Nghiên cứu xác định định hướng không gian của thiết bị bay theo các phép đo từ trường trái đất
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.73 MB, 143 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
______________________________________________________________________
ĐỖ VĂN PHÁN
NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH
ĐỊNH HƢỚNG KHÔNG GIAN CHO THIẾT BỊ BAY
THEO CÁC PHÉP ĐO TỪ TRƢỜNG TRÁI ĐẤT
LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - 2013
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
______________________________________________________________________
ĐỖ VĂN PHÁN
NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH
ĐỊNH HƢỚNG KHÔNG GIAN CHO THIẾT BỊ BAY
THEO CÁC PHÉP ĐO TỪ TRƢỜNG TRÁI ĐẤT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 62.52.02.16
LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. GS. TSKH. Nguyễn Công Định
2. TS. Vũ Hỏa Tiễn
HÀ NỘI - 2013
i
CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Những nội
dung, số liệu và kết quả đã trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực
và chưa có tác giả nào công bố trong bất cứ một công trình nào khác.
TÁC GIẢ LUẬN ÁN
Đỗ Văn Phán
ii
LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới tập thể cán bộ hướng
dẫn khoa học:
Thiếu tướng, GS-TSKH. Nguyễn Công Định
Đại tá, TS. Vũ Hỏa Tiễn
đã tận tình chỉ đạo và giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện luận án.
Tác giả của luận án cũng xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo,
chỉ huy Khoa Kỹ thuật điều khiển, Bộ môn Tên lửa, Phòng Đào tạo
SĐH, Thủ trưởng Học viện KTQS và cá nhân các cán bộ, giáo viên Bộ
môn Tên lửa đã quan tâm, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện để tác giả hoàn
thành luận án.
Xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, các nhà khoa học, các
đồng nghiệp đã quan tâm, giúp đỡ, góp ý và cổ vũ động viên tác giả
hoàn thành công trình khoa học này.
TÁC GIẢ
Đỗ Văn Phán
iii
MỤC LỤC
CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU vii
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ xii
MỞ ĐẦU 1
Chƣơng 1. HỆ DẪN ĐƢỜNG QUÁN TÍNH KHÔNG ĐẾ VÀ BÀI TOÁN
ĐỊNH HƢỚNG THIẾT BỊ BAY TRINH SÁT KHÔNG NGƢỜI LÁI 10
1.1 Hệ thống dẫn đƣờng quán tính 10
1.2 Cấu trúc hệ dẫn đƣờng cho máy bay không ngƣời lái 12
1.2.1 Sơ đồ cấu trúc của hệ dẫn đường quán tính 12
1.2.2 Thành phần hệ thống DĐQT, bao gồm: 14
1.3 Hệ điều khiển định hƣớng thân TBBKNL 15
1.3.1 Nguyên lý làm việc và cấu trúc 15
1.3.2 Mô tả toán học quá trình xử lý thông tin ĐKĐH 19
1.4 Ý nghĩa của việc ổn định định hƣớng không gian cho TBB trinh sát 22
1.5 Đặt vấn đề cần nghiên cứu 23
Kết luận chƣơng 1 25
Chƣơng 2. THÔNG TIN TỪ TRƢỜNG TRÁI ĐẤT VÀ KHẢ NĂNG SỬ
DỤNG TRONG BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƢỚNG THIẾT BỊ
BAY KHÔNG NGƢỜI LÁI 26
2.1 Những khái niệm cơ bản về từ trƣờng Trái đất và cảm biến 28
2.1.1 Mô hình chung của từ trường Trái đất 28
2.1.2 Một số loại cảm biến từ trường công nghệ mới 31
iv
2.2 Bản chất và đặc tính của sai số khi đo từ trƣờng trên thiết bị bay 35
2.3 Những khó khăn khi sử dụng từ trƣờng Trái đất để định hƣớng TBB 36
2.3.1 Sự thay đổi của từ trường 36
2.3.2 Ảnh hưởng bởi từ trường do TBB tạo ra 37
2.3.3 Khó khăn chính của vấn đề định vị thiết bị bay theo từ trường 38
2.4 Khả năng sử dụng thông tin từ trƣờng Trái đất trong điều khiển định
hƣớng cho thiết bị bay 39
2.4.1 Tính chất đa trị của định thức Jacobi về khả năng sử dụng đơn
thuần thông tin từ trường Trái đất. 39
2.4.2 Mô hình đo VTT Trái đất kết hợp với nguồn thông tin độc lập khác
để ĐKĐH cho TBB 42
2.4.3 Phân tích sai số đo các thành phần vận tốc góc của TBB thông qua
đo từ trườngg trái đất 46
2.4.4 Mô phỏng các phép đo VTG của TBB bằng phương pháp tính
thẳng VTT có thông tin bổ sung của cảm biến độc lập 52
Kết luận chƣơng 2 54
Chƣơng 3. TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐO VẬN TỐC GÓC CỦA THIẾT BỊ
BAY DỰA TRÊN LỌC PHI TUYẾN TỐI ƢU 55
3.1 Bài toán lọc các thành phần VTG 55
3.1.1 Những mô hình toán học đã có và lựa chọn bài toán lọc cần giải . 55
3.1.2 Xây dựng bài toán lọc các thành phần VTG 56
3.2 Thuật toán lọc phi tuyến các thành phần vector VTG của TBB 58
3.2.1 Mô hình toán học. 58
3.2.2 Mô phỏng thuật toán lọc trên máy tính 61
v
3.3 Các thuật toán lọc phi tuyến khác trong tổng hợp bộ đo VTG của
TBB 67
3.4 Mô phỏng đánh giá các mô hình hệ thống xác định VTG đã xây dựng 77
Kết luận chƣơng 3 84
Chƣơng 4. THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG THỰC TẾ HÓA
HỆ ĐO – XỬ LÝ THÔNG TIN VẬN TỐC GÓC CỦA THIẾT BỊ BAY
THEO TỪ TRƢỜNG TRÁI ĐẤT 86
4.1 Mô tả thực nghiệm 87
4.2 Thiết kế và tổ chức phần cứng thực nghiệm 88
4.2.1 Lựa chọn các loại cảm biến 88
4.2.2 Thiết kế Board Sensores 90
4.2.3 Lựa chọn ADC trên cơ sở Platform ElVIS-II của NI 92
4.2.4 Mô tả về giá thử con quay ba chiều 94
4.2.5 Sơ đồ kết nối phần cứng 95
4.3 Thiết kế và xây dựng phần mềm thực nghiệm 96
4.3.1 Phần mềm thuật toán Extended Kalman Filter (EKF 97
4.3.2 Phần mềm thuật toán Unscented Kalman Filter (UKF) 99
4.3.3 Phần mềm thuật toán lọc Kalman thích nghi (MS-AUKF) 102
4.4 Đánh giá kết quả thực nghiệm 105
4.4.1 Đánh giá chất lượng xử lý thông tin của các thuật toán lọc 105
4.4.2 Đánh giá về khả năng thực tế hóa bộ đo VTG của TBB 109
4.5 Cấu trúc các kênh điều khiển định hƣớng TBB và phƣơng pháp phối
ghép với các bộ đo góc và VTG 111
4.5.1 Hàm truyền các kênh điều khiển và ổn định TBB cánh phẳng 112
4.5.2 Cấu trúc các kênh điều khiển và ổn định định hướng TBB 116
4.5.3 Phương pháp ghép bộ đo VTG với các kênh điều khiển TBB 118
vi
Kết luận chƣơng 4 118
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 120
DANH MỤC NHỮNG CÔNG TRÌNH CỦA LUẬN ÁN ĐÃ CÔNG BỐ 122
TÀI LIỆU THAM KHẢO 123
vii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
Viết tắt
ADC bộ biến đổi tương tự - số (Analog Digital Convertor)
AMR điện từ - trở (Anisotropic Magneto-Resistive)
AP hệ thống tự động lái (AutoPilot)
ASS hệ thống tự động ổn định (Automatic System Stabilization)
CBGTT cảm biến gia tốc thẳng
CBVTG cảm biến vận tốc góc
DĐQT dẫn đường quán tính
ĐHKG định hướng không gian
ĐKĐH điều khiển định hướng
ĐKQĐ điều khiển quỹ đạo
ĐKQT điều khiển quán tính
ĐKTBB điều khiển thiết bị bay
EKF bộ lọc Kalman mở rộng (Extended Kalman filter)
GPS hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System)
GTPT gia tốc pháp tuyến
GTT gia tốc thẳng
HTĐK hệ thống điều khiển
KHKT-CN khoa học kỹ thuật và Công nghệ
MEMS hệ thống vi-cơ điện tử (Micro electro mechanical systems)
MS-AUKF bộ lọc Kalman MS-AUKF (Master-Slaver Adaptive
Unscented Kalman Filte)
MTTK máy tính trên khoang
TBB thiết bị bay
TBBKNL thiết bị bay không người lái
viii
TBBP trung bình bình phương
TBBTSKNL thiết bị bay trinh sát không người lái
TBBTS thiết bị bay trinh sát
TBTS thiết bị trinh sát
TĐLK hệ tọa độ liên kết
TĐVT hệ tọa độ vận tốc
TTTĐ từ trường trái đất
UKF bộ lọc Kalman UKF (Unscented Kalman Filter)
VTG vận tốc góc
VTT vector từ trường
ЭДС suất điện động cảm ứng
Ký hiệu
góc gật
góc hướng
góc liệng
prog
góc gật theo chương trình bay
prog
góc hướng theo chương trình bay
