Nghiên cứu tổng hợp hệ thống tự động bám sát mục tiêu cho đài quan sát trên phương tiện cơ động

Những yêu cầu của chiến tranh công nghệ cao cho thấy tính phức tạp và tính cấp thiết của bài toán điều khiển bám sát mục tiêu cho các ĐQS cơ động mà chỉ dựa trên cơ sở lý thuyết điều khi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

Vũ Quốc Huy

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG BÁM SÁT MỤC TIÊU CHO ĐÀI QUAN SÁT TRÊN PHƯƠNG TIỆN CƠ ĐỘNG

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 - 2017

Công trình được hoàn thành tại:

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS TS Nguyễn Quang Hùng

2 PGS TS Nguyễn Vũ

Phản biện 1: GS.TS Lê Hùng Lân

Phản biện 2: PGS.TS Phạm Trung Dũng

Phản biện 3: PGS TS Nguyễn Văn Liễn

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Hà Nội Vào hồi giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện quốc gia Việt Nam

- Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài luận án

Đài quan sát cơ động được hiểu là đài quan sát (ĐQS) có thể di chuyển được trong quá trình tác chiến Đây là một hệ thống bao gồm một cơ hệ quay/quét [15], [21], [29] có 2 khớp quay trên một bệ gắn liền phương tiện chuyển động để quan sát mục tiêu bằng camera và đo cự ly từ ĐQS đến mục tiêu bằng máy đo xa la-de Cơ cấu chấp hành (CCCH) của cơ hệ là các động cơ điện Việc đưa ĐQS lên phương tiện cơ động trước hết để phục vụ cho chính hệ điều khiển hỏa lực tích hợp trên xe (Hình 0.1); ngoài ra nó còn mang ý nghĩa chiến thuật khác như giảm thời gian triển khai trận địa và tăng cường khả năng cơ động cho khí tài để tránh bị tiêu diệt

Chuyển động của phương tiện sẽ làm cho ĐQS bị lắc, làm đổi hướng và

có thể gây mất đường ngắm đột ngột Hệ bám sát mục tiêu quan tâm của luận án có cấu trúc của một hệ ổn định đường ngắm trực tiếp Những yêu cầu của chiến tranh công nghệ cao cho thấy tính phức tạp và tính cấp thiết của bài toán điều khiển bám sát mục tiêu cho các ĐQS cơ động mà chỉ dựa trên cơ sở lý thuyết điều khiển hiện đại mới giải quyết được Đây là chủ đề mang tính đặc thù quân sự, chưa thấy có tài liệu nào công bố trong nước đề cập, đồng thời nguồn tài liệu ngoài nước rất hạn chế, không tiếp cận được

Hình 0.1: Sơ đồ nguyên lý hệ bám mục tiêu trên phương tiện cơ động

2 Mục đích nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu của luận án là tổng hợp thuật toán điều khiển truyền động hệ cơ điện quay/quét 2 bậc tự do được gắn camera quan sát và

máy đo xa la-de, đặt trên phương tiện cơ giới quân sự nhằm ổn định đường ngắm, bám sát mục tiêu phục vụ trực tiếp cho hệ điều khiển hỏa lực tích hợp trên xe cơ động trong chiến đấu; định vị mục tiêu trong hệ tọa độ cố định mặt đất, hỗ trợ cung cấp phần tử bắn cho trận địa hỏa lực PPK

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống bám của ĐQS cơ động chịu tác động

của sự rung lắc và chuyển hướng của phương tiện Cấu trúc vật lý của ĐQS gồm có một cơ hệ quay/quét (phương vị/tà) gắn liền phương tiện; các thiết

bị quang điện tử (camera quan sát, máy đo xa la-de) được gắn lên khối tà; CCCH sử dụng là khối điều khiển chuyển động hợp bộ (động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu PMSM gắn kèm hộp giảm tốc, bộ khuếch đại công suất phù hợp với động cơ PMSM) Hệ truyền động điện đồng thời làm nhiệm vụ bắt bám và bù trừ rung lắc

