Xây dựng các mô hình mô phỏng cho hệ thống dẫn đường không đế

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các kết luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố công trình khác Tôi xin cam đoan thông tin trích dẫn luận văn đƣợc 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 Trƣờng Đại học Hàng hải Việt Nam với tri thức tâm huyết truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho suốt thời gian học tập trƣờng Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy giáo TS Phạm Văn Phƣớc tận tâm hƣớng dẫn, chỉnh sửa nhƣ thảo luận lĩnh vực dẫn đƣờng nói chung dẫn đƣờng 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 đƣờng quán tính không đế(SINT) lý thuyết công nghệ nguyên lý ổn định, dẫn đƣờng bản, có nội dung rộng đƣợc 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 nƣớc Do vậy, trình thực tránh khỏi thiếu sót, khuyết điểm, thân mong nhận đƣợc 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 1 Tính cấp thiết đề tài………………………………………………………1 Tình hình nghiên cứu…………………………………………………………2 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu đề tài…………………………………2 Phƣơng pháp nghiên cứu…………………………………………………… Ý nghĩa khoa học thực tiễn……………………………………………….3 CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG DẪN ĐƢỜNG 1.1 Các hệ thống dẫn đƣờng 1.2 Nguyên lý phát triển hệ thống dẫn đƣờng quán tính 1.2.1 Các khái niệm 1.2.2 Lịch sử phát triển 1.2.3 Hệ thống dẫn đƣờng quán tính đại ngày 12 1.3 Giới thiệu hệ thống dẫn đƣờng quán tính tàu Việt nam 13 CHƢƠNG HỆ THỐNG DẪN ĐƢỜNG QUÁN TÍNH KHÔNG ĐẾ 18 2.1 Nguyên lý hệ thống dẫn đƣờng quán tính không đế 18 2.1.1 Hệ thống dẫn đƣờng quán tính không đế hai chiều đơn giản 18 2.1.2 Hệ thống dẫn đƣờng 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 iii 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 đƣờng không đế 55 2.4.2 Chức khối 55 2.5 Các ứng dụng hệ thống dẫn đƣờng quán tính không đế 57 2.5.1 Các ứng dụng hệ thống dẫn đƣờng quán tính 57 2.5.2 Một số ứng dụng điển hình 57 CHƢƠNG MÔ PHỎNG HỆ THỐNG DẪN ĐƢỜNG QUÁN TÍNH KHÔNG ĐẾ TRÊN MALAB 60 3.1 Tính toán hệ thống dẫn đƣờng quán tính không đế 60 3.1.1 Các phƣơng trình dẫn đƣờng quán tính 60 3.2 Mô hệ thống dẫn đƣờng quán tính 65 3.2.1 Mô hình quay hồi chuyển 65 3.2.2 Mô hình đo gia tốc 65 3.2.3 Mô hình thuật toán dẫn đƣờng 66 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Chữ viết tắt Giải thích 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 EB Electrical Block ALIM Alimentation(Khối nguồn cung cấp) HRG Hemispherical Resonator Gyroscope RLG Ring Laser Gyroscope NMR Nuclear Magnetic Resonance ESGs Electrostatically Suspended Gyroscopes IN Inertial Navigation SINS Ship Inertial Navigation Systems CAS Cold Atomic Sensors GPS Global Positioning System DC Offset Direct Current Offset GNSS Global Navigation Satellite System SINT Strapdown Inertial Navigation Technology v DANH MỤC CÁC HÌNH Số hình Tên hình Trang 1.1 Dẫn đƣờng chiều 1.2 Dẫn đƣờng hai chiều 1.3 Sự phát triển ứng dụng cảm biến không đế 12 1.4 Sơ đồ khối hệ thống dẫn đƣờng quán tính Sigma 40XP 14 1.5 Cấu trúc quay laser GLS32 15 1.6 Tổng quan cấu trúc khối BSI 15 2.1 Hệ thống dẫn đƣờng quán tính không đế hai chiều 18 2.2 Các khung tọa độ tham chiếu cho dẫn đƣờng hai chiều 19 2.3 Hệ thống quán tính không đế hai chiều dẫn đƣờng hệ tọa độ tham chiếu quay 20 2.4 Các hệ tọa độ tham chiếu cục 22 2.5 Vector vị trí hệ tọa độ tham chiếu 23 2.6 Sơ đồ quay hồi chuyển hai trục 26 2.7 Giải thích đơn giản tiến động 27 2.8 Mô hình cộng hƣởng rung 31 2.9 Vòng tròn quay (Sagnac) giao thoa 34 2.10 Đặc tính vào quay laze 37 2.11 Con quay quang sợi vòng hở 41 2.12 Cấu hình quay sợi thuận nghịch 42 2.13 Con quay hồi chuyển sợi vòng kín 43 2.14 Gia tốc kế đơn giản 47 2.15 Các thành phần gia tốc kế giao thoa Mach-Zehnder 53 2.16 Cấu trúc hệ thống dẫn đƣờng quán tính không đế 55 2.17 Hệ thống đo đạc giếng khoan dùng cáp kết nối 58 3.1 Các tác vụ tính toán hệ thống dẫn đƣờng quán tính 60 vi không đế 3.2 Mô hình quay hồi chuyển 65 3.3 Mô hình đo gia tốc 66 3.4 Mô hình thuật toán dẫn đƣờng 67 3.5 Quỹ đạo phƣơng tiện sử dụng hệ thống dẫn đƣờng quán tính không đế vii 67 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong năm 50 kỷ trƣớc, hệ thống ổn định hệ thống dẫn đƣờng chủ yếu sử dụng hệ quay hồi chuyển Các thiết bị đƣợc ứng dụng nhiều lĩnh vực khác nhƣ: ổn định cho bệ đỡ nhƣ anten Radar, anten vệ tinh; dẫn đƣờng cho phƣơng tiện nhƣ xe cộ tàu thuyền, tên lửa; điều khiển robot, cấu xe Các thiết bị có độ bền cao nhƣng sai số lớn, thời gian ổn định lâu, kích thƣớc lại cồng kềnh có độ xác khả trì ổn định thấp, ảnh hƣởng không nhỏ đến việc thiết kế trang bị mang Thiết bị ổn định dẫn đƣờng trang bị phƣơng tiện có vị trí, chức vô quang trọng Các thiết bị cung cấp thông số tƣ thế, ví trí địa lý tốc độ phƣơng tiện để chuyển đổi từ hệ trục tọa độ phƣơng tiện mang thiết bị sang hệ tọa độ dẫn đƣờng phục vụ tính toán toán bắn đón quân sự, ổn định quỹ đạo xác định vị trí phƣơng tiện mà không cần tín hiệu vô tuyến dẫn đƣờng Trong năm gần đây, Việt nam sử dụng nhiều trang bị ổn định dẫn đƣờng 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 dƣỡng, sửa chữa hàng năm tốn kém, giá thành trang bị đắt đỏ Trong đó, số vật tƣ, linh kiện quán tính công nghệ có sẵn thị trƣờng nhƣ hệ cảm biến vi MEMS…, việc nghiên cứu công nghệ hệ thống dẫn đƣờng quán tính không đế có ý nghĩa cấp thiết Trong tƣơng lai, thiết kế, sản xuất hệ thống ứng dụng công nghệ để đáp ứng nhu cầu nƣớc nhằm giảm giá thành, tiết kiệm chi phí Nghiên cứu sâu công nghệ dẫn đƣờng quán tính không đế góp phần phục vụ cho công tác bảo đảm, bảo quản, bảo dƣỡng, sửa chữa hệ thống dẫn đƣờng 