7. Bố cục chung của luận án
2.1 Cảm biến quán tính
2.1.1 Giới thiệu cảm biến
Cảm biến biến đổi các đại lượng vật lý như khoảng cách, vận tốc, gia tốc, lực, áp suất,… thành các tín hiệu điện có thể đo được. Các giá trị của các đại lượng đầu vào có thể được tính tốn thơng qua các đặc trưng thích hợp của tín hiệu điện như biên độ, tần số, độ rộng xung,… Kích thước của cảm biến cũng là một yếu tố rất quan trọng. Trong hầu hết các trường hợp, cảm biến có kích thước nhỏ được sử dụng nhiều hơn vì mật độ tích hợp cảm biến cao và giá thành cảm biến rẻ hơn. Một cuộc cách mạng trong công nghệ sản xuất cảm biến là việc ứng dụng công nghệ chế tạo hệ thống vị - cơ – điện tử MEMS. Các cảm biến được chế tạo theo cách này được gọi là các hệ thống MEMS [82].
Cảm biến MEMS được chế tạo đầu tiên là cảm biến áp suất sử dụng phần tử nhạy điện kiểu áp trở. Hiện nay, các cảm biến MEMS bao gồm nhiều loại khác nhau như cảm biến gia tốc, con quay vi cơ, cảm biến đo nồng độ hóa học…
2.1.2 Cảm biến IMU
Cảm biến IMU bao gồm cảm biến gia tốc 3D và cảm biến vận tốc góc 3D. Mỗi cảm biến gồm 3 cảm biến thành phần đặt cố định vng góc với nhau và có phương trùng với các các trục , và của hệ toạ độ vật lý của cảm biến IMU. Lúc này cảm
biến IMU có 6 bậc tự do. Cảm biến gia tốc được sử dụng để đo gia tốc theo 3 trục và cảm biến vận tốc góc được sử dụng để đo vận tốc góc theo 3 trục.
Dựa vào cấu trúc, có thể chia cảm biến IMU thành loại có đế (Gimbal) và loại khơng đế (Strapdown) như trong Hình 2.1. Các cảm biến kiểu Gimbal được gắn trên một khung các đăng ba bậc tự do, độc lập với chuyển động của vật thể. Cấu trúc này có ưu điểm là thuật tốn tính tốn đơn giản hơn so với hệ sử dụng cấu trúc Strapdown. Điểm hạn chế của hệ này là đòi hỏi các thiết bị phức tạp, khối lượng lớn, giá thành cao, khó hiệu chỉnh và thử nghiệm. Các cảm biến kiểu Strapdown gắn trên vật thể nên chuyển động cùng vật thể. Kiểu này có ưu điểm là cấu trúc đơn giản, độ tin cậy cao, độ chính xác có thể chấp nhận được, chi phí thấp, kích thước nhỏ gọn. Tuy nhiên, hệ này có thuật tốn tính tốn phức tạp hơn so với cấu trúc Gimbal. Ngày nay, khả năng tính tốn của các thiết bị tính tốn ngày càng cao, thì ảnh hưởng của hạn chế này ngày càng nhỏ [20].
Ngồi ra, một số IMU cịn tích hợp thêm cảm biến từ trường 3D, lúc này cảm biến IMU có 9 bậc tự do. Cảm biến từ trường được tích hợp vào nhằm sử dụng thông tin từ trường, thường là từ trường của trái đất, để tham chiếu cho hướng của cảm biến IMU.
a) IMU kiểu có Gimbal b) IMU kiểu Strapdown Hình 2.1 Cấu
tạo của một IMU 6DOF (nguồn: [20])
Trước đây các cảm biến được chế tạo theo công nghệ cơ – điện nên khá cồng kềnh, giá thành cao nên chủ yếu được sử dụng trong lĩnh vực quân sự và hàng không
vũ trụ như máy bay, tên lửa, tàu vũ trụ và các thiết bị bay không người lái (xem Hình
2.2). Đây là cảm biến IMU loại có đế gồm các cảm biến được gắn trên các khung đế
quay. Ngày nay các cảm biến được chế tạo dựa trên cơng nghệ MEMS nên kích thước nhỏ gọn, giá thành rẻ, độ chính xác chấp nhận được nên ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống. Đây là loại cảm biến loại khơng có đế quay.
Hình 2.2 IMU cổ điển được gắn trên tên lửa IRBM S3 (nguồn: [83])
2.1.3 Cảm biến gia tốc
Cảm biến gia tốc cho phép biến gia tốc thành một tín hiệu điện ở ngõ ra. Cảm biến gia tốc hoạt động theo định luật II Newton, = , đó là đo lực tác động lên một vật nặng đã biết trước khối lượng để tính ra gia tốc của vật. Có nhiều cách để đo lực tác động lên khối gia trọng, nhưng cách phổ biến nhất được dùng trong cảm biến gia tốc là đo khoảng cách dịch chuyển của khối gia trọng. Điều này cũng tương tự như khi một khối gia trọng được treo bằng một lò xo. Một hệ thống lò xo – gia trọng được thể hiện trong Hình 2.3.
Hệ số tiêu hao B(x)
Lị xo K(x)
x
Hình 2.3 Sơ đồ khối của một hệ lị xo – gia trọng (nguồn: [82])
Hệ thống có thể được mơ tả bởi phương trình vi phân sau:
2
2 +
trong đó, là khối lượng của khối gia trọng, là hệ số suy giảm và là độ cứng của lò xo.
Hệ số suy hao có thể được bỏ qua khi cảm biến hoạt động ở xa tần số cộng hưởng của hệ lò xo – gia trọng. Khi khoảng cách dịch chuyển của khối gia trọng nhỏ thì hệ số có thể xem là không đổi. Ở trạng thái cân bằng, lực đàn hồi của lò xo cân bằng với lực tác động lên khối gia trọng. Độ dịch chuyển của khối gia trọng có thể được đo dựa vào sự thay đổi điện trở của vật liệu áp trở hoặc đo sự thay đổi điện dung của tụ điện khi phần tử bản cực chuyển động. Cảm biến kiểu áp trở có cấu tạo rất đơn giản nhưng hoạt động phụ thuộc nhiều vào sự thay đổi của nhiệt độ và độ nhạy kém hơn cảm biến kiểu tụ. Ngồi ra, có thể đo được độ dịch chuyển bằng cách đo sự thay đổi điện tích trên bề mặt của vật liệu áp điện khi có lực tác động vào bề mặt của vật liệu.
2.1.4 Cảm biến vận tốc góc
2.1.4.1 Con quay hồi chuyển
Khung đỡ Bánh đà
Mơ men xoắn
Trục quay
Ngoại lực
a) b)
Hình 2.4 Con quay hồi chuyển: a) Cấu tạo, b)Nguyên lý (nguồn: [84])
Là thiết bị dùng để đo hoặc duy trì sự định hướng được sử dụng rộng rãi trong thực tế. Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, con quay hồi chuyển được sử dụng trong hệ thống dẫn đường qn tính. Trong các hệ thống tự động thì con quay hồi chuyển được sử dụng như là một cảm biến vận tốc góc để điều khiển chuyển động của robot.
Ngoài ra, các con quay hồi chuyển được sử dụng trong các máy thực tế ảo sử dụng trong giải trí và tiêu dùng.
Con quay hồi chuyển hoạt động dựa trên nguyên lý bảo tồn mơ men của vật thể chuyển động quay khi tổng các lực tác dụng lên vật bằng không. Con quay hồi chuyển cơ được cấu tạo đơn giản gồm bánh đà (đĩa quán tính) quay với vận tốc cao gắn trên khung đỡ như trong Hình 2.4.
Khi khung ngồi quay nó tác động mô men ngoại lực vào đĩa, làm đĩa chuyển động theo phương vng góc với phương quay của khung. Khi đĩa xoay với vận tốc rất cao, sự chuyển hướng theo mô-men ngoại lực được giảm thiểu (do hầu hết đã bị chuyển sang phương vng góc) giúp con quay hồi chuyển hầu như duy trì được độ nghiêng của nó.
2.1.4.2 Cảm biến vận tốc góc cơng nghệ MEMS
Cảm biến vận tốc góc cơng nghệ MEMS dùng để đo vận tốc xoay của vật với chuyển động đầu vào và đầu ra là chuyển động tịnh tiến (thường là dao động). Cảm biến vận tốc góc MEMS hoạt động dựa trên hiệu ứng Coriolis. Hiệu ứng Coriolis là hiệu ứng xảy ra trong hệ quy chiếu quay so với hệ quy chiếu quán tính. Hiện tượng này gây ra sự lệch quỹ đạo của những vật thể chuyển động trong các hệ quy chiếu quay. Sự lệch quỹ đạo do một loại lực quán tính gây ra gọi là lực Coriolis (xem
Hình 2.5). Lực Coriolis được xác định bằng công thức sau:
⃗⃗ = ⃗ = 2 ⃗ × Ω
với ⃗ là vật tốc của vật và ⃗⃗⃗Ω là vận tốc xoay.
Cảm biến vận tốc góc sử dụng một khối nặng dao động theo một phương gọi là phương sơ cấp. Khối này đồng thời quay quanh một trục làm xuất hiện lực Coriolis khiến nó có thêm dao động theo phương thứ cấp vng góc với phương sơ cấp và phương trục quay (xem Hình 2.6). Các tụ điện được gắn trên phương chuyển động thứ cấp này để nhận biết sự thay đổi điện dung gây bởi chuyển động thứ cấp này và từ đó tính ra vận tốc quay.
Z O X Y Hình 2.5 Lực Coriolis Chuyển động chính
Hình 2.6 Cấu tạo cảm biến vận tốc góc
2.1.5 Cảm biến IMU MTi-1 và MTi-100 của hãng Xsens
Trong luận án, sử dụng cảm biến IMU kiểu không đế MTi-100 (Chương 3) và MTi-1 (Chương 4) của hãng Xsens và được chế tạo bằng công nghệ MEMS. Hãng Xsens sản xuất nhiều loại cảm biến IMU với các phiên bản và tính năng khác nhau. Trong đó, các cảm biến IMU dòng MTi-1 và MTi-100 chỉ cho các dữ liệu thơ về gia tốc, vận tốc góc và từ trường. Trong khi đó, với dịng MTi-3 AHRM thậm chí tích hợp thuật toán để loại gia tốc trọng trường từ giá trị đo của cảm biến gia tốc và thuật tốn để tính các góc quay theo các phương di chuyển (roll – góc nghiêng, pitch – góc chúc và yaw – hướng). Thậm chí cảm biến IMU dịng MTi-G-710 GNSS cịn tích hợp thuật tốn của hệ thống INS để xác định thơng số về vị trí của cảm biến trong q trình di chuyển [85], [86]. Tuy nhiên các dịng IMU có nhiều tính năng có giá thành rất cao.
Một cảm biến IMU dịng MTi-1 của Hãng Xsens với kích thước hình vng mỗi cạnh là 12,1 , bề dày của cảm biến khoảng 3 . Với kích thước nhỏ gọn này thì cảm biến có thể được dùng rất rộng rãi trong nhiều ứng dụng. Giá thành thị trường cho mỗi cảm biến hiện tại khoảng 300 $.
Các khối chức năng của cảm biến, được thể hiện trong Hình 2.7, gồm các cảm biến gia tốc, cảm biến vận tốc góc và cảm biến từ trường, khối tạo xung nhịp, khối bộ lọc và hiệu chỉnh kết quả, và khối giao tiếp bên ngồi.
Hình 2.7 Sơ đồ khối chức năng của cảm biến MTi-1 (nguồn: [85])
Bảng 2.1 Thơng số cảm biến vận tốc góc của MTi-1 và MTi-100 (nguồn: [85], [86]) Thông số
Giới hạn đo
Mật độ nhiễu
Băng thông
Bảng 2.2 Thông số cảm biến gia tốc của MTi-1 và MTi-100 (nguồn: [85], [86]) Thông số Giới hạn đo Mật độ nhiễu Băng thông Tần sớ
Hình 2.8 Bảng mạch sử dụng cảm biến MTi-1 (nguồn: [85])
Hình 2.9 Cảm biến IMU dịng MTi-100 (nguồn: [86])
Ngồi ra hãng Xsens cịn tích hợp board mạch ứng dụng cho cảm biến IMU dòng MTi-1 cho người dùng như trong Hình 2.8 với giá bán khoảng 600 $. Với bảng mạch này, người dùng có thể giám sát và lưu trữ dữ liệu trên máy tính, kết nối với các vi điều khiển. Cảm biến IMU dịng MTi-100 có đóng gói sẵn để kết nối máy tính như Hình 2.9 với giá bán khoảng hơn 1600 $.
Thông số kỹ thuật của cảm biến vận tốc góc và cảm biến gia tốc trong cảm biến IMU MTi-1 và MTi-100 được thể hiện trong Bảng 2.1 và Bảng 2.2.
2.2 Triển khai hệ thống định vị quán tính
2.2.1 Hệ thống định vị INS
Các hệ thống định vị và dẫn đường được sử dụng rất phổ biến trong quân sự và đời sống hiện nay. Tuy nhiên, các hệ thống định vị khơng thể đạt được sự chính xác tuyệt đối nên cần phải tăng độ chính xác của hệ thống định vị bằng cách khắc phục được sai số của hệ thống định vị GPS và hệ thống định vị INS.
Hệ thống INS có 2 ưu điểm nổi bật khi so sánh với các hệ thống dẫn đường khác là khả năng hoạt động độc lập và độ chính xác cao trong những khoảng thời gian ngắn. Sai số của hệ thống INS tích luỹ theo thời gian do thành phần nhiễu trong cảm biến được tích phân theo ngun lý của thuật tốn INA [20]. Chính vì thế, trong những ứng dụng thời gian dài thì hệ thống INS thường sử dụng tích hợp với các hệ thống dẫn đường hoạt động ổn định theo thời gian khác như hệ thống định vị vô tuyến, hệ thống định vị vệ tinh GPS. Sự tích hợp giữa hệ thống GPS và hệ thống INS là lý tưởng nhất vì hai hệ thống này có khả năng bù trừ cho nhau một cách hiệu quả. Việc tích hợp này thường được thực hiện bởi bộ lọc Kalman. Bộ lọc Kalman rất hiệu quả và linh hoạt trong việc kết hợp đầu ra của cảm biến IMU để ước lượng trạng thái của hệ thống.
Hệ thống INS sử dụng phương pháp tích phân các tín hiệu gia tốc và vận tốc góc đo được từ cảm biến IMU kết hợp với vị trí, vận tốc và hướng ban đầu để tìm ra vị trí, vận tốc và hướng của vật thể theo thời gian. Đây là phương pháp định vị duy nhất hoạt động độc lập mà không cần tham chiếu bên ngồi và có khả năng khắc phục được nhược điểm sóng yếu hoặc khơng có sóng của phương pháp định vị vơ tuyến. Tuy nhiên, cần chỉnh định cập nhật cho hệ thống INS khi sử dụng trong thời gian dài do sai số bị tích luỹ theo thời gian.
Hệ thống INS sử dụng cảm biến IMU kiểu platform gọi là hệ thống PINS, hệ thống INS sử dụng cảm biến IMU kiểu strapdown gọi là hệ thống SINS [87]. Trước đây, hệ thống PINS sử dụng cơng nghệ cơ-điện nên có cấu trúc phức tạp, kích thước
lớn và khối lượng nặng. Ngày nay hệ thống SINS sử dụng cơng nghệ MEMS nên có cấu tạo đơn giản, gọn nhẹ và dần thay thế cho PINS. Trong luận án này, thuật toán của hệ thống INS được triển khai cho hệ thống SINS.
2.2.2 Triển khai thuật toán của hệ thống SINS
2.2.2.1 Các hệ trục toạ độ
Trong định vị quán tính, các hệ trục toạ độ được sử dụng phổ biến là hệ toạ độ quán tính, trái đất, địa lí, vật thể [20]. Các hệ trục toạ độ này thích hợp để định vị các vật thể có phạm vi hoạt động lớn như xe, máy bay, tên lửa, tàu vũ trụ,…Tuy nhiên, trong luận án này, ứng dụng định vị quán tính trong phạm vi rất hẹp nhằm thực hiện các bài kiểm tra thông số bước đi nên chỉ sử dụng 2 hệ trục toạ độ là hệ toạ độ vật thể BCS ( ) và hệ trục toạ độ quốc tế WCS ( ) làm tham chiếu bên ngoài để xác định quỹ đạo chuyển động của vật thể. Hệ toạ độ BCS đại diện cho vị trí và hướng của vật thể chuyển động nên được chọn gắn liền với vật thể chuyển động. Do cảm biến IMU gắn với vật thể chuyển động nên hệ toạ độ BCS thường được chọn trùng với hệ trục toạ độ vật lý của cảm biến IMU để tiện cho q trình tính tốn. Thực chất, hệ toạ độ WCS chỉ được dùng với vai trò là hệ toạ độ cục bộ với tâm trùng với tâm của hệ toạ độ BCS tại thời điểm ban đầu, có trục hướng lên theo phương thẳng đứng trong khi trục nằm ngang và trong cùng mặt phẳng đứng với trục của hệ toạ độ BCS. Các chỉ số dưới trong ký hiệu [ ] hoặc [ ] được dùng để phân biệt một vectơ ∈ 3
đang được sử dụng trong hệ toạ độ WCS hoặc BCS khi cần thiết. Trong Chương 4 có sử dụng thêm hệ toạ độ ICS và kí hiệu [ ] được sử dụng để chỉ vectơ biểu diễn trong hệ ICS.
2.2.2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ SINS
Nguyên lý hoạt động của hệ SINS là nhận các tín hiệu gia tốc và vận tốc góc đo được từ cảm biến IMU, sau đó tích phân các tín hiệu đo được để tìm ra hướng, vận tốc và vị trí của vật thể trong hệ toạ độ WCS. Các tín hiệu vận tốc góc và gia tốc đo được của vật thể là trong hệ toạ độ BCS. Hướng của vật thể được xác định bằng cách tích phân giá trị vận tốc góc đo kết hợp với hướng ban đầu của vật thể. Do vật thể chuyển động theo nhiều hướng khác nhau, nên hướng của vectơ gia tốc của vật thể
cũng thay đổi liên tục. Hơn nữa, giá trị gia tốc đo được là gia tốc tổng bao gồm gia tốc chuyển động của vật thể và gia tốc trọng trường. Điều này gây khó khăn cho