Xây dựng thuật toán dẫn đường và điều khiển cho phương tiện ngầm - Luận án tiến sĩ

Bé gi¸o dôc vμ ®μo t¹o Bé quèc phßng ViÖn khoa häc vμ c«ng nghÖ qu©n sù TR¦¥NG DUY TRUNG X©y dùng THUËT TO¸N dÉn ®−êng vμ §IÒU KHIÓN CHO ph−¬ng tiÖn ngÇm LuËn ¸n tiÕn sÜ kü thuËt Hμ néi 2014 Bé gi¸o dôc vμ ®μo t¹o Bé quèc phßng ViÖn khoa häc vμ c«ng nghÖ qu©n sù TR¦¥NG DUY TRUNG X©y dùng THUËT TO¸N dÉn ®−êng vμ §IÒU KHIÓN CHO ph−¬ng tiÖn ngÇm Chuyªn ngμnh: Kü thuËt ®iÒu khiÓn vμ tù ®éng hãa M· sè: 62 52 02 16 LuËn ¸n tiÕn sÜ kü thuËt Ng−êi h−íng dÉn khoa häc: 1.TS TrÇn §øc ThuËn 2. TS NguyÔn Quang VÞnh Hμ néi 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 hiện 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 .1 Tổng quan về phương tiện ngầm .2 Các hệ tọa độ sử dụng trong mô tả chuyển động của phương tiện ngầm.1 Hệ tọa độ quán tính .2 Hệ tọa độ cố định tâm trái đất .3 Hệ tọa độ địa lý .4 Hệ tọa độ gắn liền .5 Ma trận chuyển tọa độ .1 Phương pháp góc Ơle .2 Phương pháp sử dụng tham số Rodrig – Hamilton .3 Tổng quan về dẫn đường quán tính .1 Nguyên tắc dẫn đường quán tính .1 Dẫn đường quán tính có đế .2 Dẫn đường quán tính không đế .2 Kết hợp các hệ thống định vị và dẫn đường .4 Mô tả động học phương tiện ngầm tự hành dạng ngư lôi .1 Các lực, mô men quán tính và hướng tâm của phương tiện ngầm tự hành .2 Các lực và mô men ngoại lực tác động lên phương tiện ngầm tự hành .1 Các lực và mô men gây ra bởi trọng lực và lực nổi .2 Các lực và mô men khối nước kèm .3 Các lực và mô men thủy động .4 Các lực và mô men của bánh lái .3 Các yếu tố môi trường tác động lên phương tiện ngầm tự hành.5 Kết luận chương 1.

39 Chương 2: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH THAM SỐ DẪN ĐƯỜNG CHO VŨ KHÍ CHỐNG NGẦM .1 Xây dựng thuật toán dẫn đường quán tính không đế cho vũ khí chống ngầm .1 Xây dựng thuật toán xác định tham số dẫn đường cho vũ khí chống ngầm ở giai đoạn chuyển động trong khí quyển .2 Xây dựng thuật toán xác định tham số dẫn đường cho vũ khí chống ngầm ở giai đoạn chuyển động trong nước .2 Xây dựng thuật toán dẫn đường quán tính có đế cho vũ khí chống ngầm .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 .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 .3 Thuật toán dẫn đường .3 Kết luận chương 2. 72 Chương 3: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN NHẬN DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CHO VŨ KHÍ CHỐNG NGẦM .1 Phương trình chuyển động của vũ khí chống ngầm .1 Phương trình chuyển động tổng quát .2 Phương trình chuyển động trong các mặt phẳng .1 Phương trình chuyển động trong mặt phẳng đứng .2 Phương trình chuyển động trong mặt phẳng ngang .3 Phương trình chuyển động theo góc lắc .2 Nhận dạng mô hình vũ khí chống ngầm .3 Điều khiển hồi tiếp đầu ra nơron mờ thích nghi trực tiếp cho vũ khí chống ngầm .4 Dẫn đường cho vũ khí chống ngầm hiệu chỉnh quỹ đạo sau khi chạm nước .1 Phương pháp dẫn đường cho vũ khí chống ngầm trong mặt phẳng ngang.2 Phương pháp dẫn đường cho vũ khí chống ngầm trong mặt phẳng đứng .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 .1 Mô phỏng xác định tham số dẫn đường cho vũ khí chống ngầm.1 Xây dựng các hàm động học và hàm quan sát .2 Thực hiện bộ lọc Kalman .3 Kết quả mô phỏng .1 Giai đoạn vũ khí chống ngầm chuyển động trong khí quyển .2 Giai đoạn vũ khí chống ngầm chuyển động trong nước .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.1 Trường hợp thả vũ khí chống ngầm từ máy bay phản lực .2 Trường hợp thả vũ khí chống ngầm từ máy bay lên thẳng .3 Mô phỏng nhận dạng tham số mô hình vũ khí chống ngầm .1 Nhận dạng tham số mô hình vũ khí chống ngầm theo góc chúc ngóc .2 Nhận dạng tham số mô hình vũ khí chống ngầm theo góc hướng .4 Mô phỏng điều khiển hồi tiếp đầu ra nơron mờ thích nghi trực tiếp cho vũ khí chống ngầm.1 Mô phỏng điều khiển vũ khí chống ngầm theo góc hướng .2 Mô phỏng điều khiển vũ khí chống ngầm theo góc chúc ngóc .3 Mô phỏng điều khiển vũ khí chống ngầm theo góc lắc .4 Mô phỏng điều khiển hồi tiếp đầu ra nơron mờ thích nghi trực tiếp cho vũ khí chống ngầm tổng hợp theo góc hướng, góc chúc ngóc và góc lắc .5 Kết luận chương 4. 116 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.

