Tiến Sĩ Nâng cao chất lượng cho các thiết bị định vị dẫn đường sử dụng GPS phục vụ bài toán giám sát quản lý

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
NĂM 2015
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU . xiv
1. Giới thiệu tóm tắt luận án xiv
2. Đặt bài toán xiv
3. Tính cấp thiết và lý do chọn đề tài . xv
4. Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu và kết quả mong đợi của luận án . xvi
4. Bố cục của luận án xvii
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án xix
6. Tính sáng tạo và kết quả nghiên cứu . xix
7. Những đóng góp của luận án . xix
TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN GIÁM SÁT . 1
1. Khái quát về bài toán giám sát sử dụng GPS . 1
2. Phân tích đánh giá các công trình khoa học liên quan mật thiết đến đề tài nghiên
cứu trên thế giới 2
3. Phân tích đánh giá các công trình khoa học liên quan mật thiết đến đề tài nghiên
cứu tại Việt Nam 4
4. Đề xuất các giải pháp mới, nội dung và phương pháp nghiên cứu 6
CHƯƠNG 1. HỆ THỐNG GPS VÀ CÁC HỆ THỐNG HỖ TRỢ . 8
1.1. Hệ thống GPS 8
1.1.1. Hệ trục toạ độ 8
1.1.2. Cấu trúc của một hệ định vị sử dụng vệ tinh 9
1.1.3. Nguyên lý hoạt động . 10
1.1.4. Sai số và các nguyên nhân gây sai số . 11
1.2. Hệ thống INS . 12
1.2.1. Các hệ tọa độ (Frames) . 12
1.2.2. Các thành phần đặc trưng cho chuyển động . 14
1.2.3. Ma trận chuyển vị giữa các hệ tọa độ . 16
1.2.4. Định vị sử dụng cảm biến quán tính . 17
1.2.5. Sai số và quá trình căn chỉnh ban đầu 18
1.3. Hệ thống định vị tích hợp GPS/INS 20
1.3.1. Bản chất bù giữa INS và GPS . 20
1.3.2. Các phương pháp tích hợp GPS/INS 21
1.3.3. Bài toán giám sát và đối tượng áp dụng . 23
1.4. Kết luận chương 1 . 24
CHƯƠNG 2. LỌC KALMAN VÀ MATLAB TOOL-BOX . 25
2.1. Lọc Kalman KF . 25
2.1.1. Bản chất toán học 25
2.1.2. Bộ lọc Kalman rời rạc . 26
2.2. Bộ lọc Kalman mở rộng EKF 28
2.2.1. Bộ lọc Kalman mở rộng dạng 1 29
2.2.2. Bộ lọc Kalman mở rộng dạng 2 30
2.3. Bộ lọc UKF 31
2.4. Đánh giá các thuật toán lọc Kalman và kết quả mô phỏng . 34
2.5. Kết luận chương 2 . 38
CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP TỰ ĐỘNG HIỆU CHỈNH MA TRẬN QUAY CHO
HỆ THỐNG INS 39
3.1. Giới thiệu phương pháp tự động hiệu chỉnh ma trận quay 39
3.1.1. Nhận định chung . 39
3.1.2. Nguyên tắc sử dụng trận quay R trong kiểm soát và định hướng 46
3.1.3. Phát triển phương pháp hiệu chỉnh mới trên cơ sở MEMS INS đa trục 48
3.2. Phát triển phương pháp tự động hiệu chỉnh ma trận quay trên cơ sở MEMS INS
9-DOF . 52
3.2.1. Nguyên tắc tính toán . 52
3.2.2. Tái chuẩn hóa 55
3.2.3. Hiệu chỉnh trôi dạt góc yaw 60
3.2.4. Hiệu chỉnh trôi góc roll-pitch . 64
3.2.5. Phản hồi điều khiển bù sai lệch 66
3.2.6. Kết quả thử nghiệm với MEMS INS 9-DOF 68
3.3. Kết luận chương 3 . 71
CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG TÍCH HỢP GPS/INS . 72
4.1. Giải pháp sử dụng lọc và bù dữ liệu cho thiết bị tích hợp GPS/INS . 72
4.1.1. Giải pháp sử dụng lọc Kalman trên thiết bị xe . 72
4.1.2. Phương pháp tính toán trên miền rời rạc 75
4.1.3. Giải pháp bù dữ liệu . 78
4.2. Đề xuất giải pháp phân tán cho hệ thống tích hợp GPS/INS 81
4.3. Thiết kế hệ thống tích hợp GPS/INS với MEMS INS 9-DOF và bus CAN . 82
4.4. Ứng dụng phương pháp hiệu chỉnh các phần tử ma trận quay trong phát triển
firmware cho hệ thống nhúng trên xe bus 86
4.5. Thiết kế bộ lọc UKF và kết quả thực tế trên hệ thống giám sát tại trạm ứng
dụng cho xe bus 93
4.5.1. Đối tượng và mô hình xe bus 93
4.5.2. Xây dựng bộ lọc UKF cho xe bus 96
4.5.3. Kết quả của hệ thống giám sát 100
4.6. Kết luận chương 4 . 107
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . 109
I. Kết luận về luận án 109
II. Kiến nghị và hướng nghiên cứu tiếp theo 109
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN
LUẬN ÁN 110
TÀI LIỆU THAM KHẢO 111
A. TIẾNG VIỆT . 111
B. TIẾNG ANH 111
C. INTERNET 118
PHỤ LỤC 1: CÁC CÔNG VIỆC HOÀN THÀNH TRONG THỜI GIAN THỰC
HIỆN LUẬN ÁN . II
1. Các công trình khoa học đã công bố . II
2. Các đề tài, dự án, nhiệm vụ khác đã chủ trì hoặc tham gia . V
PHỤ LỤC 2: KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ TẠI TRENTO, ITALIA . VII
PHỤ LỤC 3: MỘT SỐ DỮ LIỆU VÀ ĐOẠN MÃ CHƯƠNG TRÌNH . IX
1. Cấu trúc dữ liệu IX
2. Chương trình DCM và dữ liệu ở chế độ tĩnh XIII
3. Script Matlab cho chương trình tại trạm XXVI
MỞ ĐẦU
1. Giới thiệu tóm tắt luận án
Luận án đi sâu nghiên cứu giải quyết vấn đề tồn tại trong suốt thời gian qua là
vấn đề trôi dữ liệu của INS, từ đó đưa ra giải pháp thiết kế hệ thống tích hợp GPS/INS
trên cơ sở cấu trúc phân tán nhằm nâng cao chất lượng cho các thiết bị định vị dẫn
đường sử dụng GPS phục vụ bài toán giám sát phương tiện giao thông đường bộ.
Bằng cách phát triển phương pháp tự động hiệu chỉnh ma trận quay cho thiết bị trên
xe và bộ lọc UKF cho thiết bị tại trạm, giải pháp phân tán của luận án đã giải quyết
được vấn đề sai số tích lũy của INS 9-DOF, tính phi tuyến của hệ thống và xử lý thời
gian thực. Các sản phẩm của luận án đã được ứng dụng trên thực tế thành công.
Nội dụng của luận án được chia thành phần tổng quan và 4 chương chính, bao
gồm: 109 trang (không kể mở đầu, tài liệu tham khảo và phụ lục), 93 tài liệu tham
khảo, 9 bảng, 52 hình vẽ và đồ thị.
2. Đặt bài toán
Mục tiêu của bài toán giám sát phương tiện giao thông vận tải là phát triển hiệu
quả việc quản lý, điều hành các phương tiện này và kiểm tra các trạng thái của đối
tượng lúc đang hoạt động bình thường cũng như khi có sự cố. Chất lượng của hệ
thống giám sát không những thể hiện ở tính chính xác về vị trí, vận tốc và thời gian,
mà còn thể hiện ở việc giám sát được các thông số chuyển động của đối tượng, đặc
biệt là các thông số thể hiện sự dao động của đối tượng và một số thông số đặc trưng
của đối tượng đó. Các thông số đặc trưng này phụ thuộc vào đối tượng cần giám sát,
thông thường là gia tốc, các góc nghiêng thể hiện trạng thái chuyển động của đối
tượng, góc hướng và một số thông số về tình trạng của đối tượng.
Hiện nay, ngoài các phương pháp xác định vị trí nhờ đặc tính chuyển động
tương đối so với điểm mốc đã biết như đèn hải đăng hay các ngôi sao trên bầu trời,
hoặc sử dụng radar hay sóng radio/vô tuyến dựa trên những nguồn phát sóng có vị trí
xác định trước, người ta dùng hai nhóm phương pháp cơ bản để định vị giám sát:
§ Phương pháp xác định vị trí thông qua việc xác định tọa độ của đối tượng trên cơ
sở các hệ tọa độ định vị vệ tinh như GPS, GLONASS, GALILEO, COMPASS,
IRNSS, QZSS. Luận án này sử dụng thông tin từ hệ thống GPS.
§ Phương pháp dẫn đường quán tính (INS) dựa trên trạng thái ban đầu đã biết, ta đo
gia tốc và góc quay để tính toán xác định vị trí tiếp theo. Đặc điểm nổi bật của
phương pháp này là cho ta biết trạng thái chuyển động của đối tượng thông qua
các thông số về gia tốc, góc quay, độ nghiêng và hướng.
Một hệ thống giám sát gồm hai thành phần cơ bản là thiết bị thu dữ liệu gắn
trên đối tượng chuyển động và thiết bị giám sát tại trạm. Thiết bị gắn trên đối tượng
chuyển động thường sử dụng module thu tín hiệu từ hệ thống GPS, qua đó xác định vị
trí và vận tốc của đối tượng mang. Hệ thống GPS cung cấp thông tin vị trí và vận tốc
trong khoảng thời gian dài nhưng tốc độ đưa ra kết quả chậm. Hệ thống giám sát sẽ
mất đi tính năng giám sát khi mất tín hiệu GPS. Hỗ trợ cho hệ GPS trong bài toán
giám sát thường sử dụng hệ thống INS kết hợp thêm các hệ thống khác. Hệ INS chỉ
đưa ra thông tin về vị trí và vận tốc chính xác trong khoảng thời gian ngắn do sai số



tích lũy, bị ảnh hưởng bởi trọng lực, nhưng có ưu điểm là tốc độ đưa ra kết quả cao
với tính toán đầy đủ theo các phương chuyển động và các góc dao động.
Giải quyết được vấn đề trôi dữ liệu của hệ thống INS sẽ mang yếu tố quyết
định và mở ra một hướng đi mới trong thiết kế, chế tạo thiết bị tích hợp GPS/INS. Từ
đó, kết hợp cả hai phương pháp GPS và INS ta sẽ được một hệ thống có ưu điểm tốt
hơn với khả năng cho ra thông tin về vị trí và vận tốc với độ chính xác trong khoảng
thời gian dài, đồng thời có được thông tin về trạng thái chuyển động của đối tượng.
3. Tính cấp thiết và lý do chọn đề tài
Hiện nay ngoài các ứng dụng trong quân sự, hệ thống định vị toàn cầu GPS
được sử dụng trong nhiều ngành, nhiều lĩnh vực hoạt động phục vụ con người. Chỉ nói
riêng trong ngành giao thông đã có nhiều ứng dụng quan trọng của GPS như: Tự động
định vị phương tiện giao thông AVL (Automatic Vehicle Location); Tự động dẫn
đường các phương tiện giao thông AGV (Automatic Guided Vehicle). Tại Việt nam
việc nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật GPS đã được triển khai và có những thành công
nhất định trong lĩnh vực địa chính, bản đồ, quản lý giám sát phương tiện giao thông. Trong xu hướng hiện đại hoá ngành giao thông vận tải có thể nói việc đưa vào sử
dụng GPS là điều tất yếu do những ưu điểm nổi bật về tính hiệu quả và giá thành ngày
càng giảm. Yêu cầu đặt ra là ngoài việc xác định chính xác vị trí và tốc độ chính xác
theo thời gian, thiết bị cần giám sát liên tục các thông số về trạng thái chuyển động
của đối tượng như khoảng di chuyển, góc hướng, gia tốc, độ nghiêng, độ cao. Đây là
những yếu tố mà các thiết bị trong hệ thống giám sát hiện tại chưa được tích hợp.
Các thiết bị giám sát hành trình tại Việt Nam cho phương tiện giao thông
đường bộ hiện tại chỉ sử dụng hệ thống GPS. Tính đến thời điển này các thiết bị
MEMS INS 9-DOF hiện đại có giá thành rất rẻ, cỡ 30 euro/1 thiết bị, có chất lượng
tốt. Do đó việc tích hợp INS trong hệ thống giám sát hành trình sử dụng GPS là việc
nên làm và sẽ dần trở thành chuẩn thiết bị. Ngoài tính năng hỗ trợ cho hệ thống GPS,
hệ thống INS còn cung cấp thêm các thông số đặc trưng cho chuyển động, qua đó
nâng cao chất lượng hệ thống giám sát.
4. Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu và kết quả mong đợi của luận án
Luận án nghiên cứu ứng dụng các công nghệ mới để thiết kế chế tạo thiết bị
nhằm nâng cao chất lượng cho các thiết bị định vị dẫn đường sử dụng GPS phục vụ
bài toán giám sát quản lý phương tiện giao thông đường bộ. Yêu cầu của hệ thống cần
giám sát chính xác vị trí, vận tốc và các tham số thể hiện trạng thái chuyển động của
đối tượng. Đáp ứng nhu cầu này, luận án đặt ra nhiệm vụ nghiên cứu các cơ sở khoa
học của GPS và các thiết bị hỗ trợ, trong đó điển hình là hệ thống INS, và đề xuất các
giải pháp tích hợp trên cơ sở cập nhật công nghệ mới nhằm nâng cao chất lượng hệ
thống giám sát ứng dụng trong quản lý các phương tiện giao thông đường bộ, cụ thể là
ứng dụng cho xe bus.
Để phục vụ mục đích này, tác giả đã từng bước nghiên cứu cập nhật công nghệ,
các giải pháp tích hợp hệ thống dựa trên công nghệ GPS và công nghệ vi cơ điện tử
MEMS INS, từ đó đề xuất giải pháp tích hợp và xử lý dữ liệu phù hợp. Với mục tiêu
đưa ra ra giải pháp thiết kế thiết bị tích hợp hai hệ thống GPS và INS ứng dụng cho xe
bus, bao gồm nhiệm vụ thu thập, xử lý dữ liệu gắn trên xe với hệ thống MEMS INS
tiên tiến và xây dựng thuật toán lọc trên cơ sở lọc Kalman để nâng cao độ chính xác
về vận tốc và quỹ đạo chuyển động của xe. Ngoài ra kết quả còn yêu cầu đưa ra giá trị một số thông số cần giám sát trong suốt quá trình hoạt động về trạng thái dao động,
góc hướng, gia tốc, góc nghiêng và độ cao.
Trong trường hợp mất tín hiệu GPS kéo dài hoặc thiết bị chạy trong môi trường
đóng kín như trong nhà, trong đường hầm hay những khu vực bị che khuất trong một
khoảng thời gian dài, hệ thống tích hợp GPS/INS lúc này chỉ làm việc với tín hiệu INS
và sẽ mất đi khả năng định vị. Luận án nghiên cứu về công nghệ và các thiết bị sử
dụng GPS ứng dụng cho phương tiện giao thông đường bộ, chưa đề cập tới trường
hợp thiết bị chạy trong môi trường đóng kín hay mất GPS kéo dài.
Kết quả mong đợi của luận án là sẽ kiểm soát được các sai số tích lũy của INS,
từ đó đưa ra giải pháp thiết kế thiết bị tích hợp GPS/INS nhằm loại bỏ những sai lệch
quỹ đạo của phương tiện giao thông đường bộ trên cơ sở sử dụng bộ lọc Kalman.
Thiết bị sẽ được ứng dụng cho hệ thống giám sát xe bus.