Tổng quan luận án

Đề tài luận án tiến sĩ "Thiết kế và xây dựng hệ thống dẫn đường tích hợp INS/GPS trên cơ sở linh kiện vi cơ điện tử dùng cho các phương tiện giao thông đường bộ" do nghiên cứu sinh Nguyễn Văn Thắng thực hiện tại Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, thuộc chuyên ngành Kĩ thuật điện tử (mã số: 62520203), dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Chử Đức Trình và TS. Trần Đức Tân.

                  +----------------------------------------------+
                  |  HỆ DẪN ĐƯỜNG TÍCH HỢP INS/GPS THƯƠNG MẠI    |
                  +----------------------+-----------------------+
                                         |
                 +-----------------------+-----------------------+
                 |                                               |
                 v                                               v
    +-------------------------+                     +-------------------------+
    | ĐÓNG GÓP 1: CẤP HỆ THỐNG|                     |ĐÓNG GÓP 2: CẤP LINH KIỆN|
    | Thuật toán bám đường    |                     | Cảm biến đo vận tốc góc |
    | STA kết hợp bản đồ số   |                     | vi sai dầm quả trám     |
    +-------------------------+                     +-------------------------+

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong lĩnh vực giao thông đường bộ, nhu cầu định vị và dẫn đường cho phương tiện đòi hỏi tính liên tục và độ chính xác ổn định. Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) cung cấp tọa độ địa lý với độ chính xác cao trong môi trường thoáng đãng nhưng dễ bị suy giảm hoặc mất tín hiệu khi phương tiện di chuyển qua các khu vực bị che chắn như đường hầm, dưới gầm cầu vượt, các tuyến phố hẹp có nhiều nhà cao tầng hoặc cây cối rậm rạp. Nguyên nhân sai số của GPS bao gồm sai số đồng hồ vệ tinh, dữ liệu Ephemeris, trễ tầng đối lưu, trễ tầng điện ly, nhiễu đa đường và sai số từ máy thu.

Ngược lại, hệ dẫn đường quán tính (INS) là hệ thống hoạt động tự trị hoàn toàn, không phụ thuộc vào tín hiệu bên ngoài và có tốc độ cập nhật dữ liệu cao (1/64 giây so với 1 giây của GPS). Tuy nhiên, INS chịu hiện tượng trôi điểm làm việc và tích lũy sai số theo thời gian do các lỗi tất định và ngẫu nhiên của khối đo lường quán tính (IMU) như độ lệch (bias), hệ số tỉ lệ (scale factor), lỗi lắp đặt và trôi nhiệt độ.

Việc tích hợp INS/GPS là giải pháp phối hợp ưu điểm của cả hai hệ thống. Dù vậy, các hệ thống tích hợp INS/GPS thương mại giá thành thấp vẫn bộc lộ sai số lớn khi mất tín hiệu GPS kéo dài. Các giải pháp bổ sung cảm biến phụ trợ (như camera quang học, lidar) hoặc các bộ lọc thích nghi bậc cao thường đòi hỏi năng lực tính toán phức tạp và làm tăng đáng kể chi phí phần cứng. Đồng thời, ở cấp độ linh kiện, các cảm biến đo vận tốc góc kiểu dao động (gyroscope) công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) hiện hữu vẫn chịu ảnh hưởng lớn từ nhiễu đồng pha và sự lệch pha của tín hiệu kích thích đầu vào, làm giảm độ chính xác của khối IMU. Do đó, yêu cầu nghiên cứu đặt ra là:

  1. Xây dựng giải pháp thuật toán tích hợp xử lý dữ liệu đơn giản, kết hợp dữ liệu bản đồ số để duy trì độ chính xác định vị cho hệ thống INS/GPS thương mại khi mất tín hiệu vệ tinh mà không làm tăng giá thành phần cứng.
  2. Thiết kế cấu trúc cảm biến đo vận tốc góc MEMS mới có khả năng tự triệt tiêu nhiễu đồng pha và bù trừ sai lệch pha của tín hiệu kích hoạt.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Luận án xác định hai mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Mục tiêu 1: Nghiên cứu, đề xuất thuật toán mới kết hợp với dữ liệu bản đồ số (Map Matching) nhằm nâng cao chất lượng định vị và dẫn đường cho hệ thống tích hợp INS/GPS thương mại dùng cho phương tiện giao thông đường bộ trong các điều kiện tín hiệu GPS bị gián đoạn.
  2. Mục tiêu 2: Thiết kế và mô phỏng cấu trúc cảm biến đo vận tốc góc kiểu Tuning Fork (TFG) dựa trên công nghệ MEMS với hệ dầm treo vi sai hoạt động theo nguyên lý tương đồng với mạch khuếch đại vi sai điện tử, nhằm bù lệch pha cho tín hiệu kích thích và triệt tiêu nhiễu đồng pha.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống định vị toàn cầu GPS; Hệ dẫn đường quán tính INS; Hệ thống phần cứng tích hợp INS/GPS thương mại; Cảm biến đo vận tốc góc (Gyroscopes) trong khối đo lường quán tính IMU.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Cảm biến đo vận tốc góc cấu trúc MEMS, hiệu ứng tĩnh điện và hệ tụ răng lược, phần mềm mô phỏng phần tử hữu hạn Comsol Multiphysics.
    • Cấu tạo, nguyên lý hoạt động, thuật toán dẫn đường quán tính không đế (Strapdown INS), bộ lọc Kalman tuyến tính và thích nghi, thuật toán khớp bản đồ.
    • Phần cứng thử nghiệm thực tế gồm khối IMU vi cơ MICRO-ISU BP3010, thiết bị thu GPS HI-204E và máy tính nhúng chuyên dụng gắn trên phương tiện đường bộ.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan lịch sử phát triển cho thấy các cảm biến và hệ thống dẫn đường đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển từ cơ học cổ điển đến vi cơ điện tử:

Giai đoạn / Tác giả Công nghệ / Phát minh tiêu biểu Đặc điểm và hạn chế
Leon Foucault (1852) Con quay cơ học cổ điển Khảo sát chuyển động tự quay của Trái Đất dựa trên bảo toàn mômen động lượng
Elmer Sperry (1911) Thiết bị dẫn hướng hàng hải Ứng dụng đĩa quay cơ học cho tàu biển, bom ngư lôi (1920), tên lửa (1930)
Charles Smith (1954), R. Feynman (1959) Hiệu ứng áp điện trở và vi cơ MEMS Khởi nguồn chế tạo vi cảm biến khối (bulk), bề mặt (surface) và công nghệ LIGA
Thập niên 1970 - 1990 Con quay quang học (RLG, FOG) Hiệu ứng Sagnac; độ ổn định cao (sai số < 0,001°/h), dải động 10⁶ nhưng kích thước lớn, giá thành cao
R. E. Kalman (1960) Thuật toán lọc Kalman (KF) Ước lượng trạng thái tối ưu theo mô hình không gian trạng thái rời rạc

Trong hướng nghiên cứu về cảm biến vi cơ dao động TFG, nguyên lý hoạt động dựa trên việc khai thác lực Coriolis để chuyển đổi năng lượng giữa dao động kích thích (drive mode) và dao động cảm ứng (sense mode). Các công trình quốc tế đã tập trung xử lý hiện tượng ghép kênh dao động và nâng cao hệ số phẩm chất Q:

  • Acar và Shkel [7]: Đề xuất cơ cấu ghép dầm cơ học dạng đòn bẩy giúp hai khối gia trọng dao động ngược pha, triệt tiêu dao động tần số thấp không mong muốn.
  • Trusov và cộng sự [9]: Thiết kế cấu trúc TFG 4 khối gia trọng đối xứng cân bằng động làm việc ở tần số 2,2 kHz, đạt hệ số phẩm chất $Q = 0,9 \times 10^6$ cho cả hai chế độ dao động.
  • Nghiên cứu về ảnh hưởng môi trường và độ cứng dầm [6], [50], [72], [89]: Khảo sát sai số do điện dung phi tuyến và lực tĩnh điện bất đối xứng tại các điện cực lược.

Trong hướng nghiên cứu tích hợp INS/GPS và thuật toán dẫn đường:

  • Nâng cao thuật toán lọc: Nghiên cứu của Hide và cộng sự [31], [38] sử dụng hệ số tỉ lệ thích nghi hiệp phương sai; Mohamed và Schwarz [10] áp dụng lọc Kalman thích nghi (AKF) với ma trận $R$ và $Q$ biến đổi; Ding và cộng sự [65] đề xuất bộ lọc thích nghi bậc cao nhưng có độ phức tạp tính toán lớn.
  • Thuật toán khớp bản đồ (Map Matching - MM): Các nghiên cứu của Quddus [66], Newson và Krumm [57] áp dụng mô hình Hidden Markov và logic mờ để định vị xe trên mạng lưới đường phố thương mại của Microsoft [16] và Inrix [41]. Các hệ thống đạt độ chính xác cao cỡ 10 cm của Gao và cộng sự [88], Chen và cộng sự [11] phải bổ sung camera và bộ xử lý hiệu năng cao.
  • Các nghiên cứu trong nước: Viện Tên lửa [5] áp dụng thuật toán Salychev và lọc Kalman 15 trạng thái; Đặng Danh Tịnh [3] nghiên cứu mô phỏng hệ dẫn đường quán tính Strapdown INS; Trần Đức Tân và cộng sự [2] áp dụng mạng Nơron kết hợp INS/GPS/Baro 16 trạng thái cho thiết bị bay; Nguyễn Quang Vịnh [1] nghiên cứu bộ lọc UKF và chống trôi ma trận quay cho MEMS INS 9 bậc tự do.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án giải quyết:

  1. Các nghiên cứu TFG hiện hữu chưa đề xuất được cấu trúc cơ học vi cơ có khả năng tự động triệt tiêu tín hiệu/nhiễu đồng pha và bù sai lệch pha giữa hai tín hiệu kích hoạt đầu vào.
  2. Các hệ thống INS/GPS thương mại chưa có thuật toán bám đường đơn giản, có khả năng tận dụng trực tiếp gia số vận tốc từ IMU và tọa độ tim đường từ bản đồ số để khôi phục chính xác vị trí, vận tốc và góc hướng khi GPS bị mất hoàn toàn tín hiệu mà không cần bổ sung phần cứng phức tạp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và mô hình toán học

Luận án sử dụng các hệ thống lý thuyết và công thức toán học sau:

1. Mô hình không gian trạng thái rời rạc và bộ lọc Kalman tuyến tính

Mô hình toán học của hệ thống tuyến tính rời rạc: $$\mathbf{x}k = \mathbf{A}{k,k-1}\mathbf{x}{k-1} + \mathbf{B}{k,k-1}\mathbf{u}{k-1} + \mathbf{\omega}{k-1}$$ $$\mathbf{z}_k = \mathbf{H}_k\mathbf{x}k + \mathbf{v}k$$ Trong đó $\mathbf{x}k$ là véc tơ trạng thái kích thước $(n \times 1)$; $\mathbf{A}{k,k-1}$ là ma trận chuyển $(n \times n)$; $\mathbf{B}{k,k-1}$ là ma trận đầu vào $(n \times r)$; $\mathbf{\omega}{k-1}$ là nhiễu trắng quá trình với ma trận hiệp phương sai $\mathbf{Q}$; $\mathbf{z}_k$ là véc tơ đo $(m \times 1)$; $\mathbf{H}_k$ là ma trận đo lường; $\mathbf{v}_k$ là nhiễu trắng đo lường với ma trận hiệp phương sai $\mathbf{R}$.

Chu trình tính toán 5 bước của bộ lọc Kalman:

  • Bước 1 (Dự báo trạng thái): $\hat{\mathbf{x}}k^- = \mathbf{A}{k,k-1}\hat{\mathbf{x}}_{k-1}$
  • Bước 2 (Dự báo hiệp phương sai): $\mathbf{P}k^- = \mathbf{A}{k,k-1}\mathbf{P}{k-1}\mathbf{A}{k,k-1}^T + \mathbf{Q}_{k-1}$
  • Bước 3 (Tính hệ số khuếch đại Kalman): $\mathbf{K}_k = \mathbf{P}_k^-\mathbf{H}_k^T[\mathbf{H}_k\mathbf{P}_k^-\mathbf{H}_k^T + \mathbf{R}_k]^{-1}$
  • Bước 4 (Cập nhật trạng thái): $\hat{\mathbf{x}}_k = \hat{\mathbf{x}}_k^- + \mathbf{K}_k[\mathbf{z}_k - \mathbf{H}_k\hat{\mathbf{x}}_k^-]$
  • Bước 5 (Cập nhật hiệp phương sai): $\mathbf{P}_k = [\mathbf{I} - \mathbf{K}_k\mathbf{H}_k]\mathbf{P}_k^-$
              +-----------------------------------------------+
              | BƯỚC 1 & 2: DỰ BÁO (PREDICTION)               |
              | x_k(-) = A * x_(k-1)                          |
              | P_k(-) = A * P_(k-1) * A^T + Q                |
              +-----------------------+-----------------------+
                                      |
                                      v
              +-----------------------------------------------+
              | BƯỚC 3: TÍNH ĐỘ LỢI KALMAN (GAIN)             |
              | K_k = P_k(-) * H^T * [H * P_k(-) * H^T + R]^-1|
              +-----------------------+-----------------------+
                                      |
                                      v
              +-----------------------------------------------+
              | BƯỚC 4 & 5: HIỆU CHỈNH (UPDATE)               |
              | x_k = x_k(-) + K_k * [z_k - H * x_k(-)]       |
              | P_k = [I - K_k * H] * P_k(-)                  |
              +-----------------------------------------------+

Luận án áp dụng phương pháp bảng tra (Look Up Table - LUT) thiết lập quan hệ giữa số lượng vệ tinh quan sát được ($N_0$) từ máy thu GPS và độ lệch chuẩn của vị trí, vận tốc để cập nhật ma trận hiệp phương sai $\mathbf{R}$ cho bộ lọc Kalman thích nghi (AKF).

