Đang tải... (xem toàn văn)
hệ thống định vị toàn cầu (GPS)
Đại Học Công Nghệ ĐHQGHN Khoa: Điện tử-Viễn Thông LỜI CẢM ƠN Trước tiên em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn Ths.Trần Đức Tân thuộc Khoa Điện tử -Viễn thơng tận tình hướng dẫn em thực khoá luận tốt nghiệp Em xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo, cô giáo giảng dạy em suốt năm học Đại Học Những kiến thức tảng quý báu hành trang giúp cho em vững bước tương lai Đặc biệt thầy trong mơn MEMS tận tình hướng dẫn em hồn thành khoá luận tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn đề tài QC 07 -17 cán tham gia đề tài giúp đỡ em trình thực luận văn Cuối em muốn bày tỏ lịng cảm ơn gia đình, bạn bè, người thân động viên, giúp đỡ em q trình học tập thực khố luận Hà Nội, tháng năm 2008 Sinh viên Sinh Viên: Cao Ngọc Phát -1- Đại Học Công Nghệ ĐHQGHN Khoa: Điện tử-Viễn Thơng TĨM TẮT NỘI DUNG Nhu cầu sử dụng hệ thống định vị dẫn đường trở thành nhu cầu thiếu sống ngày Tuy nhiên hệ thống đạt xác tuyệt đối Vì cần phải làm tăng độ xác hệ thống định vị toàn cầu Bằng cách khắc phục sai số hệ thống dẫn đường (GPS) hệ thống dẫn đường quán tính (INS) Hệ thống dẫn đường quán tính INS có ưu điểm bật so sánh với hệ thống dẫn đường khác khả hoạt động tự trị độ xác cao khoảng thời gian ngắn Lỗi nghiêm trọng hệ thống INS cảm biến quán tính gây Chính ứng dụng thời gian dài hệ thống INS thường sử dụng với hệ thống hỗ trợ khác hệ thống dẫn đường vô tuyến (Loran, Omega Tacan), hệ thống dẫn đường vệ tinh (GPS, GLONASS Transit), JTIDS, DME…Các hệ thống hoạt động ổn định theo thời gian cần tích hợp INS hệ thống hỗ trợ Sự kết hợp GPS INS lý tưởng hai hệ thống có khả bù trừ hiệu Trái tim hệ thống tích hợp lọc tối ưu Kalman Bộ lọc Kalman hiệu linh hoạt việc kết hợp đầu bị nhiễu cảm biến quán tính để ước lượng trạng thái hệ thống Luận án đề xuất cấu trúc lọc Kalman cải tiến bao gồm hai lọc song song nhằm cải thiện độ xác tốc độ đáp ứng hệ thống, Ngoài ra, hệ thống cịn hoạt động linh hoạt hai chế độ vịng kín vịng hở, hữu ích tình tín hiệu từ GPS Sinh Viên: Cao Ngọc Phát -2- Đại Học Công Nghệ ĐHQGHN Khoa: Điện tử-Viễn Thơng Bảng giải thích chữ viết tắt GPS (Global Positioning System) Hệ thống định vị toàn cầu IMU (Inertial Measurement Unit) Bộ đođạc quán tính INS (Inertial Navigation System) Hệ thống dẫn đường quán tính KF (Kalman Filter) Bộ lọc Kalman MEMS (MicroElectroMechanical System) Hệ vi điện tử NED (North, East, Down) Các trục hệ toạ độ dẫn đường PC-box (Persional Computer box) Máy tính cá nhân chuyên dụng SINS (Strapdown INS) Hệ dẫn đường loại gắn chặt Sinh Viên: Cao Ngọc Phát -3- Đại Học Công Nghệ ĐHQGHN Khoa: Điện tử-Viễn Thông MỤC LỤC Bảng giải thích chữ viết tắt 1.1.6 Hoạt động .11 1.2.1.Phương trình động học 13 1.2.2 Ưu điểm nhược điểm INS 16 2.2 Các hệ tọa độ 18 2.2.1 Hệ tọa độ quán tính (Inertial Frame) 19 2.2.2 Hệ tọa độ cố định tâm trái đất (The Earth Fixed Frame) 19 2.2.3 Hệ tọa độ định vị (Navigation frame) 19 2.2.4 Hệ tọa độ gắn liền vật thể (Body frame) 19 2.3 Phương trình định vị 20 2.4 Hệ Phương trình định vị hệ tọa độ cố định tâm trái đât (e-frame) .21 2.5 Tổng quan hệ cảm nhận quán tính IMU .22 2.6 Thuật tốn dẫn đường qn tính 23 2.7.1 Nhiễu tất định 27 2.7.2 Nhiễu thống kê 27 Năm 1960 R.E Kalman xuất báo với tiêu đề “A New Approach to Linear Filtering and Predication Problems” Nghiên cứu Kalman khắc phục hạn chế lọc Weiner-Hopf việc giải toán thống kê tự nhiên Kể từ đó, danh từ lọc Kalman đời Bộ lọc ước lượng trạng thái trình thời gian rời rạc theo phương trình sai phân tuyến tính: 28 3.1.1.Bản chất tính tốn lọc 29 Chúng ta định nghĩa trạng thái tiền ước lượng thời điểm thứ k, trạng thái hậu ước lượng thời điểm thứ k cho giá trị đo zk Chúng ta định nghĩa lỗi tiền ước lượng lỗi hậu ước lượng sau: .29 3.1.2 Bản chất thống kê lọc 30 Công thức (3.8) thể chất thống kê tiền ước lượng quy định tất giá trị đo trước zk (Quy tắc Bayer) 30 Sinh Viên: Cao Ngọc Phát -4- Đại Học Công Nghệ ĐHQGHN Khoa: Điện tử-Viễn Thông 4.1 Thiết bị phần cứng .38 4.1.1 Khối dẫn đường quán tính MICRO-ISU BP3010 38 Chương 1: Tổng quan hệ thống dẫn đường quán tính (INS) hệ thống định vị toàn cầu (GPS) 1.1 Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) Hệ thống định vị toàn cầu (GPS-Global Positioning System) mạng gồm 24 vệ tinh Navstar quay xung quanh Trái đất độ cao 11.000 dặm (17.600 km) Được Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ ấn định chi phí ban đầu vào khoảng 13 tỷ USD, song việc truy nhập tới GPS miễn phí người dùng, kể người nước khác Các số liệu định vị định thời sử dụng cho vô số ứng dụng khác nhau, bao gồm đạo hàng hàng không, đất liền hàng hải, theo dõi phương tiện giao thông tầu biển, điều tra khảo sát vẽ đồ, quản lý tài sản tài nguyên thiên nhiên Với việc khắc phục giới hạn độ xác quân vào tháng 3/1996, ngày GPS xác vị trí mục tiêu nhỏ đồng 10 xu nơi bề mặt trái đất Vệ tinh GPS phóng vào năm 1978 Mười vệ tinh vệ tinh ‘mở mang’, gọi Block (Lô 1) Từ năm 1989 đến năm 1993 có 23 vệ tinh khai thác, gọi Block (Lơ 2) phóng lên quỹ đạo Vệ tinh thứ 24 phóng nốt vào năm 1994 hoàn thành hệ thống Các vệ tinh bố trí cho tín hiệu từ số thu nhận gần 100 phần trăm thời gian điểm trái đất Sinh Viên: Cao Ngọc Phát -5- Đại Học Cơng Nghệ ĐHQGHN Khoa: Điện tử-Viễn Thơng Hình 1.1:Quỹ đạo vệ tinh cua hệ thống GPS Trong số 24 vệ tinh Bộ quốc phịng Mỹ nói trên, có 21 thực hoạt động, vệ tinh cịn lại hệ thống hỗ trợ Tín hiệu radio truyền thường không đủ mạnh để thâm nhập vào tòa nhà kiên cố, hầm ngầm hay tới địa điểm nước Ngồi cịn đòi hỏi tối thiểu vệ tinh để đưa thơng tin xác vị trí (bao gồm độ cao) tốc độ vật Vì hoạt động quỹ đạo, vệ tinh đảm bảo cung cấp vị trí điểm trái đất 1.1.1 Cấu trúc hệ thống định vi tồn cầu GPS bao gồm mảng (xem hình 1.2): Mảng người dùng: gồm người sử dụng thiết bị thu GPS Mảng kiểm soát: bao gồm trạm mặt đất, chia thành trạm trung tâm trạm Các trạm con, vận hành tự động, nhận thông tin từ vệ tinh, gửi tới cho trạm chủ Sau trạm gửi thơng tin hiệu chỉnh trở lại, để vệ tinh biết vị trí chúng quỹ đạo thời gian truyền tín hiệu Nhờ vậy, vệ tinh đảm bảo cung cấp thơng tin xác tuyệt đối vào thời điểm Sinh Viên: Cao Ngọc Phát -6- Đại Học Công Nghệ ĐHQGHN Khoa: Điện tử-Viễn Thơng Hình 1.2: Cấu trúc hệ thống định vị tồn cầu Mảng khơng gian: gồm vệ tinh hoạt động lượng mặt trời bay quỹ đạo Quãng thời gian tồn chúng vào khoảng 10 năm chi phí cho lần thay lên đến hàng tỷ USD Một vệ tinh truyền tín hiệu radio nhiều mức tần số thấp khác nhau, gọi L1, L2 Một đài phát FM thường cần có cơng suất chừng 100.000 watt để phát sóng, vệ tinh định vị tồn cầu địi hỏi 20-50 watt để đưa tín hiệu xa 19.200 km 1.1.2 Thành phần hệ thống định vị tồn cầu Hệ thống GPS gồm có vệ tinh, máy thu hệ thống điều khiển đất Các vệ tinh phát tín hiệu tần số 1575,42 MHz để máy thu GPS mặt đất tách Các máy thu lắp đặt tầu, máy bay xe ô tô để cung cấp thơng tin định vị xác điều kiện thời tiết Chúng phát hiện, giải mã xử lý tín hiệu vệ tinh GPS để xác định vị trí xác người dùng Đoạn điều khiển (hay đoạn mặt đất) GPS gồm có trạm giám sát khơng người điều khiển đặt Hawaii, Kwajalein Thái Bình Dương, Diago Garcia ấn Độ Dương, Ascension Island Đại Tây Dương Colorado Springs Solo Cịn có Trạm mặt đất đặt Falcon AFB Colorado Springs, trạm mặt đất an-ten lớn để phát quảng bá tín hiệu lên vệ tinh Các trạm bám theo giám sát vệ tinh GPS 1.1.3 Hoạt động hệ thống định vị toàn cầu Sinh Viên: Cao Ngọc Phát -7- Đại Học Công Nghệ ĐHQGHN Khoa: Điện tử-Viễn Thơng Với GPS, tín hiệu từ vệ tinh tới vị trí xác người dùng đo theo phép tam giác đạc Để thực phép tam giác đạc, GPS đo khoảng cách thông qua thời gian hành trình tin vơ tuyến từ vệ tinh tới máy thu mặt đất Để đo thời gian hành trình, GPS sử dụng đồng hồ xác vệ tinh Một khoảng cách tới vệ tinh đo việc biết trước vị trí vệ tinh khơng gian sử dụng để hồn thành tính tốn Các máy thu GPS mặt đất có “cuốn niên giám” lưu trữ nhớ máy tính chúng để thị vệ tinh có mặt nơi bầu trời vào thời điểm Các máy thu GPS tính tốn thời gian trễ qua tầng đối lưu khí để tiếp tục làm xác phép đo vị trí Để bảo đảm chắn vệ tinh máy thu đồng với nhau, vệ tinh có bốn đồng hồ nguyên tử thời gian xác tới ns, tức ba phần tỷ giây Nhằm tiết kiệm chi phí, đồng hồ máy thu đất làm xác đôi chút Bù lại, phép đo tầm hoạt động vệ tinh trang bị thêm Phép đo lượng giác rằng, ba số đo xác định vị vị trí điểm khơng gian ba chiều phép đo thứ tư loại bỏ độ chênh lệch thời gian Phép đo thứ tư chỉnh lại đồng hố khơng hồn hảo máy thu Hình 1.3: Các tín hiệu từ vệ tinh, máy thu GPS đặt ô tô thu nhận, sử dụng để xác định thơng tin vị trí xác Khối mặt đất thu nhận tín hiệu vệ tinh tới với tốc độ tốc độ ánh sáng Ngay tốc độ tín hiệu phải lượng thời gian đáng kể tới máy thu Sự chênh lệch thời điểm tín hiệu gửi thời điểm tín hiệu thu nhận với tốc độ ánh sáng cho phép máy thu tính khoảng cách tới vệ tinh Để đo lường xác độ cao, kinh độ vĩ độ, máy thu đo thời gian tín hiệu từ số vệ tinh truyền tới máy thu (Hình 1.2) Sinh Viên: Cao Ngọc Phát -8- Đại Học Công Nghệ ĐHQGHN Khoa: Điện tử-Viễn Thông GPS sử dụng hệ tọa độ gọi Hệ thống Trắc địa học Toàn cầu 1984 (WGS-84 Worldwide Geodetic System 1984) Hệ thống tương tự đường kẻ kinh tuyến vĩ tuyến quen thuộc thường thấy đồ treo tường cỡ lớn Hệ thống WGS - 84 cung cấp khung tham chiếu gắn sẵn tiêu chuẩn hoá, cho phép máy thu hãng sản xuất cung cấp thông tin định vị 1.1.4 Ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu Mặc dù hệ thống GPS hoàn thành vào năm 1994 thực tự khẳng định ứng dụng quân Ngày nay, GPS trở thành yếu tố quan trọng tất chiến dịch quân tất hệ thống vũ khí Ngồi ra, GPS sử dụng vệ tinh