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

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/s2

]

 

y

C

y

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]

0 k1 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.s2

]

SM, SCL diện tích Miden và diện tích cánh lái, [m2

]

L chiều dài của TBB, [m]

Xm, XF, XF 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]

Ax gia tốc thẳng của TBB theo trục X

Ay gia tốc thẳng của TBB theo trục Y

Az

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

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

K (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

KTBB

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

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

c1 hệ số cản khí động trong chuyển động liệng

c3 hệ số hiệu quả cánh lái Eleron

Fx giá trị hiệu chỉnh quay trong mặt phẳng X

Fz 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

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 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 lệnh điều khiển vĩ độ theo chương trình

Vprog lệnh điều khiển vận tốc theo chương trình

Hprog lệnh điều khiển độ cao theo chương trình

H vector từ trường trong hệ tọa độ trái đất

H1 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 TBB53

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