Về một phương pháp nhận dạng chuyển động cho một lớp phương tiện cơ giới quân sự sử dụng đa cảm biến

i

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

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

PHẠM HẢI AN

VỀ MỘT PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG

CHUYỂN ĐỘNG CHO MỘT LỚP

PHƯƠNG TIỆN CƠ GIỚI QUÂN SỰ

SỬ DỤNG ĐA CẢM BIẾN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Lý thuyết điều khiển và điều khiển tối ưu

Mã số : 62 52 60 05

Người hướng dẫn khoa học : PGS. TS Lê Hùng Lân

TS Nguyễn Quang Hùng

Hà Nội 2011

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số

liệu, kết quả nêu trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng

được ai công bố trong bất kì công trình khoa học nào khác.

Tác giả

Phạm Hải An

iii

LỜI CÁM ƠN

------ ------

Sau thời gian học tập và nghiên cứu, tôi đã hoàn thành bản luận án này. Tôi

xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Lê Hùng Lân và TS Nguyễn Quang

Hùng đã tận tình giúp đỡ tôi để tôi hoàn thành bản luận án này.

Tôi gửi lời cảm ơn tới phòng Đào tạo Viện Khoa học và Công nghệ quân

sự, Viện Tự động hóa Kỹ thuật quân sự, Viện Tên lửa cùng các đồng nghiệp,

các cộng sự hoạt động nghiên cứu khoa học trong và ngoài quân đội, đã giúp

đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu khoa học và hoàn thành luận án

này.

Hà Nội, ngày 15 tháng 4 năm 2011

Tác giả

Phạm Hải An

iv

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT.....................................................v

DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ..............................................................................viii

MỞ ĐẦU ................................................................................................................1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TRỘN DỮ LIỆU ĐA CẢM BIẾN VÀ BÀI

TOÁN NHẬN DẠNG CÁC THAM SỐ CHUYỂN ĐỘNG................................. 9

1.1. Hệ thống trộn dữ liệu đa cảm biến.........................................................9

1.2. Quản lý đa cảm biến.............................................................................12

1.3. Các vấn đề cần giải quyết trong bài toán trộn dữ liệu đa cảm biến ...14

1.4. Kiến trúc hệ thống trộn dữ liệu............................................................17

1.4.1 Kiến trúc trộn trung tâm....................................................................... 17

1.4.2 Kiến trúc trộn phân tán ........................................................................18

1.4.3 Kiến trúc trộn cục bộ ........................................................................... 18

1.5. Các phương pháp dẫn đường định vị xác định tham số chuyển động

của phương tiện cơ giới quân sự.....................................................................19

1.5.1 Hệ thống dẫn đường định vị vô tuyến điện GPS .................................. 19

1.5.2 Hệ thống dẫn đường định vị dự đoán INS............................................24

1.5.3 Hệ thống định vị, dẫn đường đa cảm biến và quá trình trộn dữ liệu......28

1.6. Các hệ tọa độ và các tham số chuyển động của phương tiện cơ giới

quân sự.............................................................................................................30

1.6.1 Các hệ toạ độ tham chiếu và chuyển vị ................................................ 30

1.6.2 Các tham số chuyển động của phương tiện cơ giới quân sự .................32

1.7. Kết luận.................................................................................................34

CHƯƠNG 2 THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ CHUYỂN ĐỘNG

TRÊN CƠ SỞ TÍCH HỢP ÍN/GPS BẰNG BỘ LỌC KALMAN....................... 36

2.1. Thuật toán dẫn đường quán tính.........................................................36

2.1.1 Ma trận chuyển vị giữa các hệ toạ độ...................................................36

2.1.2 Thuật toán dẫn đường quán tính........................................................... 39

2.1.3 Các phép toán cơ học của hệ dẫn đường quán tính...............................43

2.2. Bản chất bù giữa INS/GPS...................................................................46

2.3. Đánh giá về sai số..................................................................................48

2.4. Sai số về vị trí........................................................................................48

2.5. Sai số về vận tốc ....................................................................................49

2.6. Công thức động học các sai số về góc định hướng ..............................52

2.7. Hệ thống tích hợp INS/GPS dựa trên bộ lọc Kalman .........................53

v

2.8. Các phương pháp tích hợp INS/GPS...................................................60

2.9. Kết luận.................................................................................................66

CHƯƠNG 3 QUÁ TRÌNH ĐỘNG HỌC CHUYỂN ĐỘNG CỦA PHƯƠNG TIỆN

CƠ GIỚI QUÂN SỰ VÀ CÁC HIỆU CHỈNH TỚI THUẬT TOÁN DẪN

ĐƯỜNG QUÁN TÍNH.........................................................................................68

3.1. Hệ logic mờ ...........................................................................................69

3.1.1 Khái niệm cơ bản.................................................................................69

3.1.2 Các phần tử cơ bản của một hệ logic mờ..............................................71

3.2. Thiết kế hệ mờ nhận dạng động học chuyển động của phương tiện cơ

giới quân sự .....................................................................................................74

3.2.1 Quá trình động học chuyển động của phương tiện cơ giới quân sự và

các hiệu chỉnh tương ứng tới thuật toán dẫn đường quán tính ............................74

3.2.2 Mô hình chuyển động của phương tiện cơ giới quân sự ....................... 76

3.2.3 Các phép hiệu chỉnh có thể thông qua quá trình động học chuyển

động của phương tiện cơ giới quân sự ...............................................................80

3.2.4 Thiết kế hệ mờ nhận dạng động học chuyển động của phương tiện

cơ giới quân sự.................................................................................................. 85

3.2.5 Xây dựng hệ mờ nhận dạng động học chuyển động .............................90

3.2.6 Kết quả áp dụng thuật toán nhận dạng mô hình động học: ...................97

3.3. Kết luận...............................................................................................101

CHƯƠNG 4 NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC ĐÁNH GIÁ ĐỘ CÂN BẰNG MẶT

PHẲNG BỆ THÂN XE CỦA PHƯƠNG TIỆN CƠ GIỚI QUÂN SỰ.............102

4.1. Mô hình mờ Takagi-Sugeno...............................................................104

4.2. Mô hình bộ lọc Kalman cho việc tính toán độ cân bằng...................105

4.2.1 Cập nhật các giá trị độ nghiêng (góc Euler) ....................................... 105

4.2.2 Cấu trúc của bộ lọc Kalman mờ......................................................... 106

4.2.3 Mô hình hệ thống.............................................................................. 107

4.2.4 Mô hình đo lường.............................................................................. 108

4.3. Thiết kế hệ mờ đánh giá giá trị ma trận hiệp biến đo lường ............109

4.4. Kết quả thực nghiệm ..........................................................................112

4.4.1 Chế độ thử tĩnh..................................................................................113

4.4.2 Chế độ thử động ................................................................................ 116

4.5. Kết luận...............................................................................................117

KẾT LUẬN......................................................................................................... 118

CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .............................................120

vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

I. Các ký hiệu

 sai số của một biến, hoặc giá trị hiệu chỉnh của một biến.

 () hàm Dirac delta.

 vector sai số góc định hướng.

 gia tốc trọng trường.

 kinh độ địa lý.

 vector tốc độ góc.

 ma trận phản đối xứng của vector tốc độ góc  .

 vĩ độ địa lý.

 góc cren (hay còn gọi là nghiêng hay góc lăn ngang).

 ma trận chuyển vị (ma trận chuyển trạng thái).

 góc chúc ngóc (góc tròng trành).

 góc hướng (góc đảo lái).

A ma trận thiết kế.

a trục dài của elipsoid tham chiếu.

B ma trận thiết kế.

b độ lệch (bias).

C ma trận Cosin chỉ phương.

e độ lệch tâm của elipsoid tham chiếu.

e vector sai số phép đo.

E tích chéo hoặc dạng ma trận phản đối xứng của vector .

f vector gia tốc biểu kiến.

F ma trận động học (ma trận dự báo).

g vector gia tốc trọng lực.

vii

g vector trọng lực.

G ma trận thiết kế (ma trận khuyếch đại).

h chiều cao của elipsoid.

H ma trận thiết kế của phép đo.

I ma trận đơn vị.

K độ lợi của bộ lọc Kalman.

M bán kính cong của mặt phẳng cắt tạo bởi trục z và trục phương

bắc (kinh tuyến).

N bán kính cong của mặt phẳng cắt tạo bởi trục z và trục phương

đông.

P ma trận lỗi tương quan của vector trạng thái.

q vector quaternion.

Qk ma trận hiệp biến của vector sai số hệ thống.

Q(t) ma trận mật độ phổ.

R ma trận quay của vector hoặc hệ toạ độ, hoặc ma trận hiệp biến

của vector sai số phép đo.

r vector vị trí.

s hệ số tỷ lệ.

u vector sai số hệ thống liên tục về mặt thời gian.

v vector vận tốc.

f v vector số gia vận tốc.

w vector nhiễu hệ thống.

x vector trạng thái.

z vector đo lường (vector số đo).

II. Các chữ viết tắt

AI trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence).

viii

DCM ma trận Cosin chỉ phương (Direction Cosine Matrix).

DI chỉ tiêu động học.

DA tham số động học tuyến tính.

ENU hệ toạ độ dẫn đường Đông-Bắc-Xa tâm.

FIS hệ suy diễn mờ.

FOG con quay quang học.

GPS hệ định vị toàn cầu.

GYRO con quay.

IF bộ lọc thông tin (Information Filter).

IMU khối đo lường quán tính.

INS hệ dẫn đường quán tính.

INS/GPS hệ tích hợp INS và GPS.

KB cơ sở tri thức.

KF bộ lọc Kalman.

LAB phòng thí nghiệm.

LSE phương pháp bình phương tối thiểu.

MAM hệ mờ Mamdani.

MEMS hệ vi cơ điện tử (Micro-Electro-Mechanical-System).

MEMS INS/GPS hệ INS dựa trên công nghệ vi cơ điện tử tích hợp GPS

MISO nhiều đầu vào, một đầu ra.

NED hệ toạ độ dẫn đường Bắc-Đông-Hướng tâm.

N/A không có sẵn (Not Available).

TS hệ mờ Takagi-Sugeno.

PVA vị trí, vận tốc và góc định hướng.

ix

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: So sánh mô hình tích hợp INS/GPS tập trung và phân tán .....................65

Bảng 3.1: Các phép hiệu chỉnh thông qua quá trình động học chuyển động

phương tiện cơ giới quân sự........................................................................85

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Quá trình xử lý thông minh của con người.............................................10

Hình 1.2: Hệ thống quản lý đa cảm biến...............................................................13

Hình 1.3: Kiến trúc trung tâm với một trung tâm xử lý ..........................................17

Hình 1.4: Kiến trúc trộn phân tán..........................................................................18

Hình 1.5: Kiến trúc trộn cục bộ .............................................................................18

Hình 1.6: Hoạt động của hệ thống GPS.................................................................21

Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý tính vị trí, vận tốc và góc định hướngcủa hệ INS ..........25

Hình 1.8: Bộ lọc Kalman cho một hệ dẫn đường đa cảm biến................................ 29

Hình 1.9: Hệ toạ độ quán tính ...............................................................................30

Hình 1.10: Hệ toạ độ trái đất (e) và hệ tọa độ dẫn đường (n) ................................ 31

Hình 1.11: Hệ toạ độ gắn liền................................................................................ 32

Hình 1.12: Biểu diễn véc tơ góc quay ....................................................................34

Hình 2.1: Sơ đồ thuật toán dẫn đường quán tính ...................................................43

Hình 2.2: Sơ đồ thuật toán bộ lọc Kalman rời rạc .................................................57

Hình 2.3: Khoảng thời gian lấy mẫu INS và GPS .................................................. 59

Hình 2.4: Ảnh hưởng của cánh tay đòn.................................................................. 60

Hình 2.5: Phương pháp truyền thẳng (vòng lặp mở)..............................................61

Hình 2.6: Phương pháp phản hồi (vòng lặp đóng).................................................62

Hình 2.7: Sơ đồ tích hợp INS/GPS tập trung (vòng mở)......................................... 64

Hình 2.8: Sơ đồ tích hợp INS/GPS tập trung (vòng đóng)......................................64

Hình 2.9: Sơ đồ tích hợp INS/GPS phân tán (vòng mở) ......................................... 65

Hình 2.10: Sơ đồ tích hợp INS/GPS phân tán (vòng đóng).....................................65

Hình 3.1: Các thành phần cơ bản của một hệ thống suy diễn mờ........................... 72

Hình 3.2: Phương pháp giải mờ Mamdani trung bình tâm.....................................74

Hình 3.3: Hệ mờ nhận dạng động học chuyển động...............................................86

Hình 3.4: Các giá trị vào/ra của hệ mờ nhận dạng động học chuyển động

phương tiện cơ giới quân sự........................................................................88

Hình 3.5:Quá trình nhận dạng động học chuyển động phương tiện cơ giới quân

sự................................................................................................................ 90

Hình 3.6: Quan hệ vào ra của các đầu vào, đầu ra và luật mờ ..............................91

Hình 3.7: Sơ đồ khối đánh giá kết quả đầu ra DI(tk) dựa trên ...............................91

các đầu vào và luật mờ tương ứng ......................................................................... 91

Hình 3.8: Sơ đồ chức năng khối đánh giá đặc tính chuyển động ............................92

x

Hình 3.9: Sơ đồ hệ suy diễn mờ nhận dạng đặc tính chuyển động..........................93

Hình 3.10: Sơ đồ khối nhận dạng đặc tính đứng yên/chuyển động của phương

tiện cơ giới quân sự ....................................................................................93

Hình 3.11: Sơ đồ khối nhận dạng chuyển động thẳng/chuyển động quay của

phương tiện cơ giới quân sự........................................................................94

Hình 3.12: Giá trị góc hướng chuyển động trên tuyến đường thẳng chất lượng

mặt đường tốt (đường Hoàng Quốc Việt) ....................................................95

Hình 3.13: Kết quả đánh giá chuyển động cong/thẳng trên tuyến đường thẳng

chất lượng mặt đường tốt (đường Hoàng Quốc Việt) .................................. 95

Hình 3.14: Giá trị góc hướng chuyển động trên tuyến đường thẳng chất lượng

mặt đường xấu (đường Nguyễn Khánh Toàn)..............................................95

Hình 3.15: Kết quả đánh giá chuyển động cong/thẳng tuyến đường thẳng chất

lượng mặt đường xấu (đường Nguyễn Khánh Toàn)....................................96

Hình 3.16: Giá trị góc hướng khi xe chuyển động trên tuyến đường nhiều ngã

3 ngã 4 và bùng binh (Vườn hoa Trung tâm)...............................................96

Hình 3.17: Kết quả đánh giá chuyển động cong/thẳng trên tuyến đường nhiều

ngã 3 ngã 4 và bùng binh (Vườn hoa Trung tâm)........................................97

Hình 3.18 Góc hướng có hiệu chỉnh và không hiệu chỉnh khi phương tiện ở

trạng thái không chuyển động.....................................................................97

Hình 3.19 Góc nghiêng và góc chúc có hiệu chỉnh và không hiệu chỉnh khi

phương tiện ở trạng thái không chuyển động ..............................................98

Hình 3.20 Sai số tốc độ có hiệu chỉnh và không hiệu chỉnh khi phương tiện

chuyển động cong (Vườn hoa Trung tâm) ...................................................99

Hình 3.21: Sai số vị trí đánh giá bằng bộ lọc Kalman khi có hiệu chỉnh và khi

không có hiệu chỉnh ..................................................................................100

Hình 3.22: Quỹ đạo chuyển động đánh giá bằng bộ lọc Kalman khi chưa có

hiệu chỉnh và khi có hiệu chỉnh sai số ....................................................... 100

Hình 4.1. Cấu trúc của bộ điều khiển mờ TSK.....................................................104

Hình 4.3: Cấu trúc của bộ lọc Kalman mờ đánh giá độ cân bằng mặt phẳng bệ

thân xe của phương tiện cơ giới quân sự...................................................107

Hình 4.4: Hệ mờ đánh giá giá trị R......................................................................110

Hình 4.5: Tập mờ chỉ số động học của gia tốc kế và con quay.............................111

Hình 4.6: Quan hệ vào ra của mô hình mờ ..........................................................112

Hình 4.7: Quan sát các giá trị vào ra của mô hình mờ......................................... 112

Hình 4.7: Con quay ADIS16354 và gia tốc kế ADIS16209...................................113

Hình 4.8: Chương trình mô phỏng trên Matlab....................................................113

Hình 4.9 Giá trị góc nghiêng tính được từ đầu ra của gia tốc kế, con quay và

của bộ lọc Kalman mờ .............................................................................. 114

Hình 4.10 Giá trị góc chúc tính được từ đầu ra của gia tốc kế, con quay và

của bộ lọc Kalman mờ .............................................................................. 115

Hình 4.11 Giá trị góc chúc tính được từ đầu ra của gia tốc kế, con quay và

của bộ lọc Kalman mờ khi thử nghiệm động .............................................116

1

MỞ ĐẦU

1. Đặt vấn đề

Trong chiến tranh công nghệ cao, đối phương thường tổ chức trinh sát điện

tử phát hiện chính xác mục tiêu sau đó tiến hành tấn công ồ ạt đường không

với các loại hoả lực như tên lửa hành trình, máy bay tầm thấp, kết hợp với các

hệ thống hoả lực khác tiêu diệt nhanh các tổ hợp chiến đấu của ta. Điều này

đòi hỏi các hệ thống chiến đấu của ta phải cơ động nhanh để tránh bị tiêu diệt.

