Đề xuất hướng nghiên cứu, chế tạo thành sản phẩm dựa trên các vật liệu, linh kiện có sẵn trên thị trường theo công nghệ vi cơ MEMS

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các kết luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tôi xin cam đoan thông tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Hải phòng, ngày tháng TÁC GIẢ Lê Văn Kỷ i năm 2015 LỜI CÁM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, Tôi xin gửi đến quý Thầy Cô Viện đào tạo sau đại học, Khoa Điện - Điện tử thuộc Trường Đại học Hàng hải Việt Nam với tri thức tâm huyết truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho suốt thời gian học tập trường Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy giáo TS Phạm Văn Phước tận tâm hướng dẫn, chỉnh sửa thảo luận lĩnh vực dẫn đường nói chung dẫn đường quán tính không đế nói riêng, giúp nghiên cứu sâu nội dung đề tài Một lần nữa, Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Đề tài nghiên cứu hệ thống dẫn đường quán tính không đế(SINT) lý thuyết công nghệ nguyên lý ổn định, dẫn đường bản, có nội dung rộng ứng dụng nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt ứng dụng Quân Quốc phòng Trong đó, thời gian nghiên cứu, thực đề tài ngắn, tài liệu nghiên cứu chủ yếu nước Do vậy, trình thực tránh khỏi thiếu sót, khuyết điểm, thân mong nhận đóng góp quý báu Thầy cô bạn quan tâm đến lĩnh vực Tôi xin hứa tiếp thu, học hỏi tinh thần cầu thị để hiểu sâu sắc nội dung đề tài nghiên cứu ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CÁM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU v DANH MỤC CÁC HÌNH vi MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG .4 1.1 Các hệ thống dẫn đường .4 1.2 Nguyên lý phát triển hệ thống dẫn đường quán tính 1.2.1 Các khái niệm 1.2.2 Lịch sử phát triển 1.2.3 Hệ thống dẫn đường quán tính đại ngày 12 1.3 Giới thiệu hệ thống dẫn đường quán tính tàu Việt nam .13 CHƯƠNG HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG QUÁN TÍNH KHÔNG ĐẾ 18 2.1 Nguyên lý hệ thống dẫn đường quán tính không đế 18 2.1.1 Hệ thống dẫn đường quán tính không đế hai chiều đơn giản 18 2.1.2 Hệ thống dẫn đường không đế ba chiều 22 2.2 Con quay hồi chuyển .25 2.2.1 Chức phân loại quay hồi chuyển 25 2.2.2 Các tính chất quay hồi chuyển 26 2.2.3 Công nghệ quay hồi chuyển 29 2.3 Bộ đo gia tốc 47 2.3.1 Phép đo chuyển động tịnh tiến 47 2.3.2 Công nghệ đo gia tốc kế .49 2.4 Công nghệ hệ thống không đế (Strapdown system) 55 2.4.1 Các thành phần hệ thống dẫn đường không đế 55 2.4.2 Chức khối 56 2.5 Các ứng dụng hệ thống dẫn đường quán tính không đế 57 2.5.1 Các ứng dụng hệ thống dẫn đường quán tính 57 2.5.2 Một số ứng dụng điển hình 58 iii CHƯƠNG MÔ PHỎNG HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG QUÁN TÍNH KHÔNG ĐẾ TRÊN MALAB 61 3.1 Tính toán hệ thống dẫn đường quán tính không đế 61 3.1.1 Các phương trình dẫn đường quán tính 61 3.2 Mô hệ thống dẫn đường quán tính .66 3.2.1 Mô hình quay hồi chuyển 66 3.2.2 Mô hình đo gia tốc 66 3.2.3 Mô hình thuật toán dẫn đường 67 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Chữ viết tắt IMU MEMS INS FOG I-FOG AHRS MOEMS CDU INU