Thạc Sĩ Xây dựng thuật toán dẫn đường và điều khiển cho phương tiện ngầm

LUẬN ÁN TIẾN SỸ
NĂM 2014
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT vi
DANH MỤC ĐỒTHỊ, HÌNH VẼ . xi
PHẦN MỞ ĐẦU . 1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀDẪN ĐƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CHO PHƯƠNG
TIỆN NGẦM 5
1.1 Tổng quan vềphương tiện ngầm 5
1.2 Các hệtọa độsửdụng trong mô tảchuyển động của phương tiện ngầm . 15
1.2.1 Hệtọa độquán tính 15
1.2.2 Hệtọa độcố định tâm trái đất 15
1.2.3 Hệtọa độ địa lý 16
1.2.4 Hệtọa độgắn 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 sửdụng tham sốRodrig – Hamilton . 20
1.3 Tổng quan vềdẫn 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 hệthống định vịvà dẫn đường 28
1.4 Mô tả động học phương tiện ngầm tựhành dạng ngưlôi 31
1.4.1 Các lực, mô men quán tính và hướng tâm của phương tiện ngầm tựhành . 32
1.4.2 Các lực và mô men ngoại lực tác động lên phương tiện ngầm tựhành . 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 tốmôi trường tác động lên phương tiện ngầm tựhành 38
1.5 Kết luận chương 1 39
Chương 2: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH THAM SỐDẪN ĐƯỜNG
CHO VŨKHÍ CHỐNG NGẦM . 41
2.1 Xây dựng thuật toán dẫn đường quán tính không đếcho vũkhí chống ngầm . 42
2.1.1 Xây dựng thuật toán xác định tham sốdẫn đường cho vũkhí chống ngầm
ởgiai đoạn chuyển động trong khí quyển 43
2.1.2 Xây dựng thuật toán xác định tham sốdẫn đường cho vũkhí chống ngầm ở
giai đoạn chuyển động trong nước . 50
2.2 Xây dựng thuật toán dẫn đường quán tính có đếcho vũkhí chống ngầm . 59
2.2.1 Xây dựng thuật toán xác định ma trận Côsin định hướng giữa hệtọa độ đế
với hệtọa độ địa lý theo phương pháp phối hợp véc tơvận tốc khi thảvũ
khí chống ngầm từmáy bay phản lực 60
2.2.2 Xây dựng thuật toán xác định ma trận Côsin định hướng giữa hệtọa độ đế
với hệtọa độ địa lý theo phương pháp phối hợp véc tơvận tốc khi thảvũ
khí chống ngầm từmáy 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
VŨKHÍ CHỐNG NGẦM 73
3.1 Phương trình chuyển động của vũkhí 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 vũkhí chống ngầm . 79
3.3 Điều khiển hồi tiếp đầu ra nơron mờthích nghi trực tiếp cho vũkhí chống ngầm . 82
3.4 Dẫn đường cho vũkhí chống ngầm hiệu chỉnh quỹ đạo sau khi chạm nước . 91
3.4.1 Phương pháp dẫn đường cho vũkhí chống ngầm trong mặt phẳng ngang 91
3.4.2 Phương pháp dẫn đường cho vũkhí 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 VŨKHÍ CHỐNG NGẦM 97
4.1 Mô phỏng xác định tham sốdẫn đường cho vũkhí chống ngầm . 97
4.1.1 Xây dựng các hàm động học và hàm quan sát . 97
4.1.2 Thực hiện bộlọc Kalman . 99
4.1.3 Kết quảmô phỏng 100
4.1.3.1 Giai đoạn vũkhí chống ngầm chuyển động trong khí quyển . 100
4.1.3.2 Giai đoạn vũkhí chống ngầm chuyển động trong nước . 101
4.2 Mô phỏng xác định ma trận Côsin định hướng giữa hệtọa độ đếvà hệtọa độ
địa lý theo phương pháp phối hợp véc tơvận tốc 102
4.2.1 Trường hợp thảvũkhí chống ngầm từmáy bay phản lực . 102
4.2.2 Trường hợp thảvũkhí chống ngầm từmáy bay lên thẳng 103
4.3 Mô phỏng nhận dạng tham sốmô hình vũkhí chống ngầm 104
4.3.1 Nhận dạng tham sốmô hình vũkhí chống ngầm theo góc chúc ngóc 104
4.3.2 Nhận dạng tham sốmô hình vũkhí chống ngầm theo góc hướng 106
4.4 Mô phỏng điều khiển hồi tiếp đầu ra nơron mờthích nghi trực tiếp cho vũkhí
chống ngầm . 109
4.4.1 Mô phỏng điều khiển vũkhí chống ngầm theo góc hướng . 109
4.4.2 Mô phỏng điều khiển vũkhí chống ngầm theo góc chúc ngóc . 111
4.4.3 Mô phỏng điều khiển vũkhí chống ngầm theo góc lắc . 113
4.4.4 Mô phỏng điều khiển hồi tiếp đầu ra nơron mờthích 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 BỐCỦA TÁC GIẢ 120
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 122
PHỤLỤC A .A1
PHỤLỤC B B1

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Vùng biển Việt Nam trải dài, diện tích rộng hơn cảdiện tích đất liền. Đây là
nguồn tài nguyên vô cùng lớn cho cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước.
Xuất phát từvịtrí và tầm quan trọng của biển đối với sựphát triển kinh tếvà củng
cốquốc phòng an ninh đặt ra yêu cầu cần thiết phải nghiên cứu, phát triển các loại
phương tiện thực hiện các nhiệm vụkhảo sát, khai thác tài nguyên biển và các
nhiệm vụquốc phòng an ninh. Trong những năm qua, chúng ta đã không ngừng
củng cốvà xây dựng lực lượng Hải quân đểbảo vệbiển, đảo và toàn vẹn lãnh thổ,
đặc biệt chú trọng đến các phương tiện ngầm trong đó có vũkhí chống ngầm (ngư
lôi, tên lửa chống ngầm).
Trong biên chếcủa Hải quân Việt Nam, các loại vũkhí chống ngầm (Anti
Submarine Weapons– ASWs) hiện có đều được mua từcác nước khác, tài liệu đi
kèm chỉmang tính hướng dẫn sửdụng, các công trình công bốcủa nước ngoài chỉ
mang tính kháiquát chung. Hiện nay chưa có các công trình nghiên cứu trong nước
công bốvềcác loại vũkhí chống ngầm, nếu có thì ởdạng sơsài, không đầy đủ.
Trước yêu cầu xây dựng lực lượng Hải quân nhân dân hiện đại đòi hỏi phải làm chủ
được vũkhí trang bịvà hướng tới sửa chữa, cải tiến, nâng cấp, sản xuất mới các loại
vũkhí chống ngầm. Vì vậy, nghiên cứu vềmô tảtoán học, xây dựng phương trình
chuyển động, nhận dạng, dẫn đường và điều khiển cho các loại vũkhí chống ngầm
là rất cần thiết.
Vũkhí chống ngầm có thể được phóng từcác loại tàu chiến trên mặt nước, tàu
ngầm hay có thể được thảtừmáy bay (máy bay phản lực hay máy bay lên thẳng).
Luận án tập trung nghiên cứu lớp đối tượng vũkhí chống ngầm thảtừmáy bay.
Các thông tin vềmục tiêu (tàu ngầm đối phương) được xác định bởi hệthống
Sonar (hệthống phao có trang bịcác đầu thu sóng siêu âm và có các đầu phát vô
tuyến). Từcác thông tin này, hệthống máy tính trên máy bay xác định thời cơthả
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) sẽphát hiện được mục tiêu.
Trong trường hợp ASWs rơi xuống nước ởchế độcó mởdù thì điểm chạm nước
thực tếcó thểkhông trùng với điểm chạm nước tính toán. Nếu sai lệch này lớn hơn
giới hạn làm việc của đầu tựdẫn thì ASWs sau khi chuyển động theo chương trình
sẽkhông phát hiện được mục tiêu và ngòi nổ được kích hoạt đểtựhủy (hình 1).
Hình 1: Quỹ đạo chuyển động của ASWs khi thảtừmáy bay
Từquỹ đạo trên cho thấy sai sốgiữa điểm chạm nước tính toán và điểm chạm
nước thực do các nguyên nhân sau: sai sốthời cơthảASWs và sai sốvịtrí ASWs
chạm nước do độlệch quỹ đạo trong quá trình ASWs chuyển động trong khí quyển.
Đểtăng khảnăng 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 độsâu trước độsâu có mục tiêu một số
vòng quay xoắn lò xo. Sau khi ASWs đi về điểm này và có tưthếtrùng với tưthế
tính toán của ASWs tại điểm này sẽtiếp tục chuyển động theo chương trình xoắn lò
xo tìm kiếm mục tiêu.
Đểgiải quyết vấn đềtrên, luận án đềxuất việc cải tiến trang bịthêm thiết bịdẫn
đường quán tính (có đếhoặc không đế) cho vũkhí chống ngầm được thảtừmáy
bay. Luận án đi sâu vào hai vấn đềcơbản đó là vấn đềdẫn 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 đểtổng hợp thuật toán dẫn đường và thuật toán
điều khiển chuyển động cho phương tiện ngầm có trang bịthiết bịdẫn đường quán
tính có đếhoặc không đếtrong giai đoạn chuyển động tựlập (Autonom).
3. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu của luận án: Hệthống điều khiển của phương tiện ngầm tự
hành dạng ngưlôi.
- Phương pháp nghiên cứu: Áp dụng các công cụvà phương pháp toán điều khiển
hiện đại đểxây dựng thuật toán dẫn đường và điều khiển. Dùng kỹthuật mô
phỏng để đánh giá.
4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án
- Kết quảnghiên cứu của luận án là cơsởkhoa học đểxây dựng phần mềm cho hệ
thống điều khiển vũkhí chống ngầm khi có trang bịthiết bịdẫn đường quán tính.
- Kết quảluận án sẽlà cơsở đểcải tiến, hiện đại hóa vũkhí chống ngầm hiện có
và khi thiết kếchếtạo mới.
5. Bốcục của luận án
Những vấn đềmà luận án giải quyết được phân bổtrong các chương:
Chương 1: Tổng quan vềdẫn đường và điều khiển cho phương tiện ngầm
Đây là chương tổng quan vềcác loại phương tiện ngầm. Các nghiên cứu vềmô
tả động học, dẫn đường và điều khiển phương tiện ngầm. Các hệtọa độtham chiếu,
phép biến đổi tọa độ, các lực, mô men tác động lên phương tiện ngầm. Trình bày
tổng quan vềdẫn đường quán tính, ứng dụng bộlọc Kalman phi tuyến mởrộng
trong dẫn đường quán tính. Xác định các vấn đềcần giải quyết cho luận án.
Chương 2: Xây dựng thuật toán xác định tham sốdẫn đường cho vũkhí
chống ngầm
Chương 2 trình bày các thuật toán dẫn đường quán tính có đếvà không đế. Xây
dựng thuật toán kết hợp các thiết bị đo đểxác định các tham sốdẫn đường cho vũ
khí chống ngầm trong cảgiai đoạn chuyển động trong khí quyển và giai đoạn