Tài liệu Về một phương pháp giải bài toán tự động định vị cho máy bay không người lái theo bản đồ địa phương

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ PHẠM VĂN HÒA VỀ MỘT PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN TỰ ĐỘNG ĐỊNH VỊ CHO MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI THEO BẢN ĐỒ ĐỊA PHƯƠNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 62 52 02 03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2018 Công trình được hoàn thành tại: VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ BỘ QUỐC PHÒNG Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS Nguyễn Thế Hiếu 2. TS Lê Kỳ Biên Phản biện 1: PGS. TS Trần Đức Tân Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội Phản biện 2: PGS. TS Lê Vĩnh Hà Viện Khoa học và Công nghệ quân sự Phản biện 3: TS Phan Nhật Giang Học viện Kỹ thuật Quân sự Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện họp tại Viện KH&CN quân sự vào hồi …… ngày …… tháng …… năm 2018. Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: - Thư viện Viện KH&CN quân sự. - Thư viện Quốc gia Việt Nam. 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Gần đây, máy bay không người lái (UAV) đã trở thành nhân tố quan trọng, phát huy hiệu quả trong tác chiến hiện đại, nhưng khả năng hoạt động lại phụ thuộc nhiều vào các hệ thống định vị và dẫn đường trên khoang. Việc nghiên cứu các phương pháp định vị và dẫn đường cho UAV và thiết bị bay luôn thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học. Tuy nhiên do liên quan đến ứng dụng quân sự, những kết quả nghiên cứu và giải pháp chi tiết cho các hệ thống dẫn đường tham chiếu địa hình (TAN), nhất là TAN sử dụng thiết bị định vị vô tuyến (ĐVVT) trên khoang ít được công bố rộng rãi, ở nước ta vẫn chưa được quan tâm nhiều. Vì vậy, nghiên cứu phương pháp TAN sử dụng thiết bị ĐVVT trên khoang cho UAV là cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn ở nước ta hiện nay. Xuất phát từ những lý do trên, nghiên cứu sinh đã chọn đề tài nghiên cứu cho luận án tiến sĩ “Về một phương pháp giải bài toán tự động định vị cho máy bay không người lái theo bản đồ địa phương”. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án - Nghiên cứu xây dựng phương pháp tự động định vị cho UAV theo bản đồ địa phương được biểu diễn dưới dạng hệ số phản xạ của bề mặt mặt đất, sử dụng thiết bị ĐVVT, hàm tương quan cực trị (ECF) và hệ thống dẫn đường quán tính (INS). - Thực nghiệm mô phỏng thống kê trên máy tính và thử nghiệm trên phần cứng dựa trên các bản đồ địa phương giả định và các thông số cho trước của thiết bị ĐVVT để phân tích, đánh giá các kết quả nghiên cứu và đề xuất. 3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu của luận án Nghiên cứu hệ thống ĐVVT trên khoang theo bản đồ địa phương. Xây dựng một số giải pháp và mô hình hệ thống ĐVVT cho UAV kiểu trực thăng (bay ở độ cao từ 100 - 500m, tốc độ bay dưới 80km/giờ) theo bản đồ địa phương ở Việt Nam. 2 4. Phương pháp nghiên cứu của luận án Vận dụng lý thuyết định vị vô tuyến, xác suất thống kê và tính toán giải tích để xây dựng mối liên hệ toán học, đề xuất một số giải pháp trong bài toán định vị theo bản đồ địa phương. Đánh giá kết quả bằng mô phỏng thống kê trên máy tính và thử nghiệm thuật toán định vị trên phần cứng. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Luận án đặt ra và giải quyết nội dung nghiên cứu có tính cấp thiết và khoa học trong xây dựng giải pháp định vị cho UAV theo bản đồ địa phương, cho phép cải thiện hiệu quả và độ tin cậy định vị. Các kết quả đạt được của luận án phù hợp và đáp ứng nhu cầu thực tiễn hiện nay và trong tương lai, mở ra các hướng nghiên cứu ứng dụng khả thi ở Việt Nam. 6. Nội dung nghiên cứu và bố cục của luận án 1) Nghiên cứu phương pháp định vị cho thiết bị bay, phân tích các cơ sở toán học để xây dựng các giải pháp định vị theo bản đồ địa phương. 2) Đề xuất giải pháp, thuật toán và phần mềm xây dựng bản đồ địa phương theo hệ số phản xạ của bề mặt mặt đất. 3) Xây dựng mô hình hệ thống tự động định vị cho UAV theo bản đồ địa phương sử dụng thiết bị ĐVVT trên khoang, hàm ECF và hệ thống INS. 4) Xây dựng thuật toán định vị theo bản đồ địa phương, đề xuất phương pháp lựa chọn các tham số nhằm nâng cao độ tin cậy và hiệu suất định vị. 5) Thực nghiệm mô phỏng thống kê trên máy tính và thử nghiệm trên phần cứng để phân tích, đánh giá các kết quả nghiên cứu, từ đó đưa ra một số khuyến nghị với mô hình hệ thống ĐVVT trên khoang cho UAV. Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục các công trình đã công bố của tác giả, tài liệu tham khảo và phụ lục, nội dung luận án gồm 3 chương: Chương 1. Tổng quan về hệ thống định vị và dẫn đường trên khoang cho UAV; Chương 2. Thông tin định vị vô tuyến và xây dựng giải pháp tạo bản đồ địa phương; Chương 3. Xây dựng mô hình hệ thống và giải pháp định vị theo bản đồ địa phương cho UAV. 3 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VÀ DẪN ĐƯỜNG TRÊN KHOANG CHO UAV 1.1. Nhu cầu phát triển hệ thống định vị và dẫn đường cho UAV Sử dụng các hệ thống định vị và dẫn đường phức hợp, có thể hỗ trợ nhau trong nhiều tình huống tác chiến là xu thế phát triển của UAV và thiết bị bay hiện đại, đang đặt ra nhiều nội dung cần tiếp tục nghiên cứu. 1.2. Hệ tọa độ trong các hệ thống định vị và dẫn đường cho UAV 1.2.1. Hệ tọa độ tham chiếu vuông góc không gian 1.2.2. Hệ tọa độ địa lý toàn cầu WGS-84 1.2.3. Hệ quy chiếu tọa độ vuông góc phẳng 1.3. Hệ thống dẫn đường quán tính 1.3.1. Sơ đồ chức năng của hệ thống dẫn đường quán tính 1.3.2. Phương trình dẫn đường quán tính 1.3.3. Khả năng ứng dụng của INS và hệ thống dẫn đường kết hợp INS hoạt động không dựa vào nguồn tham khảo bên ngoài, không bị gây nhiễu, nhưng tồn tại sai số tích lũy theo thời gian nên thường cần kết hợp với các hệ thống tham chiếu khác: định vị vệ tinh toàn cầu (GNSS), TAN… 1.4. Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu 1.4.1. Cấu trúc hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu 1.4.2. Nguyên lý tính toán và định vị trong hệ thống GNSS 1.4.3. Độ chính xác định vị của hệ thống GNSS Hệ thống GNSS có độ chính xác cao, dễ sử dụng nhưng chịu tác động bởi nhiều yếu tố, dễ bị gây nhiễu từ bên ngoài hoặc bị tạo giả. 1.5. Hệ thống dẫn đường tham chiếu địa hình 1.5.1. Sự phát triển và ứng dụng của dẫn đường TAN TAN sử dụng phép so ghép đặc trưng địa hình mặt đất để xác định tọa độ cho phương tiện mang. Do hoạt động chủ động, TAN khó bị gây nhiễu hơn GNSS nhưng luôn cần có sự khác biệt về đặc trưng địa hình. 4 1.5.2. Dẫn đường theo độ cao địa hình TERCOM và SITAN TERCOM và SITAN là 2 phương pháp TAN điển hình, sử dụng đặc trưng đường bao độ cao địa hình để định vị cho phương tiện mang, đang được ứng dụng trên nhiều UAV và tên lửa hành trình. 1.5.3. Dẫn đường theo bản đồ địa hình số DTM Biểu diễn đặc trưng địa hình dạng bản đồ địa hình số (DTM) cho phép cải thiện độ chính xác và khả năng tính toán. TAN sử dụng thiết bị ĐVVT có thể hoạt động ở mọi ví trí, điều kiện thời tiết, khó bị gây nhiễu… 1.5.4. Phương pháp dẫn đường trong môi trường chưa biết SLAM 1.6. Một số nghiên cứu về dẫn đường tham chiếu địa hình Trong các kết quả nghiên cứu đã công bố, việc xây dựng phương pháp tự động định vị cho UAV theo đặc trưng phản xạ của bề mặt mặt đất sử dụng thiết bị ĐVVT vẫn còn một số vấn đề chưa được đề cập hoặc không được công bố rộng rãi, cần tiếp tục được nghiên cứu chi tiết và cụ thể hơn. 1.7. Bài toán tự động định vị cho UAV theo bản đồ địa phương 1.7.1. Đặt bài toán Nghiên cứu xây dựng phương pháp tự động định vị cho UAV theo bản đồ địa phương được biểu diễn dưới dạng hệ số phản xạ của bề mặt mặt đất, sử dụng thiết bị ĐVVT trên khoang, hàm ECF và hệ thống INS. Thực nghiệm mô phỏng thống kê trên máy tính và thử nghiệm trên phần cứng dựa trên các bản đồ địa phương giả định và các thông số cho trước của thiết bị ĐVVT để phân tích, đánh giá các kết quả nghiên cứu và đề xuất. 1.7.2. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu và giới hạn của bài toán Bài toán được giải trong những điều kiện và giới hạn sau: - Tại thời điểm định vị, UAV trong giai đoạn bay bằng, ổn định trạng thái trên cơ sở dẫn đường INS (có mô hình sai số tọa độ theo thời gian có thể ước lượng trước), giữ độ cao và hướng bay đúng theo hành trình định trước. Việc thu thập, phân tích tín hiệu phản xạ và xử lý thông tin định vị có thể xem là quá trình dừng so với tốc độ tính toán. 5 - Các thông số kỹ thuật của thiết bị ĐVVT trên khoang đã xác định trước và cố định trong suốt quá trình hoạt động, chức năng quét mặt đất của thiết bị ĐVVT có thể thực hiện chuẩn xác theo yêu cầu của hệ thống định vị. Các tham số cung cấp cho hệ thống từ thiết bị ĐVVT và cảm biến trên khoang (trạng thái góc anten và độ cao bay) là đủ chính xác và tức thời. - Để phục vụ mô phỏng, thư viện bản đồ theo hệ số phản xạ của bề mặt mặt đất (tại các khu vực và độ cao bay trong hành trình bay của UAV) sẽ được tạo bằng phương pháp giả định, được xem là đủ tin cậy và tương ứng với các thông số của thiết bị ĐVVT đã chọn. Mô hình thống kê và phạm vi các yếu tố ngẫu nhiên tác động đến tín hiệu phản xạ có thể dự đoán. Dữ liệu tra cứu từ các tài liệu tham khảo trong luận án là đủ độ tin cậy. 1.7.3. Phương pháp, nội dung nghiên cứu và hướng giải quyết 1.8. Kết luận chương 1 Dựa trên các kết quả nghiên cứu, có thể rút ra một số nhận xét sau: 1. Để đáp ứng yêu cầu về khả năng tác chiến và các nhu cầu ứng dụng ngày càng cao của UAV và thiết bị bay, việc sử dụng các hệ thống dẫn đường phức hợp dựa trên dẫn đường INS, GNSS và TAN nhằm hỗ trợ nhau trong nhiều tình huống thực tế phức tạp, nâng cao độ chính xác, độ ổn định và khả năng chống nhiễu là xu thế tất yếu. 2. Dẫn đường TAN sử dụng thiết bị ĐVVT trên khoang vẫn chưa được nghiên cứu nhiều, nhất là tại Việt Nam và ít được công bố rộng rãi do các yếu tố liên quan đến ứng dụng quân sự. Các kết quả nghiên cứu theo hướng này cho UAV vẫn còn một số nội dung chưa được công bố, cần có những nghiên cứu chi tiết và cụ thể hơn. Do đó, bài toán tự động định vị cho UAV theo bản đồ địa phương được đặt ra và giải quyết trong luận án có tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Trên cơ sở đó, 5 nội dung nghiên cứu chính đã được đặt ra và sẽ thực hiện trong các chương 2 và 3 của luận án. 6 Chương 2 THÔNG TIN ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN VÀ XÂY DỰNG GIẢI PHÁP TẠO BẢN ĐỒ ĐỊA PHƯƠNG 2.1. Đặc trưng phản xạ sóng vô tuyến của bề mặt mặt đất 2.1.1. Tính chất phản xạ sóng vô tuyến của bề mặt mặt đất Kích thước phần tử phân giải mặt đất có thể tính theo biểu thức: d x   R / cos   c. / (2cos  ) (2.1)  d y   B  2.R.sin( / 2)  R. với  R  c. / 2 và  B  2.R.sin( / 2) tương ứng là độ phân giải theo cự ly và phương vị của thiết bị ĐVVT,  - độ rộng búp sóng anten,  - độ rộng xung phát,  - góc chiếu xạ, c = 3.108 m/s - tốc độ truyền sóng điện từ trong không khí, R - cự ly đến vùng mặt đất chiếu xạ. Gọi H là độ cao của thiết vị ĐVVT so với mặt đất, ta có R = H / sin, do đó diện tích phản xạ hiệu dụng (RCS) của vùng mặt đất chiếu xạ là:  .H . .c. (2.5)  2.cos  với  là hệ số phản xạ của bề mặt mặt đất chiếu xạ. 2.1.2. Phương trình xác định hệ số phản xạ của bề mặt mặt đất Dạng phổ biến của phương trình radar và ĐVVT có dạng: Рt  Pр .G 2 . 2 . (4 ) 3 .R 4 .L (2.13) trong đó: Pp - công suất phát đỉnh, G - tăng ích anten,  - bước sóng xung thăm dò, L - suy giảm công suất tín hiệu. Vì biểu thức (2.5) được sử dụng để tính RCS cho mục tiêu dạng bề mặt của mặt đất, thay  từ (2.5) và R = H / sin vào (2.13) ta nhận được: 2 2 4 1 Pр .G . . .c. .sin  (2.16) Pt  3 . . H .L 128. 3 .cos  Trong phạm vi của luận án, C  Pр .G 2 . 2 . .c. .sin 4  128. 3 .cos  là hằng số. Từ biểu thức (2.16), hệ số phản xạ  có thể xác định dưới dạng đơn vị dB: 7  dB  Pt dB  C dB  3.H dB  LdB (2.20) Các phương trình (2.1) và (2.20) là cơ sở để xây dựng bản đồ địa phương và các giải pháp định vị theo bản đồ địa phương. 2.1.3. Đặc trưng thống kê biên độ của tín hiệu phản xạ Hàm mật độ xác suất (PDF) của biên độ tín hiệu phản xạ có dạng:  U 2  U 02   U .U 0  U (2.30) f (U )  2 exp    .I 0    2 2    2   trong đó: I 0  U .U2 0   1    2 2  U .U 0 .cos    d  là hàm Bessel loại I bậc 0,  2   exp  0 U - biên độ tín hiệu phản xạ tổng hợp, U0 - biên độ thành phần phản xạ chính,  2 - phương sai biên độ các thành phần phản xạ phụ. 2.2. Sự suy giảm công suất tín hiệu phản xạ 2.2.1. Các yếu tố làm suy giảm công suất tín hiệu phản xạ Suy giảm công suất tín hiệu phản xạ được chia thành: dB LdB  LdB c  Lf dB dB trong đó: Lc - suy hao cố định, L f - thăng giáng công suất. (2.32) Với thiết bị ĐVVT trên khoang, suy hao cố định gồm: dB dB dB LdB c  La  Lant  LB dB a dB ant với L , L (2.33) dB B , L tương ứng là suy hao do khí quyển, do dạng búp sóng anten và do hệ số độ rộng búp sóng anten. 2.2.2. Mô hình thăng giáng công suất tín hiệu phản xạ Từ (2.30), hàm PDF của biên độ tín hiệu phản xạ có các dạng sau: - Phân bố Rice theo (2.30) nếu tín hiệu phản xạ gồm thành phần phản xạ chính và các thành phần phụ. - Phân bố Reyleigh nếu tín hiệu phản xạ chỉ có các thành phần phụ. - Tiến tới phân bố Gaussian khi thành phần phản xạ chính rất mạnh hơn các thành phần phản xạ phụ. Đây là cơ sở cho việc thực hiện mô phỏng sự tác động của yếu tố thăng giáng công suất tín hiệu phản xạ trong luận án. 8 2.3. Bản đồ địa phương và bản đồ thăm dò 2.3.1. Xác định các tham số của phần tử phân giải mặt đất - Kích thước phần tử phân giải mặt đất:  d x  c. / (2 cos  )   d y  H . / sin  (2.36) - Hệ số phản xạ của phần tử phân giải mặt đất: dB  dB  Pt dB  C dB  3.H dB  LdB c  Lf (2.37) 2.3.2. Bản đồ địa phương theo hệ số phản xạ của bề mặt mặt đất Bản đồ địa phương (M x N) pixel có thể biểu diễn dưới dạng ma trận tham chiếu ACh gồm (M x N) phần tử. 2.3.3. Bản đồ thăm dò, ma trận thăm dò và ma trận chuẩn Để biểu diễn bản đồ thăm dò, có thể sử dụng ma trận thăm dò ATD gồm (m x n) phần tử. Bài toán định vị theo bản đồ địa phương k quy về tìm ma trận chuẩn ACh-k-i,j trong ma trận tham chiếu ACh-k giống nhất với ma trận thăm dò ATD cùng kích thước, từ đó tìm được bộ chỉ số định vị (I, J). 2.4. Đề xuất giải pháp xây dựng bản đồ địa phương 2.4.1. Giải pháp xác định các tham số của bản đồ địa phương 1) Kích thước của phần tử phân giải bản đồ (dxk, dyk): xác định theo biểu thức (2.36) dựa trên các tham số chiếu xạ (, , Hk, k, k). 2) Kích thước của bản đồ (Dxk x Dyk): được chọn sao cho, vùng bản đồ thăm dò quét được luôn nằm trong bản đồ địa phương k tương ứng. 3) Tọa độ gốc của bản đồ (x0k, y0k): chọn để tâm bản đồ địa phương nằm trên quỹ đạo bay định trước của UAV. dB 4) Các giá trị hệ số phản xạ  của các pixel bản đồ: xác theo biểu thức (2.37) hoặc dựa trên bản đồ phản xạ có độ phân giải cao: Q  i , j    i , j (q ).S (q) (2.39) q 1 trong đó, Q - số vùng đồng nhất nằm trong pixel thứ (i, j), mỗi vùng có diện tích S(q) và hệ số phản xạ đồng nhất i,j(q). 9 2.4.2. Giải pháp xây dựng ma trận tham chiếu Kích thước của ma trận tham chiếu có thể tính theo biểu thức:  N  int( Dx / d x )   M  int( Dy / d y ) (2.40) Mỗi phần tử ma trận tham chiếu ACh(i, j) chính là hệ số phản xạ  i , j , được xác định theo Pt trong biểu thức (2.37) nhờ bộ biến đổi ADC: ACh (i, j)  int( i, j .15/  Max ) (2.41) trong đó,  Max là hệ số phản xạ lớn nhất của bề mặt mặt đất. Do đó, mỗi byte bộ nhớ có thể lưu trữ được 2 phần tử của ma trận tham chiếu, cho phép hạn chế dung lượng bộ nhớ lưu trữ trên khoang. 2.4.3. Giải pháp xây dựng bộ cơ sở dữ liệu các bản đồ địa phương Tọa độ gốc (x0k, y0k) được chọn sao cho bản đồ địa phương k có độ bất đồng về hệ số phản xạ cao nhất. Một số tham số của bản đồ địa phương được xác định dựa trên tốc độ sai số tọa độ của INS (  d IN S [m/s]) và giới hạn sai số tọa độ theo nhiệm vụ bay của UAV ( dUAV [m]): 1) Chu kỳ định vị Tdv: Td v   d UAV /  d INS [s] (2.43) 2) Cự ly tối đa giữa các bản đồ địa phương liên tiếp: (2.44) ddv  Tdv .VUAV [m] với VUAV - tốc độ bay trung bình của UAV. 3) Số bản đồ địa phương KMax cần xây dựng cho một hành trình bay: K =d / d  d .d / (d .V ) (2.45) Max UAV dv UAV INS UAV UAV trong đó, dUAV là tổng độ dài hành trình theo nhiệm vụ bay của UAV. 4) Kích thước của mỗi bản đồ địa phương:  Dx  2.dUAV + n.d x [m]   Dy  2.dUAV + m.d y [m] (2.46) 5) Bộ tham số (dx, dy), (x0, y0), (M, N), ACh đã xác định ở trên. Giải pháp xây dựng bản đồ địa phương theo hệ số phản xạ của bề mặt mặt đất tạo ra bộ cơ sở dữ liệu tham chiếu cho hệ thống ĐVVT trên khoang. 10 2.5. Xây dựng thuật toán và phần mềm tạo các bản đồ địa phương 2.5.1. Xây dựng thuật toán tạo các bản đồ địa phương Hình 2.12. Lưu đồ thuật toán xây dựng các bản đồ địa phương 2.5.2. Xây dựng phần mềm tạo bản đồ địa phương Với thuật toán đã đề xuất, phần mềm tạo các bản đồ địa phương có các độ phân giải khác nhau được xây dựng trên Visual Basic (hình 2.13). Hình 2.13. Giao diện phần mềm xây dựng bản đồ địa phương 11 Bảng 2.2. Thông số kỹ thuật chính của thiết bị ĐVVT giả định STT 1 2 3 4 5 Thông số kỹ thuật Công suất phát đỉnh Bước sóng Độ rộng xung phát Độ rộng búp sóng Tăng ích anten Ký hiệu Pp    G Đơn vị dB m m độ dB Giá trị 30 0,03 0,1.10-6 3 12 Để tạo cơ sở dữ liệu các bản đồ địa phương với các tham số khác nhau như hình 2.16 phục vụ thực nghiệm và mô phỏng, luận án chọn một bộ tham số của thiết bị ĐVVT băng X giả định trên bảng 2.2 và bản đồ phản xạ giả định dựa trên bản đồ khu vực sân bay Cát Bi (Hải Phòng). Hình 2.16. Các bản đồ địa phương tại các độ cao bay khác nhau 2.6. Kết luận chương 2 1. Tính chất phản xạ sóng vô tuyến của bề mặt mặt đất, đặc trưng bởi kích thước phần tử phân giải và hệ số phản xạ, có thể xác định dựa trên các thông số cho trước của thiết bị ĐVVT trên khoang. 2. Tín hiệu phản xạ là biến ngẫu nhiên, chịu tác động của các yếu tố làm suy hao và thăng giáng công suất, ảnh hưởng không nhỏ đến độ tin cậy định vị theo bản đồ địa phương, cần được nghiên cứu và đánh giá chi tiết. 3. Giải pháp, thuật toán và phần mềm xây dựng bản đồ địa phương dựa trên các thông số của thiết bị ĐVVT, mô hình sai số của INS và yêu cầu nhiệm vụ bay của UAV cho phép: tạo ra bộ cơ sở dữ liệu tham chiếu cho hệ thống ĐVVT trên khoang UAV, nâng cao hiệu suất và độ tin cậy định vị. 12 Chương 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG VÀ GIẢI PHÁP ĐỊNH VỊ THEO BẢN ĐỒ ĐỊA PHƯƠNG CHO UAV 3.1. Một số phương pháp so ghép ma trận trong hệ thống TAN 3.1.1. Phương pháp sai số trung bình bình phương nhỏ nhất  1 m n 2 MMSE ( I , J )  Min  ACh i , j ( p, q )  ATD ( p, q)     (i , j )  m.n p 1 q 1  (3.4) Gọi Kng là ngưỡng quyết định so ghép ma trận, nếu MMSE(I, J) < Kng, việc xác định ma trận ACh-I,J là đủ tin cậy và có bộ chỉ số định vị (I, J). 3.1.2. Phương pháp sai số tuyệt đối trung bình tối thiểu  1 m n  LMAE ( I , J )  Min  ACh i , j ( p, q)  ATD ( p, q)   (i , j )  m.n p 1 q 1  (3.8) Nếu LMAE(I, J) < Kng, việc xác định ma trận chuẩn ACh-I,J là đủ tin cậy. 3.1.3. Phương pháp tương quan cực trị m n      А ( p, q )  А   А ( p, q)  А   p 1 q 1  (3.11) rMax ( I , J )  Max   m n m n (i , j ) 2    А ( p, q)  А    А ( p, q)  А 2   p 1 q 1  p 1 q 1 với: АCh  i,j , АTD là giá trị trung bình các phần tử của ma trận ACh-i,j và ATD. Ch  i,j Ch  i,j Ch  i,j Ch  i,j TD TD TD TD Nếu rMax(I, J) > Kng, ma trận chuẩn ACh-I,J tìm được là đủ tin cậy. 3.2. Xây dựng một số giải pháp trong hệ thống định vị theo bản đồ địa phương cho UAV 3.2.1. Xác định thời điểm mở đầu dò định vị vô tuyến trên khoang Cự ly từ UAV tại điểm M(xM, yM, zM) đến tâm bản đồ địa phương k: R  ( xM  xTk ) 2  ( y M  yTk ) 2  ( z M  zTk ) 2 (3.15) Cự ly từ điểm bắt đầu mở đầu dò đến tâm bản đồ địa phương k là: Rk  Hk .sin k (3.16) Giám sát cự ly R, khi bắt đầu xảy ra R  Rk, UAV thâm nhập vào bản đồ địa phương k là thời điểm đầu dò của thiết bị ĐVVT được mở. 13 3.2.2. Giải pháp xác định tọa độ của UAV theo bản đồ địa phương Tọa độ của UAV được xác định theo biểu thức:  xM  x0 k  J .d xk .sin k  I .d yk .cos k  H k .cot  k .cos k   yM  y0 k  J .d xk .cos k  I .d yk .sin k  H k .cot  k .sin k (3.20) trong đó: (I, J) - chỉ số định vị, (dxk, dyk) - kích thước phần tử phân giải, (x0k, y0k) - tọa độ gốc của bản đồ địa phương k, Hk - độ cao bay so với mặt đất, k - góc phương vị và k - góc chiếu xạ. 3.3. Xây dựng mô hình hệ thống và thuật toán định vị theo bản đồ địa phương cho UAV 3.3.1. Xây dựng mô hình hệ thống định vị vô tuyến trên khoang Hình 3.3. Mô hình hệ thống ĐVVT trên khoang cho UAV Khi UAV thâm nhập vào bản đồ thứ k, thiết bị ĐVVT sẽ phát xung thăm dò và quét mặt đất để xác định (m x n) pixel của bản đồ thăm dò, tạo ra ma trận thăm dò ATD. Việc so ghép sử dụng hàm ECF sẽ tìm ra ma trận chuẩn ACh-k-i,j trong ma trận tham chiếu ACh-k giống nhất với ma trận thăm dò ATD, xác định được tọa độ của UAV, làm thông tin hiệu chỉnh cho INS. 3.3.2. Xây dựng thuật toán định vị theo bản đồ địa phương Trong thuật toán định vị (hình 3.5), ngưỡng quyết định so ghép Kng liên quan đến yêu cầu mức độ tin cậy định vị của hệ thống ĐVVT. Với hệ thống định vị sử dụng hàm ECF, yêu cầu độ tin cậy càng cao thì ngưỡng 14 Kng phải chọn càng gần 1. Còn với phương pháp LMAE và MMSE, Kng phải chọn càng gần 0. Với nội dung “Thoát lặp”, luận án đề xuất giải pháp thích nghi nhằm bảo đảm độ tin cậy định vị: giám sát số lần định vị không đủ tin cậy để tăng hoặc giảm kích thước (m x n) của ma trận thăm dò một cách tự động, thích nghi với mức tác động của thăng giáng công suất Lf. Hình 3.5. Lưu đồ thuật toán định vị theo bản đồ địa phương 3.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng định vị Chất lượng định vị của mô hình hệ thống ĐVVT (độ tin cậy và thời gian thực hiện định vị) chịu ảnh hưởng của các yếu tố: suy hao cố định, thăng giáng ngẫu nhiên của các phần tử ma trận thăm dò, phương pháp so ghép ma trận (ECF, LMAE và MMSE) và kích thước của ma trận thăm dò (m x n). Do đó, đánh giá tác động của các yếu tố này đến chất lượng định vị của mô hình hệ thống ĐVVT và thuật toán định vị là cần thiết. 15 3.3.4. Sai số của phương pháp định vị theo bản đồ địa phương Sai số tọa độ định vị cho UAV tính theo biểu thức:   xM  1,5.( d xk .sin  k  d yk .cos k )    y M  1,5.