Số 48/2020: Hệ thống định vị dẫn đường đa cảm biến sử dụng đồng thời trong nhà và ngoài trời - Số 4

Image Content

Karsten Mueller, Jamal Atman, Nikolai Kronenwett và Gert F. Trommer

Nhóm Kỹ thuật Công nghệ Công ty TNHH ANTHI Việt Nam tổng hợp biên soạn.

SAI SỐ TRÊN BỘ LỌC KALMAN

Tầng sai số tại bộ lọc Kalman được xác định bởi 16 trạng thái của quá trình tính toán ước định các thông số liên quan tới thiết bị bay như vị trí 3D, vận tốc 3D, độ cao, gia tốc kế và các giá trị biến thiên của con quay hồi chuyển và bộ đo cao khí áp. Bước ước đoán dịch chuyển của bộ lọc bao gồm việc tích hợp lực chuyển động xác định và các giá trị đo góc do IMU thực hiện. Các phép đo từ cảm biến khí áp và la bàn điện tử có độ trễ không đáng kể, nên các phép đo này được xử lý trong bộ lọc Kalman cập nhật từng bước mà không cần tính tới phần bù cho độ trễ. Như đã đề cập trong phần trước, hệ thống cũng giả định các phép đo có độ trễ không quá cao sẽ không ảnh hưởng tới các phép đo GPS và gây tác động làm thay đổi các phép đo khác. Vì thế, nhóm nghiên cứu đã áp dụng mô hình ngẫu nhiên để giải quyết những sai số có khả năng xuất hiện bởi độ trễ.

XỬ LÝ CÁC PHÉP ĐO GPS

Bước đầu tiên khi xử lý các phép đo GPS là tạo bản sao trạng thái hiện thời trên bộ lọc. Như đã đưa ra trong phần tổng quan hệ thống, xung thời gian tổng hợp bởi máy thu được sử dụng để xác định thời gian khi thực hiện phép đo. Khi có các phép đo chuỗi giả, thì các thông số hiệu chỉnh sẽ được tính toán. Quá trình tính toán sẽ sử dụng trọng số của phép ước định bình phương tối thiểu để tính toán vị trí và vận tốc chuyển động. Trọng số cho từng trị đo chuỗi giả là nghịch đảo của biến ước định, được tính toán phụ thuộc vào tỷ lệ mật độ nhiễu trên sóng mang. Các trọng số của các phép đo Doppler cũng được tính toán tương tự như vậy.

Hình 4 Cơ chế hiệu chỉnh vị trí sử dụng bọ lọc Kalman. 

Để giảm các sai số xuất hiện do các tín hiệu vệ tinh kém chất lượng, thì giá trị tối thiểu của tỷ lệ mật độ nhiễu trên sóng mang ở mức 33 dB-Hz tương ứng với góc ngẩng quan sát vệ tinh 15 độ khi máy thu nhận các tín hiệu từ vệ tinh. Bổ sung vào vị trí và vận tốc chuyển động, thông tin giá trị dẫn xuất từ phép tính toán ước định chính là biến của vị trí đã tính toán được lựa chọn thành một phần quan trọng trong giá trị hiệu dụng trọng số của yếu tố làm suy giảm độ chính xác vị trí PDOP (Position Dilution of Precision) và số dư, biến vận tốc cũng được tính toán theo cách tương tự. Trong trường hợp máy thu chỉ nhận được tín hiệu từ bốn vệ tinh, biến sẽ chỉ là một phần đối với giá trị PDOP mà không có số dư. Vị trí và vận tốc chuyển động được tính toán ước định bởi bộ lọc Kalman sử dụng các biến đã tính toán được này. Hơn thế nữa, trước khi bộ lọc thực hiện bước cập nhật, thì khoảng cách Mahalanobis cho từng trị đo cũng được tính toán và loại bỏ các giá trị biên.

