Tự hiệu chuẩn cảm biến và nâng cao độ chính xác của hệ thống dẫn đường cho các đối tượng chuyển động trên mặt đất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRIỆU VIỆT PHƯƠNG

TỰ HIỆU CHUẨN CẢM BIẾN VÀ NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA
HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG CHO CÁC ĐỐI TƯỢNG
CHUYỂN ĐỘNG TRÊN MẶT ĐẤT

LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội – 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRIỆU VIỆT PHƯƠNG

TỰ HIỆU CHUẨN CẢM BIẾN VÀ NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA
HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG CHO CÁC ĐỐI TƯỢNG
CHUYỂN ĐỘNG TRÊN MẶT ĐẤT

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Mã số:62520216

LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS NGUYỄN THỊ LAN HƯƠNG
2. PGS.TS TRỊNH QUANG THÔNG

Hà Nội – 2017


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, dựa trên những hướng dẫn
của PGS.TS Nguyễn Thị Lan Hương, PGS.TS Trịnh Quang Thông. Tất cả những tham
khảo, kế thừa đều được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ. Kết quả nghiên cứu là trung thực
và chưa từng công bố trên bất kỳ công trình nào khác.
Hà Nội, ngày 03 tháng 3 năm 2017
Người hướng dẫn khoa học

Nghiên cứu sinh

PGS.TS NGUYỄN THỊ LAN HƯƠNG

TRIỆU VIỆT PHƯƠNG

PGS.TS TRỊNH QUANG THÔNG

i


LỜI CẢM ƠN

Luận án này được thực hiện tại Bộ môn Kỹ thuật Đo & Tin học Công nghiệp – Viện
Điện – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS
Nguyễn Thị Lan Hương và PGS.TS Trịnh Quang Thông. Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng
biết ơn sâu sắc đến hai thầy cô đã hướng dẫn tận tình, hiệu quả trong suốt quá trình nghiên

cứu và thực hiện Luận án.
Nghiên cứu sinh cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới:
GS.TS Phạm Thị Ngọc Yến, PGS.TS Nguyễn Quốc Cường, Hội đồng khoa học và
các thầy cô trong Bộ môn Kỹ thuật Đo & Tin học Công nghiệp – Viện Điện – Trường Đại
học Bách khoa Hà Nội đã có những ý kiến đóng góp về khoa học, chuyên môn rất sâu sắc
đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh trong quá trình thực hiện Luận án.
Lãnh đạo, các cán bộ kỹ thuật trong Trung tâm Hợp tác Nghiên cứu Phát triển Công
nghệ Định vị Sử dụng Vệ tinh (NAVIS) – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội; các đồng
nghiệp trong phòng thí nghiệm Địa vật lý – Liên Đoàn Vật lý Địa chất; các đồng nghiệp
công tác tại phòng Đo lường Độ dài, phòng Đo lường Thời gian & Tần số, phòng Đo lường
Áp suất – Viện Đo lường Việt Nam đã tạo mọi điều kiện, hợp tác, nhiệt tình giúp đỡ để
nghiên cứu sinh thực nghiệm, đánh giá kết quả nghiên cứu của mình.
Lãnh đạo Viện Đo lường Việt Nam, Viện đào tạo Sau đại học – Trường Đại học
Bách Khoa Hà Nội đã tạo những điều kiện tốt nhất cho nghiên cứu sinh trong quá trình
thực hiện Luận án.
Cũng nhân dịp này, nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn với các thành viên trong gia
đình, anh em thân thiết, những người đã không quản ngại khó khăn, hết lòng giúp đỡ, động
viên, tạo điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian qua để nghiên cứu sinh có được cơ hội
hoàn thành tốt Luận án của mình.
Tác giả luận án

Triệu Việt Phương

ii


MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ....................................................... vi
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................. xii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ.......................................................................... xiii
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG QUÁN TÍNH ................ 5
1.1. Hệ dẫn đường quán tính ............................................................................................. 5
1.1.1. Các phương pháp dẫn đường ............................................................................... 5
1.1.2. Các đặc điểm cơ bản của hệ INS ......................................................................... 6
1.1.3. Cấu tạo của hệ INS .............................................................................................. 6
1.1.4. Phân loại hệ dẫn đường quán tính ....................................................................... 7
1.2. Cơ sở vật lý và toán học xác định vị trí vật thể chuyển động..................................... 8
1.2.1. Các hệ quy chiếu .................................................................................................. 8
1.2.2. Nguyên lý hoạt động của hệ INS Strapdown .................................................... 11
1.2.3. Các phương pháp chuyển hệ tọa độ ................................................................... 11
1.3. Các phương pháp nâng cao độ chính xác hệ INS ..................................................... 17
1.3.1. INS với hệ thống xác định góc định hướng dựa trên gia tốc trọng trường và từ
trường Trái đất ............................................................................................................. 18
1.3.2. INS với hệ thống GPS ....................................................................................... 19
1.4. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ........................................................................... 21
1.5. Tình hình nghiên cứu trong nước ............................................................................. 22
1.6. Kết luận chương 1 .................................................................................................... 23
CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP TỰ HIỆU CHUẨN CẢM BIẾN TRONG
HỆ INS ................................................................................................................................ 25
2.1. Cơ sở phép đo và đặc trưng cơ bản các cảm biến trong INS.................................... 25
2.1.1. Cảm biến gia tốc ................................................................................................ 25
2.1.2. Cảm biến vận tốc góc ........................................................................................ 27
2.1.3. Cảm biến từ trường ............................................................................................ 30
2.2. Hiệu chuẩn cảm biến gia tốc .................................................................................... 32
2.2.1. Mô hình sai số.................................................................................................... 33
2.2.2. Phương pháp tự hiệu chuẩn ............................................................................... 33
2.2.3. Quy trình tự hiệu chuẩn ..................................................................................... 38
2.3. Hiệu chuẩn cảm biến từ trường ................................................................................ 39

2.3.1. Mô hình sai số.................................................................................................... 39
iii


2.3.2. Phương pháp tự hiệu chuẩn ............................................................................... 40
2.3.3. Quy trình tự hiệu chuẩn ..................................................................................... 44
2.4. Hiệu chuẩn cảm biến vận tốc góc ............................................................................. 46
2.4.1. Mô hình sai số.................................................................................................... 46
2.4.2. Phương pháp tự hiệu chuẩn ............................................................................... 46
2.4.3. Quy trình tự hiệu chuẩn ..................................................................................... 49
2.5. Đề xuất quy trình tự hiệu chuẩn đồng thời cảm biến gia tốc, cảm biến từ trường,
cảm biến vận tốc góc ....................................................................................................... 49
2.6. Kết quả thử nghiệm .................................................................................................. 50
2.6.1. Cảm biến gia tốc ................................................................................................ 51
2.6.2. Cảm biến từ trường ............................................................................................ 58
2.6.3. Cảm biến vận tốc góc ........................................................................................ 65
2.7. Kết luận chương 2 .................................................................................................... 67
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG HỆ DẪN ĐƯỜNG QUÁN TÍNH........................................ 68
3.1. Phương trình xác định vị trí vật thể .......................................................................... 68
3.1.1. Phương trình xác định vị trí vật thể trong một hệ quy chiếu bất kỳ .................. 68
3.1.2. Phương trình xác định vị vật thể trong hệ e-frame ............................................ 70
3.2. Xác định ma trận chuyển vector từ hệ b-frame sang e-frame .................................. 72
3.2.1. Xác định ma trận chuyển vector từ n-frame sang e-frame ................................ 72
3.2.2. Xác định ma trận chuyển vector từ hệ b-frame sang n-frame ........................... 72
3.3. Thuật toán xác định vận tốc và vị trí của vật thể ...................................................... 81
3.4. Kết quả thử nghiệm xác định hướng, vận tốc, vị trí của hệ INS .............................. 82
3.4.1. Xác định tham số mô hình AR .......................................................................... 82
3.4.2. Thử nghiệm xác định hướng của hệ INS ........................................................... 83
3.4.3. Thử nghiệm xác định vận tốc, vị trí của hệ INS ................................................ 88
3.5. Kết luận chương 3 .................................................................................................... 93

CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG HỆ DẪN ĐƯỜNG KẾT HỢP INS/GPS ............................ 95
4.1. Tổng quan về định vị, dẫn đường sử dụng vệ tinh ................................................... 95
4.1.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ GPS ................................................... 95
4.1.2. Nguyên lý xác định vị trí vật thể trong hệ GPS ................................................. 96
4.2. Hệ dẫn đường kết hợp INS/GPS sử dụng cấu trúc ghép lỏng .................................. 99
4.2.1. Cấu trúc ghép lỏng INS/GPS ............................................................................. 99
4.2.2. Xây dựng bộ lọc Kalman cho hệ ghép lỏng INS/GPS....................................... 99
4.3. Kết quả thử nghiệm ................................................................................................ 102
4.3.1. Đường thẳng ít bị che chắn .............................................................................. 103
4.3.2. Đường cong ít bị che chắn ............................................................................... 107
4.3.3. Đường thẳng bị che chắn ................................................................................. 110
iv


4.4. Kết luận chương 4 .................................................................................................. 113
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................................................... 114
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 116
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ......................... 121
PHỤ LỤC A: Xác định góc định hướng của vật thể ở trạng thái đứng yên và Chuyển
đổi giữa các phương pháp chuyển hệ tọa độ ................................................................. 122
PHỤ LỤC B: Kết quả thử nghiệm tự hiệu chuẩn cảm biến gia tốc, cảm biến từ trường
........................................................................................................................................... 125
PHỤ LỤC C: Kết quả thử nghiệm hệ ghép lỏng INS/GPS trên cung đường bị che
chắn ................................................................................................................................... 136
PHỤ LỤC D: Lưu đồ thuật toán các phần mềm .......................................................... 138

v


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1. Các chữ viết tắt
Chữ viết
tắt
GNSS
GLONASS

Diễn giải
Global Navigation Satellite System - Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu
Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema - Hệ thống vệ tinh định vị
toàn cầu của Liên bang Nga

INS

Inertial Navigation System - Hệ thống dẫn đường quán tính

GPS

Global Positioning System - Hệ thống định vị toàn cầu

MEMS

Micro-Electro-Mechanical System - Hệ vi cơ điện tử

Baro

Barometer - Cảm biến áp suất khí quyển

IMU

Inertial Measurement Unit - Khối đo quán tính

AR

Auto-Regressive Model - Mô hình tự hồi quy

i-frame

Inertial Frame - Hệ quy chiếu quán tính

e-frame

Earth Frame - Hệ quy chiếu Trái đất

n-frame

Hệ quy chiếu địa lý

b-frame

Body Frame - Hệ quy chiếu vật thể

ENU

East North Up - Đông Bắc Hướng lên trên

NED

North East Down - Bắc Đông Hướng xuống dưới

DCM

Direction Cosine Matrix - Ma trận cosin chỉ phương

AMR

Anisotropic MagnetoResistance - Hiệu ứng từ trở dị hướng
vi


AHRS
MA
ARMA
CEP
PDOP

Attitude and Heading Reference System - Hệ xác định sự định hướng của vật
thể trong không gian
Moving Average Model - Mô hình trung bình động
Auto-Regressive - Moving Average Model - Mô hình kết hợp tự hồi quy và
trung bình động
Circular Error Probability - Xác xuất sai số vòng tròn
Position Delution Of Precision - Hệ số phân tán độ chính xác vị trí

2. Các ký hiệu
Nội dung, ý nghĩa

Ký hiệu
(xi, yi, zi)
e

Tọa độ của vật thể trong hệ quy chiếu quán tính Trái đất
Vận tốc góc của Trái đất

Đơn vị
m
rad/s

(xe, ye, ze)

Tọa độ của vật thể trong hệ quy chiếu Trái đất

m

h

Cao độ của vật thể trong hệ quy chiếu Trái đất

m

R0

Bán kính Trái đất

m

φ

Kinh độ của vật thể trong hệ quy chiếu Trái đất

rad

λ

Vĩ độ của vật thể trong hệ quy chiếu Trái đất

rad

fe

Vector gia tốc đo được xét trong e-frame

Cbe

Ma trận chuyển vector từ b-frame sang e-frame

fb

Vector gia tốc đo được xét trong b-frame

g

fn

Vector gia tốc đo được xét trong n-frame

g

Cbn

Ma trận chuyển vector từ b-frame sang n-frame

C ne

Ma trận chuyển vector từ n-frame sang e-frame

vii

g


C ab

Ma trận chuyển vector từ hệ tọa độ A bất kỳ sang hệ tọa độ
B bất kỳ

q

Vector quaternion biểu diễn sự định hướng của vật thể



Góc nghiêng (Roll)

rad



Góc ngẩng (Pitch)

rad



Góc hướng (Yaw)

rad

Gp

Vector gia tốc đo được bởi cảm biến gia tốc

g

Gr

Vector gia tốc trọng trường tại vị trí đặt cảm biến

g

Gm

Vector gia tốc chuyển động của cảm biến

g

Acc
WScale

Acc

WNonOrthog

Ma trận sai số tỷ lệ của cảm biến gia tốc
Ma trận sai số lệch trục của cảm biến gia tốc

V Acc

Vector sai số bias của cảm biến gia tốc

g

n Acc

Vector sai số ngẫu nhiên của cảm biến gia tốc

g

W Acc

Ma trận sai số tỷ lệ tổng hợp của cảm biến gia tốc

Rx ( )

Ma trận xoay quanh góc nghiêng của cảm biến

Ry ( )

Ma trận xoay quanh góc ngẩng của cảm biến

Rz ( )

Ma trận xoay quanh góc hướng của cảm biến

Acc
rbias

Vector sai số của cảm biến gia tốc sau khi loại bỏ sai số
bias

g

Acc
Pbias

Tổng bình phương sai số của cảm biến gia tốc sau khi loại
bỏ sai số bias

g2

G pv

Vector gia tốc đo được bởi cảm biến gia tốc sau khi loại bỏ
sai số bias

g

Acc
rscale

Vector sai số của cảm biến gia tốc sau khi loại bỏ sai số tỷ

lệ

g

viii


Acc
Pscale

Tổng bình phương sai số của cảm biến gia tốc sau khi loại
bỏ sai số tỷ lệ

g2

Hr

Vector từ trường Trái đất tại vị trí đặt cảm biến từ trường

gauss

Hp

Vector từ trường Trái đất đo được

gauss

Mag
VHard

Vector sai số Hard-iron của cảm biến từ trường

gauss

Mag
Vbias

Vector sai số bias của cảm biến từ trường

gauss

V Mag

Vector sai số bias tổng hợp của cảm biến từ trường

gauss

Mag
WSoft

Ma trận sai số Soft-iron của cảm biến từ trường

Mag
WNonOrthog

Ma trận sai số lệch trục của cảm biến từ trường

Mag
WScale

Ma trận sai số tỷ lệ của cảm biến từ trường

W Mag

Ma trận sai số tỷ lệ tổng hợp của cảm biến từ trường

nMag

Vector sai số ngẫu nhiên của cảm biến từ trường

gauss

Mag
rbias

Vector sai số của cảm biến từ trường sau khi loại bỏ sai số
bias

gauss

Mag
Pbias

Tổng bình phương sai số của cảm biến từ trường sau khi
loại bỏ sai số bias

gauss 2

H pv

Vector từ trường đo được bởi cảm biến từ trường sau khi
loại bỏ sai số bias

gauss

Mag
rscale

Vector sai số của cảm biến từ trường sau khi loại bỏ sai số
tỷ lệ

gauss

Mag
Pscale

Tổng bình phương sai số của cảm biến từ trường sau khi
loại bỏ sai số tỷ lệ

gauss 2

V Gyros

Vector sai số bias của cảm biến vận tốc góc

W Gyros

Vector sai số tỷ lệ của cảm biến vận tốc góc

nGyros

Vector sai số ngẫu nhiên của cảm biến vận tốc góc

 g

Góc quay của IMU xác định từ kết quả đo của cảm biến
vận tốc góc

ix

rad/s

rad/s
rad


 a &m

Góc quay của IMU xác định từ kết quả đo của cảm biến gia
tốc và cảm biến từ trường

rad

ai

Vector gia tốc chuyển động của vật thể xét trong i-frame

g

fi

Vector gia tốc đo được xét trong i-frame

g

gi

Vector gia tốc trọng trường xét trong i-frame

g

ri

Vector vị trí của vật thể xét trong i-frame

m

re

Vector vị trí của vật thể trong hệ e-frame

m

ve

Vector vận tốc chuyển động của vật thể trong hệ e-frame

ge

Gia tốc trọng trường tác động lên vật thể xét trong hệ eframe

g

ebb

Ma trận vận tốc góc giữa hệ b-frame và e-frame, xét trong
hệ b-frame

rad/s

ibb

Ma trận vận tốc góc giữa hệ b-frame và i-frame, xét trong
hệ b-frame

rad/s

C eb

Ma trận chuyển vector từ hệ e-frame sang b-frame

iee

Ma trận vận tốc góc giữa hệ e-frame và i-frame, xét trong
hệ e-frame

m/s

rad/s

T

Chu kỳ trích mẫu của cảm biến



Vận tốc góc thực của vật thể

rad/s

b

Vector vận tốc góc đo được từ cảm biến vận tốc góc

rad/s

bg

Vector sai số ngẫu nhiên còn lại trong kết quả đo của cảm
biến vận tốc góc sau khi lọc

rad/s

fn

Vector gia tốc trọng trường trong hệ n-frame

mb

Vector từ trường Trái đất đo được bởi cảm biến từ trường

gắn trên vật thể

gauss

mn

Vector từ trường Trái đất trong hệ n-frame

gauss

rGPe S

Vector vị trí vật thể xác định bằng GPS xét trong e-frame

x

s

g

m


e
vGP
S

Vector vận tốc vật thể xác định bằng GPS xét trong eframe

e

rINS

Vector vị trí vật thể xác định bằng INS xét trong e-frame

e
v INS

Vector vận tốc vật thể xác định bằng INS xét trong e-frame

 re

Sai số vị trí ước đoán của vật thể xét trong e-frame

 ve

Sai số vận tốc ước đoán của vật thể xét trong e-frame

Cˆ be

Ma trận chuyển vector từ b-frame sang e-frame ước đoán



Ma trận sai số góc định hướng của vật thể

m/s
m
m/s
m
m/s

rad

ibb

Ma trận sai số vận tốc góc đo được bởi cảm biến vận tốc
góc

rad/s

ibb

Vector sai số vận tốc góc đo được bởi cảm biến vận tốc
góc

rad/s



Vector sai số góc định hướng của vật thể

vˆ e

Gia tốc ước đoán của vật thể xét trong e-frame

g

vˆ e

Vận tốc ước đoán của vật thể xét trong e-frame

m/s

gˆ e

Giá trị gia tốc trọng trường ước đoán xét trong e-frame

g

 ve

Vector sai số gia tốc ước đoán của vật thể xét trong eframe

g

 re

Vector sai số vận tốc ước đoán của vật thể xét trong eframe

m/s

xi

rad


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 So sánh các phương pháp chuyển vector gia tốc từ hệ b-frame sang hệ n-frame 17
Bảng 2.1 Cảm biến gia tốc và ứng dụng.............................................................................. 27

Bảng 2.2 Cảm biến vận tốc góc và ứng dụng ...................................................................... 29
Bảng 2.3 Các đặc trưng cơ bản của cảm biến từ trường theo hiệu ứng Hall ....................... 32
Bảng 2.4 Đặc tính kỹ thuật cơ bản của khối IMU 3DM-GX3-35 ....................................... 51
Bảng 2.5 Kết quả đánh giá tỷ số En cảm biến gia tốc trước hiệu chuẩn ............................. 52
Bảng 2.6 Giá trị sai số xác định được từ các bộ số liệu đã thu thập .................................... 53
Bảng 2.7 Kết quả đánh giá tỷ số En cảm biến gia tốc sau hiệu chuẩn ................................ 55
Bảng 2.8 Độ lệch chuẩn của kết quả đo gia tốc trước và sau hiệu chuẩn ............................ 56
Bảng 2.9 Tổng bình phương sai số trước và sau hiệu chuẩn của cảm biến gia tốc ............. 56
Bảng 2.10 Một vài thông số kỹ thuật của hệ thống chuẩn rung Type 3629 ........................ 57
Bảng 2.11 Sai số cảm biến gia tốc trước và sau hiệu chuẩn tại Viện Đo lường Việt Nam . 57
Bảng 2.12 Tổng bình phương sai số sau hiệu chuẩn cảm biến gia tốc ................................ 58
Bảng 2.13 Kết quả đánh giá tỷ số En cảm biến từ trường trước hiệu chuẩn ....................... 60
Bảng 2.14 Sai số bias và sai số tỷ lệ xác định được từ các bộ số liệu đã thu thập .............. 60
Bảng 2.15 Một vài thông số kỹ thuật của thiết bị đo MINIMAG ....................................... 61
Bảng 2.16 Kết quả đánh giá tỷ số En cảm biến từ trường sau hiệu chuẩn .......................... 63
Bảng 2.17 Độ lệch chuẩn của kết quả đo từ trường Trái đất trước và sau hiệu chuẩn ........ 63
Bảng 2.18 Kết quả đo từ trường Trái đất bằng thiết bị MINIMAG .................................... 63
Bảng 2.19 Tổng bình phương sai số trước và sau hiệu chuẩn của cảm biến từ trường ....... 64
Bảng 2.20 Tổng bình phương sai số sau hiệu chuẩn cảm biến từ trường............................ 65
Bảng 2.21 Sai số, độ chính xác xác định sai số tỷ lệ của trục X cảm biến vận tốc góc ...... 66
Bảng 2.22 Sai số, độ chính xác xác định sai số tỷ lệ của trục Y cảm biến vận tốc góc ...... 66
Bảng 2.23 Sai số, độ chính xác xác định sai số tỷ lệ của trục Z cảm biến vận tốc góc ....... 66
Bảng 3.1 Dải tần của tín hiệu sau khi lọc tương ứng với bậc của biến đổi wavelet ............ 77
Bảng 3.2 Bậc thích hợp nhất cho biến đổi wavelet với một vài tần số lấy mẫu khác nhau 78
Bảng 3.3 Độ chính xác và bậc của mô hình AR (đơn vị: %) .............................................. 83
Bảng 3.4 Các tham số của mô hình AR bậc 2 ..................................................................... 83
Bảng 3.5 Sai số trung bình góc nghiêng của hệ AHRS ....................................................... 88
Bảng 3.6 Sai số trung bình góc ngẩng của hệ AHRS .......................................................... 88
Bảng 3.7 Sai số trung bình góc hướng của hệ AHRS ......................................................... 88
Bảng 3.8 Sai số vận tốc và vị trí của hệ INS trong trường hợp đứng yên ........................... 89

