Tài liệu Xây dựng thuật toán dẫn đường và điều khiển cho phương tiện ngầm [tt]

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ TR¦¥NG DUY TRUNG XÂY DỰNG THUẬT TOÁN DẪN ĐƢỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CHO PHƢƠNG TIỆN NGẦM Chuyªn ngµnh: Kü thuËt ®iÒu khiÓn vµ tù ®éng hãa M· sè : 62 52 02 16 Tãm t¾t LuËn ¸n tiÕn sÜ kü thuËt Hµ néi 2014 Công trình được hoàn thành tại: VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS TrÇn §øc ThuËn 2. TS NguyÔn Quang VÞnh Ph¶n biÖn 1: PGS. TS §inh V¨n Nh· §¹i häc B¸ch khoa Hµ Néi Ph¶n biÖn 2: TS NguyÔn Quang H¶i ViÖn Kü thuËt H¶i qu©n Ph¶n biÖn 3: TS NguyÔn Vò ViÖn Khoa häc vµ C«ng nghÖ qu©n sù Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại: Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự vào hồi giờ ngày tháng năm 2014 Cã thÓ t×m hiÓu luËn ¸n t¹i: - Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự - Thư viện quốc gia Việt Nam Mở đầu 1. Đặt vấn đề Nghiên cứu, phát triển các loại phương tiện ngầm trong đó có vũ khí chống ngầm có tầm quan trọng trong việc phát triển, bảo vệ biển đảo. Hình 1: Quỹ đạo chuyển động của ASWs khi thả từ máy bay Vũ khí chống ngầm (ASWs) thả từ máy bay rơi xuống nước ở chế độ có dù. Sai số điểm chạm nước thực so với điểm chạm nước tính toán bao gồm 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, sai số này có thể vượt quá giới hạn làm việc của đầu tự dẫn của ASWs dẫn đến ASWs không thể phát hiện được mục tiêu (hình 1). Như vậy, để nâng cao khả năng phát hiện mục tiêu, ASWs cần phải chuyển động về điểm tiếp cận quỹ đạo mong muốn đã xác định trước. Để khắc phục các sai số nêu trên, luận án đề xuất trang bị thêm thiết bị dẫn đường quán tính (có đế hoặc không đế) cho vũ khí chống ngầm được thả từ máy bay. Luận án đi sâu vào hai vấn đề cơ bản đó là vấn đề dẫn đường và vấn đề điều khiển vũ khí chống ngầm có trang bị thiết bị dẫn đường quán tính nêu trên. 1 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 tƣợng và phƣơng 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 Luận án gồm mở đầu, 4 chương, kết luận và hai phụ lục. Nội dung luận án được trình bày trong 119 trang A4: Chương 1. Tổng quan về dẫn đường và điều khiển cho phương tiện ngầm Chương 2. Xây dựng thuật toán xác định tham số dẫn đường cho vũ khí chống ngầm Chương 3. Xây dựng thuật toán nhận dạng và điều khiển cho vũ khí chống ngầm Chương 4. Mô phỏng kiểm nghiệm thuật toán nhận dạng, dẫn đường và điều khiển cho vũ khí chống ngầm. 2 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ DẪN ĐƢỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CHO PHƢƠNG TIỆN NGẦM 1.1 Tổng quan về phƣơng tiện ngầm Luận án đi sâu vào vấn đề xác định quỹ đạo cần hiệu chỉnh của vũ khí chống ngầm (ASWs) thả từ máy bay và điều khiển vũ khí chống ngầm chuyển động theo quỹ đạo hiệu chỉnh này. Như vậy cần phải liên tục xác định vị trí và tư thế của vũ khí chống ngầm trong quá trình rơi trong khí quyển và khi chuyển động dưới nước giai đoạn hiệu chỉnh quỹ đạo. Hình 1.5: Quỹ đạo mong muốn và quỹ đạo hiệu chỉnh của ASWs 1.2 Các hệ tọa độ sử dụng trong mô tả chuyển động của phƣơng tiện ngầm Hình 1.9: Quan hệ của hệ tọa độ cố định tâm trái đất và hệ tọa độ địa lý 3 Hình 1.10: Hệ tọa độ gắn liền 1.2.1 Hệ tọa độ quán tính Hệ tọa độ quán tính là hệ tọa độ không có gia tốc. 1.2.2 Hệ tọa độ cố định tâm trái đất Hệ tọa độ cố định tâm trái đất OX eY e Z e (hình 1.9). 1.2.3 Hệ tọa độ địa lý Hệ tọa độ địa lý cố định (hệ tọa độ dẫn đường) OX 0Y0 Z 0 (hình 1.9). 1.2.4 Hệ tọa độ gắn liền Hệ tọa độ gắn liền Gb X bYb Z b (hình 1.10). 1.2.5 Ma trận chuyển tọa độ 1.2.5.1 Phƣơng pháp góc Ơle Thực hiện ba phép quay liên tiếp theo các góc Ơle ( ,  , ) xác định được ma trận chuyển từ hệ tọa độ gắn liền sang hệ tọa độ địa lý. 1.2.5.2 Phƣơng pháp sử dụng tham số Rodrig – Hamilton Ma trận chuyển từ hệ tọa độ gắn liền sang hệ tọa độ địa lý có thể định nghĩa thông qua các tham số Rodrig - Hamilton như sau:  202  212  1 212  20 3 213  202   c11 c12 c13    Cbn   212  20 3 202  222  1 223  201   c21 c22 c23     213  20 2 223  201 202  232  1 c31 c32 c33  (1.12) 1.3 Tổng quan về dẫn đƣờng quán tính 1.3.1 Nguyên tắc dẫn đƣờng quán tính 1.3.1.1 Dẫn đƣờng quán tính có đế Để đưa thiết bị dẫn đường quán . tính có đế vào sử dụng cần phải xác định ma trận Côsin định hướng Cdn giữa hệ tọa độ đế OX DYD Z D và hệ tọa địa lý OX 0Y0 Z 0 . Sau đó tính: ( f N , f E , f D )  Cd (ndx , ndy , ndz ) T n T 1.21) VN  f N ; VE  f E ; VD  f D  g (1.22) x  VN ; y  VE ; z  VD (1.23) 4 Hình 1.14: Hệ tọa độ địa lý và thiết bị dẫn đường quán tính có đế dạng giải tích 1.3.1.2 Dẫn đƣờng quán tính không đế Các tham số Rodrig - Hamilton của ma trận Cbn được viết:  20  1 p  2 q  3 r; 21  0 p  3 q  2 r   22  3 p  0 q  1r ; 23  2 p  1q  0 r Thành phần gia tốc trong hệ tọa độ độ địa lý: f  Cbn ab (1.26) (1.27) Vận tốc và tọa độ tâm khối của ASWs được xác định theo công thức (1.22) và (1.23). Tuy nhiên các con quay vi cơ thực tế thường cho thông tin bao gồm nhiễu đo và độ trôi, gia tốc kế cũng cho chỉ số bao gồm nhiễu. Vì thế nếu dùng trực tiếp thông tin trên luôn cho tham số dẫn đường có sai số tăng theo thời gian. 1.3.2 Kết hợp các hệ thống định vị và dẫn đƣờng Để khắc phục các sai số của việc sử dụng trực tiếp thông tin từ các gia tốc kế và con quay vi cơ xác định tham số dẫn đường thực tế có nhiều phương pháp kết hợp hệ thống định vị và dẫn đường được đề xuất. Luận án đề xuất việc đưa thêm các phần tử đo khác và áp dụng bộ lọc Kalman phi tuyến mở rộng (EKF) như hình 1.15. Hình 1.15: Bộ lọc Kalman phi tuyến mở rộng 5 1.4 Mô tả động học phƣơng tiện ngầm tự hành dạng ngƣ lôi 1.4.1 Các lực, mô men quán tính và hƣớng tâm của phƣơng tiện ngầm tự hành Phân tích lực và mô men đối với phương tiện ngầm xác định được ma trận quán tính M RB và ma trận hướng tâm CRB . 1.4.2 Các lực và mô men ngoại lực tác động lên phương tiện ngầm tự hành 1.4.2.1 Các lực và mô men gây ra bởi trọng lực và lực nổi Lực và mô men gây ra bởi trọng lực và lực nổi g ( ) được biểu diễn trong hệ tọa độ gắn liền. 1.4.2.2 Các lực và mô men khối nƣớc kèm Phân tích các lực và mô men của khối nước kèm cho phép xác định được ma trận quán tính và ma trận hướng tâm khối nước kèm M A , C A . 1.4.2.3 Các lực và mô men thủy động Từ việc phân tích lực cản và lực nâng tác động lên phương tiện ngầm, ma trận lực và mô men thủy động D(  ) được xác định. 1.4.2.4 Các lực và mô men của bánh lái Phân tích các lực và mô men tác động lên bánh lái của phương tiện ngầm tự hành, véc tơ lực, mô men  bl và ma trận thông số lực, mô men bánh lái L(  ) theo các trục của hệ tọa độ gắn liền được xác định. Lực đẩy tạo ra đối với phương tiện ngầm là  pl . 1.4.3 Các yếu tố môi trường tác động lên phương tiện ngầm tự hành Phương tiện ngầm tự hành hoạt động trong môi trường nước nên chỉ xét ảnh hưởng của dòng chảy đại dương. 1.5 Kết luận chƣơng 1 1. Chủng loại vũ khí tên lửa, ngư lôi chống ngầm (vũ khí chống ngầm) là loại vũ khí quan trọng trong chiến tranh hiện đại. Tuy nhiên trong hệ thống điều khiển của các chủng loại vũ khí chống ngầm hiện có tại Việt Nam chưa được trang bị thiết bị dẫn đường nên khi tác chiến trong điều kiện thời tiết phức tạp rất khó khăn. Vì vậy cần phải cải tiến, 6 hiện đại hóa bằng cách trang bị thêm thiết bị dẫn đường quán tính và phải giải quyết một số vấn đề có tính học thuật. 2. Việc trang bị thiết bị dẫn đường quán tính không đế có ưu điểm giá thành rẻ. Tuy nhiên phải có các giải pháp khắc phục các nhược điểm mà hiện nay công nghệ chế tạo chưa giải quyết được đó là độ trôi tín hiệu đầu ra của các phần tử đo trong thiết bị dẫn đường quán tính. Việc đưa thêm các phần tử đo khác đòi hỏi kèm theo các thuật toán xử lý đồng bộ. Đây là vấn đề còn mới và có nhiều giải pháp thực thi khác nhau. 3. Việc trang bị thiết bị dẫn đường quán tính có đế tuy giá thành cao nhưng khắc phục được các nhược điểm cơ bản của thiết bị dẫn đường quán tính không đế. Tuy nhiên, cần xây dựng thuật toán xác định ma trận Côsin định hướng giữa hệ tọa độ đế và hệ tọa độ địa lý. Đây thực sự là vấn đề còn mới ở Việt Nam. Các tài liệu nước ngoài khi chuyển giao vũ khí có thiết bị dẫn đường quán tính không đề cập đến vấn đề này. Vì vậy, đòi hỏi phải nghiên cứu vấn đề xác định ma trận Côsin định hướng giữa hệ tọa độ đế và hệ tọa độ dẫn đường khi ứng dụng thiết bị dẫn đường quán tính có đế. 4. Để hiệu chỉnh quỹ đạo chuyển động của vũ khí chống ngầm khi trang bị thêm thiết bị dẫn đường quán tính cần phải xây dựng thuật toán tạo lệnh điều khiển cho vũ khí chống ngầm ở giai đoạn chuyển động dưới nước, đưa vũ khí chống ngầm về điểm tiếp cận quỹ đạo mong muốn tính toán trước đảm bảo xác xuất tiêu diệt mục tiêu là lớn nhất. Chƣơng 2 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH THAM SỐ DẪN ĐƢỜNG CHO VŨ KHÍ CHỐNG NGẦM 2.1 Xây dựng thuật toán dẫn đƣờng quán tính không đế cho vũ khí chống ngầm 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 Ứng dụng bộ lọc Kalman phi tuyến mở rộng ước lượng tham số Rodrig - Hamilton trên cơ sở các thông tin quan sát do con quay vi cơ, gia tốc kế và từ kế cung cấp (hình 2.4), từ đó xác định ma trận Côsin định 7 hướng theo công thức (1.12), các góc trạng thái theo công thức (1.15), vận tốc và tọa độ tâm khối của ASWs theo công thức (1.22) và (1.23). Các phương tiện đo 3 con quay vi cơ Q R trận K k Xˆ (  ) Zk k Kk 3 từ kế Fk 1 ( Xˆ (  ) ) k 1 Zˆ k 3 gia tốc kế Xˆ () k hk ( Xˆ (  ) ) a y az ax Lọc EKF Hiệu chỉnh ma k Xác định tham số dẫn đƣờng C fN n b Xˆ (  ) k M 0 , 1 , 2 , 3 fE  212  20 3   2 2  20  21  1    arctg  fD      arcsin(213  20 2 )  22 3  20 1   2 2  20  23  1    arctg  g VD (0)  VE (0)  VN (0)        z (0) y (0) x(0)  VD z VE y VN x Hình 2.4: Sơ đồ xác định tham số dẫn đường khi kết hợp con quay vi cơ, gia tốc kế và từ kế 8 2.1.2 Xây dựng thuật toán xác định tham số dẫn đƣờng cho vũ khí chống ngầm ở giai đoạn chuyển động trong nƣớc Ứng dụng bộ lọc Kalman phi tuyến mở rộng ước lượng các tham số Rodrig – Hamilton, các thành phần vận tốc trong hệ tọa độ địa lý và độ sâu của ASWs trên cơ sở kết hợp con quay vi cơ, gia tốc kế, từ kế, vận tốc kế và cảm biến áp suất cung cấp (hình 2.5), từ đó xác định các tọa độ tâm khối x, y của ASWs theo công thức (1.23). 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 9 2.2 Xây dựng thuật toán dẫn đƣờng quán tính có đế cho vũ khí chống ngầm 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 Khi còn nằm trên máy bay các tham số Rodrig- Hamilton mô tả quan hệ giữa hệ tọa độ đế và hệ tọa độ địa lý nơi thả vũ khí chống ngầm: 20  N 1  E 3  D 2 (2.86) 21  N 0  E 2  D 3 (2.87) 22  N 3  E 1  D 0 (2.88) 23  N 2  E 0  D 1 (2.89) Hình 2.6: Quan hệ giữa các hệ tọa độ Sau khi thực hiện lọc Kalman sẽ nhận được các tham số 0 , 1 , 2 , 3 và từ đó xác định được ma trận Côsin định hướng Cdn giữa hệ tọa độ đế khi còn nằm trên máy bay phản lực với hệ tọa độ địa lý. 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 Phương trình mô tả sự thay đổi vận tốc của ASWs: VN  c11nx  c12 ny  c13nz  (c11w 4  c12 w 5  c13 w 6 ) (2.130) VE  c21nx  c22 ny  c23nz  (c21w 4  c22 w 5  c23 w 6 ) (2.131) VD  c31nx  c32 ny  c33nz  (c31w 4  c32 w 5  c33 w 6 )  g (2.132) Tiến hành thực hiện phép tích phân 2 vế các phương trình (2.130 – 2.132) trong khoảng thời gian từ 0 đến T, từ T đến 2T và từ 2T đến 3T, 10 ta xây dựng được hệ phương trình đại số tuyến tính để xác định được các phần tử cij (i  1, 3; j  1, 3) của ma trận Côsin định hướng Cdn giữa hệ tọa độ đế khi còn nằm trên máy bay phản lực với hệ tọa độ địa lý. 2.2.3 Thuật toán dẫn đƣờng Việc xác định ma trận Côsin định hướng giữa hệ tọa độ đế và hệ tọa độ địa lý được thực hiện khi ASWs còn nằm trên máy bay, sau khi ASWs rời máy bay sẽ chuyển sang giai đoạn thực hiện thuật toán dẫn đường (hình 2.8). Quan hệ giữa hệ tọa độ gắn liền và hệ tọa độ địa lý được viết :  c11* c12*  * * Cbn  (Cdb ) 1 Cdn  c21 c22 * * c31 c32  c13*  *  c23  *  c33  (2.149) Hình 2.8: Sơ đồ dẫn đường quán tính có đế 11 2.3 Kết luận chƣơng 2 1. Do các phần tử đo quán tính thực tế luôn có độ trôi và nhiễu đo, hai yếu tố này sẽ gây ra sai số khi xác định tham số dẫn đường. Vì vậy phải sử dụng các phương tiện đo khác để hiệu chỉnh các sai số. Đây thực sự là vấn đề còn mới ở Việt Nam và cấp thiết khi khai thác, sử dụng hoặc cải tiến chế tạo mới loại vũ khí chống ngầm. Vì vấn đề này là vấn đề bí mật quân sự nên ít được công bố, đòi hỏi phải có các nghiên cứu của riêng Việt Nam. 2. Luận án đã xây dựng thuật toán xác định tham số dẫn đường cho vũ khí chống ngầm ở giai đoạn chuyển động trong khí quyển trên cơ sở sử dụng từ kế kết hợp với thông tin của gia tốc kế, thông tin các phần tử đo vận tốc góc và giai đoạn chuyển động trong nước dùng vận tốc kế, cảm biến áp suất, từ kế kết hợp với thông tin của gia tốc kế, thông tin các phần tử đo vận tốc góc. Thuật toán kết hợp các phương tiện đo này đã giải quyết vấn đề sai số và độ trôi của thiết bị dẫn đường quán tính không đế. Đây là đóng góp mới của luận án và được công bố trong công trình [6], [7], [8], [14], [15] của tác giả. 3. Thuật toán dẫn đường quán tính có đế luôn liên quan đến vấn đề xác định ma trận Côsin định hướng giữa hệ tọa độ đế và hệ tọa độ địa lý. Vấn đề này cũng là một vấn đề phức tạp và chưa được công bố rộng rãi, đặc biệt khi vũ khí chống ngầm được thả từ máy bay. 4. Luận án đã xây dựng thuật toán xác định ma trận Côsin định hướng giữa hệ tọa độ đế và hệ tọa độ địa lý của thiết bị dẫn đường quán tính có đế dùng thông tin về vận tốc từ các thiết bị đo của máy bay trong cả hai trường hợp thả vũ khí chống ngầm từ máy bay phản lực và từ máy bay lên thẳng. Đây là đóng góp mới của luận án và được công bố trong công trình [10] của tác giả. 12 Chƣơng 3 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN NHẬN DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CHO VŨ KHÍ CHỐNG NGẦM 3.1 Phƣơng trình chuyển động của vũ khí chống ngầm 3.1.1 Phƣơng trình chuyển động tổng quát Phương trình động học của ASWs được viết dưới dạng tổng quát:   J ( )    1 1 1 T   M ( )C (  ,  )  M ( ) g ( )  M ( ) J ( ) pl  1 T    M ( ) J ( )bl (3.13) 3.1.2 Phƣơng trình chuyển động trong các mặt phẳng 3.1.2.1 Phƣơng trình chuyển động trong mặt phẳng đứng Phương trình chuyển động của ASWs theo góc chúc ngóc:   q  1   q  ( I yy  M q ) [ M w w  M uwutd wtd  M uq utd q  zb B sin    xb B cos  ]  ( I yy  M q ) 1 M uu utd2  s  (3.19) s 3.1.2.2 Phƣơng trình chuyển động trong mặt phẳng ngang Phương trình chuyển động của ASWs theo hướng:   r  1   r  ( I zz  N r ) [ N v v  N uv utd vtd  N ur utd r ]   ( I zz  N r ) 1 N uu utd2  h  (3.22) h 3.1.2.3 Phƣơng trình chuyển động theo góc lắc Phương trình chuyển động của ASWs theo góc lắc:   p  1 1 2   p  ( I xx  K p ) zb B sin   ( I xx  K p ) Kuu utd  l (3.23) l 3.2 Nhận dạng mô hình vũ khí chống ngầm Mô hình đơn giản nhưng không mất tính tổng quát được chọn là mô hình Auto-Regressive-eXternal input (ARX) bậc 2: 13 y(k )  a1 y(k  1)  a2 y(k  2)  b1u (k  1)  b2u (k  2)  d (k ) (3.24) Hình 3.2: Lưu đồ thuật toán ước lượng tham số mô hình bằng phương pháp bình phương tối thiểu đệ quy 3.3 Điều khiển hồi tiếp đầu ra nơron mờ thích nghi trực tiếp cho vũ khí chống ngầm Hình 3.3: Sơ đồ bộ điều khiển hồi tiếp đầu ra nơron mờ thích nghi trực tiếp 14 Đầu vào điều khiển là các góc bẻ lái u  ( h ,  s ,  l )T ; đầu ra hệ thống là các góc hướng, góc chúc ngóc và góc lắc y  ( ,  ,  )T của ASWs đo được bởi thiết bị dẫn đường quán tính. Sơ đồ khiển hồi tiếp đầu ra nơron mờ thích nghi trực tiếp như hình 3.3 với luật điều khiển được đề nghị: u  u f  v (3.39) Với v là thành phần để khử nhiễu ngoài và sai số mô hình; u f là thành phần điều khiển được tính theo cấu trúc của mạng nơron mờ Singleton. Đầu ra của mạng nơron mờ có thể biểu diễn như sau: u fk  h 2 i 1 j 1   ki [  A (eˆkj )] h 2 i 1 j 1  [  i kj i Akj  kT  k ( eˆk ) (3.42) (eˆkj )] trong đó,  k là véc tơ trọng số giữa lớp 3 và lớp 4 của mạng nơron mờ, các thông số này được cập nhật theo luật cập nhật thích nghi: neáu || k || m hay  ˆ  E  ( e )  k k1 k k (|| k || m vaø Ek 1kT k ( eˆk )  0) k   k  T Pr( k Ek 1k ( eˆk )) neáu || k || m vaø Ek 1k k ( eˆk )  0 Ek 1kT k ( eˆk ) Pr( k Ek 1k ( eˆk ))   k Ek 1k ( eˆk )   k k || k ||2 k (3.62) k (3.63) 3.4 Dẫn đƣờng cho vũ khí chống ngầm hiệu chỉnh quỹ đạo sau khi chạm nƣớc 3.4.1 Phƣơng pháp dẫn đƣờng cho vũ khí chống ngầm trong mặt phẳng ngang Tính toán các góc hướng mong muốn sao cho quỹ đạo của vũ khí chống ngầm sẽ đi theo quỹ đạo hiệu chỉnh từ điểm bắt đầu điều khiển đến điểm giao nhau giữa bề mặt quả cầu cho phép với quỹ đạo mong muốn. 3.4.2 Phƣơng pháp dẫn đƣờng cho vũ khí chống ngầm trong mặt phẳng đứng 15 Tính toán các góc chúc ngóc mong muốn sao cho quỹ đạo của vũ khí chống ngầm sẽ đi theo quỹ đạo hiệu chỉnh từ điểm bắt đầu điều khiển đến điểm giao nhau giữa bề mặt quả cầu cho phép với quỹ đạo mong muốn. 3.5 Kết luận chƣơng 3 1. Nhờ việc ổn định góc lắc ở giá trị 0 nên có thể phân tích chuyển động của vũ khí chống ngầm thành hai chuyển động thành phần: Thành phần chuyển động trong mặt phẳng đứng và thành phần chuyển động trong mặt phẳng ngang. Từ đó ứng dụng phương pháp nhận dạng tham số mô hình và phương pháp điều khiển hiện có để tổng hợp lệnh điều khiển cho vũ khí chống ngầm. Nội dung này được công bố trong công trình số [5]. 2. Ứng dụng thuật toán nhận dạng theo phương pháp bình phương tối thiểu đệ quy có thể nhận được tham số mô hình mô tả chuyển động theo hai mặt phẳng cho vũ khí chống ngầm trên cơ sở thu thập dữ liệu đầu vào của các cơ cấu lái và dữ liệu đầu ra về góc hướng và góc chúc ngóc do thiết bị dẫn đường quán tính cung cấp. Tham số được nhận dạng là cơ sở quan trọng để tổng hợp lệnh điều khiển cho các cơ cấu lái. Đây là đóng góp mới của luận án và được công bố trong công trình [9]. 3. Từ các thông tin về tham số định vị của vũ khí chống ngầm do thiết bị dẫn đường quán tính cung cấp kết hợp với thông tin về tọa độ điểm tiếp cận quỹ đạo mong muốn, bán kính quả cầu cho phép, tọa độ và góc định hướng theo quỹ đạo mong muốn tại điểm giao nhau giữa quỹ đạo mong muốn và bề mặt quả cầu cho phép đã biết trước có thể tính toán các góc hướng và góc chúc ngóc mong muốn sao cho quỹ đạo của vũ khí chống ngầm sẽ đi theo quỹ đạo hiệu chỉnh. 4. Từ thông tin về tham số định hướng của vũ khí chống ngầm cho phép tổng hợp các lệnh điều khiển cho các cơ cấu lái theo luật điều khiển hồi tiếp đầu ra nơron mờ thích nghi trực tiếp. Thông tin về góc lắc thu được từ thiết bị dẫn đường quán tính giúp cho việc bổ sung lượng điều khiển cho các cơ cấu lái để ổn định góc lắc ở vị trí 0 nhằm duy trì tính độc lập của hai chuyển động ở hai mặt phẳng đứng và mặt phẳng ngang. Đây là đóng góp mới của luận án và được công bố trong công trình [11], [13], [14] của tác giả. 16 Chƣơng 4 MÔ PHỎNG KIỂM NGHIỆM THUẬT TOÁN NHẬN DẠNG, DẪN ĐƢỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CHO VŨ KHÍ CHỐNG NGẦM 4.1 Mô phỏng xác định tham số dẫn đƣờng cho vũ khí chống ngầm 4.1.1 Xây dựng các hàm động học và hàm quan sát Xây dựng các hàm động học và thiết lập các hàm quan sát. 4.1.2 Thực hiện bộ lọc Kalman Thực hiện các bước theo trình tự của bộ lọc Kalman phi tuyến mở rộng. 4.1.3 Kết quả mô phỏng 4.1.3.1 Giai đoạn vũ khí chống ngầm chuyển động trong khí quyển Mô phỏng thuật toán xác định tham số định hướng trên cơ sở các thông tin quan sát do con quay vi cơ, gia tốc kế, từ kế cung cấp cho kết quả ước lượng bám sát giá trị thực giả định (hình 4.1). Hình 4.1: Các tham số Rodrig-Hamilton khi ASWs chuyển động trong khí quyển 4.1.3.2 Giai đoạn vũ khí chống ngầm chuyển động trong nƣớc Mô phỏng thuật toán xác định tham số dẫn đường cho ASWs trong trường hợp kết hợp con quay tốc độ góc với từ kế, gia tốc kế, vận tốc kế và cảm biến áp suất cho kết quả ước lượng bám sát giá trị thực giả định (hình 4.3). 17 Hình 4.3: Các tham số Rodrig-Hamilton khi ASWs chuyển động trong nước 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. 4.2.1 Trƣờng hợp thả vũ khí chống ngầm từ máy bay phản lực Hình 4.5: Các giá trị 0 , 1 , 2 , 3 đúng và ước lượng Kết quả mô phỏng như hình 4.5 cho trường hợp thả ASWs từ máy bay phản lực cho thấy các tham số Rodrig – Hamilton ước lượng phù hợp với tham số thực giả định. 4.2.2 Trƣờng hợp thả vũ khí chống ngầm từ máy bay lên thẳng Sau khi thu thập dữ liệu, thực hiện tính các tham số cij cho kết quả phù hợp với kết quả thực giả định (hình 4.6). 18