Báo cáo luận văn: Thuật toán dẫn đường và điều khiển cho phương tiện ngầm

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
ix





Số siêu phức quaternion
0123
,,,



Các tham số Rodrig – Hamilton
n
b
C

Ma trận chuyển từ hệ tọa độ gắn liền sang hệ tọa độ địa lý
n
d
C

Ma trận chuyển từ hệ tọa độ đế sang hệ tọa độ địa lý
,,
x
yz
aaa
Chỉ số gia tốc cảm nhận có nhiễu đo đối với hệ tọa độ gắn liền
,,
bx by bz
aaa Chỉ số gia tốc cảm nhận đối với hệ tọa độ gắn liền
,,
x
yz
nnn
Chỉ số gia tốc cảm nhận có nhiễu đo đối với hệ tọa độ đế
,,
dx dy dz
nnn Chỉ số gia tốc cảm nhận đối với hệ tọa độ đế
,,
NED
f
ff
Chỉ số gia tốc cảm nhận đối với hệ tọa độ địa lý
456
,,www Các nhiễu đo của gia tốc kế

,,
p
qr


Chỉ số của các con quay vi cơ bao gồm độ trôi và nhiễu đo
,,
p
qr
bbb Các tham số biến đổi chậm thể hiện độ trôi của con quay
123
,,www
Nhiễu đo con quay vi cơ
,,
x
yz
BBB Chỉ số của từ kế đối với hệ tọa độ địa lý
,,
DVL DVL DVL
xyz
VVV Chỉ số của vận tốc kế chiếu lên hệ tọa độ gắn liền
,,
NED
VVV
Các chỉ số vận tốc đối với hệ tọa độ địa lý
 Véc tơ tham số hệ thống
()t

Véc tơ hồi quy
()t


Sai số ước lượng

Hệ số quên
k

Véc tơ trọng số kết nối giữa lớp 3 và lớp 4 của mạng singleton
ˆ
k
e
Véc tơ sai số trạng thái ước lượng được
12
,,
ii i
kk k
A
AB
Các tập mờ
ˆ
()
kk
e

Véc tơ cơ sở mờ
f
k
u
Đầu ra của mạng singleton
I
II

OX Y Z
Hệ tọa độ quán tính
ee e
OX Y Z

Hệ tọa độ cố định tâm trái đất
x



bb b
OX Y Z

Hệ tọa độ gắn liền
00 0
OX Y Z

Hệ tọa độ địa lý
AUV Autonomous Underwater Vehicle
Phương tiện ngầm tự hành
ARX Auto-Regressive-eXternal input
Cấu trúc mô hình nhận dạng ARX
ASWs Anti-Submarine Weapons
Vũ khí chống ngầm
DAFNOC Direct Adaptive Fuzzy-Neural Output Feedback Controller
Bộ điều khiển hồi tiếp đầu ra nơron mờ thích nghi trực tiếp
DVL Doppler Velocity Log
Thiết bị đo vận tốc theo hiệu ứng Dople
MIMO Multi Input Multi Output
Hệ thống có nhiều đầu vào, nhiều đầu ra

IMU Đơn vị đo lường quán tính
Inertial Measurement Unit
INS Inertial navigation system
Hệ thống dẫn đường quán tính
GPS Global Positioning System
Hệ thống định vị toàn cầu
PD Proportional-Derivative Controller
Bộ điều khiển PD
PID Proportional-Integral-Derivative Controller
Bộ điều khiển PID
SISO Single Input Single Output
Hệ thống có một đầu vào, một đầu ra
UV Underwater Vehicle
Phương tiện ngầm
ROV Underwater Remotely Operated Vehicles
Phương tiện ngầm điều khiển từ xa

xi



DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Quan hệ giữa các Côsin chỉ phương và các số quaternion 21
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1: Quỹ đạo chuyển động của ASWs khi thả từ máy bay……….……… ………. 2
Hình 1.1: Phương tiện ngầm điều khiển từ xa 5
Hình 1.2: Phương tiện ngầm có người lái 6
Hình 1.3: Phương tiện ngầm tự hành 7
Hình 1.4: Mô hình tên lửa chống ngầm AПР
-2Э 8

Hình 1.5: Quỹ đạo mong muốn và quỹ đạo hiệu chỉnh của ASWs 9
Hình 1.6: Quỹ đạo hiệu chỉnh của vũ khí chống ngầm trong mặt phẳng ngang 11
Hình 1.7: Quỹ đạo hiệu chỉnh của vũ khí chống ngầm trong mặt phẳng đứng 11
Hình 1.8: Hệ tọa độ quán tính 15
Hình 1.9: Quan hệ của hệ tọa độ cố định tâm trái đấ
t và hệ tọa độ địa lý 16
Hình 1.10: Hệ tọa độ gắn liền 16
Hình 1.11: Quay theo góc hướng

quanh trục
0
Z
18
Hình 1.12: Quay theo góc chúc ngóc

quanh trục
1
Y
18
Hình 1.13: Quay theo góc lắc

quanh trục
2
X 19
Hình 1.14: Hệ tọa độ địa lý và thiết bị dẫn đường quán tính có đế dạng giải tích 24
Hình 1.15: Bộ lọc Kalman phi tuyến mở rộng 30
Hình 1.16: Biễu diễn AUV trong các hệ tọa độ 31
Hình 1.17: Biễu diễn lực cản, lực nâng, góc tấn công, góc trượt bên của AUV 34
Hình 1.18: Vị trí, góc bẻ lái của bánh lái hướng và bánh lái sâu 36
Hình 1.19: Vận tốc dòng chảy đại dương trong h

ệ tọa độ địa lý 38
Hình 2.1: Chức năng của hệ thống điều khiển vũ khí chống ngầm 41
Hình 2.2: Cấu trúc hệ thống điều khiển vũ khí chống ngầm 42
Hình 2.3: Bố trí con quay vi cơ đo tốc độ góc, gia tốc kế và từ kế 43
Hình 2.4: Sơ đồ xác định tham số dẫn đường khi kết hợp con quay vi cơ, gia tốc k
ế
và từ kế 49
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 58
xii



Hình 2.6: Quan hệ giữa các hệ tọa độ 59
Hình 2.7: Hình chiếu vận tốc góc tuyệt đối

của hệ tọa độ địa lý 61
Hình 2.8: Sơ đồ dẫn đường quán tính có đế 71
Hình 3.1: Vị trí các bánh lái trên ASWs 76
Hình 3.2: Lưu đồ thuật toán ước lượng tham số mô hình bằng phương pháp bình
phương tối thiểu đệ quy 81
Hình 3.3: Sơ đồ bộ điều khiển hồi tiếp đầu ra nơron mờ thích nghi trực tiếp 86
Hình 3.4: Cấu hình mạng nơ
ron mờ Singleton 86
Hình 3.5: Quỹ đạo hiệu chỉnh trong mặt phẳng ngang 92
Hình 3.6: Quỹ đạo hiệu chỉnh trong mặt phẳng đứng 94
Hình 4.1: Các tham số Rodrig-Hamilton khi ASWs chuyển động trong khí quyển 100
Hình 4.2: Các các góc Ơle khi ASWs chuyển động trong khí quyển 100
Hình 4.3: Các tham số Rodrig-Hamilton khi ASWs chuyển động trong nước 101
Hình 4.4: Các các góc Ơle khi ASWs chuyển động trong nước 102

Hình 4. 5: Các giá trị
0123
,,,


đúng và ước lượng 103
Hình 4.6: Các giá trị
ij
c
đúng và tính toán được 103
Hình 4.7: Kết quả nhận dạng và sai số nhận dạng theo góc chúc ngóc 105
Hình 4.8: Giá trị các tham số mô hình
ˆ

theo góc chúc ngóc ước lượng được 105
Hình 4.9: Kết quả nhận dạng và sai số nhận dạng theo góc hướng 107
Hình 4.10: Giá trị các tham số mô hình
ˆ

theo góc hướng ước lượng được 108
Hình 4.11: Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển ASWs theo góc hướng 109
Hình 4.12: Kết quả mô phỏng điều khiển ASWs theo góc hướng 110
Hình 4.13: Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển ASWs theo góc chúc ngóc 111
Hình 4.14: Kết quả mô phỏng điều khiển vũ khí chống ngầm theo góc chúc ngóc 112
Hình 4.15: Sơ đồ mô phỏng hệ thống
điều khiển ASWs theo góc lắc 113
Hình 4.16: Kết quả mô phỏng điều khiển vũ khí chống ngầm theo góc lắc 114
Hình 4.17: Sơ đồ mô phỏng điều khiển ASWs theo góc chúc ngóc, góc hướng và
góc lắc 115
Hình 4.18: Kết quả mô phỏng điều khiển ASWs theo góc hướng, góc chúc ngóc và

góc lắc 115
1



PHẦN MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Vùng biển Việt Nam trải dài, diện tích rộng hơn cả diện tích đất liền. Đây là
nguồn tài nguyên vô cùng lớn cho cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước.
Xuất phát từ vị trí và tầm quan trọng của biển đối với sự phát triển kinh tế và củng
cố quốc phòng an ninh đặt ra yêu cầu cần thiết phải nghiên cứu, phát triển các lo
ại
phương tiện thực hiện các nhiệm vụ khảo sát, khai thác tài nguyên biển và các
nhiệm vụ quốc phòng an ninh. Trong những năm qua, chúng ta đã không ngừng
củng cố và xây dựng lực lượng Hải quân để bảo vệ biển, đảo và toàn vẹn lãnh thổ,
đặc biệt chú trọng đến các phương tiện ngầm trong đó có vũ khí chống ngầm (ngư
lôi, tên lửa chống ngầm).
Trong biên chế của Hải quân Việt Nam, các lo
ại vũ khí chống ngầm
(
Anti-
Submarine Weapons
– ASWs)
hiện có đều được mua từ các nước khác, tài liệu đi
kèm chỉ mang tính hướng dẫn sử dụng, các công trình công bố của nước ngoài chỉ
mang tính khái quát chung. Hiện nay chưa có các công trình nghiên cứu trong nước
công bố về các loại vũ khí chống ngầm, nếu có thì ở dạng sơ sài, không đầy đủ.
Trước yêu cầu xây dựng lực lượng Hải quân nhân dân hiện đại đòi h
ỏi phải làm chủ
được vũ khí trang bị và hướng tới sửa chữa, cải tiến, nâng cấp, sản xuất mới các loại

vũ khí chống ngầm. Vì vậy, nghiên cứu về mô tả toán học, xây dựng phương trình
chuyển động, nhận dạng, dẫn đường và điều khiển cho các loại vũ khí chống ngầm
là rất cần thiết.
Vũ khí chống ngầm có thể được phóng từ
các loại tàu chiến trên mặt nước, tàu
ngầm hay có thể được thả từ máy bay (máy bay phản lực hay máy bay lên thẳng).
Luận án tập trung nghiên cứu lớp đối tượng vũ khí chống ngầm thả từ máy bay.
Các thông tin về mục tiêu (tàu ngầm đối phương) được xác định bởi hệ thống
Sonar (hệ thống phao có trang bị các đầu thu sóng siêu âm và có các đầu phát vô
tuyến). Từ các thông tin này, hệ thống máy tính trên máy bay xác định thời cơ thả
ASWs sao cho sau khi ASWs rơ
i xuống nước tại điểm chạm nước tính toán và
chuyển động theo chương trình (quỹ đạo xoắn lò xo) sẽ phát hiện được mục tiêu.
2



Trong trường hợp ASWs rơi xuống nước ở chế độ có mở dù thì điểm chạm nước
thực tế có thể không trùng với điểm chạm nước tính toán. Nếu sai lệch này lớn hơn
giới hạn làm việc của đầu tự dẫn thì ASWs sau khi chuyển động theo chương trình
sẽ không phát hiện được mục tiêu và ngòi nổ được kích hoạt để tự hủy (hình 1).

Hình 1: Quỹ đạo chuyển động của ASWs khi thả từ máy bay
Từ quỹ đạo trên cho thấy sai số giữa điểm chạm nước tính toán và điểm chạm
nước thực do các nguyên nhân sau: 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.
Để tăng khả năng phát hiện mục tiêu thì sau khi chạm nước, ASWs cần phả
i 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 độ sâu trước độ sâu có mục tiêu một số

vòng quay xoắn lò xo. Sau khi ASWs đi về điểm này và có tư thế trùng với tư thế
tính toán của ASWs tại điểm này sẽ tiế
p tục chuyển động theo chương trình xoắn lò
xo tìm kiếm mục tiêu.
Để giải quyết vấn đề trên, luận án đề xuất việc cải tiến trang bị thêm thiết bị dẫn
đường quán tính (có đế hoặc không đế) cho vũ khí chống ngầm được thả từ máy
3



bay. Luận án đi sâu vào hai vấn đề cơ bản đó là vấn đề dẫn 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 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: Áp dụng các công cụ và phương pháp toán điều khiển
hiện đại để xây dựng thuật toán dẫn đường và đi
ều 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
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 đổi tọa độ, các lực, mô men tác động 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 đị
nh 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 cho vũ
khí chống ngầm trong cả giai đoạn chuyển động trong khí quyển và giai đoạn
4



chuyển động trong nước. Xây dựng thuật toán xác định ma trận Côsin định hướng
giữa hệ tọa độ đế với hệ tọa độ dẫn đường của thiết bị dẫn đường quán tính có đế
trong trường hợp thả vũ khí chống ngầm từ máy bay phản lực bay ở tốc độ lớn và
trong trường hợp thả từ máy bay lên thẳng bay tốc độ thấp.
Chương 3: Xây d
ựng 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 tậ
p mẫu dữ liệu vào ra, tính

toán góc tham chiếu sử dụng thông tin từ hệ thống 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 xác định tham số dẫn đường đã xây dựng ở chương 2. Mô phỏng
nhận dạng tham số mô hình và điều khiển hồi tiếp đầu ra nơron mờ thích nghi trực
tiếp theo tham số của một chủng loại vũ khí chống ngầm.
Nội dung chính của luận án
được công bố trong 15 bài báo trong đó có 8 bài
công bố trên Tạp chí Nghiên cứu khoa học và công nghệ quân sự, thuộc Viện KH-
CN quân sự/BQP, 06 bài báo tại các hội nghị tự động hóa và cơ điện tử toàn quốc,
01 bài báo tại hội nghị quốc tế. Luận án được trình bày trong 119 trang A4, 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 – UV) có nhiều loại khác nhau, căn cứ
vào khả năng tham gia điều khiể
n 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 Operated Vehicles – ROV), hầu hết ROV
được thiết kế dạng rô bốt
chuyển động trong nước bằng các hệ thống đẩy có hướng trục đẩy theo các mặt
phẳng khác nhau (hình 1.1).

Hình 1.1: Phương tiện ngầm điều khiển từ xa 
ROV có khả năng cơ động tốt, được liên kết với vị trí điều khiển bằng cáp [22].
Các ROV đã được nghiên cứu phát triển và thương mại hóa rộng rãi trên thế giới có
thể thực hiện nhiều nhiệm vụ dưới nước như kiểm tra đường ống ngầm, các hoạt
6



động tìm kiếm, cứu hộ, kiểm tra kỹ thuật các công trình ngầm, kiểm tra về mặt sinh
thái các tham số của môi trường nước, khai thác, nghiên cứu khoa học và phục vụ
quân sự. Vì ROV được liên kết với vị trí điều khiển bằng cáp nên thường bán kính làm
việc của ROV không xa. Hiện nay trong nước có một số nghiên cứu như rô bốt cá của
nhóm nghiên cứu vốn là những sinh viên ở ĐH Sư phạm kỹ thuật TP HCM hay đề
tài

nghiên cứu thiết kế chế tạo, thử nghiệm thiết bị điều khiển cho rô bốt ngầm mini hoạt
động trong vùng nước nông của Học viện Hải quân. Tuy nhiên các nghiên cứu trong
nước chưa được 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 [24], [25], [39], các công bố của nghiên cứu
này dựa trên các mô hình đơ
n giản, chưa phải là các mô hình thực tế của các tàu
ngầm hiện đại hiện có.
- Phương tiện ngầm tự hành:
Phương tiện ngầm tự hành (Autonomous Underwater Vehicle – AUV) có nhiều
dạng thiết kế và dùng cho nhiều mục đích khác nhau như hiện các nhiệm vụ khảo
sát, khai thác tài nguyên biển và các nhiệm vụ quốc phòng an ninh. Về kết cấu,
cũng có nhiều loại khác khau, có kiểu thiết kế dạng rô bốt chuyể
n động trong nước
7



bằng các hệ thống đẩy có hướng trục đẩy theo các mặt phẳng khác nhau, có kiểu
thiết kế dạng ngư lôi dùng động cơ đẩy dạng chân vịt (hình 1.3).

Hình 1.3: Phương tiện ngầm tự hành 
Vũ khí chống ngầm (ASWs) là một trong các loại AUV dùng để tiêu diệt các
loại tàu ngầm. Vũ khí chống ngầm có thiết kế dạng ngư lôi thường có kết cấu dạng
thân tròn xoay dài, phía đầu có dạng parabol tròn xoay và đuôi có dạng thon dần để

giảm lực cản thủy động. Hệ thống lái của ASWs có các máy lái điều khiển các bánh
lái gồm hai bánh lái trong mặt phẳng ngang và hai bánh lái trong mặt ph
ẳng đứng,
các bánh lái này có thể được điều khiển riêng biệt hay theo cặp. Một số loại vũ khí
chống ngầm sử dụng bánh lái trong mặt phẳng đứng để điều khiển theo góc hướng
và đồng thời điều khiển giảm lắc, một số loại có vây điều khiển giảm lắc. Hầu hết
các loại vũ khí chống ngầm đều được trang bị
đầu tự dẫn và thiết bị nổ cảm ứng,
điều này cho phép tăng khả năng phát hiện và tiêu diệt mục tiêu. Kích thước, trọng
lượng và tốc độ của ASWs tùy thuộc vào thiết kế.
Các loại vũ khí chống ngầm (tên lửa, ngư lôi) có thể được phóng đi từ tàu chiến
trên mặt nước, tàu ngầm hay thả từ máy bay. Các loại ngư lôi chống ngầm chuyển
động trong nước bở
i lực đẩy của chân vịt, nguồn điện cung cấp cho động cơ để
quay chân vịt thường là nguồn ác quy vì thế ngư lôi thường có khoảng cách làm
việc ngắn, tốc độ chuyển động thấp. Các loại tên lửa chống ngầm chuyển động
trong nước bởi lực đẩy của động cơ phản lực nhiên liệu rắn vì thế tốc độ chuyển
động của tên lử
a chống ngầm nhanh hơn ngư lôi chống ngầm nhưng thời gian làm
việc của động cơ thường ngắn hơn ngư lôi chống ngầm vì vậy trong giai đoạn đầu
8



quỹ đạo chuyển động trong nước của tên lửa chống ngầm thường sử dụng lực trọng
lực để đưa tên lửa về độ sâu nhất định mới mở động cơ hành trình.
Các loại vũ khí chống ngầm hiện có của Hải quân Việt Nam hầu hết là theo
thiết kế của Nga, trong đó có một số loại được thả từ máy bay tiêu diệt tàu ngầm
nh
ư tên lửa chống ngầm AПР-2Э (hình 1.4) [13] hay ngư lôi chống ngầm AT-1MЭ.

Hình 1.4: Mô hình tên lửa chống ngầm AПР-2Э
Cả hai loại vũ khí chống ngầm này trong hệ thống điều khiển có một con quay
ba bậc tự do để xác định góc lắc và đầu tự dẫn thủy âm dạng thụ động có thể phát
hiện được mục tiêu có khoảng cách đến 1500m. Luận án đi sâu vào chủng loại vũ
khí chống ngầm này.
Nguyên lý hoạt động của loại vũ
khí chống ngầm này được mô tả như sau: Trên
cơ sở thông tin mục tiêu nhận được từ các phao thủy âm cảnh giới vùng biển, máy
bay sẽ bay đến vùng có mục tiêu ngầm và thả vũ khí chống ngầm. Giả thiết vũ khí
chống ngầm được thả ở chế độ có dù và rơi đúng điểm chạm nước tính toán (hình
1.5). Sau khi chạm nước vũ khí chống ngầm hoạt động theo chương trình tạo ra qu
ỹ
đạo xoắn hình lò xo. Trong quá trình chuyển động xoắn nếu đầu tự dẫn bắt được
tính hiệu thủy âm của mục tiêu thì sẽ tự động chuyển qua chế độ điều khiển tự dẫn
để đưa vũ khí chống ngầm đến gặp mục tiêu. Trong trường hợp sau khi chuyển
động theo chương trình vẫn không bắt được mục tiêu thì vũ khí chống ngầm sẽ tự
động kích ho
ạt khối thuốc nổ (phần chiến đấu) để tự hủy.
Nguyên nhân của việc không bắt được mục tiêu có thể là:
9



- Trong quá trình rơi trong khí quyển do điều kiện thời tiết (gió) vũ khí chống
ngầm chạm nước ở vị trí xa điểm chạm nước tính toán.
- Vũ khí chống ngầm rời khỏi máy bay không đúng thời cơ thả tính toán.

Hình 1.5: Quỹ đạo mong muốn và quỹ đạo hiệu chỉnh của ASWs
Vũ khí chống ngầm thả từ máy bay hiện có trong biên chế không được trang bị

hệ thống dẫn đường nên không xác định được tọa độ điểm chạm nước. Khi sai số
điểm chạm nước lớn hơn khoảng cách phát hiện mục tiêu của đầu tự dẫn thì sau khi
chuyển động theo chương trình ASWs không th
ể phát hiện được mục tiêu. Để nâng
cao khả năng phát hiện mục tiêu, vấn đề đặt ra là phải đưa thêm thiết bị dẫn đường
quán tính và một số thiết bị đo khác khi cải tiến hoặc sản xuất mới các loại vũ khí
chống ngầm. Các tài liệu đi kèm với các loại vũ khí này do đối tác bàn giao chỉ
mang tính hướng dẫn sử dụng, không thể hiện các tham số động họ
c và thuật toán
điều khiển nó. Trong nước cũng chưa có các báo cáo nghiên cứu về mô tả động học,
dẫn đường và điều khiển các loại vũ khí này. Để tiến tới cải tiến hoặc sản xuất mới
các loại vũ khí chống ngầm như trên đòi hỏi phải có những nghiên cứu có tính phát
triển của riêng Việt Nam. Những nghiên cứu phát triển về giải pháp, học thuật
10



thường phải kèm theo là nghiên cứu về thiết kế công nghệ. Tuy nhiên trong giới hạn
của luận án chỉ tập trung nghiên cứu về giải pháp và học thuật. Việc đưa thêm thiết
bị dẫn đường quán tính vào hệ thống điều khiển cho phép xác định vị trí của vũ khí
chống ngầm và tư thế của nó khi đang rơi ở chế độ có dù trong khí quyển và khi
chuyển động trong nước. Nhờ có thi
ết bị dẫn đường quán tính có thể xác định các
tham số dẫn đường tại điểm chạm nước, từ nguồn thông tin này kết hợp với thông
tin về tọa độ, góc định hướng của ASWs tại điểm tiếp cận quỹ đạo mong muốn
trước khi thả ASWs, hệ thống điều khiển trên ASWs điều khiển hiệu chỉnh quỹ đạo
nhằm đư
a ASWs về điểm tiếp cận quỹ đạo mong muốn tính toán trước (hình 1.5).
Quá trình ASWs rơi trong khí quyển các bánh lái duy trì góc chúc ngóc trong giới
hạn

