Luận án Tự hiệu chuẩn cảm biến và nâng cao độ chính xác của hệ thống dẫn đường cho các đối tượng chuyển động trên mặt đất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI 
TRIỆU VIỆT PHƯƠNG 
TỰ HIỆU CHUẨN CẢM BIẾN VÀ NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA 
HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG CHO CÁC ĐỐI TƯỢNG 
CHUYỂN ĐỘNG TRÊN MẶT ĐẤT 
LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA 
Hà Nội – 2017 
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI 
TRIỆU VIỆT PHƯƠNG 
TỰ HIỆU CHUẨN CẢM BIẾN VÀ NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA 
HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG CHO CÁC ĐỐI TƯỢNG 
CHUYỂN ĐỘNG TRÊN MẶT ĐẤT 
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa 
 Mã số:62520216 
LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA 
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 
1. PGS.TS NGUYỄN THỊ LAN HƯƠNG 
2. PGS.TS TRỊNH QUANG THÔNG 
Hà Nội – 2017 
i 
LỜI CAM ĐOAN 
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, dựa trên những hướng dẫn 
của PGS.TS Nguyễn Thị Lan Hương, PGS.TS Trịnh Quang Thông. Tất cả những tham 
khảo, kế thừa đều được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ. Kết quả nghiên cứu là trung thực 
và chưa từng công bố trên bất kỳ công trình nào khác. 
 Hà Nội, ngày 03 tháng 3 năm 2017 
Người hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh 
PGS.TS NGUYỄN THỊ LAN HƯƠNG TRIỆU VIỆT PHƯƠNG 
PGS.TS TRỊNH QUANG THÔNG 
ii 
LỜI CẢM ƠN 
Luận án này được thực hiện tại Bộ môn Kỹ thuật Đo & Tin học Công nghiệp – Viện 
Điện – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS 
Nguyễn Thị Lan Hương và PGS.TS Trịnh Quang Thông. Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng 
biết ơn sâu sắc đến hai thầy cô đã hướng dẫn tận tình, hiệu quả trong suốt quá trình nghiên 
cứu và thực hiện Luận án. 
Nghiên cứu sinh cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới: 
GS.TS Phạm Thị Ngọc Yến, PGS.TS Nguyễn Quốc Cường, Hội đồng khoa học và 
các thầy cô trong Bộ môn Kỹ thuật Đo & Tin học Công nghiệp – Viện Điện – Trường Đại 
học Bách khoa Hà Nội đã có những ý kiến đóng góp về khoa học, chuyên môn rất sâu sắc 
đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh trong quá trình thực hiện Luận án. 
Lãnh đạo, các cán bộ kỹ thuật trong Trung tâm Hợp tác Nghiên cứu Phát triển Công 
nghệ Định vị Sử dụng Vệ tinh (NAVIS) – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội; các đồng 
nghiệp trong phòng thí nghiệm Địa vật lý – Liên Đoàn Vật lý Địa chất; các đồng nghiệp 
công tác tại phòng Đo lường Độ dài, phòng Đo lường Thời gian & Tần số, phòng Đo lường 
Áp suất – Viện Đo lường Việt Nam đã tạo mọi điều kiện, hợp tác, nhiệt tình giúp đỡ để 
nghiên cứu sinh thực nghiệm, đánh giá kết quả nghiên cứu của mình. 
Lãnh đạo Viện Đo lường Việt Nam, Viện đào tạo Sau đại học – Trường Đại học 
Bách Khoa Hà Nội đã tạo những điều kiện tốt nhất cho nghiên cứu sinh trong quá trình 
thực hiện Luận án. 
Cũng nhân dịp này, nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn với các thành viên trong gia 
đình, anh em thân thiết, những người đã không quản ngại khó khăn, hết lòng giúp đỡ, động 
viên, tạo điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian qua để nghiên cứu sinh có được cơ hội 
hoàn thành tốt Luận án của mình. 
 Tác giả luận án 
 Triệu Việt Phương 
iii 
MỤC LỤC 
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ....................................................... vi 
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................. xii 
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .......................................................................... xiii 
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1 
 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG QUÁN TÍNH ................ 5 CHƯƠNG 1.
