Vấn đề định vị và dẫn đường cho các phương tiện chuyển động hiện đang là nhu cầu rất cần thiết cho các quốc gia trên thế giới. Hệ thống tích hợp INS/GPS là một hệ thống có nhiều ưu điểm hơn hẳn các hệ thống INS hay GPS khi hoạt động riêng lẻ. Sau một số kết quả khả quan về việc phát triển hệ INS/GPS cho phương tiện chuyển động trên mặt đất (là ôtô), chúng tôi muốn hướng tới việc định vị và dẫn đường trên biển.

Vấn đề định vị và dẫn đường cho các phương tiện chuyển động hiện đang là nhu cầu rất cần thiết cho các quốc gia trên thế giới. Hệ thống tích hợp INS/GPS là một hệ thống có nhiều ưu điểm hơn hẳn các hệ thống INS hay GPS khi hoạt động riêng lẻ. Sau một số kết quả khả quan về việc phát triển hệ INS/GPS cho phương tiện chuyển động trên mặt đất (là ôtô), chúng tôi muốn hướng tới việc định vị và dẫn đường trên biển. Bài báo này nhằm đánh giá những khó khăn sẽ gặp phải với vấn đề mới này đồng thời phân tích những ưu thế đã đạt được khi chuyển từ định vị cho ôtô sang định vị trên biển. Giới thiệu Ngày nay, vấn đề định vị và điều khiển tự động cho tàu thuyền là quan trọng và cấp thiết trong cả những ứng dụng dân sự và quốc phòng. Việt Nam chúng ta có đường bờ biển dài 3200 km, là một trong những đường bờ biển dài nhất của các quốc gia Đông Nam Á. Nghề cá là một nghề rất phổ biến tại Việt Nam. Hơn thế nữa phát triển kinh tế biển đang có những bước chuyển biến to lớn không chỉ tại Việt Nam mà còn cả các nước châu Á. Vì thế nên việc phát triển hệ thống tích hợp cho các phương tiện chuyển động trên biển là rất cần thiết. Với các ứng dụng dẫn đường tàu thuỷ thì các cảm biến gia tốc và vận tốc góc thường dùng để đo vận tốc và gia tốc theo 6 chiều. Hầu hết các hệ thống dẫn đường đều kết hợp sử dụng bộ lọc Kalman để tích hợp hai hệ thống dẫn đường quán tính INS và hệ thống định vị toàn cầu GPS. Bộ lọc Kalman là bộ lọc số nhiều đầu vào đầu ra, có thể ước lượng một cách tối ưu trong thời gian thực các trạng thái của hệ thống (ở đây là lỗi vị trí, vận tốc và tư thế của vật thể chuyển động). Hình 1. Mô tả mức hệ thống trên SIMULINK Hình 2. Nâng cao độ chính xác khi mất tín hiệu từ GPS Những kết quả đã có trên ôtô Ngày nay, các hệ thống tích hợp INS/GPS đã trở nên phổ biến nhờ sự phát triển mạnh mẽ của các cảm biến chế tạo dựa trên cơ sở công nghệ vi cơ điện tử. Những công ty như Cross bow, BEC-NAV,… đã phát triển những thuật toán của riêng họ nhưng không công bố. Vì thế chúng ta cần phải phát triển các thuật toán trên hệ thống tích hợp của riêng mình. Ở Việt Nam cho đến thời điểm này chúng tôi là nhóm đầu tiên tập trung nghiên cứu về hệ thống tích hợp INS/GPS trên các phương tiện chuyển động và đã thu được kết quả bước đầu là Giải ba Giải thưởng Nhân tài Đất Việt cho sản phẩm có tiềm năng ứng dụng. Hình 3. Chương trình thời gian thực trên VC++ Hình 4. Quỹ đạo thực đã thử nghiệm Có thể tóm lược các nội dung chủ yếu trong hệ thống hiện có của chúng tôi như sau:

• Thiết kế mức hệ thống để kiểm nghiệm thuật toán [4] trên INS/GPS (hình 1)
• Xác định sai số tất định và ngẫu nhiên trên các cảm biến MEMS [3,8].
• Xây dựng thuật toán và lập trình ứng với các tình huống khác nhau của vật thể chuyển động [2] (hình 2)
• Thiết kế bộ phận xử lí tín hiệu để tích hợp thông tin từ nhiều nguồn khác nhau và đưa về máy tính chuyên dụng (hình 3).
• Thực nghiệm trong phòng thí nghiệm [1]
• Thực nghiệm ngoài hiện trường [2,9] (hình 4)

Dẫn đường cho tàu

Hình 5 mô tả một khối GNC cơ bản sẽ được phát triển trong kế hoạch của chúng tôi. Ở đó:

• Khối dẫn đường: tính toán các thông số (gia tốc, vận tốc, vị trí) để đưa tới khố điều khiển. Thông tin cung cấp cho khối dẫn đường là từ con người hoặc từ khối định vị.
• Khối điều khiển: sẽ xác định các lực, moment cần thiết để đáp ứng được các mục tiêu điều khiển. Có thể sử dụng điều khiển vòng kín hoặc vòng hở trong khối này.
• Khối dẫn đường: tính toán vị trí, tư thế và quỹ đạo của tàu. Đầu ra của khối này sẽ được dùng để phản hồi về hai khối trước đó.

Những khó khăn chính cho việc định vị, dẫn đường cho tàu phải kể tới:

• Thông tin về thời tiết (tốc độ gió, hướng gió, chiều cao song, tốc độ và hướng của các dòng chảy,…) . Máy tính cần thu thập thông tin không chỉ từ các cảm biến quán tíng mà còn cả các thông tin thời tiết để xử lí và cho thông tin chính xác tới khối điều khiển.
• Dao động do sóng: sẽ ảnh hưởng tới độ chính xác hệ thống nếu không được loại trừ một cách đúng đắn và triệt để. Dao động loại này có thể xử lý bằng các bộ lọc thông thấp và triệt tần hoặc có thể đưa vào làm tham số cần ước lượng trong bộ lọc Kalman.
• Bộ lọc Kalman mở rộng thường được sử dụng để ước lượng các thông số chuyển động và xử dao động do sóng. Tuy nhiên, nó vẫn gặp phải những hạn chế độ phức tạp còn cao và độ tuyến tính hệ thống hạn chế. Vì thế, những phương pháp phi tuyến như trình bày trong [6] sẽ cần được áp dụng (hình 8)

Kết luận

Từ những đánh giá ở trên chúng ta thấy tính khả thi khi xây dựng một GNC tại Việt Nam. Bằng việc hợp tác với các chuyên gia về hàng hải, thì chúng ta có thể được bổ sung những mảng tri thức về động học và chuyển động của tàu, từ đó có thể đưa vào ứng dụng thực tiễn.

Tài liệu tham khảo

T. D. Tan, L. M. Ha, N. T. Long, N. D. Duc, N. P. Thuy, “Integration of Inertial Navigation System and Global Positioning System: Performance analysis and measurements”, International Conference on Intelligence and Advance Systems, Malaysia.

Tran Duc Tan, Luu Manh Ha, Nguyen Thang Long, Nguyen Dinh Duc, Nguyen Phu Thuy, “Land-Vehicle MEMS INS/GPS Positioning During GPS Signal Blockage Periods”, Journal of Science VNUH, Vol.23, No.4, 2007, pp. 243-251.

L. M. Ha, T. D. Tan, N. T. Long, N. D. Duc, N. P. Thuy, “Errors Determination Of The MEMS IMU”, Journal of Science VNUH, July, 2007, pp. 6-12.

Tran Duc Tan, Huynh Huu Tue, Nguyen Thang Long, Nguyen Phu Thuy, Nguyen Van Chuc, “Designing Kalman Filters for Integration of Inertial Navigation System and Global Positioning System”, in The 10th biennial Vietnam Conference on Radio & Electronics, REV-2006. Hanoi, 2006, pp. 266-230.

Fossen T. I., Marine Control Systems: Guidance, Navigation and Control of Ships, Rigs and Underwater Vehicles, Marine Cybernetics Publisher, 2002, ISBN 82-92356-00-2.
Fossen T.I. and Strand J.P., Passive nonlinear observer design for ships using Lyapunov methods: full-scale experiments with a supply vessel, Automatica, Vol. 35, No.1, 1999 , pp. 3-16.

Georey J.Bulmer, “In MICRO-ISU BP3010 An OEM Miniature Hybrid 6 Degrees-Of-Freedom Inertial Sensor Unit”, Gyro Symposium, Stuttgart, 2003.

Panzieri, S., Pascucci, F., Ulivi, G., “An Outdoor navigation system using GPS and Inertial Platform”, IEEE ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 7, 2002.

Tiêu đề