Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Xây dựng thuật toán dẫn đường và điều khiển cho phương tiện ngầm", chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa (mã số: 62 52 02 16), do nghiên cứu sinh Trương Duy Trung thực hiện tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự - Bộ Quốc phòng dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. TS Trần Đức Thuận và TS Nguyễn Quang Vịnh (Hà Nội, 2014).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Vùng biển Việt Nam có vị trí chiến lược đặc biệt về phát triển kinh tế và bảo vệ chủ quyền quốc phòng an ninh. Trong biên chế của Quân chủng Hải quân Việt Nam, các loại vũ khí chống ngầm (Anti-Submarine Weapons – ASWs) như tên lửa chống ngầm AПР-2Э hay ngư lôi chống ngầm AT-1MЭ đều được nhập khẩu từ nước ngoài. Tài liệu đi kèm các khí tài này chủ yếu mang tính hướng dẫn khai thác, sử dụng; các công trình công bố quốc tế chỉ dừng lại ở mức khái quát chung và chưa có công trình trong nước nào công bố đầy đủ về mô hình toán học động lực học, thuật toán dẫn đường và thuật toán điều khiển cho các loại vũ khí chống ngầm này.

Vũ khí chống ngầm thả từ máy bay (máy bay phản lực hoặc máy bay lên thẳng) sau khi rời bệ mang sẽ rơi trong khí quyển (thường ở chế độ có dù) và chạm nước để chuyển sang chuyển động xoắn hình lò xo tìm kiếm tàu ngầm đối phương dựa trên đầu tự dẫn thủy âm thụ động (phạm vi phát hiện mục tiêu khoảng 1500m). Tuy nhiên, do ảnh hưởng của gió trong khí quyển và sai số thời cơ thả, điểm chạm nước thực tế thường bị sai lệch so với điểm chạm nước tính toán. Nếu độ lệch này vượt quá giới hạn làm việc của đầu tự dẫn, vũ khí chống ngầm sẽ không bắt được tín hiệu mục tiêu và kích hoạt khối thuốc nổ tự hủy. Do đó, yêu cầu cấp thiết đặt ra là phải trang bị bổ sung thiết bị dẫn đường quán tính (có đế hoặc không đế) và các cảm biến đo để xác định vị trí, tư thế, từ đó tạo lệnh điều khiển hiệu chỉnh đưa vũ khí về điểm tiếp cận quỹ đạo mong muốn trước khi tiến hành quy trình tìm kiếm.

Mục tiêu nghiên cứu

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).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điều khiển của phương tiện ngầm tự hành dạng ngư lôi (trọng tâm là lớp vũ khí chống ngầm thả từ máy bay như tên lửa chống ngầm AПР-2Э).
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Về không gian và thời gian: Khảo sát chuyển động của vũ khí trong 2 giai đoạn: (1) giai đoạn rơi có dù trong khí quyển (duy trì góc chúc ngóc $70^\circ \div 75^\circ$) và (2) giai đoạn chuyển động dưới nước từ khi chạm nước, ổn định góc lắc trong phạm vi $3^\circ$, lặn quán tính đến độ sâu 20m và hiệu chỉnh quỹ đạo đến điểm giao tiếp cận $C$ trên mặt cầu giới hạn bán kính $R_n$ quanh điểm tiếp cận $T$. Luận án giới hạn giải quyết bài toán dẫn đường và điều khiển đến điểm kết thúc hiệu chỉnh quỹ đạo, không xét giai đoạn tìm kiếm mục tiêu theo chương trình xoắn lò xo và bám bắt tự dẫn tiếp theo.
    • Về mặt học thuật: Tập trung vào giải pháp lý thuyết, thuật toán học thuật và kiểm nghiệm mô phỏng trên máy tính.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Trong quá trình xây dựng cơ sở khoa học, tác giả luận án đã tổng quan và phân tích các nhóm nghiên cứu trong nước và quốc tế:

  1. Mô tả động học và động lực học phương tiện ngầm: Tác giả điểm lại các công trình nền tảng về mô hình toán học phương tiện ngầm tự hành (AUV) dạng ngư lôi của Prestero (2001), Nahon (1996), Fossen (1994, 2002), Healey & Lienard (1993). Các mô hình này chủ yếu áp dụng cho AUV nghiên cứu khoa học cỡ nhỏ chuyển động ở vận tốc thấp, chưa phản ánh đầy đủ đặc tính kết cấu, khối nước kèm và thủy động lực học của vũ khí chống ngầm chuyên dụng tốc độ cao.
  2. Hệ thống dẫn đường quán tính và lọc phi tuyến: Tác giả kế thừa các công trình lý thuyết dẫn đường quán tính của Titterton & Weston (2004), Savage (2000), Farrell & Barth (1999), Chatfield (1997), Groves (2008). Để giải quyết bài toán bù trôi và khử nhiễu cảm biến, tác giả phân tích thuật toán lọc Kalman phi tuyến mở rộng (EKF) từ các nghiên cứu của Grewal, Weill, Andrews (2007) và Lee, Lee, Choi (2007).
  3. Nhận dạng tham số mô hình: Khảo sát các kỹ thuật ước lượng tham số của Ljung (1999), Caccia, Indiveri, Veruggio (2000), cùng các tài liệu trong nước của Nguyễn Doãn Phước (2003, 2009), Phan Xuân Minh & Nguyễn Doãn Phước (2006). Thuật toán bình phương tối thiểu đệ quy (RLS) theo cấu trúc mô hình ARX được lựa chọn nhờ ưu thế tính toán nhanh, không cần lưu trữ chuỗi dữ liệu quá khứ.
  4. Thuật toán điều khiển chuyển động: Đánh giá các bộ điều khiển kinh điển PID (Aström & Hägglund 1995, Healey & Lienard 1993), điều khiển trượt (Fossen 2002), điều khiển thích nghi (Choi & Yuh 1996, Sun et al. 2011), điều khiển bền vững (Antonelli 2003), điều khiển hồi tiếp gia tốc (Smallwood & Whitcomb 2007), điều khiển hồi tiếp đầu ra cho AUV 3 bậc và 5 bậc tự do có dòng chảy (Pettersen et al. 2004, Repoulias & Santhanakrishnan 2007), cùng các hướng điều khiển thông minh mờ - nơron (Huỳnh Thái Hoàng, Nguyễn Thị Phương Hà, Bùi Quốc Khánh, Wang et al. 2004, Tong et al. 2011, Yoo & Park 2006).

Khoảng trống nghiên cứu được lựa chọn giải quyết

  • Hầu hết các công bố quốc tế về AUV không công bố thông số động học của vũ khí chống ngầm quân sự do tính chất bảo mật; việc mô tả thuần túy theo vật lý lý thuyết tồn tại sai số mô hình lớn và các tham số bất định không thể đo trực tiếp.
  • Các cảm biến vi cơ đo tốc độ góc (gyroscope) và gia tốc kế (accelerometer) giá thành thấp luôn có độ trôi biến đổi chậm và nhiễu Gauss, nếu chỉ tích phân thuần túy thì sai số tích lũy tăng nhanh theo thời gian.
  • Thiếu thuật toán xác định ma trận Côsin định hướng giữa hệ tọa độ đế và hệ tọa độ địa lý ($C_d^n$) khi thả vũ khí từ máy bay phản lực (tốc độ cao) và máy bay lên thẳng (tốc độ thấp).
  • Cần một cấu trúc điều khiển thích nghi nhiều đầu vào - nhiều đầu ra (MIMO) hồi tiếp đầu ra có khối lượng tính toán trực tuyến nhỏ để điều khiển đồng thời 3 góc (hướng, chúc ngóc, lắc) trong điều kiện mô hình bất định và có dòng chảy đại dương tác động.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Các hệ quy chiếu và ma trận chuyển đổi tọa độ

Luận án thiết lập và sử dụng 4 hệ tọa độ chuẩn trong cơ học chuyển động ngầm:

  1. Hệ tọa độ quán tính ($OX_I Y_I Z_I$): Gốc tại tâm Trái đất, trục $OX_I$ hướng về điểm xuân phân, $OZ_I$ hướng theo cực Bắc địa lý.
  2. Hệ tọa độ cố định tâm Trái đất ($OX_e Y_e Z_e$): Quay cùng Trái đất, trục $OX_e$ đi qua kinh tuyến Greenwich trên xích đạo.
  3. Hệ tọa độ địa lý ($OX_0 Y_0 Z_0$): Gốc tại điểm thả/xuất phát của vũ khí, trục $OX_0$ hướng Bắc ($N$), $OY_0$ hướng Đông ($E$), $OZ_0$ hướng xuống tâm Trái đất ($D$). Hệ tọa độ này được chọn làm hệ tọa độ dẫn đường.
  4. Hệ tọa độ gắn liền ($G_b X_b Y_b Z_b$): Gốc đặt tại tâm khối $G_b$ của phương tiện, trục $G_b X_b$ dọc theo thân hướng về phía trước, $G_b Z_b$ hướng xuống dưới, $G_b Y_b$ hướng sang mạn phải.
Hệ tọa độ Ký hiệu Vị trí gốc tọa độ Định hướng các trục Vai trò trong luận án
Quán tính $OX_I Y_I Z_I$ Tâm Trái đất $OX_I$ qua điểm xuân phân, $OZ_I$ lên cực Bắc Tham chiếu quán tính tuyệt đối theo định luật Newton
Cố định Trái đất $OX_e Y_e Z_e$ Tâm Trái đất $OX_e$ qua kinh tuyến Greenwich, $OZ_e$ theo trục quay Trái đất Mô tả vị trí địa lý kinh độ $l$, vĩ độ $\varphi$
Địa lý $OX_0 Y_0 Z_0$ Điểm xuất phát/thả vũ khí $OX_0$ hướng Bắc ($N$), $OY_0$ hướng Đông ($E$), $OZ_0$ hướng xuống ($D$) Hệ tọa độ dẫn đường để tính toán quỹ đạo
Gắn liền $G_b X_b Y_b Z_b$ Tâm khối $G_b$ của ASWs $G_b X_b$ dọc thân, $G_b Y_b$ sang phải, $G_b Z_b$ xuống dưới Thiết lập phương trình lực, mô men và đo đạc cảm biến

Để chuyển đổi giữa hệ tọa độ gắn liền và hệ tọa độ địa lý, luận án sử dụng 2 phương pháp:

  • Phương pháp góc Euler: Ba góc quay liên tiếp quanh các trục: góc hướng $\psi$ (quanh trục $Z$), góc chúc ngóc $\theta$ (quanh trục $Y$), góc lắc $\gamma$ (quanh trục $X$), tạo nên ma trận Côsin định hướng $C_b^n = R_Z(\psi) R_Y(\theta) R_X(\gamma)$.
  • Phương pháp tham số Rodrig – Hamilton (Quaternion): Biểu diễn số siêu phức $\lambda = \lambda_0 + \mathbf{i}\lambda_1 + \mathbf{j}\lambda_2 + \mathbf{k}\lambda_3$ với điều kiện chuẩn hóa $\lambda_0^2 + \lambda_1^2 + \lambda_2^2 + \lambda_3^2 = 1$. Phương pháp này tránh được điểm kỳ dị (chia cho 0) khi giải vi phân định hướng so với phương pháp góc Euler.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án áp dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp mô hình hóa toán học và mô phỏng số:

  • Phương pháp động lực học vật rắn trong môi trường chất lưu: Thiết lập phương trình chuyển động 6 bậc tự do: $$M_{RB} \dot{\nu} + C_{RB}(\nu)\nu = \tau_{RB}$$ Trong đó véc tơ vận tốc $\nu = [u, v, w, p, q, r]^T$, véc tơ vị trí và góc định hướng $\eta = [x, y, z, \psi, \theta, \gamma]^T$. Ngoại lực và mô men ngoại lực tác động $\tau_{RB}$ bao gồm ma trận khối nước kèm ($M_A, C_A$), lực và mô men thủy động ($D(\nu)$), trọng lực và lực nổi ($g(\eta)$), lực tác động của 4 bánh lái ($L(\nu)\delta_{bl}$) và lực đẩy động cơ ($\tau_{pl}$).
  • Phương pháp lọc Kalman phi tuyến mở rộng (EKF): Tích hợp thông tin đa cảm biến để ước lượng véc tơ trạng thái bao gồm các tham số Rodrig - Hamilton, thành phần vận tốc, tọa độ và độ trôi cảm biến:
    • Giai đoạn khí quyển: Kết hợp 3 con quay vi cơ, 3 gia tốc kế và 3 từ kế đo từ trường Trái đất ($B_x, B_y, B_z$).
    • Giai đoạn dưới nước: Kết hợp con quay vi cơ, gia tốc kế, từ kế, thiết bị đo vận tốc Doppler (DVL: $V_x^{DVL}, V_y^{DVL}, V_z^{DVL}$) và cảm biến đo sâu áp suất.
  • Phương pháp nhận dạng hệ thống: Thuật toán bình phương tối thiểu đệ quy (RLS) với hệ số quên $\lambda$ để nhận dạng trực tuyến các hệ số của mô hình ARX theo từng kênh chuyển động.
  • Phương pháp điều khiển thông minh thích nghi: Thiết kế bộ điều khiển hồi tiếp đầu ra nơron mờ thích nghi trực tiếp (DAFNOC) dựa trên mạng nơron mờ Singleton, tự động cập nhật trực tuyến véc tơ trọng số $\theta_k$ qua luật thích nghi nhằm triệt tiêu sai số bám trạng thái.
  • Công cụ kiểm nghiệm: Phần mềm Matlab - Simulink.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về dẫn đường và điều khiển cho phương tiện ngầm

Chương 1 hệ thống hóa tổng quan phân loại phương tiện ngầm (phương tiện ngầm điều khiển từ xa ROV, phương tiện ngầm có người lái/tàu ngầm, phương tiện ngầm tự hành AUV và vũ khí chống ngầm ASWs như tên lửa AПР-2Э). Tác giả thiết lập các hệ tọa độ, quan hệ biến đổi ma trận Côsin định hướng $C_b^n$ thông qua các góc Euler $(\psi, \theta, \gamma)$ và hệ tham số Rodrig - Hamilton $(\lambda_0, \lambda_1, \lambda_2, \lambda_3)$.

Tác giả trình bày phương trình dẫn đường quán tính tổng quát từ định luật Coriolis: $$f = \left.\frac{dV}{dt}\right|_N + (2\Omega + \omega) \times V - g$$ Phân tích nguyên lý cấu tạo của thiết bị dẫn đường quán tính có đế (loại đế giải tích, bán giải tích, hình học) và không đế (IMU gắn cứng trên thân đối tượng). Trong điều kiện hành trình ngắn của vũ khí chống ngầm, thiết bị dẫn đường quán tính có đế dạng giải tích ổn định trong không gian quán tính và thiết bị không đế sử dụng vi cơ là các phương án tối ưu về chi phí và kỹ thuật.

Chương 1 cũng thiết lập hệ phương trình động học 6 bậc tự do của AUV dạng ngư lôi, lượng hóa chi tiết:

  • Lực nổi Archimedes $B$ và trọng lực $W$ (với giả thiết $W \approx B$, tâm khối $G_b$ và tâm nổi $C_f(x_f, 0, z_f)$ nằm trên mặt phẳng đối xứng).
  • Các hệ số khối nước kèm dọc trục ($X_{\dot{u}}, Y_{\dot{v}}, Z_{\dot{w}}, K_{\dot{p}}, M_{\dot{q}}, N_{\dot{r}}$) và các thành phần chéo trục ($X_{wq}, Y_{wp}, Z_{vp}, M_{rp}, N_{wp}\dots$).
  • Lực cản thủy động phi tuyến $X_{u|u|} u|u|$, lực nâng $L$ và mô men thủy động theo góc tấn công $\alpha$ và góc trượt ngang $\beta$.
  • Lực và mô men tạo bởi 4 bánh lái: 2 bánh lái sâu điều khiển góc chúc ngóc $\delta_s$, 2 bánh lái hướng điều khiển góc hướng $\delta_h$ và góc lắc $\delta_l$.
  • Đặt bài toán hiệu chỉnh quỹ đạo bằng việc thiết lập mặt cầu bán kính $R_n$ quanh điểm tiếp cận $T$ để dẫn vũ khí đến điểm giao $C$ đảm bảo đúng góc hướng $\psi_{qd}$ và góc chúc ngóc $\theta_{qd}$.

