Xây dựng thuật toán xác định góc lắc cho phương tiện chuyển động trên cơ sở kết hợp con quay tốc độ góc với gia tốc kế

Bài viết trình bày một phương pháp sử dụng thông tin của các gia tốc kế, con quay vi cơ để xác định góc quay xung quanh trục của các phương tiện chuyển động trên cơ sở ứng dụng bộ lọc Kalman để kết hợp thông tin của hai phần tử đo quán tính nhằm khắc phục được yếu tố trôi của con quay vi cơ và nhiễu đo của các gia tốc kế.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Xây dựng thuật toán xác định góc lắc cho phương tiện chuyển động trên cơ sở kết hợp con quay tốc độ góc với gia tốc kếNghiên cứu khoa học công nghệ XÂY DỰNG THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH GÓC LẮC CHO PHƯƠNG TIỆN CHUYỂN ĐỘNG TRÊN CƠ SỞ KẾT HỢP CON QUAY TỐC ĐỘ GÓC VỚI GIA TỐC KẾ Phạm Văn Phúc1, Trần Đức Thuận2*, Nguyễn Sỹ Long2, Nguyễn Trọng Yến2, Đặng Văn Thành2 Tóm tắt: Bài báo trình bày một phương pháp sử dụng thông tin của các gia tốc kế, con quay vi cơ để xác định góc quay xung quanh trục của các phương tiện chuyển động trên cơ sở ứng dụng bộ lọc Kalman để kết hợp thông tin của hai phần tử đo quán tính nhằm khắc phục được yếu tố trôi của con quay vi cơ và nhiễu đo của các gia tốc kế.Từ khóa: Con quay vi cơ, Góc lắc, Bộ lọc Kalman. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Việc xác định góc nghiêng của các vật thể hoạt động nói chung đã được nhiều tác giảnghiên cứu. Hiện nay, nhiều tác giả [1,3,4,5] đã nghiên cứu ứng dụng các cơ cấu đo vi cơquán tính kết hợp với việc đo véc tơ từ trường trái đất hoặc các thiết bị đo vận tốc (nhưthiết bị GPS) để xác định góc nghiêng vật thể. Việc phải kết hợp các thiết bị đo là để khắcphục yếu tố độ trôi tham số đo của phần tử vi cơ quán tính đo vận tốc góc. Tuy nhiên, đốivới vật thể hoạt động trong môi trường nước có một số đặc điểm sau: Không có thông tincủa GPS và chuyển động chậm nên khó có khả năng dùng thông tin về vận tốc để hiệuchỉnh; Không đo được từ trường trái đất vật thể chuyển động vì có quá nhiều vật thể nhiễmtừ và sinh từ. Trong bài báo này, nhóm tác giả đề xuất một giải pháp sử dụng bộ lọcKalman [2] kết hợp thông tin của phần tử vi cơ quán tính đo vận tốc góc với gia tốc kế đovéc tơ gia tốc trọng trường trái đất để xác định góc nghiêng của vật thể chuyển động.2. BỘ LỌC KALMAN VÀ THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH GÓC NGHIÊNG VẬT THỂ2.1. Bộ lọc Kalman Bộ lọc Kalman là một công cụ toán học giúp cho việc đánh giá véc tơ trạng thái hệđộng học trên cơ sở thông tin quan sát véc tơ tín hiệu đầu ra. Giả sử quá trình chuyển độngcủa vật thể hoặc quá trình công nghệ được mô tả bởi hệ phương trình động học dưới dạngrời rạc như sau [2]: X k  Fk 1 ( X k 1 )  G ( X k 1 ) (k ), F  ( f1 , f 2 ,..., f n )T (1) Z k  h( X k )  (k ); h  (h1 ,..., hm )T (2) Trong đó: X k , X k 1 là trạng thái của véc tơ trạng thái X (véc tơ n chiều) ở bước thứ kvà bước thứ (k-1); G là ma trận nhiễu tích thước  nxl  ;  ( k ) là véc tơ nhiễu động học lchiều có dạng tạp trắng với kỳ vọng toán học bằng 0; Z k là giá trị của véc tơ đầu ra (véctơ m chiều, thường thì m  n ). Véc tơ đầu ra này có thể đo được bằng các phương tiệnđo; Fk 1 là véc tơ hàm số F ở bước thứ (k-1); f1, f 2 ,... f n là các hàm phi tuyến với biếnsố là véc tơ X ; Z k là véc tơ hàm số h ở bước thứ k, h  (h1 ,h2 ,..., hm )T , v  k  là các véctơ nhiễu đo m chiều, có dạng tạp trắng với kỳ vọng toán học bằng 0. Ma trận hiệp phươngsai của véc tơ sai số đánh giá trạng thái véc tơ X như sau:Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 49, 06 - 2017 3 Tên lửa & Thiết bị bay   T Pk    X k  X k   X k  X k  , trong đó:  là ký hiệu kỳ vọng toán học. Thủ tục của thuật toán đánh giá trạng thái X trên cơ véc tơ quan sát (đo được) Z theoKalman [2] như sau:   X k(  )  Fk 1 ( X k( 1) ) (3) F  k 1  k 1 X  X    ; (4) X k 1  hk Hk     ; (5) X X  X k Pk     k 1 Pk1  Tk 1  G k 1Q k 1G kT1 ; (6) Pk     I  K k H k  Pk  ; (7)    X k    X k    K k Z k  Z k ;   (8)    Z k  hk X k   ;  (9) ...