Để giải quyết bài toán định vị của Robot tự hành là xác định vị trí và hướng của Robot so với môi trường làm việc, các thông tin về vị trí phải đủ tin cậy để robot hoạt động chính xác và ổn định do đó định vị cho Robot đóng vai trị làm tiền đề thực hiện các nhiệm vụ tiếp theo. Nhóm đề xuất áp dụng hệ thống định vị tích hợp GPS/INS trong việc định vị và điều khiển Robot thực hiện quỹ đạo chuyển động theo đúng yêu cầu điều khiển, hạn chế sai số theo thời gian.
Hệ thống định vị dẫn đường kết hợp GPS/INS có những ưu thế vượt trội về tốc độ xử lý và kích thước so với các hệ thống trước đó. Các cảm biến và chip GPS có thể được tích hợp chỉ trên một bản mạch nhỏ và xác định vị trí vật thể một cách chính xác với bộ lọc Kalman để ước lượng lỗi của INS nhằm cập nhập vị trí vật thể một cách chính xác hơn.
4.3.1 Hệ thống dẫn đường quán tính INS
INS (Inertial Navigation System) là hệ thống dẫn đường quán tính sử dụng cảm biến quán tính IMU (Inertial Measurement Unit) đo vận tốc góc và gia tốc để tính tốn vị trí, tốc độ thay đổi vị trí của vật thể. Tuy nhiên sau một thời gian do ảnh hưởng của nhiều yếu tố, dẫn đường quán tính sẽ xuất hiện sai lệch trong việc xác định vị trí nếu khơng có sự điều chỉnh
Các thành phần cơ bản của một hệ thống dẫn đường quán tính:
𝐼𝑁𝑆 = 𝐼𝑀𝑈 + 𝑁𝑎𝑣𝑖𝑔𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝐶𝑜𝑚𝑝𝑢𝑡𝑒𝑟
Trong đó:
- 𝐼𝑁𝑆 : Hệ thống dẫn đường qn tính (Inertial Navigation System)
- 𝐼𝑀𝑈 (cịn gọi là IRU) (đơn vị đo quán tính) = Accelerometer + Gyroscope
- 𝑁𝑎𝑣𝑖𝑔𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝐶𝑜𝑚𝑝𝑢𝑡𝑒𝑟: làm nhiệm vụ chuyển đổi hệ tọa độ tính tốn gia tốc
Một khối vi cơ IMU được cấu tạo từ các cảm biến vi cơ, thường là 3 cảm biến gia tốc và 3 cảm biến vận tốc góc, hoặc cũng có thể là 1 cảm biến gia tốc 3 chiều kết hợp với 3 cảm biến vận tốc góc. Các cảm biến vi cơ kết cấu hỗ trợ với nhau theo cấu trúc gắn liền (Hình 4.3a) hoặc theo cấu trúc nổi (Hình 4.3b), từ đó có thể xác định được 3 thành phần chuyển động quay và tịnh tiến của vật thể
Hình 4.3 Các cấu trúc của khối IMU
Điểm khác nhau cơ bản của hai kiểu cấu trúc này đó là: Với kiểu nổi (Gimbal) thì các cảm biến bị thay đổi hướng theo đối tượng chuyển động; cịn trong kiểu gắn chặt (Strapdown) thì các cảm biến được gắn chặt với vật chuyển động, do đó sẽ khơng thay đổi trang thái chuyển động theo vật đó. Trên thực tế khối IMU có cấu trúc kiểu gắn chặt được sử dụng rộng rãi hơn bởi cấu trúc này đơn giản và có giá thành chế tạo thấp với độ chính xác có thể chấp nhận được.
Khi kết hợp các cảm biến vi cơ thành một cấu trúc tổng thể thì thường tạo ra sai số. Sai số mắc phải trong việc sử dụng các cảm biến vi cơ này có ở 2 cấp độ, cấp độ cảm biến và cấp độ nhóm cảm biến. Ở cấp độ cảm biến là sai số của từng cảm biến cấu tạo tên khối IMU, cịn ở cấp độ nhóm cảm biến là sai số tổ hợp của nhóm cảm biến với nhau
Nhược điểm của INS:
Có nhiều loại sai số trong các hệ thống INS và chủ yếu là do các cảm biến quán tính gây nên. Bảng 4.1 liệt kê một số lỗi gây ra bởi các cảm biến gia tốc và vận tốc góc.
Bảng 4.1 Một số lỗi gây ra bởi cảm biến quán tính
Những lỗi trong đo gia tốc và vận tốc góc sẽ dẫn tới các lỗi tăng dần khi xác định vị trí và vận tốc của vật thể bay (do việc lấy tích phân). Các lỗi tăng dần này được gọi là lỗi dẫn đường. Có thể nhận thấy chắc chắn rằng hệ thống dẫn đường qn tính khơng thể hoạt động tự trị được mà phải được kết hợp với một hệ thống khác.
4.3.2 Hệ thống định vị toàn cầu GPS
GPS (viết tắt của The Global Positioning System) là hệ thống định vị toàn cầu thực hiện bằng cách đo khoảng cách từ vị trí vật thể đến các vệ tinh đã biết, do vậy có thể xác định được vị trí vật thể. Đặc điểm của hệ thống này là tín hiệu khơng được liên tục và sai số của thơng tin khơng bị tích lũy theo thời gian, nhưng bị nhiều nguồn nhiễu bên ngoài tác động.
Hệ thống GPS bao gồm 3 thành phần chính: o Thành phần khơng gian bao gồm các vệ tinh. o Thành phần điều khiển là các trạm mặt đất.
o Thành phần sử dụng gồm có: người sử dụng và bộ thu tín hiệu GPS.
Nguyên nhân gây ra sai số của GPS:
Sai số của phương pháp đinh vị GPS chủ yếu là do 6 nguyên nhân dưới đây (không kể sai số nhân tạo SA đã được cựu tổng thống Bill Clinton ra lệnh tắt):
o Dữ liệu Ephemeris o Đồng hồ vệ tinh o Trễ ở tầng điện ly o Trễ ở tầng đối lưu o Nhiễu đa đường o
Loại Gây nên sai số
Lỗi vị trí khi lắp đặt cảm biến Góc nghiêng, góc chúc và góc hướng
Độ lệch (offset) của cảm biến gia tốc Lối ra cảm biến gia tốc sẽ bị lệch đi một
giá trị không đổi. Giá trị này lại thay đổi mỗi khi tắt / bật thiết bị.
Hiện tượng lệch và trôi của cảm biến vận tốc góc (do tác động của nhiệt độ)
Vật thể khơng chuyển động nhưng vẫn có vận tốc góc khơng đổi
Vai trị chính của GPS đó là cung cấp chính xác các thơng số vị trí và vận tốc của vật thể bay. GPS có thể được sử dụng để hỗ trợ cho các hệ thống dẫn đường khác mà tiêu biểu là sự kết hơp GPS/INS.
4.3.3 Hệ thống định vị dẫn đường tích hợp GPS/INS
Hệ thống dẫn đường qn tính INS có hai ưu điểm nổi bật khi so sánh với các hệ thống khác là khả năng tự trị và độ chính xác cao trong những khoảng thời gian ngắn. Lỗi nghiêm trọng nhất của hệ thống INS là do các cảm biến qn tính gây ra. Chính vì thế trong những ứng dụng thời gian dài thì hệ thống INS thường sử dụng với các hệ thống hỗ trợ khác như hệ thống dẫn đường vệ tinh (GPS). Các hệ thống này hoạt động ổn định theo thời gian và vì thế cần tích hợp INS và các hệ thống hỗ trợ này. Sự kết hợp GPS/INS là lý tưởng nhất vì hai hệ thống này có khả năng bù trừ cho nhau hiệu quả.
Do đặc tính phi tuyến của mơ hình động học robot và đặc tính làm việc riêng biệt của từng cảm biến, nên cần sử dụng bộ lọc để mang lại hiệu quả và linh hoạt trong việc kết hợp đầu ra bị nhiễu của cảm biến quán tính để ước lượng trạng thái của hệ thống khơng ổn định. Tín hiệu bị nhiễu từ các cảm biến qn tính và GPS bao gồm các thơng tin về vị trí, vận tốc, toạ độ. Những tác nhân làm hệ thống không ổn định là nhiễu do cảm biến, do người sử dụng và nhiễu do mơi trường (gió).
Cấu trúc này được gọi là cấu trúc GPS hỗ trợ INS [5] và các lỗi được xử lý theo kiểu vịng mở và vịng đóng như mơ tả trong hình.
Hình 4.5 Cấu trúc GPS/INS vịng kín
Từ những phân tích ở trên nhóm đưa mơ hình chi tiết cấu trúc hệ thống điều khiển tích hợp GPS/INS như Hình 4-6.
Trong cấu trúc này, tín hiệu cập nhật của hệ thống GPS được sử dụng để giới hạn sai số ngõ ra của mơ hình INS. Sai số đo lường của hệ thống GPS và INS được sử dụng làm ngõ vào của bộ lọc để ước tính sai số và hiệu chỉnh vận tốc, vị trí, tọa độ. Đối với phương pháp tích hợp này, giá trị cập nhật của GPS sẽ được xem như là chuẩn, các giá trị ước lượng vị trí, vận tốc và hướng ở ngõ ra được giới hạn sai số bởi giá trị cập nhật.
Lợi ích của phương thức này là hệ thống GPS có thể được coi như là một hộp đen. Bộ lọc định vị trở nên đơn giản hơn khi các thông tin về hệ thống GPS đã được xử lý ở khối khác. Tuy nhiên, nếu như bị mất GPS, GPS ngừng cung cấp thông tin và các thông tin bổ trợ cho khối GPS/INS cũng mất theo.