1.1. Hệ dẫn đường quán tính ............................................................................................. 5 
1.1.1. Các phương pháp dẫn đường ............................................................................... 5 
1.1.2. Các đặc điểm cơ bản của hệ INS ......................................................................... 6 
1.1.3. Cấu tạo của hệ INS .............................................................................................. 6 
1.1.4. Phân loại hệ dẫn đường quán tính ....................................................................... 7 
1.2. Cơ sở vật lý và toán học xác định vị trí vật thể chuyển động ..................................... 8 
1.2.1. Các hệ quy chiếu .................................................................................................. 8 
1.2.2. Nguyên lý hoạt động của hệ INS Strapdown .................................................... 11 
1.2.3. Các phương pháp chuyển hệ tọa độ ................................................................... 11 
1.3. Các phương pháp nâng cao độ chính xác hệ INS ..................................................... 17 
1.3.1. INS với hệ thống xác định góc định hướng dựa trên gia tốc trọng trường và từ 
trường Trái đất ............................................................................................................. 18 
1.3.2. INS với hệ thống GPS ....................................................................................... 19 
1.4. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ........................................................................... 21 
1.5. Tình hình nghiên cứu trong nước ............................................................................. 22 
1.6. Kết luận chương 1 .................................................................................................... 23 
 XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP TỰ HIỆU CHUẨN CẢM BIẾN TRONG CHƯƠNG 2.
HỆ INS ................................................................................................................................ 25 
2.1. Cơ sở phép đo và đặc trưng cơ bản các cảm biến trong INS.................................... 25 
2.1.1. Cảm biến gia tốc ................................................................................................ 25 
2.1.2. Cảm biến vận tốc góc ........................................................................................ 27 
2.1.3. Cảm biến từ trường ............................................................................................ 30 
2.2. Hiệu chuẩn cảm biến gia tốc .................................................................................... 32 
2.2.1. Mô hình sai số .................................................................................................... 33 
2.2.2. Phương pháp tự hiệu chuẩn ............................................................................... 33 
2.2.3. Quy trình tự hiệu chuẩn ..................................................................................... 38 
2.3. Hiệu chuẩn cảm biến từ trường ................................................................................ 39 
2.3.1. Mô hình sai số .................................................................................................... 39 
iv 
2.3.2. Phương pháp tự hiệu chuẩn ............................................................................... 40 
2.3.3. Quy trình tự hiệu chuẩn ..................................................................................... 44 
2.4. Hiệu chuẩn cảm biến vận tốc góc ............................................................................. 46 
2.4.1. Mô hình sai số .................................................................................................... 46 
2.4.2. Phương pháp tự hiệu chuẩn ............................................................................... 46 
2.4.3. Quy trình tự hiệu chuẩn ..................................................................................... 49 
2.5. Đề xuất quy trình tự hiệu chuẩn đồng thời cảm biến gia tốc, cảm biến từ trường, 
cảm biến vận tốc góc ....................................................................................................... 49 
2.6. Kết quả thử nghiệm .................................................................................................. 50 
2.6.1. Cảm biến gia tốc ................................................................................................ 51 
2.6.2. Cảm biến từ trường ............................................................................................ 58 
2.6.3. Cảm biến vận tốc góc ........................................................................................ 65 
2.7. Kết luận chương 2 .................................................................................................... 67 
 XÂY DỰNG HỆ DẪN ĐƯỜNG QUÁN TÍNH........................................ 68 CHƯƠNG 3.
3.1. Phương trình xác định vị trí vật thể .......................................................................... 68 
3.1.1. Phương trình xác định vị trí vật thể trong một hệ quy chiếu bất kỳ .................. 68 
3.1.2. Phương trình xác định vị vật thể trong hệ e-frame ............................................ 70 
3.2. Xác định ma trận chuyển vector từ hệ b-frame sang e-frame .................................. 72 
3.2.1. Xác định ma trận chuyển vector từ n-frame sang e-frame ................................ 72 
3.2.2. Xác định ma trận chuyển vector từ hệ b-frame sang n-frame ........................... 72 
3.3. Thuật toán xác định vận tốc và vị trí của vật thể ...................................................... 81 
3.4. Kết quả thử nghiệm xác định hướng, vận tốc, vị trí của hệ INS .............................. 82 
3.4.1. Xác định tham số mô hình AR .......................................................................... 82 
3.4.2. Thử nghiệm xác định hướng của hệ INS ........................................................... 83 
3.4.3. Thử nghiệm xác định vận tốc, vị trí của hệ INS ................................................ 88 
3.5. Kết luận chương 3 .................................................................................................... 93 
 XÂY DỰNG HỆ DẪN ĐƯỜNG KẾT HỢP INS/GPS ............................ 95 CHƯƠNG 4.