để đạt liệu quỹ đạo có độ xác cao để điều khiển hướng bay tầu vũ trụ Mặc dù hệ thống GPS lúc ban đầu triển khai để đáp ứng yêu cầu giới quân sự, người ta không ngừng tìm cách thức để sử dụng khả nó, từ cao siêu đến bình dị Một số cách thức thứ sử dụng GPS cho công tác quản lý động vật hoang dã châu Phi, máy thu GPS sử dụng để giám sát đường hướng di trú đàn động vật lớn cho mục đích nghiên cứu khác Những máy thu GPS cầm tay sử dụng thường ngày ứng dụng thực địa, có địi hỏi việc thu thập thơng tin xác, kể việc kiểm tra trường công ty phục vụ công cộng, việc vẽ đồ nhà khai thác dầu mỏ khí đốt việc quy hoạch tài nguyên cơng ty lâm nghiệp Các khinh khí cầu có trang bị GPS giám sát lỗ hổng tầng ô-zôn vùng cực chất lượng không khí giám sát nhờ máy thu GPS Các phao theo dõi lượng dầu tràn lớn biển phát liệu cần thiết nhờ sử dụng GPS Các nhà khảo cổ học nhà thám hiểm sử dung hệ thống để đánh dấu vị trí xa biển đất liền trước họ lập tốn trang thiết bị kinh phí Theo dõi phương tiện vận chuyển ứng dụng GPS phát triển nhanh Các đoàn tầu, hệ thống vận chuyển cơng cộng, đồn xe tải q cảnh, Sinh Viên: Cao Ngọc Phát -9- Đại Học Công Nghệ ĐHQGHN Khoa: Điện tử-Viễn Thơng chuyến xe bưu có trang bị máy thu GPS để giám sát vị trí chúng vào thời điểm Các liệu GPS trở nên hữu ích khách hàng liên kết với kỹ thuật vẽ đồ số Theo đó, số hãng sản xuất ô tô chào hàng phương án chế tạo xe trang bị hình trình bày hành trình xe chạy máy thu GPS hướng dẫn Các hình chí cịn tháo đem nhà để lập chương trình cho chuyến Một số phương tiện xe cộ có trang bị GPS đưa bảng hướng dẫn hiển thị cho lái xe qua lệnh tiếng nói tổng hợp Những tính cho phép lái xe đến nơi muốn cách nhanh chóng an tồn so với trước Cơng nghệ GPS chí cịn sử dụng kết hợp với công nghệ mạng tế bào để cung cấp dịch vụ giá trị gia tăng Với việc ấn phím bấm máy điện thoại di động mạng tế bào, đàm thoại với nhà cung cấp dịch vụ lúc báo hiệu tới dịch vụ điều phối trung tâm thông báo vị trí, họ tình khẩn cấp hỏng hóc trang thiết bị Điều với Khối Định vị Mạng tế bào Nhắn tin Khẩn (Cellular Positioning and Emergency Messaging Unit) hãng Motorola Thiết bị mở kỷ nguyên an toàn di động theo dõi đoàn xe đoàn tầu biển Các thiết bị thiết kế cho nhà tích hợp hệ thống người tạo cấu hình mạng tiêu dùng thương mại khai thác qua điện thoại di động tế bào Khối Định vị Mạng tế bào Nhắn tin Khẩn truyền đạt thông tin vị trí trạng thái phương tiện xe cộ GPS xác định, phù hợp để sử dụng hệ thống nhằm trợ giúp cho nhà quản lý đường bộ, hãng giám sát nội vụ, công ty điện thoại di động, công ty cho thuê xe ô tô, nhà khai thác đội tầu biển thương mại nhà sản xuất ô tơ tìm kiếm lợi cạnh tranh 1.1.5 Mã hệ thống định vị toàn cầu Mỗi vệ tinh hệ thống GPS có đồng hồ nguyên tử độ xác cao để làm sở cho thiết bị phát tần số chuẩn 10,23Mz Tần số điều biến sóng mang L1 = 1575,42MHz L2 = 1227,60MHz Các sóng mang L1, L2 điều biến loại mã sau: Sinh Viên: Cao Ngọc Phát - 10 - Đại Học Công Nghệ ĐHQGHN Khoa: Điện tử-Viễn Thơng Hình 3.4: Cấu trúc GPS/INS vịng kín 3.2.2 Bộ loc kalman cải tiến Trong khố luận này, cấu trúc lọc Kalman phát triển bao gồm hai lọc song song sử dụng linh hoạt hệ thống dẫn đường Khi tín hiệu GPS thu tốt hệ thống INS/GPS hoạt động với cấu hình vịng kín Khi tín hiệu GPS bị hệ thống dễ dàng chuyển sang cấu hình vịng mở Khi tín hiệu GPS lại khơi phục hệ thống lại trở cấu hình vịng kín Việc chuyển linh hoạt hai cấu hình vịng kín vịng hở giúp nâng cao chất lượng tồn hệ thống khắc phục nhược điểm hai cấu hình riêng lẻ Hình 3.5: Bộ lọc kalman song song Sinh Viên: Cao Ngọc Phát - 34 - Đại Học Công Nghệ ĐHQGHN Khoa: Điện tử-Viễn Thông Bộ lọc Kalman thứ (KF1) thiết lập với véctơ trạng thái sai số vận tốc (eVN, eVE, eVD), véctơ đo lường hiệu vận tốc GPS INS Tốc độ cập nhật vận tốc GPS Hz INS 64 Hz Vì tốc độ cập nhật lọc Kalman lựa chọn Hz Chúng ta lựa chọn tốc độ cập nhật cao cho đầu lọc Kalman (chẳng hạn s) với giả thiết khoảng thời gian 0.5 s vận tốc vật thể chuyển động khơng thay đổi Ưu điểm lọc trạng thái KF1 tốc độ hội tụ nhanh, tránh sai số lọc Kalman không hội tụ sai sót thiết lập mơ hình trạng thái Đầu KF1 sử dụng để bù trừ cho đầu hệ thống Bộ lọc Kalman thứ hai KF2 ước lượng tám trạng thái hệ thống bao gồm: lỗi vận tốc hệ toạ độ dẫn đường (eVN, eVE, eVD), độ trôi quay vi (GBx, GBy, GBz) lỗi góc nghiêng (Tn, Te) Lỗi ước lượng INS sử dụng để hiệu chỉnh ma trận chuyển hệ toạ độ CbN véctơ quaternion Các ước lượng độ trôi quay vi phản hồi khối dẫn đường qn tính SINS Ta có Ak,k-1 ma trận chuyển trạng thái khoảng thời gian nhỏ (tức tốc độ cập nhật INS lớn - 64 Hz), xấp xỉ Ak,k-1 sau: Ak ,k −1 = e ( F∆t ) ≈ I + F∆t Ak , k −1 0 − Dvd Dvd = 0 0 (3.10) 0 h N C11 hN C12 0 h N C 21 h N C 22 0 0 0 0 0 0 0 0 0 − hN β 0 0 − hN β 0 0 hN C13 hN C 23 − hN β (3.11) Ở Dvd độ tăng vận tốc theo hướng tâm trái đất hệ trục toạ độ dẫn đường, β tham số hàm tương quan, hN=1/64 s, ma trận hiệp phương sai ứng với wk là: T T Qk = E [wk wk ] ≈ Ak GQG T Ak ∆ t Ở đó: Sinh Viên: Cao Ngọc Phát - 35 - (3.12) Đại Học Công Nghệ ĐHQGHN Khoa: Điện tử-Viễn Thông [ 2 2 2 Q = diag σ ax σ ay σ az σ ωx σ ωx σ ωx ] Xét phương trình đo lường: zk = Hk xk + vk (3.13) Ở đó: Vn INS −VnGPS z k = VeINS −VeGPS Vd INS −Vd GPS [ ] , [ T Rk = E v k v k = diag σ Vn H k = ( I 3×3 3×5 ) σVe σVd ] Là ma trận hiệp phương sai vk Trong trường hợp tín hiệu GPS bị khơng đáng tin cậy, thông tin thu lấy từ khối INS tín hiệu GPS khơi phục Trong khoảng thời gian đó, lỗi dẫn đường tăng nhanh chóng theo thời gian nhược điểm cảm biến vi điện tử Vì thế, hệ thống cần phải tận dụng phép đo ảo dựa vào tính chất động học vật thể chuyển động (ở tập trung vào phương tiện chuyển động mặt đất) Cụ thể, khố luận tận dụng ràng buộc vận tốc độ cao vật thể Trong nhiều tình coi độ cao phương tiện chuyển động 0, nhiên áp dụng điều kiện toàn tuyến đường Ràng buộc vận tốc: V xb (t ) =0 (3.14) V zb (t ) =0 Phương trình 21 chuyển sang hệ dẫn đương sau: b Vx V N = C n V b V b y E Vzb D V (3.15) Với quãng đường dài, phương tiện chuyển động cần dừng lại để cập nhật lỗi Trong trường hợp vận tốc trở Lúc vận tốc đầu INS Sinh Viên: Cao Ngọc Phát - 36 - Đại Học Công Nghệ ĐHQGHN Khoa: Điện tử-Viễn Thông lỗi vận tốc Việc xác định xem phương tiện hoàn toàn dừng lại hay chưa dựa vào vận tốc GPS đầu cảm biến gia tốc Tín hiệu gia tốc xử lí phương pháp cửa sổ trượt với kích thước cửa sổ cỡ vài giây.Ngưỡng xác định xe dừng 0.05 m/s Khi phương tiện dừng hoàn tồn, vận tốc theo hướng Đơng Bắc đưa vào lọc Cách xử lí khác với cách xử lí thơng thường véctơ đo lường tính hiệu số vận tốc INS GPS Để cho việc ước lượng lỗi INS xác véctơ đo lường cần gia tăng so với phương tiện chuyển động nhằm thu độ khuếch đại Kalman lớn Khi GPS, góc tư vật thể nhờ việc dự đoán véctơ trạng thái Ngoài ra, để phục vụ cho việc hiệu chỉnh góc tư hệ thống cịn sử dụng thơng tin góc hướng từ GPS cảm biến từ Với ứng dụng 2D góc hướng tính theo GPS sử dụng với điều kiện vận tốc chuyển động lúc phải đủ lớn Góc hướng GPS tính sau: H GPS = tg −1 GPS VE GPS VN (3.16) Có thể phân loại sai số khối dẫn đường quán tính thành sai số tất định sai số ngẫu nhiên Các sai số tất định loại trừ dễ dàng nhờ phương pháp chuẩn thiết bị Tuy nhiên, loại bỏ sai số ngẫu nhiên hệ thống dẫn đương lại vấn đề phức tạp Trước tiên, phải đặc trưng nhiễu ngẫu nhiên tác động lên hệ thống sử dụng phương pháp mật độ phổ công suất, phương pháp phương sai Allan kết hợp hai phương pháp Phương pháp xác định thông số nhiễu trình bày chi tiết báo cáo đề tài QGTĐ 05-09, nêu lại phần nhiễu cũa khối IMU Sau đặc trưng sai số khối IMU thơng số sử dụng khối lọc Kalman nhằm bù trừ sai số Chương 4: Các kết qủa thực nghiệm Sinh Viên: Cao Ngọc Phát - 37 - Đại Học Công Nghệ ĐHQGHN Khoa: Điện tử-Viễn Thông 4.1 Thiết bị phần cứng 4.1.1 Khối dẫn đường quán tính MICRO-ISU BP3010 MICRO-ISU BP3010 khối IMU tích hợp cảm biến vận tốc góc ADXR300, cảm biến gia tốc ADXL210E có bù nhiệt theo mơ hình gắn liền Sáu lối cảm biến đưa qua mạch tích phân sáu đường để thu độ tăng góc dThx, dThy, dThz độ tăng vận tốc dVx, dVy, dVz Các vi điều khiển khối IMU tổng hợp liệu tính Coning Sculling giao tiếp với bên qua giao diện RS232 Khung truyền liệu cập nhật với tốc độ khác 8Hz, 16Hz, 32Hz 64Hz, tốt 64Hz Thông tin chi tiết trình bày trang Web nhà sản xuất BEC Navigation System Hình 4.1: Hệ INS/GPS kết nối (QGTĐ 05-09) 4.1.2 Thiết bị thu GPS Thiết bị thu GPS HI-204E (Hình 4.2) hãng Haicom có đặc điểm sau: Có 12 kênh dẫn đường Độ nhạy tối thiểu -165 dB Truyền liệu qua cổng USB Sinh Viên: Cao Ngọc Phát - 38 - Đại Học Công Nghệ ĐHQGHN Khoa: Điện tử-Viễn Thông Chuẩn truyền NMEA-108 với tốc độ 4800 baud Tốc độ cập nhật khung liệu 1Hz Sai số định vị khơng có SA 25m Các thông tin thu từ GPS theo chuẩn NMEA-108: GGA, GLL, GSA, GSV, RMC, VTG mang thông tin thời gian chuẩn, kinh độ , vĩ độ, tư thế, vận tốc, số thông tin khác Thông tin chi tiết trình bày trang Web nhà sản xuất Haicom [8] Hình 4.2: Thiết bị thu GPS HI-204E 4.2 Kết thực nghiệm 4.2.1 Xây dựng hệ tích hợp INS/GPS theo thời gian thực a Thiết kế mơ hình hố hệ thống dẫn đường tích hợp GPS / INS: mức hệ thống Công cụ SIMULINK thuận tiện hiệu việc thiết kế mô hệ thống dẫn đường mức hệ thống hỗ trợ trực tiếp cho mức thực thi Tồn hệ thống dẫn đường mơ kiểm tra nhờ ngơn ngữ lập trình nhúng môi trường SIMULINK/MATLAB,đã tận dụng ưu điểm SIMULINK lập trình với lệnh M-files Điều thuận tiện để phát triển chương trình thời gian thực Ngồi tập liệu mơ phỏng, chương trình cịn xử lí liệu thực (đo trực tiếp từ GPS INS quỹ đạo thực nghiệm) Rất nhiều tập liệu khác đuợc thử nghiệm chương trình Sinh Viên: Cao Ngọc Phát - 39 - Đại Học Công Nghệ ĐHQGHN