Luận án Nghiên cứu tổng hợp thuật toán dẫn và điều khiển máy lái cho một lớp thiết bị bay hai kênh quay quanh trục dọc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ -------------------------- TÔ BÁ THÀNH NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP THUẬT TOÁN DẪN VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY LÁI CHO MỘT LỚP THIẾT BỊ BAY HAI KÊNH QUAY QUANH TRỤC DỌC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ -------------------------- TÔ BÁ THÀNH NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP THUẬT TOÁN DẪN VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY LÁI CHO MỘT LỚP THIẾT BỊ BAY HAI KÊNH QUAY QUANH TRỤC DỌC NGÀNH: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa MÃ SỐ: 9 52 02 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS Trần Đức Thuận 2. TS Đoàn Thế Tuấn HÀ NỘI – 2023 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận án này là trung thực và chưa được ai công bố ở bất kỳ công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. Ngày tháng năm 2023 Tác giả luận án Tô Bá Thành ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Trần Đức Thuận và TS Đoàn Thế Tuấn, đã định hướng nghiên cứu và tận tình chỉ bảo, hướng dẫn, giúp đỡ tôi thực hiện luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Thủ trưởng Viện KH-CN quân sự, Thủ trưởng và các cán bộ Phòng Đào tạo/Viện KH-CN quân sự, Viện Tên lửa đã luôn ủng hộ, hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện và bảo vệ luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô giáo đã giảng dạy và có những góp ý quý báu về mặt khoa học, cảm ơn các đồng nghiệp ở Viện Tên lửa, Viện Tự động hóa KTQS, Phòng Quản lý KHCN đã nhiệt tình đóng góp cho tôi các ý kiến quý báu trong quá trình học tập, nghiên cứu. Tôi xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc đến gia đình, người thân cùng bạn bè đã luôn quan tâm, động viên và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi thực hiện luận án này. Tác giả luận án Tô Bá Thành iii MỤC LỤC Trang DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ...................................................... v DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................... vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ........................................................................ vii MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ BAY HAI KÊNH VÀ VẤN ĐỀ TỔNG HỢP LỆNH CHO THIẾT BỊ BAY TIẾP CẬN MỤC TIÊU CƠ ĐỘNG TRÊN KHÔNG .................................................................................... 6 1.1. Tổng quan về thiết bị bay hai kênh không đối không ................................ 6 1.1.1. Tổng quan về thiết bị bay hai kênh không đối không trên thế giới ........ 6 1.1.2. Nghiên cứu đặc điểm thiết bị bay hai kênh như là đối tượng điều khiển 8 1.2. Vấn đề tổng hợp lệnh cho thiết bị bay tiếp cận mục tiêu cơ động ........... 13 1.2.1. Vấn đề tổng hợp hệ thống điều khiển trên thiết bị bay ......................... 13 1.2.2. Phương pháp tự dẫn thiết bị bay tiếp cận mục tiêu cơ động ................. 19 1.3. Các vấn đề cần giải quyết khi xây dựng thuật toán điều khiển cho thiết bị bay hai kênh .................................................................................................... 25 1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước .............................................. 27 1.5. Xây dựng nhiệm vụ cho luận án .............................................................. 30 1.6. Kết luận chương 1 .................................................................................... 30 Chương 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ TẢ QUÁ TRÌNH TẠO GIA TỐC PHÁP TUYẾN VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BAY HAI KÊNH .................. 31 2.1. Cơ sở xây dựng hệ phương trình mô tả chuyển động của thiết bị bay trong không gian ....................................................................................................... 31 2.1.1. Cơ sở thiết lập mô hình ......................................................................... 31 2.1.2. Mô hình động lực học bay của thiết bị bay ........................................... 39 2.1.3. Lực và mô-men tác dụng lên thiết bị bay.............................................. 45 2.2. Xây dựng hệ phương trình mô tả quá trình tạo góc tấn và góc trượt cạnh cho thiết bị bay hai kênh ................................................................................. 53 2.3. Xây dựng mô hình mô tả quá trình tạo gia tốc pháp tuyến cho thiết bị bay hai kênh ........................................................................................................... 58 iv 2.4. Kết luận chương 2 .................................................................................... 60 Chương 3. XÂY DỰNG THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH GIA TỐC VÀ LUẬT ĐIỀU KHIỂN CHO THIẾT BỊ BAY HAI KÊNH TIẾP CẬN MỤC TIÊU CƠ ĐỘNG TRÊN KHÔNG .................................................................................. 61 3.1. Xây dựng thuật toán xác định gia tốc pháp tuyến tối ưu dẫn thiết bị bay gặp mục tiêu cơ động trên không .................................................................... 61 3.2. Xây dựng thuật toán xác định luật điều khiển cho cặp cánh lái dạng rơ le để thiết bị bay hai kênh đạt gia tốc mong muốn ............................................. 71 3.3. Xây dựng thuật toán xác định luật điều khiển cho cặp cánh lái dạng liên tục để thiết bị bay hai kênh đạt gia tốc mong muốn ....................................... 81 3.4. Kết luận chương 3 .................................................................................... 86 Chương 4. MÔ PHỎNG KHẢO SÁT THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ......... 88 4.1. Xây dựng lưu đồ thuật toán vòng điều khiển thiết bị bay hai kênh tiếp cận mục tiêu cơ động ............................................................................................. 88 4.1.1. Mô hình động hình học thiết bị bay – mục tiêu .................................... 88 4.1.2. Lưu đồ thuật toán chung vòng điều khiển thiết bị bay ......................... 91 4.2. Mô phỏng khảo sát thuật toán điều khiển cho thiết bị bay hai kênh ....... 94 4.2.1. Xác định các đặc trưng cơ bản của thiết bị bay .................................... 94 4.2.2. Lập kịch bản mô phỏng ......................................................................... 99 4.2.3. Xây dựng các mô-đun và sơ đồ khối chương trình mô phỏng ........... 102 4.2.4. Mô phỏng quỹ đạo chuyển động của thiết bị bay ............................... 105 4.2.5. Đánh giá kết quả mô phỏng ................................................................ 129 4.3. Kết luận chương 4 .................................................................................. 130 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................... 131 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .............. 133 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 134 PHỤ LỤC .......................................................................................................... 1 v DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT 𝑀௫, 𝑀௬ , 𝑀௭ Thành phần mô-men trong hệ tọa độ liên kết. 𝜔௫, 𝜔௬ , 𝜔௭ Thành phần vận tốc góc trong hệ tọa độ liên kết. 𝛿஻, 𝛿ு, 𝛿௘ Góc quay cánh lái theo phương đứng, ngang và cren. 𝑃, 𝑋, 𝑌, 𝑍 Lực đẩy và thành phần lực khí động. 𝜗, 𝜓, 𝛾 Góc chúc ngóc, góc dạt ngang và góc cren. x, h, z Tọa độ tâm khối của thiết bị bay trong hệ tọa độ mặt đất. 𝑉, 𝜃, 𝛹 Vận tốc, góc nghiêng quỹ đạo và góc dạt sườn. 𝛼, 𝛽, 𝛾௔ Góc tấn, góc trượt cạnh và góc cren khí động. O0X0Y0Z0 Hệ tọa độ phóng. OXgYgZg Hệ tọa độ mặt đất. OXYZ Hệ toạ độ liên kết. OXaYaZa Hệ toạ độ vận tốc. OXkYkZk Hệ toạ độ quỹ đạo. ĐKTƯ Điều khiển tối ưu. HPTCSTQ Hệ phương trình cơ sở tổng quát. MT Mục tiêu. MLLT Máy lái dạng liên tục. MLRL Máy lái dạng rơ le. PPD Phương pháp dẫn. TCTL Tiếp cận tỉ lệ. TBB Thiết bị bay. БУ Блок Управления: Khối điều khiển. ТГС Тепловая Головка Самонаведения: Đầu tự dẫn hồng ngoại. vi DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 Tính năng chiến kỹ thuật cơ bản của một lớp TBB hai kênh .......... 12 Bảng 2.1 Tham số khí quyển tiêu chuẩn theo GOST 4401-81 ....................... 34 Bảng 4.1 Kết quả tính toán tọa độ trọng tâm một lớp TBB hai kênh ............. 97 Bảng 4.2 Kết quả xác định mô-men quán tính trong 2 trường hợp ................ 98 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 TBB không đối không tầm gần thế hệ thứ nhất .................................. 7 Hình 1.2 TBB không đối không tầm gần thế hệ thứ hai ................................... 7 Hình 1.3 TBB không đối không tầm gần thế hệ thứ ba ..................................... 8 Hình 1.4 Sơ đồ một lớp TBB hai kênh tầm gần ................................................. 9 Hình 1.6 Đầu tự dẫn ........................................................................................ 10 Hình 1.7 Khoang điều khiển ........................................................................... 11 Hình 1.8 Khoang động cơ và cánh đuôi .......................................................... 12 Hình 1.9 Phối trí khí động kiểu cánh bằng ..................................................... 14 Hình 1.10 Phối trí khí động kiểu chữ thập ...................................................... 14 Hình 1.11 Cấu trúc quá trình điều khiển TBB ................................................ 16 Hình 1.12 Quan hệ giữa các bộ phận hệ thống điều khiển TBB .................... 18 Hình 1.13 Quá trình tiếp cận mục tiêu cơ động .............................................. 19 Hình 1.14 Phương pháp dẫn hướng véc tơ vận tốc ......................................... 21 Hình 1.15 Quỹ đạo TBB theo phương pháp dẫn tiếp cận song song .............. 22 Hình 1.16 TBB hai kênh sử dụng cơ cấu Rô-lê-rôn ....................................... 26 Hình 2.1 Hệ toạ độ phóng O0x0y0z0 và hệ tọa độ mặt đất di động Oxgygzg .... 34 Hình 2.2 Hệ tọa độ liên kết Oxyz và hệ tọa độ vận tốc Oxayaza ..................... 35 Hình 2.3 Phép quay chuyển đổi từ Oxgygzg sang Oxyz .................................. 36 Hình 2.4 Phép quay chuyển đổi từ Oxgygzg sang Oxkykzk .............................. 38 Hình 2.5 Các thành phần ngoại lực tác dụng lên TBB ................................... 42 Hình 2.6 Mô tả nguyên lý hoạt động của cánh lái Rô-lê-rôn .......................... 50 Hình 2.7 Sơ đồ làm việc của Rô-lê-rôn........................................................... 51 Hình 3.1 Tương quan hình học giữa TBB và MT trong mặt phẳng thẳng đứng63 Hình 3.2 Lưu đồ thuật toán tạo gia tốc pháp tuyến tối ưu .............................. 70 Hình 3.3 Đồ thị các hàm f(t) và B(t) .............................................................. 77 viii Hình 3.4 Lưu đồ thuật toán tạo tín hiệu điều khiển cặp máy lái rơ le ............ 81 Hình 3.5 Lưu đồ thuật toán tạo tín hiệu điều khiển cặp máy lái liên tục ........ 85 Hình 4.1 Vị trí tương đối TBB – MT .............................................................. 89 Hình 4.2 Lưu đồ thuật toán chung vòng điều khiển TBB hai kênh ................ 93 Hình 4.3 Hình dáng, kích thước một lớp TBB hai kênh hiện có .................... 94 Hình 4.4 Hình dáng, kích thước đầu tự dẫn .................................................... 95 Hình 4.5 Hình dáng, kích thước cánh chống ổn định ..................................... 95 Hình 4.6 Hình dáng, kích thước cánh lái ........................................................ 96 Hình 4.7 Hình dáng, kích thước cánh đuôi ..................................................... 96 Hình 4.8 Mô hình 3D một lớp TBB hai kênh hiện có .................................... 97 Hình 4.9 Hệ tọa độ gắn với trọng tâm TBB .................................................... 98 Hình 4.10 Đồ thị lực đẩy động cơ một lớp TBB hai kênh hiện có................... 98 Hình 4.11 Tham số chuyển động ban đầu của TBB và MT ......................... 103 Hình 4.12 Tham số cơ động của MT ............................................................ 103 Hình 4.13 Sơ đồ khối chương trình mô phỏng MLLT ................................. 104 Hình 4.14 Sơ đồ khối chương trình mô phỏng MLRL ................................. 104 Hình 4.15 Thuật toán TCTL và ĐKTƯ trong Khối điều khiển .................... 104 Hình 4.16 Điều kiện đầu vào (TH1) ............................................................. 105 Hình 4.17 Đồ thị quỹ đạo 3D TBB và MT (TH1) ........................................ 105 Hình 4.18 Đồ thị khoảng cách TBB-MT (TH1) ........................................... 105 Hình 4.19 Đồ thị tốc độ góc quanh trục dọc TBB (TH1) ............................. 106 Hình 4.20 Đồ thị góc lệch rô-lê-rôn (TH1) ................................................... 106 Hình 4.21 Đồ thị vận tốc TBB (TH1) ........................................................... 106 Hình 4.22 Đồ thị góc tấn không gian (TH1) ................................................. 107 Hình 4.23 Đồ thị góc lệch cặp cánh lái tạo góc tấn (TH1) ........................... 107 Hình 4.24 Đồ thị góc lệch cặp cánh lái tạo góc trượt cạnh (TH1) ................ 108 Hình 4.25 Đồ thị quá tải kênh đứng của TBB (TH1) ................................... 108 Hình 4.26 Đồ thị quá tải kênh ngang của TBB (TH1) .................................. 108 ix Hình 4.27 Điều kiện đầu vào (TH2) ............................................................. 111 Hình 4.28 Đồ thị quỹ đạo 3D TBB và MT (TH2) ........................................ 111 Hình 4.29 Đồ thị khoảng cách TBB-MT (TH2) ........................................... 111 Hình 4.30 Đồ thị quá tải kênh đứng của TBB (TH2) ................................... 112 Hình 4.31 Đồ thị quá tải kênh ngang của TBB (TH2) .................................. 112 Hình 4.32 Điều kiện đầu vào (TH3) ............................................................. 113 Hình 4.33 Đồ thị quỹ đạo 3D TBB và MT (TH3) ........................................ 114 Hình 4.34 Đồ thị khoảng cách TBB-MT (TH3) ........................................... 114 Hình 4.35 Đồ thị quá tải kênh đứng của TBB (TH3) ................................... 114 Hình 4.36 Đồ thị quá tải kênh ngang của TBB (TH3) .................................. 115 Hình 4.37 Điều kiện đầu vào (TH4) ............................................................. 116 Hình 4.38 Đồ thị quỹ đạo 3D TBB và MT (TH4) ........................................ 116 Hình 4.39 Đồ thị khoảng cách TBB-MT (TH4) ........................................... 116 Hình 4.40 Đồ thị quá tải kênh đứng của TBB (TH4) ................................... 117 Hình 4.41 Đồ thị quá tải kênh ngang của TBB (TH4) .................................. 117 Hình 4.42 Điều kiện đầu vào (TH5) ............................................................. 118 Hình 4.43 Đồ thị quỹ đạo 3D TBB và MT (TH5) ........................................ 118 Hình 4.44 Đồ thị khoảng cách TBB-MT (TH5) ........................................... 119 Hình 4.45 Đồ thị quá tải kênh đứng của TBB (TH5) ................................... 119 Hình 4.46 Đồ thị quá tải kênh ngang của TBB (TH5) .................................. 119 Hình 4.47 Điều kiện đầu vào (TH6) ............................................................. 120 Hình 4.48 Đồ thị quỹ đạo 3D TBB và MT (TH6) ........................................ 120 Hình 4.49 Đồ thị khoảng cách TBB-MT (TH6) ........................................... 121 Hình 4.50 Đồ thị quá tải kênh đứng của TBB (TH6) ................................... 121 Hình 4.51 Đồ thị quá tải kênh ngang của TBB (TH6) .................................. 121 Hình 4.52 Điều kiện đầu vào (TH7) ............................................................. 122 Hình 4.53 Đồ thị quỹ đạo 3D TBB và MT (TH7) ........................................ 123 Hình 4.54 Đồ thị khoảng cách TBB-MT (TH7) ........................................... 123 x Hình 4.55 Đồ thị quá tải kênh đứng của TBB (TH7) ................................... 123 Hình 4.56 Đồ thị quá tải kênh ngang của TBB (TH7) .................................. 124 Hình 4.57 Điều kiện đầu vào (TH8) ............................................................. 124 Hình 4.58 Đồ thị quỹ đạo 3D TBB và MT (TH8) ........................................ 125 Hình 4.59 Đồ thị khoảng cách TBB-MT (TH8) ........................................... 125 Hình 4.60 Đồ thị quá tải kênh đứng của TBB (TH8) ................................... 125 Hình 4.61 Đồ thị quá tải kênh ngang của TBB (TH8) .................................. 126 Hình 4.62 Điều kiện đầu vào (TH9) ............................................................. 127 Hình 4.63 Đồ thị quỹ đạo 3D TBB và MT (TH9) ........................................ 127 Hình 4.64 Đồ thị khoảng cách TBB-MT (TH9) ........................................... 127 Hình 4.65 Đồ thị quá tải kênh đứng của TBB (TH9) ................................... 128 Hình 4.66 Đồ thị quá tải kênh ngang của TBB (TH9) .................................. 128 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Trong trang bị của Quân đội ta đang sử dụng các loại thiết bị bay (TBB) do nước ngoài sản xuất. Để tiến tới việc tự chủ thiết kế chế tạo TBB cần phải có những bước đi ban đầu, đó là nghiên cứu các nguyên lý điều khiển chuyển động của TBB. Hiện nay, TBB một kênh (TBB chống tăng, TBB phòng không tầm thấp), TBB ba kênh (TBB phòng không tầm trung, TBB hành trình đối hải tầm trung) đã được nghiên cứu tương đối hoàn chỉnh trong nước. Riêng TBB hai kênh có rất ít công trình được công bố. TBB một kênh là loại TBB chỉ có một cơ cấu điều khiển tạo ra góc tấn  hoặc góc trượt cạnh  (tùy theo quy ước khi xác lập hệ tọa độ liên kết). TBB có 01 cặp cánh lái, sử dụng máy lái kiểu rơ-le. Cặp cánh lái quay đồng thời tạo ra lực khí động, lực khí động sinh ra mô-men làm quay TBB quanh trục dọc. Khi TBB quay (tốc độ quay khoảng trên, dưới 10 vòng/ giây tùy loại TBB), góc tấn thay đổi, xuất hiện lực pháp tuyến làm thay đổi hướng bay. TBB ba kênh (phối trí khí động kiểu máy bay) là loại TBB có ba cơ cấu điều khiển (ba cặp cánh lái: hướng, độ cao (gật), nghiêng (liệng) hoặc sử dụng 04 máy lái có khả năng hoạt động độc lập). Với loại TBB này lực dạt sườn Z xuất hiện chủ yếu do tác động của không khí vào thân TBB và tiết diện thẳng đứng của cánh. Diện tích cánh không tham gia vào việc tạo ra lực dạt sườn, nên lực dạt sườn nhỏ hơn rất nhiều so với lực nâng Y. Như vậy, để cơ động trong mặt phẳng ngang, TBB phải tạo ra góc Cren (góc nghiêng) để tăng lực rẽ. Do đó TBB không bị quay quanh trục dọc trong quá trình tự dẫn. Đối với TBB hành trình đối hải tầm trung, TBB phòng không tầm trung có 04 máy lái có thể quy đổi về loại TBB ba kênh như kiểu phối trí khí động máy bay. TBB hai kênh quay quanh trục dọc sẽ sử dụng hiệu ứng điều khiển của cả hai kênh: kênh góc tấn và kênh góc trượt cạnh để tạo ra lực pháp tuyến làm thay đổi hướng chuyển động của TBB. 2 TBB hai kênh được sử dụng phổ biến và chiếm số lượng khá lớn trong lớp các TBB không đối không tầm gần trên thế giới và trong trang bị của Không quân ta. Việc sửa chữa, cải tiến cũng như để có cơ sở cho định hướng phát triển lớp TBB này yêu cầu phải có những nghiên cứu sâu về mặt lý thuyết, trọng tâm là phương pháp dẫn và thuật toán điều khiển. Chính vì vậy, luận án này sẽ đi sâu vào một số vấn đề liên quan đến điều khiển chuyển động để TBB đến gặp mục tiêu (MT) cơ động trên không. 2. Mục tiêu nghiên cứu luận án Xây dựng được phương pháp và thuật toán điều khiển cho một lớp TBB hai kênh quay quanh trục dọc; xác định được mối quan hệ giữa góc lệch cánh lái và lực khí động tạo ra; thiết lập được mô hình bài toán động lực học để tiến hành mô phỏng đánh giá phương pháp và thuật toán điều khiển TBB hai kênh. 3.