BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------



BÙI ĐỨC MẠNH
NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN PHƯƠNG THỨC AUTOPILOT CHO
THIẾT BỊ BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI UAV




2015A
 

1708329994893b2499d00-358e-40fa-abe6-6e966e8b3031
1708329994893152c4066-7240-475d-addb-48ad6793623a
17083299948922c435d39-45fe-40c3-83c9-4aa151553bf1


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------BÙI ĐỨC MẠNH

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN PHƯƠNG THỨC AUTOPILOT CHO
THIẾT BỊ BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI UAV







:


 



Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: BÙI ĐỨC MẠNH
Đề tài luận văn: NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN PHƯƠNG THỨC
AUTOPILOT CHO THIẾT BỊ BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI UAV
Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Mã số SV: CA150139

               
ngày 
-



-

C

 


-

 .

-

T


-

T


-

C

Ngày

tháng

Giáo viên hướng dẫn


Tác giả luận văn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG




Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: BÙI ĐỨC MẠNH
Đề tài luận văn: NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN PHƯƠNG THỨC
AUTOPILOT CHO THIẾT BỊ BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI UAV
Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Mã số SV: CA150139

               
ngày 
-



-

C

 

-

 .

-





-




-




Giáo viên phản biện

Tác giả luận văn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ....................................................................................................
TÓM TẮT ..........................................................................................................
ABSTRACT .......................................................................................................
LỜI CAM ĐOAN ..............................................................................................
DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT .......................................
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...........................................................................
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .....................................................................
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ UAV, ĐỊNH VỊ ĐIỂM CHÍNH XÁC
PPP, GPS VÀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ QUÁN TÍNH INS ........................... 1
1.1.


Sơ lược các thiết bị bay không người lái UAV ............................. 1

1.2.

Sơ lược hệ thống Autopilot cho UAV ............................................ 2

1.3.

Sơ lược về các hệ thống định vị điểm chính xác GPS và cảm

biến quán tính .............................................................................................. 3
1.3.1.

 .......................................................4

1.3.2.

MEMS IMU .....................................................................5

1.4.

Sơ lược về hệ thống tích hợp PPP GPS/MEMS IMU .................. 6

1.4.1.

 .........................6

1.4.2.

 ................................................................7


1.5.

Tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu GPS .............................. 7

1.5.1.

.................................................................. 7

1.5.2.

 ........................................................................10

1.5.3.

 ..........................................................................26

1.6.
1.6.1.

Tổng quan về phương pháp định vị điểm chính xác .................. 29
 .....................................................29


1.6.2.

 .................................................................................31

1.6.3.


 .......................................................................................32

1.7.

Tổng quan về hệ thống định vị quán tính INS ........................... 33

1.7.1.

 .................................34

1.7.2.

 ......................................................................................37

1.7.3.

 ......................................................... 42

Chương 2. SỰ TÍCH HỢP GIỮA INS VÀ GPS ....................................... 43
2.1.

Phương pháp tích hợp GPS/INS .................................................. 43

2.1.1.

 ...............................................................43

2.1.2.

 ......................................................45


2.2.

Bộ lọc Kalman................................................................................ 46

2.3.

Bộ lọc PPP GPS ............................................................................. 52

2.3.1.

T .....................................................................52

2.3.2.

 ..............................................................................53

2.4.

Hệ thống PPP GPS/MEMS IMU theo phương pháp tích hợp

chặt chẽ ....................................................................................................... 59
2.4.1.

 ...........................................................60

2.4.2.

 .............................................................................61


2.4.3.

 ........................................................................................64

2.5.

Hệ thống tích hợp lỏng PPP GPS/MEMS IMU .......................... 66

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ................................................... 68
3.1.

Tổng quan và thực hiện ................................................................ 68

3.1.1.

.............................................................................................68

3.1.2.

 .................................................................................68

3.1.3.

 ................................................... 68

3.1.4.

 .........................................................................69



3.1.5.

3.2.

 ................................................................................69

Khởi tạo và phân tích bài tốn ..................................................... 70

3.2.1.

 ............................................................ 70

3.2.2.

 ...............................................................................70

3.3.

Kết quả mô phỏng ......................................................................... 70

3.3.1.

 ....................................................71

3.3.2.

 ..........76

3.4.


Kết luận chương và hướng phát triển ......................................... 80

KẾT LUẬN: ................................................................................................... 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 82


LỜI MỞ ĐẦU


 - 
                
     
   
(Unmanned air vehicles -      
             
(reconnaissance  

Hin nay, các hong ci v nh v, du
khin cho các vt th chuya, ôtô, tàu thuy
thành mt nhu cu ht sc cp thit trong nhii sng và an ninh quc
phòng. Mt trong nhng h thng dng hin tc ng dng nhiu là
h thnh v v tinh toàn cu (GPS). Tuy nhiên, bên cnh nh
 i cao và nh theo thi gian, h thng GPS b l nhng
u có th b n trong thnh do nh
ng ca hình hoc do sai s có ch a nhà cung cp. Bên cnh h thng
GPS, h thng dc s dng nhiu nhnh
t và các thông tin ca vt th chuyng da trên các thơng s c tính
tốn t các cm bin gn trên vt th m bin gia tc, con quay hi chuyn, la
bàn t, v.v. Vic tích hp INS và GPS cho phép to nên mt h thng dng có
tính hoàn thic ng du khin dng các

ng b.
H thc thit k s dng các k thut x lý tín hiu s hic
bit là lc b lc Kalman, và cm bin gia tc MEMS m  c các
yêu cthng nhanh.


TĨM TẮT

Lua em tp trung tìm hiu v H thng Autopilot cho UAV da
trên nghiên cu thit k b  nh v chính xác tích hp GPS/INS  
nh v  chính xác cao, nh, ít chu ng ca u
kin thi tit. Chi phí thu so vi các h thnh v 

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ UAV, ĐỊNH VỊ ĐIỂM CHÍNH XÁC PPP,
GPS VÀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ QUÁN TÍNH INS
Gii thiu nhng nét khái quát nht v thit b   i lái,
autopilot cho UAV,  nh v m chính xác, cm bin quán tính
MEMS IMU và h thng tích hp PPP GPS/MEMS IMU.
CHƯƠNG 2. SỰ TÍCH HỢP GIỮA INS VÀ GPS; ĐỊNH VỊ ĐIỂM CHÍNH
XÁC PPP GPS VÀ INS
Trình bày v h thnh v m chính xác PPP và h
thnh v qn tính INS. Mơ t v p gia hai h thng
ng thi trình bày lý thuyt v b lc Kalman. Trình bày c th v
g pháp tích hp ginh v m chính xác PPP GPS và INS.
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Là nhng kt qu c da trên mơ phng matlab so sánh sai s v trí
gia các h thng ri rc và h thng tích hp. Cùng vn kt lun s 
nh xut mng nghiên cu tip theo.



ABSTRACT
My project focuses on studying about The autopilot system for UAV ussing
integration of Precise Point Positioning GPS and INSThis is a positioning
method provides highly accurate, stable, less affected by weather conditions. This
has lower cost than other systems with the same positioning accuracy.Accordingly,
the project would like to present the contents as follows:
Chapter 1 Overview Of Uav, presents Global Positioning System (GPS),
Precise Point Positioning and Inertial Navigation System (INS).
The most general definitions The Unmanned air vehicles, autopilot UAV system,
ofPrecise Point Positioning (PPP), low Cost mems IMU and intergration of PPP
GPS and mems IMU.
Presentation on GPS systems, positioning method and PPP exact inertial navigation
system INS.
Chapter 2 Describes the method to integrate GPS and INS, theory of
Kalman filter; Presents in detail method of integration of Precise Point
Positioning and INS
A description of the method of integration between GPS and INS systems and
presents a Kalman filter theory.
Presents particular methodological integration between precise point positioning
GPS and INS PPP.
Chapter 3 Result of framework
The result based on the simulation using matlabfor estimating error between
separate systems and integration system.
And the conclusion will evaluate and make a few suggestions towards further
researches.


