Luận văn thạc sĩ vnu uet nghiên cứu phát triển phần mềm tích hợp gps và cảm biến trên điện thoại cho các phương tiện đường thủy

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích vnu uet nghiên cứu phát triển phần mềm tích hợp gps và cảm biến trên điện thoại cho các phương tiện, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề

• Tác giả: Vũ Quang Tạo
• Người hướng dẫn: PGS.TS Trần Đức Tân
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
• Đề tài: Nghiên cứu phát triển phần mềm tích hợp GPS và cảm biến cho phương tiện đường thủy
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT
• 1.1. TẦM QUAN TRỌNG CỦA ĐỊNH VỊ TRÊN GIAO THÔNG ĐƯỜNG THỦY
• 1.2. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS
• 1.2.1. Lịch sử phát triển
• 1.2.2. Cấu trúc hệ thống GPS
• 1.3. NGUYÊN LÝ ĐỊNH VỊ GPS
• 1.3.1. Nguyên lý định vị tuyệt đối
• 1.3.2. Nguyên lý định vị tương đối
• 1.3.3. Các nguồn sai số trong kết quả đo GPS
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC THÀNH PHẦN ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG ỨNG DỤNG
• 2.1. THÀNH PHẦN PHẦN CỨNG
• 2.1.1. Cảm biến gia tốc (Accelerometer) trên điện thoại
• 2.1.2. Cảm biến con quay hồi chuyển (Gyroscope) trên điện thoại
• 2.1.3. Cảm biến la bàn (Compass)
• 2.2. THÀNH PHẦN PHẦN MỀM
• 2.2.1. Hệ điều hành Android
• 2.2.2. Google APIs - Giao diện lập trình ứng dụng
• 2.2.3. Google Location Service API – Lấy vị trí trên thiết bị Android
• 2.3. BỘ LỌC BÙ
• 2.3.1. Xác định va chạm
• 2.3.2. Lưu lại các hành trình đã đi
• 2.4. CÁC TÍNH NĂNG CỦA HỆ THỐNG
• 2.4.1. Định vị vị trí phương tiện
• 2.4.2. Lưu lại hành trình trong khoảng thời gian nhất định
• 2.4.3. Lưu lại lịch sử đường đi
• 2.4.4. Cảnh báo va chạm
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT
• 3.1. KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM BỘ LỌC BÙ
• 3.2. CÁC TÍNH NĂNG CỦA PHẦN MỀM ĐÃ ĐẠT ĐƯỢC
• 3.3. HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu phát triển phần mềm GPS cho phương tiện đường thủy

Nghiên cứu phát triển phần mềm tích hợp GPS và cảm biến cho phương tiện đường thủy đang trở thành một xu hướng quan trọng trong ngành công nghệ. Hệ thống định vị toàn cầu GPS giúp xác định vị trí chính xác cho các phương tiện di chuyển trên mặt nước. Việc tích hợp các cảm biến như cảm biến gia tốc và con quay hồi chuyển sẽ nâng cao độ chính xác và hiệu quả trong việc điều hướng.

1.1. Lịch sử phát triển công nghệ GPS trong giao thông đường thủy

Công nghệ GPS đã được phát triển từ những năm 1970 và đã trở thành một phần không thể thiếu trong giao thông đường thủy. Hệ thống này giúp cải thiện khả năng định vị và giảm thiểu tai nạn trên sông ngòi.

1.2. Tầm quan trọng của phần mềm GPS cho phương tiện đường thủy

Phần mềm GPS cho phương tiện đường thủy không chỉ giúp xác định vị trí mà còn cung cấp thông tin về tốc độ, hướng di chuyển và các cảnh báo an toàn, từ đó nâng cao hiệu quả vận hành.

II. Vấn đề và thách thức trong việc tích hợp GPS và cảm biến cho phương tiện đường thủy

Mặc dù công nghệ GPS mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số vấn đề và thách thức trong việc tích hợp với các cảm biến. Các yếu tố như thời tiết xấu, nhiễu tín hiệu và sai số trong quá trình đo đạc có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của hệ thống.

2.1. Sai số trong định vị GPS và cách khắc phục

Sai số trong định vị GPS có thể do nhiều nguyên nhân như dữ liệu Ephemeris, đồng hồ vệ tinh và nhiễu đa đường. Việc sử dụng bộ lọc Kalman có thể giúp giảm thiểu sai số này.

2.2. Thách thức trong việc sử dụng cảm biến cho phương tiện đường thủy

Cảm biến như gia tốc kế và con quay hồi chuyển có thể gặp khó khăn trong việc hoạt động chính xác trong điều kiện môi trường khắc nghiệt. Cần có các giải pháp để tối ưu hóa hiệu suất của chúng.

III. Phương pháp tích hợp GPS và cảm biến cho phương tiện đường thủy

Để phát triển phần mềm tích hợp GPS và cảm biến, cần áp dụng các phương pháp hiện đại trong xử lý tín hiệu và thuật toán định vị. Việc sử dụng smartphone như một thiết bị tích hợp là một giải pháp khả thi.

3.1. Sử dụng smartphone làm thiết bị định vị

Smartphone có khả năng tích hợp GPS và các cảm biến khác, giúp giảm chi phí và tăng tính linh hoạt cho các phương tiện đường thủy.

3.2. Ứng dụng bộ lọc Kalman trong xử lý tín hiệu

Bộ lọc Kalman giúp cải thiện độ chính xác của dữ liệu GPS bằng cách kết hợp thông tin từ nhiều cảm biến khác nhau, từ đó cung cấp thông tin định vị chính xác hơn.

IV. Ứng dụng thực tiễn của phần mềm GPS cho phương tiện đường thủy

Phần mềm GPS tích hợp cảm biến đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực như vận tải hàng hóa, du lịch và cứu hộ trên sông. Những ứng dụng này không chỉ nâng cao hiệu quả mà còn đảm bảo an toàn cho người sử dụng.

4.1. Ứng dụng trong vận tải hàng hóa

Hệ thống GPS giúp theo dõi và quản lý lộ trình của tàu hàng, từ đó tối ưu hóa thời gian và chi phí vận chuyển.

4.2. Ứng dụng trong cứu hộ và cứu nạn

Công nghệ GPS cho phép xác định nhanh chóng vị trí của các phương tiện gặp nạn, từ đó hỗ trợ kịp thời trong các tình huống khẩn cấp.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu phát triển phần mềm GPS cho phương tiện đường thủy

Nghiên cứu phát triển phần mềm tích hợp GPS và cảm biến cho phương tiện đường thủy đang mở ra nhiều cơ hội mới. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ mang lại những cải tiến đáng kể trong an toàn và hiệu quả vận hành.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ GPS trong tương lai

Công nghệ GPS sẽ tiếp tục phát triển với sự xuất hiện của các vệ tinh mới và các thuật toán tiên tiến, giúp nâng cao độ chính xác và độ tin cậy.

5.2. Tầm nhìn về giao thông đường thủy thông minh

Giao thông đường thủy thông minh sẽ sử dụng công nghệ GPS và cảm biến để tối ưu hóa lộ trình, giảm thiểu tai nạn và nâng cao trải nghiệm người dùng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống giao thông đường thủy nội địa Việt Nam sở hữu mạng lưới tự nhiên vô cùng rộng lớn với khoảng 2.360 con sông và kênh đào, đạt tổng chiều dài lên tới 220.900 km. Tuy nhiên, hiện nay mới chỉ có khoảng 7%, tương đương 15.436 km, được đưa vào diện quản lý và khai thác chính thức, phân bổ qua 65 tuyến đường thủy phía Bắc, 21 tuyến miền Trung và 101 tuyến phía Nam. Khác với vận tải hàng hải quốc tế luôn tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn an toàn của Tổ chức Hàng hải Quốc tế, phần lớn phương tiện thủy nội địa tại Việt Nam chưa được trang bị thiết bị định vị chuyên dụng do rào cản chi phí. Người điều khiển phương tiện chủ yếu dựa vào kinh nghiệm truyền thống, dẫn đến rủi ro tai nạn rất cao khi gặp thời tiết xấu hoặc lưu thông qua các luồng hỗn hợp phức tạp.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm là khắc phục sự gián đoạn và sai số định vị GPS gây ra bởi 6 nguồn lỗi cơ bản: dữ liệu lịch thiên văn, sai số đồng hồ vệ tinh, trễ tầng điện ly, trễ tầng đối lưu, hiện tượng đa đường và đặc tính máy thu. Nhằm giải quyết bài toán này với chi phí tối ưu, nghiên cứu tập trung phát triển ứng dụng di động BoatSafe trên hệ điều hành Android. Mục tiêu cụ thể là tích hợp bộ thu GPS với các cảm biến quán tính sẵn có trên điện thoại thông minh gồm cảm biến gia tốc, con quay hồi chuyển và la bàn số thông qua bộ lọc bù thời gian thực.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm tại Hà Nội trong giai đoạn năm 2018 đến năm 2019 với tần số lấy mẫu cảm biến 50 Hz. Kết quả mang lại ý nghĩa thực tiễn lớn khi cung cấp giải pháp giám sát hành trình với chu kỳ cập nhật 5 giây, tích hợp thuật toán phát hiện va chạm tự động theo ngưỡng gia tốc suy giảm 2g và kích hoạt cuộc gọi cứu hộ khẩn cấp sau 60 giây xác thực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn xây dựng trên nền tảng kết hợp giữa lý thuyết định vị không gian và kỹ thuật xử lý tín hiệu cảm biến vi cơ điện tử:

• Lý thuyết định vị vệ tinh tuyệt đối: Xác định tọa độ anten máy thu trong hệ quy chiếu không gian WGS-84 thông qua bài toán giao hội nghịch. Khoảng cách giả từ máy thu tới tối thiểu 4 vệ tinh được tính toán nhằm triệt tiêu sai số đồng hồ. Chất lượng hình học của chùm vệ tinh được kiểm soát thông qua hệ số suy giảm độ chính xác vị trí với yêu cầu chỉ số PDOP phải nhỏ hơn 6 nhằm đảm bảo độ tin cậy.
• Nguyên lý cảm biến quán tính và hiệu ứng Coriolis: Con quay hồi chuyển vi cơ điện tử hoạt động dựa trên việc đo lực quán tính Coriolis xuất hiện khi khối lượng rung chuyển động trong hệ quy chiếu quay, cho phép trích xuất vận tốc góc theo 3 trục nghiêng, cuộn và xoay. Cảm biến gia tốc 3 trục ghi nhận biến thiên điện dung tỷ lệ với gia tốc trọng trường và gia tốc chuyển động.
• Mô hình bộ lọc bù kết hợp lọc số IIR: Cấu trúc bộ lọc bù kết hợp một bộ lọc thông thấp bậc một nhằm trích xuất thành phần hướng ổn định dài hạn từ la bàn từ và một bộ lọc thông cao bậc một để tích phân vận tốc góc ngắn hạn từ con quay hồi chuyển, loại trừ triệt để hiện tượng trôi dạt góc theo thời gian.
• Khái niệm căn bậc hai trung bình bình phương gia tốc: Đại lượng đặc trưng cho cường độ gia tốc tổng hợp trên không gian 3 chiều, làm cơ sở toán học để nhận diện va chạm đột ngột của phương tiện.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập trực tiếp từ các cảm biến phần cứng của điện thoại thông minh chạy hệ điều hành Android phiên bản API 28, bao gồm chuỗi dữ liệu gia tốc 3 trục, vận tốc góc, góc từ trường và tọa độ địa lý trích xuất qua Google Play Services Location API kết hợp Android Location API truyền thống.

Phương pháp phân tích dựa trên xử lý tín hiệu số thời gian thực. Tín hiệu gia tốc thô được tiền xử lý qua bộ lọc số đáp ứng xung vô hạn IIR với hằng số thời gian tối ưu hóa đạt 0,15 giây nhằm triệt tiêu xung nhiễu cơ học tần số cao mà vẫn bảo toàn biên độ đỉnh. Thuật toán hợp nhất dữ liệu thực thi phương trình sai phân bộ lọc bù để tính toán góc hướng phương tiện liên tục theo chu kỳ trích mẫu.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm hàng chục nghìn điểm đo cảm biến được ghi nhận liên tục ở tần số trích mẫu 50 Hz qua 5 kịch bản chuyển động điển hình: trạng thái tĩnh trên mặt bàn, chuyển động tịnh tiến thẳng, chuyển động quay tròn 360 độ quanh tâm, chuyển động theo quỹ đạo hình chữ nhật lặp lại 3 chu kỳ, và kịch bản mô phỏng va chạm đột ngột. Phương pháp lấy mẫu thực nghiệm đa kịch bản được lựa chọn vì cho phép kiểm chứng độ hội tụ và tính ổn định của thuật toán trên môi trường thực tế, đồng thời tối ưu hóa tài nguyên tính toán để ứng dụng vận hành mượt mà mà không làm tiêu hao quá nhiều dung lượng pin thiết bị. Toàn bộ quá trình thu thập và tinh chỉnh tham số được hoàn thành trong niên khóa 2018 - 2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình khảo sát thực nghiệm phần mềm BoatSafe mang lại nhiều kết quả định lượng nổi bật:

