Thiết kế bộ lọc kalman để tính toán ước lượng đường di chuyển của thiết bị khảo sát (Tóm tắt trích đoạn)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - - VƯƠNG HẢI TÚ THIẾT KẾ BỘ LỌC KALMAN ĐỂ TÍNH TOÁN ƯỚC LƯỢNG ĐƯỜNG DI CHUYỂN CỦA THIẾT BỊ KHẢO SÁT LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG HÀ NỘI – 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - - VƯƠNG HẢI TÚ THIẾT KẾ BỘ LỌC KALMAN ĐỂ TÍNH TOÁN ƯỚC LƯỢNG ĐƯỜNG DI CHUYỂN CỦA THIẾT BỊ KHẢO SÁT Ngành: Công nghệ Kỹ thuật điện tử, truyền thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRẦN ĐỨC TÂN HÀ NỘI - 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu thân, xuất phát từ thực tế yêu cầu công việc Các số liệu thu thập kết nêu luận văn trung thực, có nguồn gốc rõ ràng chưa công bố trước Các thông tin trích dẫn sử dụng luận văn ghi rõ nguồn gốc Tác giả Vương Hải Tú MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT .4 DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .6 MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ BẰNG SÓNG ÂM .9 1.1 Các phương pháp định vị sóng âm .9 1.1.1 Phương pháp đường sở dài LBL 1.1.2 Phương pháp đường sở ngắn SBL .10 1.1.3 Phương pháp đường sở cực ngắn USBL 10 1.1.4 Các hệ thống kết hợp 11 1.2 Tần số sử dụng hệ thống định vị sóng âm 11 1.3 Các thành phần hệ thống định vị sóng âm 12 1.4 Sai số hệ thống định vị sóng âm 13 1.4.1 Sai số tương đối hệ thống đường sở dài LBL 13 1.4.3 Các nguồn nhiễu ảnh hưởng tới hệ thống định vị sóng âm 14 1.4.4 Tầm nhìn thẳng 15 1.4.5 Hiện tượng đường truyền sóng bị bẻ cong vùng mù 15 CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ CỦA HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ USBL VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ THỦ CÔNG .18 2.1 Phương pháp định vị thủ công 18 2.2 Các thu phát sóng âm .19 2.3 Lan truyền sóng âm 20 2.4 Tín hiệu sóng âm 22 2.4.1 Tín hiệu nguyên gốc 22 2.4.2 Tín hiệu điều chế tần số (FM hay gọi CHIRP) .23 2.4.3 Tín hiệu điều chế pha (PSK) .24 2.5 Nguyên lý hệ thống USBL 25 2.6 Ảnh hưởng độ nghiêng góc xoay thu phát 27 2.7 Hiệu chỉnh hệ thống USBL 27 2.7.1 Phương pháp hiệu chỉnh tĩnh 28 2.7.2 Phương pháp hiệu chỉnh động 28 CHƯƠNG 3: XỬ LÝ KẾT QUẢ ĐO BẰNG BỘ LỌC BÙ VÀ KALMAN .30 3.1 Thu thập liệu .30 3.2 Đánh giá liệu .31 3.3 Bộ lọc bù Kalman 35 3.3.1 Bộ lọc bù 35 3.3.2 Bộ lọc Kalman 35 3.4 Kết sau áp dụng lọc 39 3.4.1 Sử dụng lọc bù 39 3.4.2 Sử dụng lọc Kalman .41 KẾT LUẬN 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Đơn vị USBL Ý nghĩa Ultra Short Base Line SBL Short Base Line LBL Long Base Line AHRS Altitude and heading reference system α độ Hướng phương vị theo phương ngang từ điểm thả cáp tới cá đo R m Khoảng cách theo phương ngang từ điểm thả cáp tới cá đo DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 - Chiều dài sở sử dụng hệ thống định vị sóng âm .9 Bảng 1.2 - Phạm vi hoạt động sóng âm theo dải tần số [2, tr.7] .11 Bảng 1.3 - Sai số tương đối theo dải tần số [2, tr.10] 13 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 - Hệ thống định vị đường sở dài LBL [2, tr.5] Hình 1.2 - Hệ thống định vị đường sở ngắn SBL [2, tr.4] 10 Hình 1.3 - Hệ thống định vị USBL [2, pp.3] 11 Hình 1.4 - Thành phần hệ thống định vị sóng âm [2, tr.8] .12 Hình 1.5 - Kết đo hai thiết bị đo trực tiếp (Valeport MidasSVP) đo gián tiếp (Valeport MidasCTD) điều kiện 16 Hình 1.6 - Quan hệ tốc độ âm độ sâu nước 16 Hình 1.7 - Thay đổi nhiệt độ theo độ sâu (ở vùng biển có độ sâu 75m, đo thiết bị Valeport MidasCTD) 17 Hình 2.1 - Phương pháp xác định khoảng cách (range) góc phương vị (bearing) từ điểm thả tới cá đo 18 Hình 2.2 - Hình dạng bố trí phần tử áp điện thường gặp [3, pp.9] 19 Hình 2.3 - Phần tử áp điện trước sau phân cực [3, pp.9] 19 Hình 2.4 - Hình dạng vùng lan truyền sóng âm [3, pp.11] 20 Hình 2.5 - Hình dạng búp sóng thực tế bao gồm búp sóng búp sóng phụ [3, pp.12] .21 Hình 2.6 - Mặt cắt cánh sóng tạo dãy phần tử áp điện thẳng hàng [4, pp.33] 21 Hình 2.7 - Các vị trí giao thoa tăng cường triệt tiêu tạo thành cánh sóng [4, pp.27] .21 Hình 2.8 - Phổ tần số biên độ tương quan tín hiệu sóng âm gốc [5, tr.3] 22 Hình 2.9 - Phổ tần số biên độ tương quan tín hiệu điều chế tần số [5, tr.3] 23 Hình 2.10 - Tín hiệu sóng âm điều chế pha (còn gọi tín hiệu băng rộng) 24 Hình 2.11 - Phổ tần số biên độ tương quan tín hiệu sóng âm điều chế pha [5, tr.3] 24 Hình 2.12 - Hệ thống định vị sóng âm USBL [6, tr.2] 25 Hình 2.13 - Bộ phát đáp Sonardyne Coastal gắn cá đo quét ngang âm bề mặt EdgeTech 4200MP 25 Hình 2.14 - Bộ thu phát Sonardyne 8024 Wideband gắn tàu khảo sát 25 Hình 2.15 - Xác định góc dựa vào độ trễ thời gian .26 Hình 2.16 - Hai cách bố trí đơn giản thu thu phát USBL 27 Hình 2.17 - Sắp xếp thu phát hệ thống USBL Sonardyne (5 thu xếp hình ngũ giác phát giữa) 27 Hình 2.18 - Phương pháp hiệu chỉnh tĩnh .28 Hình 2.19 - Phương pháp hiệu chỉnh động 29 Hình 3.1 - Lắp đặt thiết bị tàu 30 Hình 3.2 - Một vài điển hình hệ thống USBL hoạt động không tốt, vẽ hệ tọa độ phẳng North-East 31 Hình 3.3 - Khoảng cách từ điểm thả tới cá đo tính theo phương pháp thủ công USBL .32 Hình 3.4 - Tương quan hướng cá đo, hướng phương vị α hệ thống USBL, hướng phương vị tàu hướng tàu chạy 33 Hình 3.5 - Tương quan độ lệch hướng tàu chạy CMG, hướng cá đo hướng phương vị từ điểm thả cáp tới cá đo tính hệ thống USBL 34 Hình 3.6 - Hướng phương vị từ điểm thả cáp tới cá mô hình quan hệ tuyến tính với hướng cá hướng tàu chạy .34 Hình 3.7 – Sơ đồ lọc bù [8, tr.2] 35 Hình 3.8 – Một trường hợp lọc bù lọc hoạt động với nhiễu .35 Hình 3.9 – Minh họa hoạt động lọc bù 35 Hình 3.10 – Sơ đồ thuật toán lọc Kalman rời rạc 38 Hình 3.11 – Sơ đồ áp dụng lọc Kalman 38 Hình 3.13 - Sai lệch tọa độ (East) cá đo phương pháp tính thủ công, USBL trước sau lọc 39 Hình 3.12 - Tọa độ (East) cá đo theo phương pháp thủ công, USBL sau lọc .39 Hình 3.14 - Tọa độ (North) phương pháp thủ công, USBL sau lọc 40 Hình 3.15 - Sai lệch tọa độ (North) phương pháp tính thủ công USBL trước sau lọc 40 Hình 3.16 - Đường cá đo sau lọc, vẽ hệ tọa độ phẳng North-East 41 Hình 3.17 - So sánh kết (sai lệch tọa độ North) lọc thông thấp Kalman 41 Hình 3.18 - So sánh kết (sai lệch tọa độ East) lọc thông thấp Kalman .42 Hình 3.19 - Kết vị trí sau áp dụng lọc Kalman, vẽ hệ tọa độ phẳng North-East 42 MỞ ĐẦU Công nghiệp khai thác dầu mỏ giới sớm, khoảng năm ký 19 phát triển mạnh mẽ vào nửa cuối thể kỷ 20 tiếp tục với phát triển thiết bị điện tử Sự đời internet bùng nổ thông tin toàn cầu đòi hỏi người tiến hành xây dựng công trình biển ngày nhiều Ngành dịch vụ đo đạc khảo sát biển đời từ để phục vụ cho việc thăm dò, thiết kế, xây dựng tu bảo dưỡng công trình hạ tầng biển Các loại thiết bị thăm dò, đo đạc kể đến như: - - Các thiết bị đo thủy hải văn: đo sâu cánh sóng, nhiều cánh sóng (Singlebeam/Multibeam Echo-Sounder), quan trắc thủy triều, dòng chảy, sóng biển Các thiết bị đo địa vật lý: đo quét ngang âm bề mặt (Side-scan sonar), đo âm địa chấn (Sub-bottom profiler) Các thiết bị đo từ trường Các thiết bị đo đạc nghiên cứu địa chất đáy biển, thiết bị đo quan trắc môi trường nước biển Hầu hết thiết bị đo sử dụng sóng âm, dải tần siêu âm từ cỡ 10kHz đến 500khz, thiết bị đo âm địa chấn có dải tần thấp (vài kHz) phải truyền qua lớp đất đá sâu đáy biển Các thiết bị đo lắp đặt tàu khảo sát Một số khác (như máy đo quét ngang âm bề mặt, đo từ trường, hay đo âm địa chấn) yêu cầu phải trì khoảng cách với đáy biển để đảm bảo độ phân giải dải đo, giảm thiểu ảnh hưởng nguồn nhiễu từ tàu, sai số sóng biển, thả kéo theo tàu sợi cáp (vừa chịu lực truyền dẫn tín hiệu), tùy thuộc vào độ sâu nước vùng khảo sát, chiều dài thả cáp lến tới 4000-5000m Một yêu cầu đo đạc xác định vị trí, phổ biến sử dụng hệ thống định vị toàn cầu vi sai DGPS cho độ xác lên tới 10-20cm Các thiết bị lắp đặt tàu xác định vị trí từ hệ thống DGPS dựa vào khoảng cách tới ăng-ten GPS phương vị tàu Các thiết bị kéo theo tàu đòi hỏi phức tạp hơn, khoảng cách ngắn sử dụng chiều dài cáp để tính theo cách tương tự Ở nước sâu chiều dài cáp lớn cần sử dụng hệ thống định vị sóng âm USBL (ultra-short baseline) hay LBL (long baseline) Tuy nhiên lúc hệ thống hoạt động tốt, phụ thuộc vào việc lắp đặt xác, lựa chọn hệ thống phù hợp chất lượng hệ thống AHRS Luận văn đề cập đến vấn đề tìm giải pháp định vị tốt trường hợp hệ thống định vị sóng âm, hệ thống hoạt động không tốt, sử dụng thông tin chuyển động từ cảm biến gắn thiết bị kéo theo tàu 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Anh Jonathan Martin, Subsea positioning through the ages, www.sonardyne.com Keith Vickery (1998), Acoustic Positioning Systems “A Practical Overview Of Current Systems”, Sonardyne, Inc