2. Thuật toán dẫn đường quán tính không đế (Strapdown INS)

Xử lý dữ liệu vận tốc góc ($\omega_{xb}^b, \omega_{yb}^b, \omega_{zb}^b$) và gia tốc ($a_{xb}^b, a_{yb}^b, a_{zb}^b$) qua hai chu kỳ: chu kỳ lấy mẫu cảm biến $h_{N1}$ và chu kỳ tính toán định vị $h_{N3}$ ($h_{N1} < h_{N3}$).

  • Khử sai số tất định cảm biến theo mô hình sai số: $$a_{ib}^b = \Delta a_i + (1 + \delta a_{ii})a_i + \delta a_{ij}a_j$$ $$\omega_{ib}^b = \Delta \omega_i + (1 + \delta \omega_{ii})\omega_i + \delta \omega_{ij}\omega_j + \delta \omega_{ijk}a_j a_k$$
  • Bù lỗi quay hình nón (Coning correction) và bù lỗi vận tốc (Sculling compensation).
  • Tính toán tư thế qua Quaternion ($q_0, q_1, q_2, q_3$), xác định ma trận chuyển hệ tọa độ từ vật thể sang hệ định vị $\mathbf{C}_b^N$ và hệ tọa độ Trái Đất $\mathbf{B}_N^E$, từ đó tính các góc Roll ($\gamma$), Pitch ($\theta$), Yaw ($\psi$) và vận tốc trong hệ định vị ($V_N, V_E, V_D$).

3. Lý thuyết tĩnh điện và động lực học vi cơ

  • Lực tĩnh điện Coulomb giữa hai bản cực tụ điện: $F = k\frac{q_1 q_2}{r^2}$ với $k = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \approx 9 \times 10^9 \text{ Nm}^2/\text{C}^2$, $\varepsilon_0 = 8,854 \times 10^{-12} \text{ F/m}$.
  • Năng lượng điện trường và các thành phần lực trong bộ kích thích răng lược (comb-drive): $$C = \frac{\varepsilon_0 \varepsilon A_0}{d_0}, \quad E = \frac{1}{2}CV^2$$
    • Lực tiếp tuyến: $F_t = \frac{\partial E}{\partial x} = \frac{1}{2}\frac{\varepsilon_0 \varepsilon h}{d_0}V^2$ (đóng vai trò lực kích thích dao động).
    • Lực pháp tuyến: $F_n = \frac{\partial E}{\partial d} = -\frac{1}{2}\frac{\varepsilon_0 \varepsilon A_0}{d_0^2}V^2$.
  • Lực Coriolis xuất hiện khi có vận tốc góc quay $\mathbf{\Omega}$: $\mathbf{F}_c = 2 m (\mathbf{v} \times \mathbf{\Omega})$.

Phương pháp nghiên cứu và nguồn dữ liệu

  • Phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM): Sử dụng phần mềm Comsol Multiphysics để mô hình hóa hình học 3D, phân tích tần số dao động riêng (eigenfrequency analysis), khảo sát các mode dao động (mode kích thích và các mode ký sinh), phân tích đáp ứng quá độ cơ học dưới các dạng kích thích vận tốc góc hình sin, tam giác và hình thang.
  • Phương pháp thực nghiệm thực địa: Tích hợp hệ thống phần cứng trên ô tô thử nghiệm, chạy trên các cung đường thực tế; thu thập dữ liệu thô từ GPS và IMU ở tần số 64 Hz qua cổng RS232, đưa vào máy tính chuyên dụng để kiểm chứng thuật toán STA so sánh với quỹ đạo thực tế chuẩn.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: TỔNG QUAN

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về cảm biến quán tính và các phương thức định vị dẫn đường:

  • Trình bày lịch sử phát triển của công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) từ phát hiện của Charles Smith (1954), ý tưởng của Richard Feynman (1959) đến các kỹ thuật vi chế tạo (bulk micromachining, surface micromachining, LIGA).
  • Phân loại và so sánh 3 nhóm con quay hồi chuyển chính: con quay cơ học cổ điển, con quay quang học (con quay sợi quang FOG, con quay laser vòng RLG với độ trôi sai số dưới $0,001^\circ/\text{h}$) và con quay dao động MEMS (TFG).
  • Phân tích nguyên nhân suy giảm độ chính xác của GPS trong đô thị và sự tích lũy sai số theo thời gian của INS do trôi dạt cảm biến.
  • Khảo sát các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về bộ lọc Kalman thích nghi, các kỹ thuật điều khiển phân tán và thuật toán khớp bản đồ (Map Matching).
  • Xác lập hai giải pháp trọng tâm của luận án: phát triển thuật toán bám đường STA trên dữ liệu bản đồ số cho hệ thống INS/GPS thương mại và thiết kế cấu trúc cảm biến đo vận tốc góc vi sai kiểu Tuning Fork dầm quả trám.

