Phương tiện ngầm tự hành có nhiều dạng thiết kế và dùng cho nhiều mục đích khác nhau, nổi bật cho loại này là Ngư lôi và Tên lửa chống ngầm trang bị cho lực lượng Hải quân. Tên lửa chống ngầm (ASW) là một trong các loại AUV dùng để tiêu diệt các loại tàu ngầm..., được trang bị trên các máy bay săn ngầm. Tên lửa chống ngầm 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 động lực của tên lửa chống ngầm thường là động cơ nhiên liệu rắn. Hệ thống lái của tên lửa chống ngầm là các bánh lái hướng kết hợp giảm lắc, bánh lái sâu. Kích thước, trọng lượng và tốc độ tên lửa chống ngầm tùy thuộc vào thiết kế. Tên lửa chống ngầm thường có khả năng cơ động chậm, vận tốc thấp và quãng đường hoạt động ngắn.
1 Chƣơng TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG HỌC, NHẬN DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN PHƢƠNG TIỆN NGẦM Phƣơng tiện ngầm (underwater vehicle – UV) trải qua nhiều thập niên đƣợc phát triển đa dạng chủng loại dùng cho nhiều mục đích khác nhƣ mục đích quân sự, cứu hộ, thám hiểm đáy đại dƣơng, thăm dò, khai thác tài nguyên biển Căn vào khả tham gia điều khiển ngƣời, UV có hai loại: có ngƣời lái không ngƣời lái UV không ngƣời lái đƣợc chia thành UV điều khiển từ xa (Remotely Operated Vehicle - ROV) UV tự hành (Autonomous Underwater Vehicle - AUV) [15], [16], [17], [60] 1.1 Các loại phƣơng tiện ngầm Dƣới khảo sát số dạng UV với ứng dụng đặc tính làm việc khác nhau: - Phƣơng tiện ngầm tự hành (AUV): Phƣơng tiện ngầm tự hành có nhiều dạng thiết kế dùng cho nhiều mục đích khác nhau, bật cho loại Ngƣ lôi Tên lửa chống ngầm trang bị cho lực lƣợng Hải quân Tên lửa chống ngầm (ASW) loại AUV dùng để tiêu diệt loại tàu ngầm , đƣợc trang bị máy bay săn ngầm Tên lửa chống ngầm thƣờng có kết cấu dạng thân tròn xoay dài, phía đầu có dạng parabol tròn xoay đuôi có dạng thon dần để giảm lực cản thủy động Hệ động lực tên lửa chống ngầm thƣờng động nhiên liệu rắn Hệ thống lái tên lửa chống ngầm bánh lái hƣớng kết hợp giảm lắc, bánh lái sâu Kích thƣớc, trọng lƣợng tốc độ tên lửa chống ngầm tùy thuộc vào thiết kế Tên lửa chống ngầm thƣờng có khả động chậm, vận tốc thấp quãng đƣờng hoạt động ngắn Hình 1.1: Một số loại phương tiện ngầm tự hành AUV Một số thiết kế AUV đƣợc dùng kiểm tra, giám sát môi trƣờng, nghiên cứu khoa học cho nhiệm vụ kéo dài AUV đƣợc thiết kế dạng rô bốt chuyển động nƣớc hệ thống đẩy có tốc độ thấp nhƣng khả động cao Hiện giới có nhiều công trình nghiên cứu mô tả động học AUV dạng ngƣ lôi [1], [3], [4], [9], [10], [17], [23], [27] Hầu hết nghiên cứu tập trung vào AUV dạng ngƣ lôi làm nhiệm vụ nghiên cứu khoa học với tốc độ thấp Các loại ngƣ lôi có Hải quân Việt Nam hầu hết theo thiết kế Nga, tài liệu kèm mang tính thuyết minh kỹ thuật Đặc biệt tên lửa chống ngầm trang bị Hải quân Việt nam đƣợc mua từ Nga, tài liệu kèm tài liệu hƣỡng dẫn bảo quản sử dụng mà tài liệu mô tả động học nhƣ cấu tạo, thiết kế kỹ thuật kèm - Phƣơng tiện ngầm điều khiển từ xa ROV: Hình 1.2: Phương tiện ngầm điều khiển từ xa ROV Có nhiều kiểu thiết kế ROV, hầu hết ROV đƣợc thiết kế dạng rô bốt chuyển động nƣớc hệ thống đẩy có hƣớng trục đẩy theo mặt phẳng khác ROV có khả động tốt, đƣợc liên kết với vị trí điều khiển cáp điều khiển Các ROV đƣợc nghiên cứu phát triển thƣơng mại hóa rộng rãi giới thực nhiều nhiệm vụ dƣới nƣớc nhƣ kiểm tra đƣờng ống, hoạt động tìm kiếm, cứu hộ, kiểm tra kỹ thuật công trình ngầm, kiểm tra mặt sinh thái tham số môi trƣờng nƣớc, khai thác, nghiên cứu khoa học phục vụ quân Vì ROV phải liên kết với vị trí điều khiển cáp nên thƣờng bán kính làm việc ROV không xa, giải pháp định vị vị trí cho ROV hoàn toàn thực với độ xác cao Hiện nƣớc có số nghiên cứu nhƣ rô bốt cá nhóm nghiên cứu vốn sinh viên Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh hay đề tài nghiên cứu thiết kế chế tạo, thử nghiệm thiết bị điều khiển cho rô bốt ngầm mini hoạt động vùng nƣớc nông Học viện Hải quân Tuy nhiên nghiên cứu nƣớc chƣa đƣợc đƣa vào sản xuất, thƣơng mại hóa - Phƣơng tiện ngầm có ngƣời lái: Tàu ngầm dạng phƣơng tiện ngầm có ngƣời lái đồng thời có chế độ lái tự động nhƣ dạng phƣơng tiện ngầm không ngƣời lái AUV Một loại tàu ngầm đại nhƣ tàu ngầm hạt nhân USS Jimmy Carter Mĩ có chiều dài 138m có vận tốc đạt 45km/h làm việc đến độ sâu 320m Việt Nam đặt hàng sản xuất tàu ngầm lớp Kilo Nga Kilo lớp tàu ngầm đƣợc thiết kế làm nhiệm vụ săn tàu ngầm, tàu chiến, tuần tra trinh sát đối phƣơng Tàu ngầm Kilo có khả lặn sâu 300m, di chuyển với tốc độ 20km/h nổi, gần 40km/h ngập nƣớc, có tầm hoạt động vào khoảng 12.000 km lặn với ống thông 650 km ngập nƣớc hoàn toàn Hình 1.3: Phương tiện ngầm có người lái Hiện giới có nhiều công trình nghiên cứu mô hình động học, hệ thống đạo, dẫn đƣờng điều khiển cho UV dạng tàu ngầm [1], [3], [4], [8], [9], [10], [17], [23], [27], công bố nghiên cứu dựa mô hình đơn giản, chƣa phải mô hình thực tế tàu ngầm đại có Trong nƣớc có số nghiên cứu điều khiển UV dạng tàu ngầm, nhiên mô hình áp dụng để điều khiển mô hình đơn giản 1.2 Các hệ tọa độ tham chiếu phƣơng tiện ngầm 1.2.1 Hệ tọa độ gắn liền Chuyển động phƣơng tiện ngầm đƣợc mô tả hệ tọa độ gắn liền bậc tự có gốc tọa độ thƣờng chọn trùng với tâm trọng lực Gb , trục hƣớng theo trục phƣơng tiện ngầm X b , Yb , Zb [1], [8] Hình 1.4: Phương tiện ngầm hệ tọa độ gắn liền Lực, mô men, vận tốc, vận tốc góc hệ tọa độ gắn liền đƣợc ký hiệu vector sau: 1 [ X , Y , Z ]T vector ngoại lực tác dụng lên phƣơng tiện ngầm; [ K , M , N ]T vector mô men ngoại lực tác dụng lên phƣơng tiện ngầm; V [u, v, w]T vector vận tốc dài theo trục hệ tọa độ gắn liền X b , Yb , Zb ; [ p, q, r ]T vector vận tốc góc hệ tọa độ gắn liền; [u, v, w, p, q, r ]T vector vận tốc dài vận tốc góc hệ tọa độ gắn liền 1.2.2 Hệ tọa độ cố định tâm trái đất Hệ tọa độ cố định tâm trái đất X eY e Z e có gốc tọa độ tâm trái đất, trục Xe có hƣớng qua kinh tuyến đài thiên văn Greenwich mặt phẳng xích đạo, trục Ye hƣớng 900 phía đông đài thiên văn Greenwich mặt phẳng xích đạo, trục Ze tạo với trục X eY e thành tam diện thuận (hình 1.5) [1], [8] Vị trí phƣơng tiện ngầm hệ tọa độ cố định tâm trái đất X eY e Z e vĩ độ kinh độ Ze N ( , ) E D O Xe Ye Đƣờng xích đạo Hình 1.5: trạng thái đo lƣờng đƣợc dễ dàng điều khiển dựa nguyên tắc hồi tiếp tuyến tính hóa Tuy nhiên, thực tế dễ dàng đo đƣợc tất trạng thái từ ngõ hệ thống, lúc để điều khiển hồi tiếp phải ƣớc lƣợng trạng thái từ ngõ hệ thống Bên cạnh có nhiều hệ thống điều khiển mà thông số hệ thống tính toán xác, sai số mô hình lớn dẫn đến toán điều khiển áp dụng thực tế đáp ứng không tốt, giải pháp đặt cần phải mô hình hóa, nhận dạng đƣợc tham số mô hình hệ thống Vì luận văn này, thuật toán bình phƣơng tối 85 thiểu đệ quy đƣợc đề nghị để nhận dạng tham số mô hình cho đối tƣợng nghiên cứu, đồng thời thuật toán hồi tiếp ngõ mờ nơ ron thích nghi gián tiếp đƣợc đề nghị ứng dụng tạo điều khiển cho đối tƣợng nghiên cứu 5.1.2 Những kết đạt đƣợc Luận văn đƣa đƣợc sở nghiên cứu đối tƣớng áp dụng đề tài Từ đó, luận văn khái quát kiến thức nhƣng cần thiết thuật toán RLS Trình bày cấu trúc thuật toán mạng nơ ron mờ singleton, sở ứng dụng cho điều khiển nơ ron mờ thích nghi gián tiếp Nhận dạng tham số (hay gọi nhận dạng hệ thống) toán liên quan đến việc sử dụng liệu đo thực tế đối điều khiển để lập mô hình đối tƣợng Phƣơng pháp bình phƣơng tối thiểu đệ quy đƣợc phát triển từ phƣơng pháp bình phƣơng nhỏ với tham số đƣợc ƣớc lƣợng liên tục thời điểm Trên sở phƣơng trình chuyển động mặt phẳng xây dựng, tiến hành mô theo thông số tên lửa chống ngầm APR-2E thả từ máy bay để thu thập liệu kiểm chứng thuật toán nhận dạng Từ kết nhận dạng cho thấy thuật toán bình phƣơng tối thiểu đệ quy đề xuất ứng dụng tốt để nhận dạng mô hình tham số tên lửa chống ngầm sử dụng để nhận dạng số loại phƣơng tiện ngầm dạng ngƣ lôi tƣơng tự nhƣ tên lửa chống ngầm APR-2E Bộ điều khiển hồi tiếp ngõ nơ ron mờ thích nghi gián tiếp đƣợc thiết kế áp dụng cho hệ phi tuyến không chắn điều kiện có ngõ hệ thống đo lƣờng đƣợc với điểm mạnh luật điều khiển hồi tiếp ngõ luật cập nhật đƣợc thực on-line Thuật toán IAFNOC dùng mạng singleton để xấp xỉ hàm phi tuyến, từ tính luật điều khiển cần phải có mạng ma trận độ lợi đầu vào g x mạng cho vector đặc tính động học f x , ngõ vào mạng vector trạng thái ƣớc lƣợng cần phải xác định đƣợc vector trang thái mong muốn Để minh chứng cho tính hiệu thuật toán đề nghị, chƣơng luận văn, tác giả dùng phần mềm Matlab/simulink mô cho