Xây dựng mạng cảm biến không dây đo lực căng dây trục vũ khí phá vật cản mở cửa FMV-B

Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> <br /> x©y dùng m¹ng c¶m biÕn kh«ng d©y ®o lùc<br /> c¨ng d©y trôc vò khÝ ph¸ vËt c¶n më cöa fmv-b<br /> TrÞnh hång anh, ph¹m quang minh<br /> <br /> Tãm t¾t: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu xây dựng mạng cảm biến không dây đo lực<br /> căng dây trục vũ khí phá vật cản mở cửa (FMV-B). Kết quả nghiên cứu được kiểm chứng bằng<br /> thực nghiệm, làm cơ sở để đánh giá độ bền kết cấu và kiểm chứng bài toán động lực học trong<br /> thiết kế phối bộ vũ khí FMV-B.<br /> Từ khóa: Mạng cảm biến không dây, Vũ khí phá vật cản mở cửa FMV-B.<br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Vũ khí phá vật cản mở cửa có trong trang bị của quân đội nhiều nước trên thế giới<br /> với kết cấu dạng tên lửa kéo chuỗi nổ. Ở nước ta vũ khí phá vật cản mở cửa đã được<br /> nghiên cứu phát triển từ thập kỷ 70 của thế kỷ trước, trải qua nhiều giai đoạn và đã được<br /> ứng dụng trên chiến trường trong kháng chiến chống Mỹ cứu nước. Song do hạn chế về<br /> mặt công nghệ quá trình nghiên cứu chưa được tiến hành một cách hệ thống [1] .<br /> Giai đoạn tên lửa kéo chuỗi nổ là giai đoạn cơ bản nhất phản ánh đặc tính động học<br /> và động lực học của cơ hệ. Theo [1] để giải bài toán động lực học cần chuyển hệ thống<br /> tên lửa kéo chuỗi lượng nổ từ mô hình liên tục sang mô hình rời rạc, khi đó các lực tác<br /> dụng lên tên lửa kéo và các phần tử dây mềm được mô tả như hình 1.<br /> Trong đó:<br /> P- lực đẩy động cơ;<br /> R- lực khí động;<br /> TM- lực căng cáp thép;<br /> Fi- tổng hợp các lực đàn<br /> hồi, cản nhớt, khí động và<br /> trọng lực tác động lên<br /> phần tử thứ i.<br /> <br /> Hình 1. Các lực tác dụng lên cơ hệ trong giai đoạn tên lửa kéo chuỗi nổ.<br /> Như vậy, hệ phương trình chuyển động của cơ hệ như sau [1].<br /> Trong đó:<br />  X  VX<br />   mtl - khối lượng của tên lửa;<br /> mVX  FX XTK, YTK - tọa độ tâm khối của tên lửa;<br /> Y =V Vx, Vy - c¸c thµnh phÇn vËn tèc theo<br />  Y ph­¬ng X vµ ph­¬ng Y cña phÇn tö.<br /> mVY  FY M - góc hợp bởi phương của lực căng TM<br />  với phương ngang;<br /> dXTK / dt  Vtl cos<br />  (1)  - gãc tÊn<br /> dYTK / dt  Vtl sin  - góc quay của tên lửa;<br /> m  dV / dt  P cos  R  m g sin  T cos    JZ - mô men quán tính của tên lửa so với<br />  tl tl X tl M M<br /> <br /> mtl Vtl d / dt  P sin   RY  mtl g cos  TM sin M   tâm khối;<br />   - góc hợp bởi phương của vận tốc tâm<br /> J z  dz / dt  M z khối với phương nằm ngang;<br /> d / dt   LTK, LTA - lần lượt là khoảng cách từ đuôi<br />  z<br /> tên lửa đến tâm khối và tâm áp.<br /> mi – khối lượng phần tử thứ i.