4. Đề xuất cỏc giải phỏp mới, nội dung và phƣơng phỏp nghiờn cứu
3.1.3. Phỏt triển phƣơng phỏp hiệu chỉnh mới trờn cơ sở MEMS INS đa trục
Trong thời gian trƣớc đõy, đó cú rất nhiều phƣơng phỏp cố gắng giải quyết vấn đề tớch hợp hệ thống INS với hệ thống GPS. Do đặc điểm cụng nghệ tại cỏc thời điểm đú chỉ chế tạo đƣợc INS tƣơng tự (Analog) đơn trục nờn cỏc phƣơng phỏp tớnh toỏn rất phức tạp, nhiều khi chỉ mang tớnh lý thuyết. Để xử lý dữ liệu tớch hợp, cỏc thiết kế thƣờng sử dụng cỏc dạng lọc Kalman, bao gồm KF, EKF, UKF trờn chip vi xử lý. Với kỳ vọng sự phỏt triển nhanh của cụng nghệ vi xử lý cú thể giải quyết đƣợc mọi tớnh toỏn phức tạp, nhiều thiết kế cũn sử dụng cả cỏc thuật toỏn thụng minh trờn cơ sở sử dụng mạng neuron để hiệu chỉnh dữ liệu. Giờ đõy, cỏc nhà thiết kế nhận ra rằng những thuật toỏn dựa trờn cỏc phƣơng phỏp “thụng minh” để xử lý tớn hiệu tớch hợp GPS/INS trờn chip cho cỏc hệ thống đơn trục trƣớc đõy đó khụng cũn tớnh thực tiễn nữa. Ở cỏc thời điểm đú, họ hy vọng rằng với sự ra đời của cỏc chip với tốc độ tớnh toỏn siờu cao sẽ giải quyết đƣợc vấn đề bự sai số và tớnh toỏn thời gian thực cho cỏc hệ thống MEMS INS đơn trục bằng cỏc thuật toỏn xử lý cho đối tƣợng phi tuyến phức tạp, mà khụng lƣờng trƣớc đƣợc sự phỏt triển của cụng nghệ chế tạo MEMS INS. Khi hệ thống MEMS INS đa trục xuất hiện và bắt đầu từ thời điểm hoàn thiện cụng nghệ chế tạo INS 9-DOF, quan điểm này đó đƣợc thay đổi hoàn toàn.
Kể từ khi MEMS INS 6-DOF ra đời (2008), hƣớng nghiờn cứu về hệ tớch hợp GPS/INS đó bắt đầu đƣợc thay đổi một cỏch đỏng kể về bản chất. Cỏc giải phỏp cho những hệ thống MEMS INS trƣớc đõy tớch hợp từ cảm biến rời với cỏc cụng thức tớnh toỏn dịch chuyển trọng tõm khối INS đó đƣợc loại bỏ. Cỏc hệ thống tớch hợp GPS/INS trƣớc thời điểm này (2008) đó trở nờn lạc hậu, khụng phải chỉ do sự ra đời MEMS INS mới cú nhiều bậc tự do hơn mà là do hƣớng thay đổi của giải phỏp xử lý dữ liệu. Thay vỡ tớnh toỏn giỏ trị vận tốc và khoảng cỏch di chuyển từ cỏc tớn hiệu đo trực tiếp rồi dựng lọc Kalman để hiệu chỉnh so với cỏc tớn hiệu tham chiếu, chẳng hạn GPS, cỏc nghiờn cứu hiện đại [92] sẽ tập trung vào giải quyết vấn đề xử lý hiện tƣợng trụi dữ liệu của hệ thống MEMS INS để tớnh toỏn dữ liệu trờn hệ thống MEMS INS theo cỏch tốt hơn thụng qua cỏc thuật toỏn lặp hiệu chỉnh RTL (Return To Load), rồi sau đú mới
sử dụng dữ liệu đó đƣợc tinh chỉnh này tớnh toỏn ra cỏc tham số gúc roll, pitch, yaw, từ đú tớnh ra vận tốc và khoảng cỏch dịch chuyển.
Tuy nhiờn, giải phỏp thỏa đỏng cho cỏc vấn đề sau đõy chƣa đƣợc giải quyết triệt để:
Vấn đề nhiễu trong xử lý cỏc gúc (Mixing): Sự thay đổi nhanh gúc yaw sẽ vi phạm điều kiện bờ gõy nhiễu cho tớn hiệu ra của gúc pitch, gọi là hiện tƣợng banking angles. Thờm vào đú, khoảng độ lệch đứng Up-deflection là tham số cần đƣợc hiệu chỉnh phụ thuộc vào banking angles, là thụng số khụng đo đƣợc trực tiếp cần đƣợc tớnh toỏn và điều chỉnh cũng gõy ra sai số.
Tỏc động gia tốc: Một gia tốc kế đo gia tốc sẽ chịu tỏc động của gia tốc trọng trƣờng. Gia tốc là kết quả của phộp chia lực cho khối lƣợng, đƣợc tớnh bằng tổng của tất cả cỏc lực nõng, đẩy, kộo, cộng với lực hấp dẫn rồi chia cho khối lƣợng tổng của đối tƣợng và vật mang. Tất cả cỏc lực khớ động học đều ảnh hƣởng tới gia tốc trong quỏ trỡnh chuyển động. Nhƣ vậy, gia tốc là một tham số gõy nhiễu và cũng chịu tỏc động của nhiễu. Đặc biệt, khi đối tƣợng thay đổi rất nhanh gúc chếch lờn hoặc xuống trong thời gian ngắn trong khi tăng tốc thỡ giỏ trị đầu ra của một gia tốc kế Acc trong MEMS INS sẽ khụng thay đổi. Đõy là một trong những nguyờn nhõn quan trọng gõy ra sai số của cỏc MEMS INS.
Trụi cỏc phần tử ma trận quay R: Cỏc thành phần của ma trận quay bị trụi gõy sai số tớch lũy. Cỏc tớnh toỏn sử dụng cụng thức R thụng thƣờng sẽ gõy sai số tớch lũy cho cỏc phần tử chủ yếu bởi sai số của Gyro, từ đú tớnh toỏn gúc roll, pitch, yaw cú chứa sai số tớch lũy. Nhƣ vậy, cỏc tham số vận tốc và khoảng di chuyển bị cộng dồn sai số theo thời gian làm sai lệch giỏ trị tớnh toỏn của hệ MEMS INS.
Giải phỏp mới đƣa ra một phƣơng phỏp dựa trờn nguyờn tắc "hoàn toàn tụn trọng đặc tớnh phi tuyến của cỏc thành phần quay" trong ma trận quay R và sử dụng phƣơng phỏp bự để hiệu chỉnh, gọi là phƣơng phỏp tự động điều chỉnh ma trận quay
R. Một số tài liệu gọi đõy là phƣơng phỏp Lọc bổ sung ma trận quay DCM [B17, 88]. Mục đớch của giải thuật hiệu chỉnh cỏc phần tử cho ma trận quay R là để cú những bƣớc tớnh toỏn liờn tiếp ổn định thụng qua việc kiểm soỏt hiện tƣợng lệch trực giao,
qua đú kiểm soỏt hiện tƣợng trụi dữ liệu dẫn đến sai số tớch lũy của MEMS INS. Giải thuật cung cấp khả năng ổn định sử dụng chức năng “Quay lại để nạp” (RTL – Return To Load). Firmware làm việc dựa trờn tớnh năng RTL thụng qua việc hiệu chỉnh cỏc phần tử của ma trận quay R sau mỗi bƣớc nạp lại (reload). Thuật toỏn sử dụng tớn hiệu từ cỏc con quay hồi chuyển (Gyro), gia tốc kế (Acc) từ cỏc IMU và thụng tin GPS để hiệu chỉnh dựa trờn nguyờn tắc sau:
Tớn hiệu từ cỏc con quay hồi chuyển Gyro đƣợc sử dụng là nguồn chớnh của thụng tin định hƣớng. Cỏc thụng số hiệu chỉnh lấy từ tớn hiệu tham chiếu khỏc. Tựy thuộc vào cỏc tớn hiệu tham chiếu này sẽ quyết định cấu trỳc của bộ lọc cỏc phần tử ma trận quay R.
Cỏc lỗi số trong tớch hợp sẽ dần dần vi phạm cỏc hạn chế trực giao mà ma trận quay R phải đỏp ứng. Vỡ vậy cần thực hiện thƣờng xuyờn cỏc điều chỉnh nhỏ để cỏc yếu tố của ma trận đỏp ứng đƣợc cỏc ràng buộc.
Tổng hợp cỏc sai số, bao gồm cỏc lỗi số (Numerical errors), trụi dữ liệu của con quay hồi chuyển (gyro drift), và giỏ trị mức ban đầu của con quay hồi chuyển (Gyro offset) sẽ làm hệ thống dần dần tớch lũy sai số ảnh hƣởng tới quỏ trỡnh tớnh toỏn cỏc phần tử trong ma trận quay R, từ đú ảnh hƣởng tới kết quả tớnh toỏn của hệ thống INS. Bộ điều khiển PI thƣờng đƣợc sử dụng để triệt tiờu sai lệch tĩnh của hệ thống. Bộ điều khiển PI đƣợc tổng hợp với mụ hỡnh:
( ) ( ) ∫ ( ) ( ) ( ) ( )
Giải phỏp cho vấn đề là làm tiờu tan sai lệch nhanh hơn so với việc chỳng cú thể đƣợc tạo ra thụng qua việc sử dụng cỏc vector tham chiếu để phỏt hiện cỏc sai lệch tiờu cực. Kết hợp một bộ điều khiển phản hồi tỷ lệ - tớch phõn (PI) với cỏc tham số Kp
và Ki đƣợc tớnh toỏn phự hợp trong quỏ trỡnh Calib INS, điều chỉnh cỏc sai lệch đƣợc phỏt hiện bởi cỏc tớn hiệu tham chiếu so với tớn hiệu đầu vào Gyro và Acc. Cỏc thụng số này ảnh hƣởng tới thời gian tăng (rise time), độ vọt (overshoot) và thời gian xỏc lập (settling time) của đỏp ứng. Cỏc tham số Kp và Ki này đƣợc khảo sỏt phụ thuộc vào đặc điểm của cảm biến cỏc IMU sử dụng trong hệ thống MEMS INS. Thực tế cỏc
tham số của bộ PI này khụng cần tới chớnh xỏc cao [88], nhất là khi ỏp dụng đối với cỏc phƣơng tiện giao thụng vận tải đƣờng bộ. Cỏc tham số này đƣợc hiểu chỉnh trong quỏ trỡnh tớnh toỏn theo hàm trọng lƣợng và hàm chặn hạn biờn, phụ thuộc vào đặc điểm chuyển động đặc biệt của đối tƣợng, ỏp dụng cho đối tƣợng bay nhào lộn trong khụng gian. Tớn hiệu GPS đƣợc sử dụng để phỏt hiện sai lệch gúc yaw, và cỏc gia tốc kế của MEMS INS đƣợc sử dụng để phỏt hiện gúc pitch và roll. Cơ chế này hoạt động chậm phụ thuộc vào tớn hiệu GPS, tức là khụng hoạt động độc lập đƣợc và sẽ bị phỏ vỡ khi hệ thống mất tớn hiệu GPS.
Hỡnh 3. 4: Cấu trỳc bộ lọc chống trụi cỏc phần tử của ma trận quay William Premerlani và Sergiu Baluta
Trong lý thuyết DCM của William Premerlani và Sergiu Baluta [88], họ sử dụng MEMS INS 6-DOF kết hợp với tớn hiệu từ GPS. Trong trƣờng hợp mất tớn hiệu GPS, thiết bị sẽ bị mất dữ liệu gúc hƣớng. Nhƣ vậy, cập nhật ma trận quay trong thuật toỏn DCM từ cỏc giỏ trị cập nhật omega của họ bị phỏ vỡ. Hơn nữa, tốc độ nhận dữ liệu gúc hƣớng của GPS so với INS là quỏ chậm và dữ liệu khụng phải là rất tốt vỡ ăng ten của nú khụng phải luụn luụn song song với hệ thống tham chiếu G trong thời gian di chuyển của cỏc đối tƣợng. Với việc sử dụng INS 9-DOF cập nhật cỏc vector từ trƣờng thay thế, luận ỏn đó đƣa ra giải phỏp giải quyết triệt để đƣợc vấn đề này.