Xây dựng phương pháp tự động tính toán các tham số dẫn bay không quân trên cơ sở số hóa các biểu đồ kỹ thuật

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 135 XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP TỰ ĐỘNG TÍNH TOÁN CÁC THAM SỐ DẪN BAY KHÔNG QUÂN TRÊN CƠ SỞ SỐ HÓA CÁC BIỂU ĐỒ KỸ THUẬT Nguyễn Kiều Hưng1*, Vũ Ba Đình1 Tóm tắt: Hiện nay, trong ngành dẫn bay không quân tại Việt Nam, việc tính toán dẫn đường cho các loại máy bay được thực hiện bằng phương pháp tra cứu bằng tay các biểu đồ kỹ thuật do nhà sản xuất máy bay cung cấp, phương pháp này có hạn chế là tốc độ tính toán chậm, độ chính xác không cao. Để khắc phục nhược điểm trên, trong bài báo này tác giả xây dựng và trình bày một phương pháp tự động tra cứu, tính toán các tham số dẫn bay trên cơ sở số hóa các biểu đồ kỹ thuật, phương pháp này có tốc độ tính toán nhanh, độ chính xác cao và đang được áp dụng tính toán tại Phòng Dẫn đường, Bộ Tham mưu, Quân chủng Phòng không- Không quân. Từ khóa: Dẫn bay không quân,Số hóa biểu đồ kỹ thuật, Tự động tra cứu. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong tính toán dẫn đường bay không quân, yêu cầu quan trọng nhất là xác định được các tham số đường bay (quãng đường, thời gian, tiêu hao nhiên liệu...), để xác định các tham số này, cán bộ dẫn đường phải tra cứu nhiều biểu đồ khác nhau [1,2,3], các biểu đồ này thể hiện sự phụ thuộc các tham số động lực học của máy bay (trọng lượng, lực cản, nhiệt độ, gió...)[4,5,6]. Phương pháp tra cứu bằng tay có một số hạn chế sau: Thứ nhất, việc tính toán một bài bay phải tra hàng chục biểu đồ khác nhau dẫn đến tốc độ tính toán chậm (khoảng 6 tiếng). Thứ hai, trong quá trình bay, các tham số của máy bay thay đổi liên tục, đặc biệt là trọng lượng tổng của máy bay do nhiên liệu tiêu hao; đồng thời để đảm bảo độ chính xác và đúng với bản chất động lực học của máy bay, việc tra cứu phải thực hiện nhiều lần trên cùng một biểu đồ mỗi khi các tham số đầu vào biểu đồ thay đổi, tuy nhiên, việc tra cứu bằng tay không thể thực hiện được do khối lượng tính toán quá lớn, thay vào đó là tra cứu một lần dựa trên số liệu đầu vào trung bình dẫn đến độ chính xác không cao. Hiện nay có một số công cụ phần mềm hỗ trợ số hóa các biểu đồ[7,8], nhưng các công cụ này chỉ đáp ứng được những biểu đồ có độ nét cao, khoảng cách giữa các đường cần số hóa trong biểu đồ lớn. Ngoài ra, việc số hóa chỉ tách ra được các giá trị tương ứng tại mỗi điểm mà không có khả năng tự động tính toán. Xuất phát từ nhu cầu tính toán nhanh, chính xác mà phương pháp tra cứu bằng tay đang dùng và các công cụ hiện có không đáp ứng được, việc xây dựng một phương pháp tính toán mới có khả năng tự động tra cứu, tính toán các tham số dẫn bay là cần thiết, đáp ứng yêu cầu nhiệm vụ trong thời kỳ mới, đặc biệt là tình hình biển đông hiện nay. 2. NỘI DUNG CẦN GIẢI QUYẾT Công nghệ thông tin & Khoa học máy tính N.K. Hưng, V.B. Đình “Xây dựng phương pháp tự động các biểu đồ kỹ thuật.” 136 2.1. Số hóa biểu đồ kỹ thuật Để tự động tra cứu các tham số dẫn đường kỹ thuật yêu cầu quan trọng nhất là phải số hóa được các biểu đồ kỹ thuật một cách chính xác và lưu vào cơ sở dữ liệu, sau đó xây dựng các hàm tính toán để truy vấn dữ liệu tương ứng căn cứ vào các tham số đầu vào. Hình 1. Các bước số hóa biểu đồ kỹ thuật. 2.1.1. Scan biểu đồ Công việc tính toán các số liệu phục vụ dẫn đường bay hiện nay được thực hiện bằng cách tra cứu trên các biểu đồ giấy theo các khóa như trong hình 4, các biểu đồ này mô tả mối liên quan giữa các tham số của máy bay (khối lượng, lực cản, độ cao, tốc độ ...) trong hệ tọa độ đề các, để thực hiện việc tính toán tra cứu tự động cần phải đưa các biểu đồ này vào máy tính để phân tích, xử lý. 2.1.2. Chỉnh sửa, xử lý biểu đồ scan Các biểu đồ sau khi scan đưa vào máy tính bị mờ và nghiêng nên máy tính không có khả năng nhận dạng, do đó phải tiến hành xử lý, làm rõ và loại bỏ các thông tin thừa để máy tính có khả năng nhận dạng và số hóa. Phương pháp tách thông tin cần thiết từ các biểu đồ kỹ thuật Trong một biểu đồ kỹ thuật bao gồm nhiều họ biểu đồ khác nhau, việc số hóa được tiến hành trên từng họ biểu đồ tương ứng với từng trục tọa độ tương ứng.Trong các biểu đồ kỹ thuật ngoài các đường cần tra cứu lấy thông tin còn có nhiều đường không mang thông tin mà chỉ phục vụ mục đích biểu diễn lên việc xác định đường cần số hóa kết hợp cả 2 phương pháp: Tự động (đối với biểu đồ có các đường cần số hóa rõ, có thể nhận dạng ) và xác định bằng tay đối với biểu đồ phức tạp, có nhiều đường phụ không mang thông tin. Việc số hóa sau khi xác định được đường cần số hóa tiến hành như sau: Dùng cửa sổ trượt có kích thước thích nghi (AxB) như hình 2a, trượt từng pixel từ đầu đến cuối đường cần lấy thông tin. A,B được tính như sau: Khi α ≠0 và α ≠ ±90 * in * os A D s B D c        Khi α =0 hoặc α =±90 A=B=D (1) Trong đó: D là chiều dầy (pixel) của đường cần lấy thông tin tại điểm hiện tại Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 137 α là góc trượt so với điểm trước đó, do đặc tính của máy bay lên giá trị trên đường số hóa biến đổi theo 1 chiều (x tăng y tăng hoặc x tăng y giảm chứ không biến đổi đồng thời) hơn nữa do quá trình số hóa luôn thực hiện từ trái qua phải lên α bị giới hạn (-90≤α≤90) Thông tin của điểm được tách ra tính như sau: α≤0 * 2 * 2 A X X B Y Y       (2.a) α=90 * * 2 X X B Y Y       (2.b) α=-90 * * 2 X X B Y Y       (2.c) α>0 * 2 * 2 A X X B Y Y       (2.d) Sau khi tách ta có kết quả như hình 2b. a. Cửa số trượt. b. Kết quả tách thông tin. c. Tọa độ điểm tách thông tin. d. Thông tin tách từ biểu đồ scan. Hình 2. Tách thông tin từ biểu đồ gốc. 2.1.3. Số hóa các biểu đồ a. Chuyển đổi trục tọa độ. b. Kết quả số hóa. Hình 3. Số hóa biểu đồ. Công nghệ thông tin & Khoa học máy tính N.K. Hưng, V.B. Đình “Xây dựng phương pháp tự động các biểu đồ kỹ thuật.” 138 Các biểu đồ sau khi chỉnh sửa và tách ra các thông tin cần thiết được số hóa để lưu lại giá trị tương ứng với các điểm trên biểu đồ (quá trình số hóa được thực hiện trên từng pixel để đảm bảo độ chính xác), đây là quá trình chuyển từ hệ tọa độ pixel sang hệ tọa độ giá trị thực của các điểm. Giá trị tại một điểm bất kỳ P được tính như sau: XV XVmin x * min * L x YV YV Ly y         (3) Trong đó: Lx là khoảng cách (pixel) theo trục x từ XPmin đến XP; Ly là khoảng cách (pixel) theo trục y từ YPmin đến YP; λx là độ lệch giá trị tương ứng với 1 pixel theo trục X; λy là độ lệch giá trị tương ứng với 1 pixel theo trục Y;         max min max min max min max min x XV XV XP XP y YV YV YP YP            (4) Các giá trị XV và YV phải các định bằng tay 2.1.4. Xử lý và lưu thông tin vào cơ sở dữ liệu Để tính toán dựa trên biểu đồ, các thông tin (tọa độ X,Y và tên đường) được xử lý và lưu vào cơ sở dữ liệu như hình 3.b. Trong đó X,Y là tọa độ điểm tương ứng, Ten là tên đường tương ứng với giá trị trong biểu đồ. Độ chính xác của phương pháp phụ thuộc vào biểu đồ gốc (độ nét và độ nghiêng), để tăng độ chính xác cần chỉnh sửa biểu đồ trước khi số hóa, tăng độ phân giải khi trượt lấy thông tin và thực hiện nội suy đa thức để lấy giá trị trung gian. Tuy nhiên do biểu đồ gốc đã có sai số cố hữu lên các sai số so với thực tế bay là không thể tránh khỏi. 2.2. Xây dựng thư viện xử lý dữ liệu Để xử lý dữ liệu đã được số hóa và thuận lợi trong quá trình giao tiếp với phần mềm tính toán, các hàm, các thuật toán được xây dựng dưới dạng thư viện. Thư viện được xây dựng dưới dạng thư viện động có khả năng truy cập chéo giữa các ứng dụng. Các bước xây dựng thuật toán  Chia bài toán dẫn đường bay thành các đoạn bay cụ thể ( lăn bánh, cất cánh, lấy độ cao, bay bằng..) và xác định đầu vào, đầu ra tương ứng  Xác định các hình vẽ (biểu đồ) cần thiết cho quá trình tính toán.  Phân tích các biểu đồ để xác định đầu vào, đầu ra phù hợp.  Xây dựng thuật toán tra cứu trên từng biểu đồ theo các đầu vào tương ứng.  Tính toán các tham số dẫn đường theo kết quả tra cứu các biểu đồ.  Xây dựng hàm tương ứng với mỗi đoạn bay cụ thể. 2.3. Xây dựng thuật toán tra cứu dữ liệu trong biểu đồ 2.3.1. Xây dựng phương pháp Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 139 Hình 4.Các bước thực hiện tra cứu dữ liệu. - Tách biểu đồ thành các họ biểu đồ con - Xác định họ biểu đồ cần tra cứu - Xác định đường cần tra cứu trong họ biểu đồ con 2.3.2. Thuật toán tra cưu đối với đường cụ thể (nội suy 1) a. Quan hệ đầu vào đầu ra trong đường tra cứu. b. Nội suy thông tin từ 2 đường tra cứu. c. Lưu đồ thuật toán tra cứu trong đường cụ thể. Hình 5. Mô tả thuật toán tra cứu dữ liệu. Đường cần tra cứu được lưu M điểm (x,y) trong cơ sở dữ liệu theo chiều tăng dần của trục (x hoặc y) tương ứng với đầu vào. Thuật toán tra cứu bắt đầu so sánh đầu vào (x_v) với từng điểm  Nếu điểm đang so sánh nằm trong khoảng (0, M) xét 2 trường hợp: - Nếu giá trị đầu vào trùng với điểm so sánh thì đầu ra là tọa độ trục đầu ra tương ứng Công nghệ thông tin & Khoa học máy tính N.K. Hưng, V.B. Đình “Xây dựng phương pháp tự động các biểu đồ kỹ thuật.” 140 - Nếu giá trị đầu vào không trùng với điểm so sánh thì thực hiện nội suy tuyến tính để tìm đầu ra.  Nếu điểm so sánh nằm ngoài đường tra cứu thì thực hiện nội suy đa thức để tìm đầu ra Sau khi tìm được đầu ra phù hợp thì kết thúc vòng lặp và bỏ qua các điểm tiếp theo. 2.3.3. Nội suy tuyến tính tham số từ 2 giá trị đã tính toán theo thuật toán nội suy 1 ở bước c (nội suy 2) - Các giá trị đã biết Y,TS1,TS2,TS3 - Từ đầu vào Y và đường cần tra cứu L1 theo theo thuật toán nội suy 1 tra được đầu ra X1 - Từ đầu vào Y và đường cần tra cứu L2 theo theo thuật toán nội suy 1 tra được đầu ra X2 - Từ X1 và X2 tra cứu được X theo phương pháp nội suy tuyến tính: 3 1 1 ( 2 1) 2 1 TS TS X X X X TS TS      (5) 2.3.4. Xây dựng thư viện tính toán và xử lý dữ liệu Sau khi xây dựng thuật toán, xác định đầu vào đầu ra và các biểu đồ liên quan, ta xây dựng thư viện tính toán dưới dạng hàm số để truy vấn dữ liệu từ cơ sở dữ liệu đã số hóa. 3. MÔ PHỎNG, TÍNH TOÁN, THẢO LUẬN 3.1. Số liệu đầu vào Bài toán dẫn bay không quân sử dụng khoảng 800 biểu đồ khác nhau cho các bài toán cụ thể, trong bài báo này tác giả mô phỏng tự động tra cứu trên biểu đồ hay đươc sử dụng nhất (biểu đồ tính tiêu hao nhiên liệu tương đối OKPT của máy bay SU30). 3.2. Phương pháp, công cụ mô phỏng Dữ liệu số hóa được lưu trong cơ sở dữ liệu SQL2008R2, xây dựng thư viện tính toán và giao diện bằng ngôn ngữ C# Visual Studio 2010. Tra cứu 4 lần tương ứng với 4 đầu vào của biểu đồ thay đổi và so sánh với kết quả tra cứu bằng tay. 3.3. Kết quả mô phỏng và bình luận Bảng 1. Kết quả tra cứu bằng máy và bằng tay. m(kg) H(m) CSLC M OKPT(Máy) OKPT(Tay) TH1 20000 10000 130 0.9 36,451 36 TH2 24000 6000 130 0.9 33,793 34 TH3 24000 10000 150 0.9 44,758 45 TH4 24000 10000 130 0.8 37,524 38 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 141 a. TH1. b. TH2. c. TH3. d. TH4. Hình 6. Kết quả tra cứu. Qua việc mô phỏng ta thấy: - Việc tra cứu bằng máy được thực hiện trên từng pixel có nội suy nên cho kết quả nhanh chóng và độ chính xác cao so với tra cứu bằng tay, việc tra cứu bằng tay không thực hiện được điều này và chỉ tra được giá trị xấp xỉ. - Kết quả tính toán, tra cứu phù hợp với lý thuyết , việc nội suy đem lại độ chính xác cao hơn và chấp nhận được ở cự ly nhỏ. - Phương pháp tra cứu này có thể tra cứu trên biểu đồ bất kỳ, nhiều nhiễu và thông tin thừa, có thể liên kết nhiều kết quả tra cứu cho bài toán cụ thể. - Phương pháp tra cứu này mang lại nhiều lợi ích thực tiễn trong việc tra cứu đồ thị khi không có công thức mô tả, hiện tại phương pháp này đang được áp dụng trong việc tự động tra cứu tính toán trong ngành dẫn bay không quân. - Ngoài ra, do có tính trực quan cao nên phương pháp tra cứu kết hợp với hiển thị trực tiếp trên biểu đồ có thể áp dụng cho việc đào tạo huấn luyện, và kết quả nghiên cứu có thể áp dụng trong việc khôi phục, vẽ lại các biểu đồ gốc cho các mục đích khác nhau. 4. KẾT LUẬN Từ phương pháp tính toán dẫn đường bay sử dụng cách tra cứu biểu đồ thủ công kết hợp với công nghệ thông tin, nhóm tác giả đã xây dựng thành công phương pháp tự động tra cứu các biểu đồ kỹ thuật, phương pháp làm tăng độ chính xác, giảm thời gian tra cứu và có khả năng tự động hóa quá trình tính toán. Công nghệ thông tin & Khoa học máy tính N.K. Hưng, V.B. Đình “Xây dựng phương pháp tự động các biểu đồ kỹ thuật.” 142 Ngoài việc áp dụng trong lĩnh lực dẫn bay, phương pháp này có thể áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác do có khả năng tách thông tin cần thiết từ các biểu đồ một cách chính xác từ đó có thể áp dụng trong việc khôi phục lại các biểu đồ gốc. Phương pháp tra cứu bài báo đề cập ở trên nhằm giảm thời gian tra cứu và tăng độ chính xác của phương pháp tra cứu bằng tay, trong bay thực tế để bù lại các sai số tính toán cần phải tính đến các lượng nhiên liệu dự phòng. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Trần Văn Thi, "Tính toán thời gian, cự ly bay của máy bay SU-22M4", Nhà xuất bản Quân đội nhân dân (2008). [2]. Trần Văn Thi, "Hướng dẫn tính toán quãng đường, thời gian bay của máy bay SU-27SK," Nhà xuất bản Quân đội nhân dân (2012). [3]. Trần Văn Thi, "Hướng dẫn tính toán quãng đường, thời gian bay của máy bay SU-30MK2," Nhà xuất bản Quân đội nhân dân (2012). [4]. Trần Văn Thi, "Các biểu đồ kỹ thuật của máy bay SU-22M4," Nhà xuất bản Quân đội nhân dân (2008). [5]. Trần Văn Thi, "Các biểu đồ kỹ thuật của máy bay SU-27SK," Nhà xuất bản Quân đội nhân dân (2012). [6]. Trần Văn Thi, "Các biểu đồ kỹ thuật của bay của máy bay SU-30MK2," Nhà xuất bản Quân đội nhân dân (2012). [7]. [8]. ABSTRACT A METHOD FOR CALCULATING THE PARAMETERS OF FLIGHT NAVIGATION BASED ON DIGITALIZED TECHNICAL CHARTS To date, the calculation for aircraft navigation in Vietnam Air Force is mainly performed manually on technical charts provied by aircraft manufaturers. this type of calculation is slow and inaccurate. in order to improve the accuracy, this paper proposes a method for automatically calculating and searching the parameters of flight navigation based on digitalized technical charts. The method allows faster calculation with highter accuracy and is deploying in Navigation Department. Keywords: Flight Navigation, Digitazation of technical charts, Searching automatically. Nhận bài ngày 21 tháng 07 năm 2015 Hoàn thiện ngày 10 tháng 08 năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 07 tháng 09 năm 2015 Địa chỉ: 1Viện Điện tử - Viện KH-CNQS * Email: nguyenkieuhung79@gmail.com