Ứng dụng mạng nơron nhận dạng các tham số khí động kênh độ cao nhằm nâng cao hiệu qủa thiết kế thiết bị bay

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ
-----------------------

NGUYỄN ĐỨC THÀNH

ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON NHẬN DẠNG CÁC THAM SỐ KHÍ
ĐỘNG KÊNH ĐỘ CAO NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ THIẾT KẾ
THIẾT BỊ BAY

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội – 2021


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ
-----------------------

NGUYỄN ĐỨC THÀNH

ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON NHẬN DẠNG CÁC THAM SỐ KHÍ
ĐỘNG KÊNH ĐỘ CAO NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ THIẾT KẾ
THIẾT BỊ BAY

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 9.52.02.16

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. Trương Đăng Khoa
2. TS. Hoàng Minh Đắc

Hà Nội - 2021


i

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Những nội
dung, số liệu và kết quả trình bày trong luận án là hồn tồn trung thực và chưa
có tác giả nào cơng bố trong bất cứ một cơng trình nào khác. Các dữ liệu tham
khảo được trích dẫn đầy đủ.

Tác giả luận án

Nguyễn Đức Thành


ii

LỜI CẢM ƠN
Cơng trình nghiên cứu này được thực hiện tại Viện Tên lửa, Viện Tự động

hoá kỹ thuật quân sự thuộc Viện Khoa học và Công nghệ quân sự - Bộ Quốc
phòng.
Tác giả xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới TS. Trương Đăng Khoa và
TS. Hoàng Minh Đắc đã định hướng nghiên cứu và tận tình hướng dẫn, giúp
đỡ trong suốt quá trình thực hiện luận án.
Tác giả luận án xin chân thành cảm ơn thủ trưởng Viện Khoa học và Cơng
nghệ qn sự, Phịng Đào tạo/ Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Viện Tên
lửa, Viện Tự động hoá kỹ thuật quân sự Viện Khoa học và Công nghệ quân sự,
khoa KTĐK Học viện KTQS và các đồng nghiệp đã luôn động viên, quan tâm
và giúp đỡ để tác giả hoàn thành luận án.
Xin chân thành cám ơn các Thầy giáo, các nhà Khoa học và gia đình,
người thân cùng bạn bè đã quan tâm giúp đỡ, đóng góp nhiều ý kiến quý báu,
cổ vũ và động viên tác giả hồn thành cơng trình khoa học này.

NCS Nguyễn Đức Thành


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii
MỤC LỤC ........................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...................................... vi
DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................ x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ......................................................................... xi
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NHẬN DẠNG CÁC HỆ SỐ KHÍ ĐỘNG
CỦA MÁY BAY ............................................................................................... 7
1.1. Nhiệm vụ nhận dạng các đạo hàm hệ số khí động trong quy trình thiết

kế thiết bị bay ................................................................................................. 7
1.1.1. Các giai đoạn thiết kế thiết bị bay ................................................... 7
1.1.2. Mơ hình khí động của thiết bị bay ................................................... 9
1.1.3. Vai trị nhận dạng các đặc tính khí động ....................................... 16
1.2. Nhận dạng các đạo hàm hệ số khí động từ dữ liệu bay ........................ 17
1.2.1. Mơ hình động học chuyển động của máy bay ............................... 18
1.2.2. Thử nghiệm bay, thu nhận dữ liệu ................................................. 19
1.2.3. Ước lượng tham số khí động và xác định trạng thái ..................... 21
1.2.4. Xác nhận mơ hình .......................................................................... 24
1.3. Tình hình nghiên cứu ngồi nước ......................................................... 25
1.4. Tình hình nghiên cứu trong nước ......................................................... 33
1.5. Đặt vấn đề nghiên cứu .......................................................................... 35
1.5.1. Những vấn đề còn tồn tại ............................................................... 35
1.5.2. Xây dựng hướng nghiên cứu của luận án ...................................... 36
1.6. Kết luận chương 1 ................................................................................. 37


iv

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC CHO MỘT LỚP MÁY
BAY CÁNH BẰNG ........................................................................................ 38
2.1. Mơ hình động học máy bay .................................................................. 38
2.1.1. Các hệ tọa độ sử dụng trong mô tả chuyển động của máy bay ..... 38
2.1.2. Các quy ước về chiều và dấu các tác động điều khiển .................. 41
2.1.3. Mơ hình động học phi tuyến .......................................................... 43
2.2. Mơ hình động học máy bay trong kênh độ cao .................................... 48
2.2.1. Mơ hình trạng thái chuyển động phi tuyến .................................... 48
2.2.2. Mơ hình trạng thái chuyển động tuyến tính kênh độ cao .............. 49
2.3. Mơ hình động học dùng cho nhận dạng các đạo hàm hệ số khí động
của thiết bị bay khi ứng dụng mạng nơron nhân tạo ................................... 52

2.3.1. Mơ hình động học thiết bị bay dùng cho mạng nơron nhân tạo .... 52
2.3.2. Mạng nơron đột biến...................................................................... 54
2.4. Kết luận chương 2 ................................................................................. 63
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN NHẬN DẠNG MỘT SỐ ĐẠO
HÀM HỆ SỐ KHÍ ĐỘNG CỦA MÁY BAY ................................................. 64
3.1. Thuật tốn nhận dạng các đạo hàm hệ số khí động của máy bay theo
các phương pháp truyền thống ..................................................................... 64
3.1.1. Thuật tốn nhận dạng các đạo hàm hệ số khí động của máy bay
theo phương pháp hồi quy tuyến tính ...................................................... 64
3.1.2. Thuật toán nhận dạng các đạo hàm hệ số khí động của máy bay
theo phương pháp sai số đầu ra................................................................ 68
3.2. Xây dựng thuật toán nhận dạng các đạo hàm hệ số khí động của máy
bay sử dụng mạng nơron nhân tạo ............................................................... 80
3.2.1. Xây dựng thuật toán nhận dạng các đạo hàm hệ số khí động của
máy bay sử dụng mạng RBF.................................................................... 80


v

3.2.2. Xây dựng thuật toán nhận dạng đạo hàm hệ số khí động của máy
bay ứng dụng mạng nơron đột biến ......................................................... 83
3.3. Kết luận chương 3 ................................................................................. 95
CHƯƠNG 4: MƠ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC THUẬT TỐN NHẬN
DẠNG CÁC ĐẠO HÀM HỆ SỐ KHÍ ĐỘNG CỦA MÁY BAY ................. 96
4.1. Mơ phỏng và đánh giá các thuật tốn nhận dạng các đạo hàm hệ số
khí động của máy bay sử dụng phương pháp truyền thống ......................... 97
4.1.1. Mô phỏng và đánh giá thuật toán nhận dạng các đạo hàm hệ số
khí động theo phương pháp LR ............................................................... 97
4.1.2. Mơ phỏng và đánh giá thuật toán nhận dạng đạo hàm hệ số khí
động theo phương pháp OEM................................................................ 100

4.2. Mơ phỏng và đánh giá thuật toán nhận dạng đạo hàm hệ số khí động
ứng dụng mạng nơron nhân tạo ................................................................. 103
4.2.1. Mơ phỏng và đánh giá thuật tốn nhận dạng đạo hàm hệ số khí
động ứng dụng mạng RBF ..................................................................... 104
4.2.2. Mơ phỏng và đánh giá thuật tốn nhận dạng các đạo hàm hệ số
khí động ứng dụng mạng nơron đột biến ............................................... 109
4.3. Kết luận chương 4 ............................................................................... 116
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................... 118
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .............. 120
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 121
PHỤ LỤC ...........................................................................................................a


vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
1. Danh mục các ký hiệu

, 

Góc tấn cơng, góc trượt  0 

0

Góc tấn cơng đảm bảo cho máy bay ở chế độ bay bằng

,  , 

Góc gật, góc liệng, góc hướng  0 

δe , δr , δa

Góc lệch cánh lái độ cao, cánh lái hướng, cánh lái liệng  0 

δe0

Góc lệch cánh lái độ cao đảm bảo máy bay ở chế độ bay bằng



Mật độ khơng khí  kg / m3 



Sai lệch chuẩn



Véc tơ các tham số mơ hình

 x ,  y ,  z Các thành phần tốc độ góc trong hệ tọa độ liên kết  0 /s 2 


A, B, C, D Ma trận hệ thống tuyến tính

ax , ay , az

Các thành phần gia tốc trong hệ tọa độ liên kết  m / s 2 

bA , bAe

Cung khí động trung bình cánh nâng, cánh lái độ cao  m 

CL , CD

Hệ số lực nâng và hệ số lực cản trong hệ tọa độ tốc độ

CD , CL , m y

Đạo hàm hệ số lực cản, hệ số lực nâng, hệ số mơ men gật theo
góc tấn cơng 1 / 0 



CD , CL , my Đạo hàm hệ số lực cản, hệ số lực nâng, hệ số mô men gật theo
y

y

z

tốc độ góc gật  s / 0 
CD , CL , my
e

e

e

Đạo hàm hệ số lực cản, hệ số lực nâng, hệ số mơ men gật theo

góc lệch cánh lái độ cao 1 / 0 

Cx , C y , Cz Các thành phần hệ số lực khí động trong hệ tọa độ liên kết


vii

F

Véc tơ lực tác động lên thiết bị bay  N 

FA

Véc tơ lực khí động tác động lên thiết bị bay  N 

FG

Véc tơ trọng lực tác động lên thiết bị bay  N 

FP

Véc tơ lực đẩy động cơ tác động lên thiết bị bay  N 

g

Gia tốc trọng trường  m / s 2 

H

Độ cao thiết bị bay  m 

I

Ma trận mô men qn tính  kg.m2 

Ix, I y , Iz

Các mơ men quán tính trong hệ tọa độ liên kết  kg.m2 

l , le

Sải cánh nâng, cánh lái độ cao  m 

L, D

Lực nâng và lực cản trong hệ tọa độ tốc độ  N 

m

Khối lượng của thiết bị bay  kg 

M

Véc tơ mô men tác động lên thiết bị bay  Nm 

MA

Véc tơ mô men khí động tác động lên thiết bị bay  Nm 

MP

Véc tơ mô men lực đẩy động cơ tác động lên thiết bị bay  Nm 

Mx, M y, Mz

Các thành phần mơ men khí động trong hệ tọa độ liên kết  Nm 

mx , my , mz

Các thành phần hệ số mơ men khí động trong hệ tọa độ liên kết

N

Số điểm dữ liệu bay ghi nhận được

Oxyz

Hệ tọa độ liên kết

Oxa ya za

Hệ tọa độ tốc độ

OxE y E z E

Hệ tọa độ mặt đất

Oxg yg zg

Hệ tọa độ mặt đất di động

P

Lực đẩy động cơ  N 


viii

q

Áp suất khí động  N / m3 

R

Ma trận hiệp phương sai sai số

S

Diện tích đặc trưng cánh  m 2 

x

Véc tơ tham số trạng thái

X, Y, Z

Các thành phần lực khí động trong hệ tọa độ liên kết  N 

y, z

Véc tơ tham số đầu ra mơ hình và tập dữ liệu bay

V

Khơng tốc của thiết bị bay  m / s 

Vx , Vy , Vz

Các thành phần tốc độ trong hệ tọa độ liên kết  m / s 
2. Danh mục các chữ viết tắt

2.1. Tiếng Anh
ANN

Artificial Neural Network

Mạng nơron nhân tạo

ACD

Aerodynamic Coefficient

Đạo hàm hệ số khí động

Derivative
BP

Back Propagation

Lan truyền ngược

CFD

Computational Fluid

Tính tốn động học chất lỏng

Dynamics
EKF

Extended Kalman Filter

Bộ lọc Kalman mở rộng

FEM

Filter Error Method

Phương pháp sai số bộ lọc

GN

Gauss – Newton

Thuật toán Gauss – Newton

IF

Integrate and Fire

Tích lũy và kích hoạt

LIF

Leaky Integrate and Fire

Tích lũy và kích hoạt có tổn thất

LS

Least Squares

Bình phương nhỏ nhất

LR

Linear Regression

Hồi quy tuyến tính


ix

ML

Maximum Likelihood

Tựa thực cực đại

MLP

Multilayer Perceptron

Perceptron nhiều lớp

NSEBP

Normalized Spiking Error Lan truyền ngược sai số đột biến
Back Propagation

chuẩn hóa

NGN

Neural Gauss Newton

Mạng nơron Gauss-Newton

OEM

Output Error Method

Phương pháp sai số đầu ra

RBF

Radial Basis Function

Hàm cơ sở xuyên tâm

ReSuMe

Remote Supervised Method

Phương pháp giám sát từ xa

RProp

Resilient Propagation

Lan truyền đàn hồi

SNN

Spiking Neural Networks

Mạng nơron đột biến

SRM

Spike Response Model

Mơ hình đáp ứng đột biến

SpikeProp Spike Propagation

Lan truyền ngược sai số đột biến

UAV

Phương tiện bay không người lái

Unmanned Aerial Vehicle

2.2. Tiếng Việt
ĐHHSKĐ

Đạo hàm hệ số khí động

HSKĐ

Hệ số khí động

HTĐ

Hệ tọa độ

MB

Máy bay

PK-KQ

Phịng khơng - Khơng quân

TBB

Thiết bị bay

TL

Tên lửa


x

DANH MỤC CÁC BẢNG

TRANG

Bảng 4.1. Kết quả nhận dạng các ĐHHSKĐ theo phương pháp LR .............. 97
Bảng 4.2. Sai lệch chuẩn đối với kết quả nhận dạng theo phương pháp LR ....... 97
Bảng 4.3. Sai lệch chuẩn đối với xác nhận mơ hình theo phương pháp LR ... 98
Bảng 4.4. Kết quả nhận dạng các ĐHHSKĐ kênh độ cao theo OEM .......... 100
Bảng 4.5. Sai lệch chuẩn đối với kết quả nhận dạng tham số theo OEM .... 101
Bảng 4.6. Sai lệch chuẩn đối với kết quả xác nhận mô hình theo OEM ...... 102
Bảng 4.7. Sai lệch chuẩn đối với kiểm tra khi luyện mạng nơron RBF........ 105
Bảng 4.8. Kết quả nhận dạng các ĐHHSKĐ theo phương pháp RBF - GN ..... 106
Bảng 4.9. Sai lệch chuẩn đối với nhận dạng theo phương pháp RBF - GN ...... 107
Bảng 4.10. Sai lệch chuẩn xác nhận mơ hình theo phương pháp RBF-GN ...... 108
Bảng 4.11. Sai lệch chuẩn luyện SNN đối với góc gật trong 4 epoch .......... 111
Bảng 4.12. Sai lệch chuẩn luyện SNN các tham số đầu ra sau 4 epoch....... 113
Bảng 4.13. Kết quả nhận dạng các ĐHHSKĐ theo phương pháp SNN-GN..... 114
Bảng 4.14. Sai lệch chuẩn kết quả nhận dạng theo phương pháp SNN-GN ..... 115
Bảng 4.15. Sai lệch chuẩn xác nhận mơ hình theo phương pháp SNN - GN..... 116


xi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

TRANG

Hình 1.1. Sơ đồ quy trình thiết kế thiết bị bay .................................................. 7
Hình 1.2. Ký hiệu quy ước trong hệ tọa độ liên kết của máy bay ................... 10
Hình 1.3. Sơ đồ cấu trúc nhận dạng các ĐHHSKĐ từ dữ liệu bay ................ 18
Hình 1.4. Hai tập dữ liệu bay trong kênh độ cao của máy bay ..................... 20
Hình 2.1. Mối quan hệ giữa hệ tọa độ liên kết so với hệ tọa độ tốc độ .......... 40
Hình 2.2. Mối quan hệ giữa hệ tọa độ liên kết với hệ tọa độ đất di động ...... 41
Hình 2.3. Quy ước về dấu đối với các cánh điều khiển .................................. 42
Hình 2. 4. Các hành vi nơron đột biến............................................................ 56
Hình 2. 5. Đồ thị thời gian của điện thế màng u(t) của nơron LIF ............... 57
Hình 2. 6. Mơ hình SRM.................................................................................. 58
Hình 2.7. Đồ thị biểu diễn đột biến được phát khi u (t )  ung ........................ 60
Hình 3.1. Cấu trúc thuật tốn nhận dạng tham số theo OEM ........................ 75
Hình 3.2. Lưu đồ nhận dạng theo OEM.......................................................... 79
Hình 3.3. Cấu trúc thuật tốn nhận dạng RBF - GN ...................................... 81
Hình 3.4. Cấu trúc mạng nơron RBF cho mơ hình động học kênh độ cao .... 82
Hình 3.5. Lưu đồ thuật tốn nhận dạng đạo hàm hệ số khí động................... 84
Hình 3.6. Phân bố sai số đối với các lớp trong SNN có n lớp ........................ 87
Hình 3.7. Khoảng thời gian t1 , t2  đột biến đầu vào được luyện .................. 88
Hình 3.8. Lưu đồ thuật tốn truyền thẳng cho một lớp nơron........................ 90
Hình 3.9. Lưu đồ thuật toán luyện mạng SNN theo thuật toán NSEBP.......... 91
Hình 3.10. Cấu trúc thuật tốn nhận dạng sử dụng SNN - GN ...................... 92
Hình 3.11. Cấu trúc mơ hình SNN kênh độ cao .............................................. 93
Hình 4.1. Sự phù hợp đầu ra mơ hình với dữ liệu khi nhận dạng theo LR ..... 98
Hình 4.2. Giá trị đạo hàm hệ số khí động thay đổi theo số lần lặp .............. 100
Hình 4.3. Sự phù hợp giữa mơ hình với dữ liệu khi nhận dạng theo OEM ..... 101

xii

Hình 4.4. Sự phù hợp giữa mơ hình với dữ liệu khi xác nhận theo OEM..... 102
Hình 4.5. Kết quả sai số đối với tập kiểm tra khi luyện mạng RBF ............. 104
Hình 4.6. Giá trị các đạo hàm hệ số khí động phụ thuộc bước lặp khi nhận dạng
theo phương pháp RBF - GN ........................................................................ 105
Hình 4.7. Sự phù hợp giữa dữ liệu và mơ hình khi nhận dạng theo phương pháp
RBF - GN ....................................................................................................... 107
Hình 4.8. Mã hóa thời gian - giá trị tham số góc gật .................................... 109
Hình 4.9. Kết quả luyện mạng SNN trong 4 epoch đối với góc gật .............. 110
Hình 4.10. Kết quả luyện SNN trong 4 epoch đối với góc gật...................... 111
Hình 4.11. Kết quả luyện SNN đối với 6 tham số đầu ra .............................. 112


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài luận án
Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các thiết bị bay (TBB) là một lĩnh vực khoa
học và công nghệ hết sức phức tạp, mất rất nhiều thời gian, công sức và kinh tế
[1], [14], [65]. Hiện nay trên thế giới cũng chỉ có những nước có nền tảng khoa
học kỹ thuật và cơng nghệ phát triển mới có thể thực hiện được việc nghiên
cứu, thiết kế, chế tạo TBB. Việc thiết kế chế tạo thiết bị bay là một lĩnh vực rất
rộng, địi hỏi phải có một tiềm lực lớn cả về khoa học cơng nghệ cũng như kinh
tế, có đội ngũ cán bộ khoa học, nhà nghiên cứu, kỹ sư, kỹ thuật viên chuyên
nghiệp cũng như hệ thống các viện, tập đoàn thiết kế chế tạo đủ mạnh. Một dự
án thiết kế chế tạo TBB có liên quan đến rất nhiều ngành khoa học công nghệ,
các lĩnh vực liên quan chặt chẽ đến kỹ thuật điều khiển và tự động hóa (phương
pháp điều khiển, tự động hóa điều khiển, các bài toán nhận dạng, các bài toán
điều khiển tối ưu đa mục đích, thiết kế khí động…), cũng như cơng nghệ vật

liệu, công nghệ chế tạo động cơ, công nghệ điện tử, xử lý tín hiệu, các cơng cụ
phần mềm trong thiết kế cũng như mô phỏng các điều kiện, chế độ hoạt động
và đánh giá hiệu quả.
Trong các bài tốn ổn định và điều khiển, mơ hình động học chuyển động
của TBB thường được xây dựng dưới dạng mô hình trạng thái chuyển động
(thơng qua các lực và mơ men tác động lên TBB) và mơ hình hệ số khí động
(HSKĐ) biểu diễn quan hệ giữa các tham số khí động với các đặc trưng cấu
trúc khí động và điều kiện bay của TBB. Tính chất khí động học của bản thân
TBB thể hiện dưới dạng các đạo hàm hệ số khí động (ĐHHSKĐ). Các phương
trình điều khiển được xây dựng dựa trên mơ hình đối với hệ số khí động của
TBB, trong đó, các tham số điều khiển được xác định thơng qua các ĐHHSKĐ
trên cùng mơ hình của TBB.


2

Trong thiết kế TBB, nhiệm vụ xác định các ĐHHSKĐ của TBB là rất
quan trọng, chất lượng điều khiển TBB phụ thuộc vào độ chính xác của các
ĐHHSKĐ. Việc xác định các ĐHHSKĐ của TBB hết sức phức tạp, các
ĐHHSKĐ của TBB cần thiết kế cần phải đáp ứng các yêu cầu về tính năng kỹ
- chiến thuật, cấu trúc, các tham số đặc trưng, động học của TBB và các điều
kiện môi trường. Do sự phụ thuộc ĐHHSKĐ vào động học bay và điều kiện
mơi trường khí quyển mang tính phi tuyến, khơng dừng và có nhiều mối quan
hệ khơng dễ tính tốn theo các phương pháp giải tích thông thường mà thường
được xác định nhờ nhận dạng.
Khi thiết kế TBB, các ĐHHSKĐ của TBB có thể xác định theo các
phương pháp: phương pháp tính tốn lý thuyết (phương pháp giải tích và
phương pháp số); phương pháp thử nghiệm (phương pháp thử nghiệm mơ hình
trong ống khí động và phương pháp bay thử nghiệm). Trong đó, phương pháp
nhận dạng các ĐHHSKĐ bằng thử nghiệm bay có những ưu điểm hơn so với

các phương pháp tính tốn trên mơ hình lý thuyết và thử nghiệm trên mơ hình
trong ống thổi khí động: có thể cung cấp dữ liệu tương đối đầy đủ và chính xác
hơn các đặc tính khí động của máy bay, áp dụng cho việc mơ hình hóa động
học của thiết bị bay; phục vụ cho các bài tốn xác định khả năng ổn định, phân
tích, tổng hợp các luật điều khiển đối với TBB; đánh giá và kiểm chứng các
tính tốn lý thuyết, các kết quả nhận được về các tham số động học, tham số
khí động TBB khi thử nghiệm mơ hình trên ống thổi khí động; đánh giá và
khẳng định sự phù hợp các yêu cầu đặt ra trong giai đoạn hoàn thiện thiết kế
đối với TBB.
Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, cùng với sự hỗ trợ của các
phương tiện đo hiện đại, phần mềm tính tốn chun dụng và máy tính có tốc
độ cao. Vấn đề nhận dạng các ĐHHSKĐ của TBB từ các tập dữ liệu bay đang
được quan tâm nghiên cứu nhằm phục vụ cho những bài toán thiết kế, chế tạo


3

TBB, hay trong các bài toán cải tiến nâng cao chất lượng khí động của TBB,
cũng như phục vụ bài toán điều khiển.
Với cách đặt vấn đề và xác định trọng tâm nghiên cứu như trên, cho thấy
việc thực hiện luận án “Ứng dụng mạng nơron nhận dạng các tham số khí động
kênh độ cao nhằm nâng cao hiệu quả thiết kế thiết bị bay” là cần thiết và có ý
nghĩa khoa học và thực tiễn cao. Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng cho cơng
tác nghiên cứu, thiết kế, chế tạo TBB, trong việc xây dựng các mô hình mơ
phỏng phục vụ huấn luyện, đào tạo đội ngũ người lái, hỗ trợ việc cải tiến, nâng
cấp một số loại TBB trong trang bị.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Về lý thuyết: Nghiên cứu xây dựng thuật toán nhận dạng các ĐHHSKĐ
sử dụng các tập dữ liệu bay ghi nhận được từ các chuyến bay của một lớp TBB
dạng máy bay cánh bằng, cơ cấu điều khiển khí động làm cơ sở cho việc tính

tốn thiết kế lớp máy bay này.
Về thực nghiệm: Sử dụng công cụ phần mềm Matlab - Simulink để thực
hiện mô phỏng và đánh giá các thuật toán nhận dạng các ĐHHSKĐ của TBB.
3. Nội dung nghiên cứu
Các nội dung nghiên cứu của luận án nhằm mục đích giải quyết ba nhiệm
vụ cơ bản nhất khi nhận dạng các ĐHHSKĐ của TBB:
- Xây dựng các mơ hình động học kênh độ cao cho một lớp máy bay
cánh bằng phục vụ cho nhận dạng các ĐHHSKĐ của TBB.
- Xây dựng cấu trúc mạng nơron hàm cơ sở xuyên tâm (RBF) kết hợp
với thuật toán Gauss – Newton để nhận dạng các ĐHHSKĐ trong kênh độ cao
của máy bay.
- Nghiên cứu mạng nơron đột biến (SNN), thuật toán lan truyền ngược
sai số đột biến chuẩn hóa (NSEBP) sử dụng mơ hình nơron SRM0 để luyện
SNN; xây dựng cấu trúc SNN để luyện mạng với dữ liệu là các tham số chuyển


4

động và điều khiển kênh độ cao. Ứng dụng SNN để nhận dạng các ĐHHSKĐ
kênh độ cao của máy bay.
Để thực hiện các bài toán này cần nghiên cứu những nội dung sau:
- Tổng quan về các vấn đề nhận dạng và ước lượng các tham số; các
phương pháp nhận dạng các ĐHHSKĐ của TBB.
- Nghiên cứu tổng quan về các HTĐ sử dụng trong việc nhận dạng tham
số và điều khiển TBB, xây dựng hệ phương trình động học đầy đủ của TBB.
Xây dựng mơ hình động học phi tuyến và tuyến tính trong kênh độ cao cho MB
cánh bằng.
- Xây dựng các mơ hình và thuật tốn nhận dạng các ĐHHSKĐ từ dữ
liệu bay theo các phương pháp truyền thống.
- Nghiên cứu về cấu trúc và nguyên tắc hoạt động của mạng nơron hàm

cơ sở (RBF), sử dụng mạng nơron RBF xấp xỉ gần đúng mơ hình động học
TTB phục vụ cho bài toán nhận dạng các ĐHHSKĐ.
- Nghiên cứu về cấu trúc và nguyên tắc hoạt động, các thuật toán luyện
SNN, sử dụng SNN trong bài toán nhận dạng các ĐHHSKĐ của TBB.
- Sử dụng phần mềm Matlab - Simulink để mô phỏng và đánh giá chất
lượng nhận dạng theo các thuật toán nhận dạng. Nhận xét, so sánh các kết quả
giữa các phương pháp nhận dạng khác nhau làm cơ sở để phân tích hiệu quả và
những hạn chế cho thuật toán đề xuất.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu trong luận án là mơ hình động học và các thuật
tốn nhận dạng ĐHHSKĐ của một lớp TTB dạng máy bay cánh bằng, cơ cấu
điều khiển dạng khí động.
Phạm vi nghiên cứu: Luận án tiến hành nhận dạng một số ĐHHSKĐ
quan trọng trong kênh độ cao của TBB sử dụng các tập dữ liệu bay ghi nhận
được từ các chuyến bay.


5

5. Phương pháp nghiên cứu
Luận án chọn phương pháp nghiên cứu lý thuyết xây dựng các mơ hình
động học của máy bay, xây dựng các thuật toán nhận dạng các đạo hàm hệ số
khí động của máy bay sử dụng các tập dữ liệu bay ghi nhận từ các chuyến bay.
Sử dụng phần mềm Matlab - Simulink để đánh giá và mơ phỏng kiểm
chứng chất lượng các thuật tốn nhận dạng các đạo hàm hệ số khí động từ các
tập dữ liệu bay thực tế của máy bay. Nhận xét, so sánh các kết quả giữa các
phương pháp nhận dạng khác nhau để minh chứng cho thuật toán đề xuất.
6. Ý nghĩa khoa học, thực tiễn
Ý nghĩa khoa học
- Phát triển thuật toán nhận dạng các ĐHHSKĐ cho một lớp máy bay

cánh bằng cố định có độ cơ động cao theo các tập dữ liệu ghi nhận được từ các
chuyến bay thực tế khi sử dụng ANN đóng vai trị mơ hình trạng thái chuyển
động của máy bay;
- Nghiên cứu và ứng dụng mạng nơron thế hệ mới – mạng nơron đột biến
(SNN) với thuật toán Gauss - Newton để nhận dạng các ĐHHSKĐ của TBB.
Đây là cơ sở khoa học phục vụ cho việc thiết kế, chế tạo mới hoặc khai thác
các loại TBB.
Ý nghĩa thực tiễn
Việc nghiên cứu nhận dạng các ĐHHSKĐ trong kênh độ cao của máy
bay theo các tập dữ liệu ghi nhận được từ các chuyến bay thực tế sẽ cung cấp
cơ sở lý thuyết và thực nghiệm cho việc đánh giá các ĐHHSKĐ trong giai đoạn
thiết kế TBB, nâng cao độ chính xác và rút ngắn thời gian trong tồn bộ q
trình thiết kế một lớp TBB.
7. Bố cục của luận án
Luận án được bố cục bao gồm các phần: mở đầu, nội dung, kết luận, tài
liệu tham khảo, phụ lục. Phần nội dung trình bày trong bốn chương.


6

Chương 1. Tổng quan về nhận dạng các ĐHHSKĐ của TBB. Trong đó,
sẽ trình bày vai trị, nhiệm vụ của việc nhận dạng ĐHHSKĐ trong quá trình
thiết kế, chế tạo TBB. Từ mơ hình lực và mơ men khí động, xác định được mơ
hình đối với các HSKĐ trong kênh độ cao, qua đó xác định được các ĐHHSKĐ
trong kênh độ cao của TBB cần phải nhận dạng; xây dựng sơ đồ cấu trúc quá
trình nhận dạng các ĐHHSKĐ từ các tập dữ liệu bay của TBB; đánh giá tình
hình nghiên cứu, thiết kế TBB trong và ngoài nước, làm cơ sở để đặt ra các vấn
đề cần nghiên cứu cho luận án.
Chương 2. Xây dựng mơ hình động học chuyển động trong kênh độ cao
của một lớp máy bay cánh bằng: xây dựng mơ hình động học phi tuyến đủ của

MB; xây dựng mơ hình động học phi tuyến kênh độ cao của MB; xây dựng mơ
hình động học tuyến tính hóa kênh độ cao của MB; xác định các mơ hình động
học sử dụng cho các phương pháp nhận dạng các ĐHHSKĐ ứng dụng ANN.
Chương 3. Xây dựng các thuật toán nhận dạng các ĐHHSKĐ kênh độ
cao của máy bay theo các phương pháp truyền thống. Đề xuất ứng dụng mạng
nơron hàm cơ sở xuyên tâm (RBF) và mạng nơron đột biến (SNN) để nhận
dạng các ĐHHSKĐ này. Trong đó, cần phải thực hiện các nhiệm vụ: xây dựng
cấu trúc mơ hình mạng RBF (SNN) để luyện mạng với tập dữ liệu bay kênh độ
cao; xây dựng các thuật toán để luyện SNN; xây dựng thuật toán nhận dạng các
ĐHHSKĐ khi kết hợp mạng RBF (SNN) với thuật toán Gauss - Newton.
Chương 4. Trọng tâm của chương này là sử dụng công cụ phần mềm
Matlab - Simulink để mơ phỏng và đánh giá các thuật tốn nhận dạng các
ĐHHSKĐ trong kênh độ cao của máy bay đã được xây dựng ở chương 3 cùng
với các mơ hình động học và mơ hình HSKĐ kênh độ cao của MB được xác
định ở chương 2. Các tập dữ liệu bay ghi nhận được sử dụng để mô phỏng và
đánh giá các thuật toán nhận dạng các ĐHHSKĐ được lấy từ hệ thống tự động
ghi tham số trên các chuyến bay thực tế của MB Su-D.


7

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NHẬN DẠNG CÁC HỆ SỐ KHÍ ĐỘNG
CỦA MÁY BAY
1.1. Nhiệm vụ nhận dạng các đạo hàm hệ số khí động trong quy trình thiết
kế thiết bị bay
1.1.1. Các giai đoạn thiết kế thiết bị bay
Thiết kế chế tạo TBB là một dự án phức tạp [2], [55], [65]. Trong thực
tế, quá trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo TBB được thực hiện theo một quy
trình chung gồm có những bước theo thứ tự như hình 1.1.
Xác định các ĐHHSKĐ

Thử nghiệm ống
thổi khí động

Phương pháp
tính tốn
Thiết kế
sơ bộ

Thiết kế
kỹ thuật

Đặt yêu cầu và lựa
chọn giải pháp

Thiết kế
thi cơng

Thử nghiệm
bay

Sản xuất mẫu
và thử nghiệm

Lập dự án
thiết kế

Hình 1.1. Sơ đồ quy trình thiết kế thiết bị bay
Qua nghiên cứu tài liệu về thiết kế, chế tạo, thử nghiệm TBB, có thể chia
quy trình thiết kế thành các giai đoạn sau:
Giai đoạn đặt yêu cầu và lựa chọn giải pháp

Dựa trên các yêu cầu đối với TBB cần thiết kế, cần phải chỉ ra mức độ
cải tiến của TBB (nếu dự án dựa trên thiết kế đã có trước đó) hoặc các u cầu
hồn tồn mới về cấu trúc, tính năng, chỉ tiêu chiến – kỹ thuật; từ đó đưa ra các
yêu cầu và giải pháp thiết kế phù hợp.


8

Các yêu cầu cần phải xác định trong giai đoạn này: Kích thước và khối
lượng giới hạn, vật liệu sử dụng trong chế tạo TBB cần thiết kế, điều kiện khai
thác sử dụng, hiệu quả kinh tế kỹ thuật…
Giải pháp kỹ thuật cơ bản cần phải xác định: số lượng, kiểu dạng động
cơ, giải pháp kỹ thuật hệ thống phát hiện và theo dõi mục tiêu, phóng và dẫn
tên lửa đến mục tiêu (đối với máy bay) hoặc phương pháp bám sát, điều kiển
quỹ đạo bay tiếp cận mục tiêu (đối với tên lửa)...
Giai đoạn thiết kế sơ bộ
Nhiệm vụ chính của giai đoạn này là thực hiện chọn cấu hình, hình dạng
bên ngồi, xác định được cấu trúc phân hệ của TBB (hệ thống động lực, hệ
thống điều khiển, hệ thống quan sát không gian…). Đối với các TBB dạng thiết
kế hồn tồn mới, cần phải tính tốn các tham số hình học, dạng sơ đồ cấu trúc
khí động, các tham số cơ bản về cấu trúc thân, cánh, vỏ…; đối với các TBB
dạng thiết kế có sẵn cần phải chỉnh sửa và hiệu chỉnh lại sơ đồ thiết kế trước đó
theo yêu cầu nhiệm vụ mới đặt ra.
Với những cấu trúc thiết kế đã chọn, trong giai đoạn này cần tiến hành
mơ phỏng trên các mơ hình nhằm đưa ra đánh giá bộ tham số về hình dạng khí
động và bố trí cấu trúc các thành phần của thiết bị bay thỏa mãn các yêu cầu
đặt ra.
Giai đoạn thiết kế kỹ thuật
Trên cơ sở bộ tài liệu thiết kế sơ bộ, các bộ phận thiết kế cần phải tính
tốn thiết kế chi tiết cho các hệ thống cấu thành của thiết bị bay theo tiêu chuẩn

thiết kế. Giai đoạn thiết kế này rất quan trọng, quyết định đến khả năng thực
hiện các chức năng của các hệ thống. Sản phẩm đầu ra của giai đoạn thiết kế
này là các bộ bản vẽ cấu trúc tổng thể, các bản vẽ chi tiết (hoặc chương trình
phần mềm) tính tốn thiết kế cho từng phần tử, chi tiết kỹ thuật trong mỗi hệ
thống.


9

Giai đoạn thiết kế thi công
Từ các bộ bản vẽ (chương trình phần mềm) thiết kế kỹ thuật, giai đoạn
này cần phải hình thành các bản vẽ thi cơng một cách chi tiết, các quy trình
cơng nghệ, thiết bị phương tiện dùng trong thi công từng chi tiết đơn cũng như
các cụm chi tiết cấu thành hệ thống của TBB.
Dựa trên các bản vẽ và quy trình cơng nghệ, các chi tiết sản phẩm sẽ
được gia công chế tạo (nếu là chi tiết cơ khí), hoặc tích hợp cài đặt thuật tốn,
chương trình phần mềm (với các modul điện tử điều khiển), sau đó sẽ được
kiểm tra đánh giá chất lượng theo bộ chỉ tiêu đánh giá. Nếu kết quả không đạt
cần phải gia công lại hoặc chỉnh sửa chương trình phần mềm thuật tốn. Tiếp
theo đó, các cụm chi tiết cũng được tổ hợp, lắp ráp kiểm tra và hoàn thiện.
Giai đoạn sản xuất nguyên mẫu và thử nghiệm bay
Trên cơ sở bộ tài liệu thiết kế kỹ thuật, thi công, cơ quan thiết kế phải
kết hợp chặt chẽ với các cơ sở chế tạo từng cụm khối cụ thể để xây dựng bộ tài
liệu, quy định rất chặt chẽ các yêu cầu kỹ thuật của từng chi tiết, từng đơn vị
lắp ráp và có quy trình cơng nghệ chế tạo cho đến từng cơng đoạn, ví dụ bản vẽ
các khn mẫu, quy trình gia cơng v.v...trên cơ sở các cụm, khối, hệ thống đã
được thiết kế thực hiện việc lắp ráp theo từng hệ thống, kiểm tra chất lượng và
lắp ráp hoàn chỉnh TBB. Trước khi thực hiện bay thử cần phải có sự đánh giá
kiểm tra nghiêm ngặt theo phân cấp và được cho phép thử nghiệm bay.
Mỗi giai đoạn thiết kế có thể khơng nhận được các kết quả mong muốn.

Trong trường hợp này cần phải quay lại các giai đoạn thiết kế trước đó và có
thể phải bắt đầu lại tồn bộ.
1.1.2. Mơ hình khí động của thiết bị bay
Xem xét hình dạng cấu trúc một loại máy bay dạng cánh bằng thơng
thường (hình 1.2), khi biểu diễn các tham số chuyển động của máy bay trong


10

hệ tọa độ liên kết và hệ tọa độ tốc độ sử dụng các ký hiệu như sau [32]:

Hình 1.2. Ký hiệu quy ước trong hệ tọa độ liên kết của máy bay
-  ,  - góc tấn cơng và góc trượt;
- V - khơng tốc của máy bay;
- X , Y , Z - các thành phần lực khí động tác động lên MB xác định trong
HTĐ liên kết;
- Mx , My , Mz - các thành phần mơ men khí động tác động lên MB xác
định trong HTĐ liên kết;
- Vx , Vy , Vz - các thành phần tốc độ máy bay trong HTĐ liên kết;
- x ,y , z - các thành phần tốc độ góc trong HTĐ liên kết;
- a, e, r - góc lệch cánh lái liệng, cánh lái độ cao và cánh lái hướng.
1.1.2.1 Phương trình động lực học
Tất cả các bài toán nhận dạng động học dùng cho TBB đều phải dựa trên
các mơ hình động học mơ tả chuyển động của TBB (chuyển động tịnh tiến và
chuyển động quay) cùng các tập dữ liệu mang thông tin về biến đầu vào, trạng
thái, đầu ra. Phương trình chuyển động cơ bản của máy bay dạng véc tơ được
xác định như sau [32]:


11

F  mV  ω  mV  FG ( )  FP  FA( V,ω,u,θ )

(1.1)

M  Iω  ω  Iω  M P  M A ( V, ω, u, θ )

(1.2)

trong đó:
-   các góc Euler biểu diễn tư thế máy bay so với HTĐ đất;
- u - véc tơ tác động điều khiển;
- F  lực tác động tổng ( FG  trọng lực; FP  lực đẩy động cơ; F A 
lực khí động);
- M  mô men tác động tổng ( M P  mô men do lực đẩy động cơ sinh
ra, M A  mơ men do lực khí động sinh ra);
-  - véc tơ các tham số mơ hình;
- I - ma trận quán tính;
- m - khối lượng TBB.
Nhận dạng các ĐHHSKĐ sẽ tập trung vào việc xác định cấu trúc mơ
hình đối với lực khí động ( FA ) và mơ men khí động ( M A ); ước lượng các tham
số chưa biết trong các cấu trúc mơ hình đó, dựa trên dữ liệu bay ghi nhận được.
Cấu trúc mơ hình đối với F A và M A được gọi là các mơ hình khí động,
được xác định trong HTĐ liên kết như sau [14]:

X 
Cx 
FA   Y  = qS Cy 
 
 

 Z 
Cz 

(1.3)

M x 
 l.mx 
M A   M y   qS bA .my 
 


 M z 
 l.mz 

(1.4)

trong đó:
- Cx , Cy , Cz - các thành phần hệ số lực khí động trong HTĐ liên kết;
- mx , my , mz - các thành phần hệ số mơ men khí động trong HTĐ liên kết;