Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu xác định định hướng không gian của thiết bị bay theo các phép đo từ trường trái đất
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 [...]... phẳng Z X tọa độ của TBB trong mặt phẳng X Z tọa độ của TBB trong mặt phẳng Z Ro bán kính trái đất xi Vz vận tốc của thiết bị bay theo trục Z Vx 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 ωx tốc độ góc của thiết bị bay quanh trục X ωy tốc độ góc của thiết bị bay quanh trục Y ωz tốc độ góc của thiết bị bay quanh trục... 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... 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. .. 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... trục Z ωc tốc độ quay của trái đất trong hệ tọa độ quán tính g0 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... p) hàm truyền thiết bị bay theo góc tấn công K ( p) hàm truyền theo góc đổi hướng K ( p) hàm truyền theo góc trượt K TBB hệ số truyền của thiết bị bay TTBB hằng số thời gian thiết bị bay TBB hệ số tắt dần T'V thời gian khí động b1 hệ số cản khí động b2 hệ số ổn định tĩnh của thiết bị bay b3 hệ số hiệu quả cánh lái b4 hệ số động lực nâng do góc trượt b6 hệ số động lực nâng cánh lái hướng c1 hệ số... hướng và thuật toán ổn định, điều khiển định hướng) 15 Hệ thống tạo tín hiệu không gian (các bộ đo vector từ trường Trái đất H 1 góc tấn công , góc trượt , vận tốc V, áp lực tốc độ q, độ cao H) Hệ ĐKQĐ đo các tọa độ không gian của TBBKNL, so sánh các tọa độ tức thời này với các tọa độ chương trình bay theo thuật toán điều khiển hình thành các tham số điều khiển và sau đó là các lệnh điều khiển,... 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 [1317] Chúng cho phép tạo ra những thiết bị dẫn... tốc thẳng của TBB theo trục Y Az gia tốc thẳng của TBB theo trục Z ax sai số GTT đo được do thành phần gia tốc trọng trường gây ra a6 hệ số động lực nâng cánh lái a2 hệ số ổn định tĩnh của thiết bị bay a1 hệ số cản khí động x a3 hệ số hiệu quả cánh lái TTBB hằng số thời gian thiết bị bay TBB hệ số tắt dần TV thời gian khí động KAP hệ số truyền khối tự lái K (p) hàm truyền thiết bị bay theo góc gật... 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 . ______________________________________________________________________ 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 . ______________________________________________________________________ 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. 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