Thiết kế và xây dựng hệ thống dẫn đường tích hợp INSGPS dùng cho tàu thủyThiết kế và xây dựng hệ thống dẫn đường tích hợp INSGPS dùng cho tàu thủyThiết kế và xây dựng hệ thống dẫn đường tích hợp INSGPS dùng cho tàu thủyThiết kế và xây dựng hệ thống dẫn đường tích hợp INSGPS dùng cho tàu thủyThiết kế và xây dựng hệ thống dẫn đường tích hợp INSGPS dùng cho tàu thủyThiết kế và xây dựng hệ thống dẫn đường tích hợp INSGPS dùng cho tàu thủy
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 DÙNG CHO TÀU THỦY Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 62520203 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG Hà Nội – 2016 Công trình hoàn thành tại: Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Chử Đức Trình PGS.TS Trần Đức Tân Phản biện: Phản biện: Phản biện: Luận án bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Quốc gia chấm luận án tiến sĩ họp tại……………………………… vào hồi…… giờ………ngày…… tháng………năm……… Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Một hệ thống định vị sử dụng rộng rãi hệ định vị toàn cầu GPS Hệ thống hoạt động hiệu môi trường thuận lợi thời tiết tốt, không bị che chắn Tuy nhiên, GPS hoạt động điều kiện thời tiết xấu, khu bị che chắn làm giảm chí khả định vị Trong hệ dẫn đường quán tính INS có khả hoạt động tự trị, có độ xác cao khoảng thời gian ngắn có tốc độ cập nhật cao Tuy nhiên, INS làm việc hiệu khoảng thời gian dài tượng tích lũy cảm biến Một giải pháp coi tối ưu kết hợp GPS INS để tạo hệ tích hợp INS/GPS Tuy nhiên, kết hợp chúng với đặc biệt hệ tích hợp thương mại (giá rẻ) tồn sai số định Với lý đòi hỏi nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng, hiệu làm việc chúng Rất nhiều nghiên cứu nước thành công ứng dụng thực tế Tuy vậy, nghiên cứu dừng lại mức độ thành công Với mong muốn nâng cao chất lượng làm việc cho hệ định vị tích hợp INS/GPS giá rẻ nên tác giả chọn đề tài “Thiết kế xây dựng hệ thống dẫn đường tích hợp INS/GPS dùng cho tàu thủy” cho luận án tiến sĩ Đối tượng nghiên cứu Hệ thống GPS, INS, hệ tích hợp phần cứng INS/GPS giá rẻ biện pháp nâng cao chất lượng làm việc Các Gyroscope khối đo lường quán tính IMU Mục đích nghiên cứu Tìm thuật toán kết hợp với liệu đồ số để nâng cao chất lượng định vị dẫn đường hệ tích hợp INS/GPS thương mại Đưa cấu trúc cảm biến đo vận tốc góc kiểu Tuning Fork (TFG) dựa công nghệ MEMS Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu luận án kết hợp nghiên cứu, tính toán lý thuyết thiết kế, mô phần mềm mô liệu thực nghiệm Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Đưa thuật toán kết hợp với đồ số để ứng dụng vào hệ định vị dẫn đường INS/GPS Ngoài thiết kế cấu trúc cảm biến đo vận tốc góc kiểu Tuning Fork (tạo cấu trúc linh kiện cảm biến vận tốc) Căn vào kết nghiên cứu mô tạo sản phẩm thực tế linh kiện cảm biến đo vận tốc góc kiểu Tuning Fork (TFG) Đồng thời, đưa vào ứng dụng thực tế hệ định vị tích hợp INS/GPS giá rẻ làm việc hiệu thuật toán vừa nghiên cứu Cấu trúc luận án Mở đầu Chương 1: Tổng quan Chương 2: Hệ dẫn đường tích hợp INS/GPS biện pháp nâng cao chất lượng Chương 3: Cấu trúc Gyroscope kiểu vi sai Kết luận kiến nghị Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Trong lĩnh vực định vị dẫn đường, hệ đơn lẻ GPS, INS hay hệ tích hợp hệ INS/GPS có sai số định đặc biệt hệ giá rẻ, thương mại hóa Vì vậy, cần có giải pháp nâng cao chất lượng, hiệu làm việc chúng mà không làm tăng giá thành sản phẩm Chính cần có nghiên cứu để thực điều Có nhiều giải pháp để thực tìm thuật toán thông minh, hiệu cho việc tích hợp hai hệ thống (bộ lọc Kalman, Kalman thích nghi…); nâng cao thuật toán dẫn đường (thuật toán Map matching); chỉnh để giảm lỗi hệ thống bắt đầu làm việc; hay nâng cao chất lượng INS mà cụ thể cảm biến kết hợp chúng với Về mặt cấu tạo, INS gồm khối đo lường quán tính (IMU) thuật toán dẫn đường Trong đó, IMU cấu tạo cảm biến thông thường cảm biến đo gia tốc (Accelermeter) cảm biến đo vận tốc góc (Gyroscope) Luận án sâu nghiên cứu hai giải pháp cụ thể để nâng cao chất lượng làm việc hệ tích hợp INS/GPS là: Cải tiến hệ thống cải tiến linh kiện hệ thống 1.2 Tổng quan Gyroscope hệ tích hợp INS/GPS 1.2.1 Tổng quan nghiên cứu MEMS cảm biến dựa công nghệ MEMS Các linh kiện MEMS đời vào năm 1954 phát triển mạnh mẽ từ cuối năm 1959 Công nghệ MEMS đời khởi nguồn vi cảm biến kích thích/chấp hành làm nhiệm vụ nhận biết môi trường thay đổi môi trường [49] Vì kích thước nhỏ gọn nên MEMS cần tới nguồn cung cấp cỡ micro mét khối vi xử lý tín hiệu [23] Các hệ vi điện tử làm cho hệ thống làm việc với tốc độ nhanh hơn, giá thành rẻ hơn, độ tin cậy cao có khả tích hợp nhiều tính phức tạp [17] Vào năm 1990, MEMS xuất với phát triển trình sản xuất mạch tích hợp (IC) nên nghiên cứu ứng dụng nhiều lĩnh vực khác đời sống người không gian vũ trụ, phân tích y sinh, truyền thông không dây, lưu trữ liệu Đến cuối năm 1990, hầu hết cảm biến MEMS có cảm biến đo vận tốc góc cảm biến gia tốc chế tạo phương pháp: vi khối, vi bề mặt, LIGA [20] Ngoài ra, áp dụng quy trình vi chế tạo chiều vào yêu cầu cụ thể tạo thiết bị y sinh vi kích thích/chấp hành có nguồn điện áp đầu cao Trong hệ vi điện tử, cảm biến gia tốc cảm biến vận tốc góc ứng dụng ngành công nghiệp ô tô [68], y sinh [30], điện tử gia đình [70], rô bốt, phân tích rung, hệ định vị [66] 1.2.2 Tổng quan nghiên cứu ứng dụng Gyroscope biện pháp nâng cao hiệu hệ tích hợp INS/GPS Thuật ngữ Gyroscope lần đưa nhà khoa học người Pháp, Leon Foucault Khi đó, Foucault áp dụng định luật chuyển động quay Gyro để giải thích chuyển động quay trái đất vào năm 1852 [73] Gyroscope đời trình bày Hình 1.1 [25],[26] Hình 1.1 Con quay học cổ điển [25] Sự đời MEMS tiền đề cho việc tạo cảm biến đo vận tốc góc cảm biến đo gia tốc kích thước cỡ nm µm Vì dẫn đến nghiên cứu cảm biến đo vận tốc góc kiểu Tuning Fork -TFG Hiện nay, TFG sử dụng phổ biến thực tế [9],[36],[47],[79] Ngoài ra, độ cứng cảm biến dầm có ảnh hướng lớn tới hoạt động chất lượng làm việc chúng [2] Những nghiên cứu hệ tích hợp INS/GPS: Trong nghiên cứu [16] đưa phân tích chất lượng hệ định vị tích hợp INS/GPS thời gian thực Nghiên cứu đánh giá đưa giải pháp nâng cao chất lượng cho hệ thống cách loại bỏ thông tin đo bất thường GPS Có nghiên cứu lại đưa giải pháp dùng lọc Kalman kết hợp hai hệ thống riêng lẻ để tạo hệ tích hợp làm việc hiệu [42] Bên cạnh nghiên cứu, giải pháp kể nghiên cứu thuật toán khớp đồ MM (Map Matching) thực để nâng cao chất lượng làm việc cho hệ thống định vị dẫn đường MM trở nên cấp thiết mà ô tô sử dụng cảm biến giao thông để đo tốc độ xe đường trường xây dựng mô hình thống kê cản trở giao thông Dữ liệu cảm biến giao thông sử dụng động định tuyến thương mại Microsoft [31], Inrix [32] Map matching nghiên cứu để đưa vào ứng dụng dự đoán đường [41] Nghiên cứu trình bày tài liệu trích dẫn [51] đưa thuật toán Map matching dựa mô hình Hidden Markov có khả tìm đường thích hợp Thuật toán MM dựa luật logic mờ dùng cho phương tiện đường trình bày tài liệu [60] Ngoài ra, nhiều nghiên cứu khác MM nhà nghiên cứu giới thực thành công tài liệu trích dẫn [10],[12],[13],[14],[15],[45] 1.3 Định hướng nghiên cứu Luận văn đưa hai đóng góp mới, hai giải pháp để nâng cao chất lượng làm việc hệ tích hợp INS/GPS giá rẻ: Giải pháp thứ tìm thuật toán với tên gọi “Thuật toán bám đường” STA (Street Tracking Algorithm) kết hợp với đồ số để hỗ trợ cho hệ tích hợp INS/GPS làm việc GPS Giải pháp thứ hai nâng cao chất lượng Gyro INS, cụ thể đưa thiết kế, mô cảm biến đo vận tốc góc kiểu Tuning fork (TFG) hoạt động dựa hiệu ứng điện dung có khả bù lệch pha cho hai tín hiệu kích thích đầu vào Chương 2: HỆ DẪN ĐƯỜNG TÍCH HỢP INS/GPS VÀ CÁC BIỆN PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG 2.1 Hệ tích hợp INS/GPS 2.1.1 Nguyên lý kết hợp INS/GPS 2.1.1.1 Các phương thức kết hợp kĩ thuật điều chỉnh lỗi Để kết hợp INS GPS thành hệ tích hợp sử dụng số phương thức bản: Kết hợp lỏng, kết hợp chặt hay phương thức chặt phát triển [69] Để điều chỉnh lỗi kết hợp hai hệ thống dùng kỹ thuật: Điều chỉnh kiểu vòng hở kiểu vòng kín 2.1.1.2 Bộ lọc Kalman Trái tim hệ thống tích hợp INS/GPS lọc tối ưu Kalman Bộ lọc Kalman hiệu linh hoạt việc kết hợp đầu bị nhiễu cảm biến quán tính để ước lượng trạng thái hệ thống Về chất lọc Kalman lọc tối ưu dùng để lọc tín hiệu bị nhiễu thống kê lấy thông tin cần thiết với điều kiện tính chất nhiễu thống kê biết trước 2.1.1.3 Thuật toán dẫn đường quán tính Thuật toán dẫn đường quán tính INS tính toán vị trí, vận tốc, tư vật thể [64] Dữ liệu vào thông tin ban đầu vị trí liệu thu từ khối IMU Đầu thông tin về: - Kinh độ, vĩ độ góc phương vị (trong hệ tọa độ trái đất) - Các vận tốc VN ,VE ,VD hệ tọa độ định vị - Tư thế: Góc quay, góc chúc góc hướng 2.1.2 Hệ thống phần cứng tích hợp INS/GPS Cấu hình phần cứng sử dụng nghiên cứu thực nghiệm luận án gồm máy tính chuyên dụng, máy thu GPS HI204E, IMU MICRO-ISU BP3010 2.2 Ứng dụng thuật toán STA kết mô thực nghiệm 2.2.1 Thuật toán bám đường (STA) sơ đồ đề xuất Trước vào phân tích đánh giá thuật toán mới, tác giả xin đưa số ràng buộc nghiên cứu là: Thứ nhất, quỹ đạo chuyển động xe thực nghiệm biết trước Thứ hai, ứng dụng dành cho việc định vị dẫn đường cho phương tiện di chuyển mặt đất Thứ ba, ràng buộc vận tốc ứng dụng cho hệ tích hợp INS/GPS tín hiệu GPS bị Cụ thể, hệ tọa độ gắn liền vật thể xe chạy theo trục Y (bám sát tâm đường), vận tốc theo hướng trục X Z hệ tọa độ gắn liền vật thể “0” Do đó, tính vận tốc theo trục Y Cấu hình tích hợp INS GPS đề xuất Hình 2.14 Nguyên lý hoạt động hệ thống sau: Trước hết ta gọi γ tham số thể việc có tín hiệu GPS Khi có tín hiệu GPS γ = 1, (mất tín hiệu GPS tín hiệu GPS không tin cậy) γ = Trong thuật toán lọc Kalman, véc tơ trạng thái ước lượng sau: xˆk / k 1 Ak xˆk 1 Bk uk (2.16) xˆk xˆk / k 1 Kk zk Hxˆk / k 1 (2.17) Trong đó, Ak, Bk, H dạng rời rạc F(t), G(t), H(t); Kk hệ số khuếch đại Kalman bước k Khi có tín hiệu GPS, chuyển mạch trạng thái “1”, γ = 1, lọc Kalman làm việc chế độ thông thường Khi tín hiệu GPS tín hiệu GPS không đáng tin cậy, chuyển mạch trạng thái “0”, γ = Khi lọc Kalman làm việc chế độ dự đoán Khi đầu lọc Kalman không định hệ tọa độ tâm trái đất (vốn thông tin ban đầu điểm tham chiếu) Trường hợp không thỏa mãn nâng giá trị Δd lặp lại công thức (2.19) để tìm điểm tham chiếu mà có dref thỏa mãn Do đó, điểm tham chiếu vừa tìm điểm nằm quỹ đạo chuyển động gần với vị trí thực xe thời điểm tk Cơ sở đặt giá trị Δd phụ thuộc vào mật độ điểm tham chiếu quỹ đạo yêu cầu độ xác hệ thống Mật độ điểm tham chiếu dày độ xác lớn Tuy nhiên, cần phải dung hoà hai yếu tố tăng mật độ điểm tham chiếu làm cho việc tính toán thuật toán STA hệ thống phức tạp dẫn đến tốc độ cập nhật chậm ngược lại Sau xác định vị trí xe theo hướng Bắc hướng Đông hệ tọa độ định vị tiếp tục dùng thuật toán STA xác định vận tốc trung bình theo hướng đó, theo công thức: N VSTA (tk ) N N PSTA (tk ) PSTA (tk 1 ) tk tk 1 (2.20) E VSTA (tk ) E E PSTA (tk ) PSTA (tk 1 ) tk tk 1 (2.21) N E Lưu ý rằng, đơn vị PSTA (t k ), PSTA (t k ) tính theo mét (m), không dùng thông tin vị trí theo kinh độ vĩ độ thay đổi vị trí theo độ nhỏ Cuối thuật toán STA xác định góc hướng trung bình (tk) theo công thức: V N (tk ) tan( tk ) STA E VSTA (tk ) (2.22) 2.2.2 Kết thảo luận Để có sở so sánh chất lượng hệ tích hợp INS/GPS thông thường với hệ tích hợp có thêm thuật toán STA đề xuất, nghiên cứu 12 đưa hệ phần cứng giới thiệu vào xe ô tô chạy thực nghiệm trường Sau đó, sử dụng liệu để mô đánh giá kết Xe chạy khoảng thời gian 1350 giây Trong thời gian tín hiệu GPS hoàn toàn thu nhận tốt để xây dựng quỹ đạo chuyển động (đường màu đen hình 2.18) Quỹ đạo sử dụng giá trị chuẩn để đánh giá chất lượng hệ thống INS/GPS có STA Để tạo tình so sánh chất lượng hệ tích hợp INS/GPS không sử dụng thuật toán STA hệ tích hợp dùng thuật toán STA, tín hiệu GPS ngắt vòng 200 giây từ giây thứ 900 đến giây thứ 1100 với khoảng cách di chuyển 1870 mét Khi cấu hình STA: lọc Kalman tính toán vị trí, vận tốc góc hướng suốt thời gian tín hiệu GPS sở cập nhật vectơ trạng thái (xem phương trình 2.16 2.17, γ=0 lúc vecto đo đạc không tin cậy/không có) Tuy nhiên, vị trí đầu hệ INS/GPS thuật toán STA sai lệch nhiều (hàng trăm mét) Ngay có tín hiệu GPS trở lại (γ=1) quỹ đạo chuyển động xe (tính toán theo INS/GPS) kéo quỹ đạo GPS hệ thống INS/GPS thiết lập lại thời điểm vị trí tín hiệu GPS khôi phục Khi có thuật toán STA: vị trí mà hệ thống xác định (đường màu đỏ, xem Hình 2.18) bám sát vị trí thực xe, kết cải thiện nhiều so với không sử dụng STA Để đánh giá chất lượng (sai số) hệ thống tính toán lỗi công thức: e N Pi Pi ref N i 1 13 (2.23) Trong đó, Pi Pi ref giá trị ước lượng (đường màu đỏ) (m) giá trị chuẩn (đường màu đen), N số mẫu sử dụng để đánh giá (m) Hình 2.18 Chất lượng định vị hệ thống INS/GPS có STA Hình 2.19 Hình 2.20 vận tốc theo hướng Đông hướng Bắc hệ thống INS/GPS có thuật toán STA GPS làm việc điều kiện thời tiết tốt Từ kết cho thấy có sai khác có STA có tín hiệu GPS với lý khối STA kích hoạt tín hiệu GPS Trong khoảng thời gian tín hiệu GPS vận tốc hệ thống không dùng STA (đường nét đứt, màu xanh) bám vận tốc thực (đường nét đứt, màu đỏ) Bằng cách dùng STA, tồn thăng giáng vận tốc (đường liền màu đen) bám tốt vận tốc chuẩn Có thể tính toán sai số định vị vận tốc dựa vào công thức (2.23) liệu Hình 2.18 đến Hình 2.20 Khi hệ thống dùng thuật toán STA sai số định vị vào khoảng mét lỗi vận tốc khoảng 3.2 m/s tín hiệu GPS bị vòng 200 giây với quãng đường di chuyển 1870 mét 14 Hình 2.19 Vận tốc theo hướng Đông có STA Hình 2.20 Vận tốc theo hướng Bắc có STA Hình 2.21 Góc hướng hệ INS/GPS có STA 15 Bên cạnh kết đạt trên, Hình 2.21 đóng góp việc nâng cao chất lượng việc xác định góc hướng xe điều kiện tín hiệu GPS với thời gian quãng đường đề cập Trong hình vẽ này, đường nét chấm màu xanh đường biểu diễn góc hướng hệ thống tích hợp tính toán không dùng thuật toán STA; đường nét đứt màu đỏ góc hướng GPS cung cấp (được coi liệu chuẩn, dùng để tham chiếu); lại đường nét đứt màu đen góc hướng hệ thống xác định áp dụng thuật toán STA Với kết thuật toán STA hệ thống cung cấp thông tin góc hướng với sai số lớn Còn có thuật toán góc hướng bám sát liệu GPS cung cấp có thăng giáng định số điểm 2.3 Kết luận Kết mô liệu thực nghiệm chứng minh rằng: Khi hệ thống dùng thuật toán STA sai số định vị vào khoảng mét lỗi vận tốc khoảng 3.2 m/s tín hiệu GPS bị vòng 200 giây với quãng đường di chuyển 1870 mét Ngoài cải thiện độ xác vị trí, vận tốc, thuật toán STA đề xuất cho phép cải thiện góc hướng xe Liên quan đến nội dung chương tác giả có công trình nghiên cứu khoa học đăng hội nghị/tạp chí nước Cụ thể công trình từ (1) đến (5) danh mục công trình nghiên cứu khoa học 16 Chương 3: CẤU TRÚC GYROSCOPE KIỂU VI SAI 3.1 Cấu trúc Gyroscope đơn đề xuất Cảm biến đo vận tốc góc rung vi dạng hai chiều hoạt động dựa hiệu ứng điện dung đề xuất trình bày Hình 3.12 Hình 3.12 Cảm biến đo vận tốc góc rung vi đề xuất Theo tài liệu [2], tín hiệu kích thích đặt vào điện cực kích thích Cdrive khối gia trọng có công thức: (3.25) Do đó, lực kích thích tương ứng tác động lên khung kích thích là: (3.26) Tuy nhiên trình mô tác giả nghiên cứu đặt trực tiếp lực kích thích vào khung lược thay kích thích điện áp Trong nghiên cứu này, thông số thiết kế cảm biến đo vận tốc góc hoạt động dựa hiệu ứng điện dung liệt kê Bảng 3.1 Bảng 3.1: Các tham số thiết kế cấu trúc cảm biến vận tốc góc đề xuất 17 Tham số Ký hiệu Giá trị Độ cao Gyro H 1754 µm Chiều rộng Gyro W 1644 µm Độ dày Gyro t 30 µm Độ cao khung kích thích hdpm 1200 µm Độ rộng khung kích thích wdpm 1300 µm Độ cao khung cảm ứng hspm 840 µm Độ rộng khung cảm ứng wspm 940 µm Độ cao dầm treo phụ khung kích thích h1 190 µm Độ cao dầm treo khung kích thích h2 260 µm Độ rộng dầm treo khung kích thích w1 µm w2 × h3 40 µm × 40 µm Kích thước chốt cố định Số lượng khung lược Độ cao khung lược kích thích h5 200 µm Chiều rộng khung lược kích thích Số lược khung lược kích thích Kích thước lược kích thích w3 25 µm Khoảng cách lược liên tiếp Khoảng cách hai lược khung lược kích thích Khoảng cách trồng lên hai lược 15 w4 × h4 50 µm × µm 2.5 µm g µm ldfo 10 µm Dầm treo cảm ứng hình E líp (1) a1 × b1 150 µm × 20 µm Dầm treo cảm ứng hình E líp (2) a2 × b2 144 µm × 14 µm Trọng lượng khung kích thích md 0.5452 × 10-7 Kg Trọng lượng khung cảm ứng ms 0.9408 × 10-11 Kg Độ cứng mode kích thích Kd 347 N/m Độ cứng mode cảm ứng Ks 540 N/m 3.2 Cấu trúc TFG có hệ dầm treo vi sai đề xuất 3.2.1 Hệ dầm treo vi sai 18 Trong luận văn tác giả giới thiệu cấu trúc treo vi sai Hình 3.14 Các tham số thiết kế cụ thể hệ dầm treo Bảng 3.3 Hình 3.14 Cấu trúc dầm treo/ lò xo liên kết hình trám Bảng 3.3 Các tham số thiết kế dầm treo liên kết hình trám Tham số R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 Kích thước tổng thể Góc nghiêng R3 Kích thước chốt cố định Độ dày cấu trúc Độ cứng theo trục X Độ cứng theo trục Y 3.2.2 Giá trị Rộng × Cao: 132 µm × 100 µm Rộng × Cao: 70 µm × 20 µm Rộng × Cao: 60 µm × 600 µm Rộng × Cao: 60 µm × 20 µm Rộng × Cao: 60 µm × 80 µm Rộng × Cao: 500 µm × µm Rộng × Cao: 200 µm × µm Rộng × Cao: 1000 µm × 1700 µm 30o Rộng × Cao: 40 µm × 40 µm 30 µm 121 N/m 2314 N/m Thiết kế TFG có hệ dầm treo vi sai 19 Cấu trúc cảm biến đo vận tốc góc kiểu Tuning fork đề xuất Hình 3.15 Hình 3.15 Cảm biến đo vận tốc góc kiểu Tuning fork có hệ dầm treo không đổi Trong thiết kế độ cứng toàn hệ dầm treo/ lò xo cấu trúc theo phương kích thích/trục X KdTFG = 1700 N/m Kích thước tổng thể toàn cấu trúc 4000 µm × 1900 µm với độ dày 30 µm Vật liệu sử dụng thiết kế mô Polysilicon không khí Trong cảm biến dầm treo làm Polysilicon, môi trường xung quanh khoảng trống lại không khí 3.3 Kết thảo luận Trước chứng minh TFG đề xuất có khả bù lệch pha cho hai tín hiệu kích thích đầu vào, ba cấu trúc TFG tạo nên với khác độ cứng hệ lò xo treo hình trám Mục đích việc tạo ba cấu trúc để tìm giá trị lệch pha cụ thể hai tín hiệu kích thích mà cấu trúc bù Để thu độ dịch chuyển biên độ lớn dao động khung kích thích khung cảm ứng hai Gyro cần tìm tần số phù hợp để đưa vào phương trình tín hiệu kích 20 thích Tần số tần số dao động riêng theo phương kích thích (dao động kích thích) cấu trúc TFG xác định thông qua phương pháp phân tích phần tử hữu hạn Comsol Multiphysics 4.4 Trong mô xây dựng cấu trúc TFG khác độ cứng dầm treo Cụ thể khác độ cao dầm R6 hệ dầm treo hình trám (Hình 3.14) Độ cao R6 6µm, 4µm, 12µm tương ứng với cấu trúc TFG 1, Ngoài ra, thông số lại TFG giống nhau.Các mode dao động riêng tổng hợp từ kết phân tích TFG liệt kê Bảng 3.4 Bảng 3.4 Kết phân tích tần số dao động riêng liên quan đến phương kích thích cấu trúc Tần số (Hz) Mode dao động Cấu trúc (HR6 = 6µm) - Dao động kích thích - Dao động không mong muốn - Dao động không mong muốn - Dao động không mong muốn 21397.9 44446.8 63436.5 65032.2 Cấu trúc Cấu trúc (HR6 = 4µm) (HR6 = 12µm) 21184.7 44227.6 63427.9 65020.9 21751.2 44801.3 63447.1 65049.6 Trong suốt trình mô phỏng, cấu trúc sử dụng chung kiểu chia lưới: “Physics-controlled mesh” với kích thước phần tử: “Extremely coarse” Các cấu trúc thiết kế vật liệu Polysilicon nhúng không khí Hai tín hiệu kích thích đặt vào hai hệ tụ lược kích thích hai Gyro đơn có công thức: (3.27) (3.28) 21 Trong đó: Tín hiệu f1 đặt vào khung lược kích thích Gyro bên trái tín hiệu f2 đặt vào khung lược kích thích Gyro bên phải ngược lại Quá trình thực mô kết thực cách độc lập với cấu trúc Do vậy, lần thực mô cấu trúc tần số f hai công thức (3.27), (3.28) thay tần số cộng hưởng theo hướng kích thích cấu trúc Theo nguyên lý hoạt động thông thường TFG hai tín hiệu kích thích f1 f2 ngược pha Nếu gọi φ độ lệch pha hai tín hiệu kích thích theo nguyên lý chung TFG φ = 180o Tuy nhiên, nghiên cứu tín hiệu kích thích f1 giữ nguyên f2 thay đổi giá trị khác φ lần tính toán mô cấu trúc cụ thể Mục đích việc thay đổi độ lệch φ hai tín hiệu kích thích để quan sát độ lệch pha rung học hai khung kích thích nhằm đánh giá khả bù lệch pha cấu trúc TFG đề xuất có độ lệch pha hai tín hiệu kích thích Bảng 3.5 mối quan hệ độ lệch pha hai tín hiệu kích thích φ độ lệch pha rung học hai khung kích thích φ1 lần mô cấu trúc TFG đề xuất Bảng 3.5 Mối quan hệ φ φ1 (Độ) φ1 φ 180°/0° 179.5°/0.5° 179°/1° 178.5°/1.5° 178°/2° 177.5°/2.5° Cấu trúc Cấu trúc Cấu trúc 0 0 0 0 0 0 0 0 0 22 177°/3° 176.5°/3.5° 176°/4° 175.5°/4.5° 3.4 0 3.9 18.2 3.5 7.0 15 x 0 15.6 Kết luận Trong chương tác giả luận án đưa sở lý thuyết đến thiết kế, chế tạo cảm biến đo vận tốc góc kiểu Tuning fork có hệ lò xo liên kết/dầm treo liên kết hình trám Thiết kế có hệ tụ lược dùng để kích thích tín hiệu điện Thiết kế thể tính ưu việc hệ lò xo liên kết hình trám Các kết Bảng 3.5 Hình 3.22 rung động học hai khung kích thích khớp nối tốt độ lệch pha hai tín hiệu kích thích 3.5o, 2.5o 4o tương ứng với cấu trúc 1, Các rung động học hai khung kích thích không bù độ lệch pha hai tín hiệu kích thích lớn 3.5o, 2.5o 4o tương ứng với cấu trúc 1, 23 KẾT LUẬN Với mục tiêu đề từ đầu luận án đưa hai giải pháp cụ thể nhằm nâng cao chất lượng làm việc hệ tích hợp INS/GPS giá rẻ Một giải pháp liên quan đến phần hệ thống, giải pháp liên quan đến cải tiến phần cứng hệ thống Luận án thực kết cụ thể sau: - Nghiên cứu thành công thuật toán với tên gọi “Thuật toán bám đường” STA Thuật toán kết hợp với đồ số đưa vào hệ tích hợp phần cứng INS/GPS để kiểm nghiệm Kết mô liệu thực nghiệm chứng minh rằng: Khi hệ thống dùng thuật toán STA sai số định vị vào khoảng mét lỗi vận tốc khoảng 3.2 m/s tín hiệu GPS bị vòng 200 giây với quãng đường di chuyển 1870 mét Bên cạnh thuật toán đề xuất cho phép cải thiện góc hướng xe (bỏ qua góc chúc góc nghiêng ứng dụng dành cho phương tiện mặt đất) Tuy nhiên, có thêm số ràng buộc thuật toán là: Quỹ đạo chuyển động phải biết trước, ứng dụng phương tiện chuyển động mặt đất - Thiết kế, mô thành công cấu trúc TFG có hệ dầm treo/lò xo liên kết hình trám hai Gyroscope đơn TFG hoạt động dựa hiệu ứng điện dung kích thích hai tín hiệu điện có biên độ ngược pha Kết mô chứng minh TFG đề xuất có nguyên lý hoạt động giống mạch KĐVSĐT dùng Transistor nguồn dòng không đổi Cụ thể, cấu trúc có khả bù lệch pha cho hai tín hiệu kích thích đầu vào giá trị lệch pha 3.5o, 2.5o, 4o tương ứng với cấu trúc TFG 1, 24 DANH MỤC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN Nguyen Van Thang; Pham Manh Thang; Tran Duc Tan (2012), “The Performance Improvement of a low-cost INS/GPS Integration System Using the Street Return Algorithm”, Vietnam Journal of Machanics, VAST, Vol 34, No 4, pp 271-280 Nguyen Van Thang; Chu Duc Trinh; Tran Duc Tan (2012), “The performance improvement of a low-cost INS/GPS integration system using street return algorithm and compass sensor”, The 6th Vietnam Conference on Mechantronics (VCM 2012), Hanoi, Vietnam, pp 280-287 Nguyen Van Thang; Chu Duc Trinh; Tran Duc Tan (2013), “Application of Street Tracking Algorithm in a feedback configuration for an integrated INS/GPS navigation system”, AETA 2013: Recent Advanced in Electrical Engineering and Related Sciences, Lecture Notes in Electrical Engineering, Vol 282, pp 279-288 Thang Nguyen Van; Trinh Chu Duc; and Tran Duc-Tan (2014), “Enhanced Accuracy Navigation Solution of an Integrated SINS/GPS System using an Simple and Effective Adaptive Kalman Filter”, International Journal of Intelligent Information Processing, Volume 5, Number 1, pp 21-28 Thang Nguyen Van, Trinh Chu Duc, and Tran Duc-Tan (2015), "Application of Street Tracking Algorithm in an INS/GPS Integrated Navigation System", IETE Journal of Research (SCIE), Vol.61, No.3, 2015, pp 251-258 25 Thang Nguyen Van, Tran-Duc Tan, Hung Vu Ngoc and Trinh Chu Duc (2016), "Improvement of Tuning Fork Gyroscope Drive-mode Oscillation Matched Using a Differential Driving Suspension Frame.", the International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE) (Scopus), Vol 6, No 6: December 2016, accepted Nguyen Van Thang, Tran-Duc Tan, Chu Duc Trinh (2016), “Design and Simulation Gyroscope based on Finite Element Method”, VNU Journal of Science, submitted 26 [...]... x 0 0 0 15.6 Kết luận Trong chương này tác giả của luận án đã đưa ra các cơ sở lý thuyết và đi đến thiết kế, chế tạo một cảm biến đo vận tốc góc kiểu Tuning fork có hệ lò xo liên kết/dầm treo liên kết hình quả trám Thiết kế có các hệ tụ răng lược dùng để kích thích bằng tín hiệu điện Thiết kế đã thể hiện được tính ưu việc của hệ lò xo liên kết hình quả trám Các kết quả trong Bảng 3.5 và Hình 3.22 chỉ... phần cứng của hệ thống Luận án đã thực hiện được những kết quả cụ thể như sau: - Nghiên cứu thành công một thuật toán mới với tên gọi “Thuật toán bám đường” STA Thuật toán này kết hợp với bản đồ số đã được đưa vào hệ tích hợp phần cứng INS/GPS để kiểm nghiệm Kết quả mô phỏng trên dữ liệu thực nghiệm đã chứng minh được rằng: Khi hệ thống dùng thuật toán STA sai số định vị vào khoảng 5 mét và lỗi vận tốc... thời gian này tín hiệu GPS hoàn toàn được thu nhận tốt để xây dựng được quỹ đạo chuyển động (đường màu đen trong hình 2.18) Quỹ đạo này được sử dụng như một giá trị chuẩn để đánh giá chất lượng của hệ thống INS/GPS khi có và không có STA Để tạo tình huống so sánh chất lượng giữa hệ tích hợp INS/GPS không sử dụng thuật toán STA và hệ tích hợp dùng thuật toán STA, tín hiệu GPS được ngắt trong vòng 200... Trong đó, Pi và Pi ref là giá trị ước lượng (đường màu đỏ) và các (m) giá trị chuẩn (đường màu đen), và N là số mẫu sử dụng để đánh giá (m) Hình 2.18 Chất lượng định vị của hệ thống INS/GPS khi có STA Hình 2.19 và Hình 2.20 chỉ ra vận tốc theo hướng Đông và hướng Bắc của hệ thống INS/GPS khi có và không có thuật toán STA và của GPS khi làm việc trong điều kiện thời tiết tốt Từ kết quả cho thấy không... V N (tk ) tan( tk ) STA E VSTA (tk ) (2.22) 2.2.2 Kết quả và thảo luận Để có cơ sở so sánh chất lượng của hệ tích hợp INS/GPS thông thường với hệ tích hợp có thêm thuật toán STA đề xuất, nghiên cứu 12 đã đưa hệ phần cứng đã giới thiệu ở trên vào một xe ô tô và chạy thực nghiệm tại hiện trường Sau đó, sử dụng dữ liệu để mô phỏng đánh giá kết quả Xe chạy trong khoảng thời gian 1350 giây Trong... trên quỹ đạo và yêu cầu về độ chính xác của hệ thống Mật độ các điểm tham chiếu càng dày thì độ chính xác càng lớn Tuy nhiên, cần phải dung hoà giữa hai yếu tố trên vì khi tăng mật độ điểm tham chiếu sẽ làm cho việc tính toán trong thuật toán STA và hệ thống sẽ phức tạp hơn dẫn đến tốc độ cập nhật chậm và ngược lại Sau khi xác định được vị trí của xe theo hướng Bắc và hướng Đông trong hệ tọa độ định... µm Vật liệu sử dụng trong thiết kế và mô phỏng là Polysilicon và không khí Trong đó các cảm biến và dầm treo làm bằng Polysilicon, môi trường xung quanh và khoảng trống còn lại là không khí 3.3 Kết quả và thảo luận Trước khi chứng minh TFG đề xuất có khả năng bù lệch pha cho hai tín hiệu kích thích đầu vào, ba cấu trúc TFG đã được tạo nên với sự khác nhau về độ cứng của hệ lò xo treo hình quả trám... sẽ được kéo ngay về quỹ đạo của GPS và hệ thống INS/GPS được thiết lập lại tại thời điểm và vị trí tín hiệu GPS được khôi phục Khi có thuật toán STA: vị trí mà hệ thống xác định (đường màu đỏ, xem Hình 2.18) vẫn có thể bám sát các vị trí thực của xe, kết quả này đã được cải thiện rất nhiều so với khi không sử dụng STA Để đánh giá được chất lượng (sai số) của hệ thống có thể tính toán lỗi bằng công... INS tính toán ở bước Hình 2.14 Hệ thống tích hợp đề xuất với thuật toán STA thứ k+1 sẽ dựa vào vận tốc tại bước thứ k và độ tăng vận tốc tại bước thứ k+1 Bởi vậy, đầu ra của INS gồm vị trí theo hệ tọa độ cố định tâm trái đất và gia tốc thô theo hệ tọa độ gắn liền vật thể được đưa trực tiếp đến khối STA thay vì đưa tới khối “P V A(góc hướng) đã căn chỉnh” Lúc này khối STA và khối cơ sở dữ liệu bản đồ... 2.5o và 4o tương ứng với cấu trúc 1, 2 và 3 Các rung động cơ học của hai khung kích thích sẽ không được bù khi độ lệch pha của hai tín hiệu kích thích lần lượt lớn hơn 3.5o, 2.5o và 4o tương ứng với cấu trúc 1, 2 và 3 23 KẾT LUẬN Với mục tiêu đề ra từ đầu luận án là đưa ra hai giải pháp cụ thể nhằm nâng cao chất lượng làm việc của hệ tích hợp INS/GPS giá rẻ Một giải pháp liên quan đến phần hệ thống,