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 đƣợc 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, chƣa có nghiên cứu thức công bố nghiên cứu công nghệ quán tính không đế nói chung, số học viện, nhà trƣờng nghiên cứu công nghệ vi MEMS ứng dụng Robot điều khiển Một số báo nƣớc đề cập đến công nghệ dẫn đƣờng không đế song chƣa sâu, chƣa rõ ràng công nghệ lý thuyết dẫn đƣờng quán tính Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu đề tài Tổng hợp công nghệ dẫn đƣờng nhƣ công nghệ quay hồi chuyển, công nghệ đo gia tốc tính toán IMU hệ thống, phƣơng trình dẫn đƣờng quán tính Mô chung hệ thống Matlab để đánh giá khả dẫn đƣờng tác động sai số bên lên hệ thống dẫn đƣờng quán tính không đế Đề xuất hƣớng nghiên cứu, chế tạo thành sản phẩm dựa vật liệu, linh kiện có sẵn thị trƣờng theo công nghệ vi MEMS Phƣơng pháp nghiên cứu Phƣơng 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 đƣờng quán tính không đế để phân tích thiết bị đƣợc trang bị ứng dụng công nghệ không đế Hải quân nói chung Phƣơng pháp mô hệ thống quán tính không đế lý tƣởng: Xây dựng mô hình mô cho hệ thống dẫn đƣờng không đế nhƣ: mô hình đo gia tốc; mô hình quay hồi chuyển; mô hình thuật toán dẫn đƣờng mô hình hệ thống dẫn đƣờng hoàn chỉnh Ngoài đề tài sử dụng số phƣơng pháp phân tích, làm sáng tỏ ƣu nhƣợc điểm hệ thống dẫn đƣờng ứng dụng công nghệ không đế Xu hƣớng phát triển mở rộng công nghệ nhƣ ứng dụng lĩnh vực khác đời sống ngƣời Ý nghĩa khoa học thực tiễn Đề tài tổng hợp công nghệ dẫn đƣờng quán tính không đế, sở, tảng lý thuyết để tính toán cho hệ thống dẫn đƣờng không đế Ứng dụng công nghệ dẫn đƣờng quán tính lĩnh vực khác đời sống nhƣ hệ cân robot; hệ thống dẫn đƣờng xe oto tự động… Nêu tình trạng nghiên cứu khả ứng dụng cảm biến sẵn có thị trƣờng để thiết kế, chế tạo hệ thống dẫn đƣờng Khả làm chủ, bảo đảm kỹ thuật cho trang bị hoạt động hệ thống Hải quân nói riêng nƣớc nói chung phƣơng tiện Rất nhiều hệ tham chiếu đƣợc sử dụng phụ thuộc vào ứng dụng, điển hình hệ tọa độ địa lý cục sử dụng để cung cấp xác định tƣ phƣơng tiện dẫn đƣờng lân cận trái đất Thuật toán yêu cầu phải biến đổi lực đặc biệt, điều chỉnh lực hấp dẫn giải phƣơng trình dẫn đƣờng đƣợc thực máy tính 2.5 Các ứng dụng hệ thống dẫn đƣờng quán tính không đế 2.5.1 Các ứng dụng hệ thống dẫn đường quán tính Hiện nay, cảm biến quán tính đƣợc ứng dụng nhiều lĩnh vực Một ứng dụng phổ biến điều khiển phận quay thành phần bắn để giữ cân ổn định đƣờng bay Trong nhiều trƣờng hợp, mục đích hệ thống quán tính xử lý cân điều khiển phƣơng tiện thiết bị Các ứng dụng bao gồm:  Các hệ thống treo chủ động phƣơng tiện công suất lớn;  Máy lái tự động máy bay tàu biển;  Trắc địa;  Các chức đa địa hình theo sau;  Tên lửa thụ động điều khiển lộn vòng;  Vận chuyển cá nhân (Segway Ibot);  Ổn định đầu dò;  Ổn định đƣờng 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 