ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
VŨ VĂN NINH
NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG TÍCH
HỢP INS/GPS SỬ DỤNG BỘ LỌC KALMAN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
HÀ NỘI – 2012
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
VŨ VĂN NINH
NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG TÍCH
HỢP INS/GPS SỬ DỤNG BỘ LỌC KALMAN
Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên nghành : Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60 52 70
LUẬN VĂN THẠC SĨ
HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRẦN ĐỨC TÂN
HÀ NỘI – 2012
III
Nâng cao chng h thng tích hp INS/GPS s dng b lc Kalman
MỤC LỤC
L I
LI C II
MC LC III
DANH MC HÌNH IV
DANH MC BNG V
THUT NG VIT TT VI
TÓM TT VII
I THIU H THNG GPS 1
THNG INS 4
2.1 Nguyên lý hong ca INS 4
2.2 Ma trn chuyn h t 5
2.2.1 Ma trn chuyn Euler 5
2.2.2 Ma trn chuyn Quaternion 6
2.2.3 Tính góc Euler t ma trn xoay 7
2.2.4 Tính Quaternion t ma trn xoay 8
2.2.5 Tính góc Euler t Quaternion 8
ng 9
2.4 Mô hình li INS 10
THNG TÍCH HP INS/GPS 14
3.1 Lý Thuyt 14
3.1.1 B lc Kalman 14
3.1.2 H thng tích hp INS/GPS 17
xut ca hc viên 18
thut toán h thng tích hp INS/GPS 18
3.2.2 B lc Kalman cho h thng tích hp INS/GPS 19
3.3 Kt qu mô phng 23
V. KT LUN 30
TÀI LIU THAM KHO 31
PH LC 32
IV
Nâng cao chng h thng tích hp INS/GPS s dng b lc Kalman
DANH MỤC HÌNH
Hình 1. Qu o bay ca các v tinh GPS 1
Hình 2. Cu trúc ca IMU 4
Hình 3. H thnh v quán tính 5
Hình 4. 3 góc Euler 5
Hình 5. Sai lch gia h t p-frame và N- frame 11
Hình 6. Thut toán Kalman c n. 14
tính toán vi b lc Kalman 16
c vòng h 17
c vòng kín 17
Hình 10. Cu trúc theo kiu vòng h (a) và vòng kín (b) 18
Hình 11. L thut toán h thng tích hp INS/GPS 19
Hình 12. B lc Kalman trong mô phng 20
Hình 13.Qu o GPS (a), INS/GPS (b), khong cách d (c). 24
Hình 14.Vn tc Vn ca h INS/GPS, Vn ca GPS và sai s i ca vn tc. 25
Hình 15. Vn tc Ve ca h INS/GPS, Ve ca GPS, và sai s tuyi. 26
Hình 16. ng INS/GPS và GPS. 27
Hình 17. Các góc lch
E
,
N
,
Up
. 27
trôi ca cm bin vn tc góc G
bx
, G
by
. 28
Hình 19. Các góc chúc ( Pitch) và nghiêng (Roll). 28
Hình 20. H t vt th. 33
Hình 21. H t nh v. 33
Hình 22. Thut toán Salychev 34
V
Nâng cao chng h thng tích hp INS/GPS s dng b lc Kalman
DANH MỤC BẢNG
Bng 1. Li gây ra bi cm bin quán tính 10
Bng 2. Trung va khong cách 24
Bng 3. Sai s tuyi ca vn t 25
Bng 4. Sai s tuyi ca vn tc 26
Bng 5. Các trung v a góc chúc và góc nghiêng 29
VI
Nâng cao chng h thng tích hp INS/GPS s dng b lc Kalman
THUT NG VIT TT
Viết tắt
Ti ếng Anh
Ti ếng Việt
IMU
Inertial Measurement Units
Kh
GPS
Global Positioning System
H thnh v toàn cu
KF
Kalman Filter
B lc Kalman
INS
Inertial Navigation System
H thng d ng quán tính
SINS
Strapdown Inertial Navigation
System
Thut toán dng quán tính
kiu gn cht
DCM
Direct Cosin Matrix
Ma trn ng Cosine
b-frame
Body frame
H t vt th
ll-frame
Local level frame
H t
N- frame
Navigation frame
H t dng
VII
Nâng cao chng h thng tích hp INS/GPS s dng b lc Kalman
LU
H th n t - MEMS là s kt hp ca các yu t nhit, sinh
hc, hóa hc, quang hc, cht lng, n t trên cùng m Silicon. ng
da trên công ngh vi ch to. Công ngh MEMS ha hn mt cuc cách mng thay th
nhiu sn phm bng cách kt hp nhiu thành phn trên mt chíp. Công ngh MEMS
ngày càng phát trin, các thit b chính xác cao, hiu sut cao, tin cy
ln và giá thành h.
Mt trong nhng thit b MEMS c ng dng gv nh v ta
vt th Thit b này c s dng trong c u khin Robot
nh v t c n chuy ng. i dùng d s dng,
thit b p vi thut toán dng quán tính (INS).
Hin nay, v nh v thu hút s quan tâm ca nhiu nhà nghiên cu và công
nghip c. Khi kt hp vi GPS, h thnh v kt hp INS/GPS có
nhi m c nh. tích h c INS và GPS thì
ng s dng b lc t Kalman. Vic áp dng lc Kalman tuy
n, d thng h thc tiêu ca lu
là ci thin ch ng ca h thng tích hp INS/GPS s dng mt cu hình kt hp
INS/GPS phù hp.
Trong lu c viên tp trung nghiên cu h thng tích hp INS/GPS vi
mc tiêu nâng cao ch ng ca toàn h th c bit là các thông s v
th, vn tc, v trí.
Ni dung c tài bao g
- H thnh v toàn cu GPS.
- H thng dng quán tính INS.
- H thng tích hp INS/GPS, b lc Kalman và ng dng.
- t lun.
1
Nâng cao chng h thng tích hp INS/GPS s dng b lc Kalman
I THIU H THNG GPS
t ( : Global Positioning System - GPS
, do
xem Hình 1) [3].
Các h thng dng truyn thng hong da trên các trm phát tín hiuvô
tuy n c bi n nhiu nht là các h thng sau: LORAN (LOng RAnge
Navigation) hong gii tn 90-100 kHz ch yu dùng cho hàng hi, hay TACAN
(TACtical Air Navigation) dùng cho i M và bin th v chính xác thp
VOR/DME VHF (Omnidirectional Range/Distance Measuring Equipment) dùng cho
hàng không dân dng.
Hình 1. Qu o bay ca các v tinh GPS
[4]. Các GPS
xác và phát tín hTrái
Các máy thu GPS
2
Nâng cao chng h thng tích hp INS/GPS s dng b lc Kalman
V
2 L1 = 1575,42MHz và L2 = 1227,60MHz [1,6]. Các
- Mã P: là mã chính xác, có tn s dài toàn phn 267 ngày. Tuy vy
dài 7 ngày và gn cho mi v tinh
trong h thng GPS m, c sau 1 tun li ti nên
khó b gi s dng nu bin c 2 sóng mang L1 và
L2.
- Mã C/A có tn s 1,023MHz, nó ch u bi c s
dng cho m, mi v c gán 1 mã C/A riêng bit.
- truyn lch v tinh mi nht, thông s ca lp khí quyn sóng
n t truyn qua, thi gian ca h thng, sai s ng h v tinh, phân b ca các
v tinh trên qu u bin c 2 sóng mang L1 và L2.
Khi hong, tn s L1 bao gm 2 tín hiu sc gi là mã P và mã C/A. Mã P
nhm bo v thông tin khi nhng s truy nhp trái phép. Tuy nhiên, ma
các tín hiu mã hóa là nhm tính toán thi gian cn thi thông tin truyn t v tinh ti
mt thit b thu nhn trên m ng cách gic tính bng cách
nhân thi gian cn thi tín hii t ca ánh sáng là 300.000 km/giây.
Tuy nhiên, tín hiu có th b u khí quyn. Vì vy, kèm
p gi ti các thit b nhn, các v ng gi kèm luôn thông tin v
qu o và thi gian. Vic s dng h nguyên t s m bo chính xác v s thng
nht thi gian gia các thit b thu và phát.
bit v trí chính xác ca các v tinh, thit b thu GPS còn nhn thêm 2 loi d
liu mã hóa:
D lic cp nhnh k và cho bit v trí ga các v tinh
trên qu o. Nó truy trong b nh ca thit b thu
nhn khi các v tinh di chuyn quanh qu o.
D liu Ephemeris: phn ln các v tinh có th n ra khi qu o
chính ca chúng. S c ghi nhn bi các trm kim soát mt.
Vic sa cha nhng sai s này là rt quan trm nhim bi trm ch
3
Nâng cao chng h thng tích hp INS/GPS s dng b lc Kalman
trên m c khi thông báo li cho các v tinh bit v trí mi ca chúng.
c sa ch c gi là d liu Ephemeris. Kt hp d liu
Almanac và Ephemeris, các thit b nhn GPS bit chính xác v trí ca mi v tinh.
khi ,
. Ngoài ra còn có msau gây
[2].
Gi chm ca tng ion Tín hiu v tinh b ch
tng khí quyn.
Tín hing u này xy ra khi tín hiu phn x t i
c khi ti máy thu.
L ng h máy thu ng h ng h
nguyên t trên các v tinh GPS.
Li qu o c bi tinh thông báo v trí không
chính xác.
S ng v tinh nhìn thy Càng nhiu v c máy thu GPS nhìn thy thì
càng chính xác. Nhà cao t a hình, nhiu lo n t hom chí
tán lá dy có th chn thu nhn tín hiu, gây lnh v honh v c.
Nói chung máy thu GPS không làm vi c hot.
Che khut v hình hc u này liên quan ti v i ca các v tinh
thm bt kì. Phân b v tinh lí ng là khi các qu v tinh v trí to các góc
rng vi nhau. Phân b xu xy ra khi các qu v tinh trên mng thng hoc
cm thành nhóm.
S gim có ch tâm tín hiu v tinh Là s làm gim tín hiu c ý do s t
ca B Quc phòng M, nhm chng li vi i th quân s dùng tín hiu GPS
chính xác cao. Chính ph M ng vic này t
chính xác ca máy thu GPS dân s. (Tuy nhiên bin pháp này hoàn
toàn có th c s dng li trong nhu kin c thu này là tim
n hn ch an toàn cho d nh v dân s).
Trong nh có nhiu h thnh v v tinh trên th gi
thng GLONASS ca Liên bang Nga, h thng Galileo ca Liên minh Châu Âu. Xu
ng trong thi gian ti, thit b c ng dng trong rt nhic. Mc
tiêu nghiên cu phát trin h GPS giá r, nh gn, d s dng v c tin hành.
4
Nâng cao chng h thng tích hp INS/GPS s dng b lc Kalman
H THNG INS
H thnh v quán tính phát trin t nh. Ti
mc công ngh tên lng thc nghim mt h
u v INS trên th gii. c
ng d c công ngh tên l u tiên, tip rng qua các
nghành hàng không dân dng và quân s, vn ti bi
2.1 Nguyên lý hoạt động của INS
Nguyên lý hong ca INS là tng hp các tín hic bi mu
nh trng thái hin ti ca h
thng. Các tín hi c bi IMU bao gm vn tc góc (gyros) và gia tc
(accelerometer). Cu to IMU bao gm 3 cm bin gia tc và 3 cm bin vn tc góc.
t h thng INS bao gm IMU và thu c tích hp cùng. Thut
toán s dng trong lu t toán SINS ca Salychev (Ph lc 2).
các thông s ), vn tc, các góc
ng) (xem Hình 3).
Hình 2 dmô t mt khi IMU [2]. Vi nhng IMU s dng cm
bin quán tính ho ng theo nguyên t , c ln, ho ng
kém hiu qu, giá thành cao và tiêu th nhi ng. Ngày nay khi khoa hc công
ngh phát trin c bit là công ngh vt liu mi và công ngh vi ch to ra các
cm bi c rt nh (c centimet), hong hiu qu, tiêu th
c bit là giá thành h. iu này m ra i cho vic ng dng các cm bin
i sng.
Hình 2. Cu trúc ca IMU
5
Nâng cao chng h thng tích hp INS/GPS s dng b lc Kalman
Hình 3 nguyên lí hong ca h thng INS [8].
INPUT
Alignment phase
Accelerometters
Gyros
Initial alignment
acceleration
Gravity,
Non-gravitational
acceleration correction
Attitude
Computing
Coordinate
system
Transformation
integration integration
OUT PUT
Navigational Phase
Attitude
Velocity
Position
Hình 3. H thnh v quán tính
2.2 Ma trận chuyển hệ tọa độ
Trong thut toán các thông s cui cùng, chúng ta cn các phép
tính toán chuyi qua các h t vi nhau. t s ma trn
chuyi chính trong khi s dng thut toán SINS.
2.2.1 Ma trn chuyn Euler
Mt v quan trnh vt th trong không gian 3 chi
ca vt trong h t Các hoc là 3 góc Euler [5].
Hình 4. 3 góc Euler
6
Nâng cao chng h thng tích hp INS/GPS s dng b lc Kalman
(, , ) (Hình 4)
.
.
(2.1)
(2.2)
(2.3)
R(Z,
) l t là các ma trn góc xoay quanh trc x, y, z
ng , , .
n xoay tng quát trong không gian 3 chi
cos sin 0 cos 0 sin 1 0 0
sin cos 0 0 1 0 0 cos sin
0 0 1 sin 0 cos 0 sin cos
xyz
R
(2.4)
Hay
(2.5)
(2.5) c s dng phn h hiu chnh li các giá tr Quaternion trong
mô hình Simulink.
2.2.2 Ma trn chuyn Quaternion
nh ma trn chuyi gia các h t bng góc Euler, ta có
th s dng t
T
7
Nâng cao chng h thng tích hp INS/GPS s dng b lc Kalman
(2.6)
Trong công thc (2.6) trên, là góc quay (giá tr tính bng Radian) và cos (
), cos (
),
cos (
) là các ng ca trc. n quay ca chuy ng quay
trong không gian 3 chinh theo (2.7)
(2.7)
2.2.3 Tính góc Euler t ma trn xoay.
Gi s ta có mt ma trn xoay bic là
(2.8)
T c: tan = a
32
/a
33
, sin = -a
31
, tan = a
21
/a
11
. y
(2.9)
(2.10)
(2.11)
8
Nâng cao chng h thng tích hp INS/GPS s dng b lc Kalman
2.2.4 Tính Quaternion t ma trn xoay
Vi các góc Euler bi c, ta có th c nh theo
công thc (2.13) [10].
T 7
=
=
=
(2.12)
1 =
(2.13)
Gi s rng
sign(
) = sign(1)
sign(
) = sign(
-
)
sign(
) = sign(
-
)
sign(
) = sign(
-
)
2.2.5 Tính góc Euler t Quaternion
T (2.7
(2.14)
9
Nâng cao chng h thng tích hp INS/GPS s dng b lc Kalman
2.3 Phương trình chuyển động
ca vt th nh bi 3 góc Euler [4,6]. Mi liên
h gia các vn tc góc ca Roll, Pitch, Yaw (p, q, r) và 3 góc Euler , , c tính
theo công thc (2.15) sau:
(2.15)
c các góc Euler.
Các gia tc (a
x
, a
y
, a
z
) dc theo các trc ca h t vt th liên h vi 3 vn tc
(U, V, W) trong h t
(2.16)
.16), c U, V, W. S dng ma
trn Direct Cosine Matrix (DCM), chúng ta có th chuyn t h t t sang h ta
nh v:
(2.17)
: 5)
c v trí ca vt. Tip theo chúng ta có th
, cao ca vt thông qua các (2.18) sau :
(2.18)
10
Nâng cao chng h thng tích hp INS/GPS s dng b lc Kalman
2.4 Mô hình lỗi INS
uán
tính gây nên [1,6]. 1
góc.
Loi
Gây nên sai s
Li v trí khi lt cm bin.
Góc nghiêng, góc chúc ng.
lch (offset) ca cm bin gia
tc.
Li ra cm bin gia tc s b l t giá tr
i. Giá tr này l i mi khi tt /bt
thit b.
Hi ng lch và trôi ca cm
bin vn t ng ca
nhi).
Vt th không chuy n có vn tc
i.
Nhiu ngu nhiên.
Li ng ng.
Bng 1. Li gây ra bi cm bin quán tính
Nhng lc và vn tc góc s dn ti các lnh
v trí, vn t ca vt th bay. Các l c gi là li dn
ng. Có th nhn thy chc chn rng h thng d ng quán tính không th hot
ng t tr c mà phc kt hp vi mt h thng khác.
ng thái li ca INS bao gm li h t, li vn tc, và các l
th. Khi các li theo thi gian, c mô t thôn
phân.
i vi các góc lch nh
N
,
E
,
Up
[7,9] là lch gia h t p-frame và ll-
frame (xem Hình 5) [8].
11
Nâng cao chng h thng tích hp INS/GPS s dng b lc Kalman
Up
East
North
Up
Zp
Xp
Yp
Hình 5. Sai lch gia h t p-frame và N- frame
Ma trn chuyn gia 2 h t này có th c mô t theo (2.19), c suy ra t
dng ma trn DCM chun, và gi s các góc này nh tha mãn cos
[7,9].
(2.19)
, vn tc góc trong h t p-frame có th c biu
din theo vn tc góc tuyi trong h t ll- o hàm ca các l
N
,
E
,
Up
.
(2.20)
Da theo sai s ca cm bin
E
,
N
,
Up
thì :
(2.21)
12
Nâng cao chng h thng tích hp INS/GPS s dng b lc Kalman
Li tính toán vn tc góc có th c bng cách vi phân các biu thc theo
hình chiu trên h t ll-frame.
(2.22)
là vn tc và các lng trên h t ll-frame.
, và li .
U : t quay ct.
(2.21) và (2.22) vào (2.20) c :
(2.23)
(2.24)
(2.25)
các gia tc biu di
(2.26)
E
,
N
,
up
là các h s t l gia tc.
B
N,
B
E
, B
Up
lch 0 ca gia tc.
c Coriolis vào trong tính toán lc :
13
Nâng cao chng h thng tích hp INS/GPS s dng b lc Kalman
(2.27)
(2.28)
S khác nhau gia vn tc góc trong h t p-frame và ll-frane là nguyên nhân
trôi gyro và các li tính toán các vn tc góc chuyn t ll-frame sang E-
frame. i v trí có th c t sau:
Ga s h = 0 thì
(2.29)
y ta có th i c
(2.30)
14
Nâng cao chng h thng tích hp INS/GPS s dng b lc Kalman
. H THNG TÍCH HP INS/GPS
Khi s dng riêng r tng thit b INS, GPS thì mi thit b u bc l m,
m riêng và khó khc phm ca nó. S tích hp ca GPS vi mt h
th nh v quán tính INS ci thin ch ng và khuy m ca tng h thng: S
d lch không (bias) cho các thit b quán tính, và INS có th
c s d ci thinh v và thu thp d liu ca máy thu GPS. Khi kt hp INS
và GPS và s dng b lc Kalman, chúng ta có th c c li ca INS và
GPS. i s dng bit thông tin v trí t.
3.1 Lý Thuyết
3.1.1 B lc Kalman
nh v ng chuyng s dng các công c tính toán d báo
m tip theo cng d s dng b lc Kalman. B lc Kalman
bao g i hiu qu ng thái ca
mt quá trình.
Mô hình ca b lc Kalman (Hình 6) bao gc sau [2]:
Bc d : trng thái tip theo ca h th c d báo bi các giá tr
c.
Bc cp nht: các trng thái hin ti ca h thi các s liu
c ti th
Hình 6. Thut toán Kalman c n.
15
Nâng cao chng h thng tích hp INS/GPS s dng b lc Kalman
Gi s b lc Kalman tuyn tính [6]:
(3.1)
: x
k
là vector trng thái ti thm
k
.
A
k,k-1
là ma trn chuy c (nxn);
G
k,k-1
là ma tru vào c (nxr);
w
k-1
là ma trn nhi c (rx1)
Vector ng có dng :
(3.2)
z
k
ng, c (mx1); H
k
là ma tr, c (mxn)
w và v có hàm phân b theo hàm Gauss vi trung bình bng 0 và ma trn hi
(covariance) lt là Q và R.
w~N(0,Q);
v~N(0,R);
Gi s x
k
-
và x
k
+
lt là tiên nghim và hu nghing cng
thái x ti thm k. t ma trn hii x
k
thì lc xác
e
k
= x
k
- x
k
-
(3.3)
Ma trn hi là :
P
k
= E(e
k
*e
k
T
) (3.4)
Giá tr cp nht trng thái x
k
ng :
x
k
+
= x
k
-
+ K
k
*(z
k
H
k
*x
k
-
) (3.5)
Vi K
k
khui Kalman c tính theo công thc sau:
(3.6)
Thay c :
P
k
= (I K
k
.H
k
).P
k
-
(3.7)
trình
= F.x +G.w (3.8)
16
Nâng cao chng h thng tích hp INS/GPS s dng b lc Kalman
Do h th nh v làm vic ch thi gian thc nên chúng ta chuy
trên v dng ri rc theo thi gian:
(3.9)
k
là ma trn chuyn, và có dng
(3.10)
Và ma trn hing sai liên quan ti w
k
s là :
thut toán Kalman (Hình 7) [7]:
Hình 7. tính toán vi b lc Kalman
17
Nâng cao chng h thng tích hp INS/GPS s dng b lc Kalman
3.1.2 H thng tích hp INS/GPS
Khi tích hp 2 h thng INS vi GPS, chúng ta có th s dng 2 mô hình kt hp:
c lng (Hình 8) và cht (Hình 9) c mô t [2].
Hình 8. c vòng h
Hình 9. INS/GPS theo c vòng kín
Trong lu s dng mô hình vòng h và dùng b l
ng li INS. L ng, có th bù cho h thng INS theo 2 kiu
Feedback (phn hi, kín) hay Feedforward (h) (Hình 10) [3].
INS
GPS
Kalman
Tín hiệu lí tưởng
+ nhiễu INS
Tín hiệu lí tưởng
+ nhiễu GPS
nhiễu INS
+
_
nhiễu GPS - nhiễu INS
lối ra được hiệu chỉnh
(a)
18
Nâng cao chng h thng tích hp INS/GPS s dng b lc Kalman
GPS
Bộ lọc
Kalman
Tín hiệu lí tưởng
+ nhiễu INS
Tín hiệu lí tưởng
+ nhiễu GPS
nhiễu INS
+
_
nhiễu GPS - nhiễu INS
lối ra được hiệu chỉnh
INS
(b)
Hình 10. Cu trúc theo kiu vòng h (a) và vòng kín (b)
3.2 Đề xuất của học viên
Trong mô hình li INS mc 2.4 , hc viên s dng
trình li INS này làm mô hình h thng và s dng 2 b lc Kalman song song, t
ra tính toán cho h thng tích hp INS/GPS c mô t Hình 11. Các d liu
thô t IMU cung cp, d lic tính toán theo thut toán SINS
s vn tc, v . Li vào ca kh chênh lch ca v trí và
vn tc gia INS và GPS. Li ra ca khng bao gm các thông s: li v trí, li
vn tc ng, các góc
E
,
N
,
Up
, và trôi c
(G
bx
, G
by
). Các li v trí và vn tc này bù cho h thng INS t qu v trí và
vn tc chính xác .
3.2.1 thut toán h thng tích hp INS/GPS