Phương pháp dẫn đường định vị dự đoán dựa vào vị trí xuất phát ban đầu, tốc độ di chuyển và hướng di chuyển để dự đoán vị trí hiện thời của phương tiện chuyển động. Đây là hệ thống dẫn đường duy nhất có khả năng hoạt động độc lập không sử dụng các nguồn tham chiếu bên ngoài cho phép xác định vị trí, vận tốc và các góc định hướng của đối tượng. Tuy nhiên phương pháp này vấp phải vấn đề sai số tăng nhanh theo thời gian với các ứng dụng kéo dài. Nếu phương pháp dẫn đường vô tuyến chịu ảnh hưởng của thời tiết và địa hình thì phương pháp dẫn đường dự đoán có thể khắc phục được. Xu thế hiện nay là phát triển các hệ dẫn đường kết hợp dẫn đường định vị dự đoán INS và dẫn đường định vị vệ tinh GPS. Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) thì các hệ thống dẫn đường tích hợp MEMS INS/GPS có thể được xây dựng với độ chính xác cao, giá thành thấp, kích thước nhỏ gọn.
1.5.2.1. Nguyên tắc xây dựng hệ thống dẫn đường quán tính
Hoạt động của một hệ thống dẫn đường quán tính tuân theo định luật 2 của Newton. Định luật 2 của Newton phát biểu “Gia tốc của một vật tỉ lệ thuận tương ứng với lực và hướng của lực tác động”.
F = ma = mf + mg. (1.1) Ở đây f là gia tốc sinh ra bởi lực tác động F. Gia tốc này có thể biểu diễn như là toàn bộ lực tác động trên một đơn vị khối lượng vật thể và g là lực hấp dẫn. Trong trường hợp một đơn vị khối lượng, công thức trên biến đổi thành công thức sau:
F = a = f + g . (1.2) Một hệ dẫn đường quán tính INS bao gồm 03 gia tốc kế và 03 con quay. Các gia tốc kế được đặt vuông góc với nhau từng đôi một, mỗi gia tốc chịu trách nhiệm đo gia tốc theo một hướng đơn. Để xác định vị trí với các thiết bị dựa trên quán tính chúng ta cần phải lưu giữ được các vết hướng mà mỗi gia
tốc kế chịu trách nhiệm. Các vết hướng này sẽ được tính toán thông qua các số đo của con quay. Căn cứ vào các thông tin về hướng do con quay cung cấp, ta sẽ chiếu gia tốc vào một hệ toạ độ tham chiếu trước khi tính ra vị trí của nó trong hệ toạ độ dẫn đường bằng thuật toán dẫn đường quán tính [14].
Thuật toán dẫn đường quán tính bao gồm các công thức toán học cho phép tính toán từ đầu ra của gia tốc kế, con quay và các điều kiện ban đầu để nhận được thông tin về vị trí, vận tốc và góc định hướng (PVA: Position, Velocity, Attitude) trong hệ tọa độ dẫn đường.
Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý tính vị trí, vận tốc và góc định hướngcủa hệ dẫn đường quán tính INS
Để xây dựng hệ dẫn đường quán tính cho một ứng dụng cụ thể, đầu tiên các yêu cầu kỹ thuật của ứng dụng đó phải được đưa ra đầy đủ và chính xác. Sau đó hoạt động của hệ thống cảm biến quán tính phải được xác định thông qua việc tính toán, tổng hợp hoạt động của từng cảm biến quán tính riêng lẻ liên quan đến hệ thống. Điều này có thể thực hiện được thông qua việc xác định số lượng các tham số hoặc đặc tính mô tả hoạt động của mỗi một cảm biến thông qua một loạt các kiểm tra thí nghiệm. Quan trọng nhất trong các đặc tính này là: độ dịch, hệ số tỉ lệ, sự ổn định đầu ra, nhạy cảm với nhiệt, nhạy cảm với từ
Phản hồi dữ liệu conquay 3 con quay (Gyro) 3 gia tốc kế (Accel) Ma trận COSIN chỉ phương Thuật toán dẫn đường quán tính INS x y z x a y a z a n a e a d a P V A Tính toán vector hướng của CĐ
tính, lực li tâm, khả năng chịu đựng va chạm, tác động của lực rung xóc... Các mô tả sơ lược sẽ được đưa ra dưới đây.
1.5.2.2.Các đặc tính của hệ INS
- Sai số (Bias)
Sai số của cảm biến được xác định bởi hai thành phần: thành phần định tính được gọi là độ dịch là phần bù của phép đo đưa ra bởi cảm biến từ các đầu vào chính xác; và thành phần ngẫu nhiên còn gọi là độ trôi (offset) là lỗi tích luỹ theo thời gian của một cảm biến quán tính. Độ dịch là thành phần tiền định và có thể được tính toán cụ thể trong khi thành phần độ trôi thay đổi một cách ngẫu nhiên và chỉ có thể được tính toán như là một quá trình ngẫu nhiên. - Hệ số tỉ lệ (Scale Factor)
Hệ số tỉ lệ là mối tương quan giữa tín hiệu đầu ra và giá trị thực vật lý đo được của phép đo và nó thường được biểu diễn theo tỉ lệ phần triệu (ppm). Hệ số tỉ lệ về bản chất là định tính và có thể xác định được thông qua tính toán hoặc xác định qua các phòng thí nghiệm.
- Độ ổn định đầu ra (Output Stability)
Độ ổn định đầu ra của các cảm biến được xác định là sự thay đổi độ dịch của gia tốc kế hoặc độ trôi của con quay giữa hai lần hoạt động hoặc hai lần khởi động cũng như là sự thay đổi của chúng trong quá trình hoạt động. Sự ổn định giữa hai lần hoạt động được đánh giá từ sự phân bố của các trung bình đầu ra cho mỗi lần hoạt động với một số lần chạy cho trước khi mà các cảm biến được tắt đi và khởi động lại giữa hai lần chạy liên tiếp. Độ ổn định trong khi hoạt động của một cảm biến được suy ra từ sự phân bố trung bình của độ trôi đo được trong các đầu ra với giá trị trung bình trong một lần chạy.
- Độ nhạy về nhiệt (Thermal Sensitivity)
Độ nhạy về nhiệt độ là sự thay đổi về đặc trưng hoạt động của cảm biến, đặc biệt là sai số hệ số tỉ lệ và độ dịch khi có sự thay đổi về nhiệt độ. Một độ dịch hay hệ số tỉ lệ liên quan đến sự biến đổi của nhiệt độ có thể biểu diễn
bằng đồ hoạ hoặc số (sử dụng các biểu thức toán học) thông qua các kiểm tra trong các phòng LAB chuyên sâu về nhiệt. Các liên quan như vậy có thể được lưu trữ trong máy tính cho việc sử dụng Online để cung cấp một lượng bù cho các giá trị đầu ra khi có sự thay đổi về nhiệt độ bên trong của cảm biến.
- Độ nhạy với từ tính (Magnetic Sensitivity)
Độ nhạy với từ tính là ảnh hưởng của bất kỳ một trường từ tính nào bên ngoài môi trường tới độ dịch của cảm biến. Các kiểm tra trong phòng thí nghiệm phải được thực hiện để đưa ra sự phụ thuộc của độ dịch vào cường độ và hướng của môi trường từ tính [60].
- Ảnh hưởng của lực li tâm (Centrifuge)
Lực li tâm được dùng làm công cụ để đánh giá các ảnh hưởng các gia tốc biến đổi hoặc các gia tốc lớn tới cảm biến (gia tốc kế hoặc con quay). Mục đích để xem xét đáp ứng của cảm biến với các gia tốc lớn để đưa ra khả năng chịu đựng một gia tốc liên tục và biến đổi lớn trong khi các cảm biến đang hoạt động hoặc trong điều kiện đứng yên [66].
- Khả năng chịu va đập (Shock Survivability)
Mục đích của phương pháp kiểm tra va đập là đo được các phản ứng của cảm biến trước các lực va đập của ứng dụng và xác định khả năng phục hồi của cảm biến với các gia tốc như vậy trong một thời gian rất ngắn, thường là vài 10-3s [30]. Cũng như trong trường hợp của lực li tâm, các cảm biến có thể đang hoạt động hoặc đứng yên trong quá trình kiểm tra. Việc so sánh giữa giá trị trung bình của độ dịch cảm biến trước và sau va đập của ứng dụng sẽ chỉ ra các thay đổi tạm thời hoặc vĩnh cửu trong các đặc trưng của cảm biến.
- Ảnh hưởng của rung (Vibration Effect)
Các kiểm tra về độ rung là các kiểm tra cuối cùng thực hiện trên cảm biến để xác định các nguy cơ tiềm tàng của rung xóc ảnh hưởng lâu dài tới hoạt động của cảm biến. Các đánh giá về tác động rung nhằm mục đích [30]:
- Xác định ảnh hưởng của rung tới độ dịch của cảm biến.
- Nghiên cứu khả năng phục hồi và sống sót của cảm biến trong môi trường rung xóc cụ thể.
- Đánh giá sự thay đổi với các đặc trưng sai số tín hiệu đầu ra của cảm biến trong môi trường rung xóc.