prog
góc liệng theo chương trình bay
góc tấn công TBB trong dòng khí
góc trượt của TBB trong dòng khí
V vận tốc dòng khí tương đối so với TBB
W gia tốc pháp tuyến
r
vector bán kính trọng tâm TBB trong hệ tọa độ được chọn
r bán kính trọng tâm TBB trong hệ tọa độ địa tâm
vector vận tốc góc quay TBB như một vật thể cứng
F
vector tổng các lực tác động lên TBB
ix
M
vector tổng các mômen tác động lên TBB
u vector điều khiển
m khối lượng TBB, [kg]
,
góc nghiêng quỹ đạo [rad] và đạo hàm bậc nhất của nó [rad/s]
,,
góc gật [rad] và các đạo hàm bậc nhất [rad/s], bậc hai [rad/s
2
]
yy
C,C
đạo hàm riêng hệ số lực nâng trên cánh và cánh lái
,
góc tấn công [rad] và đạo hàm [rad/s] của nó
,
góc trượt [rad] và đạo hàm [rad/s]
y
,
z
,
E
góc quay cánh lái tương ứng gật, hướng và liệng, [rad]
10
k,k
hệ số truyền mạch hồi tiếp theo góc và tốc độ góc quay cánh lái
2
V
q
2
áp lực tốc độ, [N/m
2
; kg/m.s
2
]
S
M
, S
CL
diện tích Miden và diện tích cánh lái, [m
2
]
L
chiều dài của TBB, [m]
X
m
, X
F
, X
F
các tọa độ tương ứng với trọng tâm, tâm áp lực thân và tâm
áp lực cánh lái của TBB
G trọng lượng của thiết bị bay [N]
P lực đẩy của động cơ [N]
A
x
gia tốc thẳng của TBB theo trục X
A
y
gia tốc thẳng của TBB theo trục Y
A
z
gia tốc thẳng của TBB theo trục Z
x
a
sai số GTT đo được do thành phần gia tốc trọng trường gây ra
6
a
hệ số động lực nâng cánh lái
2
a
hệ số ổn định tĩnh của thiết bị bay
1
a
hệ số cản khí động
x
3
a
hệ số hiệu quả cánh lái
TBB
T
hằng số thời gian thiết bị bay
TBB
hệ số tắt dần
V
T
thời gian khí động
K
AP
hệ số truyền khối tự lái
)p(K
hàm truyền thiết bị bay theo góc gật
)p(K
hàm truyền thiết bị bay theo góc tấn công
)p(K
hàm truyền theo góc đổi hướng
)p(K
hàm truyền theo góc trượt
TBB
K
hệ số truyền của thiết bị bay
TBB
T
hằng số thời gian thiết bị bay
TBB
hệ số tắt dần
V
'T
thời gian khí động
1
b
hệ số cản khí động
2
b
hệ số ổn định tĩnh của thiết bị bay
3
b
hệ số hiệu quả cánh lái
4
b
hệ số động lực nâng do góc trượt
6
b
hệ số động lực nâng cánh lái hướng
c
1
hệ số cản khí động trong chuyển động liệng
c
3
hệ số hiệu quả cánh lái Eleron
F
x
giá trị hiệu chỉnh quay trong mặt phẳng X
F
z
giá trị hiệu chỉnh quay trong mặt phẳng Z
X tọa độ của TBB trong mặt phẳng X
Z tọa độ của TBB trong mặt phẳng Z
R
o
bán kính trái đất
xi
V
z
vận tốc của thiết bị bay theo trục Z
V
x
vận tốc của thiết bị bay theo trục X
R
vector bán kính của hệ tọa độ dẫn đường nằm trên thiết bị bay
tốc độ góc của thiết bị bay
ω
x
tốc độ góc của thiết bị bay quanh trục X
ω
y
tốc độ góc của thiết bị bay quanh trục Y
ω
z
tốc độ góc của thiết bị bay quanh trục Z
ω
c
tốc độ quay của trái đất trong hệ tọa độ quán tính
g
0
gia tốc trọng trường
0
kinh độ biết trước của thiết bị bay tại điểm A
0
vĩ độ biết trước của thiết bị bay tại điểm A
kinh độ của thiết bị bay tại điểm B
vĩ độ của thiết bị bay tại điểm B
v
lệnh điều khiển vận tốc bay
lệnh điều khiển độ cao
lệnh đổi hướng
lệnh cơ động liệng
prog
lệnh điều khiển kinh độ theo chương trình
prog
lệnh điều khiển vĩ độ theo chương trình
V
prog
lệnh điều khiển vận tốc theo chương trình
H
prog
lệnh điều khiển độ cao theo chương trình
H vector từ trường trong hệ tọa độ trái đất
H
1
vector đo được của từ trường trái đất H trong hệ TĐLK
A ma trận chuyển
xii
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Mở đầu
Hình 1 Thiết bị bay trinh sát không người lái của một số nước trên thế
giới. 1
Chƣơng 1
Hình 1.1 Sơ đồ máy bay và những cơ cấu điều khiển 11
Hình 1.2 Sơ đồ khối đơn giản hệ thống điều khiển quán tính MBKNL 13
Hình 1.3 Cấu trúc hệ ĐKĐH cho TBBKNL 17
Hình 1.4 Tương quan giữa 2 hệ TĐQT và TĐLK 19
Hình 1.5 Giải thích ảnh hưởng sai số góc định hướng tới vị trí ảnh 23
Chƣơng 2
Hình 2.1 Từ trường Trái đất 28
Hình 2.2 Bản đồ từ trường Trái đất 30
Hình 2.3 Thay đổi từ trường trong mặt phẳng ngang XOZ 30
Hình 2.4 Phần tử từ-trở cơ bản. 32
Hình 2.5 Quan hệ giữa giá trị điện trở so với hướng từ trường. 32
Hình 2.6 Cầu từ trở Wheatstone 33
Hình 2.7 Tính năng set/reset của Sensor 33
Hình 2.8 Hình dạng bên ngoài của HMC2003 34
Hình 2.9 Giải thích không có khả năng định vị chỉ bằng các phép đo từ
trường 41
Hình 2.10 Sự quay của VTT trong hệ TĐLK 42
Hình 2.11 Kết quả mô phỏng đo các thành phần VTT và VTG của TBB 53
Chƣơng 3
Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc thuật toán lọc phi tuyến cận tối ưu VTG của TBB
theo vector từ trường Trái đất 63
Hình 3.2 Kết quả mô phỏng mô hình lọc phi tuyến hệ số tĩnh. 64
xiii
Hình 3.3 Kết quả mô phỏng thuật toán lọc phi tuyến hệ số động 66
Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc của bộ lọc MS-AUKF 75
Hình 3.5 Kết quả khi tính trực tiếp vận tốc góc. 78
Hình 3.6 Sai số đánh giá các VTT và VTG khi sử dụng thuật toán EKF.
Mô phỏng theo phương pháp thực nghiệm Monte Carlo. 79
Hình 3.7 Sai số đánh giá các VTT và VTG khi sử dụng thuật toán EKF
khi cho nhiễu tăng. Mô phỏng theo phương pháp thực nghiệm Monte
Carlo. 80
Hình 3.8 Sai số đánh giá các VTT và VTG khi sử dụng thuật toán UKF. 81
Mô phỏng theo phương pháp thực nghiệm thống kê Monte Carlo 81
Hình 3.9 Sai số đánh giá các VTT và VTG khi sử dụng thuật toán EKF và
UKF 82
Hình 3.10 Sai số đánh giá các VTT và VTG khi sử dụng thuật toán 83
MS-AUKF. Mô phỏng theo phương pháp thực nghiệm Monte Carlo. 83
Chƣơng 4
Hình 4.1 Cảm biến LY510ALH 88
Hình 4.2 Sơ đồ chức năng LY510ALH 89
Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý LY510ALH có bộ lọc mở rộng 90
Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý Board Sensores phần thực nghiệm 91
Hình 4.6 Sơ đồ mạch in các miniboard sensores 92
Hình 4.7 Giới thiệu tính năng của Platform ELVIS-II 93
Hình 4.8 Kết nối Platform ELVIS-II với máy tính và giao diện thực
nghiệm 93
Hình 4.9 Giá quay ba trục 94
Hình 4.10 Kích thước tấm gá chuyên dụng trên giá quay 94
Hình 4.12 Lưu đồ thuật toán lọc EKF 98
Hình 4.13 Giao diện nhập tham số bộ lọc EKF 99
xiv
Hình 4.14 Lưu đồ thuật toán lọc UKF 101
Hình 4.15 Giao diện nhập tham số cho lọc UKF 102
Hình 4.16 Lưu đồ thuật toán lọc MS-AUKF 104
Hình 4.17 Giao diện khởi tạo và hiển thị tham số bộ lọc MS-AUKF 105
Hình 4.18 Kết quả đo VTT khi sử dụng bộ lọc EKF 106
Hình 4.19 Kết quả đo các thành phần VTG 106
Hình 4.20 Kết quả đo VTT khi sử dụng bộ lọc UKF (đơn vị gauss) 106
Hình 4.22 Kết quả đo các thành phần VTT 107
Hình 4.23 Kết quả lọc UKF các thành phần VTG 107
Hình 4.28 Điều khiển đổi hướng đối với TBB cánh phẳng 115
Hình 4.29 Sơ đồ cấu trúc kênh điều khiển gật 116
Hình 4.30 Sơ đồ cấu trúc kênh điều khiển hướng 117
Hình 4.31 Sơ đồ cấu trúc kênh điều khiển liệng TBB 117
Hình 4.32 Sơ đồ phối ghép hệ đo góc và VTG với các kênh điều khiển
TBBKNL 118
xv
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Chƣơng 2
Bảng 2.1 Đặc trưng kích thước, khối lượng và giá thành của con quay 27
Bảng 2.2 Các sai số và hệ số có ảnh hưởng tới kết quả đo VTG 27
Bảng 2.3 Sai số trung bình bình phương tương đối của tạp 47
Chƣơng 3
Bảng 3.1 Dạng đặc biệt của ma trận các đạo hàm vector tín hiệu theo
vector đánh giá các tham số. 58
Chƣơng 4
Bảng 4.1 Một số loại cảm biến mới 110
1
MỞ ĐẦU
I. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu.
Để nêu bật được mục đích và ý nghĩa vấn đề nghiên cứu trong luận án
(LA) định hướng tới đối tượng, ngay phần đầu tiên này tác giả xin đề cập
thẳng tới lớp đối tượng là thiết bị bay trinh sát không người lái (TBBTSKNL)
với hệ thống điều khiển trên khoang là hệ dẫn đường quán tính không đế.
Thiết bị bay trinh sát không người lái là hệ thống kỹ thuật hàng không
làm việc theo nguyên lý khí động, được điều khiển nhờ một hệ thống kết hợp
lệnh vô tuyến từ xa (đảm bảo các mục đích cất, hạ cánh) và dẫn đường quán
tính (bay theo quỹ đạo định trước bằng chương trình). Thực hiện thu thập
thông tin tình báo (chụp và truyền ảnh, nhận dạng mục tiêu mặt đất theo công
nghệ kỹ thuật số); truyền thông tin chỉ thị mục tiêu; gây nhiễu chiến tranh
điện tử; thả các thiết bị do thám mặt đất trong những trường hợp cần thiết;…
Đó cũng là lý do mà nhiều nước phát triển hệ thống trinh sát đường
không [46] sử dụng thiết bị bay không người lái (TBBKNL) để thu thập tin
tức tình báo. TBBTSKNL là mối quan tâm lớn trong chiến lược phát triển vũ
khí hàng không của nhiều quốc gia [37, 46] như Mỹ, Nga, Trung Quốc, Ấn
Độ, Israen, các nước thuộc NATO…
Dưới đây là một số mẫu TBBTSKNL tiên tiến trên thế giới.
“STIL” CH Belarus
“Hermes-450S” USA
“PChela-1” LB Nga
“Hellfire” USA
“X-43A” USA
“KillerBee” USA
Hình 1 Thiết bị bay trinh sát không người lái của một số nước trên thế giới.
2
Đặc điểm chung của các TBBTSKNL là phải mang một tải trọng có ích
(TBTS) trên khoang và sử dụng nó vào mục đích trinh sát bề mặt trên đường
bay. TBBTSKNL được định hướng tới khu vực cần trinh sát nhờ chương trình
điều khiển. Thời gian hoạt động của thiết bị bay (TBB) cần phải lớn, trong
điều kiện hạn chế về khối lượng cất cánh. Vấn đề đặt ra là cần phải tối thiểu
hóa khối lượng kết cấu và trang thiết bị trên khoang TBB, tăng thời gian bay.
Điều khiển TBB thể hiện ở hai quá trình nối tiếp [38, 40] là điều khiển
định hướng thân và điều khiển trọng tâm theo một quỹ đạo định trước cho bởi
chương trình bay. Quá trình điều khiển được hình thành dựa vào 3 yếu tố cơ
bản: phương pháp dẫn; chương trình bay (tọa độ của quỹ đạo cho trước); tọa
độ của quỹ đạo tức thời tại mọi thời điểm. Máy tính trên khoang lần lượt giải
các bài toán điều khiển sau:
- Đo - xử lý thông tin từ các loại cảm biến trên khoang;
- Tính toán, biến đổi các thông tin đo được thành các thông tin về vị trí
(tọa độ), tốc độ góc và các góc định hướng tức thời thân TBB, gọi
chung là các tọa độ pha;
- So sánh tương ứng các tọa độ pha tức thời với các tọa độ pha chương
trình để xác định sai lệch hình thành các tham số điều khiển;
- Tính toán lệnh điều khiển
i
(i = 1, n) cho n kênh điều khiển trên cơ
sở của thuật toán dẫn đường và tham số điều khiển.
Dưới tác động của lệnh điều khiển
i
, máy lái làm quay cánh lái , tạo ra
lực và mômen điều khiển xuất hiện các góc tấn công , góc trượt , góc liệng
, tạo ra gia tốc pháp tuyến W cần thiết, làm thay đổi quỹ đạo thực TBB trùng
với quỹ đạo tính toán do chương trình bay xác định và ổn định thân TBB.
Vấn đề then chốt trong quá trình điều khiển là xác định chính xác tọa độ
tức thời trọng tâm của TBB và định hướng không gian của nó trong các mặt
3
phẳng điều khiển [39]. Giải quyết vấn đề này đều do các phần tử đo – cảm
biến thuộc hệ điều khiển quán tính trên khoang đảm bảo. Việc xác định các
tọa độ tức thời vị trí trọng tâm TBB không phải là vấn đề quá phức tạp.
Truyền thống người ta sử dụng cảm biến gia tốc thẳng theo ba trục hệ tọa độ
vận tốc (TĐVT) để đo. Trong điều kiện hiện nay để khử sai số xác định vị trí
TBB, người ta sử dụng kết hợp thông tin hệ đo truyền thống với thông tin
định vị vệ tinh GPS (Global Positioning System).
Việc xác định và ổn định định hướng tức thời thân của TBB trong hệ tọa
độ liên kết (TĐLK) thông qua việc đo các góc gật, góc hướng, góc liệng cùng
các đạo hàm của chúng là vấn đề cần phải bàn tới, nhất là khi bài toán tối
thiểu hóa khối lượng kết cấu và bảo đảm độ tin cậy của thông tin điều khiển
được đặt ra.
Trong khá nhiều tài liệu liên quan đến việc xác định tọa độ các mục tiêu
mặt đất bằng các TBTS trên không, khái niệm định hướng không gian của vật
mang (TBB) là quan trọng và nhất thiết phải được đề cập [37, 39]. Định
hướng không gian của TBTS liên quan trực tiếp tới vị trí và tọa độ mục tiêu
trong thông tin trinh sát và nó hoàn toàn phụ thuộc vào sự bố trí TBTS trên
khoang và định hướng không gian của TBB.
Với hệ định vị quán tính có đế, việc đo góc định hướng TBB so với
hướng cho trước, người ta sử dụng cơ cấu đế ổn định bằng con quay ba bậc tự
do [4, 10, 37], có đặc điểm là khối lượng lớn (cỡ vài chục kg), giá thành cao,
sai số trôi “0” tích lũy theo thời gian lớn đáng kể. Để hiệu chỉnh trôi “0” của
con quay định vị, người ta sử dụng thông tin của các cảm biến vận tốc góc và
các cảm biến từ trường. Đối với hệ định vị quán tính không đế, việc đo các
góc định hướng của TBB người ta sử dụng con quay 3 bậc tự do kết hợp với
các con quay cảm biến vận tốc góc, các gia tốc kế (accelerometer) được gắn
4
trên các trục của TBB [4, 37]. Tuy nhiên chúng cũng có giá thành cao, khối
lượng lớn. Cả hai giải pháp trên đều không phù hợp với đối tượng là thiết bị
bay trinh sát không người lái cỡ nhỏ. Có một các khác để xác định tư thế của
vật bay là người ta sử dụng duy nhất một con quay thẳng đứng hoặc một con
quay nằm ngang kết hợp với các con quay cảm biến vận tốc góc. Tuy nhiên
ngay cả trong phương pháp này thì thiết bị vẫn có khối lượng lớn không phù
hợp với TBBTSKNL cỡ nhỏ.
Vấn đề mang tính thời sự, cấp bách là cần nghiên cứu khả năng tạo ra hệ
thống cảm biến - điều khiển định vị TBB có độ chính xác bảo đảm yêu cầu,
giá thành rẻ và quan trọng là khối lượng nhỏ. Với mục đích trên ta cần lưu ý
tới sự tồn tại của từ trường Trái đất, ảnh hưởng của nó tới TBB. Việc đo chính
xác hướng và độ lớn vector từ trường Trái đất bằng những cảm biến nhỏ gọn,
rẻ tiền hiện nay không còn là vấn đề khó khăn trong lựa chọn của chúng ta
[40]. Những vi cảm biến từ trường dạng MEMS (Micro Electro-Mechanical
Sensor) hiện được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực hàng không, hàng hải [13-
17]. Chúng cho phép tạo ra những thiết bị dẫn đường, định hướng và điều
khiển cực kỳ hấp dẫn về kích thước, trọng lượng và giá thành.
Từ những thông tin và phân tích ở trên, NCS lựa chọn đề tài luận án
“Nghiên cứu xác định định hướng không gian cho TBB theo các phép đo
từ trường trái đất” là vấn đề mang tính cấp thiết, vừa có ý nghĩa khoa học,
vừa có ý nghĩa thực tiễn, thiết thực.
II. Mục tiêu, nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu của luận án
Mục tiêu chính của luận án là:
- Đưa ra hướng khắc phục những khó khăn trong sử dụng thông tin từ
trường một cách tin cậy và chính xác;
- Minh chứng khả năng ứng dụng các bộ cảm biến từ trường trong hệ
5
thống điều khiển định hướng không gian cho TBB.
- Chứng minh bằng thực nghiệm khả năng sử dụng thông tin từ trường
Trái đất trong bài toán điều khiển TBBTSKNL.
Nhiệm vụ chính của luận án là:
- Xây dựng hệ thống ổn định và điều khiển định hướng không gian TBB;
- Xây dựng mô hình toán học liên hệ giữa phép đo từ trường với định
hướng của vector vận tốc góc của TBB;
- Xây dựng phương pháp tổng hợp các thuật toán xác định định hướng
và vector vận tốc góc TBB theo các dữ liệu đo từ trường Trái đất;
- Lựa chọn, tổng hợp các thuật toán lọc tối ưu vector vận tốc góc TBB
từ dữ liệu đo từ trường trái đất;
- Xây dựng mô hình khảo sát, đánh giá độ chính xác và độ tin cậy của
các thuật toán đã xây dựng.
- Kiểm chứng giá trị các thuật toán và khả năng thực tế hóa chúng bằng
phương pháp thực nghiệm.
Những giới hạn của luận án là chỉ tập trung sâu vào những vấn đề đo –
xử lý thông tin, thuật toán điều khiển và ổn định định hướng TBBKNL.
Những vấn đề liên quan tới điều khiển quỹ đạo, động lực học và khí động học
TBB được giới thiệu một cách hệ thống nhưng không đi sâu. Trong luận án sử
dụng các tham số khí quyển, điều kiện bay từ các tài liệu tham khảo [2, 12,
31, 37] để mô phỏng, khảo sát và làm thực nghiệm.
Giải quyết được những hạn chế, khó khăn về ứng dụng như đã nêu thực
sự là những nghiên cứu có tính khoa học và ý nghĩa thực tiễn, cho ta giải pháp
tối ưu trong bài toán điều khiển TBBTSKNL.
Bố cục luận án
Trên cơ sở cách đặt vấn đề nghiên cứu đã nêu, nội dung của luận án bao gồm:
6
Chƣơng 1. Giới thiệu chung về sự cần thiết phải ổn định định hướng
thân TBBTSKNL; về cơ sở toán học mô tả chuyển động của TBB theo 6 bậc
tự do trong không gian; về hệ thống dẫn đường quán tính và về cấu trúc các
kênh điều khiển và ổn định định hướng TBB.
Ở chương 1 sử dụng các tài liệu [2, 4, 12, 37]; các tài liệu [37, 39] cho
nội dung dẫn đường quán tính không đế; các tài liệu [7, 9, 10, 11] cho
nội dung tổng hợp cấu trúc các kênh điều khiển và ổn định định hướng
thiết bị bay.
Chƣơng 2. Giới thiệu về hệ thống đo – xử lý thông tin điều khiển định
hướng; về các thuật toán xác định vận tốc góc và góc định hướng trong hệ
quán tính không đế; về khả năng sử dụng thông tin đo vector từ trường Trái
đất để xác định vận tốc góc và góc định hướng TBB; về những phương pháp
xử lý tối ưu thông tin đo từ các loại cảm biến định hướng.
Các tài liệu [1, 7, 9, 39] được sử dụng cho nội dung liên quan tới hệ
thống đo – xử lý thông tin điều khiển định hướng, các thuật toán xác định vận
tốc góc và góc định hướng trong hệ quán tính không đế; các tài liệu [39-40]
cho nội dung về khả năng sử dụng thông tin đo vector từ trường Trái đất để
xác định vận tốc góc TBB; các tài liệu [1, 7, 37] cho nội dung tổng hợp những
phương pháp xử lý tối ưu thông tin đo từ các loại cảm biến định hướng
Chƣơng 3. Giới thiệu về sự lựa chọn và kết hợp các loại cảm biến công
nghệ mới cho phép tổng hợp một hệ đo – xử lý thông tin định hướng TBB; về
sự lựa chọn phương pháp xử lý tối ưu thông tin đo bằng mô phỏng trên máy
tính; về khả năng thực tế hóa hệ thống.
Chương 3 sử dụng các tài liệu [13-26] cho nội dung lựa chọn và kết hợp
các loại cảm biến công nghệ mới, Chips vi xử lý để tổng hợp một hệ đo – xử
lý thông tin định hướng TBB; các tài liệu [1, 6, 9, 7, 37, 39] cho các nội dung:
7
lựa chọn và tổng hợp các phương pháp lọc phi tuyến tối ưu thông tin đo VTG;
[3] mô phỏng trên máy tính; khả năng thực tế hóa hệ thống.
Chƣơng 4. Giới thiệu phương án thực nghiệm, chứng minh khả năng
hiện thực hóa của hệ đo –xử lý thông tin vận tóc góc của TBB theo từ trường
trái đất đã mô phỏng ở chương 2 và chương 3; đánh giá những kết quả lý
thuyết và thực nghiệm của luận án.
Chương 4 sử dụng các tài liệu [12-26] cho thực nghiệm.
Phƣơng pháp nghiên cứu
Luận án được hoàn thành dựa trên những phương pháp nghiên cứu sau:
- Phương pháp nghiên cứu và phân tích lý thuyết;
- Phương pháp toán vector, hình học giải tích;
- Phương pháp mô hình hóa toán học bằng máy tính;
- Phương pháp lọc phi tuyến và xử lý tín hiệu tối ưu, thích nghi;
- Phương pháp thực nghiệm đối chứng.
III. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn
1. Về ý nghĩa khoa học:
Luận án góp phần hoàn thiện hơn về mô hình toán học mô tả phương
pháp xác định vector từ trường Trái đất tương đối so với hệ tọa độ quán tính
của TBB dưới dạng một bài toán ngược trong lý thuyết định vị TBB
Những biện luận dựa trên cơ sở toán học và hiện tượng vật lý ở chương
2 và 3 có sự gắn kết khoa học giữa bài toán kinh điển về khả năng không thể
sử dụng nguồn thông tin từ trường Trái đất một cách độc lập làm thông tin
điều khiển TBB, với khả năng vẫn sử dụng nó cũng với mục đích đã nêu,
nhưng trên cơ sở của nguồn thông tin bổ sung và công nghệ cảm biến mới
(MEMS). Những chứng minh lý thuyết, cơ sở toán học bộ đo các thành phần
VTG bằng VTT có đủ độ tin cậy khẳng định tính quan sát được và điều khiển
8
được của mô hình đã xây dựng. Bởi vì nó đã được kiểm chứng bằng hai mức
thử nghiệm theo phương pháp mô phỏng và thí nghiệm trên thiết bị thực.
Những thuật toán lọc phi tuyến tối ưu bằng các phương pháp lọc Kalman
mở rộng, Kalman thích nghi, với hệ số tĩnh, hệ số động, lọc phi tuyến rời rạc
đã được đề xuất, triển khai nghiên cứu trong chương 3 và 4 của luận án, cho
thấy sự phong phú về số lượng các phương án, giải pháp khoa học có thể áp
dụng, mà còn cho ta sự lựa chọn tối ưu khả năng hiện thực hóa hệ thống đo –
xử lý thông tin định hướng thiết bị bay.
2. Về ý nghĩa thực tiễn:
Ý nghĩa thực tiễn của luận án đã được thể hiện rõ ngay trong phần mở
đầu và phần đầu chương I. Đó là định hướng nghiên cứu, thiết kế và hiện thực
hóa một hệ thống điều khiển định hướng không gian cho những đối tượng cụ
thể là lớp TBBTSKNL. Đối tượng nghiên cứu và đối tượng được áp dụng kết
quả nghiên cứu đều có tính cấp thiết, tính thực tế cao theo tình hình phát triển
TBBTSKNL của thế giới và phục vụ an ninh quốc phòng của nước ta.
Kết quả nghiên cứu ở chương 4 đã dẫn tới những kết luận quan trọng có
tính thực tiễn sâu sắc. Đó là khả năng kỹ thuật, khả năng công nghệ trong
nước có thể tự nghiên cứu, thiết kế chế tạo được hệ thống điều khiển định
hướng không gian cho TBB nói chung và TBBTSKNL nói riêng. Hơn nữa,
theo những tính toán trong luận án, thì những mục đích thực tế ban đầu đặt ra
như giá thành thấp, kích thước, khối lượng nhỏ, độ tin cậy của sản phẩm
cao,… hoàn toàn có thể đạt được.
Toàn bộ nội dung chương 4 còn có một ý nghĩa thực tế khác trong đào
tạo ở các Học viện, Nhà trường. Vì đó là một bài thí nghiệm hoàn chỉnh, bổ
ích và thiết thực trong vấn đề nâng cao khả năng thực hành cho người học
chuyên ngành điều khiển các TBB. Ý nghĩa thực tiễn của các nghiên cứu
