Chương 1 (Tổng quan về hệ thống dẫn đường quán tính), trình bày tổng quan về hệ thống dẫn đường quán tính, cơ sở vật lý và toán học xác định vị trí vật thể chuyển động. Kết hợp việc trình bày tổng quan với phân tích ưu nhược điểm của hệ INS, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về hệ dẫn đường các đối tượng chuyển động trên mặt đất. Qua phân tích ưu nhược điểm của hệ dẫn đường xây dựng trên cơ sở hệ INS, đưa ra các định hướng nội dung nghiên cứu của luận án. Chương 2 (Xây dựng phương pháp tự hiệu chuẩn cảm biến trong hệ INS), trình bày nguyên lý hoạt động, cấu trúc, đặc tính cảm biến trong INS, mô hình sai số của cảm biến gia tốc, cảm biến từ trường, cảm biến vận tốc góc.
Dựa trên phương pháp tự hiệu chuẩn, đề xuất phương pháp mới xác định các giá trị sai số hệ thống và quy trình tự hiệu chuẩn đồng thời cho cảm biến gia tốc, cảm biến từ trường, cảm biến vận tốc góc. Đánh giá độ chính xác, tin cậy của phương pháp đề xuất. Chương 3 (Xây dựng hệ dẫn đường quán tính), trình bày đề xuất phương pháp và kết quả thử nghiệm xác định các góc định hướng của vật thể trong không gian từ kết quả đo của cảm biến gia tốc, cảm biến vận tốc góc, cảm biến từ trường sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng kết hợp mô hình hóa sai số ngẫu nhiên bằng mô hình tự hồi quy. Xây dựng hệ INS (hệ INS đề xuất) trên cơ sở tự hiệu chuẩn các cảm biến của IMU, cải thiện độ chính xác xác định góc định hướng.
Trình bày phương pháp và kết quả thử nghiệm xác định vận tốc, vị trí vật thể của hệ INS đề xuất. Chương 4 (Xây dựng hệ dẫn đường kết hợp INS/GPS), trình bày tổng quan về định vị và dẫn đường sử dụng GPS. Xây dựng hệ kết hợp INS/GPS phục vụ dẫn đường các đối tượng chuyển động mặt đất trên cơ sở hệ INS đề xuất. Chương này cũng trình bày phương pháp và kết quả thử nghiệm hệ dẫn đường INS/GPS theo cấu trúc ghép lỏng sử dụng bộ lọc Kalman nhằm kiểm nghiệm lại hệ INS đã xây dựng được tại chương 3.
Kết luận và kiến nghị: tóm tắt những kết quả đạt được và những đóng góp mới của luận án trong lĩnh vực chuyên ngành, bàn luận về khả năng ứng dụng thực tế và kiến nghị cho các hướng phát triển của đề tài. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG QUÁN TÍNH Chương này trình bày tổng quan, cơ sở vật lý và toán học xác định vị trí vật thể chuyển động trong hệ INS, tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước về các hệ thống dẫn đường xây dựng trên cơ sở hệ INS. Phân tích, tổng hợp các nhận định về ưu nhược điểm của các phương pháp cải thiện độ chính xác xác định vị trí hệ INS, phương pháp xây dựng hệ kết hợp INS/GPS. Từ các phân tích đưa ra định hướng nghiên cứu chính của luận án.
Hệ dẫn đường quán tính 1. Các phương pháp dẫn đường Dẫn đường là một hoạt động cần thiết, có mục đích định hướng, chỉ dẫn, điều khiển các vật thể chuyển động theo quỹ đạo mong muốn. Đối tượng của dẫn đường rất đa dạng từ xe cộ lưu thông trên đường, tàu thuyền hoạt động ngoài khơi xa, đến máy bay chở khách dân dụng hoặc quân sự, đường bay của các loại tên lửa đạn đạo, đồ chơi giải trí cao cấp. Dựa trên đối tượng được dẫn đường, có thể chia thành 4 loại: Dẫn đường mặt đất: đối tượng là ô tô, xe máy, con người… Dẫn đường hàng hải: đối tượng là tàu thủy, tàu ngầm… Dẫn đường hàng không: đối tượng là máy bay, trực thăng, khinh khí cầu… Dẫn đường không gian: đối tượng là tàu vũ trụ, tên lửa đạn đạo… Hoạt động dẫn đường đã được con người thực hiện ngay từ giai đoạn phát triển sơ khai ban đầu.
Qua quá trình phát triển lâu dài, đến nay con người đã sáng tạo ra 5 phương pháp dẫn đường [3], đó là: Dẫn đường bằng mục tiêu: là phương pháp dựa vào những mục tiêu nhìn thấy để xác định vị trí của vật thể, từ đó điều khiển chuyển động của vật thể. Những mục tiêu nhìn thấy có thể là đỉnh núi, hải đăng, chập tiêu, biển báo…Phương pháp dẫn đường bằng mục tiêu là phương pháp cổ xưa và đơn giản nhất. Dẫn đường bằng thiên văn học: là phương pháp dựa vào việc quan sát các thiên thể đã biết trên bầu trời như mặt trời, mặt trăng, các vì sao để xác định vị trí của vật thể, từ đó điều khiển chuyển động của vật thể. Phương pháp này sử dụng kính lục phân để đo độ cao và góc giữa các thiên thể, dùng đồng hồ để đo thời gian và dùng lịch thiên văn để tính toán vị trí của vật thể.
Dẫn đường dự đoán: là phương pháp dựa vào vị trí xuất phát ban đầu, tốc độ di chuyển, thời gian và hướng di chuyển của vật thể để dự đoán vị trí của vật thể, từ đó điều khiển chuyển động của vật thể. Phương pháp này nếu không có ảnh hưởng của các yếu tố ngoại cảnh như dòng chảy, gió, sóng, trơn trượt, ma sát…thì cho độ chính xác cao. Dẫn đường bằng sóng vô tuyến: là phương pháp sử dụng thiết bị phát sóng vô tuyến điện, từ một hoặc một số trạm phát cố định có vị trí đã biết để xác định vị trí của vật thể, từ đó 5 điều khiển chuyển động của vật thể. Phương pháp dẫn đường dựa trên các hệ GNSS như GPS, Galileo, GLONASS…là ví dụ điển hình, các vệ tinh định vị toàn cầu chính là các trạm phát sóng vô tuyến điện.
Dẫn đường quán tính: là phương pháp dựa vào đo vận tốc góc, gia tốc chuyển động của vật thể bằng các cảm biến quán tính gắn trên vật thể, rồi dùng phương pháp tích phân để tìm ra hướng chuyển động, vận tốc, vị trí, từ đó điều khiển chuyển động của vật thể [3,20].1 Nguyên lý xác định vị trí trong phương pháp dẫn đường quán tính 1. Các đặc điểm cơ bản của hệ INS Hệ INS xác định vị trí dựa trên chính thông tin chuyển động nội tại của vật thể, đó là gia tốc chuyển động. Từ gia tốc chuyển động của vật thể, lấy tích phân hai lần theo thời gian sẽ xác định được vận tốc và quãng đường chuyển động của vật thể. Hệ INS hoàn toàn có thể cung cấp thông tin về vị trí của vật thể so với vị trí ban đầu theo thời gian.
Điểm làm nên sự khác biệt và cũng chính là tính ưu việt so với các hệ dẫn đường khác đó là hệ INS không sử dụng các thông tin từ bên ngoài. Điều này giúp hệ có khả năng hoạt động độc lập trong mọi điều kiện khí hậu, thời tiết, địa hình. Ngoài ra, hệ INS có thể cung cấp thông tin về vị trí, đặc điểm chuyển động của vật thể một cách tức thời và liên tục.Tuy nhiên, hệ thống INS cũng có điểm hạn chế, đó là do sử dụng phép tính tích phân trong xác định hướng chuyển động, vận tốc, vị trí của vật thể nên có thể sinh ra sai số tích lũy theo thời gian [20]. Một trong những đặc điểm khác của hệ INS đó là việc sử dụng cảm biến MEMS.
Những cảm biến MEMS có độ chính xác cao, kích thước nhỏ, khối lượng nhẹ đã giúp thu nhỏ lại kích thước của một hệ INS, trong khi độ chính xác và độ tin cậy thì không ngừng được cải thiện. Giờ đây một hệ INS đầy đủ có thể nằm gọn trong lòng bàn tay [9,10,20,39]. Cấu tạo của hệ INS Hệ INS hoàn chỉnh bao gồm: khối IMU, các thiết bị tính toán, các thuật toán để tổng hợp và xác định vị trí, đặc điểm chuyển động của vật thể (hình 1. Khối IMU bao gồm: cảm biến gia tốc 3 chiều, cảm biến vận tốc góc 3 chiều (hình 1.2 Cấu tạo hệ dẫn đường quán tính (nguồn: [20]) 6 Hình 1.3 Cấu tạo khối đo lường quán tính (nguồn: [20]) 1.
Phân loại hệ dẫn đường quán tính Dựa vào cấu trúc, có thể chia hệ INS thành 2 loại, đó là: Gimbal và Strapdown. Với hệ INS sử dụng cấu trúc Gimbal: các cảm biến được gắn trên một khung các đăng ba bậc tự do, độc lập với chuyển động của vật thể (hình 1. Cấu trúc này có ưu điểm là thuật toán tính toán đơn giản hơn so với hệ sử dụng cấu trúc Strapdown. Điểm hạn chế của hệ này là đòi hỏi các thiết bị phức tạp, khối lượng lớn, giá thành cao, khó hiệu chỉnh và thử nghiệm [20,36].4 Cấu trúc hệ dẫn đường quán tính Gimbal (nguồn: [56]) Với INS sử dụng cấu trúc Strapdown: Các cảm biến gắn trên vật thể nên chuyển động cùng vật thể (hình 1.
Hệ này có ưu điểm là cấu trúc đơn giản, độ tin cậy cao, độ chính xác có thể chấp nhận được, chi phí thấp, kích thước nhỏ gọn. Tuy nhiên, hệ này có thuật toán tính toán phức tạp hơn so với cấu trúc Gimbal, mặc dù vậy khi mà khả năng tính toán của các thiết bị tính toán ngày càng cao, thì ảnh hưởng của hạn chế này ngày càng mờ nhạt [20,36].5 Cấu trúc hệ dẫn đường quán tính Strapdown (nguồn: [22]) Từ các phân tích về ưu điểm và hạn chế của hệ INS theo cấu trúc Gimbal và Strapdown, có thể thấy việc luận án tập trung nghiên cứu xây dựng INS theo cấu Strapdown là phù hợp với điều kiện thực tế. Ngoài ra việc nghiên cứu xây dựng hệ INS theo cấu trúc Strapdown là phù hợp với xu hướng phát triển chung của thế giới. Hệ INS trong các kết quả nghiên cứu của luận án này được hiểu là xây dựng, đánh giá, thử nghiệm…theo cấu trúc Strapdown.
Cơ sở vật lý và toán học xác định vị trí vật thể chuyển động 1. Các hệ quy chiếu Hệ quy chiếu là một hệ vật được quy ước làm mốc, để xác định vị trí, đặc điểm chuyển động (vận tốc, gia tốc, hướng chuyển động) của vật thể (đối tượng chuyển động) trong không gian, theo thời gian. Để định lượng vị trí và chuyển động của vật thể trong hệ quy chiếu, cần gắn vào hệ quy chiếu đó một hệ trục tọa độ cố định. Hai hệ tọa độ thường được sử dụng là: hệ tọa độ cầu và hệ tọa độ đề các.
Trong luận án này, các hệ quy chiếu, hệ tọa độ được quy ước như sau: 1. Hệ quy chiếu quán tính (i-frame) Hệ quy chiếu quán tính là hệ quy chiếu thỏa mãn định luật I Newton. Gốc của hệ quy chiếu quán tính là tùy ý.
