Nghiên cứu và đề xuất giải pháp điều khiển xe từ xa trong trường hợp không phản hồi hình ảnh dựa trên công nghệ haptics

Việc ng d ng công nghệ này không nh ng giúp cho con ng i điều khi n các ph ơng tiện từ xa thực hiện các nhiệm v đặc biệt khó khăn, nguy hi m, đ c h i trong các môi tr ng công nghiệp, y h

d a trên công ngh haptics Ằ

đ c nghiên c u t i Tr ng Đ i H c S Ph m Kỹ Thu t Tp HCM Th i gian thực

hiện từ 02/2013 đ n 08/2013 là m t trong nh ng nghiên c u và gi i pháp đầu tiên trên th giới đ c trình bày trong lu n văn này

Đi m mới c a đề tài là quá trình xây dựng thu t toán dẫn đ ng cho xe tránh các ch ớng ng i v t và chuy n h ớng đúng dựa trên tín hiệu duy nhất là xúc giác

Từ đó, ng i lái s điều khi n xe đ n đ c m c tiêu bằng cách s d ng m t giao

diện haptics Với mô hình hệ thống điều khi n xe từ xa s d ng m t giao diện điều khi n ph n hồi xúc giác, b thu GPS, c m bi n kho ng cách và thi t b truyền d liệu không dây có băng thông thấp Các thông tin này đ c x lý, l p trình bằng

phần mềm LabVIEW và t ơng tác với ng i điều khi n thông qua giao diện điều khi n ph n hồi xúc giác K t qu , ng i lái đư điều khi n xe đi đ n đ c m c tiêu trong tr ng h p không ph n hồi hình nh Nghiên c u này đư đ c ki m tra, so sánh k t qu với 18 lần thực nghiệm t i khuôn viên tr ng Đ i H c S Ph m Kỹ Thu t Tp HCM với ba tr ng h p: 1- Điều khi n xe từ xa có ph n hồi hình nh 2- Điều khi n xe từ xa có ph n hồi hình nh và haptics 3- Tr ng h p đặc biệt, điều khi n xe từ xa ch có haptics (không có hình nh)

Việc thực nghiệm thành công tr ng h p 3 đư t o ra b ớc ngoặt và cơ s ch

t o các ph ơng tiện tham dò, kh o sát, v.v., đi đ n đ c nh ng vùng không có hoặc thi u ánh sáng và thi u hình nh do đ ng truyền băng thông thấp gây ra

vi

ABSTRACT

This research

ắA study of haptic technology-based vehicle teleoperation

without vision feedback Ằ

is done at The University of Technical Education in HCM city It started in february and finished in august, 2013 A novel haptics-based control method of vehicle teleoperation without vision feedback is proposed in this research

The main contributions of this study are the control strategies to produce haptic feedback to a human operator Therefrom the teleoperator drive vehicle go to the target using a haptic interface The vehicle teleoperation system using a haptic interface, a GPS receiver, a distance sensor and a wireless router with low bandwidth This signals are processed and programmed by the LabVIEW software and interact with a human operator by the haptics interface As a result, the operator drove the vehicle moved on the target without vision feeback This study has been tested and compared with results of experiment 18 experiments at the campus of University of Technical Education There are three main control methods are used

in experiments includy: 1 - Vehicle teleoperation with vision feedback 2 - Vehicle teleoperation with vision feedback and haptics feedback 3 - Vehicle teleoperation with only haptic feedback (no vision)

The results has show that the proposed solution can help the operator navigate the vehicle with only haptic feedback This is a significant contributions to the new reseach direction of low vision vehicle teleoperation

vii

M C L C

Quy t đ nh giao đề tài

Xác nh n c a cán b h ớng dẫn

Lý l ch khoa h c ii

L i cam đoan iii

C m t iv

Tóm t t v

Abstract vi

M c l c vii

Danh sách các ch vi t t t x

Danh sách các hình xi

Danh sách các b ng xiii

Ch ngă1 T NG QUAN 1

1.1 T ng quan chung v lƿnhăv c nghiên c u 1

1.2 M căđíchăc aăđ tài 3

1.3 Nhi m v c aăđ tài và gi i h năđ tài 4

1.3.1 Nhiệm v c a đề tài 4

1.3.2 Giới h n c a đề tài 4

1.4 Ph ng pháp nghiên c u 4

Ch ngă2 C ăS LÝ THUY T 5

2.1ăC ăs lý thuy t c m giác xúc giác 5

2.1.1 Haptics 5

2.1.2 Giao diện haptics và ng d ng 8

2.2 Gi i thi uăcácăph ngăphápăđi u khi n xe t xa 10

2.2.1 Ph ơng pháp điều khi n xe từ xa có ph n hồi hình nh 10

2.2.2 Ph ơng pháp điều khi n xe từ xa có ph n hồi hình nh và xúc giác 12

viii

2.3ăĐ ng l c h căhapticsăvƠăđi u khi năph ngăti n t xa 15

2.3.1 Khái quát hệ thống điều khi n ph ơng tiện từ xa 15

2.3.2 Đ ng lực h c haptics trong điều khi n ph ơng tiện từ xa 15

2.3.3 Mối quan hệ gi a đ ng lực h c haptics và tín hiệu điện t 17

2.4ăĐ ng h c xe ba bánh 20

2.4.1 Mô hình xe ba bánh 20

2.4.2 Đ ng h c xe ba bánh khi kéo 22

2.4.3 Đ ng h c xe ba bánh khi đẩy 23

2.5ăĐ ng l c h c xe ba bánh 24

2.5.1 Đ ng lực h c xe ba bánh khi kéo 25

2.5.2 Đ ng lực h c xe ba bánh khi đẩy 26

2.6 H th ngăđ nh v toàn cầu GPS 28

2.6.1 Giới thiệu 28

2.6.2 Cấu trúc hệ thống đ nh v toàn cầu GPS 28

2.6.3 Đ nh v tuyệt đối và đ nh v t ơng đối 29

2.6.4 Nguyên nhân sai số 32

2.6.5 B thu GPS Holux GR ậ 213 33

2.7 Ph ần m n LabVIEW 34

2.7.1 LabVIEW 34

2.7.2 ng d ng LabVIEW trong thực t 35

2.7.3 L p trình với LabVIEW 36

2.8 Thu t toán PID và PWM 37

Ch ngă3 Đ XU T GI IăPHỄPăĐI U KHI N XE T XA B NG CÔNG NGH HAPTICS TRONGăTR NG H P KHÔNG PH N H I HÌNH NH 39

3.1 T ng quan v các gi iăphápăđi u khi n xe t xa không ph n h i hình nh 39 3.1.1 Ph ơng pháp b n đồ đ ng đi 40

3.1.2 Ph ơng pháp chia ô 41

3.1.3 Ph ơng pháp tr ng th năng 42

ix

3.1.4 Ph ơng pháp v trí tăng dần 45

3.2.ăPhơnătíchăvƠăđ xu t gi iăphápăđi u khi n xe t xa tránh v t c n và tìm đ ngăđ n m c tiêu b ng công ngh haptics trongătr ng h p không ph n h i hình nh 46