Airmar Technology Corporation, Theory of Operations L3 Communications SeaBeam Instruments (2000), Multibeam Sonar Theory of Operation S.Adrián-Martínez, M.Ardid, M.Bou-Cabo, I.Felis, C.Llorens, J.A.MartínezMora, M.Saldaña, Acoustic signal detection through the cross-correlation method in experiments with different signal to noise ratio and reverberation conditions Sonadyne, Wideband™ Fusion LBL and USBL Sonardyne, Fusion USBL System Manual Walter T Higgins, Jr., A Comparison of Complementary and Kalman Filtering, IEEE Tranactions On Aerospace And Electronic Systems Vol Aes-1 1, No Hugh Durrant-Whyte (2011), Introduction to Estimation and the Kalman Filter 10 R.L Kirlin, W.S Lu, B Hedstrom, C.M Leung (1993), Towfish orientation and position estimation, IEEE Journal of Oceanic Engineering ( Volume: 18, Issue: 3, Jul 1993 ) 11 Tran, D T., Luu, M H., Nguyen, T L., Nguyen, D D., & Nguyen, P T (2014) Land-vehicle mems INS/GPS positioning during GPS signal blockage periods Journal of Science, Vietnam National University, Hanoi., 23(4), 243251 12 Tan, T D., Tue, H H., Long, N T., Thuy, N P., & Van Chuc, N (2006, November) Designing Kalman filters for integration of inertial navigation system and global positioning system In The 10th biennial Vietnam Conference on Radio & Electronics, REV-2006 Hanoi, November (pp 6-7) 13 Tan, T D., Ha, L M., Long, N T., Thuy, N P., & Tue, H H (2007) Performance Improvement of MEMS-Based Sensor Applying in Inertial Navigation Systems Research-Development and Application on Electronics, Telecommunications and Information Technology, (2), 19-24 14 Tan, T D., Ha, L M., Long, N T., Tue, H H., & Thuy, N P (2008, December) Novel MEMS INS/GPS Integration Scheme Using Parallel Kalman Filters In Proceedings of the 2008 IEEE International Symposium on System Integration(pp 72-76) 15 Tan, T D., Ha, L M., Long, N T., Tue, H H., & Thuy, N P (2007, October) Feedforward Structure Of Kalman Filters For Low Cost Navigation In 45 International Symposium on Electrical-Electronics Engineering (ISEE2007) (pp 1-6) 16 Dean Steinke (2003), Design and Simulation of a Kalman filter for ROV Navigation, University of Victoria 17 Magne Mandt, Kenneth Gade, Bjørn Jalving, Integrating DGPS-USBL position measurements with inertial navigation in the HUGIN 3000 AUV ... HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - - VƯƠNG HẢI TÚ THIẾT KẾ BỘ LỌC KALMAN ĐỂ TÍNH TOÁN ƯỚC LƯỢNG ĐƯỜNG DI CHUYỂN CỦA THIẾT BỊ KHẢO SÁT Ngành: Công nghệ Kỹ thuật điện tử, truyền thông Chuyên... LÝ KẾT QUẢ ĐO BẰNG BỘ LỌC BÙ VÀ KALMAN .30 3.1 Thu thập liệu .30 3.2 Đánh giá liệu .31 3.3 Bộ lọc bù Kalman 35 3.3.1 Bộ lọc bù 35 3.3.2 Bộ lọc Kalman. .. 3.17 - So sánh kết (sai lệch tọa độ North) lọc thông thấp Kalman 41 Hình 3.18 - So sánh kết (sai lệch tọa độ East) lọc thông thấp Kalman .42 Hình 3.19 - Kết vị trí sau áp dụng lọc Kalman, vẽ hệ