Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xác định định hướng không gian của thiết bị bay theo các phép đo từ trường trái đất

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:143

Thêm vào BST

Báo xấu

24
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài 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 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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: 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] Cy , Cy 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] k 0 , k1 hệ số truyền mạch hồi tiếp theo góc và tốc độ góc quay cánh lái V 2 q áp lực tốc độ, [N/m2; kg/m.s2] 2 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 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 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 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 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 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