nhƣ dầu, khí ga từ bên dƣới 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 hƣởng là: tính kinh tế phải hạn chế va chạm giếng khoan Trƣớc vài năm, ngành công nghiệp dầu mỏ độ xác liệu MWD(measuremrent whilst drilling- đo đạc khoan) phụ thuộc vào từ trƣờng trái đất Trong điều kiện quay phƣơng pháp khả thi 57 Những hệ thống quay thƣờng đƣợc dùng cho việc đo đạc lỗ khoan giếng dƣới mặt đất Một hệ thống đầy đủ nhƣ sau: * Hệ thống đo đạc quán tính: Hệ thống đƣợc dùng để đo đạc giếng khoan hoàn chỉnh Trong ứng dụng đó, thăm dò bao gồm hệ thống dẫn đƣờng quán tính, hạ xuống kéo lên giếng đƣờng dây cuộn liên tục bên Đƣờng dây nhƣ vật trung gian để liên kết bề mặt đo đạc đƣợc bảo quản suốt trình đo đạc Một hệ thống kiểu bao gồm mô đun nhƣ 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 đƣợc thay giếng, khối lỗ dƣới, bao gồm dò bề mặt điện tử Bộ dò gồm hệ thống dẫn đƣờng 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 dƣới đƣợc bảo quản suốt trình liệu đo độ sâu cho phép thực truyền đến đầu dò cho mục đích hỗ trợ quán tính liệu đo đạc đƣợc gửi đến bề mặt để hiển thị lƣu trữ Hình 2.17 Hệ thống đo đạc giếng khoan dùng cáp kết nối Độ xác đo đạc nhỏ 1m/1000m độ sâu đo đƣợc, xác nữa, tần suất yêu cầu cho phép giếng định vị xác theo giếng ngầm dƣới mặt đất nhỏ từ giải phóng dầu khí ga 58  Hệ thống dẫn đường tàu biển theo quán tính(SINS): Các hệ thống trƣớc có đặc tính dẫn đƣờng quán tính tƣơng đối xác nhƣng kích thƣớc 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 đƣợc sử dụng để dẫn đƣờng cho tàu biển  Điều khiển ổn định phương tiện: Hiện nay, ứng dụng hệ thống dẫn đƣờng cảm biến quán tính cho phƣơng tiện đất liền, biển, tác chiến không thành phần thiếu Có thể kể đến nhƣ: * Máy lái tự động: Một máy lái tự động hệ thống khép kín dùng để ổn định đƣờng bay đƣợc chọn đƣợc yêu cầu * Điều khiển lộn vòng tên lửa thụ động: Hệ thống bao gồm mặt điều khiển cánh nhỏ gắn chặt với cánh hƣớng đến mép trƣớc cánh cố định tên lửa Bên cánh nhỏ rô to quay với đƣờng trực giao trục quay đến bề mặt cánh vị trí cánh nhỏ Rô to đƣợc kích hoạt chuyển động dòng khí qua cánh tên lửa  Ngoài ứng dụng trên, kỹ thuật dẫn đƣờng quán tính áp dụng Segway and Ibot(vận chuyển ngƣời), đa, định hƣớng búp sóng laze, định hƣớng bay cho máy bay phƣơng pháp ổn định hệ thống khác[3] 59 CHƢƠNG MÔ PHỎNG HỆ THỐNG DẪN ĐƢỜNG QUÁN TÍNH KHÔNG ĐẾ TRÊN MALAB 3.1 Tính toán hệ thống dẫn đƣờng quán tính không đế Tính toán hệ thống dẫn đƣờng không đế liên quan đến xác định tƣ phƣơng tiện, vận tốc vị trí từ phép đo tốc độ góc lực đặc biệt thời gian thực nhận đƣợc từ thiết bị quán tính đƣợc gắn phƣơng tiện Các tác vụ khối nhƣ hình 3.1 Hình 3.1 Các tác vụ tính toán hệ thống dẫn đƣờng quán tính không đế Các phép đo thực cảm biến quán tính đƣợc sử dụng nhiều dạng phƣơng trình khác để cung cấp thông tin dẫn đƣờng mong muốn Có nhiều phƣơng pháp tính toán để tính toán tƣ thế, phép biến đổi vector lực đặc biệt tính toán dẫn đƣờng 3.1.1 Các phương trình dẫn đường quán tính Các phƣơng trình tốc độ vị trí, đƣợc biểu diễn dƣới dạng tích phân nhƣ sau: v n   f n dt    2ie  en   v n dt   gdt t t t 0 t X   v n dt n (3.1) 60 (3.2) Phƣơng trình đƣợc yêu cầu để ƣớc lƣợng số hạng tích phân xử lý dẫn đƣờng để xác định tốc độ, vị trí phƣơng tiện Các vector phƣơng trình biểu diễn dƣới dạng thành phần nhƣ sau: V n   vN vE X n   xN xE vD  T h  T ie  cosL  sin L T  v en   e  R0  h v N R0  h ve tan L   R0  h  T g  0 g  T Sử dụng biểu thức để dẫn đƣờng lân cận trái đất hệ tọa độ địa lý thẳng đứng cục Các số hạng tích phân phƣơng 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 tƣ vật thể với f n  Cbn f b phải đƣợc tính toán tốc độ đủ lớn để xem xét đặc tính động phƣơng tiện Sự phân bố trọng lực, vector tốc độ đƣợc cập nhập thời gian từ tk đến tk 1 sử dụng công thức sau: Vkn1  Vkn  u n  g 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 phƣơng trình Khi tốc độ thay đổi độ lớn số hạng Coriolis tƣơng đối thấp, đủ lớn để áp dụng lƣợng hiệu chỉnh tốc độ cập nhập tƣơng đối thấp, sử dụng thuật toán đơn giản nhƣ sau: Vl n1   I  2ie tl  en tl Vl n Trong đó: 61 (3.5) ie  ie  en  en  Vl n = vector tốc độ thời điểm tl  tl  tl 1  tl Cuối cùng, vị trí đƣợc lấy việc tích phân vector tốc độ nhƣ phƣơng trình(3.2) 3.1.2 Phương pháp tính toán phương trình dẫn đường không đế  Tính toán tư phương tiện Đặc tính động tƣ vật thể đƣợc định nghĩa phƣơng trình (3.6 đến 3.8) Trong  ma trận đối xứng lệch vector  bib đầu quay hồi chuyển không đế, đó, bbn nhận đƣợc phƣơng trình 3.6 bnb  ibb  Cnb ien  enn  (3.6) n Trong đó: ie  cos sin  T  VE     R  h n en VN ( R  h) VE tan    ( R  h)  T Góc quay vật thể tăng hệ tọa độ dẫn đƣờng thu đƣợc phƣơng trình(3.7): nbb    X Y  Z   ibb ien  enn  ta T (3.7) biên độ tăng góc quay đƣợc tính theo phƣơng trình 3.8    X2  Y2   Z2 (3.8) Góc quay tăng nhận đƣợc phƣơng trình 3.7 3.8 đƣợc sử dụng để cập nhập quaternion  c   s Z qk 1  qk  0.5   sY    s X s X c  sY s X  s X  sY c  s Z 62 s X   sY  q s Z  k  c  (3.9) s     sin  1    24 1920      c   cos  1    192    Tính toán vị trí tốc độ phương tiện Tốc độ hệ tọa độ vật thể tăng lực đặc biệt đƣợc chuyển đổi sang hệ tọa độ dẫn đƣờng cho phƣơng trình(3.10)  V n  Cbn f b   2ien  enn  Vn   n t (3.10) f b đầu đo gia tốc biểu diễn lực đặc biệt theo trục vật thể; ien enn tốc độ quay hệ tọa độ đất(e-frame) tƣơng ứng với hệ tọa độ quán tính(i-frame) khung n tới khung e hệ tọa độ n tƣơng ứng;  trọng lực cục  n  0   T (3.11) Trong  n trọng lực thông thƣờng vĩ độ địa lý  độ cao h đƣợc cho phƣơng trình(3.12)   a1 (1  a2 sin   a3 sin  )  (1  a2 sin  )h  a6h2 (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 đƣợc biển diễn nhƣ 3.13 Vkn1  Vkn  Vkn1 (3.13) vị trí đƣợc tích phân sử dụng phƣơng 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: 63 * Độ dịch chuyển: Độ dịch chuyển đầu đo đƣợc gia tốc/con quay quay gia tốc đầu vào Độ dịch chuyển quay điển hình đƣợc biểu diễn độ/giờ rad/s độ dịch chuyển gia tốc đƣợc 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 đƣợc Hệ số tỷ lệ nói chung đƣợc đánh giá nhƣ độ dốc đƣờng thẳng thích hợp phƣơng pháp bình phƣơng 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 đƣợc sử dụng cho cảm biến * Độ trôi nhạy cảm - G2: Tốc độ trôi nhạy cảm bình phƣơng - gia tốc quay bất đẳng giao quay trƣớc 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 đƣợc 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 lƣợng tử: Nhiễu lƣợng tử đƣợc 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), bƣớc ngẫu nhiên thời gian trình tƣơng quan 64 3.2 Mô hệ thống dẫn đƣờng quán tính 3.2.1 Mô hình quay hồi chuyển Dạng phân tích mô hình nhƣ 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 ac); v-nhiễu cảm biến(đƣợc tính mật độ vd 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 nhƣ: độ dịch chuyển, sai số tỷ lệ, sai lệch trụ, cảm biến trục giao nhiễu Đầu vào gia tốc 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 đƣợc thực matlab/simulink phƣơng trình ω = (ωi + S.ar+B+v)(1+∆K/K) (3.16) Trong đó: ω tốc độ góc đầu ra(tín hiệu đƣợc can thiệp) diễn tả  /s , ωi tốc độ góc sử dụng(  /s ); S- cảm nhận gia tốc ar hƣớng bất kỳ((  /s )/g), B - độ dịch chuyển(biểu diễn phần trăm độ), v-nhiễu cảm biến(đƣợc 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) 65 Hình 3.3 Mô hình đo gia tốc 3.2.3 Mô hình thuật toán dẫn đường  Với r vector vị trí phƣơng tiện hệ tọa độ ngang cục t    [r ' ]l =[r ' (0)]l   [ ]l dt  [ xl yl zl ]T (3.17) Các phƣơng trình xác định tọa độ, độ cao phƣơng tiện là: t  (t )   (0)    yl R  h  xl t  (t )   (0)   dt , ( R  h) cos  dt , (3.18) t h(t )  h(0)    zl Các phƣơng trình xác định tốc độ phƣơng tiện nhƣ sau:      d xl  f xl  xl yl tg  2 sin  yl   zl  xl  2 cos    g axl , dt R  h  R  h  d yl dt  f yl   xl R  h tg  2 sin  xl   zl  yl R  h  yl d zl  xl2  f zl    2 xl cos   g azl dt R  h R  h 66  g ayl , (3.19) Trong đó: h độ cao tƣơng đối so với hình elip chuẩn; R , R bán kính đƣờng cong elip chuẩn,  ,  kinh độ vĩ độ phƣơng tiện, f xl , f yl , f zl thành phần lực đặc biệt hệ tọa độ ngang cục bộ,  xl ,  yl ,  zl thành phần tốc độ phƣơng tiện tƣơng hệ tọa độ cố định có tâm trái đất hệ tọa độ ngang cục bộ,  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 phƣơng trình dẫn đƣờng trên, ta xây dựng mô hình thuật toán nhƣ sau: Hình 3.4 Mô hình thuật toán dẫn đƣờng không đế Hình 3.5 Quỹ đạo phƣơng tiện sử dụng hệ thống dẫn đƣờng quán tính không đế 67 * Nhận xét: Với phƣơng pháp tạo giả tín hiệu cảm biến đƣa vào mô hình thuật toán dẫn đƣờng để kiểm tra tính xác hệ thống dẫn đƣờng Trên kết mô 3D ta thấy rằng: Đƣờng xanh đƣờng hệ thống mô trƣờng hợp lý tƣởng; đƣờng đỏ đƣờng 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 đƣờng quán tính không đế nói chung, hệ thống dẫn đƣờng quán tính nói riêng xác định tốc độ, vị trí, tƣ phƣơng 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 đƣờng quán tính tàu mặt nƣớc, tàu ngầm, hệ thống dẫn đƣờng cho tên lửa cần thiết phải kết hợp với hệ thống định vị vệ tinh nhƣ GPS, Glonass… Các điểm tác nghiệp phƣơng tiện cho phép cập nhập vị trí định kỳ để hiệu chuẩn, tăng độ xác hệ thống dẫn đƣờng quán tính 68 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Cùng với phát triển mạnh mẽ công nghệ quay hồi chuyển cảm biến gia tốc, hệ thống dẫn đƣờng quán tính không đế đƣợc ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực Sự kết hợp hệ thống dẫn đƣờng quán tính hệ thống dẫn đƣờng vô tuyến lựa chọn tối ƣu trang bị, phƣơng 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 đƣờng cho tàu thuyền, xe cộ tàu ngầm…Về nguyên lý, hệ thống dẫn đƣờng quán tính nói chung có ƣu điểm tự trị hay tự tính toán tƣ thế, tốc độ vị trí phƣơng tiện mà không phụ thuộc vào nhân tố bên tác động vào hệ thống với độ xác tƣơng đối cao khoảng thời gian ngắn Ngoài ra, hệ thống dẫn đƣờng quán tính không đế có ƣu điểm tƣợng 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 nhƣng hệ thống có đế 50-60 lần/ giây Cấu trúc hệ thống dẫn đƣờng không đế đơn giản, gọn nhẹ, giá thành thấp có độ xác tƣơng đối phù hợp với nhiều thiết kế phƣơng tiện có tính chất đặc thù cao nhƣ đòi hỏi kích thƣớc nhỏ, trọng lƣợng thấp… Hiện nay, hệ thống dẫn đƣờng quán tính không đế sử dụng quay lazer, quay vòng quang sợi, quay rung đƣợc ứng dụng rộng rãi Tuy nhiên, hệ thống ứng dụng công nghệ vi MEMS đƣợc tích hợp sẵn nhiều chức chíp với kích thƣớc nhỏ gọn, linh hoạt lập trình hứa hẹn đáp ứng đƣợc tính ứng dụng dân nhƣ sử dụng robot, bánh xe Nhƣợc điểm hệ thống công nghệ vật liệu chƣa 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 tƣơng lai gần, công nghệ nhiều khả thay cho hệ thống dẫn đƣờng quán tính đắt tiền trƣớc 69 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; 70 [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 - Trƣờng đại học Hàng hải Việt Nam 71 ... tính không đế để phân tích thiết bị đƣợc trang bị ứng dụng công nghệ không đế Hải quân nói chung Phƣơng pháp mô hệ thống quán tính không đế lý tƣởng: Xây dựng mô hình mô cho hệ thống dẫn đƣờng không. .. Công nghệ hệ thống không đế (Strapdown system) 55 2.4.1 Các thành phần hệ thống dẫn đƣờng không đế 55 2.4.2 Chức khối 55 2.5 Các ứng dụng hệ thống dẫn đƣờng quán tính không đế. .. thiết cho modul khác từ nguồn điện tàu 24V DC 17 CHƢƠNG HỆ THỐNG DẪN ĐƢỜNG QUÁN TÍNH KHÔNG ĐẾ 2.1 Nguyên lý hệ thống dẫn đƣờng quán tính không đế 2.1.1 Hệ thống dẫn đường quán tính không đế hai