• Khả năng ổn định góc hướng qua bộ lọc bù: Khi thiết bị ở trạng thái tĩnh hoặc chuyển động thẳng đều, góc hướng ngõ ra duy trì đường đặc tuyến phẳng với độ lệch góc không đáng kể dưới 0,5 độ. Trong thử nghiệm chuyển động quay tròn và quay tại chỗ quanh tâm, biểu đồ góc phản ánh chính xác chu kỳ quay 360 độ với giá trị góc cực đại và cực tiểu chênh lệch xấp xỉ từ -179,3 độ đến +179,2 độ. Góc điểm đầu và điểm cuối sau khi hoàn thành chu kỳ lệch nhau rất nhỏ, chỉ trong khoảng từ 95 độ đến 97,47 độ, chứng minh sai số tích lũy được kiểm soát dưới 2,5%.
• Hiệu quả tiền xử lý tín hiệu gia tốc: Dữ liệu gia tốc 3 trục ban đầu xuất hiện dao động nhiễu dày đặc. Sau khi đi qua bộ lọc thông thấp IIR với hằng số thời gian 0,15 giây, hơn 85% biên độ nhiễu ngẫu nhiên đã được triệt tiêu hoàn toàn, tạo ra các đường tín hiệu gia tốc mượt mà và ổn định.
• Độ chính xác nhận diện va chạm: Tại thời điểm xảy ra va chạm mạnh, giá trị gia tốc tổng hợp RMS ghi nhận mức sụt giảm đột ngột vượt quá ngưỡng 2g, tương đương khoảng 19,6 mét trên giây bình phương. Thuật toán phân biệt chính xác giữa va chạm thực tế và các rung lắc thông thường, kích hoạt hộp thoại xác nhận 60 giây đạt độ chính xác 100% trong môi trường kiểm thử.
• Tính năng giám sát hành trình và xử lý mất tín hiệu: Ứng dụng tự động lưu trữ tọa độ vào cơ sở dữ liệu định kỳ mỗi 5 giây. Khi phương tiện đi vào vùng mất sóng GPS, hệ thống duy trì hiển thị tuyến đường bằng nét đứt nối hai điểm tọa độ hợp lệ gần nhất, giúp hành trình không bị gián đoạn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân tạo nên sự vượt trội của giải pháp nằm ở cơ chế bù trừ thông minh giữa hai loại cảm biến: con quay hồi chuyển có độ phản hồi cực nhanh trong ngắn hạn nhưng bị trôi sai số tích phân theo thời gian, trong khi la bàn từ có độ chính xác dài hạn nhưng lại rất nhạy cảm với nhiễu từ trường cục bộ. Bộ lọc bù kết hợp hai nguồn dữ liệu này đã giải quyết triệt để nhược điểm của từng cảm biến đơn lẻ.

So với việc chỉ sử dụng định vị GPS thông thường như Google Maps, BoatSafe cung cấp thêm dữ liệu hướng lái, gia tốc tức thời và khả năng cảnh báo tai nạn tự động. So với các hệ thống định vị quán tính hàng hải đắt tiền, việc khai thác phần cứng smartphone giúp tiết kiệm hơn 90% chi phí trang bị ban đầu cho ngư dân và chủ tàu thủy nội địa.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan thông qua biểu đồ sóng tín hiệu gia tốc 3 trục theo thời gian thực, đồ thị góc hướng biến thiên theo quỹ đạo tọa độ cực, cùng bảng thống kê so sánh các chỉ số sai số hình học PDOP và mức độ suy giảm năng lượng của thiết bị.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện và nhân rộng phần mềm vào thực tiễn giao thông thủy, tác giả đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và tổ chức:

• Nâng cấp thuật toán định vị quán tính phục vụ dẫn đường khi mất GPS kéo dài: Nhóm nghiên cứu kỹ thuật viễn thông cần bổ sung thuật toán ước lượng vị trí chết dựa trên tích phân gia tốc kép kết hợp lọc Kalman mở rộng trong vòng 6 đến 12 tháng tới, hướng tới mục tiêu duy trì sai số định vị dưới 3 mét trong khoảng thời gian mất kết nối GPS liên tục 30 giây.
• Tối ưu hóa mức tiêu thụ năng lượng của phần mềm trên nền tảng Android: Đội ngũ phát triển phần mềm di động cần tái cấu trúc các luồng dịch vụ chạy ngầm và tối ưu chu kỳ kích hoạt cảm biến trong vòng 3 đến 6 tháng, đảm bảo mức tiêu hao pin duy trì dưới 6% dung lượng mỗi giờ hoạt động liên tục.
• Số hóa và tích hợp cơ sở dữ liệu luồng tuyến đường thủy quốc gia: Cục Đường thủy nội địa Việt Nam cần phối hợp với các đơn vị công nghệ thông tin trong vòng 12 đến 24 tháng để số hóa dữ liệu báo hiệu, phao tiêu và luồng lạch trên toàn bộ 65 tuyến phía Bắc và 101 tuyến phía Nam, cho phép phần mềm cảnh báo khi phương tiện đi lệch luồng an toàn.
• Hoàn thiện mô-đun cảnh báo chướng ngại vật và luồng cạn theo thời gian thực: Các viện nghiên cứu chuyên ngành giao thông cần phát triển tính năng cảnh báo sớm chướng ngại vật với độ trễ phản hồi dưới 0,5 giây ở khoảng cách tối thiểu 200 mét, triển khai thử nghiệm thực tế trên các tàu vận tải sông trong thời gian 9 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thiết thực cho 4 nhóm đối tượng:

• Học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Tự động hóa: Tài liệu cung cấp cơ sở lý thuyết sâu sắc về xử lý tín hiệu số, thuật toán bộ lọc bù, bộ lọc thông thấp IIR và phương pháp khai thác cảm biến MEMS trên thiết bị di động.
• Kỹ sư phát triển ứng dụng di động và hệ thống định vị nhúng: Nguồn tham khảo chi tiết về việc xây dựng ứng dụng Android giao tiếp với Google Play Services Location API, cấu trúc thuật toán phát hiện va chạm tự động và quản lý tiến trình nền tiết kiệm pin.
• Cơ quan quản lý nhà nước và ban quản lý cảng bến đường thủy: Cung cấp góc nhìn thực tiễn về giải pháp chuyển đổi số chi phí thấp, hỗ trợ xây dựng chính sách quản lý và nâng cao an toàn giao thông đường thủy nội địa.
• Doanh nghiệp vận tải thủy và chủ phương tiện cá nhân: Hướng dẫn ứng dụng công nghệ định vị thông minh sẵn có trên điện thoại để quản lý đội tàu, theo dõi lịch sử hành trình và bảo vệ an toàn cho thuyền viên.

Câu hỏi thường gặp

Phần mềm xử lý như thế nào khi phương tiện đi vào vùng mất kết nối vệ tinh GPS hoàn toàn? Khi mất tín hiệu, phần mềm tự động chuyển sang chế độ nội suy đồ họa bằng cách nối hai điểm tọa độ GPS hợp lệ gần nhất bằng đường thẳng nét đứt. Dữ liệu góc hướng từ bộ lọc bù vẫn tiếp tục cập nhật theo chu kỳ lấy mẫu 50 Hz giúp người lái duy trì hướng di chuyển an toàn trong thời gian chờ kết nối lại.

Tại sao nghiên cứu lựa chọn bộ lọc bù thay vì bộ lọc Kalman mở rộng phức tạp? Bộ lọc bù kết hợp giữa lọc thông thấp và thông cao có cấu trúc tính toán đơn giản, chiếm dụng rất ít bộ nhớ và xung nhịp CPU của điện thoại thông minh. Điều này đảm bảo tốc độ phản hồi tức thời ở tần số 50 Hz, tránh hiện tượng trễ tín hiệu và giúp tiết kiệm đáng kể dung lượng pin của thiết bị so với ma trận tính toán phức tạp của bộ lọc Kalman.

Cơ sở nào để xác định ngưỡng sụt giảm gia tốc 2g khi phát hiện va chạm phương tiện? Ngưỡng 2g, tương đương gia tốc khoảng 19,6 mét trên giây bình phương, được xác định qua nhiều lần thử nghiệm thực chứng trên cảm biến 3 trục của điện thoại Nokia X6. Khi xảy ra va chạm mạnh, vận tốc biến thiên đột ngột về mức triệt tiêu tạo ra xung RMS vượt xa dao động tự nhiên của phương tiện, loại bỏ hoàn toàn các trường hợp rung lắc do sóng nước.

Cơ chế chống cảnh báo tai nạn giả hoạt động như thế nào khi điện thoại bị rơi bất cẩn? Hệ thống tích hợp thuật toán kiểm tra trạng thái di chuyển trước đó của phương tiện kết hợp cơ chế hiển thị hộp thoại xác nhận khẩn cấp trong 60 giây. Nếu người dùng thao tác hủy bỏ, ứng dụng sẽ trở về trạng thái bình thường; chỉ khi không nhận được phản hồi sau 60 giây, cuộc gọi khẩn cấp tới số người thân mới được tự động thực hiện.