Để đảm bảo tính cơ động, các tổ hợp chiến đấu thường được tích hợp trên các

loại phương tiện cơ giới quân sự hạng nặng, bánh lốp hoặc bánh xích. Trên

phương tiện cơ giới được tích hợp các loại khí tài trinh sát như rađa, hệ thống

quang điện tử (đo xa laser, camera ánh sáng ngày và camera ảnh nhiệt hồng

ngoại), các hệ thống điều khiển bám sát mục tiêu, các hệ thống điều khiển

truyền động pháo và điều khiển hoả lực, các hệ thống thông tin liên lạc, chỉ

huy... Chính vì vậy, việc nhận dạng chuyển động phương tiện, phát hiện mục

tiêu, lấy phần tử bắn, tự động ổn định đường ngắm của hệ trinh sát và hoả lực

trên xe... để đảm bảo khả năng tác chiến trong điều kiện cơ động là nội dung

được quan tâm đặc biệt.

2. Sự phát triển của một số phương tiện cơ giới quân sự trên thế giới

Các hệ thống C4i (Command, Control, Communications, Computers and

Intelligence) điều khiển hoả lực cho tổ hợp vũ khí đã và đang được các nước

tiên tiến hết sức quan tâm phát triển, đặc biệt là nhóm các nước có nền công

nghiệp quân sự mạnh như Mỹ, Nga, Anh, Pháp, Đức. Các nước này đều đã

trang bị các tổ hợp chiến đấu có khả năng vừa cơ động, vừa chiến đấu, trong

đó điển hình là các tổ hợp sau: PANTSYR S1 trên xe bánh lốp của Nga;

AVENGER, Blazer, LAV-AD của Mỹ...

2

Bên cạnh các nước có trình độ công nghệ quân sự cao, một số nước trên thế

giới như Trung quốc, Israel, Canada… cũng không đứng ngoài xu thế này

như ADATS của Canada; TYPE95 của Trung quốc; EAGLE EYE của

Israel.... Hiện nay, các nước trong khu vực Đông Nam Á cũng đã quan tâm và

trang bị các hệ thống này như Thái Lan trang bị tổ hợp ADATS của Canada,

Singapore và Malaysia trang bị hệ thống JERNAS/RAPIER FSC của Anh.

Đặc điểm chung của các tổ hợp này toàn bộ tổ hợp được đặt trên phương

tiện cơ giới quân sự cho phép vừa cơ động, vừa chiến đấu. Hầu hết các hệ

thống này đều có khả năng quan sát trong vòng 10-25 km với khả năng tiêu

diệt mục tiêu trong cự li nhỏ hơn 15 km. Các loại tên lửa tầm thấp được sử

dụng thường là tên lửa tầm thấp với tầm tiêu diệt mục tiêu từ 1 km đến 15 km.

Các loại súng kèm tổ hợp được thiết kế và trang bị từ 12,7 mm đến 30 mm

với khả năng tiêu diệt mục tiêu từ 300m đến 2,5 km.

Đặc tính kỹ thuật của một số loại tổ hợp:

+ Tổ hợp Pantsyr S1 của Nga:

- Xe cơ giới Ural-5323.

- Tên lửa 12 tên lửa 57E6 tầm bắn 1-12km tốc độ lớn nhất 1.100m/s.

Hình 1: Tổ hợp Pantsyr S1

3

- Súng: 2 khẩu 2A72 – 30mm 700 phát/phút tầm bắn 4Km.

- Hệ thống quan sát: Rađa + quang điện tử.

+ Tổ hợp Avenger của Mỹ

- Xe cơ giới: xe Hummer.

- Tên lửa: 8 tên lửa Stinger tầm bắn 8km tốc độ lớn nhất 2.2M.

- Súng: 1 khẩu M3P.

- Hệ thống quan sát: rada + quang điện tử.

Hình 2: Tổ hợp Avenger

3. Nhu cầu nghiên cứu thiết kế chế tạo tổ hợp chiến đấu tích hợp trên

phương tiện cơ giới quân sự tại Việt Nam

Nghiên cứu phát triển, cải tiến các hệ thống vũ khí trang bị hiện đại đáp

ứng các yêu cầu nhiệm vụ quân sự luôn là hoạt động đặt ra hàng đầu trong

chiến lược xây dựng quân đội theo hướng “Chính quy - tinh nhuệ - từng bước

hiện đại” của Quân đội ta. Hiện nay, các ngành kỹ thuật quân sự đang đẩy

mạnh thực hiện các đề tài nghiên cứu cải tiến, chế tạo mới các loại vũ khí theo

hướng nâng cao tính năng kỹ, chiến thuật, trong đó chú ý nhiều đến tính cơ

động và uy lực của hoả lực. Các hệ thống tổ hợp chiến đấu tích hợp trên