Phạm vi nghiên cứu: Bài toán ổn định đường ngắm trực tiếp và bám sát

mục tiêu được quan tâm chủ yếu; bài toán định vị mục tiêu trong hệ tọa độ

cố định mặt đất chỉ là phép tính toán dựa trên các phép quay tọa độ Luận

án không quan tâm các thuật toán xử lý ảnh và coi hệ bám ảnh luôn đưa ra được sai lệch tâm ảnh Sai lệch từ hệ quang ảnh sẽ được sử dụng làm cơ sở phản hồi thông tin về mục tiêu

4 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển truyền thống và hiện đại; các đặc điểm của CCCH được sử dụng làm hệ truyền động điện cho ĐQS

- Xây dựng mô hình toán của ĐQS cơ động theo các khối bao gồm cơ hệ quay/quét, khối CCCH, khối tính toán sai lệch góc bám và xử lý số liệu đầu vào cho hệ điều khiển bám góc của ĐQS có tính đến các tham số chuyển động của phương tiện

- Nghiên cứu ứng dụng một bộ điều khiển PID truyền thống theo tiêu chuẩn bền vững để làm cơ sở so sánh, đối chứng

- Nghiên cứu phát triển luật điều khiển hiện đại có đặc tính tác động nhanh

và bền vững với nhiễu, thích nghi với sự biến đổi của tham số dựa trên lý thuyết ổn định Lyapunov, hệ thống cấu trúc biến đổi và lô-gic mờ

- Thiết lập mô phỏng và hướng đến xây dựng mô-đun phần mềm ứng dụng cài đặt trên máy tính nhúng tích hợp trong tổ hợp phòng không tầm thấp nhằm đánh giá khả năng áp dụng của thuật toán đề xuất

5 Phương pháp nghiên cứu

- Luận án sử dụng phương pháp giải tích, hình học, cơ học trong xây dựng

mô hình đối tượng, trong phát biểu và chứng minh các bổ đề, các định lý

- Luận án tiến hành đo đạc số liệu vào ra của CCCH, đo đạc tham số chuyển động của phương tiện bánh lốp trên một số tuyến đường ở Hà Nội

để lấy số liệu thực nghiệm đưa vào nhận dạng, mô phỏng

- Cài đặt, kiểm chứng thuật toán trong MATLAB với thông số cụ thể của một ĐQS trên phương tiện cơ giới quân sự hiện có trong trang bị của Quân đội Việt Nam để kiểm chứng hiệu quả của thuật toán đề xuất

- Triển khai thực tế thông qua việc cài đặt từng phần thuật toán tổng hợp được trên máy tính nhúng tích hợp trong hệ thống thực

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Luận án nghiên cứu, xây dựng các phương pháp và thuật toán dựa trên các công cụ của lý thuyết điều khiển hiện đại như điều khiển bền vững, điều khiển thích nghi, điều khiển trượt truyền thống và trượt đầu cuối, hệ lô-gic

mờ, ứng dụng trong điều khiển đối tượng phi tuyến Tính đúng đắn của thuật toán đề xuất được chứng minh toán học và mô phỏng kiểm chứng Kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở khoa học để thực thi thuật toán trên máy tính nhúng tích hợp trong hệ thống khi có nhu cầu thiết kế chế tạo mới hoặc cải tiến, nâng cao chất lượng bám sát mục tiêu cho ĐQS cơ động

7 Bố cục của luận án

Mở đầu, 04 chương, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục

Chương 1: Tổng quan về hệ thống bám sát mục tiêu trên phương tiện cơ động Chương 2: Xây dựng mô hình động học của đài quan sát trên cơ sở động

học của các thành phần hệ thống

Chương 3: Thuật toán điều khiển hệ bám góc mục tiêu của đài quan sát ứng

dụng điều khiển trượt và lô-gic mờ với kỹ thuật phân vùng trạng thái và mặt

trượt đầu cuối nhanh cải tiến

Chương 4: Mô phỏng thuật toán điều khiển bám góc mục tiêu của đài quan

sát với số liệu thực nghiệm

Chương 1:

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BÁM SÁT MỤC TIÊU TRÊN

PHƯƠNG TIỆN CƠ ĐỘNG 1.1 Một số hệ thống quan sát, bám sát mục tiêu hiện nay

1.1.2 Hệ thống bám sát mục tiêu di động bằng ĐQS cơ động

Luận án đi theo xu hướng nghiên cứu xem xét hệ thống bao gồm những

hệ thống con phối ghép lại với nhau, từ đó ứng dụng, phát triển các thuật toán xử lý, các thuật toán tổng hợp hệ thống hiệu quả nhằm tối ưu hóa các chỉ tiêu chất lượng mong muốn

Nhận xét: Các hệ thống quan sát, bám sát mục tiêu hiện nay tương đối

giống nhau về cấu trúc vật lý Tuy nhiên tính mục đích của đối tượng khác nhau nên sẽ cần có thuật toán tổng hợp khác nhau, đáp ứng chỉ tiêu kỹ thuật

đề ra Đặc biệt, với ĐQS cơ động, cần xây dựng luật điều khiển bền vững, tác động nhanh trong khoảng thời gian hữu hạn để bù được những thay đổi của sự rung lắc có tần số cao và sự chuyển hướng của phương tiện

1.2 Hệ truyền động bám và cơ cấu chấp hành của hệ truyền động bám

1.2.1 Khái niệm hệ truyền động bám và cấu trúc của hệ điều khiển bám trên phương tiện cơ động

Hệ truyền động (HTĐ) bám là một hệ thống kín trong đó đầu vào có thể thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian, đầu ra được điều khiển bám theo đầu vào với độ chính xác mong muốn [30]

Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển bám trên phương tiện cơ động

1.2.2 Cơ cấu chấp hành của hệ truyền động bám

CCCH của hệ truyền động bám (TĐB) có thể là các động cơ điện (động

cơ DC, động cơ KĐB xoay chiều 3 pha, động cơ bước, đông cơ BLDC, động cơ PMSM) Đối với cơ cấu chấp hành sử dụng động cơ PMSM, hiện nay, nhiều thuật toán và phương pháp điều khiển động cơ đã được tích hợp sẵn trong các bộ biến tần Tuy nhiên, bản thân các bộ điều khiển sẵn có này chỉ hoạt động tốt ở chế độ xác lập Còn ở chế độ bám, do sự thay đổi liên tục của số liệu đầu vào nên chỉ riêng bộ biến tần sẽ không đáp ứng được yêu cầu đặt ra, cần bổ sung các bộ điều khiển vòng ngoài

1.3 Tổng quan về tổng hợp hệ thống bám trên cơ sở lý thuyết điều khiển hiện đại ứng dụng cho điều khiển cơ hệ của ĐQS

1.3.1 Phân loại kỹ thuật điều khiển

1.3.2 Một số phương pháp tổng hợp hệ thống có liên quan

Xem xét cơ hệ quay/quét của ĐQS [15], [29], [37] như một tay máy có hai khớp quay được truyền động bởi các động cơ điện có liên kết cứng, gắn liền với sàn của phương tiện cơ động Với cấu trúc như vậy cơ hệ của ĐQS

là một hệ Euler-Lagrange phi tuyến đa biến Với việc thiết kế cơ hệ cân tâm, trọng tâm của các khâu đặt tại tâm của khâu, cũng chính là gốc của các

hệ tọa độ nên trọng lực hầu như không ảnh hưởng tới cơ hệ Do vậy, động lực học của cơ hệ có dạng:

( ) ( , )

* Tổng hợp hệ điều khiển thích nghi bằng phương pháp backstepping

* Tổng hợp hệ điều khiển thích nghi trên cơ sở mạng nơ-ron

* Tổng hợp luật điều khiển thích nghi tham số Li-Slotine

* Hệ lô-gic mờ và ứng dụng trong nhận dạng và điều khiển

1.3.3 Một số luật điều khiển trượt truyền thống

Đối với những hệ thống chịu ảnh hưởng mạnh của nhiễu và có sự bất định về tham số, để tổng hợp hệ điều khiển bám có chất lượng cao thì điều khiển cấu trúc biến đổi hoạt động theo nguyên lý trượt sẽ là lựa chọn tối ưu nhờ khả năng bất biến với nhiễu tác động lên hệ thống và khắc phục được các yếu tố bất định [16], [18], [81]

* Thuật toán SMC thông thường:

Chọn mặt trượt có dạng:

S  q Iq hay S   q e q e (1.8) Chọn tác động điều khiển dạng:

ˆ 1 ˆ 1 sgn( )

eq

1 2( , , , n); i

* SMC truyền thống với kỹ thuật lớp biên và hàm bão hòa:

Để giảm hiện tượng chattering, trong [80] đã thay hàm dấu trong (1.9) bởi hàm bão hòa (1.24), sử dụng kỹ thuật lớp biên trong điều khiển trượt [59]

s p



 ; i0 (1.24)

* Thuật toán SMC truyền thống sử dụng hàm tích phân bão hòa:

(1.25) đảm bảo cho sai lệch bám hội tụ về 0

1.3.4 Kỹ thuật điều khiển trượt đầu cuối với mặt trượt phi tuyến

Kỹ thuật trượt đầu cuối đã được nhiều học giả đề xuất và ứng dụng vào điều khiển tay máy [72], [83], [84], [89], cho thấy luật điều khiển đảm bảo cho độ dốc mặt trượt lớn, khống chế được phạm vi sai lệch bám trong thời gian hữu hạn, có thể rút ngắn được quá trình quá độ và không phải tạo ra những thiết bị bù phức tạp

Mặt trượt đầu cuối (TSM):

i i

i i i i

r r

r

i e s

q t

q  của phương trình vi phân liên tục không Lipschitz (1.33) và (1.34) là điểm ổn định thời gian hữu hạn toàn cục, có

i

e

từ bên ngoài), với:

r i

(1.34)

i i i i i

r

i e

( )

i i i i i

r

i e

mô-của phương tiện gây ra Giả thiết:

1) Cơ hệ quay/quét của ĐQS không bị mất cân bằng động học khi quay quanh tâm của đài Trọng tâm khối tà và phương vị trùng với tâm của ĐQS 2) Cơ hệ của ĐQS luôn chịu tác động của nhiễu do sự rung lắc và chuyển hướng của phương tiện Nhiễu này gây ra sai lệch góc bám được xác định

từ hệ quang ảnh

Gọi: q là véc-tơ góc đặt bám; q là véc-tơ góc thực; d q là véc-tơ sai e

lệch góc bám, q e q d Yêu cầu đặt ra là xây dựng được thuật toán điều q

khiển để cho q  e 0 trong khoảng thời gian hữu hạn

Kết luận chương: Đối với đối tượng có mô tả toán học dạng phương

trình Euler-Lagrange, các luật điều khiển thích nghi bền vững trên cơ sở kỹ thuật điều khiển trượt, mạng nơ-ron, lô-gic mờ đang dành được nhiều sự quan tâm; trong đó vẫn cần phát triển tiếp kỹ thuật lớp biên để hạn chế chattering Nhiệm vụ của luận án là tổng hợp luật điều khiển thích nghi với tham số của hệ thống, đảm bảo hệ thống ổn định bền vững và đưa sai lệch góc bám hội tụ về 0 trong thời gian hữu hạn, giảm thiểu rung lắc cơ học trong hệ truyền động Hướng phát triển kỹ thuật điều khiển trượt FTSM sẽ

là giải pháp tốt cho bài toán ổn định đường ngắm và bám sát mục tiêu của

ĐQS cơ động

Chương 2:

XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CỦA ĐÀI QUAN SÁT TRÊN

CƠ SỞ ĐỘNG HỌC CỦA CÁC THÀNH PHẦN HỆ THỐNG 2.1 Tư thế, vị trí, vận tốc của phương tiện trong hệ tọa độ cố định mặt đất

2.1.1 Các hệ tọa độ tham chiếu

Hệ tọa độ cố định mặt đất, hệ tọa độ chuẩn, hệ tọa độ liên kết, hệ tọa độ liên kết chuẩn

