Thiết kế và xây dựng hệ thống dẫn đường tích hợp INSGPS trên cơ sở linh kiện vi cơ điện tử dùng cho các phương tiện giao thông đường bộ

Tổng quan nghiên cứu về ứng dụng của cảm biến đo vận tốc góc và các biện pháp nâng cao hiệu quả của hệ tích hợp INS/GPS .... DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT AKF Adaptive Kalman filt

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Văn Thắng

THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG TÍCH HỢP INS/GPS TRÊN CƠ SỞ LINH KIỆN VI CƠ ĐIỆN TỬ DÙNG CHO CÁC PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG ĐƯỜNG BỘ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG

Hà Nội – 2017

Chuyên ngành: Kĩ thuật điện tử

Mã số: 62520203

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS Chử Đức Trình

2 PGS TS Trần Đức Tân

Hà Nội – 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Tất cả các số liệu, kết quả nghiên cứu trình bày trong luận án được phản ánh trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu khoa học nào khác

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Văn Thắng

LỜI CẢM ƠN

Luận án Tiến sĩ của tác giả được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của thầy PGS.TS Chử Đức Trình và thầy PGS.TS Trần Đức Tân Bên cạnh những chỉ dẫn, định hướng về mặt khoa học, sự khuyến khích động viên về tinh thần luôn là động lực lớn giúp tác giả thực hiện thành công nghiên cứu của mình Thông qua luận án này, tác giả xin gửi tới các thầy giáo hướng dẫn lòng biết ơn chân thành và cảm ơn sâu sắc

Tác giả xin trân trọng cảm ơn các lãnh đạo Trường Cao đẳng Phát thanh – Truyền hình I đã tạo điều kiện về thời gian và hỗ trợ kinh phí cho tác giả trong suốt quá trình làm nghiên cứu sinh

Tác giả xin chân thành cảm ơn các thày cô giáo trong bộ môn “Các hệ Vi cơ điện tử và Vi hệ thống” và Khoa Điện tử viễn thông trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội về sự giúp đỡ, hợp tác nghiên cứu và động viên tinh thần trong những năm qua

Tác giả xin bày tỏ sự biết ơn tới nhóm nghiên cứu thuộc Viện ITIMS thuộc Đại học Bách khoa Hà Nội, đặc biệt là thầy PGS.TS Vũ Ngọc Hùng về sự hỗ trợ, động viên và hợp tác nghiên cứu

Qua đây, tác giả cũng xin được cảm ơn tới bạn bè, đồng nghiệp và đặc biệt là bạn Đào Đình Thành – Những người luôn chia sẻ và động viên tác giả trong suốt chặng đường khó khăn vừa qua

Từ đáy lòng mình tác giả xin được nói lời cảm ơn tới gia đình bố, mẹ, anh chị

em và đặc biệt là vợ và con gái đã luôn ủng hộ, động viên tinh thần và tạo mọi điều kiện để tác giả có thể thực hiện thành công luận án này

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC CÁC BẢNG xi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ xii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN 6

1.1 Đặt vấn đề 6

1.2 Tổng quan về các cảm biến đo vận tốc góc và hệ tích hợp INS/GPS 7

1.2.1 Tổng quan nghiên cứu về MEMS và các cảm biến dựa trên công nghệ MEMS 7

1.2.2 Tổng quan nghiên cứu về ứng dụng của cảm biến đo vận tốc góc và các biện pháp nâng cao hiệu quả của hệ tích hợp INS/GPS 9

1.3 Định hướng nghiên cứu và tính khả thi của luận án 17

1.3.1 Định hướng nghiên cứu 17

1.3.2 Tính khả thi của luận án 19

Chương 2: HỆ DẪN ĐƯỜNG TÍCH HỢP INS/GPS VÀ CÁC BIỆN PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG 21

2.1 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của INS và GPS 21

2.1.1 Hệ dẫn đường quán tính INS 21

2.1.2 Hệ định vị toàn cầu GPS 23

2.1.3 Sự cần thiết của việc tích hợp INS và GPS 24

2.2 Hệ tích hợp INS/GPS 24

2.2.1 Nguyên lý kết hợp INS/GPS 24

2.2.2 Hệ thống phần cứng tích hợp INS/GPS 35

2.3 Biện pháp nâng cao hiệu quả làm việc của hệ tích hợp dùng Map Matching và thuật toán STA (Street Tracking Algorithm) 37

2.3.2 Thuật toán bám đường (STA) 39

2.3.3 Kết quả và thảo luận 45

2.4 Kết luận 51

Chương 3: CẤU TRÚC CẢM BIẾN ĐO VẬN TỐC GÓC KIỂU VI SAI 52

3.1 Cảm biến đo vận tốc góc và ý tưởng thiết kế cảm biến đo vận tốc góc kiểu vi sai 52

3.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến đo vận tốc góc 52

3.1.2 Ý tưởng thiết kế cảm biến đo vận tốc góc kiểu vi sai 55

3.2 Phần mềm thiết kế và mô phỏng cảm biến đo vận tốc góc 60

3.3 Hiệu ứng tĩnh điện và hệ tụ răng lược 62

3.3.1 Lực tĩnh điện (lực Coulomb) 62

3.3.2 Tụ điện 63

3.3.3 Lực tiếp tuyến và lực pháp tuyến 64

3.3.4 Ứng dụng hiệu ứng tĩnh điện cho bộ kích thích kiểu răng lược 66

3.4 Cấu trúc cảm biến đo vận tốc góc 68

3.5 Cấu trúc cảm biến đo vận tốc góc kiểu vi sai (cảm biến đo vận tốc góc kiểu Tuning Fork có hệ dầm treo vi sai) 72

3.5.1 Hệ dầm treo vi sai 72

3.5.2 Thiết kế cảm biến đo vận tốc góc kiểu Tuning Fork có hệ dầm treo vi sai

73

3.6 Kết quả và thảo luận 76

3.7 Kết luận 94

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 95

Kết luận 95

Kiến nghị về công việc nghiên cứu tiếp theo của đề tài 96

DANH MỤC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 97

TÀILIỆUTHAMKHẢO 98

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

AKF Adaptive Kalman filter – Bộ Lọc Kalman thích nghi

FEM Finite element method - Phương pháp phần tử hữu hạn

GPS Global positioning system - Hệ định vị toàn cầu

Gyroscope Con quay hồi chuyển/ Cảm biến đo vận tốc góc

IMU Inertial measurement unit - Khối đo lường quán tính

INS Inertial navigation system - Hệ dẫn đường quán tính

INS/GPS Hệ tích hợp INS và GPS

KF Kalman filter - Bộ lọc Kalman

LUT Look up table - Bảng tra

MEMS Microelectromechanical Systems - Các hệ vi cơ điện tử

STA Street Tracking Algorithm - Thuật toán bám đường

TFG Tuning Fork Gyroscope - Cảm biến đo vận tốc góc kiểu Tuning

PIMU Vị trí do IMU cung cấp

VIMU Vận tốc do IMU cung cấp

AIMU Tư thế do IMU cung cấp

xk Véc tơ trạng thái rời rạc (tại thời điểm k)

ωk-1 Nhiễu trắng quá trình

̂ Ước lượng của véc tơ trạng thái

Pk Ma trận hiệp phương sai

   Vĩ độ, kinh độ và góc phương vị (trong hệ tọa độ tâm trái đất)

V x,y,z Các vận tốc trong hệ tọa độ cố định tâm trái đất

D

E

N V V

V , , Các vận tốc trong hệ tọa độ định vị

x(t) Véc tơ trạng thái lỗi

uT acc(t),uT g o(t) Nhiễu của cảm biến gia tốc và nhiễu cảm biến vận tốc

xt Véc tơ trạng thái liên tục (tại thời điểm t)

zt Véc tơ đo lường liên tục (tại thời điểm t)

v v Các vận tốc ước lượng của INS trong hệ tọa độ định vị

PSTA N ,PSTA E Các vị trí do thuật toán STA xác định

N

STA

V ,VSTA E Các vận tốc do thuật toán STA xác định

q1, q2 Điện tích của các hạt mang điện

r Khoảng cách giữa hai hạt điện tích

k Hằng số tĩnh điện, k = 9.109 (Nm2/C2)

ε0 Độ điện thẩm chân không, ε0 = 8,854.10-12 F/m

ε Hằng số điện môi (của không khí ε = 1)

