2 − 1 (2.2)
Trong sai phân này hầu nh không còn nh h ng sai số đồng hồ vệ tinh. Nếu hai tr m cùng quan sát đồng th i hai vệ tinh j và k vào th i điểm , ta có sai phân bậc hai:
∆2 , =∆1 − ∆1 (2.3)
Trong sai phân này hầu nh không còn nh h ng sai số của đồng hồ vệ tinh và máy thu.
Nếu hai tr m cùng quan sát đồng th i hai vệ tinh j và k vào th i điểm và
+1 ta có sai phân bậc ba:
∆3 , =∆2 , − ∆2 , (2.4)
2.4.5. Các ngu n sai s trongăđoăGPS
Cǜng nh bất kỳ m t ph ơng pháp đo đ c khác, việc định vị bằng hệ thống GPS chịu nh h ng của nhiều yếu tố khác nhau.
- Sai số quỹ đ o vệ tinh
To đ điểm đo GPS đ c tính dựa vào vị trí đư biết của vệ tinh. Ng i sử d ng ph i dựa vào lịch thông báo to đ vệ tinh mà theo lịch to đ vệ tinh có thể bị sai số. Do vậy nếu sử d ng quỹ đ o vệ tinh chính xác có thể đ t kết qu định vị tốt hơn.
- nh h ng của tầng ion
Tầng ion là lớp chứa các h t tích điện trong bầu khí quyển đ cao từ 50 – 1000 km, tầng ion có tính chất khúc x đối với sóng điện từ, chiết suất của tầng ion tỷ lệ với tần số sóng điện từ truyền qua nó. Với máy thu 2 tần số nh h ng tầng ion, trị đo gi i trừ do đó việc định vị có đ chính xác cao hơn, nhất là đối với việc đo c nh dài.
- nh h ng của tầng đối l u
Tầng đối l u có đ cao đến 8 km so với mặt đất là tầng làm khúc x đối với tín hiệu GPS do chiết suất biến đổi. Chiết suất của tầng đối l u sinh ra đ chậm pha tín hiệu. Do vậy số c i chính mô hình khí quyển ph i đ c áp d ng đối với trị đo của máy m t tần số và c máy hai tần số.
- Hiện t ng đa tuyến (Multipath)
Đó là hiện t ng khi tín hiệu từ vệ tinh không đến thẳng anten máy thu mà đập vào bề mặt ph n x nào đó xung quanh rồi mới đến anten máy thu. Hiện nay với công nghệ Everest, máy thu lo i đ c các trị do có nh h ng của Multipath.
- Sự suy gi m đ chính xác (DOPS) do đồ hình các vệ tinh
Định vị GPS là việc gi i bài toán giao h i nghịch không gian dựa vào điểm gốc là các vệ tinh và các kho ng cách t ơng ứng đến máy thu. Tr ng h p tối u khi thu tín hiệu vệ tinh GPS là vệ tinh có sự phân bố hình học cân đối trên bầu tr i xung quanh điểm đo. Chỉ số mô t đồ hình vệ tinh gọi là chỉ số phân tán đ chính xác DOP (Delution of Precision)
2.4.6. Nh ng k thu tăđoăGPS - Đo GPS tuyệt đối
Là kỹ thuật xác định to đ của điểm đặt máy thu tín hiệu vệ tinh trong hệ to đ toàn cầu WGS-84 sử d ng nguyên lý định vị tuyệt đối. Do nhiều nguồn sai số nên đ chính xác vị trí điểm thấp (cỡ 10m), chủ yếu cho việc dẫn đ ng, và các m c đích đ c có yêu cầu đ chính xác không cao. Đối với ph ơng pháp này chỉ sử d ng 1 máy thu tín hiệu vệ tinh.
- Đo GPS t ơng đối (Carrier-phase-based Relative GPS)
Thực chất của ph ơng pháp đo là xác định hiệu to đ không gian của 2 điểm đo đồng th i đặt trên 2 đầu của kho ng cách cần đo (Baseline) sử d ng nguyên lý định vị t ơng đối. Do b n chất của ph ơng pháp, cần tối thiểu 2 máy thu vệ tinh trong 1 th i điểm đo. Ph thu c vào quan hệ của các tr m đo trong th i gian đo mà ng i ta chia thành các d ng đo t ơng đối sau:
+ Đo GPS tĩnh (Static)
Đây là ph ơng pháp chính xác nhất sử d ng 2 hoặc nhiều máy thu đặt cố định thu tín hiệu GPS t i các điểm cần đo to đ trong kho ng th i gian thông th ng từ 1 gi tr lên.
Ph ơng pháp dựa trên nguyên lý định vị t ơng đối, đ c tiến hành với 1 máy đặt cố định (base station) và m t hoặc nhiều các máy khác (rover stations) di đ ng đến các điểm cần đo với th i gian rất ngắn, đ chính xác cỡ cm.
Tuỳ thu c vào th i điểm xử lý số liệu đo, xử lý ngay t i thực địa hay trong phòng sau khi đo, ng i ta chia thành 2 d ng:
Đo GPS đ ng th i gian thực (GPS RTK – Real Time Kinematic GPS) Ph ơng pháp cho phép thu đ c to đ đúng t i thực địa trong hệ to đ đi ph ơng bất kỳ với th i gian đo ngắn (1 trị đo – 1 giây).
Đo GPS đ ng xử lý sau (Post Procesed Kinematic GPS)
Giống nh ph ơng pháp GPS RTK, ph ơng pháp này đo m t lo t điểm với th i gian đo ngắn (2 trị đo). To đ của các điểm đo có đ c sau khi xử lý số liệu trong phòng.
- Đo c i chính phân sai DGPS (Code-based Differential GPS)
Là ph ơng pháp đo GPS sử d ng nguyên lý định vị tuyệt đối sử d ng trị đo code và c trị đo pha có đ chính xác đo to đ 1 – 3m, sử d ng 2 máy thu tín hiệu vệ tinh trong đó 1 t i tr m gốc (Base station) có to đ biết tr ớc và 1 tr m đo t i các điểm cần đo to đ (Rover station). Trên cơ s đ lệch về to đ đo so với to đ thực của tr m gốc để hiệu chỉnh vào kết qu đo t i các tr m đ ng theo nguyên tắc đồng nh h ng.
2.4.7. T aăđ và h qui chi u
Ellipsoid đ c chọn làm hệ to đ định vị toàn cầu là GRS-80 (Geodetic Reference System 1980), mặt quy chiếu này đ c hệ định vị GPS sử d ng 1984 gọi là hệ trắc địa thế giới (WGS-84). Hệ to đ này dùng ellipsoid xác định b i bán tr c lớn a= 6378137.0 m và nghịch đ o đ dẹt 1/f = 298.257223563. Đây là hệ to đ địa tâm có 3 tr c XYZ trong đó gốc to đ là địa tâm, tr c X nằm trong mặt phẳng Xích Đ o đi qua kinh tuyến gốc và địa tâm, tr c Y nằm trong mặt phẳng Xích Đ o và vuông góc tr c X t i địa tâm, tr c Z vuông góc với mặt phẳng Xích Đ o t i địa tâm có h ớng Bắc và đi qua điểm cực Bắc trung bình. Do m i quốc gia lựa chọn
m t hệ to đ riêng nên khi đo GPS kết qu đo cần đ c tính chuyển về hệ to đ địa ph ơng theo các tham số tính chuyển riêng…
2.4.8. ChuẩnNMEA0183
-NMEA (hayNMEA0183)làsựm tchuẩngiaothứcchotruyềnthônggiữacácthiết bịđiệntửdùng chotàuthủycǜng nh cácthiếtbịđotốcđ gió,labàn,máy láitự đ ng,thiếtbịthuGPSvàrấtnhiều cácthiếtbịkhácđ cđịnhnghĩavàphát triểnb i Hiệph iđiệntửtàuthủyquốcgiaHoaKỳ(NationalMarineElectronicsAssociation)
- ChuẩnNMEA 0183sửd ngcáckýtựASCII,giaothứctruyềnthôngnốitiếpquy địnhcáchm t“thiếtbịgửi”truyềnm tcâudữliệutới“thiếtbịnhận”t im tth iđiểm.
- tầngứngd ng,chuẩnNMEA quyđịnhn idungcáckiểucâudữliệuchophép thiếtbịnhậncókh năngphântíchdữliệum tcáchchínhxác.Các câudữliệuđềubắt đầubằngkýtự “$”vàkếtthúcbằng<CR><LF>.
- Đốivớicác các thiếtbịGPS,tấtc các câudữliệuđềubắtđầubằng“$GPxxx” trong đóxxxlàlo ib ntin.
-Cấutrúcchu iNMEAbắtđầubằngkýtự “$”
5kýtựtiếptheochophépnhậnd nglo i câudữliệu.
Tấtc cáctr ngdữliệutheosauđ cphâncáchb idấu“,” Kýtựđầutiêntiếptheosau cáctr ngdữliệulàdấu“*”.
Theosaudấu“*”làhaisốchecksumbiểudiễnd ớid nghex.Checksum đ ctính bằng
cáchXORtấtc cácmã ASCIIcủatấtc cáctr nggiữa2dấu“$”và“*”kểc
mãASCIIcủadấu“*”.
- M tsốkiểub ntin NMEAthuđ ccủaGPS :
• B ntinkiểuGGA-GlobalPositioningSystemFixedData-DữliệucốđịnhGPS. • B ntinkiểuRMC-RecommendedMinimumSpecificGNSSData
-Víd ý nghĩa chu ib ntin sau :
$GPRMC,161229.487,A,3723.2475,N,12158.3416,W,0.13,309.62,120598,,*10
Tên Víd Đ nv Môt
Th igian(UTCTime) 161229.487 Gi phútgiây(%giây) hhmmss.sss Tìnhtr ng A A:dữliệuh plệ;V: dữliệukhôngh plệ. Vĩđ 3723.2475 ddmm.mmmm ChỉdẫnNam Bắc N N=BắchoặcS=Nam Kinhđ 12158.3416 dddmm.mmmm
ChỉdẫnĐông Tây W E=ĐônghoặcW=Tây
Tốcđ trênmặt đất 0.13 Knots
H ớngbámtrên mặtđất 309.62 Đ Đúng(True)
Ngàytháng 120598 ddmmyy
Kiểmtra *10 Kiểmtramãtruyền tin
<CR><LF> Kếtthúcb ntin
B ng2.1:Diễngi icủab ntinGPRMC
2.5.Gi iăthi uthu tătoánkh păb năđ 2.5.1.T ng quan v thu t toán kh p b năđ
Thuật toán khớp b n đồ (map matching) th ng đ c dùng để xác định vị trí của ph ơng tiện trên đ ng. Hầu hết các công thức xây dựng thuật toán đều dựa trên cơ s dữ liệu của hệ thống định vị GPS và cơ s dữ liệu về tuyến đ ng từ b n đồ số. Và thuật toán này sẽ chuyển tọa đ m t đối t ng về tọa đ tuyến đ ng gần nhất. Ngoài ra theo các nghiên cứu cho thấy rằng b n đồ kỹ thuật số sử d ng cho phù h p với b n đồ ph i là m t quy mô cao để t o ra các kết qu đầu ra vị trí mà không có l i.
Thuật toán khớp b n đồ đ c thành 3lo i : hình học, hình học tôpô, và cao cấp.
2.5.2.Bài toán đi mătrongăđaăgiác
Bài toán điểm trong đa giác là m t trong những tr ng h p của thuật toán khớp b n đồ. Bài toán điểm trong đa giác (point-in-polygon, viết tắt: PIP) đặt ra câu hỏi xét xem m t điểm trên m t mặt phẳng nằm trong, nằm ngoài hay nằm trên biên của m t đa giác. Đây là tr ng h p đặc biệt của lo t các bài toán hay vấn đề vị trí điểm và có rất nhiều ứng d ng trong việc xử lý dữ liệu hình học nh trongđồ họa
máy tính (Computer Graphics), hệ thống thông tin địa lý (Geographical Information Systems - GIS), lập trình chuyển định…
Có nhiều ph ơng pháp để gi i bài toán này mà ph ơng pháp th ng dùng nhất là ph ơng pháp Ray Casting. Ph ơng pháp này xác định xem m t điểm P nằm bên trong hay bên ngoài m t đa giác đơn gi n đó là kiểm traxem m t tia (ra) bắt đầu từ điểm P đó giao với các c nh của đa giác bao nhiêu lần. Nếu điểm P không nằm trên biên của đa giác thì:
P nằm ngoài đa giác nếu tổng số giao điểm là số chẵn.
P nằm trong đa giác nếu tổng số giao điểm là số lẻ.
Ph ơng pháp này dựa trên m t quan sát đơn gi n là nếu ta có m t điểm đi dọc theo m t tia từ vô cực đến P thì điểm đó sẽ giao (có thể nhiều lần) với biên của đa giác, điểm này có thể đi từ ngoài vào trong rồi l i từ trong ra ngoài,...Chính vì vậy sau m i hai lần giao với biên của đa giác thì điểm đó sẽ đi ra ngoài đa giác.
Hình 2.4:Số giao điểm của m t tia kể từ điểm bên ngoài đa giác
Ph ơng pháp xác định điểm trong đa giác đ c chọn để ứng d ng vào đề tài xác định vị trí xe có nằm trong vùng giới h n c nh báo. u điểm của ph ơng pháp là đơn gi n phù h p với hình d ng con đ ng Việt Nam và dễ dàng áp d ng để lập trình với phần mềm LaBVIEW.
2.6. Phầnăm măLabVIEW
2.6.1. LabVIEW và ng d ng trong th c t
LabVIEW là m t phần mềm (b n chất là m t môi tr ng để lập trình cho ngôn ngôn ngữ lâp trình đồ họa) sử d ng rất r ng rưi trong khoa học – kỹ thuật – giáo d c nhằm nhanh chóng và dễ dàng t o ra các ứng d ng giao tiếp máy tính, đo l ng, mô phỏng hệ thống, kết nối thiết bị ngo i vi với máy tính theo th i gian thực. Lập trình đồ họa hoàn toàn giống nh các ngôn ngữ khác, điểm khác biệt đây là giao diện, cách thức t o ra ch ơng trình không còn là những dòng lệnh nh trong Pascal, C mà là những biểu t ng (icon), dây nối (wire), LabVIEW có tính chất đặc biệt sau:
LabVIEW có thể học nhanh nhất, và cho ng i ch a có kiến thức lập trình.
Sử d ng nhiều nhất trong việc giao tiếp máy tính và thu thập dữ liệu.
LabVIEW có thể đo l ng đ c từ bất kỳ c m biến (tín hiệu d ng điện áp, dòng điện, xung), LabVIEW có thể điều khiển đ c bất kỳ cơ cấu chấp hành (đ ng cơ DC/AC, đ ng cơ xăng, bơm thủy lực, lò nhiệt, pistion thủy khí,...), LabVIEW truyền qua bất kỳ chuẩn giao tiếp máy tính-máy tính, máy tính - thiết bị nh chuẩn RS232, chẩn USB, chuẩn PCI, PXI, Wifi, Bluetooth, TCP/IP,...
LabVIEW h tr đắc lực cho các kỹ s ngành Cơ khí, Cơ điện tử, Robotics, Ôtô, Viễn Thông và Điện tử trong việc: Tính toán và thiết kế s n phẩm, s n xuất mẫu (prototyping), mô phỏng và đánh giá chất l ng s n phẩm,...
Với lịch sử hơn 20 năm, Ngôn ngữ lập trình đồ họa NI LabVIEW đư phát triển và hoàn thiệnđể tr thành m t công c h tr đắc lực cho cáckỹ s , và nhà nghiên cứu trong quá trình kiểm tra, đo l ng, và điều khiển. Với các tính năng đặc biệt nh gi m giá thành, rút ngắn th i gian s n xuất, phân tích dữ liệuthu thập từ thí nghiệm hiệu qu , điều khiển thiết bị trong công nghiệp tối u, NI LabVIEW đư luôn tr thành lựa chọn hàng đầu trong kỹ thuật và khoahọc hầu hết các châu l c.
2.6.2.L pătrìnhăv iăLabVIEW
Ch ơng trình cơ b n của LabVIEW là m t VI, hay là Virtual Instruments (thiết bị o). Để t o 1 ch ơng trình mới, ta ấn vào nút Blank VI. LabVIEW sẽ hiện ra 2 cửa sổ: Front Panel và Block Diagram là 2 thành phần cơ b n của LabVIEW.
Hình 2.5:Mã nguồn ch ơng trình để viết LabVIEW
Front Panel là giao diện của ch ơng trình với ng i dùng. T i đây l u trữ : - Các biến điều khiển nh : nút bấm (Button), thanh g t (Slide), núm vặn (Knob), TextBox để nhậpchu i ký tự… đ c gọi chung là các biến điều khiển, nơi ng i dùng có thể điều chỉnh giá trị của các biến đó bằng t ơng tác trực tiếp với ch ơng trình.
