Nghiên cứu giải pháp tích hợp hệ thống GNSSINS trên thiết bị thông minh ứng dụng trong trắc địa bản đồ (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT TRẦN TRUNG CHUYÊN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TÍCH HỢP HỆ THỐNG GNSS/INS TRÊN THIẾT BỊ THƠNG MINH ỨNG DỤNG TRONG TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Ngành: Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ Mã số: 9520503 HÀ NỘI - 2018 Mở đầu Tính cấp thiết đề tài Công tác Trắc địa - Bản đồ (TĐBĐ) bao gồm đo đạc thể thông tin đối tượng mặt đất làm sở để thể thông tin khác gắn với mặt đất Kể từ năm 1960 Việt Nam, đồ thành lập phương pháp truyền thống bao gồm xây dựng mạng lưới khống chế tọa độ độ cao quốc gia làm sở cho công việc đo vẽ thành lập đồ gốc dựa phép đo máy đo chuyên dụng; in đồ để sử dụng cho nhiều mục đích khác Các máy đo chuyên dụng có độ xác cao sử dụng đo vẽ thành lập đồ có giá thành cao Với phát triển cơng nghệ máy tính, hình ảnh thu từ vệ tinh Hệ thống định vị tồn cầu - Global Positioning System (GPS) việc thành lập đồ trở nên dễ dàng Các máy thu GPS trở thành công cụ quan trọng để định vị, dẫn đường, tìm kiếm đối tượng quan tâm, gửi thông tin định vị tức thời, cập nhật thông tin không gian trợ giúp công tác TĐBĐ Các máy thu GPS cầm tay có chi phí thấp máy GPS chun dụng lại khơng đủ độ xác để xây dựng điểm khống chế trắc địa hay cơng việc đòi hỏi độ xác cao Tuy nhiên, GPS cầm tay công cụ hữu ích để hỗ trợ định trợ giúp công tác TĐBĐ từ nhiều năm Cùng với phát triển cơng nghệ, điện thoại thơng minh, máy tính bảng, đồng hồ thông minh, gọi chung thiết bị thông minh đời trang bị hợp phần máy thu Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu - Global Navigation Satellite Systems (GNSS) cảm biến [3, 7] Trong thiết bị thông minh kể Điện thoại thơng minh (Smartphone), đối tượng nghiên cứu trang bị thành phần có hệ điều hành, phần cứng định vị cảm biến, thành phần thường Chương Ước lượng sai số cảm biến quán tính Smartphone 1.1 Tóm tắt Giải vấn đề ước lượng sai số cảm biến quán tính gây ảnh hưởng đến khả IMU INS Phân tích đề xuất phương pháp giúp giải vấn đề tồn nghiên cứu trước 1.2 Giới thiệu Giới thiệu cảm biến quán tính có thiết bị thơng minh iPhone để xây dựng IMU INS Các nguồn sai số cảm biến quán tính, đặc tính cách thức xử lý sai số thể Bảng 1.1 Bảng 1.1: Đặc tính cách xử lý nguồn sai số cảm biến Sai số Đặc tính Cách xử lý (loại bỏ / giảm thiểu) Tất định Thống kê Hiệu chuẩn Mơ hình hóa Độ lệch Hệ số tỷ lệ Sự khơng trực giao Tạp nhiễu 1.3 Mơ hình sai số bù nhiễu cảm biến Nếu Véc-tơ gia tốc thực cảm biến gia tốc (f ) Véc-tơ tốc độ góc thực cảm biến tốc độ góc (ω ) trị thực Véc-tơ liệu đầu cảm biến gia tốc (fˆ) Véc-tơ liệu đầu cảm biến tốc độ góc (ω ˆ ) viết dạng mơ hình tốn học tiêu chuẩn sau [4]: fˆ ≈ [I + Sa + δSa ]f + ba + δba + wa (1.1) ω ˆ ≈ [I + Sg + δSg ]ω + bg + δbg + wg (1.2) Sau xác định độ lệch hệ số tỷ lệ, liệu cảm biến bù nhiễu theo công thức 1.3 1.4 fˆ − ba − δba − wa I + Sa + δSa ω ˆ − bg − δbg − wg ω= I + Sg + δSg f= (1.3) (1.4) 1.4 Hiệu chuẩn cảm biến quán tính 1.4.1 Giới thiệu Trong cảm biến quán tính hiệu chuẩn để loại bỏ nhiễu tất định, tức so sánh giá trị đo với giá trị tham chiếu chuẩn biết 1.4.2 Kỹ thuật hiệu chuẩn cảm biến sáu vị trí a) Cơ sở lựa chọn kỹ thuật hiệu chuẩn Nghiên cứu sử dụng kỹ thuật hiệu chuẩn cảm biến sáu vị trí để áp dụng cho hiệu chuẩn cảm biến Smartphone độ đáng tin cậy thực đơn giản, phù hợp với cảm biến chi phí thấp [4] b) Hiệu chuẩn cảm biến tốc độ góc Đối với cảm biến tốc độ góc, việc xoay trục chiều kim đồng hồ 1/2 vòng tách thành phần vận tốc quay trái đất liệu đầu cảm biến tốc độ góc Hình 1.1 ωe ωe ωe ωe North Cực Bắc Up ωe East Mặt phẳng chiếu Vĩ độ Đ ườ R ng xích đạo Kinh độ Trục quay Cực Nam Hình 1.1: Mơ hình hiệu chuẩn cảm biến tốc độ góc Smartphone c) Hiệu chuẩn cảm biến gia tốc Cơ sở lý thuyết kỹ thuật vị trí, gia tốc trọng trường lực hấp dẫn tác động lên vật nhau, việc sử dụng hai hướng luân phiên trục cảm biến gia tốc tách thành phần gia tốc trọng trường cục liệu đầu cảm biến gia tốc Hình 1.2 X=Up Y=Up Z=Up Y X Z Z X g (a) (c) g (e) Y g Y Y e iPhon X X Z Z iPh one g X=Down (b) g Y=Down g (d) Z=Down (f) Hình 1.2: Mơ hình hiệu chuẩn cảm biến gia tốc Smartphone (a) Trục X phương ngược hướng với g; (b) Trục X phương hướng với g; (c) Trục Y phương ngược hướng g; (d) Trục Y phương hướng với g; (e) Trục Z phương ngược hướng với g; (f) Trục Z phương hướng với g 1.5 Phân tích mơ hình hóa liệu cảm biến quán tính 1.5.1 Giới thiệu Trong phần này, phương pháp phân tích phương sai Allan sử dụng để xác định nhiễu ngẫu nhiên cảm biến quán tính Smartphone 1.5.2 Phương pháp luận Chia chuỗi liệu đầu thành cụm liệu độc lập lấy trung bình với thời gian τ = mτ0 tạo mẫu đan xen Hình 1.3 Hình 1.3: Lấy mẫu theo cluster 1.5.3 Phân tích nhiễu dùng phương sai Allan Mục đích việc phân tích nhiễu dùng phương pháp Allan để xác định thông số đặc trưng loại nhiễu thể Bảng 1.2 [5] Bảng 1.2: Đặc tính nguồn sai số ngẫu nhiên cảm biến Các loại nhiễu Phương sai Allan Hệ số nhiễu Độ dốc τ √ Lượng tử hóa 3Q2 τ2 Q Bước ngẫu nhiên N2 τ −1 N 2B ln π − 12 B Tỷ lệ bước ngẫu nhiên K 2τ − K + 12 Tỷ lệ cưa R2 τ 2 R +1 √ Bất ổn độ lệch 10 Chương Tích hợp GNSS/INS Smartphone 2.1 Tóm tắt Chương trình bày sở lý thuyết xây dựng IMU triển khai áp dụng xây dựng IMU Smartphone cho tốn tích hợp GNSS/INS 2.2 Giới thiệu Áp dụng tốn xác định tư tích hợp GNSS/INS tài liệu Grewal, Andrews, and Bartone [10], Groves [6], kết hợp với giải thuật Hệ tham chiếu hướng - Attitude and Heading Reference Systems (AHRS) Madgwick [9] để xây dựng IMU tích hợp GNSS/INS Smartphone 2.3 Khái quát hệ tọa độ động học Trái Đất Các hệ tọa độ mối quan hệ chúng tảng sở toán học quan trọng để giải toán tích hợp GNSS/INS 2.3.1 Các hệ tọa độ sử dụng Trong định vị dẫn đường tích hợp có mối liên hệ nhiều hệ quy chiếu cần phải giải như: Hệ quy chiếu quán tính Trái Đất; Hệ tọa độ vng hóc khơng gian địa tâm cố định; Hệ tọa độ định vị cục bộ; Hệ tọa độ vật thể 2.3.2 Động học Trái Đất Các đại lương động học vị trí, tốc độ, gia tốc, tốc độ góc, liên quan đến ba hệ tọa độ chính: (1) Hệ α; (2) Hệ β; (3) Hệ γ 11 2.4 Hệ thống dẫn đường quán tính INS hệ thống định vị không gian ba chiều hoàn chỉnh gồm cảm biến gia tốc cảm biến tốc độ góc dùng để xây dựng IMU 2.5 Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu sử dụng vệ tinh để xác định vị trí máy thu bề mặt trái đất 2.6 Sử dụng Smartphone để xác định vị trí điểm Hệ điều hành Smartphone cho phép người dùng cuối lấy thông tin từ thu GNSS trang bị sẵn cách cung cấp API cho nhà phát triển với băng thông lớn khoảng 1Hz 2.7 Xây dựng IMU Smartphone 2.7.1 Định hướng từ cảm biến tốc độ góc Các giá trị đo cảm biến tốc độ góc tạo thành véc-tơ S ω định nghĩa theo công thức 2.1 Đạo hàm bậc quaternion hệ cảm biến so với hệ Trái Đất E S q˙ theo công thức 2.2 [2] S ω = ωx ωy ωz E S q˙ = 1S ω ⊗E ˆ S q (2.1) (2.2) 2.7.2 Định hướng từ cảm biến gia tốc Cảm biến gia tốc đo gia tốc dọc theo ba trục x, y, z, có thành phần cường độ hướng trọng lực cục ba trục hệ cảm biến 12 2.7.3 Giải thuật định hướng kết hợp để xây dựng IMU Ước lượng định hướng hệ quán tính hệ Trái Đất gọi giải thuật định hướng kết hợp tính tốn quaternion Hình 2.1 Cảm biến gia tốc S J Tg (ESqest,t-1 ) f g (ESqest,t-1, S at ) at ∇f ||∇f|| z -1 ¯ Cảm biến tốc độ góc S S ! ⊗ Eq t S est,t-1 !t q ||q|| ∫ dt q E S est,t q E S est,t z -1 Hình 2.1: Sơ đồ khối lọc định hướng xây dựng IMU [8] 2.8 Tích hợp GNSS/INS Smartphone Kiến trúc tổng quát hệ thống thể Hình 2.2(b) Hình 2.2 cho thấy thay đổi hệ thống trước sau tích hợp A-GNSS Gyroscope Games Tín hiệu GNSS Smartphone Các ứng dụng Phần cứng, SoC 3G/LTE WiFi GNSS/INS A-GNSS IMU Gyroscope Accelerometer Accelerometer Magnetometer Magnetometer Game Sensor fusion Game Sensor fusion Games WLAN Bluetooth Tín hiệu GNSS Antenna 3G/LTE WiFi GNSS Antenna Smartphone Các ứng dụng Phần cứng, SoC WLAN Bluetooth (a) (b) Hình 2.2: Kiến trúc tổng qt hệ thống tích hợp GNSS/INS Smartphone (a) Hệ thống trước tích hợp; (b) Hệ thống sau tích hợp 13 2.8.1 Kiến trúc tích hợp Sử dụng cấu hình vòng lặp đóng cho giải thuật tích hợp Hình 2.3 Bộ thu GNSS Các hệ số hiệu chuẩn cảm biến (sai số hệ thống) Bộ xử lý GNSS Thông tin hỗ trợ Mô hình sai số GNSS IMU Phương trình định vị quán tính Mơ hình sai số cảm biến (sai số ngẫu nhiên) Bộ lọc Kalman tích hợp GNSS/INS Bộ lọc Kalman r , v GNSS Hiệu chỉnh vòng lặp đóng Hiệu chỉnh INS Giải pháp định vị GNSS Giải pháp định vị tích hợp Giải pháp định vị tích hợp (vòng lặp đóng) (vòng lặp mở) Hình 2.3: Sơ đồ khối tổng thể tích hợp GNSS/INS lỏng Smartphone 2.8.2 Xử lý liệu với phép lọc Kalman mở rộng a) Mơ hình hệ thống Mơ hình hệ thống xây dựng dựa mơ hình sai số INS trình bày mục 1.5        n n   δ r˙ F F12 O3×3 δr O O    11     3×3 3×3  δf b  n       δ v˙  =  F21 F22 F23  δv n  +  Cbn O3×3          δω b ib ψ˙ O3×3 O3×3 F33 ψ O3×3 Cbn (2.3) 16 3.2 Phân tích mơ hình hóa liệu cảm biến qn tính 3.2.1 Mơi trường thực nghiệm Các mẫu thử nghiệm tiến hành Phòng thí nghiệm Địa tin học Trường Đại học Mỏ - Địa chất với nhiệt độ phòng 25o C 3.2.2 Các kết thảo luận Duong cong Allan cua cam bien toc goc 10 -2 Do lech Allan ( ) (rad/s) Gyro X Gyro Y Gyro Z B (x) = 0.00524°/s/�Hz 10 -3 B (y) = 0.00291°/s/�Hz B (z) = 0.00144°/s/�Hz 10 -4 N (x) = 0.00902°/s/�Hz N (y) = 0.00738°/s/�Hz N (z) = 0.00525°/s/�Hz 10 -5 10 -2 10 -1 10 10 Thoi gian cluster 10 10 10 (giay) Hình 3.1: Đường cong Allan cảm biến tốc độ góc iPhone Plus Duong cong Allan cua cam bien gia toc Do lech Allan ( ) (m/s2 ) 10 -1 Acce X Acce Y Acce Z B (x) = 0.00100m/s²/�Hz B (y) = 0.00018m/s²/�Hz 10 -2 B (z) = 0.00095m/s²/�Hz 10 -3 N (x) = 0.00177m/s²/�Hz N (y) = 0.00052m/s²/�Hz 10 -4 10 -2 N (z) = 0.00147m/s²/�Hz 10 -1 10 10 Thoi gian cluster 10 10 10 (giay) Hình 3.2: Đường cong Allan cảm biến gia tốc iPhone Plus Hình 3.1 Hình 3.2 thể đường cong độ lệch Allan cảm biến quán tính iPhone Plus thử nghiệm 17 Bảng 3.3: Ước lượng nhiễu cảm biến quán tính iPhone Plus1 Loại nhiễu Ký hiệu √ Cảm biến tốc độ góc (o /h/ Hz) √ Cảm biến gia tốc (µm/s2 / Hz) σx σy σz RMS σx σy σz RMS Lượng tử hóa Q 25.96 20.74 14.55 20.94 1542 402 1191 1148 Bước ngẫu nhiên N 32.48 26.56 18.90 26.57 1774 518 1469 1363 Bất ổn độ lệch B 19.30 10.45 5.29 13.03 992 181 940 796 Tỷ lệ bước ngẫu nhiên K 21.54 16.62 11.33 17.02 1338 317 1003 983 Tỷ lệ cưa R 28.07 22.68 16.03 22.80 1625 441 1282 1222 Thiết bị iPhone Plus, iOS 10.2.1, Serial F2LNJH7TG5QQ 3.3 Tích hợp GNSS/INS Smartphone 3.3.1 Mơi trường thực nghiệm Thực nghiệm tiến hành cách gắn Smartphone cố định phương tiện di chuyển ô-tô, phần mềm SDLogger 1.0 tảng iOS 3.3.2 Các kết thảo luận Mức cải thiện độ xác mặt GNSS/INS đạt 62% so với GNSS Smartphone thể Bảng 3.4 Mức cải thiện độ cao đạt 89%, cao nhiều so với mức cải thiện mặt phẳng Bảng 3.4: Độ xác định vị tích hợp GNSS/INS iPhone Plus1 Ký hiệu GNSS (RMSE) GNSS/INS (RMSE) Vận tốc (m/s) Vị trí (m) Vận tốc (m/s) Vị trí (m) Mức cải thiện Vị trí (%) N 0.055 3.709 1.365 1.153 69 E 0.048 3.666 1.133 1.630 56 D 0.058 7.015 0.591 0.764 89 Thiết bị iPhone Plus, iOS 10.2.1, Serial F2LNJH7TG5QQ 18 3.4 Ứng dụng Trắc địa - Bản đồ 3.4.1 Môi trường thực nghiệm Thực nghiệm cập nhật tuyến đường giao thơng cho đồ tiến hành ngồi trời nhiệt độ 35◦ C Thiết bị Smartphone thiết bị kèm theo bao gồm: Máy Trimble R2 dùng để xác định lộ trình tham chiếu với chế độ đo RTK Continuous mặc định, độ xác thiết lập 5cm; Máy GPS cầm tay Garmin 72H dùng để xác định lộ trình tham khảo 3.4.2 Khu vực thực nghiệm Lộ trình đo thực nghiệm tiến hành gần trung tâm TP Hà Nội, giới hạn từ 21◦ 0′ 3.247” đến 21◦ 2′ 18.373” vĩ độ Bắc, từ 105◦ 45′ 56.486” đến 105◦ 48′ 45.923” kinh độ Đông (như thể Hình 3.3) Hình 3.3: Lộ trình đo khu vực thực nghiệm 21 Kết luận kiến nghị Kết luận Nghiên cứu luận án phân tích, đánh giá 60 cơng trình khoa học liên quan đến đề tài công bố nguồn thức quốc tế ISI, Scopus hãng công nghệ Apple Inc., Google Inc., InvenSense Inc., Qualcomm Technologies, Inc., Chipworks Inc., để xác định vấn đề tồn mà luận án cần tập trung giải tốn tích hợp GNSS/INS thiết bị thơng minh Có thể mơ tả ngắn gọn cơng việc nghiên cứu hai nhóm nội dung chính: Nhóm nội dung thứ đánh giá khả sử dụng Smartphone Trắc địa - Bản đồ bao gồm: lập trình phần mềm định vị tọa độ sử dụng phần cứng GNSS trang bị sẵn iPhone; tính chuyển tọa độ theo hệ quy chiếu lưới chiếu đồ làm cho iPhone có thêm chức thiết bị định vị GPS cầm tay chuyên dụng để ứng dụng Trắc địa - Bản đồ Phần thực nghiệm định vị xác định tọa độ điểm đánh giá độ xác vị trí điểm thu iPhone, cơng trình khoa học NCS cộng công bố báo tạp chí khoa học quốc tế SCIE Kết đánh giá độ xác so sánh với máy GPS cầm tay chuyên dụng (Garmin eTrex 10), kết sai số mặt iPhone ±4.11m, sai số mặt Garmin eTrex 10 nhỏ chút ±3.70m; sai số độ cao iPhone ±3.53m, sai số độ cao Garmin eTrex 10 lớn chút ±4.12m Sự chênh lệch độ xác iPhone Garmin eTrex 10 khơng đáng kể kết luận chúng có độ xác cỡ mét Như vậy, với độ xác tương đương GPS cầm tay, không cần trang bị thêm phần cứng đồng thời kết nối với Internet, kết nối sở liệu, chụp ảnh 21 Kết luận kiến nghị Kết luận Nghiên cứu luận án phân tích, đánh giá 60 cơng trình khoa học liên quan đến đề tài công bố nguồn thức quốc tế ISI, Scopus hãng công nghệ Apple Inc., Google Inc., InvenSense Inc., Qualcomm Technologies, Inc., Chipworks Inc., để xác định vấn đề tồn mà luận án cần tập trung giải tốn tích hợp GNSS/INS thiết bị thơng minh Có thể mơ tả ngắn gọn cơng việc nghiên cứu hai nhóm nội dung chính: Nhóm nội dung thứ đánh giá khả sử dụng Smartphone Trắc địa - Bản đồ bao gồm: lập trình phần mềm định vị tọa độ sử dụng phần cứng GNSS trang bị sẵn iPhone; tính chuyển tọa độ theo hệ quy chiếu lưới chiếu đồ làm cho iPhone có thêm chức thiết bị định vị GPS cầm tay chuyên dụng để ứng dụng Trắc địa - Bản đồ Phần thực nghiệm định vị xác định tọa độ điểm đánh giá độ xác vị trí điểm thu iPhone, cơng trình khoa học NCS cộng công bố báo tạp chí khoa học quốc tế SCIE Kết đánh giá độ xác so sánh với máy GPS cầm tay chuyên dụng (Garmin eTrex 10), kết sai số mặt iPhone ±4.11m, sai số mặt Garmin eTrex 10 nhỏ chút ±3.70m; sai số độ cao iPhone ±3.53m, sai số độ cao Garmin eTrex 10 lớn chút ±4.12m Sự chênh lệch độ xác iPhone Garmin eTrex 10 khơng đáng kể kết luận chúng có độ xác cỡ mét Như vậy, với độ xác tương đương GPS cầm tay, không cần trang bị thêm phần cứng đồng thời kết nối với Internet, kết nối sở liệu, chụp ảnh 24 Một số cơng trình cơng bố tác giả Bài báo tạp chí khoa học quốc tế SCIE Bùi Tiến Diệu, Trần Trung Chuyên, Biswajeet Pradhan, Inge Revhaug Razak Seidu (2015), “iGeoTrans - a novel iOS application for GPS positioning in geosciences”, Tạp chí khoa học quốc tế Geocarto International, 30(2):1-21, pp 1-16, doi: 10.1080/10106049.2014.902114 Bài báo tạp chí khoa học nước Trần Trung Chuyên, Nguyễn Thị Mai Dung, Lê Hồng Anh, Nguyễn Trường Xuân, Đào Ngọc Long (2016), “Phân tích mơ hình hóa liệu cảm biến quán tính iPhone sử dụng phương sai Allan”, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất, Số 55 Dương Thành Trung, Trương Minh Hùng, Trần Trung Chuyên, Đỗ Văn Dương (2017), “Nâng cao độ xác hệ thống dẫn đường tích hợp GNSS/INS điều kiện ràng buộc vận tốc không hướng vuông góc với hướng di chuyển”, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa chất, Số 58 Bài báo hội nghị khoa học quốc tế Trần Trung Chuyên, Nguyễn Thị Mai Dung, Lê Hồng Anh, Nguyễn Trường Xuân, Đào Ngọc Long (2016), “Development of A Mobile Data Collection And Management System”, Hội thảo khoa học quốc tế International Conference on Earth Sciences and Sustainable Geo-Resources Development Session: International Conference on GeoInformatics for Spatial-Infrastructure Development in Earth & Allied Sciences Trần Trung Chuyên, Nguyễn Trường Xuân, Nguyễn Thị Mai Dung, Trần Mai Hương, Bùi Tiến Diệu, Đậu Thanh Bình, Đoàn Thị Thư (2017), “Development of a new iOS-based geospatial application in smartphone for assisting fieldwork in geoscience”, Hội Thảo khoa học quốc tế International Conference on GeoSpatial Technologies and Earth Resources Phần mềm ứng dụng cho Smartphone Trần Trung Chuyên (2017), “iGeoTrans - GPS cầm tay tích hợp VN-2000 ”, App Store, Apple Inc., (https://itunes.apple.com/app/id471312204) Trần Trung Chuyên (2017), “GTField GPS & Data collection”, App Store, Apple Inc., (https://itunes.apple.com/app/id1248227167) Cơng trình hồn thành Bộ môn Đo ảnh Viễn thám, Khoa Trắc địa - Bản đồ Quản lý đất đai, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Trường Xuân TS Đào Ngọc Long Phản biện 1: PGS TS Trịnh Lê Hùng Phản biện 2: PGS TS Nhữ Thị Xuân Phản biện 3: TS Nguyễn Văn Sáng Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường họp Trường Đại học Mỏ - Địa chấtvào hồi ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án Thư viện Quốc gia Việt Nam Thư viện Trường Đại học Mỏ - Địa chất Cơng trình hồn thành Bộ mơn Đo ảnh Viễn thám, Khoa Trắc địa - Bản đồ Quản lý đất đai, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Trường Xuân TS Đào Ngọc Long Phản biện 1: PGS TS Trịnh Lê Hùng Phản biện 2: PGS TS Nhữ Thị Xuân Phản biện 3: TS Nguyễn Văn Sáng Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường họp Trường Đại học Mỏ - Địa chấtvào hồi ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án Thư viện Quốc gia Việt Nam Thư viện Trường Đại học Mỏ - Địa chất Cơng trình hồn thành Bộ mơn Đo ảnh Viễn thám, Khoa Trắc địa - Bản đồ Quản lý đất đai, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Trường Xuân TS Đào Ngọc Long Phản biện 1: PGS TS Trịnh Lê Hùng Phản biện 2: PGS TS Nhữ Thị Xuân Phản biện 3: TS Nguyễn Văn Sáng Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường họp Trường Đại học Mỏ - Địa chấtvào hồi ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án Thư viện Quốc gia Việt Nam Thư viện Trường Đại học Mỏ - Địa chất Cơng trình hồn thành Bộ mơn Đo ảnh Viễn thám, Khoa Trắc địa - Bản đồ Quản lý đất đai, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Trường Xuân TS Đào Ngọc Long Phản biện 1: PGS TS Trịnh Lê Hùng Phản biện 2: PGS TS Nhữ Thị Xuân Phản biện 3: TS Nguyễn Văn Sáng Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường họp Trường Đại học Mỏ - Địa chấtvào hồi ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án Thư viện Quốc gia Việt Nam Thư viện Trường Đại học Mỏ - Địa chất 20 Hình 3.5: Đoạn có sai số vị trí điểm GNSS iPhone lớn (1) Hình 3.6: Đoạn có sai số vị trí điểm GNSS iPhone lớn (2) 21 Kết luận kiến nghị Kết luận Nghiên cứu luận án phân tích, đánh giá 60 cơng trình khoa học liên quan đến đề tài cơng bố nguồn thức quốc tế ISI, Scopus hãng công nghệ Apple Inc., Google Inc., InvenSense Inc., Qualcomm Technologies, Inc., Chipworks Inc., để xác định vấn đề tồn mà luận án cần tập trung giải tốn tích hợp GNSS/INS thiết bị thơng minh Có thể mơ tả ngắn gọn cơng việc nghiên cứu hai nhóm nội dung chính: Nhóm nội dung thứ đánh giá khả sử dụng Smartphone Trắc địa - Bản đồ bao gồm: lập trình phần mềm định vị tọa độ sử dụng phần cứng GNSS trang bị sẵn iPhone; tính chuyển tọa độ theo hệ quy chiếu lưới chiếu đồ làm cho iPhone có thêm chức thiết bị định vị GPS cầm tay chuyên dụng để ứng dụng Trắc địa - Bản đồ Phần thực nghiệm định vị xác định tọa độ điểm đánh giá độ xác vị trí điểm thu iPhone, cơng trình khoa học NCS cộng công bố báo tạp chí khoa học quốc tế SCIE Kết đánh giá độ xác so sánh với máy GPS cầm tay chuyên dụng (Garmin eTrex 10), kết sai số mặt iPhone ±4.11m, sai số mặt Garmin eTrex 10 nhỏ chút ±3.70m; sai số độ cao iPhone ±3.53m, sai số độ cao Garmin eTrex 10 lớn chút ±4.12m Sự chênh lệch độ xác iPhone Garmin eTrex 10 không đáng kể kết luận chúng có độ xác cỡ mét Như vậy, với độ xác tương đương GPS cầm tay, không cần trang bị thêm phần cứng đồng thời kết nối với Internet, kết nối sở liệu, chụp ảnh 22 có gắn tọa độ, gửi, nhận xử lý liệu thu thập được, thiết bị thông minh iPhone với phần mềm lập hồn tồn ứng dụng công tác Trắc địa - Bản đồ cho số hạng mục khơng đòi hỏi độ xác cao Nhóm nội dung thứ hai nghiên cứu cải thiện độ xác định vị GNSS Smartphone cách tận dụng cảm biến quán tính trang bị sẵn Smartphone bao gồm: nghiên cứu xác định nguồn sai số thành phần sai số cảm biến qn tính gây cho tốn tích hợp GNSS/INS Smartphone; lập trình mơ-đun chức hiệu chuẩn cảm biến quán tính để xác định sai số hệ thống, xác định 12 hệ số cho cảm biến gia tốc 12 hệ số cho cảm biến tốc độ góc iPhone theo thời gian thực; lập trình mô-đun chức thu nhận liệu cảm biến quán tính để phân tích mơ hình hóa liệu cảm biến, xác định thành phần sai số ngẫu nhiên cảm biến qn tính, cơng trình khoa học NCS cộng công bố báo tạp chí khoa học nước Kết xác định thành phần sai số ngẫu nhiên cho cảm gia tốc thành phần sai số ngẫu nhiên cho cảm biến tốc độ góc iPhone Phần thực nghiệm cho thấy, thiết bị chưa hiệu chuẩn bù nhiễu cho cảm biến hướng bị trôi 100◦ sau 30 giây, sau hiệu chuẩn sai số hệ thống hướng bị lệch 2◦ sau phút Sai số mặt trước sau tích hợp GNSS/INS tương ứng ±5.2m ±2.0m mức cải thiện 62%, sai số độ cao trước sau tích hợp GNSS/INS tương ứng ±7.0m ±0.8m mức cải thiện 89% Kết nghiên cứu đề xuất phương pháp chuẩn hóa ảnh hưởng tốc độ quay Trái Đất lên trục cảm biến tốc độ góc cho kỹ thuật hiệu chuẩn khơng cần thiết bị tham chiếu xác nhằm giải vấn đề tốc độ quay trái đất bị lẫn nhiễu cảm biến chi phí thấp cảm biến trang bị sẵn thiết bị thông minh Mơ-đun chức hiệu chuẩn cảm biến qn tính lập trình để thực trực quan iPhone theo 23 thời gian thực giúp dễ dàng hiệu chuẩn thực địa kiểm tra trước tiến hành đo Phần mềm định vị GPS thu thập liệu thực địa phát triển hoàn thiện tảng iOS để ứng dụng Trắc địa - Bản đồ Kiến nghị hướng nghiên cứu Tích hợp hệ thống GNSS/INS cải thiện độ xác vị trí định vị dẫn đường, cảm biến qn tính điện thoại thơng minh sử dụng để bù độ nghiêng định hướng hệ thống đo đạc trang bị xe ơ-tơ, máy bay hay tàu thuyền Đã có nhiều nghiên cứu liên quan đến tích hợp hệ thống GNSS/INS suốt thời gian qua ngày cải thiện Tuy nhiên, thách thức lớn tích hợp GNSS/INS thiết bị thơng minh tốn tốc độ xử lý giải thuật tích hợp thường có khối lượng tính tốn lớn lại phải thực liên tục thời gian ngắn (cỡ 0.01 giây) Để xây dựng hệ thống tích hợp thiết bị thông minh cần phải nghiên cứu sở khoa học đề xuất giải thuật phù hợp với tảng di động, phát triển hệ thống tích hợp để ứng dụng hiệu thực tiễn Do đó, nội dung sau cần tiến hành nghiên cứu: Tối ưu hóa giải thuật tích hợp GNSS/INS thiết bị thơng minh Nghiên cứu phát triển hệ thống tích hợp GNSS/INS cảm biến đo sâu hồi âm thiết bị thông minh ứng dụng đo đạc thủy văn 24 Một số cơng trình cơng bố tác giả Bài báo tạp chí khoa học quốc tế SCIE Bùi Tiến Diệu, Trần Trung Chuyên, Biswajeet Pradhan, Inge Revhaug Razak Seidu (2015), “iGeoTrans - a novel iOS application for GPS positioning in geosciences”, Tạp chí khoa học quốc tế Geocarto International, 30(2):1-21, pp 1-16, doi: 10.1080/10106049.2014.902114 Bài báo tạp chí khoa học nước Trần Trung Chuyên, Nguyễn Thị Mai Dung, Lê Hồng Anh, Nguyễn Trường Xn, Đào Ngọc Long (2016), “Phân tích mơ hình hóa liệu cảm biến qn tính iPhone sử dụng phương sai Allan”, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất, Số 55 Dương Thành Trung, Trương Minh Hùng, Trần Trung Chuyên, Đỗ Văn Dương (2017), “Nâng cao độ xác hệ thống dẫn đường tích hợp GNSS/INS điều kiện ràng buộc vận tốc không hướng vng góc với hướng di chuyển”, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa chất, Số 58 Bài báo hội nghị khoa học quốc tế Trần Trung Chuyên, Nguyễn Thị Mai Dung, Lê Hồng Anh, Nguyễn Trường Xuân, Đào Ngọc Long (2016), “Development of A Mobile Data Collection And Management System”, Hội thảo khoa học quốc tế International Conference on Earth Sciences and Sustainable Geo-Resources Development Session: International Conference on GeoInformatics for Spatial-Infrastructure Development in Earth & Allied Sciences Trần Trung Chuyên, Nguyễn Trường Xuân, Nguyễn Thị Mai Dung, Trần Mai Hương, Bùi Tiến Diệu, Đậu Thanh Bình, Đồn Thị Thư (2017), “Development of a new iOS-based geospatial application in smartphone for assisting fieldwork in geoscience”, Hội Thảo khoa học quốc tế International Conference on GeoSpatial Technologies and Earth Resources Phần mềm ứng dụng cho Smartphone Trần Trung Chuyên (2017), “iGeoTrans - GPS cầm tay tích hợp VN-2000 ”, App Store, Apple Inc., (https://itunes.apple.com/app/id471312204) Trần Trung Chuyên (2017), “GTField GPS & Data collection”, App Store, Apple Inc., (https://itunes.apple.com/app/id1248227167) ... tiến hành nghiên cứu: Tối ưu hóa giải thuật tích hợp GNSS/INS thiết bị thông minh Nghiên cứu phát triển hệ thống tích hợp GNSS/INS cảm biến đo sâu hồi âm thiết bị thông minh ứng dụng đo đạc thủy... hợp thiết bị thông minh cần phải nghiên cứu sở khoa học đề xuất giải thuật phù hợp với tảng di động, phát triển hệ thống tích hợp để ứng dụng hiệu thực tiễn Do đó, nội dung sau cần tiến hành nghiên. .. Smartphone Các ứng dụng Phần cứng, SoC WLAN Bluetooth (a) (b) Hình 2.2: Kiến trúc tổng quát hệ thống tích hợp GNSS/INS Smartphone (a) Hệ thống trước tích hợp; (b) Hệ thống sau tích hợp 13 2.8.1