Luận án tiến sĩ Tô Bá Thành - Thuật toán dẫn và điều khiển máy lái cho thiết bị bay hai kênh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ -------------------------- TÔ BÁ THÀNH NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP THUẬT TOÁN DẪN VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY LÁI CHO MỘT LỚP THIẾT BỊ BAY HAI KÊNH QUAY QUANH TRỤC DỌC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ -------------------------- TÔ BÁ THÀNH NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP THUẬT TOÁN DẪN VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY LÁI CHO MỘT LỚP THIẾT BỊ BAY HAI KÊNH QUAY QUANH TRỤC DỌC NGÀNH: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa MÃ SỐ: 9 52 02 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS Trần Đức Thuận 2. TS Đoàn Thế Tuấn HÀ NỘI – 2023 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận án này là trung thực và chưa được ai công bố ở bất kỳ công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ.

Ngày … tháng … năm 2023 Tác giả luận án Tô Bá Thành ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Trần Đức Thuận và TS Đoàn Thế Tuấn, đã định hướng nghiên cứu và tận tình chỉ bảo, hướng dẫn, giúp đỡ tôi thực hiện luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Thủ trưởng Viện KH-CN quân sự, Thủ trưởng và các cán bộ Phòng Đào tạo/Viện KH-CN quân sự, Viện Tên lửa đã luôn ủng hộ, hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện và bảo vệ luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô giáo đã giảng dạy và có những góp ý quý báu về mặt khoa học, cảm ơn các đồng nghiệp ở Viện Tên lửa, Viện Tự động hóa KTQS, Phòng Quản lý KHCN đã nhiệt tình đóng góp cho tôi các ý kiến quý báu trong quá trình học tập, nghiên cứu. Tôi xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc đến gia đình, người thân cùng bạn bè đã luôn quan tâm, động viên và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi thực hiện luận án này.

Tác giả luận án Tô Bá Thành iii MỤC LỤC Trang DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT. v DANH MỤC CÁC BẢNG. vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ. vii MỞ ĐẦU.

TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ BAY HAI KÊNH VÀ VẤN ĐỀ TỔNG HỢP LỆNH CHO THIẾT BỊ BAY TIẾP CẬN MỤC TIÊU CƠ ĐỘNG TRÊN KHÔNG. Tổng quan về thiết bị bay hai kênh không đối không. Tổng quan về thiết bị bay hai kênh không đối không trên thế giới. Nghiên cứu đặc điểm thiết bị bay hai kênh như là đối tượng điều khiển 8 1.

Vấn đề tổng hợp lệnh cho thiết bị bay tiếp cận mục tiêu cơ động. Vấn đề tổng hợp hệ thống điều khiển trên thiết bị bay. Phương pháp tự dẫn thiết bị bay tiếp cận mục tiêu cơ động. Các vấn đề cần giải quyết khi xây dựng thuật toán điều khiển cho thiết bị bay hai kênh.

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước. Xây dựng nhiệm vụ cho luận án. Kết luận chương 1. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ TẢ QUÁ TRÌNH TẠO GIA TỐC PHÁP TUYẾN VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BAY HAI KÊNH.

Cơ sở xây dựng hệ phương trình mô tả chuyển động của thiết bị bay trong không gian. Cơ sở thiết lập mô hình. Mô hình động lực học bay của thiết bị bay. Lực và mô-men tác dụng lên thiết bị bay.

Xây dựng hệ phương trình mô tả quá trình tạo góc tấn và góc trượt cạnh cho thiết bị bay hai kênh. Xây dựng mô hình mô tả quá trình tạo gia tốc pháp tuyến cho thiết bị bay hai kênh. Kết luận chương 2. XÂY DỰNG THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH GIA TỐC VÀ LUẬT ĐIỀU KHIỂN CHO THIẾT BỊ BAY HAI KÊNH TIẾP CẬN MỤC TIÊU CƠ ĐỘNG TRÊN KHÔNG.

Xây dựng thuật toán xác định gia tốc pháp tuyến tối ưu dẫn thiết bị bay gặp mục tiêu cơ động trên không. Xây dựng thuật toán xác định luật điều khiển cho cặp cánh lái dạng rơ le để thiết bị bay hai kênh đạt gia tốc mong muốn. Xây dựng thuật toán xác định luật điều khiển cho cặp cánh lái dạng liên tục để thiết bị bay hai kênh đạt gia tốc mong muốn. Kết luận chương 3.

MÔ PHỎNG KHẢO SÁT THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN. Xây dựng lưu đồ thuật toán vòng điều khiển thiết bị bay hai kênh tiếp cận mục tiêu cơ động. Mô hình động hình học thiết bị bay – mục tiêu. Lưu đồ thuật toán chung vòng điều khiển thiết bị bay.

Mô phỏng khảo sát thuật toán điều khiển cho thiết bị bay hai kênh. Xác định các đặc trưng cơ bản của thiết bị bay. Lập kịch bản mô phỏng. Xây dựng các mô-đun và sơ đồ khối chương trình mô phỏng.

Mô phỏng quỹ đạo chuyển động của thiết bị bay. Đánh giá kết quả mô phỏng. Kết luận chương 4. 130 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.

131 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ. 133 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 1 v DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT �㕀 , �㕀 , �㕀 Thành phần mô-men trong hệ tọa độ liên kết. �㔔 , �㔔 , �㔔 Thành phần vận tốc góc trong hệ tọa độ liên kết.

�㗿 , �㗿 , �㗿 Góc quay cánh lái theo phương đứng, ngang và cren. �㕃, �㕋, �㕌, �㕍 Lực đẩy và thành phần lực khí động. �㔗, �㔓, �㗾 Góc chúc ngóc, góc dạt ngang và góc cren. x, h, z Tọa độ tâm khối của thiết bị bay trong hệ tọa độ mặt đất.

�㕉, �㔃, �㗹 Vận tốc, góc nghiêng quỹ đạo và góc dạt sườn. �㗼, �㗽, �㗾 Góc tấn, góc trượt cạnh và góc cren khí động. O0X0Y0Z0 Hệ tọa độ phóng. OXgYgZg Hệ tọa độ mặt đất.

OXYZ Hệ toạ độ liên kết. OXaYaZa Hệ toạ độ vận tốc. OXkYkZk Hệ toạ độ quỹ đạo. ĐKTƯ Điều khiển tối ưu.

HPTCSTQ Hệ phương trình cơ sở tổng quát. MT Mục tiêu. MLLT Máy lái dạng liên tục. MLRL Máy lái dạng rơ le.

PPD Phương pháp dẫn. TCTL Tiếp cận tỉ lệ. TBB Thiết bị bay. БУ Блок Управления: Khối điều khiển.

