Xây dựng phương pháp và thuật toán xác định vận tốc góc bằng hệ đa gia tốc kết hợp con quay vận tốc góc

Bài báo trình bày phương pháp và thuật toán sử dụng bộ lọc Kalman phi tuyến mở rộng để xác định vận tốc góc bằng hệ đa gia tốc kế kết hợp con quay vận tốc góc. Phương pháp và thuật toán có giá trị khi xây dựng hệ thống dẫn đường quán tính không đế dựa trên các loại cảm biến có độ chính xác thấp và trung bình.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Xây dựng phương pháp và thuật toán xác định vận tốc góc bằng hệ đa gia tốc kết hợp con quay vận tốc góc Nghiên cứu khoa học công nghệ X©y dùng ph­¬ng ph¸p vµ thuËt to¸n x¸c ®Þnh vËn tèc gãc b»ng hÖ ®a gia tèc kÕt hîp con quay vËn tèc gãc NGUYỄN HOÀNG MINH*, TRẦN ĐỨC THUẬN**, NGUYỄN SỸ LONG*, NGUYỄN VIỆT HƯNG*** Tóm tắt: Bài báo trình bày phương pháp và thuật toán sử dụng bộ lọc Kalman phi tuyến mở rộng để xác định vận tốc góc bằng hệ đa gia tốc kế kết hợp con quay vận tốc góc. Phương pháp và thuật toán có giá trị khi xây dựng hệ thống dẫn đường quán tính không đế dựa trên các loại cảm biến có độ chính xác thấp và trung bình. Từ khóa: Tên lửa, Dẫn đường quán tính, Hệ đa gia tốc kế. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Hệ dẫn đường quán tính không đế sử dụng hệ cảm biến gồm ba con quay vận tốc góc, ba gia tốc kế và có thể kết hợp thêm ba từ kế hoặc GPS để xác định tất cả các trạng thái chuyển động của vật thể. Tuy nhiên, nó còn nhiều nhược điểm: giá thành cao (cảm biến có độ chính xác cao), độ trôi lớn (cảm biến có độ chính xác thấp), Ở nước ngoài và ở Việt Nam đã có một số bài báo đưa ra các phương pháp để nâng cao độ chính xác của hệ thống nhưng vẫn còn nhiều hạn chế. Trong bài báo [1,3] đưa phương pháp kết hợp con quay vận tốc góc với gia tốc kế và từ kế chỉ áp dụng được trong trường hợp vật thể chuyển động gần đều. Trong bài báo [2,4] đưa ra phương pháp kết hợp hệ con quay, gia tốc kế, từ kế với vận tốc kế. Phương pháp này có thể áp dụng được trong mọi trường hợp, nhưng để triển khai trong thực tế còn gặp nhiều khó khăn. Ví dụ, để xác định vận tốc chuyển động cho vật thể bay có thể sử dụng tín hiệu từ GPS hoặc sử dụng ống Pi tô. Nếu sử dụng tín hiệu GPS thì chỉ ứng dụng được cho vật thể chuyển động trên mặt đất vì sự cung cấp hạn chế chất lượng GPS của Bộ Quốc Phòng Mỹ. Mặt khác, hiện nay ở Việt Nam chưa chế tạo được ống Pi tô, bên cạnh đó rất khó khăn khi mua được ống Pi tô có dải đo phù hợp cho thiết bị bay (tên lửa, máy bay, ...) từ nước ngoài. Ngày nay, công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) đã sản xuất được các loại cảm biến có nhiều ưu điểm như kích thước rất nhỏ, giá thành hạ, công suất tiêu thụ thấp và dễ dàng mua trên thị trường. Thế nên, cảm biến MEMS là sự lựa chọn tiềm năng để xây dựng hệ dẫn đường quán tính không đế tại Việt Nam. Với công nghệ hiện nay, gia tốc kế MEMS ngày càng chính xác, nó đã gần đạt đến độ chính xác cấp chiến thuật. Nhưng chất lượng con quay MEMS vẫn còn thấp: độ trôi lớn, giá trị trôi khởi tạo còn thay đổi lớn sau mỗi lần bật tắt, khả năng chống sốc còn hạn chế, độ bền còn kém, ... Bên cạnh đó, giá thành của con quay MEMS còn đắt hơn gia tốc kế MEMS nhiều lần (Nguồn Digikey và Mouser). Vì vậy, giải pháp xác định vận tốc góc bằng hệ đa gia tốc kế có triển vọng sẽ chính xác hơn khi chỉ đo bằng con quay vận tốc góc đơn thuần. Trong bài báo này sẽ trình bày phương pháp và thuật toán xác định vận tốc góc của vật thể bằng hệ đa gia tốc kế kết hợp với con quay vận tốc góc. 2. HỆ ĐA GIA TỐC KẾ Ở nước ngoài, giải pháp ước lượng vận tốc góc của vật thể bằng nhiều gia tốc kế được sử dụng bởi nhiều nhà nghiên cứu. Từ những năm 60 [5], Shuler đã mô tả cấu hình gồm 6, 8, 9 gia tốc kế kết hợp để xác định vận tốc góc. Nhưng hầu hết những công trình đó chỉ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 34, 12 - 2014 3  Tên lửa & Thiết bị bay thông báo kết quả, không nêu rõ thuật toán. Trong bài báo này, tác giả xem xét cấu hình cảm biến gồm có 4 hệ gia tốc kế 3 trục kết hợp 1 hệ con quay vận tốc góc 3 trục. Để hiểu rõ bản chất việc xác định tốc độ góc trên cơ sở hệ đa gia tốc kế, ta xem xét chuyển động của một vật rắn lý tưởng như hình 1. Giả sử, vật rắn chuyển động phức hợp    có gia tốc góc  , vận tốc góc  , gia tốc dài aO . Khi đó phương trình cơ bản mô tả gia tốc của một điểm P bất kỳ trên vật rắn như sau:     aP  aO  aPht  aPtt (1)     trong đó, aP , aO là gia tốc dài tại điểm P và O; aPht là gia tốc hướng tâm tại P; aPtt là gia tốc tiếp tuyến tại P; O là tâm khối của vật thể.  aPtt P  aO    O aPht   Hình 1. Chuyển động phức hợp của vật rắn lý tưởng. Chúng ta biết rằng [6]:    aPtt    rP 0 (2)     aPht    (  rP 0 ) (3) từ (1), (2), (3) suy ra:        aP  a0    rP 0    (  rP 0 ) (4) Theo [6], áp dụng công thức nhân 2 véc tơ có hướng ta có: 0 rz  ry  x 0 rz  ry  x   (5)   rP 0   rz 0 rx  y   rz 0 rx  y ...