Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Xây dựng thuật toán dẫn đường và điều khiển cho phương tiện ngầm

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:147

Thêm vào BST

Báo xấu

17
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài nghiên cứu nhằm xây dựng phương pháp luận để tổng hợp thuật toán dẫn đường và thuật toán điều khiển chuyển động cho phương tiện ngầm có trang bị thiết bị dẫn đường quán tính có đế hoặc không đế trong giai đoạn chuyển động tự lập (Autonom).

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Xây dựng thuật toán dẫn đường và điều khiển cho phương tiện ngầm

Bé gi¸o dôc vμ ®μo t¹o Bé quèc phßng ViÖn khoa häc vμ c«ng nghÖ qu©n sù TR¦¥NG DUY TRUNG X©y dùng THUËT TO¸N dÉn ®−êng vμ §IÒU KHIÓN CHO ph−¬ng tiÖn ngÇm LuËn ¸n tiÕn sÜ kü thuËt Hμ néi 2014
Bé gi¸o dôc vμ ®μo t¹o Bé quèc phßng ViÖn khoa häc vμ c«ng nghÖ qu©n sù TR¦¥NG DUY TRUNG X©y dùng THUËT TO¸N dÉn ®−êng vμ §IÒU KHIÓN CHO ph−¬ng tiÖn ngÇm Chuyªn ngμnh: Kü thuËt ®iÒu khiÓn vμ tù ®éng hãa M· sè: 62 52 02 16 LuËn ¸n tiÕn sÜ kü thuËt Ng−êi h−íng dÉn khoa häc: 1. PGS.TS TrÇn §øc ThuËn 2. TS NguyÔn Quang VÞnh Hμ néi 2014
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Những nội dung, số liệu và kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa có tác giả nào công bố trong bất cứ một công trình nào khác. Tác giả luận án Trương Duy Trung
ii LỜI CẢM ƠN Công trình nghiên cứu này được thực hiện tại Viện Tên lửa, Viện Tự động hoá thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự - Bộ Quốc phòng. Tác giả xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới tập thể cán bộ giáo viên hướng dẫn khoa học: PGS. TS Trần Đức Thuận TS Nguyễn Quang Vịnh Đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tác giả luận án xin chân thành cảm ơn Ban Lãnh đạo, Chỉ huy Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự, Phòng Đào tạo Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Viện Tên lửa, Viện Tự động hoá các đồng nghiệp đã luôn động viên, quan tâm và giúp đỡ để hoàn thành luận án. Xin chân thành cám ơn các Thầy giáo, các nhà Khoa học và gia đình đã quan tâm giúp đỡ, đóng góp nhiều ý kiến quý báu, cổ vũ và động viên tác giả hoàn thành công trình khoa học này.
iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT................................................................ vi DANH MỤC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ ............................................................................. xi PHẦN MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ DẪN ĐƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CHO PHƯƠNG TIỆN NGẦM .............................................................................................................. 5 1.1 Tổng quan về phương tiện ngầm .......................................................................... 5 1.2 Các hệ tọa độ sử dụng trong mô tả chuyển động của phương tiện ngầm........... 15 1.2.1 Hệ tọa độ quán tính ...................................................................................... 15 1.2.2 Hệ tọa độ cố định tâm trái đất ...................................................................... 15 1.2.3 Hệ tọa độ địa lý ............................................................................................ 16 1.2.4 Hệ tọa độ gắn liền ........................................................................................ 16 1.2.5 Ma trận chuyển tọa độ .................................................................................. 17 1.2.5.1 Phương pháp góc Ơle .......................................................................... 17 1.2.5.2 Phương pháp sử dụng tham số Rodrig – Hamilton ............................. 20 1.3 Tổng quan về dẫn đường quán tính .................................................................... 22 1.3.1 Nguyên tắc dẫn đường quán tính ................................................................. 22 1.3.1.1 Dẫn đường quán tính có đế ................................................................. 