Xây dựng thuật toán dẫn đường và điều khiển cho phương tiện ngầm

B GIO DC V O TO
B QUC PHềNG
VIN KHOA HC V CễNG NGH QUN S

TRƯƠNG DUY TRUNG

XY DNG THUT TON DN NG
V IU KHIN CHO PHNG TIN NGM

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số : 62 52 02 16

Tóm tắt Luận án tiến sĩ kỹ thuật



Hà nội 2014

Cụng trỡnh c hon thnh ti:
VIN KHOA HC V CễNG NGH QUN S - B QUC PHềNG

Ngi hng dn khoa hc:
1. PGS. TS Trần Đức Thuận
2. TS Nguyễn Quang Vịnh


Phản biện 1: PGS. TS Đinh Văn Nhã
Đại học Bách khoa Hà Nội
Phản biện 2: TS Nguyễn Quang Hải
Viện Kỹ thuật Hải quân
Phản biện 3: TS Nguyễn Vũ
Viện Khoa học và Công nghệ quân sự


Lun ỏn c bo v trc Hi ng chm lun ỏn hp ti:
Vin Khoa hc v Cụng ngh Quõn s vo hi gi ngy thỏng
nm 2014

Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Th vin Vin Khoa hc v Cụng ngh Quõn s
- Th vin quc gia Vit Nam

1

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.
2

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.
3

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

Hình 1.10: Hệ tọa độ gắn liền

4

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
e e e
OX Y Z
(hình 1.9).
1.2.3 Hệ tọa độ địa lý
Hệ tọa độ địa lý cố định (hệ tọa độ dẫn đường)
0 0 0

OX Y Z
(hình 1.9).
1.2.4 Hệ tọa độ gắn liền
Hệ tọa độ gắn liền
b b bb
G X Y Z
(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:
22
0 1 1 2 0 3 1 3 0 2 11 12 13
22
1 2 0 3 0 2 2 3 0 1 21 22 23
22
1 3 0 2 2 3 0 1 0 3 31 32 33
2 2 1 2 2 2 2
2 2 2 2 1 2 2
2 2 2 2 2 2 1
n
b
c c c

C c c c
c c c
         
         
         
   
     
   










(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
n
d
C

giữa hệ tọa độ đế
D D D
OX Y Z

và hệ tọa
địa lý
0 0 0
OX Y Z
. Sau đó tính:
( ) ( ), , , ,
T n T
N E D d dx dy dz
Cf f f n n n
1.21)
;;
N N E E D D
V f V f V f g   
(1.22)
;;
N E D
x V y V z V  
(1.23)

Hình 1.14: Hệ tọa độ địa lý và thiết bị
dẫn đường quán tính có đế dạng giải tích

5

1.3.1.2 Dẫn đƣờng quán tính không đế
Các tham số Rodrig - Hamilton của ma trận
n
b
C
được viết:
0 1 2 3 1 0 3 2
2 3 0 1 3 2 1 0
2 ; 2
2 ; 2
p q r p q r
p q r p q r
       
       
      
      





(1.26)
Thành phần gia tốc trong hệ tọa độ độ địa lý:
n
bb
f C a
(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
6

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
RB
M
và ma trận hướng tâm
RB
C
.


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
,
AA
MC
. (1.25)

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,
7

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
8

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).

Hình 2.4: Sơ đồ xác định tham số dẫn đường khi kết hợp con quay vi
cơ, gia tốc kế và từ kế
k
K

1
()

1
ˆ
()
k
k
FX




()
ˆ
()
k
k
hX



Hiệu chỉnh ma
trận
k
K

R

Q

k
Z

ˆ
k
Z

()
ˆ
k
X


()
ˆ
k
X


()
ˆ
k
X


3 con quay
vi cơ

3 gia tốc
kế
3 từ kế
Các phương

tiện đo
M


n
b
C

y
a

z
a

x
a

0 1 2 3
, , ,
   

E
f

D
f

N
f

g



(0)
D
V





(0)z


z

(0)
E
V



(0)y


y

(0)
N

V



(0)x


x

1 2 0 3
22
01
1 3 0 2
2 3 0 1
22
03
arcsin
22
2 2 1
(2 2 )
22
2 2 1
arctg
arctg



   

   

   
































D
V

E
V

N
V

Xác định tham số dẫn đƣờng
Lọc EKF
9

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
,xy
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
10

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











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
n
d
C
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:
11 12 13 11 4 12 5 13 6
( w w w )
N x y z
V c n c n c n c c c     
(2.130)
21 22 23 21 4 22 5 23 6
( w w w )
E x y z
V c n c n c n c c c     
(2.131)
31 32 33 31 4 32 5 33 6
( w w w )
D x y z
V c n c n c n c c c 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,

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:
0 1 3 2
2
N E D
      
  
(2.86)

1 0 2 3
2
N E D
      
   
(2.87)
2 3 1 0
2
N E D
      
  
(2.88)
3 2 0 1
2
N E D
      
   
(2.89)
Hình 2.6: Quan hệ giữa các hệ tọa độ

11

ta xây dựng được hệ phương trình đại số tuyến tính để xác định được
các phần tử
1,3 1,3( ; )
ij
ijc 
của ma trận Côsin định hướng
n
d

C
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 :
1
* * *
11 12 13
* * *
21 22 23
* * *
31 32 33
()
n b n
b d d
C C C
c c c
c c c
c c c








(2.149)

Hình 2.8: Sơ đồ dẫn đường quán tính có đế
12

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.
13

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:
1 1 1
1
()
( ) ( , ) ( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( )
pl
bl
T
T
J
M C M g M J
MJ
  

  
         
  
   



  








(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:
1
12
( ) [ sin
cos ] ( )
s
yy q w uw td td uq td b
b yy q uu td s
q
q I M M w M u w M u q z B
x B I M M u



 




     
  





(3.19)
3.1.2.2 Phƣơng trình chuyển động trong mặt phẳng ngang
Phương trình chuyển động của ASWs theo hướng:
1
12
( ) [ ]
()
h
zz r v uv td td ur td
zz r uu td h
r
r I N N v N u v N u r
I N N u







    







(3.22)
3.1.2.3 Phƣơng trình chuyển động theo góc lắc
Phương trình chuyển động của ASWs theo góc lắc:
1 1 2
( ) sin ( )
ll
xx p b xx p uu td
p
p I K z B I K K u


  


    



(3.23)
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:
14

1 2 1 2
( ) ( 1) ( 2) ( 1) ( 2) ( )y k a y k a y k bu k b u k 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
15

Đầu vào điều khiển là các góc bẻ lái
( , , )
T
h s l
u
  

; đầu ra hệ
thống là các góc hướng, góc chúc ngóc và góc lắc
( , , )
T
y
  

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:
f

u u v
(3.39)
Với
v
là thành phần để khử nhiễu ngoài và sai số mô hình;
f
u
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:
2
1
1
2
1
1
ˆ
[ ( )]
ˆ
()
ˆ
[ ( )]
i
kj
i
kj
h
ki kj
A
i

j
T
fk k k k
h
kj
A
i
j
e
ue
e












(3.42)
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:
1

1
11
|| ||
ˆ
()
ˆ
(|| || ( ) 0)
ˆˆ
Pr( ( )) || || ( ) 0
k
k
k
k
k k k k
T
k k k k k
k
T
k k k k k k k k k
m hay
Ee
m E e
E e m E e





  


    









neáu
vaø
neáu vaø
(3.62)
1
11
2
ˆ
()
ˆˆ
Pr( ( )) ( )
|| ||
T
k k k k
k k k k k k k k k k
k
Ee
E e E e

   




(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
16

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.
17

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).
18


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
ij
c
cho kết quả

phù hợp với kết quả thực giả định (hình 4.6).
19

0 1 2
0.46
0.47
0.48
c11
0 1 2
0.005
0.01
0.015
c12
0 1 2
0.87
0.88
0.89
c13
0 1 2
0.33
0.34
0.35
c21
0 1 2
0.9
0.92
0.94
c22
0 1 2
-0.2

-0.19
-0.18
c23
0 1 2
-0.82
-0.8
-0.78
c31
0 1 2
0.392
0.394
0.396
c32
0 1 2
0.4
0.42
0.44
c33

Hình 4.6: Các giá trị
ij
c
đúng và tính toán được
4.3 Mô phỏng nhận dạng tham số mô hình vũ khí chống ngầm
4.3.1 Nhận dạng tham số mô hình vũ khí chống ngầm theo góc chúc ngóc
Kết quả nhận dạng theo góc chúc ngóc như hình 4.7 và 4.8

Từ các kết quả nhận dạng theo góc chúc ngóc cho thấy thuật toán đề
xuất có thể ứng dụng để nhận dạng tham số mô hình của ASWs.
4.3.2 Nhận dạng tham số mô hình vũ khí chống ngầm theo góc hướng
Tương tự như nhận dạng theo góc chúc ngóc, mô phỏng nhận dạng theo
hướng cho kết quả ước lượng hội tụ nhanh và sai số sau khi hội tụ nhỏ.
ij
c
đúng
ij
c
tính toán
Hình 4.7: Kết quả nhận dạng
và sai số nhận dạng theo góc
chúc ngóc

Hình 4.8: Giá trị các tham số
mô hình
ˆ

theo góc chúc
ngóc ước lượng được

20

4.4 Mô phỏng điều khiển hồi tiếp đầu ra nơron mờ thích nghi trực
tiếp cho vũ khí chống ngầm
4.4.1 Mô phỏng điều khiển vũ khí chống ngầm theo góc hƣớng

Hình 4.12: Kết quả mô phỏng điều khiển ASWs theo hướng
Kết quả mô phỏng như hình 4.12 cho thấy hệ thống có khả năng

thích nghi khi có ảnh hưởng của dòng chảy đại dương.
4.4.2 Mô phỏng điều khiển vũ khí chống ngầm theo góc chúc ngóc

Hình 4.14: Kết quả mô phỏng điều khiển vũ khí chống ngầm theo góc
chúc ngóc
21

Kết quả mô phỏng như hình 4.14 cho thấy hệ thống có khả năng
thích nghi khi có ảnh hưởng của dòng chảy đại dương.
4.4.3 Mô phỏng điều khiển vũ khí chống ngầm theo góc lắc
Kênh điều khiển theo góc lắc nhằm duy trì góc lắc luôn ổn định
quanh vị trí 0.
4.4.4 Mô phỏng điều khiển hồi tiếp đầu ra nơron mờ thích nghi
trực tiếp cho vũ khí chống ngầm tổng hợp theo góc hƣớng,
góc chúc ngóc và góc lắc
Thông số bộ điều khiển dựa trên các thông số các bộ điều khiển theo
hướng, góc chúc ngóc và góc lắc đã thiết kế. Kết quả mô phỏng so sánh
với bộ điều khiển PD cho thấy thuật toán đề xuất có khả năng thích nghi
tốt (hình 4.18).

Hình 4.18: Kết quả mô phỏng điều khiển ASWs theo góc hướng, góc
chúc ngóc và góc lắc
4.5 Kết luận chƣơng 4
1. Qua kết quả mô phỏng cho thấy thuật toán ứng dụng bộ lọc
Kalman kết hợp các thông tin của các phương tiện đo không quán tính
và quán tính cho ước lượng các tham số Rodrig-Hamilton
0 1 2 3
, , ,
   

phù hợp với tham số thật giả định trong điều kiện con quay vi cơ có độ
trôi và nhiễu đo, các phương tiện đo đều có nhiễu đo.
22

2. Kết quả mô phỏng thủ tục xác định ma trận Côsin định hướng
giữa hệ tọa độ đế và hệ tọa độ địa lý cho thiết bị dẫn đường quán tính có
đế theo phương pháp phối hợp véc tơ vận tốc trong điều kiện có xét
nhiễu đo của gia tốc kế cho thấy kết quả tính toán theo thuật toán đề
nghị phù hợp với giá trị giả định cho cả hai trường hợp thả vũ khí chống
ngầm từ máy bay phản lực và máy bay lên thẳng.
3. Kết quả mô phỏng nhận dạng các tham số mô hình mô tả hai
kênh chuyển động của vũ khí chống ngầm theo thuật toán bình phương
tối thiểu đệ quy cho thấy thời gian hội tụ nhanh, sai số nhận dạng sau
khi hội tụ nhỏ.
4. Ứng dụng bộ điều khiển hồi tiếp đầu ra nơron mờ thích nghi
trực tiếp trong điều khiển đơn kênh và điều khiển tổng hợp một chủng
loại vụ khí chống ngầm cho thấy đáp ứng hệ thống có thời gian xác lập
nhanh, tính thích nghi nhanh và có khả năng đáp ứng với biên độ nhiễu
lớn. Hệ điều khiển nhiều đầu vào, nhiều đầu ra dựa trên nguyên tắc tổng
hợp các hệ đơn kênh nên khối lượng tính toán và tham số cần cập nhật ít
có thể cho phép ứng dụng điều khiển thực.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận
1. Đưa thiết bị dẫn đường quán tính và một số thiết bị đo vào hệ
thống điều khiển của vũ khí chống ngầm thả từ máy bay lên thẳng hay
máy bay phản lực cho phép hiệu chỉnh quỹ đạo chuyển động đưa vũ khí
chống ngầm về điểm tiếp cận với quỹ đạo mong muốn trong điều kiện
điểm chạm nước có sai số.
2. Bổ sung từ kế, vận tốc kế, cảm biến áp suất cho phép ứng dụng
thiết bị dẫn đường quán tính không đế để xác định các tham số dẫn

đường cho vũ khí chống ngầm khi rơi trong khí quyển và khi chuyển
động trong môi trường nước. Nhờ việc áp dụng thuật toán lọc Kalman
phi tuyến mở rộng để xây dựng thuật toán kết hợp thông tin của các
phương tiện đo quán tính với phương tiện đo không quán tính (vận tốc
kế, từ kế, cảm biến áp suất) để xác định các tham số dẫn đường (tham số
định vị và tham số định hướng) trong điều kiện các con quay vi cơ có độ
trôi và nhiễu đo, các thiết bị đo có nhiễu.
23

3. Có thể kết hợp thông tin về vận tốc của máy bay với các thông
tin của các gia tốc kế đặt trên đế của thiết bị dẫn đường quán tính có đế
để xác định ma trận Côsin định hướng giữa hệ tọa độ đế và hệ tọa độ địa
lý cho thiết bị dẫn đường quán tính có đế.
4. Đối với vũ khí chống ngầm nhờ có thuật toán ổn định góc lắc nên
có thể phân chuyển động của nó thành hai chuyển động độc lập: chuyển
động trong mặt phẳng đứng và chuyển động trong mặt phẳng ngang.
Áp dụng phương pháp bình phương tối thiểu đệ quy có thể xây dựng
thuật toán nhận dạng tham số mô hình chuyển động của vũ khí chống
ngầm theo hai mặt phẳng: mặt phẳng đứng và mặt phẳng ngang.
Áp dụng thuật toán điều khiển hồi tiếp đầu ra nơron mờ thích nghi
trực tiếp để tổng hợp lệnh điều khiển cho vũ khí chống ngầm chuyển
động đồng thời theo góc hướng, góc chúc ngóc và ổn định góc lắc trong
điều kiện đầu ra đo được bởi thiết bị dẫn đường quán tính.
5. Các kết quả mô phỏng cho thấy tính đúng đắn của các thuật
toán được đề xuất: thuật toán lọc Kalman kết hợp con quay vi cơ với
gia tốc kế, từ kế, vận tốc kế và cảm biến áp suất xác định tham số
định hướng và tham số định vị, thuật toán kết hợp thông tin của các
gia tốc kế đặt trên đế của thiết bị dẫn đường quán tính và vận tốc kế
của máy bay để xác định ma trận Côsin định hướng giữa hệ tọa độ đế
và hệ tọa độ địa lý cho thiết bị dẫn đường quán tính có đế, thuật toán

nhận dạng tham số mô hình và thuật toán điều khiển hồi tiếp đầu ra
nơron mờ thích nghi trực tiếp cho vũ khí chống ngầm.
6. Luận án đã thực hiện một chu trình hoàn chỉnh từ xây dựng mô
hình toán chuyển động, mô hình hóa, mô phỏng, đề xuất thuật toán nhận
dạng tham số mô hình và xây dựng thuật toán dẫn đường, thuật toán điều
khiển cho vũ khí chống ngầm khi rơi trong khí quyển và khi chuyển động
về điểm tiếp cận quỹ đạo mong muốn.
2. Những đóng góp mới của luận án
- Áp dụng bộ lọc Kalman phi tuyến mở rộng và phương pháp
phối hợp véc tơ vận tốc xây dựng thuật toán xác định tham số dẫn
đường cho vũ khí chống ngầm trong giai đoạn chuyển động trong khí
quyển và chuyển động dưới nước trên cơ sở kết hợp thiết bị dẫn đường
quán tính với từ kế, vận tốc kế và cảm biến áp suất, cụ thể là:
+ Áp dụng lọc Kalman phi tuyến mở rộng xây dựng thuật toán kết hợp
tham số đo của con quay vi cơ có độ trôi và nhiễu với các tham số đo của
gia tốc kế, từ kế có nhiễu để xác định các tham số Rodrig-Hamilton