BSI EB ALIM HRG RLG NMR ESGs IN SINS CAS GPS DC Offset GNSS SINT Giải thích Inertial Measurement Unit MicroElectroMechanical systems Inertial Navigation Systems Fibre Optic Gyroscope Interferometric Fiber-Optic Gyroscope Atitude and Heading Reference Systems Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems Control Display Unit Inertial Navigation Unit Block Sensor Inertial Electrical Block Alimentation(Khối nguồn cung cấp) Hemispherical Resonator Gyroscope Ring Laser Gyroscope Nuclear Magnetic Resonance Electrostatically Suspended Gyroscopes Inertial Navigation Ship Inertial Navigation Systems Cold Atomic Sensors Global Positioning System Direct Current Offset Global Navigation Satellite System Strapdown Inertial Navigation Technology v DANH MỤC CÁC HÌNH Số hình 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 Tên hình Dẫn đường chiều Dẫn đường hai chiều Sự phát triển ứng dụng cảm biến không đế Sơ đồ khối hệ thống dẫn đường quán tính Sigma 40XP Cấu trúc quay laser GLS32 Tổng quan cấu trúc khối BSI Hệ thống dẫn đường quán tính không đế hai chiều Các khung tọa độ tham chiếu cho dẫn đường hai chiều Hệ thống quán tính không đế hai chiều dẫn đường hệ tọa độ tham chiếu quay Các hệ tọa độ tham chiếu cục Vector vị trí hệ tọa độ tham chiếu Sơ đồ quay hồi chuyển hai trục Giải thích đơn giản tiến động Mô hình cộng hưởng rung Vòng tròn quay (Sagnac) giao thoa Đặc tính vào quay laze Con quay quang sợi vòng hở Cấu hình quay sợi thuận nghịch Con quay hồi chuyển sợi vòng kín Gia tốc kế đơn giản Các thành phần gia tốc kế giao thoa Mach-Zehnder Cấu trúc hệ thống dẫn đường quán tính không đế Hệ thống đo đạc giếng khoan dùng cáp kết nối Các tác vụ tính toán hệ thống dẫn đường quán tính Trang 12 14 15 15 18 19 20 22 23 26 27 31 34 37 41 42 43 47 53 55 58 60 không đế Mô hình quay hồi chuyển 65 Mô hình đo gia tốc 66 Mô hình thuật toán dẫn đường 67 Quỹ đạo phương tiện sử dụng hệ thống dẫn đường quán 67 tính không đế vi vii MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong năm 50 kỷ trước, hệ thống ổn định hệ thống dẫn đường chủ yếu sử dụng hệ quay hồi chuyển Các thiết bị ứng dụng nhiều lĩnh vực khác như: ổn định cho bệ đỡ anten Radar, anten vệ tinh; dẫn đường cho phương tiện xe cộ tàu thuyền, tên lửa; điều khiển robot, cấu xe Các thiết bị có độ bền cao sai số lớn, thời gian ổn định lâu, kích thước lại cồng kềnh có độ xác khả trì ổn định thấp, ảnh hưởng không nhỏ đến việc thiết kế trang bị mang Thiết bị ổn định dẫn đường trang bị phương tiện có vị trí, chức vô quang trọng Các thiết bị cung cấp thông số tư thế, ví trí địa lý tốc độ phương tiện để chuyển đổi từ hệ trục tọa độ phương tiện mang thiết bị sang hệ tọa độ dẫn đường phục vụ tính toán toán bắn đón quân sự, ổn định quỹ đạo xác định vị trí phương tiện mà không cần tín hiệu vô tuyến dẫn đường Trong năm gần đây, Việt nam sử dụng nhiều trang bị ổn định dẫn đường quán tính để trang bị tàu, xe bệ, xe tăng tên lửa quân Công tác bảo đảm kỹ thuật, bảo đảm trang bị cho hệ thống gặp nhiều khó khăn, chi phí bảo quản, bảo dưỡng, sửa chữa hàng năm tốn kém, giá thành trang bị đắt đỏ Trong đó, số vật tư, linh kiện quán