<br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số 29, 02 - 2014 3<br />  Tên lửa<br /> <br /> <br /> Với:<br />  X 1  Y1  VX 1  VY 1  VX 1  VY 1   m1 0 0 0 <br />     V  V      0<br /> X ; Y ; X2 ; ; V ; V m2 0  0 <br /> X   2  Y   2  V X   VY   Y 2  VX   X 2  VY   Y 2  m  <br /> ...  ... <br /> ... ... ...  ...      <br />              <br /> <br />  X k  <br /> Yk  V<br />  Xk  V<br />  Yk  <br /> VXk  <br /> VYk  0 0 0  mk <br /> trong đó i – chỉ số phần tử; k – số lượng phần tử đang tham gia vào chuyển<br /> động; n – tổng số phần tử.<br /> Qua biểu thức (1) cho thấy ngoài các tham số kết cấu và lực đẩy động cơ hệ<br /> phương trình động học của cơ hệ có chứa các thành phần lực căng tại các điểm trên phối<br /> bộ. Vì vậy, cần thiết phải xác định được giá trị lực căng tại các điểm trên cơ hệ (lực<br /> căng cáp thép TM và lực tác Động cơ kéo<br /> động lên phần tử thứ i Fi) để<br /> đánh giá mô hình bài toán động 3<br /> TM<br /> lực học của cơ hệ. Theo [1] lực<br /> Chuỗi nổ<br /> căng tại 3 vị trí như trên hình 2<br /> sẽ phản ánh cơ bản đầy đủ phân 2<br /> bố lực trên phối bộ. Dù hãm<br /> Để xác định lực căng dây F2<br /> trục trên phối bộ vũ khí FMV-B 1 F1 Dây neo<br /> khi bay cần thiết phải có mạng Cọc neo<br /> cảm biến không dây (Wireless<br /> Sensor Network-WSN) với các Hình 2. Vị trí các nút của WSN trên phối bộ<br /> nút (node) [2] (gồm cảm biến vũ khí FMV-B (1. Nút 1; 2. Nút 2; 3. Nút 3).<br /> đo lực và module thu thập dữ<br /> liệu có giao tiếp vô tuyến) gắn tại vị trí trên phối bộ vũ khí (hình 2).<br /> <br /> 2. XÂY DỰNG WSN ĐO PHÂN BỐ LỰC TRÊN PHỐI BỘ VŨ KHÍ FMV-B<br /> <br /> 2.1. Cấu trúc WSN<br /> Nhờ có những tiến bộ trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến trong những năm gần<br /> đây, WSN đã được nghiên cứu phát triển và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. WSN hoạt<br /> động dựa trên việc liên kết giữa các node với trạm gốc bằng sóng radio. Như vậy mạng<br /> cảm biến không dây đo lực căng dây trục trên phối bộ vũ khí FMV-B có cấu trúc như<br /> trên hình 3, trong đó, mỗi nút mạng bao gồm đầy đủ các chức năng để cảm nhận, thu<br /> thập, xử lý và truyền dữ liệu. Do phải làm việc trong điều kiện khắc nghiệt của thử<br /> nghiệm vũ khí nên các node phải được nghiên cứu chế tạo có kích thước, khối lượng<br /> nhỏ, có độ bền cơ học lớn và tiêu thụ ít năng lượng.<br /> Nút 1<br /> Cảm Xử lý Thu<br /> Nút USB Máy biến tín hiệu phát<br /> Nút 2<br /> gốc tính<br /> Nút 3 Nguồn<br /> <br /> Hình 3. Cấu trúc WSN đo lực căng dây Hình 4. Các thành phần của 1 nút<br /> trục vũ khí FMV-B. trong WSN.<br /> <br /> <br /> 4 T.H.Anh, P.Q.Minh “Xây dựng mạng...mở cửa FMV-B”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> <br /> Để xây dựng WSN cần chế tạo và phát triển các nút cấu thành mạng nút cảm biến.<br /> Mỗi nút cảm ứng được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản, như ở hình 4, bộ cảm biến<br /> đo lực, bộ xử lý tín hiệu, bộ thu phát và bộ nguồn.<br /> 2.2. Nghiên cứu chế tạo bộ cảm biến đo lực<br /> Theo [1] bộ cảm biến đo lực tại các nút 1 và 2 có dải đo 20kN, nút 3 có dải đo 50kN.<br /> Các bộ cảm biến phải được thiết kế với khối lượng nhỏ nhất có thể để ít ảnh hưởng tới<br /> đặc tính động học của cơ hệ.Do lực tại các nút<br /> F<br /> này có tần số dao động thấp (< 100Hz) nên<br /> phương án thiết kế cảm biến đo lực dựa trên R1 R2<br /> hiệu ứng áp trở là hợp lý [3]. Phần tử đàn hồi UR<br /> (PTĐH) của cảm biến được lựa chọn có cấu R3 R4 R1 R4 R3<br /> trúc hình vuông (hình 5).<br /> Với cấu trúc PTĐH như trên hình 5, khi có R2<br /> lực F tác động ứng suất  sinh ra trên PTĐH UN<br /> được xác định theo [3] (2). a b<br /> F<br /> z  (2) Hình 5. Cấu trúc PTĐH cảm biến đo lực<br /> A<br /> tại các nút của WSN.<br /> A  a b (3)<br /> trong đó: A - diện tích tiết diện, a và b lần lượt là kích thước của thiết diện;<br /> Theo định luật Hook sẽ xác định được giá trị biến dạng dọc và ngang tại các vị trí<br /> dán tem trên PTĐH như sau:<br /> F<br /> Giá trị biến dạng dọc và biến dạng ngang:  d  F ; n   (4)<br /> Eab Eab<br /> Với  là hằng số poisson của vật liệu chế tạo PTĐH.<br /> Với cảm biến dùng mạch cầu Wheatstone được cấu tạo từ 4 tem biến dạng thì độ<br /> nhạy của cảm biến theo [4] là:<br /> UR k<br /> S  (  d 1   d 3   n 2   n4 )g (5)<br /> U N ( 1  k )2<br /> trong đó: g là hằng số tem; k là hệ số tỉ lệ mạch cầu, với mạch cầu cân bằng sử dụng 4<br /> tem thì k = 1;  d 1 , d 3 , n2 , n4 lần lượt là giá trị biến dạng của các tem R1, R2, R3, R4.<br /> Thay các biểu thức (4) vào (5) ta có:<br /> UR  2F 2F  <br /> S  0.25g(  d 1   d 3   n2   n4 )  0.25g   <br /> UN  Eab Eab <br /> F<br />  0.5g  1    [mV/V] (6)<br /> Eab<br /> 9<br /> Với vật liệu chế tạo PTĐH là thép hợp kim có E = 210.10 Pa, μ = 0.3, sử dụng tem<br /> biến dạng KFG.3.120.C11 có g = 2.11 ta có:<br /> F<br /> S  0.00653  10 9 [mV/V] (7)<br /> ab<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số 29, 02 - 2014 5<br />  Tên lửa<br /> <br /> <br /> Để đảm bảo cảm biến làm Bảng 1. Giá trị của các kích thước a, b tương ứng<br /> việc ổn định và tin cậy, theo [4] với độ nhạy của cảm biến tại các nút.<br /> Nút 1 và 2 (20 kN) Nút 3 (50 kN)<br /> độ nhạy của cảm biến cần đạt S (mV/V) a (mm) b (mm) S (mV/V) a (mm) b (mm)<br /> (1÷2) mV/V. Khi này bài toán 10.00 13.06 17.00 19.21<br /> thiết kế cảm biến dẫn tới phải 1.00 10.50 12.44 1.00 18.00 18.14<br /> 11.00 11.87 19.00 17.18<br /> xác định các giá trị a và b theo 9.00 9.74 14.00 15.55<br /> biểu thức 7 để sao cho S = 1.50 9.50 9.23 1.50 14.50 15.00<br /> (1÷2) mV/V. 10.00 8.77 15.00 14.50<br /> 7.50 8.71 12.00 13.60<br /> Như vậy, với bộ cảm biến 2.00 8.00 8.16 2.00 12.50 13.06<br /> tại nút 1 và 2 có dải đo 20kN, 8.50 7.68 13.00 12.56<br /> nút 3 có dải đo 50 kN ứng với<br /> các độ nhạy khác nhau của cảm biến ta tính được giá trị<br /> của các kích thước a và b như trong bảng 1.<br /> Tại các nút 1 và 2 chọn kích thước a, b lần lượt là<br /> 10.50mm và 12.44 mm ta được cảm biến có độ nhạy<br /> 1mV/V, tại nút 3 chọn a,b là 14.50 mm và 15.00 mm ta<br /> được cảm biến có độ nhạy 1.5 mV/V. Với các kích thước Hình 6. Cảm biến đo lực tại<br /> đã tính cảm biến trên các nút được chế tạo như trên hình các nút của WSN.<br /> 6, khối lượng của cảm biến đạt 650 gam đủ nhỏ đảm bảo<br /> không ảnh hưởng nhiều tới khối lượng của cả phối bộ vũ khí FMV-B (≈270 kg).<br /> 2.3. Xây dựng WSN<br /> Các thiết bị xử lý tín hiệu, thu phát và hệ điều hành trong WSN đã được nhiều hãng<br /> nghiên cứu phát triển để đáp ứng cho các<br /> mục đích sử dụng cụ thể. Từ điều kiện thực a) b)<br /> tế trong bài toán đo lực căng dây trục trên<br /> phối bộ vũ khí FMV-B, nhóm tác giả đề xuất<br /> sử dụng bộ xử lý tín hiệu, thu phát và hệ điều<br /> hành đồng bộ của hãng Microstrain, trong đó<br /> thiết bị xử lý tín hiệu và thu phát tại các nút<br /> Hình 7. Module SG-Link và module<br /> của WSN sử dụng module SG-Link (hình<br /> WSDA-Base-104.<br /> 7a), nút gốc sử dụng module WSDA-Base-<br /> 104 (hình 7b).<br /> <br /> Offset<br /> R1 R2 EEPROM<br /> Khuếch Lọc thông Truyền nhận<br /> 0-3V thấp ADC Vi điều khiển<br /> đại RF 2,4 GHz<br /> R4 R3<br /> Nguồn 2MB bộ nhớ Bộ định<br /> 0-3V Flassh thời<br /> NÚT 1, 2, 3 pin<br /> <br /> <br /> NÚT GỐC Máy tính USB Truyền nhận<br /> Lập trình điều khiển, hiển thị và thu thập số liệu RF 2,4 GHz<br /> <br /> Hình 8. Sơ đồ chức năng WSN đo lực căng dây trục trên phối bộ FMV-08.<br /> <br /> <br /> 6 T.H.Anh, P.Q.Minh “Xây dựng mạng...mở cửa FMV-B”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> <br /> SG-Link có kích thước nhỏ (46 x 36 x 16) mm, khối lượng 50 gam, có sẵn 01 kênh<br /> đầu vào cho cảm biến áp trở. Bộ xử lý tín hiệu có hệ số khuếch đại lập trình được từ 104<br /> đến 1800, bộ lọc thông thấp 500Hz, bộ chuyển đổi AD 12 bits, bộ nhớ trong 2MB lưu<br /> trữ được 1.000.000 điểm dữ liệu. Bộ thu phát làm việc trong dải tần từ 2,405 GHz đến<br /> 2,480 GHz với các chế độ công suất phát từ 0dBm (1mW) đến 20dBm (100mW) và<br /> chịu được rung sóc tới 1000 g.<br /> Nút gốc WSDA-Base-104 giữ thông tin liên lạc giữa các nút với máy tính để điều<br /> khiển sự hoạt động của các nút và thu thập số liệu đo. WSDA-Base-104 giao tiếp với<br /> máy tính thông qua cổng USB.<br /> Sơ đồ chức năng WSN đo lực căng dây trục trên phối bộ FMV-B như trên hình 8.<br /> 2.4. Tính toán hệ số chuẩn cho WSN<br /> Từ giá trị độ nhạy của các cảm biến như trên cần tính toán hệ số chuẩn để lập trình<br /> cho WSN [5]. Với cảm biến tại nút 1 và 2 có dải đo F=20kN và độ nhạy 1mV/V, module<br /> SG-Link cấp nguồn cho cảm biến UN = 3V ta có:<br /> Điện áp ra của cảm biến khi chịu tải 20 kN là:<br /> U r  U N  S  3mV<br /> Do SG-Link có độ phân giải 4096 bits cho cả dải điện<br /> áp âm và dương nên dải điện áp đầu vào SG-Link là 6mV<br /> (từ -3mV đến 3 mV).<br /> Để điện áp ra của SG-Link (0 ÷3)V, hệ số khuếch đại<br /> tối ưu Ktu cần lập trình cho SG-Link là: Hình 9. Nút 1 của WSN.<br /> 3000mV<br /> K tu   500 . Song do SG-Link có độ phân dải 4096 bits nên hệ số khuếch đại K<br /> 6 mV<br /> cần đảm bảo để điện áp ra của mạch khuếch đại ứng với số chẵn bits vì thế SG-Link đã<br /> định sẵn các hệ số K tương ứng. Theo [5] chọn K  503 , khi này dải điện áp thực tế của<br /> 3000mV<br /> cảm biến Urt ra của cảm biến là U rt   5.96421mV .<br /> 503<br /> U  F 5.96421  20<br /> Như vậy dải đo thực tế của WSN Ft là Ft  rt   19.88kN .<br /> Ur 6<br /> 19.88 kN<br /> Từ đó tính được hệ số chuẩn Kc của WSN là:  0.009707[ ]<br /> 2048 bits<br /> Tương tự ta tính được hệ số khuếch đại K và hệ số chuẩn của nút 3 lần lượt là<br /> kN<br /> K  336 và K c  0.0242211 . Các hệ số khuếch đại K và hệ số chuẩn Kc được lập<br /> bits<br /> trình và nạp vào EEPROM của SG-Link trên từng nút của WSN.<br /> 2.5. Kết quả thực nghiệm<br /> WSN đo lực căng dây trục trên phối bộ vũ khí FMV-B sau khi được xây dựng, hiệu<br /> chỉnh ổn định được thử nghiệm tại hiện trường với các tham số hệ thống của phối bộ vũ<br /> khí FMV-B như sau:<br /> - Động cơ 2 tầng khối lượng 32.2kg, lực đẩy tầng 1: 6kN, lực đẩy tầng 2: 3.5kN;<br /> - Dây neo dài 190m, mật độ 0.094kg/m (không dù);<br /> - Chuỗi nổ: chiều dài 55m, mật độ chuỗi nổ 4.8 kg/m, đường kính 0.08m;<br /> - Cáp trung gian dài 5.5m, mật độ cáp 0.5kg/m;<br /> - Góc phóng 450.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số 29, 02 - 2014 7<br />  Tên lửa<br /> <br /> PTN §o l­êng ®éng häc bay PTN §o l­êng ®éng häc bay<br /> Vò khÝ FMV-B - qu¶ sè 1 Vò khÝ FMV-B - qu¶ sè 1<br /> <br /> <br /> <br /> ®å thÞ lùc theo thêi gian t¹i vÞ trÝ neo ®å thÞ lùc t¹i vÞ trÝ cuèi chuçi<br /> N N<br /> 4000 7000<br /> <br /> <br /> 3500 6000<br /> <br /> 3000<br /> 5000<br /> <br /> 2500<br /> 4000<br /> 2000<br /> 3000<br /> 1500<br /> <br /> 2000<br /> 1000<br /> <br /> <br /> 500 1000<br /> <br /> <br /> 0 0<br /> <br /> 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 12.0 13.0 14.0 15.