Nghiên cứu phát triển hệ thống định vị vô tuyến trong nhà sử dụng anten điều khiển búp sóng

TR B GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO NGĐ IH CBÁCHKHOAHÀN I BÙI TH DUYÊN NGHIÊN C U PHÁT TRI N H TH NG Đ NH V VÔ TUY N TRONG NHÀ S D NG ANTEN ĐI U KHI N BÚP SÓNG LU NÁNTI NSƾK THU TĐI UKHI NVÀT Hà N i ậ 2020 Đ NGHÓA TR B GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO NGĐ IH CBÁCHKHOAHÀN I BÙI TH DUYÊN NGHIÊN C U PHÁT TRI N H TH NG Đ NH V VÔ TUY N TRONG NHÀ S D NG ANTEN ĐI U KHI N BÚP SÓNG Ngành: K thu t u n t đ ng hóa Mã s : 9520216 LU NÁNTIẾNSĨK CÁN B THU TĐI UKHI NVÀT Đ NGHÓA HƯ NG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUY N QU C CƯỜNG Hà N i ậ 2020 L I CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằ ng cá c k ế t qu khoa học đ ợc t rì nh bày l u ận án thành qu nghi ên c u c a b n t hân t ôi su ố t t h i gian l nghiên c u si nh Cá c kết qu trình bày lu ận án trung thực ch a đ ợc tác gikhác cơng bố Các thơng tin trích dẫn luận án trung thực, đ ợc rõ ngu ồn gốc Hà N ội, ngày 28 tháng 01năm 2020 Ng i h ớng dẫn khoa học PGS.TS Nguy n Qu c C Tác gi luận án ng Bùi Th Duyên i L ICM N Đầu tiên, xin gửi l i c m ơn sâu sắc nh t đến PGS.TS Nguyễn Quốc C ng, TS Lê Minh Thùyđư dành nhiều th i gian, tâm huy ết để trực tiếp h ớng dẫn, định h ớng, tạo động lực nghiên c u h ỗ trợ nghiên c u sinh mặt để hồn thành lu ận án Tơi xin chân thành c m ơn ban lưnh đạo đồng nghiệp thuộc Khoa Kỹ thuật điều khiển T ự động hóa, Tr ng Đại học Điện lực đư tạo điều kiện thuận lợi cho trình học tập, nghiên c u Xin trân tr ọng c m ơn Bộ môn K ỹ thuật đo Tin học cơng nghi ệp, Viện Điện, Phịng Đào tạo, thuộc tr ng Đại học Bách khoa Hà Nội giúp đỡ mặt chuyên môn h ỗ trợ th tục q trình học tập, hồn thành lu ận án Xin trân tr ọng c m ơn Bộ môn Thông tin vô ến, khoa Điện tử Viễn thông, tr ng Đại học Công ngh ệ, Đại học Quốc gia Hà N ội TS Phan H ồng Ph ơng, phịng thí nghi ệm IMEP-LAHC, Đại học Grenoble, Phápluôn giúp đỡ đo kiểm mẫu anten mạch điện tử cho luận án Qua đây, xin gửi l i c m ơn chân thành đến thành viên nhóm nghiên c u thuộc phòng Lab – RF3I, Viện Điện, bạn bè đồng nghiệp đư quan tâm giúp đỡ, động viên th i gian vừa qua Cuối cùng, xin g ửi tình c m yêu quý nh t đến thành viên gia đình, ng i động viên, hỗ trợ v ề mặt để tơi hồn thành lu ận án ii M CLC L I CAM ĐOAN i L I C M N ii M C L C iii DANH M C CÁC CH VI T T T vi DANH M C CÁC KÝ HI U TOÁN H C viii DANH M C CÁC HÌNH V Ẽ ix DANH M C CÁC B NG BI U xii M Đ U 1 Tính c p thi t c a đ tài Nh ng v n đ t n t i vƠ h ng nghiên ứcu c a lu n án 3 M c tiêu, đ i t ng ph m vi nghiên ứcu ụ nghĩa khoa h c c a đ tài Nh ng đóng góp c a lu n án C u trúc nội dung c a lu n án T NG QUAN V H TH NG Đ NH V VÔ TUY N TRONG NHÀ S D NG ANTEN ĐI U KHI N BÚP SÓNG 10 1.1 T ng quan v h th ng đ nh v vô n nhà 10 Hệ thống định vị vô ến sử dụng anten truyền thống 10 Hệ thống định vị vô ến sử dụng anten điều khiển búp sóng 14 Kết luận 15 1.2 Các cu hình đ nh v 17 C u hình tự định vị 17 C u hình định vị từ xa 18 1.3 S đ kh i chức c a h th ng đ nh v 18 Đối t ợng 19 Khối đo tham số vị trí 19 Thuật toán xác định vị trí đối t ợng 20 Hiển thị vị trí 21 1.4 Các kỹ thu t đ nh v 21 Tham số vị trí 22 Ph ơng pháp định vị 26 1.5 Anten vƠ anten u n búp sóng h th ng đ nh v vô n .39 iii Anten anten m ng Anten điều khiển búp sóng hệ thống định vị vơ ến 39 41 1.6 K t lu n ch ng 46 H TH NGĐ NHV VÔTUY N BA TR M TRONG NHÀ 47 2.1 Gi i thi u ch ng 47 2.2 Gi i pháp anten u n búp sóng m ng pha d i qu t hẹp 48 Gi i pháp thiết kế anten phần tử l ỡng cực mạch d i 48 Thiết kế dịch pha vi d i sử dụng ma trận Butler 56 Kết qu anten điều khiển búp sóng m ng pha d i quạt hẹp 62 2.3 Thực nghi m h th ng đ nh v ba tr m s d ng anten u n búp sóng d i qu t hẹp C u hình ho ạt động c a hệ thống Thử nghiệm ph ơng pháp định vị Kết luận đánh giá hệ thống 2.4 K t lu n ch ng 70 70 73 79 81 H TH NGĐNHV VÔTUY N TRONG NHÀ Đ N TR M S D NG ANTEN ĐI U KHI N BÚP SÓNG 83 3.1 Gi i thi u ch ng 83 Hệ định vị đơn trạm sử dụng AĐKBS m ng pha 83 Hệ định vị đơn trạm sử dụng AĐKBS chuyển búp 84 3.2 Gi i pháp thit k anten u n búp sóng m ng pha d i qu t rộng 85 3.3 Gi i pháp thit k anten u n búp sóng chuy n búp phân c ực tròn 87 Anten phân c ực tròn s dụng kỹ thuật quay 88 Thiết kế anten điều khiển búp sóng chuyển búp phân cực trịn 95 3.4 Thực nghi m h th ng đ nh v đ n tr m tích h p anten u n búp sóng m ng pha d i qu t rộng 97 C u hình ho ạt động c a hệ thống 97 Thử nghiệm ph ơng pháp định vị 98 Kết luận đánh giá hệ thống 102 3.5 Thực nghi m h th ng đ n tr m tích h p anten u n búp sóng chuy n búp phân cực trịn C u hình hệ thống Ph ơng pháp định vị d u vân tay Kết luận đánh giá hệ thống 105 105 109 117 iv 3.6 K t lu n ch ng 118 K T LU N CHUNG C A LU N ÁN 120 DANH M C CÁC CỌNG TRỊNH ĐÃ CỌNG B C A LU N ÁN 122 TÀI LI U THAM KH O 123 v DANH M C CÁC CH Ký hi u vi t t t ANN AoA AP BGI BW CSI DoA ESPRIT FNBW HPBW IPS ISM KNN LoS LS MAC ML MSoS MUSIC MVDR NICs PoA QPD RB RF RFID RP RSS RSSI Ti ng Anh VITTT Ti ng Vi t Artificial Neural Networks Angle of Arrival Access Point Bilateral Greed Iteration Bandwidth Channel State Information Direction of Arrival Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Technique First Null Power Beamwidth Half Power Beamwidth Indoor Positioning System Industrial, Scientific and Medical K-Nearest Neighbors Line-of-Sight Least Squares Medium Access Control Maximum Likelihood Minimizes the Sum of Square Mạng trí tuệ nhân t ạo Góc t ới Điểm truy cập Lặp tham lam Độ rộng băng thông Thông tin tr ạng thái kênh H ớng góc t ới ớc l ợng tham số tín hiệu dựa vào k ỹ thuật b t biến quay Độ rộng không Độ rộng búp sóng nửa cơng su t Hệ thống định vị nhà Công nghi ệp, khoa học y t ế K hàng xóm g ần nh t Truyền thẳng Bình ph ơng tối thiểu Điều khiển truy cập mơi tr ng Hợp lý nh t Tổng bình ph ơng kho ng cách nhỏ nh t Multiple Signal Classification Phân lo ại tín hiệu đa đ ng Minimum Variance Distortionless Đáp ng không méo ph ơng sai Response cực tiểu Network Interface Cards Bo mạch giao diện mạng Phase Of Arrival Pha tới Quadrature Power Divider Bộ chia đôi nguồn vuông pha Router Board Bộ định tuyến Radio Frequency Sóng vơ ến Radio Frequency Identification Định danh sóng điện từ Remote-Positioning Định vị từ xa Received Signal Strength C ng độ tín hiệu thu Received Signal Strength Indicator Chỉ số c ng độ tín hiệu thu vi SFDMA SR SSID SVD TDoA ToA UWB VSWR Wi-Fi WKNN AĐKBS CSDL ĐT ĐVTX ĐVTXGT LC-ĐaH LC-DâX LC-ĐiH TĐV TĐVGT Space and Frequency Division multiple access Sequential Rotated Service Set Identifier Singular Value Decomposition Time Difference of Arrival Time of Arival Ultra-WideBand Voltage Standing Wave Ratio Wireless Fidelity Weighted K-nearest neighbor Đa truy cập theo không gian t ần số Quay Mư định danh dịch vụ Phân tích giá trị riêng Độ lệch th i gian tới Th i gian tới Băng thông siêu rộng Tỷ số điện ápsóng đ ng Truy cập mạng khơng dây K hàng xóm g ần nh t có tr ọng số Anten điều khiển búp sóng Cơ s liệu Đối t ợng Định vị từ xa Định vị từ xa giántiếp L ỡng cực mạch d i đa h ớng L ỡng cực mạch d i dẫn xạ L ỡng cực mạch d i định h ớng Tự định vị Tự định vị gián tiếp vii DANH M C CÁC KÝ HI U TOÁN H C TT Ký hi u Mơ t k Hệ số sóng khơng gian t ự (k = 2π/) εrHằng số điện môi εeffHằng số điện môi hi ệu dụng θ ϕ Góc quay búp sóng Góc ph ơng vị  φ Hệ số tổn hao  10 11 12 13 14 B ớc sóng khơng gian t ự B ớc sóng mơi tr ng Hệ số sóng mơi tr ng ( = 2π/g) g   φ  Z0  T 15 (.) 16 (.)  Γ 17 18 Góc l ệch pha -1 Pha ban đầu Góc l ệch pha phần tử xét mặt phẳng sóng Tr kháng đặc tr ng c a đ ng truyền Tham số ớc l ợng Ma trận chuyển vị Ma trận nghịch đ o Tổng Hệ số ph n xạ viii