Chương 2: Xây dựng thuật toán xác định tham số dẫn đường cho vũ khí chống ngầm

Chương 2 giải quyết bài toán xác định tham số dẫn đường trong 2 cấu hình thiết bị:

1. Thiết bị dẫn đường quán tính không đế

Tác giả xây dựng thuật toán tích hợp đa cảm biến qua bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) cho 2 giai đoạn chuyển động:

  • Giai đoạn chuyển động trong khí quyển: Véc tơ trạng thái đánh giá bao gồm 7 thành phần: 4 tham số Rodrig - Hamilton và 3 thành phần độ trôi con quay vi cơ $X = [\lambda_0, \lambda_1, \lambda_2, \lambda_3, b_p, b_q, b_r]^T$. Véc tơ đo lường gồm 6 chỉ số từ 3 gia tốc kế ($a_x, a_y, a_z$) và 3 từ kế ($B_x, B_y, B_z$). Bộ lọc EKF liên tục hiệu chỉnh các tham số Rodrig - Hamilton và triệt tiêu độ trôi con quay $b_p, b_q, b_r$.
  • Giai đoạn chuyển động trong nước: Để khắc phục sự tích lũy sai số vị trí khi lặn sâu, véc tơ trạng thái được mở rộng thành 13 thành phần: 4 tham số quaternion, 3 thành phần độ trôi con quay, 3 thành phần vận tốc trong hệ địa lý $(V_N, V_E, V_D)$ và 3 tọa độ vị trí $(x, y, z)$. Véc tơ đo kết hợp bổ sung 3 thành phần vận tốc từ máy đo Doppler (DVL) và độ sâu từ cảm biến áp suất nước.

2. Thiết bị dẫn đường quán tính có đế

Để sử dụng thiết bị dẫn đường có đế dạng giải tích, bắt buộc phải xác định được ma trận Côsin định hướng $C_d^n$ giữa hệ tọa độ đế và hệ tọa độ địa lý. Tác giả đề xuất phương pháp phối hợp véc tơ vận tốc qua 2 trường hợp:

  • Thả từ máy bay phản lực: Bay với vận tốc lớn, sử dụng thông tin vận tốc của máy bay trước khi cắt bom/vũ khí để thực hiện đồng bộ và xác định ma trận $C_d^n$.
  • Thả từ máy bay lên thẳng: Vận tốc bay nhỏ và có khả năng treo/cơ động phức tạp; thuật toán phối hợp véc tơ vận tốc được hiệu chỉnh để đảm bảo độ hội tụ của ma trận $C_d^n$ trong điều kiện gia tốc thay đổi.

Chương 3: Xây dựng thuật toán nhận dạng và điều khiển cho vũ khí chống ngầm

Chương này tập trung xây dựng mô hình toán học phục vụ điều khiển và tổng hợp bộ điều khiển thích nghi:

  • Phương trình chuyển động tách kênh: Từ hệ phương trình 6 bậc tự do, tác giả phân rã thành các phương trình chuyển động trong mặt phẳng đứng (kênh góc chúc ngóc $\theta$ và độ sâu $z$), mặt phẳng ngang (kênh góc hướng $\psi$) và chuyển động xoay quanh trục dọc (kênh góc lắc $\gamma$).
  • Nhận dạng mô hình ARX bằng thuật toán RLS: Nhận dạng tham số mô hình chuyển động theo góc chúc ngóc và góc hướng dựa trên tập dữ liệu vào - ra (độ lệch bánh lái và góc quay đầu ra). Thuật toán RLS cập nhật véc tơ tham số ước lượng $\hat{\theta}(t) = \hat{\theta}(t-1) + K(t)[y(t) - \varphi^T(t)\hat{\theta}(t-1)]$ với ma trận độ lợi $K(t)$ và hệ số quên $\lambda$.
  • Bộ điều khiển hồi tiếp đầu ra nơron mờ thích nghi trực tiếp (DAFNOC):
    • Áp dụng cấu hình mạng nơron mờ Singleton gồm 4 lớp (lớp đầu vào, lớp tập mờ tiền đề, lớp luật mờ và lớp đầu ra).
    • Véc tơ tham số kết nối lớp đầu ra $\theta_k$ được hiệu chỉnh trực tuyến theo luật cập nhật thích nghi Lyapunov: $$\dot{\theta}_k = -\Gamma_k \xi_k(\hat{e}k) e{mk}$$
    • Điểm mạnh của DAFNOC là chỉ cần đo lường tín hiệu đầu ra (các góc định hướng được cung cấp từ thuật toán dẫn đường ở Chương 2), không đòi hỏi đo toàn bộ véc tơ trạng thái; ước lượng trực tiếp luật điều khiển giúp giảm thiểu đáng kể số lượng phép tính so với các bộ điều khiển mờ gián tiếp.
  • Thuật toán dẫn đường hiệu chỉnh quỹ đạo: Xác định tín hiệu góc hướng mong muốn $\psi_{LOS}$ và góc chúc ngóc mong muốn $\theta_{LOS}$ theo phương pháp ngắm đường thẳng (Line of Sight - LOS) để điều khiển bánh lái đưa vũ khí từ vị trí lệch sau chạm nước bám về điểm giao tiếp cận $C$ trên mặt cầu $R_n$.

Chương 4: Mô phỏng kiểm nghiệm thuật toán nhận dạng, dẫn đường và điều khiển cho vũ khí chống ngầm

Chương 4 thực hiện mô phỏng số trên Matlab - Simulink dựa trên bộ thông số hình học và thủy động thực tế của vũ khí chống ngầm:

[Bảng tổng hợp các kịch bản mô phỏng kiểm nghiệm trong Chương 4]
Nhóm nội dung Kịch bản mô phỏng Đầu vào / Tác động thử nghiệm Kết quả kiểm nghiệm chính
Xác định tham số dẫn đường (EKF) Giai đoạn khí quyển Con quay vi cơ có trôi ($b_p, b_q, b_r$) và nhiễu Gauss, gia tốc kế có nhiễu, từ kế Ước lượng chính xác các tham số $\lambda_0, \lambda_1, \lambda_2, \lambda_3$ và góc Euler $(\psi, \theta, \gamma)$, triệt tiêu ảnh hưởng trôi của con quay
Xác định tham số dẫn đường (EKF) Giai đoạn trong nước Dữ liệu IMU kết hợp vận tốc kế Doppler (DVL) và cảm biến áp suất đo sâu Vị trí $(x, y, z)$, vận tốc $(V_N, V_E, V_D)$ và tư thế bám sát giá trị thực, không bị phân kỳ theo thời gian
Xác định ma trận $C_d^n$ cho hệ có đế Thả từ máy bay phản lực & máy bay lên thẳng Véc tơ vận tốc máy bay ở tốc độ cao và tốc độ thấp Thuật toán phối hợp véc tơ vận tốc ước lượng chính xác ma trận $C_d^n$, làm cơ sở chuyển đổi gia tốc sang hệ địa lý
Nhận dạng mô hình ARX (RLS) Kênh góc chúc ngóc $\theta$ và kênh góc hướng $\psi$ Tín hiệu góc bẻ lái bánh lái sâu $\delta_s$ và bánh lái hướng $\delta_h$ Các tham số mô hình $\hat{\theta}$ hội tụ nhanh, sai số nhận dạng giữa mô hình ước lượng và mô hình thực nhỏ
Điều khiển DAFNOC Điều khiển từng kênh riêng lẻ ($\psi, \theta, \gamma$) và tổng hợp MIMO đồng thời Tín hiệu đặt quỹ đạo hiệu chỉnh, đặt góc lắc $\gamma = 0^\circ$, có tác động của dòng chảy đại dương $(u_c, v_c, w_c)$ Đáp ứng góc bám nhanh tín hiệu đặt, thời gian xác lập ngắn, triệt tiêu góc lắc ổn định trong giới hạn $3^\circ$, bền vững trước sai số mô hình

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  1. Xây dựng thuật toán kết hợp đa cảm biến bằng EKF cho 2 môi trường: Đề xuất thành công cấu trúc thuật toán lọc Kalman mở rộng tích hợp con quay vi cơ, gia tốc kế, từ kế, vận tốc kế Doppler và cảm biến áp suất, cho phép xác định liên tục và chính xác vị trí, vận tốc, tư thế của vũ khí chống ngầm trong cả giai đoạn rơi tự do có dù trong không khí lẫn giai đoạn chuyển động dưới nước.
  2. Xây dựng thuật toán xác định ma trận định hướng cho hệ dẫn đường có đế: Đề xuất phương pháp phối hợp véc tơ vận tốc để xác định ma trận Côsin định hướng $C_d^n$ giữa hệ tọa độ đế và hệ tọa độ địa lý áp dụng cho cả hai phương thức thả: từ máy bay phản lực cơ động tốc độ cao và từ máy bay lên thẳng cơ động tốc độ thấp.
  3. Tổng hợp bộ điều khiển DAFNOC cho hệ MIMO 3 đầu vào - 3 đầu ra: Ứng dụng thành công mạng nơron mờ Singleton với luật cập nhật thích nghi trực tiếp để điều khiển đồng thời góc hướng, góc chúc ngóc và ổn định góc lắc cho vũ khí chống ngầm. Thuật toán chứng minh tính bền vững cao trước các thành phần bất định của mô hình động lực học và nhiễu dòng chảy đại dương, đồng thời tối ưu hóa khối lượng tính toán trên bo mạch nhúng.

Ý nghĩa thực tiễn và kiến nghị

  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học, phương pháp luận toán học và thuật toán hoàn chỉnh để phục vụ xây dựng phần mềm điều khiển nhúng trên bo mạch cho vũ khí chống ngầm.
  • Tạo tiền đề kỹ thuật phục vụ công tác khai thác, làm chủ, cải tiến hiện đại hóa các loại vũ khí chống ngầm hiện có trong trang bị của Quân chủng Hải quân (bổ sung khối dẫn đường quán tính nâng cao xác suất tiêu diệt mục tiêu), đồng thời phục vụ công tác thiết kế, chế tạo mới phương tiện ngầm tự hành trong tương lai.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Luận án mới dừng lại ở mức độ nghiên cứu giải pháp học thuật, thiết lập mô hình lý thuyết và kiểm nghiệm bằng mô phỏng số trên phần mềm chuyên dụng; chưa có điều kiện thực nghiệm phần cứng tích hợp trên khí tài thật và bắn thử nghiệm trên biển do điều kiện trang thiết bị và kinh phí thực tế. Luận án chỉ giới hạn khảo sát đến hết giai đoạn hiệu chỉnh quỹ đạo tiếp cận, chưa xét giai đoạn tự dẫn thủy âm công kích mục tiêu.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Triển khai mô phỏng nửa tự nhiên (Hardware-in-the-Loop - HIL) tích hợp các thuật toán DAFNOC và EKF lên bo mạch xử lý tín hiệu số (DSP/FPGA) thực tế kết hợp với bàn quay mô phỏng chuyển động.
    • Nghiên cứu mở rộng thuật toán điều khiển thích nghi trong điều kiện môi trường biển phức tạp hơn (nhiễu sóng biển ngầm, dòng chảy rối phi tuyến và biến thiên mật độ nước theo độ sâu).

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và kỹ thuật chuyên sâu cho:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên: Thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa, Kỹ thuật Hàng hải, Kỹ thuật Robot ngầm, Vũ khí dưới nước; đặc biệt là phương pháp luận xây dựng bộ điều khiển mờ - nơron thích nghi trực tiếp (DAFNOC) và thuật toán lọc EKF cho thiết bị dẫn đường quán tính.
  • Các kỹ sư, viện nghiên cứu và nhà máy quốc phòng: (Viện Tên lửa, Viện Tự động hóa, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Quân chủng Hải quân) làm tài liệu thiết kế thuật toán, nâng cấp phần mềm điều khiển dẫn đường cho các phương tiện ngầm tự hành và vũ khí chống ngầm dạng ngư lôi/tên lửa ngầm.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao vũ khí chống ngầm thả từ máy bay cần giai đoạn hiệu chỉnh quỹ đạo sau khi chạm nước?

