Luận Văn Xây dựng bộ ước lượng góc quay ba trục

TÓM TẮT
Hướng nghiên cứu về thuật toán các bộ ước lượng góc quay ba trục hay xây dựng hệ
thống đo quán tính ba trục IMU (Inertial Measurement Unit) đã xuất hiện từ lâu do nhu cầu
cần thông tin về góc nghiêng hay góc quay của vật thể trong không gian để giải quyết các bài
toán về điều khiển cân bằng, hệ thống định vị dẫn đường, hệ thống mô phỏng cử động
người Trên thế giới đã có rất nhiều sản phẩm thương mại với độ chính xác rất cao (<0.001º)
dùng trong hàng không, tên lửa hay các sản phẩm với độ chính xác thấp hơn (<1º) dùng cho
dẫn đường. Các sản phẩm thương mại độ chính xác cao này rất đắt tiền, tuy nhiên đối với các
ứng dụng trong điều khiển và dẫn đường không cần đòi hỏi quá khắt khe thì thông thường chỉ
yêu cầu sai số nhỏ hơn 2º. Do đó bài toán đặt ra là nắm bắt các công nghệ để tạo ra IMU phù
hợp có thể tích hợp sâu vào các các ứng dụng này. Vì nhu cầu này nên rất nhiều phòng nghiên
cứu đã đưa ra các thuật toán ước lượng tuy không đạt kết quả cao như các sản phẩm thương
mại nhưng vẫn đảm bảo trong tầm sai số phù hợp cho các ứng dụng này. Cùng với sự phát
triển của công nghệ MEMS và các dòng vi điều khiển hỗ trợ tính toán số thực, các cảm biến
có sai số càng nhỏ và dễ dàng tích hợp với vi điều khiển tạo nên IMU nhỏ gọn.
Từ các ý trên luận văn sẽ tập trung tìm hiểu các thuật toán để xây dựng bộ ước lượng
góc quay ba trục, đưa ra lựa chọn giải thuật phù hợp để nhúng trên IMU. Sau đó luận văn sẽ
đánh giá sai số của IMU khi chạy giải thuật này và cải tiến để giảm thiểu sai số nếu được.
Trong luận văn sử dụng IMU 9-DOF được chế tạo tại phòng thí nghiệm Điều Khiển Tự
Động - Bộ môn Tự Động, Đại học Bách Khoa TPHCM. Thuật toán được dùng là bộ lọc
Kalman mở rộng cải tiến dùng DCM ước lượng chín số hạng trong ma trận xoay và ba giá trị
gia tốc ngoài. Kết quả đánh giá cho thấy sai số ba góc quay RMS đạt được nhỏ hơn 3º. Tần
số cập nhật dữ liệu ba góc quay là 100Hz đảm bảo yêu cầu của các bài toán điều khiển. Luận
văn cũng đã phát triển chương trình đồ họa mô hình 3D của IMU hiển thị thời gian thực.
Hướng phát triển sau luận văn là cải tiến thuật toán để IMU thích nghi tốt hơn nữa với
nhiễu từ trường bằng cách đưa thêm vào thuật toán ba giá trị ước lượng nhiễu từ trường, giảm
thiểu sai số các góc quay và tăng tần số cập nhật của IMU dùng bộ lọc Kalman gián tiếp
(Indirect-Kalman Filter).

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ii
TÓM TẮT . ii
MỤC LỤC iii
DANH SÁCH BẢNG BIỂU v
DANH SÁCH HÌNH VẼ vi
DANH SÁCH VIẾT TẮT . viii
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1
1.1 Các khái niệm chung về bộ ước lượng góc quay ba trục . 1
1.2 Các ứng dụng, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước . 1
1.3 Nhiệm vụ của luận văn . 3
1.4 Nội dung luận văn 3
CHƯƠNG 2. THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG . 4
2.1 Tổng quan về các giải thuật ước lượng ba góc nghiêng 4
2.1.1 Ma trận xoay . 4
2.1.2 Ma trận xoay dựa trên ba góc Euler . 5
2.1.3 Ma trận xoay dựa trên Quaternion . 6
2.1.4 Các phương trình động học . 10
2.1.5 Cách tính các góc Euler từ quaternion và ma trận DCM 11
2.2 Bộ lọc bù . 11
2.2.1 Tổng quan các bộ lọc bù . 11
2.2.2 Các phương pháp ước lượng bình phương tối thiểu . 11
2.2.3 Bộ lọc bù dùng phương pháp Gauss-Newton . 13
2.2.4 Bộ lọc bù dùng phương pháp Gradient Descent . 15
2.3 Bộ lọc Kalman . 16
2.3.1 Tổng quan về bộ lọc Kalman 16
iv
2.3.2 Bộ lọc Kalman mở rộng dùng DCM 20
2.3.3 Bộ lọc Kalman mở rộng dùng Quaternion . 22
2.4 Mô phỏng và đánh giá các bộ ước lượng 24
2.4.1 Phương pháp mô phỏng và đánh giá 24
2.4.2 Kết quả và nhận xét 25
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG BỘ ƯỚC LƯỢNG . 29
3.1 Hệ thống IMU tích hợp ARM Cortex-M4 STM32F40x và cảm biến ADIS16405 . 29
3.1.1 Vi điều khiển ARM Cortex-M4F STM32F40x 29
3.1.2 Cảm biến ADIS16405 và phương pháp calib . 46
3.2 Xây dựng mô hình MATLAB Simulink giải thuật Kalman mở rộng cải tiến dùng
DCM 49
3.3 Lập trình cho IMU kết hợp MATLAB Simulink Embedded Coder và trình biên dịch
KeilC 53
3.4 Lập trình đồ họa mô hình 3D cho IMU dùng ngôn ngữ Python 55
3.4.1 Tổng quan cấu trúc và cú pháp của một chương trình viết bằng Python . 55
3.4.2 Các thư viện 57
3.4.3 Phần mềm đồ họa mô hình 3D cho IMU . 61
3.5 Hệ thống bàn xoay kiểm tra IMU . 62
CHƯƠNG 4. THỰC HIỆN ĐÁNH GIÁ & KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC . 64
4.1 Phương pháp đánh giá 64
4.2 Thực hiện đánh giá 65
4.3 Kết quả 66
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN 76
5.1 Kết luận . 76
5.2 Hướng phát triển của đề tài 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 77