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

B GIO DC V O TO B QUC PHềNG VIN KHOA HC V CễNG NGH QUN S TRƯƠNG DUY TRUNG XY DNG THUT TON DN NG V IU KHIN CHO PHNG TIN NGM Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số : 62 52 02 16 Tóm tắt Luận án tiến sĩ kỹ thuật Hà nội 2014 Cụng trỡnh c hon thnh ti: VIN KHOA HC V CễNG NGH QUN S - B QUC PHềNG Ngi hng dn khoa hc: 1. PGS. TS Trần Đức Thuận 2. TS Nguyễn Quang Vịnh Phản biện 1: PGS. TS Đinh Văn Nhã Đại học Bách khoa Hà Nội Phản biện 2: TS Nguyễn Quang Hải Viện Kỹ thuật Hải quân Phản biện 3: TS Nguyễn Vũ Viện Khoa học và Công nghệ quân sự Lun ỏn c bo v trc Hi ng chm lun ỏn hp ti: Vin Khoa hc v Cụng ngh Quõn s vo hi gi ngy thỏng nm 2014 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Th vin Vin Khoa hc v Cụng ngh Quõn s - Th vin quc gia Vit Nam 1 Mở đầu 1. Đặt vấn đề Nghiên cứu, phát triển các loại phương tiện ngầm trong đó có vũ khí chống ngầm có tầm quan trọng trong việc phát triển, bảo vệ biển đảo. Hình 1: Quỹ đạo chuyển động của ASWs khi thả từ máy bay Vũ khí chống ngầm (ASWs) thả từ máy bay rơi xuống nước ở chế độ có dù. Sai số điểm chạm nước thực so với điểm chạm nước tính toán bao gồm 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, sai số này có thể vượt quá giới hạn làm việc của đầu tự dẫn của ASWs dẫn đến ASWs không thể phát hiện được mục tiêu (hình 1). Như vậy, để nâng cao khả năng phát hiện mục tiêu, ASWs cần phải chuyển động về điểm tiếp cận quỹ đạo mong muốn đã xác định trước. Để khắc phục các sai số nêu trên, luận án đề xuất 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 vấn đề điều khiển vũ khí chống ngầm có trang bị thiết bị dẫn đường quán tính nêu trên. 2 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 tƣợng và phƣơng 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 Luận án gồm mở đầu, 4 chương, kết luận và hai phụ lục. Nội dung luận án được trình bày trong 119 trang A4: Chương 1. Tổng quan về dẫn đường và điều khiển cho phương tiện ngầm Chương 2. Xây dựng thuật toán xác định tham số dẫn đường cho vũ khí chống ngầm Chương 3. Xây dựng thuật toán nhận dạng và điều khiển cho vũ khí chống ngầm Chương 4. Mô phỏng kiểm nghiệm thuật toán nhận dạng, dẫn đường và điều khiển cho vũ khí chống ngầm. 3 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ DẪN ĐƢỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CHO PHƢƠNG TIỆN NGẦM 1.1 Tổng quan về phƣơng tiện ngầm Luận án đi sâu vào vấn đề xác định quỹ đạo cần hiệu chỉnh của vũ khí chống ngầm (ASWs) thả từ máy bay và điều khiển vũ khí chống ngầm chuyển động theo quỹ đạo hiệu chỉnh này. Như vậy 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 giai đoạn hiệu chỉnh quỹ đạo. Hình 1.5: Quỹ đạo mong muốn và quỹ đạo hiệu chỉnh của ASWs 1.2 Các hệ tọa độ sử dụng trong mô tả chuyển động của phƣơng tiện ngầm Hình 1.9: Quan hệ của hệ tọa độ cố định tâm trái đất và hệ tọa độ địa lý Hình 1.10: Hệ tọa độ gắn liền 4 1.2.1 Hệ tọa độ quán tính Hệ tọa độ quán tính là hệ tọa độ không có gia tốc. 1.2.2 Hệ tọa độ cố định tâm trái đất Hệ tọa độ cố định tâm trái đất e e e OX Y Z (hình 1.9). 1.2.3 Hệ tọa độ địa lý Hệ tọa độ địa lý cố định (hệ tọa độ dẫn đường) 0 0 0 OX Y Z (hình 1.9). 1.2.4 Hệ tọa độ gắn liền Hệ tọa độ gắn liền b b bb G X Y Z (hình 1.10). 1.2.5 Ma trận chuyển tọa độ 1.2.5.1 Phƣơng pháp góc Ơle Thực hiện ba phép quay liên tiếp theo các góc Ơle ( , , )    xác định được ma trận chuyển từ hệ tọa độ gắn liền sang hệ tọa độ địa lý. 1.2.5.2 Phƣơng pháp sử dụng tham số Rodrig – Hamilton Ma trận chuyển từ hệ tọa độ gắn liền sang hệ tọa độ địa lý có thể định nghĩa thông qua các tham số Rodrig - Hamilton như sau: 22 0 1 1 2 0 3 1 3 0 2 11 12 13 22 1 2 0 3 0 2 2 3 0 1 21 22 23 22 1 3 0 2 2 3 0 1 0 3 31 32 33 2 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 1 n b c c c C c c c c c c                                                       (1.12) 1.3 Tổng quan về dẫn đƣờng quán tính 1.3.1 Nguyên tắc dẫn đƣờng quán tính 1.3.1.1 Dẫn đƣờng quán tính có đế . Để đưa thiết bị dẫn đường quán tính có đế vào sử dụng cần phải xác định ma trận Côsin định hướng n d C giữa hệ tọa độ đế D D D OX Y Z và hệ tọa địa lý 0 0 0 OX Y Z . Sau đó tính: ( ) ( ), , , , T n T N E D d dx dy dz Cf f f n n n 1.21) ;; N N E E D D V f V f V f g    (1.22) ;; N E D x V y V z V   (1.23) Hình 1.14: Hệ tọa độ địa lý và thiết bị dẫn đường quán tính có đế dạng giải tích 5 1.3.1.2 Dẫn đƣờng quán tính không đế Các tham số Rodrig - Hamilton của ma trận n b C được viết: 0 1 2 3 1 0 3 2 2 3 0 1 3 2 1 0 2 ; 2 2 ; 2 p q r p q r p q r p q r                                    (1.26) Thành phần gia tốc trong hệ tọa độ độ địa lý: n bb f C a (1.27) Vận tốc và tọa độ tâm khối của ASWs được xác định theo công thức (1.22) và (1.23). Tuy nhiên các con quay vi cơ thực tế thường cho thông tin bao gồm nhiễu đo và độ trôi, gia tốc kế cũng cho chỉ số bao gồm nhiễu. Vì thế nếu dùng trực tiếp thông tin trên luôn cho tham số dẫn đường có sai số tăng theo thời gian. 1.3.2 Kết hợp các hệ thống định vị và dẫn đƣờng Để khắc phục các sai số của việc sử dụng trực tiếp thông tin từ các gia tốc kế và con quay vi cơ xác định tham số dẫn đường thực tế có nhiều phương pháp kết hợp hệ thống định vị và dẫn đường được đề xuất. Luận án đề xuất việc đưa thêm các phần tử đo khác và áp dụng bộ lọc Kalman phi tuyến mở rộng (EKF) như hình 1.15. Hình 1.15: Bộ lọc Kalman phi tuyến mở rộng 6 1.4 Mô tả động học phƣơng tiện ngầm tự hành dạng ngƣ lôi 1.4.1 Các lực, mô men quán tính và hƣớng tâm của phƣơng tiện ngầm tự hành Phân tích lực và mô men đối với phương tiện ngầm xác định được ma trận quán tính RB M và ma trận hướng tâm RB C . 1.4.2 Các lực và mô men ngoại lực tác động lên phương tiện ngầm tự hành 1.4.2.1 Các lực và mô men gây ra bởi trọng lực và lực nổi Lực và mô men gây ra bởi trọng lực và lực nổi ()g  được biểu diễn trong hệ tọa độ gắn liền. 1.4.2.2 Các lực và mô men khối nƣớc kèm Phân tích các lực và mô men của khối nước kèm cho phép xác định được ma trận quán tính và ma trận hướng tâm khối nước kèm , AA MC . (1.25) 1.4.2.3 Các lực và mô men thủy động Từ việc phân tích lực cản và lực nâng tác động lên phương tiện ngầm, ma trận lực và mô men thủy động ()D  được xác định. 1.4.2.4 Các lực và mô men của bánh lái Phân tích các lực và mô men tác động lên bánh lái của phương tiện ngầm tự hành, véc tơ lực, mô men bl  và ma trận thông số lực, mô men bánh lái ()L  theo các trục của hệ tọa độ gắn liền được xác định. Lực đẩy tạo ra đối với phương tiện ngầm là pl  . 1.4.3 Các yếu tố môi trường tác động lên phương tiện ngầm tự hành Phương tiện ngầm tự hành hoạt động trong môi trường nước nên chỉ xét ảnh hưởng của dòng chảy đại dương. 1.5 Kết luận chƣơng 1 1. Chủng loại vũ khí tên lửa, ngư lôi chống ngầm (vũ khí chống ngầm) là loại vũ khí quan trọng trong chiến tranh hiện đại. Tuy nhiên trong hệ thống điều khiển của các chủng loại vũ khí chống ngầm hiện có tại Việt Nam chưa được trang bị thiết bị dẫn đường nên khi tác chiến trong điều kiện thời tiết phức tạp rất khó khăn. Vì vậy cần phải cải tiến, 7 hiện đại hóa bằng cách trang bị thêm thiết bị dẫn đường quán tính và phải giải quyết một số vấn đề có tính học thuật. 2. Việc trang bị thiết bị dẫn đường quán tính không đế có ưu điểm giá thành rẻ. Tuy nhiên phải có các giải pháp khắc phục các nhược điểm mà hiện nay công nghệ chế tạo chưa giải quyết được đó là độ trôi tín hiệu đầu ra của các phần tử đo trong thiết bị dẫn đường quán tính. Việc đưa thêm các phần tử đo khác đòi hỏi kèm theo các thuật toán xử lý đồng bộ. Đây là vấn đề còn mới và có nhiều giải pháp thực thi khác nhau. 3. Việc trang bị thiết bị dẫn đường quán tính có đế tuy giá thành cao nhưng khắc phục được các nhược điểm cơ bản của thiết bị dẫn đường quán tính không đế. Tuy nhiên, cần xây dựng thuật toán xác định ma trận Côsin định hướng giữa hệ tọa độ đế và hệ tọa độ địa lý. Đây thực sự là vấn đề còn mới ở Việt Nam. Các tài liệu nước ngoài khi chuyển giao vũ khí có thiết bị dẫn đường quán tính không đề cập đến vấn đề này. Vì vậy, đòi hỏi phải nghiên cứu vấn đề xác định ma trận Côsin định hướng giữa hệ tọa độ đế và hệ tọa độ dẫn đường khi ứng dụng thiết bị dẫn đường quán tính có đế. 4. Để hiệu chỉnh quỹ đạo chuyển động của vũ khí chống ngầm khi trang bị thêm thiết bị dẫn đường quán tính cần phải xây dựng thuật toán tạo lệnh điều khiển cho vũ khí chống ngầm ở giai đoạn chuyển động dưới nước, đưa vũ khí chống ngầm về điểm tiếp cận quỹ đạo mong