luận văn: định vị robot sử dụng công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy kết hợp với bộ lọc kalman mở rộng

luận văn: định vị robot sử dụng công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy kết hợp với bộ lọc kalman mở rộng luận văn: định vị robot sử dụng công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy kết hợp với bộ lọc kalman mở rộng luận văn: định vị robot sử dụng công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy kết hợp với bộ lọc kalman mở rộng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

===============

NGUYỄN NGỌC TÂN

ĐỊNH VỊ ROBOT SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY KẾT

HỢP VỚI BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

HÀ NỘI - 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

===============

NGUYỄN NGỌC TÂN

ĐỊNH VỊ ROBOT SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY KẾT

HỢP VỚI BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG

Ngành: Công Nghệ Điện Tử - Viễn Thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: 60 52 02 03

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN NAM HOÀNG

HÀ NỘI - 2014

1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những nội dung tôi viết dưới đây là hoàn toàn chính thống, không sao chép, những kết quả đo đạc mô phỏng có trong luận văn thạc sĩ chưa từng được công bố từ bất cứ tài liệu nào dưới mọi hình thức Các thông tin sử dụng trong luận văn thạc sĩ có nguồn gốc và được trích dẫn rõ ràng

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nếu có dấu hiệu sao chép kết quả từ các tài liệu khác

Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2014

TÁC GIẢ

NGUYỄN NGỌC TÂN

2

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Nam Hoàng, người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp thạc sĩ trong suốt thời gian vừa qua

Luận văn được hỗ trợ trong khuôn khổ đề tài QG.13.06: “Quản lý tài nguyên vô tuyến trong mạng truyền thông di động thế hệ thứ 5 (5G) với ứng dụng công nghệ truyền thông nhận thức và kiến trúc femtocell”

Ngoài ra, tôi xin gửi lời cảm ơn đến TS Keattisak Sripimanwat hiện đang công tác tại viện công nghệ NECTEC, Thái Lan và TS Anan Suebsomran hiện đang công tác tại trường đại học KMUTNB, Thái Lan TS Keattisak Sripimanwat và TS Anan Suebsomran đã giúp đỡ tôi rất nhiều về mặt kiến thức cũng như tạo điều kiện thuận lợi

để tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ của mình

Tôi cũng xin cảm ơn các quý thầy cô, các anh chị và các bạn tại khoa Điện tử - Viễn thông, Đại học Công nghệ đã có những góp ý kịp thời và bổ ích, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu luận văn này

Cuối cùng, tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè, những người đã luôn ủng hộ em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành chương trình đào tạo Thạc sĩ tại khoa Điện tử – Viễn thông, trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội

Mặc dù tôi đã nỗ lực và cố gắng hoàn thiện luận văn thạc sĩ bằng tất cả nhiệt tình và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quý báu của quý thầy cô và các bạn

Tôi xin chân thành cảm ơn

Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2014

HỌC VIÊN

NGUYỄN NGỌC TÂN

3

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC HÌNH 8

DANH MỤC BẢNG 10

LỜI MỞ ĐẦU 11

Chương 1 13

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VLC – TRUYỀN THÔNG SỬ DỤNG 13

ÁNH SÁNG NHÌN THẤY 13

1.1.Đèn LED trắng 13

1.1.1 Một vài nét sơ lược 13

1.1.2 Các đặc trưng 15

1.1.3 Ưu nhược điểm 16

1.2.Mô tả hệ thống VLC 17

1.2.1 Mô hình hệ thống 17

1.2.2 Cấu hình đường truyền 21

1.2.3 Kênh IM-DD 21

1.2.4 Công suất quang nhận 22

1.3.Đặc trưng của công nghệ VLC 24

1.3.1 Tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) 24

1.3.2 Tốc độ truyền dữ liệu 25

1.4.Ứng dụng và một số sản phẩm thực tế 27

1.4.1 Truyền thông di động 27

1.4.2 Truyền hình 28

1.4.3 Nhà thông minh 29

1.4.4 Hệ thống giao thông thông minh 29

1.4.5 Định vị và dẫn đường 30

4

1.5.Tóm tắt chương một 31

Chương 2 32

ĐỊNH VỊ TRONG MÔI TRƯỜNG TRONG NHÀ 32

2.1.Các phương pháp định vị ứng dụng công nghệ VLC 33

2.1.1 Phương pháp định vị dựa trên thời gian sóng ánh sáng tới (TOA) 33

2.1.2 Phương pháp định vị dựa trên độ chênh lệch thời gian của các sóng ánh sáng tới (TDOA) 35

2.1.3 Phương pháp định vị dựa trên cường độ tín hiệu nhận được (RSS) 37

2.1.4 Phương pháp định vị dựa trên góc của sóng ánh sáng tới (AOA) 38

2.2.Phương pháp định vị kết hợp AOA-RSS 41

2.2.1 Mô hình hệ thống 41

2.2.2 Nhiễu hệ thống 42

2.2.3 Cơ chế hoạt động 43

2.3.Tóm tắt chương hai 44

Chương 3 46

ÁP DỤNG BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG TRONG ĐỊNH VỊ ROBOT 46

3.1.Mô hình hệ thống: Cấu hình động học 47

3.1.1 Cập nhật vị trí 47

3.1.2 Sai số hệ thống 48

3.2.Mô hình phép đo 50

3.2.1 Mô hình phép đo lý tưởng 50

3.2.2 Mô hình phép đo thực tế 51

3.3.Bộ lọc Kalman mở rộng 51

3.3.1 Ước đoán vị trí 53

3.3.2 Hiệu chỉnh vị trí 54

3.4.Điều khiển robot bám quỹ đạo di chuyển 55

3.5.Tóm tắt chương 3 58

Chương 4 59

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 59

4.1.Mô phỏng phương pháp định vị kết hợp AOA–RSS 59

5

4.1.1 Kịch bản mô phỏng 59

4.1.2 Chương trình mô phỏng 59

4.1.3 Kết quả mô phỏng 62

4.2.Mô phỏng hoạt động của bộ lọc Kalman mở rộng 64

4.2.1 Kịch bản mô phỏng 64

4.2.2 Chương trình mô phỏng 64

4.2.3 Kết quả mô phỏng 65

KẾT LUẬN 68

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

PHỤ LỤC A 73

PHỤ LỤC B 81

6

DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT

4G Fourth Generation Mạng di động thế hệ thứ tư

5G Fifth Generation Mạng di động thế hệ thứ năm AOA Angle of Arrival Góc của tia sáng tới

CEP Circular Error Probability Xác suất vòng tròn lỗi

CRLB Cramér-Rao Lower Bound Chặn dưới Cramér-Rao

DD Direct Detection Tách sóng trực tiếp

DMT Discrete Multi-Tone modulation Điều chế đa tần rời rạc

EKF Extended Kalman Filter Bộ lọc Kalman mở rộng

FET Field Effect Transistor Transitor hiệu ứng trường

FOV Field of View Trường thu nhận ánh sang

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

IEEE Institute of Electrical and

Electronics Engineers

Viện kỹ thuật điện và điện tử

IM Intensity Modulation Điều chế cường độ

IRB Infrared Band Dải bước song hồng ngoại

LED Light Emitting Diode Đi-ốt phát quang

LOS Light of Sight Phương truyền thẳng

LTE Long-Term Evolution Mạng 4G

MIMO Multi Input – Multi Output Kỹ thuật sử dụng nhiều đầu vào và

đầu ra NLOS Non Light of Sight Phương truyền gián tiếp

PPM Pulse Position Modulation Điều chế vị trí xung

RF Radio Frequency Sóng vô tuyến RFB Radio Frequency Band Dải sóng vô tuyến

RFID Radio Frequency Identification Nhận dạng dựa vào tần số sóng vô

tuyến RSS Received Signal Strength Cường độ tín hiệu nhận

7

SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

TDOA Time Difference of Arrival Độ chênh lệch về thời gian của các

tia sáng tới TOA Time of Arrival Thời gian của tia sáng tới

UV-LED

Ultra Violet – Light Emitting Diode Đèn LED sử dụng tia cực tím

VLC Visible Light Communications Công nghệ truyền thông sử dụng

ánh sáng nhìn thấy WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh quang theo bước sóng YAG Yttrium Aluminum Garnet Granat ytri-nhôm

