Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu tổng hợp hệ thống tự động bám sát mục tiêu cho đài quan sát trên phương tiện cơ động

Chia sẻ: Trần Văn Yan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

54
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận án là tổng hợp thuật toán điều khiển truyền động hệ cơ điện quay/quét bậc tự do được gắn camera quan sát và 2 máy đo xa la-de, đặt trên phương tiện cơ giới quân sự nhằm ổn định đường ngắm, bám sát mục tiêu phục vụ trực tiếp cho hệ điều khiển hỏa lực tích hợp trên xe cơ động trong chiến đấu; định vị mục tiêu trong hệ tọa độ cố định mặt đất, hỗ trợ cung cấp phần tử bắn cho trận địa hỏa lực PPK.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu tổng hợp hệ thống tự động bám sát mục tiêu cho đài quan sát trên phương tiện cơ động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ Vũ Quốc Huy NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG BÁM SÁT MỤC TIÊU CHO ĐÀI QUAN SÁT TRÊN PHƯƠNG TIỆN CƠ ĐỘNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số : 62 52 02 16 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2017
Công trình được hoàn thành tại: VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS Nguyễn Quang Hùng 2. PGS. TS Nguyễn Vũ Phản biện 1: GS.TS. Lê Hùng Lân Phản biện 2: PGS.TS. Phạm Trung Dũng Phản biện 3: PGS. TS Nguyễn Văn Liễn Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Hà Nội. Vào hồi ... giờ ... ngày ... tháng ... năm ... Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện quốc gia Việt Nam - Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Đài quan sát cơ động được hiểu là đài quan sát (ĐQS) có thể di chuyển được trong quá trình tác chiến. Đây là một hệ thống bao gồm một cơ hệ quay/quét [15], [21], [29] có 2 khớp quay trên một bệ gắn liền phương tiện chuyển động để quan sát mục tiêu bằng camera và đo cự ly từ ĐQS đến mục tiêu bằng máy đo xa la-de. Cơ cấu chấp hành (CCCH) của cơ hệ là các động cơ điện. Việc đưa ĐQS lên phương tiện cơ động trước hết để phục vụ cho chính hệ điều khiển hỏa lực tích hợp trên xe (Hình 0.1); ngoài ra nó còn mang ý nghĩa chiến thuật khác như giảm thời gian triển khai trận địa và tăng cường khả năng cơ động cho khí tài để tránh bị tiêu diệt. Chuyển động của phương tiện sẽ làm cho ĐQS bị lắc, làm đổi hướng và có thể gây mất đường ngắm đột ngột. Hệ bám sát mục tiêu quan tâm của luận án có cấu trúc của một hệ ổn định đường ngắm trực tiếp. Những yêu cầu của chiến tranh công nghệ cao cho thấy tính phức tạp và tính cấp thiết của bài toán điều khiển bám sát mục tiêu cho các ĐQS cơ động mà chỉ dựa trên cơ sở lý thuyết điều khiển hiện đại mới giải quyết được. Đây là chủ đề mang tính đặc thù quân sự, chưa thấy có tài liệu nào công bố trong nước đề cập, đồng thời nguồn tài liệu ngoài nước rất hạn chế, không tiếp cận được. Hình 0.1: Sơ đồ nguyên lý hệ bám mục tiêu trên phương tiện cơ động 2. Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của luận án là tổng hợp thuật toán điều khiển truyền động hệ cơ điện quay/quét 2 bậc tự do được gắn camera quan sát và
2 máy đo xa la-de, đặt trên phương tiện cơ giới quân sự nhằm ổn định đường ngắm, bám sát mục tiêu phục vụ trực tiếp cho hệ điều khiển hỏa lực tích hợp trên xe cơ động trong chiến đấu; định vị mục tiêu trong hệ tọa độ cố định mặt đất, hỗ trợ cung cấp phần tử bắn cho trận địa hỏa lực PPK. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống bám của ĐQS cơ động chịu tác động của sự rung lắc và chuyển hướng của phương tiện. Cấu trúc vật lý của ĐQS gồm có một cơ hệ quay/quét (phương vị/tà) gắn liền phương tiện; các thiết bị quang điện tử (camera quan sát, máy đo xa la-de) được gắn lên khối tà; CCCH sử dụng là khối điều khiển chuyển động hợp bộ (động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu PMSM gắn kèm hộp giảm tốc, bộ khuếch đại công suất phù hợp với động cơ PMSM). Hệ truyền động điện đồng thời làm nhiệm vụ bắt bám và bù trừ rung lắc. Phạm vi nghiên cứu: Bài toán ổn định đường ngắm trực tiếp và bám sát mục tiêu được quan tâm chủ yếu; bài toán định vị mục tiêu trong hệ tọa độ cố định mặt đất chỉ là phép tính toán dựa trên các phép quay tọa độ. Luận án không quan tâm các thuật toán xử lý ảnh và coi hệ bám ảnh luôn đưa ra được sai lệch tâm ảnh. Sai lệch từ hệ quang ảnh sẽ được sử dụng làm cơ sở phản hồi thông tin về mục tiêu. 4. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển truyền thống và hiện đại; các đặc điểm của CCCH được sử dụng làm hệ truyền động điện cho ĐQS. - Xây dựng mô hình toán của ĐQS cơ động theo các khối bao gồm cơ hệ quay/quét, khối CCCH, khối tính toán sai lệch góc bám và xử lý số liệu đầu vào cho hệ điều khiển bám góc của ĐQS có tính đến các tham số chuyển động của phương tiện. - Nghiên cứu ứng dụng một bộ điều khiển PID truyền thống theo tiêu chuẩn bền vững để làm cơ sở so sánh, đối chứng. - Nghiên cứu phát triển luật điều khiển hiện đại có đặc tính tác động nhanh và bền vững với nhiễu, thích nghi với sự biến đổi của tham số dựa trên lý thuyết ổn định Lyapunov, hệ thống cấu trúc biến đổi và lô-gic mờ. - Thiết lập mô phỏng và hướng đến xây dựng mô-đun phần mềm ứng dụng cài đặt trên máy tính nhúng tích hợp trong tổ hợp phòng không tầm thấp nhằm đánh giá khả năng áp dụng của thuật toán đề xuất. 5. Phương pháp nghiên cứu - Luận án sử dụng phương pháp giải tích, hình học, cơ học trong xây dựng mô hình đối tượng, trong phát biểu và chứng minh các bổ đề, các định lý.
3 - Luận án tiến hành đo đạc số liệu vào ra của CCCH, đo đạc tham số chuyển động của phương tiện bánh lốp trên một số tuyến đường ở Hà Nội để lấy số liệu thực nghiệm đưa vào nhận dạng, mô phỏng. - Cài đặt, kiểm chứng thuật toán trong MATLAB với thông số cụ thể của một ĐQS trên phương tiện cơ giới quân sự hiện có trong trang bị của Quân đội Việt Nam để kiểm chứng hiệu quả của thuật toán đề xuất. - Triển khai thực tế thông qua việc cài đặt từng phần thuật toán tổng hợp được trên máy tính nhúng tích hợp trong hệ thống thực. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Luận án nghiên cứu, xây dựng các phương pháp và thuật toán dựa trên các công cụ của lý thuyết điều khiển hiện đại như điều khiển bền vững, điều khiển thích nghi, điều khiển trượt truyền thống và trượt đầu cuối, hệ lô-gic mờ, ứng dụng trong điều khiển đối tượng phi tuyến. Tính đúng đắn của thuật toán đề xuất được chứng minh toán học và mô phỏng kiểm chứng. Kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở khoa học để thực thi thuật toán trên máy tính nhúng tích hợp trong hệ thống khi có nhu cầu thiết kế chế tạo mới hoặc cải tiến, nâng cao chất lượng bám sát mục tiêu cho ĐQS cơ động. 7. Bố cục của luận án Mở đầu, 04 chương, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục. Chương 1: Tổng quan về hệ thống bám sát mục tiêu trên phương tiện cơ động. Chương 2: Xây dựng mô hình động học của đài quan sát trên cơ sở động học của các thành phần hệ thống. Chương 3: Thuật toán điều khiển hệ bám góc mục tiêu của đài quan sát ứng dụng điều khiển trượt và lô-gic mờ với kỹ thuật phân vùng trạng thái và mặt trượt đầu cuối nhanh cải tiến. Chương 4: Mô phỏng thuật toán điều khiển bám góc mục tiêu của đài quan sát với số liệu thực nghiệm. Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BÁM SÁT MỤC TIÊU TRÊN PHƯƠNG TIỆN CƠ ĐỘNG 1.1. Một số hệ thống quan sát, bám sát mục tiêu hiện nay 1.1.1. Hệ thống định vị mục tiêu di động bằng ĐQS cố định Có thể xem đây như một tay máy có 2 khớp quay trên một bệ đặt cố định trên mặt đất, có khả năng quay/quét để quan sát mục tiêu bằng camera và đo cự ly từ ĐQS đến mục tiêu bằng máy đo xa la-de [15], [21], [29], [37]. Vấn đề còn bỏ ngỏ là ổn định đường ngắm của ĐQS để bám sát mục tiêu khi phương tiện chuyển động.
4 1.1.2. Hệ thống bám sát mục tiêu di động bằng ĐQS cơ động Luận án đi theo xu hướng nghiên cứu xem xét hệ thống bao gồm những hệ thống con phối ghép lại với nhau, từ đó ứng dụng, phát triển các thuật toán xử lý, các thuật toán tổng hợp hệ thống hiệu quả nhằm tối ưu hóa các chỉ tiêu chất lượng mong muốn. Nhận xét: Các hệ thống quan sát, bám sát mục tiêu hiện nay tương đối giống nhau về cấu trúc vật lý. Tuy nhiên tính mục đích của đối tượng khác nhau nên sẽ cần có thuật toán tổng hợp khác nhau, đáp ứng chỉ tiêu kỹ thuật đề ra. Đặc biệt, với ĐQS cơ động, cần xây dựng luật điều khiển bền vững, tác động nhanh trong khoảng thời gian hữu hạn để bù được những thay đổi của sự rung lắc có tần số cao và sự chuyển hướng của phương tiện. 1.2. Hệ truyền động bám và cơ cấu chấp hành của hệ truyền động bám 1.2.1. Khái niệm hệ truyền động bám và cấu trúc của hệ điều khiển bám trên phương tiện cơ động Hệ truyền động (HTĐ) bám là một hệ thống kín trong đó đầu vào có thể thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian, đầu ra được điều khiển bám theo đầu vào với độ chính xác mong muốn [30]. Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển bám trên phương tiện cơ động 1.2.2. Cơ cấu chấp hành của hệ truyền động bám CCCH của hệ truyền động bám (TĐB) có thể là các động cơ điện (động cơ DC, động cơ KĐB xoay chiều 3 pha, động cơ bước, đông cơ BLDC, động cơ PMSM). Đối với cơ cấu chấp hành sử dụng động cơ PMSM, hiện nay, nhiều thuật toán và phương pháp điều khiển động cơ đã được tích hợp sẵn trong các bộ biến tần. Tuy nhiên, bản thân các bộ điều khiển sẵn có này chỉ hoạt động tốt ở chế độ xác lập. Còn ở chế độ bám, do sự thay đổi liên tục của số liệu đầu vào nên chỉ riêng bộ biến tần sẽ không đáp ứng được yêu cầu đặt ra, cần bổ sung các bộ điều khiển vòng ngoài.
5 1.3. Tổng quan về tổng hợp hệ thống bám trên cơ sở lý thuyết điều khiển hiện đại ứng dụng cho điều khiển cơ hệ của ĐQS 1.3.1. Phân loại kỹ thuật điều khiển 1.3.2. Một số phương pháp tổng hợp hệ thống có liên quan Xem xét cơ hệ quay/quét của ĐQS [15], [29], [37] như một tay máy có hai khớp quay được truyền động bởi các động cơ điện có liên kết cứng, gắn liền với sàn của phương tiện cơ động. Với cấu trúc như vậy cơ hệ của ĐQS là một hệ Euler-Lagrange phi tuyến đa biến. Với việc thiết kế cơ hệ cân tâm, trọng tâm của các khâu đặt tại tâm của khâu, cũng chính là gốc của các hệ tọa độ nên trọng lực hầu như không ảnh hưởng tới cơ hệ. Do vậy, động lực học của cơ hệ có dạng: D(q)q  C (q, q)q  d  u (1.2) * Tổng hợp hệ điều khiển thích nghi bằng phương pháp backstepping. * Tổng hợp hệ điều khiển thích nghi trên cơ sở mạng nơ-ron. * Tổng hợp luật điều khiển thích nghi tham số Li-Slotine. * Hệ lô-gic mờ và ứng dụng trong nhận dạng và điều khiển. 1.3.3. Một số luật điều khiển trượt truyền thống Đối với những hệ thống chịu ảnh hưởng mạnh của nhiễu và có sự bất định về tham số, để tổng hợp hệ điều khiển bám có chất lượng cao thì điều khiển cấu trúc biến đổi hoạt động theo nguyên lý trượt sẽ là lựa chọn tối ưu nhờ khả năng bất biến với nhiễu tác động lên hệ thống và khắc phục được các yếu tố bất định [16], [18], [81]. * Thuật toán SMC thông thường: Chọn mặt trượt có dạng: S  qe  Iqe hay S  qe  qe (1.8) Chọn tác động điều khiển dạng: u  Bˆ 1u eq  Bˆ 1K sgn(S ) , K  diag (k1 , k2 ,..., kn ); ki  R* (1.9) Điều kiện tồn tại chế độ trượt: ki  b  1 ueq  b(h   0   ); i  1,..., n (1.23) * SMC truyền thống với kỹ thuật lớp biên và hàm bão hòa: Để giảm hiện tượng chattering, trong [80] đã thay hàm dấu trong (1.9) bởi hàm bão hòa (1.24), sử dụng kỹ thuật lớp biên trong điều khiển trượt [59]. sgn pi : si  i  (1.24) s satpi   ; i  1,..., n ; pi  i ; i  0   pi : si  i i
