Phương pháp xác định tham số đầu vào cho hệ điều khiển bám của các khẩu đội pháo phòng không cơ động trong chế độ dừng bắn

Bài báo đề cập tới vấn đề xác định các tham số đầu vào cho hệ điều khiển bám của các khẩu đội pháo phòng không cơ động hoạt động trong hệ thống điều khiển hỏa lực tập trung ở chế độ dừng bắn. Các tham số đầu vào được xác định từ các tham số phần tử bắn thông qua việc chuyển hệ tọa độ bằng phương pháp ma trận cosin định hướng. Mời các bạn tham khảo!

Nghiên cứu khoa học công nghệ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH THAM SỐ ĐẦU VÀO CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN BÁM CỦA CÁC KHẨU ĐỘI PHÁO PHỊNG KHƠNG CƠ ĐỘNG TRONG CHẾ ĐỘ DỪNG BẮN Trần Ngọc Bình1*, Nguyễn Vũ2 Tóm tắt: Bài báo đề cập tới vấn đề xác định tham số đầu vào cho hệ điều khiển bám đội pháo phòng khơng động hoạt động hệ thống điều khiển hỏa lực tập trung chế độ dừng bắn Các tham số đầu vào xác định từ tham số phần tử bắn thông qua việc chuyển hệ tọa độ phương pháp ma trận cosin định hướng Các tham số phần tử bắn xác định thuật tốn tính tốn đường đạn, phương pháp hình học giải tích lượng giác Các kết nhận cung cấp đầy đủ tham số cho hệ truyền động bám pháo phòng khơng Từ khóa: Điều khiển hoả lực, Điều khiển bám, Ma trận cosin định hướng, Tham số phần tử bắn MỞ ĐẦU Hiện nay, việc đưa pháo phòng không (PPK) lên phương tiện động nhu cầu cấp thiết triển khai chương trình cải tiến vũ khí Để đáp ứng khả tác chiến ban đêm nâng cao độ xác, khả bắn mục tiêu bay thấp, tốc độ lớn, PPK tích hợp hệ thống huy hỏa lực tập trung [1] Để điều khiển đội hệ thống cần biết góc phương vị, góc tà góc hướng Đối với hệ thống PPK bán tự động, pháo thủ điều khiển pháo thông qua sai số vị trí góc mong muốn vị trí góc thực tế, pháo thủ điều khiển pháo cho sai số khử [2] Để có tham số cho pháo đặt phân tán cần có giải pháp chuyển đổi giá trị góc hệ tọa độ khác nhau, giải pháp đề xuất trong[3] Đối với hệ thống điều khiển bám tự động, để đảm bảo chất lượng điều khiển, giá trị ví trí góc chưa đủ mà cần thêm giá trị vị trí góc, giá trị vận tốc góc gia tốc góc kênh điều khiển Giá trị góc phương vị góc tà tính tốn theo thuật tốn tính tốn phần tử bắn [1] dựa đặc tính đường đạn đạn pháo tham số chuyển động mục tiêu Giá trị vận tốc góc gia tốc góc xác định việc lấy đạo hàm bậc bậc giá trị phần tử bắn, điều dẫn tới giá trị có sai số chứa nhiễu bất định gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng điều khiển, cần xây dựng phương pháp xác định giá trị cách trực tiếp, tính tốn dựa số liệu đo lường hệ thống Các vấn đề giải sở hình học giải tích, lượng giác phép chuyển đổi hệ tọa độ sở ma trận cosin định hướng [4] theo phương pháp trình bày XÁC ĐỊNH CÁC GÓC Ơ-LE CỦA HỆ TỌA ĐỘ ĐẾ PHÁO TRÊN CƠ SỞ CÁC SEN SƠ ĐO NGHIÊNG VÀ ĐO HƯỚNG Hệ tọa độ mặt đất đế pháo hệ tọa độ có tâm tâm đế pháo, trục hướng hướng bắc, trục hướng hướng đơng, trục vng góc với mặt phẳng với trục tạo thành tam diện thuận Hệ tọa độ đế pháo hệ tọa độ có tâm tâm đế pháo (trùng với tâm hệ tọa độ mặt đất đế pháo), trục trục dọc đế pháo, trục hướng lên vng góc với mặt phẳng đế pháo, trục vng góc với mặt phẳng với trục tạo thành tam diện thuận Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 61 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Hệ tọa độ đế pháo nhận cách quay hệ tọa độ mặt đất đế pháo theo ba góc liên tiếp sau:Quay quanh trục góc ta hệ tọa độ ; sau quay theo trục góc ta hệ tọa độ ; cuối quay quanh trục góc ta hệ tọa độ Như vậy, ma trận = Đặt lần lượt: định hướng hai hệ tọa độ xác định sau: = (1) ; = = ; = ; = ; ; = 0; 1 = 0 ; Ta có: 0 = − − ; = 0 0 − − = − + + − + + − Một điểm nằm hệ tọa độ xác định sau: có tọa độ , , (2) có tọa độ hệ = (3) Với: − + + − = − + − (4) + Lấy điểm điểm cuối véc tơ đơn vị nằm trục [1,0,0] Khi tọa độ hình chiếu lên trục , , = = =− tọa độ là: (5) Góc hình chiếu lên mặt với trục góc hướng xác định góc la bàn điện tử xác định sau: = = − =− (6) Như vậy, góc la bàn góc − Góc đường với mặt phẳng góc nghiêng theo trục pháo xác định sau: = = arcsin ( + 62 )= đế (7) + Như vậy, góc sensor đo nghiêng gắn trục , góc T.N Bình, N Vũ, “Phương pháp xác định tham số đầu vào… chế độ dừng bắn.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Để xác định góc , lấy điểm điểm cuối véc tơ đơn vị nằm trục [0,0,1] tọa độ Khi tọa độ hệ tọa độ là: = + =− =− + Góc đường với mặt phẳng pháo xác định sau: = = arcsin ( + Từ (9) xác định góc góc nghiêng theo trục )= (− có (8) đế ) + (9) sau: =− (10) Hay: = − arcsin = −arcsin (11) Ở đâ góc Ơ-le thứ ba, phụ thuộc vào góc nghiêng đo theo trục theo trục Các công thức (6), (7) (11) dùng để xác định góc Ơ-le hệ tọa độ với hệ tọa độ Góc Ơ-le tọa độ đế pháo sở để xác định giá trị góc phương vị góc tà phần tử bắn theo hệ tọa độ mặt đất XÁC ĐỊNH CÁC GÓC CỦA PHÁO THEO PHẦN TỬ BẮN Trong [3] xây dựng phương pháp xác định góc nòng pháo hệ tọa độ mặt đất có góc nòng pháo hệ tọa độ đế pháo góc le hệ tọa độ đế pháo so với hệ tọa độ mặt đất Các ma trận cosin định hướng hệ tọa độ nòng pháo với hệ tọa độ mặt đất ký hiệu xác định sau: e e − e e e e = − (12) e Ở đó: , e góc phương vị góc tầm pháo hệ tọa độ mặt đất trung tâm điều khiển tính tốn truyền xuống : ma trận biểu diễn phép quay theo góc Ơ-le Với : = ; e = e ; = ; e = e Để xác định góc nòng pháo ta cần xác định ma trận cosin định hướng hệ tọa độ phần tử bắn ( Với góc le so với hệ tọa độ mặt đất , e ,0 ) với hệ tọa độ đế pháo Ma trận cosin định hướng xác định từ hai ma trận cosin định hướng Khi ma trận cosin định hướng tọa độ phần tử bắn với hệ tọa độ đế pháo xác định là: = = (13) Và góc le hệ tọa độ phần tử bắn hệ tọa độ mặt đất xác định : Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 63 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử = −arcsin = e + + e − = =− e − (14) e = arcsin( ) e − e e + e e + e + e e + e + e Ở góc hướng nòng pháo hệ tọa độ đế pháo e góc tầm nòng pháo Với giá trị = có hai giá trị phụ thuộc vào góc là: 90 ế < & < 180 = 270 ế 180 < & < 360 Ngoài tham số giá trị góc pháo, để nâng cao chất lượng điều khiển cần biết thêm tham số giá trị vận tốc gia tốc góc tầm hướng theo phần tử bắn XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ CHUYỂN ĐỘNG CỦA MỤC TIÊU Các tham số chuyển động mục tiêu xác định sau đo cự ly mục tiêu góc đường ngắm tới mục tiêu thời điểm t1 t2 [5], với điều kiện mục tiêu bay với vận tốc khơng đổi hình Tại thời điểm t1 t2 ta có tham số: ( , ℰ , ); ( , ℰ , ) Độ cao đường bay xác định sau: ℎ = / sin ℰ (15) Khoảng cách từ gốc tọa độ đến hình chiếu mục tiêu thời điểm là: = cos ℰ ; Như ta có: = cos ℰ ; = cos ℰ Tốc độ mục tiêu xác định sau: = ( cos − cos ) +( = | sin | ∆ = (16) − sin ) ( − ∆ ) (17) Hình Sơ đồ xác định tham số chuyển động mục tiêu 64 T.N Bình, N Vũ, “Phương pháp xác định tham số đầu vào… chế độ dừng bắn.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Góc xác định sau: + − Gọi góc hình chiếu đường ngắm mục tiêu với đường vng góc hạ từ gốc tọa độ đến hình chiếu đường bay mục tiêu Ta có: = = − (18) Khi khoảng cách từ gốc tọa độ đến hình chiếu đường bay là: = cos Sau xác định , góc xác định đơn giản sau: = ( ) (19) (20) Gọi góc đường OP hệ tọa độ Oxz Khi ta có: = + hay = − (21) Các tham số chuyển động mục tiêu ; ℰ; ; ; sở để xác định phần từ bắn cho đội pháo (theo góc phương vị góc tà) Để hệ điều khiển pháo đạt chất lượng cao, cần xác định vận tốc góc gia tốc góc mục tiêu theo kênh phương vị ( ̇ ; ̈ ) kênh tà (ℰ̇ ;ℰ̈ ) Từ (21) suy ra: ̇ = − ̇ ̈ = − ̈ (22) Như vậy, thay xác định( ̇ ; ̈ ) trình bày thuật toán xác định ( ̇ ; ̈ ) đồng thời trình bày thuật tốn xác định (ℰ̇ ;ℰ̈ ): * Xác định vận tốc góc gia tốc góc mục tiêu theo kênh phương vị: Ta chiếu vector tốc độ ⃗ xuống mặt phẳng , vector ⃗ Vì mục tiêu bay nên| | = | | Hình Sơ đồ xác định tham số tốc độ góc gia tốc góc mục tiêu Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 65 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Chiếu vector ⃗ lên đường vng góc với | Suy vận tốc góc xác định là: ̇ = | |=| | , nên (23) trở thành:| ̇ | = = Mặt khác, đượcvector ⃗ ta có: | (24) Dấu ̇ xác định theo hướng bay, > ̇ < 0; | | Đối với trường hợp hình ta có: ̇ < nên ̇ = | Từ (25) xác định gia tốc góc: ̈ = | < ̇ > (25) ̇ ̈ = −| (23) | | | (26) * Xác định vận tốc góc gia tốc góc mục tiêu theo kênh tà: Để giải toán này, từ kẻ đường thẳng song song với đường ⃗ vận tốc lên đường này, ta nhận vector vận tốc ⃗ chiếu vector Từ kẻ đường vng góc với , nằm mặt phẳng thẳng đứng qua OM chiếu vector ⃗ lên đường ta vector ⃗ Đặt:ℰ̅ = − ℰ (27) | ℰ̇ ̅ = Như vậy, vận tốc góc theo góc tà xác định sau: | Với| | = | | sin cos ℰ̅ | Suy raℰ̇ ̅ = | ℰ̅ | | =− ℰ̅ (28) Trong ℰ̇ ̅ mang dấu âm mục tiêu bay vào, góc tà ln tăng | | Do đó, ℰ̇ ̅ = − ℰ̅ | Gia tốc góc tà: ℰ̈ ̅ = − Trong ( | ) = ℰ̅ ( ) − ̇= | | | | ℰ̅ = (− | | (29) ℰ̅) ℰ̇ ̅ (30) (31) Đặt (29) (31) vào (30) ta có: ℰ̈ ̅ = − Theo (27): ℰ = ℰ̅ − 2ℰ̅ ℰ̅ (32) − ℰ̅ suy ra: | ℰ̇ ̅ = − ℰ̈ ̅ = − | ℰ ℰ − 2ℰ ℰ (33) Từ (22) (26) xác định vận tốc góc theo kênh phương vị: ̇ = | | (34) ̈ = Các thành phần vận tốc góc gia tốc góc theo kênh phương vị kênh tà xác định công thức (33) (34) với tham số phần tử bắn ℰ tính cho pháo tham số đầu vào cho hệ truyền động bám pháo 66 T.N Bình, N Vũ, “Phương pháp xác định tham số đầu vào… chế độ dừng bắn.” Nghiên cứu khoa học công nghệ MÔ PHỎNG MINH HOẠ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ CHUYỂN ĐỘNG CỦA MỤC TIÊU Giả sử mục tiêu bay vào trận địa với tham số đo thời điểm = = sau: = 1500 ; ℰ = 11,537 ; = 106,1 ; = 1300 ; ℰ = 13,288 ; = 105,5 ; cần xác định tham số chuyển động mục tiêu Sử dụng công thức (15-19)ta xác định tham số gồm: ℎ = = 300 ; ℰ = 200 / ; = 86,1 ; = cos = cos ℰ cos = 100 = cos ℰ Với tham số nhận được, tiến hành mơ biến thiên vận tốc góc gia tốc góc góc phương vị góc tà theo cự ly (trên đường đáy ) ý cự ly đường đáyngắn máy bay bay vào = = 100 Kết mô trình bày hình hình Hình Kết mơ phụ thuộc vận tốc góc gia tốc góc phương vị theo cự ly đường đáy mục tiêu Hình 4.Kết mơ phụ thuộc vận tốc góc gia tốc góc tà theo cự ly đường đáy mục tiêu Nhận xét: Đối với góc phương vị, kết mơ hình cho thấy vận tốc góc tăng dần cự ly giảm dần đạt giá trị cực đại cự ly nhỏ giảm dần tới → ∞; gia tốc góc đạt giá trị cực đại cự ly = 120 , → , gia tốc góc tiến tới Đối với góc tà ngược lại, kết mơ hình cho thấy vận tốc góc đạt giá trị cực đại = 180 tiến tới = → ∞; gia tốc góc đạt giá trị cực đại = giảm dần đến → ∞ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 67 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử KẾT LUẬN Bằng cơng cụ hình học giải tích phương pháp ma trận cosin định hướng, báo xác định tham số đầu vào hệ truyền động bám cho pháo hệ tọa độ mặt đất hệ tọa độ đế pháo Các tham số góp phần quan trọng vào việc bổ sung thơng tin cho hệ thống truyền động bám, giúp nâng cao chất lượng hệ thống truyền động pháo phòng không TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Cao Tiến Huỳnh, Báo cáo kết đề tài cấp Nhà nước "Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống SCADA đặc thù, diện rộng, hoạt động điều kiện môi trường khắc nghiệt", (2005) [2] “Hướng dẫn sử dụng binh khí pháo phòng khơng 37mm-2N”, Nhà xuất qn đội, 2004 [3] Trần Ngọc Bình, Nguyễn Vũ, “ Thuật tốn xử lý số liệu phục vụ tích hợp hệ thống điều khiển hỏa lực cho CPPK 37mm-2N bắn hành quân" Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Cơng nghệ qn sự, số 31, tháng 6/2014, tr 100-103 [4] B Andrei Battistel, Fernando Lizarralde and Liu Hsu,“ Inertially stablilized platforms using dual-axis gyros: sensitivity analysis to unmodeled motion and an extension to visual tracking”, American Control Conference, 2012 [5] Cao Tiến Huỳnh, "Nghiên cứu thiết kế chế tạo phương tiện, thiết bị hệ thống điều khiển từ xa đối tượng di động", Báo cáo kết đề tài cấp nhà nước KHCN.04.08, (1999) ABSTRACT THE METHOD OF INPUT PARAMETERS DEFINE FOR TRACKING CONTROL SYSTEM OF MOBILE ANTI-AIR GUN ON STOP FIRING MODE The article presents the method of determining input parameters for tracking control systems of mobile anti-air gun operating on stop-firing mode The input parameters are defined from firing parameters by coordinate transmission with direction cosine matrix method The firing parameters are calculated by geometry analysis and trigonometry The angles of azimuth and elevation are given to tracking control systems of anti-air gun Keywords: Fire control, Tracking control system, Direction cosin matrix, Input parameters Nhận ngày 15 tháng 12 năm 2016 Hoàn thiện ngày 15 tháng 02 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 22 tháng 02 năm 2016 Địa chỉ: 1Viện Tự động hóa KTQS; Viện KH-CN quân sự; * Email: binhtn1969@yahoo.com 68 T.N Bình, N Vũ, “Phương pháp xác định tham số đầu vào… chế độ dừng bắn.” ... Vũ, Phương pháp xác định tham số đầu vào chế độ dừng bắn. ” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ MƠ PHỎNG MINH HOẠ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ CHUYỂN ĐỘNG CỦA MỤC TIÊU Giả sử mục tiêu bay vào trận... cơng cụ hình học giải tích phương pháp ma trận cosin định hướng, báo xác định tham số đầu vào hệ truyền động bám cho pháo hệ tọa độ mặt đất hệ tọa độ đế pháo Các tham số góp phần quan trọng vào. .. ĐỊNH CÁC GÓC CỦA PHÁO THEO PHẦN TỬ BẮN Trong [3] xây dựng phương pháp xác định góc nòng pháo hệ tọa độ mặt đất có góc nòng pháo hệ tọa độ đế pháo góc le hệ tọa độ đế pháo so với hệ tọa độ mặt