4.1. Tổng quan về định vị, dẫn đường sử dụng vệ tinh ................................................... 95 
4.1.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ GPS ................................................... 95 
4.1.2. Nguyên lý xác định vị trí vật thể trong hệ GPS ................................................. 96 
4.2. Hệ dẫn đường kết hợp INS/GPS sử dụng cấu trúc ghép lỏng .................................. 99 
4.2.1. Cấu trúc ghép lỏng INS/GPS ............................................................................. 99 
4.2.2. Xây dựng bộ lọc Kalman cho hệ ghép lỏng INS/GPS ....................................... 99 
4.3. Kết quả thử nghiệm ................................................................................................ 102 
4.3.1. Đường thẳng ít bị che chắn .............................................................................. 103 
4.3.2. Đường cong ít bị che chắn ............................................................................... 107 
4.3.3. Đường thẳng bị che chắn ................................................................................. 110 
v 
4.4. Kết luận chương 4 .................................................................................................. 113 
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................................................... 114 
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 116 
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ......................... 121 
PHỤ LỤC A: Xác định góc định hướng của vật thể ở trạng thái đứng yên và Chuyển 
đổi giữa các phương pháp chuyển hệ tọa độ ................................................................. 122 
PHỤ LỤC B: Kết quả thử nghiệm tự hiệu chuẩn cảm biến gia tốc, cảm biến từ trường
 ........................................................................................................................................... 125 
PHỤ LỤC C: Kết quả thử nghiệm hệ ghép lỏng INS/GPS trên cung đường bị che 
chắn ................................................................................................................................... 136 
PHỤ LỤC D: Lưu đồ thuật toán các phần mềm .......................................................... 138 
vi 
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 
1. Các chữ viết tắt 
Chữ viết 
tắt 
Diễn giải 
GNSS Global Navigation Satellite System - Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu 
GLONASS 
Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema - Hệ thống vệ tinh định vị 
toàn cầu của Liên bang Nga 
INS Inertial Navigation System - Hệ thống dẫn đường quán tính 
GPS Global Positioning System - Hệ thống định vị toàn cầu 
MEMS Micro-Electro-Mechanical System - Hệ vi cơ điện tử 
Baro Barometer - Cảm biến áp suất khí quyển 
IMU Inertial Measurement Unit - Khối đo quán tính 
AR Auto-Regressive Model - Mô hình tự hồi quy 
i-frame Inertial Frame - Hệ quy chiếu quán tính 
e-frame Earth Frame - Hệ quy chiếu Trái đất 
n-frame Hệ quy chiếu địa lý 
b-frame Body Frame - Hệ quy chiếu vật thể 
ENU East North Up - Đông Bắc Hướng lên trên 
NED North East Down - Bắc Đông Hướng xuống dưới 
DCM Direction Cosine Matrix - Ma trận cosin chỉ phương 
AMR Anisotropic MagnetoResistance - Hiệu ứng từ trở dị hướng 
vii 
AHRS 
Attitude and Heading Reference System - Hệ xác định sự định hướng của vật 
thể trong không gian 
MA Moving Average Model - Mô hình trung bình động 
ARMA 
Auto-Regressive - Moving Average Model - Mô hình kết hợp tự hồi quy và 
trung bình động 
CEP Circular Error Probability - Xác xuất sai số vòng tròn 
PDOP Position Delution Of Precision - Hệ số phân tán độ chính xác vị trí 
2. Các ký hiệu 
Ký hiệu Nội dung, ý nghĩa Đơn vị 
(x
i
, y
i
, z
i
) Tọa độ của vật thể trong hệ quy chiếu quán tính Trái đất m 
e
 Vận tốc góc của Trái đất rad/s 
(x
e
, y
e
, z
e
) Tọa độ của vật thể trong hệ quy chiếu Trái đất m 
h Cao độ của vật thể trong hệ quy chiếu Trái đất m 
0
R Bán kính Trái đất m 
φ Kinh độ của vật thể trong hệ quy chiếu Trái đất rad 
λ Vĩ độ của vật thể trong hệ quy chiếu Trái đất rad 
e
f Vector gia tốc đo được xét trong e-frame g 
e
b
C Ma trận chuyển vector từ b-frame sang e-frame 
b
f Vector gia tốc đo được xét trong b-frame g 
n
f Vector gia tốc đo được xét trong n-frame g 
n
b
C Ma trận chuyển vector từ b-frame sang n-frame 
e
n
C Ma trận chuyển vector từ n-frame sang e-frame 
viii 
b
a
C 
Ma trận chuyển vector từ hệ tọa độ A bất kỳ sang hệ tọa độ 
B bất kỳ 
q Vector quaternion biểu diễn sự định hướng của vật thể 
 Góc nghiêng (Roll) rad 
 Góc ngẩng (Pitch) rad 
 Góc hướng (Yaw) rad 
p
G Vector gia tốc đo được bởi cảm biến gia tốc g 
r
G Vector gia tốc trọng trường tại vị trí đặt cảm biến g 
m
G Vector gia tốc chuyển động của cảm biến g 
Acc
Scale
W Ma trận sai số tỷ lệ của cảm biến gia tốc 
Acc
NonOrthog
W Ma trận sai số lệch trục của cảm biến gia tốc 
Acc
V Vector sai số bias của cảm b ... , chụm lại với giá trị trung 
bình và tiến gần đến giá trị gia tốc trọng trường xác định được từ mô hình gia tốc trọng 
trường Trái đất tại điểm thử nghiệm. Như vậy, một lần nữa, có thể khẳng định vector sai số 
bias và ma trận sai số tỷ lệ trung bình xác định được ở giai đoạn 1 là chính xác, phương 
pháp hiệu chuẩn được đề xuất là đúng đắn, có khả năng ứng dụng trong thực tiễn. 
