Ý Nghĩa Của Việc Ổn Định Định Hướng Không Gian Cho Tbb Trinh Sát

Hệ ĐKĐH thân TBBKNL cấu thành từ ba kênh điều khiển - ổn định: gật, hướng và liệng, tương ứng với ba chuyển động quay thân TBB quanh các trục hệ TĐLK. Các chuyển động quay chủ yếu được mô tả bằng các phương trình cân bằng mômen dưới tác động của các lực và các phương trình liên hệ động hình học giữa các góc trong hai hệ tọa độ vận tốc và liên kết như đã trình bày ở mục trên.

Trong hệ thống ĐKQT, sử dụng chung là khối cảm biến, gồm: bộ đo GTT theo các trục; bộ đo vận tốc góc theo các trục hệ TĐLK (tương đối so với hệ tọa độ quán tính OXqYqZq); bộ đo các tín hiệu không gian. Riêng cho mỗi kênh là thuật toán điều khiển và ổn định định hướng. Trong thực tế tồn tại hai loại hệ thống dẫn đường quán tính thường được sử dụng là hệ có đế và không đế.

Hệ thống ĐKQT có đế có đặc điểm là hầu hết các loại cảm biến (trừ cảm biến tín hiệu không gian) đều đặt trên một cơ cấu đế ổn định bằng con quay lực hoặc con quay chỉ thị 3 bậc tự do. Cơ cấu đế được ổn định theo hệ quy chiếu ban đầu (hệ tọa độ địa lý) và các sai lệch góc, vận tốc góc, sai lệch vị trí trọng tâm TBB đều được đo trực tiếp trên cơ cấu đế để hình thành tham số điều khiển (vector u).

Hệ thống ĐKQT không đế khác hẳn hệ có đế là các loại cảm biến trên khoang được đặt trực tiếp trên thân TBB, giá trị các tham số đo được bởi các cảm biến được tính toán, biến đổi nhờ các thuật toán ổn định và dẫn đường bằng máy tính trên khoang. Vị trí hệ quy chiếu ban đầu (hệ tọa độ địa lý) được đưa vào hệ thống dưới dạng các tham số ban đầu, điều kiện ban đầu của các thuật toán.

Một đặc điểm cần lưu ý trong nghiên cứu của chúng ta ở đây là chỉ quan tâm tới việc điều khiển TBBKNL bằng hệ DĐQT không đế. Thực tế hiện nay hoàn toàn cho phép ta lựa chọn hệ thống nói trên bởi: khả năng giải quyết các

bài toán đo – xử lý thông tin và điều khiển TBB phức tạp bằng máy tính số; sử dụng các loại cảm biến vi-cơ (MEMS) giá thành thấp, gọn nhẹ, chất lượng cao.

Mục đích của việc ĐKĐH là ổn định và điều khiển các góc và tốc độ góc định hướng thân TBB, mà những đại lượng này do hệ ĐKQĐ bay yêu cầu dưới dạng lệnh điều khiển, hoặc do yêu cầu về ổn định các trục hệ TĐLK dưới dạng tín hiệu hồi tiếp thông qua các cảm biến VTG. Trong quá trình làm việc, HTĐK có thể sử dụng thêm thông tin của hệ thống tín hiệu không gian.

Trong từng phương án thực tế hóa các hệ thống điều khiển, với mục đích tối thiểu hóa trang thiết bị trên khoang, giảm khối lượng kết cấu, nâng cao độ tin cậy, người ta sẽ cắt bớt số lượng những tham số cần xử lý. Như vậy, có thể hoàn toàn không cần sử dụng những tín hiệu không gian, hoặc chỉ sử dụng một phần nhỏ (ví dụ như chỉ cần đo vận tốc chuyển động V mà không cần thông tin về góc tấn công  và góc trượt ). Có thể loại bỏ việc đo tất cả hay chỉ một thành phần nào đó của vector vận tốc góc hoặc góc định hướng.

Có thể bạn quan tâm!

