CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG

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

1.2.1 Các khái niệm cơ bản

Hình 1.1 Dẫn đường một chiều

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 chiều

Với 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…

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: