Xây dựng hệ INS/GPS theo cấu trúc ghép lỏng sử dụng bộ lọc Kalman trên cơ sở hệ INS đã được cải thiện độ chính xác

nh định vị đối với vật thể trong cố định vào vật thể, cộng với việc các phương tiện 
trường hợp này có dạng [1, 4, 5, 6]: chuyển động mặt đất di chuyển thường xuyên nên rõ 
 ràng việc tiến hành hiệu chuẩn các cảm biến trong 
 rvee phòng thí nghiệm là rất khó khăn và phức tạp. Điều 
 này đòi hỏi phải phát triển các phương pháp hiệu 
 vvrCfgeeeeeeebe  2  
 ieieieb (1) chuẩn mới cho IMU sao cho có thể thực hiện một 
 eee cách nhanh chóng, dễ dàng ngay tại hiện trường mà 
 CCbbeb 
 vẫn đảm bảo độ chính xác. 
Trong đó: 
 Do cảm biến gia tốc sử dụng trong hệ INS là 
 e
• r : vector vị trí vật thể xét trong hệ e-frame cảm biến 3 chiều, thông tin đo được từ cảm biến bao 
• ve : vector vận tốc vật thể xét trong hệ e-frame gồm gia tốc trọng trường và gia tốc chuyển động. 
• C e : ma trận chuyển hệ tọa độ từ hệ b-frame sang Trong trường hợp đứng yên, thông tin đo được của 
 b cảm biến chính là giá trị gia tốc trọng trường tại vị trí 
hệ e-frame 
 đặt. Mà giá trị gia tốc trọng trường tại một vị trí được 
 b
• f : vector gia tốc đo được bởi cảm biến gia tốc coi là không đổi (thay đổi vô cùng nhỏ theo thời 
gắn trên vật thể gian), vì vậy hoàn toàn có thể dùng giá trị này làm 
• e : ma trận mô tả các thành phần vận tốc góc chuẩn để hiệu chuẩn cảm biến gia tốc. Trong [2] tác 
 ie giả đã trình bày phương pháp mới dùng giá trị gia tốc 
của hệ e-frame quay quanh hệ i-frame 
 trọng trường tại vị trí đặt cảm biến làm chuẩn (không 
 e cần thêm chuẩn, phương tiện đo tham chiếu bên ngoài 
 00 ie
 mà vẫn đảm bảo độ chính xác, tin cậy) cho phép xác 
  eee 00 ;7,2921159.10(/ ) 5 rads 
 ieieie định chính xác sai số hệ thống (sai số tỷ lệ và sai số 
 000
 bias) của cảm biến gia tốc bằng việc ước lượng lần 
 lượt các sai số sử dụng phương pháp bình phương cực 
• ge : vector gia tốc trọng trường xét trong hệ e-
 tiểu. Tương tự, do từ trường Trái đất tại một vị trí có 
frame thay đổi rất nhỏ theo thời gian, nên giá trị từ trường 
 e
• eb : ma trận mô tả các thành vận tốc góc của vật Trái đất tại vị trí đặt cảm biến cũng được sử dụng làm 
thể xét trong hệ b-frame với e-frame chuẩn để hiệu chuẩn cảm biến từ trường trong hệ INS 
 theo phương pháp trình bày trong [2]. Với cảm biến 
 0 bb vận tốc góc, sai số bias được xác định bằng việc tiến 
 zeb yeb
 b  b0 b hành thu thập kết quả đo ở trạng thái đứng yên, sau 
 eb zeb xeb đó lấy giá trị trung bình cộng để loại trừ. Bên cạnh 
 bb 0
 yeb xeb đó, từ việc có thể xác định chính xác sự định hướng 
 của cảm biến vận tốc góc trong không gian từ kết quả 
 b b b b b e
 eb  ib  ie  ib C e  ie đo của cảm biến gia tốc và cảm biến từ trường ở trạng 
 thái đứng yên, hoàn toàn xác định được giá trị sai số 
 b
• ib : vector vận tốc góc đo bởi cảm biến vận tốc tỷ lệ của cảm biến vận tốc góc dựa trên so sánh góc 
 góc gắn trên vật thể quay của cảm biến xác định từ kết quả đo của cảm 
 2 
 Tạp chí Khoa học và Công nghệ 116 (2017) 001-005 
biến vận tốc góc với góc quay xác định được từ cảm số góc định hướng (  ), vận tốc (ve ), vị trí ( r e ) 
biến gia tốc và cảm biến từ trường (sau khi các cảm của hệ INS, với tín hiệu quan sát là sai lệch giữa vị 
biến gia tốc và từ trường được hiệu chuẩn, sử dụng 
 trí, vận tốc thu được từ GPS ( rvee, ) và vị trí, vận 
các giá trị đo được từ các cảm biến này làm chuẩn). G P S G P S
 tốc xác định được từ INS ( rvee, ). Lấy kết quả góc 
 Mặt khác, theo nguyên lý hoaṭ đôṇ g của hê ̣INS I N S I N S
mô tả trên hình 1, việc xác định chính xác các góc định hướng (  INS ), vận tốc, vị trí xác định được từ hệ 
định hướng của vật thể trong không gian có tính INS trừ đi các giá trị sai số này sẽ thu được góc định 
quyết định, ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của hướng, vận tốc, vị trí chính xác của vật thể. Kết quả 
hệ INS. AHRS là hệ thống xây dựng trên cơ sở các ước đoán sai số góc định hướng, vận tốc, vị trí, cũng 
cảm biến quán tính, cung cấp thông tin về các góc được phản hồi để điều chỉnh lại hệ INS. Ưu điểm của 
định hướng (góc hướng, góc nghiêng, góc ngẩng) của mô hình này là đơn giản, khả năng mở rộng và tính 
vật thể trong không gian. AHRS là một phần của hệ kế thừa cao [1,4,5,6]. 
dẫn đường quán tính và được ứng dụng nhiều trong 
các hệ thống dẫn đường cho ô tô, máy bay, tên lửa, 
trong các hệ thống điều khiển robot, hoặc các hệ cân 
bằng [1]. Khi vật thể đứng yên, giá trị góc nghiêng và 
ngẩng được xác định từ kết quả đo của cảm biến gia 
tốc, giá trị góc hướng được xác định từ kết quả đo của 
cảm biến từ trường. Sau khi xác định được giá trị các 
góc định hướng ở trạng thái đứng yên, khi vâṭ thể 
chuyển động, bằng việc lấy tích phân kết quả đo từ 
cảm biến vận tốc góc sẽ xác định được các góc định 
hướng mới của vật thể. Tuy nhiên, dù đã được hiệu 
chuẩn, kết quả đo của các cảm biến vẫn tồn tại sai số, Hình 2. Mô hình kết hợp INS-GPS theo cấu trúc 
các sai số này tích lũy theo thời gian làm giảm độ ghép lỏng sử dụng bộ lọc Kalman 
chính xác của hệ AHRS. Vì vậy, cần thiết phải áp 
dụng các kỹ thuật bù trừ sai số khác nhau. Một trong Mô hình sai số của hệ thống INS cung cấp thông 
các phương pháp thường được áp dụng là kết hợp tích tin về nguồn gây ra sai số và ảnh hưởng của chúng 
phân kết quả đo từ cảm biến vận tốc góc với kết quả đến sai số xác định vị trí, vận tốc của vật thể. Mô 
đo từ cảm biến gia tốc để xác định chính xác giá trị hình sai số của hệ INS được xây dựng từ hệ phương 
góc nghiêng và góc ngẩng, kết hợp tích phân kết quả trình định vị (1) của hệ. Áp dụng phương pháp xây 
đo từ cảm biến vận tốc góc với kết quả đo từ cảm dựng mô hình sai số cho hệ INS được trình bày trong 
biến từ trường để xác định chính xác giá trị góc [1,4,6], thu được hệ phương trình sai số của hệ thống 
hướng. Thuật toán phổ biến được sử dụng để kết hợp INS như sau: 
là bộ lọc Kalman. Với bộ lọc Kalman, việc xây dựng ee
mô hình hệ thống càng chính xác thì kết quả thu được vr
 eeebeee
càng tốt. Trong khi đó, quá trình hiệu chuẩn chỉ xác vSCfgv  bie 2 (2) 
định và loại trừ được các sai số hệ thống. Các sai số   eeb C
ngẫu nhiên vẫn tồn tại trong kết quả đo của cảm biến iebib
và là nguyên nhân làm giảm chất lượng hệ thống. Vì Mô hình sai số của hệ thống INS dưới dạng 
vậy, trong [3] tác giả đã trình bày phương pháp mới mô hình trạng thái như sau [1,4,6]: 
cho phép xác định chính xác góc định hướng của vật 
thể bằng cách kết hợp kết quả đo của cảm biến vận x( tFtx )( )( tut )( ) c (3) 
tốc góc, cảm biến từ trường, cảm biến gia tốc sử dụng 
bộ lọc Kalman kết hợp mô hình hóa sai số ngẫu nhiên Trong đó: 
của cảm biến vận tốc góc bằng mô hình tự hồi quy. T
 •x() trvf eTeTTbTb T vector 
 ib
 Các đề xuất trong [2,3] được tác giả đưa ra 
nhằm mục đích nâng cao độ chính xác của hệ INS. trạng thái mô tả sai số của hệ 
Hệ INS sau khi cải thiện được sử dụng để xây dựng 0I 0 0 0
hệ ghép lỏng INS/GPS. 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
 0 2 e SC e e 0
 3 3ie b 3 3
3. Xây dưṇ g hê ̣INS/GPS theo cấ u trú c ghép lỏng ee
 • F( t ) 03 3 0 3 3 ie 0 3 3 C b 
 Trong nghiên cứu này, mô hình áp dụng bộ lọc 
 03 3 0 3 3 0 3 3 0 3 3 0 3 3
Kalman kết hợp hệ INS và hệ GPS được mô tả như 
 0 0 0 0 0
hình 2. Bộ lọc Kalman là được dùng để ước lượng sai 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
 3 
 Tạp chí Khoa học và Công nghệ 116 (2017) 001-005 
 T quỹ đạo chuyển động cũng được so sánh với quỹ đạo 
• ututut()()() TT: vector sai số ngẫu nhiên 
 caccgo yr chuyển động của hệ ghép lỏng INS/GPS truyền thống 
tác động lên cảm biến gia tốc và cảm biến vận tốc (hệ xây dựng trên cơ sở INS chỉ sử dụng kết quả đo 
góc. của cảm biến vận tốc góc để xác định giá trị các góc 
 định hướng). Hệ ghép lỏng đề xuất và hệ ghép lỏng 
4. Thực nghiệm và kết quả 
 truyền thống đều tính toán trên cùng một bộ số liệu 
 Để thử nghiệm và đánh giá phương pháp đã đề đã thu thập. Để đảm bảo độ chính xác và tin cậy trong 
xuất, trong nghiên cứu này, khối IMU được sử dụng so sánh, quỹ đạo chuyển động được lựa chọn tại khu 
là 3DM-GX3-35 của hãng MicroStrain (hình 3). IMU vực ít bị che chắn để tín hiệu GPS thu được là tốt 
3DM-GX3-35 bao gồm các cảm biến MEMS ba nhất, tần số cập nhật của bộ thu GPS được chọn là 4 
chiều: cảm biến gia tốc, cảm biến vận tốc góc, cảm Hz, thông tin vị trí thu được từ bộ thu GPS sau đó 
biến từ trường. Ngoài ra, khối 3DM-GX3-35 cũng được tuyến tính hóa để có tần số cập nhật là 100 Hz, 
bao gồm một bộ thu GPS. Bộ thu GPS này được sử giống với tần số cập nhật của hệ ghép lỏng INS/GPS. 
dụng để xây dựng hệ ghép lỏng INS/GPS. Một vài Thời gian cập nhật GPS của hệ ghép lỏng INS/GPS 
đặc tính kỹ thuật cơ bản của khối IMU 3DM-GX3-35 đề xuất và truyền thống cũng được thay đổi nhằm 
được thể hiện trong bảng 1. khảo sát tính ứng dụng. Các phần mềm phân tích kết 
 quả đo, xử lý dữ liệu được tác giả xây dựng dựa trên 
 môi trường Matlab. 
 Một số đặc tính kỹ thuật cơ bản của bộ thu 
 CW46 được thể hiện trong bảng 3. 
 Bảng 3. Đặc tính kỹ thuật của bộ thu GPS CW46 
 Thông số kỹ thuật 
 Hình 3. Khối IMU 3DM-GX3-35 
 Độ chính xác vận tốc 0,05 m/s 
Bảng 1. Đặc tính kỹ thuật cơ bản của khối IMU 
3DM-GX3-35 Độ chính xác vị trí <5 m rms 
 Thông Cảm biến Cảm biến Cảm biến từ Quỹ đạo chuyển động xác định từ hệ ghép lỏng 
 số gia tốc vận tốc góc trường INS/GPS đề xuất với chu kỳ cập nhật GPS 1 s và hệ 
 Dải đo ±5 g ±300 °/sec ±2,5 Gauss GPS được thể hiện trên hình 4. Để thử nghiêṃ khả 
 năng hoaṭ đôṇ g cũng như ứ ng duṇ g thưc̣ tế, chu kỳ 
 Bias ±0,002 g ±0,25 °/sec ±0,003 Gauss câp̣ nhâṭ GPS đươc̣ thay đổi lần lượt 1 s, 2 s, 5 s, 10 s, 
Mật độ 80 0,03 100 15 s, 20 s. 
 nhiễu gHz/ o / sec/ Hz GaussHz/ 
 Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của bộ thu GPS 
trong khối 3DM-GX3-35 được thể hiện trong bảng 2. 
Bảng 2. Một vài đặc tính kỹ thuật của bộ thu GPS 
trong khối 3DM-GX3-35. 
 Thông số kỹ thuật 
 Độ chính xác vận tốc 0,1 m/s 
 Độ chính xác vị trí 2,5 m CEP Hình 4. Quỹ đạo xác định từ hệ ghép lỏng INS/GPS 
 đề xuất với chu kỳ cập nhật GPS 1s (đường màu đỏ 
 Mục đích của thử nghiệm là nhằm đánh giá độ đứt nét) và quỹ đạo chuẩn xác định từ hệ CW46 
chính xác của hệ ghép lỏng INS/GPS đề xuất (hệ xây (đường màu xanh lá) 
dựng trên cơ sở hệ INS đã được cải thiện). Hệ ghép 
lỏng INS/GPS đề xuất được gắn cố định trên ô tô sau Sai số xác định vị trí của hệ ghép lỏng INS/GPS 
đó cho di chuyển liên tục trên đường trong khoảng đề xuất với chu kỳ cập nhật GPS 1s được thể hiện 
thời gian 5 phút. Độ chính xác xác định vị trí của hệ trên hình 5. 
ghép lỏng INS/GPS được xác định dựa trên so sánh 
với quỹ đạo xác định được từ bộ thu GPS thương mại 
chất lượng cao CW46 của hãng Navsync. Ngoài ra, 
 4 
 Tạp chí Khoa học và Công nghệ 116 (2017) 001-005 
 gian không có GPS lớn hơn so với hệ ghép lỏng 
 INS/GPS truyền thống. Và vớ i đô ̣ chính xác này, có 
 thể ứ ng duṇ g trong bài toán điṇ h vi,̣ giám sát phương 
 tiêṇ vớ i đô ̣ tin câỵ cao. Qua đó cho thấy, tính ứng 
 dụng của hệ ghép lỏng INS/GPS đề xuất là cao hơn 
 hệ ghép lỏng INS/GPS truyền thống. 
 5. Kết luận 
 Bài báo đã trình bày đề xuất xây dựng hệ ghép 
 lỏng INS/GPS trên cơ sở hệ INS đã được cải thiện 
Hình 5. Sai số xác định vị trí của hệ ghép lỏng qua nâng cao độ chính xác IMU và độ chính xác xác 
INS/GPS đề xuất với chu kỳ cập nhật GPS 1s. định góc định hướng của vật thể. Nghiên cứu cũng đã 
 tiến hành khảo sát độ chính xác của hệ ghép lỏng 
 Từ các kết quả thể hiện trong hình 4 và hình 5, 
 INS/GPS đề xuất với các chu kỳ cập nhật GPS khác 
có thể nhận thấy quỹ đạo xác định được từ hệ ghép 
 nhau. Các kết quả trong bài báo cho thấy hệ ghép 
lỏng INS/GPS đề xuất với chu kỳ cập nhật GPS 1 s 
 lỏng INS/GPS đề xuất có độ chính xác cao hơn so với 
bám sát với quỹ đạo di chuyển thực tế. Sai số vị trí 
 hệ ghép lỏng INS/GPS truyền thống va hoan toan co 
nhỏ hơn 6 m . ̀ ̀ ̀ ́
 thể ứ ng duṇ g đươc̣ trong bài toán điṇ h vi,̣ giám sát 
 Sai số vị trí trung bình của hệ ghép lỏng phương tiêṇ vớ i đô ̣ tin câỵ cao. Điều này một lần nữa 
INS/GPS đề xuất và hệ ghép lỏng INS/GPS truyền khẳng định tính đúng đắn của các đề xuất nhằm cải 
thống với các chu kỳ cập nhật GPS khác nhau được thiện hệ INS đã được tác giả trình bày trong [2,3]. Để 
thể hiện trong bảng 4. nâng cao hơn nữa độ chính xác trong việc xác định vị 
 trí vật thể các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung xây 
Bảng 4. Sai số vị trí trung bình của hệ ghép lỏng 
 dựng hệ ghép chặt INS/GPS sử dụng bộ lọc Kalman 
INS/GPS đề xuất và hệ ghép lỏng INS/GPS truyền 
 trên cơ sở hệ INS đã cải thiện. 
thống với các chu kỳ cập nhật GPS khác nhau 
 References 
 Sai số vị trí của 
 Sai số vị trí của 
 hệ ghép lỏng [1]. David H.Titterton and John L.Weston, “Strapdow 
 Chu kỳ cập hệ ghép lỏng 
 INS/GPS Inertial Navigation Technology”, 2nd Edition, 2004, 
 nhật GPS (s) INS/GPS đề 
 truyền thống The Institution of Electrical Engineers, Michael 
 xuất (m) 
 (m) Faraday House, Peter Peregrimus Ltd. 
 1 2,0951 2,0823 [2]. Trieu Viet Phuong, Nguyen Thi Lan Huong, Trinh 
 2 4,6462 4,2050 Quang Thong, “Implementation Of Self-Calibration 
 Method For Accelerometer In Inertial Navigation 
 5 13,8972 7,8987 
 System”, Journal of Science & Technology Technical 
 10 45,9147 14,5297 Universities 113 (2016), pp 56-61. 
 15 94,0231 21,8577 
 [3]. Triệu Việt Phương, Nguyễn Thị Lan Hương, Trịnh 
 20 170,2700 30,1010 Quang Thông, “Xây dựng hệ AHRS trên cơ sở cảm 
 biến MEMS sử dụng bộ lọc Kalman kết hợp mô hình 
 Từ kết quả thể hiện trong bảng 4 có thể thấy với sai số ngẫu nhiên AR”, Hội nghị toàn quốc lần thứ 3 
chu kỳ cập nhật là 1 s và 2 s, sai số của hệ ghép lỏng về Điều khiển và Tự động hóa VCCA2015, DOI: 
INS/GPS đề xuất nhỏ hơn sai số của hệ ghép lỏng 10.15625/vap.2015.0124, pp 844-851, Thái Nguyên 
INS/GPS truyền thống, tuy nhiên sai lệch giữa hai hệ 11-2015. 
là không lớn. Điều này là do với chu kỳ cập nhật nhỏ, [4]. Isaac Skog, “A Low-Cost GPS Aided Inertial 
thì sai số tích lũy trong hệ INS đề xuất và INS truyền 
 Navigation System for Vehicular Applications”. 
thống là nho, chưa đủ để tạo nên sự khác biệt rõ ràng. 
 ̉ Master of Science Thesis, Stockholm, Sweden, 2005. 
Với các chu kỳ cập nhật lớn hơn 5 s, có thể thấy rõ 
ràng sự khác biệt giữa hai hệ, sai số của hệ ghép lỏng [5]. Jay A. Farrell (2008) Aided Navigation GPS with 
INS/GPS đề xuất nhỏ hơn nhiều so với hệ ghép lỏng High Rate Sensors. McGraw-Hill Companies, Inc. 
INS/GPS truyền thống. Trong thưc̣ tế, khi các đối 
tươṇ g chuyển đôṇ g măṭ đất đi qua khu vưc̣ bi ̣ che [6]. Adrian Schumacher (2006) Integration of a GPS aided 
 Strapdown Inertial Navigation System for Land 
chắn, đườ ng hầmthông tin GPS mất trong khoảng 
thờ i gian trên 5 giây là khá thườ ng xuyên. Từ kết quả Vehicles. Master of Science Thesis Stockholm, 
thể hiện trong bảng 4, cũng có thể thấy, ở cùng một Sweden. 
mức sai số cho phép thì hệ INS/GPS đề xuất cho phép 
xác định chính xác vị trí của vật thể với khoảng thời 
 5