• Nghiên cứu xác định định hướng không gian của thiết bị bay theo các phép đo từ trường trái đất - 2
• Mục Tiêu, Nội Dung Và Phương Pháp Nghiên Cứu Của Luận Án Mục Tiêu Chính Của Luận Án Là:
• Thân; 2 – Cánh; 3 – Cánh Liệng; 4 – Cánh Ổn Định; 5 – Cánh Lái Tầm; 6 – Cánh Lái Hướng; 7 – Cánh Ổn Định Hướng.
• Những Khái Niệm Cơ Bản Về Từ Trường Trái Đất Và Cảm Biến
• Bản Chất Và Đặc Tính Của Sai Số Khi Đo Từ Trường Trên Thiết Bị Bay
• Phương Án Sử Dụng Duy Nhất Một Cảm Biến Vtg Độc Lập Là Con Quay Thẳng Đứng

Xem toàn bộ 151 trang tài liệu này.

Cấu trúc của một hệ ĐKĐH trong hệ ĐKQT không đế mô tả trên hình 1.3.

Khối cảm biến Đo VTG

- Cảm biến x1

- Cảm biến y1

- Cảm biến z1

Đo GTT

- Cảm biến Ax

- Cảm biến Ay

- Cảm biến Az

GPS

- Kinh độ (t)

- Vĩ độ (t)

- Độ cao H(t)

Khí áp kế

- Độ cao H(q)

- Vận tốc bay V(t)

Khối xử lý tín hiệu

Lọc t/h VTG

- Bộ lọc x1

- Bộ lọc y1

- Bộ lọc z1

Khối tạo lệnh ĐK

Thuật toán tạo lệnh

- đ/kh độ cao 

- đ/kh hướng 

- đ/kh liệng 







Khối đo tọa độ góc

- Thuật toán đo

x1, y1, z1

- Thuật toán biến đổi tọa độ , , 

Khối tạo th/số ĐK

- Thuật toán so sánh

, , 

- Thuật toán xác định ’, ’, ’

prog

prog

prog

Hình 1.3 Cấu trúc hệ ĐKĐH cho TBBKNL

Hệ bao gồm: Khối cảm biến; Khối xử lý tín hiệu cảm biến; Khối đo các tọa độ góc và vận tốc góc tức thời; Khối tạo tham số điều khiển và ổn định định hướng; Khối tạo lệnh và tín hiệu điều khiển; Ba kênh điều khiển gật, hướng và liệng.

c) Chức năng chính các thành phần

Khối cảm biến (chung cho cả hai hệ ĐKQĐ và ĐKĐH) gồm các loại cảm biến: bộ đo GTT ba trục (3-axis accelerometer); bộ đo VTG ba trục (3- axis velocity angulator); định vị vệ tinh GPS; bộ đo cao khí áp. Thu thập các thông tin tức thời về:

- Gia tốc dịch chuyển trọng tâm TBB theo các trục hệ TĐVT (Ax, Ay, Az);

1

- Tốc độ quay các trục quanh trọng tâm TBB ( Z, 

 ,

Y

1

X );

1

- Kinh độ G, vĩ độ G, độ cao HG và thời gian t bằng GPS;

- Vận tốc V(t), độ cao bay H(t) bằng khí áp kế.

Khối xử lý tín hiệu cảm biến bao gồm các bộ lọc khử, bù trừ ảnh hưởng của nhiễu tới sai số các phép đo.

Khối đo các tọa độ góc và vận tốc góc tức thời có chức năng sử dụng các thuật toán đánh giá các tốc độ góc sau xử lý để tính toán ra các góc trên cơ sở các góc ban đầu.

Khối tạo tham số điều khiển và ổn định hướng có chức năng tính toán xác định các sai lệch góc giữa góc tức thời và góc cho trước theo chương trình bay, ngoài ra còn xác định cả tốc độ thay đổi các sai lệch góc là dữ liệu cho việc hình thành lệnh điều khiển.

Khối tạo lệnh và tín hiệu điều khiển là khối hình thành các lệnh và tín hiệu điều khiển trên cơ sở các thuật toán điều khiển và ổn định cho trước. Tín hiệu điều khiển ở đầu ra khối này sẽ được đưa tương ứng tới đầu vào ba kênh điều khiển gật, hướng và liệng.

1.3.2 Mô tả toán học quá trình xử lý thông tin ĐKĐH

Dưới đây là mô hình toán học cơ bản mô tả các quá trình ổn định và điều khiển định hướng không gian của TBB nói chung và TBBKNL nói riêng [32, 37].

a) Phương trình động hình học

Hướng của các trục hệ TĐLK được hình thành từ hướng của hệ TĐQT bằng cách xoay liên tiếp theo 3 góc: góc gật – ; góc hướng – ψ; góc liệng – γ, (xem hình 1.4). Việc chuyển từ hệ TĐQT sang hệ TĐLK được thực hiện bởi 3 lần quay liên tiếp quy ước viết như sau:

Y1 Yq

X1

Xq

 ψ

O

γ Zq

Z1

Xq Yq Zq , , X1Y1Z1,

C

Hình 1.4 Tương quan giữa 2 hệ TĐQT và TĐLK

với C là ma trận biến đổi bằng các cos-sin định hướng so với hệ TĐQT.

cos.cos C sin .cos

sin 

cos.sin .sin sin .cos  sin .sin .sin cos.cos  cos.sin 

cos.sin .cos sin .sin 

sin .sin .cos cos.sin (1.4)

cos.cos 

Các hình chiếu của một vector bất kỳ trong hệ TĐQT liên hệ với các hình chiếu của nó trong hệ TTDLK bằng biểu thức nhân ma trận sau:

xq x1

yq  C y1 zq z1

(1.5)

Xác định các góc liên hệ giữa hai hệ tọa độ có trong ma trận cos-sin định hướng C theo biểu thức (1.4), và các vận tốc góc trong chuyển động tuyệt đối, tương đối và chuyển vị. Vector vận tốc góc tuyệt đối của TBB có thể biểu

diễn như một vector tổng của 3 vận tốc góc thành phần, xuất hiện khi chuyển từ hệ TĐQT sang hệ TĐLK bằng 3 phép quay nối tiếp (hình 1.4)



hoặc chiếu lên hệ TĐLK:





(1.6)

x1

y1

z1

 sin 

 cos  cos sin 

 sin  cos cos 

(1.7)

Từ biểu thức (1.7) ta nhận được hệ phương trình vi phân đối với các góc Ơ-le , ψ, γ:

 1 ysin z

cos

(1.8)

cos1 1

y1cosz1sin 

(1.9)

x1 tg(y1 sin z1 cos)

(1.10)

Các phương trình (1.8) và (1.10) có những điểm đặc biệt khi mà góc



hướng

 n. . Điểm đặc biệt đó có thể tránh được, nếu như các cos-sin 2

định hướng đối với góc gật, hướng và liệng tính thông qua các cung phần tư theo phép biến đổi Quaternion. Trong trường hợp đó ta sử dụng các phương trình xác định tham số Roth-Hamington (1.11) – (1.15):

1

q0 0,5(q1x

 q2y

 q3z )

1

1

1 1 1

q1 0,5(q0x q3y q2z)

(1.11)

1

1

1

q2  0,5(q3x  q0y  q1z )

1

1

1

q3  0,5(q1x  q2y  q0z)

Đóng vai trò các điều kiện ban đầu khi tích phân các phương trình (1.11) là những giá trị sau:

q0 

p0 ;

p

q1

p1 ;

p

q2 

p2 ;

p

q3p3

p

(1.12)

Trong đó:

p0 cos  cos  cos sin  sin  sin 

2 2 2 2 2 2

p1 cos  cos  sin sin  sin  cos 

2 2 2 2 2 2

p2 cos  sin  cos sin  cos  sin 

2 2 2 2 2 2

p 

3

p

sin cos cos cos sin sin 2 2 2 2 2 2

p2 p2 p2 p2

0 1 2 3

(1.13)

Ma trận C thay cho ma trận cos-sin định hướng (1.4) có dạng mới.

C11 C  C21

C31

C12 C22 C32

C13 C23 C33

(1.14)

Với các hệ số ma trận được xác định thông qua các tham số Roth-Hamington:

C  2q2  2q2 1

C  2(q q  q q ) C  2(q q

 q q )

11 0 1

12 1 2 0 3 13

1 3 0 2

C  2(q q  q q ) C  2q2  2q2 1 C  2(q q  q q )

(1.15)

21 1 2 0 3 22 0 2 23 2 3 0 1

C  2(q q  q q ) C  2(q q  q q ) C  2q2  2q2 1

31 1 3 0 2 32 2 3 0 1 33 0 3

Trong các phương trình chuyển động của TBB những giá trị của các góc gật, hướng và liệng trong phạm vi không có những điểm đặc biệt được xác định bởi các công thức sau:

 arcsinC

21;

arctg C31 ;

C11

 arctg C23

C22

(1.16)

b) Các phương trình điều khiển và ổn định

Khi xác định các góc gật, hướng và liệng theo (1.16), các góc này được so sánh tương ứng với các góc đặt (prog, prog, prog) của chương trình bay do hệ ĐKQĐ đưa tới, cũng như xác định đạo hàm của chúng theo thời gian. Các phương trình điều khiển và ổn định các góc định hướng chính là các phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa các đại lượng trên với nhau.

1.4 Ý nghĩa của việc ổn định định hướng không gian cho TBB trinh sát

Ta xét tầm quan trọng của việc ổn định định hướng không gian (ĐHKG) trong quá trình điều khiển TBBTSKNL và ảnh hưởng của nó tới quá trình thu thập tin tức tình báo dưới mặt đất bằng phương pháp chụp ảnh từ TBB.

Giả sử TBBTS bay bằng với vận tốc không đổi (Vo=const, Ho=const). Trong hai trường hợp góc gật của TBB (=o và ’o) ta nhận được hai ảnh chụp từ thiết bị trinh sát trên TBB hoàn toàn có vị trí (tọa độ) khác nhau theo trục X (hình 1.5a). Tương tự như vậy, khi góc nghiêng bên (góc liệng =0 và

0) ta cũng nhận được các ảnh có tọa độ khác nhau theo trục Z (hình 1.5b).

Từ độ cao cho trước và giá trị góc sai lệch có thể xác định được sai số vị trí của ảnh chụp theo các quan hệ hình học sau:

a) theo trục OX:

x 

 tg

(1.17)

2







Hotg 2

b) theo trục OZ:

z 

 tg

(1.18)

2







Hotg 2

Trong đó: Ho là độ cao bay tại thời điểm chụp ảnh; ,  tương ứng với góc

mở của camera trinh sát theo hai trục OX và OZ; ,  tương ứng với các sai lệch góc định hướng của TBB theo hai kênh gật và liệng.

Sai lệch tâm của ảnh dưới mặt đất khi có các sai số góc định hướng được

x2 z2

xác định bởi công thức: R 

(1.19)

Phân tích các biểu thức (1.17) – (1.18) có thể rút ra một số nhận xét sau:

- Do tính chất ngẫu nhiên của các sai số góc định hướng ,  phụ thuộc vào tính chất ổn định của các kênh điều khiển - ổn định định hướng thân TBB, giá trị các sai lệch vị trí x, z và R cũng mang tính ngẫu nhiên, ảnh hưởng rất lớn tới quá trình tổng hợp thông tin trinh sát (quá trình xử lý và ghép ảnh).

- Giá trị các sai lệch vị trí x, z và R phụ thuộc vào độ cao bay Ho và các sai lệch góc , .

- Biện pháp làm giảm sai lệch vị trí ảnh là giảm độ cao bay và tăng chất lượng ổn định các góc định hướng TBB. Tuy nhiên giảm độ cao bay không phải là biện pháp tốt đối với TBBTSKNL vì nó làm tăng khả năng bị tiêu diệt bởi phòng không mặt đất và đòi hỏi tăng số lượng ảnh cần chụp trong một phạm vi bề mặt xác định.

Y ’o

Ho =o

’0

=0



Ho

z

PxP’xPz P’z

X Z

0

x a) sai số theo trục X b) sai số theo trục Z

Hình 1.5 Giải thích ảnh hưởng sai số góc định hướng tới vị trí ảnh

Qua những nhận xét trên ta thấy chỉ có biện pháp nâng cao tính ổn định của các góc định hướng TBB là hiệu quả nhất. Đó cũng là lý do phải đi sâu nghiên cứu bài toán định hướng không gian của TBBKNL.

1.5 Đặt vấn đề cần nghiên cứu

Xuất phát từ yêu cầu sử dụng TBBKNL vào mục đích trinh sát mục tiêu trên mặt đất, qua phân tích ảnh hưởng định hướng thân TBB tới chất lượng ảnh trinh sát, ta thấy vấn đề nâng cao chất lượng thông tin trinh sát được gắn liền với chất lượng ổn định định hướng thân TBB.

Từ những thông tin khi phân tích mô hình toán học các chuyển động, cấu