Nghiên cứu tích hợp hệ thống dẫn đường quán tính (DĐQT) trên cơ sở cảm biến vi cơ điện tử phục vụ điều khiển dẫn đường phương tiện chuyển động

ĐẠI HỌC QUÓC GIA HÀ NỘI
***************************

Nghiên cứu tích họp hệ thống dẫn đường
quán tính (DĐQT) trên CO’ s ở cảm biến vỉ c ơ
điện tử phục vụ điều khiển dẫn đường
phương tiện chuyển động

Mã số: QGTĐ - 05 - 09

Chủ nhiệm đề tài: GS. TSKH. Nguyễn Phú Thuỳ

H à N ội - 2 0 0 7


M Ụ C LỤC

1

BẢNG GIẢI THÍCH CÁC CHỪ VIÉT TẮT............................................................. 2

2

DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THAM GIA THỰC HIỆN ĐK T Ả I ................... 3

3

DANH MỤC CÁC BẢNG s ố LIỆU...........................................................................4

4

DANH MỰC CÁC HÌNH..............................................................................................5

5

"ÓM TẮT NHỮNG KẾT QUẢ NGHIÊN c ứ u CHÍNH CỬA ĐỀ TÀI............... 6

6

BÁO CÁO TỐNG K Ế T .................................................................................................8
6.1

Đặt vấn đề................................................................................................................. 8

6.2

Tổng quan về

6.3

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu cùa đề tà i....................................................... 10

(.3.1

Các nghiên cứu về thuật toán dẫn đường...................................................... 10

(.3.2

Xác định sai số của bộ đo đạc quán tính (ÍMU)............................................11

(.3.3

Tích hợp hệ thống INS vàGPS sử dụng bộ lọc Kalman............................. 12

(.3.4

Viết chương trình thời gian thực và xây dựng hệtích hợp INS/GPS........ 14

(.3.5

7

các vấn đề nghiên cứu.......................................................... 8

Thử nghiệm hệ thống DĐQT Ihực địa.......................................................... 15

6.4

Địa điểm và phương pháp nghiên cứu................................................................. 21

6.5

Kết quả nghiên c ứ u .............................................. ................................................ 22

(.5.1

Các công bố liên quan đến kết quả cùa đề tài............................................... 22

(.5.2

Kết quả đào tạo cùa đề tài............................................................................... 23

(.5.3

Kết quả ứng dụng của đề tà i......................................................................... 24

6.6

Thảo luận................................................................................................................ 24

6-7

Kết luận và kiến nghị............................................................................................ 25

6. 8

Tài liệu tham khảo.................................................................................................26

1HỤLỤC....................................................................................................................... 28


1 B Ả N G G IẢ I T H ÍC H C Á C C H Ũ V I É T T Ấ T

1.DĐQT

Dần đường quán tính

2.

Hệ thống định vị toàn cầu

GPS (Global Positioning System)

3. HT DĐQT

Hệ thống dẫn đường quán tính

4.IMU (Inertial Measurement Unit)

Bộ đo đạc quán tính

5. INS (Inertial Navigation System)

Hệ thống dẫn đường quán tính

6. MKMS (MicroRlectroMechanical System)

Hệ vi cơ điện tử

7. PC-box (Persional Computer box)

Hộp máy tính cá nhân

8. SINS ^Strapdown Ineit.J Navigation System)

Hệ dẫn đường kiểu gắn chặt

2


2

D A N H S Á C H N H Ữ ÌV G N G Ư Ờ I T H A M G I A T H ự C H I Ệ N Đ Ẽ T À I

Người thực hiện

TT
1

3

Nhiêm vu
•

•

GS.TSKH Nguyễn Phú Bộ môn Vi cơ điện tử và Vi hệ Chủ nhiệm đề tài
thống

Thu ỳ
2

Cơ quan công tác

TSKH

Nguyền

Dinh

Ban Khoa học công nghẹ. ĐÍIỌG

Phó chú nhiệm dồ

Đức

Hà nội

tài

TS. Nguyễn Thăng Long

Bộ môn Vi cơ điện tử và Vi hệ

Thư ký

thống
4

NCS. Ths.Trần Đức Tân

Bộ môn Vi cơ điện tử và Vi hệ Thành vicn
thống

5

Cn. Lưu Mạnh Hà

Bộ môn Vi cơ điện tử và Vi hệ Thành viên
thống

6

7

NCS. Cn. Vương Đạo Bộ môn Vi cơ điện tử và Vi hệ 't hành viên
Nghệ

thống

Các thành viên khác

Trường Đại học Công Nghệ

3

Theo hợp đồng


3

DANH MỤC CÁC BẢNG SÓ LIỆU

Bàng 1 : So sánh các thông số của hệ DĐQT INS/GPS cùa đề tài đã xây dựng với các
chì tiêu ban đầu đặt ra khi đăng ký đề tài

4


Electronics Fngincering (ISRE2007). Oct. 24-25 2007. HoChiMinh City. Victnam. pp
1-6

.

5. T. D. Tan, L. M. Ha, N. T. Long, N. D. Duc, N. p. Thuy, Integration o f Ineriial
Navigation System and Global Positioning System: Performance Analysis and
Measurements, International Conference on Intelligence and Advanced Systems.
ICIAS2007, 25th - 28th November 2007 KL Convcntion Centcr. Kuala l.umpur,
Malaysia.
6. T. D. Tan, L.M.Ha, N. T. Long, N. D. Duc, N. p. Thuy, ỈMnd-Vehicle Mems
ỈNS/GPS Positioning During GPS Signa! Blockage Periods, to be published in VNU
Journal of Science. No 4, 2007.

Kết quá phuc vu thực tế
-

Xây dựng dược một hệ thống dẫn đường quán tính tích hợp gồm IMU. GPS. la
bàn từ. PC-box. Hệ thống này có thể phục vụ tốt cho việc dần đường các vật thể
chuyển dộng trên mặt đất và đặc biệt thích hợp cho các vật thè bay với tốc độ
không quá cao (cỡ vài trăm km/h).

-

Kết hợp với một đơn vị bên ngoải (Trung tâm Khoa học Công nghệ Quân sự,
BQP) để đưa hệ thống DĐQT đã xây dựng vào thừ nghiệm thực địa.

Két quả đào tạo
-

Đã có 4 sinh vicn báo vệ khoá luận tốt nghiệp. 2 sinh vicn dang thực hiện khoá
luận, 1 học viên cao học và 2 nghicn cứu sinh thực hiện nghiên cứu theo hướng

đề tài.

-

Dã thu hút nhiều sinh viên tham gia nghiên cửu khoa học theo hưởng cua dề tài.
trong số đó 5 dinh viên đã được giải thướng về NCKỈI cấp trường và cấp bộ.
giải thưởng VIFOTECH.

Kết quả nâng cao tiềm lưc khoa hoc
-

nề tài đã góp phần nâng cấp trang thiết bị cho phòng thí nghiệm MHMS cua Bộ

môn Vi cơ điện tử và Vi hẹ thống. Sau khi đề tài kết thúc, các thiết bị này sẽ
được khai thác tiếp cho phục vụ nghiên cứu và đào tạo.
-

Đe tài đã tăng cường kiến thức cho các cán bộ của Bộ môn về các linh kiện
MHMS sử dụng cho IMU và các kiến thức về xứ lý tín hiệu (dặc biệt vỏ hộ lọc
nhiễu, bộ lọc tối ưu).

7


6
6.1

BÁO CÁO TỒNG KÉT
Đặt vấn đề

Hiện nay, các hoạt động của con người đòi hỏi về định vị và dẫn đường là vô cùng
phong phú. Vấn đề định vị và dẫn đường cho các vật thể chuyển động như máy bay.
tên lửa, ôtô. tàu thuyền... đã trở thành một nhu cầu hết sức cấp thiết trong rất nhiều
lĩnh vực đời sống và an ninh quốc phòng. Cho dến thời điềm hiện hiện tại đã có nhữn^
hệ thống dẫn đường vệ tinh được xây dựng như GPS cùa Mỹ, GALII.F-0 cua Châu
Âu... ở nước ta, các thiết bị dần đường, dịch vụ vệ tinh và các thiết bị dẫn đường khác
dùng cho các phương tiện chuyển động đều là các thiết bị nhập ngoại hoàn loàn. Tuy
nhiên, khi sừ dụng các hệ thống này thi sự lệ thuộc vào nước ngoài là điều không tránh
khỏi, hơn nữa có những sản phấm công nghệ quan trọng mà các nước đi trước không
thể chuyển giao cho ta, hoặc giá thành của các sản phẩm chuyển giao là rất lớn. Chính
vì nguyên nhân đó mà nước ta cần có sự nghiên cứu độc lập về hệ thống dẫn đườne đế
phục vụ cho lợi ích quôc gia cũng như xà hội, giúp cho chúng ta vừa có thế nẩm vừng
bàn chất của công nghệ, tận dụng ưu thế của nước đi sau và vừa tiết kiệm được ngàn
sách của quốc gia.
Nghiên cứu về hệ thống dẫn đường quán tính INS (Inertial Navigation System) tích
hụrp GPS (Global Positioning System) cho các vật thê chuycn chuyến dộng vì the là
một vấn đề cần thiết cho nước ta và có ý nehĩa khoa học. cône nghệ cao.
Dề tài nghiên cứu trọng điểm do Đại học Quốc gia ỉlà-nội tài trợ với mã số
QGTĐ-D5-09 đã được phê duyệt cho phép triển khai thực hiện với những mục tiêu kể
trên. Trong quá trình thực hiện đề tài, các cán bộ đã phổi hợp chặt chẽ với Viện Tên
lứa thuộc trung tâm KHKT và CNQS BQP và đã nhận được sự giúp đờ tận tình về
nhiều mặt.

6.2 Teng quan về các vấn đề nghiên cửu
Thời tihiợng cổ người ta định vị bàng cách đánh dấu lên thân cây. vách hang.Saunày.
con ngư?i dựa vào vị trí các vì sao đế định vị. đặc biệt là cho các chuyên di Ircn bicn.
Vào thế kỳ 17 nhu cẩu định vị dẫn đường trở ncn bức thiết khi các cường quốc dua
nhau xân lấn thuộc địa và tranh chấp nhau trên biển. Vào thời đó. bài loán xácđịnh vĩ
độ đã (đvợc giải quyết nhưng bài toán xác định kinh độ lại gần như vô vọng.
Sau này nhờ sự tiến bộ cúa khoa học mà hệ thong định vị toàn cau bang vệ tinh (GPS)

đã xuằt ũện. Lúc đầu GPS chi được phát triển cho các mục đích quân sự nhưng ngày
nay đãi cược sử dụng rộng rãi trong các mục đích dân sự như quản lý và đicu hành xc
taxi, thián hiểm, hàng hải...Tuy nhiên GPS lại có những nhược điếm khó khẳc phục khi
8


triển khai thực tế (như không the chỉ thị góc chúc và góc nghiêng của các vậi thê
chuyển động, bị nhiễu bới thời tiết và các chướng ngại vật), ngoài ra tần số cập nhật
cúa GPS là 1 Hz hiện nay đã trở nên quá chậm so với các phương tiện chuyên động
hiện đại với vận tốc cao. Một điểm quan trọng nữa là GPS được phát triển bởi Mỹ nên
sự lệ thuộc là không tránh khỏi. Vì những lí do đó trong các thiết bị chuyển động hiện
đại (ôtô, máy bay, tên lứa) người ta lắp thêm một hệ thonọ, dan đirờnẹ độc lập khác.
Một trong những hệ thống định vị - dẫn đườna loại này là hệ thonẹ don dicờno quán
tinh (INS). Dày là một hệ thống có khả năng hoạt động độc lập cho phcp xác dinh vị tri,
vận tốc và tư thế (các góc định hướng) cua vật thẻ một cách liên tục. Tuy nhicn hệ
thống này lại gặp những lỗi nghiêm trọng do hiện tượng trôi của các cảm biến gia tốc
và vận tốc góc. Đe khắc phục các nhược điểm của cả hai hệ thống GPS và INS, và tận
dụng các ưu điểm của chúng, người ta thường kếl nối INS với GPS để sứ dụng GPS hồ
trợ cho INS, dùng GPS điều chỉnh cho INS sau một khoảng thời gian nhất định. Dc
thực hiện mục đích này, phải phát triển một phần mềm xử lí tín hiệu mà trái tim là bộ
lọc Kalman để ước lượng lỗi của INS thông qua thông tin từ GPS nhằm cập nhật vị trí
vật thể một cách chính xác hơn.
Hệ thốnẹ dẫn dưỏnẹ kết hợp INS/GPS có những ưu đicm vượt trội vổ tốc dộ xứ lý và
kích thước so với các hệ thống trước đó. Với sự phát triển mạnh me của cỏna, nghệ vi
điện tử và vi cơ điện tử (MEMS) như hiện nay thì các cảm biến và chip cua các hệ
GPS và INS có thể được tích hợp trên một bản mạch nhỏ và các hệ kết hợp 1NS/GPS
này có thể được xây dựng với độ chính xác rất cao, kích thước nhỏ và giá thành thâp.
Hiện nay ở nước ta, nhu cầu về các hệ thống dẫn đường là rất lớn. ví dụ như trong các
ứng dung về giao thông vận tải, các hệ thống bay trong quân sự. các ứng dụng về kicm
soát môi trường và điều khiển lự động...Tuy nhiên việc nghiên cứu đê chu dộng chè

tạo các hệ thống dẫn đường chưa được quan tâm nhiều. Các hệ thống nhập lừ nước
ngoài giá thành thường cao và người sử dụng không can thiệp được vào hệ thống nên
không thể mở rộng tính năng của chúng theo ý muốn. Vì vậy đồ tài này đã được đăng
kí với mục đích làm chủ kỹ thuật dần đường đế tiến tới ứng dụng chúng trong các ycu
cẩu cụ thể ở Việt Nam. Việc triển khai thực hiện đề tài cũng sẽ lạo điều kiện cho các
cán bộ khoa học tiếp cận những vấn đề nghiên cứu có tính thời sự và hiện dại cứa giới
khoa học quốc tế, lìm khả năng ứng dụng trong thực tiền nước ta. Nó cũng tạo diều
kiện tẽng cường năng lực nghiên cứu cho cơ sở tham gia đề tài. Đồng thời, việc thực
hiện đé tài cũng góp phần quan trọng vào việc đào tạo sinh viên đại học và sau đại học
về ngh ên cứu khoa học theo hướng này.

ọ


6.3

IVU'C tiêu v à nội d u n g n g h iê n cứu của đề tài

Để tài ỉặư ra các mục tiêu cụ thê sau:
-

A m chủ việc tích hợp hệ thống và phần mềm hệ thống dẫn đườne. quán tính
HTDĐQT) có hiệu chỉnh bang tín hiệu bên ngoài (GPS, la bàn từ...).

-

' hiết kê chc tạo 01 mẫu hệ thông dẫn dường quán tính phục vụ cho phươP.e tiện
(huyen động (ở đây là ôtô).

-

' ập trung đội ngũ nghiên

cứu

và phát trien hệ thống ứng dụng IỈTDĐQT trong

(ông nghiệp, giao thông và quốc phòng.
Dể đạl lược các mục tiêu trên, tập thể nghiên cứu của đề tài đã thực hiện các nội duna
nghiên :ứu được trình bày cụ thể trong các mục dưới đây.
6.3.ỉ Các nghiên cứu về thuật toán dẫn đưòng
Hiện ngy có hai cấu trúc dẫn đường quán tính tiêu biểu nhàm xác định các góc ơlc từ
các cản biến vận tốc góc là cẩu trúc gán chặt (strapdown) và cáu trúc nôi (ẹimhle).
Cấu trú: gắn chặt hiện được sử dụng rộng rãi hơn. trong đó các cám hiến eia tốc và
vận tôcgóc được gắn chặt vào vật thể bay.
Trong còng trình này, nhóm nghiên cứu đã thực hiện trên thuật toán dẫn đường kiêu
gắn chậ (Strapdown Inertial Navigation Svstem - SINS). Thuật toán được xây dựng
dựa trên khối tổ hợp cảm biến vi cơ điện tử (MEMS) gồm 3 cảm bien gia lốc và 3 cám
biến vậr tốc góc.
Ba cambien vận tốc góc cùa hệ thống INS cho phép xác định vận tốc. góc nghicng.
góc chú: và góc hướng trong hệ toạ độ vật thể bay (xem hình 1 và hình 2). Ba cảm
biến giatốc cho phép xác định gia tốc theo ha trục cùa hệ toạ độ vật thể bay này. Các
giá trị ga tốc thu được từ các cảm biến gia tốc được hiệu chỉnh với vận tốc quay của
trái đất /à gia tốc trọng trường nhờ thuật toán dẫn đường nham xác định vị trí và vận
tốc chính xác của vật thể.

10


Hình I: Hệ trục toụ độ dẫn đườìig

ày

Hình 2: Định nghĩa các góc nghiêng, chúc vù hưóvg trong hệ loụ độ gan liền với vật ilìê

Thự tế thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và hiện trường cho thấy thuật toán hoàn
toàníủ độ tin cậy cần thiết.
Cáccết quả cùa thuật toán được trình bày chi tiết trong phần phụ lục 7.1.1 "Nghiên
cứu 'ề thuậl toán dần đường”.
6.3.2 Xác định sai sổ của bộ đo dạc quán tính (ỈMU)
Như:rên đà nói. trong phương pháp DĐQT. người ta sử dụng các cám biên gia tôc và
vận ốc góc. Chúng dược tích hợp với các vi mạch thu nhận và phân tích tín hiệu dc tạo
thàni một khối gọi ià bộ đo đạc quán tính (ÍMU). Ngày nay. với sự phái triển mạnh


mẽcúa công nghệ vi cơ điện tứ (MIÌMS) các cám biến này ngày càng nho gọn. giá
thàih hạ và chất lưựng cao. Tuy nhiên, một vấn đề chưa khắc phục được khi sư dụng
là đ) trôi của các cám biến gia tốc và vận tốc góc gây nên các sai số về vị trí. vận tốc
cùavật thể chuyển động. Người ta phân loại các sai số cùa các cảm biến này thành hai
loại sai số ngẫu nhiên và sai số tất định.
Việ: xử lý sai so tát định có the thực hiện dễ dàns, hơn khi chúng ta đã xác định một
cáci định lượng được các loại sai số này băng việc căn chuấn thiết bị. Đế loại bó sai so
ngai nhiên chúng ta phải sử dụng bộ lọc tối ưu ví dụ như bộ lọc Kalman, song cũng rất
cần phải xác định được các thông so rtäw irưng của các loại sai số ngầu nhicn này.
Ching tôi sử dụng phương phár pnản tích mậl độ phố công suất (PSD) và phương
phá) phân tích phương sa* . ulan để xác định các sai số ngẫu nhiên cua bộ đo đạc quán
tính thương mại loạ' vlICRO-ISU BP3010. Sự kết hợp của cả hai phương pháp này
trèncùng tập dfr .lệu thu được sẽ cho phép đặc trưng hoá chính xác nhất các sai số của
khố IMU.
Cácket quả phân tích nói trên sẽ được sử dụng như các thông số thiết lập cho bộ lọc

Kalnan dùng trong hệ thống tích hợp INS/GPS.
Các kết quả cúa thuật toán được trình bày trong phần phụ lục 7.1.2 "Nghicn cứu. xác
địnl các sai số của bộ đo đạc quán tính".
6.3.5 Tích hợp hệ thống INS và GPS sử dụng bộ lọc Kalman
Nhi trôn đã nói, hệ thống dẫn đườne quán tính INS có hai ưu điếm nổi bật khi so sánh
với các hệ thốne dẫn đường khác là khả năng hoạt động tự trị và độ chính xác cao
tron? những khoảng thời gian ngẳn. Lỗi nghiêm trọng nhất cứa hệ thống INS là hiện
tượig trôi tín hiệu do các cảm biến quán tính gây ra. Chính vì thố trong những ứng
dụn' thời gian dài thì hệ thống INS cần phải sử dụng cùng với các hệ thống hỗ trợ
khái như hệ thống dẫn đường vô tuyển (Loran, Omega và Tacan), hệ thống dẫn đường
vệ tnh (GPS. GI.ONASS và Transit), JTIDS. DME...Các hệ thống này hoạt động ồn
địnl theo Ihời gian và vì thế có thể đóng vai trò hỗ trợ cho hệ dẫn đường INS sự kết
hợpGPS và ỈNS sứ dụng trong để tài này được xem là cách kết hợp lý tướng nhất vì
hai lệ thống này có khả năng bù trừ nhau hiệu quà.
Tráitim của hệ thống tích hợp kết hợp INS và GPS là bộ lọc tối ưu Kalman |5|. Thuật
toár Kalman được biểu diễn trên hình 3.

12


Đ o k h u e c t ì c ta i K a h l a n

Kt - Hẩ‘' /7t /;.'//,r -Á'f»
C ạ p n h ậ t g u trỊ ư o c lu ơ n g
-i.
L«k
.4 . í - .

//?rt/7 3: Thuật toán Kalmun

Bộ lọc Kalman là bộ lọc sô nhiều lôi vào và nhiêu lối ra. cho phcp ước lượng tối ưu
các trạng thái của hệ thống theo thời gian thực khi các đầu vào bị nhiễu tác dộne. Các
trạng thái của hệ thống bao gồm: các lỗi vận tốc trên hệ toạ độ dẫn đường (eVN. e V |,
eVu), độ trôi của các con quay vi cơ (GBXGby, GBZ) và các lỗi góc nghiêng (Tn. Tc).
Tín hiệu từ GPS được dùng để ước lượng các lỗi trong INS và triệt thoái các nhiễu này
tối da. Vì thế người ta gọi đây là hộ thống tích hợp kiểu GPS hỗ trợ INS (viết tát là
INS/GPS).
Có hai cẩu trúc GPS hồ trợ INS là cấu trúc theo kiêu vòng mở (hav cấu trúc
Feedforward) và kiêu vòng kín (hay cẩu trúc Feedback) như mô tả trong hình 8 và 9.
Cấu trúc vòng mở cho phép thực thi dễ dàng hơn nhưng cấu trúc vòng kín lại cho kêt
quả chính xác hơn [6, 7 Ị.
NAV

NAV

K a lm a n Filter

Kalm an Filter

H ìn h 4: Câu trú c IN S K ÌP S vòng m ơ (hay ccĩu
trú c F e e d fu rw a rd )

Hình 5: Câu trúc INS/GPS YÒnị’ kin (huy câu trúc
Feedbuck)

Trong đề tài này chúng tôi đã thực hiện cả hai cấu trúc ÍNS/GPS này. Những két quá
simulink liên hệ ghép nối máy IMU nói trên và hệ GPS thương mại loại HI-204I- thực


hiệr trong môi trường MATLAB cho thầy các căn chuấn, lắp đặt đã đàm báo chất

lượng của cấu trúc này khá tốt. cấu trúc Kalman cho ta một hệ thống tích hợp chát
lượig tốt hơn hản so với cấu trúc INS hay GPS khi hoạt động một mình. Độ chính xác
cùa hệ thống còn có thể cái thiện hơn nữa nếu chúng ta mớ rộng số trạng thái cần ước
lượng. Tuy nhiên cũng cần lưu ý tính khả thi cùa hệ thống ihời gian thực khi độ phức
tạp ;ủa hệ thống bị tăng lên do việc mở rộna số trạng thái hệ thống này.
Các kết quả nghiên cứu chi tiết của vấn đề dược trình bày trong phụ lục 7.1.3

6.3.4 Viết chưong trình thòi gian thực v à xây dựng hệ tích họp INS/GPS
Hệ hống dẫn đường tích hợp đã được xây dựng sau khi nghiên cứu kĩ tính năng của
từnị. bộ phận riêng rẽ và thực hiện ghép nối chúng theo chương trình SIMULINK chạy
trên phần mềm MATLAB. Sơ đồ khối và ảnh chụp của hệ thống được mô tả trên hình
6.a 'à 6.b. Trong hệ thống này thì IMU là loại BP3010. GPS là HI204EÌ, la bàn từ là la
bàn có độ chính xác cao loại Fluxgate, và PC-box chuyên dụng loại ADVANTHCH do
Viện tên lửa cho mượn.

IM U

- -♦

................- -

Thuật toán:

G P S
-------- - --------------------- -- •

PC box

■+

Bù trừ sai số
Dẫn đường quán tinh

------------

L a b à n từ

Thông số đinh
vị. vị tri, vận
tốc, tư thế

Lọc Kalman

—*

/lình ổu: Sư đồ hệ thống dần đưừng đã xây dụng

Hĩnh 6b: Anh chụp hệ INS/GPS đã lắp đặt

14


Mộ hệ thống như vậy là một thiết bị dẫn đường hoạt dộng độc lập, có thể lăp đặt trcn
nhiéu phương tiện chuyên dộng khác nhau.
Để thực hiện việc tích hợp như vậy cần viết chương trinh thời gian thực cho hệ sử
dụru ngôn ngừ

c

và VC++.

Bà toán xử lý thời gian thực là một bài toán phức tạp. thực chất đó là hài toán quản lý
tài nguyên phần cứng và tối ưu hoá phần mềm. cỏng việc phái làm là đone thời thu
thập dừ liệu từ GPS, INS, la bàn từ rồi thực hiện tính toán trên INS và thực hiện lọc
Kalnan. Lưu ý là hệ dẫn đường quán tính có tốc độ thu dữ liệu cùa GPS là 4800baud,
tốc iộ dừ liệu từ khối IMƯ là 38400 baud và tốc dộ truyền khung INS 64Hz thì việc
thu hập dữ liệu và xử lý cũng là một thách thức lớn. Chúng tôi đã thực hiện quá trình
chạ-' thử chương trinh này trong phòng thí nghiệm nhiều lần và sau mồi lân chương,
trình được cải tiến để sửa các lồi và tìm chế độ tối ưu. Giao diện của chương trinh trinh
bày trèn hình 7.
Các kết quả nghiên cứu chi tiết cúa vấn đề được trình bày trong phụ lục 7.1.4

l ỉ ì n h 7. (H a o d iệ n chưam g trìn h D D Ọ T

6.3.f Thử nghiệm hệ ỉhống DĐỌT thực địa
Đe thực hiện thứ nghiệm trên các quỹ đạo ngoài phòng thí nghiệm thi hộ thông DDQT
dưự( lắp đặt trên một ôtô. Xe chạy trên một sổ quãng đường khác nhau trong khoáng
thời gian khá dài. có những quỳ đạo chạy trong khoảng thời gian gần 40 phút. Trước
lúc >uất phát ôtô ở trạng thái nố máy đứng ycn trong khoảng 100 s. Thao tác này cho
la tập dữ liệu tất dịnh phục vụ cho việc căn ehuar) và chính vị trí cua INS.
Tốc Jộ cập nhậl từ các cám biến quán tính là 64 Hz, từ GPS là 1 11/. và từ lọc Kalman
là 2 ỉ? nhằm thu dược kết quả có độ chính xác cao hơn. Tại những thời dicm bộ lọc
K.alrran hoạt động không có tín hiệu GPS thì chúng ta phải dự doán các trạng thái lỗi


sứ dụng dữ liệu đo được gần nhất của GPS (tức là coi GPS là không dối trong siiôt ]
giây). Thao tác này sẽ càng hữu ích trong những tình huống đột ngột mất tin hiệu từ
G PS.
Hình 8 là một quỹ đạo thử nghiệm với chiều dài khoảng 8 km trong thành phố. Hình 9
và 10 là kết quả so sánh vận tốc của GPS (đường đứt nét) và ỈITDĐỌT (dườne liền

nét) theo hướng ĐÔH2, và hướng Bẩc trên hệ trục toạ độ dẫn đường. Từ kết qua ta thấy
sự theo bám rất sát cúa vận tốc HTDĐQT theo vận lốc GPS.
Như trên đã nói, HTDĐQT có thể hoạt động ở cả hai chế độ vòng kín và vòng mở.
Hình 1 1 là so sánh quỹ đạo của HTDĐQT vòng mở (đường liền nét) với GPS (đường
đứt nét). Nhận xét là quỹ đạo của chúng bám khá sát nhau. Lưu

V

ràng tốc độ cập nhật

cùa quỹ đạo GPS là ỉ Hz, tốc độ cập nhật của IITDDQT là 64 II/. Hình 12 là kết qua
so sánh quỹ đạo của HTDĐQT vòng kín (đường liền nét) với GPS (đường đứt nét). Dỗ
thấy rằng trong tình huống có tín hiệu GPS thì chất lượng của hệ vòng kín là tốt hơn hệ
vòng mớ.

Hình 8: MỘI quỹ đạo thực hiện trên thực dịu

16


Hình 9: So sánh vận tốc theo hướng Đông khi vật thê chạy theo quv đạo thin: lề

t
_ t
*
t
Hình 10: So sánh vận tóc theo hướng Băc khi vật thê chạy theo quỹ đạo thực tê

17

ITtnh I ỉ: So sánh quỹ đạo cúu HTDĐỌT vòng mơ vù ÍÌPS

Hình 12: So sánh quỹ đạo cua HTDDỌT vòng kin VCI CiPS

Troig những tình huống đặc biệt khi chúng ta phai loại bó tín hiệu từ GPS hoặc khi
mấttín hiệu từ GPS, để đảm bảo các sai lỗi về vận tốc, vị trí là nhở nhất thì HTDĐQT
đưọ- hoạt động dựa trên sự chuyển đối tự động giữa hai cấu trúc vòng kín và vòng mờ.
Cụ nể khi HTDĐQT mất tín hiệu GPS thi sẽ hoạt động trên cấu trúc vòng mờ, còn khi
tín liệu GPS không bị mất thì hệ thống sẽ chuyển sang cơ chế vòng kín. Hình 13 là kết
18


quả cùa một tình huống như vậy: tín hiệu GPS bị mất trong khoảng thời gian 70s (từ
giâ\ thứ 400 tới 470). Sự kết hợp cấu trúc vòng kín vòng mở cho ta sai số rất nhò là 20

Hỉìni 13: So sánh quỹ đạo cua HTDĐQT vòng kín và GPS trong trường hựp tín hiệu GPS bị mui trong
70.S

Hììni 14 !à kết quả so sánh vận tốc của GPS (đường đứl nct) và HTDDỌT (dường liền
né:t)theo hướng Đông và hướng Bắc trên hệ trục toạ độ dẫn đường trong trường hợp
tím Hệu GPS bị mất trong khoảng thời gian 70s.

time (s)

(a)

19

time (,)

(b)
Hình 14: So sánh

VỘI1

foc rheo hm'rrig Đòng (a)

Iru tn ig

Ví)

iheo hưửng Bac (b) cua HTDDQT vù (iPS Irong

hợp tín hiệu (ÌPS bị mû! Irong mội khoung ihời ịỉian

Hình 15 là kết quả đo góc chúc và góc nghiêng cua vật thể trên quỹ dạo chuycn động.
Trên đồ thị còn cho phép chỉ rõ khoảng thời gian 30s mà xe đứng yên khi gặp đòn tín
hiệu giao thông.
15
-------- R O L L

time (s)
(a)

20


tra ôn đôc và giám sát mội cách có hiệu quả. Trong quá trình thực hiện dc lài các cán

b'ộ hủ trọng về các kiến thức lí thuyết lẫn các kiến thức thực nghiộm. dặc biệt lưu ý
khínăng ứng dụng Ihực tiền cúa đề tài. Các kết quả nghiên cứu chúng được công bố
trêicác Hội nghị khoa học và các tạp chí chuyên ngành trong và ngoài nước.
Tie độ thực hiện đề tài chủ yếu được thực hiện từ tháng 9 năm 2005 đến tháng 9 năm
2'00 (tổng cộng 24 ĩháng). Tuy nhiên để hoàn tất nội dung các báo cáo kinh phí và
klho học, chủ trì đê tài đã được ĐHQG cho phép kéo dài thời hạn báo cáo đên hết năm
2(0C.
6

5 K ết q u ả n g h iên cử u

6,5.

Các công bố liên quan đến kết quả của đề (ài

1.. 'rân Đức Tân, Vũ Ngọc Hùng, Nguyền Thãng Long, Nguyễn Phú Thuỳ, Nghiên
cúnthiết kế và mỏ phòng cám biển gia toe áp điện trở có độ nhạv cao. Hội nghị toàn
qiuc lần thứ 3 về cơ điện tử VCM2006, Hà Nội 12/10/2006. tr. 161-167.
2. ran Đuc Tan, Huynh Huu Tuc, Nguyen Thang Long, Nguyen

Phu

Thuy. Nguycn

V ai Chuc, Designing Kalman Filters for Integration o f Inertial Navigation System
ancGlobal Positioning System, proceedings of The 10th Biennial Vietnam Conference
om ¡adió «fe Electronics, REV-2006. Hanoi, November 6-7. 2006. pp.226-230.
3..LM. Ha, T. D. Tan,

N.

T. Long. N. D. Due, N. p. Thuy. Errors Determination o f the

MEAS IMU, VNƯ Journal of Science, Mathematíc-Physics, T.22. No 4. 2006. pp. 612 .

4. '] D. Tan, I.. M. Ha, N. T. Long, H. H. Fue, N. p. Thuy. Feedforward Structure o f
Kidtian Filters fo r Low Cost Navigation, International Symposium on KlcctricalHllcironics Engineering (ISHK2007), Oct. 24-25 2007. HoChiMinh City. Vietnam, pp
1-6

5.TD. Tan, L. M. Ha, N. T. Long. N. D. Due, N. p. Thuy, integration o f Inertial
Nia^ation System and Global Positioning System: Performance Analysis and
Mfecurements, International Conference on Intelligence and Advanced Systems.
1CI.S2007, 25th - 28th November 2007 KL Convention Center, Kuala Lumpur,
Mla.ysia.
6.

T D. Tan. L.M.Iia. N. I . Long. N. D. Due, N. p. Thuy, ¡.and-Vehicle Mems

ỈMS3PS Positioning During GPS Signal Blockage Periods, to be published VNU
Jouial of Science,No 4, 2007.


6,5.2 Kết quả đào tạo của đề tài
Dề tài đã thu hút dược sự tham gia của nhiều sinh viên trong khoa ĐTVT. có ánh
hướng rất tốt đến phong trào nghiên cứu khoa học và đào tạo của sinh viên.
Đến nay đã có 4 sinh viên hoàn thành khoá luận tốt nghiệp cứ nhân, có ! thạc SV và 2
nghiên cứu sinh đang thực

hiện các luận án theo hướng cúa đề tài. Một số lượngđáng

kế sinh viên các năm thứ ba và thứ tư đã tham gia nghiên cứu khoa học có kết qua theo
hirớng của đề tài QGTĐ-05-09, trong đó có một công trình dạt giai nhất sinh vicn
NCK.H cấp trường DHCN năm 2007, giải Ba sinh viên NCK.H của Bộ giáo dục và đào
lạo 2007 và giải Ba VIFOTECH 2007 về vấn đề trong khuôn khổ đề tài.
Các kết quả đào tạo của đề

tài được tống kết trong các bang dưới dây.

Danh mục các khoó luận, luận văn và các công trình nghiên cúu khoa học cua sinh
viên trong khuôn khô đề tài QGTĐ-05-09
Họ và tên

Tình trạng

Vương Đạo Nghệ (K46)
Hoàng Đức Giang (K47)
Đã bảo vệ
Đặng Cao Sơn (K47)
Cứ nhân

Lưu Mạnh Ilà (K48D)
Dương

Quốc

Huy

(K50ĐB)

Đang Ihực hiện

Phạm Vãn Hai (K50ĐB)
Thạc sỳ

Lưu Mạnh Hà (KI4)

Đang thực hiện

Vương Đạo Nghệ
Đang thực hiện

Nghiên cứu sinh
Trần Đức Tân

Danh sách sinh viên tham gia nghiên cửu khoa học theo các nội dung nghiên cirv cua
để tài QGTĐ-05-09

Tình trạng

Họ và tên

23


Sinh viên

Vương Đạo Nghệ (K46)

Giải nhì NCKH trường ĐHCN 2005

Trần Thu Hồng (K46)

Giải nhì NCKH trường ĐIICN 2005

Hoàng Đức Giang (K47)

Giải ba NCKH trường ĐHCN 2006

Lưu Mạnh Hà (K48Đ) và Giải nhất NCKH 2007, giái Ba
Lưu Văn Hoan (K49ĐB)

NCK1 {

Bộ

GD&ĐT

và

giai

VIPOTHCII 2007
Dương Quốc Huy (K50ĐB)
Đang thực hiện
Phạm Văn Hai (K50ĐB)

6.S.3 Kết quả ứng dụng của đề tài
Xây dựng một hệ thống dẫn đường quán tính tích hợp gồm ỈMU, GPS. la bàn từ, PCbox. Hệ thống này có thể phục vụ tốt cho việc dẫn đường cho các vật thể chuyển động
trcn mặt đất và dặc biộl thích hợp cho các vật thể bay với tốc độ khône quá cao (cỡ vài
trăm km/h).

Kết hợp với một đơn vị bên ngoài (Trung tâm Khoa học Kỹ thuật ('ông nghệ Quân sự,
BQP) đua hệ thống DĐQT đã xây dựng vào thử nghiệm thực địa.

6.6

Thảo luận

Các kết quả căn chuẩn, đánh giá nhiễu, sai số cúa các thiết bị và các kct qua thư
nghiệm thực địa của hệ thống, dẫn đường quán tính của đc tài được tổng két trong bang
1:
Bảng 1 : So sánh các thông số của hệ DĐỌT INS/GPS của đề tài đã xây dựng với với
các chỉ tiêu ban đầu đặt ra khi đăng ký đề tài.

STT lèn hạng mục

Chỉ tiêu

Thưc hiên

Đánh giá

•

•

1

Sai số về góc

2-3 0

2-3 0

Đạt chỉ tiêu

2

Sai số toạ độ có GPS

1Om

]Om

Dạt chi ticu

2500 m trona thời

2300

3

Sai số toạ độ mất GFS

in

trong

gian 400 s (Vmax thời eian 40Ü s Dạt chi ticu
330 m/s)

(Vmax 330 m/s)

Tốc độ góc

±150 °/s

± 150 °/s

Gia tốc

lüg

10g

Dải đo

4

24

Đạt chi tiêu


GÓC ầm (góc chúc = ±90°

±90°

pitch

+90°

Góc cren

±90°

0 - 360°

(góc rghiẻng " roll)
Góc hướng (yaw = 0 - 360°
headhg)

Từ bảng trêĩ ta thấy so với các yêu cầu ban đẩu mà đề tài đặt ra, kết quá nhận được
đều đạt yêu cầu, có thể thấy rằng hệ thống DĐQT này rất thích hợp cho các phương
tiện chuyển lộng trên mặt đất và trên không, đặc biệt các máy bay với tốc độ không
quá cao (cỡ làng trăm km/h). Cũng cần nhấn mạnh ràng hệ thống dẫn đường tích hợp
INS/GPS mí đề tài đã xây dựng từ các thiết bị riêng lẻ có giá thành thấp hơn hệ thống
thương mại có cùng tính năng nhiều. Không những thế việc tự lắp đặt hệ từ các thiêt bị
riêng lẻ còn ỊÌúp người thiết kế làm chủ được công nghệ và do đó có the thay đổi được
cấu hình củehệ (khi cần thiết) và tích hợp nhiều tính năng khác cho hệ (chãrm hạn lắp
thêm các các cảm biến khác ở đầu vào) khi người sừ dụng yêu cầu.

6.7

Kết luin và kiến nghị

Có thể tổng lết thành công của tập thể đề tài ở những điểm sau :
1. Thực hiệnviệc căn chuẩn, đánh giá nhiễu và sai số cứa bộ IMIJ BP3010.
2. Viết thuật toán xử lí tín hiệu cho hệ thống tích hợp INS/GPS dựa trên cơ sớ bộ lọc
tối ưu Kalmai và chạy thử trong phần mềm MATLAB để tìm chế độ tối ưu.
3. Xây dựngmột hệ thống dẫn đường quán tính tích hợp bao gồm IMU. GPS. la hàn từ.

PC-box. Hệ :ó thể hoạt động độc lập.
4. Xây dựngshần mềm thời gian thực cho hệ thống.
5. Thử nghien thực địa, đánh giá sai số khẳng định và các tính năng của hệ và chứng
minh các tim năng đó đáp ứng các yêu cầu đề ra.
lỉệ thống D)QT được xây dựng cỏ thể phục vụ tốt cho việc dẫn đường các vật thể
chuyển dộnị trên mặt đất và đặc biệt thích hợp cho các vật thế bay với tốc độ không
quá cao (cỡ 'ài trăm km/h).
Trong thời gan tới, trên cơ sở kết quả của đề tài, Bộ môn vi cơ điện tứ và vi hệ thông
sẽ cố gắng đ'a sàn phám vào thực tiễn (giao thông vận tải, sản xuât).

25


Đe nâng cao tính năng hoạt động và hạ giá thành hơn nữa, các phương hướng nghiên
cún tiếp theo dây có thể được tính đến tuỳ theo từng bài toán cụ thế:
-

Tích hợp các thict bị thương mại với tính năng cao hơn (IMIJ chất lượns cao.
DGPS, các vi mạch xử lí tín hiệu I PGA...) đế dược một hộ DĐQT hoạt động
chính xác hơn.

-

Tự ỉẩp ráp các phần cứng chính của thiết bị, đặc biệi là IMU, GPS. ia bàn từ các
linh kiện riêng lẻ để hạ giá thành sàn phấm.

Nhóm nghiên cứu rất mong được tạo điều kiện đế có Ihế mở rộng hướna nehièn cứu
này bởi vai trò và ý nghĩa thực tiễn cùa đề tài là rất lớn.

Lời cảm ơn

Các thành viên đề tài bày tỏ lòng cám ơn chân thành tới lãnh đạo Đ1IQGIIN dã quan
làm động viên và lài Irợ cho đề tài. tới Viện Tên lưa thuộc Trung tâm Khoa học Kỹ
thuật và Công ne.hệ Quân sự - BQP về sự hợp tác chặt chẽ và giúp dỡ nhiệt tình cho
các cán bộ của đề tài. tới lãnh đạo ĐHCN và các cán bộ cùa Khoa ĐTVT đặc biệt là
GS. Huỳnh Hữu Tuệ và PGS. Trần Ọuang Vinh về sự quan tâm cổ vũ và giúp đỡ cho
đề tài.
6.8 Tài liệu tham khảo
11 |. Vikas Kumar N. Integration o f Inertial Navigation System and Global Positioning
System Using Kalman Filtering, M.Tech. Dissertation, Indian Institute Of Technology.
Bombav, July 2004.
[2]. Oleg S. Salychev. Applied Inertial Navigation: Problems and Solutions, BMSTU
Press, Moscow Russia. 2004.
|3|. Georey J Bulmcr, In MICRO-1SU BP3010 An OHM Miniature Hybrid 6 DcercesOf-Freeiom Inertial Sensor Unit. Gyro Symposium. Stuttgart J6th-17Ih September.
2003.
[4], Petỉr S. Maybeck. Stochastic models, estimation, and control. Academic Press,
Vol. 1. 994.
15]. Waig, J., l.ec, U.K., Rizos, c.. GPS/INS Integration : A Performance Sensitivity
A n a l y s t University of New South Wales, Sydney. 2003.
[6], Haying Hou, Modeling inertial sensors errors using Allan variance. IJCKGH
reports lumber 20201, Master's thesis. University of Calgary, September 2004.
[7], wwv.globalpositioningsystems.co.uk

26


[8], www.bec-nav.de.
[9], Gyro, Accelerometer Panel of the IF.I-H Aerospace, and Klectronic Systems
Society.

Draft

recommended

practice

for

inertial

sensor

test

equipment,

instrumentation, data acquisition and analysis. In IEEE Std Working Draft P1554/DI4.
[10]. Niklas Hjortsmarker, Master’s Thesis: Experimental system for validating
GPS/INS Integation Algorithms, Luea University of Technology, 2005.

Hà Nội, ngày 15 tháng 12 nãm 2007

27