BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
______________________________________________________________________
ĐỖ VĂN PHÁN
NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH
ĐỊNH HƢỚNG KHÔNG GIAN CHO THIẾT BỊ BAY
THEO CÁC PHÉP ĐO TỪ TRƢỜNG TRÁI ĐẤT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT



LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. GS. TSKH. Nguyễn Công Định
2. TS. Vũ Hỏa Tiễn HÀ NỘI - 2013
i 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
Đỗ Văn Phán


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
iii
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
Chƣơng 1. HỆ DẪN ĐƢỜNG QUÁN TÍNH KHÔNG ĐẾ VÀ BÀI TOÁN
ĐỊNH HƢỚNG THIẾT BỊ BAY TRINH SÁT KHÔNG NGƢỜI LÁI 10
1.1 Hệ thống dẫn đƣờng quán tính 10
1.2 Cấu trúc hệ dẫn đƣờng cho máy bay không ngƣời lái 12
1.2.1 Sơ đồ cấu trúc của hệ dẫn đường quán tính 12

thẳng VTT có thông tin bổ sung của cảm biến độc lập 52
Kết luận chƣơng 2 54
Chƣơng 3. TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐO VẬN TỐC GÓC CỦA THIẾT BỊ
BAY DỰA TRÊN LỌC PHI TUYẾN TỐI ƢU 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 v
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 chƣơng 3 84
Chƣơng 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 TRƢỜNG 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

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 viii
TBBP trung bình bình phương
TBBTSKNL thiết bị bay trinh sát không người lái
TBBTS thiết bị bay trinh sát
TBTS thiết bị trinh sát
TĐLK hệ tọa độ liên kết
TĐVT hệ tọa độ vận tốc
TTTĐ từ trường trái đất
UKF bộ lọc Kalman UKF (Unscented Kalman Filter)
VTG vận tốc góc
VTT vector từ trường

vector tổng các mômen tác động lên TBB
u vector điều khiển
m khối lượng TBB, [kg]


,
góc nghiêng quỹ đạo [rad] và đạo hàm bậc nhất của nó [rad/s]


,,
góc gật [rad] và các đạo hàm bậc nhất [rad/s], bậc hai [rad/s
2
]

yy
C,C
đạo hàm riêng hệ số lực nâng trên cánh và cánh lái


,
góc tấn công [rad] và đạo hàm [rad/s] của nó



,
góc trượt [rad] và đạo hàm [rad/s]
y

,
z

m
, X
F
, X
F
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]
A
x
gia tốc thẳng của TBB theo trục X
A
y
gia tốc thẳng của TBB theo trục Y
A
z
gia tốc thẳng của TBB theo trục Z
x
a
sai số GTT đo được do thành phần gia tốc trọng trường gây ra
6
a
hệ số động lực nâng cánh lái
2
a
hệ số ổn định tĩnh của thiết bị bay
1
a
hệ số cản khí động


hàm truyền theo góc trượt
TBB
K
hệ số truyền của thiết bị bay
TBB
T
hằng số thời gian thiết bị bay
TBB

hệ số tắt dần
V
'T
thời gian khí động
1
b
hệ số cản khí động
2
b
hệ số ổn định tĩnh của thiết bị bay
3
b
hệ số hiệu quả cánh lái
4
b
hệ số động lực nâng do góc trượt
6
b
hệ số động lực nâng cánh lái hướng
c

x
tốc độ góc của thiết bị bay quanh trục X
ω
y
tốc độ góc của thiết bị bay quanh trục Y
ω
z
tốc độ góc của thiết bị bay quanh trục Z
ω
c
tốc độ quay của trái đất trong hệ tọa độ quán tính
g
0
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
v

lệnh điều khiển vận tốc bay


lệnh điều khiển độ cao



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
Chƣơng 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
Chƣơng 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 xiii
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

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
xv
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Chƣơng 2
Bảng 2.1 Đặc trưng kích thước, khối lượng và giá thành của con quay 27
Bảng 2.2 Các sai số và hệ số có ảnh hưởng tới kết quả đo VTG 27
Bảng 2.3 Sai số trung bình bình phương tương đối của tạp 47
Chƣơng 3
Bảng 3.1 Dạng đặc biệt của ma trận các đạo hàm vector tín hiệu theo
vector đánh giá các tham số. 58
Chƣơng 4
Bảng 4.1 Một số loại cảm biến mới 110

1
MỞ ĐẦU

(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

4
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 phƣơng 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

6
Chƣơng 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.
Chƣơng 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
Chƣơng 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:

8
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