Tải bản đầy đủ (.pdf) (27 trang)

Nghiên cứu tổng hợp hệ thống tự động bám sát mục tiêu cho đài quan sát trên phương tiện cơ động

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.45 MB, 27 trang )

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

Vũ Quốc Huy

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG
BÁM SÁT MỤC TIÊU CHO ĐÀI QUAN SÁT
TRÊN PHƯƠNG TIỆN CƠ ĐỘNG

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 - 2017


Công trình được hoàn thành tại:
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS. TS Nguyễn Quang Hùng
2. PGS. TS Nguyễn Vũ

Phản biện 1: GS.TS. Lê Hùng Lân
Phản biện 2: PGS.TS. Phạm Trung Dũng


Phản biện 3: PGS. TS Nguyễn Văn Liễn

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tại
Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Hà Nội.
Vào hồi ... giờ ... ngày ... tháng ... năm ...

Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện quốc gia Việt Nam
- Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài luận án
Đài quan sát cơ động được hiểu là đài quan sát (ĐQS) có thể di chuyển
được trong quá trình tác chiến. Đây là một hệ thống bao gồm một cơ hệ
quay/quét [15], [21], [29] có 2 khớp quay trên một bệ gắn liền phương tiện
chuyển động để quan sát mục tiêu bằng camera và đo cự ly từ ĐQS đến
mục tiêu bằng máy đo xa la-de. Cơ cấu chấp hành (CCCH) của cơ hệ là các
động cơ điện. Việc đưa ĐQS lên phương tiện cơ động trước hết để phục vụ
cho chính hệ điều khiển hỏa lực tích hợp trên xe (Hình 0.1); ngoài ra nó còn
mang ý nghĩa chiến thuật khác như giảm thời gian triển khai trận địa và
tăng cường khả năng cơ động cho khí tài để tránh bị tiêu diệt.
Chuyển động của phương tiện sẽ làm cho ĐQS bị lắc, làm đổi hướng và
có thể gây mất đường ngắm đột ngột. Hệ bám sát mục tiêu quan tâm của
luận án có cấu trúc của một hệ ổn định đường ngắm trực tiếp. Những yêu
cầu của chiến tranh công nghệ cao cho thấy tính phức tạp và tính cấp thiết
của bài toán điều khiển bám sát mục tiêu cho các ĐQS cơ động mà chỉ dựa
trên cơ sở lý thuyết điều khiển hiện đại mới giải quyết được. Đây là chủ đề
mang tính đặc thù quân sự, chưa thấy có tài liệu nào công bố trong nước đề

cập, đồng thời nguồn tài liệu ngoài nước rất hạn chế, không tiếp cận được.

Hình 0.1: Sơ đồ nguyên lý hệ bám mục tiêu trên phương tiện cơ động
2. Mục đích nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của luận án là tổng hợp thuật toán điều khiển
truyền động hệ cơ điện quay/quét 2 bậc tự do được gắn camera quan sát và


2
máy đo xa la-de, đặt trên phương tiện cơ giới quân sự nhằm ổn định đường
ngắm, bám sát mục tiêu phục vụ trực tiếp cho hệ điều khiển hỏa lực tích
hợp trên xe cơ động trong chiến đấu; định vị mục tiêu trong hệ tọa độ cố
định mặt đất, hỗ trợ cung cấp phần tử bắn cho trận địa hỏa lực PPK.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống bám của ĐQS cơ động chịu tác động
của sự rung lắc và chuyển hướng của phương tiện. Cấu trúc vật lý của ĐQS
gồm có một cơ hệ quay/quét (phương vị/tà) gắn liền phương tiện; các thiết
bị quang điện tử (camera quan sát, máy đo xa la-de) được gắn lên khối tà;
CCCH sử dụng là khối điều khiển chuyển động hợp bộ (động cơ đồng bộ
kích thích vĩnh cửu PMSM gắn kèm hộp giảm tốc, bộ khuếch đại công suất
phù hợp với động cơ PMSM). Hệ truyền động điện đồng thời làm nhiệm vụ
bắt bám và bù trừ rung lắc.
Phạm vi nghiên cứu: Bài toán ổn định đường ngắm trực tiếp và bám sát
mục tiêu được quan tâm chủ yếu; bài toán định vị mục tiêu trong hệ tọa độ
cố định mặt đất chỉ là phép tính toán dựa trên các phép quay tọa độ. Luận
án không quan tâm các thuật toán xử lý ảnh và coi hệ bám ảnh luôn đưa ra
được sai lệch tâm ảnh. Sai lệch từ hệ quang ảnh sẽ được sử dụng làm cơ sở
phản hồi thông tin về mục tiêu.
4. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển truyền thống và hiện đại; các đặc điểm

của CCCH được sử dụng làm hệ truyền động điện cho ĐQS.
- Xây dựng mô hình toán của ĐQS cơ động theo các khối bao gồm cơ hệ
quay/quét, khối CCCH, khối tính toán sai lệch góc bám và xử lý số liệu đầu
vào cho hệ điều khiển bám góc của ĐQS có tính đến các tham số chuyển
động của phương tiện.
- Nghiên cứu ứng dụng một bộ điều khiển PID truyền thống theo tiêu chuẩn
bền vững để làm cơ sở so sánh, đối chứng.
- Nghiên cứu phát triển luật điều khiển hiện đại có đặc tính tác động nhanh
và bền vững với nhiễu, thích nghi với sự biến đổi của tham số dựa trên lý
thuyết ổn định Lyapunov, hệ thống cấu trúc biến đổi và lô-gic mờ.
- Thiết lập mô phỏng và hướng đến xây dựng mô-đun phần mềm ứng dụng
cài đặt trên máy tính nhúng tích hợp trong tổ hợp phòng không tầm thấp
nhằm đánh giá khả năng áp dụng của thuật toán đề xuất.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Luận án sử dụng phương pháp giải tích, hình học, cơ học trong xây dựng
mô hình đối tượng, trong phát biểu và chứng minh các bổ đề, các định lý.


3
- Luận án tiến hành đo đạc số liệu vào ra của CCCH, đo đạc tham số
chuyển động của phương tiện bánh lốp trên một số tuyến đường ở Hà Nội
để lấy số liệu thực nghiệm đưa vào nhận dạng, mô phỏng.
- Cài đặt, kiểm chứng thuật toán trong MATLAB với thông số cụ thể của
một ĐQS trên phương tiện cơ giới quân sự hiện có trong trang bị của Quân
đội Việt Nam để kiểm chứng hiệu quả của thuật toán đề xuất.
- Triển khai thực tế thông qua việc cài đặt từng phần thuật toán tổng hợp
được trên máy tính nhúng tích hợp trong hệ thống thực.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Luận án nghiên cứu, xây dựng các phương pháp và thuật toán dựa trên
các công cụ của lý thuyết điều khiển hiện đại như điều khiển bền vững, điều

khiển thích nghi, điều khiển trượt truyền thống và trượt đầu cuối, hệ lô-gic
mờ, ứng dụng trong điều khiển đối tượng phi tuyến. Tính đúng đắn của
thuật toán đề xuất được chứng minh toán học và mô phỏng kiểm chứng. Kết
quả nghiên cứu của luận án là cơ sở khoa học để thực thi thuật toán trên
máy tính nhúng tích hợp trong hệ thống khi có nhu cầu thiết kế chế tạo mới
hoặc cải tiến, nâng cao chất lượng bám sát mục tiêu cho ĐQS cơ động.
7. Bố cục của luận án
Mở đầu, 04 chương, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục.
Chương 1: Tổng quan về hệ thống bám sát mục tiêu trên phương tiện cơ động.
Chương 2: Xây dựng mô hình động học của đài quan sát trên cơ sở động
học của các thành phần hệ thống.
Chương 3: Thuật toán điều khiển hệ bám góc mục tiêu của đài quan sát ứng
dụng điều khiển trượt và lô-gic mờ với kỹ thuật phân vùng trạng thái và mặt
trượt đầu cuối nhanh cải tiến.
Chương 4: Mô phỏng thuật toán điều khiển bám góc mục tiêu của đài quan
sát với số liệu thực nghiệm.
Chương 1:
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BÁM SÁT MỤC TIÊU TRÊN
PHƯƠNG TIỆN CƠ ĐỘNG
1.1. Một số hệ thống quan sát, bám sát mục tiêu hiện nay
1.1.1. Hệ thống định vị mục tiêu di động bằng ĐQS cố định
Có thể xem đây như một tay máy có 2 khớp quay trên một bệ đặt cố
định trên mặt đất, có khả năng quay/quét để quan sát mục tiêu bằng camera
và đo cự ly từ ĐQS đến mục tiêu bằng máy đo xa la-de [15], [21], [29],
[37]. Vấn đề còn bỏ ngỏ là ổn định đường ngắm của ĐQS để bám sát mục
tiêu khi phương tiện chuyển động.


4
1.1.2. Hệ thống bám sát mục tiêu di động bằng ĐQS cơ động

Luận án đi theo xu hướng nghiên cứu xem xét hệ thống bao gồm những
hệ thống con phối ghép lại với nhau, từ đó ứng dụng, phát triển các thuật
toán xử lý, các thuật toán tổng hợp hệ thống hiệu quả nhằm tối ưu hóa các
chỉ tiêu chất lượng mong muốn.
Nhận xét: Các hệ thống quan sát, bám sát mục tiêu hiện nay tương đối
giống nhau về cấu trúc vật lý. Tuy nhiên tính mục đích của đối tượng khác
nhau nên sẽ cần có thuật toán tổng hợp khác nhau, đáp ứng chỉ tiêu kỹ thuật
đề ra. Đặc biệt, với ĐQS cơ động, cần xây dựng luật điều khiển bền vững,
tác động nhanh trong khoảng thời gian hữu hạn để bù được những thay đổi
của sự rung lắc có tần số cao và sự chuyển hướng của phương tiện.
1.2. Hệ truyền động bám và cơ cấu chấp hành của hệ truyền động bám
1.2.1. Khái niệm hệ truyền động bám và cấu trúc của hệ điều khiển bám
trên phương tiện cơ động
Hệ truyền động (HTĐ) bám là một hệ thống kín trong đó đầu vào có thể
thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian, đầu ra được điều khiển bám theo đầu
vào với độ chính xác mong muốn [30].

Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển bám trên phương tiện cơ động
1.2.2. Cơ cấu chấp hành của hệ truyền động bám
CCCH của hệ truyền động bám (TĐB) có thể là các động cơ điện (động
cơ DC, động cơ KĐB xoay chiều 3 pha, động cơ bước, đông cơ BLDC,
động cơ PMSM). Đối với cơ cấu chấp hành sử dụng động cơ PMSM, hiện
nay, nhiều thuật toán và phương pháp điều khiển động cơ đã được tích hợp
sẵn trong các bộ biến tần. Tuy nhiên, bản thân các bộ điều khiển sẵn có này
chỉ hoạt động tốt ở chế độ xác lập. Còn ở chế độ bám, do sự thay đổi liên
tục của số liệu đầu vào nên chỉ riêng bộ biến tần sẽ không đáp ứng được
yêu cầu đặt ra, cần bổ sung các bộ điều khiển vòng ngoài.


5

1.3. Tổng quan về tổng hợp hệ thống bám trên cơ sở lý thuyết điều
khiển hiện đại ứng dụng cho điều khiển cơ hệ của ĐQS
1.3.1. Phân loại kỹ thuật điều khiển
1.3.2. Một số phương pháp tổng hợp hệ thống có liên quan
Xem xét cơ hệ quay/quét của ĐQS [15], [29], [37] như một tay máy có
hai khớp quay được truyền động bởi các động cơ điện có liên kết cứng, gắn
liền với sàn của phương tiện cơ động. Với cấu trúc như vậy cơ hệ của ĐQS
là một hệ Euler-Lagrange phi tuyến đa biến. Với việc thiết kế cơ hệ cân
tâm, trọng tâm của các khâu đặt tại tâm của khâu, cũng chính là gốc của các
hệ tọa độ nên trọng lực hầu như không ảnh hưởng tới cơ hệ. Do vậy, động
lực học của cơ hệ có dạng:
(1.2)
D(q)q  C (q, q)q  d  u
* Tổng hợp hệ điều khiển thích nghi bằng phương pháp backstepping.
* Tổng hợp hệ điều khiển thích nghi trên cơ sở mạng nơ-ron.
* Tổng hợp luật điều khiển thích nghi tham số Li-Slotine.
* Hệ lô-gic mờ và ứng dụng trong nhận dạng và điều khiển.
1.3.3. Một số luật điều khiển trượt truyền thống
Đối với những hệ thống chịu ảnh hưởng mạnh của nhiễu và có sự bất
định về tham số, để tổng hợp hệ điều khiển bám có chất lượng cao thì điều
khiển cấu trúc biến đổi hoạt động theo nguyên lý trượt sẽ là lựa chọn tối ưu
nhờ khả năng bất biến với nhiễu tác động lên hệ thống và khắc phục được
các yếu tố bất định [16], [18], [81].
* Thuật toán SMC thông thường:
Chọn mặt trượt có dạng:
(1.8)
S  qe  Iqe hay S  qe  qe
Chọn tác động điều khiển dạng:

u  Bˆ 1u eq  Bˆ 1K sgn(S ) , K  diag (k1 , k2 ,..., kn ); ki  R*


(1.9)

Điều kiện tồn tại chế độ trượt:

ki  b  1 ueq  b(h   0   ); i  1,..., n

(1.23)

* SMC truyền thống với kỹ thuật lớp biên và hàm bão hòa:
Để giảm hiện tượng chattering, trong [80] đã thay hàm dấu trong (1.9) bởi
hàm bão hòa (1.24), sử dụng kỹ thuật lớp biên trong điều khiển trượt [59].
(1.24)

s
sgn pi : si  i
satpi  
; i  1,..., n ; pi  i ; i  0
i
si  i

 pi :


6
* Thuật toán SMC truyền thống sử dụng hàm tích phân bão hòa:
si  i
1:

ti


satPI( pi )   pi  k Ii  pi dt :
si  i ; i  1,..., n
ti 0

1:
si  i

Tác động điều khiển:

u  Bˆ 1u eq  Bˆ 1KsatPI( p)

(1.25)

(1.26)

Giả thiết luôn chọn được k I i đủ lớn thỏa mãn:
(1.27)

 pi  k Ii pi  0; pi  0
; i  1,..., n


 pi  k Ii pi  0; pi  0
Luật điều khiển (1.26) với K chọn theo (1.23) và satPI( p) chọn theo
(1.25) đảm bảo cho sai lệch bám hội tụ về 0 .
1.3.4. Kỹ thuật điều khiển trượt đầu cuối với mặt trượt phi tuyến
Kỹ thuật trượt đầu cuối đã được nhiều học giả đề xuất và ứng dụng vào
điều khiển tay máy [72], [83], [84], [89], cho thấy luật điều khiển đảm bảo
cho độ dốc mặt trượt lớn, khống chế được phạm vi sai lệch bám trong thời

gian hữu hạn, có thể rút ngắn được quá trình quá độ và không phải tạo ra
những thiết bị bù phức tạp.
Mặt trượt đầu cuối (TSM):
(1.33)
si  qei  i qei ri i , với: i , ri  N * ; i , ri lẻ, ri  i ; i  R*
Khi trạng thái của hệ đã nằm trên mặt trượt ( si  0 ), sai lệch bám là:
i ri

i ri

i ri
i qei (0) i
  r  i 
 i
i
trong
t

qei   i t  i

q
(0)

0

s
  i  ei

i ( i  ri )



Mặt trượt đầu cuối nhanh (FTSM):
si  qei   i qei  i qei ri i , i , ri  N * ; i , ri lẻ; ri  i ; i , i  R*

(1.34)

Bổ đề 1.1: (Bổ đề về khoảng thời gian hữu hạn trong TSM/FTSM) [83], [84]
Điểm cân bằng qei  0 của phương trình vi phân liên tục không
Lipschitz (1.33) và (1.34) là điểm ổn định thời gian hữu hạn toàn cục, có
nghĩa là với điều kiện đầu qei (0)  qei 0 trạng thái của hệ hội tụ về 0 trong
thời gian hữu hạn T (qei 0 ) và ở lại trên đó mãi mãi (nếu không có tác động
từ bên ngoài), với:


7

i
T (qe 0 ) 
qe 0
i ( i  ri )
i

i ri
i

i

 i  ri 

 i qe 0

i
; T (qe 0 ) 
ln
 i ( i  ri )
i
(1.33)

i

i

 i

i

(1.34)

Trong đó: i , ri  N ; i , ri lẻ; ri  i ; i , i  R ; i  1, 2 .
*

*

Bổ đề 1.2 [83], [84]: Nếu tìm được một hàm Lyapunov mở rộng V (qei ) đảm
bảo: V (qei )  iV (qei )  iV ri i (qei )  0 , thì thời gian để hệ xác lập là:

 iV  i ri  i (qei 0 )  i
i
, i , ri  N * lẻ ri  i ; i , i  R* .
ln
 i ( i  ri )

i
1.4. Đặt bài toán
Xét ĐQS có mô tả toán học dưới dạng một phương trình EulerLagrange: D(q)q  C (q, q)q  d  u ; D là ma trận quán tính, D=(dij)2x2 và
T (qei 0 ) 

det(D) ≠ 0; C là ma trận coriolis và hướng tâm, C =(cij)2x2; u là véc-tơ mômen tổng quát; q là véc-tơ biến khớp; d là vec-tơ nhiễu do chuyển động
của phương tiện gây ra. Giả thiết:
1) Cơ hệ quay/quét của ĐQS không bị mất cân bằng động học khi quay
quanh tâm của đài. Trọng tâm khối tà và phương vị trùng với tâm của ĐQS.
2) Cơ hệ của ĐQS luôn chịu tác động của nhiễu do sự rung lắc và chuyển
hướng của phương tiện. Nhiễu này gây ra sai lệch góc bám được xác định
từ hệ quang ảnh.
3) Véc-tơ nhiễu d bị chặn trong từng thành phần của nó: di  d0 ; i  1,..., n
Gọi: qd là véc-tơ góc đặt bám; q là véc-tơ góc thực; qe là véc-tơ sai
lệch góc bám, qe  qd  q . Yêu cầu đặt ra là xây dựng được thuật toán điều
khiển để cho qe  0 trong khoảng thời gian hữu hạn.
Kết luận chương: Đối với đối tượng có mô tả toán học dạng phương
trình Euler-Lagrange, các luật điều khiển thích nghi bền vững trên cơ sở kỹ
thuật điều khiển trượt, mạng nơ-ron, lô-gic mờ đang dành được nhiều sự
quan tâm; trong đó vẫn cần phát triển tiếp kỹ thuật lớp biên để hạn chế
chattering. Nhiệm vụ của luận án là tổng hợp luật điều khiển thích nghi với
tham số của hệ thống, đảm bảo hệ thống ổn định bền vững và đưa sai lệch
góc bám hội tụ về 0 trong thời gian hữu hạn, giảm thiểu rung lắc cơ học
trong hệ truyền động. Hướng phát triển kỹ thuật điều khiển trượt FTSM sẽ
là giải pháp tốt cho bài toán ổn định đường ngắm và bám sát mục tiêu của
ĐQS cơ động.


8
Chương 2:

XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CỦA ĐÀI QUAN SÁT TRÊN
CƠ SỞ ĐỘNG HỌC CỦA CÁC THÀNH PHẦN HỆ THỐNG
2.1. Tư thế, vị trí, vận tốc của phương tiện trong hệ tọa độ cố định mặt đất
2.1.1. Các hệ tọa độ tham chiếu
Hệ tọa độ cố định mặt đất, hệ tọa độ chuẩn, hệ tọa độ liên kết, hệ tọa độ
liên kết chuẩn.
2.1.2. Mô tả toán học tư thế phương tiện trong hệ tọa độ cố định mặt đất
(2.4a)
  Bx  By sin  tan   Bz cos tan 

  By cos  Bz sin 

(2.4b)

  By sin  sec  Bz cos  sec

(2.4c)

2.1.3. Mô tả toán học vị trí và vận tốc tịnh tiến của phương tiện trong hệ
tọa độ cố định mặt đất
* Vận tốc tịnh tiến của phương tiện:
(2.12)
v f  aBx  g sin 

v f   aBy  g sin  cos   Bz

(2.13)

v f   aBz  g cos cos  By


(2.14)

* Vị trí của phương tiện:
rox  v f cos  cos

roy  v f cos  sin
roz  v f sin 
2.2. Mô hình động lực học cơ hệ quay/quét của ĐQS
2.2.1. Gắn các hệ tọa độ với cơ hệ của ĐQS
Biểu diễn cơ hệ của ĐQS cơ động như hình 2.4.
2.2.2. Phương trình động lực học kênh tà
J Ez  J Ey 2
J
M Em  Ex  
 sin 2  f E
iE E
2iE E
Với: f E   M Ev  M Ec  M Ed  iEE
2.2.3. Phương trình động lực học kênh phương vị
J Az
1
M Am    
  J Ez  J Ey  sin 2  f A
iA A
iA A
Với: f A   M Av  M Ac  M Ad  iA A

(2.16)
(2.17)
(2.18)


(2.35)
(2.36)
(2.47)
(2.48)


9
2.3. Mô hình khối CCCH biến tần-động cơ PMSM
Khi công suất động cơ được chọn đủ lớn, ở chế độ điều khiển tốc độ,
động học của khối CCCH được mô tả bởi khâu quán tính có hàm truyền:
(2.56)
k
 ( s)

M m ( s)  s  1
Khi biến tần hoạt động ở chế độ điều khiển trực tiếp mô-men, động học
của khối biến tần-động cơ PMSM được mô tả bởi khâu tỉ lệ giữa mô-men
và điện áp điều khiển đưa vào biến tần [39], [93], [94].
(2.57)
M m  k m uv
2.4. Xác định sai lệch góc bám mục tiêu dựa trên độ lệch tâm ảnh của
thiết bị quan sát
(2.63)
 M   M     xM  Px 0  k x ;  M   M     yM  Py 0  k y
2.5. Mô hình toán của ĐQS cơ động
2.5.1. Biểu diễn ĐQS cơ động dưới dạng phương trình Euler-Lagrange
(2.65)
u v  D( q ) q  C ( q , q ) q  d
Với: u v  uvA uvE  ; q      ; d   f A kmA


f E kmE  ;

(2.65a)

 J Az  J Ey sin 2   J Ez cos 2

0 

iA A kmA

D

J Ex 
0


iE E kmE 

J  J Ey
 J Ez  J Ey

 sin 2  Ez
 sin 2 

2iA A kmA
2iA A kmA

C
 J Ez  J Ey


 sin 2
0


 2iE E kmE

M Ad  Bz  J Ez  J Ey  sin2   J Az  J Ey sin 2  J Ez cos 2  Bz

(2.65b)

T

T

T

(2.65c)

1
 Ay  J Ez  J Ey  sin2   Ay  J Ez  J Ey 
2
 Ax Ay J Ay  Ey J Ey cos  Ez J Ez sin   Ay Ax J Ax  Ex J Ex 



 J
 J

M Ed  Ax J Ex  Bz Ay   Ay




Ez

 J Ey  cos 2

1 2
2
Bz  2Bz    Ay
Ez  J Ey  sin 2
2
Với cách chọn C như (2.65c), D  2C sẽ là ma trận đối xứng lệch.



10
2.5.2. Biểu diễn ĐQS cơ động dưới dạng phương trình hồi quy
uv  Y ( q, q, q )  d
 J
   Az
 iA AkmA

J Ey
iA AkmA



Y ( q, q, q )  


0


J Ex
iE E kmE

J Ez
iA AkmA

 sin 2 

 cos 2 

0

0

0




J Ez  J Ey 




(2.66)
(2.66a)


T

 sin 2 

iA A kmA 

(2.66b)

 2 sin 2 

2iE E kmE 

Kết luận chương: Chương 2 đã xây dựng mô hình toán học của ĐQS cơ
động, bao gồm các khối xử lý ảnh; khối cơ hệ quay/quét chịu tác động trực
tiếp của chuyển động phương tiện, khối CCCH gồm động cơ PMSM đi kèm
với bộ khuếch đại công suất; tính toán chuyển đổi sai lệch tâm ảnh sang sai
lệch góc bám nhằm khép kín vòng điều khiển. Kết quả nghiên cứu trong
chương 2 được công bố trong công trình khoa học số 8.
Việc xây dựng mô hình động học của ĐQS cơ động sẽ làm tiền đề để
tổng hợp các thuật toán điều khiển bám góc, đáp ứng chỉ tiêu kỹ chiến thuật
đề ra. Mô hình của khối CCCH và cơ hệ quay/quét được tích hợp dưới dạng
phương trình Euler-Lagrange; dựa trên mô hình này, thuật toán điều khiển
sẽ được thực hiện trong chương 3. Mô hình tính toán chuyển đổi sai lệch
tâm ảnh của mục tiêu từ pixel sang đơn vị radian nhằm đưa ra sai lệch cho
bộ điều khiển hoạt động. Các tính toán này sẽ được luận án đánh giá kết quả
dựa trên thông số thực tế của ĐQS đưa vào mô phỏng trong chương 4.
Chương 3:
THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN HỆ BÁM GÓC MỤC TIÊU CỦA ĐÀI
QUAN SÁT ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT VÀ LÔ-GIC MỜ
VỚI KỸ THUẬT PHÂN VÙNG TRẠNG THÁI VÀ MẶT TRƯỢT

ĐẦU CUỐI NHANH CẢI TIẾN
3.1. Thuật toán PID-ITAE cho ĐQS hoạt động trong chế độ cố định
2.75TAn2
T 3
1.75TAn  1
Hệ số PID-ITAE: K P 
; KI  A n ; KD 
(3.3)
KA / JL

Bộ lọc trước:

G p ( s) 

KA / JL

KA / JL

KI
KD s2  KP s  KI

(3.4)

-

Bước 1: Chọn độ quá chỉnh  % và thời gian xác lập Ts ;

-

Bước 2: Tính  theo công thức  %  100e


 1 2

;


11
- Bước 3: Tính  n theo công thức n  4  Ts ;
- Bước 4: Tính các thông số của bộ điều khiển PID theo (3.3);
- Bước 5: Tính hàm truyền của bộ lọc trước theo (3.4).
3.2. Hệ lô-gic mờ và hàm bão hòa mờ
3.2.1. Hệ lô-gic mờ
Bộ suy luận mờ được thiết kế có dạng SISO với biến đầu vào
 Si  pi  ki sgn pi ; đầu ra là tác động điều khiển bổ sung K Fi . Mờ hóa

 Si bằng hàm thuộc μAj(μSj) dạng Gauss với 5 tập mờ tương ứng với 5 biến
ngôn ngữ j = 1, ...5. Giải mờ bằng phương pháp trọng tâm [6]. Luật mờ:
R1: Nếu  Si  0 (dương lớn – DL) thì K Fi  0 (dương lớn – DL);
R2: Nếu  Si  0 (âm lớn – AL) thì K Fi  0 (âm lớn – AL);
R3: Nếu  Si  0 (dương nhỏ – DN) thì K Fi  0 (dương nhỏ – DN);
R4: Nếu  Si  0 (âm nhỏ – AN) thì K Fi  0 (âm nhỏ – AN);
R5: Nếu  Si  0 (bằng không – BK) thì K Fi  0 (bằng không – BK).
3.2.2. Hàm bão hòa mờ
 kDi si  ki  sgn pi :
si  i
(3.6)
satF ( pi )  
 kDi si  ki  sgn pi  fuzzy( pi  ki sgn pi ) : si  i
fuzzy( pi  ki sgn pi ) là hàm đặc tính mờ có cùng dấu với đối số của nó
và thỏa mãn fuzzy(0i )  0 ; pi  si i ;  i là độ dày biên Bi của mặt trượt

si . Giá trị  i có thể được xác định bằng thuật toán điều khiển thích nghi.

3.3. Thuật toán điều khiển cho ĐQS hoạt động trong chế độ cơ động
3.3.1. Luật điều khiển ASF-VSC cấu trúc biến đổi trượt mờ thích nghi
dựa trên kỹ thuật phân vùng trạng thái và hàm bão hòa mờ
Định lý 3.1: Hệ thống có mô tả toán học bởi (2.65):
uv  D( q ) q  C ( q, q ) q  d , sẽ ổn định tiệm cận và có sai lệch bám qe hội tụ

ˆ  satF ( p)
ˆ  Cq
về 0 với luật điều khiển: uv  Dq
r
r
và mặt trượt:

S  qe  Iqe

(3.7)
(3.8)

trong đó: qr  qd  qe ;   diag (1 , 2 ,..., n ); i  R* ; i  1, 2 ; qe  qd  q
là sai lệch bám; I là ma trận đơn vị; Dˆ , Cˆ là đánh giá của D, C; Dˆ , Cˆ
nhận được thông qua chỉnh định thích nghi ˆ  Km1Y T ( q, q, qr , qr )S ; ˆ là


12
đánh giá của véc-tơ tham số  có các thành phần phụ thuộc mô-men quán
tính của cơ hệ và tham số động học của CCCH; d bị chặn trong từng thành
phần của nó; satF ( p) là hàm bão hòa mờ được định nghĩa theo (3.6).


Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển ASF-VSC
3.3.2. Xây dựng bộ suy luận mờ hoạt động bên trong vùng lân cận mặt
trượt với kỹ thuật phân vùng trạng thái

Hình 3.4: Mô tả biên Bi , mặt trượt, ảnh pha và luật chọn K F


13
Kỹ thuật phân vùng trạng thái: Khi nhiễu làm cho quỹ đạo trạng thái của
hệ ra xa mặt trượt, chọn K F lớn để tăng tính bền vững và đưa quỹ đạo
trạng thái hệ thống tiến nhanh về mặt trượt. Khi quỹ đạo trạng thái của hệ
tiến đến gần mặt trượt, chọn K F nhỏ nhằm giảm mức độ thay đổi của tín
hiệu điều khiển. Khi quỹ đạo trạng thái của hệ đã nằm trên mặt trượt, chọn
K F  0 để loại bỏ sự thay đổi dấu liên tục của tín hiệu điều khiển.
3.3.3. Luật điều khiển cấu trúc biến đổi FTESM-VSC phát triển từ kỹ
thuật trượt đầu cuối nhanh với mặt trượt cải tiến
Phát triển thêm kỹ thuật TSM/FTSM [83], [84], luận án đề xuất chọn
mặt trượt đầu cuối nhanh cải tiến (FTESM - Fast Terminal Extended
Sliding Mode):
si  qei  i  li  qei  i qerii i
(3.26)
Với:

qei  qMTi  qi ; i , ri  N * lẻ, ri  i ; i , i  R* ; qMTi là góc của





mục tiêu; li (qei )  ln qe2i  1   0 ; 0    1 .

Khẳng định 3.1: Với cùng tham số và các điều kiện ban đầu, trượt đầu
cuối nhanh cải tiến (3.26) hội tụ về 0 nhanh hơn so với mặt trượt đầu cuối
nhanh (1.34). Sau khi hội tụ về 0, trạng thái của hệ sẽ ở lại trên đó mãi mãi
(nếu không có tác động từ bên ngoài).
Định lý 3.2: (Định lý về luật điều khiển thời gian hữu hạn)
Xét đối tượng có mô tả động học: q   h ( q, q )  B( q )uv  
với:

B(q)  D1 (q); h(q, q)  B(q)C(q, q)q;   B(q)d ,

trong đó: D là ma trận quán tính, C là ma trận coriolis và hướng tâm của
một cơ hệ Euler-Lagrange 2 biến; uv là tín hiệu điều khiển; q là góc khớp;

d là nhiễu tác động lên cơ hệ.
Giả thiết:
- Xác định được sai lệch góc bám qe  qMT  q ; qMT là góc mục tiêu cần bám;
- Các tham số quán tính trong B( q) và h(q, q) có thể xác định rõ;
- Véc-tơ nhiễu  bị chặn trong từng thành phần:  i   0 ; i  1,..., n .
Luật điều khiển:
uv  B1  q  h  qe  (  L)qe  Q qe  Q2 qe   B 1u c
 2 qe21
2 qe22 
 1
 1
với: Q2  diag  2
,
 ; Q  diag qe11 , qe22 ;
  qe  1  qe2  1  
2
 1








14
  diag ( 1 ,  2 ) ;  i 

ri

; i , ri  N * lẻ, ri   i ; u c  satF là hàm

i
bão hòa mờ định nghĩa theo (3.2);   diag (1 ,  2 ) ;   diag (1 , 2 ) ;

 

 



i , i  R* ; L  diag ln qe2  1 , ln qe2  1 ; 0    1 , sẽ đảm bảo
1

2

cho hệ thống tiến đến mặt trượt:
S  qe  (  L) qe    qe11


T

qe22  ,

và đưa sai lệch góc bám qe hội tụ về 0 trong khoảng thời gian hữu hạn.

Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển FTESM-VSC
* Ngoài biên: qei  0 trong khoảng thời gian hữu hạn không lớn hơn:
 i  ri 

 i qei 0
i
Ts (qei 0 ) 
ln
 i ( i  ri )
i

i

 i



1 kDi si (qei 0 )  ki sgn si (qei 0 )
ln
kDi
ki

(3.45)


* Trong biên: qei  0 trong khoảng thời gian hữu hạn không lớn hơn:


15
 i  ri 

 i qei 0
i
Ts (qei 0 ) 
ln
 i ( i  ri )
i

i

 i



1 k Di si (qei 0 )  ki sgn si (qei 0 )
ln
k Di
ki

(3.51)

3.4. Xác định góc mục tiêu trong hệ tọa độ chuẩn làm đầu vào bám cho
ĐQS khi mục tiêu và phương tiện chuyển động trong hệ tọa độ cố định
mặt đất




1d  arctan  ygM xgM  ; 2d  arctan z gM

2
2
xgM
 ygM



(3.56)

3.5. Xác định góc đường ngắm của ĐQS trong hệ tọa độ chuẩn khi
phương tiện chuyển động trong hệ tọa độ cố định mặt đất
t

a 
1  arctan  22   arctan
 a21 

 v

f

0
t

 v


f



cos  sin dt



;  2  arcsin  a23 

(3.67)

cos  cos dt

0

Kết luận chương: Xem xét động học hệ thống dưới dạng tuyến tính,
chương 3 đã tổng hợp luật điều khiển PID theo chuẩn ITAE đang được sử
dụng cho ĐQS hoạt động trong chế độ cố định, đóng vai trò là bộ điều
khiển đối chứng. Kết quả này này đã được công bố trong các công trình
khoa học số 1, 3. Xem xét mô tả toán học của ĐQS cơ động dưới dạng
phương trình Euler-Lagrange, chương 3 đã tổng hợp và xác lập 2 luật điều
khiển ASF-VSC và FTESM-VSC áp dụng cho trường hợp có đánh giá thích
nghi tham số mô hình đối tượng (ASF-VSC) và trường hợp không cần đánh
giá thích nghi tham số mô hình đối tượng (FTESM-VSC). Kết quả này đã
được công bố trong các công trình khoa học số 2, 6 và 7. Một hướng áp
dụng hiệu quả khác là sử dụng đồng thời cả 2 luật trên, trong đó FTESMVSC là luật điều khiển chủ yếu, còn ASF-VSC được sử dụng với vai trò xác
định tham số hệ thống ban đầu và dự phòng nóng trong việc đánh giá tham
số khi có sự bất định xảy ra. Khi đó ASF-VSC sẽ thực hiện chức năng tự

động dò tìm tham số thực (auto-tuning).
Chương 4:
MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BÁM GÓC MỤC TIÊU
CỦA ĐÀI QUAN SÁT VỚI SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM
4.1. Thông số cơ hệ và chỉ tiêu kỹ thuật của ĐQS
* Cơ cấu chấp hành: Động cơ, biến tần của hãng Delta [92]: Công suất
750W; mô-men cực đại: Tmax  2,39 Nm ; mô-men quán tính động cơ: JM =


16
1,13.10-4kgm2; hệ số ma sát tải: b = 10-3 Nm/(rad/s); hệ số điều chỉnh mômen: KM = 0,717 Nm/V.
* Hộp giảm tốc và tỉ số truyền: Hộp số Harmonic, tỉ số truyền của kênh tà,
phương vị iE  160 , iA  160 , coi hiệu suất  A   E  100% .
* Chỉ tiêu kỹ thuật của ĐQS: Thể hiện trong bảng 4.1.
4.2. Thực nghiệm chủ động thu thập số liệu và nhận dạng
4.2.1. Nhận dạng hàm truyền đạt của khâu biến tần - động cơ PMSM
k
3100,8591
WIM ( s) 

(4.2)
 s  1 0,0483s  1
4.2.2. Thực nghiệm thu thập số liệu chuyển động phương tiện
Số liệu về tham số mô tả chuyển động của phương tiện được đo và ghi
lưu trên một số tuyến đường trong khu Đô thị Việt Hưng, Hà Nội (ĐTVH),
dựa trên thiết bị IMU ADIS16354 và mô-đun GPS. Tốc độ tịnh tiến và các
góc Euler biểu diễn tư thế của phương tiện thể hiện trên hình 4.3 đến 4.5.

Hình 4.3: Góc chuyển hướng của phương tiện trong khu ĐTVH


Hình 4.4: Góc nghiêng của phương tiện trong khu ĐTVH

Hình 4.5: Vận tốc tịnh tiến của phương tiện trong khu ĐTVH


17
Hình 4.6 (a, b, c) thể hiện sự rung lắc và chuyển hướng của phương tiện
trong khu ĐTVH, đo trong 600s. Kết quả đo được thống kê trong bảng 4.2.

a) Tốc độ lắc ngang của sàn xe

b) Tốc độ lắc dọc của sàn xe

c) Tốc độ chuyển hướng của phương tiện
Hình 4.6: Tốc độ góc của phương tiện trong khu ĐTVH
Bảng 4.2: Thông số thực nghiệm một số tuyến đường ở Hà Nội
Thông số đo đạc thực
Vòng xuyến Khu đô thị
Khu ĐTVH
nghiệm (giá trị lớn nhất)
ĐTVH
Sài Đồng
Tốc độ lắc dọc, lắc ngang
±4o/s
±3o/s
±6o/s
o
o
Tốc độ chuyển hướng
±25 /s

±30 /s
±30o/s
Vận tốc phương tiện
60km/h
15km/h
45km/h
Góc nghiêng dọc, nghiêng
±7o
±5o
±5o
ngang của sàn xe


18
4.3. Tính toán góc mở và hệ số quy đổi góc từ đầu ra xử lý ảnh
120  2
90  2
Gx 
 0, 035rad
 0, 046rad ; G y 
(4.4)
16384
16384
Py 16384  640
P
kx  k y  x 

 13907( pixel / rad )
(4.5)
Gx G y

120  2
Giá trị tính toán trong (4.4) cho thấy nếu góc của mục tiêu lớn hơn các
giá trị góc mở (4.4) của camera, mục tiêu sẽ ra khỏi trường nhìn hẹp.
4.4. Mô tả quỹ đạo mục tiêu trong hệ tọa độ cố định mặt đất trong một
số bài huấn luyện thực tế
Hai kịch bản mục tiêu với các thông số trong bảng 4.6 [29] dựa trên một
số bài huấn luyện thực tế trong cPPK 37mm-2N, tạo ra mục tiêu giả, làm đầu
vào cho hệ bám góc để thực hiện mô phỏng thuật toán điều khiển.
Quỹ đạo
bay
Đường thẳng
Vòng tròn

Bảng 4.6: Thông số mô phỏng mục tiêu
Cự ly
Góc hướng
Độ cao
P
(m)
(ly giác)
(m)
(m)
D0
H
P
1t 0
9500
9500

1500

1500

350
350

1000
3000

Vận tốc
(m/s)
v
150
150

4.5. Mô phỏng đánh giá chất lượng hệ thống trong chế độ cố định với
luật điều khiển PID-ITAE
0, 0243
Bộ điều khiển PID:
(4.15)
GC ( s )  0, 0134 
 0, 0023s
s
0, 0243
GP ( s ) 
Bộ tiền xử lí:
(4.16)
2
0, 0023s  0, 0134s  0, 0243

Hình 4.11: Sai lệch góc bám PV với góc nghiêng trong dải ±0,15o

Nhận xét: Với góc nghiêng nhỏ dưới ±0,15o sai lệch góc bám khoảng
5mrad (hình 4.11). Tuy nhiên khi góc nghiêng trong dải ±2o, sai lệch góc
bám tăng lên 10 lần (hình 4.12).


19

Hình 4.12: Sai lệch góc bám PV với góc nghiêng trong dải ±2o

Hình 4.14: Sai lệch góc bám PV với góc nghiêng trong dải ±7o
Nhận xét: Kết quả mô phỏng trên hình 4.14 cho thấy vấn đề ổn định đường
ngắm của ĐQS chịu ảnh hưởng rất lớn của góc nghiêng bệ. Khi góc
nghiêng bệ ĐQS càng lớn thì sai lệch góc bám càng lớn.
4.6. Mô phỏng đánh giá chất lượng hệ thống trong chế độ cơ động với
luật điều khiển FTESM-VSC và kỹ thuật phân vùng trạng thái
4.6.1. Thủ tục thực hiện quá trình mô phỏng
4.6.2. Tham số mô phỏng, suy luận mờ và đáp ứng quá độ của hệ thống
K  diag (0,005;0,005);   diag (7 / 9;7 / 9); T  5 5;   105 ;
  diag (20, 20);   diag (2, 2); K D  diag (5,5); K  diag (10,10);

a) Theo kênh phương vị
b) Theo kênh tà
Hình 4.16: Đặc tính vào ra của hàm satFi theo mô-men chuẩn hóa


