Nghiên Cứu Sâu Về Công Nghệ Dẫn Đường Quán Tính

DANH MỤC CÁC HÌNH1.3 Sự phát triển các ứng dụng của cảm biến không đế 121.4 Sơ đồ khối hệ thống dẫn đường quán tính Sigma 40XP 14 2.1 Hệ thống dẫn đường quán tính không đế hai chiều 182.

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác.Tôi xin cam đoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ

rõ nguồn gốc

Hải phòng, ngày tháng năm 2015

TÁC GIẢ

Lê Văn Kỷ

LỜI CÁM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, Tôi xin gửi đến quý Thầy Cô ở Viện đào tạo sau đại học, Khoa Điện - Điện tử thuộc Trường Đại học Hàng hải Việt Nam cùng với tri thức và tâm huyết của mình đã truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho tôi trong suốt thời gian học tập tại trường

Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy giáo TS Phạm Văn Phước đã tận tâm hướng dẫn, chỉnh sửa cũng như thảo luận về lĩnh vực dẫn đường nói chung và dẫn đường quán tính không đế nói riêng, giúp tôi nghiên cứu sâu các nội dung của 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) là những lý thuyết công nghệ và các nguyên lý ổn định, dẫn đường cơ bản, có nội dung rộng và được ứng dụng trên nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là ứng dụng trong Quân sự - Quốc phòng Trong khi đó, thời gian nghiên cứu, thực hiện đề tài còn ngắn, tài liệu nghiên cứu chủ yếu của nước ngoài Do vậy, trong quá trình thực hiện không thể tránh khỏi những thiếu sót, khuyết điểm, bản thân tôi rất mong nhận được những đóng góp quý báu của các Thầy cô và các bạn quan tâm đến lĩnh vực này Tôi xin hứa sẽ tiếp thu, học hỏi trên tinh thần cầu thị để hiểu sâu sắc hơn các nội dung đề tài đã nghiên cứu

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 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG 4

1.1 Các hệ thống dẫn đường 4

1.2 Nguyên lý và sự phát triển của các hệ thống dẫn đường quán tính 6

1.2.1 Các khái niệm cơ bản 6

1.2.2 Lịch sử phát triển 9

1.2.3 Hệ thống dẫn đường quán tính hiện đại ngày nay 12

1.3 Giới thiệu các hệ thống dẫn đường quán tính trên các tàu Việt nam 13

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG QUÁN TÍNH KHÔNG ĐẾ 18

2.1 Nguyên lý cơ bản của 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 năng và phân loại các con quay hồi chuyển 25

2.2.2 Các tính chất cơ bản của con quay hồi chuyển .26

2.2.3 Công nghệ con 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 các bộ đo gia tốc kế 49

2.4 Công nghệ hệ thống không đế (Strapdown system) 55

2.4.1 Các thành phần của một hệ thống dẫn đường không đế 55

2.4.2 Chức năng các khối .56

2.5 Các ứng dụng của hệ thống dẫn đường quán tính không đế 57

2.5.1 Các ứng dụng của hệ thống dẫn đường quán tính 57

2.5.2 Một số ứng dụng điển hình 58

CHƯƠNG 3 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 phỏng hệ thống dẫn đường quán tính 66

3.2.1 Mô hình con quay hồi chuyển 66

3.2.2 Mô hình bộ 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

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

IMU Inertial Measurement Unit

MEMS MicroElectroMechanical systems

INS Inertial Navigation Systems

FOG Fibre Optic Gyroscope

I-FOG Interferometric Fiber-Optic Gyroscope

AHRS Atitude and Heading Reference Systems

MOEMS Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems

CDU Control Display Unit

INU Inertial Navigation Unit

BSI Block Sensor Inertial

ALIM Alimentation(Khối các nguồn cung cấp)

HRG Hemispherical Resonator Gyroscope

NMR Nuclear Magnetic Resonance

ESGs Electrostatically Suspended Gyroscopes

SINS Ship Inertial Navigation Systems

GPS Global Positioning System

DC Offset Direct Current Offset

GNSS Global Navigation Satellite System

SINT Strapdown Inertial Navigation Technology

DANH MỤC CÁC HÌNH

1.3 Sự phát triển các ứng dụng của cảm biến không đế 121.4 Sơ đồ khối hệ thống dẫn đường quán tính Sigma 40XP 14

2.1 Hệ thống dẫn đường quán tính không đế hai chiều 182.2 Các khung tọa độ tham chiếu cho dẫn đường hai chiều 192.3 Hệ thống quán tính không đế hai chiều dẫn đường trong hệ

2.5 Vector vị trí trong hệ tọa độ tham chiếu 23

2.15 Các thành phần của gia tốc kế giao thoa Mach-Zehnder 532.16 Cấu trúc hệ thống dẫn đường quán tính không đế 552.17 Hệ thống đo đạc giếng khoan dùng cáp kết nối 583.1 Các tác vụ tính toán của hệ thống dẫn đường quán tính

3.5 Quỹ đạo của phương tiện sử dụng hệ thống dẫn đường quán

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm 50 của thế kỷ trước, các hệ thống ổn định và các hệ thống dẫn đường chủ yếu sử dụng các hệ con quay cơ hồi chuyển Các thiết bị này được ứng dụng trên rất nhiều lĩnh vực khác nhau như: ổn định cho các bệ đỡ như anten Radar, anten vệ tinh; dẫn đường cho các phương tiện như xe cộ tàu thuyền, tên lửa; trong điều khiển robot, các cơ cấu xe Các thiết bị này có độ bền cao nhưng sai số rất lớn, thời gian ổn định rất lâu, kích thước lại rất cồng kềnh có độ chính xác và khả năng duy trì ổn định thấp, ảnh hưởng không nhỏ đến việc thiết kế trang bị mang nó

Thiết bị ổn định và dẫn đường trang bị trên các phương tiện có vị trí, chức năng vô cùng quang trọng Các thiết bị này cung cấp các thông số về tư thế, về ví trí địa lý và tốc độ của phương tiện để chuyển đổi từ hệ trục tọa độ của phương tiện mang thiết bị sang hệ tọa độ dẫn đường phục vụ tính toán các bài toán bắn đón trong quân sự, ổn định quỹ đạo và xác định vị trí của phương tiện mà không cần tín hiệu vô tuyến dẫn đường

Trong những năm gần đây, Việt nam đã sử dụng rất nhiều trang bị ổn định và dẫn đường quán tính để trang bị trên các tàu, các xe bệ, các xe tăng và tên lửa trong quân sự Công tác bảo đảm kỹ thuật, bảo đảm trang bị cho các hệ thống này gặp rất nhiều khó khăn, chi phí bảo quản, bảo dưỡng, sửa chữa hàng năm rất tốn kém, giá thành của trang bị rất đắt đỏ Trong khi đó, một số vật tư, linh kiện quán tính công nghệ mới hiện nay rất có sẵn trên thị trường như các hệ cảm biến vi cơ MEMS…, vì vậy việc nghiên cứu công nghệ các hệ thống dẫn đường quán tính không đế có ý nghĩa rất cấp thiết Trong tương lai, có thể thiết kế, sản xuất các hệ thống này ứng dụng các công nghệ mới để đáp ứng nhu cầu trong nước nhằm giảm giá thành, tiết kiệm chi phí Nghiên cứu sâu về công nghệ dẫn đường quán tính không đế góp phần phục vụ cho công tác bảo đảm, bảo quản, bảo dưỡng, sửa chữa các hệ thống dẫn đường quán tính trên các tàu Hải quân nói riêng và các trang bị

có ứng dụng các hệ thống này nói chung

2 Tình hình nghiên cứu

Một số trang bị ứng dụng công nghệ quán tính không đế hiện nay đang được sử dụng tại Việt nam đó là: Hệ thống Sigma40 XP của Safran Pháp sử dụng công nghệ con quay lade; hệ thống motion sensor của hãng TSS của Anh sử dụng con quay rung; hệ thống octans của Đức sử dụng công nghệ con quay quang sợi…Hiện nay, chưa có nghiên cứu chính thức công bố về các nghiên cứu về công nghệ quán tính không đế nói chung, một số học viện, nhà trường đã nghiên cứu công nghệ vi cơ MEMS ứng dụng trong các Robot điều khiển

Một số bài báo trong nước đề cập đến công nghệ dẫn đường không đế song còn chưa sâu, chưa rõ ràng về các công nghệ và lý thuyết dẫn đường quán tính

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài.

