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

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

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

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

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

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

M C L 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

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

DANH M C CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ND, HCTN Nhận dạng, hiệu chỉnh thích nghi sử dụng mạng nơron RBF

Derivative)

QĐT - XLA Các phương tiện quang điện tử và khối xử lý ảnh

RBF Mạng nơron xuyên tâm (Radial Basis Function)

RLED Robot

Robot hai khớp, được dẫn động bởi các bộ truyền động điện 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

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

Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc của đối tượng điều khiển phi tuyến bất định

Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc rút gọn hệ thống điều khiển kết hợp Thích

Hình 2.7 Nhi u ( )d t được ấp ỉ bằng bộ nh n dạng và sai số ấp

Hình 2.10 Sai số của hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID và bộ điều

khiển Thích nghi/PID dưới tác động của nhi u

Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc hệ thống tự động bám sát mục tiêu sử dụng

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

* ( , )

Hình 3.7 Hệ thống sử dụng bộ điều khiển Trượt bám theo hình sin

Hình 3.8 Hệ thống sử dụng bộ điều khiển Trượt bám theo hình sin

với 0  20 dưới tác động của 1.5 f * ( , )X t 92 Hình 3.9 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 92 Hình 3.10 So sánh hệ thống sử dụng các bộ điều khiển bám theo quỹ

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

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

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 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

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

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

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

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

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

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

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 D t1( )1 Bộ ba tham số D1, 1, 1

hoàn toàn xác định vị trí trong không gian của đối tượng di động tại thời điểm

1

t 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:

1( , , )

1.2.2 Định vị các đối tượng di động theo hai vị trí chuẩn

Đối với các đối tượng di động trong không gian (các vật bay), hai vị trí chuẩn đặt đài quan sát được chọn trước, cố định tại hai điểm O O với khoảng 1, 2cách giữa hai đài là O O1 2 m Trong các bài toán kỹ thuật, để xác định góc phương vị, thông thường, người ta chọn hướng Nam (hoặc hướng Bắc) làm chuẩn

Trên hình 1.3, chúng ta xây dựng thuật toán định vị theo phương pháp hai

vị trí chuẩn Tại hai vị trí chuẩn O O1, 2các thiết bị đo góc cho ta các góc tà và góc phương vị của đối tượng di động

Xét tam giác O O a , ta có: 1 2 1

được từ thời điểm t1 t đến thời điểm t2   t t, được xác địnhbằng công

Cũng tương tự như các trường hợp đã xét ở trên, tốc độ trung bình phải

được xét từ thời điểm hiện tại trở về trước, nghĩa là ta coi thời điểm t là thời

điểm tức thời, thì các thông số D1,2,D2,2,d1,2,d2,2,   1,2, 2,2, 1,2, 2,2là các thông

số ở thời điểm t Các thông số D1,1,D2,1,d1,1,d2,1,   2,1, 1,1, 2,1, 1,1 là các thông

số tương ứng với thời điểm t   t

Tóm lại, bằng phương pháp định vị đối tượng di động trong không gian theo vị trí chuẩn, chúng ta hoàn toàn xác định được vị trí của đối tượng trong

tọa độ cầu và độ chính ác của hệ thống hoàn toàn phụ thuộc vào chất ượng

giám sát, định vị và điều khiển Các phương tiện này thu nhận các tín hiệu từ cảnh vật bên ngoài bằng nguyên lý thụ động và tạo ra các chuỗi ảnh Vấn đề đặt ra là cần xử lý các chuỗi ảnh ấy loại trừ nhiễu, chắt lọc thông tin để từ đó nhận biết, xác định những đối tượng mà ta quan tâm trên nền ảnh, đảm bảo chế độ thời gian thực, phục vụ được các mục đích nêu trên Đây là một trong những vấn đề quan trọng nhất của lĩnh vực thị giác máy (“machine vision”),

đã và đang thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học [9], [11], [12], [13], [16], [22], [30], [34], [35], [45], [47], [49], [52], [55], [63], [72], [73], đã đạt được những bước phát triển quan trọng và được áp dụng vào thực tế ngày càng rộng rãi [11], [30], [34]

Đáng chú ý nhất là những thành tựu vượt bậc của lĩnh vực “Machine Vision”, được áp dụng rộng rãi và mang lại hiệu quả cao trong các lĩnh vực

kỹ thuật quân sự Nhiều chủng loại vũ khí thông minh được ra đời gắn liền với những kết quả mới nhất của vấn đề xử lý ảnh động, đã làm nên những thay đổi sâu sắc trong các tổ hợp vũ khí – khí tài quân sự, thậm chí dẫn đến những thay đổi đáng kể trong cách tiến hành chiến tranh Tuy nhiên, đây là lĩnh vực nhạy cảm, liên quan trực tiếp đến các hệ thống hiện đại phục vụ quân

sự và quốc phòng – an ninh nên các công trình khoa học công nghệ liên quan không được công bố Các kết quả của các nước liên quan đến vấn đề này đều được bảo mật

Ở nước ta, do nhận thức được tính chất quan trọng của vấn đề xử lý ảnh động phục vụ quốc phòng nên từ những năm đầu của thập kỷ 90 của thế kỷ

XX, một số cơ sở nghiên cứu khoa học đã đầu tư nhân lực và trí tuệ cho giải quyết vấn đề này và đã thu được những kết quả quan trọng [7], bất chấp nhiều khó khăn, thách thức, thiếu thốn thông tin – tư liệu, phương tiện, do cấm vận của các nước gây ra

Tuy vậy, do yêu cầu đặt ra ngày càng cao, đòi hỏi phải tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện các thuật toán xử lý ảnh động và tiếp tục phát triển các công nghệ có liên quan

Trong nhiều năm trở lại đây nhiều vấn đề cấp thiết trong lĩnh vực xử lý ảnh động đang được đặt ra, không chỉ đối với các nhà khoa học trong nước,

mà cả đối với giới khoa học của các nước phát triển Trước hết, đó là các vấn

đề như lọc nhiễu, trích chọn đặc trưng, so khớp các đặc trưng của các ảnh liên tiếp trong chuỗi ảnh video, bám sát đa đối tượng (mục tiêu), rút ngắn thời gian xử lý Những vấn đề đó vừa có tính độc lập tương đối, vừa có sự liên quan lẫn nhau

Trên đài quan sát, các thiết bị quang điện tử đi cùng với xử lý ảnh động được sử dụng như một sensor đo góc, đo khoảng cách, như một bộ phát hiện chuyển động (motion detector) của đối tượng Việc nâng cao chất lượng các thuật toán xử lý ảnh động là một trong những yêu cầu quan trọng làm cơ sở

cho việc xây dựng các hệ thống điều khiển hỏa lực sử dụng quang điện tử

chất lượng cao ứng dụng trong quân sự

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

Trong những thập niên vừa qua các hệ thống tự động bám các đối tượng các đối tượng di động trên cơ sở quang điện tử do các tổ hợp công nghiệp quốc phòng của các nước phát triển thiết kế chế tạo đã phát huy tốt tác dụng,

về cơ bản đáp ứng được các yêu cầu của các lĩnh vực quân sự quốc phòng và kinh tế trong giai đoạn vừa qua, trừ những yêu cầu đặc biệt Có thể nói hầu hết các hệ thống đó đều sử dụng các luật điều khiển truyền thống PID và các biến thể của nó Các luật điều khiển đó chỉ phát huy tác dụng trong điều khiển

hệ thống hoạt động ở miền tuyến tính, các tham số động học của hệ thống cố định hoặc thay đổi không đáng kể, không có các yếu tố bất định và cường độ

nhiễu thấp Nếu một trong các điều kiện đó bị phá vỡ các luật điều khiển truyền thống không cho kết quả mong muốn, chất lượng của hệ thống không cao [26], [33], [76] Đối tượng điều khiển trong hệ thống tự động bám các đối tượng di động có động học phi tuyến, các thành phần bất định và nhiễu tác động Vì vậy, với các luật điều khiển truyền thống không thể đảm bảo chất lượng cao cho hệ thống Trong lúc đó, yêu cầu đảm bảo chất lượng cao về độ chính xác, tác động nhanh, khả năng kháng nhiễu đối với hệ thống tự động bám sát các đối tượng chuyển động sử dụng các thiết bị quang điện tử ngày càng tăng

Ngoài ra, khảo sát các hệ thống tự động bám sát đối tượng di động trên cơ

sở quang điện tử sử dụng các luật điều khiển truyền thống còn có thể nhận xét thêm rằng: Khả năng mất bám còn có thể xảy ra khi mục tiêu bị che khuất Điều đó là hiển nhiên do khối xử lý ảnh không thể đưa ra các thông tin về vị trí của mục tiêu khi mục tiêu bị che khuất Vấn đề đặt ra chính là: Hệ thống cần phải được bổ sung các thuật toán nhận dạng và dự báo tín hiệu đầu vào làm giảm khả năng mất bám Nếu có thêm kênh nhận dạng và dự báo, kênh này sẽ cung cấp thông tin gần đúng về toạ độ mục tiêu; khi mục tiêu bị che khuất, hệ thống sẽ bám theo tín hiệu dự báo cho đến khi mục tiêu xuất hiện trở lại

Để thiết kế, chế tạo được được các hệ thống tự động định vị từ xa các đối tượng di động với chất lượng cao, ngoài các nội dung về gia công chế tạo cơ khí chính xác, chúng ta cần phải giải quyết hai nội dung chính sau:

- Bài toán xử lý ảnh động

- Bài toán bám sát đối tượng di động với độ chính xác cao

Đối với bài toán xử lý ảnh động, các kết quả nghiên cứu [7] hiện đang được sử dụng trên các hệ thống điều khiển hoả lực đã được trang bị trong quân đội ta hiện nay, về cơ bản đã đáp ứng được các chỉ tiêu kỹ thuật, tuy

nhiên, cùng với sự phát triển của công nghệ, nhằm mục đích nâng cao chất lượng của thuật toán xử lý ảnh động, trong qua trình nghiên cứu, nghiên cứu sinh đã đề xuất thuật toán trích chọn, mô tả đặc trưng vùng sao cho các đặc trưng đó không thay đổi (invariant) làm cơ sở cho việc xây dựng các thuật toán bám sát mục tiêu với độ tin cậy cao hơn Bản chất của thuật toán là sử dụng ma trận hiệp phương sai mô tả đặc tính của vùng chứa đối tượng trên ảnh số được phát triển bởi F.Porikli và O.Tuzel [58], [74], xây dựng ma trận hiệp phương sai bằng các thông số cơ bản trên ảnh số, cách tìm tương quan giữa hai vùng được mô tả bởi hai ma trận [23] Mục đích của thuật toán là nâng cao độ chính xác tìm kiếm lại đối tượng (mục tiêu) khi các điều kiện về góc quan sát, sự chuyển động của đối tượng và môi trường thay đổi

Trong quá trình nghiên cứu, nghiên cứu sinh cũng đã đề xuất thuật toán nhận dạng và dự báo tín hiệu vào và cấu trúc hệ thống sử dụng kênh nhận dạng và dự báo tín hiệu vào nhằm giảm thiểu khả năng mất bám Bản chất thuật toán này là giải pháp nhận dạng quy luật biến thiên của tín hiệu vào và

từ đó bằng phương pháp ngoại suy [86] xác định các giá trị của nó trong tương lai để tạo tín hiệu dự báo thay thế tín hiệu vào khi tín hiệu vào bị mất Các thuật toán trên đã được áp dụng vào thực nghiệm trên hệ thống điều khiển hoả lực pháo phòng không 37mm - 2N đang được trang bị [7], nâng cao chất lượng của thuật toán xử lý ảnh trong điều khiển hoả lực pháo phòng không 37mm - 2N tác chiến ngày và đêm Các kết quả cũng đã được công bố trong các công trình khoa học của nghiên cứu sinh (công trình 2 và 4)

Như v y, về mặt cơ b n, bài toán ử ý nh bám bắt các đối tượng di động

đã được gi i quyết, tiếp theo u n án chỉ t p trung vào nghiên cứu tìm kiếm các phương pháp tổng hợp và thiết kế hệ thống tự động bám sát các đối tượng

di động có chất ượng cao

1 Bài toán tự động bám sát các đối tượng di động trong không gian

1.5.1 Những yêu cầu chung đối với hệ thống tự động bám

Trong phần trên, luận án đã trình bày các thuật toán định vị từ xa các đối tượng di động Rõ ràng, khi đối tượng chuyển động với tốc độ lớn theo những quỹ đạo phức tạp, nếu chỉ sử dụng các thiết bị đo một cách riêng lẻ thì không thể giải quyết được bài toán định vị Chỉ có các hệ tự động bám sát mới cho phép giải các bài toán định vị các đối tượng di động Tuy nhiên, tùy thuộc vào yêu cầu của từng bài toán cụ thể, mức độ chất lượng của hệ thống bám sát có thể cần thiết sẽ khác nhau

Trong các phần dưới đây, luận án đề cập bài toán bám sát ở dạng đã được khái quát hóa, nhằm tạo cơ sở về mặt hệ thống cho việc giải quyết các vấn đề bám sát các đối tượng di động

Giả sử đối tượng di động M chuyển động với tốc độ V m t trong không

gian Vị trí của đối tượng M trong không gian, tại thời điểm t , được đặc trưng

bởi bộ ba tham số Nếu sử dụng hệ tọa độ đề các, bộ ba tham số đó là

X t Y t Z t Nếu sử dụng hệ tọa độ cầu, bộ ba tham số đó sẽ là

D t  t  t Trong một số trường hợp, có thể sử dụng hệ tọa độ hình trụ

và hệ tọa độ hình nón Đối với hệ tọa độ hình trụ bộ ba tham số đo là

     t ,H t d t,

 , trong đó H t là độ cao và   d t  là bán kính của mặt hình trụ đi qua vị trí của đối tượng tại thời điểm t mà trục của hình trụ vuông góc với mặt phẳng nằm ngang tại gốc tọa độ Bộ ba tham số trong hệ tọa độ hình nón là      t , t ,H t Việc lựa chọn hệ tọa độ cho hệ thống bám sát là tùy thuộc vào phương tiện đo và điều kiện cụ thể của từng bài toán ứng dụng

Ta thấy rằng, cho dù cho hệ tọa độ nào đi chăng nữa, thì bộ ba tham số nêu trên là bộ tham số quan trọng nhất của bài toán định vị bám sát Tham số khác nữa là tốc độ chuyển động của đối tượng, bao gồm cả giá trị của tốc độ

và hướng chuyển động, đều rất cần thiết cho việc giải các bài toán ứng dụng Tuy vậy hướng chuyển động và giá trị của tốc độ chuyển động có thể được xác định một cách gián tiếp thông qua bộ ba tham số cơ bản Đặc biệt, nếu các

hệ thống bám sát theo ba tham số cơ bản hoạt động ổn định, tin cậy thì việc xác định hướng đối tượng và tốc độ chuyển động của đối tượng sẽ được dễ dàng

Các yêu cầu chủ yếu đối với các hệ thống định vị từ xa các đối tượng di động ở những mức độ khác nhau, phụ thuộc vào đối tượng phục vụ Tuy nhiên, trong mọi trường hợp, yêu cầu chung đối với các hệ thống này là:

- Phải có độ chính xác cao

- Phải có độ tác động nhanh tốt, đảm bảo cho hệ thống chuyển từ bám sát một đối tượng sang bám sát một đối tượng khác với thời gian ngắn nhất (Nghĩa là tối ưu tác động nhanh)

- Phải có khả năng kháng nhiễu tốt

- Hệ thống phải thích nghi, bền vững, giữ được chất lượng điều khiển ngay cả trong các trường hợp tham số của hệ thống bị thay đổi

Yêu cầu cao nhất được đặt ra cho các hệ thống này à: đ m b o ổn định

và thỏa mãn đồng thời tất c các chỉ tiêu về độ chính ác, độ tác động nhanh,

kh năng kháng nhi u và kh năng thích nghi với sự thay đổi tham số và đặc tính động học do tính chất đặc thù và môi trường àm việc gây nên Đây à vấn đề rất phức tạp bởi chất ượng của hệ thống tự động bám phụ thuộc vào nhiều yếu tố, ngoài nh hưởng của các yếu tố bên ngoài như: nhi u, điều kiện

àm việc, … thì tính phi tuyến, sự thay đổi các tham số bên trong của hệ nh hưởng mạnh đến chất ượng điều khiển, th m chí àm cho hệ thống mất ổn định và mất kh năng hoạt động Cho đến nay vẫn chưa có phương pháp tổng hợp hệ thống đáp ứng đầy đủ các yêu cầu nêu trên Rõ ràng, ây dựng

phương pháp tổng hợp, thiết kế, chế tạo hệ thống tự động bám đáp ứng tối đa các yêu cầu nên trên thực sự à cấp thiết