Những đóng góp mới của luận án. 119 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ. 120 TÀI LIỆU THAM KHẢO .B1 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT X ,Y , Z Các ngoại lực tác dụng lên AUV (N) K, M , N Các mô men ngoại lực tác dụng lên AUV (Nm) u, v, w Các thành phần vận tốc chiếu lên các trục hệ tọa độ gắn liền (m/s) uc , vc , wc Các thành phần vận tốc dòng chảy đối với hệ tọa độ gắn liền (m/s) p, q, r Các thành phần vận tốc góc chiếu lên hệ tọa độ gắn liền (rad/s) x, y , z Vị trí AUV trong hệ tọa độ địa lý (m)  ,  , Các góc Ơle (rad) X u Hệ số lực khối nước kèm (kg) X wq , X qq , X vr , X rr Hệ số lực khối nước kèm chéo trục (kg/rad) X u|u| , X v|v| Hệ số lực cản theo trục X b của hệ tọa độ gắn liền (kg/m) X w|w| , X uv , X uw Hệ số lực cản theo trục X b của hệ tọa độ gắn liền (kg/m) X up Hệ số lực bánh lái (kg/rad) X uul Hệ số lực của bánh lái (kg/m.rad) X pl Lực đẩy động cơ (N) Yv , Yr Hệ số lực khối nước kèm (kg) Yv|v| Hệ số lực cản (kg/m) Ywp , Ypq Hệ số lực khối nước kèm chéo trục Yb (kg/rad) Yuv Hệ số khối nước kèm chéo trục, lực nâng và lực cản (kg/rad) Yur Hệ số khối nước kèm chéo trục, lực nâng (kg/rad) Yuu h Hệ số lực của bánh lái (kg/m.rad) Z w , Z q Hệ số lực khối nước kèm (kg) Z w|w| Hệ số lực cản (kg/m) Zuq Hệ số lực khối nước kèm chéo trục và lực nâng (kg/rad) Z vp , Z rp Hệ số lực khối nước kèm chéo trục (kg/rad) Z uw Hệ số lực khối nước kèm chéo trục, lực nâng và lực cản (kg/rad) vii Z uu s Hệ số lực của bánh lái (kg/m.rad) K p Hệ số mô men khối nước kèm (kg.m2/rad2) Kuul Hệ số mô men bánh lái đối với hệ tọa độ gắn liền (kg/rad) Kuu Hệ số mô men khối nước kèm (kg/rad) Kup Hệ số mô men khối nước kèm chéo trục (kg/rad) M q , M w Hệ số mô men khối nước kèm (kg.m2/rad2) M uw Hệ số mô men thân và thành phần bánh lái (kg) M rp Hệ số mô men khối nước kèm chéo trục (kg.m2/rad2) M uq Hệ số mô men khối nước kèm chéo trục và lực nâng (kg.m/rad) M vp Hệ số mô men khối nước kèm chéo trục (kg.m/rad) M uu s Hệ số mô men bánh lái (kg/rad) N v , N r Hệ số mô men khối nước kèm (kg.m2/rad2) Nur Hệ số mô men khối nước kèm chéo trục và lực nâng (kg.m/rad) Nuv Hệ số mô men thân và bánh lái (kg) N wp , N pq Hệ số mô men khối nước kèm chéo trục (kg.