Những Khái Niệm Cơ Bản Về Từ Trường Trái Đất Và Cảm Biến

trúc các kênh điều khiển chuyển động và định hướng của TBB dưới đây, ta thấy chất lượng ổn định định hướng không gian thân TBB phụ thuộc vào những yếu tố chính sau:

a) chất lượng thông tin đầu vào các kênh điều khiển chuyển động;

b) chất lượng, tính ổn định của các kênh điều khiển chuyển động;

c) tác động của nhiễu và môi trường bay.

Từ đó, nếu như hạn chế vấn đề nghiên cứu ở yếu tố thứ hai, tức là coi các kênh điều khiển gật, hướng và liệng hoàn toàn tường minh về cấu trúc, về tham số và có chất lượng làm việc (sai số động học) đáp ứng yêu cầu, thì vấn đề đặt ra cần nghiên cứu trong luận án như sau.

Để nâng cao chất lượng ổn định các góc định hướng thân TBBTSKNL trong những điều kiện cần giảm trọng lượng kết cấu trên khoang để tăng khối lượng nhiên liệu (tăng thời gian bay) và đảm bảo ảnh trinh sát từ trên không có chất lượng cao, ta cần phải nghiên cứu khả năng sử dụng và tích hợp những loại cảm biến công nghệ mới có trọng lượng siêu nhỏ nhưng bảo đảm chất lượng thông tin cao. Hệ thống thông tin dẫn đường TBBTSKNL ngoài yêu cầu về kích thước trọng lượng nhỏ phải là hệ dẫn đường quán tính không đế khả thi, có thể tạo thành sản phẩm thực tế.

Như vậy luận án phải giải quyết những bài toán sau:

Bài toán thứ nhất. Biện luận, chứng minh khả năng lựa chọn và sử dụng các loại cảm biến công nghệ mới, cụ thể hơn là các loại cảm biến dạng vi-cơ (MEMS), trong đó định hướng tới cảm biến đo vector từ trường Trái đất vào mục đích xác định vận tốc các góc định hướng thân TBB.

Bài toán thứ hai. Nghiên cứu các biện pháp xử lý thông tin từ cảm biến đã lựa chọn dựa trên các phương pháp lọc, xử lý tối ưu. Tổng hợp và chứng minh nhờ mô phỏng trên máy tính các phương án lọc tối ưu, từ đó lựa chọn được bộ lọc đáp ứng tốt nhất yêu cầu chất lượng thông tin dưới tác động của

nhiễu và môi trường.

Bài toán thứ ba. Chứng minh bằng thực nghiệm đối với phương án lựa chọn và tích hợp các cảm biến; phương án lọc tối ưu; khả năng hiện thực hóa hệ thống thông tin dẫn đường bằng thiết bị và thuật toán được xây dựng.

Kết luận chương 1

Với bố cục và nội dung mang tính giới thiệu, đặt vấn đề nghiên cứu với đối tượng cụ thể là TBBTSKNL chương I đã làm rõ những vấn đề sau:

- Ảnh hưởng của sai số định hướng thân TBB tới chất lượng thông tin trinh sát, từ đó làm rõ yêu cầu về chất lượng của các hệ thống ổn định định hướng.

- Vấn đề cần nghiên cứu của luận án dựa trên những kết quả phân tích hệ thống dẫn đường quán tính không đế mà trong đó quan trọng hơn cả là xác định được ba bài toán cần giải.

- Cấu trúc, nguyên lý làm việc của hệ thống và các thuật toán dẫn đường quán tính. Quy trình xử lý các thông tin định hướng TBB.

Đây là những cơ sở lý thuyết, toán học và vật lý rất cần thiết để triển khai các nội dung nghiên cứu ở những chương tiếp theo.

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

Qua những nội dung chính ở chương I ta có thể rút ra một số nhận xét quan trọng sau:

Nhận xét thứ nhất. Hệ thống ĐKĐH trên khoang TBBKNL là một thành phần quan trọng của hệ thống ĐKQT. Nhiệm vụ chính của hệ ĐKĐH là bảo đảm định hướng đúng cho TBB trong quá trình bay tương ứng với sự cơ động của nó khi có tác động điều khiển theo chương trình. Cùng với việc giải quyết bài toán cơ bản là định vị, hệ ĐKĐH còn đảm bảo cho TBBTS thực hiện các thuật toán xác định tọa độ mục tiêu dưới mặt đất bằng các thông tin về các góc định vị của chính bản thân TBB.

Nhận xét thứ hai. Để định hướng trục thẳng đứng trong hệ ĐKQT có đế, phần tử chính của hệ ĐKĐH là con quay thẳng đứng [39, 41], giá thành, khối lượng và kích thước hình học của nó chiếm tỷ trọng đáng kể đối với phần còn lại của hệ thống. Con quay thẳng đứng cung cấp cho hệ thống thông tin về vị trí đường thẳng đứng vuông góc với mặt phẳng dẫn đường địa phương. Nhờ có thông tin này mà việc giữ định hướng cho TBB theo góc gật và liệng mới có khả năng thực hiện được. Đặc biệt quan trọng là việc giữ cho TBBKNL ở đúng vị trí cần thiết theo độ liệng, bởi vì đối với TBB có sơ đồ khí động kiểu cánh phẳng, nhìn chung, không tự đảm bảo giữ được góc liệng bằng 0 [42].

Con quay thẳng đứng là phần tử phức tạp và đắt giá nhất trong hệ thống thiết bị điều khiển trên khoang của TBB. Bảng 2.1 dưới đây tổng hợp một số dữ liệu thống kê về khối lượng và giá thành một số loại con quay thẳng đứng khác nhau sử dụng trong hệ thống điều khiển TBBKNL [40].

Bảng 2.1 Đặc trưng kích thước, khối lượng và giá thành của con quay

Tên gọi

Khối lượng (kg)	Đơn giá (USD)	Nhà sản xuất
Con quay thẳng đứng TBBKNL "Con ong"	4,5	Không có dữ liệu	Nhà máy TBVT "Kưstưm"
Con quay thẳng đứng МГВ-5 của TBB "Moskar"	1,3	12.000	Liên hiệp "TempAvia"
Con quay thẳng đứng МГВ-6 của TBB "Grand"	1,0	6.000	Liên hiệp "TempAvia"
Con quay thẳng đứng МГВ-1У	4,5	Không có dữ liệu	Nhà máy chế tạo TBĐ "Uran"

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 151 trang tài liệu này.

Nhận xét thứ ba. Người ta có thể sử dụng những cảm biến từ trường Trái đất công nghệ mới có giá thành rẻ, khối lượng và kích thước rất nhỏ để làm thiết bị đo bổ trợ trong hệ ĐKĐH [22, 24].

Nhận xét thứ tư. Hoàn toàn có khả năng xây dựng một hệ ĐKĐH không dùng con quay thẳng đứng cơ – điện, mà thay vào đó là các cảm biến VTG công nghệ mới có trọng lượng nhỏ, kích thước cực nhỏ và giá thành thấp [27].

Từ những nguồn thông tin nước ngoài ta có thể lập ra bảng 2.2 so sánh hệ dẫn đường quán tính khi sử dụng cảm biến dạng con quay điện cơ truyền thống với cảm biến dùng con quay vi cơ công nghệ mới [39, 40]:

Bảng 2.2 Các sai số và hệ số có ảnh hưởng tới kết quả đo VTG

Hệ dẫn đường quán tính

Dạng cảm biến

Khối lượng

(kg)

Giá thành

(USD)

Có đế

Con quay điện-cơ

2,5  35

5.000  100.000

Không đế

Con quay vi-cơ

0.25  2.5

250  2.000

Dựa vào những nhận xét trên, trong chương này luận án tập trung đi sâu phân tích, chứng minh cho khả năng sử dụng từ trường Trái đất vào mục đích

điều khiển và ổn định định hướng cho TBBKNL, tức là khả năng xác định các vận tốc quay của TBB quanh các trục hệ TĐLK thông qua việc đo vector từ trường Trái đất

Các kết quả nghiên cứu cho phép ta xây dựng được những hệ ĐKĐH cho TBB có đầy đủ chức năng, có chất lượng cao mà giá thành, khối lượng và kích thước phù hợp, cho phép tăng thêm tải trọng của thiết bị trinh sát hay nhiên liệu, tức là làm tăng hiệu quả hoạt động của TBBKNL.

2.1 Những khái niệm cơ bản về từ trường Trái đất và cảm biến

2.1.1 Mô hình chung của từ trường Trái đất

Hiện vẫn tồn tại khá nhiều các giả thiết giải thích sự xuất hiện của từ trường Trái đất (TTTĐ). Có một giả thiết hợp lý hơn cả liên hệ sự xuất hiện của TTTĐ với các dòng chảy kim loại lỏng trong nhân Trái đất. Theo tính toán, người ta

cho rằng, vùng chịu tác động của cơ chế “Máy phát từ trường” nằm trong phạm vi khoảng cách 0,25  0,3 bán kính trái đất so với tâm trái đất [40]. Theo quan điểm đó người ta coi từ trường Trái đất như thể tạo bởi một thanh nam châm thẳng đặt giữa tâm Trái đất [40], xem hình 2.1.

cực từ Bắc

cực Bắc địa lý Trái đất

11.50

cực Nam địa lý Trái đất

Lõi từ

cực từ Nam

Từ trường Trái đất đã được sử Hình 2.1 Từ trường Trái đất

dụng vào mục đích định hướng, dẫn đường từ thời Trung Hoa cổ đại, đó chính là chiếc La bàn đầu tiên do người Trung Quốc phát minh. Từ trường đã và sẽ tiếp tục được sử dụng vào việc định hướng nhờ các cực từ của Trái đất, nó có thể sử dụng để xác định vị trí của đối tượng [14, 19].

Đã từ lâu kim nam châm trên một trục quay hay trong chất lỏng luôn chỉ vào một hướng hoàn toàn xác định. Đó chính là hướng của vector cường độ từ

trường của Trái đất. Nếu như ta dẫn mặt phẳng thẳng đứng đi qua trục dọc của kim nam châm, thì vết của mặt phẳng thẳng đứng với mặt phẳng ngang địa phương được gọi là kinh tuyến từ. Từ trường Trái đất tại mỗi điểm trong không gian gần mặt đất được đặc trưng bởi 3 đại lượng: cường độ từ trường, độ lệch và độ dốc vector cường độ từ trường [40].

Với mục đích định hướng cho TBB, ta quan tâm nhất tới các giá trị góc của vector cường độ từ trường, đó là độ lệch và độ dốc của nó tại mọi điểm trên quỹ đạo chuyển động. Vector cường độ từ trường ta sẽ gọi đơn giản là vector từ trường (VTT).

Độ dốc đường sức từ trường được xác định bởi góc nghiêng giữa VTT và mặt phẳng ngang địa phương (mặt phẳng đạo hàng). Độ lệch từ trường được xác định bởi góc lệch giữa phương Bắc cực từ và kinh tuyến từ, tức là phương vị của VTT so với phương Bắc địa lý [20]. VTT có thể biểu diễn dưới dạng tọa độ đề-các thông thường [40]. Hình chiếu của nó lên mặt phẳng ngang địa phương (thông thường ta gọi là thành phần ngang của VTT) chỉ góc lệch của VTT so với phương Bắc địa lý. Hình chiếu đứng của VTT người ta gọi là thành phần đứng của từ trường, thông thường thành phần này người ta quan niệm như là nhiễu tạp trong phép đo từ trường và không được sử dụng.