muốn tính toán trước đảm bảo xác xuất tiêu diệt mục tiêu là lớn nhất. Chƣơng 2 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH THAM SỐ DẪN ĐƢỜNG CHO VŨ KHÍ CHỐNG NGẦM 2.1 Xây dựng thuật toán dẫn đƣờng quán tính không đế cho vũ khí chống ngầm 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 Ứng dụng bộ lọc Kalman phi tuyến mở rộng ước lượng tham số Rodrig - Hamilton trên cơ sở các thông tin quan sát do con quay vi cơ, gia tốc kế và từ kế cung cấp (hình 2.4), từ đó xác định ma trận Côsin định 8 hướng theo công thức (1.12), các góc trạng thái theo công thức (1.15), vận tốc và tọa độ tâm khối của ASWs theo công thức (1.22) và (1.23). Hình 2.4: Sơ đồ xác định tham số dẫn đường khi kết hợp con quay vi cơ, gia tốc kế và từ kế k K 1 () 1 ˆ () k k FX    () ˆ () k k hX  Hiệu chỉnh ma trận k K R Q k Z ˆ k Z () ˆ k X  () ˆ k X  () ˆ k X  3 con quay vi cơ 3 gia tốc kế 3 từ kế Các phương tiện đo M n b C y a z a x a 0 1 2 3 , , ,     E f D f N f g  (0) D V   (0)z z (0) E V  (0)y y (0) N V  (0)x x 1 2 0 3 22 01 1 3 0 2 2 3 0 1 22 03 arcsin 22 2 2 1 (2 2 ) 22 2 2 1 arctg arctg                                        D V E V N V Xác định tham số dẫn đƣờng Lọc EKF [...]... (3.63) 3.4 Dn ng cho v khớ chng ngm hiu chnh qu o sau khi chm nc 3.4.1 Phng phỏp dn ng cho v khớ chng ngm trong mt phng ngang Tớnh toỏn cỏc gúc hng mong mun sao cho qu o ca v khớ chng ngm s i theo qu o hiu chnh t im bt u iu khin n im giao nhau gia b mt qu cu cho phộp vi qu o mong mun 3.4.2 Phng phỏp dn ng cho v khớ chng ngm trong mt phng ng 15 Tớnh toỏn cỏc gúc chỳc ngúc mong mun sao cho qu o ca v khớ... thụng tin v ta im tip cn qu o mong mun, bỏn kớnh qu cu cho phộp, ta v gúc nh hng theo qu o mong mun ti im giao nhau gia qu o mong mun v b mt qu cu cho phộp ó bit trc cú th tớnh toỏn cỏc gúc hng v gúc chỳc ngúc mong mun sao cho qu o ca v khớ chng ngm s i theo qu o hiu chnh 4 T thụng tin v tham s nh hng ca v khớ chng ngm cho phộp tng hp cỏc lnh iu khin cho cỏc c cu lỏi theo lut iu khin hi tip u ra nron... thu c t thit b dn ng quỏn tớnh giỳp cho vic b sung lng iu khin cho cỏc c cu lỏi n nh gúc lc v trớ 0 nhm duy trỡ tớnh c lp ca hai chuyn ng hai mt phng ng v mt phng ngang õy l úng gúp mi ca lun ỏn v c cụng b trong cụng trỡnh [11], [13], [14] ca tỏc gi 16 Chng 4 Mễ PHNG KIM NGHIM THUT TON NHN DNG, DN NG V IU KHIN CHO V KH CHNG NGM 4.1 Mụ phng xỏc nh tham s dn ng cho v khớ chng ngm 4.1.1 Xõy dng cỏc... tớnh cho c lng cỏc tham s Rodrig-Hamilton 0 , 1 , 2 , 3 phự hp vi tham s tht gi nh trong iu kin con quay vi c cú trụi v nhiu o, cỏc phng tin o u cú nhiu o 21 2 Kt qu mụ phng th tc xỏc nh ma trn Cụsin nh hng gia h ta v h ta a lý cho thit b dn ng quỏn tớnh cú theo phng phỏp phi hp vộc t vn tc trong iu kin cú xột nhiu o ca gia tc k cho thy kt qu tớnh toỏn theo thut toỏn ngh phự hp