CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG QUÁN TÍNH KHÔNG ĐẾ TRÊN MALAB

CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG QUÁN TÍNH KHÔNG ĐẾ TRÊN MALAB

3.1 Tính toán hệ thống dẫn đường quán tính không đế.

Hình 3.1 Các tác vụ tính toán của hệ thống dẫn đường quán tính không đế

Các phép đo thực hiện bởi các cảm biến quán tính được sử dụng trong nhiều dạng phương trình khác nhau để cung cấp thông tin dẫn đường mong muốn. Có nhiều phương pháp tính toán để tính toán tư thế, phép biến đổi vector lực đặc biệt và tính toán dẫn đường.

3.1.1 Các phương trình dẫn đường quán tính

Phương trình được yêu cầu để ước lượng các số hạng tích phân trong bộ xử lý dẫn đường để xác định tốc độ, vị trí của phương tiện. Các vector trong phương trình trên có thể biểu diễn dưới dạng các thành phần như sau:

Sử dụng các biểu thức trên để dẫn đường ở lân cận trái đất trong hệ tọa độ địa lý thẳng đứng cục bộ. Các số hạng tích phân đầu tiên trong phương trình (3.1) biểu diễn tổng tốc độ thay đổi trong mỗi chu kì cập nhập,

Khi đó, số hạng này là một hàm của tư thế vật thể với phải được tính toán ở tốc độ đủ lớn để xem xét đặc tính động của phương tiện. Sự phân bố trọng lực, vector của tốc độ được cập nhập trong thời gian từ đến sử dụng công thức sau:

Số hạng tích phân thứ hai trong đã bao gồm hiệu chỉnh gia tốc Coriolis. Nhìn chung, sự phân bố là nhỏ so với các số hạng khác trong phương trình. Khi tốc độ thay đổi độ lớn của số hạng Coriolis tương đối thấp, đủ lớn để áp dụng lượng hiệu chỉnh này ở tại tốc độ cập nhập tương đối thấp, sử dụng thuật toán khá đơn giản như sau:

Trong đó:

Cuối cùng, vị trí có thể được lấy ra bằng việc tích phân vector tốc độ như trong phương trình(3.2).

• 
  Tính toán tư thế phương tiện
  

Trong đó:

và

Góc quay vật thể tăng trong hệ tọa độ dẫn đường thu được bởi phương trình(3.7):

và biên độ tăng góc quay được tính theo phương trình 3.8.

Góc quay tăng nhận được trong phương trình 3.7 và 3.8 được sử dụng để cập nhập quaternion.

trong đó

• 
  Tính toán vị trí và tốc độ của phương tiện
  

Trong đó là trọng lực thông thường tại vĩ độ địa lý và độ cao h được cho bởi phương trình(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 có thể được biển diễn như 3.13

và các vị trí được tích phân sử dụng phương pháp Runge-kutta hệ số hai

• 
  Một số yếu tố ảnh hưởng gây sai số đối với hệ thống dẫn đường quán tính không đế bao gồm:
  

* Hệ số tỷ lệ: Hệ số tỷ lệ là tỷ số của sự thay đổi đầu vào mong muốn với giá trị đo được. Hệ số tỷ lệ nói chung được đánh giá như là độ dốc của đường thẳng thích hợp bằng phương pháp bình phương tối thiểu của dữ liệu đầu vào-đầu ra.

* Lỗi cân chỉnh: Các sai số lỗi cân chỉnh của cảm biến là kết quả của chế tạo cơ khí và sự không hoàn hảo của quá trình lắp ráp bộ gia tốc/con quay trực giao 3 trục trên mặt phẳng.

* Độ trôi nhạy cảm -G: Đây là sự sai lệch do chức năng của gia tốc hiện tại được sử dụng cho cảm biến.

* Độ trôi nhạy cảm - G²: Tốc độ trôi nhạy cảm bình phương - gia tốc con quay hoặc sự bất đẳng giao con quay trước hết là chức năng trong thiết kế và lắp đặt con quay và sẽ không biến đổi nhiều không phải từ đơn vị đến đơn vị cũng ko phải cùng với thời gian.

* Độ lệch CG: Độ lệch là sự di chuyển của tín hiệu bộ đo gia tốc mà có thể dẫn tới sai số trong cân chỉnh của hệ thống sẽ tác động đến việc xác định góc lắc ngang, lắc dọc ban đầu.

* Nhạy cảm nhiệt: Nhạy cảm nhiệt được xem xét tới phạm vị thay đổi của các đặc tính hoạt động của cảm biến, đặc biệt sai số sai lệch và sai số hệ số tỷ lệ cùng với sự thay đổi của nhiệt độ.

* Nhiễu lượng tử: Nhiễu lượng tử được gây ra bởi các khác nhau nhỏ giữa biên độ thực tế của các gia tốc và tốc độ góc và độ phân giải của các cảm biến.

* Sai số ngẫu nhiên: Các sai số ngẫu nhiên cơ bản là do các thay đổi ngẫu nhiên của các sai lệch cảm biến qua thời gian. Các quá trình ngẫu nhiên bao gồm tạp âm trắng, hằng số ngẫu nhiên(sai lệch ngẫu nhiên), bước ngẫu nhiên và thời gian quá trình tương quan.

3.2 Mô phỏng hệ thống dẫn đường quán tính.

3.2.1 Mô hình con quay hồi chuyển

a=(a_i+Na_i+B+k_ca_c+v)(1+∆K/K) (3.15)

Trong đó: N là sai lệch các trục cảm nhận(rad); B - độ dịch chuyển(biểu diễn bằng phần trăm khẩu độ); k_c độ cảm nhận các trục giao nhau(phần trăm của a_c); v-nhiễu cảm biến(được tính bởi mật độ v_d biểu diễn µg/Hz^1/2; K- hệ số tỷ lệ(V/g) và ∆K - sai số hệ số tỷ lệ(phần trăm của K); a, a_i, a_c tính m/s². Mô hình thu nhỏ các cảm biến gia tốc và bao gồm các sai số chính của chúng như: độ dịch chuyển, sai số tỷ lệ, sai lệch trụ, cảm biến các trục giao nhau và nhiễu. Đầu vào gia tốc a_i theo các trục cảm nhận, a_c gia tốc trục giao nhau và gia tốc đầu ra a.

Hình 3.2 Mô hình con quay hồi chuyển

3.2.2 Mô hình bộ đo gia tốc

Mô hình liên quan tới các cảm biến con quay hồi chuyển được thực hiện bằng matlab/simulink bắt đầu từ phương trình.

ω = (ω_i + S.a_r+B+v)(1+∆K/K) (3.16)

Trong đó: ω là tốc độ góc đầu ra(tín hiệu được can thiệp) diễn tả , ω_i tốc độ góc sử dụng(); S- cảm nhận của gia tốc a_r trên hướng bất kỳ(()/g), B - độ dịch chuyển(biểu diễn bằng phần trăm khẩu độ), v-nhiễu cảm biến(được tính bởi mật độ v_d diễn đạt µg/Hz^1/2’ K- hệ số tỷ lệ(V/g) và ∆K - sai số hệ số tỷ lệ(phần trăm của K).

Hình 3.3 Mô hình bộ đo gia tốc

3.2.3 Mô hình thuật toán dẫn đường

Với là vector vị trí của phương tiện trong hệ tọa độ ngang cục bộ

(3.17)

Các phương trình xác định tọa độ, độ cao của phương tiện là:

(3.18)

Các phương trình xác định tốc độ của phương tiện như sau:

(3.19)

Trong đó: h là độ cao tương đối so với hình elip chuẩn; , bán kính đường cong chính của elip chuẩn, là kinh độ và vĩ độ phương tiện, là các thành phần của lực đặc biệt trong hệ tọa độ ngang cục bộ, , , là các thành phần tốc độ phương tiện tương đối với hệ tọa độ cố định có tâm trái đất trong hệ tọa độ ngang cục bộ, là tốc độ quay của trái đất quanh trục của nó, , , là thành phần gia tốc trọng lực biểu kiến trong hệ tọa độ ngang cục bộ. Trên cơ sở các phương trình dẫn đường trên, ta xây dựng mô hình thuật toán như sau:

Hình 3.4 Mô hình thuật toán dẫn đường không đế

Hình 3.5 Quỹ đạo của phương tiện sử dụng hệ thống dẫn đường quán tính không đế

* Nhận xét:

