Xây dựng thuật toán xác định vị trí và tư thế cho phương tiện ngầm

Bài viết đưa ra một cách tiếp cận mới trong việc xác định vị trí và tư thế của phương tiện ngầm thông qua việc đo đạc một số tham số giữa phương tiện ngầm và các phao thu phát tín hiệu, trên cơ sở ứng dụng thuật toán truy hồi Newton-Raphson. Kết quả mô phỏng đã khẳng định được tính đúng đắn của thuật toán đề xuất
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Xây dựng thuật toán xác định vị trí và tư thế cho phương tiện ngầm Nghiên cứu khoa học công nghệ XÂY DỰNG THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ VÀ TƯ THẾ CHO PHƯƠNG TIỆN NGẦM Phạm Văn Phúc1*, Trần Đức Thuận2, Nguyễn Việt Anh3, Nguyễn Quang Vịnh2 Tóm tắt: Bài báo đưa ra một cách tiếp cận mới trong việc xác định vị trí và tư thế của phương tiện ngầm thông qua việc đo đạc một số tham số giữa phương tiện ngầm và các phao thu phát tín hiệu, trên cơ sở ứng dụng thuật toán truy hồi Newton-Raphson. Kết quả mô phỏng đã khẳng định được tính đúng đắn của thuật toán đề xuất. Từ khóa: Thuật toán truy hồi; Phao thu phát tín hiệu; Phương tiện ngầm. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Để điều khiển chuyển động của bất cứ phương tiện nào đều phải xác định được vị trí của tâm khối và tư thế của nó so với hệ tọa độ nào đó được chọn làm hệ quy chiếu dẫn đường. Đối với phương tiện trên không, trên mặt đất hoặc mặt biển có thể dùng các con quay cơ hoặc con quay vi cơ, con quay lazer kết hợp với các thông tin hỗ trợ từ các trạm dẫn đường hoặc thông tin định vị vệ tinh để xác định vị trí và tư thế cho phương tiện. Vấn đề nay đã được đề cập tương đối đầy đủ trong các nghiên cứu trước đây [3], [4], [5]. Tuy nhiên đối với PTN vấn đề xác định vị trí và tư thế sẽ khác, vì môi trường nước các tin hiệu vô tuyến bị hấp thụ. Hiện nay các phương tiện ngầm trong quân đội ta thường là được nhập ngoại. Các hãng nước ngoài thường bán phương tiện đồng bộ với các thiết bị phục vụ dẫn đường kèm theo. Các thiết bị dẫn đường này sẽ làm nhiệm vụ xác định vị trí và tư thế của phương tiện ngầm. Để làm chủ trong khai thác vận hành PTN đã nhập và tiến tới tự thiết kế chế tạo các chủng loại PTN cần phải nghiên cứu vấn đề dẫn đường nêu trên. Trong bài báo này, nhóm tác giả sẽ nghiên cứu vấn đề dẫn đường cho PTN làm nhiệm vụ tìm kiếm hoặc cảnh giới trong không gian ngầm trong vùng được phân công với một cự ly vừa phải. Vấn đề này có đặc điểm riêng, khác với vấn đề dẫn đường cho tầu ngầm hoặc ngư lôi. 2. NỘI DUNG 2.1. Phương pháp dẫn đường cho phương tiện ngầm Giả sử phương tiện ngầm làm nhiệm vụ giám sát quá trình xây dựng công trình có phần dưới ngầm, khảo sát và thăm dò đáy đại dương, hoặc cảnh giới phần ngầm của vùng biển được định vị bằng các phao thủy âm. Trên hình 1 mô tả một vùng biển có 3 phao thủy âm. Hệ tọa độ Oxyz với gốc tọa độ tại phao số 1, trục Ox là đường thẳng nối phao số 1 với phao số 2, trục Oy vuông góc với mặt nước biển (phương thẳng đứng), trục Oz vuông góc với mặt phẳng Oxy và tạo với Ox và Oy một tam diện thuận. Trên PTN có các thiết bị xác định cự ly Di từ PTN đến các phao tương ứng và các thiết bị đo góc hợp bởi đường nối tâm khối PTN và phao so với hệ tọa độ liên kết của PTN O ' x ' y ' z ' , đó là các góc tà (góc  i -góc hợp gữa đường OO ' với mặt phẳng O ' x ' y ' ) và góc phương vị (góc i -góc hợp giữa hình chiếu của đường OO ' xuống mặt phẳng O ' x ' y ' với trục O ' x ' ), ở đây i là chỉ số thứ tự các phao ( i  1, 2,3 ). Nhiệm vụ của máy tính trên PTN là từ các thông tin Di ,  i , i cần xác định vị trí và tư thế của bản thân nó Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 56, 08 - 2018 3  Tên lửa & Thiết bị bay so với hệ tọa độ dẫn đường Oxyz , tức là xác định vị trí của gốc hệ tọa độ O ' x ' y ' z ' so với hệ tọa độ Oxyz và xác định ma trận cosin mô tả quan hệ giữa hai hệ tọa độ Oxyz và O ' x ' y ' z ' . Các thông tin này là cơ sở để giải quyết các vấn đề khác (vấn đề điều khiển hoạt động cho bản thân PTN, vấn đề cảnh giới v.v.). y P3 P1 P2 0 x D3 D1 y ,, z D2 , 1 y , x 1 x ,, 0, z ,, z, Hình 1. Mô tả phương pháp dẫn đường cho phương tiện ngầm. 2.2. Xây dựng thuật toán xác định vị trí và tư thế cho phương tiện ngầm Giả thiết rằng 3 phao thủy âm được cố định tại mỗi vị trí bằng các thiết bị chuyên dùng. Sự ảnh hưởng của dòng chãy đại dương, sóng, gió lên các phao là không đáng kể, vì vậy, có thể xem các phao đứng yên tại một điểm trong suốt quá trình khảo sát thuật toán. Trước khi PTN hoạt động trong môi trường nước cần nạp vào máy tính (hoặc vi xử lý) của thiết bị điều khiển thông tin về tọa độ vị trí của 3 phao thu phát sóng siêu âm P1 (0, 0, 0) ; P2 ( x2 , 0, z2 ) ; P3 ( x3 , 0, z3 ) (vì cả ba phao đều nằm trên mặt biển- mặt phẳng 0xz , nên tọa độ y của chúng đều bằng 0). Gọi tọa độ tâm khối thiết bị ngầm (tọa độ điểm O ' - Gốc hệ tọa độ O ' x ' y ' z ' ) là ( x, y, z ) , gọi D1 là cự ly đo được giữa phương tiện ngầm và phao số 1 (gốc hệ tọa độ Oxyz ), D2 , D3 là cự ly đo được giữa tâm khối phương tiện và phao số 2, số 3 tương ứng. Từ kiến thức toán có các phương trình sau: x 2  y 2  z 2  D12 (1) ...