( d xk .cos k  d yk .sin  k ) (3.24) 3.4. Xây dựng phương pháp đánh giá các kết quả nghiên cứu 3.4.1. Phương pháp đánh giá kết quả dựa trên mô phỏng Monte-Carlo Để đánh giá thống kê tính hiệu quả, độ tin cậy định vị của mô hình hệ thống ĐVVT và thuật toán định vị đã đề xuất, luận án sử dụng phương pháp Monte-Carlo được thực hiện trên Matlab với 1000 mẫu. 3.4.2. Phương pháp đánh giá kết quả bằng thử nghiệm trên phần cứng Dựa trên thuật toán định vị đã đề xuất, phần mềm định vị được xây dựng trên ngôn ngữ C nạp cho chip ARM trên Kit STM32F4 Discovery (hình 3.8), thực hiện theo cả 3 phương pháp so ghép ma trận: MMSE, LMAE và ECF. Các ma trận thăm dò và ma trận tham chiếu được tạo từ phần mềm máy tính ở chương 2 và truyền cho Kit STM32F4 Discovery qua cổng RS232. Chip STM32F407VGT6 sẽ thực hiện so ghép ma trận để tìm ra bộ chỉ số định vị (I, J) và xác định thời gian tính toán định vị, truyền trở lại máy tính để thống kê, đánh giá. Hình 3.8. Kit STM32F4 Discovery thử nghiệm thuật toán định vị 16 3.5. Đánh giá hiệu quả của mô hình hệ thống sử dụng hàm ECF 3.5.1. Đánh giá hiệu quả dựa trên xác suất định vị đúng a. Ma trận 5 x 5 b. Ma trận 9 x 9 c. Ma trận 11 x 11 d. Ma trận 13 x 13 e. Ma trận 15 x 15 f. Ma trận 17 x 17 Hình 3.10. Xác suất định vị đúng với các phương pháp so ghép ma trận 17 Hình 3.10 biểu diễn một số kết quả mô phỏng đánh giá xác suất định vị đúng Pd theo mức thăng giáng ngẫu nhiên Lf cho cả 3 phương pháp so ghép ma trận (ECF, LMAE và MMSE) với mức suy hao Lc = 1,3dB. Hình 3.10a với kích thước ma trận thăm dò (5 x 5), tại mức Lf = 1,0dB, Pd sử dụng hàm ECF cao hơn MMSE khoảng 20% và cao hơn LMAE khoảng 30%. Với các kích thước ma trận thăm dò khác (hình 3.10b, c, d, e, f) cũng cho kết quả Pd sử dụng hàm ECF cao hơn sử dụng MMSE và LMAE. 3.5.2. Đánh giá hiệu quả dựa trên việc chọn ngưỡng so ghép ma trận Hình 3.11 biểu diễn một số kết quả mô phỏng các giá trị ECF, LMAE và MMSE theo sự thay đổi của mức suy hao công suất Lc, với mức thăng giáng Lf = 0,5dB. Các giá trị ECF  1, còn LMAE và MMSE thay đổi tỷ lệ với Lc. Do đó, việc chọn ngưỡng quyết định so ghép ma trận Kng sử dụng phương pháp LMAE và MMSE khó khăn hơn so với sử dụng hàm ECF. a. Ma trận 5 x 5 b. Ma trận 9 x 9 c. Ma trận 13 x 13 d. Ma trận 17 x 17 Hình 3.11. Ngưỡng quyết định với các phương pháp so ghép ma trận 18 3.5.3. Đánh giá thời gian tính toán của thuật toán định vị Kết quả thử nghiệm trên Kit STM32F4 Discovery với kích thước ma trận tham chiếu (23 x 23) để xác định thời gian tính toán định vị như trên bảng 3.1. Thuật toán định vị sử dụng phương pháp MMSE luôn cho thời gian tính toán nhỏ nhất (khoảng 5,5ms). Với phương pháp ECF và LMAE, thời gian tính toán gần tương đương nhau, tương ứng là 14,7ms và 14,6ms. Bảng 3.1. Thời gian tính toán định vị với các phương pháp so ghép ma trận TT Kích thước ma trận thăm dò 1 2 3 4 5 6 7 Ma trận thăm dò (5 x 5) Ma trận thăm dò (7 x 7) Ma trận thăm dò (9 x 9) Ma trận thăm dò (11 x 11) Ma trận thăm dò (13 x 13) Ma trận thăm dò (15 x 15) Ma trận thăm dò (17 x 17) Thời gian định vị trung bình ECF (ms) MMSE (ms) LMAE (ms) 15,2 17,7 18,8 18,2 15,5 11,3 6,3 14,7 4,2 6,0 7,1 7,3 6,4 4,8 2,8 5,5 10,6 15,7 18,9 19,5 17,3 13,0 7,4 14,6 3.6. Đánh giá độ tin cậy của thuật toán định vị theo bản đồ địa phương 3.6.1. Tác động của suy hao công suất tín hiệu phản xạ a. Ma trận 5 x 5 với Lf =1,2dB b. Ma trận 9 x 9 với Lf =2,5dB c. Ma trận 13 x 13 với Lf =3,6dB d. Ma trận 17 x 17 với Lf =5,0dB Hình 3.12. Xác suất định vị đúng theo yếu tố suy hao công suất Lc