00
70 75
sao cho khi chạm nước phần đầu của ASWs sẽ tiếp xúc trước. Điểm
chạm nước thực được xác định tại thời điểm có lực va chạm giữa vũ khí chống
ngầm và bề mặt nước, thời điểm này các bánh lái cũng được quy không để tránh lực
va đập và cơ cấu dù được tách ra khỏi vũ khí chống ngầm. Dẫn đường cho ASWs
trong nước bắt đầu t
ừ thời điểm này. Sau khi chạm nước 0.5
s
kênh điều khiển góc
lắc mở để đảm bảo ổn định góc lắc trong giới hạn
0
3

nhằm duy trì sự chuyển động
độc lập của ASWs trong mặt phẳng ngang và mặt phẳng đứng. ASWs lặn theo quán
tính đến độ sâu
20m
thì bắt đầu điều khiển về điểm tiếp cận quỹ đạo mong muốn
tính toán trước.
Luận án đi sâu vào vấn đề xác định quỹ đạo cần hiệu chỉnh và điều khiển vũ khí
chống ngầm chuyển động theo quỹ đạo hiệu chỉnh này.
Mỗi loại vũ khí chống ngầm khi quay trở trong nước bao giờ cũng nằm trong
giới hạ
n của bán kính lượn vòng cho phép vì thế ASWs không thể chuyển động
thẳng từ điểm ở độ sâu 20m sau khi chạm nước đến điểm tiếp cận quỹ đạo mong
muốn sao cho tư thế của ASWs tại điểm tiếp cận quỹ đạo mong muốn trùng với tư
thế tính toán trước tại điểm này.
Để ASWs vừa tiếp cận được quỹ đạo mong muốn vừ
a có tư thế trùng với tư thế

tính toán tại điểm này ta thiết kế một quả cầu có bán kính cho phép
()
n
R
quanh
điểm tiếp cận quỹ đạo mong muốn
()T
, bán kính
n
R phù hợp với bán kính lượn
11



vòng của ASWs. Khi ASWs đi vào trong quả cầu này sẽ bắt đầu quay theo góc
hướng và góc chúc ngóc đi về điểm giao nhau
()C giữa quỹ đạo mong muốn và bề
mặt quả cầu cho phép sao cho tại điểm này tư thế của ASWs trùng với tư thế (góc
hướng
qd

, góc chúc ngóc
qd

) đã tính toán trước. Quỹ đạo hiệu chỉnh khi này vẽ
trong mặt phẳng ngang và mặt phẳng đứng như hình 1.6 và hình 1.7.


Hình 1.6: Quỹ đạo hiệu chỉnh của vũ khí chống ngầm trong mặt phẳng ngang





Hình 1.7: Quỹ đạo hiệu chỉnh của vũ khí chống ngầm trong mặt phẳng đứng
Như vậy điểm kết thúc quá trình dẫn đường và điều khiển hiệu chỉnh quỹ đạo là
điểm giao nhau giữa quỹ đạo mong muốn và bề mặt quả cầ
u cho phép
C
, luận án
chỉ giới hạn giải quyết các vấn đề dẫn đường và điều khiển khi ASWs đi đến điểm
này, quá trình tìm kiếm mục tiêu theo chương trình tiếp theo không xét.
Từ những phân tích ở trên cho thấy 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 ở giai đoạn hiệu chỉnh quỹ
đạo. Việc trang bị thêm thiết bị dẫn đường quán
tính và một số thiết bị đo khác hoàn toàn khả thi.
A
SWs
R

b
X
0
Y

0
X
n
R

A
Ws
R

bán kính vòng xoắn lò xo của
quỹ đạo mong muốn trong mặt phẳng
ngang

LOS


qd


O

T
C
LOS


góc hướng quỹ đạo hiệu chỉnh
tại điểm bắt đầu quá trình điều khiển
b
X
0
X
0
Z

n
R

LOS


qd


O
T
C
LOS

góc chúc ngóc quỹ
đạo hiệu chỉnh tại điểm
bắt đầu quá trình điều
khiển