playboy_102
New Member
Luận văn: Nâng cao chất lượng hệ thống tích hợp INS/GPS sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng : Luận văn ThS. Kỹ thuật điện tử - viễn thông: 60 52 70
Nhà xuất bản: ĐHCN
Ngày: 2011
Chủ đề: Kỹ thuật điện tử
Bộ lọc Kalman
Điện tử học
Hệ thống định vị toàn cầu
Miêu tả: 48 tr. + CD-ROM
Luận văn ThS. Kỹ thuật điện tử -- Trường Đại học Công nghệ. Đại học Quốc gia Hà Nội, 2011
Tìm hiểu về hệ thống định vị toàn cầu GPS. Tìm hiểu về các loại cảm biến (gia tốc và vận tốc góc) có thể sử dụng cho dẫn đường quán tính, tập trung vào cảm biến vi cơ điện tử. Tìm hiểu cách kết hợp hệ thống dẫn đường quán tính và hệ thống định vị toàn cầu. Tìm hiểu về bộ lọc Kalman tuyến tính, mô phỏng bộ lọc Kalman tuyến tính và ứng dụng bộ lọc Kalman tuyến tính cho việc kết hợp INS và GPS
Mục lục
BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................... - 3 -
TÓM TẮT.................................................................................................... - 4 -
CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU CHUNG.......................................................... - 5 -
1.1 Tổng quan về hệ định vị toàn cầu GPS [2][4].................................. - 5 -
1.2 Tổng quan về hệ thống định vị quán tính (INS)[3][4][11][16]. ....... - 7 -
CHƯƠNG II. LÝ THUYẾT DẪN ĐƯỜNG INS/GPS. ........................... - 10 -
2.1 Một số khái niệm cơ bản [1]........................................................... - 10 -
2.2 Thuật toán dẫn đường kiểu gắn chặt [1][4]................................... - 10 -
2.3 Lưu đồ thuật toán [1][4]................................................................. - 17 -
2.4 Hệ thống tích hợp INS/GPS [1][3][4][9][11][12][14]. ................... - 20 -
CHƯƠNG III ỨNG DỤNG BỘ LỌC KALMAN VÀO HỆ THỐNG INS/GPS. .. - 23 -
3.1 Bộ lọc Kalman tuyến tính [5] [6] [7] [8] [13] [15].......................... - 23 -
3.1.1 Nguyên lý hoạt động của bộ lọc Kalman tuyến tính. ............... - 23 -
3.1.2 Áp dụng của bộ lọc Kalman tuyến tính [2]. ............................. - 27 -
3.2 Bộ lọc Kalman mở rộng [10][ 20]. ................................................. - 30 -
3.2.1 Nguyên lý hoạt động của bộ lọc Kalman mở rộng................... - 30 -
3.2.2 Áp dụng bộ lọc Kalman mở rộng [21]...................................... - 33 -
3.3 Thực hiện mô phỏng hệ thống [18][19]. ........................................ - 36 -
3.3.1 Mô phỏng với bộ lọc Kalman tuyến tính.................................. - 36 -
3.3.2 Mô phỏng với bộ lọc Kalman mở rộng..................................... - 39 -
3.3.3 Mô phỏng với tất cả các bộ lọc Kalman trong hệ thống. ......... - 44 -
KẾT LUẬN ....................................................................................................................- 46 -
TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................................- 47 -- 2 -
Trần Minh Đức Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1.Hệ thống định toàn cầu GPS.......................................................- 5 -
Hình 1.2 Nhận tín hiệu từ vệ tinh...............................................................- 7 -
Hình 1.3 Hình ảnh IMU thực tế .................................................................- 8 -
Hình 1.4 Các cấu trúc của khối IMU vi cơ. ...............................................- 9 -
Hình 2.1. Trục toạ độ của hệ thống dẫn đường quán tính.......................- 10 -
Hình 2.2: Thuật toán Salychev Salychev..................................................- 18 -
Hình 2.3: Thuật toán Salychev.................................................................- 19 -
Hình 2.4.a. Cấu trúc GPS/INS vòng mở...................................................- 20 -
Hình 2.4.b Cấu trúc GPS/INS vòng kín....................................................- 21 -
Hình 3.1: Thuật toán Kalman cổ điển......................................................- 26 -
Hình 3.2: Sơ đồ lọc Kalman cho hệ INS/GPS. .........................................- 27 -
Hình 3.3: quá trình cập nhật thông tin INS theo thông tin GPS ...............- 30 -
Hình 3.4. Cấu hình lọc Kalman đề xuất trên toàn hệ thống. ....................- 36 -
Hình 3.5.So sánh vận tốc Ve của INS/GPS (tốc độ cập nhật 64Hz) và của
Kalman (tốc độ cập nhật 2 Hz). Trục hoành: thời gian (s), trục tung: Ve (m/s) .- 37 -
Hình 3.7. Sai khác vị trí theo hướng Bắc và Đông giữa INS/GPS và GPS.
Trục hoành: số mẫu so sánh=thời gian (s)*64, trục tung: góc hướng (độ)- 39 -
Hình 3.8.Vận tốc ước lượng bởi EKF từ thông tin vị trí vệ tinh và
pseudorange sử dụng EKF. .....................................................................- 40 -
Hình 3.9.Vị trí theo hướng Bắc................................................................- 41 -
Hình 3.10.Vị trí theo hướng Đông ...........................................................- 42 -
Hình 3.11.Độ cao ....................................................................................- 42 -
Hình 3.12. Sai số khoảng cách theo hướng Bắc.......................................- 43 -
Hình 3.13. Sai số khoảng cách theo hướng Đông ...................................- 43 -
Hình 3.14. Sai số khoảng cách theo độ cao .............................................- 44 -
Hình 3.15. So sánh vị trí theo hướng Bắc của hệ tích hợp INS/GPS với GPSEKF.........................................................................................................- 45 -
Hình 3.16. So sánh vị trí theo hướng Đông của hệ tích hợp INS/GPS với
GPS-EKF. ...............................................................................................- 45 -
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi- 3 -
Trần Minh Đức Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
IMU Inertial Measurement Units Khối đo quán tính.
GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu.
KF Kalman Filter Bộ lọc Kalman.
EKF Extended Kalman Filter Bộ lọc Kalman mở rộng.
INS Inertial Navigation System Hệ thống dẫn đường quán tính.
ILS Iterative Least Square Bình phương tối thiểu lặp.
IMU Inertial Measurement Unit Khối đo lường quán tính.
FIR Finite Impulse Response Bộ lọc với đáp ứng xung hữu hạn.- 4 -
Trần Minh Đức Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
TÓM TẮT
Hệ thống định vị dẫn đường đòi hỏi những yêu cầu cao như tính chính
xác cao, thời gian đáp ứng nhanh.Vì vậy thuật toán cho bộ lọc Kalman và hệ
thống phần cứng xử lý số cần đảm bảo được khả năng tính chính xác và
nhanh. Trong luận văn này học viên đã thực hiện được những nhiệm vụ sau:
- Tìm hiểu về hệ thống định vị toàn cầu GPS.
- Tìm hiểu về các loại cảm biến (gia tốc và vận tốc góc) có thể sử dụng
cho dẫn đường quán tính, tập trung vào cảm biến vi cơ điện tử.
- Tìm hiểu cách kết hợp hệ thống dẫn đường quán tính và hệ thống định
vị toàn cầu.
- Tìm hiểu về bộ lọc Kalman tuyến tính, mô phỏng bộ lọc Kalman tuyến
tính cho việc kết hợp INS và GPS.
- Học viên đã đề xuất việc sử dụng thêm một bộ lọc Kalman mở rộng
(EKF) để nâng cao chất lượng của một hệ thống sẵn có. EKF được dùng để
xử lý thông tin thô từ GPS (không lấy trực tiếp thông tin vận tốc hay vị trí
như thông thường), cho ra thông tin về vị trí và vận tốc chính xác hơn trước
khi đưa tới bộ lọc Kalman làm nhiệm vụ tích hợp INS/GPS. Những kết quả
minh họa đã cho thấy chất lượng đầu ra của GPS-EKF tốt hơn so với GPS
thông thường. Chính vì thế chất lượng của toàn bộ hệ thống INS/GPS sẽ
được cải thiện một cách đáng kể (độ chính xác vị trí được cải thiện hơn
khoảng 1-2 m).
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi- 5 -
Trần Minh Đức Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU CHUNG.
1.1 Tổng quan về hệ định vị toàn cầu GPS [2][4].
GPS viết tắt của The Global Positioning System, là hệ thống định vị
toàn cầu được xây dựng bởi bộ quốc phòng Mỹ. Ban đầu nó chỉ được sử
dụng cho các mục đích quân sự. Cho đến những năm 1980 GPS được mở
rộng cho những mục đích dân sự.
Hệ thống GPS bao gồm 3 thành phần chính: Thành phần không gian
bao gồm các vệ tinh;Thành phần điều khiển là các trạm mặt đất; và Thành
phần người sử dụng gồm có người sử dụng và bộ thu tín hiệu GPS.
Hình 1.1.Hệ thống định toàn cầu GPS.- 6 -
Trần Minh Đức Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
Phần không gian gồm 24 vệ tinh (21 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh
dự phòng) nằm trên các quỹ đạo xoay quanh trái đất. Chúng cách mặt đất
20.200km, bán kính quỹ đạo 26.600 km(Hình 1.1). Chúng chuyển động ổn
định và quay hai vòng quỹ đạo trong khoảng thời gian gần 24 giờ với vận tốc
7 nghìn dặm một giờ. Các vệ tinh trên quỹ đạo được bố trí sao cho các máy
thu GPS trên mặt đất có thể nhìn thấy tối thiểu 4 vệ tinh vào bất kỳ thời điểm
nào. Các vệ tinh hoạt động bằng năng lượng mặt trời và có trang bị đồng hồ
nguyên tử có độ chính xác đến nano giây.
Các máy thu GPS nhận thông tin và bằng phép tính lượng giác tính được
chính xác vị trí của người dùng. Về bản chất máy thu GPS so sánh thời gian
tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian nhận được chúng. Sai lệch về
thời gian cho biết máy thu GPS ở cách vệ tinh bao xa. Rồi với nhiều quãng
cách đo được tới nhiều vệ tinh máy thu có thể tính được vị trí của người dùng
và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy.
Máy thu phải nhận được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra vị trí
hai chiều (kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động (Hình 1.2). Khi
nhận được tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh thì máy thu có thể tính được vị trí ba
chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao). Một khi vị trí người dùng đã tính được thì
máy thu GPS có thể tính các thông tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động,
bám sát di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian mặt
trời mọc, lặn và nhiều thông tin khác nữa.
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi- 7 -
Trần Minh Đức Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
Hình 1.2 Nhận tín hiệu từ vệ tinh.
Thành phần điều khiển có nhiệm vụ dõi theo các vệ tinh và cung cấp
thông tin chính xác về quỹ đạo và thời gian. Có tất cả 5 trạm điều khiển trên
toàn thế giới. Bốn trạm làm trạm giám sát tự động và một trạm còn lại là trạm
chủ. Bốn trạm nhận tự động sẽ đều đặn nhận dữ liệu từ các vệ tinh và sau đó
gửi thông tin này đến trạm chủ. Trạm chủ sau đó hiệu chỉnh các thông tin vệ
tinh rồi cùng với 2 hệ thống dàn ăngten gửi trả lại thông tin cho các vệ tinh.
Thành phần người sử dụng chỉ đơn giản là người sử dụng cùng với
bộ thu nhận tín hiệu GPS. Người sử dụng GPS là những thành phần rất đa
dạng, từ thuỷ thủ, phi công, người leo núi, nhà thám hiểm, khách du lịch, thợ
săn, quân đội, hay bất cứ ai cần biết mình đã đi đâu và đang đi tới đâu.
Ưu điểm: ổn định theo thời gian, khá chính xác.
Nhược điểm: nhiễu thời tiết, địa hình, tính gián đoạn, phụ thuộc vệ tinh.
1.2 Tổng quan về hệ thống định vị quán tính (INS)[3][4][11][16].
Hệ thống định vị quán tính INS hoạt động dựa trên nguyên tắc của các
hiện tượng quán tính. Trái tim của hệ thống này là khối đo đường quán tính
(Inertial Measurement Unit - IMU). Những khối IMU thời kì đầu sử dụng
những cảm biến quán tính hoạt động theo nguyên tắc cơ khí. Những cảm biến- 8 -
Trần Minh Đức Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
cơ khí này thường có kích thước lớn, hoạt động kém hiệu quả, giá thành cao
và tiêu thụ nhiều năng lượng. Ngày nay, cùng với sự tiến bộ của khoa học
công nghệ, đặc biệt là công nghệ vật liệu mới và công nghệ vi chế tạo đã tạo
ra các cảm biến vi cơ có kích thước rất nhỏ (cỡ centimet (Hình 1.3)), hoạt
động hiệu quả, tiêu thụ ít năng lượng và đặc biệt là giá thành hạ, điều này mở
ra một khả năng rộng lớn cho việc ứng dụng các cảm biến vi cơ trong nhiều
lĩnh vực đời sống.
Hình 1.3 Hình ảnh IMU thực tế
Một khối vi cơ IMU được cấu tạo từ các cảm biến vi cơ, thường là 3
cảm biến gia tốc và 3 cảm biến vận tốc góc, hay cũng có thể là 1 cảm biến
gia tốc 3 chiều kết hợp với 3 cảm biến vận tốc góc. Các cảm biến vi cơ kết
cấu hỗ trợ với nhau theo cấu trúc gắn liền (Hình 1.4a) hay theo cấu trúc nổi
(Hình 1.4b), từ đó có thể xác định được 3 thành phần chuyển động quay và
tịnh tiến của vật thể.
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi- 9 -
Trần Minh Đức Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
Hình 1.4 Các cấu trúc của khối IMU vi cơ.
Điểm khác nhau cơ bản của hai kiểu cấu trúc này đó là: Với kiểu nổi
(Gimbal) thì các cảm biến bị thay đổi hướng theo đối tượng chuyển động;
còn trong kiểu gắn chặt (Strapdown) thì các cảm biến được gắn chặt với vật
chuyển động, do đó sẽ không thay đổi trang thái chuyển động theo vật đó.
Trên thực tế khối IMU có cấu trúc kiểu gắn chặt được sử dụng rộng rãi hơn
bởi cấu trúc này đơn giản và có giá thành chế tạo thấp với độ chính xác có
thể chấp nhận được.
Khi kết hợp các cảm biến vi cơ thành một cấu trúc tổng thể thì thường
tạo ra sai số. Sai số mắc phải trong việc sử dụng các cảm biến vi cơ này có ở
2 cấp độ, cấp độ cảm biến và cấp độ nhóm cảm biến. Ở cấp độ cảm biến là
sai số của từng cảm biến cấu tạo tên khối IMU, còn ở cấp độ nhóm cảm biến
là sai số tổ hợp của nhóm cảm biến với nhau.- 10 -
Trần Minh Đức Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
CHƯƠNG II.LÝ THUYẾT DẪN ĐƯỜNG INS/GPS.
2.1 Một số khái niệm cơ bản[1].
Quán tính: là bản chất của vật thể mà khi không có lực tác động thì nó
sẽ chuyển động tịnh tiến đều hay chuyển động vòng tròn đều.
Hệ quy chiếu quán tính: hệ quy chiếu mà ba định luật Newton được áp
dụng và bảo toàn.
Hệ thống dẫn đường quán tính: là hệ thống sử dụng các cảm biến vận
tốc góc và cảm biến gia tốc để ước lượng vị trí, vận tốc, độ cao và vận tốc
thay đổi độ cao của vật thể bay.
Hình 2.1. Trục toạ độ của hệ thống dẫn đường quán tính
Hệ thống INS gồm ba cảm biến vận tốc góc cho phép xác định vận
tốc góc nghiêng, góc chúc và góc hướng trong hệ toạ độ vật thể bay (Hình
2.1).
2.2 Thuật toán dẫn đường kiểu gắn chặt[1][4].
Trong khóa luận này học viên sử dụng thuật toán của SINS của Salychev
Góc
hướng
Z
Góc chúc
Y
khối tâm X
0
Góc nghiêng
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi- 11 -
Trần Minh Đức Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
Toàn bộ thuật toán chia làm hai phần: Phần thứ nhất là xử lý thông tin
của cảm biến gia tốc; Phần thứ hai là xử lý thông tin của cảm biến vận tốc
góc. Bộ dữ liệu của các cảm biến gia tốc được sử dụng cho việc tính toán độ
lệch cảm biến vận tốc góc, lỗi tỷ lệ và lỗi khởi tạo. Sau khi bù lỗi thì ta có thể
tính độ tăng gia tốc theo công thức:
, , k N 1 , ,
k
t h
Wxb yb zb t axb yb zbdt
(2.1)
Với:
xb , yb , zb - Hệ tọa độ gắn liền.
axb, yb,zb - Đầu ra của cảm biến gia tốc.
hN1 - Chu kỳ lấy mẫu.
Các quá trình tương tự được sử dụng cho bộ dữ liệu thu từ cảm biến
vận tốc góc. Ở đây, trước hết tất cả các lỗi độ lệch, lỗi tỷ lệ và lỗi khởi tạo
đều đã được bù trừ. Độ tăng gia tốc góc có thể được tính theo công thức:
, , k N 1 , ,
k
t h
xb yb zb t xb yb zbdt (2.2)
Ở đây: xb, yb,zb là đầu ra.
Thông thường thì tốc độ bộ dữ liệu ra từ các cảm biến gia tốc và cảm
biến vận tốc góc có tần số khá cao, có thể từ 100Hz đến 600Hz trong khi các
ứng dụng thực tế thì lại không cần tần số cao như vậy mà chỉ vào khoảng 40-
60Hz. Để có thể giảm tần số khung dữ liệu, cần sử dụng bộ tiền tích phân cho
các dữ liệu từ cảm biến gia tốc và cảm biến vận tốc góc.
Sau quá trình bù lỗi vận tốc ta có thể tính được độ tăng vận tốc trong
hệ tọa độ gắn liền như sau:
zb
yb
xb
N b
x y z
W W W
C
W W W
(2.3)- 12 -
Trần Minh Đức Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
Với CbN là ma trận chuyển đổi từ hệ tọa độ gắn liền xb, yb, zb sang hệ tọa
độ cấp địa phương x, y, z.
Việc xác định ma trận chuyển CbN được thực hiện bằng thuật toán tính
tư thế của vật thể.
Bước tiếp theo của thuật toán dẫn đường về cơ bản là xác định ma trận
chuyển đổi giữa hệ tọa độ cấp địa phương và hệ tọa độ gắn liền. Ở đây, ta cần
phải sử dụng phương trình Poisson. Nhưng đối với một hệ thống thực tế thì
cần sử dụng đến kỹ thuật tính quaternion. Đối với thuật toán cấp địa
phương thì quá trình quaternion gồm có hai bước.
Bước đầu tiên là xác định quaternion giữa hệ tọa độ gắn liền và hệ tọa
độ cấp địa phương, với điều kiện là hệ tọa độ cấp địa phương không thay đổi
vị trí trong suốt khoảng thời gian lấy mẫu cuối cùng trước đó. Điều này có
nghĩa là hệ tọa độ cấp địa phương có thể được xem xét như một hệ quy chiếu
quán tính trong suốt một mẫu. Phương trình quaternion chuyển đổi từ một hệ
quy chiếu không quá tính (hệ tọa độ gắn liền) sang hệ quy chiếu quán tính có
dạng như sau:
KẾT LUẬN
Trong luận văn này học viên đã thực hiện được những nhiệm vụ sau:
- Tìm hiểu về hệ thống định vị toàn cầu GPS.
- Tìm hiểu về các loại cảm biến có thể sử dụng cho dẫn đường quán tính, tập
trung vào cảm biến vi cơ điện tử.
- Tìm hiểu cách kết hợp hệ thống dẫn đường quán tính và hệ thống định vị
toàn cầu.
- Tìm hiểu về bộ lọc Kalman tuyến tính, mô phỏng bộ lọc Kalman tuyến tính
cho việc kết hợp INS và GPS.
- Học viên đã đề xuất việc sử dụng thêm một bộ lọc Kalman mở rộng để nâng
cao chất lượng của một hệ thống sẵn có. Những kết quả minh họa trong phần
3.2.2 cho thấy chất lượng đầu ra của GPS-EKF tốt hơn so với GPS thông
thường. Chính vì thế chất lượng của toàn bộ hệ thống INS/GPS sẽ được cải
thiện một cách đáng kể (độ chính xác vị trí được cải thiện trong khoảng 1-2
m). Có một số nghiên cứu đã tích hợp các tham số dẫn đường của vật thể và
của GPS trong một bộ lọc EKF duy nhất, cách làm này làm tăng tính phức
tạp của hệ thống và độ ổn định của toàn bộ hệ thống sẽ có thể bị ảnh hưởng
khi một đầu vào nào đó gặp sai lỗi. Hệ thống INS/GPS-EKF đề xuất sử dụng
tổng cộng là 3 bộ lọc Kalman vừa đảm bảo tính chính xác, linh hoạt và đồng
thời giảm được độ phức tạp, là cơ sở thuận lợi để có thể đưa vào sử dụng
trong thời gian thực.
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
xem thêm
Tìm hiểu về hệ thống định vị toàn cầu GPS
Nhà xuất bản: ĐHCN
Ngày: 2011
Chủ đề: Kỹ thuật điện tử
Bộ lọc Kalman
Điện tử học
Hệ thống định vị toàn cầu
Miêu tả: 48 tr. + CD-ROM
Luận văn ThS. Kỹ thuật điện tử -- Trường Đại học Công nghệ. Đại học Quốc gia Hà Nội, 2011
Tìm hiểu về hệ thống định vị toàn cầu GPS. Tìm hiểu về các loại cảm biến (gia tốc và vận tốc góc) có thể sử dụng cho dẫn đường quán tính, tập trung vào cảm biến vi cơ điện tử. Tìm hiểu cách kết hợp hệ thống dẫn đường quán tính và hệ thống định vị toàn cầu. Tìm hiểu về bộ lọc Kalman tuyến tính, mô phỏng bộ lọc Kalman tuyến tính và ứng dụng bộ lọc Kalman tuyến tính cho việc kết hợp INS và GPS
Mục lục
BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................... - 3 -
TÓM TẮT.................................................................................................... - 4 -
CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU CHUNG.......................................................... - 5 -
1.1 Tổng quan về hệ định vị toàn cầu GPS [2][4].................................. - 5 -
1.2 Tổng quan về hệ thống định vị quán tính (INS)[3][4][11][16]. ....... - 7 -
CHƯƠNG II. LÝ THUYẾT DẪN ĐƯỜNG INS/GPS. ........................... - 10 -
2.1 Một số khái niệm cơ bản [1]........................................................... - 10 -
2.2 Thuật toán dẫn đường kiểu gắn chặt [1][4]................................... - 10 -
2.3 Lưu đồ thuật toán [1][4]................................................................. - 17 -
2.4 Hệ thống tích hợp INS/GPS [1][3][4][9][11][12][14]. ................... - 20 -
CHƯƠNG III ỨNG DỤNG BỘ LỌC KALMAN VÀO HỆ THỐNG INS/GPS. .. - 23 -
3.1 Bộ lọc Kalman tuyến tính [5] [6] [7] [8] [13] [15].......................... - 23 -
3.1.1 Nguyên lý hoạt động của bộ lọc Kalman tuyến tính. ............... - 23 -
3.1.2 Áp dụng của bộ lọc Kalman tuyến tính [2]. ............................. - 27 -
3.2 Bộ lọc Kalman mở rộng [10][ 20]. ................................................. - 30 -
3.2.1 Nguyên lý hoạt động của bộ lọc Kalman mở rộng................... - 30 -
3.2.2 Áp dụng bộ lọc Kalman mở rộng [21]...................................... - 33 -
3.3 Thực hiện mô phỏng hệ thống [18][19]. ........................................ - 36 -
3.3.1 Mô phỏng với bộ lọc Kalman tuyến tính.................................. - 36 -
3.3.2 Mô phỏng với bộ lọc Kalman mở rộng..................................... - 39 -
3.3.3 Mô phỏng với tất cả các bộ lọc Kalman trong hệ thống. ......... - 44 -
KẾT LUẬN ....................................................................................................................- 46 -
TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................................- 47 -- 2 -
Trần Minh Đức Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1.Hệ thống định toàn cầu GPS.......................................................- 5 -
Hình 1.2 Nhận tín hiệu từ vệ tinh...............................................................- 7 -
Hình 1.3 Hình ảnh IMU thực tế .................................................................- 8 -
Hình 1.4 Các cấu trúc của khối IMU vi cơ. ...............................................- 9 -
Hình 2.1. Trục toạ độ của hệ thống dẫn đường quán tính.......................- 10 -
Hình 2.2: Thuật toán Salychev Salychev..................................................- 18 -
Hình 2.3: Thuật toán Salychev.................................................................- 19 -
Hình 2.4.a. Cấu trúc GPS/INS vòng mở...................................................- 20 -
Hình 2.4.b Cấu trúc GPS/INS vòng kín....................................................- 21 -
Hình 3.1: Thuật toán Kalman cổ điển......................................................- 26 -
Hình 3.2: Sơ đồ lọc Kalman cho hệ INS/GPS. .........................................- 27 -
Hình 3.3: quá trình cập nhật thông tin INS theo thông tin GPS ...............- 30 -
Hình 3.4. Cấu hình lọc Kalman đề xuất trên toàn hệ thống. ....................- 36 -
Hình 3.5.So sánh vận tốc Ve của INS/GPS (tốc độ cập nhật 64Hz) và của
Kalman (tốc độ cập nhật 2 Hz). Trục hoành: thời gian (s), trục tung: Ve (m/s) .- 37 -
Hình 3.7. Sai khác vị trí theo hướng Bắc và Đông giữa INS/GPS và GPS.
Trục hoành: số mẫu so sánh=thời gian (s)*64, trục tung: góc hướng (độ)- 39 -
Hình 3.8.Vận tốc ước lượng bởi EKF từ thông tin vị trí vệ tinh và
pseudorange sử dụng EKF. .....................................................................- 40 -
Hình 3.9.Vị trí theo hướng Bắc................................................................- 41 -
Hình 3.10.Vị trí theo hướng Đông ...........................................................- 42 -
Hình 3.11.Độ cao ....................................................................................- 42 -
Hình 3.12. Sai số khoảng cách theo hướng Bắc.......................................- 43 -
Hình 3.13. Sai số khoảng cách theo hướng Đông ...................................- 43 -
Hình 3.14. Sai số khoảng cách theo độ cao .............................................- 44 -
Hình 3.15. So sánh vị trí theo hướng Bắc của hệ tích hợp INS/GPS với GPSEKF.........................................................................................................- 45 -
Hình 3.16. So sánh vị trí theo hướng Đông của hệ tích hợp INS/GPS với
GPS-EKF. ...............................................................................................- 45 -
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi- 3 -
Trần Minh Đức Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
IMU Inertial Measurement Units Khối đo quán tính.
GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu.
KF Kalman Filter Bộ lọc Kalman.
EKF Extended Kalman Filter Bộ lọc Kalman mở rộng.
INS Inertial Navigation System Hệ thống dẫn đường quán tính.
ILS Iterative Least Square Bình phương tối thiểu lặp.
IMU Inertial Measurement Unit Khối đo lường quán tính.
FIR Finite Impulse Response Bộ lọc với đáp ứng xung hữu hạn.- 4 -
Trần Minh Đức Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
TÓM TẮT
Hệ thống định vị dẫn đường đòi hỏi những yêu cầu cao như tính chính
xác cao, thời gian đáp ứng nhanh.Vì vậy thuật toán cho bộ lọc Kalman và hệ
thống phần cứng xử lý số cần đảm bảo được khả năng tính chính xác và
nhanh. Trong luận văn này học viên đã thực hiện được những nhiệm vụ sau:
- Tìm hiểu về hệ thống định vị toàn cầu GPS.
- Tìm hiểu về các loại cảm biến (gia tốc và vận tốc góc) có thể sử dụng
cho dẫn đường quán tính, tập trung vào cảm biến vi cơ điện tử.
- Tìm hiểu cách kết hợp hệ thống dẫn đường quán tính và hệ thống định
vị toàn cầu.
- Tìm hiểu về bộ lọc Kalman tuyến tính, mô phỏng bộ lọc Kalman tuyến
tính cho việc kết hợp INS và GPS.
- Học viên đã đề xuất việc sử dụng thêm một bộ lọc Kalman mở rộng
(EKF) để nâng cao chất lượng của một hệ thống sẵn có. EKF được dùng để
xử lý thông tin thô từ GPS (không lấy trực tiếp thông tin vận tốc hay vị trí
như thông thường), cho ra thông tin về vị trí và vận tốc chính xác hơn trước
khi đưa tới bộ lọc Kalman làm nhiệm vụ tích hợp INS/GPS. Những kết quả
minh họa đã cho thấy chất lượng đầu ra của GPS-EKF tốt hơn so với GPS
thông thường. Chính vì thế chất lượng của toàn bộ hệ thống INS/GPS sẽ
được cải thiện một cách đáng kể (độ chính xác vị trí được cải thiện hơn
khoảng 1-2 m).
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi- 5 -
Trần Minh Đức Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU CHUNG.
1.1 Tổng quan về hệ định vị toàn cầu GPS [2][4].
GPS viết tắt của The Global Positioning System, là hệ thống định vị
toàn cầu được xây dựng bởi bộ quốc phòng Mỹ. Ban đầu nó chỉ được sử
dụng cho các mục đích quân sự. Cho đến những năm 1980 GPS được mở
rộng cho những mục đích dân sự.
Hệ thống GPS bao gồm 3 thành phần chính: Thành phần không gian
bao gồm các vệ tinh;Thành phần điều khiển là các trạm mặt đất; và Thành
phần người sử dụng gồm có người sử dụng và bộ thu tín hiệu GPS.
Hình 1.1.Hệ thống định toàn cầu GPS.- 6 -
Trần Minh Đức Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
Phần không gian gồm 24 vệ tinh (21 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh
dự phòng) nằm trên các quỹ đạo xoay quanh trái đất. Chúng cách mặt đất
20.200km, bán kính quỹ đạo 26.600 km(Hình 1.1). Chúng chuyển động ổn
định và quay hai vòng quỹ đạo trong khoảng thời gian gần 24 giờ với vận tốc
7 nghìn dặm một giờ. Các vệ tinh trên quỹ đạo được bố trí sao cho các máy
thu GPS trên mặt đất có thể nhìn thấy tối thiểu 4 vệ tinh vào bất kỳ thời điểm
nào. Các vệ tinh hoạt động bằng năng lượng mặt trời và có trang bị đồng hồ
nguyên tử có độ chính xác đến nano giây.
Các máy thu GPS nhận thông tin và bằng phép tính lượng giác tính được
chính xác vị trí của người dùng. Về bản chất máy thu GPS so sánh thời gian
tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian nhận được chúng. Sai lệch về
thời gian cho biết máy thu GPS ở cách vệ tinh bao xa. Rồi với nhiều quãng
cách đo được tới nhiều vệ tinh máy thu có thể tính được vị trí của người dùng
và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy.
Máy thu phải nhận được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra vị trí
hai chiều (kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động (Hình 1.2). Khi
nhận được tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh thì máy thu có thể tính được vị trí ba
chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao). Một khi vị trí người dùng đã tính được thì
máy thu GPS có thể tính các thông tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động,
bám sát di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian mặt
trời mọc, lặn và nhiều thông tin khác nữa.
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi- 7 -
Trần Minh Đức Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
Hình 1.2 Nhận tín hiệu từ vệ tinh.
Thành phần điều khiển có nhiệm vụ dõi theo các vệ tinh và cung cấp
thông tin chính xác về quỹ đạo và thời gian. Có tất cả 5 trạm điều khiển trên
toàn thế giới. Bốn trạm làm trạm giám sát tự động và một trạm còn lại là trạm
chủ. Bốn trạm nhận tự động sẽ đều đặn nhận dữ liệu từ các vệ tinh và sau đó
gửi thông tin này đến trạm chủ. Trạm chủ sau đó hiệu chỉnh các thông tin vệ
tinh rồi cùng với 2 hệ thống dàn ăngten gửi trả lại thông tin cho các vệ tinh.
Thành phần người sử dụng chỉ đơn giản là người sử dụng cùng với
bộ thu nhận tín hiệu GPS. Người sử dụng GPS là những thành phần rất đa
dạng, từ thuỷ thủ, phi công, người leo núi, nhà thám hiểm, khách du lịch, thợ
săn, quân đội, hay bất cứ ai cần biết mình đã đi đâu và đang đi tới đâu.
Ưu điểm: ổn định theo thời gian, khá chính xác.
Nhược điểm: nhiễu thời tiết, địa hình, tính gián đoạn, phụ thuộc vệ tinh.
1.2 Tổng quan về hệ thống định vị quán tính (INS)[3][4][11][16].
Hệ thống định vị quán tính INS hoạt động dựa trên nguyên tắc của các
hiện tượng quán tính. Trái tim của hệ thống này là khối đo đường quán tính
(Inertial Measurement Unit - IMU). Những khối IMU thời kì đầu sử dụng
những cảm biến quán tính hoạt động theo nguyên tắc cơ khí. Những cảm biến- 8 -
Trần Minh Đức Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
cơ khí này thường có kích thước lớn, hoạt động kém hiệu quả, giá thành cao
và tiêu thụ nhiều năng lượng. Ngày nay, cùng với sự tiến bộ của khoa học
công nghệ, đặc biệt là công nghệ vật liệu mới và công nghệ vi chế tạo đã tạo
ra các cảm biến vi cơ có kích thước rất nhỏ (cỡ centimet (Hình 1.3)), hoạt
động hiệu quả, tiêu thụ ít năng lượng và đặc biệt là giá thành hạ, điều này mở
ra một khả năng rộng lớn cho việc ứng dụng các cảm biến vi cơ trong nhiều
lĩnh vực đời sống.
Hình 1.3 Hình ảnh IMU thực tế
Một khối vi cơ IMU được cấu tạo từ các cảm biến vi cơ, thường là 3
cảm biến gia tốc và 3 cảm biến vận tốc góc, hay cũng có thể là 1 cảm biến
gia tốc 3 chiều kết hợp với 3 cảm biến vận tốc góc. Các cảm biến vi cơ kết
cấu hỗ trợ với nhau theo cấu trúc gắn liền (Hình 1.4a) hay theo cấu trúc nổi
(Hình 1.4b), từ đó có thể xác định được 3 thành phần chuyển động quay và
tịnh tiến của vật thể.
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi- 9 -
Trần Minh Đức Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
Hình 1.4 Các cấu trúc của khối IMU vi cơ.
Điểm khác nhau cơ bản của hai kiểu cấu trúc này đó là: Với kiểu nổi
(Gimbal) thì các cảm biến bị thay đổi hướng theo đối tượng chuyển động;
còn trong kiểu gắn chặt (Strapdown) thì các cảm biến được gắn chặt với vật
chuyển động, do đó sẽ không thay đổi trang thái chuyển động theo vật đó.
Trên thực tế khối IMU có cấu trúc kiểu gắn chặt được sử dụng rộng rãi hơn
bởi cấu trúc này đơn giản và có giá thành chế tạo thấp với độ chính xác có
thể chấp nhận được.
Khi kết hợp các cảm biến vi cơ thành một cấu trúc tổng thể thì thường
tạo ra sai số. Sai số mắc phải trong việc sử dụng các cảm biến vi cơ này có ở
2 cấp độ, cấp độ cảm biến và cấp độ nhóm cảm biến. Ở cấp độ cảm biến là
sai số của từng cảm biến cấu tạo tên khối IMU, còn ở cấp độ nhóm cảm biến
là sai số tổ hợp của nhóm cảm biến với nhau.- 10 -
Trần Minh Đức Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
CHƯƠNG II.LÝ THUYẾT DẪN ĐƯỜNG INS/GPS.
2.1 Một số khái niệm cơ bản[1].
Quán tính: là bản chất của vật thể mà khi không có lực tác động thì nó
sẽ chuyển động tịnh tiến đều hay chuyển động vòng tròn đều.
Hệ quy chiếu quán tính: hệ quy chiếu mà ba định luật Newton được áp
dụng và bảo toàn.
Hệ thống dẫn đường quán tính: là hệ thống sử dụng các cảm biến vận
tốc góc và cảm biến gia tốc để ước lượng vị trí, vận tốc, độ cao và vận tốc
thay đổi độ cao của vật thể bay.
Hình 2.1. Trục toạ độ của hệ thống dẫn đường quán tính
Hệ thống INS gồm ba cảm biến vận tốc góc cho phép xác định vận
tốc góc nghiêng, góc chúc và góc hướng trong hệ toạ độ vật thể bay (Hình
2.1).
2.2 Thuật toán dẫn đường kiểu gắn chặt[1][4].
Trong khóa luận này học viên sử dụng thuật toán của SINS của Salychev
Góc
hướng
Z
Góc chúc
Y
khối tâm X
0
Góc nghiêng
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi- 11 -
Trần Minh Đức Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
Toàn bộ thuật toán chia làm hai phần: Phần thứ nhất là xử lý thông tin
của cảm biến gia tốc; Phần thứ hai là xử lý thông tin của cảm biến vận tốc
góc. Bộ dữ liệu của các cảm biến gia tốc được sử dụng cho việc tính toán độ
lệch cảm biến vận tốc góc, lỗi tỷ lệ và lỗi khởi tạo. Sau khi bù lỗi thì ta có thể
tính độ tăng gia tốc theo công thức:
, , k N 1 , ,
k
t h
Wxb yb zb t axb yb zbdt
(2.1)
Với:
xb , yb , zb - Hệ tọa độ gắn liền.
axb, yb,zb - Đầu ra của cảm biến gia tốc.
hN1 - Chu kỳ lấy mẫu.
Các quá trình tương tự được sử dụng cho bộ dữ liệu thu từ cảm biến
vận tốc góc. Ở đây, trước hết tất cả các lỗi độ lệch, lỗi tỷ lệ và lỗi khởi tạo
đều đã được bù trừ. Độ tăng gia tốc góc có thể được tính theo công thức:
, , k N 1 , ,
k
t h
xb yb zb t xb yb zbdt (2.2)
Ở đây: xb, yb,zb là đầu ra.
Thông thường thì tốc độ bộ dữ liệu ra từ các cảm biến gia tốc và cảm
biến vận tốc góc có tần số khá cao, có thể từ 100Hz đến 600Hz trong khi các
ứng dụng thực tế thì lại không cần tần số cao như vậy mà chỉ vào khoảng 40-
60Hz. Để có thể giảm tần số khung dữ liệu, cần sử dụng bộ tiền tích phân cho
các dữ liệu từ cảm biến gia tốc và cảm biến vận tốc góc.
Sau quá trình bù lỗi vận tốc ta có thể tính được độ tăng vận tốc trong
hệ tọa độ gắn liền như sau:
zb
yb
xb
N b
x y z
W W W
C
W W W
(2.3)- 12 -
Trần Minh Đức Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
Với CbN là ma trận chuyển đổi từ hệ tọa độ gắn liền xb, yb, zb sang hệ tọa
độ cấp địa phương x, y, z.
Việc xác định ma trận chuyển CbN được thực hiện bằng thuật toán tính
tư thế của vật thể.
Bước tiếp theo của thuật toán dẫn đường về cơ bản là xác định ma trận
chuyển đổi giữa hệ tọa độ cấp địa phương và hệ tọa độ gắn liền. Ở đây, ta cần
phải sử dụng phương trình Poisson. Nhưng đối với một hệ thống thực tế thì
cần sử dụng đến kỹ thuật tính quaternion. Đối với thuật toán cấp địa
phương thì quá trình quaternion gồm có hai bước.
Bước đầu tiên là xác định quaternion giữa hệ tọa độ gắn liền và hệ tọa
độ cấp địa phương, với điều kiện là hệ tọa độ cấp địa phương không thay đổi
vị trí trong suốt khoảng thời gian lấy mẫu cuối cùng trước đó. Điều này có
nghĩa là hệ tọa độ cấp địa phương có thể được xem xét như một hệ quy chiếu
quán tính trong suốt một mẫu. Phương trình quaternion chuyển đổi từ một hệ
quy chiếu không quá tính (hệ tọa độ gắn liền) sang hệ quy chiếu quán tính có
dạng như sau:
KẾT LUẬN
Trong luận văn này học viên đã thực hiện được những nhiệm vụ sau:
- Tìm hiểu về hệ thống định vị toàn cầu GPS.
- Tìm hiểu về các loại cảm biến có thể sử dụng cho dẫn đường quán tính, tập
trung vào cảm biến vi cơ điện tử.
- Tìm hiểu cách kết hợp hệ thống dẫn đường quán tính và hệ thống định vị
toàn cầu.
- Tìm hiểu về bộ lọc Kalman tuyến tính, mô phỏng bộ lọc Kalman tuyến tính
cho việc kết hợp INS và GPS.
- Học viên đã đề xuất việc sử dụng thêm một bộ lọc Kalman mở rộng để nâng
cao chất lượng của một hệ thống sẵn có. Những kết quả minh họa trong phần
3.2.2 cho thấy chất lượng đầu ra của GPS-EKF tốt hơn so với GPS thông
thường. Chính vì thế chất lượng của toàn bộ hệ thống INS/GPS sẽ được cải
thiện một cách đáng kể (độ chính xác vị trí được cải thiện trong khoảng 1-2
m). Có một số nghiên cứu đã tích hợp các tham số dẫn đường của vật thể và
của GPS trong một bộ lọc EKF duy nhất, cách làm này làm tăng tính phức
tạp của hệ thống và độ ổn định của toàn bộ hệ thống sẽ có thể bị ảnh hưởng
khi một đầu vào nào đó gặp sai lỗi. Hệ thống INS/GPS-EKF đề xuất sử dụng
tổng cộng là 3 bộ lọc Kalman vừa đảm bảo tính chính xác, linh hoạt và đồng
thời giảm được độ phức tạp, là cơ sở thuận lợi để có thể đưa vào sử dụng
trong thời gian thực.
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
You must be registered for see links
xem thêm
Tìm hiểu về hệ thống định vị toàn cầu GPS
Last edited by a moderator: