Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Xây dựng phương pháp tổng hợp hệ thống điều khiển các đài quan sát tự động định vị từ xa các đối tượng di động

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:126

Thêm vào BST

Báo xấu

26
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án là nghiên cứu xây dựng phương pháp tổng hợp hệ thống tự động định vị bám sát các đối tượng chuyển động sử dụng các thiết bị quang điện tử thế hệ mới trên nguyên lý thụ động, đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng cao, đáp ứng yêu cầu bắt, bám sát các mục tiêu hiện đại trong chiến tranh công nghệ cao.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Xây dựng phương pháp tổng hợp hệ thống điều khiển các đài quan sát tự động định vị từ xa các đối tượng di động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ Nguyễn Trung Kiên XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÁC ĐÀI QUAN SÁT TỰ ĐỘNG ĐỊNH VỊ TỪ XA CÁC ĐỐI TƯỢNG DI ĐỘNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ Nguyễn Trung Kiên XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÁC ĐÀI QUAN SÁT TỰ ĐỘNG ĐỊNH VỊ TỪ XA CÁC ĐỐI TƯỢNG DI ĐỘNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hoá Mã số: 62 52 02 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:  GS.TSKH CAO TIẾN HUỲNH  PGS.TS TRẦN ĐỨC THUẬN Hà Nội - 2015
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu riêng của tôi. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. TÁC GIẢ Nguyễn Trung Kiên
LỜI CẢM ƠN Trước tiên tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành nhất tới GS.TSKH Cao Tiến Huỳnh, người hướng dẫn khoa học chính và PGS.TS. Trần Đức Thuận, người hướng dẫn thứ hai, đã tận tình hướng dẫn, chỉ ra những nội dung cần giải quyết và đóng góp những ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn thành bản luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo, chỉ huy Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Viện Tự động hoá Kỹ thuật quân sự và các đồng nghiệp đã luôn tạo điều kiện, động viên, quan tâm và giúp đỡ tôi hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo cùng tập thể phòng Đào tạo Viện Khoa học và Công nghệ quân sự đã luôn quan tâm giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận án. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn toàn thể gia đình và bè bạn đã luôn thông cảm, động viên, giúp đỡ và chia sẻ với tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án.
i M CL C DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ....................................................................III DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ............................................................................................................ V MỞ ĐẦU............................................................................................................................................ 1 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ ĐỊNH VỊ TỪ XA CÁC ĐỐI TƯỢNG DI ĐỘNG TRÊN CƠ SỞ SỬ DỤNG CÁC THIẾT BỊ QUANG ĐIỆN TỬ ....................................................... 7 1.1. Vai trò của hệ thống tự động định vị từ xa đối tượng di động trên cơ sở các thiết bị quang điện tử...................................................................................................7 1.2. Định vị đối tượng di động trong không gian theo vị trí chuẩn ............................9 1.2.1. Định vị các đối tượng di động theo một vị trí chuẩn ........................................9 1.2.2. Định vị các đối tượng di động theo hai vị trí chuẩn .......................................11 1.3. Vấn đề xử lý ảnh động trong hệ thống tự động bám sát các đối tượng di động ...........................................................................................................................13 1.4. Một vài nhận xét về các hệ thống tự động bám các đối tượng di