Luận án Tiến sĩ: Ứng dụng Mạng Nơron Nhận dạng Tham số Khí Động Nâng cao Hiệu quả Thiết kế Thiết bị Bay

Luận án tiến sĩ ứng dụng mạng nơron để nhận dạng tham số khí động kênh độ cao, tối ưu hóa thiết kế thiết bị bay. Nghiên cứu đột phá nâng cao hiệu quả bay.

• Tác giả: Nguyễn Đức Thành
• Người hướng dẫn: TS. Trương Đăng Khoa
• Trường học: Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Ứng dụng mạng nơron nhận dạng các tham số khí động kênh độ cao nhằm nâng cao hiệu quả thiết kế thiết bị bay
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về nhận dạng tham số khí động thiết bị bay

Nhận dạng các tham số khí động đóng vai trò then chốt trong quy trình thiết kế thiết bị bay. Các tham số khí động bao gồm hệ số lực, hệ số mô men, các đạo hàm khí động học... Chúng quyết định trực tiếp đến hiệu suất bay như tốc độ cực đại, khả năng cơ động, trần bay và cự ly hoạt động. Quá trình nhận dạng được thực hiện dựa trên dữ liệu thử nghiệm từ mô hình trong ống thổi khí động hoặc dữ liệu bay thực tế. Mối quan hệ giữa các tham số khí động và đặc tính bay mang tính phi tuyến cao, phức tạp, nhiều chiều. Phương pháp truyền thống sử dụng hồi quy tuyến tính có hạn chế trong việc mô tả các đặc tính phi tuyến này.Ứng dụng mạng nơron nhân tạo mở ra hướng tiếp cận mới cho bài toán nhận dạng tham số khí động.

1.1. Vai trò của tham số khí động trong thiết kế

Tham số khí động là đại lượng đặc trưng cho lực và mô men tác dụng lên thiết bị bay trong quá trình chuyển động. Các đại lượng này bao gồm hệ số lực nâng, lực cản, mô men pitching, các đạo hàm ổn định và điều khiển. Giá trị của chúng phụ thuộc vào hình dạng khí động học, góc tấn, Mach số và các điều kiện bay. Thiết kế sơ bộ và chi tiết thiết bị bay đều cần đến các giá trị tham số khí động chính xác. Sai lệch trong xác định tham số khí động dẫn đến thiết kế không đáp ứng yêu cầu chiến kỹ thuật.

1.2. Các phương pháp nhận dạng truyền thống

Phương pháp hồi quy tuyến tính là kỹ thuật truyền thống được sử dụng rộng rãi trong nhận dạng tham số khí động. Phương pháp này xây dựng mô hình tuyến tính dựa trên dữ liệu bay thử nghiệm.Ước lượng tham số sử dụng thuật toán bình phương tối thiểu hoặc thuật toán Gauss-Newton. Tuy nhiên, mô hình tuyến tính hóa chỉ chính xác trong vùng làm việc nhỏ quanh điểm cân bằng. Các phương pháp truyền thống khó xử lý tốt các hiện tượng phi tuyến mạnh của khí động học. Đây là hạn chế lớn khi áp dụng cho thiết kế thiết bị bay hiện đại.

II. Thách thức nhận dạng tham số khí động kênh độ cao

Kênh độ cao là một trong những kênh điều khiển quan trọng nhất của thiết bị bay. Nhận dạng tham số khí động kênh độ cao đối mặt với nhiều thách thức đặc thù. Mô hình động học kênh độ cao liên quan đến nhiều biến trạng thái: độ cao, tốc độ hành trình, góc pitch. Các tham số khí động trong kênh này có mối tương quan phức tạp, phụ thuộc lẫn nhau. Dữ liệu bay thực tế thường chứa nhiễu đo lường và sai số cảm biến.Điều kiện bay thay đổi liên tục theo thời gian tạo ra tính phi tuyến và phi tuyến tính mạnh.

2.1. Mô hình động học kênh độ cao

Mô hình động học kênh độ cao mô tả chuyển động dọc của thiết bị bay trong mặt phẳng đứng. Biến trạng thái bao gồm độ cao, tốc độ hành trình, góc pitch và tốc độ góc pitch. Phương trình trạng thái phi tuyến liên quan đến các tham số khí động như đạo hàm lực nâng theo góc tấn, đạo hàm mô men pitching. Mô hình này có tính chất liên tục, phi tuyến và phức tạp. Xây dựng mô hình chính xác là điều kiện tiên quyết cho quá trình nhận dạng tham số khí động.

2.2. Vấn đề nhiễu và dữ liệu bay thực tế

Dữ liệu bay thực tế thu được từ các chuyến bay thử nghiệm luôn chứa nhiễu đo lường. Nhiễu phát sinh từ cảm biến gia tốc, con quay hồi chuyển, cảm biến áp suất. Nhiễu gió và nhiễu khí quyển cũng ảnh hưởng đến dữ liệu. Việc lọc nhiễu và xử lý dữ liệu tiền xử lý là bước quan trọng. Chất lượng dữ liệu đầu vào quyết định trực tiếp độ chính xác của kết quả nhận dạng tham số khí động.

III. Ứng dụng mạng nơron nhận dạng tham số khí động

Mạng nơron nhân tạo cung cấp khả năng xấp xỉ phi tuyến mạnh mẽ cho bài toán nhận dạng. Phương pháp sử dụng mạng ANN thế hệ thứ hai và mạng nơron đột biến được đề xuất trong nghiên cứu. Mạng nơron học được mối quan hệ phi tuyến phức tạp giữa đầu vào và đầu ra từ dữ liệu huấn luyện. Thuật toán học bao gồm phương pháp SpikeProp và phương pháp lan truyền ngược sai số NSEBP. Phương pháp nhận dạng sử dụng thuật toán ML theo sai số đầu ra kết hợp thuật toán Gauss-Newton.

3.1. Mạng nơron nhân tạo thế hệ thứ hai

Mạng ANN thế hệ thứ hai sử dụng hàm kích hoạt phi tuyến phức tạp hơn mạng truyền thống. Cấu trúc mạng bao gồm lớp đầu vào, các lớp ẩn và lớp đầu ra. Thuật toán học lan truyền ngược cải tiến giúp mạng hội tụ nhanh hơn. Khả năng học và khái quát hóa của mạng cho phép mô tả chính xác các đặc tính phi tuyến. Kết quả nhận dạng từ mạng ANN được so sánh với phương pháp hồi quy tuyến tính truyền thống để đánh giá hiệu quả.

3.2. Mạng nơron đột biến SNN

Mạng nơron đột biến SNN là mô hình nơron sinh học mô phỏng quá trình phát xung của nơron thực. SNN xử lý thông tin dưới dạng chuỗi xung thời gian, phù hợp với dữ liệu thời gian thực. Thuật toán SpikeProp và NSEBP được áp dụng để huấn luyện mạng. SNN có ưu điểm về tính toán nhanh và khả năng xử lý dữ liệu thời gian thực.Ứng dụng SNN trong nhận dạng tham số khí động kênh độ cao là đóng góp mới của nghiên cứu.

IV. Kết luận và triển vọng ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu đã xây dựng thành công phương pháp nhận dạng tham số khí động kênh độ cao sử dụng mạng nơron nhân tạo. Kết quả cho thấy mạng ANN và SNN cho độ chính xác cao hơn so với phương pháp hồi quy tuyến tính truyền thống. Mô hình được xác nhận bằng dữ liệu bay thực tế, đảm bảo tính tin cậy. Phương pháp có thể áp dụng cho nhiều loại thiết bị bay khác nhau. Kết quả nghiên cứu đóng góp vào cơ sở khoa học và thực tiễn cho thiết kế thiết bị bay trong nước.Ứng dụng mạng nơron giúp rút ngắn chu kỳ thiết kế và nâng cao hiệu quả thiết kế.

4.1. Kết quả đạt được của nghiên cứu

Nghiên cứu đã xây dựng mô hình động học kênh độ cao phù hợp cho mạng nơron. Phương pháp nhận dạng sử dụng ANN và SNN được đề xuất và kiểm chứng. Kết quả nhận dạng có độ chính xác cao, sai số nhỏ hơn nhiều so với phương pháp truyền thống. Mô hình được xác nhận bằng dữ liệu bay thực tế của máy bay cánh bằng. Nghiên cứu đã giải quyết được các mục tiêu đặt ra ban đầu.

4.2. Triển vọng ứng dụng và phát triển

Phương pháp có thể mở rộng áp dụng cho các kênh điều khiển khác như kênh hướng, kênh ngang.Ứng dụng trong thiết kế điều khiển tự động bay và hệ thống hỗ trợ phi công. Kết quả nghiên cứu là cơ sở để phát triển công cụ phần mềm hỗ trợ thiết kế. Triển vọng áp dụng cho các loại thiết bị bay không người lái và tên lửa. Nghiên cứu mở ra hướng phát triển mới trong lĩnh vực khí động học tính toán và thiết kế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NHẬN DẠNG CÁC HỆ SỐ KHÍ ĐỘNG CỦA MÁY BAY 1. Nhiệm vụ nhận dạng các đạo hàm hệ số khí động trong quy trình thiết kế thiết bị bay 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.

Xác định các ĐHHSKĐ Phương pháp Thử nghiệm ống Thử nghiệm tính toán thổi khí động bay Thiết kế Thiết kế Thiết kế Sản xuất mẫu sơ bộ kỹ thuật thi công và thử nghiệm Đặt yêu cầu và lựa Lập dự án chọn giải pháp thiết kế Hình 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 yêu cầu hoàn toàn 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 ngoài, 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 hoàn toàn mới, cần phải tính toán 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 mô phỏng trên các mô 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 toán 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 toán 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 công một cách chi tiết, các quy trình công 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 công nghệ, các chi tiết sản phẩm sẽ được gia công chế tạo (nếu là chi tiết cơ khí), hoặc tích hợp cài đặt thuật toán, 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 toán.

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 công nghệ chế tạo cho đến từng công đoạn, ví dụ bản vẽ các khuôn mẫu, quy trình gia công 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 không 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 toàn bộ. Mô hình khí động của thiết bị bay Xem xét hình dạng cấu trúc một loại máy bay dạng cánh bằng thông 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. Ký hiệu quy ước trong hệ tọa độ liên kết của máy bay -  ,  - góc tấn công và góc trượt; - V - không 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 mô 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 Phương trình động lực học Tất cả các bài toán nhận dạng động học dùng cho TBB đều phải dựa trên các mô hình động học mô 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 ) (1.2) 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  mô men do lực khí động sinh ra); -  - véc tơ các tham số mô hình; - I - ma trận quán tính; - m - khối lượng TBB.

Nhận dạng các ĐHHSKĐ sẽ tập trung vào việc xác định cấu trúc mô hình đối với lực khí động ( FA ) và mô men khí động ( M A ); ước lượng các tham số chưa biết trong các cấu trúc mô hình đó, dựa trên dữ liệu bay ghi nhận được. Cấu trúc mô hình đối với F A và M A được gọi là các mô hình khí động, được xác định trong HTĐ liên kết như sau [14]: X  Cx  FA   Y  = qS Cy  (1.mx  M A   M y   qS bA .mz  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 mô men khí động trong HTĐ liên kết; 12 - q  V / 2 - áp lực khí động, với  - mật độ không khí; 2 - S - diện tích đặc trưng cánh; - l - sải cánh nâng; - bA - cung khí động trung bình cánh nâng.2 Mô hình hệ số khí động tổng quát của thiết bị bay Một cách tổng quát nhất, các HSKĐ của thiết bị bay có thể được mô tả dưới dạng quan hệ hàm số như sau [32]:   l Vl V 2 V m I tV  l  l 2 Vl xi  f ( ,  ,  , , 2 , 2 , dd , , , , , , ) (1.5) V V V V  lg a  l 3  l 5 l trong đó: xi - ký hiệu các thành phần hệ số lực và mô men khí động trong HTĐ liên kết ( Cx , Cy , Cz , mx , my , mz );  - độ lệch các cánh lái ( a ,e ,r );  - tốc dd l độ góc TBB ( x , y , z ); l - đặc tính độ dài; dd - tần số dao động; - V số Strouhal (đặc trưng cho hiệu ứng dòng chảy dao động không ổn định);  V l V l - số Reynolds (Re);  - độ nhớt động học; V 2 - số Froude (tỷ  r    lg số lực quán tính /lực hấp dẫn đối với TBB). Đối với các chuyến bay thử nghiệm, các tác động của chuyển động quay và dao động cưỡng bức được mô hình hóa dưới dạng hàm của tốc độ góc trong HTĐ liên kết, góc tấn công và góc trượt (  ,  ) và các đạo hàm bậc nhất của chúng. Khi MB bay trong dòng chảy được xem như là dừng và tốc độ bay là thấp, sự phụ thuộc dạng hàm hệ số lực và mô men như sau: V  l  b  l  b l xi  f ( , ,  ,  , x , y A , z , A , ) (1.6) V0 2V 2V 2V 2V 2V trong đó V0 là tốc độ bay ở điều kiện tham chiếu.

13 Các biến trong phương trình (1.6) được gọi là biến độc lập. Các HSKĐ là hàm của các biến trạng thái Vx , Vy , Vz , x , y , z (V ,  ,  , x ,  y , z ) và điều khiển . Sự phụ thuộc này là phi tuyến [13].