BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ QUỐC PHÒNG
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ
Nguyễn Trung Kiên
XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN CÁC ĐÀI QUAN SÁT TỰ ĐỘNG ĐỊNH VỊ
TỪ XA CÁC ĐỐI TƯỢNG DI ĐỘNG
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Hà Nội - 2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ QUỐC PHÒNG
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ
Nguyễn Trung Kiên
XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN CÁC ĐÀI QUAN SÁT TỰ ĐỘNG ĐỊNH VỊ
TỪ XA CÁC ĐỐI TƯỢNG DI ĐỘNG
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hoá
Mã số: 62 52 02 16
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
GS.TSKH CAO TIẾN HUỲNH
PGS.TS TRẦN ĐỨC THUẬN
Hà Nội - 2015
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu riêng của tôi. Các số liệu,
kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.
TÁC GIẢ
Nguyễn Trung Kiên
LỜI CẢM ƠN
Trước tiên tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành nhất tới GS.TSKH Cao
Tiến Huỳnh, người hướng dẫn khoa học chính và PGS.TS. Trần Đức Thuận,
người hướng dẫn thứ hai, đã tận tình hướng dẫn, chỉ ra những nội dung cần
giải quyết và đóng góp những ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn thành bản
luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo, chỉ huy Viện Khoa học và Công
nghệ quân sự, Viện Tự động hoá Kỹ thuật quân sự và các đồng nghiệp đã
luôn tạo điều kiện, động viên, quan tâm và giúp đỡ tôi hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo cùng tập thể phòng Đào tạo Viện
Khoa học và Công nghệ quân sự đã luôn quan tâm giúp đỡ tôi trong quá trình
thực hiện luận án.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn toàn thể gia đình và bè bạn đã luôn
thông cảm, động viên, giúp đỡ và chia sẻ với tôi trong suốt thời gian thực
hiện luận án.
i
M CL C
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ....................................................................III
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ............................................................................................................ V
MỞ ĐẦU............................................................................................................................................ 1
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ ĐỊNH VỊ TỪ XA CÁC ĐỐI TƯỢNG DI ĐỘNG
TRÊN CƠ SỞ SỬ DỤNG CÁC THIẾT BỊ QUANG ĐIỆN TỬ ....................................................... 7
1.1. Vai trò của hệ thống tự động định vị từ xa đối tượng di động trên cơ sở các
thiết bị quang điện tử...................................................................................................7
1.2. Định vị đối tượng di động trong không gian theo vị trí chuẩn ............................9
1.2.1. Định vị các đối tượng di động theo một vị trí chuẩn ........................................9
1.2.2. Định vị các đối tượng di động theo hai vị trí chuẩn .......................................11
1.3. Vấn đề xử lý ảnh động trong hệ thống tự động bám sát các đối tượng di
động ...........................................................................................................................13
1.4. Một vài nhận xét về các hệ thống tự động bám các đối tượng di động sử dụng
các luật điều khiển truyền thống ...............................................................................15
1.5. Bài toán tự động bám sát các đối tượng di động trong không gian ...................18
1.5.1. Những yêu cầu chung đối với hệ thống tự động bám .....................................18
1.5.2. Định hướng nghiên cứu đáp ứng các yêu cầu đặt ra ......................................20
1.6. Các đặc tính phi tuyến của các phần tử không quán tính và các phương pháp
bù trừ .........................................................................................................................21
1.7. Khái quát về ưu nhược điểm của các phương pháp tổng hợp các hệ điều khiển
đối tượng phi tuyến ...................................................................................................24
1.7.1. Phương pháp backstepping trong tổng hợp hệ phi tuyến ...............................24
1.7.2. Tổng hợp hệ điều khiển thích nghi bằng phương pháp backstepping có sử
dụng mạng nơ ron nhân tạo ......................................................................................28
1.7.3. Phương pháp tổng hợp hệ điều khiển mờ thích nghi ......................................30
1.7.4. Điều khiển thích nghi bền vững trên cơ sở sử dụng mạng nơron nhân tạo và
mode trượt .................................................................................................................33
1.8. Kết luận chương 1 ..............................................................................................34
CHƯƠNG II. XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO HỆ THỐNG
TỰ ĐỘNG BÁM SÁT ĐỐI TƯỢNG DI ĐỘNG ............................................................................ 35
ii
2.1. Cấu trúc của hệ thống tự động bám sát đối tượng di động ................................35
2.2. Mô hình toán học của đối tượng điều khiển trong hệ thống tự động bám sát
các đối tượng di động ................................................................................................37
2.3. Xây dựng thuật toán điều khiển thích nghi trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo ...43
2.3.1. Đặt bài toán.....................................................................................................45
2.3.2. Tổng hợp hệ điều khiển thích nghi cho đối tượng phi tuyến bất định ...........47
2.4. Mô phỏng, kiểm chứng hiệu quả của hệ thống thích nghi tự động bám sát các
đối tượng di động ......................................................................................................57
2.5. Kết luận chương 2 ..............................................................................................65
CHƯƠNG III. XÂY DỰNG THUẬT TOÁN THÍCH NGHI, BỀN VỮNG TRÊN CƠ SỞ
MẠNG NƠ RON VÀ ĐIỀU KHIỂN MODE TRƯỢT CHO HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG BÁM SÁT
CÁC ĐỐI TƯỢNG DI ĐỘNG ........................................................................................................ 67
3.1. Sự cần thiết của thuật toán thích nghi, bền vững đối với hệ thống tự động bám
sát các đối tượng di động ..........................................................................................67
3.2. Chế độ trượt trong các hệ thống điều khiển .......................................................68
3.2.1. Điều khiển trượt trong hệ thống cấu trúc biến đổi .........................................69
3.2.2. Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển trượt trong hệ thống ...........................72
3.3.Tích hợp điều khiển mode trượt với điều khiển tối ưu tác động nhanh cho một
lớp hệ thống tự động bám .........................................................................................75
3.3.1. Vấn đề điều khiển tối ưu tác động nhanh đối với hệ thống tự động bám sát
mục tiêu .....................................................................................................................75
3.3.2. Đề uất phương pháp tổng hợp u t điều khiển đ m b o tính bền vững và
tính kháng nhi u trên cơ sở sử dụng chế độ trượt ....................................................81
3.4. Ứng dụng các thuật toán điều khiển thích nghi bền vững kết hợp tối ưu tác
động nhanh với mode trượt và mạng nơron cho hệ thống tự động định vị các đối
tượng di động ............................................................................................................86
3.5. Kết luận chương 3 ..............................................................................................95
KẾT LUẬN ...................................................................................................................................... 96
DANH MỤC CÁC C NG TRÌNH KHOA H C Đ C NG BỐ .................................................. 98
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................................ 99
PHỤ LỤC.......................................................................................................................................108
iii
DANH M C CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Góc phương vị của đài quan sát, [rad]
Góc tà của đài quan sát, [rad]
D
Cự ly của mục tiêu, [m]
H
Độ cao của mục tiêu, [m]
Va
Tốc độ mục tiêu, [m/s]
X ( x1 ,......xn )T
Vector các tín hiệu trạng thái
u [u1 ,......un ]T
Vector các tín hiệu đầu vào (tín hiệu điều khiển)
Z [z T , 1]T
y (t )
Tín hiệu đầu ra của hệ thống.
yd (t )
Tín hiệu đặt đầu vào của hệ thống.
f (X )
g( X )
Các vector hàm mô tả hệ thống
A Rnn , B Rnm
Ký hiệu các ma trận
V (X )
Hàm Lapunov
S
Mặt trượt
d(t ), d (t )
Dạng nhiễu phụ thuộc thời gian tác động vào hệ
thống
u , 0
Hệ số trong điều khiển mode trượt
iv
BĐK1, BĐK2
Các bộ điều khiển
CCH
Cơ cấu chấp hành
CLF
Hàm điều khiển Lyapunov (Control Lyapunov Function)
CMTH
Chuyển mạch tín hiệu
ĐQS
Đài quan sát
GAS
Hệ ổn định tiệm cận toàn cục (Global Asymptotic Stable)
MHTT
Mô hình tuyến tính
ND, HCTN
Nhận dạng, hiệu chỉnh thích nghi sử dụng mạng nơron RBF.
PID
Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (Proportional Integral
Derivative)
QĐT - XLA
Các phương tiện quang điện tử và khối xử lý ảnh
RBF
Mạng nơron xuyên tâm (Radial Basis Function)
Robot hai khớp, được dẫn động bởi các bộ truyền động điện
RLED Robot
theo liên kết cứng (Rigid – Link Electrically Driven Robot –
RLED Robot)
SISO
Hệ một đầu vào - một đầu ra (Single Input- Single Output
System)
SMC
Bộ điều khiển trượt (Sliding Mode Control)
TLĐK
Khối tạo lệnh điều khiển
TOC
Điều khiển tối ưu (Time Optimal Control)
XĐSL
Khối xác định sai lệch
XLTT
Khối xử lý và tính toán
v
DANH M C CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1
Một số đài tự động định vị, điều khiển ho
ực có trong
trang bị của quân đội các nước và các chỉ tiêu kỹ thu t
chính
Hình 1.2
Sơ đồ định vị các đối tượng di động trong không gian theo
một vị trí chuẩn
Hình 1.3
8
10
Sơ đồ định vị các đối tượng di động trong không gian theo
hai vị trí chuẩn
12
Hình 1.4
Cấu trúc của hệ điều khiển mờ thích nghi
31
Hình 2.1
Sơ đồ cấu trúc rút gọn hệ thống bám sát
35
Hình 2.2
Sơ đồ cấu trúc của đối tượng điều khiển phi tuyến bất định
theo mô hình (2.26)
Hình 2.3
48
Sơ đồ cấu trúc của đối tượng điều khiển phi tuyến bất định
theo mô hình (2.28)
48
Hình 2.4
Sơ đồ cấu trúc bù trừ
49
Hình 2.5
Sơ đồ cấu trúc rút gọn hệ thống điều khiển kết hợp Thích
nghi/PID với cơ cấu nh n dạng phi tuyến và nhi u
51
Hình 2.6
Bi u di n hàm trơn phi tuyến bất định
52
Hình 2.7
Nhi u d(t ) được ấp ỉ bằng bộ nh n dạng và sai số ấp
ỉ
Hình 2.8
Hàm phi tuyến phụ thuộc trạng thái f ( X ) được ấp ỉ
bằng bộ nh n dạng và sai số ấp ỉ
Hình 2.9
60
61
Phi tuyến và nhi u f * ( X , t ) f ( X ) d(t ) được ấp ỉ
bằng bộ nh n dạng và sai số ấp ỉ
62
vi
Hình 2.10
Sai số của hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID và bộ điều
63
khiển Thích nghi/PID dưới tác động của nhi u
Hình 2.11
Hệ thống bám theo hình sin và sai số bám sát với bộ điều
khiển PID
Hình 2.12
64
Hệ thống bám theo hình sin và sai số bám sát với bộ điều
khiển Thích nghi/PID
64
Hình 3.1
Quỹ đạo chuyển động không ổn định của hệ
70
Hình 3.2
Quỹ đạo chuyển động của hệ khi biến đổi cấu trúc
71
Hình 3.3
Chân dung pha của hệ thống
78
Hình 3.4
Sơ đồ cấu trúc hệ thống tự động bám sát mục tiêu sử dụng
bộ điều khiển kết hợp Thích nghi/Trượt
87
Hình 3.5
Dạng mô phỏng phi tuyến và nhi u f * ( X , t )
90
Hình 3.6
Quá trình quá độ của bộ điều khiển Thích nghi/PID, bộ
điều khiển Ttrượt và Thích nghi/Trượt dưới tác động của
f * ( X ,t)
Hình 3.7
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển Trượt bám theo hình sin
với 0 20 dưới tác động của f * ( X , t )
Hình 3.8
92
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển Thích nghi/Trượt bám
theo hình sin với 0 1 dưới tác động của 1.5 f * ( X , t )
Hình 3.10
92
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển Trượt bám theo hình sin
với 0 20 dưới tác động của 1.5 f * ( X , t )
Hình 3.9
91
92
So sánh hệ thống sử dụng các bộ điều khiển bám theo quỹ
đạo với đối tượng có tham số biến đổi R 2 RN
93
1
MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Định vị từ xa các đối tượng di động là quá trình xác định vị trí của đối
tượng so với vị trí chuẩn theo chế độ thời gian thực. Mỗi khi vị trí của đối
tượng đã được xác định ở chế độ thời gian thực với độ chính xác cần thiết,
hoàn toàn có thể tính toán, xử lý thông tin đó để xác định thêm các tham số
vận động của đối tượng, thí dụ như tốc độ chuyển động, hướng chuyển động
v.v... Như vậy, khác với định vị các đối tượng không chuyển động, định vị
các đối tượng di động đòi hỏi phải bám sát đối tượng và liên tục xác định vị
trí, và nếu cần thiết, xác định cả các tham số vận động của đối tượng ở chế độ
thời gian thực. Để định vị được đối tượng chuyển động đòi hỏi phải bám sát
được đối tượng. Vì vậy trong thực tế và trong luận án sử dụng hai khái niệm
“định vị các đối tượng di động” và “bám sát các đối tượng di động” thay thế
cho nhau. Đối tượng chuyển động với tốc độ và tính cơ động càng cao, với
quỹ đạo chuyển động càng phức tạp thì vấn đề bám sát đối tượng càng trở nên
phức tạp hơn, khó khăn hơn.
Các hệ thống tự động bám sát các đối tượng di động được áp dụng rộng
rãi trong các lĩnh vực quân sự và quốc phòng - an ninh, trong hàng không,
hàng hải, viễn thám, phòng chống thiên tai, tìm kiếm cứu nạn v.v... Sự phát
triển không ngừng của các lĩnh vực này đang đặt ra những yêu cầu ngày càng
cao hơn đối với các hệ thống định vị, bám sát từ xa các đối tượng di động.
Tính cấp thiết của đề tài luận án
Nhằm đáp ứng các yêu cầu nêu trên, vấn đề nghiên cứu thiết kế, chế tạo
các hệ thống tự động định vị, bám sát từ xa các đối tượng di động có chất
lượng cao đã trở thành vấn đề thời sự.
2
Trong các lĩnh vực kỹ thuật quân sự, vấn đề xây dựng các hệ thống tự
động định vị từ xa các đối tượng di động trên cơ sở sử dụng các thiết bị quang
điện tử đạt các chỉ tiêu chất lượng cao đang thực sự là vấn đề cấp thiết, thu
hút sự quan tâm đặc biệt. Điều đó xuất phát từ yêu cầu phát hiện, bắt và bám
sát các mục tiêu hiện đại trong chiến tranh công nghệ cao. Các hệ thống rada
phát hiện, bắt và bám mục tiêu phục vụ cho hoả lực nay không thể phát huy
tác dụng đối với các mục tiêu tàng hình. Không những thế, các hệ thống rada
còn luôn đứng trước nguy cơ bị tấn công bằng các loại tên lửa tự dẫn và vì
vậy độ sống còn của chúng không cao, dễ bị tiêu diệt. Để phát hiện, bắt và
bám các mục tiêu tàng hình, các mục tiêu bay thấp, cơ động nhanh trong khi
vẫn giữ bí mật, không để đối phương phát hiện, đòi hỏi phải sử dụng các hệ
thống tự động bám sát mục tiêu trên cơ sở các thiết bị quang điện tử như:
camera ánh sáng ngày, camera ảnh nhiệt với độ phân giải cao và đo xa laser.
Các hệ thống này đòi hỏi phải có độ chính xác cao, độ tác động nhanh tốt, độ
tin cậy cao.
Đối với các mục tiêu bay thấp với tốc độ và tính cơ động cao, yêu cầu đảm
bảo các chỉ tiêu chất lượng cao cho các hệ thống đó càng khắt khe hơn, cấp
thiết hơn.
Để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao đối với hệ thống tự động sử dụng các
thiết bị quang điện tử để định vị từ xa các đối tượng di động đòi hỏi phải xây
dựng các thuật toán điều khiển thông minh, có tính bền vững và tính thích
nghi cao, loại trừ được các tác động của nhiễu và bù khử được ảnh hưởng của
các đặc tính phi tuyến, áp dụng trực tiếp cho đài quan sát, đồng thời phải có
các công nghệ và thuật toán xử lý ảnh động đủ mạnh.