Trong thực tế từ trường Trái đất có thể coi là bất biến theo thời gian. Chính vì vậy người ta đã lập ra bản đồ từ trường Trái đất cho các khu vực giống như bản đồ địa lý phục vụ cho công tác dẫn đường và định hướng. Ví dụ cho bản đồ từ trường thể hiện trên hình 2.2.

Cường độ từ trường Trái đất có giá trị khoảng 0,5 - 0,6 gauss và có một thành phần song song với bề mặt Trái đất và luôn luôn chỉ về một hướng cực từ Bắc. Đây chính là cơ sở cho tất cả la bàn từ sử dụng để dẫn đường và định hướng.

Hình 2.2 Bản đồ từ trường Trái đất

Giá trị của từ trường theo các trục Hx và Hz sẽ có giá trị khác nhau nếu đo bằng la bàn từ trong dải từ 0 đến 360 độ, xem hình 2.3.

180

225

270

315

360

[µG]

400

300

200

100

N E S W N

-100

-200

-300

-400

Hình 2.3 Thay đổi từ trường trong mặt phẳng ngang XOZ

Như vậy nếu bằng cách nào đó ta đo được giá trị của từ trường theo các

trục thì ta có thể hoàn toàn xác định được hướng của TBB và căn cứ vào tín hiệu đo được ta có thể điều khiển định hướng cho TBB. Việc đo các thông tin về từ trường Trái đất bằng các loại cảm biến từ trường có độ nhạy cao, độ chính xác cao chỉ mới xuất hiện trong thời gian gần đây trên cơ sở công nghệ tiến tiến cho phép ta thực tế hóa mong muốn trên.

2.1.2 Một số loại cảm biến từ trường công nghệ mới

Cảm biến từ trường đơn giản nhất để xác định hướng của VTT chính là kim nam trong la bàn từ mà ta đã biết. Để có thể tự động lấy ra những thông tin về sự thay đổi hướng chỉ của kim la bàn, người ta thay kim nam châm bằng cuộn từ (nam châm điện), thông tin lấy từ cuộn nam châm điện được lấy ra theo nguyên lý cảm ứng từ. Dưới đây ta điểm qua một số dụng cụ đo từ trường hiện đại mà thường gọi là đầu dò hay bộ đo từ trường.

a) Đầu dò từ trường

Để sử dụng các dữ liệu về hướng của VTT trong các hệ thống tự động điều khiển cách tốt nhất là các dữ liệu này cần nhận được dưới dạng tín hiệu điện. Với mục đích đó, từ những năm 40 thế kỷ XX người ta đã sử dụng rộng rãi đầu dò từ trường, ví dụ như đầu dò từ trường bão hòa [15].

Nguyên lý hoạt động của đầu dò từ trường cũng giống như bộ khuếch đại từ. Trên một lõi từ hở bao gồm 2 thanh nam châm vĩnh cửu, người ta quấn 2 cuộn cảm ứng. Một trong hai cuộn là cuộn kích thích, cuộn còn lại là cuộn đo. Đi qua cuộn kích thích người ta đưa dòng xung có chu kỳ lặp lại. Khi không có từ trường bên ngoài (không có xung qua cuộn kích thích) trong cuộn đo sẽ không có suất điện động cảm ứng (ЭДС). Từ trường bên ngoài sẽ phá vỡ sự đối xứng của các cuộn, kết quả ở đầu ra cuộn đo sẽ xuất hiện các xung cực tính xen kẽ (xung đổi dấu tuần tự), biên độ của chúng mang thông tin về cường độ từ trường bên ngoài.

Độ nhạy cao, kích thước hình học nhỏ (vài milimet), không đòi hỏi phải có phần tử chuyển động là những đặc trưng cơ bản minh chứng cho việc sử dụng rộng rãi các loại đầu dò từ trường trong các hệ thống định hướng dẫn đường.

Một hệ thống có 3 đầu dò từ trường như trên, bố trí vuông góc nhau tạo nên một hệ tọa độ đề-các thuận cho phép ta xác định một cách đầy đủ từng