6 * Thuật toán SMC truyền thống sử dụng hàm tích phân bão hòa: 1: si  i (1.25)  ti  satPI( pi )   pi  k Ii  pi dt : si  i ; i  1,..., n  ti 0 1: si  i  Tác động điều khiển: u  Bˆ 1u eq  Bˆ 1KsatPI( p) (1.26) Giả thiết luôn chọn được k I i đủ lớn thỏa mãn:  pi  k Ii pi  0; pi  0  (1.27)  ; i  1,..., n  pi  k Ii pi  0; pi  0  Luật điều khiển (1.26) với K chọn theo (1.23) và satPI( p) chọn theo (1.25) đảm bảo cho sai lệch bám hội tụ về 0 . 1.3.4. Kỹ thuật điều khiển trượt đầu cuối với mặt trượt phi tuyến Kỹ thuật trượt đầu cuối đã được nhiều học giả đề xuất và ứng dụng vào điều khiển tay máy [72], [83], [84], [89], cho thấy luật điều khiển đảm bảo cho độ dốc mặt trượt lớn, khống chế được phạm vi sai lệch bám trong thời gian hữu hạn, có thể rút ngắn được quá trình quá độ và không phải tạo ra những thiết bị bù phức tạp. Mặt trượt đầu cuối (TSM): si  qei  i qei ri i , với: i , ri  N * ; i , ri lẻ, ri  i ; i  R* (1.33) Khi trạng thái của hệ đã nằm trên mặt trượt ( si  0 ), sai lệch bám là: i ri i ri   r  i  i ri i  i i qei (0) i qei   i t  i       i  ei q (0) 0 trong t  s i ( i  ri )   Mặt trượt đầu cuối nhanh (FTSM): si  qei   i qei  i qei ri i , i , ri  N * ; i , ri lẻ; ri  i ; i , i  R* (1.34) Bổ đề 1.1: (Bổ đề về khoảng thời gian hữu hạn trong TSM/FTSM) [83], [84] Điểm cân bằng qei  0 của phương trình vi phân liên tục không Lipschitz (1.33) và (1.34) là điểm ổn định thời gian hữu hạn toàn cục, có nghĩa là với điều kiện đầu qei (0)  qei 0 trạng thái của hệ hội tụ về 0 trong thời gian hữu hạn T (qei 0 ) và ở lại trên đó mãi mãi (nếu không có tác động từ bên ngoài), với:
7  i  ri  i i i ri i  i qe 0  i T (qe 0 )  qe 0 i ; T (qe 0 )  ln i i i ( i  ri ) i (1.33) i  i ( i  ri ) i (1.34) Trong đó: i , ri  N ; i , ri lẻ; ri  i ; i , i  R ; i  1, 2 . * * Bổ đề 1.2 [83], [84]: Nếu tìm được một hàm Lyapunov mở rộng V (qei ) đảm bảo: V (qei )  iV (qei )  iV ri i (qei )  0 , thì thời gian để hệ xác lập là: i  iV  i ri  i (qei 0 )  i T (qei 0 )  ln , i , ri  N * lẻ ri  i ; i , i  R* .  i ( i  ri ) i 1.4. Đặt bài toán Xét ĐQS có mô tả toán học dưới dạng một phương trình Euler- Lagrange: D(q)q  C (q, q)q  d  u ; D là ma trận quán tính, D=(dij)2x2 và det(D) ≠ 0; C là ma trận coriolis và hướng tâm, C =(cij)2x2; u là véc-tơ mô- men tổng quát; q là véc-tơ biến khớp; d là vec-tơ nhiễu do chuyển động của phương tiện gây ra. Giả thiết: 1) Cơ hệ quay/quét của ĐQS không bị mất cân bằng động học khi quay quanh tâm của đài. Trọng tâm khối tà và phương vị trùng với tâm của ĐQS. 2) Cơ hệ của ĐQS luôn chịu tác động của nhiễu do sự rung lắc và chuyển hướng của phương tiện. Nhiễu này gây ra sai lệch góc bám được xác định từ hệ quang ảnh. 3) Véc-tơ nhiễu d bị chặn trong từng thành phần của nó: di  d0 ; i  1,..., n Gọi: qd là véc-tơ góc đặt bám; q là véc-tơ góc thực; qe là véc-tơ sai lệch góc bám, qe  qd  q . Yêu cầu đặt ra là xây dựng được thuật toán điều khiển để cho qe  0 trong khoảng thời gian hữu hạn. Kết luận chương: Đối với đối tượng có mô tả toán học dạng phương trình Euler-Lagrange, các luật điều khiển thích nghi bền vững trên cơ sở kỹ thuật điều khiển trượt, mạng nơ-ron, lô-gic mờ đang dành được nhiều sự quan tâm; trong đó vẫn cần phát triển tiếp kỹ thuật lớp biên để hạn chế chattering. Nhiệm vụ của luận án là tổng hợp luật điều khiển thích nghi với tham số của hệ thống, đảm bảo hệ thống ổn định bền vững và đưa sai lệch góc bám hội tụ về 0 trong thời gian hữu hạn, giảm thiểu rung lắc cơ học trong hệ truyền động. Hướng phát triển kỹ thuật điều khiển trượt FTSM sẽ là giải pháp tốt cho bài toán ổn định đường ngắm và bám sát mục tiêu của ĐQS cơ động.
