Tự hiệu chuẩn cảm biến và nâng cao độ chính xác của hệ thống dẫn đường cho các đối tượng chuyển động trên mặt đất (tt)

Tự hiệu chuẩn cảm biến và nâng cao độ chính xác của hệ thống dẫn đường cho các đối tượng chuyển động trên mặt đất (Tóm tắt LA tiến sĩ)Tự hiệu chuẩn cảm biến và nâng cao độ chính xác của hệ thống dẫn đường cho các đối tượng chuyển động trên mặt đất (Tóm tắt LA tiến sĩ)Tự hiệu chuẩn cảm biến và nâng cao độ chính xác của hệ thống dẫn đường cho các đối tượng chuyển động trên mặt đất (Tóm tắt LA tiến sĩ)Tự hiệu chuẩn cảm biến và nâng cao độ chính xác của hệ thống dẫn đường cho các đối tượng chuyển động trên mặt đất (Tóm tắt LA tiến sĩ)Tự hiệu chuẩn cảm biến và nâng cao độ chính xác của hệ thống dẫn đường cho các đối tượng chuyển động trên mặt đất (Tóm tắt LA tiến sĩ)Tự hiệu chuẩn cảm biến và nâng cao độ chính xác của hệ thống dẫn đường cho các đối tượng chuyển động trên mặt đất (Tóm tắt LA tiến sĩ)Tự hiệu chuẩn cảm biến và nâng cao độ chính xác của hệ thống dẫn đường cho các đối tượng chuyển động trên mặt đất (Tóm tắt LA tiến sĩ)Tự hiệu chuẩn cảm biến và nâng cao độ chính xác của hệ thống dẫn đường cho các đối tượng chuyển động trên mặt đất (Tóm tắt LA tiến sĩ)Tự hiệu chuẩn cảm biến và nâng cao độ chính xác của hệ thống dẫn đường cho các đối tượng chuyển động trên mặt đất (Tóm tắt LA tiến sĩ)Tự hiệu chuẩn cảm biến và nâng cao độ chính xác của hệ thống dẫn đường cho các đối tượng chuyển động trên mặt đất (Tóm tắt LA tiến sĩ)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRIỆU VIỆT PHƯƠNG

TỰ HIỆU CHUẨN CẢM BIẾN VÀ NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG CHO CÁC ĐỐI TƯỢNG CHUYỂN ĐỘNG TRÊN MẶT ĐẤT

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

Mã số : 62520216

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội – 2017

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS.TS Nguyễn Thị Lan Hương

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến

sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Nhu cầu định vị và dẫn đường chính xác cho các đối tượng chuyển động mặt đất ngày càng tăng Các đối tượng chuyển động mặt đất chủ yếu di chuyển trên các địa hình bằng phẳng, ít có sự thay đổi bất thường về độ cao, với đặc thù số lượng phương tiện lớn, khoảng cách giữa các đối tượng khi

di chuyển nhỏ, yêu cầu về thông tin cung cấp phải liên tục, độ chính xác xác định vị trí cao Vì vậy xây dựng hệ dẫn đường kết hợp INS/GNSS (phổ biến

là INS/GPS) giá thành phải rẻ, dễ dàng triển khai lắp đặt cho đối tượng chuyển động mặt đất là phù hợp Tuy nhiên, giá thành rẻ dẫn tới độ chính xác của hệ thống không cao Do đó, cần thiết phải nâng cao độ chính xác, tin cậy của hệ thống kết hợp này

Để nâng cao độ chính xác có thể tập trung vào: nâng cao thuật toán kết hợp thông tin; nâng cao độ chính xác hệ INS; nâng cao độ chính xác hệ GPS Việc nâng cao độ chính xác, tin cậy của hệ GPS đã được nghiên cứu nhiều trên thế giới Tuy nhiên, đây chỉ là các nghiên cứu riêng rẽ về GPS, ít được đánh giá trong hệ kết hợp INS/GPS Ngoài ra, với các nước như Việt Nam thì việc phụ thuộc công nghệ nước ngoài cũng là trở ngại lớn khi nghiên cứu nâng cao độ chính xác hệ GPS Các thuật toán kết hợp thông tin hiện nay cũng rất đa dạng, đáp ứng tốt về tính ổn định và tin cậy Đối với hệ INS, độ chính xác của cảm biến có vai trò quyết định, ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác xác định vị trí của đối tượng chuyển động Các nghiên cứu liên quan đến độ chính xác cảm biến trong hệ INS chủ yếu tập trung xử lý sai số đơn lẻ cho từng cảm biến, các phương pháp đã đưa ra chưa phù hợp với đặc thù của các đối tượng chuyển động mặt đất như: di chuyển liên tục, yêu cầu thao tác lắp đặt, vận hành đơn giản, dễ dàng, thường xuyên phải hiệu chuẩn lại

Ở Việt Nam hiện nay, nhiều hệ thống giám sát hành trình, giám sát phương tiện vận tải dựa trên các hệ GNSS đã được triển khai Tuy nhiên, do đặc thù của hệ GNSS, nên các hệ thống này chưa đáp ứng được yêu cầu mong đợi Cụ thể, thông tin vận tốc, vị trí bị gián đoạn khi phương tiện di chuyển vào khu vực không có tín hiệu vệ tinh, khu vực có các công trình cao tầng, đường hầm…Các hệ dẫn đường kết hợp xây dựng trên nền tảng hệ INS MEMS giá rẻ cũng đã được một số nhà khoa học, các đơn vị khoa học trong nước đầu tư nghiên cứu Tuy nhiên số lượng nghiên cứu còn ít, chủ yếu tập trung theo hướng tiếp cận lý thuyết, nghiên cứu các cấu trúc, giải pháp kết hợp thông tin giữa INS và GNSS (chủ yếu là GPS) mà chưa tập trung vào nâng cao độ chính xác của từng hệ thống, đặc biệt là hệ INS, chưa đưa ra được phương pháp đánh giá, xử lý sai số phù hợp với đặc tính của cảm biến và ứng dụng thực tiễn

2 Mục đích nghiên cứu

Nâng cao độ chính xác xác định vị trí của hệ dẫn đường quán tính sử dụng các cảm biến MEMS thương mại giá rẻ Từ cơ sở hệ INS đã cải thiện, xây dựng hệ dẫn đường kết hợp INS/GPS giá rẻ, chất lượng cao phục vụ dẫn đường các đối tượng chuyển động trên mặt đất Làm chủ được công nghệ tích hợp, xây dựng được hệ thống dẫn đường kết hợp có độ tin cậy, chính xác cao, áp dụng trong quản lý giao thông vận tải, hỗ trợ quản lý nhà nước về đo lường đối với hoạt động thanh, kiểm tra phát hiện gian lận trong

kinh doanh vận tải taxi phù hợp với điều kiện trong nước

3 Đối tƣợng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu chính của luận án gồm:

- Phương pháp, quy trình tự hiệu chuẩn các cảm biến phù hợp với mục đích và đối tượng áp dụng của nghiên cứu thông qua việc phân tích đánh giá kết quả đo của khối đo lường quán tính (Inertial Measurement Unit - IMU)

- Phương pháp kết hợp kết quả đo của cảm biến gia tốc, cảm biến vận tốc góc, cảm biến từ trường, nâng cao độ chính xác xác định góc định hướng, từ đó cải thiện độ chính xác xác định vị trí của hệ INS

- Hệ dẫn đường kết hợp INS/GPS phục vụ dẫn đường các đối tượng chuyển động trên mặt đất trên cơ sở hệ INS đã được cải thiện độ chính xác thông qua tự hiệu chuẩn các cảm biến trong khối IMU và xác định chính xác góc định hướng

- Các thử nghiệm hệ thống dẫn đường kết hợp INS/GPS có khả năng

4.2 Ý nghĩa thực tiễn

Việc làm chủ được công nghệ cao, nâng cao độ chính xác, tin cậy của các phép đo vận tốc, vị trí (quãng đường di chuyển) đối tượng chuyển động, giúp hạn chế nhập khẩu thiết bị, góp phần hỗ trợ quản lý phương tiện giao thông, an toàn giao thông, hỗ trợ quản lý vận tải, mở ra khả năng xây dựng các hệ thống giao thông thông minh Ngoài ra, hệ thống xây dựng được trên

cơ sở những đề xuất của luận án còn có khả năng ứng dụng trong công nghiệp chế tạo rô bốt, ô tô, thiết bị tự hành với chất lượng cao, giá thành thấp Kết quả nghiên cứu của luận án cũng làm tiền đề tiến tới chế tạo thiết

bị nhỏ gọn, dễ triển khai lắp đặt, góp phần hỗ trợ quản lý nhà nước về đo

lường đối với hoạt động thanh, kiểm tra phát hiện gian lận trong kinh doanh vận tải taxi khi có được công cụ đo vận tốc, quãng đường chính xác, độc lập

với thông tin cung cấp từ công tơ mét của xe ô tô

5 Những đóng góp của luận án

Luận án đã có những đóng góp sau:

- Dựa trên phương pháp tự hiệu chuẩn, đề xuất phương pháp mới xác định các giá trị sai số hệ thống của cảm biến gia tốc và cảm biến từ trường, cảm biến vận tốc góc trong hệ dẫn đường quán tính Xây dựng quy trình tự hiệu chuẩn đồng thời cảm biến gia tốc, cảm biến từ trường, cảm biến vận tốc góc

- Đề xuất phương pháp xác định các góc định hướng của vật thể trong không gian sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng kết hợp mô hình hóa sai số ngẫu nhiên bằng mô hình tự hồi quy (Auto-Regressive Model – AR)

6 Bố cục của luận án

Luận án gồm phần mở đầu, 4 chương nội dung, kết luận và kiến nghị:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống dẫn đường quán tính

Chương 2: Xây dựng phương pháp tự hiệu chuẩn cảm biến trong hệ INS Chương 3: Xây dựng hệ dẫn đường quán tính

Chương 4: Xây dựng hệ dẫn đường kết hợp INS/GPS

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương này trình bày tổng quan, cơ sở vật lý, toán học xác định vị trí vật thể chuyển động trong hệ INS, tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước Phân tích, tổng hợp các nhận định về ưu nhược điểm của các phương pháp cải thiện độ chính xác xác định vị trí hệ INS, phương pháp xây dựng hệ kết hợp INS/GPS Từ các phân tích đưa ra định hướng nghiên cứu chính của luận án

1.1 Các phương pháp nâng cao độ chính xác hệ INS

Trong nghiên cứu này, hệ dẫn đường kết hợp được xây dựng dựa trên việc kết hợp hệ INS (theo cấu trúc Strapdown) với hệ thống xác định góc định hướng dựa trên gia tốc trọng trường và từ trường Trái đất, hệ thống định vị toàn cầu GPS

1.1.1 INS với hệ thống xác định góc hướng dựa trên gia tốc trọng trường

và từ trường Trái đất

Một trong các phương pháp thường được áp dụng là kết hợp tích phân kết quả đo từ cảm biến vận tốc góc với kết quả đo từ cảm biến gia tốc để xác định chính xác giá trị góc nghiêng và góc ngẩng, kết hợp tích phân kết quả đo từ cảm biến vận tốc góc với kết quả đo từ cảm biến từ trường để xác định chính xác giá trị góc hướng Thuật toán được sử dụng để kết hợp kết quả đo của cảm biến vận tốc góc, cảm biến gia tốc, cảm biến từ trường để

xác định chính xác sự định hướng của vật thể trong không gian cũng rất đa dạng Tiêu biểu là các thuật toán: bộ lọc bù; bộ lọc Madgwick – Mahony;

bộ lọc Kalman; bộ lọc Particle Trong nghiên cứu này, thuận toán sử dụng

để kết hợp thông tin các cảm biến là bộ lọc Kalman mở rộng

1.1.2 INS với hệ thống GPS

Có nhiều thuật toán khác nhau được sử dụng để kết hợp hệ INS với hệ GPS như: bộ lọc Kalman; bộ lọc Particle; logic mờ, mạng Neuron Việc kết hợp hệ INS với hệ GPS sử dụng bộ lọc Kalman có thể được thực hiện theo

3 cấu trúc: ghép lỏng, ghép chặt, ghép siêu chặt

Trong nghiên cứu này, cấu trúc kết hợp INS/GPS là ghép lỏng, sử dụng thuật toán kết hợp là bộ lọc Kalman

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP TỰ HIỆU CHUẨN CẢM

BIẾN TRONG HỆ INS

Trên cơ sở phương pháp tự hiệu chuẩn, tác giả đề xuất phương pháp mới xác định giá trị sai số hệ thống của các cảm biến và đưa ra quy trình tự hiệu chuẩn đồng thời cảm biến: gia tốc, từ trường, vận tốc góc

2.1 Hiệu chuẩn cảm biến gia tốc

Cảm biến gia tốc sử dụng trong hệ INS là cảm biến 3 chiều Thông tin

đo được từ cảm biến này bao gồm gia tốc trọng trường và gia tốc chuyển động Trong trường hợp cảm biến đứng yên, thông tin đo được của cảm biến chính là giá trị gia tốc trọng trường tại vị trí đặt, mà giá trị gia tốc trọng trường tại một vị trí được coi là không đổi (thay đổi vô cùng nhỏ theo thời gian), dùng giá trị này làm chuẩn để hiệu chuẩn cảm biến gia tốc trong hệ INS Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, có thể thực hiện hoàn toàn

tự động, không cần sử dụng thêm các phương tiện đo, chuẩn tham chiếu bên ngoài, mà vẫn đảm bảo độ chính xác, tin cậy của cảm biến

Xét trong trường hợp phép đo của cảm biến gia tốc tồn tại sai số tỷ lệ và sai số bias, khi đó:

Mục tiêu của quá trình tự hiệu chuẩn là ước lượng các thông số của ma

trận sai số tỷ lệ W acc và vector sai số bias V acc từ chính kết quả đo của cảm biến ở trạng thái đứng yên, sao cho kết quả đo sau hiệu chuẩn thỏa mãn phương trình sau:

Có nhiều phương pháp khác nhau được sử dụng để ước lượng các thông

số của ma trận sai số tỷ lệ tổng hợp W Acc và vector sai số bias V Acc Trong

luận án này, tác giả đề xuất một phương pháp mới nhằm ước lượng giá trị các tham số sử dụng phương pháp bình phương cực tiểu Các tham số sai số

được ước lượng một cách lần lượt Phương pháp được đề xuất đơn giản

hơn, tính toán nhanh hơn, đảm bảo độ chính xác

2.1.1 Xác định vector sai số bias

Từ phương trình (2.1), đặt:

  1 1

Acc Acc Acc

xx xy xz T

Acc Acc Acc Acc Acc Acc

xy yy yz Acc Acc Acc

(G pV Acc T) A Acc(G pV Acc) | G r| (2.2)

Vì tác động của sai số bias có tính chất cộng tính và sai số tỷ lệ có tính chất nhân tính Nên để xác định thành phần sai số bias, có thể giả thiết kết quả đo của cảm biến không tồn tại sai số tỷ lệ, hay ma trận W Acc=IA Acc=I

ra, phương trình sai số của cảm biến sau hiệu chuẩn được xác định như sau:

T Acc T T Acc Acc Acc bias  p p p   r

2 [ ]

2 [ ]

x px

Acc y py

Acc

z pz

Thực hiện M phép đo khác nhau (M ≥ 4, do phương trình (2.5) có 4 tham

số cần tìm), thu được hệ phương trình sai số như sau:

Acc bias  

     

1 2 3

2 4

Acc z Acc Acc Acc

bias  r bias  r bias  r bias   r bias   

Acc z Acc Acc Acc

V V V

[i]

[ ]

[ ] [ ]=| |

2 [ ] [ ]

2 [ ] [ ]

2 [ ] [ ]

T Acc xx pvx

Acc yy pvy

Acc zz

xz pvx pvy

Acc xy pvx pvz

Acc pvy pvz yz

A G

Thực hiện M phép đo khác nhau (M ≥ 6, do phương trình (2.11) có 6 tham số cần tìm), thu được hệ phương trình sai số như sau:

Acc scale 

2 3 4 2 5 6

xz Acc

xz Acc yz

r

A A r

A A

scale r scale  r scale  r scale   r scale   

Áp dụng phương pháp bình phương cực tiểu, tổng bình phương này đạt giá trị cực tiểu khi:

1 2 3

4 5 6

Acc xx Acc yy Acc zz

Acc xz Acc xz Acc yz

A A A A A A

scale scale scale scale scale

2.2 Hiệu chuẩn cảm biến từ trường

Tương tự giá trị gia tốc trọng trường, giá trị từ trường Trái Đất tại một vị trí cũng là không đổi, được sử dụng giá trị làm chuẩn để hiệu chuẩn cảm biến từ trường trong hệ INS Do mô hình sai số của cảm biến từ trường và

mô hình sai số của cảm biến gia tốc là tương tự nhau, vì vậy hoàn toàn có thể áp dụng phương pháp tự hiệu chuẩn của cảm biến gia tốc (đã trình bày tại mục 2.1) cho cảm biến từ trường

2.3 Hiệu chuẩn cảm biến vận tốc góc

Xác định sai số bias: Đặt cảm biến cố định, tiến hành thu thập kết quả

đo, sau đó lấy giá trị trung bình cộng để loại trừ nhiễu sẽ thu được giá trị sai

số bias của cảm biến vận tốc góc

Xác định sai số tỷ lệ: Giá trị sai số tỷ lệ của cảm biến vận tốc góc được

xác định lần lượt qua các bước sau:

 Đặt IMU ở trạng thái đứng yên, tính toán các góc định hướng của IMU từ kết quả đo của cảm biến gia tốc và cảm biến từ trường

 Quay IMU một góc bất kỳ trong không gian và thu thập kết quả đo

 Đặt IMU ở trạng thái đứng yên, tính toán các góc định hướng mới của IMU từ kết quả đo của cảm biến gia tốc và cảm biến từ trường

 Tích phân kết quả đo thu được từ cảm biến vận tốc góc, so sánh với hiệu giữa góc định hướng lúc sau và lúc trước để xác định giá trị sai số tỷ lệ

2.4 Kết quả thử nghiệm

Để thử nghiệm và đánh giá phương pháp đã đề xuất, trong nghiên cứu này, khối IMU được sử dụng là 3DM-GX3-35 của hãng MicroStrain IMU 3DM-GX3-35 bao gồm các cảm biến MEMS ba chiều: cảm biến gia tốc, cảm biến vận tốc góc, cảm biến từ trường Các phần mềm phân tích kết quả,

xử lý dữ liệu, tự hiệu chuẩn được tác giả xây dựng trên môi trường Matlab

2.4.1 Cảm biến gia tốc

Tác giả tiến hành các thử nghiệm đánh giá, so sánh với gia tốc trọng trường tại địa điểm thử nghiệm xác định từ mô hình gia tốc trọng trường, giá trị gia tốc chuẩn tạo bởi chuẩn rung động tại Viện Đo lường Việt Nam Tác giả cũng tiến hành so sánh kết quả phương pháp đề xuất với phương pháp hiệu chuẩn xác định đồng thời 7 tham số “High Precision Calibration

Of a Three Axis Accelerometer” của hãng Freescale Semiconductor Sau khi hiệu chuẩn, tiến hành xác định giá trị trung bình, độ lệch chuẩn, tỷ số En giữa các lần đo sau với lần đo đầu tiên Các giá trị này được thể hiện trên bảng 2.1, 2.2

Bảng 2.1 Kết quả đánh giá tỷ số En cảm biến gia tốc sau hiệu chuẩn

Lần đo Giá trị trung bình (g) Độ lệch chuẩn (g) Tỷ số En

Bảng 2.2 Tổng bình phương sai số trước và sau hiệu chuẩn của cảm biến gia tốc

Lần đo Tổng bình phương sai số trước hiệu chuẩn (g 2 )

Tổng bình phương sai

số sau hiệu chuẩn (g 2 )

Kết quả sai số của cảm biến gia tốc trước và sau hiệu chuẩn xác định dựa trên hệ thống chuẩn rung (Vibration Transducer Calibration System Type 3629 do hãng B&K sản xuất) tại Viện Đo lường Việt Nam được thể hiện trong bảng 2.3, kết quả cho thấy với phương pháp đề xuất, sai số đã giảm đáng kể

Bảng 2.3 Sai số cảm biến gia tốc trước và sau hiệu chuẩn

Điểm đo (g) Sai số trước hiệu chuẩn (%) Sai số sau hiệu chuẩn (%)

Bảng 2.4 Tổng bình phương sai số sau hiệu chuẩn của phương pháp đề xuất và

phương pháp tự hiệu chuẩn xác định đồng thời 7 tham số

)

Bảng 2.5 Kết quả đánh giá tỷ số En cảm biến từ trường sau hiệu chuẩn

Lần đo Giá trị trung bình (gauss) Độ lệch chuẩn (gauss) Tỷ số En

Bảng 2.6 Tổng bình phương sai số trước và sau hiệu chuẩn của cảm biến từ trường

Lần đo trước hiệu chuẩn (gauss Tổng bình phương sai số 2

)

Tổng bình phương sai số sau hiệu chuẩn (gauss 2 )

quả sau hiệu chuẩn chụm lại với nhau, chụm lại với giá trị trung bình và tiến gần đến giá trị từ trường Trái đất trung bình tại điểm thử nghiệm

Phương pháp tự hiệu chuẩn đề xuất cũng được thử nghiệm, so sánh với phương pháp tự hiệu chuẩn xác định đồng thời 7 tham số “Magnetic Calibration” của hãng Freescale Semiconductor Kết quả tổng bình phương sai số sau hiệu chuẩn được thể hiện trong bảng 2.7

Bảng 2.7 Tổng bình phương sai số sau hiệu chuẩn của phương pháp đề xuất và

phương pháp xác định đồng thời 7 tham số

2.4.3 Cảm biến vận tốc góc

Phương pháp tự hiệu chuẩn cảm biến vận tốc góc được thử nghiệm và đánh giá trên hệ thống bàn xoay Tamagawa, trong đó hệ thống bàn xoay

Tamagawa được sử dụng để tạo góc quay chuẩn cho cảm biến

Bảng 2.8 Độ chính xác trung bình trong xác định sai số tỷ lệ của các trục cảm biến

Độ chính xác trung bình (%) 99,53 98,97 98,52

Do phương pháp xác định sai số tỷ lệ được đề xuất được thực hiện dựa trên so sánh góc quay xác định được từ cảm biến vận tốc góc với góc quay xác định từ cảm biến gia tốc và cảm biến từ trường, nên độ chính xác trong xác định sai số tỷ lệ sẽ phụ thuộc vào độ chính xác xác định góc quay từ cảm biến gia tốc và cảm biến từ trường Tuy nhiên với các kết quả thể hiện trong các bảng 2.8, có thể khẳng định phương pháp xác định sai số tỷ lệ của cảm biến vận tốc góc được đề xuất là chính xác và có khả năng ứng dụng trong thực tế