Nghiên cứu xác định định hướng không gian của thiết bị bay theo các phép đo từ trường trái đất

Nghiên cứu xác định định hướng không gian của thiết bị bay theo các phép đo từ trường trái đất

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

ĐỖ VĂN PHÁN

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH ĐỊNH HƯỚNG KHÔNG GIAN CHO THIẾT BỊ BAY THEO CÁC PHÉP ĐO TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2013

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

ĐỖ VĂN PHÁN

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH ĐỊNH HƯỚNG KHÔNG GIAN CHO THIẾT BỊ BAY THEO CÁC PHÉP ĐO TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Những nội dung, số liệu và kết quả đã trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực

và chưa có tác giả nào công bố trong bất cứ một công trình nào khác

TÁC GIẢ LUẬN ÁN

Xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, các nhà khoa học, các đồng nghiệp đã quan tâm, giúp đỡ, góp ý và cổ vũ động viên tác giả hoàn thành công trình khoa học này

TÁC GIẢ

Đỗ Văn Phán

MỤC LỤC

CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU vii

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ xii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 HỆ DẪN ĐƯỜNG QUÁN TÍNH KHÔNG ĐẾ VÀ BÀI TOÁN ĐỊNH HƯỚNG THIẾT BỊ BAY TRINH SÁT KHÔNG NGƯỜI LÁI 10

1.1 Hệ thống dẫn đường quán tính 10

1.2 Cấu trúc hệ dẫn đường cho máy bay không người lái 12

1.2.1 Sơ đồ cấu trúc của hệ dẫn đường quán tính 12

1.2.2 Thành phần hệ thống DĐQT, bao gồm: 14

1.3 Hệ điều khiển định hướng thân TBBKNL 15

1.3.1 Nguyên lý làm việc và cấu trúc 15

1.3.2 Mô tả toán học quá trình xử lý thông tin ĐKĐH 19

1.4 Ý nghĩa của việc ổn định định hướng không gian cho TBB trinh sát 22

1.5 Đặt vấn đề cần nghiên cứu 23

Kết luận chương 1 25

Chương 2 THÔNG TIN TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT VÀ KHẢ NĂNG SỬ DỤNG TRONG BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG THIẾT BỊ BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI 26

2.1 Những khái niệm cơ bản về từ trường Trái đất và cảm biến 28

2.1.1 Mô hình chung của từ trường Trái đất 28

2.1.2 Một số loại cảm biến từ trường công nghệ mới 31

2.2 Bản chất và đặc tính của sai số khi đo từ trường trên thiết bị bay 35

2.3 Những khó khăn khi sử dụng từ trường Trái đất để định hướng TBB 36

2.3.1 Sự thay đổi của từ trường 36

2.3.2 Ảnh hưởng bởi từ trường do TBB tạo ra 37

2.3.3 Khó khăn chính của vấn đề định vị thiết bị bay theo từ trường 38

2.4 Khả năng sử dụng thông tin từ trường Trái đất trong điều khiển định hướng cho thiết bị bay 39

2.4.1 Tính chất đa trị của định thức Jacobi về khả năng sử dụng đơn thuần thông tin từ trường Trái đất 39

2.4.2 Mô hình đo VTT Trái đất kết hợp với nguồn thông tin độc lập khác để ĐKĐH cho TBB 42

2.4.3 Phân tích sai số đo các thành phần vận tốc góc của TBB thông qua đo từ trườngg trái đất 46

2.4.4 Mô phỏng các phép đo VTG của TBB bằng phương pháp tính thẳng VTT có thông tin bổ sung của cảm biến độc lập 52

Kết luận chương 2 54

Chương 3 TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐO VẬN TỐC GÓC CỦA THIẾT BỊ BAY DỰA TRÊN LỌC PHI TUYẾN TỐI ƯU 55

3.1 Bài toán lọc các thành phần VTG 55

3.1.1 Những mô hình toán học đã có và lựa chọn bài toán lọc cần giải 55 3.1.2 Xây dựng bài toán lọc các thành phần VTG 56

3.2 Thuật toán lọc phi tuyến các thành phần vector VTG của TBB 58

3.2.1 Mô hình toán học 58

3.2.2 Mô phỏng thuật toán lọc trên máy tính 61

3.3 Các thuật toán lọc phi tuyến khác trong tổng hợp bộ đo VTG của

TBB 67

3.4 Mô phỏng đánh giá các mô hình hệ thống xác định VTG đã xây dựng 77

Kết luận chương 3 84

Chương 4 THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG THỰC TẾ HÓA HỆ ĐO – XỬ LÝ THÔNG TIN VẬN TỐC GÓC CỦA THIẾT BỊ BAY THEO TỪ TRƯỜNG TRÁI ĐẤT 86

4.1 Mô tả thực nghiệm 87

4.2 Thiết kế và tổ chức phần cứng thực nghiệm 88

4.2.1 Lựa chọn các loại cảm biến 88

4.2.2 Thiết kế Board Sensores 90

4.2.3 Lựa chọn ADC trên cơ sở Platform ElVIS-II của NI 92

4.2.4 Mô tả về giá thử con quay ba chiều 94

4.2.5 Sơ đồ kết nối phần cứng 95

4.3 Thiết kế và xây dựng phần mềm thực nghiệm 96

4.3.1 Phần mềm thuật toán Extended Kalman Filter (EKF 97

4.3.2 Phần mềm thuật toán Unscented Kalman Filter (UKF) 99

4.3.3 Phần mềm thuật toán lọc Kalman thích nghi (MS-AUKF) 102

4.4 Đánh giá kết quả thực nghiệm 105

4.4.1 Đánh giá chất lượng xử lý thông tin của các thuật toán lọc 105

4.4.2 Đánh giá về khả năng thực tế hóa bộ đo VTG của TBB 109

4.5 Cấu trúc các kênh điều khiển định hướng TBB và phương pháp phối ghép với các bộ đo góc và VTG 111

4.5.1 Hàm truyền các kênh điều khiển và ổn định TBB cánh phẳng 112

4.5.2 Cấu trúc các kênh điều khiển và ổn định định hướng TBB 116

4.5.3 Phương pháp ghép bộ đo VTG với các kênh điều khiển TBB 118

Kết luận chương 4 118 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 120 DANH MỤC NHỮNG CÔNG TRÌNH CỦA LUẬN ÁN ĐÃ CÔNG BỐ 122 TÀI LIỆU THAM KHẢO 123

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

ĐHKG định hướng không gian

ĐKĐH điều khiển định hướng

ĐKQĐ điều khiển quỹ đạo

ĐKQT điều khiển quán tính

ĐKTBB điều khiển thiết bị bay

EKF bộ lọc Kalman mở rộng (Extended Kalman filter)

GPS hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System) GTPT gia tốc pháp tuyến

GTT gia tốc thẳng

HTĐK hệ thống điều khiển

KHKT-CN khoa học kỹ thuật và Công nghệ

MEMS hệ thống vi-cơ điện tử (Micro electro mechanical systems) MS-AUKF bộ lọc Kalman MS-AUKF (Master-Slaver Adaptive

Unscented Kalman Filte) MTTK máy tính trên khoang

TBB thiết bị bay

TBBKNL thiết bị bay không người lái

TBBP trung bình bình phương

TBBTSKNL thiết bị bay trinh sát không người lái

TBBTS thiết bị bay trinh sát

 góc tấn công TBB trong dòng khí

 góc trượt của TBB trong dòng khí

V vận tốc dòng khí tương đối so với TBB

W gia tốc pháp tuyến

r vector bán kính trọng tâm TBB trong hệ tọa độ được chọn

r bán kính trọng tâm TBB trong hệ tọa độ địa tâm

 vector vận tốc góc quay TBB như một vật thể cứng

F vector tổng các lực tác động lên TBB

M vector tổng các mômen tác động lên TBB

u vector điều khiển

SM, SCL diện tích Miden và diện tích cánh lái, [m2]

L chiều dài của TBB, [m]

Xm, XF , XF  các tọa độ tương ứng với trọng tâm, tâm áp lực thân và tâm

áp lực cánh lái của TBB

G trọng lượng của thiết bị bay [N]

P lực đẩy của động cơ [N]

Ax gia tốc thẳng của TBB theo trục X

Ay gia tốc thẳng của TBB theo trục Y

Az gia tốc thẳng của TBB theo trục Z

b hệ số động lực nâng cánh lái hướng

c1 hệ số cản khí động trong chuyển động liệng

c3 hệ số hiệu quả cánh lái Eleron

Fx giá trị hiệu chỉnh quay trong mặt phẳng X

Fz giá trị hiệu chỉnh quay trong mặt phẳng Z

X tọa độ của TBB trong mặt phẳng X

Z tọa độ của TBB trong mặt phẳng Z

Ro bán kính trái đất

Vz vận tốc của thiết bị bay theo trục Z

Vx vận tốc của thiết bị bay theo trục X

R vector bán kính của hệ tọa độ dẫn đường nằm trên thiết bị bay

 tốc độ góc của thiết bị bay

ωx tốc độ góc của thiết bị bay quanh trục X

ωy tốc độ góc của thiết bị bay quanh trục Y

ωz tốc độ góc của thiết bị bay quanh trục Z

ωc tốc độ quay của trái đất trong hệ tọa độ quán tính

g0 gia tốc trọng trường

0 kinh độ biết trước của thiết bị bay tại điểm A

0 vĩ độ biết trước của thiết bị bay tại điểm A

 kinh độ của thiết bị bay tại điểm B

 vĩ độ của thiết bị bay tại điểm B

prog lệnh điều khiển vĩ độ theo chương trình

Vprog lệnh điều khiển vận tốc theo chương trình

Hprog lệnh điều khiển độ cao theo chương trình

H vector từ trường trong hệ tọa độ trái đất

H1 vector đo được của từ trường trái đất H trong hệ TĐLK

A ma trận chuyển

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Mở đầu

Hình 1 Thiết bị bay trinh sát không người lái của một số nước trên thế

giới 1

Chương 1 Hình 1.1 Sơ đồ máy bay và những cơ cấu điều khiển 11

Hình 1.2 Sơ đồ khối đơn giản hệ thống điều khiển quán tính MBKNL 13

Hình 1.3 Cấu trúc hệ ĐKĐH cho TBBKNL 17

Hình 1.4 Tương quan giữa 2 hệ TĐQT và TĐLK 19

Hình 1.5 Giải thích ảnh hưởng sai số góc định hướng tới vị trí ảnh 23

Chương 2 Hình 2.1 Từ trường Trái đất 28

Hình 2.2 Bản đồ từ trường Trái đất 30

Hình 2.3 Thay đổi từ trường trong mặt phẳng ngang XOZ 30

Hình 2.4 Phần tử từ-trở cơ bản 32

Hình 2.5 Quan hệ giữa giá trị điện trở so với hướng từ trường 32

Hình 2.6 Cầu từ trở Wheatstone 33

Hình 2.7 Tính năng set/reset của Sensor 33

Hình 2.8 Hình dạng bên ngoài của HMC2003 34

Hình 2.9 Giải thích không có khả năng định vị chỉ bằng các phép đo từ trường 41

Hình 2.10 Sự quay của VTT trong hệ TĐLK 42

Hình 2.11 Kết quả mô phỏng đo các thành phần VTT và VTG của TBB 53 Chương 3 Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc thuật toán lọc phi tuyến cận tối ưu VTG của TBB theo vector từ trường Trái đất 63