Thêm vào đó, các phép đo sẽ không được xử lý nếu biến của chúng vượt ngưỡng. Thông thường sẽ chỉ xuất hiện khi tiệm cận tới các toà nhà cao tầng nơi mà máy thu GPS nhận được các tín hiệu không đến thẳng từ vệ tinh mà sẽ đến máy thu sau khi va đập vào các toà nhà, việc xử lý các trị đo GPS này là hoàn toàn không cần thiết.

XỬ LÝ SỐ LIỆU ĐO KHOẢNG CÁCH LASER

Như đã mô tả trong phần trước, bản sao ngẫu nhiên được sử dụng để xử lý các phép đo bị ảnh hưởng thay đổi bởi sự xuất hiện của độ trễ. Để xử lý phép đo, cần đến hai trạng thái tạo bản sao.

Phép đo bị ảnh hưởng thay đổi bởi sự xuất hiện của độ trễ bao gồm sự chuyển dịch tịnh tiến vị trí và sự xoay, cả hai thể hiện trong các hệ toạ độ với khung cân bằng ổn định, như vậy khung thân của hệ thống được ghi nhận sự ổn định nhưng sẽ phải bù cho các góc xoay và chúc xuống (Roll and Pitch). Từ đó, các trục X và Y của bộ khung thân ổn định luôn song song với mặt đất. Một số phương pháp có thể được sử dụng để tổng hợp các phép đo bị ảnh hưởng thay đổi bởi sự xuất hiện của độ trễ, ví dụ như phương pháp sử dụng máy chụp ảnh, phương pháp sử dụng máy đo khoảng cách laser hoặc phương pháp lai kết hợp. Trong nghiên cứu mà nhóm các nhà khoa học đã thực hiện ở đây, họ lựa chọn sử dụng phương pháp của các nhà bản đồ học là kỹ thuật SLAM (Simultaneous Localization and Mapping), SLAM được sử dụng để ghi nhận vị trí trên mặt phẳng và sự thay đổi góc lệch. Tuy nhiên, khối SLAM cũng có thể dễ dàng thay thế bởi các phương pháp SLAM công nghệ laser khác.

Trong phương pháp SLAM laser hệ thống sẽ tạo ra bản đồ tịnh tiến tăng dần, các phép đo laser sẽ thực hiện tương ứng với khung bản đồ. Theo đó, các hợp phần chuyển động tịnh tiến và sự xoay của các phép đo xuất hiện thay đổi buộc phải được chuyển đổi từ khung bản đồ sang khung thân ổn định của thiết bị bay trước khi chúng được xử lý bởi bộ lọc Kalman. Có một số tuỳ chọn khi lựa chọn điểm đầu tiên trong thang thời gian để xác định các phép đo quan hệ (điểm thứ hai trong thang thời gian sẽ được xác định bởi phép đo laser gần nhất).

Trong quá trình nghiên cứu, các nhà khoa học đã quyết định sử dụng nền tảng khung điểm chốt (Keyframe) ở thời điểm nhất định. Khung này được xác định và tình trạng bộ lọc cũng được sao chép tương ứng ở thời điểm tính toán. Sau khi xử lý phép đo laser bằng thuật toán SLAM, các giá trị ước định thời điểm xuất hiện sẽ được thể hiện trong toạ độ bản đồ sau đó được chuyển đổi sang các phép đo xuất hiện thay đổi có quan hệ với giá trị khung điểm chốt. Khung điểm chốt cũng sẽ thay đổi phụ thuộc vào thông tin trạng thái của bộ lọc. Thêm vào đó, khung điểm chốt sẽ thay đổi nếu có sự khác nhau giữa các giá trị ước tính nối tiếp nhau đều vượt ngưỡng đã chỉ định. Chỉ số này cho chúng ta thấy những sai số trong tính toán ước định của bộ SLAM tương đương với những thay đổi nhỏ gây ra bởi tốc độ cập nhất nhanh của máy quét laser và hạn chế tốc độ di chuyển của thiết bị bay.

(Còn tiếp)

Mọi thông tin xin liên hệ với chúng tôi qua hòm thư: info@anthi.com.vn