LỜI CAM ĐOAN

Bn lu t nghip này là cơng trình nghiên cu c  c thc

hin d   nghiên cu lý thuyt, thc t vi s ng dn, ch bo ca
PGS.TS Nguyn Thúy Anh.
Các s liu, hình  th, kt lu c, da trên s
nghiên cu nhng mơ hình, kt qu c ca các bài báo trên th gii và tri
nghim ca bc cơng b i bt k hình thc khi
trình bày bo v c s k thu
1 tháng 4 

Bùi Đức Mạnh


DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Tên viết tắt
UAV

Ý nghĩa

Tiếng Anh



Unmanned air vehicles

ISR



Reconnaissance


GCS



Ground Control Station

GPS



Global positioning system

MIMO



Multi-input multi-output

MEMS



Micro-Electro-Mechanical
Systems

IMU



Inertial Measurement Unit



PPP
DGPS



Precise Point Potisioning



Differential Global
Positioning System

INS



Inertial Navigation System

JPL



Propulsion Laboratory

IGS




International Geodynamics
Service

PRN



Pseudo Random Noise

LFSR



ACF



Linear Feedback Shift
Register
Auto Correlation Function

UTC



Coordinated Universal Time

IMU




Inertial Measurement Unit


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1 ..........................................................................................8
Hình 1 .....................................................................................8
Hình 1 ......................................................................................9
Hình 1. .................................................................11
Hình 1................................................................................... 13
Hình 1 ..........................................................13
Hình 1. ...........................................15
Hình 1. ............................................................................................16
Hình 1  ........................................................ 21
Hình 1 ...........................................................23
Hình 1. ......................................................25
Hình 1.khong cách ...............................27
Hình 1. .................................35
Hình 1. .........................................................................35
Hình 1.15 S ...................................................................... 37
 .........................................................43
 ...............................................................45
 ...................................................... 50
Hình 2.4  ...............................................................................54
Hình 2.5  .........................59
Hình 2.6  ...............................................................66
Hình 3.tốn .................................................................................69
Hình 3. .........................................................................................69
Hình 3.      ...........................................71
Hình 3.  

    .........................................................72
Hình 3.  
.....................................................72
  
 

Hình 3. ........................ 73
Hình 3. ........................ 73
Hình 3. ........................74
Hình 3. ........................................74
Hình 3.10     /INS ................................75
Hình 3.11 
 ................................................................................................................76
Hình 3. ...............................................78
Hình 3.an LTI........................................79


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
 C/A ..................................................................................17
 ..........................................................................25
 ................................................................30


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ UAV, ĐỊNH VỊ ĐIỂM CHÍNH
XÁC PPP, GPS VÀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ QUÁN TÍNH INS
 
 INS. Trình

chính xác c




1.1.

Sơ lược các thiết bị bay không người lái UAV
 - 

               
giám sát và trinh sát (reconnaissance - 
                 


cao.
 

ti          


   


 
 
1




 


1.2.

Sơ lược hệ thống Autopilot cho UAV
 Autopilot cho 

 GCS

+ 








+ Trê

               


+ 
 




2



+    


 
 (Multi-input multi-output system)
                

trên:
+ 

+ a UAV trong

+ -



1.3.

Sơ lược về các hệ thống định vị điểm chính xác GPS và cảm biến quán
tính







 




3


tham 







              


1.3.1. Định vị điểm chính xác PPP GPS
     Precise Point Potisioning    
 hông      
 


            on
               
 

 



                



4


       .
và 

 
và Heroux (2000)




và


 và 
 




               



1.3.2. MEMS IMU chi phí thấp



      



5


 


 .
1.4.

Sơ lược về hệ thống tích hợp PPP GPS/MEMS IMU

1.4.1. Sự kết hợp giữa GPS và INS sử dụng bộ lọc Kalman

              và
  (2000) [3] và            
(Differential Global Positioning System) 


-Shin và
El-       
p DGPS và MEMS IMU . Li  




Hide và              

DGPS và INS 

       
nghiên




6