24 1.3.1.2 Dẫn đường quán tính không đế ........................................................... 27 1.3.2 Kết hợp các hệ thống định vị và dẫn đường ................................................ 28 1.4 Mô tả động học phương tiện ngầm tự hành dạng ngư lôi .................................. 31 1.4.1 Các lực, mô men quán tính và hướng tâm của phương tiện ngầm tự hành ..... 32 1.4.2 Các lực và mô men ngoại lực tác động lên phương tiện ngầm tự hành ....... 33 1.4.2.1 Các lực và mô men gây ra bởi trọng lực và lực nổi ............................ 33 1.4.2.2 Các lực và mô men khối nước kèm ..................................................... 33 1.4.2.3 Các lực và mô men thủy động ............................................................. 34 1.4.2.4 Các lực và mô men của bánh lái ......................................................... 36 1.4.3 Các yếu tố môi trường tác động lên phương tiện ngầm tự hành.................. 38 1.5 Kết luận chương 1 .............................................................................................. 39 Chương 2: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH THAM SỐ DẪN ĐƯỜNG CHO VŨ KHÍ CHỐNG NGẦM ............................................................................... 41
iv 2.1 Xây dựng thuật toán dẫn đường quán tính không đế cho vũ khí chống ngầm ... 42 2.1.1 Xây dựng thuật toán xác định tham số dẫn đường cho vũ khí chống ngầm ở giai đoạn chuyển động trong khí quyển .................................................... 43 2.1.2 Xây dựng thuật toán xác định tham số dẫn đường cho vũ khí chống ngầm ở giai đoạn chuyển động trong nước ............................................................... 50 2.2 Xây dựng thuật toán dẫn đường quán tính có đế cho vũ khí chống ngầm ......... 59 2.2.1 Xây dựng thuật toán xác định ma trận Côsin định hướng giữa hệ tọa độ đế với hệ tọa độ địa lý theo phương pháp phối hợp véc tơ vận tốc khi thả vũ khí chống ngầm từ máy bay phản lực .......................................................... 60 2.2.2 Xây dựng thuật toán xác định ma trận Côsin định hướng giữa hệ tọa độ đế với hệ tọa độ địa lý theo phương pháp phối hợp véc tơ vận tốc khi thả vũ khí chống ngầm từ máy bay lên thẳng ......................................................... 66 2.2.3 Thuật toán dẫn đường .................................................................................. 70 2.3 Kết luận chương 2 .............................................................................................. 72 Chương 3: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN NHẬN DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CHO VŨ KHÍ CHỐNG NGẦM ........................................................................................ 73 3.1 Phương trình chuyển động của vũ khí chống ngầm ........................................... 73 3.1.1 Phương trình chuyển động tổng quát ........................................................... 73 3.1.2 Phương trình chuyển động trong các mặt phẳng ......................................... 76 3.1.2.1 Phương trình chuyển động trong mặt phẳng đứng .............................. 76 3.1.2.2 Phương trình chuyển động trong mặt phẳng ngang ............................ 78 3.1.2.3 Phương trình chuyển động theo góc lắc .............................................. 79 3.2 Nhận dạng mô hình vũ khí chống ngầm ............................................................. 79 3.3 Điều khiển hồi tiếp đầu ra nơron mờ thích nghi trực tiếp cho vũ khí chống ngầm ... 82 3.4 Dẫn đường cho vũ khí chống ngầm hiệu chỉnh quỹ đạo sau khi chạm nước ..... 91 3.4.1 Phương pháp dẫn đường cho vũ khí chống ngầm trong mặt phẳng ngang.. 91 3.4.2 Phương pháp dẫn đường cho vũ khí chống ngầm trong mặt phẳng đứng ... 94 3.5 Kết luận chương 3 .............................................................................................. 96 Chương 4: MÔ PHỎNG KIỂM NGHIỆM THUẬT TOÁN NHẬN DẠNG, DẪN ĐƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CHO VŨ KHÍ CHỐNG NGẦM ................................ 97 4.1 Mô phỏng xác định tham số dẫn đường cho vũ khí chống ngầm....................... 97
v 4.1.1 Xây dựng các hàm động học và hàm quan sát ............................................. 97 4.1.2 Thực hiện bộ lọc Kalman ............................................................................. 99 4.1.3 Kết quả mô phỏng ...................................................................................... 100 4.1.3.1 Giai đoạn vũ khí chống ngầm chuyển động trong khí quyển ........... 100 4.1.3.2 Giai đoạn vũ khí chống ngầm chuyển động trong nước ................... 101 4.2 Mô phỏng xác định ma trận Côsin định hướng giữa hệ tọa độ đế và hệ tọa độ địa lý theo phương pháp phối hợp véc tơ vận tốc. ........................................... 102 4.2.1 Trường hợp thả vũ khí chống ngầm từ máy bay phản lực ......................... 102 4.2.2 Trường hợp thả vũ khí chống ngầm từ máy bay lên thẳng ........................ 103 4.3 Mô phỏng nhận dạng tham số mô hình vũ khí chống ngầm ............................ 104 4.3.1 Nhận dạng tham số mô hình vũ khí chống ngầm theo góc chúc ngóc ...... 104 4.3.2 Nhận dạng tham số mô hình vũ khí chống ngầm theo góc hướng ............ 106 4.4 Mô phỏng điều khiển hồi tiếp đầu ra nơron mờ thích nghi trực tiếp cho vũ khí chống ngầm....................................................................................................... 109 4.4.1 Mô phỏng điều khiển vũ khí chống ngầm theo góc hướng ....................... 109 4.4.2 Mô phỏng điều khiển vũ khí chống ngầm theo góc chúc ngóc ................. 111 4.4.3 Mô phỏng điều khiển vũ khí chống ngầm theo góc lắc ............................. 113 4.4.4 Mô phỏng điều khiển hồi tiếp đầu ra nơron mờ thích nghi trực tiếp cho vũ khí chống ngầm tổng hợp theo góc hướng, góc chúc ngóc và góc lắc ...... 114 4.5 Kết luận chương 4 ............................................................................................ 116 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................. 117 1. Kết luận ......................................................................................................... 117 2. Những đóng góp mới của luận án ................................................................. 118 3. Kiến nghị ....................................................................................................... 119 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ .................... 120 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 122 PHỤ LỤC A ……………………………………………………………………...A1 PHỤ LỤC B .……………………………………………………………………...B1
vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT X ,Y , Z Các ngoại lực tác dụng lên AUV (N) K, M , N Các mô men ngoại lực tác dụng lên AUV (Nm) u, v, w Các thành phần vận tốc chiếu lên các trục hệ tọa độ gắn liền (m/s) uc , vc , wc Các thành phần vận tốc dòng chảy đối với hệ tọa độ gắn liền (m/s) p, q, r Các thành phần vận tốc góc chiếu lên hệ tọa độ gắn liền (rad/s) x, y , z Vị trí AUV trong hệ tọa độ địa lý (m)  ,  , Các góc Ơle (rad) X u Hệ số lực khối nước kèm (kg) X wq , X qq , X vr , X rr Hệ số lực khối nước kèm chéo trục (kg/rad) X u|u| , X v|v| Hệ số lực cản theo trục X b của hệ tọa độ gắn liền (kg/m) X w|w| , X uv , X uw Hệ số lực cản theo trục X b của hệ tọa độ gắn liền (kg/m) X up Hệ số lực bánh lái (kg/rad) X uul Hệ số lực của bánh lái (kg/m.rad) X pl Lực đẩy động cơ (N) Yv , Yr Hệ số lực khối nước kèm (kg) Yv|v| Hệ số lực cản (kg/m) Ywp , Ypq Hệ số lực khối nước kèm chéo trục Yb (kg/rad) Yuv Hệ số khối nước kèm chéo trục, lực nâng và lực cản (kg/rad) Yur Hệ số khối nước kèm chéo trục, lực nâng (kg/rad) Yuu h Hệ số lực của bánh lái (kg/m.rad) Z w , Z q Hệ số lực khối nước kèm (kg) Z w|w| Hệ số lực cản (kg/m) Zuq Hệ số lực khối nước kèm chéo trục và lực nâng (kg/rad) Z vp , Z rp Hệ số lực khối nước kèm chéo trục (kg/rad) Z uw Hệ số lực khối nước kèm chéo trục, lực nâng và lực cản (kg/rad)
vii Z uu s Hệ số lực của bánh lái (kg/m.rad) K p Hệ số mô men khối nước kèm (kg.m2/rad2) Kuul Hệ số mô men bánh lái đối với hệ tọa độ gắn liền (kg/rad) Kuu Hệ số mô men khối nước kèm (kg/rad) Kup Hệ số mô men khối nước kèm chéo trục (kg/rad) M q , M w Hệ số mô men khối nước kèm (kg.m2/rad2) M uw Hệ số mô men thân và thành phần bánh lái (kg) M rp Hệ số mô men khối nước kèm chéo trục (kg.m2/rad2) M uq Hệ số mô men khối nước kèm chéo trục và lực nâng (kg.m/rad) M vp Hệ số mô men khối nước kèm chéo trục (kg.m/rad) M uu s Hệ số mô men bánh lái (kg/rad) N v , N r Hệ số mô men khối nước kèm (kg.m2/rad2) Nur Hệ số mô men khối nước kèm chéo trục và lực nâng (kg.m/rad) Nuv Hệ số mô men thân và bánh lái (kg) N wp , N pq Hệ số mô men khối nước kèm chéo trục (kg.m/rad) Nuu h Hệ số mô men bánh lái (kg/rad) B Lực nổi (lực Acsimet) (N) W Lực trọng lực (N) D Lực cản (N) L Lực nâng (N)  Mật độ nước (kg/m3) Af Tổng diện tích bề mặt theo hướng vận tốc AUV (m2) ,  Các góc tấn công và góc trượt ngang của AUV (rad) Sbl Diện tích bề mặt của bánh lái (m2) e Góc ảnh hưởng của bánh lái (rad) xbl Khoảng cách từ trục các bánh lái đến tâm trọng lực (m)  h1 ,  h 2 Góc quay các bánh lái hướng (rad)
viii  s1 ,  s 2 Góc quay các bánh lái sâu (rad) h Tổng góc bẻ lái điều khiển theo góc hướng (rad) l Tổng góc bẻ lái điều khiển theo góc lắc (rad) s Tổng góc bẻ lái điều khiển theo góc chúc ngóc (rad) M RB Ma trận quán tính của AUV CRB Ma trận hướng tâm Coriolis của AUV  RB Véc tơ ngoại lực và mô men ngoại lực tác động lên thân AUV Gb Tâm khối của AUV trong hệ tọa độ gắn liền I0 Ma trận mô men đường chéo theo các trục hệ tọa độ gắn liền MA Ma trận quán tính khối nước kèm CA (  ) Ma trận hướng tâm Coriolis khối nước kèm D(  ) Ma trận lực và mô men thủy động g ( ) Véc tơ lực và mô men liên quan đến trọng lực và lực nổi L(  ) Ma trận thông số lực và mô men của bánh lái  bl Véc tơ lực và mô men của bánh lái  pl Véc tơ lực và mô men của động cơ đẩy Cf Tâm nổi của AUV R  , Rl Bán kính cong của trái đất theo tham chiếu Ellip R Bán kính của trái đất khi xem trái đất là hình cầu V Véc tơ vận tốc dài trong hệ tọa độ gắn liền  Véc tơ vận tốc góc trong hệ tọa độ gắn liền  Véc tơ vận tốc góc tuyệt đối của hệ tọa độ địa lý U Véc tơ vận tốc góc trái đất  Véc tơ vận tốc đối tượng đối với hệ tọa độ cố định tâm trái đất  Véc tơ vận tốc dài và vận tốc góc trong hệ tọa độ gắn liền  Véc tơ vị trí và góc Ơle trong hệ tọa độ địa lý l,  Kinh độ, vĩ độ
ix  Số siêu phức quaternion 0 , 1 , 2 , 3 Các tham số Rodrig – Hamilton Cbn Ma trận chuyển từ hệ tọa độ gắn liền sang hệ tọa độ địa lý Cdn Ma trận chuyển từ hệ tọa độ đế sang hệ tọa độ địa lý ax , a y , az Chỉ số gia tốc cảm nhận có nhiễu đo đối với hệ tọa độ gắn liền abx , aby , abz Chỉ số gia tốc cảm nhận đối với hệ tọa độ gắn liền nx , n y , nz Chỉ số gia tốc cảm nhận có nhiễu đo đối với hệ tọa độ đế ndx , ndy , ndz Chỉ số gia tốc cảm nhận đối với hệ tọa độ đế fN , fE , fD Chỉ số gia tốc cảm nhận đối với hệ tọa độ địa lý w4 , w5 , w6 Các nhiễu đo của gia tốc kế  p , q , r Chỉ số của các con quay vi cơ bao gồm độ trôi và nhiễu đo bp , bq , br Các tham số biến đổi chậm thể hiện độ trôi của con quay w1 , w2 , w3 Nhiễu đo con quay vi cơ Bx , By , Bz Chỉ số của từ kế đối với hệ tọa độ địa lý VxDVL ,VyDVL ,VzDVL Chỉ số của vận tốc kế chiếu lên hệ tọa độ gắn liền VN ,VE ,VD Các chỉ số vận tốc đối với hệ tọa độ địa lý  Véc tơ tham số hệ thống  (t ) Véc tơ hồi quy  (t ) Sai số ước lượng  Hệ số quên k Véc tơ trọng số kết nối giữa lớp 3 và lớp 4 của mạng singleton eˆk Véc tơ sai số trạng thái ước lượng được Aki 1 , Aki 2 , Bki Các tập mờ k ( eˆk ) Véc tơ cơ sở mờ u fk Đầu ra của mạng singleton OX I Y I Z I Hệ tọa độ quán tính OX eY e Z e Hệ tọa độ cố định tâm trái đất
x OX bYb Z b Hệ tọa độ gắn liền OX 0Y0 Z 0 Hệ tọa độ địa lý AUV Autonomous Underwater Vehicle Phương tiện ngầm tự hành ARX Auto-Regressive-eXternal input Cấu trúc mô hình nhận dạng ARX ASWs Anti-Submarine Weapons Vũ khí chống ngầm DAFNOC Direct Adaptive Fuzzy-Neural Output Feedback Controller Bộ điều khiển hồi tiếp đầu ra nơron mờ thích nghi trực tiếp DVL Doppler Velocity Log Thiết bị đo vận tốc theo hiệu ứng Dople MIMO Multi Input Multi Output Hệ thống có nhiều đầu vào, nhiều đầu ra IMU Đơn vị đo lường quán tính Inertial Measurement Unit INS Inertial navigation system Hệ thống dẫn đường quán tính GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu PD Proportional-Derivative Controller Bộ điều khiển PD PID Proportional-Integral-Derivative Controller Bộ điều khiển PID SISO Single Input Single Output Hệ thống có một đầu vào, một đầu ra UV Underwater Vehicle Phương tiện ngầm ROV Underwater Remotely Operated Vehicles Phương tiện ngầm điều khiển từ xa