vi giỏ tr gi nh cho. .. cú th cho phộp ng dng iu khin thc KT LUN V KIN NGH 1 Kt lun 1 a thit b dn ng quỏn tớnh v mt s thit b o vo h thng iu khin ca v khớ chng ngm th t mỏy bay lờn thng hay mỏy bay phn lc cho phộp hiu chnh qu o chuyn ng a v khớ chng ngm v im tip cn vi qu o mong mun trong iu kin im chm nc cú sai s 2 B sung t k, vn tc k, cm bin ỏp sut cho phộp ng dng thit b dn ng quỏn tớnh khụng xỏc nh cỏc tham s dn ng cho v... tham s dn ng cho v khớ chng ngm giai on chuyn ng trong mụi trng nc phc v cho vic iu khin hiu chnh qu o cho v khớ chng ngm + p dng phng phỏp phi hp vộc t vn tc do cỏc phng tin o vn tc trờn mỏy bay cung cp vi thụng tin t gia tc k ca thit b dn ng quỏn tớnh cú dng gii tớch xõy dng thut toỏn xỏc nh ma trn Cụsin nh hng gia h ta v h ta a lý (h ta dn ng) trong bi toỏn xỏc nh tham s dn ng cho v khớ chng... thớch nghi trc tip cho v khớ chng ngm tng hp theo gúc hng, gúc chỳc ngúc v gúc lc Thụng s b iu khin da trờn cỏc thụng s cỏc b iu khin theo hng, gúc chỳc ngúc v gúc lc ó thit k Kt qu mụ phng so sỏnh vi b iu khin PD cho thy thut toỏn xut cú kh nng thớch nghi tt (hỡnh 4.18) Hỡnh 4.18: Kt qu mụ phng iu khin ASWs theo gúc hng, gúc chỳc ngúc v gúc lc 4.5 Kt lun chng 4 1 Qua kt qu mụ phng cho thy thut toỏn... tin quan sỏt do con quay vi c, gia tc k, t k cung cp cho kt qu c lng bỏm sỏt giỏ tr thc gi nh (hỡnh 4.1) Hỡnh 4.1: Cỏc tham s Rodrig-Hamilton khi ASWs chuyn ng trong khớ quyn 4.1.3.2 Giai on v khớ chng ngm chuyn ng trong nc Mụ phng thut toỏn xỏc nh tham s dn ng cho ASWs trong trng hp kt hp con quay tc gúc vi t k, gia tc k, vn tc k v cm bin ỏp sut cho kt qu c lng bỏm sỏt giỏ tr thc gi nh (hỡnh 4.3)... chng ngm t mỏy bay phn lc Hỡnh 4.5: Cỏc giỏ tr 0 , 1 , 2 , 3 ỳng v c lng Kt qu mụ phng nh hỡnh 4.5 cho trng hp th ASWs t mỏy bay phn lc cho thy cỏc tham s Rodrig Hamilton c lng phự hp vi tham s thc gi nh 4.2.2 Trng hp th v khớ chng ngm t mỏy bay lờn thng Sau khi thu thp d liu, thc hin tớnh cỏc tham s cij cho kt qu phự hp vi kt qu thc gi nh (hỡnh 4.6) 18 cij ỳng 0.48 0.47 0.46 0 0.35 0.34 0.33 0 -0.78... trn Cụsin nh hng gia h ta v h ta a lý cho thit b dn ng quỏn tớnh cú , thut toỏn nhn dng tham s mụ hỡnh v thut toỏn iu khin hi tip u ra nron m thớch nghi trc tip cho v khớ chng ngm 6 Lun ỏn ó thc hin mt chu trỡnh hon chnh t xõy dng mụ hỡnh toỏn chuyn ng, mụ hỡnh húa, mụ phng, xut thut toỏn nhn dng tham s mụ hỡnh v xõy dng thut toỏn dn ng, thut toỏn iu khin cho v khớ chng ngm khi ri trong khớ quyn . quan về dẫn đường và điều khiển cho phương tiện ngầm Chương 2. Xây dựng thuật toán xác định tham số dẫn đường cho vũ khí chống ngầm Chương 3. Xây dựng thuật toán nhận dạng và điều khiển cho vũ. 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. bị dẫn đường quán tính nêu trên. 2 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