4. Đề xuất cỏc giải phỏp mới, nội dung và phƣơng phỏp nghiờn cứu
4.3. Thiết kế hệ thống tớch hợp GPS/INS với MEMS INS 9-DOF và bus CAN
Hệ thống tớch hợp GPS/INS trong luận ỏn đƣợc xõy dựng từ cỏc thiết bị hiện đại, bao gồm: MEMS IMU 9-dof Razor, GPS module EM408, hệ thống nhỳng Arduino R3 cho phiờn bản thứ nhất và Arduino YUN cho phiờn bản thứ hai. Ngoài ra nú cũn đƣợc tớch hợp kết nối với sản phẩm chuyờn dụng nhƣ Rada AC20TRW và datalogger CTAG. Để hoàn thiện thuật toỏn lọc UKF ỏp dụng cho phƣơng tiện giao thụng vận tải, ngoài cỏc thụng số đo đạc của GPS và INS, thiết kế cần cú thờm cỏc thụng số về vận hành xe làm cỏc thụng số tham chiếu. Đƣợc sự cho phộp của cụng ty Trentino Trasporti, tỏc giả đƣợc phộp truy cập vào hệ thống xe bus CAN theo chuẩn J1939 FMS để cú đƣợc một số thụng số chuyển động của xe bus Van Hool A330 và MAN Lion's City Hybrid A37. Cỏc thụng số đƣợc phộp truy cập và xử lý bao gồm: Vận tốc bỏnh xe; Gia tốc; Khoảng cỏch di chuyển; Hƣớng di chuyển; Tốc độ đồng hồ; Tốc độ động cơ; Nhiệt độ mụi trƣờng xung quanh; Tỷ lệ nhiờn liệu thiờu thụ; Mức độ tiết kiệm nhiờn liệu; Trạng thỏi cửa; Vị trớ Pedal; Tỡnh trạng phanh xe; Gia tốc đạp phanh; và một số thụng số khỏc. Mụ hỡnh này cú đầy đủ cỏc thụng số để phỏt triển cỏc dạng bộ lọc Kalman.
Với việc tớch hợp radar và sự cho phộp truy cập bus CAN, luận ỏn đó cú thờm hệ thống tham chiếu để phỏt triển thành cụng một hệ tớch hợp GPS/INS mới và thuật toỏn giỏm sỏt UKF với khả năng xử lý thành phần phi tuyến cho mụ hỡnh đối tƣợng và tuyến tớnh cho thành phần đo đạc. Thiết bị gắn trờn xe cú khả năng tiếp nhận cỏc thụng tin để xỏc định vị trớ và theo dừi trạng thỏi vận hành của xe bus. Vi điều khiển trong hệ thống sẽ truy cập sử dụng tớn hiệu từ bus CAN và tớn hiệu từ cảm biến laser để hiệu chỉnh cho INS, quản lý cỏc thụng số vận hành xe nhƣ vị trớ, tốc độ, gia tốc, khoảng di chuyển, cao độ, gúc dốc của xe và một số thụng số khỏc. Dữ liệu đƣợc tổ chức thành cỏc file độc lập tại datalogger và đƣa về trung tõm quản lý giỏm sỏt.
Hỡnh 4. 11: Khỏi quỏt đối tƣợng và thiết bị sử dụng
Cấu trỳc phần cứng cỏc thiết bị hợp thành của hệ thống lắp đặt trờn xe bao gồm cỏc thiết bị cơ bản sau :
Datalogger là khối lƣu xử lý và lƣu trữ dữ liệu trung tõm, cú thể xử lý thụng tin liờn lạc với nhiều thiết bị chủ yếu dựa trờn giao thức CAN. Tại đõy cú thẻ nhớ để lƣu trữ dữ liệu GPS cũng nhƣ cỏc dữ liệu vận hành xe. Cú một số loại Datalogger khỏc nhau, luận ỏn này chọn Datalogger CTAG, trờn cơ sở đó hoạt động cho kết quả tốt trong giai đoạn đầu của dự ỏn euroFOT [86]. Datalogger này cú thể xử lý 4 đầu vào và một đƣờng CAN nối tiếp. Ngoài ra nú cũn cú một khe cắm thẻ nhớ SD/SDHC, cú khả năng nhận dữ liệu GPS trực tiếp và cú khả năng giao tiếp GPRS cũng nhƣ cỏc chức năng thực thi cỏc kịch bản đơn giản bằng ngụn ngữ Python.
MEMS INS Razor 9-DOF Sensor Stick là một cảm biến loại nhỏ, cú chất lƣợng cao với 9 bậc tự do (DOF). Nú đƣợc tớch hợp bởi cảm biến gia tốc Acc 3 trục ADXL345, từ kế Mag 3 trục HMC5883L, và con quay hồi chuyển Gyro 3 trục MEMS ITG-3200. Giao thức truyền tin đƣợc sử dụng là I2C, đƣợc thiết kế với 4 chõn tiờu chuẩn giỳp dễ dàng thỏo lắp và Calib. Thiết bị MEMS INS 9-DOF này ra đời đó thay đổi cỏch tiếp cận hệ thống INS, tạo ra một làn giú mới trong thiết kế chế tạo cỏc sản phẩm dựa trờn cụng nghệ MEMS INS. Thiết kế hệ thống từ lỳc này khụng cần tớch hợp thờm la bàn rời, cũng nhƣ việc loại bỏ đƣợc cỏc cụng thức toỏn học rắc rối để xử lý cỏc thụng số đơn trục thành đa trục đó nõng cao khả năng tớnh toỏn cho vi xử lý. Những yếu tố này làm cho cỏc cụng thức toỏn học tớnh toỏn hệ thống INS trở nờn khỏc biệt, việc xử lý dịch trục về tõm hệ thống và việc bự sai số cho cỏc hệ INS đơn trục trở nờn khụng cũn nhiều ý nghĩa nữa.
Khối xử lý tớn hiệu INS sử dụng trong thiết kế mới này là bo mạch Arduino R3 cho phiờn bản thứ nhất và Arduino YUN cho phiờn bản thứ 2. Đõy cũng là một giải phỏp mới trong thiết kế cỏc sản phẩm nhỳng với thiết kế tiờu chuẩn module húa và mó nguồn mở. Hiện tại rất nhiều sản phẩm nhỳng đƣợc khuyến khớch phỏt triển trờn nền tảng Arduino, đặc biệt là cỏc hệ thống nhỳng sản xuất tại Italia. Arduino là một sản phẩm nhỳng phỏt triển trờn nền tảng bo mạch tớch hợp mó nguồn mở. Arduino cú thể đƣợc sử dụng để phỏt triển cỏc đối tƣợng tƣơng tỏc độc lập hoặc cú thể đƣợc kết nối với phần mềm trờn mỏy tớnh tiờu chuẩn, vớ dụ nhƣ Flash, Processing, MaxMSP. Đõy là cỏc IDE mó nguồn mở, hiện nay cú thể đƣợc tải về miễn phớ cho cỏ hệ thống Mac OS X, Windows và Linux. Arduino R3 là một bo mạch mới ra đời năm 2013, sử dụng vi xử lý ATmega16U2 để cho phộp truyền tải dữ liệu với tốc độ nhanh và bộ nhớ lớn.
Bo mạch Arduino R3 cũng cú thờm hai chõn mở rộng SDA và SCL bờn cạnh chõn Aref. Cấu trỳc này làm cho nú dễ dàng hơn trong thiết kế phần cứng, giỳp ngƣời sử dụng cú thể thiết kế cỏc shield của mỡnh sử dụng MEMS INS 9-DOF Sensor dựa trờn tiờu chuẩn I2C một cỏch thuận lợi hơn.
GPS Module sử dụng trong thiết kế là loại US GlobalSat EM408 GPS module. Đõy là module chế tạo trờn cơ sở chipset StarIII. Ngoài ăng ten nối ngoài, mỗi module đƣợc tớch hợp bờn trong một ăng ten và một quả pin cho phộp nhanh chúng tự động chỉnh định dữ liệu thu đƣợc từ vệ tinh. Mỗi module cú 20 kờnh, mỗi kờnh cú độ nhạy - 159dBm. Theo nhƣ quảng cỏo chào bỏn thiết bị, module này đƣợc cho là đủ khả năng để bắt đƣợc tớn hiệu khúa vệ tinh trong hẻm nỳi, trong khu vực đụ thị, hoặc thậm chớ trong một số tũa nhà. Một cable dẫn năm chõn đơn giản đƣợc thiết kế làm dõy cấp nguồn, tớch cực module và dẫn tớn hiệu, trong đú hai chõn tớn hiệu TX và RX theo chuẩn nối tiếp UART để sử dụng cho cỏc cõu NMEA hoặc dịch nhị phõn SiRF.
Thiết bị đo gión cỏch cự ly và phỏt hiện đối tƣợng di chuyển sử dụng trong hệ thống là Radar TRW AC20. Đõy là một sản phẩm thƣơng mại giỏ thành cao, cú độ chớnh xỏc cao, cú khả năng xử lý thụng tin nội bộ và gửi chỳng đến vi xử lý trung tõm. Radar TRW AC20 theo dừi hoạt động tốt trong cỏc điều kiện thời tiết và trờn phạm vi bỏn kớnh quột từ một vài xăng-ti-một tới 200 một. Vật thể di chuyển cú thể đƣợc theo dừi một cỏch chớnh xỏc khi chỳng đi qua phạm vi bỏn kớnh quột súng của Radar TRW AC20. Radar này cú thể theo dừi đến 8 track. Trong luận ỏn này, tần số lấy mẫu của radar, GPS, FMS, và IMU lần lƣợt là là 40ms, 1s, 20ms và 20ms.
Hỡnh 4. 14: Thiết bị thực tế và lập trỡnh cho thiết bị
Hỡnh 4. 15: Vị trớ gắn Radar và triển khai lắp rỏp thiết bị trờn xe bus