động sử dụng các luật điều khiển truyền thống ...............................................................................15 1.5. Bài toán tự động bám sát các đối tượng di động trong không gian ...................18 1.5.1. Những yêu cầu chung đối với hệ thống tự động bám .....................................18 1.5.2. Định hướng nghiên cứu đáp ứng các yêu cầu đặt ra ......................................20 1.6. Các đặc tính phi tuyến của các phần tử không quán tính và các phương pháp bù trừ .........................................................................................................................21 1.7. Khái quát về ưu nhược điểm của các phương pháp tổng hợp các hệ điều khiển đối tượng phi tuyến ...................................................................................................24 1.7.1. Phương pháp backstepping trong tổng hợp hệ phi tuyến ...............................24 1.7.2. Tổng hợp hệ điều khiển thích nghi bằng phương pháp backstepping có sử dụng mạng nơ ron nhân tạo ......................................................................................28 1.7.3. Phương pháp tổng hợp hệ điều khiển mờ thích nghi ......................................30 1.7.4. Điều khiển thích nghi bền vững trên cơ sở sử dụng mạng nơron nhân tạo và mode trượt .................................................................................................................33 1.8. Kết luận chương 1 ..............................................................................................34 CHƯƠNG II. XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG BÁM SÁT ĐỐI TƯỢNG DI ĐỘNG ............................................................................ 35
ii 2.1. Cấu trúc của hệ thống tự động bám sát đối tượng di động ................................35 2.2. Mô hình toán học của đối tượng điều khiển trong hệ thống tự động bám sát các đối tượng di động ................................................................................................37 2.3. Xây dựng thuật toán điều khiển thích nghi trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo ...43 2.3.1. Đặt bài toán.....................................................................................................45 2.3.2. Tổng hợp hệ điều khiển thích nghi cho đối tượng phi tuyến bất định ...........47 2.4. Mô phỏng, kiểm chứng hiệu quả của hệ thống thích nghi tự động bám sát các đối tượng di động ......................................................................................................57 2.5. Kết luận chương 2 ..............................................................................................65 CHƯƠNG III. XÂY DỰNG THUẬT TOÁN THÍCH NGHI, BỀN VỮNG TRÊN CƠ SỞ MẠNG NƠ RON VÀ ĐIỀU KHIỂN MODE TRƯỢT CHO HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG BÁM SÁT CÁC ĐỐI TƯỢNG DI ĐỘNG ........................................................................................................ 67 3.1. Sự cần thiết của thuật toán thích nghi, bền vững đối với hệ thống tự động bám sát các đối tượng di động ..........................................................................................67 3.2. Chế độ trượt trong các hệ thống điều khiển .......................................................68 3.2.1. Điều khiển trượt trong hệ thống cấu trúc biến đổi .........................................69 3.2.2. Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển trượt trong hệ thống ...........................72 3.3.Tích hợp điều khiển mode trượt với điều khiển tối ưu tác động nhanh cho một lớp hệ thống tự động bám .........................................................................................75 3.3.1. Vấn đề điều khiển tối ưu tác động nhanh đối với hệ thống tự động bám sát mục tiêu .....................................................................................................................75 3.3.2. Đề uất phương pháp tổng hợp u t điều khiển đ m b o tính bền vững và tính kháng nhi u trên cơ sở sử dụng chế độ trượt ....................................................81 3.4. Ứng dụng các thuật toán điều khiển thích nghi bền vững kết hợp tối ưu tác động nhanh với mode trượt và mạng nơron cho hệ thống tự động định vị các đối tượng di động ............................................................................................................86 3.5. Kết luận chương 3 ..............................................................................................95 KẾT LUẬN ...................................................................................................................................... 96 DANH MỤC CÁC C NG TRÌNH KHOA H C Đ C NG BỐ .................................................. 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................................ 99 PHỤ LỤC.......................................................................................................................................108
iii DANH M C CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT  Góc phương vị của đài quan sát, [rad]  Góc tà của đài quan sát, [rad] D Cự ly của mục tiêu, [m] H Độ cao của mục tiêu, [m] Va Tốc độ mục tiêu, [m/s] X  ( x1 ,......xn )T Vector các tín hiệu trạng thái u  [u1 ,......un ]T Vector các tín hiệu đầu vào (tín hiệu điều khiển) Z  [z T , 1]T y (t ) Tín hiệu đầu ra của hệ thống. yd (t ) Tín hiệu đặt đầu vào của hệ thống. f (X ) Các vector hàm mô tả hệ thống g( X ) A  Rnn , B  Rnm Ký hiệu các ma trận V (X ) Hàm Lapunov S Mặt trượt d(t ), d (t ) Dạng nhiễu phụ thuộc thời gian tác động vào hệ thống u , 0 Hệ số trong điều khiển mode trượt
iv BĐK1, BĐK2 Các bộ điều khiển CCH Cơ cấu chấp hành CLF Hàm điều khiển Lyapunov (Control Lyapunov Function) CMTH Chuyển mạch tín hiệu ĐQS Đài quan sát GAS Hệ ổn định tiệm cận toàn cục (Global Asymptotic Stable) MHTT Mô hình tuyến tính ND, HCTN Nhận dạng, hiệu chỉnh thích nghi sử dụng mạng nơron RBF. PID Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (Proportional Integral Derivative) QĐT - XLA Các phương tiện quang điện tử và khối xử lý ảnh RBF Mạng nơron xuyên tâm (Radial Basis Function) Robot hai khớp, được dẫn động bởi các bộ truyền động điện RLED Robot theo liên kết cứng (Rigid – Link Electrically Driven Robot – RLED Robot) SISO Hệ một đầu vào - một đầu ra (Single Input- Single Output System) SMC Bộ điều khiển trượt (Sliding Mode Control) TLĐK Khối tạo lệnh điều khiển TOC Điều khiển tối ưu (Time Optimal Control) XĐSL Khối xác định sai lệch XLTT Khối xử lý và tính toán
v DANH M C CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Một số đài tự động định vị, điều khiển ho ực có trong trang bị của quân đội các nước và các chỉ tiêu kỹ thu t chính 8 Hình 1.2 Sơ đồ định vị các đối tượng di động trong không gian theo một vị trí chuẩn 10 Hình 1.3 Sơ đồ định vị các đối tượng di động trong không gian theo hai vị trí chuẩn 12 Hình 1.4 Cấu trúc của hệ điều khiển mờ thích nghi 31 Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc rút gọn hệ thống bám sát 35 Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc của đối tượng điều khiển phi tuyến bất định theo mô hình (2.26) 48 Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc của đối tượng điều khiển phi tuyến bất định theo mô hình (2.28) 48 Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc bù trừ 49 Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc rút gọn hệ thống điều khiển kết hợp Thích nghi/PID với cơ cấu nh n dạng phi tuyến và nhi u 51 Hình 2.6 Bi u di n hàm trơn phi tuyến bất định 52 Hình 2.7 Nhi u d(t ) được ấp ỉ bằng bộ nh n dạng và sai số ấp ỉ 60 Hình 2.8 Hàm phi tuyến phụ thuộc trạng thái f ( X ) được ấp ỉ bằng bộ nh n dạng và sai số ấp ỉ 61 Hình 2.9 Phi tuyến và nhi u f * ( X , t )  f ( X )  d(t ) được ấp ỉ bằng bộ nh n dạng và sai số ấp ỉ 62
vi Hình 2.10 Sai số của hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID và bộ điều 63 khiển Thích nghi/PID dưới tác động của nhi u Hình 2.11 Hệ thống bám theo hình sin và sai số bám sát với bộ điều khiển PID 64 Hình 2.12 Hệ thống bám theo hình sin và sai số bám sát với bộ điều khiển Thích nghi/PID 64 Hình 3.1 Quỹ đạo chuyển động không ổn định của hệ 70 Hình 3.2 Quỹ đạo chuyển động của hệ khi biến đổi cấu trúc 71 Hình 3.3 Chân dung pha của hệ thống 78 Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc hệ thống tự động bám sát mục tiêu sử dụng bộ điều khiển kết hợp Thích nghi/Trượt 87 Hình 3.5 Dạng mô phỏng phi tuyến và nhi u f * ( X , t ) 90 Hình 3.6 Quá trình quá độ của bộ điều khiển Thích nghi/PID, bộ điều khiển Ttrượt và Thích nghi/Trượt dưới tác động của f * ( X ,t) 91 Hình 3.7 Hệ thống sử dụng bộ điều khiển Trượt bám theo hình sin với  0  20 dưới tác động của f * ( X , t ) 92 Hình 3.8 Hệ thống sử dụng bộ điều khiển Trượt bám theo hình sin với  0  20 dưới tác động của 1.5  f * ( X , t ) 92 Hình 3.9 Hệ thống sử dụng bộ điều khiển Thích nghi/Trượt bám theo hình sin với  0  1 dưới tác động của 1.5  f * ( X , t ) 92 Hình 3.10 So sánh hệ thống sử dụng các bộ điều khiển bám theo quỹ đạo với đối tượng có tham số biến đổi R  2 RN 93
1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Định vị từ xa các đối tượng di động là quá trình xác định vị trí của đối tượng so với vị trí chuẩn theo chế độ thời gian thực. Mỗi khi vị trí của đối tượng đã được xác định ở chế độ thời gian thực với độ chính xác cần thiết, hoàn toàn có thể tính toán, xử lý thông tin đó để xác định thêm các tham số vận động của đối tượng, thí dụ như tốc độ chuyển động, hướng chuyển động v.v... Như vậy, khác với định vị các đối tượng không chuyển động, định vị các đối tượng di động đòi hỏi phải bám sát đối tượng và liên tục xác định vị trí, và nếu cần thiết, xác định cả các tham số vận động của đối tượng ở chế độ thời gian thực. Để định vị được đối tượng chuyển động đòi hỏi phải bám sát được đối tượng. Vì vậy trong thực tế và trong luận án sử dụng hai khái niệm “định vị các đối tượng di động” và “bám sát các đối tượng di động” thay thế cho nhau. Đối tượng chuyển động với tốc độ và tính cơ động càng cao, với quỹ đạo chuyển động càng phức tạp thì vấn đề bám sát đối tượng càng trở nên phức tạp hơn, khó khăn hơn. Các hệ thống tự động bám sát các đối tượng di động được áp dụng rộng rãi trong các lĩnh vực quân sự và quốc phòng - an ninh, trong hàng không, hàng hải, viễn thám, phòng chống thiên tai, tìm kiếm cứu nạn v.v... Sự phát triển không ngừng của các lĩnh vực này đang đặt ra những yêu cầu ngày càng cao hơn đối với các hệ thống định vị, bám sát từ xa các đối tượng di động. Tính cấp thiết của đề tài luận án Nhằm đáp ứng các yêu cầu nêu trên, vấn đề nghiên cứu thiết kế, chế tạo các hệ thống tự động định vị, bám sát từ xa các đối tượng di động có chất lượng cao đã trở thành vấn đề thời sự.
2 Trong các lĩnh vực kỹ thuật quân sự, vấn đề xây dựng các hệ thống tự động định vị từ xa các đối tượng di động trên cơ sở sử dụng các thiết bị quang điện tử đạt các chỉ tiêu chất lượng cao đang thực sự là vấn đề cấp thiết, thu hút sự quan tâm đặc biệt. Điều đó xuất phát từ yêu cầu phát hiện, bắt và bám sát các mục tiêu hiện đại trong chiến tranh công nghệ cao. Các hệ thống rada phát hiện, bắt và bám mục tiêu phục vụ cho hoả lực nay không thể phát huy tác dụng đối với các mục tiêu tàng hình. Không những thế, các hệ thống rada còn luôn đứng trước nguy cơ bị tấn công bằng các loại tên lửa tự dẫn và vì vậy độ sống còn của chúng không cao, dễ bị tiêu diệt. Để phát hiện, bắt và bám các mục tiêu tàng hình, các mục tiêu bay thấp, cơ động nhanh trong khi vẫn giữ bí mật, không để đối phương phát hiện, đòi hỏi phải sử dụng các hệ thống tự động bám sát mục tiêu trên cơ sở các thiết bị quang điện tử như: camera ánh sáng ngày, camera ảnh nhiệt với độ phân giải cao và đo xa laser. Các hệ thống này đòi hỏi phải có độ chính xác cao, độ tác động nhanh tốt, độ tin cậy cao. Đối với các mục tiêu bay thấp với tốc độ và tính cơ động cao, yêu cầu đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng cao cho các hệ thống đó càng khắt khe hơn, cấp thiết hơn. Để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao đối với hệ thống tự động sử dụng các thiết bị quang điện tử để định vị từ xa các đối tượng di động đòi hỏi phải xây dựng các thuật toán điều khiển thông minh, có tính bền vững và tính thích nghi cao, loại trừ được các tác động của nhiễu và bù khử được ảnh hưởng của các đặc tính phi tuyến, áp dụng trực tiếp cho đài quan sát, đồng thời phải có các công nghệ và thuật toán xử lý ảnh động đủ mạnh. Ở các nước có nền khoa học công nghệ phát triển, những vấn đề nêu trên đã và đang thu hút sự quan tâm, đã thu được nhiều kết quả quan trọng. Tuy nhiên, đó là những kết quả thuộc về các lĩnh vực công nghệ cao nhằm mục
3 đích phục vụ quân sự và quốc phòng, vì vậy chúng không được công bố, cũng không thực hiện chuyển giao ngay cả khi thực hiện các hợp đồng trang bị. Ở trong nước, các đơn vị khoa học đã quan tâm giải quyết các vấn đề này từ hàng chục năm trở lại đây. Viện Tự động hoá kỹ thuật quân sự đã nghiên cứu tổng hợp, thiết kế và chế tạo thành công hệ thống tự động bám sát mục tiêu sử dụng quang điện tử phục vụ hoả lực pháo phòng không. Các hệ thống này đã được áp dụng vào thực tế, được nhân rộng và đang phát huy hiệu quả tốt [7]. Với yêu cầu ngày càng cao hơn đối với các hệ thống tự động bám sát mục tiêu phục vụ hoả lực, thêm vào đó là đòi hỏi có các hệ thống phục vụ mục đích đặc biệt với độ chính xác cao và rất cao, vấn đề tổng hợp, thiết kế chế tạo hệ thống tự động bám sát các đối tượng chuyển động sử dụng quang điện tử với các chỉ tiêu chất lượng cao càng trở nên cấp thiết. 2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của u n án à nghiên cứu ây dựng phương pháp tổng hợp hệ thống tự động định vị bám sát các đối tượng chuyển động sử dụng các thiết bị quang điện tử thế hệ mới trên nguyên ý thụ động, đ m b o các chỉ tiêu chất ượng cao, đáp ứng yêu cầu bắt, bám sát các mục tiêu hiện đại trong chiến tranh công nghệ cao. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của u n án à hệ thống tự động bám các đối tượng di động sử dụng các thiết bị quang điện tử. Phạm vi nghiên cứu: Các phương pháp phân tích và tổng hợp hệ thống cũng như các giải pháp đảm bảo chất lượng cao cho hệ thống, loại trừ được ảnh hưởng của các đặc tính phi tuyến của các thiết bị trong hệ thống đến chất lượng điều khiển, làm cho hệ thống có tính bền vững, tính kháng nhiễu tốt, giảm thiểu được khả năng mất bám đảm bảo thích nghi với tín hiệu vào.
4 4. Nội dung nghiên cứu Để đạt được mục tiêu, các nội dung nghiên cứu cụ thể của luận án là: - Xây dựng mô hình toán học mô tả động học của đài quan sát như là đối tượng điều khiển trong hệ thống tự động định vị từ xa các đối tượng di động sử dụng quang điện tử. Phân tích mô hình toán học đầy đủ của đài quan sát, chỉ ra các yếu tố bất định làm cơ sở cho việc tổng hợp hệ thống điều khiển chất lượng cao cho đài quan sát. - Nghiên cứu xây dựng phương pháp nhận dạng thành phần phi tuyến, nhiễu phụ thuộc trạng thái (State depend disturbance) và nhiễu tác động lên hệ thống. - Nghiên cứu xây dựng phương pháp tổng hợp hệ thống thích nghi bền vững đảm bảo tối ưu theo tác động nhanh; bù trừ được ảnh hưởng của phi tuyến và nhiễu đến chất lượng của hệ thống, bất biến với sự biến đổi các tham số động học của đối tượng điều khiển, làm cơ sở cho việc thiết kế chế tạo hệ thống với các chỉ tiêu chất lượng cao. - Đề xuất phương pháp nâng cao chất lượng cho hệ thống tự động điều khiển đài quan sát trong các tổ hợp hoả lực trên cơ sở nhận dạng phi tuyến và nhiễu, sử dụng bộ điều khiển PID hiện có. - Mô phỏng đánh giá hiệu quả các phương pháp đề xuất sử dụng bộ phần mềm mô phỏng Matlab-Simulink. . Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Theo các nội dung nghiên cứu nêu trên, các kết quả đạt được của luận án có những đóng góp mới cả về lý thuyết và ứng dụng. Các phương pháp và thuật toán đều được phát triển trên cơ sở các công cụ của lý thuyết điều khiển hiện đại, như điều khiển bền vững, điều khiển thích nghi, điều khiển các hệ phi tuyến bất định, mạng noron nhân tạo. Kết quả mô phỏng đã minh chứng tính đúng đắn và hiệu quả của các phương pháp đề xuất, làm nổi bật ý nghĩa
5 khoa học của các phương pháp đó. Các phương pháp đề xuất và các thuật toán thu được phục vụ trực tiếp cho việc tổng hợp, thiết kế chế tạo mới và cải tiến nâng cao chất lượng cho các hệ thống tự động bám sát mục tiêu sử dụng quang điện tử hiện có, góp phần giải quyết các vấn đề cấp thiết liên quan đến yêu cầu đối phó có hiệu quả cao đối với các mục tiêu phức tạp trong điều kiện chiến tranh công nghệ cao. Các phương pháp và thuật toán đó còn có thể áp dụng để tổng hợp các hệ thống cho các lĩnh vực khác trong quốc phòng và kinh tế. 6. Phương pháp nghiên cứu Để thực hiện được các nội dung nêu trên và đạt được các kết quả, luận án sử dụng phương pháp phân tích, tổng hợp và vận dụng các công cụ hiện đại như lý thuyết điều khiển thích nghi, điều khiển bền vững trên cơ sở ứng dụng chế độ trượt (mode trượt – sliding mode), điều khiển tối ưu tác động nhanh, điều khiển phi tuyến bất định, mạng noron nhân tạo v.v.. Để kiểm chứng tính đúng đắn, hiệu quả và độ tin cậy của các kết quả thu được, luận án sử dụng công cụ mô phỏng Matlab-Simulink. 7. Bố cục của luận án Luận án bao gồm: Phần mở đầu, ba chương, Kết luận , Danh mục tài liệu tham khảo và phụ lục. Phần Mở đầu: Nêu rõ tính cấp thiết của đề tài luận án, khái quát chung về mục tiêu, nội dung, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiến của luận án và giới thiệu tóm tắt về cấu trúc của luận án. Chương I: Tổng quan về vấn đề định vị từ xa các đối tượng di động trên cơ sở sử dụng các thiết bị quang điện tử Chương này trình bày tổng quan về vấn đề định vị các đối tượng chuyển động trong không gian theo vị trí chuẩn; về xử lý ảnh động trong hệ thống tự động bám, về vấn đề tổng hợp các hệ thống tự động bám sát các đối tượng di
6 động trên cơ sở quang điện tử. Đã chỉ ra những vấn đề cấp thiết cần tập trung giải quyết trong các chương sau. Chương II: Xây dựng thuật toán điều khiển thích nghi cho hệ thống tự động bám sát đối tượng di động. Chương này xây dựng mô hình động học mô tả đầy đủ động học của đối tượng điều khiển; xây dựng phương pháp nhận dạng các yếu tố phi tuyến và nhiễu trên cơ sở sử dụng các công cụ thích nghi và mạng noron nhân tạo. Đã chứng minh được định lý về điều kiện đủ để hệ thống nhận dạng hội tụ. Kết quả nhận dạng phi tuyến và nhiễu được sử dụng kết hợp với các bộ điều khiển truyền thống để nâng cao chất lượng hệ thống. Chương III: Xây dựng thuật toán thích nghi, bền vững trên cơ sở mạng noron và điều khiển mode trượt cho hệ thống tự động bám sát các đối tượng di động Chương này tập trung giải quyết các nội dung liên quan đến xây dựng các thuật toán thích nghi, bền vững trên cơ sở mạng noron và điều khiển mode trượt, kết hợp với điều khiển tác động nhanh. Đã xây dựng phương pháp tổng hợp hệ thống tự động bám sát các đối tượng di động có các chỉ tiêu chất lượng cao về độ tác động nhanh, khả năng kháng nhiễu, độ chính xác và tính bền vững. Các kết quả của chương II và chương III đều được áp dụng trực tiếp cho một lớp đài quan sát quang điện tử cụ thể và được kiểm chứng tính đúng đắn và hiệu quả của các phương pháp và thuật toán đã đề xuất bằng mô phỏng trong môi trường Matlab – Simulink. Trong phần “Kết luận”, luận án nêu rõ những kết quả chính và các đóng góp mới của luận án, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của các kết quả đó đồng thời chỉ rõ các hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo.
7 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ ĐỊNH VỊ TỪ XA CÁC ĐỐI TƯỢNG DI ĐỘNG TRÊN CƠ SỞ SỬ D NG CÁC THIẾT BỊ QUANG ĐIỆN TỬ 1.1. Vai trò của hệ thống tự động định vị từ xa đối tượng di động trên cơ sở các thiết bị quang điện tử Quan sát, giám sát, định vị, bám sát từ xa các đối tượng di động là vấn đề có ý nghĩa quan trọng đối với nhiều lĩnh vực như hàng không, giao thông, cứu hộ… và đặc biệt quan trọng đối với các lĩnh vực quân sự và quốc phòng. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học - công nghệ, nhiều thành tựu của khoa học công nghệ được ứng dụng để chế tạo thiết bị bay và các trang bị kèm theo nhằm nâng cao đặc tính kỹ chiến thuật cũng như khả năng sống còn của chúng đặc biệt là khả năng tàng hình, làm cho việc theo dõi, xác định chính xác vị trí của thiết bị bay ngày càng khó khăn, phức tạp. Vì vậy, đòi hỏi hệ thống điều khiển hỏa lực phòng không phải có những thay đổi, cải tiến để có thể thực hiện được nhiệm vụ đặt ra, có khả năng bắt bám và tiêu diệt các mục tiêu hiện đại. Các hệ thống tự động định vị từ xa các đối tượng di động bằng radar đang đứng trước những thách thức lớn trong điều kiện của chiến tranh hiện đại: - Radar gặp khó khăn rất lớn trong việc phát hiện và định vị các đối tượng tàng hình; - Radar có khả năng bị vô hiệu hoá bằng việc gây nhiễu tích cực và chế áp điện tử từ phía đối phương; Các đài radar luôn đứng trước nguy cơ bị tiêu diệt bằng các loại tên lửa tự dẫn chống radar. Trong lĩnh vực quân sự, các đài tự động định vị từ xa các đối tượng di động sử dụng các thiết bị quang điện tử có vai trò rất quan trọng, đặc biệt trong chiến tranh công nghệ cao. Khác với các phương tiện định vị bằng Radar, các hệ thống định vị sử dụng quang điện tử thường là các hệ thống thụ
8 động, có khả năng chống nhiễu ở dải sóng vô tuyến (là dải sóng mà đối phương có khả năng gây nhiễu nhiều nhất), có khả năng tránh khỏi các đòn tiến công bằng tên lửa tự dẫn chống radar và các phương tiện phát sóng vô tuyến của đối phương. Hơn thế nữa, các hệ thống tự động định vị sử dụng quang - điện tử có khả năng đạt độ chính xác cao hơn so với các phương tiện khác. Chính nhờ các tính năng ưu việt nổi trội như vậy, các đài tự động định vị sử dụng các thiết bị quang điện tử là những phương tiện kỹ thuật quân sự không thể thiếu được trong chiến tranh hiện đại, được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau. Các hệ thống sử dụng cho các đơn vị hỏa lực thường rất đắt tiền, mỗi hệ được bán với giá hàng triệu đô la Mỹ. Các hệ thống sử dụng trong các mục đích đặc biệt như đo quỹ đạo của tên lửa để phục vụ cho kiểm tra, hiệu chỉnh các hệ thống tự dẫn của tên lửa có độ chính xác rất cao, với giá thành tới hàng chục triệu đô la Mỹ. Trên hình 1.1 là một số đài tự động định vị, điều khiển hoả lực có trong trang bị của quân đội các nước. Xạ giới quan sát   n  360o ;   5o  85o Tốc độ quay ĐQS (lớn nhất)  ,  ;90o s Gia tốc ĐQS (lớn nhất)  ,  ;150o s 2 Sai số vị trí 0, 2mrad Độ phân giải vị trí 0,02mrad Khả năng bám sát với mục tiêu có tốc độ (lớn nhất) 500 m s Hình 1.1. Một số đài tự động định vị, điều khiển ho ực có trong trang bị của quân đội các nước và các chỉ tiêu kỹ thu t chính
9 Nguyên lý hoạt động chung của các đài định vị sử dụng các thiết bị quang điện tử là: dựa trên ảnh của đối tượng do các camera đưa về, khối xử lý ảnh tính toán ra các sai lệch để điều khiển hệ cơ điện bám sát đối tượng, qua đó xác định các tham số toạ độ đặc trưng, kết hợp với số liệu cự li được cung cấp qua thiết bị đo xa tính toán các tham số vận động của đối tượng. Tiếp theo, luận án trình bày các giải thuật chính được sử dụng trong hệ thống định vị các đối tượng di động sử dụng quang điện tử, làm cơ sở cho việc nghiên cứu phương pháp tổng hợp và thiết kế hệ thống tự động định vị các đối tượng di động có chất lượng cao. 1.2. Định vị đối tượng di động trong không gian theo vị trí chuẩn Các thiết bị, phương tiện và hệ thống tự động định vị các đối tượng di động từ xa sử dụng các thiết bị quang điện tử thực hiện việc xác định tọa độ của đối tượng di động so với gốc tọa độ, nơi đặt chúng ở chế độ thời gian thực, là phương pháp định vị theo vị trí chuẩn. 1.2.1. Định vị các đối tượng di động theo một vị trí chuẩn Định vị các đối tượng di động trong không gian là một thành phần không thể thiếu trong các hệ thống bám sát, điều khiển hoả lực…. Vì vậy, rất cần thiết phải xây dựng các thuật toán định vị các đối tượng di động không gian. Các thuật toán này phục vụ cho việc theo dõi, giám sát, và cả điều khiển các đối tượng đó. Ngoài ra, các thuật toán còn được sử dụng giải quyết nhiều vấn đề khác do thực tiễn của nhiều lĩnh vực kinh tế và quốc phòng đặt ra. Thí dụ như bài toán gặp nhau của các chuyển động, bài toán xạ kích, v.v.. Trên hình 1.2, ta xây dựng thuật toán định vị đối tượng di động trong không gian theo một vị trí chuẩn được chọn trước O. Tham số về chuyển động của thiết bị di động trong không gian thường được xác định trong hệ toạ độ cầu (với gốc toạ độ là điểm đặt đài quan sát bao gồm: tọa độ góc, cự ly và tốc độ biến thiên của các tham số này). Để định vị chúng ta sử dụng các thiết
10 bị đo góc phương vị và góc tà và thiết bị đo cự ly. Đối tượng di động trong không gian là các thiết bị bay. Hình 1.2. Sơ đồ định vị các đối tượng di động trong không gian theo một vị trí chuẩn Giả sử thời điểm t1 các thiết bị đo góc phương vị và góc tà cho ta giá trị tương ứng là 1   (t1 ) và 1   (t1 ) . Đồng thời thiết bị đo cự ly cho ta D1  D1 (t1 ) . Bộ ba tham số D1 , 1 , 1 hoàn toàn xác định vị trí trong không gian của đối tượng di động tại thời điểm t1 Tương tự như vậy, tại thời điểm t2 ta lại có bộ ba tham số tương ứng D2 , 2 ,  2  . Để giải các bài toán của thực tiễn, bên cạnh bộ ba tham số nêu trên là chưa đủ mà còn phải xác định tốc độ chuyển động của đối tượng. Từ hình 1.2, ta có: