Xây dựng hệ INS/GPS theo cấu trúc ghép lỏng sử dụng bộ lọc Kalman trên cơ sở hệ INS đã được cải thiện độ chính xác

Bài viết này tập trung trình bày xây dựng hệ kết hợp INS/GPS theo cấu trúc ghép lỏng sử dụng bộ lọc Kalman trên cơ sở hệ INS đã được tác giả cải thiện qua nâng cao độ chính xác IMU và độ chính xác xác định góc định hướng của vật thể. Kết quả thử nghiệm trên đối tượng chuyển động mặt đất cho thấy hệ ghép lỏng INS/GPS đề xuất có chất lượng, độ chính xác và tính ứng dụng cao hơn so với hệ ghép lỏng INS/GPS truyền thống.

Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 116 (2017) 001-005 Xây dư ̣ng ̣ INS/GPS theo cấ u trúc ghép lỏng sử du ̣ng bô ̣ lo ̣c Kalman sở ̣ INS đã đươ ̣c cải thiêṇ đô ̣ chính xác Implementation of a Loosely Coupled Integration INS/GPS System using kalman filter based on Improved INS System Triệu Việt Phương1,2, Nguyễn Thị Lan Hương1*, Trinh ̣ Quang Thông1 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội – Số Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội Viện Đo lường Việt Nam – Số Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội Đến Tòa soạn: 27-7-2016; chấp nhận đăng: 24-11-2016 Tóm tắt Kết hợp INS/GPS giải pháp hiệu toán dẫn đường kết hợp đa cảm biến Bởi GPS INS bổ sung cho để đạt kết tối ưu dựa ưu, nhược điểm chúng Trong tốn kết hợp thơng tin từ hệ thống độc lập, hệ kết hợp đạt độ xác tin cậy tốt sở thông tin cung cấp hệ đắn Bài báo tập trung trình bày xây dựng hệ kết hợp INS/GPS theo cấu trúc ghép lỏng sử dụng lọc Kalman sở hệ INS tác giả cải thiện qua nâng cao độ xác IMU độ xác xác định góc định hướng vật thể Kết thử nghiệm đối tượng chuyển động mặt đất cho thấy hệ ghép lỏng INS/GPS đề xuất có chất lượng, độ xác tính ứng dụng cao so với hệ ghép lỏng INS/GPS truyền thống Từ khóa: Hệ dẫn đường qn tính, Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu, cấu trúc ghép lỏng, lọc Kalman, khối đo lường quán tính Abstract The INS/GPS integration is an effective solution in multi-sensors navigation This is because, GPS receiver and INS sensors can complement each other to achieve optimal results based on the advantages and disadvantages of them In an information integration system from independent systems, the integration system achieve accuracy and better reliability based on information provided by each system is correct This paper focuses on presentation of a loosely coupled integration INS/GPS using Kalman filter based on INS system has been improved the accuracy of IMU, object’s orientation Testing results on land vehicle are shown the quality, accuracy and applicability of the proposed loosely coupled integration INS/GPS higher than tradition loosely coupled integration INS / GPS Keywords: Inertial Navigation System, Global Positioning System, Loosely Coupled, Kalman Filter, Inertial Measurement Unit Kalman [1, 4, 5, 6] Hệ thống GPS có tốc độ cung cấp thông tin chậm, nhiên thông tin lại ổn định thời gian dài Kết hợp INS với GPS giúp hệ thống cung cấp thơng tin với tốc độ nhanh, độ ổn định dài, độ xác cao [1, 4, 5, 6] Giới thiệu* Hệ dẫn đường quán tính (INS) xác định vị trí vật thể dựa thơng tin chuyển động nội vật thể, gia tốc chuyển động Từ gia tốc chuyển động vật thể, lấy tích phân hai lần theo thời gian xác định vị trí vật thể Hệ INS có ưu điểm cung cấp thơng tin vị trí, trạng thái vật thể cách liên tục tức thời, có khả hoạt động độc lập điều kiện khí hậu, thời tiết, địa hình Tuy nhiên sử dụng phép tính tích phân nên hệ INS sinh sai số tích lũy theo thời gian, dẫn đến thơng tin cung cấp hệ xác khoảng thời gian ngắn [1, 4, 5, 6] Để xác định xác vị trí vật thể, cần thiết phải áp dụng kỹ thuật bù trừ sai số khác Hiện phương pháp bù trừ sai số phổ biến kết hợp INS với hệ thống định vị toàn cầu (GPS) sử dụng lọc Để hệ thống dẫn đường kết hợp thông tin từ nhiều hệ thống dẫn đường khác có độ xác cao, ổn định lâu dài, đòi hỏi hệ phải xác, ổn định, thuật tốn sử dụng kết hợp thông tin phải tin cậy Với hệ dẫn đường kết hợp INS/GPS, nghiên cứu chủ yếu tập trung vào xây dựng, nâng cao giải pháp, thuật toán kết hợp hệ INS với hệ GPS mà trọng nâng cao chất lượng hệ riêng rẽ Trong báo này, các tác giả tập trung xây dựng hệ ghép lỏng INS/GPS sở hệ INS cải thiện phương pháp trình bày [2, 3] Kế t quả thực nghiê ̣m đố i tươ ̣ng chuyể n đô ̣ng mă ̣t đấ t (ô tô) cho thấ y ̣ ghép lỏng INS/GPS đề xuấ t hoa ̣t đô ̣ng ổ n đinh, ̣ đô ̣ * Corresponding author: Tel.: (+844) 3869 6233 Email: huong.nguyenthilan@hust.edu.vn Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 116 (2017) 001-005 chính xác đươ ̣c cải thiê ̣n rõ rê ̣t so với ̣ ghép lỏng INS/GPS sử du ̣ng ̣ INS truyề n thố ng Từ nguyên lý hoa ̣t đô ̣ng của ̣ INS mô tả hình 1, thấy chất lượng hệ INS phụ thuộc trực tiếp vào độ xác khối đo lường qn tính (IMU) Vì vậy, việc quan trọng cần thực trước đưa IMU vào sử dụng hiệu chuẩn (xác định, loại trừ giảm thiểu ảnh hưởng sai số) Công việc nhà sản xuất IMU thực trước xuất xưởng, giá trị sai số ghi rõ tài liệu kỹ thuật Tuy nhiên môi trường làm việc thực tế khác với điều kiện thử nghiệm nhà sản xuất, với nhiều nguyên nhân khác, để đảm bảo yêu cầu sử dụng thực tế cần thiết phải thực lại trình hiệu chuẩn Do IMU phải hoạt động nhiều điều kiện mơi trường khác nhau, nên q trình hiệu chuẩn cần phải tiến hành thường xuyên để đảm bảm hệ thống INS ln hoạt động xác ổn định Tuy nhiên hệ INS sử dụng cấu trúc Strapdown, IMU gắn cố định vào vật thể, cộng với việc phương tiện chuyển động mặt đất di chuyển thường xuyên nên rõ ràng việc tiến hành hiệu chuẩn cảm biến phịng thí nghiệm khó khăn phức tạp Điều địi hỏi phải phát triển phương pháp hiệu chuẩn cho IMU cho thực cách nhanh chóng, dễ dàng trường mà đảm bảo độ xác Cải thiện ̣ chính xác ̣ INS Nguyên lý xác định vị trí vật thể hệ INS kiểu strapdown truyề n thố ng hệ e-frame thực theo sơ đồ Hình Initial Attitude Gyroscope Accelerometer  Gyroscope Signal Accelerometer Signal Attitude Project Accelerations onto Global Axes Correct for Gravity Initial Velocity Initial Position   Moving Acceleration Velocity Position IMU Hình Sơ đồ nguyên lý xác định vị trí vật thể hệ INS kiểu Strapdown [1, 4, 5, 6] Các phương trình định vị vật thể trường hợp có dạng [1, 4, 5, 6]: r e  v e  e e e e e e e b e v  2ie v  ie ie r  Cb f  g  e e e Cb  Cb eb (1) Trong đó: • r e : vector vị trí vật thể xét hệ e-frame • v e : vector vận tốc vật thể xét hệ e-frame • Cbe : ma trận chuyển hệ tọa độ từ hệ b-frame sang hệ e-frame • f b : vector gia tốc đo cảm biến gia tốc gắn vật thể • iee : ma trận mô tả thành phần vận tốc góc hệ e-frame quay quanh hệ i-frame 0  e ie  iee 0  iee 0 Do cảm biến gia tốc sử dụng hệ INS cảm biến chiều, thông tin đo từ cảm biến bao gồm gia tốc trọng trường gia tốc chuyển động Trong trường hợp đứng yên, thông tin đo cảm biến giá trị gia tốc trọng trường vị trí đặt Mà giá trị gia tốc trọng trường vị trí coi không đổi (thay đổ i vô nhỏ theo thời gian), hồn tồn dùng giá trị làm chuẩn để hiệu chuẩn cảm biến gia tốc Trong [2] tác giả trình bày phương pháp dùng giá trị gia tốc trọng trường vị trí đặt cảm biến làm chuẩn (khơng cần thêm chuẩn, phương tiện đo tham chiếu bên mà đảm bảo độ xác, tin cậy) cho phép xác định xác sai số hệ thống (sai số tỷ lệ sai số bias) cảm biến gia tốc việc ước lượng sai số sử dụng phương pháp bình phương cực tiểu Tương tự, từ trường Trái đất vị trí có thay đổi nhỏ theo thời gian, nên giá trị từ trường Trái đất vị trí đặt cảm biến sử dụng làm chuẩn để hiệu chuẩn cảm biến từ trường hệ INS theo phương pháp trình bày [2] Với cảm biến vận tốc góc, sai số bias xác định việc tiến hành thu thập kết đo trạng thái đứng yên, sau lấy giá trị trung bình cộng để loại trừ Bên cạnh đó, từ việc xác định xác định hướng cảm biến vận tốc góc khơng gian từ kết đo cảm biến gia tốc cảm biến từ trường trạng thái đứng yên, hoàn toàn xác định giá trị sai số tỷ lệ cảm biến vận tốc góc dựa so sánh góc quay cảm biến xác định từ kết đo cảm 0  0 ;iee  7,2921159.105 (rad / s) 0  • g e : vector gia tốc trọng trường xét hệ eframe • eeb : ma trận mơ tả thành vận tốc góc vật thể xét hệ b-frame với e-frame   b b eb   zeb b   yeb  b  zeb b xeb b   yeb b  xeb   ebb  ibb  ieb  ibb  Cebiee • ibb : vector vận tốc góc đo cảm biến vận tốc góc gắn vật thể Tạp chí Khoa học Công nghệ 116 (2017) 001-005 biến vận tốc góc với góc quay xác định từ cảm biến gia tốc cảm biến từ trường (sau cảm biến gia tốc từ trường hiệu chuẩn, sử dụng giá trị đo từ cảm biến làm chuẩn) số góc định hướng (  ), vận tốc (  v e ), vị trí (  r e ) hệ INS, với tín hiệu quan sát sai lệch vị e e trí, vận tốc thu từ GPS ( rGPS ) vị trí, vận , vGPS e e tốc xác định từ INS ( rINS ) Lấy kết góc , vINS Mặt khác, theo nguyên lý hoa ̣t đô ̣ng của ̣ INS mô tả hình 1, việc xác định xác góc định hướng vật thể khơng gian có tính định, ảnh hưởng trực tiếp đến độ xác hệ INS AHRS hệ thống xây dựng sở cảm biến qn tính, cung cấp thơng tin góc định hướng (góc hướng, góc nghiêng, góc ngẩng) vật thể không gian AHRS phần hệ dẫn đường quán tính ứng dụng nhiều hệ thống dẫn đường cho ô tô, máy bay, tên lửa, hệ thống điều khiển robot, hệ cân [1] Khi vật thể đứng yên, giá trị góc nghiêng ngẩng xác định từ kết đo cảm biến gia tốc, giá trị góc hướng xác định từ kết đo cảm biến từ trường Sau xác định giá trị góc định hướng trạng thái đứng yên, vâ ̣t thể chuyển động, việc lấy tích phân kết đo từ cảm biến vận tốc góc xác định góc định hướng vật thể Tuy nhiên, dù hiệu chuẩn, kết đo cảm biến tồn sai số, sai số tích lũy theo thời gian làm giảm độ xác hệ AHRS Vì vậy, cần thiết phải áp dụng kỹ thuật bù trừ sai số khác Một phương pháp thường áp dụng kết hợp tích phân kết đo từ cảm biến vận tốc góc với kết đo từ cảm biến gia tốc để xác định xác giá trị góc nghiêng góc ngẩng, kết hợp tích phân kết đo từ cảm biến vận tốc góc với kết đo từ cảm biến từ trường để xác định xác giá trị góc hướng Thuật toán phổ biến sử dụng để kết hợp lọc Kalman Với lọc Kalman, việc xây dựng mơ hình hệ thống xác kết thu tốt Trong đó, trình hiệu chuẩn xác định loại trừ sai số hệ thống Các sai số ngẫu nhiên tồn kết đo cảm biến nguyên nhân làm giảm chất lượng hệ thống Vì vậy, [3] tác giả trình bày phương pháp cho phép xác định xác góc định hướng vật thể cách kết hợp kết đo cảm biến vận tốc góc, cảm biến từ trường, cảm biến gia tốc sử dụng lọc Kalman kết hợp mơ hình hóa sai số ngẫu nhiên cảm biến vận tốc góc mơ hình tự hồi quy định hướng (  INS ), vận tốc, vị trí xác định từ hệ INS trừ giá trị sai số thu góc định hướng, vận tốc, vị trí xác vật thể Kết ước đốn sai số góc định hướng, vận tốc, vị trí, phản hồi để điều chỉnh lại hệ INS Ưu điểm mơ hình đơn giản, khả mở rộng tính kế thừa cao [1,4,5,6] Hình Mơ hình kết hợp INS-GPS theo cấu trúc ghép lỏng sử dụng lọc Kalman Mô hình sai số hệ thống INS cung cấp thơng tin nguồn gây sai số ảnh hưởng chúng đến sai số xác định vị trí, vận tốc vật thể Mơ hình sai số hệ INS xây dựng từ hệ phương trình định vị (1) hệ Áp dụng phương pháp xây dựng mô hình sai số cho hệ INS trình bày [1,4,6], thu hệ phương trình sai số hệ thống INS sau:  v e     re  e  e e b e e e  v     S   Cb  f   g  2ie v       iee   Cbeibb     (2) Mơ hình sai số hệ thống INS dạng mơ hình trạng thái sau [1,4,6]:  x(t )  F (t )   x(t )  u c (t ) (3) Trong đó: •  x(t )   r eT Các đề xuất [2,3] tác giả đưa nhằm mục đích nâng cao độ xác hệ INS Hệ INS sau cải thiện sử dụng để xây dựng hệ ghép lỏng INS/GPS  veT  T  f bT ibb T  trạng thái mô tả sai số hệ 033 0  33 • F (t )  033  033 0  33 Xây dựng ̣ INS/GPS theo cấ u trúc ghép lỏng Trong nghiên cứu này, mơ hình áp dụng lọc Kalman kết hợp hệ INS hệ GPS mô tả hình Bộ lọc Kalman dùng để ước lượng sai I 33 2iee 033 033 033 033 S e iee 033 033 033 Cbe 033 033 033 033  033  Cbe   033  033  T vector Tạp chí Khoa học Công nghệ 116 (2017) 001-005 quỹ đạo chuyển động so sánh với quỹ đạo chuyển động hệ ghép lỏng INS/GPS truyền thống (hệ xây dựng sở INS sử dụng kết đo cảm biến vận tốc góc để xác định giá trị góc định hướng) Hệ ghép lỏng đề xuất hệ ghép lỏng truyền thống tính tốn số liệu thu thập Để đảm bảo độ xác tin cậy so sánh, quỹ đạo chuyển động lựa chọn khu vực bị che chắn để tín hiệu GPS thu tốt nhất, tần số cập nhật thu GPS chọn Hz, thơng tin vị trí thu từ thu GPS sau tuyến tính hóa để có tần số cập nhật 100 Hz, giống với tần số cập nhật hệ ghép lỏng INS/GPS Thời gian cập nhật GPS hệ ghép lỏng INS/GPS đề xuất truyền thống thay đổi nhằm khảo sát tính ứng dụng Các phần mềm phân tích kết đo, xử lý liệu tác giả xây dựng dựa mơi trường Matlab T T • u c (t )  uacc (t ) uTgyro (t )  : vector sai số ngẫu nhiên tác động lên cảm biến gia tốc cảm biến vận tốc góc Thực nghiệm kết Để thử nghiệm đánh giá phương pháp đề xuất, nghiên cứu này, khối IMU sử dụng 3DM-GX3-35 hãng MicroStrain (hình 3) IMU 3DM-GX3-35 bao gồm cảm biến MEMS ba chiều: cảm biến gia tốc, cảm biến vận tốc góc, cảm biến từ trường Ngồi ra, khối 3DM-GX3-35 bao gồm thu GPS Bộ thu GPS sử dụng để xây dựng hệ ghép lỏng INS/GPS Một vài đặc tính kỹ thuật khối IMU 3DM-GX3-35 thể bảng Một số đặc tính kỹ thuật bản thu CW46 thể bảng Bảng Đặc tính kỹ thuật thu GPS CW46 Thơng số kỹ thuật Hình Khối IMU 3DM-GX3-35 Bảng Đặc tính kỹ thuật khối IMU 3DM-GX3-35 Thông số Cảm biến gia tốc Cảm biến vận tốc góc Cảm biến từ trường Dải đo ±5 g ±300 °/sec ±2,5 Gauss Bias ±0,002 g ±0,25 °/sec ±0,003 Gauss Mật độ nhiễu  g / Hz 0,03 / sec/ Hz Gauss / Hz 80 o Độ xác vận tốc 0,05 m/s Độ xác vị trí