Khảo sát bài toán ngược xác định các tham số động lực học của khí cụ bay có kể đến ảnh hưởng do sai số của hệ thống cảm biến vi cơ điện tử

Tên lửa & Thiết bị bay<br /> <br /> KHẢO SÁT BÀI TOÁN NGƯỢC XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ<br /> ĐỘNG LỰC HỌC CỦA KHÍ CỤ BAY CÓ KỂ ĐẾN ẢNH HƯỞNG<br /> DO SAI SỐ CỦA HỆ THỐNG CẢM BIẾN VI CƠ ĐIỆN TỬ<br /> Mai Duy Phương1*, Phạm Vũ Uy2<br /> Tóm tắt: Bài toán ngược xác định các tham số động lực học (ĐLH) của khí cụ<br /> bay (KCB) từ các tham số quỹ đạo ghi lại theo thời gian thực được giải trên mô<br /> hình lý thuyết cho kết quả tương đối chính xác [1]. Tuy nhiên, trong thực tế, việc sử<br /> dụng thiết bị đo đạc luôn sinh ra những sai số. Bài báo này xem xét bản chất thuật<br /> toán tính toán góc AHRS và một số đặc tính sai số của cảm biến vi cơ điện tử lắp<br /> đặt trên KCB được sử dụng để đo các tham số quỹ đạo (TSQĐ), từ đó, xây dựng<br /> phương pháp khảo sát ảnh hưởng của những sai số này đến kết quả giải bài toán<br /> ngược. Việc xây dựng phương pháp này làm cơ sở để đánh giá mức độ tin cậy đối<br /> với kết quả đo đạc được từ thực nghiệm theo từng điều kiện chuyển động, đồng thời<br /> đưa ra những yêu cầu lựa chọn những loại cảm biến vi cơ điện tử phù hợp với<br /> những yêu cầu đo đạc các tham số quỹ đạo cho KCB.<br /> Từ khóa: Khí cụ bay, Cảm biến vi cơ điện tử, Sai số góc.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Về nguyên tắc, việc sử dụng các thiết bị đo lường để đo đạc các tham số cho đối tượng<br /> sẽ sinh ra các sai số trong kết quả phép đo. Cảm biến vi cơ điện tử là một trong những thiết<br /> bị đo lường được sử dụng để đo đạc các thành phần góc cho KCB giữa hệ tọa độ (HTĐ)<br /> liên kết và HTĐ mặt đất cục bộ. Như vậy, đối với việc đo lường các tham số quỹ đạo<br /> (TSQĐ) cho KCB thì sai số mắc phải đó là các tham số định vị vị trí gồm có 3 tham số tọa<br /> độ được xác định thông qua cảm biến khí áp cùng với bộ định vị GPS và 3 tham số góc<br /> của KCB trong không gian được xác định thông qua cảm biến vi cơ điện tử.<br /> Do phép đo đạc TSQĐ thông qua hệ thống cảm biến vi cơ điện tử tồn tại những sai số<br /> nên việc khảo sát ảnh hưởng của những sai số đó đến kết quả giải bài toán ngược trong<br /> quá trình hiệu chỉnh TSKĐ là hoàn toàn cần thiết.<br /> Xem xét hệ phương trình bài toán ngược xác định các tham số ĐLH của KCB trong<br /> không gian[1] hay còn gọi là bài toán ĐLH ngược ta thấy:<br /> - Tham số đầu vào là các TSQĐ bao gồm tọa độ của KCB trong không gian và góc<br /> giữa HTĐ liên kết của KCB so với HTĐ mặt đất cục bộ được ghi lại theo thời gian thực,<br /> nếu các tham số này không chính xác thì sẽ sinh ra sai số trong quá trình giải để xác định 6<br /> ẩn số Xa, Ya, Za, Mx, My, Mz.<br /> - Đây là một hệ phương trình đại số bậc nhất và dễ dàng đánh giá sai số của nghiệm<br /> thông qua giá trị của các tham số đầu vào. Tuy nhiên, vấn đề ở đây đó là hệ phương trình<br /> này không thể giải một cách độc lập vì còn liên quan đến hệ phương trình lượng giác siêu<br /> việt [2]. Bản thân hệ phương trình siêu việt này cũng không thể giải bằng phương pháp<br /> giải tích để tìm nghiệm tường minh mà cần phải giải bằng phương pháp số. Do vậy, nếu sử<br /> dụng phương pháp giải tích để khảo sát sai số bài toán ngược sẽ gặp nhiều khó khăn.