127 
B.2. Kết quả tự hiệu chuẩn cảm biến gia tốc trong IMU LSM9DS0 
Để khẳng định phương pháp tự hiệu chuẩn đề xuất là đúng đắn và có khả năng áp dụng 
cho nhiều cảm biến khác nhau, tác giả cũng đã tiến hành thử nghiệm trên phần cứng tự xây 
dựng, trong đó sử dụng khối IMU LSM9DS0 của hãng STMicroelectronics. Phần cứng do 
tác giả tự xây dựng được thể hiện trên hình B.1. IMU LSM9DS0 bao gồm các cảm biến 
MEMS ba chiều: cảm biến gia tốc, cảm biến vận tốc góc, cảm biến từ trường. Một vài đặc 
tính kỹ thuật cơ bản của khối IMU LSM9DS0 được thể hiện trong bảng B.3. 
Hình B.1. Cấu trúc phần cứng thử nghiệm do tác giả tự xây dựng 
Bảng B.3. Đặc tính kỹ thuật cơ bản của khối IMU LSM9DS0 
Thông số kỹ 
thuật 
Cảm biến gia tốc 
Cảm biến vận tốc 
góc 
Cảm biến từ 
trường 
Dải đo ±2;±4;±6;±8;±16 g 
±245,±500,±1000 
°/sec 
±2,±4,±8,±12 
Gauss 
Độ nhạy 
0,061;0,122;0,183;0,244;0,732 
mg/LSB 
8,75;17,5;70 
mdps/LSB 
0,08;0,16;0,32;0,48 
mGauss/LSB 
Zero Level 
Offset 
±0,002 g ±0,25 °/sec ±0,003 Gauss 
Quá trình thử nghiệm được thực hiện như đã trình bày trong mục 2.6.1.1 
 Giai đoạn 1: Xác định vector sai số bias và ma trận sai số tỷ lệ trung bình. 
Thực hiện 5 lần thu thập kết quả đo của cảm biến gia tốc ở 6 sự định hướng khác nhau 
trong không gian (theo quy trình trình bày tại mục 2.2.3). Từ các bộ số liệu đã thu thập 
được, tiến hành xác định vector sai số bias và ma trận sai số tỷ lệ theo phương pháp đã 
được trình bày trong mục 2.2.2. Từ vector sai số bias và ma trận sai số tỷ lệ xác định được 
từ các bộ số liệu đã thu thập, xác định được vector sai số bias trung bình và ma trận sai số 
tỷ lệ trung bình lần lượt như sau: 
0,0580737 1,0069372 -0.0021483 -0.0020242
0.0143301 ; -0.0021483 1,00060553 0,0012583
-0.0282529 -0.0020242 0,0012583 0,9921626
MEAN MEAN
V W 
128 
 Giai đoạn 2: Kiểm nghiệm lại vector sai số bias và ma trận sai số tỷ lệ trung bình đã xác 
định ở giai đoạn 1. 