A0 Phần diện tích chồng lên nhau

d0 Khoảng cách giữa hai bản cực

E Năng lượng điện trường sinh ra giữa hai bản cực

V Hiệu điện thế giữa hai bản cực

Ft Lực tiếp tuyến giữa hai bản cực

Fn Lực pháp tuyến giữa hai bản cực

md Khối lượng khung kích thích của gyroscope

ms Khối lượng khung cảm ứng của gyroscope

Kd Độ cứng của hệ dầm treo theo phương kích thích (trục x) của

gyroscope

Ks Độ cứng của hệ dầm treo theo phương cảm ứng (trục y) của

gyroscope

φ Độ lệch pha giữa hai tín hiệu kích thích

φ1 Độ lệch pha rung cơ học giữa hai khung kích thích

KdTFG Độ cứng của hệ dầm treo theo phương kích thích (trục x) của

Tuning Fork Gyroscope

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3 1: Các tham số thiết kế trong cấu trúc cảm biến vận tốc góc đề xuất 71Bảng 3 2 Kết quả phân tích tần số dao động riêng liên quan đến phương kích thích của cảm biến đo vận tốc góc 71Bảng 3 3 Các tham số thiết kế của lò xo/dầm treo liên kết hình quả trám 73Bảng 3 4 Kết quả phân tích tần số dao động riêng liên quan đến phương kích thích của 3 cấu trúc 85Bảng 3 5 Mối quan hệ giữa φ và φ1 (độ) 88

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Con quay cơ học cổ điển 10

Hình 1.2 Con quay cơ học dùng trong hàng hải 10

Hình 1.3 Con quay sợi quang học 13

Hình 1.4 Con quay Laze vòng 13

Hình 1.5 Cấu trúc hệ tích hợp INS/GPS và vị trí đóng góp mới của luận án 19

Hình 2 1 Cấu trúc của khối IMU 22

Hình 2 2 Hệ thống định toàn cầu GPS 23

Hình 2 3 Phương thức kết hợp lỏng (loosely coupled) 25

Hình 2 4 Phương thức kết hợp chặt (tightly coupled) 25

Hình 2 5 Phương thức kết hợp chặt phát triển (Ultra-tightly coupled) 25

Hình 2 6 Kỹ thuật điều chỉnh lỗi trong hệ tích hợp INS/GPS 27

Hình 2 7 Sơ đồ tính toán của bộ lọc Kalman 29

Hình 2 8 Sơ đồ tích hợp INS/GPS với bộ lọc Kalman thích nghi và LUT đề xuất 30 Hình 2 9 Thuật toán dẫn đường quán tính (a) 32

Hình 2 10 Thuật toán dẫn đường quán tính (b) 33

Hình 2 11 Khối IMU được chế tạo bởi công nghệ vi cơ điện tử 35

Hình 2 12 Thiết bị thu GPS HI-204E 36

Hình 2 13 Cấu hình phần cứng của hệ tích hợp INS/GPS 37

Hình 2 14 Hệ thống tích hợp đề xuất với thuật toán STA 39

Hình 2 15 Một phần quỹ đạo xác định bằng GPS và bằng các điểm tham chiếu từ bản đồ số 41

Hình 2 16 Thuyết minh về thuật toán Street Tracking Algorithm (STA) 41

Hình 2 17 Lưu đồ thực thi thuật toán STA 45

Hình 2 18 Bản đồ và quỹ đạo thực nghiệm tại hiện trường 46

Hình 2 19 Chất lượng định vị của hệ thống INS/GPS khi có STA so sánh với quỹ đạo chuẩn 47

Hình 2 20 Vận tốc theo hướng Đông của hệ INS/GPS khi có và không có STA 48

Hình 2 21 Vận tốc theo hướng Bắc của hệ INS/GPS khi có và không có STA 48

Hình 2 22 Góc hướng của hệ INS/GPS khi có và không có STA 50

Hình 3 1 Cảm biến đo vận tốc góc một khối gia trọng 53

Hình 3 2 Cảm biến đo vận tốc góc rung thực tế 53

Hình 3 3 Cảm biến đo vận tốc góc hai khối gia trọng (TFG) 54

Hình 3 4 Sơ đồ khối mạch khuếch đại vi sai điện tử với nguồn dòng không đổi 56

Hình 3 5 Một dạng mạch khuếch đại vi sai điện tử có nguồn dòng không đổi 57

Hình 3 6 Cấu trúc khối của cảm biến đo vận tốc tốc góc kiểu Tuning Fork rung với hai khối gia trọng treo kiểu vi sai 59

Hình 3 7 Tụ điện với hai bản cực song song 63

Hình 3 8 Lực tiếp tuyến và pháp tuyến giữa hai bản cực 64

Hình 3 9 Sơ đồ tính lực tiếp tuyến và pháp tuyến 64

Hình 3 10 Bộ kích thích kiểu răng lược 67

Hình 3 11 Mô hình tính toán bộ kích thích răng lược 67

Hình 3 12 Cảm biến đo vận tốc góc dùng công nghệ MEMS đề xuất 69

Hình 3 13 Sơ đồ kích thích dao động kiểu một cực điện dung trong cảm biến đo vận tốc góc công nghệ MEMS [6] 69

Hình 3 14 Cấu trúc dầm treo vi sai 72

Hình 3 15 Cảm biến đo vận tốc góc kiểu Tuning Fork có hệ dầm treo vi sai 74

Hình 3 16 Một số mode dao động của cảm biến đo vận tốc góc: Mode kích thích (a); các mode khác (b-d) 78

Hình 3 17 Một số mode dao động của cấu trúc TFG 1: Mode kích thích (a); các mode khác (b-d) 81

Hình 3 18 Một số mode dao động của cấu trúc TFG 2: Mode kích thích (a); các mode khác (b-d) 83

Hình 3 19 Một số mode dao động của cấu trúc TFG 3: Mode kích thích (a); các mode khác (b-d) 85

Hình 3 20 Tần số cộng hưởng theo phương kích thích của cấu trúc 1 86 Hình 3 21 Biên dạng dịch chuyển của TFG 1 tại hai thời điểm khác nhau 88 Hình 3 22 Mối quan hệ giữa độ lệch pha rung cơ học của hai khung kích thích và

độ lệch pha điện của hai tín hiệu kích thích 89 Hình 3 23 Độ dịch chuyển của khung kích thích trong TFG đề xuất 90 Hình 3 24 Độ dịch chuyển cơ học của khung cảm ứng (b) khi có vận tốc góc hình sin (a) 91 Hình 3 25 Độ dịch chuyển cơ học của khung cảm ứng (b) khi có vận tốc góc hình tam giác (a) 92 Hình 3 26 Độ dịch chuyển cơ học của khung cảm ứng (b) khi có vận tốc góc hình thang (a) 93

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Trong những năm gần đây, nhu cầu về định vị và dẫn đường của con người ngày càng tăng Ngoài những ứng dụng trong cuộc sống đời thường như theo dõi lộ trình và dẫn đường cho xe ô tô, tàu thuyền trên biển, tìm kiếm cứu nạn, chống trộm cho thuê xe tự lái, theo dõi và định vị các nhân viên bán và giao hàng Các hệ thống định vị, dẫn đường còn được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực quân sự, điều hành bay, do thám… Một trong những hệ thống định vị được sử dụng rộng rãi nhất là hệ định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) Hệ thống GPS thu thập thông tin

về tọa độ (vĩ độ và kinh độ), độ cao và tốc độ của các vật thể [17] Trong quá trình làm việc, sai số của GPS có thể do một số nguyên nhân sau [4]:

 Đồng hồ vệ tinh

 Dữ liệu Ephemeris

 Trễ ở tầng đối lưu

 Trễ ở tầng điện ly

 Nhiễu đa đường

 Máy thu (bao gồm cả phần mềm)

Đó là những nguyên nhân gây nên sai số khi GPS làm việc trong môi trường thuận lợi, điều kiện thời tiết tốt Ngoài ra, khi GPS hoạt động trong điều kiện thời tiết xấu, làm việc tại các khu vực đông dân cư có nhiều nhà cao tầng, cây cao, đi dưới các cầu vượt, đường hầm thì sẽ làm giảm thậm chí mất khả năng định vị Chính vì vậy, để tăng hiệu quả làm việc của GPS thì cần phải kết hợp với một hệ định vị, dẫn đường khác có khả năng hoạt động độc lập mà không phụ thuộc vào các yếu tố trên

Trong khi đó hệ dẫn đường quán tính INS (Inertial Navigation System) có khả năng hoạt động tự trị, có độ chính xác cao trong khoảng thời gian ngắn và có tốc độ cập nhật cao Về mặt cấu tạo thì INS gồm một khối đo lường quán tính IMU (Inertial Measurement Unit) và thuật toán dẫn đường Trong đó, IMU lại gồm các

cảm biến đo vận tốc góc và các cảm biến đo gia tốc Cũng giống như các hệ thống khác, INS cũng có những sai số nhất định Xét tổng thể có thể thấy những sai số của INS là do chất lượng của thiết bị INS và thuật toán dẫn đường gây ra Khi đã bỏ qua các sai số đó thì INS còn có một số sai số khác nhưng chủ yếu do các cảm biến quán tính gây nên [68] và được liệt kê như sau:

Lỗi vị trí của cảm biến khi lắp đặt Góc nghiêng, góc chúc và góc hướng

Hiện tượng lệch và trôi của cảm

biến đo vận tốc góc (do sự ảnh

hưởng của nhiệt độ)

Vật thể không di chuyển nhưng vẫn có vận tốc góc không đổi

Độ lệch của cảm biến gia tốc Đầu ra của cảm biến gia tốc sẽ bị lệch đi một

giá trị không đổi Giá trị này lại thay đổi mỗi khi tắt/bật thiết bị

Nhiễu ngẫu nhiên Lỗi ngẫu nhiên trong đo lường

Do vậy, INS cũng cần phải kết hợp với một hệ thống khác để nâng cao hiệu quả làm việc khi hoạt động trong khoảng thời gian dài Một trong những giải pháp được coi là tối ưu nhất là sự kết hợp giữa GPS và hệ dẫn đường quán tính INS để tạo ra hệ tích hợp INS/GPS

Tuy nhiên, ngay cả khi kết hợp chúng với nhau đặc biệt là đối với các hệ tích hợp thương mại vẫn tồn tại sai số khi hoạt động

Với những lý do trên nên vẫn đã, đang, và tiếp tục đòi hỏi những nghiên cứu mới nhằm nâng cao chất lượng, hiệu quả làm việc của chúng Rất nhiều các nghiên cứu trong và ngoài nước đã thành công và được ứng dụng trong thực tế Tuy vậy, mỗi nghiên cứu đều dừng lại ở một mức độ thành công nhất định Với mong muốn nâng cao chất lượng làm việc cho hệ định vị tích hợp INS/GPS thương mại nên tác giả đã chọn đề tài “Thiết kế và xây dựng hệ thống dẫn đường tích hợp INS/GPS trên

cơ sở linh kiện vi cơ điện tử dùng cho các phương tiện giao thông đường bộ” cho luận án tiến sĩ của mình

Đối tượng nghiên cứu

Hệ thống định vị toàn cầu GPS, hệ dẫn đường quán tính INS

Hệ tích hợp phần cứng INS/GPS thương mại và các biện pháp nâng cao chất lượng làm việc

Các cảm biến đo vận tốc góc (Gyroscopes) trong khối đo lường quán tính IMU

Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu, tìm ra các thuật toán mới kết hợp với dữ liệu trong bản đồ số để nâng cao chất lượng định vị và dẫn đường của hệ tích hợp INS/GPS thương mại Đưa ra một cấu trúc mới về cảm biến đo vận tốc góc kiểu Tuning Fork (TFG) dựa trên công nghệ MEMS TFG có cấu trúc treo kiểu vi sai, hoạt động dựa trên hiệu ứng điện dung Nguyên lý hoạt động của cấu trúc này được so sánh có sự tương đồng với nguyên lý hoạt động của một mạch khuếch đại vi sai điện tử dùng hai Transistor và một nguồn dòng không đổi

Phạm vi nghiên cứu

Các loại cảm biến đo vận tốc góc dựa trên công nghệ MEMS và các phần mềm thiết kế và mô phỏng chúng

Hiệu ứng tĩnh điện và hệ tụ răng lược

Cấu tạo, nguyên lý hoạt động, các ưu nhược điểm và ứng dụng của hệ thống định vị toàn cầu GPS, hệ đo lường quán tính INS

Ưu nhược điểm của hệ tích hợp INS/GPS và những biện pháp nâng cao chất lượng

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp nghiên cứu, tính toán lý thuyết

và thiết kế, mô phỏng bằng phần mềm Comsol Multiphysics (đối với nội dung liên quan đến cảm biến đo vận tốc góc) và mô phỏng trên dữ liệu thực nghiệm - dữ liệu

offline (đối với nội dung liên quan đến nâng cao hệ tích hợp INS/GPS bằng thuật toán kết hợp với bản đồ số)

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Nghiên cứu một cách có hệ thống về hệ tích hợp INS/GPS thương mại, qua đó tìm ra các biện pháp nâng cao chất lượng, hiệu quả làm việc của hệ tích hợp đó Vì vậy:

Về ý nghĩa khoa học của luận án: Đưa ra thuật toán mới có thể kết hợp với bản

đồ số để ứng dụng vào hệ định vị và dẫn đường INS/GPS Ngoài ra còn thiết kế được một cấu trúc mới về cảm biến đo vận tốc góc kiểu Tuning Fork (tạo ra một cấu trúc linh kiện về cảm biến vận tốc góc)

Về ý nghĩa thực tiễn: Căn cứ vào những kết quả nghiên cứu và mô phỏng có thể tạo ra sản phẩm thực tế là một linh kiện cảm biến đo vận tốc góc kiểu Tuning Fork (TFG) Đồng thời, có thể đưa vào ứng dụng thực tế một hệ định vị tích hợp INS/GPS thương mại làm việc hiệu quả hơn bằng thuật toán vừa được nghiên cứu

Những kết quả mới của luận án

Với đề tài “Thiết kế và xây dựng hệ thống dẫn đường tích hợp INS/GPS trên

cơ sở linh kiện vi cơ điện tử dùng cho các phương tiện giao thông đường bộ”, tác

giả của luận án đưa ra hai đóng góp mới: Một là, đề xuất một thuật toán mới với tên

gọi “Thuật toán bám đường STA – Street Tracking Algirthm” kết hợp với bản đồ số

để nâng cao chất lượng định vị và dẫn đường của hệ tích hợp INS/GPS thương mại

Hai là, thiết kế và mô phỏng thành công một cảm biến đo vận tốc góc mới – Cảm

biến đo vận tốc góc kiểu vi sai Thiết kế có hệ dầm treo/lò xo liên kết hình quả trám giữa hai cảm biến hoạt động dựa trên hiệu ứng điện dung Cảm biến mới này có nguyên lý hoạt động được so sánh có sự tương đồng với nguyên lý hoạt động của một mạch khuếch đại vi sai điện tử, vì vậy có khả năng bù lệch pha cho hai tín hiệu kích thích/kích hoạt đầu vào đến một giá trị nhất định, đồng thời giảm ảnh hưởng đáng kể các tín hiệu/nhiễu đồng pha và khuếch đại tín hiệu ngược pha

Cấu trúc của luận án

Luận án được trình bày trong ba chương, cụ thể như sau:

Chương 1 trình bày tổng quan nghiên cứu về các cảm biến đo vận tốc góc và hệ

tích hợp INS/GPS Nội dung đã đề cập đến sự ra đời và phát triển của công nghệ MEMS, các nghiên cứu và ứng dụng của công nghệ này trong các cảm biến đo vận tốc góc Đồng thời đưa ra những nghiên cứu về sự tích hợp INS và GPS, các biện pháp cải tiến chất lượng làm việc của chúng

Chương 2 đánh giá ưu nhược điểm của INS, GSP và lý do phải kết hợp chúng với

nhau Đồng thời, đưa ra phương thức tích hợp INS/GPS với bộ lọc Kalman và thuật toán dẫn đường Sau đó, đưa thuật toán mới STA và bản đồ số vào dữ liệu thực nghiệm tại hiện trường để nhận xét, đánh giá chất lượng

Chương 3 trình bày ý tưởng thiết kế, cơ sở thiết kế và thực hiện mô phỏng cảm

biến vận tốc góc kiểu Tuning Fork có hệ dầm treo vi sai Xuất phát từ nguyên lý hoạt động của mạch khuếch đại vi sai điện tử đã dẫn đến ý tưởng nghiên cứu về một cảm biến cơ học nhưng có nguyên lý tương đồng Những nội dung cơ bản nhất về phần mềm dùng để mô phỏng cùng với lý thuyết về hiệu ứng tĩnh điện, hệ tụ răng lược - tiền đề cho thiết kế cảm biến đo vận tốc góc hoạt động dựa trên hiệu ứng điện dung đã được trình bày Các thiết kế về cảm biến đo vận tốc góc và TFG; kết quả

mô phỏng, tổng hợp, đánh giá hiệu quả và tính ưu việt của TFG đề xuất đã được thực hiện

Kết luận và kiến nghị là phần kết luận chung về những đóng góp mới của luận án

đồng thời đưa ra hướng nghiên cứu tiếp theo của luận án

Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề

Những năm gần đây là khoảng thời gian mà con người sử dụng công nghệ định vị và dẫn đường phổ biến nhất Đây là một nhu cầu hết sức thiết yếu và đặc biệt với các ứng dụng thương mại: Ứng dụng định vị, dẫn đường trong điện thoại thông minh, các loại xe ô tô, tìm kiếm cứu nạn, lũ lụt, theo dõi và cứu hộ khẩn cấp cho con người và các phương tiện đi lại… Bên cạnh đó, các hệ thống định vị và dẫn đường còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như thăm dò địa chất, theo dõi

và điều khiển bay cho các phương tiện trên không (máy bay, tàu thăm dò địa chất, thám hiểm, thiết bị không người lái), định vị và dẫn đường cho các phương tiện di chuyển bằng đường hàng hải (tàu ngầm, tàu vận chuyển hàng hóa, tàu khai thác cá trên biển)… Để giải quyết được các nhu cầu đó có thể sử dụng một trong các hệ định vị và dẫn đường: Hệ thống dẫn đường vô tuyến (Loran, Omega và Tacan), hệ thống dẫn đường vệ tinh (GPS, GLONASS, Transit, JTIDS, DME…) và hệ định vị quán tính (INS) hoặc kết hợp chúng với nhau Trong các phương thức kết hợp thì việc kết hợp INS và GPS để tạo ra hệ tích hợp INS/GPS được coi là lý tưởng nhất với lý do: GPS hoạt động ổn định và có độ chính xác cao khi làm việc trong điều kiện môi trường thuận lợi (quan sát được ít nhất 3 vệ tinh đối với các phương tiện định vị trên mặt đất và quan sát được ít nhất 4 vệ tinh đối với các vật chuyển động trong không gian) Tuy nhiên, khi GPS làm việc trong điều kiện không thuận lợi như thời tiết xấu, di chuyển vào các khu vực bị che chắn như đường hầm, trong khu vực có nhiều nhà cao tầng, đi dưới các cầu vượt và khu vực có nhiều cây cao rậm rạp… sẽ làm giảm tầm quan sát của GPS tới các vệ tinh dẫn đến tín hiệu định vị bị yếu thậm trí là mất thông tin định vị Bên cạnh đó, hệ định vị quán tính (INS) có ưu điểm nổi trội là có khả năng hoạt động tự trị trong bất kỳ điều kiện nào, có tốc độ cập nhật thông tin cao (1/64 giây trong khi tốc độ cập nhật của GPS là 1 giây) Tuy nhiên, INS có một nhược điểm lớn đó là khi làm việc trong khoảng thời gian dài thì sai số định vị và dẫn đường sẽ tăng do hiện tượng tích lũy sai số trong các cảm biến

Xét về mặt chất lượng làm việc, các hệ định vị và dẫn đường đơn lẻ hay các hệ tích hợp như hệ tích hợp INS/GPS đều có sai số nhất định và đặc biệt là các hệ được thương mại hóa Vì vậy, cần có các giải pháp nâng cao chất lượng, hiệu quả làm việc của chúng mà không làm tăng giá thành của sản phẩm Chính vì vậy vẫn cần có các nghiên cứu để hiện thực hóa điều đó Có nhiều giải pháp để thực hiện như tìm ra các thuật toán thông minh, hiệu quả cho việc tích hợp hai hệ thống (bộ lọc Kalman, Kalman thích nghi…); nâng cao thuật toán dẫn đường (thuật toán Map matching); căn chỉnh để giảm lỗi ngay khi hệ thống bắt đầu làm việc; hay nâng cao chất lượng INS mà cụ thể là các cảm biến và sự kết hợp chúng với nhau Về mặt cấu tạo, INS gồm một khối đo lường quán tính (IMU) và một thuật toán dẫn đường Trong đó, IMU được cấu tạo bởi các cảm biến và thông thường là 3 cảm biến đo gia tốc (Accelermeter) và 3 cảm biến đo vận tốc góc (Gyroscope)

Để nâng cao chất lượng làm việc của hệ tích hợp INS/GPS thương mại, luận

án tập trung vào nghiên cứu và thực hiện hai giải pháp cụ thể Giải pháp thứ nhất là tìm ra thuật toán mới kết hợp với bản đồ số giúp cho hệ tích hợp INS và GPS làm việc hiệu quả hơn và giảm được các sai số mà các hệ tích hợp INS/GPS thông thường mắc phải (cải tiến về hệ thống) Giải pháp thứ hai là nâng cao chất lượng của INS bằng cách tạo ra một cảm biến đo vận tốc góc kiểu vi sai có khả năng bù lệch pha cho hai tín hiệu kích thích đầu vào (cải tiến về linh kiện của hệ thống) Trước khi thực hiện các giải pháp nghiên cứu mà luận án đặt ra, tác giả xin đưa ra tổng quan nghiên cứu về những lĩnh vực này ở trong và ngoài nước trong phần tiếp theo của luận án

1.2 Tổng quan về các cảm biến đo vận tốc góc và hệ tích hợp INS/GPS

1.2.1 Tổng quan nghiên cứu về MEMS và các cảm biến dựa trên công nghệ MEMS

MEMS được viết tắt của cụm từ Microelectromechanical Systems - Các hệ vi

cơ điện tử, là các hệ có sự kết hợp của các thành phần có chức năng hoạt động dưới dạng điện và cơ với nhau ở kích thước cỡ mirco mét (µm) Các linh kiện MEMS ra đời vào năm 1954 khi Charles Smith tìm ra hiệu ứng áp điện trở ở các vật liệu bán

dẫn Silicon (Si) và Germanium (Ge) Ý tưởng chế tạo các linh kiện và thiết bị có kích thước nhỏ được Richard P.Feymann đề xuất vào cuối năm 1959 Kể từ đó công nghệ này đã phát triển rất mạnh mẽ

Công nghệ MEMS ra đời là khởi nguồn của các vi cảm biến và các bộ kích thích/chấp hành làm nhiệm vụ nhận biết môi trường và sự thay đổi trong môi trường

đó [55] Vì kích thước nhỏ gọn nên MEMS cần tới nguồn cung cấp cỡ µv và các khối vi xử lý tín hiệu [30] Các hệ vi cơ điện tử làm cho hệ thống làm việc với tốc

độ nhanh hơn, giá thành rẻ hơn, độ tin cậy cao hơn và có khả năng tích hợp được nhiều tính năng phức tạp hơn [24] Vào những năm 1990, MEMS đã xuất hiện cùng với sự phát triển của quá trình sản xuất mạch tích hợp (IC) Sự thúc đẩy mạnh mẽ của các chính phủ và các ngành công nghiệp đã tạo điều kiện cho sự bùng nổ các nghiên cứu về MEMS Bên cạnh những thiết bị MEMS tích hợp đơn giản như các gia tốc kế/cảm biến gia tốc, đầu máy in phun mực được thương mại hóa thì các thiết bị MEMS phức tạp hơn cũng đã được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống con người như không gian vũ trụ, các phân tích y sinh, truyền thông không dây, lưu trữ dữ liệu v.v

Đến cuối những năm 1990, hầu hết các bộ cảm biến MEMS trong đó có các cảm biến đo vận tốc góc và cảm biến gia tốc đã được chế tạo bằng các phương pháp: vi cơ khối (bulk micromachining), vi cơ bề mặt (surface micromachining), và LIGA (Lithgraphie Galvanofruning und Abformung): khắc hình, mạ điện và làm khuôn [27] Ngoài ra, còn áp dụng các quy trình vi chế tạo 3 chiều căn cứ vào từng yêu cầu cụ thể như tạo ra các thiết bị y sinh và các bộ vi kích thích/chấp hành có nguồn điện áp đầu ra cao hơn

Trong các hệ vi cơ điện tử, các cảm biến gia tốc và cảm biến vận tốc góc chiếm một tỉ lệ phần trăm đáng kể trong số các cảm biến làm bằng Silicon Cảm biến gia tốc có số lượng bán ra cao thứ hai sau cảm biến áp lực (pressure sensor) [69]và chủ yếu được ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô [78], ứng dụng y sinh [37], điện tử gia đình [80], rô bốt, phân tích rung, hệ định vị [73] v.v

1.2.2 Tổng quan nghiên cứu về ứng dụng của cảm biến đo vận tốc góc và các biện pháp nâng cao hiệu quả của hệ tích hợp INS/GPS

Thuật ngữ Gyroscope (còn gọi là con quay hồi chuyển hay con quay cơ học cổ điển và sau này được gọi là cảm biến đo vận tốc góc) lần đầu tiên được đưa ra bởi nhà khoa học người Pháp, Leon Foucault Khi đó, Foucault đã áp dụng định luật chuyển động quay của cảm biến đo vận tốc góc để giải thích chuyển động quay của trái đất vào năm 1852 [83]

Về mặt phân loại thì con quay hồi chuyển dùng trong đo đạc, điều khiển thông thường được chia thành 3 nhóm chính:

- Con quay có trọng vật quay tròn (spinning mass gyroscope) hay con quay cơ học thông thường

- Con quay quang học (optical gyroscope): Con quay laser vòng; Con quay sợi quang học

- Con quay dao động (vibrating gyroscope): Con quay dao động dựa trên công nghệ vi cơ điện tử (MEMS gyroscope); Con quay dao động hoạt động dựa trên hiện tượng áp điện hoặc áp trở

Dưới đây là một số công trình nghiên cứu có liên quan đến các con quay này: Con quay hồi chuyển đã ra đời và được trình bày trong Hình 1.1 Khi cảm biến

đo vận tốc góc bị quay quanh trục của nó với tốc độ cao nó sẽ chống lại chuyển động theo các hướng cố định và luôn giữ độ ổn định cân bằng ở vị trí ban đầu Hoạt động của cảm biến đo vận tốc góc dựa trên lý thuyết của vật quay tức là khi vật quay bị nghiêng vuông góc với hướng quay thì nó sẽ sinh ra một chuyển động tuế sai hay còn gọi là chuyển động tiến động Chuyển động này giữ cho thiết bị luôn có hướng thẳng đứng, do vậy góc liên quan đến bề mặt tham chiếu có thể đo được (vận tốc góc) Vì vậy, có thể nói rằng thiết bị này là công cụ dùng để đo đạc và duy trì phương hướng dựa trên nguyên tắc bảo toàn mô men động lượng Các cảm biến đo

vận tốc góc đa trục sẽ cung cấp các giá trị đo theo hai hoặc ba hướng vuông góc.

Hình 1.1 Con quay cơ học cổ điển 1

Do tính bảo toàn mô men động lượng của đĩa quay trong quá trình chuyển động, con quay cơ học cổ điển đã được ứng dụng để tạo ra các thiết bị định hướng

và dẫn đường trong lĩnh vực hàng hải Những thiết bị dẫn hướng đầu tiên đã có mặt trên những con tàu biển lớn từ năm 1911 trên cơ sở các phát minh của nhà bác học

Mỹ, Elmer Sperry, như được minh họa ở Hình 1.2

Hình 1.2 Con quay cơ học dùng trong hàng hải 2

Năm 1920, công cụ này đã được ứng dụng vào trong các hệ thống dẫn lái của các loại bom ngư lôi và đến năm 1930 thì được ứng dụng vào làm các bộ dẫn hướng cho hệ thống tên lửa và đạn đạo [91]

1

https://www.britannica.com/technology/gyroscope

Sự ra đời của MEMS là tiền đề cho việc tạo ra các cảm biến đo vận tốc góc (Gyroscope) và các cảm biến đo gia tốc (Accelerometer) kích thước cỡ nm và µm

Vì thế đã dẫn đến các nghiên cứu về cảm biến đo vận tốc góc kiểu Tuning Fork (Tuning Fork Gyroscope - TFG) Hiện nay, TFG đã được sử dụng khá phổ biến trong thực tế [14],[40],[53],[92] Trong nhiều ứng dụng, chất lượng và hoạt động của cảm biến đo vận tốc góc và TFG bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi các điều kiện môi trường như nhiệt độ, áp suất, rung động xung quanh như được trình bày trong các nghiên cứu [50],[72],[89] Ngoài ra, độ cứng của các cảm biến và các dầm cũng

có ảnh hướng lớn tới hoạt động và chất lượng làm việc của chúng [6]

Tất cả các cảm biến đo vận tốc góc dao động/rung vi cơ có thể được chia thành hai loại: Loại I và loại II như được trình bày trong tài liệu tham khảo [13] Nguyên lý hoạt động của chúng dựa vào hiệu ứng Coriolis Lực Coriolis sinh ra khi khối gia trọng kích thích (Drive proof-mass) dao động theo phương kích thích

(drive axis) đồng thời bị quay với một vận tốc góc ω Khi đó lực Coriolis sẽ làm

cho khối gia trọng cảm ứng (Sense proof-mass) dao động theo phương cảm ứng (sense axis) Tức là ở đây có sự chuyển dịch năng lượng giữa hai chế độ/phương thức (mode) dao động rung của cảm biến đo vận tốc góc Nội dung nghiên cứu trong tài liệu tham khảo [28] trình bày một thiết kế mới về cảm biến đo vận tốc góc dựa trên công nghệ MEMS, thiết kế này có thể cải tiến được các giá trị đo góc Nội dung trong tài liệu tham khảo [42]đã đề cập đến việc nâng cao chất lượng, hiệu quả làm việc hoặc giảm giá thành sản xuất cảm biến đo vận tốc góc Bên cạnh đó, cũng

có một số cấu trúc cảm biến đo vận tốc góc công nghệ MEMS tối ưu khác có dạng hình tròn hoặc dạng hình đĩa được thiết kế để đạt được độ chính xác cao hơn đã được nghiên cứu thành công [44],[52] Một phân tích chi tiết về nguyên nhân sinh

ra lỗi do quá trình rung cơ học gây ra đã được trình bày trong tài liệu [72] để từ đó đánh giá được mức độ ảnh hưởng của rung cơ học tới các TFG lý tưởng Phân tích chỉ ra 3 nguyên nhân chính gây lỗi đó là: Điện dung phi tuyến ở điện cực cảm ứng, các lực tĩnh điện phi đối xứng theo hướng cảm ứng tại các điện cực kích thích và các lực tĩnh điện phi đối xứng theo hướng kích thích tại các điện cực cảm ứng Tài

liệu tham khảo [7]sử dụng các chốt khử ghép đối xứng cùng sự đồng bộ hóa và các cấu trúc ghép kiểu cảm ứng (sense-mode) Cấu trúc ghép cơ học dạng đòn bẩy làm cho hai khối gia trọng chuyển động theo phương kích thích ngược pha, đối song song với nhau và loại bỏ được các dao động không mong muốn có tần số thấp hơn Đồng thời, cũng dẫn đến chuyển động theo phương cảm ứng của hai khối gia trọng ngược pha, tuyến tính, cân bằng động lượng và mô men xoắn Điều này đã làm giảm sự tiêu hao năng lượng thông qua các hệ số phẩm chất cực cao của đế đàn hồi Khác với những thiết kế đã đề cập ở trên, thiết kế mới đưa ra trong tài liệu tham khảo [9] là một cảm biến đo vận tốc góc gồm có 4 khối gia trọng cân bằng động, đối xứng hoàn toàn có tần số làm việc là 2,2Khz Thiết kế này đạt được hệ số phẩm chất thực tế Q = 0,9×106 cho cả hai mode dao động (drive-mode and sense-mode) Điểm quan trọng nhất của thiết kế có 4 khối gia trọng này là cho phép kết hợp tốt các mode dao động với nhau nhờ sự kết hợp độc đáo giữa sự tiêu hao năng lượng thấp, tính đẳng hướng của tần số cộng hưởng và giảm chấn Một nghiên cứu về TFG trục kép vi cơ có thể giảm tối đa chuyển động theo phương ngang không mong muốn của các khối gia trọng và đảm bảo mode của hai khung dao động cộng hưởng

và ngược pha nhau [75]

Ngoài con quay chế tạo bằng công nghệ vi cơ điện tử (MEMS), một số công nghệ chế tạo mới cũng phát triển không ngừng ví dụ như các loại con quay quang học làm việc dựa vào hiện tượng giao thoa ánh sáng Trong số đó, các con quay quang học được chế tạo dựa trên hiệu ứng Sagnac là phổ biến nhất Công cụ này đã được sử dụng thay thế cho các con quay cơ học trong các ứng dụng dẫn hướng trong các ngành công nghiệp, hàng không vũ trụ Các con quay quang học có ưu điểm vượt trội là độ ổn định cao (sai số < 0,0010/h) và dải động học của cảm biến đạt đến cỡ 106

[63] Có hai loại cấu hình được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng dân sự và quân sự, một loại dựa trên nguyên lý giao thoa ánh sáng trong các sợi dẫn quang như được chỉ ra ở Hình 1.3 và loại thứ hai sử dụng ánh sáng Laze vòng như được minh họa ở Hình 1.4

Hình 1.3 Con quay sợi quang học

Hình 1.4 Con quay Laze vòng 3

Trên đây là một số nghiên cứu về sự ra đời và ứng dụng của cảm biến đo vận tốc góc từ năm 1852

Về mặt cấu tạo thì cảm biến đo vận tốc góc chỉ là một trong các cảm biến tạo thành hệ định vị quán tính INS Bên cạnh đó còn có những phân tích về ưu nhược điểm của hệ định vị INS, GPS và những thuận lợi về việc kết hợp chúng với nhau Tuy nhiên, ngay cả khi tích hợp chúng vẫn có những nhược điểm nhất định Chính

vì thế các nghiên cứu trong và ngoài nước vẫn tiếp tục được triển khai để tìm cách hạn chế những nhược điểm này, cụ thể:

Trong nghiên cứu [22] đưa ra những phân tích chất lượng của hệ định vị tích hợp INS/GPS thời gian thực Nghiên cứu đã đánh giá và đưa ra giải pháp nâng cao

3 https://www.britannica.com/technology/gyroscope

chất lượng cho hệ thống này bằng cách loại bỏ những thông tin đo bất thường của GPS Có nghiên cứu lại đưa ra giải pháp dùng lọc Kalman khi kết hợp hai hệ thống riêng lẻ để tạo ra hệ tích hợp làm việc hiệu quả hơn [48] Trong nghiên cứu [81], nhóm tác giả xác định lỗi tất định và lỗi ngẫu nhiên gây ra bởi các MEMS IMU bằng phương pháp biến PSD và Allan Sau đó đưa chúng vào mô hình nhiễu đáng tin cậy trong khối lọc Kalman để tiến hành loại bỏ Mục tiêu nghiên cứu trong tài liệu tham khảo [61]là đi trả lời cho câu hỏi: Kết hợp INS và GPS thế nào? Lợi ích của việc tích hợp này là gì? Khái niệm định vị của tương lai trong thực tế là gì? Thông qua câu trả lời này để đưa ra phương pháp dẫn đường mới

Kết quả nghiên cứu trình bày trong tài liệu tham khảo [31] chứng minh rằng chất lượng của hệ INS/GPS được cải thiện đáng kể nhờ phương pháp tỉ lệ xử lý

thích nghi dựa vào hiệp phương sai Tuy nhiên, phân bố tối ưu của nhiễu đối với

từng nguồn nhiễu độc lập lại không thể dùng các phương pháp hệ số tỉ lệ Hai thuật toán lọc Kalman thích nghi đã được đề xuất trong tài liệu tham khảo [38] Thuật toán đầu tiên áp dụng đơn giản chỉ như một hệ số tỉ lệ trong ma trận hiệp phương sai dự đoán trước và thuật toán còn lại là để ước lượng trực tiếp hệ số phương sai Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng cả hai thuật toán thích nghi đều tốt hơn bộ lọc Kalman truyền thống Đặc biệt, trong khoảng thời gian phương tiện chuyển động thay đổi thao tác vận hành dọc theo đường đi thì khả năng định vị cũng tốt hơn và tuy nhiên thì việc thực hiện trong bộ lọc ước lượng phương sai lại phức tạp hơn so với ma trận hiệp phương sai đã được dự đoán trước Trong tài liệu tham khảo [10], các tác giả đã đưa ra ba giải pháp dựa trên các nguyên lý dung hợp/khớp hiệp phương sai của bộ lọc Kalman thích nghi và được thực hiện trong hệ tích hợp GPS/ INS với kiểu kết hợp lỏng (loose GPS/INS) với ma trận R và Q thích nghi Các kết quả cho thấy chất lượng của các phương pháp lọc Kalman thích nghi trong các kịch bản khác nhau đều cao hơn so với bộ lọc Kalman truyền thống Gần đây, một bộ lọc Kalman thích nghi cao đã được đề xuất để thực hiện việc tích hợp INS và GPS [65] Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã đề xuất một thuật toán lọc Kalman cải tiến dựa trên những khiếm khuyết, hạn chế của thuật toán lọc Kalman tiêu chuẩn Thuật

toán mới này kết hợp để đưa thuyết ước lượng thích nghi vào thuật toán lọc Nhược điểm chung của bộ lọc này là việc thực hiện khá phức tạp và khó có thể áp dụng vào các ứng dụng thời gian thực

Bên cạnh những nghiên cứu, giải pháp kể trên thì các nghiên cứu về thuật toán khớp bản đồ (Map Matching) đã được thực hiện để nâng cao chất lượng làm việc cho các hệ thống định vị và dẫn đường Map Matching (MM) được hiểu là các thuật toán, các phương pháp xác định con đường nào mà ô tô đang chạy thông qua việc

sử dụng dữ liệu từ bản đồ và các cảm biến Hầu hết các cảm biến đều có GPS vì thiết bị này có mặt ở khắp mọi nơi Trong nhiều năm gần đây MM đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống định vị trên xe ô tô vì các hệ thống này phải xác định xem ở thời điểm bất kỳ xe ô tô đang đi qua con đường nào, đang ở vị trí nào trên đó

MM đang trở nên cấp thiết khi mà ô tô được sử dụng như các bộ cảm biến giao thông để đo tốc độ xe đường trường và xây dựng các mô hình thống kê về sự cản trở giao thông Nói cách khác, các mô hình này có thể được sử dụng để tìm và lựa chọn các tuyến đường tối ưu nhất nhằm tiết kiệm thời gian, tránh tắc đường, tai nạn giao thông Dữ liệu trong các bộ cảm biến giao thông đang được sử dụng trong các động cơ định tuyến thương mại của Microsoft [16], Inrix [41] Map matching còn được nghiên cứu để đưa vào các ứng dụng như dự đoán đường [47] Nghiên cứu trình bày trong tài liệu tham khảo [57] đã đưa ra một thuật toán MM mới dựa trên

mô hình Hidden Markov có khả tìm ra con đường thích hợp nhất Thuật toán MM dựa trên luật logic mờ dùng cho phương tiện đường bộ được trình bày trong tài liệu [66] Ngoài ra, còn rất nhiều các nghiên cứu khác về MM đã được các nhà nghiên cứu trên thế giới thực hiện thành công như trong các tài liệu tham khảo [15],[18],[19],[20],[21],[51] Trong bài báo [88] hệ thống tích hợp có thể đạt tới độ chính xác 10 cm tuy nhiên đòi hỏi phần cứng ngoài IMU, GPS, bản đồ còn phải sử dụng thêm camera Hơn thế nữa, hiệu năng bộ xử lý cũng phải đáp ứng được yêu cầu xử lý dữ liệu đồng thời từ nhiều nguồn (trong đó có cả hình ảnh) Trong bài báo [11] các tác giả cũng đề xuất được hệ thống đạt độ chính xác cao cần sử dụng thêm camera và chip xử lý hiệu năng cao

Có thể thấy rằng hiện nay nhu cầu định vị các phương tiện chuyển động vẫn đang rất sôi động và thu hút sự quan tâm của nhiều nhóm nghiên cứu [23], [32], [70], [74], [77], [90]

Trên đây là một số công trình nghiên cứu trên thế giới có liên quan đến cảm biến đo vận tốc góc và hệ tích hợp INS/GPS Tuy nhiên, tình hình nghiên cứu trong nước chỉ được quan tâm nhiều trong một thập kỷ gần đây: Viện Tên lửa là một trong những tổ chức đã tiên phong trong lĩnh vực nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu của viện đã đưa ra đề tài “Nghiên cứu tích hợp hệ thống dẫn đường quán tính trên

cơ sở cảm biến vi cơ điện tử phục vụ điều khiển dẫn đường các phương tiện chuyển động” [5] Nghiên cứu sử dụng thuật toán Salychev để xử lý thông tin do cảm biến

đo vận tốc góc và cảm biến gia tốc cung cấp, sử dụng bộ lọc Kalman 15 trạng thái trong sơ đồ tích hợp hai hệ riêng lẻ INS và GPS với cả hai kỹ thuật điều chỉnh vòng kín và điều chỉnh vòng hở Tài liệu tham khảo [3], nhóm tác giả đã giới thiệu các phương pháp dẫn đường truyền thống, khái niệm cơ bản của hệ thống dẫn đường quán tính có đế (Gimbal INS) và không đế (Strapdown INS) Nghiên cứu đưa ra và đánh giá ưu nhược điểm của từng hệ định vị và dẫn đường, từ đó khẳng định rằng

sự kết hợp giữa hệ dẫn đường quán tính INS và hệ định vị toàn cầu là lý tưởng nhất Với phương pháp giả lập một tín hiệu cảm biến để xây dựng một quỹ đạo định trước, mô hình mô phỏng đã kiểm tra tính chính xác của thuật toán dẫn đường Nghiên cứu được trình bày trong tài liệu tham khảo [2] đã đưa ra phương pháp nâng cao chất lượng hệ dẫn đường cho thiết bị bay trên cơ sở xử lý thông tin kết hợp INS/GPS/Baro sử dụng một bộ lọc Kalman 16 trạng thái theo phương thức kết hợp lỏng Tác giả đã lựa chọn, xây dựng và thiết kế mạng Nơron để duy trì sai số kênh quan sát làm đầu vào cho bộ lọc Kalman trong trường hợp tín hiệu GPS bị mất Một giải pháp mới tích hợp hệ thống GPS/INS dựa trên nguyên tắc điều khiển phân tán

đã được đưa ra trong tài liệu tham khảo [1] Nghiên cứu đã cải tiến và ứng dụng thành công phương pháp xử lý chống trôi các phần tử của ma trận quay cho INS công nghệ MEMS 9 bậc tự do Bên cạnh đó, tác giả cũng xây dựng thành công bộ lọc Unscented Kalman Filter với hai chế độ hoạt động riêng biệt ở các tần số lấy

mẫu khác nhau, tự động chuyển đổi theo đặc điểm của tín hiệu đầu vào và để kết hợp INS với GPS Kết quả cho thấy: Giá trị biến thiên lớn nhất đối với góc nghiêng

là 4o, đối với góc hướng và góc ngẩng là 6o; Đồng thời, quỹ đạo chuyển động của vật thể xác định được đúng với quỹ đạo thực tế

Trong số những nghiên cứu về cảm biến đo vận tốc góc kiểu Tuning Fork chưa có nghiên cứu nào đưa ra và chứng minh được cấu trúc mà bản thân nó có khả năng tự loại bỏ hoặc hạn chế nhiễu đồng pha và bù lệch pha cho hai tín hiệu kích thích đầu vào Bên cạnh đó các nghiên cứu về hệ tích hợp INS/GPS cũng đã đưa ra nhiều giải pháp nhằm nâng cao chất lượng Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu đề cập đến việc sử dụng các thuật toán đơn giản để cải thiện chất lượng hệ định vị thương mại khi mất tín hiệu GPS mà không làm tăng giá thành của sản phẩm

Trên đây là những cơ sở để nghiên cứu sinh tiến hành định hướng nghiên cứu

và đưa ra tên đề tài “Thiết kế và xây dựng hệ thống dẫn đường tích hợp INS/GPS trên cơ sở linh kiện vi cơ điện tử dùng cho các phương tiện giao thông đường bộ”

1.3 Định hướng nghiên cứu và tính khả thi của luận án

1.3.1 Định hướng nghiên cứu

Với tên đề tài đã lựa chọn, luận án xây dựng một hệ dẫn đường tích hợp dựa trên một hệ định vị INS/GPS thương mại Từ đó tìm cách cải thiện chất lượng khi mất tín hiệu GPS Nghiên cứu sinh đã đưa ra hai giải pháp để thực hiện điều đó, cụ thể như sau:

Thứ nhất là tìm ra thuật toán mới với tên gọi “Thuật toán bám đường” STA

(Street Tracking Algorithm) kết hợp với bản đồ số để hỗ trợ cho hệ tích hợp INS/GPS làm việc Thuật toán này nâng cao độ chính xác của hệ tích hợp INS/GPS khi hệ thống làm việc trong điều kiện mất tín hiệu GPS Khi đó, thuật toán STA sẽ

sử dụng các thông tin về độ tăng vận tốc của IMU cung cấp kết hợp với dữ liệu trong bản đồ số để xác định quãng đường đi được của phương tiện ở từng thời điểm

và do đó xác định được vị trí của phương tiện Vì những vị trí xác định này là những điểm nằm trên quỹ đạo chuyển động nên không bị xác định sai như trường hợp INS tự xác định Điều này đã khắc phục được nhược điểm lớn nhất của INS là

bị trôi điểm làm việc do hiện tượng tích lũy lỗi của các cảm biến và sự kết hợp giữa chúng Ngoài ra, những thông tin phản hồi về vị trí còn căn chỉnh, giảm lỗi cả vận tốc và góc hướng trong INS

Thứ hai là nâng cao chất lượng của cảm biến đo vận tốc góc trong INS, cụ thể

là đưa ra thiết kế, mô phỏng một cảm biến đo vận tốc góc kiểu Tuning Fork (TFG) hoạt động dựa trên hiệu ứng điện dung sử dụng công nghệ vi cơ điện tử (cảm biến

đo vận tốc góc kiểu vi sai) TFG đề xuất này có hệ dầm treo liên kết hình quả trám giúp cho TFG có nguyên lý hoạt động được so sánh có sự tương đồng với nguyên lý hoạt động của một mạch khuếch đại vi sai điện tử dùng 2 Transistor BJT và một nguồn dòng không đổi Vì vậy TFG đề xuất có khả năng loại bỏ nhiễu đồng pha, khuếch đại đáng kể tín hiệu ngược pha và đặc biệt là có khả năng bù lệch pha cho hai tín hiệu kích thích/kích hoạt đầu vào

Hai giải pháp trên cũng đồng thời là hai đóng góp chính của luận án Hình 1.5 trình bày cấu trúc hệ tích hợp INS/GPS và vị trí hai đóng góp mới của luận án Về mặt cấu trúc thì hệ tích hợp được tạo nên từ hai hệ riêng lẻ: Hệ dẫn đường quán tính INS và hệ định vị toàn cầu GPS Tuy nhiên, để kết hợp được hai hệ này cần sử dụng bộ xử lý định vị, các thuật toán hỗ trợ…Việc nghiên cứu tìm ra thuật toán STA (đóng góp thứ nhất) là nhằm hỗ trợ trực tiếp cho hệ tích hợp INS/GPS làm việc hiệu quả hơn Bên cạnh đó, hệ INS lại được tạo nên bởi khối đo lường quán tính IMU và thuật toán dẫn đường quán tính Trong đó, khối IMU được hình thành

từ các cảm biến đo gia tốc (Accelerometers) và các cảm biến đo vận tốc góc (Gyrocopes) Do đó, đóng góp thứ 2 là tạo ra một cảm biến đo vận tốc góc kiểu vi sai có thể trực tiếp nâng cao chất lượng của hệ dẫn đường quán tính INS Điều này gián tiếp làm nâng cao chất lượng làm việc của hệ tích hợp INS/GPS

Hình 1.5 Cấu trúc hệ tích hợp INS/GPS và vị trí đóng góp mới của luận án

1.3.2 Tính khả thi của luận án

Thông qua những định hướng nghiên cứu của luận án, tác giả thấy rằng chưa

có nghiên cứu nào trong và ngoài nước đề cập đến các vấn đề đó, vì vậy có thể khẳng định rằng đây là những vấn đề có tính mới và cơ sở để tin tưởng có thể thành công cả hai nội dung nghiên cứu là:

Với nội dung nghiên cứu thứ nhất (tương ứng với giải pháp thứ nhất) thì bên cạnh tài liệu phục vụ cho nghiên cứu phong phú, Bộ môn MEMS và Khoa Điện tử - Viễn thông, trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội đã có nhiều đề tài nghiên cứu thành công trên phương diện lý thuyết và cũng đã xây dựng được các

hệ phần cứng, triển khai chạy thực nghiệm thành công tại hiện trường

Với nội dung nghiên cứu thứ hai (tương ứng với giải pháp thứ hai) thì bộ môn MEMS của trường Đại học Công nghệ đã và đang có nhiều nghiên cứu thành công trong lĩnh vực này, ngoài ra còn phối hợp chặt chẽ với nhóm nghiên cứu thuộc Viện tên lửa, nhóm ITIMS thuộc Đại học Bách Khoa Hà Nội - Một trung tâm nghiên cứu

đã có nhiều thành công trong việc thiết kế, chế tạo cảm biến đo vận tốc góc kiểu

Tuning Fork Hiện tại các thiết kế mô phỏng mà ITIMS đang sử dụng là phần mềm ANSYS Ngoài ra, tài liệu phục vụ cho nghiên cứu theo hướng này rất phong phú

* Mục tiêu của luận án là tạo ra một hệ tích hợp INS/GPS dùng cho các phương tiện giao thông đường bộ có chất lượng cao, giá thành hợp lý nên đã cải tiến một hệ tích hợp INS/GPS thương mại có sẵn Luận án trình bày hai giải pháp để cải tiến nâng cao chất lượng hệ định vị đó, cụ thể:

- Sử dụng thuật toán bám đường STA kết hợp với bản đồ số để trực tiếp đưa vào hệ tích hợp Kết quả nghiên cứu được trình bày trong Chương 2 của luận án

- Cải tiến chất lượng hệ dẫn đường quán tính INS trong hệ tích hợp thông qua việc cải tiến chất lượng của cảm biến đo vận tốc góc (INS = Thuật toán dẫn đường + IMU (IMU = các cảm biến đo vận tốc góc + các cảm biến đo gia tốc)) Kết quả nghiên cứu liên quan đến phần này được trình bày trong Chương 3