Khi thả từ máy bay ở chế độ có dù, điều kiện gió khí quyển và sai lệch thời cơ cắt bom làm điểm chạm nước thực tế bị lệch so với tính toán. Nếu sai lệch này vượt quá tầm phát hiện của đầu tự dẫn thủy âm (khoảng 1500m), vũ khí chuyển động xoắn lò xo tìm kiếm sẽ không bắt được tàu ngầm đối phương và buộc phải tự hủy. Do đó, vũ khí cần hệ thống dẫn đường quán tính để xác định tọa độ lệch tại điểm chạm nước và điều khiển bám theo quỹ đạo hiệu chỉnh đưa nó về điểm tiếp cận $T$ trước khi mở chế độ tìm kiếm.

2. Ưu thế của việc sử dụng tham số Rodrig – Hamilton (Quaternion) so với góc Euler trong bài toán dẫn đường quán tính không đế là gì?

Phương pháp góc Euler gặp phải điểm kỳ dị toán học (hiện tượng khóa trục Gimbal lock / chia cho 0) khi góc chúc ngóc $\theta \to \pm 90^\circ$, gây mất ổn định thuật toán tích phân số. Phương pháp tham số Rodrig – Hamilton sử dụng 4 tham số $\lambda_0, \lambda_1, \lambda_2, \lambda_3$ với hệ phương trình vi phân hoàn toàn tuyến tính theo vận tốc góc, không có điểm kỳ dị và giảm thiểu số lượng hàm lượng giác cần tính toán trên máy tính nhúng.

3. Bộ điều khiển DAFNOC giải quyết những hạn chế nào của bộ điều khiển PID truyền thống?

Bộ điều khiển PID truyền thống có các tham số cố định, không thích ứng được khi mô hình phương tiện có nhiều tham số bất định (thay đổi trọng tâm, tiêu hao nhiên liệu, lực khối nước kèm) và chịu tác động của dòng chảy đại dương không biết trước. DAFNOC sử dụng mạng nơron mờ Singleton với luật cập nhật trọng số trực tuyến theo thời gian thực, có khả năng tự chỉnh định để bù trừ các phi tuyến bất định và chỉ yêu cầu tín hiệu hồi tiếp đầu ra mà không cần đo toàn bộ véc tơ trạng thái của hệ thống.

4. Phương pháp xác định ma trận Côsin định hướng $C_d^n$ cho thiết bị dẫn đường có đế khi thả từ máy bay phản lực và máy bay lên thẳng khác nhau như thế nào?

Đối với máy bay phản lực, vận tốc bay lớn và quỹ đạo tương đối ổn định trước khi thả, thuật toán sử dụng phép phối hợp véc tơ vận tốc máy bay ở tốc độ cao để xác định nhanh ma trận $C_d^n$. Đối với máy bay lên thẳng, vận tốc bay thấp và có thể cơ động treo hoặc thay đổi hướng đột ngột, thuật toán phối hợp véc tơ vận tốc phải bổ sung các điều kiện lọc và thuật toán ước lượng thích nghi theo gia tốc thay đổi để đảm bảo độ chính xác định hướng của đế con quay.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Trương Duy Trung là một công trình nghiên cứu hoàn chỉnh, giải quyết bài toán cốt lõi về dẫn đường quán tính và điều khiển chuyển động tự lập cho vũ khí chống ngầm thả từ máy bay. Bằng việc kết hợp bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) tích hợp đa cảm biến, phương pháp phối hợp véc tơ vận tốc cho thiết bị có đế, thuật toán nhận dạng RLS và bộ điều khiển hồi tiếp đầu ra nơron mờ thích nghi trực tiếp (DAFNOC), luận án đã thiết lập thành công cơ sở lý thuyết và kiểm nghiệm mô phỏng đồng bộ cho chuyển động 6 bậc tự do của phương tiện ngầm. Các kết quả đạt được có ý nghĩa khoa học vững chắc và giá trị thực tiễn cao, đóng góp trực tiếp vào nhiệm vụ làm chủ, cải tiến và hiện đại hóa khí tài quân sự phục vụ bảo vệ chủ quyền biển đảo.