Bảng 3.9 Độ chính xác đo của bộ thu CW46 ...................................................................... 90
Bảng 3.10 Sai lệch vị trí quỹ đạo chuyển động thẳng ......................................................... 91
Bảng 3.11 Sai lệch vị trí quỹ đạo chuyển động có rẽ hướng ............................................... 93
Bảng 4.1 Đặc tính kỹ thuật của bộ thu GPS trong khối 3DM-GX3-35 ............................. 102
Bảng 4.2 Sai số vận tốc trung bình với các chu kỳ cập nhật GPS khác nhau ................... 105
Bảng 4.3 Sai số vị trí trung bình với các chu kỳ cập nhật GPS khác nhau ....................... 107
Bảng 4.4 Sai số vị trí trung bình trong chuyển động cong ít bị che chắn .......................... 109

xii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Nguyên lý xác định vị trí trong phương pháp dẫn đường quán tính....................... 6
Hình 1.2 Cấu tạo hệ dẫn đường quán tính ............................................................................. 6
Hình 1.3 Cấu tạo khối đo lường quán tính ............................................................................ 7
Hình 1.4 Cấu trúc hệ dẫn đường quán tính Gimbal ............................................................... 7
Hình 1.5 Cấu trúc hệ dẫn đường quán tính Strapdown ......................................................... 8
Hình 1.6 Các hệ quy chiếu sử dụng trong dẫn đường quán tính ........................................... 9
Hình 1.7 Minh họa hệ quy chiếu vật thể.............................................................................. 10
Hình 1.8 Nguyên lý xác định vị trí của hệ INS Strapdown ................................................. 11
Hình 1.9 Sự thay đổi của vector gia tốc khi vật thể chuyển động ....................................... 12
Hình 1.10 Nguyên lý chuyển hệ tọa độ bằng phương pháp DCM ...................................... 13
Hình 1.11 Nguyên lý chuyển hệ tọa độ sử dụng phương pháp góc Euler ........................... 14
Hình 1.12 Định nghĩa các góc Euler sử dụng trong nghiên cứu.......................................... 17
Hình 1.13 Nguyên lý kết hợp hệ INS với các hệ thống khác .............................................. 18
Hình 1.14 Cấu trúc hệ kết hợp INS/GPS ghép lỏng ............................................................ 20
Hình 1.15 Cấu trúc hệ kết hợp INS/GPS ghép chặt ............................................................ 20
Hình 1.16 Cấu trúc hệ kết hợp INS/GPS ghép siêu chặt ..................................................... 20
Hình 2.1 Mô hình tương đương của cấu trúc cảm biến gia tốc ........................................... 26

Hình 2.2 Cách xác định gia tốc và lực Coriolis ................................................................... 28
Hình 2.3 Nguyên lý cấu trúc và hoạt động của cảm biến vận tốc góc ................................ 28
Hình 2.4 (a)-cực từ trường và địa cực Trái đất; (b)-từ trường Trái đất trong hệ tọa độ X, Y,
Z ........................................................................................................................................... 30
Hình 2.5 Nguyên lý cơ sở của hiệu ứng Hall ...................................................................... 30
Hình 2.6 Quỹ tích kết quả đo của cảm biến gia tốc ............................................................. 34
Hình 2.7 Các sự định hướng của cảm biến gia tốc trong quá trình tự hiệu chuẩn .............. 38
Hình 2.8 Quy trinh tự hiệu chuẩn cảm biến gia tốc ............................................................. 39
Hình 2.9 Quỹ tích kết quả đo của cảm biến từ trường......................................................... 41
Hình 2.10 Các sự định hướng của cảm biến từ trường trong quá trình tự hiệu chuẩn ........ 45
Hình 2.11 Quy trình tự hiệu chuẩn cảm biến từ trường ...................................................... 45
Hình 2.12 Nguyên lý xác định trực tiếp sai số tỷ lệ của cảm biến vận tốc góc ................... 47
Hình 2.13 Nguyên lý xác định gián tiếp sai số tỷ lệ của cảm biến vận tốc góc .................. 47
Hình 2.14 Quy trình tự hiệu chuẩn cảm biến vận tốc góc ................................................... 49
Hình 2.15 Quy trình tự hiệu chuẩn đồng thời các cảm biến ................................................ 50
Hình 2.16 Khối IMU 3DM-GX3-35.................................................................................... 50
Hình 2.17 Kết quả đo lần 1 của cảm biến gia tốc ................................................................ 52
Hình 2.18 Kết quả đo lần 2, 3, 4, 5 của cảm biến gia tốc .................................................... 52
Hình 2.19 Kết quả đo lần 1 của cảm biến gia tốc trước hiệu chuẩn .................................... 54
Hình 2.20 Kết quả đo lần 2, 3, 4, 5 của cảm biến gia tốc trước hiệu chuẩn ........................ 54
Hình 2.21 Kết quả đo lần 1 của cảm biến gia tốc sau hiệu chuẩn ....................................... 55
Hình 2.22 Kết quả đo lần 2,3,4,5 của cảm biến gia tốc sau hiệu chuẩn .............................. 55
Hình 2.23 Kết quả đo lần 1 của cảm biến từ trường ............................................................ 59
Hình 2.24 Kết quả đo lần 2,3,4,5 của cảm biến từ trường .................................................. 59
Hình 2.25 Kết quả đo lần 1 của cảm biến từ trường trước hiệu chuẩn ................................ 61
Hình 2.26 Kết quả đo lần 2, 3, 4, 5 của cảm biến từ trường trước hiệu chuẩn .................... 62
Hình 2.27 Kết quả đo lần 1 của cảm biến từ trường sau hiệu chuẩn ................................... 62
xiii

Hình 2.28 Kết quả đo lần 2, 3, 4, 5 của cảm biến từ trường sau hiệu chuẩn ....................... 62
Hình 3.1 Nguyên lý xác định hướng, vận tốc, vị trí vật thể trong hệ e-frame .................... 71
Hình 3.2 Quá trình thực hiện của bộ lọc Kalman tuyến tính ............................................... 75
Hình 3.3 Nguyên lý hoạt động của bộ lọc sử dụng biến đổi wavelet .................................. 77
Hình 3.4 Kết quả xác định góc nghiêng .............................................................................. 84
Hình 3.5 Kết quả xác định góc ngẩng ................................................................................. 84
Hình 3.6 Kết quả xác định góc hướng ................................................................................. 84
Hình 3.7 Sai số xác định góc nghiêng theo phương pháp đề xuất....................................... 85
Hình 3.8 Sai số xác định góc ngẩng theo phương pháp đề xuất .......................................... 85
Hình 3.9 Sai số xác định góc hướng theo phương pháp đề xuất ......................................... 85
Hình 3.10 Góc nghiêng xác định theo phương pháp mô hình hóa sai số ngẫu nhiên bằng
mô hình Gauss-Markov bậc 1 và từ bàn xoay Tamagawa................................................... 86
Hình 3.11 Góc ngẩng xác định theo phương pháp mô hình hóa sai số ngẫu nhiên bằng mô
hình Gauss-Markov bậc 1 và từ bàn xoay Tamagawa ......................................................... 86
Hình 3.12 Góc hướng xác định theo phương pháp mô hình hóa sai số ngẫu nhiên bằng mô
hình Gauss-Markov bậc 1 và từ bàn xoay Tamagawa ......................................................... 86
Hình 3.13 Sai số xác định góc nghiêng theo phương pháp mô hình hóa sai số ngẫu nhiên
bằng mô hình Gauss-Markov bậc 1 ..................................................................................... 87
Hình 3.14 Sai số xác định góc ngẩng theo phương pháp mô hình hóa sai số ngẫu nhiên
bằng mô hình Gauss-Markov bậc 1 ..................................................................................... 87
Hình 3.15 Sai số xác định góc hướng theo phương pháp mô hình hóa sai số ngẫu nhiên
bằng mô hình Gauss-Markov bậc 1 ..................................................................................... 87
Hình 3.16 Sai số vận tốc của hệ INS trong trường hợp đứng yên ....................................... 89
Hình 3.17 Sai số vị trí của hệ INS trong trường hợp đứng yên ........................................... 89
Hình 3.18 Kết quả thử nghiệm quỹ đạo chuyển động thẳng. .............................................. 90
Hình 3.19 Sai lệch vị trí quỹ đạo chuyển động thẳng.......................................................... 91
Hình 3.20 Quỹ đạo chuyển động có rẽ hướng ..................................................................... 92
Hình 3.21 Sai lệch vị trí giữa quỹ đạo xác định từ hệ INS đề xuất và giữa hệ INS truyền
thống với hệ GPS ................................................................................................................. 92
Hình 4.1 Mô hình kết hợp INS-GPS theo cấu trúc ghép lỏng sử dụng bộ lọc Kalman....... 99

Hình 4.2 Số lượng vệ tinh thu được trong quá trình thử nghiệm ...................................... 103
Hình 4.3 Hệ số phân tán độ chính xác vị trí trong quá trình thử nghiệm .......................... 103
Hình 4.4 Góc ngẩng của vệ tinh trong quá trình thử nghiệm ............................................ 103
Hình 4.5 Vận tốc xác định từ hệ ghép lỏng INS/GPS đề xuất với chu kỳ cập nhật GPS 1s
và vận tốc xác định bằng GPS ........................................................................................... 104
Hình 4.6 Sai số xác định vận tốc trong chuyển động thẳng ít bị che chắn của hệ ghép lỏng
INS/GPS ............................................................................................................................ 104
Hình 4.7 Quỹ đạo chuyển động trên đường thẳng ít bị che chắn ...................................... 105
Hình 4.8 Quỹ đạo chuyển động thẳng ít bị che chắn trên Google Map ............................ 106
Hình 4.9 Sai số xác định vị trí trong chuyển động thẳng ít bị che chắn của hệ ghép lỏng
INS/GPS ............................................................................................................................ 106
Hình 4.10 Số lượng vệ tinh thu được trong quá trình thử nghiệm trên cung đường cong 108
Hình 4.11 Hệ số phân tán độ chính xác vị trí trong quá trình thử nghiệm trên cung đường
cong ................................................................................................................................... 108
Hình 4.12 Góc ngẩng vệ tinh trong quá trình thử nghiệm trên cung đường cong ............. 108
Hình 4.13 Quỹ đạo chuyển động trên đường cong ít bị che chắn ..................................... 109
Hình 4.14 Quỹ đạo chuyển động cong ít bị che chắn trên Google Map ........................... 109
Hình 4.15 Số lượng vệ tinh thu được trong quá trình thử nghiệm .................................... 110
Hình 4.16 Hệ số phân tán độ chính xác vị trí trong quá trình thử nghiệm ........................ 110
Hình 4.17 Quỹ đạo chuyển động thẳng bị che chắn hướng Hà Đông – Ngã Tư Sở ......... 111
xiv


Hình 4.18 Quỹ đạo chuyển động thẳng bị che chắn hướng Hà Đông – Ngã Tư Sở trên
Google Map ....................................................................................................................... 111
Hình 4.19 Quỹ đạo chuyển động thẳng bị che chắn theo hướng Ngã Tư Sở - Hà Đông .. 112
Hình 4.20 Quỹ đạo chuyển động thẳng bị che chắn hướng Ngã Tư Sở - Hà Đông trên
Google Map ....................................................................................................................... 112

xv

MỞ ĐẦU

Định vị và dẫn đường có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực đời sống xã hội, kinh tế
– kỹ thuật, đặc biệt trong giao thông vận tải, hàng không vũ trụ, quân sự. Trong giao thông
vận tải, định vị và dẫn đường chính xác, có đồng bộ giữa các phương tiện tham gia giao
thông giúp giải quyết các vấn đề bức bối hiện nay như ùn tắc, tai nạn giao thông, quản lý
các phương tiện giao thông. Không chỉ vậy, định vị và dẫn đường chính xác còn là tiền đề
để phát triển các phương tiện giao thông tự hành, phát triển các hệ thống giao thông thông
minh, góp phần nâng cao chất lượng đời sống xã hội. Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ,
định vị và dẫn đường chính xác là yêu cầu bắt buộc. Định vị và dẫn đường chính xác giúp
điều khiển chính xác hoạt động của các thiết bị bay, vệ tinh nhân tạo, tàu vũ trụ, tạo điều
kiện thuận lợi cho giao thông hàng không, hệ thống thông tin liên lạc qua vệ tinh, các hoạt
động nghiên cứu Trái đất, môi trường, tìm kiếm cứu nạn, nghiên cứu không gian. Trong
lĩnh vực quân sự, định vị và dẫn đường chính xác giúp nâng cao hiệu quả trong việc điều
động lực lượng, nâng cao hiệu quả của các trang thiết bị, khí tài quân sự trong tác chiến, từ
đó góp phần hạn chế thiệt hại về người và vật chất.
Trong quá trình phát triển, con người đã sáng tạo ra nhiều phương pháp dẫn đường khác
nhau: dẫn đường bằng mục tiêu, dẫn đường bằng thiên văn học, dẫn đường dự đoán, dẫn
đường bằng sóng vô tuyến, dẫn đường quán tính. Đối với các đối tượng chuyển động trên
mặt đất, phương pháp dẫn đường phổ biến nhất hiện nay là dẫn đường bằng sóng vô tuyến
dựa trên các hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (Global Navigation Satellite System GNSS) như GPS (Global Positioning System) của Mỹ, Galileo của Liên minh Châu Âu,
GLONASS (Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema) của Nga, BeiDou của
Trung Quốc…Các hệ thống GNSS dựa vào sóng vô tuyến để xác định vị trí và đặc điểm
chuyển động của vật thể (đối tượng chuyển động) với ưu điểm là có độ chính xác tương đối
cao, ổn định trong thời gian dài. Tuy nhiên, do sử dụng sóng vô tuyến nên có những hạn
chế như nhạy với nhiễu điện từ, chịu ảnh hưởng của các yếu tố khí hậu, thời tiết, địa hình,
tốc độ cung cấp thông tin chậm, độ chính xác thấp trong các khu vực bị che chắn.
Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, hoạt động dẫn đường đã có được

những bước tiến đáng kể, đó là sự ra đời của hệ dẫn đường quán tính - INS (Inertial
Navigation System). Ưu điểm của hệ INS là khả năng hoạt động độc lập trong mọi điều
kiện khí hậu, thời tiết, địa hình, cung cấp thông tin về vị trí, đặc điểm chuyển động của vật
thể một cách tức thời và liên tục. Đặc biệt, thời gian gần đây, các thành tựu công nghệ mới
nhất về linh kiện vi cơ điện tử (Micro-Electro-Mechanical System - MEMS) đã được ứng
dụng, tạo ra bước đột phá mới trong lĩnh vực kỹ thuật này. Những cảm biến quán tính
MEMS có độ chính xác cao, kích thước nhỏ, khối lượng nhẹ đã giúp thu nhỏ kích thước và
khối lượng của một hệ INS, trong khi độ chính xác và tin cậy thì không ngừng được cải
thiện. Tuy nhiên, hệ INS tồn tại hạn chế là có sai số tích lũy theo thời gian, dẫn tới hệ chỉ
cho thông tin chính xác trong một khoảng thời gian ngắn. Để nâng cao độ chính xác của hệ
INS, cần thiết phải áp dụng nhiều kỹ thuật bù trừ sai số khác nhau, phổ biến là kết hợp hệ
INS với các hệ thống khác. Điển hình trong số đó là các hệ kết hợp INS/GNSS (như
INS/GPS, INS/Galileo), INS/Baro hoặc INS/GNSS/Baro. Các hệ dẫn đường kết hợp như
trên cho phép phát huy ưu điểm, đồng thời hạn chế nhược điểm của từng hệ riêng rẽ. Các
hệ dẫn đường kết hợp xây dựng trên hệ INS chính xác cao, tốc độ cập nhật thông tin nhanh
có giá thành rất cao, chủ yếu được ứng dụng trong lĩnh vực quân sự, hàng không - vũ trụ, ít
được ứng dụng trong định vị, dẫn đường cho các đối tượng chuyển động mặt đất. Trong
1


khi đó, nhu cầu định vị và dẫn đường chính xác cho các đối tượng chuyển động mặt đất
ngày càng tăng. Các đối tượng chuyển động mặt đất chủ yếu di chuyển trên các địa hình
bằng phẳng, ít có sự thay đổi bất thường về độ cao, với đặc thù số lượng phương tiện lớn,
khoảng cách giữa các đối tượng khi di chuyển nhỏ, yêu cầu về thông tin cung cấp phải liên
tục, độ chính xác xác định vị trí cao. Vì vậy xây dựng hệ dẫn đường kết hợp INS/GNSS
(phổ biến là INS/GPS) giá thành phải rẻ, dễ dàng triển khai lắp đặt cho đối tượng chuyển
động mặt đất là phù hợp. Tuy nhiên, giá thành rẻ dẫn tới độ chính xác của hệ thống không
cao. Do đó, cần thiết phải nâng cao độ chính xác, tin cậy của hệ thống kết hợp này.
Để nâng cao độ chính xác có thể tập trung vào: nâng cao thuật toán kết hợp thông tin;
nâng cao độ chính xác hệ INS; nâng cao độ chính xác hệ GPS. Việc nâng cao độ chính xác,

tin cậy của hệ GPS đã được nghiên cứu nhiều trên thế giới. Tuy nhiên, đây chỉ là các
nghiên cứu riêng rẽ về GPS, ít được đánh giá trong hệ kết hợp INS/GPS. Ngoài ra, với các
nước như Việt Nam thì việc phụ thuộc công nghệ nước ngoài cũng là trở ngại lớn khi
nghiên cứu nâng cao độ chính xác hệ GPS. Các thuật toán kết hợp thông tin hiện nay cũng
rất đa dạng, đáp ứng tốt về tính ổn định và tin cậy. Đối với hệ INS, độ chính xác của cảm
biến có vai trò quyết định, ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác xác định vị trí của đối
tượng chuyển động. Các nghiên cứu liên quan đến độ chính xác cảm biến trong hệ INS chủ
yếu tập trung xử lý sai số đơn lẻ cho từng cảm biến, các phương pháp đã đưa ra chưa phù
hợp với đặc thù của các đối tượng chuyển động mặt đất như: di chuyển liên tục, yêu cầu
thao tác lắp đặt, vận hành đơn giản, dễ dàng, thường xuyên phải hiệu chuẩn lại.
Ở Việt Nam hiện nay, nhu cầu định vị và dẫn đường chính xác cho đối tượng chuyển
động trên mặt đất, ứng dụng trong quản lý phương tiện giao thông, giải quyết ùn tắc, hạn
chế tai nạn giao thông đang trở nên cấp thiết. Nhiều hệ thống giám sát hành trình, giám sát
phương tiện vận tải dựa trên các hệ GNSS đã được một số doanh nghiệp triển khai. Tuy
nhiên, do đặc thù của hệ GNSS, nên các hệ thống này chưa đáp ứng được yêu cầu mong
đợi. Cụ thể, thông tin vận tốc, vị trí bị gián đoạn khi phương tiện di chuyển vào khu vực
không có tín hiệu vệ tinh, khu vực có các công trình cao tầng, đường hầm…Các hệ dẫn
đường kết hợp xây dựng trên nền tảng hệ INS MEMS giá rẻ cũng đã được một số nhà khoa
học, các đơn vị khoa học trong nước đầu tư nghiên cứu. Tuy nhiên, số lượng nghiên cứu
còn ít, và mỗi nghiên cứu đều dừng lại ở một mức độ thành công nhất định, chủ yếu tập
trung theo hướng tiếp cận lý thuyết, nghiên cứu các cấu trúc, giải pháp kết hợp thông tin
giữa INS và GNSS (chủ yếu là GPS) mà chưa tập trung vào nâng cao độ chính xác của
từng hệ thống, đặc biệt là hệ INS, chưa đưa ra được phương pháp đánh giá, xử lý sai số
phù hợp với đặc tính của cảm biến và ứng dụng thực tiễn.
Có thể thấy, quá trình dẫn đường bao gồm hai giai đoạn: định vị (xác định vị trí) và dẫn
đường. Giai đoạn định vị có nhiệm vụ xác định các đặc điểm chuyển động của vật thể như
hướng, vận tốc, vị trí. Giai đoạn dẫn đường thực hiện xử lý các thông tin thu được từ giai
đoạn định vị, từ đó điều khiển vật thể chuyển động theo quỹ đạo mong muốn. Rõ ràng,
định vị chính xác là tiền đề để xây dựng hệ thống dẫn đường chính xác. Trong khuôn khổ
của luận án, các nghiên cứu tập trung vào giai đoạn định vị nhằm xây dựng hệ thống có

khả năng xác định chính xác hướng, vận tốc, vị trí nhằm phục vụ dẫn đường cho các đối
tượng chuyển động trên mặt đất như: con người, rô bốt, phương tiện tham gia giao thông…
giải quyết các vấn đề cấp thiết đã phân tích ở trên. Vì vậy ý nghĩa của thuật ngữ “dẫn
đường” dừng ở mức xác định chính xác vị trí.
Mục đích nghiên cứu:
Nâng cao độ chính xác xác định vị trí của hệ dẫn đường quán tính sử dụng các cảm biến
MEMS thương mại giá rẻ. Từ cơ sở hệ INS đã cải thiện, xây dựng hệ dẫn đường kết hợp
INS/GPS giá rẻ, chất lượng cao phục vụ dẫn đường các đối tượng chuyển động trên mặt
đất. Làm chủ được công nghệ tích hợp, xây dựng được hệ thống dẫn đường kết hợp có độ
2


tin cậy, chính xác cao, áp dụng trong quản lý giao thông vận tải, hỗ trợ quản lý nhà nước
về đo lường đối với hoạt động thanh, kiểm tra phát hiện gian lận trong kinh doanh vận tải
taxi phù hợp với điều kiện trong nước.
Đối tượng nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu chính của luận án gồm:
- Phương pháp, quy trình tự hiệu chuẩn các cảm biến phù hợp với mục đích và đối
tượng áp dụng của nghiên cứu thông qua việc phân tích đánh giá kết quả đo của khối đo
lường quán tính (Inertial Measurement Unit - IMU).
- Phương pháp kết hợp kết quả đo của cảm biến gia tốc, cảm biến vận tốc góc, cảm biến
từ trường, nâng cao độ chính xác xác định góc định hướng, từ đó cải thiện độ chính xác xác
định vị trí của hệ INS.
- Hệ dẫn đường kết hợp INS/GPS phục vụ dẫn đường các đối tượng chuyển động trên
mặt đất trên cơ sở hệ INS đã được cải thiện độ chính xác thông qua tự hiệu chuẩn các cảm
biến trong khối IMU và xác định chính xác góc định hướng.
- Các thử nghiệm hệ thống dẫn đường kết hợp INS/GPS có khả năng ứng dụng trong
thực tế.
Phương pháp nghiên cứu:
Phương pháp nghiên cứu được lựa chọn là kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu lý thuyết

và thực nghiệm, nghiên cứu từ tổng quan đến chi tiết, tìm hiểu, kế thừa các kết quả nghiên
cứu đã được công bố.
Ý nghĩa thực tiễn:
Việc làm chủ được công nghệ cao, nâng cao độ chính xác, tin cậy của các phép đo vận
tốc, vị trí (quãng đường di chuyển) đối tượng chuyển động, giúp hạn chế nhập khẩu thiết
bị, góp phần hỗ trợ quản lý phương tiện giao thông, an toàn giao thông, hỗ trợ quản lý vận
tải, mở ra khả năng xây dựng các hệ thống giao thông thông minh. Ngoài ra, hệ thống xây
dựng được trên cơ sở những đề xuất của luận án còn có khả năng ứng dụng trong công
nghiệp chế tạo rô bốt, ô tô, thiết bị tự hành với chất lượng cao, giá thành thấp. Kết quả
nghiên cứu của luận án cũng làm tiền đề tiến tới chế tạo thiết bị nhỏ gọn, dễ triển khai lắp
đặt, góp phần hỗ trợ quản lý nhà nước về đo lường đối với hoạt động thanh, kiểm tra phát
hiện gian lận trong kinh doanh vận tải taxi khi có được công cụ đo vận tốc, quãng đường
chính xác, độc lập với thông tin cung cấp từ công tơ mét của xe ô tô.
Ý nghĩa khoa học:
Luận án đã đưa ra được phương pháp mới xác định các giá trị sai số hệ thống của cảm
biến gia tốc, cảm biến từ trường, cảm biến vận tốc góc, phù hợp với điều kiện thực tế sử
dụng trong nước. Xây dựng được thuật toán kết hợp thông tin từ nhiều cảm biến, cải thiện
độ chính xác xác định góc định hướng, vận tốc, vị trí của đối tượng chuyển động, tiếp cận
và từng bước làm chủ công nghệ cao của thế giới.
Những đóng góp của luận án:
Luận án đã có những đóng góp sau:
- Dựa trên phương pháp tự hiệu chuẩn, đề xuất phương pháp mới xác định các giá trị sai
số hệ thống của cảm biến gia tốc và cảm biến từ trường, cảm biến vận tốc góc trong hệ dẫn
đường quán tính. Xây dựng quy trình tự hiệu chuẩn đồng thời cảm biến gia tốc, cảm biến
từ trường, cảm biến vận tốc góc.

3


- Đề xuất phương pháp xác định các góc định hướng của vật thể trong không gian sử

dụng bộ lọc Kalman mở rộng kết hợp mô hình hóa sai số ngẫu nhiên bằng mô hình tự hồi
quy (Auto-Regressive Model – AR).
Bố cục luận án:
Luận án bao gồm phần mở đầu, 4 chương nội dung, kết luận và kiến nghị:
Chương 1 (Tổng quan về hệ thống dẫn đường quán tính), trình bày tổng quan về hệ
thống dẫn đường quán tính, cơ sở vật lý và toán học xác định vị trí vật thể chuyển động.
Kết hợp việc trình bày tổng quan với phân tích ưu nhược điểm của hệ INS, tình hình
nghiên cứu trong và ngoài nước về hệ dẫn đường các đối tượng chuyển động trên mặt đất.
Qua phân tích ưu nhược điểm của hệ dẫn đường xây dựng trên cơ sở hệ INS, đưa ra các
định hướng nội dung nghiên cứu của luận án.
Chương 2 (Xây dựng phương pháp tự hiệu chuẩn cảm biến trong hệ INS), trình bày
nguyên lý hoạt động, cấu trúc, đặc tính cảm biến trong INS, mô hình sai số của cảm biến
gia tốc, cảm biến từ trường, cảm biến vận tốc góc. Dựa trên phương pháp tự hiệu chuẩn, đề
xuất phương pháp mới xác định các giá trị sai số hệ thống và quy trình tự hiệu chuẩn đồng
thời cho cảm biến gia tốc, cảm biến từ trường, cảm biến vận tốc góc. Đánh giá độ chính
xác, tin cậy của phương pháp đề xuất.
Chương 3 (Xây dựng hệ dẫn đường quán tính), trình bày đề xuất phương pháp và kết
quả thử nghiệm xác định các góc định hướng của vật thể trong không gian từ kết quả đo
của cảm biến gia tốc, cảm biến vận tốc góc, cảm biến từ trường sử dụng bộ lọc Kalman mở
rộng kết hợp mô hình hóa sai số ngẫu nhiên bằng mô hình tự hồi quy. Xây dựng hệ INS (hệ
INS đề xuất) trên cơ sở tự hiệu chuẩn các cảm biến của IMU, cải thiện độ chính xác xác
định góc định hướng. Trình bày phương pháp và kết quả thử nghiệm xác định vận tốc, vị
trí vật thể của hệ INS đề xuất.
Chương 4 (Xây dựng hệ dẫn đường kết hợp INS/GPS), trình bày tổng quan về định vị
và dẫn đường sử dụng GPS. Xây dựng hệ kết hợp INS/GPS phục vụ dẫn đường các đối
tượng chuyển động mặt đất trên cơ sở hệ INS đề xuất. Chương này cũng trình bày phương
pháp và kết quả thử nghiệm hệ dẫn đường INS/GPS theo cấu trúc ghép lỏng sử dụng bộ lọc
Kalman nhằm kiểm nghiệm lại hệ INS đã xây dựng được tại chương 3.
Kết luận và kiến nghị: tóm tắt những kết quả đạt được và những đóng góp mới của luận
án trong lĩnh vực chuyên ngành, bàn luận về khả năng ứng dụng thực tế và kiến nghị cho

các hướng phát triển của đề tài.

4


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG
QUÁN TÍNH

Chương này trình bày tổng quan, cơ sở vật lý và toán học xác định vị trí vật thể chuyển
động trong hệ INS, tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước về các hệ thống dẫn
đường xây dựng trên cơ sở hệ INS. Phân tích, tổng hợp các nhận định về ưu nhược điểm
của các phương pháp cải thiện độ chính xác xác định vị trí hệ INS, phương pháp xây dựng
hệ kết hợp INS/GPS. Từ các phân tích đưa ra định hướng nghiên cứu chính của luận án.

1.1. Hệ dẫn đường quán tính
1.1.1. Các phương pháp dẫn đường
Dẫn đường là một hoạt động cần thiết, có mục đích định hướng, chỉ dẫn, điều khiển các
vật thể chuyển động theo quỹ đạo mong muốn. Đối tượng của dẫn đường rất đa dạng từ xe
cộ lưu thông trên đường, tàu thuyền hoạt động ngoài khơi xa, đến máy bay chở khách dân
dụng hoặc quân sự, đường bay của các loại tên lửa đạn đạo, đồ chơi giải trí cao cấp.
Dựa trên đối tượng được dẫn đường, có thể chia thành 4 loại:
 Dẫn đường mặt đất: đối tượng là ô tô, xe máy, con người…
 Dẫn đường hàng hải: đối tượng là tàu thủy, tàu ngầm…
 Dẫn đường hàng không: đối tượng là máy bay, trực thăng, khinh khí cầu…
 Dẫn đường không gian: đối tượng là tàu vũ trụ, tên lửa đạn đạo…
Hoạt động dẫn đường đã được con người thực hiện ngay từ giai đoạn phát triển sơ khai
ban đầu. Qua quá trình phát triển lâu dài, đến nay con người đã sáng tạo ra 5 phương pháp
dẫn đường [3], đó là:
 Dẫn đường bằng mục tiêu: là phương pháp dựa vào những mục tiêu nhìn thấy để xác
định vị trí của vật thể, từ đó điều khiển chuyển động của vật thể. Những mục tiêu nhìn thấy

có thể là đỉnh núi, hải đăng, chập tiêu, biển báo…Phương pháp dẫn đường bằng mục tiêu là
phương pháp cổ xưa và đơn giản nhất.
 Dẫn đường bằng thiên văn học: là phương pháp dựa vào việc quan sát các thiên thể đã
biết trên bầu trời như mặt trời, mặt trăng, các vì sao để xác định vị trí của vật thể, từ đó
điều khiển chuyển động của vật thể. Phương pháp này sử dụng kính lục phân để đo độ cao
và góc giữa các thiên thể, dùng đồng hồ để đo thời gian và dùng lịch thiên văn để tính toán
vị trí của vật thể.
 Dẫn đường dự đoán: là phương pháp dựa vào vị trí xuất phát ban đầu, tốc độ di chuyển,
thời gian và hướng di chuyển của vật thể để dự đoán vị trí của vật thể, từ đó điều khiển
chuyển động của vật thể. Phương pháp này nếu không có ảnh hưởng của các yếu tố ngoại
cảnh như dòng chảy, gió, sóng, trơn trượt, ma sát…thì cho độ chính xác cao.
 Dẫn đường bằng sóng vô tuyến: là phương pháp sử dụng thiết bị phát sóng vô tuyến điện,
từ một hoặc một số trạm phát cố định có vị trí đã biết để xác định vị trí của vật thể, từ đó
5


điều khiển chuyển động của vật thể. Phương pháp dẫn đường dựa trên các hệ GNSS như
GPS, Galileo, GLONASS…là ví dụ điển hình, các vệ tinh định vị toàn cầu chính là các
trạm phát sóng vô tuyến điện.
 Dẫn đường quán tính: là phương pháp dựa vào đo vận tốc góc, gia tốc chuyển động của
vật thể bằng các cảm biến quán tính gắn trên vật thể, rồi dùng phương pháp tích phân để
tìm ra hướng chuyển động, vận tốc, vị trí, từ đó điều khiển chuyển động của vật thể [3,20].

Hình 1.1 Nguyên lý xác định vị trí trong phương pháp dẫn đường quán tính

1.1.2. Các đặc điểm cơ bản của hệ INS
Hệ INS xác định vị trí dựa trên chính thông tin chuyển động nội tại của vật thể, đó là gia
tốc chuyển động. Từ gia tốc chuyển động của vật thể, lấy tích phân hai lần theo thời gian sẽ
xác định được vận tốc và quãng đường chuyển động của vật thể. Hệ INS hoàn toàn có thể
cung cấp thông tin về vị trí của vật thể so với vị trí ban đầu theo thời gian. Điểm làm nên

sự khác biệt và cũng chính là tính ưu việt so với các hệ dẫn đường khác đó là hệ INS không
sử dụng các thông tin từ bên ngoài. Điều này giúp hệ có khả năng hoạt động độc lập trong
mọi điều kiện khí hậu, thời tiết, địa hình. Ngoài ra, hệ INS có thể cung cấp thông tin về vị
trí, đặc điểm chuyển động của vật thể một cách tức thời và liên tục.Tuy nhiên, hệ thống
INS cũng có điểm hạn chế, đó là do sử dụng phép tính tích phân trong xác định hướng
chuyển động, vận tốc, vị trí của vật thể nên có thể sinh ra sai số tích lũy theo thời gian [20].
Một trong những đặc điểm khác của hệ INS đó là việc sử dụng cảm biến MEMS. Những
cảm biến MEMS có độ chính xác cao, kích thước nhỏ, khối lượng nhẹ đã giúp thu nhỏ lại
kích thước của một hệ INS, trong khi độ chính xác và độ tin cậy thì không ngừng được cải
thiện. Giờ đây một hệ INS đầy đủ có thể nằm gọn trong lòng bàn tay [9,10,20,39].
1.1.3. Cấu tạo của hệ INS
Hệ INS hoàn chỉnh bao gồm: khối IMU, các thiết bị tính toán, các thuật toán để tổng
hợp và xác định vị trí, đặc điểm chuyển động của vật thể (hình 1.2). Khối IMU bao gồm:
cảm biến gia tốc 3 chiều, cảm biến vận tốc góc 3 chiều (hình 1.3) [20].

Hình 1.2 Cấu tạo hệ dẫn đường quán tính (nguồn: [20])

6


Hình 1.3 Cấu tạo khối đo lường quán tính (nguồn: [20])

1.1.4. Phân loại hệ dẫn đường quán tính
Dựa vào cấu trúc, có thể chia hệ INS thành 2 loại, đó là: Gimbal và Strapdown.
Với hệ INS sử dụng cấu trúc Gimbal: các cảm biến được gắn trên một khung các đăng
ba bậc tự do, độc lập với chuyển động của vật thể (hình 1.4). Cấu trúc này có ưu điểm là
thuật toán tính toán 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 [20,36].

Hình 1.4 Cấu trúc hệ dẫn đường quán tính Gimbal (nguồn: [56])

Với INS sử dụng cấu trúc Strapdown: Các cảm biến gắn trên vật thể nên chuyển động
cùng vật thể (hình 1.5). Hệ 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
toán tính toán phức tạp hơn so với cấu trúc Gimbal, mặc dù vậy khi mà khả năng tính toán
của các thiết bị tính toán ngày càng cao, thì ảnh hưởng của hạn chế này ngày càng mờ nhạt
[20,36].

7


Hình 1.5 Cấu trúc hệ dẫn đường quán tính Strapdown (nguồn: [22])

Từ các phân tích về ưu điểm và hạn chế của hệ INS theo cấu trúc Gimbal và Strapdown,
có thể thấy việc luận án tập trung nghiên cứu xây dựng INS theo cấu Strapdown là phù hợp
với điều kiện thực tế. Ngoài ra việc nghiên cứu xây dựng hệ INS theo cấu trúc Strapdown
là phù hợp với xu hướng phát triển chung của thế giới. Hệ INS trong các kết quả nghiên
cứu của luận án này được hiểu là xây dựng, đánh giá, thử nghiệm…theo cấu trúc
Strapdown.

1.2. Cơ sở vật lý và toán học xác định vị trí vật thể chuyển động
1.2.1. Các hệ quy chiếu
Hệ quy chiếu là một hệ vật được quy ước làm mốc, để xác định vị trí, đặc điểm chuyển
động (vận tốc, gia tốc, hướng chuyển động) của vật thể (đối tượng chuyển động) trong
không gian, theo thời gian. Để định lượng vị trí và chuyển động của vật thể trong hệ quy
chiếu, cần gắn vào hệ quy chiếu đó một hệ trục tọa độ cố định. Hai hệ tọa độ thường được
sử dụng là: hệ tọa độ cầu và hệ tọa độ đề các.
Trong luận án này, các hệ quy chiếu, hệ tọa độ được quy ước như sau:
1.2.1.1. Hệ quy chiếu quán tính (i-frame)

Hệ quy chiếu quán tính là hệ quy chiếu thỏa mãn định luật I Newton. Gốc của hệ quy
chiếu quán tính là tùy ý. Với bài toán dẫn đường cho các vật thể chuyển động trên bề mặt
Trái đất, có thể chọn một hệ quy chiếu gần quán tính với gốc hệ quy chiếu gắn với tâm của
Trái đất, hệ quy chiếu này được gọi là hệ quy chiếu quán tính Trái đất (i-frame). Tất cả các
phép đo quán tính đều tham chiếu đến hệ quy chiếu này. Gắn vào hệ i-frame một hệ trục
tọa độ đề các có đặc điểm như sau: gốc tọa độ trùng với gốc quy chiếu, trục z trùng với trục
quay của Trái đất, trục x đi qua giao điểm giữa mặt phẳng xích đạo của Trái đất với mặt
phẳng quỹ đạo quay của Trái đất quanh mặt Trời, trục y là tích có hướng của trục z và trục
x (hình 1.6) [20,39]. Quy ước, gọi hệ tọa độ này là hệ tọa độ quán tính Trái đất. Để thuận
tiện, các thông số trong hệ i-frame sẽ có thêm ký tự i, ví dụ xi. Vị trí của một điểm trong hệ
i-frame sẽ được biểu diễn bởi vector có dạng: (xi, yi, zi).
Với cách lựa chọn hệ quy chiếu như trên, có thể nhận thấy rõ ràng rằng Trái đất quay
5
quanh trục z của hệ i-frame với vận tốc góc không đổi là e  7, 2921159.10 (rad/s)
8