Hình 3.2 Kết quả mô phỏng mô hình lọc phi tuyến hệ số tĩnh 64

Hình 3.3 Kết quả mô phỏng thuật toán lọc phi tuyến hệ số động 66

Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc của bộ lọc MS-AUKF 75

Hình 3.5 Kết quả khi tính trực tiếp vận tốc góc 78

Hình 3.6 Sai số đánh giá các VTT và VTG khi sử dụng thuật toán EKF Mô phỏng theo phương pháp thực nghiệm Monte Carlo 79

Hình 3.7 Sai số đánh giá các VTT và VTG khi sử dụng thuật toán EKF khi cho nhiễu tăng Mô phỏng theo phương pháp thực nghiệm Monte Carlo 80

Hình 3.8 Sai số đánh giá các VTT và VTG khi sử dụng thuật toán UKF 81 Mô phỏng theo phương pháp thực nghiệm thống kê Monte Carlo 81

Hình 3.9 Sai số đánh giá các VTT và VTG khi sử dụng thuật toán EKF và UKF 82

Hình 3.10 Sai số đánh giá các VTT và VTG khi sử dụng thuật toán 83

MS-AUKF Mô phỏng theo phương pháp thực nghiệm Monte Carlo 83

Chương 4 Hình 4.1 Cảm biến LY510ALH 88

Hình 4.2 Sơ đồ chức năng LY510ALH 89

Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý LY510ALH có bộ lọc mở rộng 90

Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý Board Sensores phần thực nghiệm 91

Hình 4.6 Sơ đồ mạch in các miniboard sensores 92

Hình 4.7 Giới thiệu tính năng của Platform ELVIS-II 93

Hình 4.8 Kết nối Platform ELVIS-II với máy tính và giao diện thực nghiệm 93

Hình 4.9 Giá quay ba trục 94

Hình 4.10 Kích thước tấm gá chuyên dụng trên giá quay 94

Hình 4.12 Lưu đồ thuật toán lọc EKF 98

Hình 4.13 Giao diện nhập tham số bộ lọc EKF 99

Hình 4.14 Lưu đồ thuật toán lọc UKF 101

Hình 4.15 Giao diện nhập tham số cho lọc UKF 102

Hình 4.16 Lưu đồ thuật toán lọc MS-AUKF 104

Hình 4.17 Giao diện khởi tạo và hiển thị tham số bộ lọc MS-AUKF 105

Hình 4.18 Kết quả đo VTT khi sử dụng bộ lọc EKF 106

Hình 4.19 Kết quả đo các thành phần VTG 106

Hình 4.20 Kết quả đo VTT khi sử dụng bộ lọc UKF (đơn vị gauss) 106

Hình 4.22 Kết quả đo các thành phần VTT 107

Hình 4.23 Kết quả lọc UKF các thành phần VTG 107

Hình 4.28 Điều khiển đổi hướng đối với TBB cánh phẳng 115

Hình 4.29 Sơ đồ cấu trúc kênh điều khiển gật 116

Hình 4.30 Sơ đồ cấu trúc kênh điều khiển hướng 117

Hình 4.31 Sơ đồ cấu trúc kênh điều khiển liệng TBB 117

Hình 4.32 Sơ đồ phối ghép hệ đo góc và VTG với các kênh điều khiển TBBKNL 118

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Chương 2

Bảng 2.1 Đặc trưng kích thước, khối lượng và giá thành của con quay 27Bảng 2.2 Các sai số và hệ số có ảnh hưởng tới kết quả đo VTG 27Bảng 2.3 Sai số trung bình bình phương tương đối của tạp 47

MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu

Để nêu bật được mục đích và ý nghĩa vấn đề nghiên cứu trong luận án (LA) định hướng tới đối tượng, ngay phần đầu tiên này tác giả xin đề cập thẳng tới lớp đối tượng là thiết bị bay trinh sát không người lái (TBBTSKNL) với hệ thống điều khiển trên khoang là hệ dẫn đường quán tính không đế Thiết bị bay trinh sát không người lái là hệ thống kỹ thuật hàng không làm việc theo nguyên lý khí động, được điều khiển nhờ một hệ thống kết hợp lệnh vô tuyến từ xa (đảm bảo các mục đích cất, hạ cánh) và dẫn đường quán tính (bay theo quỹ đạo định trước bằng chương trình) Thực hiện thu thập thông tin tình báo (chụp và truyền ảnh, nhận dạng mục tiêu mặt đất theo công nghệ kỹ thuật số); truyền thông tin chỉ thị mục tiêu; gây nhiễu chiến tranh điện tử; thả các thiết bị do thám mặt đất trong những trường hợp cần thiết;…

Đó cũng là lý do mà nhiều nước phát triển hệ thống trinh sát đường không [46] sử dụng thiết bị bay không người lái (TBBKNL) để thu thập tin tức tình báo TBBTSKNL là mối quan tâm lớn trong chiến lược phát triển vũ khí hàng không của nhiều quốc gia [37, 46] như Mỹ, Nga, Trung Quốc, Ấn