Tổng hợp các công nghệ dẫn đường như các công nghệ về con quay hồi chuyển, các công nghệ về bộ đo gia tốc và bộ tính toán IMU của hệ thống, các phương trình dẫn đường quán tính Mô phỏng chung một hệ thống trên Matlab để đánh giá khả năng dẫn đường và các tác động của sai số bên ngoài lên hệ thống dẫn đường quán tính không đế 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

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết cơ bản kết hợp với các thiết bị thực tế: Trên

cơ sở nghiên cứu, hệ thống lại toàn bộ các công nghệ cảm biến,lý thuyết của hệ thống dẫn đường quán tính không đế để phân tích các thiết bị được trang bị ứng dụng công nghệ không đế hiện nay của Hải quân nói chung

Phương pháp mô phỏng một hệ thống quán tính không đế lý tưởng: Xây dựng các mô hình mô phỏng cho hệ thống dẫn đường không đế như: mô hình bộ đo gia tốc; mô hình con quay hồi chuyển; mô hình thuật toán dẫn đường và mô hình hệ thống dẫn đường hoàn chỉnh

Ngoài ra đề tài còn sử dụng một số phương pháp phân tích, làm sáng tỏ các ưu nhược điểm của các hệ thống dẫn đường ứng dụng công nghệ không đế Xu hướng phát triển và mở rộng công nghệ cũng như các ứng dụng trên các lĩnh vực khác của đời sống con người

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Đề tài tổng hợp các công nghệ dẫn đường quán tính không đế, cơ sở, nền tảng

lý thuyết để tính toán cho hệ thống dẫn đường không đế Ứng dụng của công nghệ dẫn đường quán tính trên các lĩnh vực khác của đời sống như các hệ cân bằng robot; các hệ thống dẫn đường xe oto tự động… Nêu tình trạng nghiên cứu và khả năng ứng dụng các cảm biến sẵn có trên thị trường hiện nay để thiết kế, chế tạo các

hệ thống dẫn đường Khả năng làm chủ, bảo đảm kỹ thuật cho các trang bị đang hoạt động trên các hệ thống hiện nay của Hải quân nói riêng và cả nước nói chung

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG

1.1 Các hệ thống dẫn đường

 Dẫn đường mục tiêu

Phương pháp dẫn đường bằng mục tiêu là phương pháp dẫn đường và xác định

vị trí của phương tiện, trang bị bằng những mục tiêu nhìn thấy Những mục tiêu nhìn thấy có thể là đỉnh ngọn núi, các ngọn hải đăng, các cọc chập tiêu, các phao dẫn đường ngoài biển… Phương pháp dẫn đường bằng mục tiêu là phương pháp cổ điển, xa xưa và đơn giản nhất

 Dẫn đường bằng dự tính

Phương pháp dẫn đường bằng dự tính là phương pháp dẫn đường dựa vào vị trí xuất phát ban đầu, tốc độ di chuyển, thời gian và hướng di chuyển để dự tính vị trí của phương tiện Phương pháp này nếu không có ảnh hưởng của ngoại cảnh như dòng chảy, sóng, gió thì có độ chính xác cao

 Dẫn đường thiên văn

Phương pháp dẫn đường thiên văn học là dựa vào việc quan sát các thiên thể đã biết trên bầu trời như mặt trời, mặt trăng và các vì sao Phương pháp này sử dụng sextant để đo độ cao và góc giữa các thiên thể, dùng đồng hồ để đo thời gian và dùng lịch thiên văn để tính toán vị trí của phương tiện Phương pháp dẫn đường thiên văn học là phương pháp được sử dụng nhiều trong lĩnh vực hàng hải trước đây

 Dẫn đường vô tuyến

Phương pháp dẫn đường vô tuyến điện là phương pháp sử dụng thiết bị phát sóng vô tuyến điện từ một hoặc một số trạm phát cố định có vị trí đã biết Tại điểm thu sóng, máy thu sẽ tính toán thời gian, phương vị, khoảng cách đến các trạm phát

và kết quả thu được cho ta vị trí máy thu – vị trí người quan sát Phương pháp sử dụng GPS/GNSS cũng được coi là phương pháp vô tuyến điện, các vệ tinh, hệ thống định vị toàn cầu được coi là các trạm phát vô tuyến điện ở trong vũ trụ Hiện nay phương pháp này được sử dụng nhiều nhất trong hàng hải

 Dẫn đường quán tính

Hoạt động của hệ thống đẫn đường quán tính phụ thuộc vào định luật cơ học cổ điển được xây dựng bởi Issac Newton Định luật của Newton cho chúng ta biết rằng chuyển động của một vật thể sẽ liên tục đồng nhất trong một đường thẳng trừ khi bị tác động của một ngoại lực bên ngoài lên vật thể Định luật này cũng cho chúng ta biết rằng lực này sẽ tạo ra một gia tốc tỉ lệ của vật thể Từ khả năng đo gia tốc, nó có thể tính được sự thay đổi trong vận tốc và vị trí bằng cách tích phân liên tiếp gia tốc theo thời gian Gia tốc có thể xác định bằng cách sử dụng thiết bị như gia tốc kế Một hệ thống quán tính dẫn đường thường bao gồm ba thiết bị như vậy, mỗi cái có khả năng xác định gia tốc theo một hướng Các gia tốc thường được gắn với các trục nhạy cảm vuông góc với một trục khác, tức là chúng vuông góc với nhau

Để tìm vị trí đối với hệ quy chiếu quán tính cần thiết phải giữ hướng của gia tốc kế Chuyển động góc quay của vật thể đối với hệ quy chiếu quán tính có thể được đo bằng cảm biến con quay hồi chuyển và sử dụng xác định hướng của gia tốc tại mọi thời điểm Với thông tin này, nó có thể giải quyết gia tốc trong hệ tọa độ tham chiếu trước khi quá trình tích phân diễn ra

Do đó, dẫn đường quán tính là quá trình mà theo đó các phép đo được lấy từ con quay hồi chuyển và các gia tốc kế để xác định vị trí của phương tiện trọng hệ mà chúng được lắp đặt Bằng cách hợp nhất hai tập đo, nó có thể xác định chuyển động dài của phương tiện trong hệ quy chiếu quán tính và đo để tính toán vị trí của

nó trong đó

Hệ thống quán tính hoàn toàn khép kín trong phương tiện, theo ý nghĩa mà chúng không phụ thuộc vào sự truyền tín hiệu từ phương tiện hay nhận tín hiệu từ các nguyền ngoài Tuy nhiên, hệ thống dẫn đường quán tính phụ thuộc vào các tham số chính xác có sẵn về vị trí phương tiện lúc bắt đầu chuyển hướng Các phép

đo quán tính này sau đó được sử dụng để ước lượng những thay đổi ở vị trí mà diễn ra sau đó

1.2 Nguyên lý và sự phát triển của các hệ thống dẫn đường quán tính

1.2.1 Các khái niệm cơ bản

Ví dụ đơn giản của dẫn đường một chiều liên quan đến xác định vị trí của tàu

mà được di chuyển dọc theo một đường giữa hai vị trí trên một mặt phẳng hoàn toàn Nó có thể xác định vận tốc tức thời của phương tiện và khoảng cách đã đi từ một điểm khởi đầu đã biết bằng cách sử dụng các phép đo gia tốc dọc theo quãng đường Các cảm biến gọi là gia tốc kế cung cấp các thông tin về chuyển động của

nó Nếu một gia tốc kế là cố định trên phương tiện sẽ cung cấp các thông tin về gia tốc của tàu Tích phân gia tốc theo thời gian cung cấp vận tốc tức thời của tàu, vận tốc ban đầu được biết trước Tích phân lần hai ta được khoảng cách đi được của tàu

so với điểm ban đầu đã biết Gia tốc kế cùng với một máy tính, hoặc các thiết bị bổ trợ khác có khả năng tích phân tạo thành hệ thống dẫn đường một chiều đơn giản

Hình 1.1 Dẫn đường một chiều

Nhìn chung, một hệ thống dẫn đường yêu cầu cung cấp tín hiệu vị trí của phương tiện đối với một hệ quy chiếu biết trước Xem xét ví dụ di chuyển tàu theo một con đường, như mô tả trong hình 1.1, cần thiết để xác định vị trí của tàu theo khung tọa độ tham chiếu chỉ ra trong hình vẽ

Với thông tin về gia tốc của tàu dọc theo quãng đường và góc của đường tạo với

hệ tọa độ tham chiếu, tọa độ x, y có thể được xác định Điều này có thể thực hiện bằng cách đo gia tốc trong hệ tọa độ tham chiếu để đưa ra các thành phần x, y và bằng cách tích phân thích hợp các tín hiệu thu được để thu được vận tốc và vị trí của phương tiện trong các trục tham chiếu

Trong trường hợp đơn giản này, góc của đường xác định bằng góc của tàu so với

hệ tọa độ tham chiếu

Hình 1.2 Dẫn đường hai chiềuVới trạng thái tổng quát được minh họa trong hình 1.2, với đường là cong, nó là cần thiết để xác định liên tục chuyển động tịnh tiến của tàu ở hai hướng và thay đổi hướng đi của nó để xác định các phép quay của tàu theo hướng vuông góc với mặt phẳng chuyển động như tàu chuyển động dọc theo đường

Hai gia tốc kế bây giờ được yêu cầu để xác định chuyển động tịnh tiến theo hướng thẳng đứng và vuông góc với đường Một cảm biến thích hợp để đo chuyển động quay là con quay hồi chuyển Tùy thuộc vào dạng xây dựng của cảm biến này

có thể được sử dụng để cung cấp hoặc là hướng của mũi tàu so với khung tọa độ tham chiếu, hoặc là tốc độ của tàu Ở trường hợp sau, góc hướng của tàu có thể được tính bằng tích phân của phép đo này, cung cấp góc được biết lúc bắt đầu

chuyển động Đưa ra thông tin như vậy, nó có thể liên quan đến các phép đo gia tốc được lấy trên một trục mà được cố định trên tàu, với khung tọa độ tham chiếu Các phép đo tức thời của gia tốc có thể được giải quyết trong hệ tọa độ quy chiếu

và tích phân theo thời gian để xác định vận tốc tức thời và vị trí của phương tiện so với khung tọa độ

Hệ thống dẫn đường hai chiều bao gồm con quay hồi chuyển, hai gia tốc kế và một máy vi tính Thực tế, các cảm biến quán tính có thể đặt trên nền mà được ổn định trong không gian và bị cách li khỏi vòng quay của phương tiện hoặc đặt trực tiếp trên phương tiện để tạo thành một hệ thống không đế Các phép đo được xử lí trong máy tính để cung cấp liên tục ước lượng vị trí, vận tốc và hướng đi của tàu Cần phải nhấn mạnh rằng, dẫn đường quán tính về cơ bản phụ thuộc vào sự chính xác về vị trí, vận tốc và hướng có sẵn trước khi bắt đầu chuyển động Thông thường phương tiện được yêu cầu để xác định vị trí trong hệ tọa độ ba chiều Bởi vậy,

ba con quay hồi chuyển sẽ được yêu cầu để cung cấp phép đo về tốc độ quay của phương tiện theo ba trục riêng biệt, trong khi ba gia tốc kế cung cấp các thành phần gia tốc mà phương tiện trải qua theo các trục Để thuận tiện và chính xác, ba trục thường chọn là vuông góc với nhau từng đôi một

Trong hầu hết các ứng dụng, hệ tọa độ được xác định bằng các trục nhạy cảm của cảm biến quán tính được tạo trùng với trục của phương tiện hoặc vật thể, nơi cảm biến được đặt và được xem như bộ trục của vật thể Các phép đo cung cấp bởi con quay hồi chuyển được sử dụng để xác định tư thế và hướng của vật thể so với

hệ tọa độ tham chiếu Thông tin tư thế và hướng sau đó được sử dụng để giải quyết

đo gia tốc trong hệ tọa độ tham chiếu Gia tốc sau đó có thể được tích phân hai lần

để có được vận tốc và vị trí phương tiện trong hệ tọa độ tham chiếu

Con quay hồi chuyển cho phép những thay đổi về tư thế và tốc độ góc của phương tiện đối với không gian quán tính Gia tốc kế gắn liền gia tốc của phương tiện, gia tốc đối với không gian quán tính và có sự hiện diện của trường hấp dẫn.Những cảm biến này thực tế cung cấp các phép đo về sự khác biệt giữa gia tốc thực trong không gian và gia tốc do trọng lực Lượng này lực không trọng lực trên

mỗi đơn vị khối lượng tác động lên thiết bị gọi là “lực đặc biệt” Do đó, các phép

đo cung cấp bởi gia tốc kế, đặc biệt khi vật thể lớn gần như trái đất, phải kết hợp với kiến thức về trường trọng lực của vật thể để xác định gia tốc của phương tiện đối với không gian quán tính Sử dụng thông tin này, gia tốc của phương tiện liên quan đến vật thể có thể được xác định

Do đó, chức năng dẫn đường được hoàn thành bằng cách kết hợp các phép đo sự quay của phương tiện và lực đặc biệt cùng với kiến thức về trường trọng lực để tính toán ước lượng tư thế, gia tốc và vị trí đối với hệ quy chiếu đã được xác định trước

Để hệ thống dẫn đường quán tính thực thi tính toán được thì các thông số, các phương trình chức năng sau phải được xác định đó là:

• Xác định góc chuyển động của phương tiện sử dụng cảm biến con quay hồi chuyển, từ đó vĩ độ của nó liên quan đến hệ tọa độ tham chiếu có thể được xác định

• Đo lực đặc biệt sử dụng gia tốc kế;

• Giải quyết các phép đo lực đặc biệt theo hệ tọa độ tham chiếu sử dụng thông tin cung cấp bởi con quay hồi chuyển;

• Đánh giá kết quả lực từ các trường hấp dẫn - lực hấp dẫn của trái đất trong trường hợp hoạt động của hệ thống trong lân cận của trái đất;

• Tích phân giải quyết phép đo lực đặc biệt để đạt được ước lượng về vận tốc

và vị trí của phương tiện

1.2.2 Lịch sử phát triển

Tổ tiên của chúng ta đi tìm thức ăn ở trên đất liền, họ băng qua các con sông sử dụng mốc bờ, đó là dẫn đường bằng quan sát Xa hơn nữa của kĩ thuật vị trí cố định là đã thấy người Polynesian băng qua Thái Bình dương 2000 năm trước sử dụng kiến thức về các thiên thể và vật thể cố định Những kĩ thuật này chỉ có thể sử dụng trong điều kiện thời tiết tốt Trong suốt thế kỉ 13, người Trung Quốc đã khám phá ra các tính chất của đá nam châm và ứng dụng các nguyên lý từ tính để chế tạo một chiếc la bàn Họ sử dụng thiết bị này để dẫn đường thành công bang qua biển Nam Trung Hoa Thiết bị này không hạn chế tầm nhìn nhưng rất khó để sử dụng trong điều kiện khắc nhiệt Sự phát triển đáng kể khác để giúp tính khoảng cách dài

là kính lục phân cho phép xác định vị trí một cách chính xác trên mặt đất

Trong thế kỉ 17, Issac Newton đã định nghĩa các định luật cơ học và lực hấp dẫn, đó là những nguyên lý cơ bản của dẫn đường quán tính Đầu thế kỉ 18, Harrison sáng chế ra một đồng hồ bấm giờ chính xác cho phép nhìn thấy vật thể

mà không cần tham chiếu đến đường chân trời và sau đó có thể xác định chính xác kinh độ Những thiết bị này, khi sử dụng với hải đồ và bảng tham chiếu vị trí của các thiên thể, cho phép dẫn đường chính xác, sử dụng các vật thể được nhìn thấy Foucault được ghi nhận với sự phát hiện của hiệu ứng con quay năm 1852 Những người khác như Bohneberger, Johnson và Lemarle đều nghiên cứu chuyển động quay của trái đất và chứng minh động lực học quay Họ sử dụng khả năng quay quanh trục của một đĩa duy trì cố định trong không gian Thế kỉ 19, nhiều thiết bị con quay hồi chuyển được sản xuất Năm1890, giáo sư G.H.Bryan khám phá hiện tượng quay vòng quanh trụ rỗng và sau đó ứng dụng cho con quay hồi chuyển trạng thái rắn

Những năm đầu của thế kỉ 20 chứng kiến sự phát triển của la bàn con quay để cung cấp hướng cho phương tiện Những nguyên lý cơ bản của thiết bị này là chỉ hướng bắc thật Anh em nhà Sperry cũng đi đầu trong việc ứng dụng hiệu ứng con quay để sản xuất thiết bị dẫn đường và máy lái tự động trong máy bay và con quay hồi chuyển cho ngư lôi

Những năm đầu thập kỉ 1920, các cảm biến gia tốc kế vòng hở được phát triển, Shuler đã chứng minh được thiết bị tìm hướng bắc trên đất liền với độ chính xác 22 giây cung Việc phát triển ổn định cho các hệ thống điều khiển hỏa lực súng pháo trên tàu và xác định các khái niệm cho một hệ thống dẫn đường quán tính Boykow là người đã nhận ra sử dụng các gia tốc kế và con quay hồi chuyển để tạo thành một hệ thống dẫn đường quán tính đầy đủ Tuy nhiên cũng ở giai đoạn này, công nghệ các cảm biến quán tính chưa cho phép sản xuất và chứng minh một hệ thống như vậy

Chiến tranh thế giới thứ hai đã minh chứng cho thấy các nguyên lý của dẫn đường quán tính trong phiên bản tên lửa thứ nhất và thứ hai bởi các nhà khoa học Đức Thời điểm này có nhiều nghiên cứu trên thế giới về các cảm biến quán tính

công nghệ mới, nâng cao tính chính xác và năm 1949 lần đầu tiên công bố khái niệm kĩ thuật không đế cho dẫn đường.

Tốc độ phát triển và công nghệ đổi mới nhanh chóng trong những năm 1950 với nhiều tiến bộ trong các ứng dụng đường biển và trên không Cảm biến chính xác hơn được sản xuất với tính chính xác của con quay hồi chuyển tang lên đáng kể Sai lệch trong cảm biến được giảm từ 15º/h xuống còn 0,01º/h Cũng trong những năm của thập kỉ 1950, nguyên lý về phản hồi lực được áp dụng để chứng minh khối lượng trong một gia tốc kế để chế tạo một thiết bị gia tốc kế chính xác

Những năm đầu của thập niên 1950 đã cho thấy việc chế tạo hệ thống đế ổn định, tiếp đó là lần đầu tiên đi qua Hoa kì bằng máy bay sử dụng dẫn đường quán tính đầy đủ Các hệ thống dẫn đường quán tính trở thành thiết bị chuẩn trong máy bay quân sự, tàu chiến và tàu ngầm trong suốt những năm của thập kỉ 1960 Thời

kì này chứng kiến sự phát triển vượt bậc với việc tăng độ chính xác các cảm biến, thu nhỏ các thiết bị này và bắt đầu phát triển con quay laser Các dự án chính của thời kì này mà công nghệ hệ thống quán tính được ứng dụng là các chương trình tên lửa đạn đạo và khám phá không gian

Một bước tiến lớn là ứng dụng của máy vi tính và phát triển con quay hồi chuyển với dải động học rộng cho phép nguyên lý không đế được kiểm nghiệm Điều này cho phép kích thước và độ phức tạp của hệ thống dẫn đường quán tính được giảm đáng kể Việc sử dụng các phương pháp mới đã cho phép các cảm biến quán tính nhỏ, tin cậy, chắc chắn và chính xác được sản xuất là tương đối rẻ, điều này cho phép ứng dụng là rất rộng rãi Giai đoạn này cũng cho thấy tiến bộ đáng kể trong phát triển các cảm biến trạng thái rắn như con quay hồi chuyển quang học và gia tốc kế silíc

Hệ thống dẫn đường quán tính trong những năm gần đây đã dịch chuyển dần từ

hệ ổn định đến công nghệ không đế như chỉ dẫn trên hình 1.3 Hình này chỉ ra việc gia tăng các ứng dụng của các hệ thống không đế từ sự tiến bộ trong công nghệ con quay hồi chuyển

Mốc quan trọng trong sự phát triển này là kết quả của sự phát triển tích hợp, thu nhỏ con quay hồi chuyển, con quay tự động điều chỉnh và gần đây hơn là cảm biến vòng quay laser, sợi quang học và con quay rung Các cảm biến MEMS đã phát triển mạnh mẽ đang và sẽ là nền tảng để mở rộng các ứng dụng của dẫn đường quán tính Các hệ thống không đế đang trở nên phổ biến sử sụng cho máy bay và các ứng dụng tên lửa dẫn đường Gần đây công nghệ này đã được ứng dụng cho tàu biển và tàu ngầm.

Hình 1.3 Sự phát triển các ứng dụng của cảm biến không đế

1.2.3 Hệ thống dẫn đường quán tính hiện đại ngày nay

Phạm vi ứng dụng của các hệ thống dẫn đường quán tính đã và đang được sử dụng rất là rộng, bao gồm dẫn đường của tàu, máy bay, tên lửa chiến thuật, chiến lược và vũ trụ Hơn nữa, có thêm một vài ứng dụng nữa trong lĩnh vực rô bốt, hệ thống giảm sốc tích cực trong xe đua hoặc động cơ hiệu suất cao trên ô tô và cứu

hộ dưới lòng đất cũng như trong các đường ống Ví dụ, các ứng dụng tên lửa chiến thuật có thể yêu cầu dẫn đường quán tính và hướng dẫn chính xác khoảng một vài trăm mét trong khoảng thời gian phút hay một vài giây, trong khi những hệ thống

trên không được yêu cầu hoạt động một vài giờ trong khi duy trì hiểu biết về vị trị máy bay với độ chính xác đến một hoặc hai hải lý hoặc tốt hơn Trong trường hợp các ứng dụng của hàng hải hoặc vũ trụ, các hệ thống như vậy có thể được yêu cầu cung cấp dữ liệu dẫn đường với độ chính xác tương tự trong khoảng thời gian vài tuần, vài tháng hoặc thậm chí lâu hơn trong trường hợp khám phá liên hành tinh Một ví dụ điển hình là tàu vũ trụ Voyager mà được dẫn đường thông qua hệ thống năng lượng mặt trời trong hơn 25 năm.

Mặc dù các nguyên lý cơ bản của hệ thống dẫn đường quán tính không thay đổi trong các ứng dụng khác nhau Tuy nhiên, kĩ thuật và công nghệ thiết bị sử dụng cho việc thực hiện chức năng dẫn đường trong các ứng dụng đa dạng như vậy cũng khác nhau rất nhiều Đặc biệt là các phương pháp và công nghệ tích hợp trong các

hệ thống dẫn đường quán tính hiện nay

* Xu hướng phát triển cảm biến quán tính: Một số loại cảm biến quán tính đã

đạt được tiến bộ đáng kể trong thập kỉ qua Sự phát triển của các thiết bị vi cơ điện tử(MEMS) về kích thước và hiệu suất mà có thể đạt được đang tiến gần đến mức

độ quán tính, vì thế rất có khả năng đạt được trong tương lai gần Sự phát triển của

hệ thống vi cơ quang học(MOEMS) được mong đợi cung cấp các cảm biến hiệu suất cao và của con quay sợi quang học đã bắt đầu thay thế các con quay bằng laser đắt tiền hơn trong tương lai gần

Các kĩ thuật mới chẳng hạn như giao thoa nguyên tử lạnh, đang được nghiên cứu cho các ứng dụng độ chính xác cao và sẽ là triển vọng lớn trong lĩnh vực dẫn đường quán tính mà không cần các hệ thống dẫn đường vô tuyến như GPS, các hệ thống vô tuyến định hướng…

1.3 Giới thiệu các hệ thống dẫn đường quán tính trên các tàu Việt nam

Hiện nay, hệ thống dẫn đường quán tính được trang bị trên các tàu của Hải quân rất nhiều loại khác nhau, cả công nghệ cũ và công nghệ mới như: Hệ thống dẫn đường quan tính ladoga; hệ thống dẫn đường quán tính cama-nx; hệ thống dẫn đường quán tính aleyT-e.1 Trong phần này, xem xét hệ thống dẫn đường quán tính Sigma 40XP do hãng Safran Pháp sản xuất

* Chức năng hệ thống Sigma 40 XP:

- Thông tin về góc hướng, góc lệch ngang, lệch dọc của tàu ngầm trong thời gian thực; xác định tư thế(AHRS)

- Thông tin về tốc độ và vị trí trong thời gian thực;

- Biến đổi các dữ liệu hàng hải nhận được từ các thiết bị khác (chẳng hạn như: cảm biến độ sâu, cảm biến tốc độ, cảm biến vị trí hoặc kiểu khác)

* Sơ đồ khối của hệ thống (hình 1.4)

Hình 1.4 Sơ đồ khối hệ thống dẫn đường quán tính Sigma 40XP

* Nguyên lý chung: Hệ thống SIGMA 40 XP INS sử dụng các con quay laser để xác định thông tin vị trí, tốc độ, góc hướng, dựa trên các thông tin được cung cấp bởi các cảm biến, thiết bị ngoại vi Các phép đo gia tốc được ước lượng theo hệ tọa

độ cục bộ và sau đó được tích phân để cung cấp thông tin về vị trí và tốc độ Các

góc hướng của tàu được liên tục cung cấp bởi các con quay hồi chuyển để tính toán Thông tin bên ngoài chủ yếu bao gồm tốc độ và độ sâu và vị trí được cung cấp bởi các thiết bị hoặc cảm biến bên ngoài.

* Khối cảm biến:

Hình 1.5: Cấu trúc của con quay laser GLS32

Hình 1.6 Tổng quan về cấu trúc khối BSITrong hệ thống này ta sẽ xét chức năng các khối, modul bên trong của INU:

+ Khối BSI: Bao gồm 3 con quay lazer GLS32(hình 1.5) đặt theo hình tam giác

và 3 gia tốc kế được bố trí dọc theo 3 trục trực giao của cạnh tam giác(hình 1.6) Mỗi con quay lazer cung cấp một tín hiệu là kết quả sự khác biệt về tần số quang học giữa 2 chùm tia lazer khi con quay lazer quay quanh trục của nó Mỗi vân giao thoa đặc trưng cho góc quay và tần số dịch chuyển tương ứng với tốc độ quay Một

Lăng kính

Gươn

g

Nửa Gươn g

Gươn g

Cảm biến

thiết bị kích thích quang được dùng để tạo dao động cho mỗi con quay lazer xung quanh trục đo lường của nó, để tránh sự xuất hiện vùng mù khi tốc độ quay quá thấp Mỗi gia tốc kế cung cấp các xung có tần số tỷ lệ thuận với lực tác động trực tiếp lên trục của nó, lực này đặc trưng cho khả năng tăng tốc.

* Ngoài ra còn các khối trong hệ thống bao gồm:

+ Bo mạch EACC: Đảm bảo việc chuyển đổi dữ liệu tương tự sang số từ các gia

tốc kế và phân phối dữ liệu được kết nối đến modul EB Bao gồm bộ nhớ EEPROM để ghi nhớ các dữ liệu hiệu chỉnh thiết bị cảm biến

+ Modul HT/THT: Modul nguồn điện áp cao HT/THT cung cấp điện áp cần thiết

cho BSI, bao gồm: Điện áp khởi động lazer khoảng 3KV và điện áp duy trì 800V; điện áp 125V điều khiển thạch anh trên mỗi con quay lazer

+ Modul EB: Các modul cảm biến điện tử EB thực hiện các chức năng chính như

sau: Thu nhận các dữ liệu được phát đi bởi con quay lazer và các gia tốc kế; thiết bị cảm biến kiểm soát tính toán và bù động năng HF bằng bộ xử lý kiểu TMS; kiểm soát các thiết bị cảm biến tương tự và số; quản lý các bus VME sử dụng cho việc trao đổi thông tin với modul UTR-C31; quản lý bus nối tiếp I2C với bộ nhớ EEPROM của bo mạch EACC; tạo ra thời gian thực

+ Modul UTR-C31: Modul UTR-C31 là phần tử tính toán chính của thiết bị dựa

trên bộ xử lý số nguyên và một bộ xử lý dấu phẩy động Modul này thực hiện tất cả các phép toán phức tạp ở tần số trung bình và thấp như: các tính toán dẫn đường và tổng hợp; quản lý các chế độ của INU; quản lý CDU Modul UTR-C31 trao đổi dữ liệu với modul EB và RS422 thông qua bus VME của bo mạch chủ và thông qua 2 kết nối nối tiếp RS422 (RS1-UTR với CDU; RS2-UTR với modul SYNCHRO hoặc RELAY; RS3-UTR cho việc kiểm tra)

+ Modul RS422: Modul RS422 cung cấp cho phần mở rộng 4 kết nối nối tiếp

kiểu RS422 để ra bên ngoài Đây là giao thức dữ liệu song công Mỗi liên kết có một chế độ đồng bộ Tốc độ tối đa của chúng là 153.600 baus Modul này có thể nhận tín hiệu định thời theo chuẩn RS422 và cũng có thể cung cấp tín hiệu đường chuẩn RS422 hoặc truyền dạng khung dữ liệu trên các RS1,2,3,4 hoặc đồng bộ với máy

tính Modul này được quản lý bởi một bộ xử lý kiểu TMS Modul RS422 thứ hai cho ra 4 đầu ra RS422(RS5 đến RS8) Trong trường hợp này, tín hiệu có thể được điều chế để truyền dạng khung dữ liệu trên RS6,7 hoặc RS8.

+ Modul GPS C/A: Modul GPS mã C/A bao gồm 12 kênh trong một máy thu

C/A Modul này được nối đến một anten GPS và có pin bên trong với mục đích để nhớ dữ liệu GPS khi thiết bị INU tắt Các dữ liệu khác nhau được thu trên các liên kết nối tiếp RS422 riêng biệt, có thể xử lý các dữ liệu sau bằng cách sử dụng một đầu ra RS422 độc lập mà cung cấp dữ liệu vệ tinh thô Việc xử lý của modul này là hoàn toàn tự động Modul GPS giao tiếp với modul UTR-C31 thông qua modul RS422

+ Modul SYNCHRO: Modul SYNCHRO thực hiện các chức năng chính như

sau: Chuyển đổi dữ liệu số/ đồng bộ trạng thái, hướng chuyển động theo hệ số tỷ lệ 1/1, 2/1, 4/1 hoặc 36/1; mã hóa số/ đồng bộ các thông tin nhận được (ví dụ: tốc độ tàu); quản lý các tiếp điểm rơ le, xác nhận tình trạng thiết bị; giao tiếp với modul UTR-C31 thông qua RS422 Modul này được quản lý bởi bộ xử lý kiểu TMS

+Modul RELAY: Modul RELAY được lắp cùng khe với modul SYNCHRO để

thực hiện các chức năng chính sau: Quản lý các tiếp điểm rơ le, xác nhận tình trạng thiết bị; giao tiếp với modul UTR-C31 thông qua RS422 Modul này được quản lý bởi bộ xử lý kiểu TMS

+ Modul ALIM (nguồn): Modul nguồn điện áp thấp (ALIM) phân phối điện áp 1

chiều cần thiết cho các modul khác từ nguồn điện tàu 24V DC

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG QUÁN TÍNH KHÔNG ĐẾ 2.1 Nguyên lý cơ bản của hệ thống dẫn đường quán tính không đế.

2.1.1 Hệ thống dẫn đường quán tính không đế hai chiều đơn giản.

Xem xét một hệ thống dẫn đường quán tính không đế hai chiều đơn giản Giả sử một hệ thống được yêu cầu để tìm vị trí một phương tiện mà bị ràng buộc di chuyển trong một mặt phẳng đơn Một hệ thống không đế hai chiều có khả năng hoàn thành nhiệm vụ dẫn đường đặc biệt này được biểu diễn theo sơ đồ trong hình 2.1

Hệ thống bao gồm hai gia tốc kế và một con quay hồi chuyển đơn trục, tất cả được gắn cứng với thân của phương tiện Các trục nhạy cảm của gia tốc kế, biểu thị bằng các chỉ thị mũi tên trong sơ đồ, là vuông góc với nhau và thẳng hàng với trục thân của phương tiện trong mặt phẳng chuyển động

Hình 2.1 Hệ thống dẫn đường quán tính không đế hai chiềuChúng được kí hiệu là trục x b và z b Con quay hồi chuyển được đặt với trục nhạy cảm của nó trực giao với cả hai trục gia tốc kế cho phép nó xác định góc quay quanh một trục vuông góc vơi mặt phẳng chuyển động; trục y b Giả thiết rằng chuyển hướng yêu cầu trong hệ tọa độ tham chiếu cố định kí hiệu là trục x i và z i

Hình 2.2 Các khung tọa độ tham chiếu cho dẫn đường hai chiều

Tập tham chiếu và trục thân được biểu diễn trong hình 2.2, với θ biểu diễn góc

dịch chuyển giữa vật thể và hệ tọa độ tham chiếu.Các phương trình của hệ thống dẫn đường quán tính không đế hai chiều:

ω theo thời gian Thông tin này sau đó được sử dụng để giải quyết phép đo lực

đặc biệt, f xb và f zb trong hệ tọa độ tham chiếu Một mô hình lực hấp dẫn, được lưu trữ trong máy tính, được giả định để cung cấp ước lượng thành phần lực hấp dẫn trong hệ tọa độ tham chiếu g xivà g zi Những đại lượng này được kết hợp với việc giải quyết các phép đo lực đặc biệt, f xi và f zi để xác định đúng các gia tốc, kí hiệu

là v.xi và v.zi Những đạo hàm này sau đó được tích phân hai lần để đạt được ước lượng vận tốc và vị trí của phương tiện Tập hợp đầy đủ các phương trình phải được giải quyết được đưa ra trong (2.1)

Xét yêu cầu dẫn đường một phương tiện di chuyển trên một mặt phẳng kinh tuyến xung quanh trái đất, như mô tả trên hình 2.3 Ở đây, liên quan tới một hệ thống đang hoạt động trong một mặt phẳng thẳng đứng riêng Một hệ thống như

vậy sẽ được yêu cầu cung cấp ước lượng vận tốc so với trái đất, vị trí theo kinh tuyến và độ cao so với trái đất.

Để cấu trúc hệ thống này có thể sử dụng để xác định các thông tin như vậy thì đòi hỏi một phép biến đổi của vận tốc và vị trí nhận được trong không gian tọa độ

cố định tới một hệ tọa độ địa lý Phương pháp tiếp cận thường được sử dụng để dẫn đường trực tiếp trong hệ tọa độ tham chiếu địa lý cục bộ, xác định trong trường hợp đơn giản bằng hướng thẳng đứng cục bộ tại thời điểm hiện tại của phương tiện Để cung cấp yêu cầu thông tin dẫn đường, cần thiết theo dõi tư thế của phương tiện đối với với hệ tọa độ địa lý cục bộ kí hiệu là trục x và z Thông tin này có thể được rút ra bằng cách sai phân liên tiếp phép đo hồi chuyển của tốc độ quay của vật thể đối với không gian quán tính và ước lượng tốc độ quay hiện tại của hệ tọa độ tham chiếu đối với không gian quán tính Một phương tiện di chuyển với vận tốc v x trong một mặt phẳng độc lập xung quanh một hình cầu trái đất bán kính R o, tốc độ quay này được tính bởi v x (R o+z) với z là độ cao của phương tiện

trên bề mặt trái đất

Hình 2.3 Hệ thống quán tính không đế hai chiều dẫn đường trong hệ tọa độ tham

chiếu quay

Hình 2.3 thể hiện một hệ thống không đế hai chiều biến đổi dẫn đường trong hệ tọa độ tham chiếu di chuyển Như trong hình, ước lượng tốc độ quay của hệ tọa độ tham chiếu được được bắt nguồn từ thành phần ước lượng của vận tốc theo phương ngang Các phương trình được giải thích trong hệ thống này được đưa ra trong (2.2).

v R +z mà xuất hiện trong các phương trình vận

tốc bao gồm việc tính đến các lực bổ sung tác động như khi hệ thống di chuyển xung quanh trái đất (lực Coriolis, xem hình 2.3) Thành phần trọng trường (g) chỉ xuất hiện trong phương trình v z vì nó được giả định rằng gia tốc trọng trường của trái đất chính xác trong hướng thẳng đứng cục bộ

Cơ bản đối với quá trình dẫn đường quán tính là xác định chính xác số các hệ tọa độ tham chiếu đề các Mỗi hệ tọa độ tham chiếu là một khung trực giao, khung theo quy tắc tay phải Các hệ tọa độ sau đây được sử dụng đó là:

Hệ tọa độ quán tính (i-frame): Có gốc đặt tại trung tâm của trái đất và các trục

không quay đối với các vì sao cố định, định nghĩa các trục là 0xi, 0yi, 0zi với 0zitrùng với trục cực của trái đất

Hệ tọa độ trái đất (e-frame): gốc ở trung tâm của trái đất và các trục được cố

định so với trái đất, được định nghĩa bởi các trục 0 ,0 ,0xe ye ze với 0ze cùng chiều với trục cực của trái đất Trục 0xe là giao của mặt phẳng kinh tuyến Greenwich với mặt phẳng xích đạo Hệ tọa độ trái đất quay so với hệ tọa độ quán tính với tốc độ Ω

quanh trục 0zi

Hình 2.4 Các hệ tọa độ tham chiếu cục bộ

Hệ tọa độ dẫn đường (hình 2.4): Hệ tọa độ địa lý cục bộ có gốc điểm P tại vị trí

của hệ thống dẫn đường và các trục thẳng hàng với hướng Bắc, Đông và trục thẳng đứng cục bộ (hướng xuống dưới) Tốc độ quay của hệ tọa độ dẫn đường so với hệ tọa độ trái đất cố định là ωen được chi phối bởi chuyển động của điểm P so với trái đất

Hệ tọa độ trôi phương vị (w-frame): có thể được sử dụng để tránh các đặc biệt

trong tính toán mà quán tính này xuất hiện tại các cực của hệ tọa độ dẫn đường Giống như hệ tọa độ dẫn đường, nó là cấp cục bộ nhưng được quay qua các góc trôi theo trục thẳng đứng cục bộ

Hệ tọa độ vật thể (b-frame): là một tập các trục trực giao mà các trục này thẳng

hàng với trục ngang, dọc và đứng của phương tiện

2.1.2 Hệ thống dẫn đường không đế ba chiều.

 Dẫn đường đối với hệ tọa độ cố định.

Xem xét yêu cầu dẫn đường theo một tập các trục cố định, hoặc tập các trục không gia tốc hoặc tập các trục không quay Các thành phần của lực đặc biệt được

đo và ước lượng trường trọng lực được cộng lại để xác định các thành phần của gia tốc so với hệ tọa độ tham chiếu không gian cố định Các đại lượng này có thể được

tích phân hai lần, đưa ra các ước lượng về vận tốc và vị trí trong hệ tọa độ đó rr là vector biểu diễn vị trí điểm P so với 0, gốc hệ tọa độ tham chiếu trên hình 2.5.

Hình 2.5 Vector vị trí trong hệ tọa độ tham chiếuGia tốc của điểm P so với tập các trục trong không gian cố định, đặt tên là hệ tọa

độ quán tính và kí hiệu bằng chữ i, được xác định bởi:

2 2

i

i

d r a

i

i

dr v

dt

=

(2.6)

Trong khi tích phân lần hai cho ta vị trí trong hệ tọa độ đó.

 Dẫn đường đối với hệ tọa độ quay.

Thực tế, một hệ tọa độ quay cần lấy ước lượng vận tốc và vị trí của phương tiện

so với hệ tọa độ tham chiếu quay vì khi dẫn đường trong lân cận của trái đất, lực biểu kiến bổ sung như là các hàm của sự chuyển động của hệ tọa độ tham chiếu Vì vậy, phải sửa đổi lại của phương trình dẫn đường để tích phân xác định vận tốc mặt đất của phương tiện v e một cách trực tiếp Một cách thay thế v e có thể được tính từ vận tốc quán tính v i sử dụng lý thuyết Coriolis như sau:

Phương trình dẫn đường (2.5), có thể được giải quyết trong một số hệ tọa độ tham chiếu Ví dụ như, nếu hệ tọa độ trái đất được chọn thì sau đó việc giải quyết phương trình dẫn đường sẽ cung cấp sự ước lượng vận tốc so với hệ tọa độ quán tính hoặc hệ tọa độ trái đất, thể hiện trong hệ tọa độ trái đất, kí hiệu tương ứng là

 Giải pháp các phép đo gia tốc.

Các gia tốc kế thường cung cấp một phép đo lực đặc biệt trong tập bộ trục cố định vật thể, kí hiệu là f b Để dẫn đường, nó cần thiết để giải quyết các thành phần của lực đặc biệt trong hệ tọa độ tham chiếu được lựa chọn Trong trường hợp hệ tọa độ quán tính được chọn, điều này có thể đạt được bằng cách nhân trước đại lượng vector f b với ma trận hướng cosin, i

Với i

b

C là ma trận 3 3 × ma trận này xác định tư thế của hệ tọa độ vật thể so với

hệ tọa độ quán tính Ma trận cosin hướng i

b

C có thể được tính từ các phép đo góc được cung cấp bởi con quay hồi chuyển sử dụng phương trình sau:

b ib

2.2 Con quay hồi chuyển.

2.2.1 Chức năng và phân loại các con quay hồi chuyển

Các con quay hồi chuyển được sử dụng trong rất nhiều ứng dụng khác nhau để cảm biến tốc độ góc quay quanh một trục cố định Chức năng của các con quay hoặc các cảm biến này đó là:

• Ổn định hồi chuyển;

• Hồi tiếp thiết bị tự động;

• Cảm biến đường bay hoặc ổn định các giá đỡ;

• Dẫn đường

Việc phân loại mở rộng của các cảm biến bao gồm các thiết bị như sau:

• Các bộ chuyển đổi tốc độ gồm các cảm biến từ thủy động và hình cầu thủy ngân;

• Các con quay hồi chuyển rung;

• Các con quay hồi chuyển cộng từ hạt nhân (NMR);

• Các con quay hồi chuyển tĩnh điện (ESGs);

• Các cảm biến tốc độ ánh sáng gồm các con quay laser vòng (RLGs) và con quay sợi quang (FOGs);

• Các con quay hệ thống vi cơ điện tử (MEMS).

2.2.2 Các tính chất cơ bản của con quay hồi chuyển

Khi hoạt động con quay thông thường phụ thuộc vào quán tính con quay, mômen động lượng và tiến động Trong trường hợp của con quay hồi chuyển hai bậc tự do, có hiện tượng chương động, mất bậc tự do và đảo chiều Ta sẽ nghiên cứu sâu các đặc tính này của con quay:

 Quán tính con quay: Quán tính con quay là nền tảng cho các hoạt động của

các con quay hồi chuyển vì nó xác định hướng trong không gian cố định trong hệ quy chiếu quán tính, có nghĩa là cố định trong mối quan hệ với hệ thống tọa độ so với các 'ngôi sao cố định' Sự xoay của một phần tử quán tính sẽ tạo ra một vector mô-men động lượng trùng với trục quay của rotor hay "bánh xe" Đó là hướng cố định của vector này trong không gian nếu các con quay thiết lập hoàn toàn Một ví

dụ trong hình 2.6 Đây là một loại con quay hồi chuyển có vòng các đăng bên

ngoài

Hình 2.6 Sơ đồ con quay hồi chuyển hai trục

 Mômen động lượng: Mômen động lượng (H) của một vật rắn là tích của

mômen quán tính (I) và vận tốc góc cùng trục với quay Cụ thể:

H = Iω s

Trong đó: I là mômen quán tính của vật rắn đối với trục quay.

Mômen động lượng được xác định bởi sự phân bố khối lượng trên rotor cũng như vận tốc góc của nó Đối với nhiều ứng dụng, mômen động lượng được lựa chọn là rất cao, do đó các mômen không mong muốn có thể hoạt động trên một rotor và gây

ra lỗi hầu như không đáng kể Điều này tất nhiên xảy ra chỉ khi được thiết kế và chế tạo kỹ thuật tốt, kết quả con quay hồi chuyển có ít dịch chuyển của hướng trục quay Bất kỳ sự chuyển động không mong muốn của hướng trục quay thường được gọi là 'lệch' Rõ ràng, kỹ thuật để sản xuất một momen động lượng cao có khối lượng lớn phần cánh quạt ở cạnh của nó do có sự phụ thuộc của lực quán tính trên bình phương khoảng cách của các phần tử khối lượng tính từ trung tâm của vòng quay Việc lựa chọn momen động lượng cao sẽ cho kết quả lệch không đáng kể, nhưng

có thể sẽ có một số nhược điểm như: con quay sẽ tương đối lớn và nặng, tốn mất nhiều thời gian để cánh quạt đạt tốc độ hoạt động và để giữ ổn định

 Chuyển động tuế sai (tiến động): Xem xét con quay có rotor gắn vòng bi trên

khung các đăng, như trong hình 2.7

Hình 2.7 Giải thích đơn giản về tiến động

Hệ thống trục các đăng có một trục đi qua các trục ổ bi ss’ và hai trục trực giao nhau đi qua tâm của rotor, tt 'và pp' "Vòng quay" là sự quay của con quay rotor so với trục đỡ Tiến động là sự quay của khung các đăng, liên quan đến không gian

quán tính Trong trường hợp vật thể quay tự do, như Trái Đất không có một hệ tọa

độ vật thể với góc quay nào thì sự tiến động được coi là của hệ thống trục mà một khung đỡ tưởng tượng sẽ có một trục qua điểm cực bắc và nam và hai trục trực giao nhau trong mặt phẳng xích đạo

Xét cái đĩa trong hình 2.7 sẽ quay quanh trục ss' Nếu đĩa chịu tác động của một cặp mô-men xoắn lên trục tt', trục quay của đĩa sẽ bị buộc phải quay về trục pp'.Sự chuyển hướng này gọi là sự tiến động Lưu ý rằng các trục tiến động pp' trực giao với trục mô-men xoắn tt'

Áp dụng định luật Newton được ta sẽ giải thích hiện tượng này Đĩa đang quay quanh trục ss' theo hướng ngược chiều kim đồng hồ nhìn từ s tới s' Giả sử rằng đĩa rắn với các chất điểm trong vành và vành có tốc độ u Hãy xem xét một chất điểm

ở vị trí cao nhất, Pi Tác dụng một cặp ngẫu lực FF, như trong hình theo hướng ngược chiều kim đồng hồ nhìn từ t đến t' Vận tốc tức thời của các phần tử được

thay đổi bằng cách thêm vận tốc w có ý nghĩa tương tự như các cặp ngẫu lực FF

Vận tốc tổng v, bây giờ sẽ theo một hướng khác Biết rằng, các phần tử khác của vành thay đổi vận tốc tỉ lệ với khoảng cách của nó tính từ trục tt' Sau khi đĩa đã quay qua 90°, chất điểm đến tại điểm P2, mà không phải là theo phương dự tính tt', nhưng trong một mặt phẳng đã tiến động quanh trục pp' Các đĩa quay phản ứng liên tục với các cặp ngẫu lực cho thấy bản chất của sự tiến động Các chất điểm tạo nên vật rắn quay chịu sự tác dụng của gia tốc gây ra bởi gia tốc của khối tâm; gia tốc hướng tâm gây ra khi vật quay và gia tốc Coriolis là kết quả của sự tiến động của vật Gia tốc Coriolis chỉ đơn giản là gia tốc bổ sung rút ra từ một khối chuyển động tương đối với một hệ thống trục khi hệ thống trục tự quay trong không gian quán tính Các mô-men xoắn tiến động chỉ đơn giản là mô-men xoắn cần thiết để sản xuất tổng các chất điểm nhân gia tốc Coriolis

Các nguyên tắc của sự tiến động có thể được sử dụng để đo rất chính xác góc quay

và tốc độ quay Vì một bánh xe quay hay rotor sẽ chỉ tiến động nếu một mô-men xoắn được tác dụng lên nó, một rotor trong một dụng cụ được giữ bởi khung các đăng sẽ duy trì trục quay của nó theo một hướng cố định trong không gian Những thay đổi

trong các góc của khung các đăng sẽ phản ánh những thay đổi trong định hướng các khung tham chiếu đến hướng trục quay.

 Tính chương động: Là hiện tượng tự nhiên xảy ra đối với con quay hồi

chuyển hai bậc tự do, chẳng hạn như những động cơ có rô-to được hỗ trợ cấu trúc vòng các-đăng Tính chương động đơn giản là sự lắc lư của trục quay rô-to Đó là

sự dao động tự duy trì thể hiện sự chuyển đổi năng lượng liên tục từ một biến độc lập sang một biến khác và ngược trở lại Trái với sự tiến động, chuyển động này không cần bất cứ mô-men quay bên ngoài nào để duy trì chuyển động

2.2.3 Công nghệ con quay hồi chuyển.

 Con quay cơ.

Con quay cơ hoạt động dựa trên nguyên lý bảo toàn moment của một vật thể chuyển động quay khi tổng các lực tác dụng lên vật triệt tiêu Cấu tạo cơ bản gồm

có một đĩa kim loại hình tròn được treo lơ lửng bằng một sợi dây đàn hồi trong một

bộ khung Đĩa kim loại được truyền chuyển động quay bằng cách tác động lên sợi

dây dàn hồi treo dọc theo trục của bánh xe Khi chuyển động quay thì Gọi A là moment quay của đĩa con quay, I là moment quán tính của đĩa đối với trục quay, w

là vận tốc quay của đĩa quanh trục Dựa trên nguyên lý bảo toàn moment ta có:

Còn góc quay của các các đăng có thể đo được bằng các thiết bị đo góc gắn liền với trục quay của các đăng, các thiết bị này được gọi bằng thuật ngữ pick-off

Số lượng các đăng trong cấu tạo của con quay quy định số bậc tự do chuyển động quay của nó Ví dụ, con quay có hai bậc tự do thì có cấu tạo gồm có hai các đăng Nếu trục quay của một con quay hai bậc tự do là thẳng đứng thì nó được gọi

là con quay thẳng đứng, còn nếu như trục quay nằm trong mặt phẳng nằm ngang thì gọi là con quay định hướng, còn một con quay có trục quay không theo một phương cụ thể nào thì gọi là con quay tự do Sự ổn định trong không gian ba chiều đòi hỏi một con quay thẳng đứng và một con quay định hướng, hoặc là hai con quay tự do Một loại con quay cơ được ứng dụng rộng rãi là con quay một bậc tự

do, tức là cấu tạo chỉ gồm một các đăng quay quanh trục, loại con quay này thường được gọi là con quay loại tích hợp

 Con quay hồi chuyển rung.

Nguyên lí cơ bản của việc hoạt động của những bộ cảm biến như vậy là phần chuyển động rung của thiết bị tạo nên một tốc độ dao động tuyến tính Nếu như bộ cảm biến quay khoảng một trục vuông góc với tốc độ này, gia tốc Coriolis sẽ được tạo ra Gia tốc này sẽ điều chỉnh chuyển động của yếu tố rung và sẽ cho ta độ lớn của vòng quay được sử dụng

Thiết kế công nghệ thường thấy nhất cho những bộ cảm biến này thường sử dụng bộ cộng hưởng thạch anh ổn định với mạch điều khiển áp điện Một vài thiết

kế tạo ra các cảm biến với hệ số phân cực nhỏ, rơi vào tầm 0.01o/h Tuy nhiên, bộ cảm biến nhỏ hơn thường có xu hướng tạo ra hệ số phân cực vào khoảng 0.1-1o/s Những hạn chế điển hình cho loại công nghệ này khi dùng cho các hệ thống định

vị quán tính là tốc độ trôi cao, thời gian cộng hưởng không đổi và tính nhạy cảm với các yếu tố bên ngoài, nhất là khi nhiệt độ thay đổi và có chuyển động rung Tuy nhiên, những bộ cảm biến này rất chắc chắn và khả năng chống chịu các gia

tốc được áp dụng lên tới hàng chục ngàn ‘g’.

Những bộ cảm biến này thường khá nhỏ, thường có đường kính bé hơn 15mm

và chiều dài vào khoảng 25mm Sau đây ta nghiên cứu một số cảm biến này

* Cảm biến rung: Bộ cảm biến này gắn liền với con quay rung hình trụ và hình

vòm Các thiết bị này thường có ba bộ phận chính bên trong một khung khép kín:

+ Phần cộng hưởng hình trụ hoặc bán cầu với hệ số Q cao để giữa cộng hưởng

ổn định Nó thường được làm từ gốm, thạch anh hoặc thép

+ Cơ chế điều khiển được làm từ một loại vật liệu áp điện

+ Một thiết bị đọc để cảm biến các thay đổi chuyển động, cũng là một thiết bị áp điện Các bộ phận này được thể hiện trong mô hình cộng hưởng rung khung quay

và tĩnh ở hình 2.8

Phần cộng hưởng, thường là hình vòm hoặc hình trụ, rung tại tần số cộng hưởng bởi bốn tinh thể áp điện được đặt cách đều nhau và được gắn chặt tại phần chu vi đường viền Một cặp tinh thể nằm đối diện được điều khiển với tín hiệu dao động

để làm lệch phần cộng hưởng từ đó các chế độ xuất hiện trong mô hình tín hiệu lệch tại phần đường viền của nó

Hình 2.8 Mô hình cộng hưởng rung

Cặp tinh thể khác được dùng như là bộ cảm biến phản hồi để điều khiển các nút trong chuyển động cảm ứng Khi phần hình trụ đứng im, các nút trong chuyển động rung được đặt chính xác giữa các viên thạch anh điều khiển, các trục nằm ở bụng sóng A và B được thể hiện ở trong hình Sẽ có sự thay đổi trong chuyển động tại điểm giữa chừng nằm giữa các viên tinh thể điều khiển như là một mô hình

rung đã đi qua một góc φ tương ứng trong tường hợp này Do đó, những viên tinh

thể làm nhiệm vụ đầu dò giờ đây sẽ cảm biến với chuyển động của phần cộng hưởng, độ lớn dịch chuyển được cân đối trực tiếp với tốc độ quay áp dụng Bằng việc tách tín hiệu ra khỏi đầu dò, đối với dạng sóng được dùng để tiếp năng lượng cho các viên tinh thể điều khiển rung ở trong hình trụ, một tín hiệu DC được hình thành Độ lớn của tỉ lệ thuận với tốc độ quay áp dụng và dấu hiệu của nó ám chỉ việc cảm biến vòng quay Cặp tinh thể áp điện thứ hai, vốn thường được đặt ở vị trí nút, có thể được dùng để điều chỉnh đặc tính của rung động hình trụ nhằm tăng cường băng thông của cảm biến Những viên tinh thể này được điều khiển bởi tín hiệu phản hồi phát sinh từ tín hiệu được tạo ra bởi đầu dò

Loại cảm biến này rất chắc chắn và đã được thử nghiệm có thể chống chịu tốt được gia tốc hoặc va đập lớn hơn 20.000g Các thiết bị này khởi động rất nhanh nhưng phải cẩn trọng trong việc lựa chọn vật liệu cộng hưởng để bảo đảm độ nhạy nhiệt độ mà không làm mất đi độ nhạy tốc độ

* Con quay cộng hưởng hình bán cầu: Vật liệu chính được sử dụng để cấu tạo

nên HRG là thạch anh Cấu tạo gồm có ba phần chính: Một bộ phận tạo lực bằng thạch anh để tạo ra và giữ sóng đứng trong bộ cộng hưởng; một bộ cộng hưởng

bằng thạch anh với hệ số Q cao (~107) và đầu dò bằng thạch anh có thể cảm nhận được vị trí nút sóng và bụng sóng trong cấu trúc sóng đứng của phần cộng hưởng HRG sử dụng tĩnh điện điện dung giữa bề mặt được phủ kim loại bên trên các bộ phận bằng thạch anh để giữ được sóng đứng và cảm nhận vị trí của nó

* Ngoài ra còn có các cảm biến giao thoa âm; cảm biến đĩa rung có thể tham

khảo cấu trúc, nguyên lý hoạt động trong[2]

 Con quay quang học.

Con quay quang học là con quay sử dụng bức xạ điện từ để nhận biết góc quay Các thiết bị này thường sử dụng các bước sóng khả kiến, nhưng cũng có thể hoạt động trong vùng gần hồng ngoại Dải quang phổ hoạt động của con quay quang rất chính xác với sai lệch nhỏ hơn 0.001°/ h, vòng laze thông thường, đến hàng chục

độ mỗi giờ, thường là từ các con quay sợi quang đơn giản Nói chung tất cả các con quay quang đều thích hợp cho các ứng dụng không đế khác nhau, tùy thuộc