ТГС Тепловая Головка Самонаведения: Đầu tự dẫn hồng ngoại. vi DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 Tính năng chiến kỹ thuật cơ bản của một lớp TBB hai kênh .1 Tham số khí quyển tiêu chuẩn theo GOST 4401-81 .1 Kết quả tính toán tọa độ trọng tâm một lớp TBB hai kênh .2 Kết quả xác định mô-men quán tính trong 2 trường hợp. 98 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 TBB không đối không tầm gần thế hệ thứ nhất .2 TBB không đối không tầm gần thế hệ thứ hai .3 TBB không đối không tầm gần thế hệ thứ ba .4 Sơ đồ một lớp TBB hai kênh tầm gần.6 Đầu tự dẫn .7 Khoang điều khiển .8 Khoang động cơ và cánh đuôi .9 Phối trí khí động kiểu cánh bằng .10 Phối trí khí động kiểu chữ thập .11 Cấu trúc quá trình điều khiển TBB .12 Quan hệ giữa các bộ phận hệ thống điều khiển TBB .13 Quá trình tiếp cận mục tiêu cơ động .14 Phương pháp dẫn hướng véc tơ vận tốc .15 Quỹ đạo TBB theo phương pháp dẫn tiếp cận song song.16 TBB hai kênh sử dụng cơ cấu Rô-lê-rôn .1 Hệ toạ độ phóng O0x0y0z0 và hệ tọa độ mặt đất di động Oxgygzg .2 Hệ tọa độ liên kết Oxyz và hệ tọa độ vận tốc Oxayaza .3 Phép quay chuyển đổi từ Oxgygzg sang Oxyz .4 Phép quay chuyển đổi từ Oxgygzg sang Oxkykzk .5 Các thành phần ngoại lực tác dụng lên TBB .6 Mô tả nguyên lý hoạt động của cánh lái Rô-lê-rôn.7 Sơ đồ làm việc của Rô-lê-rôn.1 Tương quan hình học giữa TBB và MT trong mặt phẳng thẳng đứng63 Hình 3.2 Lưu đồ thuật toán tạo gia tốc pháp tuyến tối ưu .4 Lưu đồ thuật toán tạo tín hiệu điều khiển cặp máy lái rơ le .5 Lưu đồ thuật toán tạo tín hiệu điều khiển cặp máy lái liên tục .1 Vị trí tương đối TBB – MT .2 Lưu đồ thuật toán chung vòng điều khiển TBB hai kênh .3 Hình dáng, kích thước một lớp TBB hai kênh hiện có .4 Hình dáng, kích thước đầu tự dẫn .5 Hình dáng, kích thước cánh chống ổn định .6 Hình dáng, kích thước cánh lái .7 Hình dáng, kích thước cánh đuôi .8 Mô hình 3D một lớp TBB hai kênh hiện có .9 Hệ tọa độ gắn với trọng tâm TBB .10 Đồ thị lực đẩy động cơ một lớp TBB hai kênh hiện có.11 Tham số chuyển động ban đầu của TBB và MT .12 Tham số cơ động của MT .13 Sơ đồ khối chương trình mô phỏng MLLT .14 Sơ đồ khối chương trình mô phỏng MLRL .15 Thuật toán TCTL và ĐKTƯ trong Khối điều khiển .16 Điều kiện đầu vào (TH1) .17 Đồ thị quỹ đạo 3D TBB và MT (TH1) .18 Đồ thị khoảng cách TBB-MT (TH1) .19 Đồ thị tốc độ góc quanh trục dọc TBB (TH1) .20 Đồ thị góc lệch rô-lê-rôn (TH1) .21 Đồ thị vận tốc TBB (TH1) .22 Đồ thị góc tấn không gian (TH1) .23 Đồ thị góc lệch cặp cánh lái tạo góc tấn (TH1) .24 Đồ thị góc lệch cặp cánh lái tạo góc trượt cạnh (TH1) .25 Đồ thị quá tải kênh đứng của TBB (TH1) .26 Đồ thị quá tải kênh ngang của TBB (TH1) .27 Điều kiện đầu vào (TH2) .28 Đồ thị quỹ đạo 3D TBB và MT (TH2) .29 Đồ thị khoảng cách TBB-MT (TH2) .30 Đồ thị quá tải kênh đứng của TBB (TH2) .31 Đồ thị quá tải kênh ngang của TBB (TH2) .32 Điều kiện đầu vào (TH3) .33 Đồ thị quỹ đạo 3D TBB và MT (TH3) .34 Đồ thị khoảng cách TBB-MT (TH3) .35 Đồ thị quá tải kênh đứng của TBB (TH3) .36 Đồ thị quá tải kênh ngang của TBB (TH3) .37 Điều kiện đầu vào (TH4) .38 Đồ thị quỹ đạo 3D TBB và MT (TH4) .39 Đồ thị khoảng cách TBB-MT (TH4) .40 Đồ thị quá tải kênh đứng của TBB (TH4) .41 Đồ thị quá tải kênh ngang của TBB (TH4) .42 Điều kiện đầu vào (TH5) .43 Đồ thị quỹ đạo 3D TBB và MT (TH5) .44 Đồ thị khoảng cách TBB-MT (TH5) .45 Đồ thị quá tải kênh đứng của TBB (TH5) .46 Đồ thị quá tải kênh ngang của TBB (TH5) .47 Điều kiện đầu vào (TH6) .48 Đồ thị quỹ đạo 3D TBB và MT (TH6) .49 Đồ thị khoảng cách TBB-MT (TH6) .50 Đồ thị quá tải kênh đứng của TBB (TH6) .51 Đồ thị quá tải kênh ngang của TBB (TH6) .52 Điều kiện đầu vào (TH7) .53 Đồ thị quỹ đạo 3D TBB và MT (TH7) .54 Đồ thị khoảng cách TBB-MT (TH7) .55 Đồ thị quá tải kênh đứng của TBB (TH7) .56 Đồ thị quá tải kênh ngang của TBB (TH7) .57 Điều kiện đầu vào (TH8) .