Chương 2: HỆ DẪN ĐƯỜNG TÍCH HỢP INS/GPS VÀ CÁC BIỆN PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG

Chương 2 tập trung vào giải pháp nâng cấp hệ thống định vị ở cấp độ thuật toán và thực nghiệm:

  • Cấu trúc GPS và INS: Phân tích cấu trúc hệ thống GPS gồm 27 vệ tinh (24 vệ tinh hoạt động, 3 vệ tinh dự phòng) trên độ cao 19.200 km cùng 5 trạm điều khiển mặt đất (1 trạm chủ, 4 trạm giám sát); phân tích cấu trúc khối IMU kiểu không đế (Strapdown) gồm 3 cảm biến gia tốc và 3 cảm biến vận tốc góc.
  • Phương thức tích hợp: So sánh 3 cấu hình tích hợp:
    • Kết hợp lỏng (Loosely coupled): Bộ xử lý định vị kết hợp trực tiếp tọa độ/vận tốc từ GPS với dữ liệu INS qua bộ lọc Kalman.
    • Kết hợp chặt (Tightly coupled): Đưa trực tiếp dữ liệu đo thô (pseudo-range, pseudo-range rate) từ bộ xử lý đo lường GPS vào bộ lọc tích hợp.
    • Kết hợp chặt phát triển (Ultra-tightly coupled): Tín hiệu định vị tích hợp tại thời điểm $t$ được phản hồi ngược về vòng bám của bộ thu GPS ở thời điểm $t+1$.
  • Kỹ thuật điều chỉnh lỗi: So sánh cấu hình vòng hở (open-loop) và vòng kín (closed-loop). Cấu hình vòng kín đưa tín hiệu ước lượng sai số từ bộ lọc Kalman quay về hiệu chỉnh trực tiếp khối INS.
                    +------------------------------------+
                    |        BẢN ĐỒ SỐ ĐÔ THỊ            |
                    |   (Tọa độ tim đường tham chiếu)    |
                    +-----------------+------------------+
                                      |
                                      v
+-------------+  Gia số vận tốc +---------------+ Vị trí hiệu chỉnh +-------------+
|  KHỐI IMU   |---------------->| THUẬT TOÁN    |------------------>| ĐẦU RA DẪN  |
| MICRO-ISU   |                 | BÁM ĐƯỜNG STA |                   | ĐƯỜNG CHÍNH |
|   BP3010    |                 +---------------+                   |   XÁC CAO   |
+-------------+                        ^                            +-------------+
                                       |
+-------------+   Mất tín hiệu GPS     |
| BỘ THU GPS  |------------------------+
|   HI-204E   |
+-------------+
  • Hệ thống phần cứng thực nghiệm:
    • Khối IMU vi cơ MICRO-ISU BP3010: tích hợp 3 cảm biến vận tốc góc ADXR300 ($\pm 300^\circ/\text{s}$) và 3 cảm biến gia tốc ADXL210E ($\pm 6\text{g}$), làm việc trong dải nhiệt độ $-40^\circ\text{C}$ đến $+85^\circ\text{C}$, mạch tích phân 6 đường xuất dữ liệu qua giao tiếp RS232 ở tần số 64 Hz.
    • Thiết bị thu GPS HI-204E.
    • Máy tính nhúng thu thập và xử lý tín hiệu theo thời gian thực.
  • Thuật toán bám đường STA (Street Tracking Algorithm):
    • Khi GPS mất tín hiệu, STA sử dụng các gia số vận tốc do IMU cung cấp, chiếu lên hướng của đoạn đường hiện tại lấy từ bản đồ số để tính quãng đường di chuyển thực tế.
    • Vị trí tính toán được ép nằm trên tim đường của bản đồ số, triệt tiêu hoàn toàn sự lệch phương ngang tích lũy của INS.
    • Tọa độ vị trí hiệu chỉnh từ STA được phản hồi ngược lại để căn chỉnh ma trận lỗi vận tốc hướng Bắc ($V_N$), vận tốc hướng Đông ($V_E$) và góc hướng ($\psi$) của thuật toán INS.
  • Kết quả thực nghiệm hiện trường: Các đồ thị quỹ đạo chuyển động, vận tốc $V_E$, $V_N$ và góc hướng $\psi$ khi có STA bám sát tuyến đường chuẩn thực tế, trong khi hệ thống không có STA bị phân kỳ và lệch xa khỏi tuyến đường do lỗi tích lũy cảm biến.

