Xây dựng mạng cảm biến không dây đo lực căng dây trục vũ khí phá vật cản mở cửa FMV-B

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số 29, 02 - 2014 3 x©y dùng m¹ng c¶m biÕn kh«ng d©y ®o lùc c¨ng d©y trôc vò khÝ ph¸ vËt c¶n më cöa fmv-b TrÞnh hång anh, ph¹m quang minh Tãm t¾t: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu xây dựng mạng cảm biến không dây đo lực căng dây trục vũ khí phá vật cản mở cửa (FMV-B). Kết quả nghiên cứu được kiểm chứng bằng thực nghiệm, làm cơ sở để đánh giá độ bền kết cấu và kiểm chứng bài toán động lực học trong thiết kế phối bộ vũ khí FMV-B. Từ khóa: Mạng cảm biến không dây, Vũ khí phá vật cản mở cửa FMV-B. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Vũ khí phá vật cản mở cửa có trong trang bị của quân đội nhiều nước trên thế giới với kết cấu dạng tên lửa kéo chuỗi nổ. Ở nước ta vũ khí phá vật cản mở cửa đã được nghiên cứu phát triển từ thập kỷ 70 của thế kỷ trước, trải qua nhiều giai đoạn và đã được ứng dụng trên chiến trường trong kháng chiến chống Mỹ cứu nước. Song do hạn chế về mặt công nghệ quá trình nghiên cứu chưa được tiến hành một cách hệ thống [1] . Giai đoạn tên lửa kéo chuỗi nổ là giai đoạn cơ bản nhất phản ánh đặc tính động học và động lực học của cơ hệ. Theo [1] để giải bài toán động lực học cần chuyển hệ thống tên lửa kéo chuỗi lượng nổ từ mô hình liên tục sang mô hình rời rạc, khi đó các lực tác dụng lên tên lửa kéo và các phần tử dây mềm được mô tả như hình 1. Hình 1. Các lực tác dụng lên cơ hệ trong giai đoạn tên lửa kéo chuỗi nổ. Như vậy, hệ phương trình chuyển động của cơ hệ như sau [1].     / cos / sin / cos sin cos / sin cos sin / / X X X Y Y Y TK tl TK tl tl tl X tl M M tl tl Y tl M M z z z z dX dt V dY dt V m dV dt P R m g T m V d dt P R m g T J d dt M d dt                                               X V mV F Y =V mV F     Trong đó: mtl - khối lượng của tên lửa; XTK, YTK - tọa độ tâm khối của tên lửa; Vx, Vy - c¸c thµnh phÇn vËn tèc theo ph­¬ng X vµ ph­¬ng Y cña phÇn tö. M - góc hợp bởi phương của lực căng TM với phương ngang;  - gãc tÊn  - góc quay của tên lửa; JZ - mô men quán tính của tên lửa so với tâm khối;  - góc hợp bởi phương của vận tốc tâm khối với phương nằm ngang; LTK, LTA - lần lượt là khoảng cách từ đuôi tên lửa đến tâm khối và tâm áp. mi – khối lượng phần tử thứ i. (1) Trong đó: P- lực đẩy động cơ; R- lực khí động; TM- lực căng cáp thép; Fi- tổng hợp các lực đàn hồi, cản nhớt, khí động và trọng lực tác động lên phần tử thứ i. Tên lửa T.H.Anh, P.Q.Minh “Xây dựng mạng...mở cửa FMV-B” 4 Với: 1 2 ... k X X X              X     ; 1 2 ... k Y Y Y              Y     ; 1 2 ... X X X Xk V V V             V ; 1 2 ... Y Y Y Yk V V V             V ; 1 2 ... X X X Xk V V V              V     ; 1 2 ... Y Y Y Yk V V V              V     1 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 k m m m             m        trong đó i – chỉ số phần tử; k – số lượng phần tử đang tham gia vào chuyển động; n – tổng số phần tử. Qua biểu thức (1) cho thấy ngoài các tham số kết cấu và lực đẩy động cơ hệ phương trình động học của cơ hệ có chứa các thành phần lực căng tại các điểm trên phối bộ. Vì vậy, cần thiết phải xác định được giá trị lực căng tại các điểm trên cơ hệ (lực căng cáp thép TM và lực tác động lên phần tử thứ i Fi) để đánh giá mô hình bài toán động lực học của cơ hệ. Theo [1] lực căng tại 3 vị trí như trên hình 2 sẽ phản ánh cơ bản đầy đủ phân bố lực trên phối bộ. Để xác định lực căng dây trục trên phối bộ vũ khí FMV-B khi bay cần thiết phải có mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network-WSN) với các nút (node) [2] (gồm cảm biến đo lực và module thu thập dữ liệu có giao tiếp vô tuyến) gắn tại vị trí trên phối bộ vũ khí (hình 2). 2. XÂY DỰNG WSN ĐO PHÂN BỐ LỰC TRÊN PHỐI BỘ VŨ KHÍ FMV-B 2.1. Cấu trúc WSN Nhờ có những tiến bộ trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến trong những năm gần đây, WSN đã được nghiên cứu phát triển và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. WSN hoạt động dựa trên việc liên kết giữa các node với trạm gốc bằng sóng radio. Như vậy mạng cảm biến không dây đo lực căng dây trục trên phối bộ vũ khí FMV-B có cấu trúc như trên hình 3, trong đó, mỗi nút mạng bao gồm đầy đủ các chức năng để cảm nhận, thu thập, xử lý và truyền dữ liệu. Do phải làm việc trong điều kiện khắc nghiệt của thử nghiệm vũ khí nên các node phải được nghiên cứu chế tạo có kích thước, khối lượng nhỏ, có độ bền cơ học lớn và tiêu thụ ít năng lượng. Nút 1 Nút 2 Nút 3 Nút gốc Máy tính USB Hình 3. Cấu trúc WSN đo lực căng dây trục vũ khí FMV-B. Cảm biến Xử lý tín hiệu Thu phát Nguồn Hình 4. Các thành phần của 1 nút trong WSN. 1 2 Dây neo Chuỗi nổ Dù hãm F1 F2 3 Động cơ kéo TM Cọc neo Hình 2. Vị trí các nút của WSN trên phối bộ vũ khí FMV-B (1. Nút 1; 2. Nút 2; 3. Nút 3). Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số 29, 02 - 2014 5 Để xây dựng WSN cần chế tạo và phát triển các nút cấu thành mạng nút cảm biến. Mỗi nút cảm ứng được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản, như ở hình 4, bộ cảm biến đo lực, bộ xử lý tín hiệu, bộ thu phát và bộ nguồn. 2.2. Nghiên cứu chế tạo bộ cảm biến đo lực Theo [1] bộ cảm biến đo lực tại các nút 1 và 2 có dải đo 20kN, nút 3 có dải đo 50kN. Các bộ cảm biến phải được thiết kế với khối lượng nhỏ nhất có thể để ít ảnh hưởng tới đặc tính động học của cơ hệ.Do lực tại các nút này có tần số dao động thấp (< 100Hz) nên phương án thiết kế cảm biến đo lực dựa trên hiệu ứng áp trở là hợp lý [3]. Phần tử đàn hồi (PTĐH) của cảm biến được lựa chọn có cấu trúc hình vuông (hình 5). Với cấu trúc PTĐH như trên hình 5, khi có lực F tác động ứng suất  sinh ra trên PTĐH được xác định theo [3] (2). z F A   (2) A a b  (3) trong đó: A - diện tích tiết diện, a và b lần lượt là kích thước của thiết diện; Theo định luật Hook sẽ xác định được giá trị biến dạng dọc và ngang tại các vị trí dán tem trên PTĐH như sau: Giá trị biến dạng dọc và biến dạng ngang: d F Eab   ; n F Eab     (4) Với  là hằng số poisson của vật liệu chế tạo PTĐH. Với cảm biến dùng mạch cầu Wheatstone được cấu tạo từ 4 tem biến dạng thì độ nhạy của cảm biến theo [4] là: R d 1 d 3 n2 n42 N U k S ( )g U (1 k )          (5) trong đó: g là hằng số tem; k là hệ số tỉ lệ mạch cầu, với mạch cầu cân bằng sử dụng 4 tem thì k = 1; d 1 d 3 n2 n4, , ,    lần lượt là giá trị biến dạng của các tem R1, R2, R3, R4. Thay các biểu thức (4) vào (5) ta có: R d 1 d 3 n2 n4 N U 2F 2F S 0.25g( ) 0.25g U Eab Eab                    F 0.5g 1 Eab   [mV/V] (6) Với vật liệu chế tạo PTĐH là thép hợp kim có E = 210.109 Pa, μ = 0.3, sử dụng tem biến dạng KFG.3.120.C11 có g = 2.11 ta có: 9 FS 0.00653 10 ab   [mV/V] (7) R1 R2 R4 R3 UN UR Hình 5. Cấu trúc PTĐH cảm biến đo lực tại các nút của WSN. R3 F a b R1 R2 R4 Tên lửa T.H.Anh, P.Q.Minh “Xây dựng mạng...mở cửa FMV-B” 6 Để đảm bảo cảm biến làm việc ổn định và tin cậy, theo [4] độ nhạy của cảm biến cần đạt (1÷2) mV/V. Khi này bài toán thiết kế cảm biến dẫn tới phải xác định các giá trị a và b theo biểu thức 7 để sao cho S = (1÷2) mV/V. Như vậy, với bộ cảm biến tại nút 1 và 2 có dải đo 20kN, nút 3 có dải đo 50 kN ứng với các độ nhạy khác nhau của cảm biến ta tính được giá trị của các kích thước a và b như trong bảng 1. Tại các nút 1 và 2 chọn kích thước a, b lần lượt là 10.50mm và 12.44 mm ta được cảm biến có độ nhạy 1mV/V, tại nút 3 chọn a,b là 14.50 mm và 15.00 mm ta được cảm biến có độ nhạy 1.5 mV/V. Với các kích thước đã tính cảm biến trên các nút được chế tạo như trên hình 6, khối lượng của cảm biến đạt 650 gam đủ nhỏ đảm bảo không ảnh hưởng nhiều tới khối lượng của cả phối bộ vũ khí FMV-B (≈270 kg). 2.3. Xây dựng WSN Các thiết bị xử lý tín hiệu, thu phát và hệ điều hành trong WSN đã được nhiều hãng nghiên cứu phát triển để đáp ứng cho các mục đích sử dụng cụ thể. Từ điều kiện thực tế trong bài toán đo lực căng dây trục trên phối bộ vũ khí FMV-B, nhóm tác giả đề xuất sử dụng bộ xử lý tín hiệu, thu phát và hệ điều hành đồng bộ của hãng Microstrain, trong đó thiết bị xử lý tín hiệu và thu phát tại các nút của WSN sử dụng module SG-Link (hình 7a), nút gốc sử dụng module WSDA-Base- 104 (hình 7b). Hình 8. Sơ đồ chức năng WSN đo lực căng dây trục trên phối bộ FMV-08. ADC Lọc thông thấp EEPROM 2MB bộ nhớ Flassh Truyền nhận RF 2,4 GHz Bộ định thời Vi điều khiển Truyền nhận RF 2,4 GHz Máy tính Lập trình điều khiển, hiển thị và thu thập số liệu USB Nguồn pin 0-3V 0-3V Khuếch đại Offset NÚT 1, 2, 3 NÚT GỐC R1 R2 R3 R4 Bảng 1. Giá trị của các kích thước a, b tương ứng với độ nhạy của cảm biến tại các nút. Nút 1 và 2 (20 kN) Nút 3 (50 kN) S (mV/V) a (mm) b (mm) S (mV/V) a (mm) b (mm) 1.00 10.00 13.06 1.00 17.00 19.21 10.50 12.44 18.00 18.14 11.00 11.87 19.00 17.18 1.50 9.00 9.74 1.50 14.00 15.55 9.50 9.23 14.50 15.00 10.00 8.77 15.00 14.50 2.00 7.50 8.71 2.00 12.00 13.60 8.00 8.16 12.50 13.06 8.50 7.68 13.00 12.56 Hình 7. Module SG-Link và module WSDA-Base-104. a) b) Hình 6. Cảm biến đo lực tại các nút của WSN. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số 29, 02 - 2014 7 SG-Link có kích thước nhỏ (46 x 36 x 16) mm, khối lượng 50 gam, có sẵn 01 kênh đầu vào cho cảm biến áp trở. Bộ xử lý tín hiệu có hệ số khuếch đại lập trình được từ 104 đến 1800, bộ lọc thông thấp 500Hz, bộ chuyển đổi AD 12 bits, bộ nhớ trong 2MB lưu trữ được 1.000.000 điểm dữ liệu. Bộ thu phát làm việc trong dải tần từ 2,405 GHz đến 2,480 GHz với các chế độ công suất phát từ 0dBm (1mW) đến 20dBm (100mW) và chịu được rung sóc tới 1000 g. Nút gốc WSDA-Base-104 giữ thông tin liên lạc giữa các nút với máy tính để điều khiển sự hoạt động của các nút và thu thập số liệu đo. WSDA-Base-104 giao tiếp với máy tính thông qua cổng USB. Sơ đồ chức năng WSN đo lực căng dây trục trên phối bộ FMV-B như trên hình 8. 2.4. Tính toán hệ số chuẩn cho WSN Từ giá trị độ nhạy của các cảm biến như trên cần tính toán hệ số chuẩn để lập trình cho WSN [5]. Với cảm biến tại nút 1 và 2 có dải đo F=20kN và độ nhạy 1mV/V, module SG-Link cấp nguồn cho cảm biến UN = 3V ta có: Điện áp ra của cảm biến khi chịu tải 20 kN là: r NU U S 3mV   Do SG-Link có độ phân giải 4096 bits cho cả dải điện áp âm và dương nên dải điện áp đầu vào SG-Link là 6mV (từ -3mV đến 3 mV). Để điện áp ra của SG-Link (0 ÷3)V, hệ số khuếch đại tối ưu Ktu cần lập trình cho SG-Link là: tu 3000mV K 500 6mV   . Song do SG-Link có độ phân dải 4096 bits nên hệ số khuếch đại K cần đảm bảo để điện áp ra của mạch khuếch đại ứng với số chẵn bits vì thế SG-Link đã định sẵn các hệ số K tương ứng. Theo [5] chọn K 503 , khi này dải điện áp thực tế của cảm biến Urt ra của cảm biến là rt 3000mV U 5.96421mV 503   . Như vậy dải đo thực tế của WSN Ft là rtt r U F 5.96421 20 F 19.88kN U 6      . Từ đó tính được hệ số chuẩn Kc của WSN là: 19.88 kN 0.009707[ ] 2048 bits  Tương tự ta tính được hệ số khuếch đại K và hệ số chuẩn của nút 3 lần lượt là K 336 và c kN K 0.0242211 bits  . Các hệ số khuếch đại K và hệ số chuẩn Kc được lập trình và nạp vào EEPROM của SG-Link trên từng nút của WSN. 2.5. Kết quả thực nghiệm WSN đo lực căng dây trục trên phối bộ vũ khí FMV-B sau khi được xây dựng, hiệu chỉnh ổn định được thử nghiệm tại hiện trường với các tham số hệ thống của phối bộ vũ khí FMV-B như sau: - Động cơ 2 tầng khối lượng 32.2kg, lực đẩy tầng 1: 6kN, lực đẩy tầng 2: 3.5kN; - Dây neo dài 190m, mật độ 0.094kg/m (không dù); - Chuỗi nổ: chiều dài 55m, mật độ chuỗi nổ 4.8 kg/m, đường kính 0.08m; - Cáp trung gian dài 5.5m, mật độ cáp 0.5kg/m; - Góc phóng 450. Hình 9. Nút 1 của WSN. Tên lửa T.H.Anh, P.Q.Minh “Xây dựng mạng...mở cửa FMV-B” 8 N 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 s 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 12.0 13.0 14.0 15.0 Y1: Y2: t1: t2: dt: f: dY: dY/dt: Min: Max: Int: RMS: Channel:LUC NEO -19.29 s 0.00 N -11.68 s 3756.55 N 7.61 s 0.13 Hz 3756.55 493.54 0.00 3865.50 1771.03 689.93 ®å thÞ lùc theo thêi gian t¹i vÞ trÝ neo LUC NEO [N] PTN §o l­êng ®éng häc bay Vò khÝ FMV-B - qu¶ sè 1 Ngµy 05 th¸ng 7 n¨m 2013 §iÒu kiÖn ®o: NhiÖt ®é 35.2 0C §é Èm 71.1% N 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 s 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 Y1: Y2: t1: t2: dt: f: dY: dY/dt: Min: Max: Int: RMS: Channel:LUC NEO -17.87 s 4870.00 N -13.68 s 6460.00 N 4.19 s 0.24 Hz 1590.00 379.88 1600.00 6690.00 13028.34 3394.16 ®å thÞ lùc t¹i vÞ trÝ cuèi chuçi LUC NEO [N] PTN §o l­êng ®éng häc bay Vò khÝ FMV-B - qu¶ sè 1 Ngµy 05 th¸ng 7 n¨m 2013 §iÒu kiÖn ®o: NhiÖt ®é 35.2 0C §é Èm 71.1% Hình 10. Kết quả đo lực tại các nút 1 và 2 của WSN trên phối bộ FMV-B. Trong khi bay và va chạm khi rơi xuống đất WNS làm việc ổn định, kết quả nhận được F1max = 3865.50N, F2max = 6690.00 N, thời gian từ khi động cơ xuất phát đến khi lực căng F1 đạt giá trị cực đại là 7.61 giây (hình 10). 3. KẾT LUẬN Nghiên cứu phát triển WNS là một xu hướng tất yếu của đo lường hiện đại và đặc biệt thích hợp với các đối tượng chuyển động, ứng dụng WSN đo lực căng dây trục trên phối bộ vũ khí FMV-B đã khắc phục được các hạn chế trong việc truyền dữ liệu giữa cảm biến và trung tâm đo. Kết quả bước đầu cho thấy WSN đo lực căng dây trục trên phối bộ vũ khí FMV-B làm việc ổn định và đáp ứng được các yêu cầu khắc nghiệt trong thử nghiệm. Kết quả đo là cơ sở để đánh giá độ bền kết cấu của phối bộ và kiểm chứng mô hình bài toán động lực học của cơ hệ phục vụ cho công tác nghiên cứu chế tạo vũ khí FMV-B nói chung và các hệ thống có cấu trúc tương tự. Tµi liÖu tham kh¶o [1]. Phan Văn Chương,luận án TS“Nghiên cứu ảnh hưởng của một số tham số kết cấu đến các đặc trưng động lực học của hệ thống tên lửa kéo chuỗi lượng nổ mềm liên tục”, Viện KH&CNQS, 2011, tr 47-62. [2]. Holger Karl, A.Willig, Wolisz, "Wireless Sensor Networks", Springer, 2004. [3]. Đào Mộng Lâm, Đề tài độc lập cấp Nhà nước,“Nghiên cứu chế tạo các cảm biến và xây dựng hệ thống đo các tham số động học thiết bị bay” Viện KH&CNQS, 2010, tr 98-117. [4]. Nguyễn Hải, “Phân tích ứng suất bằng thực nghiệm”, NXB KHKT, 2005, tr 67. [5]. Abstract Building the wireless sensor network to measure the TENSION ON THE CABLE of the destroy barricade’s weapon FMV-B This paper presents the research results about the wireless sensor network to measure the tension on the cable of the destroy barricade’s weapon (FMV-B). The results are verified by experiment, as a basis for evaluating structural strength and proven the dynamics problem in the design of FMV-B weapon. Key words: Wireless sensor network, Destroy barricade’s weapon (FMV-B). NhËn bµi ngµy 20 th¸ng 8 n¨m 2013 Hoµn thiÖn ngµy 02 th¸ng 11 n¨m 2013 ChÊp nhËn ®¨ng ngµy 14 th¸ng 01 n¨m 2013 §Þa chØ: ViÖn Tªn löa, ViÖn KH-CNQS, D§ 0983589181.