1.5.2 Định hướng nghiên cứu đáp ứng các yêu cầu đặt ra

Để giải quyết vấn đề cấp thiết nêu trên, luận án định hướng theo các nhóm nội dung học thuật trọng tâm sau đây:

1) Giảm thiểu ảnh hưởng của các đặc tính phi tuyến đến chất lượng của hệ thống bằng cách bù trừ phi tuyến

Đối với các đặc tính phi tuyến tính của các phần tử như sensors, các bộ khuếch đại, cơ cấu chấp hành, … có thể sử dụng các phương pháp như: mở rộng vùng làm việc tuyến tính, bù trừ phi tuyến bằng các mối liên kết thẳng phi tuyến song song hoặc sử dụng phản hồi phi tuyến

Đối với các đặc tính phi tuyến phức tạp, khi tính chất phi tuyến được biểu diễn bằng những hàm phi tuyến của nhiều biến trạng thái, đặc biệt là trường hợp hàm phi tuyến này là bất định, việc bù trừ ảnh hưởng của chúng đến chất lượng của hệ thống trở nên phức tạp và khó khăn hơn nhiều Vấn đề giảm thiểu ảnh hưởng xấu của các đặc tính phi tuyến phức tạp kiểu đó cho đến nay vẫn chưa được giải quyết thỏa đáng Hiện nay các phương pháp tổng hợp hệ

thống có chứa các đặc tính phi tuyến phức tạp thuộc lớp nói trên chỉ đ m b o

được cho hệ ổn định, còn các chỉ tiêu chất ượng khác của hệ thống còn bỏ ngỏ Điển hình cho các phương pháp đó là phương pháp backstepping và các

biến thể của nó Vấn đề tổng hợp hệ thống điều khiển với các phi tuyến phức tạp, đảm bảo các yêu cầu cao về chất lượng đang là vấn đề thời sự và thực sự

là cấp thiết Luận án định hướng tập trung nghiên cứu xây dựng phương pháp tổng hợp hệ thống có chất lượng cao, bù trừ được ảnh hưởng của các phi tuyến cho một lớp rất rộng các hệ thống thường gặp trong thực tế

2) Giảm thiểu tác động của nhiễu lên hệ thống, đặc biệt là các lớp nhiễu không đo được, đảm bảo chất lượng hệ thống tốt hơn

3) Xây dựng phương pháp tổng hợp hệ điều khiển bám có các yếu tố phi tuyến phức tạp, bất định, đảm bảo cho hệ thống có chất lượng cao, có độ tác động nhanh tốt, có tính kháng nhiễu cao

Trong phần tiếp theo ngay sau đây, chúng ta sẽ ướt qua các vấn đề của định hướng trên đây với tính chất tổng quan tóm tắt, nhằm đánh giá các phương pháp có iên quan hiện có, àm cơ sở cho nội dung phát triển trong chương sau

1.6 Các đặc tính phi tuyến của các phần tử không quán tính và các phương pháp bù trừ

Các đặc tính phi tuyến của các phần tử không quán tính thường gặp trong thực tế hầu hết đều là những hàm phi tuyến không trơn của tín hiệu vào Sự tồn tại của các phi tuyến này trong hệ thống làm giảm độ chính xác, độ dự trữ

ổn định và trong nhiều trường hợp làm cho hệ thống mất ổn định

Trong thực tế, không tồn tại phần tử tuyến tính lý tưởng Khi điều kiện làm việc (biến thiên của đầu vào, điều kiện môi trường, tải …) vượt quá giới hạn, phần tử tuyến tính có thể chuyển thành phi tuyến hoặc ngược lại Trong

hệ thống tự động bám, các phần tử của hệ về cơ bản đều là các phần tử phi tuyến Sự tồn tại của tính phi tuyến trong hệ có ảnh hưởng cả tốt và xấu đối với chất lượng và sự làm việc của hệ Tính phi tuyến trong hệ gây nên nhiều tác động bất lợi đối với chất lượng của hệ như mất bám, sai số tích luỹ, dao động quanh điểm cân bằng , nhưng đôi khi cần phải đưa phần tử phi tuyến (giới hạn vận tốc góc, giới hạn mô men quay của động cơ …) vào để áp dụng một số yêu cầu riêng [83], [95]

Đầu ra của một số phần tử trong hệ như: bộ khuếch đại sơ bộ, bộ khuếch đại công suất … hoặc một số giá trị như: mô men quay, vận tốc góc của động

cơ chấp hành … thường có độ lớn bị giới hạn Những phần tử này có thể được

mô tả qua mô hình toán học của khâu bão hòa, một số phần tử có đặc tuyến

tĩnh gần giống khâu bão hoà nhưng tốc độ gia tăng của giá trị đầu ra thay đổi, một số phần tử khác thể hiện khâu phi tuyến có vùng chết, đáng chú ý là đặc tính phi tuyến dạng Backlash, trong đó đầu ra là một hàm đa trị, không trơn của tín hiệu vào

Đặc tính phi tuyến dạng này được gây ra bởi các khe hở trong các kết cấu

cơ khí, đặc biệt là trong các hệ truyền động bánh răng, do ma sát cũng như do tính chất đàn hồi Đặc tính phi tuyến dạng này không chỉ đơn thuần là hàm phi tuyến phức tạp, mà nó còn thay đổi theo thời gian do sự mài mòn của các chi tiết cơ khí và do nhiều yếu tố khác

Nhằm giảm thiểu ảnh hưởng xấu của các đặc tính phi tuyến đến chất lượng của hệ thống, nhiều phương pháp bù trừ phi tuyến đã được đề xuất [14], [19], [23], [38], [40], [43], [59], [60], [64], [65], [86], [88], [89], [93], [94], [95], [96], [100]

Nhìn chung các phương pháp đó đều là những giải pháp kỹ thuật áp dụng mang tính cục bộ cho phần tử phi tuyến cụ thể, và có thể phân thành các nhóm sau đây:

a Nh m phương pháp mở rộng v ng làm việc tuyến tính

Nội dung của giải pháp này là lợi dụng tính chu kỳ của đặc tính phi tuyến [85], [96] hoặc kết hợp bổ sung các phân tử phi tuyến khác để tạo ra một phần

tử có vùng tuyến tính rộng hơn [86], [95]

b trừ phi tuyến b ng cách sử dụng các mối liên kết th ng, phi tuyến

Nổi bật nhất trong nhóm này là phương pháp sử dụng các khâu phi tuyến với đặc tính phi tuyến đảo ngược với đặc tính phi tuyến cần bù trừ [26], [88] Nhược điểm của phương pháp này là khó thực hiện kỹ thuật các khâu phi tuyến với đặc tính phi tuyến đảo ngược Nhược điểm này sẽ tăng lên khi đặc tính phi tuyến thay đổi Phương pháp sử dụng các mạch thẳng với đặc tính phi

tuyến phù hợp mắc song song với phần tử phi tuyến cần bù trừ [88], [89], [100] được áp dụng khá rộng rãi trong thực tế

c) trừ phi tuyến nh các ph n h i phi tuyến

Đặc tính phi tuyến của các khâu không quán tính có thể được bù trừ nhờ

sử dụng các mạch phản hồi với đặc tính phi tuyến phù hợp [3], [38], [88] Nhược điểm chủ yếu của phương pháp này là đòi hỏi phải chú ý tới vấn đề ổn định, đặc biệt là đối với trường hợp không thể tách rời phần tuyến tính và phần phi tuyến

d) trừ thích nghi các đặc tính phi tuyến

Đây là nhóm phương pháp được quan tâm nhiều và phát huy hiệu quả cao cho các trường hợp đặc tính phi tuyến thay đổi [14], [26], [93], [94] Nhược điểm của phương pháp này là tương đối phức tạp trong thực hiện kỹ thuật

Từ phân tích mang tính tổng quan trên đây chúng ta thấy rằng vấn đề bù trừ các đặc tính phi tuyến tĩnh đã được giải quyết

Đối với đặc tính phi tuyến Backlash hiệu quả nhất là sử dụng phương pháp bù trừ thích nghi [93], [94] Những năm gần đây, với sự phát triển của các lĩnh vực chế tạo và vật liệu, người ta đã chế tạo ra các bộ truyền động không có Backlash và cả những động cơ dẫn động với dải điều khiển và khả năng điều khiển vượt trội, cho phép không sử dụng các bộ truyền động cơ khí kiểu bánh răng Vì vậy có thể coi như vấn đề phi tuyến Backlash đã được giải quyết

Ngoài những đặc tính phi tuyến nêu trên, trong thực tế còn tồn tại lớp phi tuyến phức tạp và bất định, trong đó đặc tính phi tuyến là hàm phi tuyến của nhiều biến trạng thái và luôn luôn gắn chặt với tính chất động học của phần tử phi tuyến Các phi tuyến thuộc lớp này thường tồn tại trong các đối tượng điều khiển

Trong Chương II sẽ chỉ rõ, đặc tính phi tuyến phức tạp bất định cùng với nhiễu tồn tại trong đối tượng điều khiển của hệ thống tự động bám sát các đối tượng di động Các nhóm phương pháp bù trừ phi tuyến nêu trên không áp dụng được trực tiếp cho các phi tuyến thuộc lớp này

Sự tồn tại của phi tuyến phức tạp và bất định trong đối tượng điều khiển gây nên những khó khăn đặc biệt cho việc tổng hợp các hệ thống điều khiển chất lượng cao Cho đến nay các phương pháp tổng hợp hệ điều khiển cho các đối tượng phi tuyến thuộc lớp nói trên chủ yếu là đảm bảo được ổn định; nhìn chung các chỉ tiêu chất lượng khác còn bỏ ngỏ [6] Chính vì vậy, việc xây dựng phương pháp tổng hợp các hệ điều khiển chất lượng cao cho các đối tượng có chứa phi tuyến phức tạp và bất định là vấn đề bức thiết Tiếp theo chúng ta cùng điểm lại các phương pháp tổng hợp các hệ phi tuyến, nhằm thấy rõ ưu nhược điểm, làm cơ sở cho việc giải quyết vấn đề bức thiết nêu trên

1.7 Khái quát về ưu nhược điểm của các phương pháp tổng hợp các hệ điều khiển đối tượng phi tuyến

1.7.1 Phương pháp backstepping trong tổng hợp hệ phi tuyến

Trong những năm gần đây, backstepping là một phương pháp phổ biến nhất được quan tâm nghiên cứu và phát triển cho các hệ phi tuyến [48], [79].Backstepping chủ yếu là công cụ tổng hợp hệ thống với mục đích tạo nên một

hệ kín, đảm bảo hệ ổn định toàn cục Đặc điểm của phương pháp này là: linh hoạt trong thiết kế hệ thống, làm việc với một lớp rộng đối tượng phi tuyến và

cả đối tượng tuyến tính Backstepping được ứng dụng để giải quyết nhiều bài

toán về hệ có tham số thay đổi [48]; hệ phi tuyến có tham số chưa biết [79]

Trong phương pháp backstepping, việc xác định hàm Lyapunov được thực hiện đồng thời với việc xây dựng luật điều khiển theo từng bước lùi từ đầu ra tới đầu vào của hệ

Đối với một hệ có thể tồn tại rất nhiều hàm Lyapunov nhưng trong phương pháp backstepping quan tâm chủ yếu đến hàm điều khiển Lyapunov Hàm điều khiển Lyapunov được định nghĩa [38]:

Xét hệ có động học mô tả bằng phương trình trạng thái:

 

với: X - vecto trạng thái; u- biến điều khiển;

Khi đó, một hàm hữu tỷ, trơn, xác định dương và không bị chặn V X 

được gọi là hàm điều khiển Lyapunov (CLF) cho (1.10) nếu:

Biến trạng thái z trong phương trình đầu của (1.13) giữ vai trò như một đầu

vào “ảo” Phương pháp backtepping cho phép ta xác định hàm điều khiển Lyapunov và bộ điều khiển đảm bảo ổn định tiệm cận toàn cục (Global Asymptotic Stable - GAS) tại gốc cho hệ (1.13) Cơ sở của phương pháp này được thể hiện trong định lý sau đây [6], [38]:

Định lý: Xét hệ phi tuyến (1.13) Giả sử hệ con trong nó là

( ) ( )