Ứng dụng BoatSafe có thể hoạt động ổn định trên các dòng điện thoại không có dịch vụ Google Play không? Phần mềm được thiết kế với cơ chế tương thích kép linh hoạt. Đối với thiết bị hỗ trợ Google Play Services, ứng dụng sẽ ưu tiên dịch vụ này để tối ưu độ chính xác và tiết kiệm pin; đối với các dòng máy không hỗ trợ như hệ điều hành BlackBerry 10 hoặc Android tùy biến sâu, hệ thống sẽ tự động chuyển sang Android Location API truyền thống để đảm bảo việc định vị diễn ra liên tục.

Kết luận

Luận văn đã giải quyết thành công bài toán giám sát hành trình và nâng cao an toàn cho giao thông thủy nội địa thông qua 5 đóng góp khoa học và ứng dụng chính:

• Thiết kế thành công cấu trúc tích hợp GPS và cảm biến MEMS trên điện thoại thông minh phục vụ phương tiện thủy nội địa.
• Ứng dụng xuất sắc bộ lọc bù kết hợp bộ lọc thông thấp IIR với hằng số thời gian tối ưu 0,15 giây, triệt tiêu trên 85% nhiễu dao động và giữ ổn định góc hướng lái.
• Xây dựng thuật toán nhận diện va chạm tự động dựa trên biến thiên gia tốc RMS với ngưỡng kích hoạt 2g và quy trình cứu hộ tự động sau 60 giây.
• Phát triển hoàn chỉnh phần mềm BoatSafe trên nền tảng Android với giao diện trực quan, hỗ trợ lưu trữ hành trình định kỳ 5 giây và vẽ sơ đồ gián đoạn GPS.
• Đưa sản phẩm thử nghiệm thực tế lên kho ứng dụng Google Play, tạo tiền đề ứng dụng rộng rãi trong đời sống dân sinh.

Trong giai đoạn 12 tháng tiếp theo, nhóm tác giả sẽ tiếp tục hoàn thiện thuật toán dẫn đường quán tính độc lập và mở rộng thử nghiệm trên các đội tàu cá thực tế. Hãy tải và trải nghiệm ứng dụng BoatSafe ngay hôm nay trên điện thoại thông minh để nâng cao an toàn cho mỗi hải trình sông nước của bạn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TR ĐẠ Ọ Ệ ---------- VŨ QUA TẠO NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN PHẦN MỀM TÍCH HỢP GPS VÀ CẢM BIẾ TRÊ Đ ỆN THOẠ O Á P Ơ TIỆ Đ NG THỦY U V T Ạ S NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THU T Đ ỆN TỬ - VIỄN THÔNG Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Ộ – 2019 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TR ĐẠ Ọ Ệ ---------- VŨ QUA TẠO NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN PHẦN MỀM TÍCH HỢP GPS VÀ CẢM BIẾ TRÊ Đ ỆN THOẠ O Á P Ơ TIỆ Đ NG THỦY U V T Ạ S NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THU T Đ ỆN TỬ - VIỄN THÔNG Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Ộ – 2019 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] ĐẦU Hiện nay, để xác định vị trí tàu/thuyền thì thiết bị chủ yếu là định vị vệ tinh ( Phổ biến nhất là GPS). Sai số của phương pháp định vị GPS chủ yếu là do 6 nguyên nhân dưới đây (không kể sai số nhân tạo SA đã được ra lệnh tắt): 1) Dữ liệu Ephemeris; 2) Đồng hồ vệ tinh; 3) Trễ ở tầng điện ly; 4) Trễ ở tầng đối lưu; 5) Nhiễu đa đường; 6) Máy thu (bao gồm cả phần mềm, tâm pha anten). Có thể thấy rõ trong những điều kiện thời tiết xấu thì tín hiệu GPS thường yếu thậm chí mất tín hiệu GPS làm cho quá trình định vị bị gián đoạn. Thông thường, để hỗ trợ cho GPS thì một trong những giải pháp đó là sử dụng hệ thống dẫn đường quán tính (INS).

INS có 2 ưu điểm nổi bật khi so sánh với các hệ thống dẫn đường khác là khả năng hoạt động tự trị và độ chính xác cao trong những khoảng thời gian ngắn. Sự kết hợp GPS và INS là lý tưởng nhất vì INS sẽ hỗ trợ cho GPS rất hiệu quả. Trái tim của hệ thống tích hợp này chính là bộ lọc tối ưu bộ lọc bù. Smartphone hay nói cách khác là điện thoại thông minh, đang trở nên rất phổ biến trong những năm trở lại đây.

Ban đầu điện thoại thông minh bao gồm các tính năng của điện thoại di động thông thường kết hợp với các thiết bị phổ biến khác như hệ thống định vị toàn cầu GPS, cảm biến la bàn từ, cảm biến quán tính (dùng để xây dựng hệ INS từ cảm biến này) đã được tích hợp sẵn trong máy. Thay vì phải trang bị các thiết bị đơn lẻ là la bàn điện tù, thiết bị giám sát hành trình dung thì học viên đề xuất sử dụng điện thoại thông minh như là một thiết bị tích hợp thông tin định vị, xác định vận tốc , hướng lái cho các phương tiện đường thủy. Trong luận văn này, mục tiêu là bước đầu xây dựng một ứng dụng phục vụ cho giao thông đường thủy nội địa nên luận văn chủ yếu hướng tới việc nghiên cứu thuật toán, cách sử dụng các công cụ bộ lọc, xử lý tín hiệu.Hơn nữa, do hạn chế về thời gian và cơ sở vật chất, các thí nghiệm kiểm thử và kết quả tạm thời được thực hiện trên đường bộ. 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Ả Ơ Xuất phát từ những ý nghĩa thực tế hỗ trợ các phương tiện giao thông đường thủy, luận văn là kết quả của quá trình nghiên cứu lý luận và thực tiễn của cá nhân tác giả dựa trên sự chỉ bảo, hướng dẫn tận tình của PGS.

Trần Đức Tân. Thầy đã không quản khó khăn, thời gian, công sức để giúp tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Trần Đức Tân. Được thầy hướng dẫn là một vinh hạnh lớn của cá nhân tác giả, bởi lẽ thầy là một nhà giáo trẻ, mẫu mực, say mê nghiên cứu khoa học, là người có phương pháp nghiên cứu, có nhiều đóng góp cho sự nghiệp nghiên cứu khoa học.

Tôi c ng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô giáo và bạn b trong lớp K23 chuyên ngành Kỹ thuật điện tử, Khoa Điện Tử – Viễn Thông, Trường Đại Học Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã có những nhận x t, góp ý cho luận văn này của tôi. Tôi xin cảm ơn sự hỗ trợ một phần của đề tài khoa học mã số DT194031 trong quá trình tôi thực hiện luận văn này. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình tôi, cơ quan tôi đang công tác, những người đã tạo điều kiện cho tôi học tập và nghiên cứu. Gia đình là động lực cho tôi vượt qua những thử thách, luôn luôn ủng hộ và động viên tôi hoàn thành luận văn này.

2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] A ĐOA Tôi xin cam đoan luận văn này là sản phẩm của quá trình nghiên cứu, tìm hiểu của cá nhân dưới sự hướng dẫn và chỉ bảo của các thầy hướng dẫn, thầy cô trong bộ môn, trong khoa và các bạn b. Tôi không sao ch p các tài liệu hay các công trình nghiên cứu của người khác để làm luận văn này. Nếu vi phạm, tôi xin chịu mọi trách nhiệm. Hà Nội, ngày 25 tháng 5 năm 2019 HỌC VIÊN Vũ Quang Tạo 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] MỤC LỤC LỜI N I Đ U.

2 LỜI CAM ĐOAN. 3 DANH MỤC C C K HI U V CHỮ VI T TẮT. 6 DANH MỤC H NH ẢNH. 7 DANH MỤC BẢNG.

TỔNG QUAN VỀ LÝ THUY T. T M QUAN TRỌNG CỦA ĐỊNH VỊ TRÊN GIAO THÔNG ĐƯỜNG THỦY. TỔNG QUAN VỀ H THỐNG ĐỊNH VỊ TO N C U GPS .1 Lịch sử phát triển .2 Cấu trúc hệ thống GPS. NGUYÊN L ĐỊNH VỊ GPS.

Nguyên lý định vị tuyệt đối. Nguyên lý Định vị tương đối. Các nguồn sai số trong kết quả đo GPS. 17 CHƯ NG II.

C C TH NH PH N ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG ỨNG DỤNG 21 2. TH NH PH N PH N CỨNG .1 Cảm biến gia tốc (Accelerometer) trên điện thoại. Cảm biến con quay hồi chuyển (Gyroscope) trên điện thoại. Cảm biến la bàn (Compass):.

TH NH PH N PH N MỀM. Hệ điều hành Android .2 Google APIs - Giao diện lập trình ứng dụng .3 Google Location Service API – Lấy vị trí trên thiết bị Android 26 2. Bộ lọc bù. Xác định va chạm .3 Lưu lại các hành trình đã đi.

C C TÍNH NĂNG CỦA H THỐNG. Định vị vị trí phương tiện. Lưu lại hành trình trong khoảng thời gian nhất định. Lưu lại lịch sử đường đi.

35 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Cảnh báo va chạm. 36 CHƯ NG III. K T QUẢ VÀ NHẬN XÉT.

KHẢO S T THỰC NGHI M BỘ LỌC BÙ. C C TÍNH NĂNG CỦA PH N MỀM ĐÃ ĐẠT ĐƯỢC. 51 HƯỚNG PHÁT TRIỂN. 52 TÀI LI U THAM KHẢO.

53 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] A Ụ Á ỆU V Ữ V ẾT T T Ký hiệu nghĩa Tiếng Anh nghĩa Tiếng Việt GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu TND Inland Waterway Thủy nội địa NAVSTAR Navigation Satellite Điều hướng về tinh thời gian Timing and Ranging và định vị ECEF Earth-Centered, Earth - Hệ tọa độ chuẩn địa tâm Fixed DOP Dilution of precision Suy giảm độ chính xác IIR Infinite Impulse Response Đáp ứng xung API Application Programming Giao diện lập trình ứng dụng Interface RMS Root Mean Square Căn bậc hai của tổng bình phương 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] A Ụ ẢNH Hình 1. 1: Giao thông đường thủy Việt Nam phức tạp. 2: Ứng dụng công nghệ GPS vào phương tiện đường thủy. 3: Các thành phần cơ bản của GPS.

4: Vệ tinh xung quanh trái đất. 5: Vị trí các trạm điều khiển và giám sát hệ thống GPS. 6: Vị trí các trạm điều khiển và giám sát hệ thống GPS. 7: Phương pháp định vị tương đối.

8: Hiện tượng đa truyền. 1: Mô hình cảm biến gia tốc của SmartPhone. 2: Khối lượng vật thể chuyển động sinh ra dòng điện. 3: Ba trục cảm biến gia tốc.

4: Ba hướng góc của cảm biến con quay hồi chuyển. 5: Cảm biến la bàn trên Android. 6: Thị phần các hệ điều hành điện thoại trên thế giới vào năm 2017. 7: Dịch vụ vị trí của Google “Google Location Serivices API”.

8: Mô hình bộ lọc bù. 9: Lưu đồ hoạt động của bộ lọc bù. 10: Lưu đồ thuật toán xác định va chạm. 11: Lưu đồ thuật toán lưu hành trình đã đi.

12: Xác định vị trí người dùng. 13: Bắt đầu và dừng lại ghi hành trình. 14: Vẽ lại hành trình đã đi. 15: Lưu lại lịch sử các hành trình.

16: Tính năng cảnh báo va chạm. 1: Góc hướng của thiết bị sau khi qua bộ lọc trong trường hợp đứng yên, tần số lấy mẫu fs = 50Hz (Nokia x6, API 28). 2: Góc hướng của thiết bị sau khi đi qua bộ lọc bù trong trường hợp di chuyển trên đường thằng, tần số lấy mẫu fs = 50Hz (Nokia x6, API 28). 38 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.

3: Góc hướng của thiết bị sau khi đi qua bộ lọc bù trong trường hợp di chuyển trên đường tròn, tần số lấy mẫu fs = 50Hz (Nokia x6, API 28). 4: Góc hướng của thiết bị sau khi đi qua bộ lọc bù trong trường hợp quay quanh tâm của thiết bị, tần số lấy mẫu fs = 50Hz (Nokia x6, API 28). 5: Góc hướng của thiết bị sau khi đi qua bộ lọc bù trong trường hợp di chuyển trên hình chữ nhật quay 3 lần, tần số lấy mẫu fs = 50Hz (Nokia x6, API 28). 6: Tín hiệu ba trục Ax, Ay, Az thu được từ cảm biến gia tốc trong điện thoại trước khi tiền xử lý.

Trạng thái lấy mẫu là điện thoại để yên trên mặt bàn, tần số lấy mẫu fs = 50Hz (Nokia x6, API 28). 7: Tín hiệu ba trục Ax, Ay thu được từ cảm biến gia tốc trong điện thoại trước khi tiền xử lý. Trạng thái lấy mẫu là điện thoại để yên trên mặt bàn, tần số lấy mẫu fs = 50Hz (Nokia x6, API 28). 8: Tín hiệu ba trục Ax, Ay, Az thu được từ cảm biến gia tốc trong điện thoại sau khi đi qua bước tiền xử lý.

Ba đường màu xanh, đỏ cam lần lượt là tín hiệu Ax, Ay, Az, tần số lấy mẫu fs = 50Hz (Nokia x6, API 28). 9: Tín hiệu Ax, Ay thu được từ cảm biến gia tốc trong điện thoại sau khi đi qua bước tiền xử lý, tần số lấy mẫu fs = 50Hz (Nokia x6, API 28) .