Khoa: Điện tử-Viễn Thơng Hình 4.3: Chương trình thiết kế, mô SIMULINK/MATLAB b Thiết kế mơ hình hố hệ thống dẫn đường tích hợp GPS / INS: mức thực thi Thuật toán dẫn đường quán tính lọc Kalman xây dựng ngơn ngữ C VC++ để thu thập liệu từ khối IMU, GPS la bàn từ phục vụ cho việc thực dẫn đường quán tính theo thời gian thực Bài toán xử lý thời gian thực toán quản lý tài nguyên phần cứng tối ưu hoá phần mềm Công việc phải làm đồng thời thu thập liệu từ GPS, INS, la bàn từ thực tính tốn INS thực lọc Kalman Hệ dẫn đường qn tính có tốc độ thu liệu GPS 480x0baud, tốc độ liệu từ khối IMU 38400 baud tốc độ truyền khung INS 64Hz việc thu thập liệu xử lý thách thức Giao diện chương trình VC++ mơ tả hình 4.4 Với giao diện người dùng quan sát góc định hướng thể trạng thái vật thể vận tốc, vị trí vật thể đo hệ GPS/INS thông tin thu từ GPS Hiện vấn đề xây dựng chương trình thời gian thực cho quỹ đạo ngồi phịng thí nghiệm xây dựng xong đưa vào thử nghiệm cho số kết khả quan Để đảm bảo độ tin cậy hệ thống thử nghiệm chạy thời gian thực với nhiều quỹ đạo khác nhiều điều kiện khác phân tích Sinh Viên: Cao Ngọc Phát - 40 - Đại Học Cơng Nghệ ĐHQGHN Khoa: Điện tử-Viễn Thơng Hình 4.4: Giao diện dẫn đuờng quán tính viết VC++ (mức thực thi) 4.2.2 Kết Để thực quỹ đạo ngồi phịng thí nghiệm GPS hệ thống lắp đặt ơtơ Lúc đầu ơtơ trạng thái đứng yên, nổ máy khoảng 100 s Thao tác cho ta tập liệu tất định phục vụ cho việc chuẩn chỉnh vị trí INS Tốc độ cập nhật từ cảm biến quán tính 64 Hz, từ GPS Hz, từ Kalman Hz nhằm thu kết có độ xác cao Để làm rõ tính ưu việt cấu trúc thực thi quỹ đạo thực nghiệm ngắt bỏ tín hiệu GPS 100 giây (từ giây thứ 650 tới 750) Hình 4.5.a mơ tả quỹ đạo vật thể sử dụng cấu trúc phản hồi Có thể thấy đầu hệ thống (đường liền) có sai khác lớn so với quỹ đạo GPS Mơ hình hệ thống kết hợp thể rõ ưu điểm hình 4.1.b với sai số vị trí nhỏ Ở đó, cấu hình vịng kín sử dụng thu tín hiệu từ GPS chuyển sang cấu hình vịng hở lúc GPS Hình 4.5.a b mơ tả thơng tin vị trí theo qng đường đối tượng chuyển động theo hướng Bắc hướng Đông thay cho hiển thị kinh độ, vĩ độ Sinh Viên: Cao Ngọc Phát - 41 - Đại Học Công Nghệ ĐHQGHN Khoa: Điện tử-Viễn Thơng (a) (b) Hình 4.5: So sánh lỗi vị trí: cấu hình phản hồi (a) cấu hình kết hợp (b )khi GPS Sinh Viên: Cao Ngọc Phát - 42 - Đại Học Công Nghệ ĐHQGHN Khoa: Điện tử-Viễn Thông Nhằm dễ dàng đánh giá chất lượng hệ dẫn đường thí nghiệm khác thực với quỹ đạo nhỏ phương tiện chuyển động khoảng thời gian khoảng 80s Hình 4.6: Quỹ đạo nhỏ thực nghiệm Hình 4.7 4.8 mô tả vận tốc KF so sánh với vận tốc GPS Thấy đầu KF (nét đứt) bám sát vận tốc GPS với sai số nhỏ khoảng thời gian xấp xỉ phút Hình 4.7: So sánh vận tốc theo hướng Đông vật thể chạy theo quỹ đạo thực tế Sinh Viên: Cao Ngọc Phát - 43 - Đại Học Cơng Nghệ ĐHQGHN Khoa: Điện tử-Viễn Thơng Hình 4.8: So sánh vận tốc theo hướng Bắc vật thể chạy theo quỹ đạo thực tế Hình 4.9 góc ngiêng góc chúc hệ thống sau tính tốn hiệu chỉnh nhờ lọc Kalman Trong khoảng 10 giây đầu lúc phương tiện chuẩn bị chuyển động góc nghiêng góc chúc gần khơng đổi Khi chuyển động, giá trị góc chạy quanh điểm cân với độ lệch nhỏ Các kết hợp lí với tình chạy thử nghiệm quỹ đạo hai chiều phẳng Hình 4.9: Góc ngiêng góc chúc vật thể chạy theo quỹ đạo thực tế Quỹ đạo 2-D trình bày hình 4.10 Lưu ý khơng trình bày với thứ ngun rad kinh độ, vĩ độ Nguyên nhân tránh ổn định tính Sinh Viên: Cao Ngọc Phát - 44 - Đại Học Công Nghệ ĐHQGHN Khoa: Điện tử-Viễn Thơng tốn Có thể thấy quỹ đạo hệ tích hợp vịng kín bám sát với quỹ đạo GPS với lỗi nhỏ (< m) suốt vịng kín Hình 4.10: So sánh quỹ đạo thu hệ thống khác KẾT LUẬN Trong q trình thực khố luận em thu số kết sau: - Tìm hiểu cấu trúc, thành phần, hoạt động ứng dụng hệ thống định vi tồn cầu GPS - Tìm hiểu tổng quan hệ thống dẫn đường quán tính INS - Nắm bắt lý thuyết hệ thống dẫn đường qn tính - Tìm hiểu cấu trúc lọc tối ưu Kalman nói chung lọc Kalman cải tiến tốn dẫn đường - Tìm hiểu xây dựng lọc Kalman cải tiến cho hệ dẫn đường quán tính mơ hình Matlab - Simulink - Xây dựng hệ thống dẫn đường quán tính sử dụng lọc Kalman cải tiến theo thời gian thực ngôn ngữ VC++ Sinh Viên: Cao Ngọc Phát - 45 - Đại Học Công Nghệ ĐHQGHN Khoa: Điện tử-Viễn Thông - Thực nghiệm đánh giá chất lượng hệ thống dẫn đường xây dựng quỹ đạo thực tế Tài liệu tham khảo [1] Đề tài QGTĐ 05-09 Chủ biên GS.TS Nguyễn phú Thuỳ Năm 2007 [2] Đề tài QC 07.17 Chủ biên thạc sỹ Trần Đức Tân Năm 2008 [3] Vikas Kumar N, Integration of Inertial Navigation System and Global Positioning System Using Kalman Filtering, M.Tech Dissertation, Indian Institute of Technology, Bombay, July 2004 [4] Oleg S Salychev, Applied Inertial Navigation: Problems and Solutions, BMSTU Press, Moscow Russia, 2004 [5] Georey J.Bulmer, “In MICRO-ISU BP3010 An OEM Miniature Hybrid Degrees- Of-Freedom Inertial Sensor Unit”, Gyro Symposium, Stuttgart 16th-17th September, 2003 [6] Peter S Maybeck, Stochastic models, estimation, and control, Academic Press, Vol 1, 1994 Sinh Viên: Cao Ngọc Phát - 46 - Đại Học Công Nghệ ĐHQGHN Khoa: Điện tử-Viễn Thông [7] Haiying Hou, Modeling inertial sensors errors using Allan variance, UCEGE reports number 20201, Master's thesis, University of Calgary, September 2004 [8] Wang, J., Lee, H.K., Rizos, C., “GPS/INS Integration: A Performance Sensitivity Analysis”, Wuhan University Journal of Nature Sciences, 8(2B), pp 508-516 [9] Gyro, Accelerometer Panel of the IEEE Aerospace, and Electronic Systems Society, Draft recommended practice for inertial sensor test equipment, instrumentation, data acquisition and analysis, In IEEE Std Working Draft P1554/ D14 [10] Panzieri, S., Pascucci, F., Ulivi, G., “An Outdoor navigation system using GPS and Inertial Platform”, IEEE ASME Transactions on Mechatronics, Vol (2002) Sinh Viên: Cao Ngọc Phát - 47 - ... BP3010 38 Chương 1: Tổng quan hệ thống dẫn đường qn tính (INS) hệ thống định vị tồn cầu (GPS) 1.1 Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) Hệ thống định vị toàn cầu (GPS-Global Positioning System)... tăng độ xác hệ thống định vị toàn cầu Bằng cách khắc phục sai số hệ thống dẫn đường (GPS) hệ thống dẫn đường quán tính (INS) Hệ thống dẫn đường qn tính INS có ưu điểm bật so sánh với hệ thống dẫn... để phát sóng, vệ tinh định vị tồn cầu địi hỏi 20-50 watt để đưa tín hiệu xa 19.200 km 1.1.2 Thành phần hệ thống định vị toàn cầu Hệ thống GPS gồm có vệ tinh, máy thu hệ thống điều khiển đất Các