20
Khi quá độ, ĐQS có tốc độ góc lớn nhất 120o/s; hệ xác lập trước 1s.

Hình 4.17: Đáp ứng quá độ góc từ 0 ÷ 90o
4.6.3. Kết quả mô phỏng sai lệch góc bám và mô-men điều khiển của

ĐQS cơ động bám mục tiêu với luật FTESM-VSC
* Mô phỏng trong trường hợp điều khiển bám mục tiêu bay thẳng

Hình 4.19: Sai lệch góc bámmục tiêu bay thẳng

Hình 4.21: Mô-men điều khiển trong thời gian 380s ÷ 420s
Nhận xét: Sai lệch góc bám mục tiêu không vượt quá 0,5mrad (hình 4.19).
Ở những thời điểm phương tiện chuyển hướng cần lượng mô-men điều
khiển PV nhiều hơn. Nhìn chung, mô-men điều khiển có đặc tính tốt, không
có chattering (hình 4.21).
* Mô phỏng trong trường hợp điều khiển bám mục tiêu bay vòng

Hình 4.22: Sai lệch góc bám mục tiêu bay vòng


21

Hình 4.24: Mô-men điều khiển trong thời gian 50s ÷ 100s
Nhận xét: Hình 4.22 cho thấy sai lệch góc bám không vượt quá 0,5mrad.
Quan sát mô-men điều khiển trên hình 4.24 trong thời gian 50-100s thấy
rằng mô-men điều khiển có đặc tính mềm, lượng mô-men điều khiển hoàn
toàn đáp ứng được với sự rung lắc và chuyển hướng của phương tiện.
* Mô phỏng trong trường hợp tổng hợp khi có sự thay đổi của góc tà và PV

Hình 4.25: Quỹ đạo xoắn trôn ốc của đường ngắm ĐQS

Hình 4.26: Sai lệch bám quỹ đạo xoắn trôn ốc

Hình 4.27: Mô-men điều khiển bám quỹ đạo xoắn trôn ốc
Nhận xét: Trong điều kiện tổng hợp, luận án đưa lệnh đặt góc tà và góc

phương vị dưới dạng hàm sin và cosin có biên độ thay đổi vào hệ bám góc


22
của ĐQS (hình 4.25). Luật điều khiển FTESM-VSC đảm bảo cho hệ bám
góc chính xác với sai lệch góc bám dưới 0,5mrad (hình 4.26). Chuyển động
của đường ngắm ĐQS có dạng đường xoắn trôn ốc (hình 4.25).
* Mô phỏng kỹ thuật phân vùng trạng thái khi ĐQS bám mục tiêu bay thẳng
- Trường hợp thay đổi độ dày biên từ φT = [5 5]→ φT = [0.5 0.5]:
Vì S là hàm của sai lệch nên khi thu hẹp biên sẽ làm cho sai lệch giảm.
Hình 4.28 thể hiện sai lệch khoảng 0,25mrad. Tuy nhiên mô-men điều
khiển phải thay đổi với tần số cao, không tốt cho cơ hệ (hình 4.29).

Hình 4.28: Sai lệch góc bám khi φT = [0.5 0.5]

Hình 4.29: Mô-men điều khiển khi φT = [0.5 0.5]
- Trường hợp thay đổi độ dày biên từ φT = [5 5]→ φT = [0.2 0.2]: Khi biên
được thu hẹp đồng nghĩa với sai lệch góc bám nhỏ hơn (0,1mrad – hình
4.30), tuy nhiên mô-men điều khiển bị chuyển đổi giá trị với tần số cao
(hình 4.31).

Hình 4.30: Sai lệch góc bám khi φT = [0.2 0.2]


23

STT
1
2
3

4

Hình 4.31: Mô-men điều khiển khi φT = [0.2 0.2]
Bảng 4.7: Tổng hợp kết quả mô phỏng
Chỉ tiêu kỹ thuật
Mô phỏng Yêu cầu
Thời gian chuyển vị trí 0o → 90o (s)
<1
<1
Sai số bám tà lớn nhất (mrad)
±0,5
±2
Sai số bám PV lớn nhất (mrad)
±0,5
±2
Mô-men điều khiển
Không chattering

4.6.3. Một vài nhận xét và khuyến nghị
- Thứ nhất, với cấu trúc ĐQS sẵn có, đặt trên phương tiện cơ động, ta có
thể hoàn toàn có thể chuyển chế độ hoạt động từ bám cố định sang hành
tiến mà không cần phải thay đổi cấu trúc phần cứng hệ thống. Việc sử
dụng CCCH hiện tại hoàn toàn đủ công suất đáp ứng chỉ tiêu về thời
gian chuyển vị trí.
- Thứ hai, khi bệ ĐQS chịu ảnh hưởng của góc nghiêng lớn, việc giới hạn
hành trình khối tà, hoặc do đường ngắm của ĐQS bị che chắn bởi chính
bản thân phương tiện có thể làm cho mục tiêu vượt ra khỏi trường nhìn.
Giải pháp toàn vẹn cho trường hợp này là bổ sung vào hệ thống một hệ
cơ điện truyền động 2 trục trong mặt phẳng ngang (gọi là hệ ổn định
bệ), có nhiệm vụ đảm bảo góc nghiêng của bệ ĐQS trong hệ tọa độ

chuẩn nằm trong giới hạn cho phép, trợ giúp cho hệ bắt bám thực hiện
tốt nhiệm vụ. Lúc này kết quả của luận án cùng với các kết quả nghiên
cứu trong [1] và [19] trở thành lời giải tổng quát cho hệ bắt bám mục
tiêu trên phương tiện cơ động. Nội dung của chương 4 đã được công bố
trong các công trình khoa học số 3, 5, 6, 7, và 8.
KẾT LUẬN
1. Những đóng góp mới của luận án
- Luận án đã đề xuất được thuật toán điều khiển trên cơ sở kỹ thuật điều
khiển trượt và lô-gic mờ xử lý bên trong vùng lân cận của mặt trượt cho


×