Trang chủ Thế giới cảm biến Thế giới cảm biến Phân tích rung động trong hệ thống dẫn đường quán tính

Phân tích rung động trong hệ thống dẫn đường quán tính

Tóm tắt:
Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ vi cơ điện tử thì hệ thống dẫn đường quán tính (INS) ngày càng trở nên phổ biến. Vấn đề phân tích rung động trên các phương tiện chuyển động có lắp đặt khối đo đạc quán tính (IMU) là một nhu cầu bức thiết để hệ thống INS hoạt động chính xác. Bài báo này đề xuất việc đánh giá và phân tích rung cơ học của phương tiện chuyển động (xe ôtô) sử dụng ngay chính các cảm biến gia tốc trên khối IMU.
>>Đức Tân (Trường Đại học Công Nghệ, ĐHQGHN) Hình 1: Khối dẫn đường quán tính BP3010

GIỚI THIỆU
Phân tích rung động có rất nhiều ứng dụng thực tế trong các công trình xây dựng, máy móc cơ khí, hàng không vũ trụ... Có thể liệt kê một số ứng dụng như: dự đoán bảo dưỡng, kiểm tra, điều khiển chất lượng, phát hiện các phần bị mất hoặc mới xuất hiện, điều khiển nhiễu, phát hiện lỗ hổng, phân tích máy trong máy bay, thiết kế máy… [1-3].
Với mục đích xây dựng một hệ dẫn đường quán tính áp dụng cho các phương tiện chuyển động trên đường thì việc lắp đặt các khối đo đạc quán tính (IMU) trên xe ôtô là việc phải làm. Bài báo này đề cập tới việc phân tích rung gây ra bởi động cơ trên xe ôtô lên khối IMU này. Những đánh giá phân tích này là rất cần thiêt để cho hệ thống dẫn đường có thể hoạt động chính xác. Điểm thuận lợi là chúng ta có thể tận dụng chính các cảm biến gia tốc được tích hợp trên khối IMU cho việc phân tích rung ba chiều. Việc này giúp tiết kiệm trang thiết bị và không gian lắp đặt trên phương tiện chuyển động.
THIẾT LẬP HỆ THỐNG
Một phép phân tích rung chỉ tốt khi dữ liệu sử dụng là đủ tin cậy, do đó thiết bị dùng để thu thập dữ liệu là rất quan trọng. Có ba loại thiết bị có thể dùng để đo lường và theo dõi rung động: đầu dò dịch chuyển, bộ biến đổi vận tốc và gia tốc kế. Mỗi một thiết bị đo có một giới hạn và ứng dụng riêng trong đó đo gia tốc là phương pháp tốt nhất để xác định lực từ các máy rung. Cảm biến gia tốc sẽ biến đổi các năng lượng cơ học thành tín hiệu điện. Một ưu điểm của cảm biến gia tốc là không cần thiết phải thực hiện các chương trình hiệu chỉnh phức tạp để đảm bảo độ chính xác, nhưng lại dễ bị ảnh hưởng do các hư hại về nhiệt độ. Khối IMU BP3010 được tích hợp sẵn ba cảm biến gia tốc ADXL202 và BP3010 có tính năng bù trù ảnh hưởng của nhiệt độ. Cảm biến gia tốc ADXL202 được chế tạo trên công nghệ vi cơ điện tử (MEMS). Đặc điểm nổi bật của các cảm biến MEMS và cụ thể là ADXL202 đó là chất lượng cao và giá thành rẻ nên dễ ứng dụng vào thực tế. Dữ liệu rung thu được đưa về máy tính để phân tích và đánh giá các thông số đặc trưng của dao động.
Ngay cả khi chưa xét tới các hiện tượng rung của động cơ ôtô thì hệ thống đã phải chịu rất nhiều sai lỗi, chủ yếu là do các cảm biến quán tính (gia tốc và vận tốc góc) gây nên. 
PHÂN TÍCH RUNG
Hình 2 mô tả đầu ra của cảm biến gia tốc lắp đặt theo phương thẳng đứng (vuông góc với sàn xe) trong khoảng thời gian hơn 20 phút. Thí nghiệm theo chủ ý gồm ba pha: xe đứng yên và động cơ chưa nổ máy, xe đứng yên với động cơ đã được nổ máy và xe chuyển động trên quỹ đạo hai chiều.
Khi xe đứng yên và không bật máy thì đầu ra của cảm biến vẫn có tín hiệu với độ lớn đáng kể. Sự dao động này được quyết định bởi chất lượng của cảm biến, thường thì tất cả các cảm biến được chế tạo bởi công nghệ vi điện tử đều bị tác động bởi các rung nền này. (Xem hình 2)

Hình 2: Đầu ra của cảm biến AZ Hình 3: Ảnh phổ của cảm biến AZ

Hình 4: Mật độ phổ công suất

áp dụng kỹ thuật lấy trung bình

Hình 5: Mật độ phổ công suất

của cả 3 pha

Sử dụng phương pháp phân tích Fourier thời gian ngắn STFT (Short-Time Fourier Transform ) cho phép chúng ta quan sát được sự thay đổi đặc trưng tần số theo ba pha khác nhau này. Có thể nhận thấy sự khác biệt rõ nét giữa pha 1 (xe đứng yên - tắt máy) và pha 2 (xe đứng yên - nổ máy) thông qua các tần số được chỉ ra bởi các mũi tên trong hình 3. Đó chính là các tần số rung gây nên bởi việc nổ máy xe ôtô. Tín hiệu ở các tần số này đương nhiên sẽ được đưa vào khối dẫn đường quán tính và có thể gây nên sai lệch thông tin đầu ra (vị trí, vận tốc và góc tư thế). Rõ ràng là nếu các dao động do động cơ ôtô gây nên không nằm trong dải tần hoạt động của IMU khi chuyển động thì ta có thể loại trừ các dao động này nhờ sử dụng các bộ lọc số trên PC-box. Còn nếu như các  Hình 6: So sánh kết quả dữ liệu thô và sau khối WMRA dao động do động cơ ôtô gây nên nằm trong dải tần hoạt động của IMU thì chúng ta chỉ có thể giảm bớt các tác động do rung sóc nhờ kỹ thuật cơ học khi lắp đặt IMU.
Trở lại pha 1 với việc phân tích mật độ phổ công suất dùng phương pháp không tham số (hình 4). Rất dễ nhận thấy phổ tín hiệu nằm trong dải tần từ 0.3 Hz tới 32 Hz là khá đều, có thể được coi là nhiễu nền. Tuy nhiên, sai lỗi trầm trọng được nhận thấy ở dải tần số dưới 0.3 Hz. Đây chính là nhiễu rung (tần số biến đổi chậm) gây nên độ trôi trầm trọng đặc trưng của các cảm biến chế tạo bởi công nghệ vi cơ điện tử. Lỗi về độ trôi này thường được xử lý bằng cách dùng bộ lọc tối ưu Kalman.Hình 5 là kết quả phân tích mật độ phổ công suất của cả 3 pha, cho phép chúng ta đưa ra những đánh giá quan trọng: sai khác về phổ giữa pha 1 và 2 là không đáng kể ngoại trừ các dao động trong dải tần từ 20-25 Hz. Ở pha 3 (xe chuyển động), dải tần của động học chuyển động nằm trong khoảng 5 – 15 Hz, là khá tách biệt so với dải hoạt động của tín hiệu rung động cơ. Chính vì thế chúng ta có thể sử dụng một lọc số thông thấp để giảm bớt tác động của rung do xe nổ máy. (Xem hình 5)
Các tần số rung cũng được chỉ ra trong ảnh phổ của cảm biến gia tốc AX và AY bằng các phân tích tương tự. Các kết quả phân tích khác trên cảm biến AX và AY cũng được tiến hành theo tuần tự như trên.
Xử lý rung nền
Trên cơ sở cách tiếp cận STFT, biến đổi Wavelet được phát triển để giải quyết vấn đề về độ phân giải tín hiệu (miền thời gian hoặc tần số) mà STFT vẫn còn hạn chế. Biến đổi Wavelet được thực hiện bằng cách nhân tín hiệu với hàm Wavelet rồi thực hiện biến đổi riêng rẽ cho các khoảng tín hiệu khác nhau trong miền thời gian tại các tần số khác nhau. Cách tiếp cận như vậy còn được gọi là phân tích đa phân giải (MRA). Hình 6 là thông tin của cảm biến AZ sau khối triệt nhiễu này. Nhận thấy rằng SNR đã được cải thiện rất nhiều đặc biệt thấy rõ khi phương tiện chưa chuyển động (gồm cả pha 1 và pha 2). (Xem hình 6)
KẾT LUẬN
Bài báo đã trình bày việc ứng dụng cảm biến gia tốc ADXL202 tích hợp sẵn trong khối đo đạc quán tính trong việc xác định các thông số rung nhằm tăng độ chính xác của hệ thống dẫn đường cho các ứng dụng trên mặt phẳng hai chiều. Các loại nhiễu đã được xác định là rung nền, rung tần số thấp (trôi) và rung của động cơ xe. Các kỹ thuật xử lí tín hiệu khác nhau đã được đề cập và áp dụng một cách hiệu quả trong công trình này. Những kết quả bước đầu cho thấy tính khả thi của đề tài và cần thiết phải có những cải tiến lớn hơn nữa trong vấn đề tiền xử lí thông tin.v

(TCTĐH Tháng 8-2008)


Newer news items:

 

Hỗ trợ online

Hỗ trợ Web
Mr Phương: 0988906030

Liên kết & Quảng cáo


 
 
 






 

 

Nhà tài trợ


Sửa biến tần

Mới cập nhật

Tìm kiếm

Quảng cáo&Liên kết