8 Chương 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CỦA ĐÀI QUAN SÁT TRÊN CƠ SỞ ĐỘNG HỌC CỦA CÁC THÀNH PHẦN HỆ THỐNG 2.1. Tư thế, vị trí, vận tốc của phương tiện trong hệ tọa độ cố định mặt đất 2.1.1. Các hệ tọa độ tham chiếu Hệ tọa độ cố định mặt đất, hệ tọa độ chuẩn, hệ tọa độ liên kết, hệ tọa độ liên kết chuẩn. 2.1.2. Mô tả toán học tư thế phương tiện trong hệ tọa độ cố định mặt đất   Bx  By sin  tan   Bz cos tan  (2.4a)   By cos  Bz sin  (2.4b)   By sin  sec  Bz cos  sec (2.4c) 2.1.3. Mô tả toán học vị trí và vận tốc tịnh tiến của phương tiện trong hệ tọa độ cố định mặt đất * Vận tốc tịnh tiến của phương tiện: v f  aBx  g sin  (2.12) v f   aBy  g sin  cos   Bz (2.13) v f   aBz  g cos cos  By (2.14) * Vị trí của phương tiện: rox  v f cos  cos (2.16) (2.17) roy  v f cos  sin (2.18) roz  v f sin  2.2. Mô hình động lực học cơ hệ quay/quét của ĐQS 2.2.1. Gắn các hệ tọa độ với cơ hệ của ĐQS Biểu diễn cơ hệ của ĐQS cơ động như hình 2.4. 2.2.2. Phương trình động lực học kênh tà J J Ez  J Ey 2 (2.35) M Em  Ex    sin 2  f E iE E 2iE E Với: f E   M Ev  M Ec  M Ed  iEE (2.36) 2.2.3. Phương trình động lực học kênh phương vị J Az (2.47)   J Ez  J Ey  sin 2  f A 1 M Am     iA A iA A Với: f A   M Av  M Ac  M Ad  iA A (2.48)
9 2.3. Mô hình khối CCCH biến tần-động cơ PMSM Khi công suất động cơ được chọn đủ lớn, ở chế độ điều khiển tốc độ, động học của khối CCCH được mô tả bởi khâu quán tính có hàm truyền:  ( s) k (2.56) ≜ M m ( s)  s  1 Khi biến tần hoạt động ở chế độ điều khiển trực tiếp mô-men, động học của khối biến tần-động cơ PMSM được mô tả bởi khâu tỉ lệ giữa mô-men và điện áp điều khiển đưa vào biến tần [39], [93], [94]. M m  k m uv (2.57) 2.4. Xác định sai lệch góc bám mục tiêu dựa trên độ lệch tâm ảnh của thiết bị quan sát  M   M     xM  Px 0  k x ;  M   M     yM  Py 0  k y (2.63) 2.5. Mô hình toán của ĐQS cơ động 2.5.1. Biểu diễn ĐQS cơ động dưới dạng phương trình Euler-Lagrange u v  D( q ) q  C ( q , q ) q  d (2.65) Với: u v  uvA uvE  ; q      ; d   f A kmA f E kmE  ; (2.65a) T T T  J Az  J Ey sin 2   J Ez cos 2  (2.65b)  0  iA A kmA D   J Ex   0   iE E kmE   J Ez  J Ey J  J Ey  (2.65c)   sin 2  Ez  sin 2  2iA A kmA 2iA A kmA C   J Ez  J Ey    sin 2 0   2iE E kmE  M Ad  Bz  J Ez  J Ey  sin2   J Az  J Ey sin 2  J Ez cos 2  Bz  Ay  J Ez  J Ey  sin2   Ay  J Ez  J Ey  1 2  Ax Ay J Ay  Ey J Ey cos  Ez J Ez sin   Ay Ax J Ax  Ex J Ex   M Ed  Ax J Ex  Bz Ay   Ay  J Ez  J Ey  cos 2 1 2  2  Bz  2Bz    Ay 2  J Ez  J Ey  sin 2 Với cách chọn C như (2.65c), D  2C sẽ là ma trận đối xứng lệch.
10 2.5.2. Biểu diễn ĐQS cơ động dưới dạng phương trình hồi quy uv  Y ( q, q, q )  d (2.66)  J J Ey  T (2.66a) J Ez J Ex    Az J Ez  J Ey   iA AkmA iA AkmA iA AkmA iE E kmE    sin 2  (2.66b)   sin 2   cos 2  0   iA A kmA  Y ( q, q, q )     2 sin 2  0 0 0    2iE E kmE  Kết luận chương: Chương 2 đã xây dựng mô hình toán học của ĐQS cơ động, bao gồm các khối xử lý ảnh; khối cơ hệ quay/quét chịu tác động trực tiếp của chuyển động phương tiện, khối CCCH gồm động cơ PMSM đi kèm với bộ khuếch đại công suất; tính toán chuyển đổi sai lệch tâm ảnh sang sai lệch góc bám nhằm khép kín vòng điều khiển. Kết quả nghiên cứu trong chương 2 được công bố trong công trình khoa học số 8. Việc xây dựng mô hình động học của ĐQS cơ động sẽ làm tiền đề để tổng hợp các thuật toán điều khiển bám góc, đáp ứng chỉ tiêu kỹ chiến thuật đề ra. Mô hình của khối CCCH và cơ hệ quay/quét được tích hợp dưới dạng phương trình Euler-Lagrange; dựa trên mô hình này, thuật toán điều khiển sẽ được thực hiện trong chương 3. Mô hình tính toán chuyển đổi sai lệch tâm ảnh của mục tiêu từ pixel sang đơn vị radian nhằm đưa ra sai lệch cho bộ điều khiển hoạt động. Các tính toán này sẽ được luận án đánh giá kết quả dựa trên thông số thực tế của ĐQS đưa vào mô phỏng trong chương 4. Chương 3: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN HỆ BÁM GÓC MỤC TIÊU CỦA ĐÀI QUAN SÁT ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT VÀ LÔ-GIC MỜ VỚI KỸ THUẬT PHÂN VÙNG TRẠNG THÁI VÀ MẶT TRƯỢT ĐẦU CUỐI NHANH CẢI TIẾN 3.1. Thuật toán PID-ITAE cho ĐQS hoạt động trong chế độ cố định 2.75TAn2 T 3 1.75TAn  1 Hệ số PID-ITAE: K P  ; KI  A n ; KD  (3.3) KA / JL KA / JL KA / JL KI Bộ lọc trước: G p ( s)  (3.4) KD s2  KP s  KI - Bước 1: Chọn độ quá chỉnh  % và thời gian xác lập Ts ;  1 2 - Bước 2: Tính  theo công thức  %  100e ;
11 - Bước 3: Tính  n theo công thức n  4  Ts ; - Bước 4: Tính các thông số của bộ điều khiển PID theo (3.3); - Bước 5: Tính hàm truyền của bộ lọc trước theo (3.4). 3.2. Hệ lô-gic mờ và hàm bão hòa mờ 3.2.1. Hệ lô-gic mờ Bộ suy luận mờ được thiết kế có dạng SISO với biến đầu vào  Si  pi  ki sgn pi ; đầu ra là tác động điều khiển bổ sung K Fi . Mờ hóa  Si bằng hàm thuộc μAj(μSj) dạng Gauss với 5 tập mờ tương ứng với 5 biến ngôn ngữ j = 1, ...5. Giải mờ bằng phương pháp trọng tâm [6]. Luật mờ: R1: Nếu  Si  0 (dương lớn – DL) thì K Fi  0 (dương lớn – DL); R2: Nếu  Si  0 (âm lớn – AL) thì K Fi  0 (âm lớn – AL); R3: Nếu  Si  0 (dương nhỏ – DN) thì K Fi  0 (dương nhỏ – DN); R4: Nếu  Si  0 (âm nhỏ – AN) thì K Fi  0 (âm nhỏ – AN); R5: Nếu  Si  0 (bằng không – BK) thì K Fi  0 (bằng không – BK). 3.2.2. Hàm bão hòa mờ  kDi si  ki  sgn pi : si  i satF ( pi )   (3.6)  kDi si  ki  sgn pi  fuzzy( pi  ki sgn pi ) : si  i fuzzy( pi  ki sgn pi ) là hàm đặc tính mờ có cùng dấu với đối số của nó và thỏa mãn fuzzy(0i )  0 ; pi  si i ;  i là độ dày biên Bi của mặt trượt si . Giá trị  i có thể được xác định bằng thuật toán điều khiển thích nghi. 3.3. Thuật toán điều khiển cho ĐQS hoạt động trong chế độ cơ động 3.3.1. Luật điều khiển ASF-VSC cấu trúc biến đổi trượt mờ thích nghi dựa trên kỹ thuật phân vùng trạng thái và hàm bão hòa mờ Định lý 3.1: Hệ thống có mô tả toán học bởi (2.65): uv  D( q ) q  C ( q, q ) q  d , sẽ ổn định tiệm cận và có sai lệch bám qe hội tụ về 0 với luật điều khiển: uv  Dq ˆ  satF ( p) ˆ  Cq (3.7) r r và mặt trượt: S  qe  Iqe (3.8) trong đó: qr  qd  qe ;   diag (1 , 2 ,..., n ); i  R* ; i  1, 2 ; qe  qd  q là sai lệch bám; I là ma trận đơn vị; Dˆ , Cˆ là đánh giá của D, C; Dˆ , Cˆ nhận được thông qua chỉnh định thích nghi ˆ  Km1Y T ( q, q, qr , qr )S ; ˆ là
12 đánh giá của véc-tơ tham số  có các thành phần phụ thuộc mô-men quán tính của cơ hệ và tham số động học của CCCH; d bị chặn trong từng thành phần của nó; satF ( p) là hàm bão hòa mờ được định nghĩa theo (3.6). Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển ASF-VSC 3.3.2. Xây dựng bộ suy luận mờ hoạt động bên trong vùng lân cận mặt trượt với kỹ thuật phân vùng trạng thái Hình 3.4: Mô tả biên Bi , mặt trượt, ảnh pha và luật chọn K F
