Tiến Sĩ Nghiên cứu xác định định hướng không gian của thiết bị bay theo các phép đo từ trường trái đất

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NĂM 2013

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
Chương 1. HỆ DẪN ĐƯỜNG QUÁN TÍNH KHÔNG ĐẾ VÀ BÀI TOÁN ĐỊNH HƯỚNG THIẾT BỊ BAY TRINH SÁT KHÔNG NGƯỜI LÁI . 10
1.1 Hệ thống dẫn đường quán tính . 10
1.2 Cấu trúc hệ dẫn đường cho máy bay không người 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 hướng 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 hướng không gian cho TBB trinh sát . 22
1.5 Đặt vấn đề cần nghiên cứu 23
Kết luận chương 1 . 25


Chương 2. THÔNG TIN TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT VÀ KHẢ NĂNG SỬ DỤNG TRONG BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG THIẾT BỊ BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI . 26
2.1 Những khái niệm cơ bản về từ trường 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
2.2 Bản chất và đặc tính của sai số khi đo từ trường trên thiết bị bay . 35
2.3 Những khó khăn khi sử dụng từ trường Trái đất để định hướng 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 trường Trái đất trong điều khiển định hướng 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 chương 2 . 54


Chương 3. TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐO VẬN TỐC GÓC CỦA THIẾT BỊ BAY DỰA TRÊN LỌC PHI TUYẾN TỐI ƯU . 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
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 chương 3 . 84


Chương 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 TRƯỜNG 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 hướng TBB và phương 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
Kết luận chương 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


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
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 l