8

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Vùng ánh sáng nhìn thấy trong phổ bức xạ điện từ [2] 14

Hình 1.2 Các loại đèn LED trắng cơ bản 14

Hình 1.3 Sơ đồ khối của công nghệ truyền thông bằng ánh sáng nhìn thấy 18

Hình 1.4 Sơ đồ khối cho cơ chế điều chỉnh độ sáng của đèn LED 19

Hình 1.5: Mô hình thực tế của công nghệ VLC trong môi trường trong nhà [3] 20

Hình 1.6 Phân loại đường truyền của hệ thống VLC [8] 21

Hình 1.7 Kênh IM/DD trong công nghệ VLC [3] 22

Hình 1.8 Mô hình truyền nhận ánh sáng trực tiếp (LOS) 23

Hình 1.9 Mô hình truyền phát của khi có tia sáng phản xạ (NLOS) 24

Hình 1.10 Công nghệ truyền thông VLC ứng dụng trong phòng họp (nguồn Internet) 27

Hình 1.11 Công nghệ VLC được sử dụng trong bệnh viện [11] 28

Hình 1.12 Sơ đồ khối của bộ phát video và audio[12] 28

Hình 1.13 Sơ đồ khối của bộ nhận video và audio[12] 29

Hình 1.14 Mô hình nhà thông minh sử dụng công nghệ VLC [11] 29

Hình 1.15 Hệ thống giao thông thông minh (nguồn: Internet) 30

Hình 1.16 Hệ thống dẫn đường E-mart trong siêu thị (nguồn: Internet) 30

Hình 2.1 Đường tròn tưởng tượng chứa các điểm nhận được thời gian truyền ánh sáng như nhau 33

Hình 2.2 Vị trí robot trong vùng giao cắt của các đường tròn tưởng tượng 34

Hình 2.3 Mô hình hệ thống của phương pháp TDOA 35

Hình 2.4 Phương pháp định vị hyperbol 36

Hình 2.5 Các tham số trong phương pháp định vị RSS 38

Hình 2.6 Mô hình hệ thống của phương pháp định vị AOA 39

Hình 2.7 Mô hình và các thông số hệ thống 39

Hình 2.8 Kịch bản mô phỏng thuật toán định vị AOA 40

Hình 2.9 Sai số của phương pháp định vị AOA 41

Hình 2.10 Mô hình hệ thống kết hợp AOA-RSS sử dụng mảng PD 42

9

Hình 3.1 Mô hình robot hai bánh vi sai a) Trạng thái của hệ thống robot

b) Robot trong hệ tọa độ địa phương và toàn cục 47

Hình 3.2 Vận tốc của hai động cơ trái và phải khi chạy thẳng 49

Hình 3.3 Ứng dụng thông thường của bộ lọc Kalman [24] 52

Hình 3.4 Sơ đồ minh họa ứng dụng của bộ lọc Kalman trong định vị robot 53

Hình 3.5 Robot bị lệch khỏi quỹ đạo của nó do các sai số hệ thống 56

Hình 3.6 Robot và quỹ đạo di chuyển của nó 57

Hình 3.7 “Cơ chế bù” và các thông số 57

Hình 3.8 Sơ đồ khối điều khiển của “cơ chế bù” 58

Hình 4.1 Mô hình mô phỏng 60

Hình 4.2 Kịch bản mô phỏng phương pháp định vị kết hợp AOA–RSS 60

Hình 4.3 Sơ đồ khối của chương trình mô phỏng phương pháp 62

định vị kết hợp AOA– RSS 62

Hình 4.4 Sai số của phương pháp định vị kết hợp AOA–RSS 63

trong trường hợp số PD là K1 = 8 63

Hình 4.5 Sai số của phương pháp định vị kết hợp AOA–RSS 63

trong trường hợp số PD là K2 = 12 63

Hình 4.6 Sai số của phương pháp định vị kết hợp AOA–RSS 63

trong trường hợp số PD là K3 = 16 63

Hình 4.7 Sơ đồ khối của chương trình mô phỏng bộ lọc Kalman Filter 65

Hình 4.8 Độ chính xác của phương pháp định vị kết hợp AOA–RSS khi áp dụng và khi không áp dụng bộ lọc Kalman mở rộng 66

Hình 4.9 Hoạt động của bộ lọc Kalman mở rộng trong vai trò một “cơ cấu bù” 67

Hình 4.10 Độ lệch so với quỹ đạo của robot trong trường hợp có sử dụng và không sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng 67

10

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 So sánh những đặc tính của các công nghệ truyền thông VLC, IRB, RFB

[2] 20Bảng 1.2 Hiệu suất của các hệ thống truyền thông VLC có tốc độ cao [2] 26Bảng 2.1 Các tham số hệ thống trong mô hình hệ thống VLC 43

11

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những thập kỉ vừa qua, công nghệ truyền thông sử dụng sóng vô tuyến (Radio Frequency-RF) đã phát triển rất mạnh mẽ và chiếm ưu thế trong việc truyền tải thông tin liên lạc và dữ liệu Công nghệ này đã phát triển đến thế hệ di động thứ tư (4G hay còn gọi là LTE – Long Term Evolution) và hiện nay, nó vẫn được xem như một giải pháp chủ yếu trong truyền thông không dây Tuy nhiên, công nghệ này gặp phải rất nhiều hạn chế như nguồn tài nguyên tần số ngày càng khan hiếm, nhiễu đa đường khi đi qua các tòa nhà cao tầng và ảnh hưởng của nó tới sức khỏe con người Ngoài ra, công nghệ này còn không phù hợp ở một số khu vực hạn chế sóng vô tuyến như: bệnh viện, đường hầm, sân bay, v.v Do sóng vô tuyến gây nhiễu lên các thiết bị điện tử được sử dụng ở trong các môi trường này, làm sai lệch tín hiệu nhận được hoặc không đảm bảo chất lượng dịch vụ cho các thiết bị di động do có nhiều vật cản Cùng với sự phát triển của các loại vật liệu bán dẫn trong những thập kỉ gần đây và sự ra đời của đi-

ốt phát quang (LED), công nghệ VLC (Visible Light Communications) – truyền thông

sử dụng ánh sáng nhìn thấy đã ra đời và phát triển rất nhanh chóng, nó được xem như

là công nghệ mới của truyền thông không dây bởi nhiều đặc tính vật lí nổi bật so với các công nghệ truyền thông khác như: tiêu tốn ít năng lượng, hoạt động được trong nhưng môi trường khắc nghiệt, không gây hại cho sức khỏe con người, có khả năng truyền dữ liệu cao, có băng thông rộng và tính bảo mật cao đã giải quyết được các vấn

đề khó khăn còn tồn tại ở công nghệ truyền thông vô tuyến và đặc biệt là khả năng kết hợp giữa truyền thông và chiếu sáng

Ngày nay, sự xuất hiện của các robot di động đã trở nên rất phổ biến trong xã hội Các robot di động có mặt trong các thiết bị gia đình như máy hút bụi hay các hệ thống trợ giúp trong gia đình Chúng ta cũng có thể dễ dàng nhìn thấy chúng ở các nơi công cộng như các robot hướng dẫn viên trong viện bảo tàng, phòng trưng bày; hay trong các lĩnh vực công nghiệp và quân sự như robot do thám hay robot vận chuyển hàng hóa trong các nhà máy, v.v Đối với những robot đòi hỏi khả năng làm việc độc lập, thì định vị là yêu cầu đầu tiên và quan trọng nhất Hiện nay, có một số công nghệ định vị phổ biến như định vị GPS hoặc sử dụng các cảm biến như cảm biến siêu âm, hồng ngoại, v.v Tuy nhiên, định vị GPS chỉ phù hợp với môi trường ngoài trời với sai

số lên đến hàng mét, còn các cảm biến có độ sai số lớn và thường hoạt động trong các không gian làm việc có diện tích nhỏ Do đó, định vị cho robot trong môi trường trong nhà trong những năm gần đây đã trở thành vấn đề nhận được nhiều sự quan tâm trong các nghiên cứu về robot Chính vì vậy, tôi đã lựa chọn đề tài luận văn của mình là

“Định vị robot sử dụng công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy kết hợp với

bộ lọc Kalman mở rộng” Nội dung chính của luận văn thạc sĩ này là nghiên cứu và

đề suất một phương pháp định vị mới sử dụng công nghệ VLC – truyền thông ánh sáng nhìn thấy dựa trên việc khảo sát các phương pháp định vị đã được đề cập trong

12

các tài liệu [19-23] Ngoài ra, bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) còn được áp dụng trong phạm vi của luận văn này nhằm nâng cao độ chính xác của phương pháp định vị đề suất Bên cạnh đó, trong nội dung của luận văn này, tôi cũng trình bày một vai trò khác của bộ lọc Kalman, đó là điều khiển robot di động di chuyển bám theo quỹ đạo đã định trước

Nội dung luận văn của tôi được chia làm bốn chương Chương một sẽ trình bày tổng quan về công nghệ VLC – truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy Các phương pháp định vị sử dụng công nghệ VLC sẽ được tổng hợp và đánh giá trong nội dung của chương hai Đồng thời, trong chương này, tôi cũng sẽ đề suất một phương pháp định vị mới phù hợp hơn với ứng dụng định vị cho robot trong môi trường trong nhà, có độ chính xác cao và giải quyết được các hạn chế của các phương pháp định vị trước đó Nội dung của chương ba sẽ trình bày về việc áp dụng bộ lọc Kalman mở rộng trong việc định vị robot nhằm nâng cao độ chính xác của phương pháp định vị đề suất Hai chương trình mô phỏng và các kết quả mô phỏng cho phương pháp định vị đề suất và

bộ lọc Kalman mở rộng trong ứng dụng định vị sẽ được trình bày chi tiết trong nội dung của chương bốn Cuối cùng, phần kết luận của luận văn sẽ tổng kết lại các nội dung chính đã được trình bày trong luận văn, đồng thời đưa ra các đề suất và các hướng nghiên cứu mới trong tương lai

đề cơ bản trong công nghệ VLC – truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy Đồng thời, một số ứng dụng phổ biến nhất của công nghệ VLC cũng sẽ được đề cập đến trong phần cuối cùng của chương này

1.1 Đèn LED trắng

1.1.1 Một vài nét sơ lược

Trong một hệ thống truyền thông quang, các nguồn ánh sáng được sử dụng phải đạt những yêu cầu nhất định như: bước sóng, độ rộng vạch phổ phù hợp, độ bức xạ cao với diện tích bề mặt phát cực nhỏ, tuổi thọ và độ tin cậy cao, có khả năng hoạt động tốt trong các môi trường khắc nghiệt Trong những năm gần đây, công nghệ đèn LED đã phát triển rất mạnh mẽ và được xem là ứng cử viên số một cho các hệ thống có khả năng chiếu sáng và truyền thông đồng thời do thỏa mãn các điều kiện trên Thiết bị này hoạt động dựa trên nguyên tắc kích thích các điện tử của vật liệu bán dẫn để phát

ra ánh sáng Bức xạ quang do sự kích thích các điện tử, bức xạ này chiếm phần lớn, bức xạ nhiệt hầu như không có hoặc rất nhỏ do thành phần cấu tạo của vật liệu Do đó, khi áp dụng công nghệ này sẽ giảm được hiệu ứng nhà kính, đồng thời, công suất hao tổn thấp do hầu như không bức xạ nhiệt hoặc bức xạ nhiệt rất ít Vì lý do này mà công nghệ truyền thông quang sử dụng đèn LED được coi như là một công nghệ truyền thông xanh (Green Communications) [1]

Các đèn LED có một dải rộng các bước sóng do bức xạ quang của các vật liệu khác nhau, từ vùng ánh sáng nhìn thấy đến vùng hồng ngoại (IR) trong dải phổ điện từ Trong đó, LED trắng có bức xạ trong toàn vùng ánh sáng nhìn thấy (có giới hạn nằm trong khoảng từ 400 (nm) đến 700 (nm)) [2] (xem hình 1.1)

14

Hình 1.1 Vùng ánh sáng nhìn thấy trong phổ bức xạ điện từ [2]

Cùng với sự phát triển không ngừng trong công nghệ chế tạo đèn LED, những vật liệu để chế tạo LED trắng cũng ngày càng phong phú và cải thiện được nhiều tính chất quan trọng trong việc chiếu sáng và truyền thông Chúng ta có thể phân loại đèn LED trắng dựa theo các loại vật liệu như sau [3]:

 Đèn LED trắng đầu tiên ra đời bởi sự kết hợp của LED GaN (gallium Nitride) phát quang xanh ở bước sóng 450 (nm) – 470 (nm) với phốt pho YAG (Yttrium Aluminum Garnet) Loại đèn LED này hoạt động bằng cách phát ánh sáng xanh qua lớp phủ phốt pho màu vàng để tạo ra ánh sáng trắng (xem hình 1.2)

 Phương pháp thứ hai dựa trên công thức pha trộn các màu sắc khác nhau Trong đó, ba màu chủ đạo là đỏ (λred ~ 625 (nm)), xanh lá cây (λgreen ~ 525 (nm)) và xanh da trời (λblue ~ 470 (nm)) được phối theo một tỉ lệ nhất định (xem hình 1.2)

 Gần đây, một công nghệ mới trong việc sản xuất LED được đưa vào sử dụng, bằng cách phối hợp UV-LED (Ultra Violet – LED, tia cực tím ở bước sóng 380 (nm)) với phốt pho Bằng việc kết hợp UV-LED với các loại phốt pho khác nhau chúng ta có thể thu được đèn LED trắng hoặc các loại đèn LED có màu sắc khác như tím, da cam, hồng, v.v để phục vụ cho mục đích trang trí và các ứng dụng khác nhau

Hình 1.2 Các loại đèn LED trắng cơ bản

15

1.1.2 Các đặc trưng

1.1.2.1 Các thuộc tính cơ bản

Cường độ chiếu sáng

Cường độ chiếu sáng là đại lượng biểu thị lượng thông năng trên mỗi góc khối

và liên quan đến độ rọi tại bề mặt được chiếu sáng Do đó, cường độ chiếu sáng biểu

diễn độ sáng của đèn LED [4]:

tại bước sóng λ = 555 (nm).

Công suất quang truyền

Công suất quang truyền biểu thị tổng năng lượng bức xạ từ đèn LED Bằng

cách lấy tích phân của thông năng e theo tất cả mọi hướng ta thu được công suất

D

 (1.5)

Trong đó, I(0) là cường độ sáng tại trung tâm của đèn LED (lm); ϕ là góc rọi và ψ là

góc của tia sáng tới; D d là khoảng cách giữa đèn LED và bề mặt của PD (m) Cường

m  

Φ (1.6) 1.1.3 Ưu nhược điểm

Như đã đề cập trong phần trên, đèn LED trắng không chỉ được sử dụng cho mục đích chiếu sáng trong phòng, đèn đường, và các ứng dụng liên quan đến trang trí

mà đèn LED trắng ngày nay còn được sử dụng trong các hệ thống truyền thông không dây Hiện tại, nó được xem như là công nghệ chiếu sáng phổ biến nhất trong thế kỉ 21 đang dần thay thế các loại đèn truyền thống như đèn sợi đốt và đèn huỳnh quang bởi những ưu điểm của nó

1.1.3.1 Ưu điểm

Trong tương lai chúng ta sẽ được chứng kiến sự tăng trưởng mạnh mẽ của đèn LED trong hoạt động hoạt động chiếu sáng bởi đây là một công nghệ xanh và tiết kiệm năng lượng Công nghệ này có một số lợi thế như sau:

 Tuổi thọ cao: Thời gian sống trung bình của đèn LED trắng là 25.000 đến 1.000.000 giờ Đây là một con số rất lớn so với thời gian hoạt động 1.000 giờ của các bóng đèn sợi đốt thông thường

 Hiệu suất cao: Các đèn LED trắng có lượng quang thông (tính bằng đơn vị lumen) trên mỗi oát phát ra lớn hơn nhiều so với các đèn nóng sáng truyền thống Ví dụ, một oát sẽ có lượng quang thông là 683 (lm) tại bước sóng 555 (nm)

 Kích thước nhỏ: LED trắng có kích thước rất nhỏ (nhỏ hơn 2 (mm2)) do đó, nó được sử dụng rất nhiều trong các mạch điện tử và trang trí

 Nhiệt độ hoạt động thấp: So với các nguồn phát sáng nhân tạo khác như đèn sợi đốt (phát xạ ánh sáng do bức xạ nhiệt), đèn huỳnh quang Các đèn LED trắng hầu như không bức xạ nhiệt mà chủ yếu là bức xạ quang, do đó năng lượng hao phí rất thấp

 Dễ dàng điều chỉnh độ sáng của đèn LED: Có thể dễ dàng điều chỉnh độ sáng của các đèn LED bằng phương pháp điều chỉnh độ rộng xung hoặc cường độ dòng điện qua LED

 An toàn và không ảnh hưởng tới sức khỏe: Các đèn LED trắng không bức xạ tia cực tím, không chứa thủy ngân trong thành phần cấu tạo, vì vậy nguồn phát sáng này không ảnh hưởng cho sức khỏe và an toàn cho mắt của con người

17

 Sự đa dạng về màu sắc: Sự đa dạng về màu sắc trong vùng ánh sáng nhìn thấy của đèn LED được thực hiện đơn giản bằng việc phối hợp ba màu sắc cơ bản (đỏ, xanh da trời, xanh lá cây) với một tỉ lệ thích hợp mà không cần sử dụng bất

kỳ bộ lọc màu sắc nào như các nguồn phát sáng nhân tạo thông thường

 Khả năng phát sáng tập trung: Do lợi thế về kích thước rất nhỏ cùng với khả năng bức xạ cao, chúng ta có thể dễ dàng điều chỉnh góc khối của đèn LED để đạt được khả năng phát tập trung cao so với nguồn ánh sáng sợi đốt và huỳnh quang

 Phân cực điện: Các đèn LED trắng chỉ hoạt động nếu ta phân cực đúng cho nó trong khi đèn sợi đốt và đèn huỳnh quang không bị ảnh hưởng bởi cơ chế phân cực điện này

 Độ nhạy điện áp: Các đèn LED trắng phải được cung cấp một điệp áp có giá trị trên một ngưỡng nhất định và dòng đi qua phải thấp hơn một giá trị nhất định

 Mức độ phân kì: Các đèn LED trắng không thể cung cấp mức độ phân kì thấp hơn vài độ Trong khi đó, nguồn phát sáng Laser có thể phát những tia sáng có mức độ phân tán khoảng 0.2 độ hoặc nhỏ hơn

1.2 Mô tả hệ thống VLC

1.2.1 Mô hình hệ thống

Hình 1.3 là sơ đồ khối của một hệ thống truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy (VLC) Một hệ thống VLC có thể dễ dàng thực hiện được bằng cách điều chế tín hiệu theo mức độ sáng - tối của đèn LED Việc điều khiển độ sáng một cách chính xác

là một thách thức lớn đối với các đèn sử dụng bức xạ nhiệt, trong khi đó, các đèn LED

có thể điều chỉnh được chính xác độ sáng – tối một cách dễ dàng bởi vì đáp ứng thời gian của chuyển mạch ON-OFF của đèn LED là rất nhỏ (chỉ khoảng vài chục nano giây) Vì vậy, bằng việc điều chế dòng điện qua đèn LED ở một tần số khá cao, chúng

ta có thể thay đổi trạng thái ON-OFF của đèn LED mà không làm thay đổi cường độ sáng Do đó, mắt của con người không thể cảm nhận được sự thay đổi này

18

Hình 1.3 Sơ đồ khối của công nghệ VLC

Trong thực tế, chúng ta không thể sử dụng một bộ điều khiển để điều khiển cho một đèn LED riêng lẻ bởi vì các hệ thống chiếu sáng sử dụng đèn LED thường có số lượng đèn rất lớn Do đó, chúng ta cần phải thiết kế một cơ chế điều khiển để có khả năng điều khiển được tất cả các đèn LED trong hệ thống Hình 1.4 là sơ đồ khối của một kịch bản điều khiển chung cho các đèn LED Với một số lượng lớn các đèn LED,

bộ điều khiển trung tâm vẫn có khả năng điều khiển độ sáng tại bất kỳ một vị trí mong muốn nào Đối với các đèn LED được sử dụng đồng thời cho cả hai mục đích chiếu sáng và truyền thông thì các tín hiệu điều khiển độ sáng và tín hiệu truyền phải độc lập

và không gây nhiễu lên nhau Rất nhiều các phương pháp điều khiển độ sáng được nghiên cứu và đề suất cho đến nay [5, 6] Điều khiển độ sáng tối của đèn LED dựa trên điều chế biên độ là giải pháp đơn giản nhất [7] Tuy nhiên, phương pháp điều chỉnh độ

rộng xung là giải pháp tối ưu nh

1.5 minh họa mô hình thực t

Hình 1.4 Sơ đồ k

Bảng 1.1 so sánh các đ

vô tuyến, sóng hồng ngoại và ánh sáng nhìn th

rằng hệ thống VLC có nhiều ưu đi

i ưu nhất cho việc điều khiển độ sáng và truy

c tế của công nghệ VLC trong môi trường trong nhà

khối cho cơ chế điều chỉnh độ sáng của đèn LED.