Chương 3: CẤU TRÚC CẢM BIẾN ĐO VẬN TỐC GÓC KIỂU VI SAI

Chương 3 trình bày giải pháp nâng cấp ở cấp độ linh kiện vi cơ:

  • Ý tưởng thiết kế vi sai cơ học: Dựa trên nguyên lý của mạch khuếch đại vi sai điện tử gồm 2 transistor BJT và một nguồn dòng không đổi (có tính chất triệt tiêu tín hiệu đồng pha $V_{in1} = V_{in2}$, khuếch đại tín hiệu ngược pha $V_{in1} = -V_{in2}$), tác giả đề xuất cấu trúc Tuning Fork Gyroscope (TFG) với hai khối gia trọng dao động được liên kết qua hệ dầm treo hình quả trám.
       MẠCH VI SAI ĐIỆN TỬ BJT                     CẢM BIẾN TFG VI SAI ĐỀ XUẤT
     +--------------------------+                 +-----------------------------+
     |  2 Transistor đối xứng   |  <===========>  | 2 Khối gia trọng (md, ms)   |
     |  + Nguồn dòng không đổi  |    Tương đồng   | + Hệ dầm liên kết quả trám  |
     +--------------------------+    nguyên lý    +-----------------------------+
     | - Triệt tiêu áp đồng pha |                 | - Triệt tiêu nhiễu đồng pha |
     | - Khuếch đại áp ngược pha|                 | - Bù lệch pha kích thích phi|
     +--------------------------+                 +-----------------------------+
  • Mô hình toán học và kích thước cấu trúc:
    • Khối lượng khung kích thích $m_d$, khối lượng khung cảm ứng $m_s$.
    • Độ cứng dầm treo theo trục kích thích $K_d$ (trục x) và trục cảm ứng $K_s$ (trục y).
    • Hệ lò xo dầm treo liên kết hình quả trám có độ cứng $K_{dTFG}$.
    • Bộ kích thích kiểu răng lược tĩnh điện với các tham số khe hở không khí $d_0$, độ dày $h$, diện tích đối diện $A_0$.
  • Khảo sát mô phỏng trên Comsol Multiphysics:
    • Thiết kế và phân tích 3 cấu trúc hình học vi sai (TFG 1, TFG 2, TFG 3) với các thông số kích thước dầm liên kết hình quả trám khác nhau.
    • Phân tích phổ tần số dao động riêng (eigenfrequency) để tách biệt tần số mode kích thích mong muốn khỏi các mode dao động ký sinh không mong muốn.
    • Khảo sát mối quan hệ giữa độ lệch pha điện của hai tín hiệu kích thích đầu vào $\varphi$ và độ lệch pha rung cơ học của hai khung kích thích $\varphi_1$. Kết quả chỉ ra rằng cấu trúc dầm quả trám có khả năng giữ cho hai khung dao động ở trạng thái ngược pha chuẩn ($\varphi_1 \approx 180^\circ$) ngay cả khi tín hiệu điện áp kích thích bị lệch pha một góc nhất định.
    • Đánh giá độ dịch chuyển của khung cảm ứng khi có vận tốc góc đầu vào thay đổi theo quy luật hàm sin, tam giác và hình thang, xác nhận tính tuyến tính và độ nhạy đáp ứng của cảm biến.

Kết quả và những đóng góp mới

Những kết quả và đóng góp mới của luận án

Luận án đạt được hai đóng góp mới chính:

                      +------------------------------------------+
                      |   CÁC ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN TIẾN SĨ   |
                      +--------------------+---------------------+
                                           |
                 +-------------------------+-------------------------+
                 |                                                   |
                 v                                                   v
+---------------------------------+                 +---------------------------------+
|        ĐÓNG GÓP THỨ NHẤT        |                 |        ĐÓNG GÓP THỨ HAI         |
| Thuật toán bám đường STA        |                 | Cảm biến đo vận tốc góc vi sai  |
| - Kết hợp IMU và bản đồ số      |                 | - Dầm liên kết hình quả trám    |
| - Khắc phục trôi điểm khi mất   |                 | - Triệt tiêu nhiễu đồng pha     |
|   tín hiệu GPS trong đô thị     |                 | - Bù lệch pha kích thích phi    |
+---------------------------------+                 +---------------------------------+
  1. Về mặt giải pháp hệ thống và thuật toán:
    • Đề xuất và hiện thực hóa thành công "Thuật toán bám đường STA (Street Tracking Algorithm)" kết hợp dữ liệu bản đồ số cho hệ dẫn đường tích hợp INS/GPS thương mại.
    • Thuật toán giải quyết triệt để hiện tượng tích lũy sai số trôi vị trí của INS khi phương tiện di chuyển trong điều kiện mất tín hiệu GPS hoàn toàn, đồng thời cung cấp thông tin phản hồi để hiệu chỉnh sai số vận tốc và góc hướng của phương tiện mà không đòi hỏi nâng cấp phần cứng xử lý đắt tiền.
  2. Về mặt cấu trúc linh kiện vi cơ:
    • Đề xuất cấu trúc cảm biến đo vận tốc góc hai khối gia trọng kiểu Tuning Fork (TFG) tích hợp hệ dầm treo liên kết hình quả trám hoạt động trên nguyên lý tĩnh điện vi sai (tương đồng với mạch khuếch đại vi sai điện tử).
    • Chứng minh qua mô phỏng phần tử hữu hạn khả năng bù lệch pha cơ học giữa hai khung kích thích khi tín hiệu điện áp kích hoạt bị lệch pha, triệt tiêu các dao động nhiễu đồng pha và nâng cao độ nhạy của tín hiệu cảm ứng Coriolis.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất từ luận án

