục đích... TỔNG QUAN VỀ DẪN ĐƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CHO PHƯƠNG TIỆN NGẦM 1.1 Tổng quan phương tiện ngầm 1.2 Các hệ tọa độ sử dụng mô tả chuyển động phương tiện ngầm 15 1.2.1 Hệ tọa độ