đề tài tìm hiểu về gps-ins

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN –ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1 ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU VỀ GPS/INS GVHD: TS Nguyễn Vĩnh Hảo SVTH: Nguyễn Thanh Bình 41100306 Nguyễn Hồng Ân 41100179 2 MỤC LỤC I. ng nghiên cu 4 II. Các h t 5 1. H t quán tính (The Inertial Frame) 5 2. H t t (The Earth Frame) 5 3. H t nh v (The Navigation Frame) 6 4. H t vt th (Body Frame) 7 III. Các công thc chuyi h trc t. 7 1. Chuyi t t e  frame sang n  frame: 7 2. Chuyi t t n  frame sang e  frame : 7 3. Chuyi t t n  frame sang b  frame. 8 4. Chuyi t t b  frame sang n  frame 8 5. Mt s công thc chuyn trc vn tc. 8 IV. nh v quán tính. 10 1. Mt s  trí và t trong n  frame. 10 2. Xây dp nht vn tc. 10 3. p nh cao: 12 V.  15 1. p nht Quaternion. 16 2. p nht vn tc. 16 VI. TÌM HIU 19 VII. MT S  LÝ D LIU 20 VIII.  23 IX. KHO SÁT S NG CA MT S YU T LÊN VI CAO CA IMU 25 1. ng ca áp sut 25 3 2. ng c m 26 X. KT QU NG PHÁT TRIN 27 PH LC 28 4 I. Khái quát và đối tượng nghiên cứu S tích hp ca h thnh v quán tính (INS) vi h thnh v toàn cu (GPS) c làm cho nhc ng dng mà thông tin v trng thái (attitude) là mt phn quan trng không th thiu và s thu thc yêu cu. Vì nhng h thnh v quán tinh chng cao ch phù hp cho quân s và máy   i, không phù hp cho nhng ng d  ng. Vì vy nhng nghiên cu g lc tp trung vào s dng nhng thit b ng quán tính (IMU) giá thành thp. Nhng thit b ng quán tính giá thành th chính xác kém khi hoc l nh thp, có th gây ra li ln trong nhng khong thi gian ngn. Vì vy, s ng phân cc cho con lc hi chuy trng cho thit b ng quán tính (IMU) và s m bin cn thit cho vic khi to trng thái ca nhng IMU lp t ng và lp tiêu dùng. ng c tài là ci thi chính xác ca h thnh v quán tính (INS) giá thành th chúng có th c s dng trong nhng h thc lp trong khi h thnh v toàn cu (GPS) ngng hong. Nh c phát trin và kim chng:  u chng phân cc và nhân t ng ca thit b ng quán tính (IMU).  u chnh phù hp vn tc: khi to trng thái ca thit b  ng quán tính IMU s dng thông tin vn tc ca h thnh v toàn cu GPS.  S dng nhng liên kt nonholonom: gi chính xác v c lp. 5 II. Các hệ tọa độ 1. Hệ tọa độ quán tính (The Inertial Frame) Là h t có gc tnh da trên các ngôi sao c nh. Trc z song song vi trt, trc x ch v m giao gio o), trc y nh theo quy tc tam din thun. 2. Hệ tọa độ trái đất (The Earth Frame) Là h t có gc ti trng tâm nh là: trc z song song vi tr   t, trc x ch v  c Anh), trc y nh theo quy tc tam din thun. 6 3. Hệ tọa độ định vị (The Navigation Frame) Là h t có gc tm trên tt. gm 2 loi là NED và ENU. Loi NED thì trc x ch v ng Bc, trc z trc giao vi mt, ng xung. trc y nh theo quy tc tam din thun. Loi ENU thì trc x ch v ng Tây, trc z trc giao vi mt, ng lên. trc y nh theo quy tc tam din thun. m c m ca NED là 3 trc t trùng vi 3 trc t góc Euler cn roll  pitch  heading. Vy nên h t c s dng ph bi H t t và h t nh v loi NED 7 4. Hệ tọa độ vật thể (Body Frame) Là h t có gc ti vt th. 3 trc trùng vi 3 trc roll - pitch  heading. III. Các công thức chuyển đổi hệ trục tọa độ. 1. Chuyển đổi tọa độ từ e – frame sang n – frame: Ta s dng ma trn cosin ng (DCM) : C e n    =                  .  . 2. Chuyển đổi tọa độ từ n – frame sang e – frame : Ta s dng ma trn cosin ng    c bng cách chuyn v ma trn     phn 1:    =               8 3. Chuyển đổi tọa độ từ n – frame sang b – frame. Ma trn cosin ng    = Rx()Ry()Rz()                     , ,  3 thành phn ca góc Euler: roll, pitch, heading 4. Chuyển đổi tọa độ từ b – frame sang n – frame Ma trn cosin    = (   ) T = Rx()Ry()Rz() =                                      =                      5. Một số công thức chuyển trục vận tốc. Vn tc quay ca e  frame so vi i  frame: - Trong h quy chiu e  frame bng vn tc quay ct trên trc z.    = ( 0 0  e ) T  e là vn tc t quay ct quanh trc = 7.2921158 rad/s. 9 - Trong h quy chiu n  c bng cách nhân    vi ma trn cosin    :    =        e  0  e ) T Vn tc dch chuyn ca n  frame so vi e  frame trong n  frame bng  theo công thc:    = (          =       =     Suy ra:    =                 vi v N , v E : là t ng bu cao elip & M, N là bán kính cong ca kinh tuyn gng dc tính theo công thc                       Vi a và e là trc na l lch tâm tuyn tính ca elip tham kho. 10 T ta có :    =    +                      IV. Phương trình định vị quán tính. 1. Một số phương trình vị trí và tọa độ trong n – frame. V trí trong n  nh bi h t cu :   = (  (*) Vn tc trong n  c tính bng:   =         =                      (**) T (*)(**) ta có công tho hàm v trí trong n  frame:   =                                  2. Xây dựng phương trình cập nhật vận tốc. Ta có:        Vi             ) [...]... ĐƯỢC VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Về kết quả đạt được, em bước đầu đã có những khái niệm về GPS/INS, các hệ tọa độ, cách chuyển đổi của các hệ tọa độ, cũng như các công thức xác định thông tin về vị trí, vận tốc và trạng thái của vật thể, năm được những thông tin về cấu tr c cũng như là cách xử lí dữ liệu lấy về từ IMU Về hướng phát triển, em dự định sẽ tiếp tục nghiên cứu các vấn đề nâng cao hơn của GPS/INS... trình cập nhật vị trí được suy ra từ vận tốc góc: 17 độ cao đường Thuật toán định vị INS được thể hiện bằng sơ đồ sau: 18 VI TÌM HIỂU CHƯƠNG TRÌNH MẪU Ở phần này, em xin được trình bày những tìm hiểu của em về các chương trình mẫu, đồng thời so sánh với các công thức trong luận văn để hiểu được mục đích của các chương trình con Các chương trình con được thể hiện ở phần phụ lục 1 Chương trình ‘Geteuler.m’... tính được các giá trị roll, pitch và yaw và trả về qua các thông số x, y, z 2 Chương trình ‘init_Rnb.m’ tính toán ma trận cosine định hướng từ các thông số roll, pitch và yaw được truyền vào chương trình qua các tham số x, y, z Chương trình trả về giá trị của ma trận cosine định hướng 3 Chương trình ‘Rmcal.m’ và ‘Rncal.m’ nhận đầu vào là giá trị vĩ độ và trả về bán kính cong của kinh tuyến gốc và đường... cứu các vấn đề nâng cao hơn của GPS/INS như bộ lọc Kalman để nâng cao độ chính xác của tín hiệu GPS, hiệu chỉnh thông tin về độ cao của GPS theo ảnh hưởng của các nhân tố từ môi trường như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm Sau đó xây ựng một phần mềm chạy trên An roi để đọc dữ liệu từ IMU gửi về 27 PHỤ LỤC 1 Chương trình ‘Geteuler.m’ function [x y z]= Geteuler(R) format long; x = atan2( R(3,2), R(3,3)); y = -asin(R(3,1));... tham số quaternion sau khi cập nhật Các thông số đó được ùng để cập nhật ma trận cosine định hướng VII MỘT SỐ CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ DỮ LIỆU 1 Cấu trúc của file thu thập số liệu từ IMU bao gồm các dữ liệu về INS, GPS, RTK a Định dạng của một dòng dữ liệu INS bao gồm: - Các góc quay theo ba trục x, y, z: Phi, Theta, Psi (đơn vị 0.1o) - Giá trị vận tốc góc ba trục x, y, z: ωx, ωy, ωz (mra /s) - Giá trị gia... đầu, chương trình xử lí để giữ lại các giá trị cần thiết INS_rawdata bao gồm các giá trị: Phi, Theta, Psi, ωx, ωy, ωz, ax, ay, az, mx, my, mz, barometer GPS_rawdata và RTK_rawdata bao gồm các giá trị về thời gian, vĩ độ, kinh độ, độ cao, tốc độ theo hướng Đông, tốc độ theo hướng Bắc và tốc độ theo chiều cao 3 Chương trình DataPlot.m để vẽ đồ thị của qu đạo của GPS và RTK 4 Chương trình DataProcess.m . BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN –ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1 ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU VỀ GPS/INS GVHD: TS Nguyễn Vĩnh Hảo SVTH: Nguyễn Thanh Bình 41100306 Nguyễn Hồng. Thunh v c th hin b sau: 19 VI. TÌM HIỂU CHƯƠNG TRÌNH MẪU  phc trình bày nhng tìm hiu ca em v u, ng thi so sánh vi. thit cho vic khi to trng thái ca nhng IMU lp t ng và lp tiêu dùng. ng c tài là ci thi chính xác ca h thnh v quán tính (INS) giá thành th chúng có th