Chúng ta đã thảo luận về một số phương pháp định vị sử dụng phương pháp hình học dựa trên công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy VLC. Các ưu, nhược điểm của các phương pháp định vị này cũng đã được trình bày và so sánh kỹ lưỡng trong phần trước. Các phương pháp định vị TOA và TDOA rất khó triển khai trong các ứng dụng định vị trong nhà do thời gian truyền sóng ánh sáng rất ngắn và yêu cầu đồng bộ thời gian giữa bộ phát và bộ nhận hay giữa các bộ nhận với nhau. Phương pháp định vị RSS đạt được độ chính xác khơng cao, nhất là khi ở trong các mơi trường có mơ hình kênh truyền quang có suy hao lớn. Cuối cùng là phương pháp AOA, tuy phương pháp này đạt được độ chính xác cao do áp dụng kỹ thuật MIMO (sử dụng mảng các đèn LED và PD) nhưng lại yêu cầu phần cứng phức tạp và chỉ có khả năng cung cấp thông tin định vị một chiều. Qua những ưu, nhược điểm của các phương pháp định vị nói trên, trong mục này chúng ta sẽ xét một phương pháp định vị mới, đó là kết hợp hai phương pháp định vị AOA và RSS. Phương pháp này sẽ đạt được các ưu điểm của cả hai phương pháp định vị AOA và RSS, đồng thời nó cũng giải quyết các mặt hạn chế của cả hai phương pháp định vị nói trên.
2.5.1. Mơ hình hệ thống
Mơ hình hệ thống của phương pháp kết hợp AOA-RSS được mơ tả trong hình 2.9. Các PD được gắn cách đều nhau trên một khung tròn phẳng. Mảng PD này sẽ được gắn trên robot di động để đo các tín hiệu quang nhận được từ các đèn LED để xác định hướng của robot. Vị trí của các PD được tính tốn từ vị trí của robot và ngược lại. Nghĩa là, nếu ta biết được vị trí của robot ta có thể tính được vị trí của các PD như sau:
Trong đó, là góc của PD thứ i trong mảng; θ là hướng của robot.
Định vị robot sử dụng công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy được kết hợp với bộ lọc Kalman
Hình 2.9. Mơ hình hệ thống kết hợp AOA-RSS sử dụng mảng PD
Ngược lại, khi tính được góc của các PD từ cơng suất của tín hiệu quang nhận được, chúng ta có thể dễ dàng tính tốn được vị trí của robot di động. Giống như phương pháp định vị AOA, số lượng PD được gắn trên bộ nhận ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu suất của phương pháp định vị này
2.5.2. Nhiễu hệ thống
Như đã được đề cập trong các hệ thống của các phương pháp định vị RSS và AOA, cơng suất tín hiệu quang nhận được tại mỗi PD được tính tốn như sau:
Để thực hiện việc truyền tín hiệu ánh sáng nhìn thấy đến bộ thu trong kênh truyền quang, chúng ta cần thực hiện điều chế tín hiệu theo một phương pháp điều chế nào đó. Trong phạm vi luận văn này, giả sử điều chế OOK được sử dụng để tạo ra các xung tín hiệu vng được truyền đi. Tín hiệu điện tại đầu ra của các PD chứa các nhiễu Gauss bao gồm tạp âm kim (shot noise), nhiễu nhiệt (thermal noise) và can nhiễu giữa các kí tự (inter-symbol interference-ISI).
Tuy nhiên, nhiễu ISI có thể coi là khơng đáng kể khi thời gian tín hiệu truyền đi đủ dài. Do đó, nguồn nhiễu chủ yếu được gây ra bởi tạp âm kim và ồn nhiệt:
Do đó, cơng suất tín hiệu điện thực tế nhận được tại PD thứ i được xác định như tai lieu, luan van37 of 98.