xi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Quan hệ giữa các Côsin chỉ phương và các số quaternion ..................... 21 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1: Quỹ đạo chuyển động của ASWs khi thả từ máy bay……….………..………. 2 Hình 1.1: Phương tiện ngầm điều khiển từ xa ............................................................ 5 Hình 1.2: Phương tiện ngầm có người lái .................................................................. 6 Hình 1.3: Phương tiện ngầm tự hành .......................................................................... 7 Hình 1.4: Mô hình tên lửa chống ngầm AПР-2Э ...................................................... 8 Hình 1.5: Quỹ đạo mong muốn và quỹ đạo hiệu chỉnh của ASWs............................. 9 Hình 1.6: Quỹ đạo hiệu chỉnh của vũ khí chống ngầm trong mặt phẳng ngang .....11 Hình 1.7: Quỹ đạo hiệu chỉnh của vũ khí chống ngầm trong mặt phẳng đứng .......11 Hình 1.8: Hệ tọa độ quán tính...................................................................................15 Hình 1.9: Quan hệ của hệ tọa độ cố định tâm trái đất và hệ tọa độ địa lý ...............16 Hình 1.10: Hệ tọa độ gắn liền ...................................................................................16 Hình 1.11: Quay theo góc hướng  quanh trục Z 0 .................................................18 Hình 1.12: Quay theo góc chúc ngóc  quanh trục Y1 .............................................18 Hình 1.13: Quay theo góc lắc  quanh trục X 2 .....................................................19 Hình 1.14: Hệ tọa độ địa lý và thiết bị dẫn đường quán tính có đế dạng giải tích ... 24 Hình 1.15: Bộ lọc Kalman phi tuyến mở rộng .........................................................30 Hình 1.16: Biễu diễn AUV trong các hệ tọa độ ........................................................31 Hình 1.17: Biễu diễn lực cản, lực nâng, góc tấn công, góc trượt bên của AUV ....34 Hình 1.18: Vị trí, góc bẻ lái của bánh lái hướng và bánh lái sâu ............................36 Hình 1.19: Vận tốc dòng chảy đại dương trong hệ tọa độ địa lý..............................38 Hình 2.1: Chức năng của hệ thống điều khiển vũ khí chống ngầm ..........................41 Hình 2.2: Cấu trúc hệ thống điều khiển vũ khí chống ngầm.....................................42 Hình 2.3: Bố trí con quay vi cơ đo tốc độ góc, gia tốc kế và từ kế ...........................43 Hình 2.4: Sơ đồ xác định tham số dẫn đường khi kết hợp con quay vi cơ, gia tốc kế và từ kế ......................................................................................................................49 Hình 2.5: Sơ đồ xác định tham số dẫn đường khi kết hợp con quay vi cơ, gia tốc kế, từ kế, vận tốc kế và cảm biến áp suất ........................................................................58
xii Hình 2.6: Quan hệ giữa các hệ tọa độ ......................................................................59 Hình 2.7: Hình chiếu vận tốc góc tuyệt đối  của hệ tọa độ địa lý .........................61 Hình 2.8: Sơ đồ dẫn đường quán tính có đế .............................................................71 Hình 3.1: Vị trí các bánh lái trên ASWs ...................................................................76 Hình 3.2: Lưu đồ thuật toán ước lượng tham số mô hình bằng phương pháp bình phương tối thiểu đệ quy .............................................................................................81 Hình 3.3: Sơ đồ bộ điều khiển hồi tiếp đầu ra nơron mờ thích nghi trực tiếp..........86 Hình 3.4: Cấu hình mạng nơron mờ Singleton ........................................................86 Hình 3.5: Quỹ đạo hiệu chỉnh trong mặt phẳng ngang ............................................92 Hình 3.6: Quỹ đạo hiệu chỉnh trong mặt phẳng đứng ..............................................94 Hình 4.1: Các tham số Rodrig-Hamilton khi ASWs chuyển động trong khí quyển .. 100 Hình 4.2: Các các góc Ơle khi ASWs chuyển động trong khí quyển ......................100 Hình 4.3: Các tham số Rodrig-Hamilton khi ASWs chuyển động trong nước........101 Hình 4.4: Các các góc Ơle khi ASWs chuyển động trong nước..............................102 Hình 4. 5: Các giá trị 0 , 1 , 2 , 3 đúng và ước lượng ............................................103 Hình 4.6: Các giá trị cij đúng và tính toán được ....................................................103 Hình 4.7: Kết quả nhận dạng và sai số nhận dạng theo góc chúc ngóc .................105 Hình 4.8: Giá trị các tham số mô hình ˆ theo góc chúc ngóc ước lượng được ....105 Hình 4.9: Kết quả nhận dạng và sai số nhận dạng theo góc hướng .......................107 Hình 4.10: Giá trị các tham số mô hình ˆ theo góc hướng ước lượng được ........108 Hình 4.11: Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển ASWs theo góc hướng ................109 Hình 4.12: Kết quả mô phỏng điều khiển ASWs theo góc hướng ...........................110 Hình 4.13: Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển ASWs theo góc chúc ngóc..........111 Hình 4.14: Kết quả mô phỏng điều khiển vũ khí chống ngầm theo góc chúc ngóc .. 112 Hình 4.15: Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển ASWs theo góc lắc .....................113 Hình 4.16: Kết quả mô phỏng điều khiển vũ khí chống ngầm theo góc lắc............114 Hình 4.17: Sơ đồ mô phỏng điều khiển ASWs theo góc chúc ngóc, góc hướng và góc lắc .....................................................................................................................115 Hình 4.18: Kết quả mô phỏng điều khiển ASWs theo góc hướng, góc chúc ngóc và góc lắc .....................................................................................................................115
1 PHẦN MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Vùng biển Việt Nam trải dài, diện tích rộng hơn cả diện tích đất liền. Đây là nguồn tài nguyên vô cùng lớn cho cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Xuất phát từ vị trí và tầm quan trọng của biển đối với sự phát triển kinh tế và củng cố quốc phòng an ninh đặt ra yêu cầu cần thiết phải nghiên cứu, phát triển các loại phương tiện thực hiện các nhiệm vụ khảo sát, khai thác tài nguyên biển và các nhiệm vụ quốc phòng an ninh. Trong những năm qua, chúng ta đã không ngừng củng cố và xây dựng lực lượng Hải quân để bảo vệ biển, đảo và toàn vẹn lãnh thổ, đặc biệt chú trọng đến các phương tiện ngầm trong đó có vũ khí chống ngầm (ngư lôi, tên lửa chống ngầm). Trong biên chế của Hải quân Việt Nam, các loại vũ khí chống ngầm (Anti- Submarine Weapons – ASWs) hiện có đều được mua từ các nước khác, tài liệu đi kèm chỉ mang tính hướng dẫn sử dụng, các công trình công bố của nước ngoài chỉ mang tính khái quát chung. Hiện nay chưa có các công trình nghiên cứu trong nước công bố về các loại vũ khí chống ngầm, nếu có thì ở dạng sơ sài, không đầy đủ. Trước yêu cầu xây dựng lực lượng Hải quân nhân dân hiện đại đòi hỏi phải làm chủ được vũ khí trang bị và hướng tới sửa chữa, cải tiến, nâng cấp, sản xuất mới các loại vũ khí chống ngầm. Vì vậy, nghiên cứu về mô tả toán học, xây dựng phương trình chuyển động, nhận dạng, dẫn đường và điều khiển cho các loại vũ khí chống ngầm là rất cần thiết. Vũ khí chống ngầm có thể được phóng từ các loại tàu chiến trên mặt nước, tàu ngầm hay có thể được thả từ máy bay (máy bay phản lực hay máy bay lên thẳng). Luận án tập trung nghiên cứu lớp đối tượng vũ khí chống ngầm thả từ máy bay. Các thông tin về mục tiêu (tàu ngầm đối phương) được xác định bởi hệ thống Sonar (hệ thống phao có trang bị các đầu thu sóng siêu âm và có các đầu phát vô tuyến). Từ các thông tin này, hệ thống máy tính trên máy bay xác định thời cơ thả ASWs sao cho sau khi ASWs rơi xuống nước tại điểm chạm nước tính toán và chuyển động theo chương trình (quỹ đạo xoắn lò xo) sẽ phát hiện được mục tiêu.
2 Trong trường hợp ASWs rơi xuống nước ở chế độ có mở dù thì điểm chạm nước thực tế có thể không trùng với điểm chạm nước tính toán. Nếu sai lệch này lớn hơn giới hạn làm việc của đầu tự dẫn thì ASWs sau khi chuyển động theo chương trình sẽ không phát hiện được mục tiêu và ngòi nổ được kích hoạt để tự hủy (hình 1). Hình 1: Quỹ đạo chuyển động của ASWs khi thả từ máy bay Từ quỹ đạo trên cho thấy sai số giữa điểm chạm nước tính toán và điểm chạm nước thực do các nguyên nhân sau: sai số thời cơ thả ASWs và sai số vị trí ASWs chạm nước do độ lệch quỹ đạo trong quá trình ASWs chuyển động trong khí quyển. Để tăng khả năng phát hiện mục tiêu thì sau khi chạm nước, ASWs cần phải chuyển động về điểm tiếp cận quỹ đạo thực đã xác định trước. Điểm tiếp cận quỹ đạo thực là điểm nằm trên quỹ đạo mong muốn ở độ sâu trước độ sâu có mục tiêu một số vòng quay xoắn lò xo. Sau khi ASWs đi về điểm này và có tư thế trùng với tư thế tính toán của ASWs tại điểm này sẽ tiếp tục chuyển động theo chương trình xoắn lò xo tìm kiếm mục tiêu. Để giải quyết vấn đề trên, luận án đề xuất việc cải tiến trang bị thêm thiết bị dẫn đường quán tính (có đế hoặc không đế) cho vũ khí chống ngầm được thả từ máy
3 bay. Luận án đi sâu vào hai vấn đề cơ bản đó là vấn đề dẫn đường và điều khiển vũ khí chống ngầm cải tiến nêu trên. 2. Mục đích nghiên cứu của luận án Xây dựng phương pháp luận để tổng hợp thuật toán dẫn đường và thuật toán điều khiển chuyển động cho phương tiện ngầm có trang bị thiết bị dẫn đường quán tính có đế hoặc không đế trong giai đoạn chuyển động tự lập (Autonom). 3. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu của luận án: Hệ thống điều khiển của phương tiện ngầm tự hành dạng ngư lôi. - Phương pháp nghiên cứu: Áp dụng các công cụ và phương pháp toán điều khiển hiện đại để xây dựng thuật toán dẫn đường và điều khiển. Dùng kỹ thuật mô phỏng để đánh giá. 4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án - Kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở khoa học để xây dựng phần mềm cho hệ thống điều khiển vũ khí chống ngầm khi có trang bị thiết bị dẫn đường quán tính. - Kết quả luận án sẽ là cơ sở để cải tiến, hiện đại hóa vũ khí chống ngầm hiện có và khi thiết kế chế tạo mới. 5. Bố cục của luận án Những vấn đề mà luận án giải quyết được phân bổ trong các chương: Chương 1: Tổng quan về dẫn đường và điều khiển cho phương tiện ngầm Đây là chương tổng quan về các loại phương tiện ngầm. Các nghiên cứu về mô tả động học, dẫn đường và điều khiển phương tiện ngầm. Các hệ tọa độ tham chiếu, phép biến đổi tọa độ, các lực, mô men tác động lên phương tiện ngầm. Trình bày tổng quan về dẫn đường quán tính, ứng dụng bộ lọc Kalman phi tuyến mở rộng trong dẫn đường quán tính. Xác định các vấn đề cần giải quyết cho luận án. Chương 2: Xây dựng thuật toán xác định tham số dẫn đường cho vũ khí chống ngầm Chương 2 trình bày các thuật toán dẫn đường quán tính có đế và không đế. Xây dựng thuật toán kết hợp các thiết bị đo để xác định các tham số dẫn đường cho vũ khí chống ngầm trong cả giai đoạn chuyển động trong khí quyển và giai đoạn
4 chuyển động trong nước. Xây dựng thuật toán xác định ma trận Côsin định hướng giữa hệ tọa độ đế với hệ tọa độ dẫn đường của thiết bị dẫn đường quán tính có đế trong trường hợp thả vũ khí chống ngầm từ máy bay phản lực bay ở tốc độ lớn và trong trường hợp thả từ máy bay lên thẳng bay tốc độ thấp. Chương 3: Xây dựng thuật toán nhận dạng và điều khiển cho vũ khí chống ngầm Trong chương này trình bày hệ phương trình mô tả chuyển động tổng quát trong hệ tọa độ 6 bậc tự do và các phương trình chuyển động theo các mặt phẳng của vũ khí chống ngầm. Đề xuất ứng dụng thuật toán bình phương tối thiểu đệ quy để ước lượng tham số mô hình vũ khí chống ngầm dựa vào tập mẫu dữ liệu vào ra, tính toán góc tham chiếu sử dụng thông tin từ hệ thống dẫn đường và đề xuất thuật toán điều khiển thích nghi hồi tiếp đầu ra nơron mờ thích nghi trực tiếp cho vũ khí chống ngầm có 3 đầu vào, 3 đầu ra trong điều kiện có sai số mô hình và ảnh hưởng bởi dòng chảy đại dương. Chương 4: Mô phỏng kiểm nghiệm thuật toán nhận dạng, dẫn đường và điều khiển cho vũ khí chống ngầm Sử dụng công cụ Matlab - Simulink mô phỏng kiểm nghiệm, khảo sát, đánh giá các thuật toán xác định tham số dẫn đường đã xây dựng ở chương 2. Mô phỏng nhận dạng tham số mô hình và điều khiển hồi tiếp đầu ra nơron mờ thích nghi trực tiếp theo tham số của một chủng loại vũ khí chống ngầm. Nội dung chính của luận án được công bố trong 15 bài báo trong đó có 8 bài công bố trên Tạp chí Nghiên cứu khoa học và công nghệ quân sự, thuộc Viện KH- CN quân sự/BQP, 06 bài báo tại các hội nghị tự động hóa và cơ điện tử toàn quốc, 01 bài báo tại hội nghị quốc tế. Luận án được trình bày trong 119 trang A4, trong đó có 52 hình vẽ và đồ thị, 2 phụ lục.
5 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ DẪN ĐƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CHO PHƯƠNG TIỆN NGẦM 1.1 Tổng quan về phương tiện ngầm Trải qua nhiều thập niên phương tiện ngầm đã được phát triển rất đa dạng về chủng loại và dùng cho nhiều mục đích khác nhau như mục đích quân sự, cứu hộ, thám hiểm đáy đại dương, thăm dò, khai thác tài nguyên biển. Phương tiện ngầm (Underwater Vehicle – UV) có nhiều loại khác nhau, căn cứ vào khả năng tham gia điều khiển của con người có thể phân thành hai loại: loại có người lái và loại không người lái. UV không người lái được chia thành UV điều khiển từ xa và UV tự hành. Dưới đây khảo sát một số dạng UV với các ứng dụng và đặc tính làm việc khác nhau: - Phương tiện ngầm điều khiển từ xa : Có nhiều kiểu thiết kế phương tiện ngầm điều khiển từ xa (Underwater Remotely Operated Vehicles – ROV), hầu hết ROV được thiết kế dạng rô bốt chuyển động trong nước bằng các hệ thống đẩy có hướng trục đẩy theo các mặt phẳng khác nhau (hình 1.1). Hình 1.1: Phương tiện ngầm điều khiển từ xa ROV có khả năng cơ động tốt, được liên kết với vị trí điều khiển bằng cáp [22]. Các ROV đã được nghiên cứu phát triển và thương mại hóa rộng rãi trên thế giới có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ dưới nước như kiểm tra đường ống ngầm, các hoạt
6 động tìm kiếm, cứu hộ, kiểm tra kỹ thuật các công trình ngầm, kiểm tra về mặt sinh thái các tham số của môi trường nước, khai thác, nghiên cứu khoa học và phục vụ quân sự. Vì ROV được liên kết với vị trí điều khiển bằng cáp nên thường bán kính làm việc của ROV không xa. Hiện nay trong nước có một số nghiên cứu như rô bốt cá của nhóm nghiên cứu vốn là những sinh viên ở ĐH Sư phạm kỹ thuật TP HCM hay đề tài nghiên cứu thiết kế chế tạo, thử nghiệm thiết bị điều khiển cho rô bốt ngầm mini hoạt động trong vùng nước nông của Học viện Hải quân. Tuy nhiên các nghiên cứu trong nước chưa được đưa vào sản xuất ứng dụng thực tiễn hay thương mại hóa. - Phương tiện ngầm có người lái: Hình 1.2: Phương tiện ngầm có người lái Tàu ngầm là dạng phương tiện ngầm có người lái và đồng thời cũng có chế độ lái tự hành như dạng phương tiện ngầm tự hành (hình 1.2) [39]. Hiện nay trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về mô hình động học, dẫn đường và điều khiển cho phương tiện ngầm dạng tàu ngầm [24], [25], [39], các công bố của nghiên cứu này dựa trên các mô hình đơn giản, chưa phải là các mô hình thực tế của các tàu ngầm hiện đại hiện có. - Phương tiện ngầm tự hành: Phương tiện ngầm tự hành (Autonomous Underwater Vehicle – AUV) có nhiều dạng thiết kế và dùng cho nhiều mục đích khác nhau như hiện các nhiệm vụ khảo sát, khai thác tài nguyên biển và các nhiệm vụ quốc phòng an ninh. Về kết cấu, cũng có nhiều loại khác khau, có kiểu thiết kế dạng rô bốt chuyển động trong nước