3.2.1 Tổng quan về gi i pháp tránh v t c n và tìm đ ng đ n m c tiêu 46

3.2.2 Thu t toán tránh v t c n và tìm đ ng đ n m c tiêu 50

Ch ngă4 TH C NGHI M VÀ K T QU NGHIÊN C U 53

4.1ăS ăđ t ng quan và nguyên lý ho tăđ ng h th ng th c nghi m 53

4.1.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống 53

4.1.2 Cấu trúc và nguyên lý ho t đ ng hệ thống 54

4.2ăCácătr ng h p th c nghi m 57

4.3ăPh ngăti n th c nghi m 57

4.3.1 Mô hình xe ba bánh 57

4.3.2 Giao diện điều khi n và thu t toán t o ph n hồi xúc giác 59

4.3.3 Các thi t b khác 61

4.4ăMôiătr ng th c nghi m 62

4.5 Th c nghi m và k t qu 63

4.5.1 Ki m tra hệ thống thực nghiệm 63

4.5.2 Tr ng h p thực nghiệm 1 64

4.5.3 Tr ng h p thực nghiệm 2 66

4.5.4 Tr ng h p thực nghiệm 3 68

4.6ăSoăsánhăvƠăđánhăgiáăk t qu th c nghi m 70

Ch ngă5 K T LU N 73

5.1 K t lu n 73

5.2 H ng phát tri năđ tài 74

TÀI LI U THAM KH O 75

Ph l c 77

x

DANH SÁCH CÁC CH VI T T T

DHA : Direct Haptic Aid ậ H tr xúc giác trực ti p

IHA : Indirect Haptic Aid ậ H tr xúc giác gián ti p

TCP/IP : Transfer Control Protocol/Internet Protocol ậ B giao th c ki m soát

truyền t i và giao th c internet

UDP : User Datagram Protocol ậ Giao th c truyền t i d liệu gi a các

ng i dùng

RS-232 : Recommended Standard-232 ậ Chuẩn giao ti p nối ti p gi a thi t b

ngo i vi với máy tính

LabVIEW : Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench ậ Phần

mềm l p trình ngôn ng đồ h a

PID : Propotional Integral Derivative ậ B điều khi n vi tích phân tỷ lệ

PWM : Pulse Width Modulation ậ B điều ch đ r ng xung

AMP : Amplifier ậ B khu ch đ i

DC : Direct Current ậ Dòng điện m t chiều

AC : Alternating currentậ Dòng điện xoay chiều

GPS : Global Positioning System ậ Hệ thống đ nh v toàn cầu

WGS84 : World Geodetic Spheroid 1984 ậ Hệ thống t a đ tr c đ a năm 1984

WAAS : Wide Area Augmentation System ậ Hệ thống giãn r ng vùng

DGPS : Differential Global Positioning System ậ Hệ thống đ nh v toàn cầu

vi sai

INS : Inertial Navigation System ậ Hệ thống dẫn đ ng quán tính

xi

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1: Giao diện haptics trong điều khi n ô tô từ xa 8

Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống điều khi n xe từ xa có ph n hồi hình nh 10

Hình 2.3: Sơ đồ góc quan sát c a m t camera và góc quan sát k t h p hai cameras

11

Hình 2.4: Sơ đồ hệ thống điều khi n xe từ xa có ph n hồi hình nh và xúc giác 12

Hình 2.5: V trí l p đặt c m bi n kho ng cách trên ph ơng tiện từ xa 13

Hình 2.6: Nguyên lý đo kho ng cách 13

Hình 2.7: Sơ đồ hệ thống điều khi n ph ơng tiện từ xa 15

Hình 2.8: Mô hình đ ng lực h c c a thi t b ch /nô 15

Hình 2.9: Sơ đồ đ ng lực h c haptics trong điều khi n ph ơng tiện từ xa 17

Hình 2.10: Mô hình chuy n đổi tín hiệu cơ khí thành tín hiệu điện 17

Hình 2.11: Sơ đồ điều khi n từ xa với hai cổng k t nối 18

Hình 2.12: Mô hình giao diện haptics trong điều khi n ph ơng tiện từ xa 19

Hình 2.13: Mô hình xe ba bánh 20

Hình 2.14: Mô hình đ ng h c c a bánh xe 21

Hình 2.15: Mô hình đơn gi n xe ba bánh trong hai tr ng h p kéo và đẩy 21

Hình 2.16: Sơ đồ đ ng h c xe ba bánh khi kéo 22

Hình 2.17: Sơ đồ đ ng h c xe ba bánh khi đẩy 23

Hình 2.18: Mô hình đ ng lực h c xe ba bánh 24

Hình 2.19: Quỹ đ o các vệ tinh và cấu trúc hệ thống đ nh v toàn cầu GPS 29

Hình 2.20: Các lĩnh vực ng d ng c a LabVIEW 35

Hình 2.21: Mã nguồn vi t bằng LabVIEW 36

H̀nhă2.22: Sơ đô điêu khiển thuâ ̣t toan PID 37

Hình 2.23: Sơ đồ xung điện áp thu t toán PWM 38

Hình 3.1: Ph ơng pháp đồ th trực quan và ph ơng pháp sơ đồ Voronoi 40

xii

Hình 3.2: Ph ơng pháp chia ô chính xác và ph ơng pháp chia ô gần đúng 41

Hình 3.3: Tr ng th năng và tr ng lực đẩy bi u di n d ới d ng bi u đồ đi m 42

Hình 3.4: Tổng h p lực o tác đ ng lên xe 44

Hình 3.5: Minh h a ph ơng pháp đ nh v tăng dần 45

Hình 3.6: Tr ng lực o và đ ng di chuy n c a xe 47

Hình 3.7: Sơ đồ kho ng cách từ xe đ n m c tiêu 48

Hình 3.8: Đ ng di chuy n c a xe khi gặp m t v t c n và gặp nhiều v t c n 49

Hình 3.9: L u đồ thu t tránh v t c n và tìm đ ng đ n m c tiêu 50

Hình 4.1: Sơ đồ tổng quan hệ thống điều khi n xe từ xa 53

Hình 4.2: Cấu trúc mô hình hệ thống điều khi n xe từ xa bằng công nghệ haptics 54 Hình 4.3: Mô hình xe ba bánh 57

Hình 4.4: Giao diện điều khi n ph n hồi xúc giác 59

Hình 4.5: Cấu trúc giao diện điều khi n ph n hồi xúc giác 60

Hình 4.6: Sơ đồ điều khi n t o xúc giác trên vòng đeo tay và vành tay lái 60

Hình 4.7: Sơ đồ môi tr ng thực nghiệm 62

Hình 4.8: Giao diện thu th p số liệu và đồ th bằng LabVIEW trong tr ng h p 1

64

Hình 4.9: Giao diện thu th p số liệu và đồ th bằng LabVIEW trong tr ng h p 2

66

Hình 4.10: Đ ng đi c a xe trong tr ng h p 3 v bằng LabVIEW 68

Hình 4.11: Bi u đồ k t qu th i gian, quưng đ ng xe di chuy n đ n m c tiêu và số lần xe gặp v t c n trong 3 tr ng h p thực nghiệm 70

Hình 4.12: Bi u đồ các k t qu th i gian xe di chuy n đ n m c tiêu trong tr ng h p 1 và tr ng h p 2 72

xiii

DANH SÁCH CÁC B NG

B ng 2.1: Các d ng c m nh n về tr ng thái v t th 6

B ng 2.2: Các ng d ng công nghệ haptics 9

B ng 2.3: M t ví d tin nh n b thu GPS Holux GR ậ 213 33

B ng 3.1: Nhiệm v ng i lái điều khi n xe đ n m c tiêu trong tr ng h p không ph n hồi hình nh 46

B ng 3.2: Thông số kỳ v ng các tín hiệu điều khi n 52

B ng 4.1: Thông số kỳ v ng các tín hiệu điều khi n trong thực nghiệm 56

B ng 4.2: B ng các tr ng h p thực nghiệm 57

B ng 4.3: Đặc tính kỹ thu t c a mô hình xe ba bánh 58

B ng 4.4: Danh sách các thi t b khác h tr trong quá trình thực nghiệm 61

B ng 4.5: Số liệu ki m tra chất l ng hệ thống thực nghiệm 63

B ng 4.6: Số liệu thu th p trong thực nghiệm tr ng h p 1 65

B ng 4.7: Số liệu thu th p trong thực nghiệm tr ng h p 2 67

B ng 4.8: Số liệu thu th p trong thực nghiệm tr ng h p 3 69

1

Ch ngă1

T NG QUAN

1.1 T ng quan chung v lƿnhăv c nghiên c u

Chúng ta đang sống trong th kỷ 21, th kỷ c a nền tri th c và nền khoa h c kỹ thu t v t b t Trong th kỷ này, khoa h c công nghệ cao đư và đang dần khẳng

đ nh v trí c a mình trong tất c các mặt c a đ i sống con ng i Với tốc đ phát tri n nhanh chóng c a các ngành khoa h c kỹ thu t, ngành kỹ thu t điều khi n

ph ơng tiện từ xa đang có nh ng b ớc đ t phá mới thông qua ng d ng công nghệ haptics (công nghệ ph n hồi xúc giác) Việc ng d ng công nghệ này không nh ng giúp cho con ng i điều khi n các ph ơng tiện từ xa thực hiện các nhiệm v đặc biệt khó khăn, nguy hi m, đ c h i trong các môi tr ng công nghiệp, y h c, quân

sự, hàng không vũ tr , v.v., mà còn năng cao kh năng t ơng tác gi a con ng i và

ph ơng tiện từ xa đ t hiệu qu thi t thực Đặc biệt, công nghệ haptics đư và đang xuất hiện trong nhiều hệ thống trên xe, trong đó ng d ng công nghệ haptics vào hệ

thống điều khi nxe từ xa là đề tài nghiên c u mang tính th i đ i

Nicola Diolaiti và Claudio Melchiorri [01] đư trình bày việc s d ng m t giao

diện haptics đ năng cao kh năng c m nh n c a ng i điều khi n với môi tr ng làm việc c a ph ơng tiện từ xa, bằng cách s d ng m t hệ thống t ơng tác o đ c tính dựa trên lực c n xung quanh tác d ng lên ph ơng tiện đ ngăn chặn các ti p xúc nguy hi m Sự th đ ng c a toàn b hệ thống đ c b o tồn Do đó, sự t ơng tác o đ c đ m b o Kho ng cách từ các ch ớng ng i v t đ c đo bằng máy quét laser g n k t trên ph ơng tiện, đ s d ng tính toán lực ph n hồi lên giao diện haptics

Stephen Hughes, Ian Oakley, Andy Brady và Sile O’Modhrain [02] đư đ a ra

m t hệ thống tính toán gia tốc c a xe, từ đó t o tín hiệu đ ng lực h c tác đ ng lên

ng i điều khi n d ới d ng thông tin xúc giác, bằng cách so sánh các bi u đồ đ ng

h c c a xe đư đ c cài đặt tr ớc với bi u đồ mà hệ thống tính toán đ c Hệ thống này đ c thi t k đ h tr v n hành, ki m soát v n tốc xe từ xa

2

M Rank, Z Shi, H J Muller và S Hirche [03] đư nghiên c u các vấn đề gây ra

th i gian tr thông tin ph n hồi xúc giác trong điều khi n ph ơng tiện từ xa Trong nghiên c u này, nhóm tác gi đư thực hiện thí nghiệm t o môi tr ng xúc giác d ới

d ng lực tác đ ng lên ng i điều khi n trên ng ỡng phát hiện sự ch m tr thông tin xúc giác và k t qu nghiên c u đư xác đ nh đ c nguyên nhân gây ra sự ch m tr thông tin ph n hồi xúc giác ph thu c rất lớn vào đ lớn c a tần số và biên đ chuy n đ ng

J.H Ryu [04], [05], [06] đư nghiên c u, phát tri n đ ng lực h c haptic và xây

dựng ph ơng pháp điều khi n ph ơng tiện từ xa bằng haptics Các nghiên c u c a tác gi , trình bày các ph ơng trình đ ng lực h c haptics với mô hình điều khi n đa khâu, đa khớp và đa b c tự do Xây dựng các thu t toán chuy n đổi tín hiệu haptics thành tín hiệu điện t và ng c l i

Samantha M C Alaimo, Lorenzo Pollini, Jean-Pierre Bresciani và Heinrich H Bulthoff [07] đư nghiên c u và thực nghiệm so sánh, đánh giá hiệu qu hai ph ơng pháp điều khi n ph ơng tiện từ xa, điều khi n ph n hồi xúc giác trực ti p (DHA) và điều khi n ph n hồi xúc giác gián ti p (IHA) K t qu nghiên c u đư xác đ nh đ c

hiệu qu điều khi n IHA rất cao, đây là b ớc ngoặt mới cho công nghệ điều khi n

ph ơng tiện từ xa trong t ơng lai

B.H Nguyen, J.H Ryu [08] đư nghiên c u và ch t o giao diện điều khi n xe từ

xa với 3 b c tự do ki m soát và c m nh n xúc giác các ho t đ ng ti n, lùi, r trái, r

ph i, đặc biệt giao diện điều khi n này ph n hồi đ c c m giác quay vòng c a xe B.H Nguyen, J.H Ryu [09] đư nghiên c u ph ơng pháp tái t o c m giác lái (xúc giác) c a xe từ xa trong hệ thống lái không tr c lái (SBW), bằng cách s d ng dòng điện đo trực ti p từ cơ cấu chấp hành Nghiên c u này có gi i pháp đơn gi n, chi phí thấp và sự ổn đ nh hệ thống lái đ c c i thiện

Trần Xuân Trình và Nguy n Bá H i [10] đư nghiên c u, phát tri n và thi t k , thực nghiệm hệ thống ga trong điều khi n ô tô từ xa Nghiên c u đư đánh giá đ c

m c đ đáp ng về sự tăng tốc c a xe và đo đ c đ c th i gian tr khi truyền qua

m ng 3G

Nguy n Tr ng Giang, Lê Thanh Phong và Nguy n Bá H i [12] đư nghiên c u

ph ơng pháp t o c m giác lái trong điều khi n xe ba bánh từ xa bằng cách t o c m giác lực thông qua hệ thống t ơng tác lò xo o