13 Kỹ thuật phân vùng trạng thái: Khi nhiễu làm cho quỹ đạo trạng thái của hệ ra xa mặt trượt, chọn K F lớn để tăng tính bền vững và đưa quỹ đạo trạng thái hệ thống tiến nhanh về mặt trượt. Khi quỹ đạo trạng thái của hệ tiến đến gần mặt trượt, chọn K F nhỏ nhằm giảm mức độ thay đổi của tín hiệu điều khiển. Khi quỹ đạo trạng thái của hệ đã nằm trên mặt trượt, chọn K F  0 để loại bỏ sự thay đổi dấu liên tục của tín hiệu điều khiển. 3.3.3. Luật điều khiển cấu trúc biến đổi FTESM-VSC phát triển từ kỹ thuật trượt đầu cuối nhanh với mặt trượt cải tiến Phát triển thêm kỹ thuật TSM/FTSM [83], [84], luận án đề xuất chọn mặt trượt đầu cuối nhanh cải tiến (FTESM - Fast Terminal Extended Sliding Mode): si  qei  i  li  qei  i qerii i (3.26) Với: qei  qMTi  qi ; i , ri  N * lẻ, ri  i ; i , i  R* ; qMTi là góc của   mục tiêu; li (qei )  ln qe2i  1   0 ; 0    1 . Khẳng định 3.1: Với cùng tham số và các điều kiện ban đầu, trượt đầu cuối nhanh cải tiến (3.26) hội tụ về 0 nhanh hơn so với mặt trượt đầu cuối nhanh (1.34). Sau khi hội tụ về 0, trạng thái của hệ sẽ ở lại trên đó mãi mãi (nếu không có tác động từ bên ngoài). Định lý 3.2: (Định lý về luật điều khiển thời gian hữu hạn) Xét đối tượng có mô tả động học: q   h ( q, q )  B( q )uv   với: B(q)  D1 (q); h(q, q)  B(q)C(q, q)q;   B(q)d , trong đó: D là ma trận quán tính, C là ma trận coriolis và hướng tâm của một cơ hệ Euler-Lagrange 2 biến; uv là tín hiệu điều khiển; q là góc khớp; d là nhiễu tác động lên cơ hệ. Giả thiết: - Xác định được sai lệch góc bám qe  qMT  q ; qMT là góc mục tiêu cần bám; - Các tham số quán tính trong B( q) và h(q, q) có thể xác định rõ; - Véc-tơ nhiễu  bị chặn trong từng thành phần:  i   0 ; i  1,..., n . Luật điều khiển: uv  B1  q  h  qe  (  L)qe  Q qe  Q2 qe   B 1u c  2 qe21 2 qe22  với: Q2  diag  2 ,   1   1  ; Q  diag qe11 , qe22 ;   qe  1  qe2  1    1 2 
14 ri   diag ( 1 ,  2 ) ;  i  ; i , ri  N * lẻ, ri   i ; u c  satF là hàm i bão hòa mờ định nghĩa theo (3.2);   diag (1 ,  2 ) ;   diag (1 , 2 ) ;     i , i  R* ; L  diag ln qe2  1 , ln qe2  1 ; 0    1 , sẽ đảm bảo 1 2  cho hệ thống tiến đến mặt trượt: T S  qe  (  L) qe    qe11 qe22  , và đưa sai lệch góc bám qe hội tụ về 0 trong khoảng thời gian hữu hạn. Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển FTESM-VSC * Ngoài biên: qei  0 trong khoảng thời gian hữu hạn không lớn hơn:  i  ri  i i  i qei 0  i 1 kDi si (qei 0 )  ki sgn si (qei 0 ) Ts (qei 0 )  ln  ln (3.45)  i ( i  ri ) i kDi ki * Trong biên: qei  0 trong khoảng thời gian hữu hạn không lớn hơn:
15  i  ri  i i  i qei 0  i 1 k Di si (qei 0 )  ki sgn si (qei 0 ) Ts (qei 0 )  ln  ln (3.51)  i ( i  ri ) i k Di ki 3.4. Xác định góc mục tiêu trong hệ tọa độ chuẩn làm đầu vào bám cho ĐQS khi mục tiêu và phương tiện chuyển động trong hệ tọa độ cố định mặt đất 1d  arctan  ygM xgM  ; 2d  arctan z gM  2 xgM  ygM 2  (3.56) 3.5. Xác định góc đường ngắm của ĐQS trong hệ tọa độ chuẩn khi phương tiện chuyển động trong hệ tọa độ cố định mặt đất t a   v f cos  sin dt  1  arctan  22   arctan 0 t ;  2  arcsin  a23  (3.67)  a21   v 0 f cos  cos dt  Kết luận chương: Xem xét động học hệ thống dưới dạng tuyến tính, chương 3 đã tổng hợp luật điều khiển PID theo chuẩn ITAE đang được sử dụng cho ĐQS hoạt động trong chế độ cố định, đóng vai trò là bộ điều khiển đối chứng. Kết quả này này đã được công bố trong các công trình khoa học số 1, 3. Xem xét mô tả toán học của ĐQS cơ động dưới dạng phương trình Euler-Lagrange, chương 3 đã tổng hợp và xác lập 2 luật điều khiển ASF-VSC và FTESM-VSC áp dụng cho trường hợp có đánh giá thích nghi tham số mô hình đối tượng (ASF-VSC) và trường hợp không cần đánh giá thích nghi tham số mô hình đối tượng (FTESM-VSC). Kết quả này đã được công bố trong các công trình khoa học số 2, 6 và 7. Một hướng áp dụng hiệu quả khác là sử dụng đồng thời cả 2 luật trên, trong đó FTESM- VSC là luật điều khiển chủ yếu, còn ASF-VSC được sử dụng với vai trò xác định tham số hệ thống ban đầu và dự phòng nóng trong việc đánh giá tham số khi có sự bất định xảy ra. Khi đó ASF-VSC sẽ thực hiện chức năng tự động dò tìm tham số thực (auto-tuning). Chương 4: MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BÁM GÓC MỤC TIÊU CỦA ĐÀI QUAN SÁT VỚI SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM 4.1. Thông số cơ hệ và chỉ tiêu kỹ thuật của ĐQS * Cơ cấu chấp hành: Động cơ, biến tần của hãng Delta [92]: Công suất 750W; mô-men cực đại: Tmax  2,39 Nm ; mô-men quán tính động cơ: JM =
16 1,13.10-4kgm2; hệ số ma sát tải: b = 10-3 Nm/(rad/s); hệ số điều chỉnh mô- men: KM = 0,717 Nm/V. * Hộp giảm tốc và tỉ số truyền: Hộp số Harmonic, tỉ số truyền của kênh tà, phương vị iE  160 , iA  160 , coi hiệu suất  A   E  100% . * Chỉ tiêu kỹ thuật của ĐQS: Thể hiện trong bảng 4.1. 4.2. Thực nghiệm chủ động thu thập số liệu và nhận dạng 4.2.1. Nhận dạng hàm truyền đạt của khâu biến tần - động cơ PMSM k 3100,8591 WIM ( s)   (4.2)  s  1 0,0483s  1 4.2.2. Thực nghiệm thu thập số liệu chuyển động phương tiện Số liệu về tham số mô tả chuyển động của phương tiện được đo và ghi lưu trên một số tuyến đường trong khu Đô thị Việt Hưng, Hà Nội (ĐTVH), dựa trên thiết bị IMU ADIS16354 và mô-đun GPS. Tốc độ tịnh tiến và các góc Euler biểu diễn tư thế của phương tiện thể hiện trên hình 4.3 đến 4.5. Hình 4.3: Góc chuyển hướng của phương tiện trong khu ĐTVH Hình 4.4: Góc nghiêng của phương tiện trong khu ĐTVH Hình 4.5: Vận tốc tịnh tiến của phương tiện trong khu ĐTVH
17 Hình 4.6 (a, b, c) thể hiện sự rung lắc và chuyển hướng của phương tiện trong khu ĐTVH, đo trong 600s. Kết quả đo được thống kê trong bảng 4.2. a) Tốc độ lắc ngang của sàn xe b) Tốc độ lắc dọc của sàn xe c) Tốc độ chuyển hướng của phương tiện Hình 4.6: Tốc độ góc của phương tiện trong khu ĐTVH Bảng 4.2: Thông số thực nghiệm một số tuyến đường ở Hà Nội Thông số đo đạc thực Vòng xuyến Khu đô thị Khu ĐTVH nghiệm (giá trị lớn nhất) ĐTVH Sài Đồng Tốc độ lắc dọc, lắc ngang ±4o/s ±3o/s ±6o/s Tốc độ chuyển hướng o ±25 /s o ±30 /s ±30o/s Vận tốc phương tiện 60km/h 15km/h 45km/h Góc nghiêng dọc, nghiêng ±7o ±5o ±5o ngang của sàn xe
18 4.3. Tính toán góc mở và hệ số quy đổi góc từ đầu ra xử lý ảnh 120  2 90  2 Gx   0, 046rad ; G y   0, 035rad (4.4) 16384 16384 P Py 16384  640 kx  k y  x    13907( pixel / rad ) (4.5) Gx G y 120  2 Giá trị tính toán trong (4.4) cho thấy nếu góc của mục tiêu lớn hơn các giá trị góc mở (4.4) của camera, mục tiêu sẽ ra khỏi trường nhìn hẹp. 4.4. Mô tả quỹ đạo mục tiêu trong hệ tọa độ cố định mặt đất trong một số bài huấn luyện thực tế Hai kịch bản mục tiêu với các thông số trong bảng 4.6 [29] dựa trên một số bài huấn luyện thực tế trong cPPK 37mm-2N, tạo ra mục tiêu giả, làm đầu vào cho hệ bám góc để thực hiện mô phỏng thuật toán điều khiển. Bảng 4.6: Thông số mô phỏng mục tiêu Quỹ đạo Cự ly Góc hướng Độ cao P Vận tốc bay (m) (ly giác) (m) (m) (m/s) D0 1t 0 H P v Đường thẳng 9500 1500 350 1000 150 Vòng tròn 9500 1500 350 3000 150 4.5. Mô phỏng đánh giá chất lượng hệ thống trong chế độ cố định với luật điều khiển PID-ITAE 0, 0243 Bộ điều khiển PID: GC ( s )  0, 0134   0, 0023s (4.15) s 0, 0243 Bộ tiền xử lí: GP ( s )  (4.16) 0, 0023s  0, 0134s  0, 0243 2 Hình 4.11: Sai lệch góc bám PV với góc nghiêng trong dải ±0,15o Nhận xét: Với góc nghiêng nhỏ dưới ±0,15o sai lệch góc bám khoảng 5mrad (hình 4.11). Tuy nhiên khi góc nghiêng trong dải ±2o, sai lệch góc bám tăng lên 10 lần (hình 4.12).