Phương pháp nhận dạng chuyển động cho xe cơ giới quân sự sử dụng cảm biến đa nguồn và thuật toán dẫn đường quán tính

Sự phát triển của một số phương tiện cơ giới quân sự trên thế giới Các hệ thống C4i (Command, Control, Communications, Computers and

Trong chiến tranh công nghệ cao, đối phương thường tổ chức trinh sát điện tử phát hiện chính xác mục tiêu sau đó tiến hành tấn công ồ ạt đường không với các loại hoả lực như tên lửa hành trình, máy bay tầm thấp, kết hợp với các hệ thống hoả lực khác tiêu diệt nhanh các tổ hợp chiến đấu của ta. Trên phương tiện cơ giới được tích hợp các loại khí tài trinh sát như rađa, hệ thống quang điện tử (đo xa laser, camera ánh sáng ngày và camera ảnh nhiệt hồng ngoại), các hệ thống điều khiển bám sát mục tiêu, các hệ thống điều khiển truyền động pháo và điều khiển hoả lực, các hệ thống thông tin liên lạc, chỉ huy.

Nhu cầu nghiên cứu thiết kế chế tạo tổ hợp chiến đấu tích hợp trên phương tiện cơ giới quân sự tại Việt Nam

Xác định tọa độ mục tiêu, lấy phần tử bắn, tự động ổn định đường ngắm của hệ trinh sát và hoả lực trong điều kiện hệ thống cơ động là một vấn đề rất phức tạp, cần tính đến các yếu tố bao gồm xác định vị trí hiện thời của hệ thống, trạng thái của thân bệ gắn liền với trạng thái chuyển động của phương tiện cơ giới. Những vấn đề này đã được thế giới quan tâm nghiên cứu giải quyết, tuy nhiên do liên quan đến quân sự nên ít được công bố; Hiện nay Quân đội ta đang trong quá trình nghiên cứu và phát triển, tuy nhiên cho đến thời điểm hiện tại vẫn chưa có một công trình nghiên cứu cụ thể nào giải quyết bài toán nhận dạng chuyển động của phương tiện cơ giới quân sự.

Mục đích nghiên cứu của luận án

Do quá trình tích phân, giá trị độ nghiêng thu được từ con quay sẽ bị phân kỳ theo thời gian, tuy nhiên giá trị đầu ra của con quay lại ổn định với nhiễu, và nó rất chính xác với các ứng dụng trong thời gian ngắn. Trong khi đó các giá trị sai số về góc nghiêng đo được từ gia tốc kế không bị phân kỳ theo thời gian do phép tính tích phân thì lại chịu ảnh hưởng của lực gia tốc trọng trường trên cả 03 trục tọa độ.

Nội dung nghiên cứu và bố cục của luận án

Độ cân bằng mặt phẳng bệ thân xe của phương tiện cơ giới được đánh giá trên cơ sở sử dụng cảm biến gia tốc và con quay vi cơ điện tử. Hệ mờ ở đây đóng vai trò hiệu chỉnh các tham số của bộ lọc phù hợp với đặc tính của chuyển động hiện thời phương tiện cơ giới quân sự.

CHƯƠNG 1

Các phương pháp dẫn đường định vị xác định tham số chuyển động của phương tiện cơ giới quân sự

Thuật toán dẫn đường quán tính bao gồm các công thức toán học cho phép tính toán từ đầu ra của gia tốc kế, con quay và các điều kiện ban đầu để nhận được thông tin về vị trí, vận tốc và góc định hướng (PVA: Position, Velocity, Attitude) trong hệ tọa độ dẫn đường. Sai số của cảm biến được xác định bởi hai thành phần: thành phần định tính được gọi là độ dịch là phần bù của phép đo đưa ra bởi cảm biến từ các đầu vào chính xác; và thành phần ngẫu nhiên còn gọi là độ trôi (offset) là lỗi tích luỹ theo thời gian của một cảm biến quán tính.

Các hệ tọa độ và các tham số chuyển động của phương tiện cơ giới quân sự

Thuận lợi của hệ toạ độ NED là quay bên phải là chiều dương đối với trục x, và các trục là tương ứng với toạ độ góc nghiêng, góc chúc và góc hướng của phương tiện cơ giới khi chúng nằm trên mặt phẳng và hướng về hướng bắc [25]. Có rất nhiều phương pháp định vị dẫn đường để xác định các tham số chuyển động được thể hiện trong các công thức toán học ở trên, mỗi một phương pháp đều có các ưu nhược điểm khác nhau.

CHƯƠNG 2

Thuật toán dẫn đường quán tính

Các thể hiện về góc định hướng của quaternion là một bộ bốn tham số dựa trên ý tưởng là các chuyển vị từ một hệ toạ độ sang một hệ toạ độ khác có thể thực hiện được bằng một phép quay đơn quanh vector  [66]. Hệ dẫn đường quán tính không đế hoạt động riêng biệt giữa các thành phần và chúng đưa ra các số gia góc quay và số gia vận tốc trong hệ toạ độ gắn liền, ~bib và v~f.

Hệ thống tích hợp INS/GPS dựa trên bộ lọc Kalman

Tuy nhiên phương pháp này gây ra tính không ổn định về số học trong việc tính toán giá trị (HkPkHkT Rk)1cho độ khuếch đại Kalman Kk, bởi vì  và.  được tính theo radian và do vậy chúng có giá trị rất nhỏ. Kết quả được phương trình vector đo lường như sau:. Tính hệ số khuếch đại Kalman. Cập nhật các đánh giá. Dự đoán các đánh giá. INS GPS INS. Và ma trận sai số phép đo dưới đây sẽ được sử dụng ). Ngoài ra, quá trình phản hồi thời gian thực của các giá trị vận tốc INS tới bộ thu GPS cho phép dự đoán chính xác các giả mã và pha GPS tại giai đoạn tiếp theo, và do vậy cho phộp tạo ra một vũng lặp theo dừi của bộ thu cú băng thụng nhỏ hơn trong một môi trường có tính động cao và kết quả là sẽ tăng thêm độ chính xác.

CHƯƠNG 3

Hệ logic mờ

Để có thể giải quyết những hệ thống không biểu diễn được một cách chính xác hoặc không được định nghĩa sẵn, logic mờ sử dụng cách biểu diễn theo cấp độ hoặc số lượng chứ không phải là chỉ có đúng hoặc sai. Cỏc phương phỏp giải mờ bao gồm giải mờ điểm trọng tâm, giải mờ trung bình tâm và giải mờ cực đại trong đó giải mờ cực đại được chia ra thành giải mờ cực đại lớn nhất, giải mờ cực đại nhỏ nhất và giải mờ cực đại trung bình.

Thiết kế hệ mờ nhận dạng động học chuyển động của phương tiện cơ giới quân sự

Để có thể đánh giá trực tiếp các góc nghiêng, chúc, hướng và vận tốc tiến của phương tiện qua các số đo của gia tốc kế và con quay trong thời gian thực, các công thức trên có thể sử dụng để hạn chế đáng kể độ tăng sai số khi đánh giá vị trí nhất là với các IMU dựa trên công nghệ vi cơ điện tử [17], [70]. Hệ mờ nhận dạng động học chuyển động xuất phát từ 02 biến đầu vào J(tk) và W(tk), hai biến đầu vào này đại diện cho các số đo về gia tốc và vận tốc góc, từ 02 đầu vào này qua mô hình mờ Mamdani với phương pháp giải mờ điểm trọng tâm ta nhận được giá trị đầu ra đầu ra DI(tk) nhằm phát hiện đặc trưng chuyển động hiện thời của phương tiện (xem hình 3.3).

CHƯƠNG 4

Để hạn chế sai số khi đánh giá bằng bộ lọc Kalman có nhiều phương pháp, trong đó ta có thể dùng phương pháp tính toán hiệu chỉnh giá trị ma trận sai số phép đo Rk để hạn chế sai số do ảnh hưởng quá trình động học của phương tiện tới đầu ra của gia tốc kế. Do mô hình đo lường chịu ảnh hưởng của các nhiễu gia tốc khi phương tiện chuyển động, để hiệu chỉnh các sai số này, một thuật toán thích nghi tham số sẽ được cài đặt sử dụng logic mờ để đưa ra giá trị ma trận hiếp biến đo lường R hợp lý tương ứng với quá trình động học chuyển động.

Khả năng áp dụng vào thực tế

Các thuật toán đưa ra của luận án có thể được áp dụng vào trong các bài toán xác định và định vị mục tiêu, ổn định bệ đài quan sát lắp trên phương tiện cơ giới quân sự, giữ thăng bằng cho máy bay không người lái, điều khiển xuồng cao tốc không người lái, robot tự động rà phá bom mìn,….