Với phương pháp tạo giả tín hiệu các cảm biến đưa vào mô hình thuật toán dẫn đường để kiểm tra tính chính xác của các hệ thống dẫn đường. Trên kết quả mô phỏng 3D ta thấy rằng: Đường xanh là đường của hệ thống mô phỏng trong trường hợp lý tưởng; đường đỏ là đường mà hệ thống mô phỏng với các tác động của can nhiễu. Điểm xuất phát là cùng nhau, điểm cuối cùng sẽ lệch nhau. Điều này hoàn toàn phù hợp với lý thuyết, hệ thống dẫn đường quán tính không đế nói chung, hệ thống dẫn đường quán tính nói riêng xác định tốc độ, vị trí, tư thế của phương tiện sẽ sai lệch càng lớn theo thời gian. Chính vì vậy, quá trình hoạt động của hệ thống đòi hỏi phải có sự kết hợp với các hệ thống dẫn vô tuyến khác để tăng độ chính xác. Đối với các hệ thống dẫn đường quán tính trên tàu mặt nước, tàu ngầm, các hệ thống dẫn đường cho tên lửa thì cần thiết phải kết hợp với hệ thống định vị vệ tinh như GPS, Glonass… Các điểm tác nghiệp trên phương tiện cho phép cập nhập vị trí định kỳ để hiệu chuẩn, tăng độ chính xác của hệ thống dẫn đường quán tính.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ về công nghệ con quay hồi chuyển và các cảm biến gia tốc, các hệ thống dẫn đường quán tính không đế được ứng dụng rộng rãi trên rất nhiều lĩnh vực. Sự kết hợp giữa hệ thống dẫn đường quán tính và các hệ thống dẫn đường vô tuyến là sự lựa chọn tối ưu trên các trang bị, phương tiện để bảo đảm độ chính xác của hệ thống. Đặc biệt là trong các hệ thống khám phá không gian vũ trụ, các hệ thống tên lửa hành trình, các thiết bị bay, các hệ thống dẫn đường cho tàu thuyền, xe cộ và tàu ngầm…Về nguyên lý, hệ thống dẫn đường quán tính nói chung có ưu điểm là sự tự trị hay tự tính toán ra tư thế, tốc độ và vị trí của phương tiện mà không phụ thuộc vào bất cứ các nhân tố bên ngoài tác động vào hệ thống với độ chính xác tương đối cao trong một khoảng thời gian ngắn. Ngoài ra, đối với hệ thống dẫn đường quán tính không đế còn có các ưu điểm là không có hiện tượng Gimbal lock, tức là khi hệ thống thay đổi quỹ đạo một cách đột ngột thì sai số hệ thống nhỏ do ổn định kịp thời. Tốc độ cập nhật dữ liệu của hệ thống không đế có thể hoạt động tốt với tốc độ là là 2000 lần/ giây nhưng các hệ thống có đế chỉ là 50-60 lần/ giây. Cấu trúc hệ thống dẫn đường không đế đơn giản, rất gọn nhẹ, giá thành thấp và có độ chính xác tương đối phù hợp với nhiều thiết kế của phương tiện có tính chất đặc thù cao như đòi hỏi kích thước nhỏ, trọng lượng thấp…

Hiện nay, các hệ thống dẫn đường quán tính không đế sử dụng con quay lazer, con quay vòng quang sợi, con quay rung đang được ứng dụng rộng rãi nhất. Tuy nhiên, các hệ thống ứng dụng công nghệ vi cơ MEMS được tích hợp sẵn nhiều chức năng trong một con chíp với kích thước rất nhỏ gọn, linh hoạt trong lập trình hứa hẹn sẽ đáp ứng được tính năng của các ứng dụng dân sự như sử dụng trong robot, bánh xe.... Nhược điểm của các hệ thống này là công nghệ vật liệu chưa đáp ứng với các chỉ tiêu kỹ thuật. Vì vậy, độ ổn định và có độ chính xác không cao, khả năng chống chịu va đập, hoạt động trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt hạn chế. Trong tương lai gần, đây sẽ là công nghệ nhiều khả năng thay thế cho các hệ thống dẫn đường quán tính đắt tiền trước đây.

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, 2^nd 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;

[11] Sigma 40XP INS, operating manual, september 2009; Sagem Defense Security;

[12] Sigma 40XP INS, Mantenance manual, september 2009; Sagem Defense Security;

[13] Sigma 40XP INS SDI-XPH, Installation Manual, september 2009; Sagem Defense Security;

[14] Sigma 40XP INS, Techical manual, september 2009; Sagem Defense Security

[15] Sigma 40 Interface Control Document(ICD), jully 2007 Sagem Defense Security;

[16] Maksim Eskin (Januaary 2006), Design of an inertial navigation unit using MEMS sensors;

[17] Mohamed S. Ahmed, Danilo V.Cuk (2/2005), Comparison of different computation methods for strap inertial navigation systems;

[18] PGS.TS Phạm Văn Thứ (2015), Bài giảng phương pháp nghiên cứu khoa học, Viện đào tạo sau đại học - Trường đại học Hàng hải Việt Nam.

Каталог: edata -> Uploads -> Turnitin2015
Turnitin2015 -> Tiến sỹ Mai Khắc Thành
Turnitin2015 -> LỜi cam đoan
Turnitin2015 -> LỜi cam đoan tôi xin cam đoan đây là luận văn được nghiên cứu độc lập của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực, đáng tin cậy và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào kác
Turnitin2015 -> LỜi cam đoan
Turnitin2015 -> 1. Cơ sở khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài
edata -> LỜi cảM Ơn trên con đường thành công không bao giờ vắng bóng của những người thầy đầy nhiệt huyết, sự giúp đỡ của bạn bè và đặc biệt đó là niềm tin của gia đình

tải về 376.8 Kb.

Chia sẻ với bạn bè của bạn: