Tóm tắt Luận án Nghiên cứu tổng hợp hệ thống tự động bám sát mục tiêu cho đài quan sát trên phương tiện cơ động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG 
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ 
Vũ Quốc Huy 
NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG 
BÁM SÁT MỤC TIÊU CHO ĐÀI QUAN SÁT 
TRÊN PHƯƠNG TIỆN CƠ ĐỘNG 
 Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa 
 Mã số : 62 52 02 16 
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT 
HÀ NỘI - 2017 
Công trình được hoàn thành tại: 
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ 
Người hướng dẫn khoa học: 
 1. PGS. TS Nguyễn Quang Hùng 
 2. PGS. TS Nguyễn Vũ 
Phản biện 1: GS.TS. Lê Hùng Lân 
Phản biện 2: PGS.TS. Phạm Trung Dũng 
Phản biện 3: PGS. TS Nguyễn Văn Liễn 
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tại 
Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Hà Nội. 
Vào hồi ... giờ ... ngày ... tháng ... năm ... 
Có thể tìm hiểu luận án tại: 
- Thư viện quốc gia Việt Nam 
- Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự 
1 
MỞ ĐẦU 
1. Tính cấp thiết của đề tài luận án 
Đài quan sát cơ động được hiểu là đài quan sát (ĐQS) có thể di chuyển 
được trong quá trình tác chiến. Đây là một hệ thống bao gồm một cơ hệ 
quay/quét [15], [21], [29] có 2 khớp quay trên một bệ gắn liền phương tiện 
chuyển động để quan sát mục tiêu bằng camera và đo cự ly từ ĐQS đến 
mục tiêu bằng máy đo xa la-de. Cơ cấu chấp hành (CCCH) của cơ hệ là các 
động cơ điện. Việc đưa ĐQS lên phương tiện cơ động trước hết để phục vụ 
cho chính hệ điều khiển hỏa lực tích hợp trên xe (Hình 0.1); ngoài ra nó còn 
mang ý nghĩa chiến thuật khác như giảm thời gian triển khai trận địa và 
tăng cường khả năng cơ động cho khí tài để tránh bị tiêu diệt. 
Chuyển động của phương tiện sẽ làm cho ĐQS bị lắc, làm đổi hướng và 
có thể gây mất đường ngắm đột ngột. Hệ bám sát mục tiêu quan tâm của 
luận án có cấu trúc của một hệ ổn định đường ngắm trực tiếp. Những yêu 
cầu của chiến tranh công nghệ cao cho thấy tính phức tạp và tính cấp thiết 
của bài toán điều khiển bám sát mục tiêu cho các ĐQS cơ động mà chỉ dựa 
trên cơ sở lý thuyết điều khiển hiện đại mới giải quyết được. Đây là chủ đề 
mang tính đặc thù quân sự, chưa thấy có tài liệu nào công bố trong nước đề 
cập, đồng thời nguồn tài liệu ngoài nước rất hạn chế, không tiếp cận được. 
Hình 0.1: Sơ đồ nguyên lý hệ bám mục tiêu trên phương tiện cơ động 
2. Mục đích nghiên cứu 
Mục đích nghiên cứu của luận án là tổng hợp thuật toán điều khiển 
truyền động hệ cơ điện quay/quét 2 bậc tự do được gắn camera quan sát và 
2 
máy đo xa la-de, đặt trên phương tiện cơ giới quân sự nhằm ổn định đường 
ngắm, bám sát mục tiêu phục vụ trực tiếp cho hệ điều khiển hỏa lực tích 
hợp trên xe cơ động trong chiến đấu; định vị mục tiêu trong hệ tọa độ cố 
định mặt đất, hỗ trợ cung cấp phần tử bắn cho trận địa hỏa lực PPK. 
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 
Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống bám của ĐQS cơ động chịu tác động 
của sự rung lắc và chuyển hướng của phương tiện. Cấu trúc vật lý của ĐQS 
gồm có một cơ hệ quay/quét (phương vị/tà) gắn liền phương tiện; các thiết 
bị quang điện tử (camera quan sát, máy đo xa la-de) được gắn lên khối tà; 
CCCH sử dụng là khối điều khiển chuyển động hợp bộ (động cơ đồng bộ 
kích thích vĩnh cửu PMSM gắn kèm hộp giảm tốc, bộ khuếch đại công suất 
phù hợp với động cơ PMSM). Hệ truyền động điện đồng thời làm nhiệm vụ 
bắt bám và bù trừ rung lắc. 
Phạm vi nghiên cứu: Bài toán ổn định đường ngắm trực tiếp và bám sát 
mục tiêu được quan tâm chủ yếu; bài toán định vị mục tiêu trong hệ tọa độ 
cố định mặt đất chỉ là phép tính toán dựa trên các phép quay tọa độ. Luận 
án không quan tâm các thuật toán xử lý ảnh và coi hệ bám ảnh luôn đưa ra 
được sai lệch tâm ảnh. Sai lệch từ hệ quang ảnh sẽ được sử dụng làm cơ sở 
phản hồi thông tin về mục tiêu. 
4. Nội dung nghiên cứu 
- Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển truyền thống và hiện đại; các đặc điểm 
của CCCH được sử dụng làm hệ truyền động điện cho ĐQS. 
- Xây dựng mô hình toán của ĐQS cơ động theo các khối bao gồm cơ hệ 
quay/quét, khối CCCH, khối tính toán sai lệch góc bám và xử lý số liệu đầu 
vào cho hệ điều khiển bám góc của ĐQS có tính đến các tham số chuyển 
động của phương tiện. 
- Nghiên cứu ứng dụng một bộ điều khiển PID truyền thống theo tiêu chuẩn 
bền vững để làm cơ sở so sánh, đối chứng. 
- Nghiên cứu phát triển luật điều khiển hiện đại có đặc tính tác động nhanh 
và bền vững với nhiễu, thích nghi với sự biến đổi của tham số dựa trên lý 
thuyết ổn định Lyapunov, hệ thống cấu trúc biến đổi và lô-gic mờ. 
- Thiết lập mô phỏng và hướng đến xây dựng mô-đun phần mềm ứng dụng 
cài đặt trên máy tính nhúng tích hợp trong tổ hợp phòng không tầm thấp 
nhằm đánh giá khả năng áp dụng của thuật toán đề xuất. 
5. Phương pháp nghiên cứu 
- Luận án sử dụng phương pháp giải tích, hình học, cơ học trong xây dựng 
mô hình đối tượng, trong phát biểu và chứng minh các bổ đề, các định lý. 
3 
- Luận án tiến hành đo đạc số liệu vào ra của CCCH, đo đạc tham số 
chuyển động của phương tiện bánh lốp trên một số tuyến đường ở Hà Nội 
để lấy số liệu thực nghiệm đưa vào nhận dạng, mô phỏng. 
- Cài đặt, kiểm chứng thuật toán trong MATLAB với thông số cụ thể của 
một ĐQS trên phương tiện cơ giới quân sự hiện có trong trang bị của Quân 
đội Việt Nam để kiểm chứng hiệu quả của thuật toán đề xuất. 
- Triển khai thực tế thông qua việc cài đặt từng phần thuật toán tổng hợp 
được trên máy tính nhúng tích hợp trong hệ thống thực. 
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 
Luận án nghiên cứu, xây dựng các phương pháp và thuật toán dựa trên 
các công cụ của lý thuyết điều khiển hiện đại như điều khiển bền vững, điều 
khiển thích nghi, điều khiển trượt truyền thống và trượt đầu cuối, hệ lô-gic 
mờ, ứng dụng trong điều khiển đối tượng phi tuyến. Tính đúng đắn của 
thuật toán đề xuất được chứng minh toán học và mô phỏng kiểm chứng. Kết 
quả nghiên cứu của luận án là cơ sở khoa học để thực thi thuật toán trên 
máy tính nhúng tích hợp trong hệ thống khi có nhu cầu thiết kế chế tạo mới 
hoặc cải tiến, nâng cao chất lượng bám sát mục tiêu cho ĐQS cơ động. 
7. Bố cục của luận án 
Mở đầu, 04 chương, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục. 
Chương 1: Tổng quan về hệ thống bám sát mục tiêu trên phương tiện cơ động. 
Chương 2: Xây dựng mô hình động học của đài quan sát trên cơ sở động 
học của các thành phần hệ thống. 
Chương 3: Thuật toán điều khiển hệ bám góc mục tiêu của đài quan sát ứng 
dụng điều khiển trượt và lô-gic mờ với kỹ thuật phân vùng trạng thái và mặt 
trượt đầu cuối nhanh cải tiến. 
Chương 4: Mô phỏng thuật toán điều khiển bám góc mục tiêu của đài quan 
sát với số liệu thực nghiệm. 
Chương 1: 
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BÁM SÁT MỤC TIÊU TRÊN 
PHƯƠNG TIỆN CƠ ĐỘNG 
1.1. Một số hệ thống quan sát, bám sát mục tiêu hiện nay 
1.1.1. Hệ thống định vị mục tiêu di động bằng ĐQS cố định 
Có thể xem đây như một tay máy có 2 khớp quay trên một bệ đặt cố 
định trên mặt đất, có khả năng quay/quét để quan sát mục tiêu bằng camera 
và đo cự ly từ ĐQS đến mục tiêu bằng máy đo xa la-de [15], [21], [29], 
[37]. Vấn đề còn bỏ ngỏ là ổn định đường ngắm của ĐQS để bám sát mục 
tiêu khi phương tiện chuyển động. 
4 
1.1.2. Hệ thống bám sát mục tiêu di động bằng ĐQS cơ động 
Luận án đi theo xu hướng nghiên cứu xem xét hệ thống bao gồm những 
hệ thống con phối ghép lại với nhau, từ đó ứng dụng, phát triển các thuật 
toán xử lý, các thuật toán tổng hợp hệ thống hiệu quả nhằm tối ưu hóa các 
chỉ tiêu chất lượng mong muốn. 
Nhận xét: Các hệ thống quan sát, bám sát mục tiêu hiện nay tương đối 
giống nhau về cấu trúc vật lý. Tuy nhiên tính mục đích của đối tượng khác 
nhau nên sẽ cần có thuật toán tổng hợp khác nhau, đáp ứng chỉ tiêu kỹ thuật 
đề ra. Đặc biệt, với ĐQS cơ động, cần xây dựng luật điều khiển bền vững, 
tác động nhanh trong khoảng thời gian hữu hạn để bù được những thay đổi 
của sự rung lắc có tần số cao và sự chuyển hướng của phương tiện. 
1.2. Hệ truyền động bám và cơ cấu chấp hành của hệ truyền động bám 
1.2.1. Khái niệm hệ truyền động bám và cấu trúc của hệ điều khiển bám 
trên phương tiện cơ động 
Hệ truyền động (HTĐ) bám là một hệ thống kín trong đó đầu vào có thể 
thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian, đầu ra được điều khiển bám theo đầu 
vào với độ chính xác mong muốn [30]. 
Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển bám trên phương tiện cơ động 
1.2.2. Cơ cấu chấp hành của hệ truyền động bám 
 CCCH của hệ truyền động bám (TĐB) có thể là các động cơ điện (động 
cơ DC, động cơ KĐB xoay chiều 3 pha, động cơ bước, đông cơ BLDC, 
động cơ PMSM). Đối với cơ cấu chấp hành sử dụng động cơ PMSM, hiện 
nay, nhiều thuật toán và phương pháp điều khiển động cơ đã được tích hợp 
sẵn trong các bộ biến tần. Tuy nhiên, bản thân các bộ điều khiển sẵn có này 
chỉ hoạt động tốt ở chế độ xác lập. Còn ở chế độ bám, do sự thay đổi liên 
tục của số liệu đầu vào nên chỉ riêng bộ biến tần sẽ không đáp ứng được 
yêu cầu đặt ra, cần bổ sung các bộ điều khiển vòng ngoài. 
5 
1.3. Tổng quan về tổng hợp hệ thống bám trên cơ sở lý thuyết điều 
khiển hiện đại ứng dụng cho điều khiển cơ hệ của ĐQS 
1.3.1. Phân loại kỹ thuật điều khiển 
1.3.2. Một số phương pháp tổng hợp hệ thống có liên quan 
Xem xét cơ hệ quay/quét của ĐQS [15], [29], [37] như một tay máy có 
hai khớp quay được truyền động bởi các động cơ điện có liên kết cứng, gắn 
liền với sàn của phương tiện cơ động. Với cấu trúc như vậy cơ hệ của ĐQS 
là một hệ Euler-Lagrange phi tuyến đa biến. Với việc thiết kế cơ hệ cân 
tâm, trọng tâm của các khâu đặt tại tâm của khâu, cũng chính là gốc của các 
hệ tọa độ nên trọng lực hầu như không ảnh hưởng tới cơ hệ. Do vậy, động 
lực học của cơ hệ có dạng: 
 ( ) ( , )D q q C q q q d u (1.2) 
* Tổng hợp hệ điều khiển thích nghi bằng phương pháp backstepping. 
* Tổng hợp hệ điều khiển thích nghi trên cơ sở mạng nơ-ron. 
* Tổng hợp luật điều khiển thích nghi tham số Li-Slotine. 
* Hệ lô-gic mờ và ứng dụng trong nhận dạng và điều khiển. 
1.3.3. Một số luật điều khiển trượt truyền thống 
Đối với những hệ thống chịu ảnh hưởng mạnh của nhiễu và có sự bất 
định về tham số, để tổng hợp hệ điều khiển bám có chất lượng cao thì điều 
khiển cấu trúc biến đổi hoạt động theo nguyên lý trượt sẽ là lựa chọn tối ưu 
nhờ khả năng bất biến với nhiễu tác động lên hệ thống và khắc phục được 
các yếu tố bất định [16], [18], [81]. 
* Thuật toán SMC thông thường: 
Chọn mặt trượt có dạng: 
 e eS q Iq  hay e eS q q  (1.8) 
Chọn tác động điều khiển dạng: 
1 1ˆ ˆ sgn( )equ B u B K S
 , *
1 2( , ,..., );n iK diag k k k k R 
(1.9) 
Điều kiện tồn tại chế độ trượt: 
 01 ( ); 1,...,i eqk b u b h i n  
(1.23) 
* SMC truyền thống với kỹ thuật lớp biên và hàm bão hòa: 
Để giảm hiện tượng chattering, trong [80] đã thay hàm dấu trong (1.9) bởi 
hàm bão hòa (1.24), sử dụng kỹ thuật lớp biên trong điều khiển trượt [59]. 
sgn :
sat ; 1,...,
:
i i i
i
i i i
p s
p i n
p s
; i
i
i
s
p
 ; 0i 
(1.24) 
6 
* Thuật toán SMC truyền thống sử dụng hàm tích phân bão hòa: 
0
1:
satPI( ) : ; 1,...,
1:
i
i
i
i i
t
i i I i i i
t
i i
s
p p k p dt s i n
s
(1.25) 
 Tác động điều khiển: 
1 1ˆ ˆ satPI( )equ B u B K p
 (1.26) 
Giả thiết luôn chọn được 
iI
k đủ lớn thỏa mãn: 
0; 0
; 1,...,
0; 0
i
i
i I i i
i I i i
p k p p
i n
p k p p
  
  
(1.27) 
Luật điều khiển (1.26) với K chọn theo (1.23) và satPI( )p chọn theo 
(1.25) đảm bảo cho sai lệch bám hội tụ về 0 . 
1.3.4. Kỹ thuật điều khiển trượt đầu cuối với mặt trượt phi tuyến 
Kỹ thuật trượt đầu cuối đã được nhiều học giả đề xuất và ứng dụng vào 
điều khiển tay máy [72], [83], [84], [89], cho thấy luật điều khiển đảm bảo 
cho độ dốc mặt trượt lớn, khống chế được phạm vi sai lệch bám trong thời 
gian hữu hạn, có thể rút ngắn được quá trình quá độ và không phải tạo ra 
những thiết bị bù phức tạp. 
Mặt trượt đầu cuối (TSM): 
,i i
i i
r
i e i es q q
  với: *, ; ,i i i ir N r lẻ, 
*;i i ir R  (1.33) 
Khi trạng thái của hệ đã nằm trên mặt trượt ( 0is ), sai lệch bám là: 
 (0) 0
i i
i i i
i
i i
r
r
i i
e i e
i
r
q t q
 
 trong 
(0)
( )
i i
i
i
r
i e
s
i i i
q
t
r
 
Mặt trượt đầu cuối nhanh (FTSM): 
i i
i i i
r
i e i e i es q q q
   , *, ; ,i i i ir N r lẻ; 
*; ,i i i ir R   (1.34) 
Bổ đề 1.1: (Bổ đề về khoảng thời gian hữu hạn trong TSM/FTSM) [83], [84] 
Điểm cân bằng 0
ie
q của phương trình vi phân liên tục không 
Lipschitz (1.33) và (1.34) là điểm ổn định thời gian hữu hạn toàn cục, có 
nghĩa là với điều kiện đầu 0(0)i ie eq q trạng thái của hệ hội tụ về 0 trong 
thời gian hữu hạn 0( )ieT q và ở lại trên đó mãi mãi (nếu không có tác động 
từ bên ngoài), với: 
7 
 0 0
(1.33)
( )
( )
i i
i
i i
r
i
e e
i i i
T q q
r
 
; 
0
0
(1.34)
( ) ln
( )
i i i
i
i
r
i e ii
e
i i i i
q
T q
r
  
 
 Trong đó: *, ; ,i i i ir N r lẻ; 
*; , ; 1, 2i i i ir R i   . 
Bổ đề 1.2 [83], [84]: Nếu tìm được một hàm Lyapunov mở rộng ( )
ie
V q đảm 
bảo: ( ) ( ) ( ) 0i i
i i i
r
e i e i eV q V q V q
   , thì thời gian để hệ xác lập là: 
0
0
( )
( ) ln
( )
i i i
i
i
r
i e ii
e
i i i i
V q
T q
r
  
 
, *,i ir N lẻ 
*; ,i i i ir R   . 
1.4. Đặt bài toán 
Xét ĐQS có mô tả toán học dưới dạng một phương trình Euler-
Lagrange: ( ) ( , )D q q C q q q d u ; D là ma trận quán tính, D=(dij)2x2 và 
det(D) ≠ 0; C là ma trận coriolis và hướng tâm, C =(cij)2x2; u là véc-tơ mô-
men tổng quát; q là véc-tơ biến khớp; d là vec-tơ nhiễu do chuyển động 
của phương tiện gây ra. Giả thiết: 
1) Cơ hệ quay/quét của ĐQS không bị mất cân bằng động học khi quay 
quanh tâm của đài. Trọng tâm khối tà và phương vị trùng với tâm của ĐQS. 
2) Cơ hệ của ĐQS luôn chịu tác động của nhiễu do sự rung lắc và chuyển 
hướng của phương tiện. Nhiễu này gây ra sai lệch góc bám được xác định 
từ hệ quang ảnh. 
3) Véc-tơ nhiễu d bị chặn trong từng thành phần của nó: 0; 1,...,id d i n 
Gọi: dq là véc-tơ góc đặt bám; q là véc-tơ góc thực; eq là véc-tơ sai 
lệch góc bám, e dq q q . Yêu cầu đặt ra là xây dựng được thuật toán điều 
khiển để cho 0eq trong khoảng thời gian hữu hạn. 
Kết luận chương: Đối với đối tượng có mô tả toán học dạng phương 
trình Euler-Lagrange, các luật điều khiển thích nghi bền vững trên cơ sở kỹ 
thuật điều khiển trượt, mạng nơ-ron, lô-gic mờ đang dành được nhiều sự 
quan tâm; trong đó vẫn cần phát triển tiếp kỹ thuật lớp biên để hạn chế 
chattering. Nhiệm vụ của luận án là tổng hợp luật điều khiển thích nghi với 
tham số của hệ thống, đảm bảo hệ thống ổn định bền vững và đưa sai lệch 
góc bám hội tụ về 0 trong thời gian hữu hạn, giảm thiểu rung lắc cơ học 
trong hệ truyền động. Hướng phát triển kỹ thuật điều khiển trượt FTSM sẽ 
là giải pháp tốt cho bài toán ổn định đường ngắm và bám sát mục tiêu của 
ĐQS cơ động. 
8 
Chương 2: 
XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CỦA ĐÀI QUAN SÁT TRÊN 
CƠ SỞ ĐỘNG HỌC CỦA CÁC THÀNH PHẦN HỆ THỐNG 
2.1. Tư thế, vị trí, vận tốc của phương tiện trong hệ tọa độ cố định mặt đất 
2.1.1. Các hệ tọa độ tham chiếu 
Hệ tọa độ cố định mặt đất, hệ tọa độ chuẩn, hệ tọa độ liên kết, hệ tọa độ 
liên kết chuẩn. 
2.1.2.  ...  e cu B q h q L q Q q Q q B u
  
với: 1 2
1 2
2 2
2 2 2
2 2
,
1 1
e e
e e
q q
Q diag
q q
 
 
; 1 2
1 2
1 1
,e eQ diag q q
 

 ; 
14 
 1 2( , )diag   ; 
i
i
i
r

 ; 
*,i ir N lẻ, i ir ; cu satF là hàm 
bão hòa mờ định nghĩa theo (3.2); 1 2( , )diag   ; 1 2( , )diag   ;
*,i i R  ; 1 22 21 1ln , lne eL diag q q  ; 0 1 , sẽ đảm bảo 
cho hệ thống tiến đến mặt trượt: 
 1 2
1 2
( )
T
e e e eS q L q q q
   , 
và đưa sai lệch góc bám eq hội tụ về 0 trong khoảng thời gian hữu hạn. 
Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển FTESM-VSC 
* Ngoài biên: 0
ie
q trong khoảng thời gian hữu hạn không lớn hơn: 
0 0 0
0
( ) sgn ( )1
( ) ln ln
( )
i i i
i i i
i
r
i e i Di i e i i ei
s e
i i i i Di i
q k s q k s q
T q
r k k
  
 
 (3.45) 
* Trong biên: 0
ie
q trong khoảng thời gian hữu hạn không lớn hơn: 
15 
0 0 0
0
( ) sgn ( )1
( ) ln ln
( )
i i i
i i i
i
r
i e i Di i e i i ei
s e
i i i i Di i
q k s q k s q
T q
r k k


  
 
 (3.51) 
3.4. Xác định góc mục tiêu trong hệ tọa độ chuẩn làm đầu vào bám cho 
ĐQS khi mục tiêu và phương tiện chuyển động trong hệ tọa độ cố định 
mặt đất 
 2 21 2arctan ; arctand gM gM d gM gM gMy x z x y  (3.56) 
3.5. Xác định góc đường ngắm của ĐQS trong hệ tọa độ chuẩn khi 
phương tiện chuyển động trong hệ tọa độ cố định mặt đất 
 0221 2 23
21
0
cos sin
arctan arctan ; arcsin
cos cos
t
f
t
f
v dt
a
a
a
v dt
 
 
 
 (3.67) 
Kết luận chương: Xem xét động học hệ thống dưới dạng tuyến tính, 
chương 3 đã tổng hợp luật điều khiển PID theo chuẩn ITAE đang được sử 
dụng cho ĐQS hoạt động trong chế độ cố định, đóng vai trò là bộ điều 
khiển đối chứng. Kết quả này này đã được công bố trong các công trình 
khoa học số 1, 3. Xem xét mô tả toán học của ĐQS cơ động dưới dạng 
phương trình Euler-Lagrange, chương 3 đã tổng hợp và xác lập 2 luật điều 
khiển ASF-VSC và FTESM-VSC áp dụng cho trường hợp có đánh giá thích 
nghi tham số mô hình đối tượng (ASF-VSC) và trường hợp không cần đánh 
giá thích nghi tham số mô hình đối tượng (FTESM-VSC). Kết quả này đã 
được công bố trong các công trình khoa học số 2, 6 và 7. Một hướng áp 
dụng hiệu quả khác là sử dụng đồng thời cả 2 luật trên, trong đó FTESM-
VSC là luật điều khiển chủ yếu, còn ASF-VSC được sử dụng với vai trò xác 
định tham số hệ thống ban đầu và dự phòng nóng trong việc đánh giá tham 
số khi có sự bất định xảy ra. Khi đó ASF-VSC sẽ thực hiện chức năng tự 
động dò tìm tham số thực (auto-tuning). 
Chương 4: 
MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BÁM GÓC MỤC TIÊU 
CỦA ĐÀI QUAN SÁT VỚI SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM 
4.1. Thông số cơ hệ và chỉ tiêu kỹ thuật của ĐQS 
* Cơ cấu chấp hành: Động cơ, biến tần của hãng Delta [92]: Công suất 
750W; mô-men cực đại: max 2,39T Nm ; mô-men quán tính động cơ: JM = 
16 
1,13.10-4kgm2; hệ số ma sát tải: b = 10-3 Nm/(rad/s); hệ số điều chỉnh mô-
men: KM = 0,717 Nm/V. 
* Hộp giảm tốc và tỉ số truyền: Hộp số Harmonic, tỉ số truyền của kênh tà, 
phương vị 160Ei , 160Ai , coi hiệu suất 100%A E  . 
* Chỉ tiêu kỹ thuật của ĐQS: Thể hiện trong bảng 4.1. 
4.2. Thực nghiệm chủ động thu thập số liệu và nhận dạng 
4.2.1. Nhận dạng hàm truyền đạt của khâu biến tần - động cơ PMSM 
3100,8591
W ( )
1 0,0483 1
IM
k
s
s s
 (4.2) 
4.2.2. Thực nghiệm thu thập số liệu chuyển động phương tiện 
Số liệu về tham số mô tả chuyển động của phương tiện được đo và ghi 
lưu trên một số tuyến đường trong khu Đô thị Việt Hưng, Hà Nội (ĐTVH), 
dựa trên thiết bị IMU ADIS16354 và mô-đun GPS. Tốc độ tịnh tiến và các 
góc Euler biểu diễn tư thế của phương tiện thể hiện trên hình 4.3 đến 4.5. 
Hình 4.3: Góc chuyển hướng của phương tiện trong khu ĐTVH 
Hình 4.4: Góc nghiêng của phương tiện trong khu ĐTVH 
Hình 4.5: Vận tốc tịnh tiến của phương tiện trong khu ĐTVH 
17 
Hình 4.6 (a, b, c) thể hiện sự rung lắc và chuyển hướng của phương tiện 
trong khu ĐTVH, đo trong 600s. Kết quả đo được thống kê trong bảng 4.2. 
a) Tốc độ lắc ngang của sàn xe 
b) Tốc độ lắc dọc của sàn xe 
c) Tốc độ chuyển hướng của phương tiện 
Hình 4.6: Tốc độ góc của phương tiện trong khu ĐTVH 
Bảng 4.2: Thông số thực nghiệm một số tuyến đường ở Hà Nội 
Thông số đo đạc thực 
nghiệm (giá trị lớn nhất) 
Khu ĐTVH 
Vòng xuyến 
ĐTVH 
Khu đô thị 
Sài Đồng 
Tốc độ lắc dọc, lắc ngang ±4o/s ±3o/s ±6o/s 
Tốc độ chuyển hướng ±25o/s ±30o/s ±30o/s 
Vận tốc phương tiện 60km/h 15km/h 45km/h 
Góc nghiêng dọc, nghiêng 
ngang của sàn xe 
±7o ±5o ±5o 
18 
4.3. Tính toán góc mở và hệ số quy đổi góc từ đầu ra xử lý ảnh 
120 2
0,046
16384
xG rad
 ;
90 2
0,035
16384
yG rad
 (4.4) 
16384 640
13907( / )
120 2
yx
x y
x y
PP
k k pixel rad
G G 
 (4.5) 
Giá trị tính toán trong (4.4) cho thấy nếu góc của mục tiêu lớn hơn các 
giá trị góc mở (4.4) của camera, mục tiêu sẽ ra khỏi trường nhìn hẹp. 
4.4. Mô tả quỹ đạo mục tiêu trong hệ tọa độ cố định mặt đất trong một 
số bài huấn luyện thực tế 
Hai kịch bản mục tiêu với các thông số trong bảng 4.6 [29] dựa trên một 
số bài huấn luyện thực tế trong cPPK 37mm-2N, tạo ra mục tiêu giả, làm đầu 
vào cho hệ bám góc để thực hiện mô phỏng thuật toán điều khiển. 
Bảng 4.6: Thông số mô phỏng mục tiêu 
Quỹ đạo 
bay 
Cự ly 
(m) 
Góc hướng 
(ly giác) 
Độ cao 
(m) 
P 
(m) 
Vận tốc 
(m/s) 
 D0 1 0t H P v 
Đường thẳng 9500 1500 350 1000 150 
Vòng tròn 9500 1500 350 3000 150 
4.5. Mô phỏng đánh giá chất lượng hệ thống trong chế độ cố định với 
luật điều khiển PID-ITAE 
Bộ điều khiển PID: 
0,0243
( ) 0,0134 0,0023CG s s
s
 (4.15) 
Bộ tiền xử lí: 
2
0,0243
( )
0,0023 0,0134 0,0243
PG s
s s
 (4.16) 
Hình 4.11: Sai lệch góc bám PV với góc nghiêng trong dải ±0,15o 
Nhận xét: Với góc nghiêng nhỏ dưới ±0,15o sai lệch góc bám khoảng 
5mrad (hình 4.11). Tuy nhiên khi góc nghiêng trong dải ±2o, sai lệch góc 
bám tăng lên 10 lần (hình 4.12). 
19 
Hình 4.12: Sai lệch góc bám PV với góc nghiêng trong dải ±2o 
Hình 4.14: Sai lệch góc bám PV với góc nghiêng trong dải ±7o 
Nhận xét: Kết quả mô phỏng trên hình 4.14 cho thấy vấn đề ổn định đường 
ngắm của ĐQS chịu ảnh hưởng rất lớn của góc nghiêng bệ. Khi góc 
nghiêng bệ ĐQS càng lớn thì sai lệch góc bám càng lớn. 
4.6. Mô phỏng đánh giá chất lượng hệ thống trong chế độ cơ động với 
luật điều khiển FTESM-VSC và kỹ thuật phân vùng trạng thái 
4.6.1. Thủ tục thực hiện quá trình mô phỏng 
4.6.2. Tham số mô phỏng, suy luận mờ và đáp ứng quá độ của hệ thống 
  5(0,005;0,005); (7 / 9;7 / 9); 5 5 ; 10TK diag diag 
  ; 
(20,20); (2,2); (5,5); (10,10);Ddiag diag K diag K diag 
a) Theo kênh phương vị b) Theo kênh tà 
Hình 4.16: Đặc tính vào ra của hàm isatF theo mô-men chuẩn hóa 
20 
Khi quá độ, ĐQS có tốc độ góc lớn nhất 120o/s; hệ xác lập trước 1s. 
Hình 4.17: Đáp ứng quá độ góc từ 0 ÷ 90o 
4.6.3. Kết quả mô phỏng sai lệch góc bám và mô-men điều khiển của 
ĐQS cơ động bám mục tiêu với luật FTESM-VSC 
* Mô phỏng trong trường hợp điều khiển bám mục tiêu bay thẳng 
Hình 4.19: Sai lệch góc bámmục tiêu bay thẳng 
Hình 4.21: Mô-men điều khiển trong thời gian 380s ÷ 420s 
Nhận xét: Sai lệch góc bám mục tiêu không vượt quá 0,5mrad (hình 4.19). 
Ở những thời điểm phương tiện chuyển hướng cần lượng mô-men điều 
khiển PV nhiều hơn. Nhìn chung, mô-men điều khiển có đặc tính tốt, không 
có chattering (hình 4.21). 
* Mô phỏng trong trường hợp điều khiển bám mục tiêu bay vòng 
Hình 4.22: Sai lệch góc bám mục tiêu bay vòng 
21 
Hình 4.24: Mô-men điều khiển trong thời gian 50s ÷ 100s 
Nhận xét: Hình 4.22 cho thấy sai lệch góc bám không vượt quá 0,5mrad. 
Quan sát mô-men điều khiển trên hình 4.24 trong thời gian 50-100s thấy 
rằng mô-men điều khiển có đặc tính mềm, lượng mô-men điều khiển hoàn 
toàn đáp ứng được với sự rung lắc và chuyển hướng của phương tiện. 
* Mô phỏng trong trường hợp tổng hợp khi có sự thay đổi của góc tà và PV 
Hình 4.25: Quỹ đạo xoắn trôn ốc của đường ngắm ĐQS 
Hình 4.26: Sai lệch bám quỹ đạo xoắn trôn ốc 
Hình 4.27: Mô-men điều khiển bám quỹ đạo xoắn trôn ốc 
Nhận xét: Trong điều kiện tổng hợp, luận án đưa lệnh đặt góc tà và góc 
phương vị dưới dạng hàm sin và cosin có biên độ thay đổi vào hệ bám góc 
22 
của ĐQS (hình 4.25). Luật điều khiển FTESM-VSC đảm bảo cho hệ bám 
góc chính xác với sai lệch góc bám dưới 0,5mrad (hình 4.26). Chuyển động 
của đường ngắm ĐQS có dạng đường xoắn trôn ốc (hình 4.25). 
* Mô phỏng kỹ thuật phân vùng trạng thái khi ĐQS bám mục tiêu bay thẳng 
- Trường hợp thay đổi độ dày biên từ φT = [5 5]→ φT = [0.5 0.5]: 
Vì S là hàm của sai lệch nên khi thu hẹp biên sẽ làm cho sai lệch giảm. 
Hình 4.28 thể hiện sai lệch khoảng 0,25mrad. Tuy nhiên mô-men điều 
khiển phải thay đổi với tần số cao, không tốt cho cơ hệ (hình 4.29). 
Hình 4.28: Sai lệch góc bám khi φT = [0.5 0.5] 
Hình 4.29: Mô-men điều khiển khi φT = [0.5 0.5] 
- Trường hợp thay đổi độ dày biên từ φT = [5 5]→ φT = [0.2 0.2]: Khi biên 
được thu hẹp đồng nghĩa với sai lệch góc bám nhỏ hơn (0,1mrad – hình 
4.30), tuy nhiên mô-men điều khiển bị chuyển đổi giá trị với tần số cao 
(hình 4.31). 
Hình 4.30: Sai lệch góc bám khi φT = [0.2 0.2] 
23 
Hình 4.31: Mô-men điều khiển khi φT = [0.2 0.2] 
Bảng 4.7: Tổng hợp kết quả mô phỏng 
STT Chỉ tiêu kỹ thuật Mô phỏng Yêu cầu 
1 Thời gian chuyển vị trí 0o → 90o (s) < 1 < 1 
2 Sai số bám tà lớn nhất (mrad) ±0,5 ±2 
3 Sai số bám PV lớn nhất (mrad) ±0,5 ±2 
4 Mô-men điều khiển Không chattering 
4.6.3. Một vài nhận xét và khuyến nghị 
- Thứ nhất, với cấu trúc ĐQS sẵn có, đặt trên phương tiện cơ động, ta có 
thể hoàn toàn có thể chuyển chế độ hoạt động từ bám cố định sang hành 
tiến mà không cần phải thay đổi cấu trúc phần cứng hệ thống. Việc sử 
dụng CCCH hiện tại hoàn toàn đủ công suất đáp ứng chỉ tiêu về thời 
gian chuyển vị trí. 
- Thứ hai, khi bệ ĐQS chịu ảnh hưởng của góc nghiêng lớn, việc giới hạn 
hành trình khối tà, hoặc do đường ngắm của ĐQS bị che chắn bởi chính 
bản thân phương tiện có thể làm cho mục tiêu vượt ra khỏi trường nhìn. 
Giải pháp toàn vẹn cho trường hợp này là bổ sung vào hệ thống một hệ 
cơ điện truyền động 2 trục trong mặt phẳng ngang (gọi là hệ ổn định 
bệ), có nhiệm vụ đảm bảo góc nghiêng của bệ ĐQS trong hệ tọa độ 
chuẩn nằm trong giới hạn cho phép, trợ giúp cho hệ bắt bám thực hiện 
tốt nhiệm vụ. Lúc này kết quả của luận án cùng với các kết quả nghiên 
cứu trong [1] và [19] trở thành lời giải tổng quát cho hệ bắt bám mục 
tiêu trên phương tiện cơ động. Nội dung của chương 4 đã được công bố 
trong các công trình khoa học số 3, 5, 6, 7, và 8. 
KẾT LUẬN 
1. Những đóng góp mới của luận án 
- Luận án đã đề xuất được thuật toán điều khiển trên cơ sở kỹ thuật điều 
khiển trượt và lô-gic mờ xử lý bên trong vùng lân cận của mặt trượt cho 
24 
trường hợp tham số động học của ĐQS không biết trước. Trên cơ sở đó 
luận án đã tổng hợp luật điều khiển cấu trúc biến đổi mờ thích nghi 
ASF-VSC, vừa đánh giá chính xác được tham số mô hình vừa tạo ra tín 
hiệu điều khiển cho hệ bám của ĐQS cơ động. 
- Luận án đã tổng hợp được bộ điều khiển trượt đầu cuối nhanh cải tiến 
cho hệ thống tự động bám sát mục tiêu trên đài quan sát cơ động, đảm 
bảo cho sai lệch bám hội tụ về 0 sớm hơn so với trượt đầu cuối nhanh. 
Trên cơ sở mặt trượt đầu cuối nhanh cải tiến và kỹ thuật phân vùng 
trạng thái, luận án đã xây dựng được thuật toán điều khiển FTESM-
VSC phản ứng nhanh, bền vững cho hệ bám mục tiêu của ĐQS cơ 
động, nhằm bù trừ ảnh hưởng do sự rung lắc của sàn xe và sự chuyển 
hướng của phương tiện, đảm bảo cho hệ thống luôn làm việc hiệu quả. 
Các kết quả của luận án được kiểm chứng thông qua mô hình hóa mô 
phỏng trên máy tính và hiện đang được áp dụng một phần vào 01 đề tài độc 
lập cấp Nhà nước “Nghiên cứu nâng cao khả năng cơ động cho đại đội 
pháo phòng không 37mm - 2N phục vụ bắn trong hành quân”. Nội dung áp 
dụng thực tế được luận án công bố trong công trình khoa học số 3 và số 5. 
Nâng cao tính cơ động là một hướng đang được tập trung nghiên cứu và 
ứng dụng cho xe chỉ huy quân sự, tăng cường khả năng tác chiến của Quân 
đội. Các thuật toán đề xuất có thể được áp dụng vào các bài toán giám sát 
và định vị mục tiêu, ổn định trực tiếp đường ngắm của ĐQS lắp trên 
phương tiện cơ giới quân sự. 
2. Hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo 
Luận án kiến nghị các hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo như sau: 
- Thứ nhất, đưa ra điều kiện ràng buộc giữa các tham số trong luật điều 
khiển ASF-VSC và luật điều khiển FTESM-VSC theo chỉ tiêu chất 
lượng mong muốn để giải bài toán tối ưu có điều kiện, nhằm đánh giá 
thích nghi tham số trong luật điều khiển, đánh giá thích nghi độ dày của 
vùng lân cận mặt trượt. 
- Thứ hai, tiến hành triển khai, cài đặt thuật toán bằng ngôn ngữ lập trình 
kỹ thuật, tiến tới mô-đun hóa chương trình điều khiển để có thể hoạt 
động trên máy tính xử lý trung tâm của ĐQS cơ động. 
- Thứ ba, tiếp tục kiểm tra, đánh giá hoạt động của hệ thống bằng cách 
lắp đặt trên nhiều loại phương tiện cơ giới quân sự di chuyển trên nhiều 
địa hình khác nhau, với tốc độ di chuyển thay đổi. 
25 
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 
[1] Vũ Quốc Huy, Trần Ngọc Bình, Nguyễn Vũ, Nguyễn Quang Hùng 
(2014), “Khảo sát hệ điều khiển bám của đài quan sát với một số thủ 
đoạn mục tiêu”,Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ quân sự, 
Đặc san TĐH, T4-2014, tr. 101-109. 
[2] Vũ Quốc Huy, Trần Ngọc Bình, Nguyễn Vũ, Nguyễn Quang Hùng 
(2014), “Một thuật toán thích nghi điều khiển ổn định đường ngắm cho 
đài quan sát quang điện tử”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công 
nghệ quân sự, Số T4-2014, tr. 119-127. 
[3] Vũ Quốc Huy, Trần Ngọc Bình, Nguyễn Vũ, Nguyễn Quang Hùng 
(2014), “Tổng hợp bộ điều khiển bền vững cho hệ bám kênh phương vị 
đài quan sát”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ quân sự, 
Đặc san TĐH T4-2014, tr. 169-176. 
[4] Nguyễn Vũ, Trần Ngọc Bình, Vũ Quốc Huy (2014), “Tổng hợp chế độ 
trượt cho hệ song tuyến một đầu vào”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và 
Công nghệ quân sự, Đặc san TĐH, T4-2014, tr. 177-183. 
[5] Vũ Quốc Huy, Trần Ngọc Bình, Đỗ Quảng Đại (2015), “Thuật toán tính 
góc trục và góc bệ thiết lập cho đài quan sát phòng không cơ động”, 
Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ quân sự, Đặc san KH-
CNQS, T10-2015, tr. 217-224. 
[6] Vũ Quốc Huy, Nguyễn Quang Hùng, Nguyễn Vũ (2015), “Tổng hợp bộ 
điều khiển trượt mờ cấu trúc biến đổi cho hệ phi tuyến bất định”, Tạp 
chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ quân sự, Đặc san KH-CNQS, 
T10-2015, tr. 225-233. 
[7] Vũ Quốc Huy, Nguyễn Quang Hùng, Nguyễn Vũ (2016), “Tổng hợp bộ 
điều khiển trượt đầu cuối tác động nhanh cho đài quan sát cơ động”, Tạp chí 
Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ quân sự, Số 43, T6-2016, tr. 54-64. 
[8] Vũ Quốc Huy, Nguyễn Quang Hùng, Nguyễn Vũ (2016), “Thuật toán 
đồng bộ và tổng hợp số liệu đầu vào hệ điều khiển bám góc mục tiêu 
của đài quan sát sử dụng thông tin từ hệ quang ảnh”, Tạp chí Khoa học 
& Kỹ thuật, Số 180, T10-2016, tr.74-81.