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

Luận án tiến sĩ năm 2011
Đề tài: Về một phương pháp nhận dạng chuyển động cho một lớp phương tiện cơ giới quân sự sử dụng đa cảm biến


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT .v
DANH MỤC CÁC BẢNG .viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TRỘN DỮ LIỆU ĐA CẢM BIẾN VÀ BÀI
TOÁN NHẬN DẠNG CÁC THAM SỐ CHUYỂN ĐỘNG . 9
1.1. Hệ thống trộn dữ liệu đa cảm biến .9
1.2. Quản lý đa cảm biến .12
1.3. Các vấn đề cần giải quyết trong bài toán trộn dữ liệu đa cảm biến .14
1.4. Kiến trúc hệ thống trộn dữ liệu 17
1.4.1 Kiến trúc trộn trung tâm . 17
1.4.2 Kiến trúc trộn phân tán 18
1.4.3 Kiến trúc trộn cục bộ . 18
1.5. Các phương pháp dẫn đường định vị xác định tham số chuyển động
của phương tiện cơ giới quân sự .19
1.5.1 Hệ thống dẫn đường định vị vô tuyến điện GPS 19
1.5.2 Hệ thống dẫn đường định vị dự đoán INS 24
1.5.3 Hệ thống định vị, dẫn đường đa cảm biến và quá trình trộn dữ liệu 28
1.6. Các hệ tọa độ và các tham số chuyển động của phương tiện cơ giới
quân sự .30
1.6.1 Các hệ toạ độ tham chiếu và chuyển vị 30
1.6.2 Các tham số chuyển động của phương tiện cơ giới quân sự .32
1.7. Kết luận .34
CHƯƠNG 2 THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ CHUYỂN ĐỘNG
TRÊN CƠ SỞ TÍCH HỢP ÍN/GPS BẰNG BỘ LỌC KALMAN . 36
2.1. Thuật toán dẫn đường quán tính .36
2.1.1 Ma trận chuyển vị giữa các hệ toạ độ .36
2.1.2 Thuật toán dẫn đường quán tính . 39
2.1.3 Các phép toán cơ học của hệ dẫn đường quán tính .43
2.2. Bản chất bù giữa INS/GPS .46
2.3. Đánh giá về sai số 48
2.4. Sai số về vị trí 48
2.5. Sai số về vận tốc 49
2.6. Công thức động học các sai số về góc định hướng 52
2.7. Hệ thống tích hợp INS/GPS dựa trên bộ lọc Kalman .53
v
2.8. Các phương pháp tích hợp INS/GPS .60
2.9. Kết luận .66
CHƯƠNG 3 QUÁ TRÌNH ĐỘNG HỌC CHUYỂN ĐỘNG CỦA PHƯƠNG TIỆN
CƠ GIỚI QUÂN SỰ VÀ CÁC HIỆU CHỈNH TỚI THUẬT TOÁN DẪN
ĐƯỜNG QUÁN TÍNH .68
3.1. Hệ logic mờ .69
3.1.1 Khái niệm cơ bản .69
3.1.2 Các phần tử cơ bản của một hệ logic mờ 71
3.2. Thiết kế hệ mờ nhận dạng động học chuyển động của phương tiện cơ
giới quân sự .74
3.2.1 Quá trình động học chuyển động của phương tiện cơ giới quân sự và
các hiệu chỉnh tương ứng tới thuật toán dẫn đường quán tính 74
3.2.2 Mô hình chuyển động của phương tiện cơ giới quân sự . 76
3.2.3 Các phép hiệu chỉnh có thể thông qua quá trình động học chuyển
động của phương tiện cơ giới quân sự .80
3.2.4 Thiết kế hệ mờ nhận dạng động học chuyển động của phương tiện
cơ giới quân sự 85
3.2.5 Xây dựng hệ mờ nhận dạng động học chuyển động .90
3.2.6 Kết quả áp dụng thuật toán nhận dạng mô hình động học: .97
3.3. Kết luận .101
CHƯƠNG 4 NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC ĐÁNH GIÁ ĐỘ CÂN BẰNG MẶT
PHẲNG BỆ THÂN XE CỦA PHƯƠNG TIỆN CƠ GIỚI QUÂN SỰ .102
4.1. Mô hình mờ Takagi-Sugeno .104
4.2. Mô hình bộ lọc Kalman cho việc tính toán độ cân bằng .105
4.2.1 Cập nhật các giá trị độ nghiêng (góc Euler) . 105
4.2.2 Cấu trúc của bộ lọc Kalman mờ . 106
4.2.3 Mô hình hệ thống 107
4.2.4 Mô hình đo lường 108
4.3. Thiết kế hệ mờ đánh giá giá trị ma trận hiệp biến đo lường 109
4.4. Kết quả thực nghiệm 112
4.4.1 Chế độ thử tĩnh 113
4.4.2 Chế độ thử động 116
4.5. Kết luận .117
KẾT LUẬN . 118
CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .120


MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
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. Điều này
đòi hỏi các hệ thống chiến đấu của ta phải cơ động nhanh để tránh bị tiêu diệt.
Để đảm bảo tính cơ động, các tổ hợp chiến đấu thường được tích hợp trên các
loại phương tiện cơ giới quân sự hạng nặng, bánh lốp hoặc bánh xích. 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 . Chính vì vậy, việc nhận dạng chuyển động phương tiện, phát hiện mục
tiêu, lấy phần tử bắn, tự động ổn định đường ngắm của hệ trinh sát và hoả lực
trên xe . để đảm bảo khả năng tác chiến trong điều kiện cơ động là nội dung
được quan tâm đặc biệt.
2. Sự phát triển của một số phương tiện cơ giới quân sự trên thế giới
Các hệ thống C4i (Command, Control, Communications, Computers and
Intelligence) điều khiển hoả lực cho tổ hợp vũ khí đã và đang được các nước
tiên tiến hết sức quan tâm phát triển, đặc biệt là nhóm các nước có nền công
nghiệp quân sự mạnh như Mỹ, Nga, Anh, Pháp, Đức. Các nước này đều đã
trang bị các tổ hợp chiến đấu có khả năng vừa cơ động, vừa chiến đấu, trong
đó điển hình là các tổ hợp sau: PANTSYR S1 trên xe bánh lốp của Nga;
AVENGER, Blazer, LAV-AD của Mỹ .
2
Bên cạnh các nước có trình độ công nghệ quân sự cao, một số nước trên thế
giới như Trung quốc, Israel, Canada cũng không đứng ngoài xu thế này
như ADATS của Canada; TYPE95 của Trung quốc; EAGLE EYE của
Israel Hiện nay, các nước trong khu vực Đông Nam Á cũng đã quan tâm và
trang bị các hệ thống này như Thái Lan trang bị tổ hợp ADATS của Canada,
Singapore và Malaysia trang bị hệ thống JERNAS/RAPIER FSC của Anh.
Đặc điểm chung của các tổ hợp này toàn bộ tổ hợp được đặt trên phương
tiện cơ giới quân sự cho phép vừa cơ động, vừa chiến đấu. Hầu hết các hệ
thống này đều có khả năng quan sát trong vòng 10-25 km với khả năng tiêu
diệt mục tiêu trong cự li nhỏ hơn 15 km. Các loại tên lửa tầm thấp được sử
dụng thường là tên lửa tầm thấp với tầm tiêu diệt mục tiêu từ 1 km đến 15 km.
Các loại súng kèm tổ hợp được thiết kế và trang bị từ 12,7 mm đến 30 mm
với khả năng tiêu diệt mục tiêu từ 300m đến 2,5 km.
Đặc tính kỹ thuật của một số loại tổ hợp:
+ Tổ hợp Pantsyr S1 của Nga:
- Xe cơ giới Ural-5323.
- Tên lửa 12 tên lửa 57E6 tầm bắn 1-12km tốc độ lớn nhất 1.100m/s.
Hình 1: Tổ hợp Pantsyr S1
3
- Súng: 2 khẩu 2A72 – 30mm 700 phát/phút tầm bắn 4Km.
- Hệ thống quan sát: Rađa + quang điện tử. + Tổ hợp Avenger của Mỹ
- Xe cơ giới: xe Hummer.
- Tên lửa: 8 tên lửa Stinger tầm bắn 8km tốc độ lớn nhất 2.2M.
- Súng: 1 khẩu M3P.
- Hệ thống quan sát: rada + quang điện tử.


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Phạm Hải An, Vũ Minh Khiêm, (2009), “Nghiên cứu thiết kế, chế
tạo khối đo lường và cấp lệnh điều khiển tự động ổn định bệ đài quan
sát phòng không trên phương tiện cơ động quân sự”. Đề tài cấp BQP,
Viện TĐHKTQS.
2. Phạm Hải An, Nguyễn Quang Hùng, Nguyễn Văn Chúc, Ngô Trọng
Mại (2009), “Nâng cao tính khả dụng của hệ dẫn đường phương tiện cơ
giới tích hợp MEMS-INS/GPS bằng hệ suy diễn nơron mờ”. Tạp chí
nghiên cứu khoa học và công nghệ quân sự, Viện Khoa học và công
nghệ quân sự, tr 5-11.
3. Nguyễn Văn Chúc, Tô Văn Dực, . (2005) Một số vấn đề phục vụ thiết
kế hệ thống điều khiển tên lửa đối hải, Nhà xuất bản Quân đội nhân
dân.
4. Nguyễn Văn Chúc, . (2008) “Nghiên cứu tích hợp hệ thống dẫn đường
quán tính trên cơ sở cảm biến vi cơ điện tử phục vụ điều khiển dẫn
đường phương tiện chuyển động”. Báo cáo Đề tài cấp Trung tâm, Viện
Tên lửa-Trung tâm KHKT&CNQS.
5. Bùi Công Cường, Nguyễn Doãn Phước (2001) Hệ mờ mạng nơ ron &
ứng dụng, Nxb KHKT.
6. Nguyễn Thanh Hải, Lê Hùng Lân, Phạm Hải An, . (2010) “Nghiên
cứu thiết kế, chế tạo thiết bị định vị vệ tinh phục vụ giám sát, quản lý
phương tiện giao thông đường bộ, đường sắt”. Chương trình KHCN
cấp nhà nước mã số: KC.06.02/06-10.
7. Lê Hùng Lân, Phạm Hải An (2005) “Khái niệm trộn dữ liệu đa cảm
biến, áp dụng quy tắc Bayesian cho quá trình trộn”, Tuyển tập báo cáo
122
khoa học, Hội nghị khoa học kỹ thuật đo lường toàn quốc lần thứ IV, tr
883-888.
8. Lê Hùng Lân, Nguyễn Quang Hùng, Phạm Hải An (2006), “Áp dụng
Lý thuyết Dempster-Shafer cho quá trình trộn dữ liệu đa cảm biến”,
Tạp chí nghiên cứu khoa học và công nghệ quân sự, Trung tâm
KHKT&CNQS, tr 164-170.
9. Lê Hùng Lân, Nguyễn Quang Hùng, Phạm Hải An (2008), “Tích hợp
dữ liệu đa cảm biến trong đánh giá hướng chuyển động phương tiện
giao thông mặt đất dựa trên các cảm biến quán tính sử dụng hệ chuyên
gia mờ”, Tạp chí nghiên cứu khoa học và công nghệ quân sự,Trung
tâm KHKT&CNQS, tr 87-93.
10. Lê Hùng Lân, Phạm Hải An, Nguyễn Vũ, .(2010), "Đánh giá độ
nghiêng mặt phẳng bệ trên phương tiện cơ động quân sự sử dụng thiết
bị MEMS-INS". Tuyển tập báo cáo khoa học, Hội nghị khoa học kỹ
thuật đo lường toàn quốc lần thứ V, tr 168-174.
11. Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước. (2002) Lý thuyết điều khiển
mờ. NXB KH và KT.
12. Trần Đức Thuận, . (2005) “Tính toán thiết kế mẫu nguyên lý và triển
khai chế tạo một số cụm chức năng của tên lửa hành trình đối hải với
vận tốc bay dưới âm”. Báo cáo Đề tài cấp Trung tâm, Viện Tên lửaTrung tâm KHKT&CNQS
Tiếng Anh
13. Brown, R. G. and Hwang, P. Y. C. (1992) Introduction to Random
Signals and Applied Kalman Filtering.John Wiley & Sons, Inc., SE.
14. Conte, S. D. and de Boor, C. (1980) Elementary Numerical Analysis:
An Algorithmic Approach. McGraw–Hill, third edition.