  • Ứng dụng thuật toán STA vào các thiết bị định vị thương mại sẵn có trên xe khách, xe tải, xe cho thuê tự lái và thiết bị giám sát hành trình giao thông đường bộ để nâng cao độ tin cậy định vị trong hầm và đô thị dày đặc.
  • Sử dụng mô hình thiết kế cảm biến TFG vi sai dầm quả trám làm cơ sở để tiến hành chế tạo thử nghiệm trên dây chuyền công nghệ vi cơ MEMS (silicon micromachining).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên phạm vi và nội dung thực hiện trong văn bản luận án, các hạn chế và định hướng phát triển tiếp theo được xác định như sau:

Hạng mục Hiện trạng trong luận án Hạn chế ghi nhận Hướng nghiên cứu tiếp theo
Cảm biến vi cơ TFG Thiết kế lý thuyết và mô phỏng phần tử hữu hạn trên Comsol Multiphysics Chưa được chế tạo thực tế trong phòng sạch vi cơ và chưa đóng vỏ thử nghiệm phần cứng Chế tạo mẫu vật lý chip cảm biến TFG vi sai dầm quả trám trên công nghệ MEMS Silicon và đóng gói mạch vi điện tử đọc tín hiệu
Thuật toán STA Thử nghiệm trên các lộ trình giao thông thực địa với bản đồ số 2D Chưa đánh giá trên các mạng lưới giao thông đa tầng phức tạp (nhiều tầng cầu vượt đan xen, hầm chui ngầm nhiều nhánh) Mở rộng thuật toán STA cho không gian 3D, tích hợp bản đồ số độ phân giải cao và các nút giao cắt đa tầng
Hệ thống tích hợp Tích hợp lỏng giữa khối MICRO-ISU BP3010 và máy thu GPS HI-204E Năng lực bộ thu GPS thương mại phụ thuộc vào số lượng vệ tinh khả dụng Thử nghiệm thuật toán với các chuẩn GNSS đa tần (Galileo, GLONASS, BeiDou) và cấu hình kết hợp chặt (tightly coupled)

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên ngành trong các lĩnh vực:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử, Viễn thông, Tự động hóa và Vi cơ điện tử (MEMS): Cung cấp tài liệu chi tiết về phương pháp thiết kế cảm biến cơ điện tử dao động, kỹ thuật giải bài toán ghép đa vật lý điện - cơ trong phần mềm Comsol Multiphysics, phương pháp giải bài toán dẫn đường quán tính Strapdown INS (xử lý lỗi quay hình nón Coning, lỗi Sculling, đại số Quaternion).
  • Kỹ sư phát triển hệ thống nhúng và giao thông thông minh (ITS): Cung cấp thuật toán tích hợp INS/GPS, phương pháp ứng dụng bảng tra LUT cho bộ lọc Kalman thích nghi, lưu đồ thực thi thuật toán bám đường STA có thể nạp trực tiếp vào các vi điều khiển và máy tính nhúng thương mại giá thành thấp để nâng cao độ chính xác giám sát phương tiện.

Câu hỏi thường gặp

1. Khối phần cứng đo lường quán tính (IMU) sử dụng trong thực nghiệm của luận án có cấu hình và thông số kỹ thuật như thế nào?

Khối IMU thực nghiệm là MICRO-ISU BP3010 chế tạo theo công nghệ MEMS, gồm 3 cảm biến đo vận tốc góc ADXR300 và 3 cảm biến đo gia tốc ADXL210E có tích hợp bù nhiệt. Khối có 6 bậc tự do, hoạt động trong dải nhiệt độ từ $-40^\circ\text{C}$ đến $+85^\circ\text{C}$, dải đo vận tốc góc đạt $\pm 300^\circ/\text{s}$, dải đo gia tốc đạt $\pm 6\text{g}$. Dữ liệu được đưa qua mạch tích phân 6 đường và truyền thông qua giao tiếp RS232 với các mức tần số cập nhật 8 Hz, 16 Hz, 32 Hz và 64 Hz (mức 64 Hz được dùng cho xử lý thời gian thực).

2. Thuật toán bám đường (STA) xử lý như thế nào để duy trì định vị chính xác khi tín hiệu GPS bị mất hoàn toàn?

Khi GPS mất tín hiệu, thuật toán STA ngắt việc cập nhật từ GPS và chuyển sang sử dụng dữ liệu gia số vận tốc tính toán từ khối vi cơ IMU kết hợp với cơ sở dữ liệu tọa độ tim đường từ bản đồ số. STA xác định quãng đường xe chạy trên trục đường hiện tại và gán tọa độ ước lượng trùng với quỹ đạo tim đường thực tế, từ đó triệt tiêu sai số trôi phương ngang của INS. Đồng thời, thông tin vị trí chuẩn xác này được đưa vào mô hình trạng thái để hiệu chỉnh lại các sai số vận tốc hướng Bắc ($V_N$), vận tốc hướng Đông ($V_E$) và góc hướng ($\psi$) trong thuật toán INS.

3. Ý tưởng thiết kế cảm biến đo vận tốc góc kiểu vi sai trong Chương 3 bắt nguồn từ nguyên lý nào?

Cảm biến đo vận tốc góc kiểu Tuning Fork (TFG) vi sai được thiết kế dựa trên sự tương đồng nguyên lý với mạch khuếch đại vi sai điện tử sử dụng 2 transistor BJT và một nguồn dòng không đổi. Trong cấu trúc cơ học vi cơ đề xuất, hai khối gia trọng dao động được liên kết với nhau bằng hệ dầm treo hình quả trám. Cấu trúc này đóng vai trò như nguồn dòng định mức, giúp cảm biến tự động bù trừ góc lệch pha của hai tín hiệu điện áp kích hoạt đầu vào, triệt tiêu dao động đồng pha và khuếch đại chế độ dao động ngược pha theo phương cảm ứng Coriolis.

4. Hệ thống vệ tinh GPS được mô tả trong luận án gồm bao nhiêu vệ tinh và hoạt động ở độ cao nào?

Hệ thống GPS bao gồm 27 vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo Trái Đất ở độ cao khoảng 19.200 km, trong đó có 24 vệ tinh hoạt động thường trực và 3 vệ tinh hoạt động dự phòng. Để xác định tọa độ của một vật thể trên mặt đất, máy thu cần quan sát được tối thiểu 3 vệ tinh; đối với vật thể chuyển động trong không gian cần tối thiểu 4 vệ tinh. Hệ thống điều khiển mặt đất gồm 5 trạm (1 trạm chủ và 4 trạm giám sát tự động).

5. Sự khác biệt giữa phương thức kết hợp lỏng (loosely coupled) và kết hợp chặt (tightly coupled) trong hệ tích hợp INS/GPS là gì?

Trong phương thức kết hợp lỏng, thông tin đầu ra đã qua xử lý định vị của bộ thu GPS (vị trí $P_{GPS}$, vận tốc $V_{GPS}$) được đưa vào bộ lọc Kalman cùng với dữ liệu vị trí và vận tốc tính từ INS để ước lượng sai số. Trong phương thức kết hợp chặt, bộ xử lý định vị lấy trực tiếp dữ liệu đo thô (pseudo-range và pseudo-range rate) chưa qua giải bài toán định vị từ bộ xử lý đo lường của máy thu GPS để phối hợp với dữ liệu INS trong bộ lọc Kalman.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Văn Thắng đã giải quyết đồng thời hai bài toán nâng cao chất lượng định vị dẫn đường ở cấp độ hệ thống và cấp độ linh kiện vi cơ. Ở cấp độ hệ thống, việc đề xuất thuật toán bám đường STA kết hợp bản đồ số đã khắc phục được hiện tượng trôi sai số của hệ tích hợp INS/GPS thương mại khi mất tín hiệu vệ tinh. Ở cấp độ linh kiện, cấu trúc cảm biến đo vận tốc góc TFG vi sai với dầm liên kết hình quả trám mô phỏng trên Comsol Multiphysics đã chứng minh khả năng tự triệt tiêu nhiễu đồng pha và bù sai lệch pha kích thích. Các kết quả nghiên cứu đóng góp cơ sở khoa học và giải pháp kỹ thuật thiết thực cho lĩnh vực định vị dẫn đường của phương tiện giao thông đường bộ.