- Các biến hiển thị: đồng hồ (Meter), đồ thị (Chart), biểu đồ (Graph), đèn báo (LED), hình nh (Picture) hay hình nh 3D (3D picture)…gọi chung là các biến hiển thị, nơi ng i dùng có thể quan sát thay đổi của các biến m t cách trực quan.
- Các biến điều khiển và các biến hiển thị không có sự phân biệt rõ ràng trong LabVIEW, ngoài h ớng t ơng tác với ng i dùng và với máy tính. Trong LabVIEW coi 2 lo i biến này đều là các biến, có thể đ c lập trình để thay đổi trực tiếp.
- M i khi t o 1 biến điều khiển hoặc hiển thị trong Front Panel (FP), m t biểu t ng (Icon) sẽ xuất hiện t ơng ứng trong Block Diagram (BD). Kích đúp vào biến trên FP, Icon t ơng ứng trong BD sẽ đ c tự đ ng biểu hiện.
- Mǜi tên đ c đánh dấu là nút RUN, dùng để bắt đầu ch y ch ơng trình. Khi nút RUN đó bị gưy, tức là ch ơng trình đang có l i (Error), không ch y đ c.
Block Diagram: Là nơi ch ơng trình LabVIEW đ c lập trình, chứa n i dung (code) ch ơng trình.
- T ơng tự trong Simulink của Matlab, việc lập trình trong Block Diagram bằng cách nối các biến với nhau và với các khối biểu diễn phép toán giống nh đi dây trong thiết bị điện.
- Trên Block Diagram cǜng biểu diễn các vòng lặp, cấu trúc lập trình, và các thuật toán.
- Khi ch ơng trình VI ch y Block Diagram không hiển thị giao diện t ơng tác với ng i dùng.
- Có thể ch y chế đ Debug trên Block Diagram bằng cách ấn vào biểu t ng bóng đèn trong Highlight Execution. Các dòng dữ liệu sẽ đ c biểu diễn ch y tuần tự để biểu thị sự thay đổi chi tiết các biến trong ch ơng trình
- Để t o ra m t ch ơng trình sáng sủa, gọn gàng nhằm đơn gi n hóa việc kiểm tra, kiểm soát ch ơng trình, m t ch ơng trình LabVIEW thông th ng đ c lập trình theo trình tự, từ trên xuống d ới, trái sang ph i.
CH NGă3
THI T K H TH NG AN TOÀN CH Đ NG
CHO XE MÁY
3.1. H ăth ngăc nhăbáoăt căđ ăanătoƠnă ngăd ngăh ăth ngăđ nhăv ăGPS 3.1.1. Ch cănĕng
C nh báo tốc đ của ph ơng tiện khi đi vào vùng quy định tốc đ giới h n. Để đ m b o cho ng i điều khiển ph ơng tiện chủ đ ng về tốc đ qua đó đ m b o an toàn cho b n thân cǜng nh những ng i khác cùng tham gia giao thông.
3.1.2. Cấu trúc và nguyên lý ho tăđ ng
Hệ thống c nh báo tốc đ an toàn chủ đ ng trên xe sử d ng công nghệ GPS có cấu trúc gồm: Khối máy client thu nhậntín hiệu GPS,hiển thị c nh báo và khối máy tr m điều khiển ghi nhận thông tin.
Hình 3.1:Cấu trúc mô hình hệ thống c nh báo tốc đ an toàn chủ đ ng ứng d ng GPS
- Ho t đ ng của hệ thống dựa trên cơ s truyền nhận thông tin hai chiều và đồng b giữa các thành phần trong hệ thống
M ngă 3G
KH IăMỄYăSERVER KH IăMỄYăCLIENT
Máy tính,
LabVIEW LabVIEW Máy tính,
Giao di nă c nhăbáo Còi,ăđèn USB 3G B ă3G Card NI 6008 B ăthuătínă hi uăGPS
- Khi xe đi vào vùng giới h n tốc đ , thiết bị GPS sẽ gửi tín hiệu đến vệ tinh và nhận tín hiệu ph n hồi về vị trí hiện t i của xe. Vị trí này sẽ đ c so với vị trí