Thực hiện 5 lần thu thập kết quả đo của cảm biến gia tốc ở các sự định hướng khác nhau 
trong không gian (tối thiểu là 6 sự định hướng), mỗi lần đo cách nhau 10 phút. Thực hiện 
hiệu chuẩn các bộ số liệu đã thu thập được bằng vector sai số bias và ma trận sai số tỷ lệ 
trung bình đã xác định ở giai đoạn 1. Độ lệch chuẩn của kết quả đo trước và sau hiệu chuẩn 
được thể hiện trong bảng B.4. 
Bảng B.4 Độ lệch chuẩn trước và sau hiệu chuẩn của cảm biến gia tốc 
Lần đo 
Độ lệch chuẩn trước 
hiệu chuẩn (g) 
Độ lệch chuẩn sau hiệu 
chuẩn (g) 
1 0,033605 0,005099 
2 0,035960 0,005776 
3 0,036364 0,004922 
4 0,033671 0,005088 
5 0,032965 0,005521 
So sánh kết quả trước và sau hiệu chuẩn với giá trị gia tốc trọng trường tại địa điểm thử 
nghiệm, xác định được từ mô hình gia tốc trọng trường Trái đất. Tổng bình phương sai số 
trước và sau hiệu chuẩn được thể hiện trong bảng B.5. 
Bảng B.5. Tổng bình phương sai số trước và sau hiệu chuẩn của cảm biến gia tốc 
Lần đo 
Tổng bình phương sai số 
trước hiệu chuẩn (g2) 
Tổng bình phương sai số 
sau hiệu chuẩn (g2) 
1 19,363510 1,285751 
2 25,369618 1,687928 
3 23,720485 1,197154 
4 19,801941 1,339789 
5 19,849863 1,339251 
Khối IMU LSM9DS0 cũng được sử dụng để thử nghiệm, so sánh phương pháp tự hiệu 
chuẩn đề xuất với phương pháp tự hiệu chuẩn xác định đồng thời 7 tham số. Phương pháp 
thử nghiệm, so sánh được thực hiện như đã trình bày tại mục 2.6.1.2. Kết quả tổng bình 
phương sai số sau hiệu chuẩn của phương pháp đề xuất và phương pháp tự hiệu chuẩn xác 
định đồng thời 7 tham số được thể hiện trong bảng B.6. 
129 
Bảng B.6. Tổng bình phương sai số sau hiệu chuẩn 
Lần 
đo 
Tổng bình phương sai số sau 
hiệu chuẩn của phương pháp 
đề xuất (g2) 
Tổng bình phương sai số sau hiệu 
chuẩn của phương pháp tự hiệu chuẩn 
xác định đồng thời 7 tham số (g2) 
1 1,326113 5,992302 
2 2,181735 6,394820 
3 1,251316 5,819185 
4 1,453647 6,392195 
5 1,371094 5,672915 
B.3. Kết quả bổ sung tự hiệu chuẩn cảm biến từ trường trong IMU 
3DM-GX3-35 
Quá trình thử nghiệm được thực hiện như đã trình bày trong mục 2.6.2.1. 
 Giai đoạn 1: Xác định vector sai số bias và ma trận sai số tỷ lệ trung bình. 
Thực hiện 5 lần thu thập kết quả đo của cảm biến từ trường ở 6 sự định hướng khác 
nhau trong không gian (theo quy trình trình bày tại mục 2.3.2). Từ các bộ số liệu đã thu 
thập được, tiến hành xác định vector sai số bias và ma trận sai số tỷ lệ theo phương pháp đã 
được trình bày trong mục 2.3.2. Từ vector sai số bias và ma trận sai số tỷ lệ xác định được 
từ các bộ số liệu đã thu thập, xác định được vector sai số bias trung bình và ma trận sai số 
tỷ lệ trung bình lần lượt như sau: 
-0,2020633 0,9975777 0,0019797 0,0000418
0,1494657 ; 0,0019797 1,0004326 0,0000969
-0,2606573 0,0000418 0,0000969 1,0019889
MEAN MEAN
V W 
 Giai đoạn 2: Kiểm nghiệm lại vector sai số bias và ma trận sai số tỷ lệ trung bình đã xác 
định ở giai đoạn 1. 
Thực hiện 5 lần thu thập kết quả đo của cảm biến từ trường ở các sự định hướng khác 
nhau trong không gian (tối thiểu là 6 sự định hướng), mỗi lần đo cách nhau 10 phút. Thực 
hiện hiệu chuẩn các bộ số liệu đã thu thập được bằng vector sai số bias và ma trận sai số tỷ 
lệ trung bình đã xác định ở giai đoạn 1. Độ lệch chuẩn của kết quả đo trước và sau hiệu 
chuẩn được thể hiện trong bảng B.7. 
Bảng B.7 Độ lệch chuẩn trước và sau hiệu chuẩn của cảm biến từ trường 
Lần đo 
Độ lệch chuẩn trước 
hiệu chuẩn (gauss) 
Độ lệch chuẩn sau hiệu 
chuẩn (gauss) 
1 0,161127 0,023742 
2 0,181984 0,025692 
3 0,173483 0,028281 
4 0,154985 0,025705 
5 0,178498 0,026434 
130 
So sánh kết quả trước và sau hiệu chuẩn với giá trị từ trường Trái đất tại địa điểm thử 
nghiệm, xác định được từ mô hình từ trường Trái đất. Tổng bình phương sai số trước và 
sau hiệu chuẩn được thể hiện trong bảng B.8. 
Bảng B.8. Tổng bình phương sai số trước và sau hiệu chuẩn của cảm biến từ trường 
Lần đo 
Tổng bình phương sai số 
trước hiệu chuẩn (gauss2) 
Tổng bình phương sai số 
sau hiệu chuẩn (gauss2) 
1 39,489214 6,188169 
2 42,819934 5,825497 
3 46,710905 6,272958 
4 38,615185 7,384453 
5 51,182997 7,599869 
B.4. Kết quả tự hiệu chuẩn cảm biến từ trường trong IMU LSM9DS0 
Quá trình thử nghiệm được thực hiện như đã trình bày trong mục 2.6.2.1. 
 Giai đoạn 1: Xác định vector sai số bias và ma trận sai số tỷ lệ trung bình. 
Thực hiện 5 lần thu thập kết quả đo của cảm biến từ trường ở 6 sự định hướng khác 
nhau trong không gian (theo quy trình trình bày tại mục 2.3.2). Từ các bộ số liệu đã thu 
thập được, tiến hành xác định vector sai số bias và ma trận sai số tỷ lệ theo phương pháp đã 
được trình bày trong mục 2.3.2. Từ vector sai số bias và ma trận sai số tỷ lệ xác định được 
từ các bộ số liệu đã thu thập, xác định được vector sai số bias trung bình và ma trận sai số 
tỷ lệ trung bình lần lượt như sau: 
0,0358420 0,9950202 0,00253043 -0,0028952
-0,0527105 ; 0,0025304 1,00459443 -0,0120398
0,4713821 -0,0028952 -0,0120398 1,0002816
MEAN MEAN
V W 
 Giai đoạn 2: Kiểm nghiệm lại vector sai số bias và ma trận sai số tỷ lệ trung bình đã xác 
định ở giai đoạn 1. 
Thực hiện 5 lần thu thập kết quả đo của cảm biến từ trường ở các sự định hướng khác 
nhau trong không gian (tối thiểu là 6 sự định hướng), mỗi lần đo cách nhau 10 phút. Thực 
hiện hiệu chuẩn các bộ số liệu đã thu thập được bằng vector sai số bias và ma trận sai số tỷ 
lệ trung bình đã xác định ở giai đoạn 1. Độ lệch chuẩn của kết quả đo trước và sau hiệu 
chuẩn được thể hiện trong bảng B.9. 
Bảng B.9 Độ lệch chuẩn trước và sau hiệu chuẩn của cảm biến từ trường 
Lần đo 
Độ lệch chuẩn trước 
hiệu chuẩn (gauss) 
Độ lệch chuẩn sau hiệu 
chuẩn (gauss) 
1 0,120860 0,018841 
2 0,150431 0,018679 
3 0,154343 0,020134 
4 0,126883 0,019315 
5 0,140683 0,021153 
131 
So sánh kết quả trước và sau hiệu chuẩn với giá trị từ trường Trái đất tại địa điểm thử 
nghiệm, xác định được từ mô hình từ trường Trái đất. Tổng bình phương sai số trước và 
sau hiệu chuẩn được thể hiện trong bảng B.10. 
Bảng B.10. Tổng bình phương sai số trước và sau hiệu chuẩn của cảm biến từ trường 
Lần đo 
Tổng bình phương sai số 
trước hiệu chuẩn (gauss2) 
Tổng bình phương sai số sau 
hiệu chuẩn (gauss2) 
1 219,043155 22,143722 
2 225,957687 23,793817 
3 172,596748 18,469465 
4 236,607157 26,089289 
5 203,991047 24,284019 
Khối IMU LSM9DS0 cũng được sử dụng để thử nghiệm, so sánh phương pháp tự hiệu 
chuẩn đề xuất với phương pháp tự hiệu chuẩn xác định đồng thời 7 tham số. Phương pháp 
thử nghiệm, so sánh được thực hiện như đã trình bày tại mục 2.6.2.2. Kết quả tổng bình 
phương sai số sau hiệu chuẩn của phương pháp đề xuất và phương pháp tự hiệu chuẩn xác 
định đồng thời 7 tham số được thể hiện trong bảng B.11. 
Bảng B.11. Tổng bình phương sai số sau hiệu chuẩn 
Lần 
đo 
Tổng bình phương sai số 
sau hiệu chuẩn của phương 
pháp đề xuất (gauss2) 
Tổng bình phương sai số sau hiệu chuẩn 
của phương pháp tự hiệu chuẩn xác 
định đồng thời 7 tham số (gauss2) 
1 22,143722 30.637985 
2 23,793817 28.14157 
3 18,469465 26.147805 
4 26,089289 25.823657 
5 24,284019 30.761053 
B.5. Kết quả thử nghiệm lặp lại quá trình xác định vector sai số bias và 
ma trận sai số tỷ lệ trong tự hiệu chuẩn cảm biến gia tốc 
Để khẳng định tính đúng đắn của phương pháp tự hiệu chuẩn đã đề xuất, tác giả thực 
hiện thử nghiệm lặp 1000 lần quá trình xác định vector sai số bias và ma trận sai số tỷ lệ 
như minh họa trên hình B.2. 
Hình B.2. Minh họa thử nghiệm lặp quá trình xác định vector sai số bias và ma trận sai số tỷ lệ 
132 
Giá trị các thành phần của vector sai số bias và ma trận sai số tỷ lệ xác định được sau 
các vòng lặp được thể hiện trên các hình B.3, B.4, B.5, B.6, B.7, B.8, B.9, B.10, B.11. 
Hình B.3. Giá trị thành phần thứ nhất của vector sai số bias - V1 
Hình B.4. Giá trị thành phần thứ nhất của vector sai số bias – V2 
Hình B.5. Giá trị thành phần thứ nhất của vector sai số bias – V3 
133 
Hình B.6. Giá trị thành phần thứ nhất của hàng thứ nhất của ma trận sai số tỷ lệ – W11 
Hình B.7. Giá trị thành phần thứ hai của hàng thứ nhất của ma trận sai số tỷ lệ – W12 
Hình B.8. Giá trị thành phần thứ ba của hàng thứ nhất của ma trận sai số tỷ lệ – W13 
134 
Hình B.9. Giá trị thành phần thứ hai của hàng thứ hai của ma trận sai số tỷ lệ – W22 
Hình B.10. Giá trị thành phần thứ ba của hàng thứ hai của ma trận sai số tỷ lệ – W23 
Hình B.11. Giá trị thành phần thứ ba của hàng thứ ba của ma trận sai số tỷ lệ – W33 
Từ các hình B.3, B.4, B.5, B.6, B.7, B.8, B.9, B.10, B.111, có thể thấy sau 1000 vòng 
lặp thì giá trị của vector sai số bias có xu hướng giảm dần, tuy nhiên sự suy giảm này là rất 
135 
nhỏ (cỡ 10-9), còn giá trị của ma trận sai số tỷ lệ có sự dao động, với biên độ dao động cũng 
rất nhỏ (cỡ 10-12). 
Phương pháp tự hiệu chuẩn cảm biến do tác giả đề xuất là phương pháp không truy hồi, 
vì vậy không thực hiện lặp quá trình xác định vector sai số bias và ma trận sai số tỷ lệ. Do 
không thực hiện lặp, nên việc giả định WAcc = I, có thể gây ra sai số trong kết quả xác định 
các thành phần sai số. Tuy nhiên, các kết quả thử nghiệm đều đã cho thấy sai số do giả 
định này gây ra là rất nhỏ (có thể bỏ qua), giá trị các thành phần sai số xác định được vẫn 
đảm bảo độ chính xác, tin cậy. 
136 
PHỤ LỤC C: Kết quả thử nghiệm hệ ghép lỏng INS/GPS 
trên cung đường bị che chắn 
Quá trình thử nghiệm được thực hiện lại 4 lần tại các thời điểm khác nhau trên cung 
đường Trần Phú – Nguyễn Trãi qua nút giao Khuất Duy Tiến – Nguyễn Xiển có nhà ga 
đường sắt trên cao và hầm chui có tổng chiều dài 980 m theo hai hướng: Hà Đông – Ngã 
Tư Sở và Ngã Tư Sở - Hà Đông. Phương thức tiến hành như đã trình bày trong mục 4.3.3. 
Quá trình thử nghiệm được thực hiện trong khoảng 5 phút, trong đó thời gian mất tín hiệu 
GPS trung bình là 20 s. Ngoài ra để đảm bảo tính tin cậy và khách quan của thử nghiệm, 
tác giả cũng cho xe di chuyển với nhiều tốc độ khác nhau. 
Quỹ đạo chuyển động xác định từ hệ ghép lỏng INS/GPS đề xuất (đường màu đỏ), 
truyền thống (đường màu xanh lam) với chu kỳ cập nhật GPS 1s và hệ GPS trong các lần 
thử nghiệm được thể hiện trên các hình từ C.1 đến C.4. 
 Lần 1: Hướng di chuyển Ngã Tư Sở đi Hà Đông 
(a) (b) 
Hình C.1. (a) Quỹ đạo chuyển động thẳng bị che chắn hướng Ngã Tư Sở - Hà Đông, (b) Quỹ đạo 
chuyển động thẳng bị che chắn trên Google Map 
 Lần 2: Hướng di chuyển Hà Đông đi Ngã Tư Sở 
(a) (b) 
Hình C.2.(a) Quỹ đạo chuyển động thẳng bị che chắn Hà Đông – Ngã Tư Sở, (b) Quỹ đạo chuyển 
động thẳng bị che chắn trên Google Map 
137 
 Lần 3: Hướng di chuyển Ngã Tư Sở đi Hà Đông 
(a) (b) 
Hình C.3. (a) Quỹ đạo chuyển động thẳng bị che chắn hướng Ngã Tư Sở - Hà Đông, (b) Quỹ đạo 
chuyển động thẳng bị che chắn trên Google Map 
 Lần 4: Hướng di chuyển Hà Đông đi Ngã Tư Sở 
(a) (b) 
Hình C.4. (a) Quỹ đạo chuyển động thẳng bị che chắn Hà Đông – Ngã Tư Sở, (b) Quỹ đạo chuyển 
động thẳng bị che chắn trên Google Map 
Kết quả trên các hình C.1, C.2, C.3, C.4 đều cho thấy trên cùng một bộ số liệu, với chu 
kỳ cập nhật GPS và khoảng thời gian mất GPS như nhau, sai lệch về hướng, quãng đường 
di chuyển của hệ ghép lỏng INS/GPS đề xuất là nhỏ hơn hẳn so với hệ INS/GPS truyền 
thống. Quỹ đạo chuyển động của hệ ghép lỏng INS/GPS đề xuất bám sát quỹ đạo chuyển 
động thực tế hơn so với hệ ghép lỏng INS/GPS truyền thống. Rõ ràng độ chính xác và tin 
cậy của hệ ghép lỏng INS/GPS đề xuất là cao hơn. Các kết quả này cũng phản ánh đúng 
các kết quả thử nghiệm trong chương 3, do khi mất tín hiệu GPS, thông tin vận tốc, vị trí 
của hệ ghép lỏng INS/GPS được cung cấp từ chính hệ INS. Các kết quả này một lần nữa 
chứng minh tính đúng đắn của các phương pháp nâng cao độ chính xác hệ INS mà tác giả 
đã đề xuất trong chương 2 và chương 3. 
138 
PHỤ LỤC D: Lưu đồ thuật toán các phần mềm 
D.1. Lưu đồ thuật toán phần mềm tự hiệu chuẩn cảm biến gia tốc 
139 
D.2. Lưu đồ thuật toán phần mềm tự hiệu chuẩn cảm biến từ trường 
140 
D.3. Lưu đồ thuật toán phần mềm tự hiệu chuẩn cảm biến vận tốc góc 
141 
D.4. Lưu đồ thuật toán xác định chính xác góc định hướng của vật thể 
bằng cách kết hợp kết quả đo của cảm biến gia tốc, cảm biến từ trường, 
cảm biến vận tốc góc sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng kết hợp mô hình 
hóa sai số ngẫu nhiên bằng mô hình AR 
142 
D.5. Lưu đồ thuật toán xác định vận tốc, vị trí vật thể trong hệ INS đề 
xuất 
143 
D.6. Lưu đồ thuật toán xác định vận tốc, vị trí vật thể trong hệ ghép 
lỏng INS/GPS đề xuất