Về một phương pháp nhận dạng chuyển động cho một lớp phương tiện cơ giới quân sự sử dụng đa cảm biến

Luận văn

i BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ ------------------------------------------ PHẠM HẢI AN VỀ MỘT PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG CHUYỂN ĐỘNG CHO MỘT LỚP PHƯƠNG TIỆN CƠ GIỚI QUÂN SỰ SỬ DỤNG ĐA CẢM BIẾN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Lý thuyết điều khiển và điều khiển tối ưu Mã số : 62 52 60 05 Người hướng dẫn khoa học : PGS. TS Lê Hùng Lân TS Nguyễn Quang Hùng Hà Nội 2011 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kì công trình khoa học nào khác. Tác giả Phạm Hải An iii LỜI CÁM ƠN ------ ------ Sau thời gian học tập và nghiên cứu, tôi đã hoàn thành bản luận án này. Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Lê Hùng Lân và TS Nguyễn Quang Hùng đã tận tình giúp đỡ tôi để tôi hoàn thành bản luận án này. Tôi gửi lời cảm ơn tới phòng Đào tạo Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Viện Tự động hóa Kỹ thuật quân sự, Viện Tên lửa cùng các đồng nghiệp, các cộng sự hoạt động nghiên cứu khoa học trong và ngoài quân đội, đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu khoa học và hoàn thành luận án này. Hà Nội, ngày 15 tháng 4 năm 2011 Tác giả Phạm Hải An iv MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT .v DANH MỤC CÁC BẢNG .viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TRỘN DỮ LIỆU ĐA CẢM BIẾN VÀ BÀI TOÁN NHẬN DẠNG CÁC THAM SỐ CHUYỂN ĐỘNG . 9 1.1. Hệ thống trộn dữ liệu đa cảm biến .9 1.2. Quản lý đa cảm biến .12 1.3. Các vấn đề cần giải quyết trong bài toán trộn dữ liệu đa cảm biến .14 1.4. Kiến trúc hệ thống trộn dữ liệu 17 1.4.1 Kiến trúc trộn trung tâm .17 1.4.2 Kiến trúc trộn phân tán 18 1.4.3 Kiến trúc trộn cục bộ . 18 1.5. Các phương pháp dẫn đường định vị xác định tham số chuyển động của phương tiện cơ giới quân sự .19 1.5.1 Hệ thống dẫn đường định vị vô tuyến điện GPS 19 1.5.2 Hệ thống dẫn đường định vị dự đoán INS 24 1.5.3 Hệ thống định vị, dẫn đường đa cảm biến và quá trình trộn dữ liệu 28 1.6. Các hệ tọa độ và các tham số chuyển động của phương tiện cơ giới quân sự .30 1.6.1 Các hệ toạ độ tham chiếu và chuyển vị 30 1.6.2 Các tham số chuyển động của phương tiện cơ giới quân sự .32 1.7. Kết luận .34 CHƯƠNG 2 THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ CHUYỂN ĐỘNG TRÊN CƠ SỞ TÍCH HỢP ÍN/GPS BẰNG BỘ LỌC KALMAN . 36 2.1. Thuật toán dẫn đường quán tính .36 2.1.1 Ma trận chuyển vị giữa các hệ toạ độ . 36 2.1.2 Thuật toán dẫn đường quán tính .39 2.1.3 Các phép toán cơ học của hệ dẫn đường quán tính . 43 2.2. Bản chất bù giữa INS/GPS .46 2.3. Đánh giá về sai số 48 2.4. Sai số về vị trí 48 2.5. Sai số về vận tốc 49 2.6. Công thức động học các sai số về góc định hướng 52 2.7. Hệ thống tích hợp INS/GPS dựa trên bộ lọc Kalman .53 v 2.8. Các phương pháp tích hợp INS/GPS .60 2.9. Kết luận .66 CHƯƠNG 3 QUÁ TRÌNH ĐỘNG HỌC CHUYỂN ĐỘNG CỦA PHƯƠNG TIỆN CƠ GIỚI QUÂN SỰ VÀ CÁC HIỆU CHỈNH TỚI THUẬT TOÁN DẪN ĐƯỜNG QUÁN TÍNH .68 3.1. Hệ logic mờ .69 3.1.1 Khái niệm cơ bản . 69 3.1.2 Các phần tử cơ bản của một hệ logic mờ 71 3.2. Thiết kế hệ mờ nhận dạng động học chuyển động của phương tiện cơ giới quân sự .74 3.2.1 Quá trình động học chuyển động của phương tiện cơ giới quân sự và các hiệu chỉnh tương ứng tới thuật toán dẫn đường quán tính 74 3.2.2 Mô hình chuyển động của phương tiện cơ giới quân sự . 76 3.2.3 Các phép hiệu chỉnh có thể thông qua quá trình động học chuyển động của phương tiện cơ giới quân sự .80 3.2.4 Thiết kế hệ mờ nhận dạng động học chuyển động của phương tiện cơ giới quân sự 85 3.2.5 Xây dựng hệ mờ nhận dạng động học chuyển động . 90 3.2.6 Kết quả áp dụng thuật toán nhận dạng mô hình động học: . 97 3.3. Kết luận .101 CHƯƠNG 4 NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC ĐÁNH GIÁ ĐỘ CÂN BẰNG MẶT PHẲNG BỆ THÂN XE CỦA PHƯƠNG TIỆN CƠ GIỚI QUÂN SỰ .102 4.1. Mô hình mờ Takagi-Sugeno .104 4.2. Mô hình bộ lọc Kalman cho việc tính toán độ cân bằng .105 4.2.1 Cập nhật các giá trị độ nghiêng (góc Euler) . 105 4.2.2 Cấu trúc của bộ lọc Kalman mờ . 106 4.2.3 Mô hình hệ thống 107 4.2.4 Mô hình đo lường 108 4.3. Thiết kế hệ mờ đánh giá giá trị ma trận hiệp biến đo lường 109 4.4. Kết quả thực nghiệm 112 4.4.1 Chế độ thử tĩnh 113 4.4.2 Chế độ thử động 116 4.5. Kết luận .117 KẾT LUẬN . 118 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .120 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT I. Các ký hiệu  sai số của một biến, hoặc giá trị hiệu chỉnh của một biến. ()  hàm Dirac delta.  vector sai số góc định hướng.  gia tốc trọng trường.  kinh độ địa lý.  vector tốc độ góc.  ma trận phản đối xứng của vector tốc độ góc  .  vĩ độ địa lý.  góc cren (hay còn gọi là nghiêng hay góc lăn ngang).  ma trận chuyển vị (ma trận chuyển trạng thái).  góc chúc ngóc (góc tròng trành).  góc hướng (góc đảo lái). A ma trận thiết kế. a trục dài của elipsoid tham chiếu. B ma trận thiết kế. b độ lệch (bias). C ma trận Cosin chỉ phương. e độ lệch tâm của elipsoid tham chiếu. e vector sai số phép đo. E tích chéo hoặc dạng ma trận phản đối xứng của vector  . f vector gia tốc biểu kiến. F ma trận động học (ma trận dự báo). g vector gia tốc trọng lực. vii g vector trọng lực. G ma trận thiết kế (ma trận khuyếch đại). h chiều cao của elipsoid. H ma trận thiết kế của phép đo. I ma trận đơn vị. K độ lợi của bộ lọc Kalman. M bán kính cong của mặt phẳng cắt tạo bởi trục z và trục phương bắc (kinh tuyến). N bán kính cong của mặt phẳng cắt tạo bởi trục z và trục phương đông. P ma trận lỗi tương quan của vector trạng thái. q vector quaternion. Q k ma trận hiệp biến của vector sai số hệ thống. Q(t) ma trận mật độ phổ. R ma trận quay của vector hoặc hệ toạ độ, hoặc ma trận hiệp biến của vector sai số phép đo. r vector vị trí. s hệ số tỷ lệ. u vector sai số hệ thống liên tục về mặt thời gian. v vector vận tốc. f v vector số gia vận tốc. w vector nhiễu hệ thống. x vector trạng thái. z vector đo lường (vector số đo). II. Các chữ viết tắt AI trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence). viii DCM ma trận Cosin chỉ phương (Direction Cosine Matrix). DI chỉ tiêu động học. DA tham số động học tuyến tính. ENU hệ toạ độ dẫn đường Đông-Bắc-Xa tâm. FIS hệ suy diễn mờ. FOG con quay quang học. GPS hệ định vị toàn cầu. GYRO con quay. IF bộ lọc thông tin (Information Filter). IMU khối đo lường quán tính. INS hệ dẫn đường quán tính. INS/GPS hệ tích hợp INS và GPS. KB cơ sở tri thức. KF bộ lọc Kalman. LAB phòng thí nghiệm. LSE phương pháp bình phương tối thiểu. MAM hệ mờ Mamdani. MEMS hệ vi cơ điện tử (Micro-Electro-Mechanical-System). MEMS INS/GPS hệ INS dựa trên công nghệ vi cơ điện tử tích hợp GPS MISO nhiều đầu vào, một đầu ra. NED hệ toạ độ dẫn đường Bắc-Đông-Hướng tâm. N/A không có sẵn (Not Available). TS hệ mờ Takagi-Sugeno. PVA vị trí, vận tốc và góc định hướng. ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: So sánh mô hình tích hợp INS/GPS tập trung và phân tán . 65 Bảng 3.1: Các phép hiệu chỉnh thông qua quá trình động học chuyển động phương tiện cơ giới quân sự 85 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Quá trình xử lý thông minh của con người . 10 Hình 1.2: Hệ thống quản lý đa cảm biến . 13 Hình 1.3: Kiến trúc trung tâm với một trung tâm xử lý 17 Hình 1.4: Kiến trúc trộn phân tán 18 Hình 1.5: Kiến trúc trộn cục bộ . 18 Hình 1.6: Hoạt động của hệ thống GPS . 21 Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý tính vị trí, vận tốc và góc định hướngcủa hệ INS 25 Hình 1.8: Bộ lọc Kalman cho một hệ dẫn đường đa cảm biến 29 Hình 1.9: Hệ toạ độ quán tính . 30 Hình 1.10: Hệ toạ độ trái đất (e) và hệ tọa độ dẫn đường (n) 31 Hình 1.11: Hệ toạ độ gắn liền 32 Hình 1.12: Biểu diễn véc tơ góc quay 34 Hình 2.1: Sơ đồ thuật toán dẫn đường quán tính . 43 Hình 2.2: Sơ đồ thuật toán bộ lọc Kalman rời rạc . 57 Hình 2.3: Khoảng thời gian lấy mẫu INS và GPS 59 Hình 2.4: Ảnh hưởng của cánh tay đòn 60 Hình 2.5: Phương pháp truyền thẳng (vòng lặp mở) 61 Hình 2.6: Phương pháp phản hồi (vòng lặp đóng) . 62 Hình 2.7: Sơ đồ tích hợp INS/GPS tập trung (vòng mở) . 64 Hình 2.8: Sơ đồ tích hợp INS/GPS tập trung (vòng đóng) 64 Hình 2.9: Sơ đồ tích hợp INS/GPS phân tán (vòng mở) . 65 Hình 2.10: Sơ đồ tích hợp INS/GPS phân tán (vòng đóng) . 65 Hình 3.1: Các thành phần cơ bản của một hệ thống suy diễn mờ . 72 Hình 3.2: Phương pháp giải mờ Mamdani trung bình tâm . 74 Hình 3.3: Hệ mờ nhận dạng động học chuyển động . 86 Hình 3.4: Các giá trị vào/ra của hệ mờ nhận dạng động học chuyển động phương tiện cơ giới quân sự 88 Hình 3.5: Quá trình nhận dạng động học chuyển động phương tiện cơ giới quân sự 90 Hình 3.6: Quan hệ vào ra của các đầu vào, đầu ra và luật mờ 91 Hình 3.7: Sơ đồ khối đánh giá kết quả đầu ra DI(tk) dựa trên . 91 các đầu vào và luật mờ tương ứng . 91 Hình 3.8: Sơ đồ chức năng khối đánh giá đặc tính chuyển động 92 x Hình 3.9: Sơ đồ hệ suy diễn mờ nhận dạng đặc tính chuyển động 93 Hình 3.10: Sơ đồ khối nhận dạng đặc tính đứng yên/chuyển động của phương tiện cơ giới quân sự 93 Hình 3.11: Sơ đồ khối nhận dạng chuyển động thẳng/chuyển động quay của phương tiện cơ giới quân sự 94 Hình 3.12: Giá trị góc hướng chuyển động trên tuyến đường thẳng chất lượng mặt đường tốt (đường Hoàng Quốc Việt) 95 Hình 3.13: Kết quả đánh giá chuyển động cong/thẳng trên tuyến đường thẳng chất lượng mặt đường tốt (đường Hoàng Quốc Việt) 95 Hình 3.14: Giá trị góc hướng chuyển động trên tuyến đường thẳng chất lượng mặt đường xấu (đường Nguyễn Khánh Toàn) 95 Hình 3.15: Kết quả đánh giá chuyển động cong/thẳng tuyến đường thẳng chất lượng mặt đường xấu (đường Nguyễn Khánh Toàn) 96 Hình 3.16: Giá trị góc hướng khi xe chuyển động trên tuyến đường nhiều ngã 3 ngã 4 và bùng binh (Vườn hoa Trung tâm) . 96 Hình 3.17: Kết quả đánh giá chuyển động cong/thẳng trên tuyến đường nhiều ngã 3 ngã 4 và bùng binh (Vườn hoa Trung tâm) 97 Hình 3.18 Góc hướng có hiệu chỉnh và không hiệu chỉnh khi phương tiện ở trạng thái không chuyển động . 97 Hình 3.19 Góc nghiêng và góc chúc có hiệu chỉnh và không hiệu chỉnh khi phương tiện ở trạng thái không chuyển động 98 Hình 3.20 Sai số tốc độ có hiệu chỉnh và không hiệu chỉnh khi phương tiện chuyển động cong (Vườn hoa Trung tâm) . 99 Hình 3.21: Sai số vị trí đánh giá bằng bộ lọc Kalman khi có hiệu chỉnh và khi không có hiệu chỉnh 100 Hình 3.22: Quỹ đạo chuyển động đánh giá bằng bộ lọc Kalman khi chưa có hiệu chỉnh và khi có hiệu chỉnh sai số . 100 Hình 4.1. Cấu trúc của bộ điều khiển mờ TSK . 104 Hình 4.3: Cấu trúc của bộ lọc Kalman mờ đánh giá độ cân bằng mặt phẳng bệ thân xe của phương tiện cơ giới quân sự .107 Hình 4.4: Hệ mờ đánh giá giá trị R 110 Hình 4.5: Tập mờ chỉ số động học của gia tốc kế và con quay .111 Hình 4.6: Quan hệ vào ra của mô hình mờ 112 Hình 4.7: Quan sát các giá trị vào ra của mô hình mờ . 112 Hình 4.7: Con quay ADIS16354 và gia tốc kế ADIS16209 .113 Hình 4.8: Chương trình mô phỏng trên Matlab 113 Hình 4.9 Giá trị góc nghiêng tính được từ đầu ra của gia tốc kế, con quay và của bộ lọc Kalman mờ 114 Hình 4.10 Giá trị góc chúc tính được từ đầu ra của gia tốc kế, con quay và của bộ lọc Kalman mờ 115 Hình 4.11 Giá trị góc chúc tính được từ đầu ra của gia tốc kế, con quay và của bộ lọc Kalman mờ khi thử nghiệm động .116 . NGHỆ QUÂN SỰ ------------------------------------------ PHẠM HẢI AN VỀ MỘT PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG CHUYỂN ĐỘNG CHO MỘT LỚP PHƯƠNG TIỆN CƠ GIỚI QUÂN SỰ SỬ DỤNG. bài toán nhận dạng chuyển động của phương tiện cơ giới quân sự. Các hệ thống nhận dạng chuyển động phương tiện cơ giới đều nhằm mục đích duy trì một cách