đã có hàm CLF V X cũng như bộ điều khiển GAS tương ứng 1( ) z1( )X

thoả mãn 1(0)0 Khi đó hệ (1.13) ban đầu cũng sẽ có hàm CLF:

c  Tương tự như vậy, ta sẽ xác định được các hàm CLF V m( , ,x1 x m) và

bộ điều khiển m( , ,x1 x m) cho hệ bậc m3, , ,n trong đó ta sẽ có

để rút ngắn thời gian của quá trình quá độ và nâng cao độ tác động nhanh cho hệ thống

1.7.2 Tổng hợp hệ điều khiển thích nghi b ng phương pháp backstepping

c sử dụng mạng nơ ron nhân tạo

Đối với các đối tượng phi tuyến, bất định, khi các hàm phi tuyến f x( )

và/hoặc g x( ) là các hàm trơn, bất định hoặc thay đổi theo thời gian, phương

pháp backstepping nêu trên không áp dụng được trong tổng hợp các hệ thống điều khiển Để giải quyết bài toán tổng hợp luật điều khiển cho các đối tượng lớp này người ta đã mở rộng phương pháp backstepping trên cơ sở sử dụng mạng nơ ron nhân tạo, trong đó các luật học cho các trọng số của mạng được hiệu chỉnh thích nghi [15], [28], [41], [42], [77], [78]

Giả sử động học của đối tượng điều khiển được mô tả bằng hệ phương trình:

1

( , , ) ( , , ) ; 1 1( , , ) ( , , )

Các mạng nơ ron RBF có khả năng mạnh để xấp xỉ hoá hàm phi tuyến trơn, một hàm phi tuyến h Z( ) :R m Rvới bất kỳ độ chính xác nào [24], [33], [44,]:

( ) T ( T ) , Z

h Z W V Z   Z , (1.16) trong đó: Z  Z T,1Tlà véc tơ đầu vào;

1 2

1, 2, , l m l, , , , l T l

V  v v v R  W  w w w R là các véc tơ trọng số của lớp thứ nhất đến lớp thứ 2 đến lớp thứ 3 tương ứng, l- là số nốt của mạng;

(V Z T )  (v Z T ), (v Z T ), , (v Z l T )T,

Nhận xét:

- Từ 1.18), (1.19) và (1.20 ta thấy rằng các trọng số của mạng nơ ron

được hiệu chỉnh thích nghi, theo đó, tốc độ biến đổi các trọng số này phụ thuộc vào nhiều biến, trong đó quan trọng nhất à v c tơ đầu vào Z Điều

này gây nên những bất ợi không nhỏ cho hệ thống bám, do bắt buộc ph i hiệu chỉnh trọng số cho mạng mỗi khi v c tơ đầu vào thay đổi Trong khi đó,

có thể nói rằng v c tơ đầu vào của hệ uôn thay đổi, đặc biệt à khi hệ bị tác động từ bên ngoài, dẫn đến kh năng hệ thống có thể bị mất ổn định

- Với nh n t nêu trên, hệ thống chỉ àm việc ổn định khi không có tác động từ bên ngoài, nghĩa à chỉ thích hợp với những đối tượng với mô hình động học (1.13)

Phương pháp tổng hợp nêu trên không phù hợp cho trường hợp khi động học của đối tượng phi tuyến được mô t bằng hệ phương trình:

1

( , , , ) ( , , , ) ; 1 1( , , , ) ( , , , )

1.7.3 Phương pháp tổng hợp hệ điều khiển m thích nghi

Về bản chất, các bộ điều khiển mờ là các bộ điều khiển phi tuyến với cấu trúc đặc biệt Điều khiển mờ có thể được chia ra thành điều khiển mờ không thích nghi và điều khiển mờ thích nghi Trong điều khiển mờ không thích nghi cấu trúc và tham số của bộ điều khiển mờ là cố định trong suốt quá trình hoạt động của hệ thống Ngược lại, đối với điều khiển mờ thích nghi thì cấu trúc hay tham số của bộ điều khiển thay đổi theo sự thay đổi động học của hệ thống hay môi trường Điều khiển mờ không thích nghi đơn giản hơn điều khiển mờ thích nghi nhưng cũng đòi hỏi nhiều hơn thông tin về mô hình đối tượng hay các luật kinh nghiệm Điều khiển mờ thích nghi phức tạp hơn,