Các chương tiếp theo lần lượt trình các nội dung nghiên cứu trên

Chương 2: HỆ DẪN ĐƯỜNG TÍCH HỢP INS/GPS VÀ CÁC BIỆN PHÁP

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG

Nội dung trong chương này trình bày tổng quan về hệ dẫn đường quán tính INS, hệ định vị toàn cầu GPS và những lý do phải kết hợp chúng với nhau Khi kết hợp có nhiều phương thức khác nhau Tuy nhiên, mỗi phương thức kết hợp đều chỉ

ra được những ưu, nhược điểm riêng Hệ tích hợp INS/GPS thông thường hay sử dụng phương thức kết hợp lỏng và bộ lọc Kalman truyền thống cho thấy chất lượng định vị, dẫn đường còn tồn tại sai số khá lớn “Thuật toán bám đường STA” đề xuất cùng với bản đồ số đã được đưa vào để nâng cao chất lượng, hiệu quả làm việc của

hệ dẫn đường tích hợp khi mất tín hiệu GPS hoặc tín hiệu GPS không đáng tin cậy Các kết quả thực nghiệm đã chứng minh được sự đơn giản và tính hiệu quả của thuật toán Nội dung này cũng chính là một trong hai đóng góp chính của luận án và được trình bày như sau:

2.1 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của INS và GPS

2.1.1 Hệ dẫn đường quán tính INS

Cấu tạo của INS gồm khối đo lường quán tính IMU và thuật toán dẫn đường Trong đó, IMU được sử dụng rộng rãi như là một lõi của hệ dẫn đường quán tính INS [87] Vì vậy, hoạt động của INS dựa chủ yếu vào IMU

IMU thời kì đầu sử dụng những cảm biến quán tính hoạt động theo nguyên tắc

cơ khí Những cảm biến cơ khí này thường có kích thước lớn, hoạt động kém hiệu quả, giá thành cao và tiêu thụ nhiều năng lượng [67] Ngày nay, cùng với sự tiến bộ của khoa học công nghệ, đặc biệt là sự ra đời của những loại vật liệu mới và công nghệ chế tạo tiên tiến cho phép tạo ra các cảm biến vi cơ có kích thước rất nhỏ (cỡ

µm thậm chí là nm) hoạt động hiệu quả, tiêu thụ ít năng lượng và đặc biệt là giá thành hạ [8],[29],[43] Điều này là tiền đề và là điều kiện tốt cho các ứng dụng khác nhau trong đời sống con người

Một khối vi cơ IMU được cấu tạo từ các cảm biến vi cơ, thường là 3 cảm biến gia tốc và 3 cảm biến vận tốc góc, hoặc cũng có thể là 1 cảm biến gia tốc 3 chiều kết hợp với 3 cảm biến vận tốc góc Các cảm biến vi cơ kết cấu hỗ trợ với nhau theo kiểu không đế (Hình 2 1a) hoặc theo kiểu có đế ổn định (Hình 2 1b), từ đó có thể xác định được 3 thành phần chuyển động quay và tịnh tiến của vật thể

Sự khác nhau cơ bản trong hai kiểu cấu trúc này đó là: Với kiểu có đế ổn định thì các cảm biến không bị thay đổi hướng theo đối tượng chuyển động do được thiết

kế có các vòng nổi và trốt linh hoạt nối giữa các vòng để khi phương tiện được gắn IMU thay đổi tư thế thì các vòng nổi sẽ chuyển động còn hệ cảm biến trong cùng vẫn đứng yên nhờ cơ chế thăng bằng Còn trong kiểu không đế thì các cảm biến được gắn chặt với đối tượng chuyển động, do đó sẽ bị thay đổi trạng thái chuyển động theo vật chuyển động đó Trên thực tế khối IMU có cấu trúc kiểu không đế được sử dụng rộng rãi hơn bởi cấu trúc này đơn giản và có giá thành chế tạo thấp với độ chính xác có thể chấp nhận được

Hình 2 1 Cấu trúc của khối IMU

Sau khi kết hợp các cảm biến vi cơ riêng lẻ thành một cấu trúc tổng thể thì thường tạo ra sai số Sai số mắc phải trong việc sử dụng các cảm biến vi cơ này ở 2 cấp độ: Cấp độ cảm biến và cấp độ chuỗi cảm biến Ở cấp độ cảm biến là sai số của

từng cảm biến cấu tạo nên khối IMU, còn ở cấp độ chuỗi cảm biến là sai số tổ hợp của chuỗi cảm biến khi kết hợp với nhau

2.1.2 Hệ định vị toàn cầu GPS

GPS là hệ thống định vị toàn cầu được xây dựng bởi bộ quốc phòng Mỹ Ban đầu chỉ được sử dụng cho các mục đích quân sự Cho đến những năm 1980 GPS được mở rộng cho cả mục đích dân sự

GPS bao gồm 3 thành phần chính: Phần không gian bao gồm các vệ tinh, phần điều khiển là các trạm mặt đất, và thành phần người sử dụng gồm có người sử dụng

và bộ thu tín hiệu GPS Thành phần không gian gồm tổng cộng 27 vệ tinh, 24 vệ tinh hoạt động thường trực và 3 vệ tinh hoạt động dự phòng Các vệ tinh chuyển

động trên “qũy đạo trái đất” ở độ cao khoảng 19200 km (xem hình Hình 2 2) Hệ

thống gồm 24 vệ tinh phát sóng bao trùm toàn bộ bề mặt của trái đất, và tại bất kỳ một điểm nào trên bề mặt trái đất luôn cần tối thiểu 3 vệ tinh phát đến còn tại bất kỳ điểm nào trong không gian luôn cần tối thiểu 4 vệ tinh phát đến để xác định được vị trí Các vệ tinh hoạt động bằng nguồn điện thu được từ năng lượng mặt trời và được trang bị đồng hồ nguyên tử có độ chính xác đến nano giây Mỗi vệ tinh bay quanh trái đất 2 vòng một ngày, và có tên lửa để điều chỉnh quỹ đạo

Hình 2 2 Hệ thống định toàn cầu GPS

Thành phần điều khiển có nhiệm vụ dõi theo các vệ tinh và cung cấp thông tin chính xác về quỹ đạo và thời gian Có tất cả 5 trạm điều khiển trên toàn thế giới

Trong đó, 4 trạm đóng vai trò là trạm giám sát tự động và trạm còn lại là trạm chủ Các trạm giám sát tự động sẽ đều đặn nhận dữ liệu từ các vệ tinh và sau đó gửi thông tin tới trạm chủ Sau đó trạm chủ hiệu chỉnh các thông tin rồi cùng với 2 hệ thống dàn ăngten gửi trả lại thông tin cho các vệ tinh Thành phần người sử dụng đơn giản chỉ là người sử dụng cùng với bộ thu nhận tín hiệu GPS Người sử dụng GPS ở đây rất đa dạng và phong phú bao gồm: dân thường, thuỷ thủ đoàn, các nhà thám hiểm, các nhà du hành vũ trụ, tàu con thoi, các tàu thám hiểm không người lái, máy bay, khách du lịch, quân đội…

2.1.3 Sự cần thiết của việc tích hợp INS và GPS

Theo những phân tích trong phần đặt vấn đề của Chương 1, hệ thống dẫn đường quán tính INS có ưu điểm nổi trội so với các hệ thống dẫn đường khác là khả năng hoạt động tự trị với độ chính xác cao trong những khoảng thời gian ngắn Lỗi lớn nhất của hệ thống INS là do các cảm biến quán tính gây ra Hệ định vị GPS có nhược điểm là khi hoạt động trong điều kiện thời tiết xấu, tín hiệu bị che chắn nhiều

và bị phản xạ, khúc xạ thì sẽ không thể thu được tín hiệu hoặc tín hiệu thu được có chất lượng kém dẫn đến độ chính xác không cao Chính vì thế, trong những ứng dụng thời gian dài thì hệ dẫn đường INS thường sử dụng kết hợp với các hệ thống

hỗ trợ khác như hệ thống dẫn đường vô tuyến (Loran, Omega và Tacan), hệ thống dẫn đường vệ tinh (GPS, GLONASS và Transit), DME…Các hệ thống này hoạt động ổn định theo thời gian và vì thế cần tích hợp với hệ thống INS Sự kết hợp giữa INS và GPS được cho là lý tưởng nhất vì hai hệ thống có khả năng khắc phục

đa số những nhược điểm của nhau tạo nên một hệ thống định vị và dẫn đường mang tính ổn định và độ chính xác cao hơn

2.2 Hệ tích hợp INS/GPS

2.2.1 Nguyên lý kết hợp INS/GPS

2.2.1.1 Các phương thức kết hợp và kỹ thuật điều chỉnh lỗi

Để kết hợp INS và GPS thành một hệ tích hợp có thể sử dụng một số phương thức cơ bản như được chỉ ra trong Hình 2 3, Hình 2 4 và Hình 2 5 [79]

Hình 2 3 Phương thức kết hợp lỏng (loosely coupled)

Hình 2 4 Phương thức kết hợp chặt (tightly coupled)

Hình 2 5 Phương thức kết hợp chặt phát triển (Ultra-tightly coupled)