Nguy n Thanh Nh Phúc và Nguy n Bái H i [13] đư nghiên c u, phát tri n hệ thống lái không tr c lái có ph n hồi c m giác lái (xúc giác) trong điều khi n xe quân

sự từ xa, bằng cách đo dòng điện trực ti p trên cơ cấu chấp hành K t qu nghiên

c u đư đ c ki m ch ng bằng k t qu thực nghiệm trên m t chi c xe th t

Bên c nh nh ng thành tựu đư đ t đ c c a các công trình nghiên c u trong và ngoài n ớc về hệ thống điều khi n ph ơng tiện từ xa nói chung hay hệ thống điều khi n xe từ xa nói riêng thì còn nhiều mặt h n ch Trong đó, vấn đề điều khi n xe

từ xa trong môi tr ng ho t đ ng c a xe từ xa không có hoặc thi u ánh sáng hay thi u hình nh do đ ng truyền băng thông thấp gây ra là m t bài toán rất khó ch a

có l i gi i đáp hoàn h o Vì v y, đề tài:

ắNghiênăc uăvƠăđ xu t

gi iăphápăđi u khi n xe t xa trongătr ng h p không ph n h i hình nh

d a trên công ngh hapticsẰ

là vấn đề nghiên c u th t sự cần thi t

1.2 M căđíchăc aăđ tài

Gi i bài toán điều khi n xe từ xa trong tr ng h p không ph n hồi hình nh do môi tr ng không có hoặc thi u ánh sáng hoặc thi u hình nh do đ ng truyền băng thông thấp gây ra Nhằm hoàn thiện hệ thống điều khi n xe từ xa trong tr ng h p không ph n hồi hình nh

Nghiên c u này làm cơ s ng d ng cho nhiều lĩnh vực nh giám sát, kh o sát,

dò tìm, v.v Đặc biệt h tr cho ng i khi m th trong điều khi n xe

4

1.3 Nhi m v c aăđ tài và gi i h năđ tài

1.3.1 Nhi m v c aăđ tài

Tìm hi u và nghiên c u các ph ơng pháp điều khi n xe từ xa

Nghiên c u lý thuy t GPS và thu th p x lý tín hiệu t a đ GPS trong phần

mềm LabVIEW

Xây dựng thu t toán điều khi n xe từ xa đi đ n m c tiêu trong tr ng h p không ph n hồi hình nh và thu t toán t o c m giác xúc giác cho ng i điều khi n khi xe lệch h ớng m c tiêu, xe gặp v t c n và xe đư đ n m c tiêu

Thi t k , thi công giao diện haptics

Thực nghiệm và đánh giá k t qu trong ba tr ng h p:

- Điều khi n xe từ xa có ph n hồi hình nh

- Điều khi n xe từ xa có ph n hồi hình nh và ph n hồi xúc giác

- Điều khi n xe từ xa ch có ph n hồi xúc giác (không có hình nh)

So sánh các k t qu nghiên c u với các công trình nghiên c u đư thu th p đ c

1.3.2 Gi iăh năc aăđ ătƠiăăăăă

Do điều kiện đ a lý khu vực thực nghiệm, điều kiện kinh t , trình đ có h n và tính mới m c a đề tài nên:

- Đề tài t p trung nghiên c u, thực nghiệm điều khi n xe từ xa đi đ n m c tiêu với mô hình xe ba bánh, các ch ớng ng i v t có hình d ng đơn gi n cố đ nh,

mặt đ ng xe chuy n đ ng t ơng đối bằng phẳng và diện tích khu vực xe ho t đ ng nhỏ

- C m giác xúc giác trên giao điện điều khi n ch a xác thực vì giới h n b i

Th nghiệm và đánh giá k t qu từ thực nghiệm

So sánh đánh giá với các công trình đư nghiên c u

lực tác đ ng (c ng, mềm), c m giác về bề mặt (thô, nhám, s c, trơn, v.v.) c m giác

về chuy n đ ng mà con ng i có th c m nh n thông qua ti p xúc, cầm, n m, s ,

v.v ( xem B ảng 2.1)

Công nghệ haptics là công nghệ tái t o l i các c m giác xúc giác toàn b hay

m t phần c m giác xúc giác c a con ng i khi ti p xúc với thi t b Công nghệ haptics ch y u mang l i 2 lo i c m giác ti p xúc:

- C m giác về lực (force feedback) mang l i cho con ng i c m giác về lực tác đ ng, nhằm tái t o sự hiện diện c a sự v t thông qua lực tác đ ng c a nó với t cách đối t ng trong th giới o với con ng i

- C m giác xúc giác (tactile) mang l i các c m giác chi ti t hơn về bề mặt c a

v t, tái t o các đặc tính thô, nhám, trơn, v.v

Trên thực t không có sự khác biệt rõ ràng trong cách phân lo i này, nh ng sự khác biệt ch nằm cách thực thi chúng C m giác lực thông th ng đ c thực hiện thông qua việc điều khi n m t cơ cấu chấp hành s tái t o c m giác về lực qua tác

đ ng với con ng i Cơ cấu chấp hành có th bao gồm các đ ng cơ điện, đ ng cơ khí nén, v.v C m giác xúc giác thông th ng đ c t o ra b i m t tr ng tĩnh điện

Bằng cách s d ng m t lớp ph trên bề mặt thi t b cho phép g i các khích thích

nhẹ lên đầu ngón tay, làm cho ng i dùng c m giác đ c các thao tác, c m nh n

đ c các bề mặt đối t ng M t tr ng điện từ áp d ng lên bề mặt đối t ng (màn hình, v.v.), t ơng tác với t i tr ng tự nhiên trên đầu ngón tay Hai lực điện cùng dấu đẩy nhau, hai lực điện trái dấu hút nhau Bằng cách điều bi n tr ng điện t i từng pixel, chúng ta có th tái t o xúc giác m t cách chính xác

6

B ngă2.1: Các d ng c m nh n về tr ng thái v t th

TT D ng c m nh n về tr ng thái v t th Hình minh h a

1

C m giác về tr ng lực hay c m giác v t th nặng, nhẹ

khi con ng i khuân vác, xách mang, chống đỡ v t

th Lực t ơng tác gi a v t th với con ng i tính b i

công th c:

F = P + FATrong đó:

F là lực t ơng tác gi a ng i với v t th

P là tr ng l ng c a v t th

FA là lực đẩy Archimedes

2

C m giác về áp suất hay c m giác đ c ng, mềm c a

v t th ph thu c vào đặc tính đàn hồi c a v t Lực

tác d ng lên ng i khi ấn, bẻ, bóp, véo, tựa vào v t

th có th đ c xác đ nh gần đúng theo đ nh lu t

Hooke:

F = −kx Trong đó:

7

4

C m giác về chuy n đ ng ngang hay c m giác về đ

thô nhám, nhẵn m n bề mặt c a v t th C m giác này

gây ra do sự ma sát gi a cơ th ng i với v t th

Lực ma sát có th đ c tính xấp x theo công th c:

Fms = F0Trong đó:

Fms là lực ma sát gây ra c m giác chuy n

đ c thông qua sự cầm, n m hoặc s , ch m toàn b

bề mặt bên trong, bên ngoài c a v t th Từ đó, con

ng i có th nh n bi t đ c hình d ng, kích th ớc,

th tích c a v t

6

C m giác về nhiệt đ hay c m giác sự nóng, l nh c a

v t th C m giác này sinh ra khi con ng i s , ch m

hoặc t ơng tác cự ly gần với v t th C m giác v t

th nóng hay l nh là giá tr chênh lệch nhiệt đ gi a

cơ th ng i với nhiệt đ v t th

Fms

8

2.1.2 Giao di n haptics và ng d ng

Giao diện haptics là nh ng hệ cơ điện t cho phép con ng i c m nh n đ c các đặc tính v t lý c a đối t ng hay v t th trong môi tr ng o hoặc môi tr ng cách xa v trí c a ng i t ơng tác đối t ng

Công nghệ haptics cũng nh nh ng giao diện haptics c a nó có nhiều ng d ng nhiều lĩnh vực khác nhau bao gồm các hệ thống h tr b i máy tính, tự đ ng khám phá và giám sát các môi tr ng đ c h i hoặc nơi mà con ng i khó có th đặt chân tới Đồng th i, ng d ng phổ bi n trong hệ tay máy hoặc robot có kích th ớc

micro/nano, lĩnh vực công nghệ ô tô, giáo d c, y h c và nhiều lĩnh vực khác (xem

B ảng 2.2)

Vô lăng Giao diện haptics

ch (Nguồn: Theo http://www.popsci.com/trp-

(Nguồn: Theo marsrover.nasa.gov)

4 Giáo d c

Hệ thống đào t o thực hành lái xe ô tô,

xe nâng, xe cẩu, v.v

(Nguồn: Theo www.5dt.com)

5 Y h c Hệ thống thi t b

phẫu thu t Da Vinci

(Nguồn: Theo http://spectrum.ieee.org)

10

2.2 Gi i thi uăcácăph ngăphápăđi u khi n xe t xa

2.2.1 Ph ngăphápăđi uăkhi năxe t ăxaăcóăph năh iăh̀nhă nhă

Trong ph ơng pháp này, nh ng hình nh về môi tr ng làm việc c a xe từ xa

đ c truyền về giao diện điều khi n thông qua thi t b thu phát hình nh cho phép

ng i điều khi n quan sát khung c nh làm việc c a xe từ xa bằng m t th ng trên màn hình máy tính và thực hiện các thao tác điều khi n ngay t i v trí ng i điều khi n ngồi

Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống điều khi n xe từ xa có ph n hồi hình nh

Giao diện điều khi n cách xe m t kho ng cách từ vài trăm (m) đ n hàng ngàn (km) hoặc xa hơn n a Thông tin đ c truyền vô tuy n (không dây) hoặc h u tuy n (có dây) Nh hình 2.2 bao gồm 3 khối ch c năng sau:

- Khối x lý hình nh và giao diện điều khi n: Ng i điều khi n quy t đ nh thực hiện các lệnh điều khi n xe từ xa dựa trên thông tin th giác khi quan sát hình

nh trên màn hình máy tính Vì lý do này, hình nh hi n th ph i đ t yêu cầu trực quan nh ng thực t hình nh truyền về luôn tr với m t đơn v th i gian nhất đ nh

do nhiều nguyên nhân nh tốc đ x lý máy tính, lo i kênh truyền thông tin, v.v

Thêm vào đó, việc thu hình (xem Hình 2.3) và x lý hình nh k t h p gi a các

cameras gặp nhiều h n ch , gây ra hình nh ph n hồi không trung thực do môi

tr ng thi u ánh sáng, góc đ t camera và sự rung c a camera Do đó nh h ng đ n

việc điều khi n ph ơng tiện từ xa s không chính xác

- Khối kênh truyền thông tin: Có ch c năng thu phát các gói d liệu theo

nh ng giao th c nh TCP/IP, UDP, v.v [15] Tốc đ truyền d liệu các kênh truyền thông tin ph thu c rất nhiều vào băng thông c a kênh truyền đó Từ đó ta

nh n thấy rằng đ truyền d liệu hình nh từ xa với tốc đ cao ta ph i ch n kênh

Màn hình máy tính

Xe

Kênh truyền thông tin

Camera

11

truyền có băng thông lớn nhằm gi m thi u th i gian tr và mất mát d liệu do

đ ng truyền băng thông thấp gây ra Điều này làm tăng chi phí cho hệ thống

- Khối xe từ xa và thi t b thu hình: Xe từ xa ho t đ ng trong môi tr ng rất

xa mà con ng i không th nhìn thấy rõ Vì v y, các thông tin về môi tr ng ho t

đ ng c a ph ơng tiện s đ c thi t b thu hình ghi nh n b i m t hoặc nhiều cameras

Vấn đề th nhất đặt ra, góc quan sát c a camera có giới h n từ 30đ n 1100 nhỏ hơn nhiều so với góc quan sát c a hai m t ng i (1800) [16] Đ góc quan sát c a camera đ c r ng hơn chúng ta s d ng hai hoặc nhiều cameras k t h p, nh ng

ng c l i dung l ng hình nh từ hệ thống camera tăng lên rất cao, làm nh h ng

đ n chất l ng hình nh ph n hồi trên màn hình hi n th Góc quan sát các cameras

k t h p lúc này đ c bi u di n b i sơ đồ hình 2.3

Hình 2.3: Sơ đồ góc quan sát c a m t camera (a) và góc quan sát k t h p hai

cameras (b) Trong hình 2.3 trên, góc quan sát k t h p hai cameras đ c tính b i công th c:

2)

L là kho ng cách l p đặt gi a hai cameras

Vấn đề th hai là vùng không gian mà cameras không quan sát đ c trên

h ớng di chuy n c a xe hay còn g i là vùng mù Nh hình 2.3, (B) là vùng mù Đây chính là m t trong nh ng nh c đi m lớn nhất c a ph ơng pháp này khi các v t c n

xuất hiện gần ph ơng tiện

2.2.2 Ph ngăphápăđi uăkhi năxe t ăxaăcóăph năh iăh̀nhă nhăvƠăxúcăgiác

T ơng tự ph ơng pháp đư nêu trên Đi m đ t phá c a ph ơng pháp này là s

d ng công nghệ ph n hồi xúc giác (haptics) giúp ng i điều khi n c m nh n đ c

sự t ơng tác gi a xe từ xa với môi tr ng ho t đ ng c a nó và gần nh chân thực thông qua giao diện ph n hồi xúc giác

Hình 2.4: Sơ đồ hệ thống điều khi n xe từ xa có ph n hồi hình nh và xúc giác

Hệ thống c m bi n bao gồm m t hoặc nhiều lo i c m bi n nh : C m bi n kho ng cách, c m bi n tốc đ , c m bi n áp suất, c m bi n nhiệt đ , v.v [17].Các

lo i thông tin này đ c g i đ n giao diện điều khi n qua kênh truyền thông tin, sau

đó nó s đ c tái t o và ph n hồi lên giao diện haptics Từ giao diện này, ng i điều khi n s c m nh n đ c sự t ơng tác gi a xe từ xa với môi tr ng ho t đ ng

c a nó, hay nói cách khác ng i điều khi n s có c m giác nh đang điều khi n xe trực ti p

Màn hình máy tính

Giao diện điều khi n Xe và môi tr ng t ơng tác

Ph n hồi

xúc giác

Kênh truyền thông tin

Môi

tr ng

t ơng tác

13

Hơn n a, ph ơng pháp này s kh c ph c đ c nh c đi m c a ph ơng pháp điều khi n ph ơng tiện từ xa ch có ph n hồi hình nh khi v t c n xuất hiện trong vùng mù c a hệ thống cameras nh đư phân tích trong m c 2.2.1

Hình 2.5: V trí l p đặt c m bi n kho ng cách trên ph ơng tiện từ xa

C m bi n đ c l p đặt t i vùng mù c a hai cameras nh hình 2.5, khi đó c m

bi n phát hiện v t c n và đo kho ng cách v t c n dựa trên góc ph n x c a chùm tia

L L/2 L/2

14

Tùy vào kho ng cách c a v t, góc φi (i =1, 2, n) c a tam giác đo s thay đổi

t ơng ng từng giá tr Li trên b thu Từ đó, xác đ nh kho ng cách tới v t c n cần

đo dci dựa theo công th c về hệ th c l ng trong tam giác:

dci + d

dci =

LiLSuy ra:

Trong đó:

dci là dãy kho ng cách v t c n (i =1, 2, n)

L = const là kho ng cách gi a 2 thấu kính

Li là nh ng giá tr t ơng ng với từng góc ph n x c a tia hồng ngo i từ

v t c n về b thu (i =1, 2, n)

d= const là hệ số đo

Khi kho ng cách v t c n xa thì cách đo này không hiệu qu vì φi gi m về không rất nhanh nên các tia ph n x từ nh ng v t c n t p trung t i vùng lân c n c a

m t đi m thu Đ đo đ c kho ng cách v t c n xa ng i ta dùng c m bi n siêu

âm Sóng này truyền đi trong không khí với v n tốc kho ng 343 m/s N u m t c m

bi n phát ra m t sóng và thu về các sóng ph n x đồng th i, đo đ c kho ng th i gian từ lúc phát đi đ n lúc thu về thì ta xác đ nh đ c quưng đ ng mà sóng truyền

di truyền đi trong không gian Quưng đ ng truyền đi c a sóng s bằng 2 lần kho ng cách từ c m bi n đ n v t c n theo h ớng phát c a sóng siêu âm Kho ng cách từ ph ơng tiện đ n v t c n đ c tính b i công th c:

15

2.3ăĐ ng l c h c haptics và đi u khi n ph ngăti n t xa

2.3.1ăKháiăquátăh ăth ngăđi uăkhi n ph ngăti năt ăxa

Hệ thống điều khi n ph ơng tiện từ xa bao gồm hệ thống máy tính và nh ng hệ

cơ khí cho phép con ng i v n hành, di chuy n, c m giác đ c ho t đ ng c a

ph ơng tiện và thực hiện các thao tác điều khi n nh ng đối t ng kho ng cách

xa

Hình 2.7: Sơ đồ hệ thống điều khi n ph ơng tiện từ xa

Nh hình 2.7, khi ng i điều khi n tác d ng lực fm vào thi t b haptics, nó s chuy n đ ng 1 đo n m thì t ơng ng với lực fs và đo n d ch chuy n s c a

ph ơng tiện từ xa

2.3.2ăĐ ng l c h c haptics trongăđi u khi năph ngăti n t xa

Hình 2.8: Mô hình đ ng lực h c c a thi t b ch /nô (Nguồn: Theo Jee Hwan Ryu,

bài 5, phần Teleoperation and haptics)

Master (ch ) Slave (nô)

Kênh truyền thông tin

fm

m

S

fS

16

Đ ng lực h c c a thi t b master và slave đ c bi u di n bằng các ph ơng trình sau:

Master: mm m + bm m = τm + fm (2.4) Salve: ms s+ bs s = τs − fs (2.5)

Trong đó:

m : Đ d ch chuy n master bs: Hệ số gi m xóc slave

s : Đ d ch chuy n slave fm: Lực tác d ng trên master

mm : Hệ số khối l ng master fs: Lực tác d ng trên slave

ms : Hệ số khối l ng slave τm: Lực d ch chuy n master

bm : Hệ số gi m xóc master τs: Lực d ch chuy n slave

Đ ng lực h c t ơng tác gi a môi tr ng với slave đ c tuy n tính hóa nh sau:

b i hệ thống lò xo ậ van điều ti t ậ khối l ng

fop − fm = mop m + bop m + kop m (2.7) Trong đó:

mop : Hệ số khối l ng tác d ng ng i điều khi n

fop : Lực tác đ ng c a ng i điều khi n

bop : Hệ số gi m xóc tác d ng ng i điều khi n

kop : Hệ số c ng tác d ng ng i điều khi n

17

Hình 2.9: Sơ đồ đ ng lực h c haptics trong điều khi n ph ơng tiện từ xa

2.3.3 M iăquanăh ăgi aăđ ngăl căh căhaptics vƠătínăhi uăđi nătử

Chuy n đổi từ tín hiệu môi tr ng b i hệ thống cơ khí thành tín hiệu điện Ta

có th thay th V  F , i 

Từ F = m + b + k Suy ra: V = mdi

dt + bi + k idt0t (2.8) Tham số m, b, k t ơng ng với các tham số điện: m  L, b  R, k  1

C

Hình 2.10: Mô hình chuy n đổi tín hiệu cơ khí thành tín hiệu điện

Ta có hai ph ơng trình theo qui lu t: F = 0 , = 0, t ơng ng với tín hiệu điện cũng theo qui lu t: V = 0 , i = 0

Hệ thống ho t đ ng từ xa có hai đi m liên k t vì v y ta có hai circuit-port nh sau:

18

Hình 2.11: Sơ đồ điều khi n từ xa với hai cổng k t nối (2- port Networt)

Mối liên hệ gi a tín hiệu điện và cơ khí:

- Tốc đ c a cơ cấu master  dòng điện Im

- Tốc đ c a cơ cấu slave −  dòng điện Is

- Lực tác đ ng c a ng i điều khi n fop  điện áp Vop

- Lực tác d ng t i bề mặt master fm  điện áp Vm

- Lực tác d ng t i bề mặt slave fs  điện áp Vs

Quan hệ gi a các lực tác d ng và điện áp đ c miêu t b i m t ma tr n (P) :

Ph ơng trình m ch điện: y = P (u)

Tất c các bi u đồ m ch điện thỏa mưn ph ơng trình sau:

- Thân xe không có sự nghiêng l c trong quá trình chuy n đ ng

- Xe chuy n đ ng trong mặt phẳng t a đ Oxy

tr c d c đối x ng xe β: Góc h p b i tr c d c c a xe với ph ơng ngang

21

Hai bánh xe ch đ ng 1, 2 có tâm B, C t ơng ng đặt trên tr c ngang xe và

đ c điều khi n đ c l p b i hai đ ng cơ điện K, L là hai đi m ti p xúc với mặt

đ ng

Hình 2.14: Mô hình đ ng h c c a bánh xe

r1, r2, α1, α2 là nh ng bán kính và góc quay c a hai bánh xe ch đ ng 1, 2 Vì sự sai lệch kích th ớc gi a hai bánh xe rất nhỏ nên r1 = r2 = r, 1

2 (α1 + α2)= α r, α là bán kính và góc quay c a bánh xe chuy n đổi 1z M t bánh xe dẫn h ớng 3 có tâm

F đặt trên tr c d c đối x ng và đ c liên k t với khung vỏ xe 4 t i đi m D T là

đi m ti p xúc gi a bánh xe với mặt đ ng r3, α3 là bán kính và góc quay c a bánh

xe dẫn h ớng 3 V trí và h ớng di chuy n c a xe đ c xác đ nh b i 7 thông số sau:

xA , yA , ψ, β, α1, α2, α3 Trong quá trình Xe chuy n đ ng s có hai tr ng h p mà

tr ng tâm S đ c thay đổi Tr ng h p m t khi tr ng tâm S nằm phía sau hai bánh

xe 1 và 2 hay bánh xe 3 b kéo (xem Hình 2.15a) Tr ng h p hai khi tr ng tâm S

nằm phía tr ớc hai bánh xe 1 và 2 hay bánh xe 3 b đẩy (xem Hình 2.15b)

Hình 2.15: Mô hình đơn gi n xe ba bánh trong hai tr ng h p kéo (a) và đẩy (b)

(a)

2

S β

22

2.4 2ăĐ ng h c xe ba bánh khi kéo

Gi thuy t xe ba bánh chuy n đ ng trên mặt phẳng Các véc tơ v n tốc c a các

đi m đặc biệt trên xe đ c th hiện trên hình 2.16 Đi m E là tâm quay t c th i c a

xe Đi m G là tâm quay t c th i c a bánh xe dẫn h ớng 3

Hình 2.16: Sơ đồ đ ng h c xe ba bánh khi kéo

xF = xA − l cos − l4 cos( − ψ) , yF = xA − l sin + l4sin( − ψ) (2.12)

Từ (1) và (3), góc h p b i tr c d c đối x ng bánh xe dẫn h ớng 3 với tr c d c đối

23

ψ = l1

4 [ (l cosψ + l4)− vA sinψ] (2.13)

Ph ơng trình đ ng h c c a các đi m B, C và F với v n tốc góc t ơng ng:

Ph ơng trình v n tốc góc bánh xe qui đổi 1z đ c tính b i:

r3sinψ (2.14)

24

2.5 Đ ng l c h c xe ba bánh

Gi thuy t xe là m t chất đi m chuy n đ ng trên mặt phẳng nằm ngang trong

hệ tr c Oxy và có t a đ (x0, y0),[18] Ph ơng trình đ ng lực h c xe đ c xây dựng

dựa trên ph ơng trình đ ng lực h c Lagrange Trong đó, γ là góc nghiêng c a xe

Q là véc tơ lực tổng quát, là hệ số véc tơ Lagrange

JT q là ma tr n chuy n v c a ma tr n đ c liên k t với ma tr n ràng bu c

JT q q = 0 (2.23)

q là véc tơ t a đ tổng quát , q là véc tơ v n tốc t a đ tổng quát

ddt

25

2.5 1ăĐ ng l c h c xe ba bánh khi kéo

V trí và ph ơng xe đ c bi u di n b i véc tơ t a đ tổng quát nh sau:

Ph ơng trình đ ng năng c a xe khi kéo

tính phần chuy n đ ng, h1=l1

r

là tham số kích th ớc chiều cao.

Ph ơng trình th năng c a xe khi kéo

V = m1 + m2 + m4 g sin γ xA − m4gl2sinγ cos + [ m1 + m2 r + m4hs]g cosγ (2.27)

Trong đó: hs là kho ng cách từ tâm đ n mặt phẳng chuy n đ ng c a xe, g là gia tốc

tr ng tr ng

Véc tơ lực kéo tổng quát:

τ =

00(M1 − M2 − N1f1 + N2f2)h1

26

Với N0 =1

2 m1 + m2 + m4 g

Từ các ph ơng trình (16) và (19) thì ph ơng trình (13) Lagrange đ ng lực h c c a

xe khi kéo nh sau:

m4l2 sin + 2m1+ m4 r cos + m4l2 2cos − 2m1 + m4 r sin

+ m1 + m2 + m4 g sin γ = 1

− m4l2 cos + 2m1 + m4 r sin + m4l2 2sin + 2m1 + m4 r cos

= 2 2m1l12 + m4l22 + 2Ix1 + 2Iz1h12 + Iz4 − m4l2r + m4gl2sinγ sin

= (M1 − M2 − N1f1 + N2f2)h1 2m1 + m4 + 2

r2Iz1 r2 + m4l2r 2 + m1 + m2 + m4 gr sin γ cos

= M1 + M2 − N1f1 − N2f2 (2.30) Trong đó: 1, 2 là nh ng hệ số Lagrange

Ph ơng trình th năng c a xe khi đẩy

V = m1 + m2 + m4 g sin γ xA + m4gl2sinγ cos + [ m1 + m2 r + m4hs]g cosγ (2.33)

27

Véc tơ lực đẩy tổng quát:

τ =

00(−M1 + M2 + N1f1 − N2f2)h1

M1 + M2 − N1f1 − N2f2

(2.34)

Trong đó ph n lực N1, N2:

Ph ơng trình (13) Lagrange đ ng lực h c c a xe khi đẩy nh sau:

− m4l2 sin + 2m1 + m4 r cos − m4l2 2cos − 2m1+ m4 r sin

28

2.6 H th ngăđ nh v toàn cầu GPS

2.6.1 Gi i thi u

GPS (vi t t t c a Global Positioning System) là hệ thống đ nh v toàn cầu GPS

là hệ thống xác đ nh v trí c a v t th nh các vệ tinh bay quanh trái đất Đây là hệ

thống dẫn đ ng lý t ng nhất đ c s d ng trên mặt đất cũng nh trên bầu tr i, vì

nó không b nh h ng b i điều kiện th i ti t và không ph thu c vào th i gian Năm 1973, hệ thống dẫn đ ng phòng th bằng vệ tinh đư đ c xây dựng ph c v cho h i quân và không quân Mỹ Vào ngày 01 09 1983 chuy n bay 007 c a hãng hàng không Korean Air Lines đư xâm ph m không ph n c a Liên xô sau khi m t thi t b dẫn đ ng b hỏng và máy bay đư b b n h cùng với tất c 269 hàng khách thiệt m ng H u qu c a v tai n n này khi n tổng thống Mỹ Ronald Reagan đặt hàng quân đ i s n xuất ra hệ thống đ nh v toàn cầu cho m c đích dân sự đ c hoàn thành đ tránh nh ng tai n n t ơng tự (Nguồn: Theo www.vi.wikipedia.org)

Ngày nay GPS đư đ c s d ng r ng rãi cho các ng d ng khác nhau trong các ngành nh xây dựng, nông nghiệp, kh o sát, môi tr ng, thông tin liên l c, ph ơng tiện thông minh, đặc biệt ô tô và máy bay Sự xuất hiện c a công nghệ này đ c xem là m t cu c cách m ng với nền khoa h c kỹ thu t th giới

2.6.2 C u trúc h th ngăđ nh v toàn cầu GPS

Các nhà khoa h c đư tổng h p nh ng cách lý gi i chung nhất về hệ thống GPS Theo đó, có tối thi u 24 vệ tinh GPS bay xung quanh trái đất Mặc dù hiện nay có hơn 35 vệ tinh trong đó có 5 vệ tinh dự phòng Dù bất kỳ nơi đâu trên trái đất cũng có tối thi u 6 vệ tinh trong vùng chúng ta đ ng M i vệ tinh GPS bay xung quanh trái đất m t lần trong 12 gi với v n tốc kho ng 11.000 km/h Vệ tinh GPS có tr ng l ng kho ng 1500 kg, dài kho ng 5 m với các tấm pin năng

l ng mặt tr i công suất 20 ậ 50 W Các máy thu GPS có đ chính xác trung bình trong vòng 15 m Các máy thu mới hơn với kh năng WAAS (Wide Area Augmentation System) có th tăng đ chính xác trung bình tới d ới 3 m Không cần thêm thi t b hay mất phí đ có đ c l i đi m c a WAAS Ng i dùng cũng có th

có đ chính xác tốt hơn với GPS vi sai (Differential GPS, DGPS) s a l i các tín hiệu GPS đ có đ chính xác trong kho ng 3 m đ n 5 m

29

Hình 2.19: Quỹ đ o các vệ tinh (a) và cấu trúc hệ thống đ nh v toàn cầu GPS (b)

(Nguồn: Theo www.khoahoc.com.vn) Cấu trúc hệ thống đ nh v toàn cầu GPS gồm 3 thành phần:

- Thành phần ng i dùng: Ng i s d ng và thi t b thu GPS

- Thành phần điều khi n: Các tr m trung tâm và tr m con trên mặt đất Các

tr m con nh n thông tin từ vệ tinh g i tới cho các tr m trung tâm Sau đó tr m con

g i thông tin đư đ c hiệu ch nh đ các vệ tinh bi t đ c v trí c a chúng trên quỹ

đ o và truyền tín hiệu Nh v y, các vệ tinh cung cấp thông tin chính xác tuyệt đối vào bất kỳ m i th i đi m

- Thành phần không gian: Các vệ tinh ho t đ ng bằng năng l ng mặt tr i và

quỹ đ o gần nh tròn gồm 4 vệ tinh hoặc nhiều hơn Các quỹ đ o có bán kính xấp

x 26.560 km, nghiêng 55 đ và cách nhau tăng dần theo b i số 60 đ Th i gian

ho t đ ng c a chúng kho ng 10 năm M t vệ tinh có th truyền tín hiệu radio nhiều m c tần số khác nhau là b i số c a tần số f0 = 1023 MHz, đ c g i là L1 ( f1

= 1540fo), L2 (f2 = 1200f0)

2.6 3ăĐ nhăv ătuy tăđ iăvƠăđ nhăv ăt ngăđ i

Đ nh v toàn cầu GPS là việc xác đ nh v trí đi m cần đo Tùy thu c vào đặc

đi m c th c a việc xác đ nh t a đ ng i ta chia thành 2 lo i hình đ nh v cơ b n:

đ nh v tuyệt đối và đ nh v t ơng đối

Thành phần

ng i s d ng

Thành phần điều khi n

Thành phần không gian

30

2.6.3 1ăĐ nh v tuy tăđ i

Đây là tr ng h p s d ng máy thu GPS đ xác đ nh t a đ c a đi m quan sát trong hệ t a đ WGS84 T a đ là các thành phần không gian vuông góc (X, Y, Z)

hoặc các thành phần t a đ mặt cầu (B, H, L) Hệ t a đ WGS84 là hệ thống t a đ

cơ s c a GPS Nó đ c thi t l p g n với elipxoid có khích th ớc theo Karaxovski: Bán kính tr c lớn a = 6.378.245 (m), bán kính tr c nhỏ b = 6.356.863 (m), đ dẹt = 1: 289,3

Việc đo t a đ GPS tuyệt đối đ c thự hiên trên cơ s sự d ng đ i l ng đo là kho ng cách từ vệ tinh đ n máy thu theo nguyên t c giao h i c nh không gian từ

đi m đư bi t t a đ là các vệ tinh

N u bi t chính xác kho ng th i gianlan truyền tín hiệu code tự ngẫu nhiên từ vệ tinh đ n máy thu, ta s tính đ c kho ng cách chính xác gi a vệ tinh và máy thu Khi đó 3 kho ng cách đ c xác đ nh đồng th i từ 3 vệ tinh đ n máy thu s cho ta v trí không gian đơn tr c a máy thu Song trên thực t c 3 đồng hồ trên vệ tinh và đồng hồ trên máy thu đều có sai số, nên kho ng cách đo đ c không ph i là kho ng cách chính xác K t qu là chúng không th c t nhau t i m t đi m, nghĩa là không

th xác đ nh v trí máy thu Đ kh c ph c tình tr ng này, cần s d ng thêm m t đ i

l ng n a, đó là kho ng cách từ vệ tinh th 4, ta có hệ ph ơng trình:

Với hệ ph ơng trình 4 ẩn ( , , , ∆t), ta s tìm đ c nghiệm là t a đ tuyệt đối

c a máy thu, ngoài ra còn xác đ nh thêm số hiệu ch nh c a đồng hồ th ch anh c a máy thu

31

2.6 3.2ăĐ nh v t ngăđ i

Đo t a đ GPS t ơng đối là tr ng h p s d ng hai máy thu GPS đặt t i hai

đi m quan sát khác nhau đ xác đ nh ra hiệu t a đ vuông góc không gian (∆X, ∆Y, ∆Z) hay hiệu t a đ mặt cầu (∆B, ∆L, ∆H) gi a chúng trong hệ t a đ WGS84

Nguyên t c đo t a đ GPS t ơng đối đ c thực hiện trên cơ s s d ng đ i

l ng đo là pha sóng t i Đ đ t đ c đ chính xác cao và rất cao cho k t qu xác

đ nh hiệu t a đ gi a hai đi m đang xét, ng i ta đư t o ra và s d ng các sai phân khác nhau cho pha sóng t i nhằm làm gi m nh h ng đ n các nguồn sai số khác nhau nh : sai số c a đồng hồ vệ tinh cũng nh c a máy thu, sai số t a đ vệ tinh, sai số số nguyên đa tr

Ta kí hiệu ∆1j ti là hiệu pha sóng t i từ vệ tinh j đo đ c t i tr m r vào th i

đi m ti, khi đó hai tr m 1 và 2 ta quan sát đồng th i vệ tinh j vào th i đi m ti, ta s

có sai phân b c m t đ c trình bày nh sau:

∆1j ti = (t2 i

j

)− (t1j i) (2.38) trong sai phân này hầu nh không còn nh h ng sai số đồng hồ vệ tinh

N u hai tr m cùng quan sát đồng th i hai vệ tinh j và k vào th i đi m ti, ta có sai phân b c hai:

∆2j,k ti = ∆1k ti − ∆1j ti (2.39) trong sai phân này hầu nh không còn nh h ng sai số c a đồng hồ vệ tinh và máy thu

N u hai tr m cùng quan sát đồng th i hai vệ tinh j và k vào th i đi m ti và ti+1,

ta có sai phân b c ba:

∆3j,k ti = ∆2j,k ti+1 − ∆2j,k ti (2.40)