Ở các nước có nền khoa học công nghệ phát triển, những vấn đề nêu trên
đã và đang thu hút sự quan tâm, đã thu được nhiều kết quả quan trọng. Tuy
nhiên, đó là những kết quả thuộc về các lĩnh vực công nghệ cao nhằm mục
3
đích phục vụ quân sự và quốc phòng, vì vậy chúng không được công bố, cũng
không thực hiện chuyển giao ngay cả khi thực hiện các hợp đồng trang bị.
Ở trong nước, các đơn vị khoa học đã quan tâm giải quyết các vấn đề này
từ hàng chục năm trở lại đây. Viện Tự động hoá kỹ thuật quân sự đã nghiên
cứu tổng hợp, thiết kế và chế tạo thành công hệ thống tự động bám sát mục
tiêu sử dụng quang điện tử phục vụ hoả lực pháo phòng không. Các hệ thống
này đã được áp dụng vào thực tế, được nhân rộng và đang phát huy hiệu quả
tốt [7].
Với yêu cầu ngày càng cao hơn đối với các hệ thống tự động bám sát mục
tiêu phục vụ hoả lực, thêm vào đó là đòi hỏi có các hệ thống phục vụ mục
đích đặc biệt với độ chính xác cao và rất cao, vấn đề tổng hợp, thiết kế chế tạo
hệ thống tự động bám sát các đối tượng chuyển động sử dụng quang điện tử
với các chỉ tiêu chất lượng cao càng trở nên cấp thiết.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu của u n án à nghiên cứu ây dựng phương pháp tổng hợp hệ
thống tự động định vị bám sát các đối tượng chuyển động sử dụng các thiết bị
quang điện tử thế hệ mới trên nguyên ý thụ động, đ m b o các chỉ tiêu chất
ượng cao, đáp ứng yêu cầu bắt, bám sát các mục tiêu hiện đại trong chiến
tranh công nghệ cao.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của u n án à hệ thống tự động bám các đối tượng
di động sử dụng các thiết bị quang điện tử.
Phạm vi nghiên cứu: Các phương pháp phân tích và tổng hợp hệ thống
cũng như các giải pháp đảm bảo chất lượng cao cho hệ thống, loại trừ được
ảnh hưởng của các đặc tính phi tuyến của các thiết bị trong hệ thống đến chất
lượng điều khiển, làm cho hệ thống có tính bền vững, tính kháng nhiễu tốt,
giảm thiểu được khả năng mất bám đảm bảo thích nghi với tín hiệu vào.
4
4. Nội dung nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu, các nội dung nghiên cứu cụ thể của luận án là:
- Xây dựng mô hình toán học mô tả động học của đài quan sát như là đối
tượng điều khiển trong hệ thống tự động định vị từ xa các đối tượng di động
sử dụng quang điện tử. Phân tích mô hình toán học đầy đủ của đài quan sát,
chỉ ra các yếu tố bất định làm cơ sở cho việc tổng hợp hệ thống điều khiển
chất lượng cao cho đài quan sát.
- Nghiên cứu xây dựng phương pháp nhận dạng thành phần phi tuyến,
nhiễu phụ thuộc trạng thái (State depend disturbance) và nhiễu tác động lên
hệ thống.
- Nghiên cứu xây dựng phương pháp tổng hợp hệ thống thích nghi bền
vững đảm bảo tối ưu theo tác động nhanh; bù trừ được ảnh hưởng của phi
tuyến và nhiễu đến chất lượng của hệ thống, bất biến với sự biến đổi các tham
số động học của đối tượng điều khiển, làm cơ sở cho việc thiết kế chế tạo hệ
thống với các chỉ tiêu chất lượng cao.
- Đề xuất phương pháp nâng cao chất lượng cho hệ thống tự động điều
khiển đài quan sát trong các tổ hợp hoả lực trên cơ sở nhận dạng phi tuyến và
nhiễu, sử dụng bộ điều khiển PID hiện có.
- Mô phỏng đánh giá hiệu quả các phương pháp đề xuất sử dụng bộ phần
mềm mô phỏng Matlab-Simulink.
. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Theo các nội dung nghiên cứu nêu trên, các kết quả đạt được của luận án
có những đóng góp mới cả về lý thuyết và ứng dụng. Các phương pháp và
thuật toán đều được phát triển trên cơ sở các công cụ của lý thuyết điều khiển
hiện đại, như điều khiển bền vững, điều khiển thích nghi, điều khiển các hệ
phi tuyến bất định, mạng noron nhân tạo. Kết quả mô phỏng đã minh chứng
tính đúng đắn và hiệu quả của các phương pháp đề xuất, làm nổi bật ý nghĩa
5
khoa học của các phương pháp đó. Các phương pháp đề xuất và các thuật toán
thu được phục vụ trực tiếp cho việc tổng hợp, thiết kế chế tạo mới và cải tiến
nâng cao chất lượng cho các hệ thống tự động bám sát mục tiêu sử dụng
quang điện tử hiện có, góp phần giải quyết các vấn đề cấp thiết liên quan đến
yêu cầu đối phó có hiệu quả cao đối với các mục tiêu phức tạp trong điều kiện
chiến tranh công nghệ cao. Các phương pháp và thuật toán đó còn có thể áp
dụng để tổng hợp các hệ thống cho các lĩnh vực khác trong quốc phòng và
kinh tế.
6. Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện được các nội dung nêu trên và đạt được các kết quả, luận án
sử dụng phương pháp phân tích, tổng hợp và vận dụng các công cụ hiện đại
như lý thuyết điều khiển thích nghi, điều khiển bền vững trên cơ sở ứng dụng
chế độ trượt (mode trượt – sliding mode), điều khiển tối ưu tác động nhanh,
điều khiển phi tuyến bất định, mạng noron nhân tạo v.v..
Để kiểm chứng tính đúng đắn, hiệu quả và độ tin cậy của các kết quả thu
được, luận án sử dụng công cụ mô phỏng Matlab-Simulink.
7. Bố cục của luận án
Luận án bao gồm: Phần mở đầu, ba chương, Kết luận , Danh mục tài liệu
tham khảo và phụ lục.
Phần Mở đầu: Nêu rõ tính cấp thiết của đề tài luận án, khái quát chung
về mục tiêu, nội dung, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực
tiến của luận án và giới thiệu tóm tắt về cấu trúc của luận án.
Chương I: Tổng quan về vấn đề định vị từ xa các đối tượng di động trên cơ
sở sử dụng các thiết bị quang điện tử
Chương này trình bày tổng quan về vấn đề định vị các đối tượng chuyển
động trong không gian theo vị trí chuẩn; về xử lý ảnh động trong hệ thống tự
động bám, về vấn đề tổng hợp các hệ thống tự động bám sát các đối tượng di
6
động trên cơ sở quang điện tử. Đã chỉ ra những vấn đề cấp thiết cần tập trung
giải quyết trong các chương sau.
Chương II: Xây dựng thuật toán điều khiển thích nghi cho hệ thống tự
động bám sát đối tượng di động.
Chương này xây dựng mô hình động học mô tả đầy đủ động học của đối
tượng điều khiển; xây dựng phương pháp nhận dạng các yếu tố phi tuyến và
nhiễu trên cơ sở sử dụng các công cụ thích nghi và mạng noron nhân tạo. Đã
chứng minh được định lý về điều kiện đủ để hệ thống nhận dạng hội tụ. Kết
quả nhận dạng phi tuyến và nhiễu được sử dụng kết hợp với các bộ điều khiển
truyền thống để nâng cao chất lượng hệ thống.
Chương III: Xây dựng thuật toán thích nghi, bền vững trên cơ sở mạng
noron và điều khiển mode trượt cho hệ thống tự động bám sát các đối
tượng di động
Chương này tập trung giải quyết các nội dung liên quan đến xây dựng các
thuật toán thích nghi, bền vững trên cơ sở mạng noron và điều khiển mode
trượt, kết hợp với điều khiển tác động nhanh. Đã xây dựng phương pháp tổng
hợp hệ thống tự động bám sát các đối tượng di động có các chỉ tiêu chất
lượng cao về độ tác động nhanh, khả năng kháng nhiễu, độ chính xác và tính
bền vững.
Các kết quả của chương II và chương III đều được áp dụng trực tiếp cho
một lớp đài quan sát quang điện tử cụ thể và được kiểm chứng tính đúng đắn
và hiệu quả của các phương pháp và thuật toán đã đề xuất bằng mô phỏng
trong môi trường Matlab – Simulink.
Trong phần “Kết luận”, luận án nêu rõ những kết quả chính và các đóng
góp mới của luận án, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của các kết quả đó đồng
thời chỉ rõ các hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo.
7
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ ĐỊNH VỊ TỪ XA CÁC ĐỐI TƯỢNG DI
ĐỘNG TRÊN CƠ SỞ SỬ D NG CÁC THIẾT BỊ QUANG ĐIỆN TỬ
1.1. Vai trò của hệ thống tự động định vị từ xa đối tượng di động trên cơ
sở các thiết bị quang điện tử
Quan sát, giám sát, định vị, bám sát từ xa các đối tượng di động là vấn đề
có ý nghĩa quan trọng đối với nhiều lĩnh vực như hàng không, giao thông, cứu
hộ… và đặc biệt quan trọng đối với các lĩnh vực quân sự và quốc phòng.
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học - công nghệ, nhiều thành tựu
của khoa học công nghệ được ứng dụng để chế tạo thiết bị bay và các trang bị
kèm theo nhằm nâng cao đặc tính kỹ chiến thuật cũng như khả năng sống còn
của chúng đặc biệt là khả năng tàng hình, làm cho việc theo dõi, xác định
chính xác vị trí của thiết bị bay ngày càng khó khăn, phức tạp. Vì vậy, đòi hỏi
hệ thống điều khiển hỏa lực phòng không phải có những thay đổi, cải tiến để
có thể thực hiện được nhiệm vụ đặt ra, có khả năng bắt bám và tiêu diệt các
mục tiêu hiện đại.
Các hệ thống tự động định vị từ xa các đối tượng di động bằng radar đang
đứng trước những thách thức lớn trong điều kiện của chiến tranh hiện đại:
- Radar gặp khó khăn rất lớn trong việc phát hiện và định vị các đối
tượng tàng hình;
- Radar có khả năng bị vô hiệu hoá bằng việc gây nhiễu tích cực và chế
áp điện tử từ phía đối phương;
Các đài radar luôn đứng trước nguy cơ bị tiêu diệt bằng các loại tên lửa tự
dẫn chống radar. Trong lĩnh vực quân sự, các đài tự động định vị từ xa các đối
tượng di động sử dụng các thiết bị quang điện tử có vai trò rất quan trọng, đặc
biệt trong chiến tranh công nghệ cao. Khác với các phương tiện định vị bằng
Radar, các hệ thống định vị sử dụng quang điện tử thường là các hệ thống thụ
8
động, có khả năng chống nhiễu ở dải sóng vô tuyến (là dải sóng mà đối
phương có khả năng gây nhiễu nhiều nhất), có khả năng tránh khỏi các đòn
tiến công bằng tên lửa tự dẫn chống radar và các phương tiện phát sóng vô
tuyến của đối phương. Hơn thế nữa, các hệ thống tự động định vị sử dụng
quang - điện tử có khả năng đạt độ chính xác cao hơn so với các phương tiện
khác. Chính nhờ các tính năng ưu việt nổi trội như vậy, các đài tự động định
vị sử dụng các thiết bị quang điện tử là những phương tiện kỹ thuật quân sự
không thể thiếu được trong chiến tranh hiện đại, được sử dụng với nhiều mục
đích khác nhau. Các hệ thống sử dụng cho các đơn vị hỏa lực thường rất đắt
tiền, mỗi hệ được bán với giá hàng triệu đô la Mỹ. Các hệ thống sử dụng
trong các mục đích đặc biệt như đo quỹ đạo của tên lửa để phục vụ cho kiểm
tra, hiệu chỉnh các hệ thống tự dẫn của tên lửa có độ chính xác rất cao, với giá
thành tới hàng chục triệu đô la Mỹ. Trên hình 1.1 là một số đài tự động định
vị, điều khiển hoả lực có trong trang bị của quân đội các nước.
Xạ giới quan sát
n 360o ; 5o 85o
Tốc độ quay ĐQS (lớn nhất)
, ;90o s
Gia tốc ĐQS (lớn nhất)
, ;150o s 2
Sai số vị trí
0, 2mrad
Độ phân giải vị trí
0,02mrad
Khả năng bám sát với mục tiêu có tốc độ (lớn nhất)
500 m s
Hình 1.1. Một số đài tự động định vị, điều khiển ho
ực có trong trang bị
của quân đội các nước và các chỉ tiêu kỹ thu t chính
9
Nguyên lý hoạt động chung của các đài định vị sử dụng các thiết bị quang
điện tử là: dựa trên ảnh của đối tượng do các camera đưa về, khối xử lý ảnh
tính toán ra các sai lệch để điều khiển hệ cơ điện bám sát đối tượng, qua đó
xác định các tham số toạ độ đặc trưng, kết hợp với số liệu cự li được cung cấp
qua thiết bị đo xa tính toán các tham số vận động của đối tượng.
Tiếp theo, luận án trình bày các giải thuật chính được sử dụng trong hệ
thống định vị các đối tượng di động sử dụng quang điện tử, làm cơ sở cho
việc nghiên cứu phương pháp tổng hợp và thiết kế hệ thống tự động định vị
các đối tượng di động có chất lượng cao.
1.2. Định vị đối tượng di động trong không gian theo vị trí chuẩn
Các thiết bị, phương tiện và hệ thống tự động định vị các đối tượng di
động từ xa sử dụng các thiết bị quang điện tử thực hiện việc xác định tọa độ
của đối tượng di động so với gốc tọa độ, nơi đặt chúng ở chế độ thời gian
thực, là phương pháp định vị theo vị trí chuẩn.
1.2.1. Định vị các đối tượng di động theo một vị trí chuẩn
Định vị các đối tượng di động trong không gian là một thành phần không
thể thiếu trong các hệ thống bám sát, điều khiển hoả lực…. Vì vậy, rất cần
thiết phải xây dựng các thuật toán định vị các đối tượng di động không gian.
Các thuật toán này phục vụ cho việc theo dõi, giám sát, và cả điều khiển các
đối tượng đó. Ngoài ra, các thuật toán còn được sử dụng giải quyết nhiều vấn
đề khác do thực tiễn của nhiều lĩnh vực kinh tế và quốc phòng đặt ra. Thí dụ
như bài toán gặp nhau của các chuyển động, bài toán xạ kích, v.v..
Trên hình 1.2, ta xây dựng thuật toán định vị đối tượng di động trong
không gian theo một vị trí chuẩn được chọn trước O. Tham số về chuyển
động của thiết bị di động trong không gian thường được xác định trong hệ toạ
độ cầu (với gốc toạ độ là điểm đặt đài quan sát bao gồm: tọa độ góc, cự ly và
tốc độ biến thiên của các tham số này). Để định vị chúng ta sử dụng các thiết
10
bị đo góc phương vị và góc tà và thiết bị đo cự ly. Đối tượng di động trong
không gian là các thiết bị bay.
Hình 1.2. Sơ đồ định vị các đối tượng di động trong không gian theo một
vị trí chuẩn
Giả sử thời điểm t1 các thiết bị đo góc phương vị và góc tà cho ta giá trị
tương ứng là 1 (t1 ) và 1 (t1 ) .
Đồng thời thiết bị đo cự ly cho ta D1 D1 (t1 ) . Bộ ba tham số D1 , 1 , 1
hoàn toàn xác định vị trí trong không gian của đối tượng di động tại thời điểm
t1 Tương tự như vậy, tại thời điểm t2 ta lại có bộ ba tham số tương ứng
D2 , 2 , 2 . Để giải các bài toán của thực tiễn, bên cạnh bộ ba tham số nêu
trên là chưa đủ mà còn phải xác định tốc độ chuyển động của đối tượng.
Từ hình 1.2, ta có:
- Xem thêm -