Mô hình động học chuyển động của phương tiện ngầm

Nghiên cứu xây dựng các phương trình mô tả động học theo từng chủng loại của phương tiện ngầm một cách chính xác là cơ sở để xây dựng các thuật toán điều khiển đạt hiệu quả cao.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Mô hình động học chuyển động của phương tiện ngầmTên lửa & Thiết bị bay MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CHUYỂN ĐỘNG CỦA PHƯƠNG TIỆN NGẦM Phạm Văn Phúc1*, Trần Đức Thuận2, Nguyễn Quang Vịnh2 Tóm tắt: Nghiên cứu xây dựng các phương trình mô tả động học theo từng chủng loại của phương tiện ngầm một cách chính xác là cơ sở để xây dựng các thuật toán điều khiển đạt hiệu quả cao. Trên cơ sở nghiên cứu các đặc tính thủy động học chung cho một lớp các đối tượng hoạt động dưới nước, các tác giả đã phát triển và xây dựng phương trình chuyển động trong mặt phẳng đứng và mặt phẳng ngang của phương tiện ngầm tự hành trong hệ tọa độ 6 bậc tự do.Từ khóa: Phương tiện ngầm; Mô hình động học; Thủy động học. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Phương tiện ngầm (UV) hoạt động dưới nước cần phải đáp ứng đầy đủ các chỉ tiêu chấtlượng về động lực học, đó là tính điều khiển được theo độ sâu và theo hướng, là tính ổnđịnh chuyển động khi chịu tác động từ bên ngoài, là khả năng lưu giữ các tham số quỹ đạocho trước. Đặc tính động học chung cho các loại phương tiện hoạt động dưới nước đãđược nhiều tác giả trên thế giới trình bày khái quát và có xét đến sự tác động của các loạinhiễu loạn bên ngoài [2],[3]. Tuy nhiên mô hình đối tượng trong các công trình này là môhình tổng quan, chưa sát với các đặc tính động học của các loại phương tiện ngầm hiện cótrong biên chế của Hải Quân Việt Nam. Trong [1], từ mô hình động học chung của UV, các tác giả đã phát triển cho mô hìnhđộng học của một dạng ngư lôi thiết kế của Nga có hai chân vịt đồng trục quay ngượcchiều. Trên cơ sở tài liệu [1,2,3,4], chúng tôi đã phát triển mô hình động học chuyển độngtrong các mặt phẳng cho một dạng phương tiện ngầm tự hành điều khiển bằng bánh lái, tốcđộ nhỏ, hoạt động trong một giới hạn nhất định có xét đến sự ảnh hưởng của dòng chảyđại dương trong hệ tọa độ 6 bậc tự do. 2. NỘI DUNG2.1. Phương trình chuyển động tổng quát của phương tiện ngầm Chuyển động của UV được miêu tả trong 2 hệ tọa độ, đó là hệ tọa độ gắn liền trái đất0xyz , hệ tọa độ gắn liền UV AXYZ . Theo đó vị trí của UV được xác định bởi điểm quychiếu A và hướng quay của UV được xác định bởi 3 góc Roll – Pitch – Yaw. Hình 1. Các hệ tọa độ xác định vị trí của phương tiện ngầm. Vị trí của UV được xác định bởi véc tơ định vị: T   1T 2T  (1)14 P. V. Phúc, T. Đ. Thuận, N. Q. Vịnh, “Mô hình động học … của phương tiện ngầm.”Nghiên cứu khoa học công nghệtrong đó, 1 là véc tơ xác định vị trí điểm quy chiếu của hệ động trong hệ quy chiếu gắn Tliền trái đất, 1   x y z   R 3 ;  2 là véc tơ xác định hướng của UV, T 2       R 3 . Gọi   v1T v2T  là véc tơ vận tốc suy rộng của UV trong hệ tọa Tđộ gắn liền với UV, trong đó: v1  u v w là véc tơ vận tốc chuyển động của tâm Tkhối, véc tơ vận tốc góc của UV là v2   p q r . Đạo hàm theo thời gian véc tơ định vị trong hệ tọa độ gắn liền trái đất ta có mối quanhệ giữa  và véc tơ vận tốc  như sau[2]:   J ( ) ; J ( )  diag  J 1 ( ) J 2 ( ) (2)trong đó: c c  s c  c s s s s  c c s  J 1 (2 )   s c c c  s s s c s  s s c    s c s c c  1  s t c t  J 2 (2 )  0 c  s  0 s / c c / c  Áp dụng phương trình Newton – Euler ta nhận được phương trình chuyển động của UVdưới nước có dạng như sau: M UV  CUV ( )    (3)trong đó, M UV là ma trận quán tính của UV, và được xác định như sau:  m 0 0 0 mzG  myG   0 m 0  mzG 0 mxG    M 11 M 12   0 0 m myG  mxG 0 M UV     (4)  M 21 M 22   0 mzG mxG I xx  I xy  I xz   mzG 0  myG  I yx I yy  I yz  ...