Độ, Israen, các nước thuộc NATO…

Dưới đây là một số mẫu TBBTSKNL tiên tiến trên thế giới

“STIL” CH Belarus “Hermes-450S” USA “PChela-1” LB Nga

“Hellfire” USA “X-43A” USA “KillerBee” USA

Hình 1 Thiết bị bay trinh sát không người lái của một số nước trên thế giới

Đặc điểm chung của các TBBTSKNL là phải mang một tải trọng có ích (TBTS) trên khoang và sử dụng nó vào mục đích trinh sát bề mặt trên đường bay TBBTSKNL được định hướng tới khu vực cần trinh sát nhờ chương trình điều khiển Thời gian hoạt động của thiết bị bay (TBB) cần phải lớn, trong điều kiện hạn chế về khối lượng cất cánh Vấn đề đặt ra là cần phải tối thiểu hóa khối lượng kết cấu và trang thiết bị trên khoang TBB, tăng thời gian bay

Điều khiển TBB thể hiện ở hai quá trình nối tiếp [38, 40] là điều khiển

định hướng thân và điều khiển trọng tâm theo một quỹ đạo định trước cho bởi

chương trình bay Quá trình điều khiển được hình thành dựa vào 3 yếu tố cơ bản: phương pháp dẫn; chương trình bay (tọa độ của quỹ đạo cho trước); tọa

độ của quỹ đạo tức thời tại mọi thời điểm Máy tính trên khoang lần lượt giải các bài toán điều khiển sau:

- Đo - xử lý thông tin từ các loại cảm biến trên khoang;

- Tính toán, biến đổi các thông tin đo được thành các thông tin về vị trí (tọa độ), tốc độ góc và các góc định hướng tức thời thân TBB, gọi chung là các tọa độ pha;

- So sánh tương ứng các tọa độ pha tức thời với các tọa độ pha chương trình để xác định sai lệch hình thành các tham số điều khiển;

- Tính toán lệnh điều khiển i (i = 1, n) cho n kênh điều khiển trên cơ

sở của thuật toán dẫn đường và tham số điều khiển

Dưới tác động của lệnh điều khiển i, máy lái làm quay cánh lái , tạo ra lực và mômen điều khiển xuất hiện các góc tấn công , góc trượt , góc liệng

, tạo ra gia tốc pháp tuyến W cần thiết, làm thay đổi quỹ đạo thực TBB trùng với quỹ đạo tính toán do chương trình bay xác định và ổn định thân TBB Vấn đề then chốt trong quá trình điều khiển là xác định chính xác tọa độ tức thời trọng tâm của TBB và định hướng không gian của nó trong các mặt

phẳng điều khiển [39] Giải quyết vấn đề này đều do các phần tử đo – cảm biến thuộc hệ điều khiển quán tính trên khoang đảm bảo Việc xác định các tọa độ tức thời vị trí trọng tâm TBB không phải là vấn đề quá phức tạp Truyền thống người ta sử dụng cảm biến gia tốc thẳng theo ba trục hệ tọa độ vận tốc (TĐVT) để đo Trong điều kiện hiện nay để khử sai số xác định vị trí TBB, người ta sử dụng kết hợp thông tin hệ đo truyền thống với thông tin định vị vệ tinh GPS (Global Positioning System)

Việc xác định và ổn định định hướng tức thời thân của TBB trong hệ tọa

độ liên kết (TĐLK) thông qua việc đo các góc gật, góc hướng, góc liệng cùng

các đạo hàm của chúng là vấn đề cần phải bàn tới, nhất là khi bài toán tối

thiểu hóa khối lượng kết cấu và bảo đảm độ tin cậy của thông tin điều khiển

được đặt ra

Trong khá nhiều tài liệu liên quan đến việc xác định tọa độ các mục tiêu mặt đất bằng các TBTS trên không, khái niệm định hướng không gian của vật mang (TBB) là quan trọng và nhất thiết phải được đề cập [37, 39] Định hướng không gian của TBTS liên quan trực tiếp tới vị trí và tọa độ mục tiêu trong thông tin trinh sát và nó hoàn toàn phụ thuộc vào sự bố trí TBTS trên khoang và định hướng không gian của TBB

Với hệ định vị quán tính có đế, việc đo góc định hướng TBB so với hướng cho trước, người ta sử dụng cơ cấu đế ổn định bằng con quay ba bậc tự

do [4, 10, 37], có đặc điểm là khối lượng lớn (cỡ vài chục kg), giá thành cao, sai số trôi “0” tích lũy theo thời gian lớn đáng kể Để hiệu chỉnh trôi “0” của con quay định vị, người ta sử dụng thông tin của các cảm biến vận tốc góc và các cảm biến từ trường Đối với hệ định vị quán tính không đế, việc đo các góc định hướng của TBB người ta sử dụng con quay 3 bậc tự do kết hợp với các con quay cảm biến vận tốc góc, các gia tốc kế (accelerometer) được gắn

trên các trục của TBB [4, 37] Tuy nhiên chúng cũng có giá thành cao, khối lượng lớn Cả hai giải pháp trên đều không phù hợp với đối tượng là thiết bị bay trinh sát không người lái cỡ nhỏ Có một các khác để xác định tư thế của vật bay là người ta sử dụng duy nhất một con quay thẳng đứng hoặc một con quay nằm ngang kết hợp với các con quay cảm biến vận tốc góc Tuy nhiên ngay cả trong phương pháp này thì thiết bị vẫn có khối lượng lớn không phù hợp với TBBTSKNL cỡ nhỏ