Định vị robot sử dụng cơng nghệ truyền thơng ánh sáng nhìn thấy được kết hợp với bộ lọc Kalman
(5*)
Trong đó, các thơng số hệ thống và nhiễu được cho trong bảng 2.1 dưới đây.
Bảng 2. 1. Các tham số hệ thống trong mơ hình hệ thống VLC
Thơng số Giá trị
Cơng suất truyền quang (Pt ) 0.02 [W] Góc nửa cơng suất (ϕ) 30 [deg. Góc FOV của PD (Ψc) 70 [deg.] Diện tích bề mặt của PD (A)
Độ lợi của bộ lọc quang (Ts(Ψ)) 1.0
Độ nhạy thu () 0.54 [A/W] Tốc độ truyền dữ liệu (B) 100 [Mb/s] Dòng điện nền (Ibg)
Điện dung cố định (η) Độ hỗ dẫn FET (gm)
Hệ số nhiễu kênh FET (Γ) 1.5 Hệ số băng thông nhiễu (I2) 0.562 Khuếch đại thế vòng hở (G) 10
2.5.3. Cơ chế hoạt động
Phương pháp định vị kết hợp AOA-RSS được tiến hành theo hai bước sau:
2.5.3.1. Bước 1 – Xác định hướng của robot
Trong bước này, phương pháp kết hợp AOA–RSS sẽ xác định hướng của nó so với các bộ phát mà nó đang kết nối bằng việc sử dụng cấu hình đặc biệt của hệ thống – mảng trịn các PD. Dựa vào cơng suất tín hiệu điện nhận được tại đầu ra của các PD, robot có thể xác định được PD thứ i nhận được công suất lớn nhất. Điều đó có nghĩa rằng, PD thứ i nằm ở gần bộ phát nhất. Do đó, robot chọn góc của PD này là góc giữa hướng của robot và hướng từ hình chiếu của tâm đèn LED đến tâm của robot (xem hình 2.9).
2.5.3.2. Bước 2 – Xác định tọa độ của robot
Trong bước này, phương pháp kết hợp AOA-RSS sẽ tính tốn tọa độ của robot dựa trên góc AOA . Khoảng cách từ hình chiếu vng góc của đèn LED đến PD nhận được cơng suất tín hiệu lớn nhất được tính theo cơng thức (5*). Tọa
độ tồn cục của robot di động ( ) được tính như sau: tai lieu, luan van38 of 98.
Định vị robot sử dụng công nghệ truyền thơng ánh sáng nhìn thấy được kết hợp với bộ lọc Kalman
Trường hợp 1: Khi robot nằm ở vị trí thỏa mãn điều kiện r
Trường hợp 2: Khi robot nằm ở vị trí thỏa mãn điều kiện r
Trong đó, φ là góc giữa đường thẳng nối từ hình chiếu của LED trên mặt phẳng di chuyển của robot đến PD mà tại đó nhận được cơng suất lớn nhất và trục Ox (xem hình 2.9). Góc φ có thể dễ dàng được tính từ góc AOA . Ngoài ra, ( ) là tọa độ của LED mà robot đang kết nối đến.
Đối với các mơ hình trong nhà thơng thường như: văn phịng, bảo tàng, thư viện, nhà máy,... những nơi có các hành lang dài có độ rộng hai mét, các đèn LED được lắp đặt cách đều nhau với khoảng cách 1.5 mét. Độ bao phủ của đèn LED có bán kính đạt tới 1.732 mét (được tính tốn từ các thơng số trong Bảng 2.1). Khi đó, robot di động luôn nằm dưới vùng phủ của ít nhất hai đèn LED nên độ chính xác của phương pháp định vị này được tăng cường vì robot ln tiếp nhận thơng tin từ ít nhất hai nguồn phát khác nhau.
Độ chính xác của phương pháp định vị kết hợp AOA-RSS chịu sự tác động của hai tham số chính là số lượng PD được gắn trên robot và các nhiễu Gauss. Tăng số lượng PD là một phương án đơn giản để cải thiện độ chính xác cho phép đo.