đối tƣơng cụ thể tên lửa chống ngầm Từ kết mô cho thấy: 86 Với toán nhận dạng mô hình tham số, mô hình đối tƣợng sử dụng mô để thu thập liệu phƣơng trình chuyển động mặt phẳng đứng (2.38) phƣơng trình chuyển động mặt phẳng ngang (2.39) với thông số tên lửa chống ngầm APR-2E Mô thu thập 2.000 mẫu liệu với ngõ vào góc bẻ lái bánh lái sâu s bánh lái hƣớng h , ngõ độ sâu z góc hƣớng Kết mô ta thấy sai số nhận dạng theo độ sâu (hình 4.2) theo hƣớng (hình 4.4) nhỏ, tốc độ hội tụ tham số mô hình nhanh (hình 4.3 4.5), chứng tỏ tham số nhận đƣợc từ lớp mô hình thích hợp với toán chuyển động tên lửa chống ngầm mặt phẳng riêng biệt Bằng cách tổng hợp lại phƣơng trình chuyển động tổng quát hệ tọa độ bậc tự cho tên lửa chống ngầm có bánh lái hƣớng vừa điều khiển theo hƣớng, vừa điều khiển theo góc lắc bánh lái sâu điều khiển theo góc chúc ngóc với động dạng phản lực, đơn giản hóa phƣơng trình chuyển động theo hƣớng theo góc chúc ngóc cho phép xây dựng điều khiển SISO tƣơng ứng Với thuật toán mờ nơ ron thích nghi gián tiếp để xây dựng điều khiển, điều khiển qũy đạo chuyển động tên lửa chống ngầm theo quỹ đạo tham chiếu, qua kết mô điều khiển ASW độc lập theo hƣớng góc chúc ngóc cho thấy hệ thống có khả thích nghi ổn định tốt kể có nhiễu từ bên tác động vào hệ thống, nhờ điều khiển với trọng số kết nối mạng đƣợc cập nhật on-line theo luật điều khiển thích nghi Vì điều khiển IAFNOC ứng dụng điều khiển cho ASW có đặc tính phi tuyến cao, có nhiều thông số bất định hay thay đổi 5.1.3 Những hạn chế Với thuật toán nêu trên, luận văn đối tƣợng xem xét điều khiển tên lửa chống ngầm xét đến chuyển động mặt phẳng riêng biết, đƣợc coi chuyển động độc lập, thực tế chuyển động ASW nƣớc chuyển động có liên quan đến nhau, giả thiết chuyển động độc lập gây sai số Bởi để xác nữa, cần phải tính toán, thiết kế xây dựng toán điều khiển, mô phỏng, tính toán mặt phẳng lúc với 87 giả thiết tối ƣu Khối lƣợng tính toán thuật toán IAFNOC nhiều, nên thực cần nhiều nhớ, nên áp dụng cho hệ thống có kích thƣớc lớn tốc độ cao gặp khó khăn Bộ điều khiển IAFNOC cần phải xây dựng quan sát trạng thái, điều khiển phức tạp hơn, cạnh điều khiển có nhiều thông số cần chỉnh định, ảnh hƣởng thông số đến kết điều khiển không tránh khỏi làm cho hệ thống ổn định lựa chọn không Và điều khiển ta xét đến nhiễu mà chƣa xét đến nhiễu ngõ 5.2 Hƣớng phát triển đề tài Sử dụng điều khiển IAFNOC để điều khiển qũy đạo chuyển động tên lửa chống ngầm theo quỹ đạo tham chiếu thông qua sơ đồ Matlab/simulink kết mô cho kết khả quan, nhiên kết xét đến mặt phẳng độc lập, điều đặt cần phải xây dựng toán tổng hợp để có kết xác Bên cạnh đó, thực tế giải đƣợc toán đƣờng từ điểm xuất phát đến điểm đích cho tên lửa chống ngầm thực điều khiển theo phƣơng án phƣơng án tối ƣu cho khả nâng cao hiệu chiến đấu tên lửa