ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
===============
NGUYỄN NGỌC TÂN
ĐỊNH VỊ ROBOT SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ
TRUYỀN THÔNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY KẾT
HỢP VỚI BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG HÀ NỘI - 2014
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
=============== NGUYỄN NGỌC TÂN
Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2014

TÁC GIẢ NGUYỄN NGỌC TÂN 2

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Nam Hoàng, người đã
tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp thạc sĩ trong suốt
thời gian vừa qua.
Luận văn được hỗ trợ trong khuôn khổ đề tài QG.13.06: “Quản lý tài nguyên vô
tuyến trong mạng truyền thông di động thế hệ thứ 5 (5G) với ứng dụng công nghệ
truyền thông nhận thức và kiến trúc femtocell”.
Ngoài ra, tôi xin gửi lời cảm ơn đến TS. Keattisak Sripimanwat hiện đang công
tác tại viện công nghệ NECTEC, Thái Lan và TS. Anan Suebsomran hiện đang công

DANH MỤC HÌNH 8

DANH MỤC BẢNG 10

LỜI MỞ ĐẦU 11

Chương 1 13

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VLC – TRUYỀN THÔNG SỬ DỤNG 13

ÁNH SÁNG NHÌN THẤY 13

1.1.

Đèn LED trắng 13

1.1.1.

Một vài nét sơ lược 13

1.1.2.

Các đặc trưng 15

1.1.3.

Ưu nhược điểm 16

1.2.


1.4.

Ứng dụng và một số sản phẩm thực tế 27

1.4.1.

Truyền thông di động 27

1.4.2.

Truyền hình 28

1.4.3.

Nhà thông minh 29

1.4.4.

Hệ thống giao thông thông minh 29

1.4.5.

Định vị và dẫn đường 30

4

1.5.

Tóm tắt chương một 31



Mô hình hệ thống 41

2.2.2.

Nhiễu hệ thống 42

2.2.3.

Cơ chế hoạt động 43

2.3.

Tóm tắt chương hai 44

Chương 3 46

ÁP DỤNG BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG TRONG ĐỊNH VỊ ROBOT 46

3.1.

Mô hình hệ thống: Cấu hình động học 47

3.1.1.

Cập nhật vị trí 47

3.1.2.

Sai số hệ thống 48


Tóm tắt chương 3 58

Chương 4 59

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 59

4.1.

Mô phỏng phương pháp định vị kết hợp AOA–RSS 59

5

4.1.1.

Kịch bản mô phỏng 59

4.1.2.

Chương trình mô phỏng 59

4.1.3.

Kết quả mô phỏng 62

4.2.

Mô phỏng hoạt động của bộ lọc Kalman mở rộng 64

4.2.1.
6

DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT

4G Fourth Generation Mạng di động thế hệ thứ tư
5G Fifth Generation Mạng di động thế hệ thứ năm
AOA Angle of Arrival Góc của tia sáng tới
AOA–
RSS
Angle of Arrival – Received Signal
Strength
Kết hợp hai phương pháp AOA và
RSS
CEP Circular Error Probability Xác suất vòng tròn lỗi
CRLB Cramér-Rao Lower Bound Chặn dưới Cramér-Rao
DC Direct Current Dòng trực tiếp
DD Direct Detection Tách sóng trực tiếp
DMT Discrete Multi-Tone modulation Điều chế đa tần rời rạc
EKF Extended Kalman Filter Bộ lọc Kalman mở rộng
FET Field Effect Transistor Transitor hiệu ứng trường
FOV Field of View Trường thu nhận ánh sang
GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

LED
Ultra Violet – Light Emitting Diode Đèn LED sử dụng tia cực tím
VLC Visible Light Communications Công nghệ truyền thông sử dụng
ánh sáng nhìn thấy
WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh quang theo bước sóng
YAG Yttrium Aluminum Garnet Granat ytri-nhôm

Hình 1.13. Sơ đồ khối của bộ nhận video và audio[12]. 29

Hình 1.14. Mô hình nhà thông minh sử dụng công nghệ VLC [11]. 29

Hình 1.15. Hệ thống giao thông thông minh (nguồn: Internet). 30

Hình 1.16. Hệ thống dẫn đường E-mart trong siêu thị (nguồn: Internet). 30

Hình 2.1. Đường tròn tưởng tượng chứa các điểm nhận được thời gian truyền ánh sáng
như nhau. 33

