Bộ giáo dục v đo tạo Bộ quốc phòng Viện khoa học v công nghệ quân sự TRƯƠNG DUY TRUNG Xây dựng THUậT TOáN dẫn đờng v ĐIềU KHIểN CHO phơng tiện ngầm Luận án tiến sĩ kỹ thuật H nội 2014 Bộ giáo dục v đo tạo Bộ quốc phòng Viện khoa học v công nghệ quân sự TRƯƠNG DUY TRUNG Xây dựng THUậT TOáN dẫn đờng v ĐIềU KHIểN CHO phơng tiện ngầm Chuyên ngnh: Kỹ thuật điều khiển v tự động hóa Mã số: 62 52 02 16 Luận án tiến sĩ kỹ thuật Ngời hớng dẫn khoa học: 1. PGS.TS Trần Đức Thuận 2. TS Nguyễn Quang Vịnh H nội 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 hi ện 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 độ ng 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 tắ c 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 tr ọng 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 h ợp 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 ch ỉnh 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 t ơ 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 ti ếp 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 ng ầm 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 ,,XYZ Các ngoại lực tác dụng lên AUV (N) ,, K MN Các mô men ngoại lực tác dụng lên AUV (Nm) ,,uvw Các thành phần vận tốc chiếu lên các trục hệ tọa độ gắn liền (m/s) ,, cc c uvw Các thành phần vận tốc dòng chảy đối với hệ tọa độ gắn liền (m/s) ,,pqr Các thành phần vận tốc góc chiếu lên hệ tọa độ gắn liền (rad/s) ,, x yz Vị trí AUV trong hệ tọa độ địa lý (m) ,,   Các góc Ơle (rad) u X  Hệ số lực khối nước kèm (kg) ,,, wq qq vr rr XXXX Hệ số lực khối nước kèm chéo trục (kg/rad) || || , uu vv XX Hệ số lực cản theo trục b X của hệ tọa độ gắn liền (kg/m) || ,, w w uv uw XXX Hệ số lực cản theo trục b X của hệ tọa độ gắn liền (kg/m) up X Hệ số lực bánh lái (kg/rad) l uu X  Hệ số lực của bánh lái (kg/m.rad) p l X Lực đẩy động cơ (N) , vr YY  Hệ số lực khối nước kèm (kg) ||vv Y Hệ số lực cản (kg/m) , wp pq YY Hệ số lực khối nước kèm chéo trục b Y (kg/rad) uv Y Hệ số khối nước kèm chéo trục, lực nâng và lực cản (kg/rad) ur Y Hệ số khối nước kèm chéo trục, lực nâng (kg/rad) h uu Y  Hệ số lực của bánh lái (kg/m.rad) , wq Z Z  Hệ số lực khối nước kèm (kg) ||ww Z Hệ số lực cản (kg/m) uq Z Hệ số lực khối nước kèm chéo trục và lực nâng (kg/rad) , vp rp Z Z Hệ số lực khối nước kèm chéo trục (kg/rad) uw Z Hệ số lực khối nước kèm chéo trục, lực nâng và lực cản (kg/rad) vii   s uu Z  Hệ số lực của bánh lái (kg/m.rad) p K  Hệ số mô men khối nước kèm (kg.m 2 /rad 2 ) l uu K  Hệ số mô men bánh lái đối với hệ tọa độ gắn liền (kg/rad) uu K Hệ số mô men khối nước kèm (kg/rad) up K Hệ số mô men khối nước kèm chéo trục (kg/rad) , qw M M  Hệ số mô men khối nước kèm (kg.m 2 /rad 2 ) uw M Hệ số mô men thân và thành phần bánh lái (kg) rp M Hệ số mô men khối nước kèm chéo trục (kg.m 2 /rad 2 ) uq M Hệ số mô men khối nước kèm chéo trục và lực nâng (kg.m/rad) vp M Hệ số mô men khối nước kèm chéo trục (kg.m/rad) s uu M  Hệ số mô men bánh lái (kg/rad) , vr NN  Hệ số mô men khối nước kèm (kg.m 2 /rad 2 ) ur N Hệ số mô men khối nước kèm chéo trục và lực nâng (kg.m/rad) uv N Hệ số mô men thân và bánh lái (kg) , wp pq NN Hệ số mô men khối nước kèm chéo trục (kg.m/rad) h uu N  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/m 3 ) f A Tổng diện tích bề mặt theo hướng vận tốc AUV (m 2 ) ,   Các góc tấn công và góc trượt ngang của AUV (rad) bl S Diện tích bề mặt của bánh lái (m 2 ) e  Góc ảnh hưởng của bánh lái (rad) bl x Khoảng cách từ trục các bánh lái đến tâm trọng lực (m) 12 , hh   Góc quay các bánh lái hướng (rad) viii   12 , s s   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) R B M Ma trận quán tính của AUV R B C Ma trận hướng tâm Coriolis của AUV R B  Véc tơ ngoại lực và mô men ngoại lực tác động lên thân AUV b G Tâm khối của AUV trong hệ tọa độ gắn liền 0 I Ma trận mô men đường chéo theo các trục hệ tọa độ gắn liền A M Ma trận quán tính khối nước kèm () A C  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 p l  Véc tơ lực và mô men của động cơ đẩy f C Tâm nổi của AUV R  , l R 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 [...]... 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. .. 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:... 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. .. 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... 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. .. 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... để điều khiển AUV nếu sai số mô hình động học và sự ảnh hưởng của các yếu tố môi trường quá lớn Xuất phát từ thực tế đó, các thuật toán điều khiển hiện đại [7], [10], [12] đã được nghiên cứu ứng dụng cho AUV: điều khiển trượt [40], điều khiển tối ưu [16], điều khiển thích nghi [14], [27], [45], điều khiển bền vững [23], điều khiển hồi tiếp ngược [18], điều khiển hồi tiếp trạng thái [21], [31], điều khiển. .. 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... 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... 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 . 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. 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. 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