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0<br /> LUC NE O [N] s LUC NE O [N] s<br /> Channel:LUC NEO Channel:LUC NEO<br /> <br /> Y1: 0.00 N Y2: 3756.55 N Y1: 4870.00 N Y2: 6460.00 N<br /> t1: -19.29 s t2: -11.68 s t1: -17.87 s t2: -13.68 s<br /> dt: 7.61 s f: 0.13 Hz dt: 4.19 s f: 0.24 Hz<br /> dY: 3756.55 dY/dt: 493.54 dY: 1590.00 dY/dt: 379.88<br /> Min: 0.00 Max: 3865.50 Min: 1600.00 Max: 6690.00<br /> Int: 1771.03 RMS: 689.93 Int: 13028.34 RMS: 3394.16<br /> <br /> §iÒu kiÖn ®o: §iÒu kiÖn ®o:<br /> Ngµy 05 th¸ng 7 n¨m 2013 NhiÖt ®é 35.2 0C §é Èm 71.1% Ngµy 05 th¸ng 7 n¨m 2013 NhiÖt ®é 35.2 0C §é Èm 71.1%<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 10. Kết quả đo lực tại các nút 1 và 2 của WSN trên phối bộ FMV-B.<br /> Trong khi bay và va chạm khi rơi xuống đất WNS làm việc ổn định, kết quả nhận<br /> được F1max = 3865.50N, F2max = 6690.00 N, thời gian từ khi động cơ xuất phát đến khi<br /> lực căng F1 đạt giá trị cực đại là 7.61 giây (hình 10).<br /> 3. KẾT LUẬN<br /> Nghiên cứu phát triển WNS là một xu hướng tất yếu của đo lường hiện đại và đặc<br /> biệt thích hợp với các đối tượng chuyển động, ứng dụng WSN đo lực căng dây trục trên<br /> phối bộ vũ khí FMV-B đã khắc phục được các hạn chế trong việc truyền dữ liệu giữa<br /> cảm biến và trung tâm đo. Kết quả bước đầu cho thấy WSN đo lực căng dây trục trên<br /> phối bộ vũ khí FMV-B làm việc ổn định và đáp ứng được các yêu cầu khắc nghiệt trong<br /> thử nghiệm. Kết quả đo là cơ sở để đánh giá độ bền kết cấu của phối bộ và kiểm chứng<br /> mô hình bài toán động lực học của cơ hệ phục vụ cho công tác nghiên cứu chế tạo vũ<br /> khí FMV-B nói chung và các hệ thống có cấu trúc tương tự.<br /> Tµi liÖu tham kh¶o<br /> [1]. Phan Văn Chương,luận án TS“Nghiên cứu ảnh hưởng của một số tham số kết<br /> cấu đến các đặc trưng động lực học của hệ thống tên lửa kéo chuỗi lượng nổ<br /> mềm liên tục”, Viện KH&CNQS, 2011, tr 47-62.<br /> [2]. Holger Karl, A.Willig, Wolisz, "Wireless Sensor Networks", Springer, 2004.<br /> [3]. Đào Mộng Lâm, Đề tài độc lập cấp Nhà nước,“Nghiên cứu chế tạo các cảm biến và<br /> xây dựng hệ thống đo các tham số động học thiết bị bay” Viện KH&CNQS, 2010,<br /> tr 98-117.<br /> [4]. Nguyễn Hải, “Phân tích ứng suất bằng thực nghiệm”, NXB KHKT, 2005, tr 67.<br /> [5]. http://www.microstrain.com/wireless/sg-link.<br /> Abstract<br /> Building the wireless sensor network to measure the TENSION<br /> ON THE CABLE of the destroy barricade’s weapon FMV-B<br /> This paper presents the research results about the wireless sensor network to<br /> measure the tension on the cable of the destroy barricade’s weapon (FMV-B). The<br /> results are verified by experiment, as a basis for evaluating structural strength<br /> and proven the dynamics problem in the design of FMV-B weapon.<br /> Key words: Wireless sensor network, Destroy barricade’s weapon (FMV-B).<br /> <br /> NhËn bµi ngµy 20 th¸ng 8 n¨m 2013<br /> Hoµn thiÖn ngµy 02 th¸ng 11 n¨m 2013<br /> ChÊp nhËn ®¨ng ngµy 14 th¸ng 01 n¨m 2013<br /> §Þa chØ: ViÖn Tªn löa, ViÖn KH-CNQS, D§ 0983589181.<br /> <br /> <br /> <br /> 8 T.H.Anh, P.Q.Minh “Xây dựng mạng...mở cửa FMV-B”<br />