Hình 2.2. Vị trí robot trong vùng giao cắt của các đường tròn tưởng tượng. 34

Hình 2.3. Mô hình hệ thống của phương pháp TDOA. 35

Hình 2.4. Phương pháp định vị hyperbol. 36

Hình 2.5. Các tham số trong phương pháp định vị RSS. 38

Hình 2.6. Mô hình hệ thống của phương pháp định vị AOA. 39

Hình 2.7. Mô hình và các thông số hệ thống. 39

Hình 2.8. Kịch bản mô phỏng thuật toán định vị AOA. 40

Hình 2.9. Sai số của phương pháp định vị AOA. 41

Hình 2.10. Mô hình hệ thống kết hợp AOA-RSS sử dụng mảng PD. 42

9

= 8. 63

Hình 4.5. Sai số của phương pháp định vị kết hợp AOA–RSS 63

trong trường hợp số PD là K
2
= 12. 63

Hình 4.6. Sai số của phương pháp định vị kết hợp AOA–RSS 63

trong trường hợp số PD là K
3
= 16. 63

Hình 4.7. Sơ đồ khối của chương trình mô phỏng bộ lọc Kalman Filter. 65

Hình 4.8. Độ chính xác của phương pháp định vị kết hợp AOA–RSS khi áp dụng và
khi không áp dụng bộ lọc Kalman mở rộng. 66

Hình 4.9. Hoạt động của bộ lọc Kalman mở rộng trong vai trò một “cơ cấu bù”. 67

Hình 4.10. Độ lệch so với quỹ đạo của robot trong trường hợp có sử dụng và không sử
dụng bộ lọc Kalman mở rộng. 67 10


nhưng môi trường khắc nghiệt, không gây hại cho sức khỏe con người, có khả năng
truyền dữ liệu cao, có băng thông rộng và tính bảo mật cao đã giải quyết được các vấn
đề khó khăn còn tồn tại ở công nghệ truyền thông vô tuyến và đặc biệt là khả năng kết
hợp giữa truyền thông và chiếu sáng.
Ngày nay, sự xuất hiện của các robot di động đã trở nên rất phổ biến trong xã
hội. Các robot di động có mặt trong các thiết bị gia đình như máy hút bụi hay các hệ
thống trợ giúp trong gia đình. Chúng ta cũng có thể dễ dàng nhìn thấy chúng ở các nơi
công cộng như các robot hướng dẫn viên trong viện bảo tàng, phòng trưng bày; hay
trong các lĩnh vực công nghiệp và quân sự như robot do thám hay robot vận chuyển
hàng hóa trong các nhà máy, v.v. Đối với những robot đòi hỏi khả năng làm việc độc
lập, thì định vị là yêu cầu đầu tiên và quan trọng nhất. Hiện nay, có một số công nghệ
định vị phổ biến như định vị GPS hoặc sử dụng các cảm biến như cảm biến siêu âm,
hồng ngoại, v.v. Tuy nhiên, định vị GPS chỉ phù hợp với môi trường ngoài trời với sai
số lên đến hàng mét, còn các cảm biến có độ sai số lớn và thường hoạt động trong các
không gian làm việc có diện tích nhỏ. Do đó, định vị cho robot trong môi trường trong
nhà trong những năm gần đây đã trở thành vấn đề nhận được nhiều sự quan tâm trong
các nghiên cứu về robot. Chính vì vậy, tôi đã lựa chọn đề tài luận văn của mình là
“Định vị robot sử dụng công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy kết hợp với
bộ lọc Kalman mở rộng”. Nội dung chính của luận văn thạc sĩ này là nghiên cứu và
đề suất một phương pháp định vị mới sử dụng công nghệ VLC – truyền thông ánh
sáng nhìn thấy dựa trên việc khảo sát các phương pháp định vị đã được đề cập trong
12

các tài liệu [19-23]. Ngoài ra, bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) còn được áp dụng trong
phạm vi của luận văn này nhằm nâng cao độ chính xác của phương pháp định vị đề
suất. Bên cạnh đó, trong nội dung của luận văn này, tôi cũng trình bày một vai trò khác
của bộ lọc Kalman, đó là điều khiển robot di động di chuyển bám theo quỹ đạo đã định
trước.
Nội dung luận văn của tôi được chia làm bốn chương. Chương một sẽ trình bày
tổng quan về công nghệ VLC – truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy. Các phương

