I. Tổng quan về hệ thống dẫn đường tích hợp INS GPS
Hệ thống dẫn đường tích hợp INS/GPS là một giải pháp kết hợp ưu điểm của hệ thống dẫn đường quán tính INS và hệ thống định vị toàn cầu GPS. Hệ thống INS hoạt động dựa trên các cảm biến gia tốc và vận tốc góc, cung cấp dữ liệu với tần số cao nhưng dễ bị trôi theo thời gian. Hệ thống GPS cung cấp vị trí chính xác nhưng tần số cập nhật thấp và dễ bị ảnh hưởng bởi môi trường. Sự kết hợp này tạo ra một hệ thống dẫn đường chính xác, đáp ứng nhu cầu định vị và điều khiển cho các vật thể chuyển động như máy bay, tàu thủy, và robot.
1.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống INS và GPS
Hệ thống INS sử dụng các cảm biến gia tốc và vận tốc góc để tính toán vị trí, vận tốc và tư thế của vật thể. Tuy nhiên, sai số tích lũy theo thời gian là nhược điểm lớn. Hệ thống GPS dựa trên tín hiệu từ vệ tinh để xác định vị trí, nhưng dễ bị ảnh hưởng bởi địa hình và thời tiết. Hệ thống tích hợp INS/GPS sử dụng bộ lọc Kalman để kết hợp dữ liệu từ hai hệ thống, giảm thiểu sai số và nâng cao độ chính xác.
1.2. Ứng dụng của hệ thống tích hợp INS GPS
Hệ thống dẫn đường tích hợp INS/GPS được ứng dụng rộng rãi trong quân sự, hàng không, và giao thông vận tải. Ví dụ, trong hàng không, hệ thống này giúp máy bay duy trì quỹ đạo chính xác ngay cả khi tín hiệu GPS bị gián đoạn. Trong lĩnh vực robot, nó hỗ trợ định vị và điều khiển chuyển động tự động. Hệ thống đa phương tiện này cũng được sử dụng trong các phương tiện tự hành dưới nước và trên không.
II. Đặc trưng hóa sai số của cảm biến trong hệ thống INS
Cảm biến MEMS trong hệ thống INS có vai trò quan trọng nhưng dễ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và môi trường. Sai số của cảm biến được phân loại thành sai số tất định và sai số ngẫu nhiên. Phương pháp mật độ phổ công suất (PSD) và phương pháp phương sai Allan được sử dụng để đặc trưng hóa các sai số này. Việc hiểu rõ các nguồn sai số giúp cải thiện độ chính xác của hệ thống dẫn đường tích hợp INS/GPS.
2.1. Phân tích sai số tất định và ngẫu nhiên
Sai số tất định của cảm biến thường do lỗi hiệu chuẩn hoặc ảnh hưởng nhiệt độ. Sai số ngẫu nhiên xuất phát từ nhiễu trong quá trình đo lường. Phương pháp PSD giúp phân tích các thành phần nhiễu trong tín hiệu, trong khi phương pháp phương sai Allan xác định các tham số nhiễu như độ trôi và độ lệch chuẩn. Các phương pháp này là cơ sở để thiết kế các thuật toán bù sai số hiệu quả.
2.2. Bù trừ ảnh hưởng nhiệt độ lên cảm biến
Nhiệt độ là yếu tố ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của cảm biến từ trường và gia tốc. Các nghiên cứu đã đề xuất cấu trúc bù nhiệt độ sử dụng vòng lặp kín và vòng lặp mở. Kết quả thực nghiệm cho thấy việc bù nhiệt độ giúp giảm đáng kể sai số góc hướng và nâng cao độ ổn định của hệ thống dẫn đường.
III. Thiết kế và xây dựng hệ thống dẫn đường tích hợp INS GPS
Thiết kế hệ thống dẫn đường tích hợp INS/GPS tập trung vào việc sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) để kết hợp dữ liệu từ INS và GPS. Hệ thống được thiết kế để hoạt động hiệu quả ngay cả khi tín hiệu GPS bị gián đoạn. Các kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống này có độ chính xác cao và khả năng ứng dụng rộng rãi trong thực tế.
3.1. Thiết kế bộ lọc Kalman mở rộng
Bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) được sử dụng để xử lý dữ liệu từ INS và GPS. EKF giúp ước lượng trạng thái của hệ thống và giảm thiểu sai số tích lũy. Cấu trúc lọc được thiết kế linh hoạt để phù hợp với các điều kiện tín hiệu GPS không ổn định. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy EKF cải thiện đáng kể độ chính xác của hệ thống.
3.2. Kết quả thực nghiệm và đánh giá
Các thử nghiệm thực địa được tiến hành để đánh giá hiệu quả của hệ thống dẫn đường tích hợp INS/GPS. Kết quả cho thấy hệ thống duy trì độ chính xác cao ngay cả khi tín hiệu GPS bị mất. Điều này chứng tỏ khả năng ứng dụng thực tế của hệ thống trong các lĩnh vực như giao thông vận tải, quân sự và robot tự hành.