so sánh các đặc trưng giữa các công nghệ truyền thông s

i và ánh sáng nhìn thấy Qua bảng trên chúng ta có th

u ưu điểm hơn các hệ thống RF như vừa có khliệu, băng thông rộng, mức độ bảo mật cao và ũng có những hạn chế so với công nghệ RF như: khó có th

ng cách xa, chỉ tối ưu trong môi trường sóng ánh sáng truy

ực tế của công nghệ VLC trong môi trường trong nhà

ặc tính của các công nghệ truyền thông VLC, IRB, R

Không giới hạn

700 mm)

Không giới hạn (800-1600 nm)

Ánh sáng mặt trời và các nguồn sáng xung

RFB Giới hạn

Không Ngắn đến dài ngoài trời) Thấp Hoàn thiện

Truyền thông

t cả các thiết bị điện tử Trung bình

Tốt

Chủ yếu rộng

21

1.2.2 Cấu hình đường truyền

Có sáu loại hình đường truyền cho các hệ thống truyền thông sử dụng ánh sáng trong môi trường trong nhà được phân loại dựa trên hai yếu tố Yếu tố đầu tiên được quyết định bởi mức độ định hướng giữa bộ phát và bộ nhận Mối quan hệ giữa chúng được phân thành ba loại: trực tiếp, không trực tiếp và lai ghép (xem hình 1.6) Đường truyền trực tiếp giữa bộ phát và bộ nhận có hiệu suất công suất nhận được cao nhất bởi

vì suy hao và nhiễu mà nó phải chịu từ các nguồn sáng xung quanh là nhỏ nhất Đối với các đường truyền không trực tiếp, các thiết bị di động có thể dễ dàng nhận được tín hiệu ngay cả khi đang di chuyển nhưng công suất tín hiệu nhận được thì không cao do tín hiệu phát bị phân tán và ảnh hưởng các nguồn ánh sáng khác từ môi trường Trong cấu hình lai ghép mức độ định hướng giữa bộ phát và bộ nhận có sự khác biệt, công suất nhận được cao hơn cấu hình phân tán do độ tập trung ánh sáng của bộ phát, nhưng nhỏ hơn cấu hình định hướng và vẫn bị ảnh hưởng bởi các nguồn ánh sáng khác do độ

mở của bộ nhận lớn [8]

Hình 1.6 Phân loại đường truyền của hệ thống VLC [8]

Yếu tố thứ hai phụ thuộc vào chùm tia sáng có hướng thẳng đến bộ nhận hay không? Dựa vào yếu tố thứ hai chúng ta có hai loại hình đường truyền khác nhau là đường truyền thẳng (Light of Sight – LOS) và đường truyền gián tiếp (non Light of Sight – NLOS) Đối với cấu hình đường truyền LOS, hiệu suất của công suất nhận được là cao nhất và méo đa đường nhỏ nhất Trong khi đó, cấu hình đường truyền NLOS lại phù hợp hơn trong các tình huống đặc biệt như có vật cản, người che khuất

1.2.3 Kênh IM-DD

Trong hệ thống truyền thông vô tuyến, điều chế tín hiệu theo biên độ, pha và tần số là các phương pháp điều chế được sử dụng nhiều nhất Còn trong công nghệ

22

truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy, điều chế cường độ (IM – Intensity Modulation) là phương pháp điều chế phổ biến nhất Các bộ nhận quang (như PD) được sử dụng để thu tín hiệu quang trực tiếp (DD – direct detection) và sau đó, sinh ra một dòng điện tỉ lệ với công suất quang tức thời nhận được Hình 1.7 mô tả mô hình của kênh truyền sử dụng ánh sang nhìn thấy IM/DD [2]

Hình 1.7 Kênh IM/DD trong công nghệ VLC [3]

Kênh VLC có thể được mô hình như một hệ thống tuyến tính trong dải tần cơ

sở với công suất đầu vào tức thời X(t), dòng qua bộ nhận quang I p (t), hệ thống tuyến tính bất biến có đáp ứng kênh h(t) Trong nhiều ứng dụng của hệ thống VLC, các

nhiễu có phân bố Gauss có ảnh hưởng lên đầu ra của hệ thống Do đó, kênh IM/DD có thể biểu diễn như sau:

( ) ( ) ( ) ( )

p t  t  t  t

I X h N (1.7)

Trong đó, γ là độ nhạy thu của PD (A/W) và ⊗ biểu thị cho phép tích chập Do đó,

công suất quang truyền trung bình được biểu diễn như sau:

2

( 1)

cos ( ) ( ) ( ) cos( ) 02

c

T g , D

23

Hình 1.8 Mô hình truyền nhận ánh sáng trực tiếp (LOS)

Trong đó, A là diện tích bề mặt nhận sáng của một PD; m là hệ số Lambert; D d là

khoảng cách giữa đèn LED và PD; ψ là góc của ánh sáng tới bề mặt của PD và ϕ là

góc rọi của đèn LED T s( ) là độ lợi của bộ lọc quang cos m (ϕ) và cos(ψ) lần lượt là

độ nhạy của LED và PD gs( )  là độ tập trung ánh sáng [4]:

2

2 , 0( ) sin ( )

0 ,

c c

Trong đó, n là hệ số khúc xạ; ψ c là góc mở tối đa của một PD Khi đó, công suất quang

P r của kênh truyền VLC được tại PD là:

P r =H d (0) P t (1.11)

1.2.5 Trường hợp ánh sáng phản xạ

Trong phần này, chúng ta sẽ xem xét ảnh hưởng của các tia sáng phản xạ đầu tiên lên tường (xem hình 1.9) Khi đó, công suất quang nhận được sẽ là tổng hợp của công suất trên kênh truyền thẳng và kênh truyền phản xạ:

Trước khi đi vào phân tích v

đây truyền dữ liệu với tốc đ

bộ nhận, bộ tiền khuếch đại đư

hiệu nhận được thành tín hi

thông Đầu ra của bộ điều ch

nhiễu thành phần: tạp âm kim (shot noise), nhi

hiệu (ISI):

Tỉ lệ SNR được biểu di

Trong đó, P r là công suất quang nh

kênh truyền trên đường truy

được tính trong các phương tr

24

ảng cách giữa đèn LED và điểm phản xạ; D 2

nhận; ρ là hệ số phản xạ dA wall là vi phân diện tích ph

ạ; α là góc tới tại điểm phản xạ, β là góc rọi

Mô hình truyền phát của khi có tia sáng phản xạ (NLOS)

a công nghệ VLC

ạp âm (SNR)

c khi đi vào phân tích về SNR, chúng ta giả sử rằng các đèn LED tr

c độ B (bit/s), sử dụng điều chế OOK với các xung NRZ T

i được đặt ở trước bộ điều chỉnh để chuyển đ

c thành tín hiệu có biến đổi Fourier dạng đường cosin v

u chỉnh chứa một nhiễu Gauss có tổng phương sai

p âm kim (shot noise), nhiễu nhiệt (thermal noise), và nhi

t quang nhận được toàn phần được tính bởi

ng truyền trực tiếp H d(0) và trên đường truyền ph

trong các phương trình (1.9) và (1.13); γ là độ nhạy thu của PD.