tính công nghệ có sẵn thị trường hệ cảm biến vi MEMS…, việc nghiên cứu công nghệ hệ thống dẫn đường quán tính không đế có ý nghĩa cấp thiết Trong tương lai, thiết kế, sản xuất hệ thống ứng dụng công nghệ để đáp ứng nhu cầu nước nhằm giảm giá thành, tiết kiệm chi phí Nghiên cứu sâu công nghệ dẫn đường quán tính không đế góp phần phục vụ cho công tác bảo đảm, bảo quản, bảo dưỡng, sửa chữa hệ thống dẫn đường quán tính tàu Hải quân nói riêng trang bị có ứng dụng hệ thống nói chung Tình hình nghiên cứu Một số trang bị ứng dụng công nghệ quán tính không đế sử dụng Việt nam là: Hệ thống Sigma40 XP Safran Pháp sử dụng công nghệ quay lade; hệ thống motion sensor hãng TSS Anh sử dụng quay rung; hệ thống octans Đức sử dụng công nghệ quay quang sợi… Hiện nay, chưa có nghiên cứu thức công bố nghiên cứu công nghệ quán tính không đế nói chung, số học viện, nhà trường nghiên cứu công nghệ vi MEMS ứng dụng Robot điều khiển Một số báo nước đề cập đến công nghệ dẫn đường không đế song chưa sâu, chưa rõ ràng công nghệ lý thuyết dẫn đường quán tính Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài Tổng hợp công nghệ dẫn đường công nghệ quay hồi chuyển, công nghệ đo gia tốc tính toán IMU hệ thống, phương trình dẫn đường quán tính Mô chung hệ thống Matlab để đánh giá khả dẫn đường tác động sai số bên lên hệ thống dẫn đường quán tính không đế Đề xuất hướng nghiên cứu, chế tạo thành sản phẩm dựa vật liệu, linh kiện có sẵn thị trường theo công nghệ vi MEMS Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thiết bị thực tế: Trên sở nghiên cứu, hệ thống lại toàn công nghệ cảm biến,lý thuyết hệ thống dẫn đường quán tính không đế để phân tích thiết bị trang bị ứng dụng công nghệ không đế Hải quân nói chung Phương pháp mô hệ thống quán tính không đế lý tưởng: Xây dựng mô hình mô cho hệ thống dẫn đường không đế như: mô hình đo gia tốc; mô hình quay hồi chuyển; mô hình thuật toán dẫn đường mô hình hệ thống dẫn đường hoàn chỉnh Ngoài đề tài sử dụng số phương pháp phân tích, làm sáng tỏ ưu nhược điểm hệ thống dẫn đường ứng dụng công nghệ không đế Xu hướng phát triển mở rộng công nghệ ứng dụng lĩnh vực khác đời sống người Ý nghĩa khoa học thực tiễn Đề tài tổng hợp công nghệ dẫn đường quán tính không đế, sở, tảng lý thuyết để tính toán cho hệ thống dẫn đường không đế Ứng dụng công nghệ dẫn đường quán tính lĩnh vực khác đời sống hệ cân robot; hệ thống dẫn đường xe oto tự động… Nêu tình trạng nghiên cứu khả ứng dụng cảm biến sẵn có thị trường để thiết kế, chế tạo hệ thống dẫn đường Khả làm chủ, bảo đảm kỹ thuật cho trang bị hoạt động hệ thống Hải quân nói riêng nước nói chung • Tên lửa thụ động điều khiển lộn vòng; • Vận chuyển cá nhân (Segway Ibot); • Ổn định đầu dò; • Ổn định đường ngắm; 2.5.2 Một số ứng dụng điển hình  Khảo sát lỗ khoan: Các giếng khoang sử dụng mũi khoan để thăm dò khai thác khí hydrocarbon dầu, khí ga từ bên bề mặt trái đất Yêu cầu việc khảo sát, khai thác phải biết độ xác quỹ đạo giếng khoan lòng đất Các yếu tố ảnh hưởng là: tính kinh tế phải hạn chế va chạm giếng khoan Trước vài năm, ngành công nghiệp dầu mỏ độ xác liệu MWD(measuremrent whilst drilling- đo đạc khoan) phụ thuộc vào từ trường trái đất Trong điều kiện quay phương pháp khả thi Những hệ thống quay thường dùng cho việc đo đạc lỗ khoan giếng mặt đất Một hệ thống đầy đủ sau: * Hệ thống đo đạc quán tính: Hệ thống dùng để đo đạc giếng khoan hoàn chỉnh Trong ứng dụng đó, thăm dò bao gồm hệ thống dẫn đường quán tính, hạ xuống kéo lên giếng đường dây cuộn liên tục bên Đường dây vật trung gian để liên kết bề mặt đo đạc bảo quản suốt trình đo đạc Một hệ thống kiểu bao gồm mô đun hình vẽ 2.17 Hệ thống bề mặt bao gồm máy tính để bàn máy tính cá nhân gắn với khối nguồn khối điều khiển Chúng định dạng giao thức máy tính dây cáp theo đầu dò lên xuống giếng Hệ thống đo đạc thay giếng, khối lỗ dưới, bao gồm dò bề mặt điện tử Bộ dò gồm hệ thống dẫn đường quán tính, thiết bị hỗ trợ điện, phần cứng giao tiếp, truyền động chạy kết hợp Giao tiếp hai chiều hệ thống bề mặt hệ thống lỗ bảo quản suốt trình liệu đo độ sâu cho phép thực truyền đến đầu dò cho 58 mục đích hỗ trợ quán tính liệu đo đạc gửi đến bề mặt để hiển thị lưu trữ Hình 2.17 Hệ thống đo đạc giếng khoan dùng cáp kết nối Độ xác đo đạc nhỏ 1m/1000m độ sâu đo được, xác nữa, tần suất yêu cầu cho phép giếng định vị xác theo giếng ngầm mặt đất nhỏ từ giải phóng dầu khí ga  Hệ thống dẫn đường tàu biển theo quán tính(SINS): Các hệ thống trước có đặc tính dẫn đường quán tính tương đối xác kích thước lớn, giá thành cao, nặng lại phải gắn vào tàu nên hạn chế thiết kế tàu phù hợp với công nghệ Vào năm 1983, hệ thống dựa kỹ thuật quay hồi chuyển vòng laze sử dụng để dẫn đường cho tàu biển  Điều khiển ổn định phương tiện: Hiện nay, ứng dụng hệ thống dẫn đường cảm biến quán tính cho phương tiện đất liền, biển, tác chiến không thành phần thiếu Có thể kể đến như: * Máy lái tự động: Một máy lái tự động hệ thống khép kín dùng để ổn định đường bay chọn yêu cầu * Điều khiển lộn vòng tên lửa thụ động: Hệ thống bao gồm mặt điều khiển cánh nhỏ gắn chặt với cánh hướng đến mép trước cánh cố định tên lửa Bên cánh nhỏ rô to quay với đường trực giao trục quay đến bề mặt cánh vị trí cánh nhỏ Rô to kích hoạt chuyển động dòng khí qua cánh tên lửa 59  Ngoài ứng dụng trên, kỹ thuật dẫn đường quán tính áp dụng Segway and Ibot(vận chuyển người), đa, định hướng búp sóng laze, định hướng bay cho máy bay phương pháp ổn định hệ thống khác[3] 60 CHƯƠNG MÔ PHỎNG HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG QUÁN TÍNH KHÔNG ĐẾ TRÊN MALAB 3.1 Tính toán hệ thống dẫn đường quán tính không đế Tính toán hệ thống dẫn đường không đế liên quan đến xác định tư phương tiện, vận tốc vị trí từ phép đo tốc độ góc lực đặc biệt thời gian thực nhận từ thiết bị quán tính gắn phương tiện Các tác vụ khối hình 3.1 Hình 3.1 Các tác vụ tính toán hệ thống dẫn đường quán tính không đế Các phép đo thực cảm biến quán tính sử dụng nhiều dạng phương trình khác để cung cấp thông tin dẫn đường mong muốn Có nhiều phương pháp tính toán để tính toán tư thế, phép biến đổi vector lực đặc biệt tính toán dẫn đường 3.1.1 Các phương trình dẫn đường quán tính Các phương trình tốc độ vị trí, biểu diễn dạng tích phân sau: v n = ∫ f n dt − ∫ [ 2ωie + ωen ] × v n dt + ∫ gdt t t t 0 t X = ∫ v n dt n 61 (3.1) (3.2) Phương trình yêu cầu để ước lượng số hạng tích phân xử lý dẫn đường để xác định tốc độ, vị trí phương tiện Các vector phương trình biểu diễn dạng thành phần sau: V n = [ vN vE X n = [ xN xE vD ] −h] T T ωie = [ ΩcosL Ω sin L ]  v ωen =  e  R0 + h −vN R0 + h g = [ 0 g] T T ve tan L   R0 + h  T Sử dụng biểu thức để dẫn đường lân cận trái đất hệ tọa độ địa lý thẳng đứng cục Các số hạng tích phân phương trình (3.1) biểu diễn tổng tốc độ thay đổi chu kì cập nhập, u n un = ∫ tk +1 tk f n dt (3.3) Khi đó, số hạng hàm tư vật thể với f n = Cbn f b phải tính toán tốc độ đủ lớn để xem xét đặc tính động phương tiện Sự phân bố trọng lực, vector tốc độ cập nhập thời gian từ tk đến tk +1 sử dụng công thức sau: Vkn+1 = Vkn + u n + gδ t (3.4) Số hạng tích phân thứ hai Cbn bao gồm hiệu chỉnh gia tốc Coriolis Nhìn chung, phân bố V n nhỏ so với số hạng khác phương trình Khi tốc độ thay đổi độ lớn số hạng Coriolis tương đối thấp, đủ lớn để áp dụng lượng hiệu chỉnh tốc độ cập nhập tương đối thấp, sử dụng thuật toán đơn giản sau: Vl n+1 = [ I − 2Ω ieδ tl − Ω enδ tl ] Vl n Trong đó: 62 (3.5) Ωie = [ ωie ×] Ω en = [ ωen ×] Vl n = vector tốc độ thời điểm tl δ tl = tl +1 − tl Cuối cùng, vị trí lấy việc tích phân vector tốc độ phương trình(3.2) 3.1.2 Phương pháp tính toán phương trình dẫn đường không đế  Tính toán tư phương tiện Đặc tính động tư vật thể định nghĩa phương trình (3.6 đến 3.8) Trong Ω ma trận đối xứng lệch vector ω Ωbib đầu quay hồi chuyển không đế, đó, Ωbbn nhận phương trình 3.6 ωbnb = ωibb − Cnb ωien + ωenn  Trong đó: ωien = [ Ωcosφ −Ωsinφ ]  V ωenn =  E  Rλ + h VN ( Rφ + h) (3.6) T VE tan φ   ( Rλ + h)  T Góc quay vật thể tăng hệ tọa độ dẫn đường thu phương trình(3.7): ∆θ nbb = ( ∆θ X ∆ θY ∆θ Z ) = ∆θibb ( ωien + ωenn ) ∆ta T (3.7) biên độ tăng góc quay tính theo phương trình 3.8 ∆θ = ∆θ X2 + ∆θY2 + ∆θ Z2 (3.8) Góc quay tăng nhận phương trình 3.7 3.8 sử dụng để cập nhập quaternion  c  − s∆θ Z qk +1 = qk + 0.5   s∆θY   − s ∆θ X s∆θ X − s∆θY c − s∆θ X s∆θ X c − s∆θY − s ∆θ Z 63 s∆θ X  ÷ s ∆θ Y ÷ q s∆θ Z ÷ k ÷ c  (3.9) s = ∆θ ∆θ ∆θ sin = 1− + + ∆θ 24 1920 ∆θ ∆θ   ∆θ c =  cos − 1÷ = + + 192    Tính toán vị trí tốc độ phương tiện Tốc độ hệ tọa độ vật thể tăng lực đặc biệt chuyển đổi sang hệ tọa độ dẫn đường cho phương trình(3.10) • V n = Cbn f b − ( 2ωien + ωenn ) × Vn + γ n ∆t (3.10) f b đầu đo gia tốc biểu diễn lực đặc biệt theo trục vật thể; ωien ωenn tốc độ quay hệ tọa độ đất(e-frame) tương ứng với hệ tọa độ quán tính(i-frame) khung n tới khung e hệ tọa độ n tương ứng; γ trọng lực cục γ n = ( 0 λ) T (3.11) Trong γ n trọng lực thông thường vĩ độ địa lý ϕ độ cao h cho phương trình(3.12) γ = a1 (1 + a2 sin ϕ + a3 sin ϕ ) + (1 + a2 sin ϕ ) h + a6 h (3.12) Sử dụng mô hình trọng lực WGS84 ta có: a1=9.7803267715 a4= -0.0000030876910891 a2= 0.0052790414 a5= 0.0000000043977311 a3= 0.0000232718 a6= 0.0000000000007211 Tích phân tốc độ biển diễn 3.13 Vkn+1 = Vkn + ∆Vkn+1 (3.13) vị trí tích phân sử dụng phương pháp Runge-kutta hệ số hai rkn+1 = rkn + 0.5r n (Vkn + ∆Vkn+1 )∆t (3.14)  Một số yếu tố ảnh hưởng gây sai số hệ thống dẫn đường quán tính không đế bao gồm: 64 * Độ dịch chuyển: Độ dịch chuyển đầu đo gia tốc/con quay quay gia tốc đầu vào Độ dịch chuyển quay điển hình biểu diễn độ/giờ rad/s độ dịch chuyển gia tốc biểu diễn m/s2 g * Hệ số tỷ lệ: Hệ số tỷ lệ tỷ số thay đổi đầu vào mong muốn với giá trị đo Hệ số tỷ lệ nói chung đánh độ dốc đường thẳng thích hợp phương pháp bình phương tối thiểu liệu đầu vào-đầu * Lỗi cân chỉnh: Các sai số lỗi cân chỉnh cảm biến kết chế tạo khí không hoàn hảo trình lắp ráp gia tốc/con quay trực giao trục mặt phẳng * Độ trôi nhạy cảm -G: Đây sai lệch chức gia tốc sử dụng cho cảm biến * Độ trôi nhạy cảm - G2: Tốc độ trôi nhạy cảm bình phương - gia tốc quay bất đẳng giao quay trước hết chức thiết kế lắp đặt quay không biến đổi nhiều từ đơn vị đến đơn vị ko phải với thời gian * Độ lệch CG: Độ lệch di chuyển tín hiệu đo gia tốc mà dẫn tới sai số cân chỉnh hệ thống tác động đến việc xác định góc lắc ngang, lắc dọc ban đầu * Nhạy cảm nhiệt: Nhạy cảm nhiệt xem xét tới phạm vị thay đổi đặc tính hoạt động cảm biến, đặc biệt sai số sai lệch sai số hệ số tỷ lệ với thay đổi nhiệt độ * Nhiễu lượng tử: Nhiễu lượng tử gây khác nhỏ biên độ thực tế gia tốc tốc độ góc độ phân giải cảm biến * Sai số ngẫu nhiên: Các sai số ngẫu nhiên thay đổi ngẫu nhiên sai lệch cảm biến qua thời gian Các trình ngẫu nhiên bao gồm tạp âm trắng, số ngẫu nhiên(sai lệch ngẫu nhiên), bước ngẫu nhiên thời gian trình tương quan 65 3.2 Mô hệ thống dẫn đường quán tính 3.2.1 Mô hình quay hồi chuyển Dạng phân tích mô sau: a=(ai+Nai+B+kcac+v)(1+∆K/K) (3.15) Trong đó: N sai lệch trục cảm nhận(rad); B - độ dịch chuyển(biểu diễn phần trăm độ); kc độ cảm nhận trục giao nhau(phần trăm a c); v-nhiễu cảm biến(được tính mật độ v d biểu diễn µg/Hz1/2; K- hệ số tỷ lệ(V/g) ∆K sai số hệ số tỷ lệ(phần trăm K); a, ai, ac tính m/s2 Mô hình thu nhỏ cảm biến gia tốc bao gồm sai số chúng như: độ dịch chuyển, sai số tỷ lệ, sai lệch trụ, cảm biến trục giao nhiễu Đầu vào gia tốc a i theo trục cảm nhận, ac gia tốc trục giao gia tốc đầu a Hình 3.2 Mô hình quay hồi chuyển 3.2.2 Mô hình đo gia tốc Mô hình liên quan tới cảm biến quay hồi chuyển thực matlab/simulink phương trình ω = (ωi + S.ar+B+v)(1+∆K/K) (3.16) Trong đó: ω tốc độ góc đầu ra(tín hiệu can thiệp) diễn tả o /s , ωi tốc độ góc sử dụng( o /s ); S- cảm nhận gia tốc ar hướng bất kỳ(( o /s )/g), B - độ dịch chuyển(biểu diễn phần trăm độ), v-nhiễu cảm biến(được tính mật độ vd diễn đạt µg/Hz1/2’ K- hệ số tỷ lệ(V/g) ∆K - sai số hệ số tỷ lệ(phần trăm K) 66 Hình 3.3 Mô hình đo gia tốc 3.2.3 Mô hình thuật toán dẫn đường → Với r vector vị trí phương tiện hệ tọa độ ngang cục t r r' r' [r ]l =[r (0)]l + ∫ [υ ]l dt = [ xl yl zl ]T (3.17) Các phương trình xác định tọa độ, độ cao phương tiện là: t φ (t ) = φ (0) + ∫ υ yl dt , Rφ + h υ xl dt , ( R + h ) cos φ λ t λ (t ) = λ (0) + ∫ (3.18) t h(t ) = h(0) + ∫ υ zl Các phương trình xác định tốc độ phương tiện sau: υ υ  υ  dυ xl = f xl + xl yl tgφ + 2Ω sin φυ yl − υ zl  xl + 2Ω cos φ ÷+ g axl , dt Rλ + h  Rλ + h  dυ yl υ yl υ xl = f yl + tgφ − 2Ω sin φυ xl − υ zl + g ayl , dt Rλ + h Rφ + h υ yl dυ zl υ xl2 = f zl + + + 2Ωυ xl cos φ + g azl dt Rφ + h Rλ + h 67 (3.19) Trong đó: h độ cao tương đối so với hình elip chuẩn; Rφ , Rλ bán kính đường cong elip chuẩn, λ , φ kinh độ vĩ độ phương tiện, f xl , f yl , f zl thành phần lực đặc biệt hệ tọa độ ngang cục bộ, υ xl , υ yl , υ zl thành phần tốc độ phương tiện tương hệ tọa độ cố định có tâm trái đất hệ tọa độ ngang cục bộ, Ω tốc độ quay trái đất quanh trục nó, g axl , g ayl , g azl thành phần gia tốc trọng lực biểu kiến hệ tọa độ ngang cục Trên sở phương trình dẫn đường trên, ta xây dựng mô hình thuật toán sau: Hình 3.4 Mô hình thuật toán dẫn đường không đế Hình 3.5 Quỹ đạo phương tiện sử dụng hệ thống dẫn đường quán tính không đế 68 * Nhận xét: Với phương pháp tạo giả tín hiệu cảm biến đưa vào mô hình thuật toán dẫn đường để kiểm tra tính xác hệ thống dẫn đường Trên kết mô 3D ta thấy rằng: Đường xanh đường hệ thống mô trường hợp lý tưởng; đường đỏ đường mà hệ thống mô với tác động can nhiễu Điểm xuất phát nhau, điểm cuối lệch Điều hoàn toàn phù hợp với lý thuyết, hệ thống dẫn đường quán tính không đế nói chung, hệ thống dẫn đường quán tính nói riêng xác định tốc độ, vị trí, tư phương tiện sai lệch lớn theo thời gian Chính vậy, trình hoạt động hệ thống đòi hỏi phải có kết hợp với hệ thống dẫn vô tuyến khác để tăng độ xác Đối với hệ thống dẫn đường quán tính tàu mặt nước, tàu ngầm, hệ thống dẫn đường cho tên lửa cần thiết phải kết hợp với hệ thống định vị vệ tinh GPS, Glonass… Các điểm tác nghiệp phương tiện cho phép cập nhập vị trí định kỳ để hiệu chuẩn, tăng độ xác hệ thống dẫn đường quán tính 69 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Cùng với phát triển mạnh mẽ công nghệ quay hồi chuyển cảm biến gia tốc, hệ thống dẫn đường quán tính không đế ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực Sự kết hợp hệ thống dẫn đường quán tính hệ thống dẫn đường vô tuyến lựa chọn tối ưu trang bị, phương tiện để bảo đảm độ xác hệ thống Đặc biệt hệ thống khám phá không gian vũ trụ, hệ thống tên lửa hành trình, thiết bị bay, hệ thống dẫn đường cho tàu thuyền, xe cộ tàu ngầm…Về nguyên lý, hệ thống dẫn đường quán tính nói chung có ưu điểm tự trị hay tự tính toán tư thế, tốc độ vị trí phương tiện mà không phụ thuộc vào nhân tố bên tác động vào hệ thống với độ xác tương đối cao khoảng thời gian ngắn Ngoài ra, hệ thống dẫn đường quán tính không đế có ưu điểm tượng Gimbal lock, tức hệ thống thay đổi quỹ đạo cách đột ngột sai số hệ thống nhỏ ổn định kịp thời Tốc độ cập nhật liệu hệ thống không đế hoạt động tốt với tốc độ là 2000 lần/ giây hệ thống có đế 50-60 lần/ giây Cấu trúc hệ thống dẫn đường không đế đơn giản, gọn nhẹ, giá thành thấp có độ xác tương đối phù hợp với nhiều thiết kế phương tiện có tính chất đặc thù cao đòi hỏi kích thước nhỏ, trọng lượng thấp… Hiện nay, hệ thống dẫn đường quán tính không đế sử dụng quay lazer, quay vòng quang sợi, quay rung ứng dụng rộng rãi Tuy nhiên, hệ thống ứng dụng công nghệ vi MEMS tích hợp sẵn nhiều chức chíp với kích thước nhỏ gọn, linh hoạt lập trình hứa hẹn đáp ứng tính ứng dụng dân sử dụng robot, bánh xe Nhược điểm hệ thống công nghệ vật liệu chưa đáp ứng với tiêu kỹ thuật Vì vậy, độ ổn định có độ xác không cao, khả chống chịu va đập, hoạt động điều kiện thời tiết khắc nghiệt hạn chế Trong tương lai gần, công nghệ nhiều khả thay cho hệ thống dẫn đường quán tính đắt tiền trước 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Amitava Bose, Somnath Puri and Paritosh Banerjee(August, 2009), Modern inertial sensor and systems, Published by Asoke K Ghosh, PHI learning Private Limited, M-97, Connought Circus New Delhi -110001 and Printed by Rajkamal Elictric Press; [2] Agard Lecture series No.133(May 1984), Advances in Strapdown inertial System, On Greece; [3] David Titterton and John Weston(2004), Strapdown inertial navigation Technology, 2nd Edition, The institution of Enginneering and Technology; [4] Dah-Jing jwo, Jyun-han shih, Chia-sheng Hsu, and Kai-Lun Yu(2014), Development of a strapdown inertial navigation system simulation platform; journal of marine sience and technology; [5] Oliver J Woodman; (August 2007), An introduction to inertial navigation Techical Report; [6] Lucian T.Grigorie, Ruxandra M.botexz(2010), Modeling and numerical simulation of an algorithm for the inertial sensors errors reduction and the increase of the strap-down navigation redundancy degree in a low cost architecture; [7] Tran Duc Tan, Paul Fortier, Huu Tue Huynh Design(2011), Simulation and performance Analysis of an INS/GPS system using Parallel Kalman filters Structure; [8] Teodor Lucian Griorie and Ruxandra Mihaela Botez(), Modelling and Simulation Based Matlab/Simulink of a Strap-Down inertial Navigation System’ Errors due to the inertial Sensors, University of Craiova, Romania; [9] John E.Bortz(1970), A new concept in strapdown inertial navigation, Electronics Research Center Cambridge, Mass; [10] Michal Reinstein, (7/2011), Evaluation of fine Alignment Algorithm for inertial navigation, Czech Techical University in Prague; 71 [11] Sigma 40XP INS, operating manual, september 2009; Sagem Defense Security; [12] Sigma 40XP INS, Mantenance manual, september 2009; Sagem Defense Security; [13] Sigma 40XP INS SDI-XPH, Installation Manual, september 2009; Sagem Defense Security; [14] Sigma 40XP INS, Techical manual, september 2009; Sagem Defense Security [15] Sigma 40 Interface Control Document(ICD), jully 2007 Sagem Defense Security; [16] Maksim Eskin (Januaary 2006), Design of an inertial navigation unit using MEMS sensors; [17] Mohamed S Ahmed, Danilo V.Cuk (2/2005), Comparison of different computation methods for strap inertial navigation systems; [18] PGS.TS Phạm Văn Thứ (2015), Bài giảng phương pháp nghiên cứu khoa học, Viện đào tạo sau đại học - Trường đại học Hàng hải Việt Nam 72 ... ĐOAN i LỜI CÁM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU v DANH MỤC CÁC HÌNH vi MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC... toán dẫn đường 67 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Chữ viết tắt IMU MEMS INS FOG I-FOG AHRS MOEMS CDU INU BSI EB... systems Inertial Navigation Systems Fibre Optic Gyroscope Interferometric Fiber-Optic Gyroscope Atitude and Heading Reference Systems Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems Control Display Unit Inertial