<br /> Khảo sát và đánh giá sai số bài toán ĐLH ngược do ảnh hưởng của sai số góc cảm biến<br /> vi cơ điện tử được thực hiện theo phương pháp sau:<br /> - Xem xét một số đặc điểm của thuật toán AHRS được sử dụng để xác định các tham số<br /> góc giữa HTĐ liên kết của KCB so với HTĐ mặt đất cục bộ;<br /> - Đặc điểm của hệ thống cảm biến vi cơ điện tử dưới tác động bởi gia tốc trong một số<br /> dạng chuyển động mà chuyển động đó sẽ sinh ra sai số tính toán;<br /> <br /> <br /> 14 M. D. Phương, P. V. Uy, “Khảo sát bài toán ngược… của hệ thống cảm biến vi cơ điện tử.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> - Sử dụng phương pháp số để giải bài toán ngược có kể đến các sai số góc của KCB đối<br /> với dạng chuyển động đó theo mô hình sau:<br /> Sai số<br /> <br /> <br /> Mô hình Bài toán thuận Tham số quỹ Đặc tính<br /> KCB ĐLH CĐ KCB đạo chuyển động<br /> <br /> <br /> Đánh giá kết quả bài Tham số Các dạng quỹ đạo có<br /> toán ngược dưới tác động lực sai số và giải bài toán<br /> động của sai số góc học ngược ĐLH CĐ KCB<br /> <br /> Hình 1. Mô hình khảo sát kết quả bài toán ngược dưới tác động của sai số góc.<br /> - Trong mô hình khảo sát trên, bài toán động lực học chuyển động của KCB[2] (bài<br /> toán thuận) được giải với các số liệu của một loại mô hình KCB giả định, kết quả nhận<br /> <br /> được là các TSQĐ, đặc trưng là vector địa tốc Vk và các thành phần góc của HTĐ liên kết<br /> so với HTĐ mặt đất cục bộ, từ đó giả lập các sai số góc theo các đặc trưng đó, đồng thời<br /> giải bài toán ngược, thông qua kết quả nhận được từ bài toán ngược là các tham số động<br /> lực học. Đưa ra những nhận xét, kết luận về đặc điểm sai số kết quả giải bài toán ngược<br /> dưới tác động của các sai số đầu vào.<br /> 2. MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM CỦA CỦA THUẬT TOÁN AHRS<br /> Thuật toán AHRS là một trong những thuật toán quan trọng được xây dựng để xác định<br /> các thành phần góc giữa hệ trục tọa độ liên kết so với HTĐ mặt đất cục bộ. Thuật toán này<br /> được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các hệ thống đo đạc sử dụng cảm biến vi cơ điện tử [3].<br /> Hiện nay, trên thị trường có nhiều hệ thống cảm biến vi cơ điện tử sử dụng thuật toán<br /> AHRS như MTi, XSensor, VN100... các hệ thống sử dụng thuật toán AHRS trở thành một<br /> giải pháp hiệu quả hơn nếu so sánh với việc sử dụng các loại con quay vi cơ có độ chính<br /> xác rất cao thông qua thuật toán tích phân thông thường [8].<br /> Sai số tĩnh đối với các góc pitch và roll của những hệ thống cảm biến nói trên nhỏ hơn<br /> 0.5o RMS và khi kết hợp với những thiết bị GPS thì sai số động nhỏ hơn 1o RMS [9].<br /> Có nhiều nguyên nhân dẫn đến sai số của hệ thống đo đạc bằng cảm biến vi cơ điện tử,<br /> một số nguyên nhân khách quan như ảnh hưởng nhiệt độ, rung xóc trong môi trường làm<br /> việc, điện áp làm việc thay đổi… Thông thường, những sai số này được hiệu chỉnh bằng<br /> các hệ số đã xác định trước đó thông qua thực nghiệm, kiểm chuẩn và thực hiện trong quá<br /> trình tính toán theo phương pháp bù sai lệch giá trị.<br /> Một trong những nguyên nhân chủ quan gây ra sai số phép đo là do thuật toán xác định<br /> góc nghiêng của hệ thống máy tính trên khoang tham chiếu gia tốc trọng trường tổng hợp<br /> thông qua cảm biến gia tốc.<br /> Đối với gia tốc kế lắp cố định với thân của KCB chỉ có thể đo được gia tốc biểu<br /> kiến[7]:<br />   <br /> abk  a  g (1)<br /> Trong đó:<br /> <br /> a là vector gia tốc của KCB trong HTĐ liên kết;<br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017 15<br />  Tên lửa & Thiết bị bay<br /> <br /> g là vector gia tốc trọng trường.<br /> Quá trình chuyển động mang theo cảm biến vi cơ điện tử gắn cố định trên thân của<br /> KCB luôn xuất hiện những rung xóc, chuyển động tăng tốc, giảm tốc hoặc chuyển động<br /> lượn vòng gây ra gia tốc dọc trục hoặc gia tốc li tâm làm cho hướng vector gia tốc biểu<br />  <br /> kiến abk sai lệch so với hướng vector gia tốc trọng trường g . Thuật toán AHRS lấy<br /> <br /> vector gia tốc biểu kiến abk làm cơ sở tham chiếu vector gia tốc trọng trường và sử dụng<br /> để tính toán các thành phần góc nghiêng[3]. Như vậy, thuật toán này không  nhận biết được<br /> phương đúng của vector gia tốc trọng trường do xuất hiện vector gia tốc a . Chính vì điều<br /> đó sẽ sinh ra sai số góc nghiêng nếu sử dụng vector gia tốc biểu kiến khi tính toán. Trong<br /> thực tế, đối với chuyển động của KCB, nếu không kể đến ảnh hưởng của sự rung xóc thì<br /> xuất hiện các thành phần gia tốc sau:<br /> - Chuyển động tăng tốc, giảm tốc: chuyển động này xảy ra trong mặt phẳng xOy khi<br /> KCB thay đổi lực đẩy hoặc điều khiển góc cánh lái độ cao… Khi đó, xuất hiện thành phần<br /> gia tốc dọc trục Ox trong HTĐ liên kết làm cho góc  có sai số d .<br /> - Chuyển động cạnh: KCB thay đổi hướng chuyển động làm cho quỹ đạo tâm khối<br /> KCB có dạng cong trong mặt phẳng Ogxgzg của HTĐ mặt đất cục bộ.<br /> - Chuyển động kết hợp: là dạng chuyển động có sự kết hợp của hai dạng chuyển động<br /> nói trên, vector gia tốc xuất hiện trong cả 3 trục của HTĐ mặt đất cục bộ.<br /> Đây là những chuyển động xảy ra trong thời gian dài nên ảnh hưởng đến sai số tương<br /> đối lớn.<br /> Từ việc nghiên cứu bản chất của thuật toán tính toán góc của hệ thống cảm biến vi cơ<br /> điện tử và đặc tính chuyển đông của KCB, ta có một số nhận xét sau:<br /> - Bản chất sai số phép đo là do quá trình chuyển động xuất hiện gia tốc của KCB trong<br /> HTĐ liên kết và thuật toán xác định thành phần góc của cảm biến vi cơ điện tử trong hệ<br /> không gian. Sai số đặc trưng đó là góc giữa HTĐ liên kết và HTĐ mặt đất cục bộ.<br /> - Thành phần gia tốc của KCB trong HTĐ liên kết có trị số lớn hoặc thời gian tác động<br /> dài sẽ sinh ra sai số càng lớn.<br /> - Ảnh hưởng của gia tốc của KCB trong HTĐ liên kết sinh ra sai số góc và tác động<br /> đến cảm biến theo phương nào thì sẽ xuất hiện sai số góc trong mặt phẳng của HTĐ chứa<br /> vector gia tốc đó.<br /> Đã có một số tài liệu nghiên cứu và đánh giá sai số thuật toán AHRS [4,5] trong các<br /> điều kiện đo đạc khác nhau và đưa ra nhiều phương pháp khắc phục những sai số của thuật<br /> toán AHRS. Các nghiên cứu này đưa ra sai số thực nghiệm đối với góc nghiêng thực tế và<br /> tính toán nhỏ hơn ±5o theo từng điều kiện chuyển động, đặc trưng của các sai số thường<br /> phi tuyến và thông thường có thể mô tả dưới dạng các hàm liên tục bậc 2. Các cảm biến<br /> cao cấp như MTi, VBOX, VN100 có sai số nhỏ hơn ±1o.<br /> Bài báo này không đi sâu vào nghiên cứu định lượng các sai số của toàn bộ hệ thống<br /> cảm biến vi cơ điện tử sử dụng trên các loại KCB mà chỉ khảo sát phạm vi và đặc tính sai<br /> số của phép đo có ảnh hưởng như thế nào đến kết quả giải bài toán ngược. Như vậy, ta có<br /> thể xem các thành phần sai số góc nghiêng là một trong những sai số tổng hợp và đánh giá<br /> ảnh hưởng của những sai số đó đến kết quả giải bài toán ngược trong một số dạng chuyển<br /> động cần khảo sát. Không xét đến sai số do góc hướng của cảm biến vì bản chất của hệ<br /> thống vi cơ điện tử xác định góc hướng của KCB so với cực bắc kim nam châm bằng cảm<br /> biến từ trường và bản chất sai số của cảm biến từ trường khác hoàn toàn so với của sai số<br /> cảm biến vi cơ điện tử do gia tốc gây ra.<br /> <br /> <br /> <br /> 16 M. D. Phương, P. V. Uy, “Khảo sát bài toán ngược… của hệ thống cảm biến vi cơ điện tử.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> 3. PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG SAI SỐ CỦA CẢM BIẾN<br /> VI CƠ ĐIỆN TỬ ĐẾN SAI SỐ BÀI TOÁN ĐLH NGƯỢC<br /> Phần trên ta đã phân tích bản chất của sai số hệ thống đo đạc sử dụng cảm biến vi cơ<br /> điện tử. Có thể nói, nguyên nhân sinh ra sai số đó là sự chuyển động của KCB đặc trưng<br /> <br /> bởi vector địa tốc Vk . Kết quả là các đại lượng, tham số chịu tác động của sự chuyển động<br /> đó là các thành phần gia tốc tác động cảm biến vi cơ điện tử trong HTĐ liên kết. Như vậy<br /> <br /> để đánh giá được ảnh hưởng của vector địa tốc Vk đến sai số góc, ta cần xác lập mối quan<br /> hệ giữa nguyên nhân và kết quả đó là các quan hệ góc giữa HTĐ liên kết và HTĐ quỹ đạo<br /> <br /> chứa vector địa tốc Vk , nói cách khác là cần tìm các thành phần gia tốc của vector địa tốc<br /> <br /> Vk trong các HTĐ mặt đất cục bộ Ogxgygzg và HTĐ liên kết Oxyz. Một số chú ý:<br /> <br /> - Quan hệ góc giữa vector địa tốc Vk trong HTĐ mặt đất cố định Ogxgygzg được biểu<br /> diễn thông qua các thành phần góc θ và Ψ;<br /> - Quan hệ góc giữa HTĐ liên kết và HTĐ mặt đất cục bộ Ogxgygzg được biểu diễn<br /> thông qua các thành phần góc  , γ và ψ. Như vậy ta có thể lấy HTĐ mặt đất cục bộ làm<br /> HTĐ trung gian để tính toán và định trị các giá trị sai số trong chính HTĐ này.<br /> - Có thể áp dụng phương pháp biến đổi không gian thông qua các ma trận chuyển đổi<br /> của các tài liệu lý thuyết đồ họa, cơ học vật rắn… tuy nhiên cần lưu ý trình tự chuyển đổi<br /> và chiều dương các góc theo định nghĩa để xác định các ma trận chuyển đổi.<br /> <br /> Khi xác định vector địa tốc Vk trong HTĐ mặt đất cố định ta thực hiện xoay HTĐ quỹ<br /> đạo trùng với HTĐ mặt đất cục bộ lần lượt theo trình tự ngược lại định nghĩa các góc. Chú ý<br /> nếu xoay HTĐ ngược chiều dương theo định nghĩa góc thì dấu của góc xoay không thay đổi.<br /> Thứ tự và giá trị của các ma trận xoay lần lượt như sau:<br />  cos  sin  0<br /> T    sin  cos  0 (2)<br />  0 0 1<br /> <br /> cos  0  sin  <br /> T    0 1 0  (3)<br />  sin  0 cos  <br /> Trong đó, T  và T  là các ma trận chuyển đổi theo các trục Oz và Oy của HTĐ<br /> quỹ đạo và HTĐ mặt đất cục bộ. Khi đó:<br />  <br /> Vk  Vkg  Vk 0 0T T  (4)<br /> g<br /> Vk  Vk cos  cos  Vk sin   Vk cos  sin   (5)<br /> g g<br /> Trong đó, Vk là vector địa tốc trong HTĐ mặt đất cục bộ. Lấy đạo hàm của Vk theo<br /> thời gian ta sẽ được giá trị gia tốc theo các trục Ogxg, Ogyg, Ogzg.<br /> Đến đây, ta có thể áp dụng 2 phương pháp khảo sát ảnh hưởng sai số:<br /> Phương pháp 1: Xác định sai số bài toán ngược trong HTĐ mặt đất cục bộ<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017 17<br />  Tên lửa & Thiết bị bay<br /> <br /> Ta biết kết quả của thuật toán tính toán góc của máy tính trên khoang là góc giữa HTĐ<br /> liên kết có gắn cảm biến vi cơ điện tử và HTĐ mặt đất cục bộ. Nếu xét đến góc của cảm<br /> biến từ trường thì ta nhận được đầy đủ 3 thành phần góc đó là ψ,  và γ. Nếu xem xét kỹ<br /> hệ phương trình ĐLH ngược của KCB trong không gian thì các thành phần này đã thể hiện<br /> <br /> rõ trong các phương trình. Đồng thời, trị số của vector địa tốc Vk đã được xác định. Do đó<br /> từ công thức (5) ta có thể tính được trị số các thành phần gia tốc trên các trục của HTĐ<br /> mặt đất cục bộ:<br /> Vk<br /> a Xg  d cos cos  (6)<br /> dt<br /> Vk<br /> aYg  d sin  (7)<br /> dt<br /> Vk<br /> a Zg  d cos sin  (8)<br /> dt<br /> Trong đó: a Xg , aYg và a Zg là các thành phần tổng hợp gia tốc tác động lên KCB theo<br /> phương Ogxg, Ogyg và Ogzg trong HTĐ mặt đất cục bộ.<br /> Để số hóa giá trị sai số góc của cảm biến trong quá trình giải bài toán ngược, ta có thể<br /> mô hình hóa giá trị này là hàm phụ thuộc gia tốc của KCB trong HTĐ mặt đất cục bộ, các<br /> giá trị sai số góc d và d có thể biểu diễn như sau:<br /> <br /> k .a Xg  ky .aYg (9)<br />   <br /> max nếu   max<br /> <br /> k  .a Zg  k y .aYg (10)<br />   <br />  max nếu    max<br /> <br /> Trong đó: k , k là các hệ số ước lượng sai số góc bậc nhất theo các góc chúc ngóc và<br /> góc nghiêng của cảm biến sinh ra do gia tốc tổng hợp a Xg , aYg .<br /> <br /> ky , ky là các hệ số ước lượng sai số góc bậc nhất xét tới ảnh hưởng đến góc chúc<br /> ngóc và góc nghiêng do gia tốc thẳng đứng a Zg .<br /> <br /> max và  max là các giá trị sai số góc chúc ngóc và góc nghiêng lớn nhất của hệ<br /> thống đo đối với một hệ thống cảm biến vi cơ điện tử.<br /> Theo phương pháp này, ta có thể dễ dàng liên kết với thuật toán giải bài toán ngược để<br /> khảo sát sai số của kết quả bài toán nếu kể đến ảnh hưởng của sai số góc. Phương pháp<br /> này phù hợp với việc khảo sát, tính toán phạm vi các thành phần sai số, hỗ trợ xây dựng<br /> các bài bay thử nghiệm hoặc lựa chọn những loại cảm biến vi cơ điện tử phù hợp với yêu<br /> cầu đo đạc trong phạm vi sai số cho phép.<br /> Phương pháp 2: Xác định sai số bài toán ngược trong HTĐ liên kết<br /> <br /> Tiếp tục biến đổi Vkg về HTĐ liên kết lần lượt thông qua qua các ma trận chuyển đổi.<br /> Tuy nhiên ở đây cần chú ý thứ tự xoay HTĐ liên kết theo trình tự quanh các trục Oy, Oz,<br /> <br /> <br /> 18 M. D. Phương, P. V. Uy, “Khảo sát bài toán ngược… của hệ thống cảm biến vi cơ điện tử.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Ox. Đồng thời chiều xoay của HTĐ liên kết cùng chiều dương theo định nghĩa góc nên<br /> cần phải đổi dấu trong các phép xoay.<br /> Các ma trận chuyển đổi và được viết lại như sau:<br />  cos 0 sin <br /> T    0 1 0  (11)<br />  sin 0 cos <br /> cos  sin  0<br /> T    sin  cos 0 (12)<br />  0 0 1<br /> 1 0 0 <br /> <br /> T   0 cos   sin   (13)<br /> 0 sin  cos  <br /> <br />     <br /> Ta nhận được: Vk  Vkg T T  T (14)<br /> Đến đây, ta xác định được các thành phần vector gia tốc của cảm biến vi cơ điện tử<br /> theo các trục Ox, Oy, Oz của HTĐ liên kết. Rõ ràng, các thành phần gia tốc được chuyển<br /> đổi về các trục này giống như những đại lượng dự báo sai số cho thuật toán xác định góc<br /> cho hệ thống cảm biến vi cơ điện tử, nó có chức năng hỗ trợ, sửa sai lệch cho thuật toán<br /> mà máy tính trên khoang sử dụng, những thông tin dự báo này được lấy từ chính các tham<br /> <br /> số quỹ đạo của KCB trong không gian đặc trưng bằng thành phần vector địa tốc Vk .<br /> Trong các hệ thống đo lường quỹ đạo của KCB, ngoài các cảm biến vi cơ điện tử còn có<br /> các loại cảm biến khác như cảm biến đo cao khí áp, bộ định vị vị trí GPS, cảm biến không<br /> tốc… Những loại cảm biến này có chức năng định vị vị trí KCB trong không gian đồng thời<br /> cung cấp các thông tin trong đó có các thông tin về gia tốc chuyển động trên các trục. Đây<br /> cũng là cơ sở xây dựng thuật toán kết hợp hệ thống vi cơ điện tử với các hệ thống đo lường<br /> khác để xác định vị trí của KCB trong không gian đạt độ chính xác cao hơn.<br /> Phương pháp xác định sai số trong HTĐ liên kết phù hợp với thuật toán xác định góc<br /> của máy tính trên khoang, sử dụng để tính toán xác định góc nghiêng của KCB có sử dụng<br /> các thông tin bổ sung. Phương pháp này tương tự như cách kết hợp các giá trị đo để xác<br /> định vị trí, tư thế của KCB trong không gian như một số các thuật toán khác như EKF,<br /> UKF… tuy nhiên bằng việc phân tích bản chất của các sai số đó ta thấy việc hiểu rõ và xây<br /> dựng thuật toán không quá phức tạp và khó hiểu như phương pháp thiết lập các không gian<br /> trạng thái nhiều tham số như các thuật toán trên đã xây dựng.<br /> Đặc điểm của phương pháp này đó là bắt buộc phải xử lý theo thời gian thực, số lượng<br /> phép tính nhiều, đặc biệt là giải các hàm lượng giác, các phép nhân ma trận đòi hỏi nhiều<br /> tài nguyên của máy tính. Như vậy, cần phải có một hệ thống tính toán theo thời gian thực<br /> đủ mạnh để xử lý các bài toán phức tạp đó. Việc xác định các hệ số ước lượng khó khăn và<br /> chính các hệ số đó cũng cần được hiệu chỉnh.<br /> 4. KẾT QUẢ BÀI TOÁN ĐLH NGƯỢC CÓ KỂ ĐẾN SAI SỐ<br /> CỦA HỆ THỐNG CẢM BIẾN VI CƠ ĐIỆN TỬ<br /> Bài báo áp dụng phương pháp 1 để khảo sát ảnh hưởng của sai số phép đo góc đến kết<br /> quả giải bài toán ĐLH ngược. Thực hiện giả lập tính toán, mô phỏng trên một mô hình lý<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017 19<br />  Tên lửa & Thiết bị bay<br /> <br /> thuyết với các số liệu của máy bay không người lái IRKUT-70V. Các tham số của mô hình<br /> này tham khảo trong tài liệu [6].<br /> Để khảo sát đầy đủ tác động của sai số của hệ thống cảm biến vi cơ điện tử đến sai số<br /> của bài toán ngược ta cần thực hiện thiết lập dạng chuyển động kết hợp, tức là chuyển<br /> động tạo ra đồng thời gia tốc dọc trục và gia tốc li tâm.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a. b.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> c. d.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> e. f.<br /> Hình 2. Kết quả giải bài toán ngược xét đến ảnh hưởng của sai số góc nghiêng của<br /> cảm biến vi cơ điện tử trong phạm vi -5o đến 0o.<br /> a. Lực cản Xa; b. Lực nâng Ya; c. Lực dạt sườn Za;<br /> d. Momen Mx; e. Momen My; f. Momen Mz.<br /> Thực hiện giải bài toán ngược với số liệu trong giai đoạn từ khi máy bay rời bệ phóng,<br /> giả định sai số bài toán ngược trong HTĐ mặt đất cục bộ có phạm vi biến thiên các giới<br /> hạn sai số phép đo góc  max và max ≤ ±5o.<br /> Nhận xét về ảnh hưởng của sai số góc đến các thành phần lực và momen khí động từ<br /> kết quả khảo sát bài toán ngược trên mô hình máy bay IRKUT-70V như sau:<br /> - Sai số lực cản và lực nâng không lớn, sai số tương đối nhỏ hơn 6% và sai số tuyệt đối<br /> nhỏ hơn 22N;<br /> <br /> <br /> 20 M. D. Phương, P. V. Uy, “Khảo sát bài toán ngược… của hệ thống cảm biến vi cơ điện tử.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> - Momen chúc ngóc Mz gần như không ảnh hưởng bởi sai số góc;<br /> - Lực dạt sườn Za thay đổi đáng kể và phụ thuộc nhiều vào sai số góc;<br /> - Bài toán không có nghiệm trong phạm vi sai số góc cần khảo sát từ 0…+5o, điều này<br /> hoàn toàn phù hợp với điều kiện bay thực tế: tức là không thể thực hiện bay vòng trái đồng<br /> thời nghiêng phải được. Điều này cho phép kiểm tra sơ bộ số liệu đầu vào trong những<br /> điều kiện thực nghiệm cụ thể khi bài toán ngược không có nghiệm, đánh giá mức độ tin<br /> cậy, chính xác của số liệu đo đạc được.<br /> Từ những nhận xét này, ta có thể xây dựng những định hướng đối với phương pháp<br /> khảo sát ảnh hưởng của sai số:<br /> - Về việc xác định và xây dựng các bài bay thử nghiệm phục vụ mục đích hiệu chỉnh<br /> TSKĐ.<br /> - Khả năng mở rộng phạm vi khảo sát sai số để đánh giá mức độ tin cậy của từng tham<br /> số quỹ đạo có thể đo đạc trong thực nghiệm. Kết hợp với bài toán đánh giá sai số tham số<br /> vị trí để hoàn thiện bài toán ngược thành một bài toán tổng hợp.<br /> - Nhận biết những tham số ảnh hưởng đáng kể trong kết quả bài toán ngược dưới ảnh<br /> hưởng, tác động của sai số góc do hệ thống cảm biến vi cơ điện tử.<br /> 5. KẾT LUẬN<br /> Thông qua việc xây dựng phương pháp khảo sát bài toán ngược xác định các tham số<br /> ĐLH của KCB có kể đến ảnh hưởng do của sai số của cảm biến vi cơ điện tử ta có những<br /> kết luận sau:<br /> Việc nghiên cứu bản chất của thuật toán AHRS và đặc điểm đo đạc của hệ thống cảm<br /> biến vi cơ điện tử cho phép xây dựng đặc tính sai số của hệ thống đo lường một cách phù<br /> hợp hơn những trường hợp giả lập sai số ngẫu nhiên hoặc các hàm sai số tuyến tính.<br /> Xây dựng các đặc tính sai số của hệ thống cảm biến vi cơ điện tử, từ đó có thể khảo sát<br /> những ảnh hưởng sai số đó đến kết quả giải bài toán ngược trên mô hình lý thuyết một<br /> cách phù hợp.<br /> Các sai số của hệ thống đo được tổng hợp về một loại sai số và không nhất thiết khảo<br /> sát cụ thể tính chất từng loại sai số của hệ thống cảm biến. Điều này giúp cho người thiết<br /> kế tránh được những quá trình nghiên cứu phức tạp nếu không đi sâu vào nghiên cứu cụ<br /> thể từng loại cảm biến vi cơ hay hệ thống đo đạc các tham số quỹ đạo.<br /> Kết quả khảo sát trên mô hình lý thuyết cho thấy rõ sự phụ thuộc của sai số của kết quả<br /> tham số động lực học nhận được sau khi giải bài toán ngược vào sai số góc nghiêng của hệ<br /> thống cảm biến vi cơ điện tử. Như vậy, trong quá trình nghiên cứu thiết kế trên lý thuyết<br /> cho phép lựa chọn sơ bộ hệ thống cảm biến theo yêu cầu sai số cho phép, định lượng sơ bộ<br /> các sai số trong tính toán sẽ mắc phải trong thực nghiệm.<br /> Bài toán ngược được giải bằng số liệu lý thuyết với các sai số giả lập có khối lượng<br /> tính toán không lớn, cho phép khảo sát nhiều trường hợp chuyển động trong phòng thí<br /> nghiệm. Thực hiện giả lập tính toán, mô phỏng trên một mô hình lý thuyết. Đưa ra những<br /> nhận xét, kết luận về đặc điểm sai số kết quả giải bài toán ngược dưới tác động của các sai<br /> số đầu vào.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Mai Duy Phương, Phạm Vũ Uy, “Xây dựng bài toán ngược xác định các thành phần<br /> lực và momen khí động của khí cụ bay tự động bằng phương pháp xử lý số liệu bay<br /> thử nghiệm” Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 42, 04-2016.<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017 21<br />  Tên lửa & Thiết bị bay<br /> <br /> [2]. Nguyễn Đức Cương, "Mô hình hóa và mô phỏng chuyển động của khí cụ bay tự<br /> động", NXB Quân đội nhân dân, 2002.<br /> [3]. Sebastian O.H. Madgwick, “An efficient orientation filter for inertial and<br /> inertial/magnetic sensor arrays”<br /> [4]. Estefania Munoz Diaz and Fabian de Ponte Müller, “Evaluation of AHRS Algorithms<br /> for InertialPersonal Localization in Industrial Environments” German Aerospace<br /> Center - Institute of Communications and Navigation Oberpfaffenhofen, 82234<br /> Wessling, Germany.<br /> [5]. A. Cavallo, A. Cirillo, P. Cirillo, G. De Maria, P. Falco, C. Natale, S. Pirozzi<br /> “Experimental Comparison of Sensor Fusion Algorithms for Attitude Estimation”<br /> Università degli Studi di Napoli, Italy.<br /> [6]. Nguyễn Đức Cương, “Báo cáo kết quả hợp tác nghiên cứu thiết kế, chế tạo mẫu tổ<br /> hợp máy bay không người lái dân dụng cỡ nhỏ để giám sát từ xa phục vụ các nhu cầu<br /> kinh tế - xã hội” Hội HKVT Việt nam, 2015.<br /> [7]. PGS, TSKH Nguyễn Đức Cương, TS. Nguyễn Văn Chúc, “Mô hình hóa chuyển động<br /> của khí cụ bay tự động có ứng dụng các cảm biến quán tính vi cơ”, Trung tâm Khoa<br /> học kỹ thuật – Công nghệ quân sự.<br /> [8]. https://www.xsens.com/tags/ahrs/<br /> [9]. http://www.vectornav.com/products/vn-100/specifications<br /> ABSTRACT<br /> BUILDING AERODYNAMIC INVERSE EQUATIONS<br /> TO DETERMINE AERODYNAMIC FORCE AND MOMENTUM<br /> BY USING OF FLIGHT DATA<br /> Determination dynamic parameters for unmanned airplane via inverse equations<br /> from the trajectory parameters recorded in real time is relatively accurately.<br /> However in practice, using of measurement instrumentation always causes the<br /> errors. This paper examines the AHRS algorithm that calculates the angles and<br /> some characteristic errors of on-board microelectromechanical sensors system,<br /> thereby evaluation how those errors affect on the results of the inverse equations.<br /> The construction of this method plays a basis role for evaluation the reliability of<br /> measurement results from each experimental condition, and given a choice of what<br /> kind of requirements microelectromechanical sensor that consistent with the<br /> measurement task of trajectory parameters for unmanned airplane.<br /> Keywords: Flying vehicle, Microelectromechanical, Sensors, Angle errors.<br /> <br /> Nhận bài ngày 07 tháng 7 năm 2017<br /> Hoàn thiện ngày 31 tháng 7 năm 2017<br /> Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 12 năm 2017<br /> 1.<br /> Địa chỉ: Viện KHCN-QS;<br /> 2.<br /> Học viện KTQS.<br /> *<br /> Email: mdphuong@yahoo.com.au.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 22 M. D. Phương, P. V. Uy, “Khảo sát bài toán ngược… của hệ thống cảm biến vi cơ điện tử.”<br />