chống ngầm Và với điều khiển nêu sở để cải tạo, nâng cấp trang bị thêm cho đối tƣợng số phận để đảm bảo thực thành công giải thuật điều khiển này, nội dung nhận đƣợc quan tâm lớn Quân chủng Hải quân Thuật toán IAFNOC có nhiều thông số cần chỉnh định, có số thông số phải chỉnh định theo phƣơng pháp thử sai nhƣ độ lợi quan sát trạng thái, độ lợi hồi tiếp, hệ số thích nghi Sự ảnh hƣởng thông số đến chất lƣợng điều khiển không tránh khỏi kết mô đạt đƣợc chƣa phải kết tốt Để tự động tinh chỉnh thông số sử dụng giải thuật di truyền hƣớng nghiên cứu 88 CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ [1] Phú Hữu Đệ, Trƣơng Duy Trung, Nguyễn Quang Hùng, Điều khiển hồi tiếp đầu nơron mờ thích nghi gián tiếp cho tên lửa chống ngầm, Tạp chí nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số đặc san TĐH’14, 04-2014, tr 93-100 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Trần Đức Thuận, Nguyễn Quang Vịnh, Trƣơng Duy Trung, Mô hình động học chuyển động ngư lôi, Tạp chí nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số 21, 102012, tr 28-35 [2] Nguyễn Quang Vịnh, Trƣơng Duy Trung, Điều khiển hồi tiếp ngõ nơron mờ thích nghi trực tiếp hệ cánh tay máy hai khớp nối, Tạp chí Nghiên cứu khoa học công nghệ quân sự, Đặc san CH&ĐKTBB’11,09-2011, tr93-101 [3] Nguyễn Phùng Hƣng, Võ Hồng Hải, Điều khiển hướng độ sâu phương tiện ngầm tự hành mạng nơ-ron thích nghi, Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 18 – 6/2009 tr34 – 38 [4] Nguyễn Vĩnh Hảo, Xây dựng ước lượng phi tuyến cho thiết bị đo quán tính, Đề tài cấp Đại học quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2013 [5] Trần Đức Thuận, Bùi Hồng Huế, Trƣơng Duy Trung, Trần Xuân Kiên, 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, VCM2012, tr 488-494 [6] Huỳnh Thái Hoàng, Hệ thống điều khiển thông minh, Nhà xuất ĐHQG Tp Hồ Chí Minh 2006 [7] Nguyễn Quang Vịnh, Trƣơng Duy Trung, Phan Tƣơng Lai, Điều khiển hồi tiếp ngõ nơron mờ thích nghi gián tiếp hệ cánh tay máy hai khớp nối, Hội nghị toàn quốc Điều khiển Tự động hoá - VCCA-2011 [8] Trƣơng Duy Trung, Nguyễn Quang Vịnh, Nguyễn Quang Hùng, Trần Đức Thuận, Xây dựng thuật toán xác định tham số dẫn đường cho phương tiện chuyển ...ng xem xét điều khiển tên lửa chống ngầm xét đến chuyển động mặt phẳng riêng biết, đƣợc coi chuyển động độc lập, thực tế chuyển động ASW nƣớc chuyển động có liên quan đến nhau, giả thiết chuyển độ...ựa chọn không Và điều khiển ta xét đến nhiễu mà chƣa xét đến nhiễu ngõ 5.2 Hƣớng phát triển đề tài Sử dụng điều khiển IAFNOC để điều khiển qũy đạo chuyển động tên lửa chống ngầm theo quỹ đạo th...ật toán mờ nơ ron thích nghi gián tiếp để xây dựng điều khiển, điều khiển qũy đạo chuyển động tên lửa chống ngầm theo quỹ đạo tham chiếu, qua kết mô điều khiển ASW độc lập theo hƣớng góc chúc ng