Vấn đề mang tính thời sự, cấp bách là cần nghiên cứu khả năng tạo ra hệ thống cảm biến - điều khiển định vị TBB có độ chính xác bảo đảm yêu cầu, giá thành rẻ và quan trọng là khối lượng nhỏ Với mục đích trên ta cần lưu ý tới sự tồn tại của từ trường Trái đất, ảnh hưởng của nó tới TBB Việc đo chính xác hướng và độ lớn vector từ trường Trái đất bằng những cảm biến nhỏ gọn,

rẻ tiền hiện nay không còn là vấn đề khó khăn trong lựa chọn của chúng ta [40] Những vi cảm biến từ trường dạng MEMS (Micro Electro-Mechanical Sensor) hiện được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực hàng không, hàng hải [13-17] Chúng cho phép tạo ra những thiết bị dẫn đường, định hướng và điều khiển cực kỳ hấp dẫn về kích thước, trọng lượng và giá thành

Từ những thông tin và phân tích ở trên, NCS lựa chọn đề tài luận án

“Nghiên cứu xác định định hướng không gian cho TBB theo các phép đo

từ trường trái đất” là vấn đề mang tính cấp thiết, vừa có ý nghĩa khoa học,

vừa có ý nghĩa thực tiễn, thiết thực

II Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu của luận án

Mục tiêu chính của luận án là:

- Đưa ra hướng khắc phục những khó khăn trong sử dụng thông tin từ trường một cách tin cậy và chính xác;

- Minh chứng khả năng ứng dụng các bộ cảm biến từ trường trong hệ

thống điều khiển định hướng không gian cho TBB

- Chứng minh bằng thực nghiệm khả năng sử dụng thông tin từ trường Trái đất trong bài toán điều khiển TBBTSKNL

Nhiệm vụ chính của luận án là:

- Xây dựng hệ thống ổn định và điều khiển định hướng không gian TBB;

- Xây dựng mô hình toán học liên hệ giữa phép đo từ trường với định hướng của vector vận tốc góc của TBB;

- Xây dựng phương pháp tổng hợp các thuật toán xác định định hướng

và vector vận tốc góc TBB theo các dữ liệu đo từ trường Trái đất;

- Lựa chọn, tổng hợp các thuật toán lọc tối ưu vector vận tốc góc TBB

từ dữ liệu đo từ trường trái đất;

- Xây dựng mô hình khảo sát, đánh giá độ chính xác và độ tin cậy của các thuật toán đã xây dựng

- Kiểm chứng giá trị các thuật toán và khả năng thực tế hóa chúng bằng phương pháp thực nghiệm

Những giới hạn của luận án là chỉ tập trung sâu vào những vấn đề đo –

xử lý thông tin, thuật toán điều khiển và ổn định định hướng TBBKNL Những vấn đề liên quan tới điều khiển quỹ đạo, động lực học và khí động học TBB được giới thiệu một cách hệ thống nhưng không đi sâu Trong luận án sử dụng các tham số khí quyển, điều kiện bay từ các tài liệu tham khảo [2, 12,

31, 37] để mô phỏng, khảo sát và làm thực nghiệm

Giải quyết được những hạn chế, khó khăn về ứng dụng như đã nêu thực

sự là những nghiên cứu có tính khoa học và ý nghĩa thực tiễn, cho ta giải pháp tối ưu trong bài toán điều khiển TBBTSKNL

Bố cục luận án

Trên cơ sở cách đặt vấn đề nghiên cứu đã nêu, nội dung của luận án bao gồm:

Chương 1 Giới thiệu chung về sự cần thiết phải ổn định định hướng

thân TBBTSKNL; về cơ sở toán học mô tả chuyển động của TBB theo 6 bậc

tự do trong không gian; về hệ thống dẫn đường quán tính và về cấu trúc các kênh điều khiển và ổn định định hướng TBB

Ở chương 1 sử dụng các tài liệu [2, 4, 12, 37]; các tài liệu [37, 39] cho nội dung dẫn đường quán tính không đế; các tài liệu [7, 9, 10, 11] cho nội dung tổng hợp cấu trúc các kênh điều khiển và ổn định định hướng thiết bị bay

Chương 2 Giới thiệu về hệ thống đo – xử lý thông tin điều khiển định

hướng; về các thuật toán xác định vận tốc góc và góc định hướng trong hệ quán tính không đế; về khả năng sử dụng thông tin đo vector từ trường Trái đất để xác định vận tốc góc và góc định hướng TBB; về những phương pháp

xử lý tối ưu thông tin đo từ các loại cảm biến định hướng

Các tài liệu [1, 7, 9, 39] được sử dụng cho nội dung liên quan tới hệ thống đo – xử lý thông tin điều khiển định hướng, các thuật toán xác định vận tốc góc và góc định hướng trong hệ quán tính không đế; các tài liệu [39-40] cho nội dung về khả năng sử dụng thông tin đo vector từ trường Trái đất để xác định vận tốc góc TBB; các tài liệu [1, 7, 37] cho nội dung tổng hợp những phương pháp xử lý tối ưu thông tin đo từ các loại cảm biến định hướng

Chương 3 Giới thiệu về sự lựa chọn và kết hợp các loại cảm biến công

nghệ mới cho phép tổng hợp một hệ đo – xử lý thông tin định hướng TBB; về

sự lựa chọn phương pháp xử lý tối ưu thông tin đo bằng mô phỏng trên máy tính; về khả năng thực tế hóa hệ thống

Chương 3 sử dụng các tài liệu [13-26] cho nội dung lựa chọn và kết hợp các loại cảm biến công nghệ mới, Chips vi xử lý để tổng hợp một hệ đo – xử

lý thông tin định hướng TBB; các tài liệu [1, 6, 9, 7, 37, 39] cho các nội dung:

lựa chọn và tổng hợp các phương pháp lọc phi tuyến tối ưu thông tin đo VTG; [3] mô phỏng trên máy tính; khả năng thực tế hóa hệ thống

Chương 4 Giới thiệu phương án thực nghiệm, chứng minh khả năng

hiện thực hóa của hệ đo –xử lý thông tin vận tóc góc của TBB theo từ trường trái đất đã mô phỏng ở chương 2 và chương 3; đánh giá những kết quả lý thuyết và thực nghiệm của luận án

Chương 4 sử dụng các tài liệu [12-26] cho thực nghiệm

Phương pháp nghiên cứu

Luận án được hoàn thành dựa trên những phương pháp nghiên cứu sau:

- Phương pháp nghiên cứu và phân tích lý thuyết;

- Phương pháp toán vector, hình học giải tích;

- Phương pháp mô hình hóa toán học bằng máy tính;

- Phương pháp lọc phi tuyến và xử lý tín hiệu tối ưu, thích nghi;

- Phương pháp thực nghiệm đối chứng

III Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn

1 Về ý nghĩa khoa học:

Luận án góp phần hoàn thiện hơn về mô hình toán học mô tả phương pháp xác định vector từ trường Trái đất tương đối so với hệ tọa độ quán tính của TBB dưới dạng một bài toán ngược trong lý thuyết định vị TBB

Những biện luận dựa trên cơ sở toán học và hiện tượng vật lý ở chương

2 và 3 có sự gắn kết khoa học giữa bài toán kinh điển về khả năng không thể

sử dụng nguồn thông tin từ trường Trái đất một cách độc lập làm thông tin điều khiển TBB, với khả năng vẫn sử dụng nó cũng với mục đích đã nêu, nhưng trên cơ sở của nguồn thông tin bổ sung và công nghệ cảm biến mới (MEMS) Những chứng minh lý thuyết, cơ sở toán học bộ đo các thành phần VTG bằng VTT có đủ độ tin cậy khẳng định tính quan sát được và điều khiển

được của mô hình đã xây dựng Bởi vì nó đã được kiểm chứng bằng hai mức thử nghiệm theo phương pháp mô phỏng và thí nghiệm trên thiết bị thực Những thuật toán lọc phi tuyến tối ưu bằng các phương pháp lọc Kalman

mở rộng, Kalman thích nghi, với hệ số tĩnh, hệ số động, lọc phi tuyến rời rạc

đã được đề xuất, triển khai nghiên cứu trong chương 3 và 4 của luận án, cho thấy sự phong phú về số lượng các phương án, giải pháp khoa học có thể áp dụng, mà còn cho ta sự lựa chọn tối ưu khả năng hiện thực hóa hệ thống đo –

xử lý thông tin định hướng thiết bị bay

2 Về ý nghĩa thực tiễn:

Ý nghĩa thực tiễn của luận án đã được thể hiện rõ ngay trong phần mở đầu và phần đầu chương I Đó là định hướng nghiên cứu, thiết kế và hiện thực hóa một hệ thống điều khiển định hướng không gian cho những đối tượng cụ thể là lớp TBBTSKNL Đối tượng nghiên cứu và đối tượng được áp dụng kết quả nghiên cứu đều có tính cấp thiết, tính thực tế cao theo tình hình phát triển TBBTSKNL của thế giới và phục vụ an ninh quốc phòng của nước ta

Kết quả nghiên cứu ở chương 4 đã dẫn tới những kết luận quan trọng có tính thực tiễn sâu sắc Đó là khả năng kỹ thuật, khả năng công nghệ trong nước có thể tự nghiên cứu, thiết kế chế tạo được hệ thống điều khiển định hướng không gian cho TBB nói chung và TBBTSKNL nói riêng Hơn nữa, theo những tính toán trong luận án, thì những mục đích thực tế ban đầu đặt ra như giá thành thấp, kích thước, khối lượng nhỏ, độ tin cậy của sản phẩm cao,… hoàn toàn có thể đạt được

Toàn bộ nội dung chương 4 còn có một ý nghĩa thực tế khác trong đào tạo ở các Học viện, Nhà trường Vì đó là một bài thí nghiệm hoàn chỉnh, bổ ích và thiết thực trong vấn đề nâng cao khả năng thực hành cho người học chuyên ngành điều khiển các TBB Ý nghĩa thực tiễn của các nghiên cứu

không chỉ thể hiện ở khả năng thực tế hóa mô hình hệ thống thành sản phẩm,

mà còn chứng minh được chất lượng và hiệu quả kinh tế của nó thông qua việc sử dụng các giải pháp công nghệ mới và có giá thành phù hợp mà luận án

đề xuất, cùng kết quả thực nghiệm đạt được để khẳng định

Những nội dung trên giúp ta hình dung toàn bộ quá trình điều khiển TBBKNL trong mối liên hệ với những vấn đề cần triển khai nghiên cứu ở những chương tiếp theo như: đo – xử lý thông tin vận tốc góc và góc định hướng; điều khiển và ổn định định hướng TBB

vì nó chuyển động với vận tốc nhỏ (dưới 100km/h) và không đòi hỏi khả năng

cơ động cao

Hình 1.1 Sơ đồ máy bay và những cơ cấu

nhiều hệ tọa độ khác nhau, liên

hệ với Trái đất, với dòng khí

chuyển động hoặc với chính

bản thân TBB [2, 27, 33] như

hệ tọa độ địa lý (kinh độ, vĩ độ,

độ cao), hệ tọa độ quán tính

Trong trường hợp chung thì chuyển động của TBBKNL được mô tả bằng những phương trình vi phân theo định luật 2 Niu-tơn:

Trong (1.1) phương trình thứ nhất mô tả chuyển động tịnh tiến của TBB, còn phương trình thứ hai mô tả chuyển động quay của nó xung quanh trọng tâm Những chuyển động đó tự chúng không phụ thuộc lẫn nhau, nhưng có mối liên hệ thông qua dòng khí chuyển động bao xung quanh thân TBB Dòng khí và những bộ phận khí động (thân, cánh nâng, cánh lái) của TBB lại sinh ra các lực và mômen khí động, tác động lên chính nó:

),V,,

F

),V,,

M

Ở đây:

 và  - góc tấn công và góc trượt tương ứng của TBB trong dòng khí;

V - vận tốc dòng khí tương đối so với TBB;

u - vector điều khiển (vị trí của cánh lái liệng, cánh lái độ cao, cần ga

điều chỉnh vòng quay động cơ để thay đổi tốc độ và nhiều cơ cấu khác)

1.2 Cấu trúc hệ dẫn đường cho máy bay không người lái

Hầu hết các loại TBBKNL có cự ly hoạt động, thời gian hành trình đáng

kể đều sử dụng phương pháp dẫn đường quán tính (DĐQT) Tức là toàn bộ thông tin điều khiển hành trình đều được lập trình trước, thu thập và xử lý trên khoang TBB, không sử dụng nguồn thông tin từ bên ngoài

1.2.1 Sơ đồ cấu trúc của hệ dẫn đường quán tính

Hệ thống điều khiển TBBKNL theo chức năng có thể phân thành hai hệ con, gọi là hệ điều khiển quỹ đạo bay và hệ định hướng thân [37, 39]

- Hệ điều khiển quỹ đạo (ĐKQĐ) giải bài toán dẫn TBB theo một quỹ đạo xác định cho trước, còn gọi là quỹ đạo chương trình

- Hệ điều khiển định hướng (ĐKĐH) giải bài toán điều khiển định hướng

và ổn định thân TBB theo định hướng cho trước của quỹ đạo chương trình thông qua các kênh điều khiển chuyển động gật, hướng và liệng

Hệ ĐKĐH có liên hệ trực tiếp với hệ ĐKQĐ trong quá trình điều khiển

để tạo lực - mômen, quá tải điều khiển, làm dịch chuyển trọng tâm, còn trong quá trình ổn định định hướng hệ này hoạt động độc lập

Mối liên hệ giữa TBB, các hệ điều khiển của nó với thế giới bên ngoài

và giữa chúng với nhau được thể hiện trên sơ đồ khối đơn giản hình 1.2

Các bộ đo tín hiệu không gian của TBB

Thuật toán

ĐKQĐ bay

của TBB

Thuật toán ĐKĐH thân của TBB

tác động của dòng khí

chuyển động

tác động điều khiển của hệ thống

 đo được

Các tín hiệu không gian

đo được

Vector điều khiển u các góc và vận tốc góc định

hướng cho trước ( pro, pro, pro )

Hình 1.2 Sơ đồ khối đơn giản hệ thống điều khiển quán tính MBKNL

Hệ thống đạo hàng quán tinh

Tác động lên TBBKNL là dòng khí chuyển động tương đối so với nó, lực đẩy của động cơ và những góc quay cánh lái được thiết lập bởi vector u,

do hệ thống điều khiển tạo ra

Những tác động đó làm thay đổi:

a) Trong hệ tọa độ quán tính OXqYqZq

- Vị trí TBB trong không gian (vector r ) cho phép xác định cự ly và độ

cao

- Vận tốc góc quay vector bán r (vector ) trong không gian;

- Các góc định vị thân TBB trong không gian (góc hướng , góc gật , góc liệng );

b) Trong hệ tọa độ vận tốc XYZ và hệ tọa độ liên kết X1Y1Z1

hệ tọa độ chính; hệ tọa độ quán tính, hệ tọa độ định tâm, hệ tọa độ địa phương, hệ tọa độ vận tốc và hệ tọa độ liên kết

Hệ thống tạo tín hiệu không gian (các bộ đo vector từ trường Trái đất

1

H góc tấn công , góc trượt , vận tốc V, áp lực tốc độ q, độ cao H)

Hệ ĐKQĐ đo các tọa độ không gian của TBBKNL, so sánh các tọa độ tức thời này với các tọa độ chương trình bay theo thuật toán điều khiển hình thành các tham số điều khiển và sau đó là các lệnh điều khiển, cuối cùng là hình thành ra tác động điều khiển làm thay đổi vị trí trong tâm của TBB trong không gian

Hệ thống tín hiệu không gian thực hiện đo vận tốc chuyển động, góc tấn công và góc trượt của TBB và truyền những thông tin đo được vào hệ ĐKĐH

để hình thành ra các tác động điều khiển

Hệ ĐKĐH thực hiện đo các góc định hướng thân và vector vận tốc góc quay thân của TBB So sánh các đại lượng đo được với những đại lượng cho trước (do hệ ĐKQĐ tạo ra), ngoài ra sử dụng cả những thông tin do hệ thống tín hiệu không gian, hệ ĐKĐH tạo ra những tác động điều khiển tới cánh lái, tới động cơ (thay đổi lực đẩy), nói chung là làm thay đổi vector u (vector điều khiển)

1.3 Hệ điều khiển định hướng thân TBBKNL

1.3.1 Nguyên lý làm việc và cấu trúc

a) Nguyên lý làm việc

Hệ ĐKĐH [37, 39] thực hiện việc điều khiển vị trí và tốc độ quay thân TBB quanh trọng tâm (quanh các trục của hệ TĐLK) trong hai chế độ: điều khiển và ổn định quỹ đạo định hướng Thay đổi hay ổn định vị trí góc thân TBB theo phương pháp tạo lực và mômen điều khiển khí động cuối cùng đều dẫn tới việc tạo ra hay ổn định gia tốc pháp tuyến do hệ thống điều khiển quỹ đạo tạo ra Kết quả cuối cùng là làm thay đổi hay ổn định quỹ đạo bay theo các phép so sánh tọa độ với chương trình bay định trước

b) Cấu trúc của hệ ĐKĐH

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

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

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

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

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

bài toán đo – xử lý thông tin và điều khiển TBB phức tạp bằng máy tính số;

sử dụng các loại cảm biến vi-cơ (MEMS) giá thành thấp, gọn nhẹ, chất lượng cao

Mục đích của việc ĐKĐH là ổn định và điều khiển các góc và tốc độ góc định hướng thân TBB, mà những đại lượng này do hệ ĐKQĐ bay yêu cầu dưới dạng lệnh điều khiển, hoặc do yêu cầu về ổn định các trục hệ TĐLK dưới dạng tín hiệu hồi tiếp thông qua các cảm biến VTG Trong quá trình làm việc, HTĐK có thể sử dụng thêm thông tin của hệ thống tín hiệu không gian Trong từng phương án thực tế hóa các hệ thống điều khiển, với mục đích tối thiểu hóa trang thiết bị trên khoang, giảm khối lượng kết cấu, nâng cao độ tin cậy, người ta sẽ cắt bớt số lượng những tham số cần xử lý Như vậy, có thể hoàn toàn không cần sử dụng những tín hiệu không gian, hoặc chỉ sử dụng một phần nhỏ (ví dụ như chỉ cần đo vận tốc chuyển động V mà không cần thông tin về góc tấn công  và góc trượt ) Có thể loại bỏ việc đo tất cả hay chỉ một thành phần nào đó của vector vận tốc góc hoặc góc định hướng

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

Khối đo tọa độ góc

- Thuật toán đo

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

c) Chức năng chính các thành phần

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

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

- Tốc độ quay các trục quanh trọng tâm TBB (

1 Z





 ,

1 Y





1 X

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

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

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

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

a) Phương trình động hình học

Hướng của các trục hệ TĐLK

được hình thành từ hướng của hệ

TĐQT bằng cách xoay liên tiếp theo 3

góc: góc gật – ; góc hướng – ψ; góc

liệng – γ, (xem hình 1.4) Việc chuyển

từ hệ TĐQT sang hệ TĐLK được thực

hiện bởi 3 lần quay liên tiếp quy ước

viết như sau:

1 1 1 q

q

C

, , Z

cos sin

sin cos cos

sin sin cos

cos sin

sin sin cos

.

sin

sin sin cos sin cos cos

sin sin

sin cos cos

q q q

zy

xCzy

x

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

diễn như một vector tổng của 3 vận tốc góc thành phần, xuất hiện khi chuyển

từ hệ TĐQT sang hệ TĐLK bằng 3 phép quay nối tiếp (hình 1.4)

sincoscos

sin

1 1 1 z y x

( tg

1 1

)qq

q(5,0q

)qq

q(5,0q

)qq

q(5,0q

)qq

q(5,0q

1 1

1

1 1

1

1 1

1

1 1

1

z 0 y 2 x 1 3

z 1 y 0 x 3 2

z 2 y 3 x 0 1

z 3 y 2 x 1 0

p

q0 0 ;

 p

p

q1 1 ;

 p

p

q2 2 ;

 p p

Trong đó:

2

sin 2

sin 2

sin 2

cos 2

cos 2 cos

2

cos 2

sin 2

sin 2

sin 2

cos 2 cos

cos 2

sin 2

cos 2

sin 2 cos

2

sin 2

sin 2

cos 2

cos 2

cos 2 sin



2 3

2 2

2 1

31

23 22

21

13 12

11

CC

C

CC

C

CC

C

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

1q2q2C)qqqq(2C)qqq

2

C

2 3

2 0 33

1 0 3 2 32

2 0 3

1

31

1 0 3 2 23

2 2

2 0 22

3 0 2

1

21

2 0 3 1 13

3 0 2 1 12

2 1

22

23 11

31 21

C

Carctg

;C

Carctg

;C



b) Các phương trình điều khiển và ổn định

Khi xác định các góc gật, hướng và liệng theo (1.16), các góc này được

so sánh tương ứng với các góc đặt (prog, prog, prog) của chương trình bay do

hệ ĐKQĐ đưa tới, cũng như xác định đạo hàm của chúng theo thời gian Các phương trình điều khiển và ổn định các góc định hướng chính là các phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa các đại lượng trên với nhau

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

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

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

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

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

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

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

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

xác định bởi công thức: 2 2

zx

R  

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

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

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

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

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

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

1.5 Đặt vấn đề cần nghiên cứu

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

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