2.1.2 Mô tả toán học tư thế phương tiện trong hệ tọa độ cố định mặt đất

sin tan cos tan

2.2 Mô hình động lực học cơ hệ quay/quét của ĐQS

2.2.1 Gắn các hệ tọa độ với cơ hệ của ĐQS

Biểu diễn cơ hệ của ĐQS cơ động như hình 2.4

2.3 Mô hình khối CCCH biến tần-động cơ PMSM

Khi công suất động cơ được chọn đủ lớn, ở chế độ điều khiển tốc độ, động học của khối CCCH được mô tả bởi khâu quán tính có hàm truyền: ( )

k s

2.5 Mô hình toán của ĐQS cơ động

2.5.1 Biểu diễn ĐQS cơ động dưới dạng phương trình Euler-Lagrange

( ) ( , )

v

Với: u vu vA u vET; q T; dfA k mA f E k mET; (2.65a)

2.5.2 Biểu diễn ĐQS cơ động dưới dạng phương trình hồi quy

Kết luận chương: Chương 2 đã xây dựng mô hình toán học của ĐQS cơ

động, bao gồm các khối xử lý ảnh; khối cơ hệ quay/quét chịu tác động trực tiếp của chuyển động phương tiện, khối CCCH gồm động cơ PMSM đi kèm với bộ khuếch đại công suất; tính toán chuyển đổi sai lệch tâm ảnh sang sai lệch góc bám nhằm khép kín vòng điều khiển Kết quả nghiên cứu trong chương 2 được công bố trong công trình khoa học số 8

Việc xây dựng mô hình động học của ĐQS cơ động sẽ làm tiền đề để tổng hợp các thuật toán điều khiển bám góc, đáp ứng chỉ tiêu kỹ chiến thuật

đề ra Mô hình của khối CCCH và cơ hệ quay/quét được tích hợp dưới dạng phương trình Euler-Lagrange; dựa trên mô hình này, thuật toán điều khiển

sẽ được thực hiện trong chương 3 Mô hình tính toán chuyển đổi sai lệch tâm ảnh của mục tiêu từ pixel sang đơn vị radian nhằm đưa ra sai lệch cho

bộ điều khiển hoạt động Các tính toán này sẽ được luận án đánh giá kết quả dựa trên thông số thực tế của ĐQS đưa vào mô phỏng trong chương 4

Chương 3:

THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN HỆ BÁM GÓC MỤC TIÊU CỦA ĐÀI QUAN SÁT ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT VÀ LÔ-GIC MỜ VỚI KỸ THUẬT PHÂN VÙNG TRẠNG THÁI VÀ MẶT TRƯỢT

ĐẦU CUỐI NHANH CẢI TIẾN 3.1 Thuật toán PID-ITAE cho ĐQS hoạt động trong chế độ cố định

- Bước 1: Chọn độ quá chỉnh  và thời gian xác lập% T s;

- Bước 2: Tính  theo công thức  100e 12;

- Bước 3: Tính  theo công thức n n 4 T s;

- Bước 4: Tính các thông số của bộ điều khiển PID theo (3.3);

- Bước 5: Tính hàm truyền của bộ lọc trước theo (3.4)

3.2 Hệ lô-gic mờ và hàm bão hòa mờ

 bằng hàm thuộc μ Aj (μS j) dạng Gauss với 5 tập mờ tương ứng với 5 biến

ngôn ngữ j = 1, 5 Giải mờ bằng phương pháp trọng tâm [6] Luật mờ:

K  (dương nhỏ – DN);

R4: Nếu S i 0 (âm nhỏ – AN) thì 0

i F

K  (âm nhỏ – AN);

R5: Nếu S i 0(bằng không – BK) thì 0

i F

fuzzy(p ikisgnp i)là hàm đặc tính mờ có cùng dấu với đối số của nó

và thỏa mãn fuzzy(0 )i 0;p i s i i; là độ dày biên i B của mặt trượt i

i

s Giá trị  có thể được xác định bằng thuật toán điều khiển thích nghi.i

3.3 Thuật toán điều khiển cho ĐQS hoạt động trong chế độ cơ động

3.3.1 Luật điều khiển ASF-VSC cấu trúc biến đổi trượt mờ thích nghi dựa trên kỹ thuật phân vùng trạng thái và hàm bão hòa mờ

Định lý 3.1: Hệ thống có mô tả toán học bởi (2.65):

( ) ( , )

v