Tổng quan về luận án

Nghiên cứu của tác giả Trương Duy Trung tại Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự – Bộ Quốc phòng (2014) mang tiêu đề "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; Người hướng dẫn: PGS. TS Trần Đức Thuận, TS Nguyễn Quang Vịnh) giải quyết bài toán cốt lõi trong bảo vệ chủ quyền biển đảo: làm chủ công nghệ dẫn đường và điều khiển chính xác cho vũ khí chống ngầm (Anti-Submarine Weapons – ASWs) phóng/thả từ phương tiện bay (máy bay phản lực chiến đấu và máy bay trực thăng săn ngầm).

Khoảng trống nghiên cứu (research gap) thực tiễn và lý thuyết xuất phát từ thực trạng các loại khí tài chống ngầm thế hệ trước như tên lửa chống ngầm АПР-2Э hay ngư lôi chống ngầm AT-1MЭ chỉ được trang bị con quay ba bậc tự do cơ học đo góc lắc đơn thuần và đầu tự dẫn thủy âm thụ động (bán kính bắt mục tiêu giới hạn trong phạm vi 1500m). Khi ASWs được thả ở chế độ có dù từ không trung, độ lệch gió và sai số thời cơ cắt bom làm điểm chạm nước thực tế trôi dạt ra ngoài tầm bao quát của đầu tự dẫn; nếu không được hiệu chỉnh tọa độ tức thời, ASWs sau khi lặn theo chương trình xoắn ốc không thể bắt tín hiệu sonar của mục tiêu và bắt buộc phải kích hoạt ngòi nổ tự hủy.

Các câu hỏi nghiên cứu và giả thuyết khoa học được xác lập:

  • Câu hỏi nghiên cứu 1 (RQ1): Làm thế nào để ước lượng trạng thái động học đa môi trường (khí quyển - thủy diện - lòng biển) với độ chính xác cao khi sử dụng cảm biến quán tính vi cơ MEMS chịu ảnh hưởng của độ trôi dạt và nhiễu ngẫu nhiên?
  • Câu hỏi nghiên cứu 2 (RQ2): Cấu trúc ma trận chuyển tọa độ và thuật toán căn chỉnh ban đầu nào triệt tiêu hoàn toàn điểm kỳ dị toán học và sai số định hướng khi vũ khí rời phương tiện mang ở vận tốc lớn?
  • Câu hỏi nghiên cứu 3 (RQ3): Bộ điều khiển nào đảm bảo khả năng bám quỹ đạo hiệu chỉnh không gian 3 chiều (3D) và ổn định góc lắc dưới tác động của dòng chảy ngầm không xác định và bất định tham số mô hình thủy động lực học?
  • Giả thuyết khoa học 1 (H1): Thuật toán dẫn đường tích hợp đa cảm biến qua bộ lọc Kalman phi tuyến mở rộng (EKF) trên cơ sở tham số Rodrig – Hamilton (quaternion) ước lượng hội tụ các tham số vị trí, vận tốc và tư thế với sai số tiệm cận 0 trong suốt hai pha chuyển động.
  • Giả thuyết khoa học 2 (H2): Bộ điều khiển hồi tiếp đầu ra nơron mờ thích nghi trực tiếp (DAFNOC) sử dụng mạng singleton thích nghi trực tuyến đảm bảo tính ổn định tiệm cận Lyapunov cho hệ thống đa biến MIMO 3 vào – 3 ra mà không đòi hỏi đo lường toàn bộ biến trạng thái.

Khung lý thuyết của công trình tích hợp động lực học phi tuyến 6 bậc tự do (6-DOF) Fossen, lý thuyết quaternion chuyển đổi hệ tọa độ, lý thuyết ước lượng trạng thái tối ưu Kalman và điều khiển thích nghi thông minh mờ - nơron. Đóng góp đột phá được định lượng: giảm sai lệch quỹ đạo tiếp cận điểm chạm tính toán từ hàng trăm mét xuống dưới bán kính hình cầu tiếp cận $R_n$, triệt tiêu độ lắc $\phi$ về biên độ an toàn $\pm 3^\circ$ chỉ sau 0.5s chạm nước, gia tăng xác suất diệt mục tiêu của đầu tự dẫn lên trên 90%. Phạm vi nghiên cứu khảo sát toàn diện 119 trang công trình, kiểm chứng mô phỏng trên Matlab - Simulink với 52 biểu đồ và 15 công trình khoa học công bố đi kèm.

Literature Review và Positioning

Lý thuyết dẫn đường và điều khiển phương tiện ngầm tự hành (AUV/ASWs) trên thế giới phát triển qua ba dòng tư tưởng học thuật chính:

Dòng nghiên cứu động lực học thủy ngầm cổ điển do Fossen (1994, 2002), Healey & Lienard (1993), và Prestero (2001) thiết lập đã chuẩn hóa hệ phương trình vi phân phi tuyến 6 bậc tự do kết hợp lực nâng, lực cản và ten-xơ quán tính khối nước kèm. Tuy nhiên, các mô hình này chủ yếu áp dụng cho AUV nghiên cứu khoa học dân sự di chuyển tốc độ thấp, chưa giải quyết bài toán chuyển tiếp động lực học pha va chạm mặt nước (water-entry impact) của vũ khí phản lực.

Dòng nghiên cứu định vị quán tính do Farrell (2008) và Groves (2013) dẫn đầu tập trung vào hệ thống dẫn đường quán tính không đế (Strapdown INS - SINS) và có đế (Platform INS - PINS). Các tranh biện học thuật tồn tại giữa việc sử dụng góc Euler truyền thống (dễ trực quan hóa nhưng xuất hiện điểm kỳ dị toán học "Gimbal Lock" khi góc chúc ngóc tiếp cận $\pm 90^\circ$) và phương pháp quaternion Rodrig – Hamilton (bảo toàn tính trực giao ma trận Cosin chỉ phương $C_b^n$ nhưng gia tăng độ phức tạp thuật toán). Luận án định vị rõ nét giải pháp sử dụng quaternion 4 thành phần $\lambda_0, \lambda_1, \lambda_2, \lambda_3$ kết hợp vi phân động học để dẫn đường liên tục trong cả giai đoạn thả dù góc dốc $70^\circ - 75^\circ$ trong không khí lẫn giai đoạn cơ động lặn sâu 20m dưới nước.

Dòng nghiên cứu điều khiển tự động ghi nhận xung đột giữa điều khiển kinh điển PID (vốn bộc lộ độ trễ pha và mất ổn định khi thông số thủy động học thay đổi theo độ sâu, vận tốc dòng chảy $u_c, v_c, w_c$) với điều khiển trượt thích nghi (SMC) của Yoerger & Slotine (1985) hay điều khiển mờ thích nghi của Wang (1994), Spooner (2002). SMC thường chịu hiện tượng rung bậc cao (chattering) gây hại cơ cấu máy lái, trong khi các mạng mờ nơron truyền thống yêu cầu cập nhật khối lượng trọng số khổng lồ, không khả thi với vi xử lý thời gian thực trên vũ khí ngầm.

So sánh với hai nghiên cứu quốc tế điển hình:

  • Nghiên cứu của Miller et al. (Mỹ, điều khiển ngư lôi Mark 48) áp dụng lọc Kalman tuyến tính hóa cục bộ nhưng phụ thuộc vào cập nhật thủy âm định kỳ từ tàu ngầm mẹ.
  • Nghiên cứu của Silvestrov & Popov (Nga, hệ thống dẫn đường APR-3E) sử dụng INS có đế hình học kết hợp con quay quang học cồng kềnh, chi phí sản xuất đắt đỏ.

Luận án của Trương Duy Trung tạo bước tiến vượt bậc khi định vị thành công giải pháp kết hợp INS vi cơ MEMS trọng lượng nhẹ, giá thành thấp với bộ lọc EKF đa kênh và cấu trúc điều khiển DAFNOC Singleton tự chỉnh định, giải quyết triệt để bài toán độc lập tác chiến không gian hẹp.

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án mở rộng thuyết động lực học hàng hải Fossen bằng việc thiết lập hệ phương trình chuyển động phi tuyến hoàn chỉnh mô tả tương tác phức hợp đa môi trường, tính toán tường minh các hệ số lực khối nước kèm chéo trục ($X_{wq}, X_{qq}, X_{vr}, X_{rr}, Y_{wp}, Y_{pq}, Z_{vp}, Z_{rp}$) và mô men cản phi tuyến bậc hai ($X_{u|u|}, Y_{v|v|}, Z_{w|w|}$).

Mô hình lý thuyết chuyển đổi tọa độ được tái cấu trúc dựa trên hệ 4 phương trình vi phân quaternion Rodrig – Hamilton liên kết trực tiếp với vận tốc góc tuyệt đối của hệ tọa độ gắn liền $\mathbf{\omega}{ib}^b = [p, q, r]^T$ và hệ tọa độ địa lý $\mathbf{\omega}{in}^n = [\omega_N, \omega_E, \omega_D]^T$: $$\dot{\mathbf{\lambda}} = \frac{1}{2} \mathbf{\lambda} \ast \mathbf{\omega}_{nb}^b$$

Luận án đề xuất mô hình nhận dạng tham số trực tuyến ARX (Auto-Regressive with External Input) giải bằng thuật toán bình phương tối thiểu đệ quy có hệ số quên $\lambda_f$ (RLS), cho phép xấp xỉ chính xác các thông số động học của thân vũ khí bị biến đổi theo độ tiêu hao nhiên liệu và lực cản dòng nước.

Về mặt điều khiển học, luận án chứng minh định lý ổn định tiệm cận Lyapunov cho thuật toán DAFNOC trên cấu hình mạng nơron mờ Singleton. Bằng cách xấp xỉ trực tiếp hàm điều khiển tối ưu $u^*(t)$ thay vì nhận dạng gián tiếp các hàm phi tuyến hệ thống $f(x)$ và $g(x)$, số lượng trọng số cập nhật thích nghi $\mathbf{\theta}_k$ giảm đi hơn 70%, loại bỏ nguy cơ kỳ dị mẫu số $\hat{g}(x) \approx 0$.

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của luận án tích hợp ba trụ cột lý thuyết: Lý thuyết cơ học vật rắn nhiều vật, Lý thuyết lọc tối ưu phi tuyến ngẫu nhiên và Lý thuyết điều khiển thông minh thích nghi.

Cấu trúc hình học quỹ đạo hiệu chỉnh 3D được thiết lập thông qua việc mô hình hóa quả cầu tiếp cận cho phép bán kính $R_n$ quanh điểm đích $T(x_T, y_T, z_T)$ trên quỹ đạo xoắn mong muốn. Thay vì điều khiển bám đường cong phức tạp, thuật toán chuyển hóa thành bài toán điều khiển vector vận tốc đưa ASWs chạm mặt cầu tại điểm giao $C$ với góc hướng đặt $\psi_{qd}$ và góc chúc ngóc đặt $\theta_{qd}$ đồng pha với bước xoắn tìm kiếm mục tiêu.

Điều kiện biên xác định:

  • Vận tốc góc quay trái đất $U = 7.292115 \times 10^{-5} \text{ rad/s}$ được xét trong phương trình đạo hàm Coriolis.
  • Góc chúc ngóc trong pha khí quyển duy trì nghiêm ngặt trong khoảng $70^\circ \le \theta \le 75^\circ$.
  • Giới hạn góc bẻ lái máy lái điện: $|\delta_h|, |\delta_s|, |\delta_l| \le 25^\circ$.
  • Thời gian ổn định kênh góc lắc sau khi chạm nước: $t_{stabilize} \le 0.5\text{s}$.

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Công trình theo đuổi thế giới quan thực chứng luận diễn dịch (deductive positivism), kết hợp giữa giải tích toán học giải pháp dẫn đường với mô phỏng số học đối chứng đa biến trên mô hình vật lý chính xác của tên lửa chống ngầm АПР-2Э.

Thiết kế đa cấp độ (multi-level architecture) gồm 3 tầng chức năng độc lập nhưng ghép nối chặt chẽ:

  1. Tầng đo lường & Lọc EKF: Thu nhận tín hiệu thô từ 3 gia tốc kế ($a_x, a_y, a_z$), 3 con quay vi cơ rate-gyro ($\tilde{p}, \tilde{q}, \tilde{r}$), từ kế 3 trục ($B_x, B_y, B_z$), thiết bị đo vận tốc Doppler DVL ($V_x^{DVL}, V_y^{DVL}, V_z^{DVL}$) và cảm biến đo sâu thủy tĩnh $P_{baro}$.
  2. Tầng nhận dạng & Sinh quỹ đạo: Thuật toán RLS-ARX ước lượng tham số ma trận chuyển giao tức thời và giải thuật hình học tính góc dẫn LOS (Line-Of-Sight) $\psi_{LOS}, \theta_{LOS}$.
  3. Tầng điều khiển chấp hành DAFNOC: Mạng nơron mờ Singleton tính toán tổng góc bẻ lái bánh lái hướng $\delta_h$, bánh lái sâu $\delta_s$ và bánh lái lắc $\delta_l$.

Quy trình nghiên cứu rigorous

Quy trình xử lý dữ liệu dẫn đường thông qua bộ lọc EKF trải qua hai pha chuyển tiếp môi trường:

  • Pha 1 (Khí quyển): Phương trình trạng thái phi tuyến bậc 7 kết hợp vector quaternion $\mathbf{\lambda}$ và độ trôi dạt con quay biến đổi chậm $\mathbf{b} = [b_p, b_q, b_r]^T$. Hàm quan sát dựa trên vector gia tốc trọng trường rơi tự do và từ trường trái đất.
  • Pha 2 (Dưới nước): Trạng thái mở rộng tích hợp vector vận tốc địa lý $\mathbf{V}_n = [V_N, V_E, V_D]^T$ và tọa độ vị trí $\mathbf{P}_n = [x, y, z]^T$. Hàm quan sát cập nhật bổ sung vận tốc đáy DVL và độ sâu tuyệt đối.

Thuật toán căn chỉnh ban đầu PINS theo phương pháp phối hợp vector vận tốc (Velocity Matching) giải quyết bài toán mở chốt con quay ngẫu nhiên:

  • Khi thả từ máy bay phản lực (vận tốc lớn, gia tốc thay đổi mạnh): Khai thác ma trận hiệp phương sai sai số vận tốc giữa INS máy bay và INS vũ khí để xác định ma trận Cosin định hướng $C_d^n$.
  • Khi thả từ trực thăng (vận tốc thấp, cơ động treo): Tích hợp quan sát gia tốc trọng trường tĩnh và thông tin từ kế để khóa hướng trục đế.

Độ tin cậy của thuật toán được bảo đảm thông qua tiêu chuẩn kiểm tra hạng ma trận quan sát: $$\text{rank}[\mathbf{H}k^T, \mathbf{\Phi}{k,k-1}^T \mathbf{H}k^T, \dots, (\mathbf{\Phi}{k,k-1}^T)^{n-1} \mathbf{H}_k^T] = n$$

Data và phân tích

Dữ liệu mô phỏng được thiết lập từ các thông số thực tế của vũ khí chống ngầm dạng ngư lôi:

  • Chiều dài $L \approx 3.8\text{m}$, đường kính thân $D = 0.35\text{m}$, khối lượng $m = 575\text{kg}$, khoảng cách tâm nổi - tâm khối $z_f - z_b = 0.015\text{m}$.
  • Mật độ nước biển $\rho = 1025 \text{ kg/m}^3$.
  • Nhiễu đo con quay vi cơ giả lập phân phối Gauss: $w_{1,2,3} \sim \mathcal{N}(0, \sigma_\omega^2)$ với $\sigma_\omega = 0.05^\circ/\text{s}$; độ trôi $b_{p,q,r} = 10^\circ/\text{h}$.
  • Nhiễu đo gia tốc kế: $w_{4,5,6} \sim \mathcal{N}(0, \sigma_a^2)$ với $\sigma_a = 10^{-3}g$.
  • Phần mềm thực thi: Hệ môi trường Matlab/Simulink R2012b kết hợp thư viện điều khiển phi tuyến và tối ưu hóa số.

Kiểm định tính vững (Robustness checks): Thử nghiệm với các kịch bản dòng chảy xoáy đại dương ngẫu nhiên vận tốc biến thiên từ $0.5\text{m/s}$ đến $2.0\text{m/s}$, mô men bất định thay đổi $\pm 30%$ so với giá trị danh định của ma trận quán tính $I_0 = \text{diag}[I_{xx}, I_{yy}, I_{zz}]$.

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

Phát hiện 1: Triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng phân kỳ sai số góc hướng của INS vi cơ MEMS. Trích dẫn dữ liệu luận án: Thông qua cấu trúc EKF kết hợp từ kế và DVL, sai số ước lượng các tham số Rodrig – Hamilton $\hat{\lambda}_i$ tiệm cận giá trị thực với sai số chuẩn RMS nhỏ hơn $0.005$, sai số định hướng góc lắc $\phi$, góc chúc ngóc $\theta$, góc hướng $\psi$ duy trì dưới $0.15^\circ$ trong suốt hành trình lặn 120 giây.

Phát hiện 2: Thời gian đáp ứng của bộ điều khiển DAFNOC nhanh vượt trội so với PID truyền thống. Khi chịu tác động đổi hướng đột ngột của dòng chảy ngầm, DAFNOC chỉ mất $1.2\text{s}$ để triệt tiêu sai lệch góc hướng $\Delta \psi$, không xuất hiện độ quá điều chỉnh (overshoot $< 1.5%$), trong khi bộ điều khiển PID kinh điển mất tới $4.8\text{s}$ và dao động biên độ vượt $12%$.

Phát hiện 3: Tối ưu hóa tuyệt đối quá trình ổn định góc lắc đa biến. Trích dẫn nguyên văn cơ chế kỹ thuật: "Sau khi chạm nước 0.5s kênh điều khiển góc lắc mở để đảm bảo ổn định góc lắc trong giới hạn $3^\circ$ nhằm duy trì sự chuyển động độc lập của ASWs trong mặt phẳng ngang và mặt phẳng đứng." DAFNOC chứng minh khả năng giải xuyên kênh (decoupling) hoàn hảo giữa kênh chúc ngóc và kênh hướng dù sử dụng chung cánh lái đuôi chữ thập.

Phát hiện 4: Thuật toán nhận dạng RLS-ARX đạt độ chính xác tham số tức thời trong vòng 0.8 giây. Vector tham số mô hình $\hat{\mathbf{\theta}}(t)$ hội tụ về lân cận nghiệm thực với sai số ước lượng $e(t) < 10^{-4}$ ngay cả khi phương tiện chịu lực va chạm sóng khi xuyên mặt nước.

Implications đa chiều

Về mặt học thuật: Cung cấp phương pháp luận mẫu mực về tổng hợp hệ thống dẫn đường - điều khiển tích hợp cho vật thể chuyển tiếp liên môi trường (không khí - nước).

Về mặt phương pháp luận: Khẳng định tính khả thi của mạng nơron mờ Singleton trong các ứng dụng điều khiển nhúng thời gian thực đòi hỏi tài nguyên tính toán tối thiểu.

Về mặt thực tiễn quân sự: Luận án mở ra hướng nâng cấp mang tính chiến lược cho toàn bộ kho vũ khí chống ngầm hiện có của Quân chủng Hải quân Việt Nam. Thay vì phải phụ thuộc vào việc mua sắm các hệ thống vũ khí thế hệ mới từ nước ngoài với chi phí hàng triệu USD mỗi quả đạn, các viện nghiên cứu trong nước hoàn toàn có thể tích hợp khối IMU vi cơ MEMS nội địa hóa kết hợp nạp phần mềm thuật toán của luận án để tăng gấp 3 lần xác suất tiêu diệt tàu ngầm đối phương.

Limitations và Future Research

Luận án thẳng thắn thừa nhận các giới hạn kỹ thuật:

  1. Mô hình va chạm mặt nước (water-entry phase) mới chỉ xét tại thời điểm xung lực đỉnh để reset bánh lái về 0 và kích hoạt tách dù, chưa mô tả trường thủy động lực học biến dạng bọt khí nhiều pha (cavitation/supercavitation).
  2. Dữ liệu kiểm chứng dừng lại ở mức độ mô phỏng số học HIL (Hardware-In-the-Loop) và mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng Matlab - Simulink, chưa có điều kiện thử nghiệm bắn đạn thật trên biển do điều kiện kinh phí và bảo mật quân sự tại thời điểm 2014.
  3. Cảm biến DVL trong mô hình giả định luôn duy trì khóa đáy liên tục (bottom lock), chưa tính đến trường hợp mất tín hiệu âm học khi đi qua rãnh sâu đại dương hoặc đáy bùn xốp hấp thụ sóng âm.

Hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo:

  • Ứng dụng điều khiển thích nghi thông minh trên nền tảng Học sâu tăng cường (Deep Reinforcement Learning) để tối ưu quỹ đạo xoắn tự thích nghi theo gradient trường âm thanh của mục tiêu.
  • Mở rộng thuật toán cho đội hình phương tiện ngầm tự hành bầy đàn (Swarm AUVs) phối hợp săn ngầm đa điểm.
  • Thiết kế tích hợp thuật toán lọc thích nghi chống nhiễu màu (Colored Noise EKF) khi cảm biến làm việc trong môi trường biển động cấp 5 - cấp 6.

Tác động và ảnh hưởng

Luận án của tác giả Trương Duy Trung đã tạo tiếng vang lớn trong cộng đồng khoa học điều khiển quân sự trong nước:

  • Ảnh hưởng học thuật: 15 công trình khoa học công bố, trong đó có 8 bài báo trên Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ Quân sự, 6 bài tại các Hội nghị Tự động hóa và Cơ điện tử toàn quốc (VCCA), và 1 bài báo hội nghị quốc tế. Công trình trở thành tài liệu tham khảo nền tảng cho các đề tài cấp Bộ Quốc phòng và nghiên cứu sinh chuyên ngành Tự động hóa quân sự.
  • Hiện đại hóa công nghiệp quốc phòng: Đặt nền móng kỹ thuật trực tiếp cho các nhà máy Z113, Viện Tên lửa, Viện Tự động hóa trong việc bảo dưỡng, cải tiến tham số dẫn bắn của các tổ hợp tên lửa - ngư lôi săn ngầm trên máy bay Ka-28, Be-12 và tàu hộ vệ săn ngầm săn ngầm săn ngầm săn ngầm lớp Petya.
  • Hiệu quả kinh tế - xã hội: Tiết kiệm hàng trăm tỷ đồng ngân sách quốc phòng thông qua việc làm chủ công nghệ điều khiển vũ khí chính xác cao, tự chủ hoàn toàn phần mềm dẫn đường nhúng, loại trừ nguy cơ bị cài cắm mã độc từ các gói phần mềm đóng gói mua từ nước ngoài.

Đối tượng hưởng lợi

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học: Tiếp cận phương pháp luận toán học chặt chẽ về lý thuyết quaternion Rodrig – Hamilton và cách thức xây dựng bộ lọc Kalman phi tuyến đa cảm biến.
  • Các nhà khoa học điều khiển: Kế thừa cấu trúc bộ điều khiển thích nghi mờ nơron DAFNOC Singleton để áp dụng cho các đối tượng phức tạp khác như tên lửa hành trình, thiết bị bay không người lái (UAV), tàu lặn khảo sát đáy biển sâu.
  • Kỹ sư R&D công nghiệp quốc phòng: Ứng dụng trực tiếp các thuật toán giải mã ma trận Cosin định hướng $C_d^n$ và $C_b^n$ vào thiết kế bo mạch vi xử lý nhúng DSP/FPGA cho các hệ thống đạo hàng quán tính.
  • Chỉ huy tác chiến Hải quân: Sở hữu cơ sở khoa học tin cậy để xây dựng bảng bắn, xác định chuẩn xác tham số thời cơ cắt bom và vùng phân bố phao âm Sonar tối ưu.

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì? Đó là việc thiết lập thành công thuật toán điều khiển DAFNOC cho hệ phi tuyến MIMO 3 đầu vào ($\delta_h, \delta_s, \delta_l$) và 3 đầu ra ($\psi, \theta, \phi$) sử dụng mạng nơron mờ Singleton. Bằng cách cập nhật trực tiếp vector trọng số $\mathbf{\theta}_k$ theo luật thích nghi Lyapunov, công trình giải quyết triệt để vấn đề bùng nổ số lượng phép tính (curse of dimensionality) của hệ mờ Takagi-Sugeno truyền thống, cho phép thực thi thời gian thực trên vi điều khiển quân sự.

2. Điểm cải tiến phương pháp luận so với các nghiên cứu quốc tế trước đây? So với Fossen (2002) và Farrell (2008), luận án đã giải quyết trọn vẹn bài toán dẫn đường liên tục qua 2 môi trường dị biệt (khí quyển dốc đứng $70^\circ - 75^\circ$ và thủy ngân sâu 20m) bằng cách kết hợp tham số Rodrig – Hamilton tránh điểm kỳ dị với thuật toán EKF bù trôi con quay vi cơ và thuật toán căn chỉnh vector vận tốc PINS khi máy bay thả vũ khí ở tốc độ cao.

3. Phát hiện bất ngờ nhất có dữ liệu thực nghiệm chứng minh? Đó là sự ổn định độc lập của kênh góc lắc $\phi$ trong phạm vi cực hẹp $\pm 3^\circ$ đạt được chỉ sau $0.5\text{s}$ chạm nước. Dữ liệu mô phỏng chứng minh rằng việc ổn định góc lắc sớm triệt tiêu hoàn toàn tương tác chéo giữa lực nâng bánh lái đứng và bánh lái ngang, giúp việc dẫn đường trong hai mặt phẳng ngang và đứng phân rã thành hai bài toán SISO độc lập, tăng tốc độ bám quỹ đạo lên $40%$.

4. Quy trình tái lập nghiên cứu (Replication protocol) có được cung cấp đầy đủ? Luận án cung cấp chi tiết 100% các ma trận phương trình vi phân $M_{RB}, C_{RB}, M_A, C_A, D(\nu), g(\eta)$, các công thức cập nhật Kalman (1.32 - 1.39), và cấu hình hàm liên thuộc mờ Gaussian. Các nhà nghiên cứu hoàn toàn có thể tái lập chính xác mô hình trên Matlab/Simulink.

5. Chương trình nghị sự nghiên cứu 10 năm được phác thảo ra sao? Lộ trình hướng tới: Hoàn thiện mô hình động lực học xâm nhập nước đa pha bọt khí $\rightarrow$ Chế tạo phần cứng IMU/DVL nhúng trên chip FPGA $\rightarrow$ Thử nghiệm hồ thủy âm và thử nghiệm bắn đạn thật trên biển $\rightarrow$ Phát triển thuật toán săn ngầm bầy đàn thông minh.

Kết luận

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật của Trương Duy Trung là công trình khoa học xuất sắc, đặt dấu mốc quan trọng trong lĩnh vực điều khiển tự động khí tài quân sự ngầm tại Việt Nam với 5 đóng góp cốt lõi:

  1. Xây dựng hoàn chỉnh hệ phương trình động lực học phi tuyến 6 bậc tự do cho vũ khí chống ngầm thả từ máy bay xét đầy đủ ma trận quán tính khối nước kèm, lực cản và lực nâng thủy động.
  2. Thiết lập thuật toán dẫn đường quán tính không đế (SINS) dựa trên tham số Rodrig – Hamilton và bộ lọc EKF đa kênh (con quay vi cơ, gia tốc kế, từ kế, DVL, cảm biến áp suất), loại bỏ hoàn toàn điểm kỳ dị toán học và bù trôi cảm biến vi cơ.
  3. Giải quyết bài toán căn chỉnh ban đầu PINS theo phương pháp phối hợp vector vận tốc cho cả hai trường hợp máy bay phản lực vận tốc lớn và máy bay trực thăng cơ động treo.
  4. Đề xuất giải pháp nhận dạng mô hình trực tuyến ARX bằng thuật toán bình phương tối thiểu đệ quy RLS, thích ứng với biến đổi tham số thân vũ khí.
  5. Sáng tạo bộ điều khiển thích nghi thông minh DAFNOC Singleton MIMO 3 vào – 3 ra, đảm bảo tính ổn định tiệm cận Lyapunov, triệt tiêu ảnh hưởng của dòng chảy đại dương và dẫn đường chính xác vũ khí tiếp cận quỹ đạo xoắn săn ngầm mục tiêu.

Công trình mở ra 3 nhánh nghiên cứu học thuật mới: Dẫn đường vật thể liên môi trường, Điều khiển thông minh thời gian thực trên chip chuyên dụng, và Tác chiến phối hợp phương tiện ngầm tự hành; khẳng định năng lực tự chủ công nghệ điều khiển vũ khí công nghệ cao của nền khoa học kỹ thuật quân sự Việt Nam.