là khoảng cách

n tích phản xạ; ϕ đến bộ nhận, ψ

(NLOS)

ng các đèn LED trắng ở

i các xung NRZ Tại

n đổi các xung tín

ng cosin với 100% băng

ng phương sai N của các

t (thermal noise), và nhiễu liên kí

Trong đó, q là điện tích; P rsignal là công suất tín hiệu điện nhận được ở đầu ra của PD;

B là tốc độ truyền dữ liệu; I bg là dòng điện nền và hệ số băng thông nhiễu là I2 = 0.562

Phương sai của nhiễu nhiệt được trình bày chi tiết trong tài liệu [4]:

Công suất tín hiệu mong muốn là:

1 0

Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ truyền dữ liệu như bộ lọc quang, góc FOV ở bộ nhận, góc nửa công suất, loại PD được sử dụng, các bộ điều chỉnh tại máy phát (pre-equalization) và bộ nhận (post-equalization), công suất phát, v.v.Vì vậy, để nâng cao tốc độ truyền dữ liệu chúng ta cần phải tối ưu hóa những vấn đề đã được nêu

ở trên Ảnh hưởng của việc hạn chế băng thông của lớp phủ phốt pho phải được phá

vỡ Một vài giải pháp được đưa ra để giải quyết cho vấn đề này như sau:

26

 Bộ lọc màu xanh tại bộ nhận để lọc ra các thành phần màu vàng chậm phản ứng

 Bộ điều chỉnh trước tại mô đun điều khiển LED

 Bộ điều chỉnh sau tại bộ nhận

 Kết hợp cả ba phương pháp trên

 Sử dụng một phương pháp điều chế phức tạp mà nhiều bít có thể được mang đi bởi một ký hiệu được truyền đi Giải pháp này bao gồm việc kết hợp các kỹ thuật điều chế đa mức như điều chế QAM với OFDM hoặc điều chế DMT Khi

sử dụng kết hợp với bộ lọc màu xanh thì tốc độ truyền có thể lên đến Mbps Bảng 1.2 tóm tắt tốc độ truyền dẫn có thể đạt được của các hệ thống VLC khác nhau cho các kênh xanh và trắng với một số các bộ lọc như: NRZ, OKK, DMT-QAM

Bảng 1.2 Hiệu suất của các hệ thống truyền thông VLC có tốc độ cao [2]

Loại đèn LED

Bộ điều chỉnh trước

Bộ điều chỉnh sau

Kỹ thuật điều chế

phốt pho

(BER< 10 ) Đèn LED –

phốt pho

(BER< 10 ) Đèn LED –

phốt pho

With APD Đèn LED –

phốt pho

(BER< 10 ) Đèn LED –

phốt pho

(BER< 10 ) Đèn LED –

phốt pho

(BER< 10 ) Đèn LED –

phốt pho

(BER< 10 ) Đèn LED –

phốt pho

(BER< 10 )

27

1.4 Ứng dụng và một số sản phẩm thực tế

Cùng với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ chiếu sáng sử dụng chất bán dẫn (solid-state lighting) Công nghệ VLC cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ hàng trăm Mbps thậm chí có thể lên đến vài Gbps Với những ưu điểm nổi bật, công nghệ VLC được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực như dưới đây

1.4.1 Truyền thông di động

1.4.1.1 Truyền thông di động thế hệ sau 4G

Công nghệ VLC được xem như là một trong những ứng viên sáng giá cho thế

hệ di động sau 4G giúp tăng chất lượng dịch vụ trong các tòa nhà, văn phòng hay các môi trường trong nhà khác nơi mà truyền thông bằng sóng vô tuyến có thể bị suy hao cao do hiệu ứng đa đường trong những môi trường này Do đó, công nghệ VLC là một giải pháp thay thế rất hữu hiệu để nâng cao chất lượng dịch vụ Đã có rất nhiều hệ thống lai ghép giữa mạng di động tế bào và mạng di động VLC nơi mà các đèn LED đóng vai trò là các điểm truy cập đã được đề suất cho đến nay

Hình 1.10 Công nghệ truyền thông VLC ứng dụng trong phòng họp (nguồn Internet) 1.4.1.2 Truyền thông trong các môi trường đặc biệt

Các môi trường hạn chế sử dụng sóng vô tuyến: Sóng vô tuyến được đặc biệt hạn chế ở một số môi trường đặc biệt như: sân bay, trạm xăng dầu, hay bệnh viện Lý

do là sóng vô tuyến sẽ gây nhiễu lên hoạt động của các thiết bị điện tử, làm cho chúng

hư hỏng hoặc không chính xác, thậm chí có thể gây nên cháy nổ hoặc hỏa hoạn ở những khu vực như trạm xăng Do đó, công nghệ VLC là một công nghệ thích hợp để thay thế cho truyền thông bằng sóng vô tuyến ở những khu vực này [11]

Hình 1.11 Công ngh

1.4.2 Truyền hình

Các tác giả trong bài báo [1

video qua kênh truyền VLC Đi

dịch vụ giải trí đa phương ti

Hình 1.12 Sơ đ

28

Hình 1.11 Công nghệ VLC được sử dụng trong bệnh viện [11]

ài báo [12] đã đề suất một mô hình thực tế

n VLC Điều này hứa hẹn sẽ mở ra sự phát triển m

i trí đa phương tiện tại nhà

Sơ đồ khối của bộ phát video và audio[12]

[11]

để truyền phát mạnh mẽ cho các

Hình 1.13 Sơ đ 1.4.3 Nhà thông minh

Chiếu sáng thông minh là m

minh, trong khách sạn, bảo

chiếu sáng, không chỉ tạo nên

truy cập không dây, giúp ngư

cũng như truy cập Internet

của mình thông qua công ngh

sinh, v.v Hình 1.14 miêu t

VLC [11]

Hình 1.14 Mô hình n

1.4.4 Hệ thống giao thông thông minh

Công nghệ truyền thông b

trong môi trường trong nhà

đặc biệt là trong hệ thống giao thông thông minh

29

Sơ đồ khối của bộ nhận video và audio[12]

u sáng thông minh là một yêu cầu rất cần thiết cho những ngôi nhà thông

o tàng, v.v Với việc kết hợp công nghệ VLC vào các thinên mạng chiếu sáng thông minh mà còn tạo thành các đi

p không dây, giúp người sử dụng có thể dễ dàng sử dụng các d

Quan trọng nhất là người dùng có thể điều khi

a mình thông qua công nghệ này như đóng cửa, tự động bật nhạc, t

tả hình ảnh một ngôi nhà thông minh sử d

Mô hình nhà thông minh sử dụng công nghệ VLC

ng giao thông thông minh

n thông bằng ánh sáng nhìn thấy không chỉ

ng trong nhà mà nó còn được ứng dụng trong cả môi trư

ng giao thông thông minh Các phương tiện giao thô

ng ngôi nhà thông VLC vào các thiết bị

o thành các điểm

ng các dịch vụ giải trí

u khiển ngôi nhà

c, tự động dọn vệ dụng công nghệ

[11]

ỉ được sử dụng môi trường ngoài trời,

n giao thông có thể

30

giao tiếp với nhau thông qua các bộ thu phát tín hiệu VLC để giảm thiểu những tai nạn đáng tiếc Bên cạnh đó, các phương tiện giao thông cũng có thể kết nối đến các đèn giao thông hoặc đèn chiếu sáng ở hai bên đường để định vị hay truy cập Internet Hình 1.15 minh họa hệ thống giao thông thông minh sử dụng công nghệ VLC

Hình 1.15 Hệ thống giao thông thông minh (nguồn: Internet)

1.4.5 Định vị và dẫn đường

Định vị và dẫn đường là hai bài toán rất phổ biến trong các ứng dụng của điện thoại thông minh hay robot trong môi trường trong nhà, ví dụ như hệ thống e-mart (hệ thống siêu thị điện tử) trong siêu thị Dựa trên các tham số như công suất nhận, màu sắc, tần số hay các yếu tố hình học, v.v chúng ta có thể dễ dàng ứng dụng công nghệ VLC để giải quyết cái bài toán định vị

Hình 1.16 Hệ thống dẫn đường E-mart trong siêu thị (nguồn: Internet)

32

Chương 2

ĐỊNH VỊ TRONG MÔI TRƯỜNG TRONG NHÀ

Định vị là một trong những thách thức lớn đối với những nhà khoa học trong lĩnh vực nghiên cứu về robot di động Đó là quá trình xác định chính xác vị trí và hướng của robot trong môi trường làm việc của nó Nói đến định vị, chắc hẳn chúng ta

sẽ nghĩ đến hệ thống định vị toàn cầu GPS rất phổ biến Đây có thể là sự lựa chọn đơn giản và hiệu quả cho các thiết bị di động nói chung và robot di động nói riêng Tuy nhiên, GPS chỉ hoạt động tốt đối với môi trường ngoài trời với sai số lên đến vài mét, trong khi đó đối với các ứng dụng cần độ chính xác cao trong môi trường trong nhà thì GPS không phải là một giải pháp tối ưu Đó là một trong những lí do tại sao vấn đề định vị robot trong nhà vẫn luôn được quan tâm nghiên cứu để đưa ra những giải pháp phù hợp và hiệu quả nhất

Cho đến nay, có rất nhiều giải pháp đã được áp dụng cho định vị robot trong nhà như các hệ thống sử dụng cảm biến hồng ngoại, laser, cảm biến siêu âm, sóng vô tuyến [13-18], v.v Trong đó, nhận dạng bằng sóng vô tuyến (RFID) từng được sử dụng như một giải pháp chính trong định vị robot [17] Các hệ thống định vị bằng Wifi cũng đã được nghiên cứu và chứng minh về tính khả thi thông qua thực nghiệm [18]

Trong những năm gần đầy, cùng với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ chế tạo đèn LED trắng, định vị robot dựa trên công nghệ VLC - truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy được xem xét như một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn với nhiều điểm ưu việt So với các công nghệ truyền thông không dây khác như RF hay Wifi thì công nghệ VLC ít ảnh hưởng tới sức khỏe của người sử dụng, đồng thời còn được sử dụng cho mục đích chiếu sáng Ngoài ra, đèn LED trắng còn có hiệu suất rất cao, độ che phủ rộng và cho phép tăng cường công suất truyền tải Một ưu điểm khác của đèn LED là có tuổi thọ rất cao, có thể lên tới 1.00.000 giờ chiếu sáng, cho phép tiết kiệm chi phí khi thực hiện các hệ thống định vị qua công nghệ VLC

Trong nội dung của chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu về một số phương pháp định vị robot trong nhà sử dụng công nghệ VLC đã được đề suất và nghiên cứu từ trước đến nay Các phương pháp định vị này có điểm chung là đều ứng dụng các mô hình hình học vào quá trình xác định vị trí Thông qua việc thảo luận chi tiết các phương pháp định vị này, chúng ta sẽ phân tích những ưu, nhược điểm cũng của từng phương pháp Từ đó, đề xuất một phương pháp định vị mới có độ chính xác và hiệu quả cao hơn

33

2.1 Các phương pháp định vị ứng dụng công nghệ VLC

2.1.1 Phương pháp định vị dựa trên thời gian sóng ánh sáng tới (TOA)

Trong phương pháp này, các đèn LED đóng vai trò như nguồn phát tín hiệu còn

PD được đặt trên robot sẽ hoạt động giống như một bộ nhận tín hiệu Dựa vào tọa độ của các đèn LED và khoảng cách từ robot đến các đèn LED, chúng ta có thể tìm được

vị trí của robot Khoảng cách này chính là khoảng cách truyền tín hiệu ánh sáng được tính toán từ mối quan hệ giữa thời gian truyền và vận tốc ánh sáng Để tính được khoảng cách truyền chúng ta chỉ cần đo thời gian tới của sóng ánh sáng ở bộ nhận do vận tốc ánh sáng cố định c = 3.108(m/s) Tuy nhiên, ánh sáng được phát ra từ các đèn LED theo hình dạng nón, do đó tồn tại một tập hợp điểm mà tại đó nhận được thời gian ánh sáng truyền đến là như nhau Tập hợp các điểm này là quỹ tích của một đường tròn tưởng tượng có tâm là hình chiếu vuông góc của LED trên mặt sàn di chuyển của robot (xem hình 2.1)

Hình 2.1 Đường tròn tưởng tượng chứa các điểm nhận được thời gian truyền ánh

sáng như nhau

Như vậy, ứng với mỗi đèn LED chúng ta sẽ nhận được một phương trình đường tròn tưởng tượng Nếu robot nằm giữa vùng phủ của nhiều đèn LED thì chúng ta sẽ nhận được một tập các phương trình của các đường tròn tưởng tượng Giải hệ các phương trình này sẽ cho chúng ta vị trí của robot Nói cách khác, vị trí của robot chính

là giao điểm của các đường tròn nói trên

Giả sử, vị trí của robot là (x, y) và vị trí cho trước của bộ phát thứ i là (x i , y i ), i =

1, 2…M; trong đó M là số lượng bộ phát Khoảng cách từ bộ phát thứ i đến robot

sai số tác động lên phép đo trên được kí hiệu là n i, khi đó công thức (2.2) sẽ được viết lại như sau:

t d c n  xx  yy c n (2.3) Khi đó, các đường tròn tưởng tượng sẽ không thể giao nhau tại một điểm duy nhất mà chúng sẽ tạo ra một vùng giao cắt Hay nói cách khác, hệ phương trình (2.3)

sẽ có vô số nghiệm Khi đó, robot sẽ nằm trong vùng giao cắt của các đường tròn tưởng tượng Để xác định chính xác vị trí của robot trong các vùng giao cắt này, chúng

ta phải kết hợp với một số phương pháp ước lượng như: bình phương tối thiểu (LS), thuật toán chặn dưới Cramér–Rao (CRLB) và xác suất lỗi đường tròn (CEP) [19, 20]

Hình 2.2 Vị trí robot trong vùng giao cắt của các đường tròn tưởng tượng

Phương pháp định vị dựa trên thời gian sóng ánh sáng tới (TOA) có một số ưu điểm nổi bật như: mô hình phần cứng yêu cầu rất đơn giản đối cả bộ phát và bộ nhận, đáp ứng tốt trong môi trường sóng ánh sáng lan truyền thẳng (LOS) Tuy nhiên, phương pháp này không được ứng dụng rộng rãi do có một số hạn chế Thứ nhất, vì đây là phương pháp định vị dựa trên thời gian sóng ánh sáng tới nên để đạt được độ chính xác cao, bộ phát và bộ nhận cần được đồng bộ với nhau sau mỗi khoảng thời

35

gian cố định [16] Thứ hai, trong các mô hình phòng nhỏ (cỡ một vài mét vuông), thời gian mà ánh sáng được truyền đi từ bộ phát đến bộ nhận rất ngắn (chỉ cỡ vài nano giây) Điều này dẫn đến việc đo thời gian truyền sóng ánh sáng gặp rất nhiều khó khăn, cần phải có một phần cứng có tốc độ cao Ngoài ra, phương pháp này cũng cần nhiều bộ phát để tạo ra được vùng giao cắt Chúng ta cần sử dụng ít nhất ba nguồn phát khác nhau để cung cấp thông tin cho bộ nhận trong trường hợp này

2.1.2 Phương pháp định vị dựa trên độ chênh lệch thời gian của các sóng ánh sáng tới (TDOA)

Phương pháp định vị TDOA được áp dụng cho các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao trong việc định vị Tương tự như phương pháp TOA, phương pháp TDOA cũng xác định vị trí robot thông qua mối quan hệ giữa khoảng cách truyền tín hiệu ánh sáng và thời gian truyền Tuy nhiên, phương pháp TDOA không tính toán khoảng cách truyền tín hiệu ánh sáng trực tiếp từ bộ phát tới bộ nhận mà thay vào đó là tính độ chênh lệch giữa các khoảng cách truyền từ các bộ phát tới bộ nhận (xem hình 2.3) Bộ nhận sẽ đo thời gian tới của sóng ánh sáng phát ra từ ít nhất ba đèn LED khác nhau

Do vận tốc ánh sáng là không đổi, nên chúng ta có thể dễ dàng tính toán được vị trí của robot dựa trên sự chênh lệch về khoảng cách từ các bộ phát đến bộ nhận

Hình 2.3 Mô hình hệ thống của phương pháp TDOA

Ý tưởng của phương pháp này khá đơn giản đó là so sánh thời gian đến của các tín hiệu nhận được theo từng cặp [21]:

36

Trong đó, d ij là độ chênh lệch khoảng cách giữa các bộ phát đến bộ nhận; c là vận

tốc ánh sáng; ij là độ chênh lệch thời gian truyền tín hiệu ánh sáng; (x, y) là tọa độ của robot và (x i , y i ), (x j , y j ) lần lượt là tọa độ của bộ phát thứ i và j

Phương trình (2.4) có dạng đường hyperbol với hai tiêu điểm lần lượt là tọa độ

của các bộ phát thứ i và j Do đó, phương pháp TDOA còn được gọi là phương pháp

định vị hyperbol [16] (xem hình 2.4) Vị trí của robot được tính toán bằng cách tìm điểm giao cắt của các đường hyperbol này

Hình 2.4 Phương pháp định vị hyperbol

Trong mô hình hệ thống của phương pháp TDOA cũng luôn tồn tại nhiễu n i do các ảnh hưởng của môi trường Do đó, trong thực tế các phương trình (2.4) sẽ không còn chính xác nữa mà sẽ phải cộng thêm một sai số nào đó Khi đó, các đường hyperbol sẽ không giao nhau tại một điểm duy nhất mà sẽ cắt nhau tại một vùng Để xác định chính xác vị trí của robot trong vùng giao cắt này, chúng ta phải kết hợp với thuật toán bình phương tối thiểu phi tuyến bằng việc tính tổng sai số gây ra bởi nguồn nhiễu:

xarg minF x( ) (2.7)

37

Vì đều dựa trên thời gian truyền tín hiệu ánh sáng đến nên cả hai phương pháp TDOA và TOA có những ưu điểm và hạn chế giống nhau Tuy nhiên, trong phương pháp TDOA, chúng ta chỉ cần đồng bộ cho tất cả các bộ phát để phát các tín hiệu ánh sáng đi trong cùng một thời điểm Hạn chế lớn nhất của cả hai phương pháp này là thời gian tín hiệu ánh sáng tới bộ nhận rất ngắn (chỉ vài nano giây) Vì lý do này nên các phần cứng phải có tốc độ xử lí cao, khả năng tính toán trong thời gian ngắn

2.1.3 Phương pháp định vị dựa trên cường độ tín hiệu nhận được (RSS)

Giả sử, chúng ta có một kênh truyền không dây sử dụng ánh sáng nhìn thấy được trình bày chi tiết trong mục 1.2.4 Khi đó, chúng ta có thể định vị vị trí của robot bằng việc đo công suất của tín hiệu quang nhận được tại PD Sau đó, bộ nhận sẽ tính toán khoảng cách từ nó đến bộ phát (các đèn LED) dựa trên mô hình truyền tín hiệu qua kênh ánh sáng nhìn thấy được

Khi đó, công suất quang P r của kênh truyền ánh sáng nhìn thấy nhận được tại

PD là:

2

( 1)(0) cos ( ) ( ) ( ) cos( )

(

()

m

t m

hay nói cách khác là có cùng công suất P r sẽ nằm trên một đường tròn tưởng tượng có

tâm là hình chiếu thẳng đứng của đèn LED lên mặt phẳng sàn Phương pháp định vị này cũng cần ít nhất ba bộ phát để xác định được điểm giao cắt giữa các đường tròn tưởng tượng tạo bởi phương trình (2.9) Giống như hai phương pháp định vị trên, vị trí của robot sẽ là giao điểm của các đường tròn tưởng tượng này Tuy nhiên, trong mô hình hệ thống thực tế, bộ nhận luôn bị ảnh hưởng bởi các nhiễu Gauss bao gồm tạp âm kim, nhiễu nhiệt và nhiễu liên ký hiệu Các nhiễu này đã được trình bày chi tiết trong mục 1.3.1 Do đó, các đường tròn tưởng tượng bởi phương trình (2.9) sẽ không cắt nhau tại một điểm mà sẽ cắt nhau tại một vùng Giải pháp để xác định được vị trí chính xác của robot trong vùng giao cắt này là sử dụng các thuật toán ước lượng như CRLB, CEP và LS [19, 20, 22] giống như các phương pháp định vị TOA và TDOA

38

Hình 2.5 Các tham số trong phương pháp định vị RSS

Qua việc khảo sát ba phương pháp định vị nói trên, chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy được rằng điểm chung của cả ba phương pháp định vị nói trên là vị trí của robot được xác định dựa trên việc hình thành các đường tròn hoặc các đường hypebol tưởng tượng Phương trình biểu diễn của những đường này được thiết lập thông qua mối quan hệ giữa khoảng cách với thời gian sóng tới hoặc công suất quang nhận được

2.1.4 Phương pháp định vị dựa trên góc của sóng ánh sáng tới (AOA)

Góc của sóng ánh sáng tới (AOA) được định nghĩa là góc giữa hướng truyền của một sóng ánh sáng tới và hướng của nguồn tham khảo (đèn LED), hay còn gọi là góc định hướng

Một mô hình của phương pháp định vị dựa trên góc ánh sáng tới được đề suất trong tài liệu [23] Mô hình này sử dụng một mảng các PD được gắn trên một khung nửa đường tròn như trong hình 2.6 thay vì sử dụng một PD cho bộ nhận

Số lượng PD được gắn trên bộ nhân ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của phương pháp AOA [23] Số lượng PD càng nhiều thì sai số sẽ càng nhỏ Góc của PD

thứ i được tính như sau:

/ ( 1)

i i K

   (2.10)