Mục Tiêu, Nội Dung Và Phương Pháp Nghiên Cứu Của Luận Án Mục Tiêu Chính Của

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Chương 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

Chương 3

Bảng 3.1 Dạng đặc biệt của ma trận các đạo hàm vector tín hiệu theo vector đánh giá các tham số 58

Chương 4

Bảng 4.1 Một số loại cảm biến mới 110

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 151 trang tài liệu này.

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.

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

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

trên các trục của TBB [4, 37]. Tuy nhiên chúng cũng có giá thành cao, khối lượng lớn. Cả hai giải pháp trên đều không phù hợp với đối tượng là thiết bị bay trinh sát không người lái cỡ nhỏ. Có một các khác để xác định tư thế của vật bay là người ta sử dụng duy nhất một con quay thẳng đứng hoặc một con quay nằm ngang kết hợp với các con quay cảm biến vận tốc góc. Tuy nhiên ngay cả trong phương pháp này thì thiết bị vẫn có khối lượng lớn không phù hợp với TBBTSKNL cỡ nhỏ.

Vấn đề mang tính thời sự, cấp bách là cần nghiên cứu khả năng tạo ra hệ thống cảm biến - điều khiển định vị TBB có độ chính xác bảo đảm yêu cầu, giá thành rẻ và quan trọng là khối lượng nhỏ. Với mục đích trên ta cần lưu ý tới sự tồn tại của từ trường Trái đất, ảnh hưởng của nó tới TBB. Việc đo chính xác hướng và độ lớn vector từ trường Trái đất bằng những cảm biến nhỏ gọn, rẻ tiền hiện nay không còn là vấn đề khó khăn trong lựa chọn của chúng ta [40]. Những vi cảm biến từ trường dạng MEMS (Micro Electro-Mechanical Sensor) hiện được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực hàng không, hàng hải [13- 17]. Chúng cho phép tạo ra những thiết bị dẫn đường, định hướng và điều khiển cực kỳ hấp dẫn về kích thước, trọng lượng và giá thành.

Từ những thông tin và phân tích ở trên, NCS lựa chọn đề tài luận án “Nghiên cứu xác định định hướng không gian cho TBB theo các phép đo từ trường trái đất” là vấn đề mang tính cấp thiết, vừa có ý nghĩa khoa học, vừa có ý nghĩa thực tiễn, thiết thực.

II. Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu của luận án Mục tiêu chính của luận án 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.

Nhiệm vụ chính của luận án là:

- Xây dựng hệ thống ổn định và điều khiển định hướng không gian TBB;

- Xây dựng mô hình toán học liên hệ giữa phép đo từ trường với định hướng của vector vận tốc góc của TBB;

- Xây dựng phương pháp tổng hợp các thuật toán xác định định hướng và vector vận tốc góc TBB theo các dữ liệu đo từ trường Trái đất;

- Lựa chọn, tổng hợp các thuật toán lọc tối ưu vector vận tốc góc TBB từ dữ liệu đo từ trường trái đất;

- Xây dựng mô hình khảo sát, đánh giá độ chính xác và độ tin cậy của các thuật toán đã xây dựng.

- Kiểm chứng giá trị các thuật toán và khả năng thực tế hóa chúng bằng phương pháp thực nghiệm.

Những giới hạn của luận án là chỉ tập trung sâu vào những vấn đề đo – xử lý thông tin, thuật toán điều khiển và ổn định định hướng TBBKNL. Những vấn đề liên quan tới điều khiển quỹ đạo, động lực học và khí động học TBB được giới thiệu một cách hệ thống nhưng không đi sâu. Trong luận án sử dụng các tham số khí quyển, điều kiện bay từ các tài liệu tham khảo [2, 12, 31, 37] để mô phỏng, khảo sát và làm thực nghiệm.

Giải quyết được những hạn chế, khó khăn về ứng dụng như đã nêu thực sự là những nghiên cứu có tính khoa học và ý nghĩa thực tiễn, cho ta giải pháp tối ưu trong bài toán điều khiển TBBTSKNL.

Bố cục luận án

Trên cơ sở cách đặt vấn đề nghiên cứu đã nêu, nội dung của luận án bao gồm:

Chương 1. Giới thiệu chung về sự cần thiết phải ổn định định hướng thân TBBTSKNL; về cơ sở toán học mô tả chuyển động của TBB theo 6 bậc tự do trong không gian; về hệ thống dẫn đường quán tính và về cấu trúc các kênh điều khiển và ổn định định hướng TBB.

Ở chương 1 sử dụng các tài liệu [2, 4, 12, 37]; các tài liệu [37, 39] cho nội dung dẫn đường quán tính không đế; các tài liệu [7, 9, 10, 11] cho nội dung tổng hợp cấu trúc các kênh điều khiển và ổn định định hướng thiết bị bay.

Chương 2. Giới thiệu về hệ thống đo – xử lý thông tin điều khiển định hướng; về các thuật toán xác định vận tốc góc và góc định hướng trong hệ quán tính không đế; về khả năng sử dụng thông tin đo vector từ trường Trái đất để xác định vận tốc góc và góc định hướng TBB; về những phương pháp xử lý tối ưu thông tin đo từ các loại cảm biến định hướng.

Các tài liệu [1, 7, 9, 39] được sử dụng cho nội dung liên quan tới hệ thống đo – xử lý thông tin điều khiển định hướng, các thuật toán xác định vận tốc góc và góc định hướng trong hệ quán tính không đế; các tài liệu [39-40] cho nội dung về khả năng sử dụng thông tin đo vector từ trường Trái đất để xác định vận tốc góc TBB; các tài liệu [1, 7, 37] cho nội dung tổng hợp những phương pháp xử lý tối ưu thông tin đo từ các loại cảm biến định hướng

Chương 3. Giới thiệu về sự lựa chọn và kết hợp các loại cảm biến công nghệ mới cho phép tổng hợp một hệ đo – xử lý thông tin định hướng TBB; về sự lựa chọn phương pháp xử lý tối ưu thông tin đo bằng mô phỏng trên máy tính; về khả năng thực tế hóa hệ thống.

Chương 3 sử dụng các tài liệu [13-26] cho nội dung lựa chọn và kết hợp các loại cảm biến công nghệ mới, Chips vi xử lý để tổng hợp một hệ đo – xử lý thông tin định hướng TBB; các tài liệu [1, 6, 9, 7, 37, 39] cho các nội dung:

lựa chọn và tổng hợp các phương pháp lọc phi tuyến tối ưu thông tin đo VTG;

[3] mô phỏng trên máy tính; khả năng thực tế hóa hệ thống.

Chương 4. Giới thiệu phương án thực nghiệm, chứng minh khả năng hiện thực hóa của hệ đo –xử lý thông tin vận tóc góc của TBB theo từ trường trái đất đã mô phỏng ở chương 2 và chương 3; đánh giá những kết quả lý thuyết và thực nghiệm của luận án.

Chương 4 sử dụng các tài liệu [12-26] cho thực nghiệm.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án được hoàn thành dựa trên những phương pháp nghiên cứu sau:

- Phương pháp nghiên cứu và phân tích lý thuyết;

- Phương pháp toán vector, hình học giải tích;

- Phương pháp mô hình hóa toán học bằng máy tính;

- Phương pháp lọc phi tuyến và xử lý tín hiệu tối ưu, thích nghi;

- Phương pháp thực nghiệm đối chứng.

III. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn

1. Về ý nghĩa khoa học:

Luận án góp phần hoàn thiện hơn về mô hình toán học mô tả phương pháp xác định vector từ trường Trái đất tương đối so với hệ tọa độ quán tính của TBB dưới dạng một bài toán ngược trong lý thuyết định vị TBB

Những biện luận dựa trên cơ sở toán học và hiện tượng vật lý ở chương 2 và 3 có sự gắn kết khoa học giữa bài toán kinh điển về khả năng không thể sử dụng nguồn thông tin từ trường Trái đất một cách độc lập làm thông tin điều khiển TBB, với khả năng vẫn sử dụng nó cũng với mục đích đã nêu, nhưng trên cơ sở của nguồn thông tin bổ sung và công nghệ cảm biến mới (MEMS). Những chứng minh lý thuyết, cơ sở toán học bộ đo các thành phần VTG bằng VTT có đủ độ tin cậy khẳng định tính quan sát được và điều khiển