nhìn thấy đã phát triển rất nhanh chóng và dần có mặt trong rất nhiều ứng dụng trong
đời sống xã hội. Công nghệ VLC được đề suất là một trong những mô hình cho mạng
thông tin di động thế hệ thứ năm (5G) nhằm đáp ứng các nhu cầu ngày càng cao của
người sử dụng về chất lượng dịch vụ như tốc độ dữ liệu, giảm chi phí, các ảnh hưởng
tới sức khỏe con người, v.v. Một số tiêu chuẩn cho công nghệ VLC đã được đề suất và
đang trong quá trình hoàn thiện như tiêu chuẩn IEEE 802.15.7. Với khả năng vừa cung
cấp yêu cầu về truyền thông, vừa cung cấp yêu cầu về chiếu sáng, công nghệ VLC
được xem như là một thay thế rất tốt cho mạng truyền thông vô tuyến hiện nay trong
các môi trường trong nhà như các tòa nhà cao tầng, nơi mà nhiễu đa đường có ảnh
hưởng rất lớn. Trong nội dung của chương một, tôi sẽ giới thiệu tổng quan về các vấn
đề cơ bản trong công nghệ VLC – truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy. Đồng
thời, một số ứng dụng phổ biến nhất của công nghệ VLC cũng sẽ được đề cập đến
trong phần cuối cùng của chương này.
1.1. Đèn LED trắng
1.1.1. Một vài nét sơ lược
Trong một hệ thống truyền thông quang, các nguồn ánh sáng được sử dụng phải
đạt những yêu cầu nhất định như: bước sóng, độ rộng vạch phổ phù hợp, độ bức xạ cao
với diện tích bề mặt phát cực nhỏ, tuổi thọ và độ tin cậy cao, có khả năng hoạt động tốt
trong các môi trường khắc nghiệt. Trong những năm gần đây, công nghệ đèn LED đã
phát triển rất mạnh mẽ và được xem là ứng cử viên số một cho các hệ thống có khả
năng chiếu sáng và truyền thông đồng thời do thỏa mãn các điều kiện trên. Thiết bị
này hoạt động dựa trên nguyên tắc kích thích các điện tử của vật liệu bán dẫn để phát
ra ánh sáng. Bức xạ quang do sự kích thích các điện tử, bức xạ này chiếm phần lớn,
bức xạ nhiệt hầu như không có hoặc rất nhỏ do thành phần cấu tạo của vật liệu. Do đó,
khi áp dụng công nghệ này sẽ giảm được hiệu ứng nhà kính, đồng thời, công suất hao
tổn thấp do hầu như không bức xạ nhiệt hoặc bức xạ nhiệt rất ít. Vì lý do này mà công
nghệ truyền thông quang sử dụng đèn LED được coi như là một công nghệ truyền
thông xanh (Green Communications) [1].
Các đèn LED có một dải rộng các bước sóng do bức xạ quang của các vật liệu
khác nhau, từ vùng ánh sáng nhìn thấy đến vùng hồng ngoại (IR) trong dải phổ điện từ.


Hình 1.2. Các loại đèn LED trắng cơ bản.
15

1.1.2. Các đặc trưng
1.1.2.1. Các thuộc tính cơ bản
Cường độ chiếu sáng
Cường độ chiếu sáng là đại lượng biểu thị lượng thông năng trên mỗi góc khối
và liên quan đến độ rọi tại bề mặt được chiếu sáng. Do đó, cường độ chiếu sáng biểu
diễn độ sáng của đèn LED [4]:

d
I
d



(1.1)
Trong đó,

là góc không gian;

là quang thông được cho bởi thông năng
e

như
sau: 780

max
min
2
0
t e
P d d

 


 
 
(1.3)
Trong đó,
max

và
min

được xác định bằng đường cong biểu diễn độ nhạy của
photodiode (PD).
1.1.2.2. Độ rọi
Độ rọi biểu diễn độ sáng tại bề mặt được chiếu sáng [4]. Cường độ chiếu sáng
khi có góc rọi
ϕ là:
( ) (0)cos ( )
m
I I
 


m  
Φ
(1.6)
1.1.3. Ưu nhược điểm
Như đã đề cập trong phần trên, đèn LED trắng không chỉ được sử dụng cho
mục đích chiếu sáng trong phòng, đèn đường, và các ứng dụng liên quan đến trang trí
mà đèn LED trắng ngày nay còn được sử dụng trong các hệ thống truyền thông không
dây. Hiện tại, nó được xem như là công nghệ chiếu sáng phổ biến nhất trong thế kỉ 21
đang dần thay thế các loại đèn truyền thống như đèn sợi đốt và đèn huỳnh quang bởi
những ưu điểm của nó.
1.1.3.1. Ưu điểm
Trong tương lai chúng ta sẽ được chứng kiến sự tăng trưởng mạnh mẽ của đèn
LED trong hoạt động hoạt động chiếu sáng bởi đây là một công nghệ xanh và tiết kiệm
năng lượng. Công nghệ này có một số lợi thế như sau:
 Tuổi thọ cao: Thời gian sống trung bình của đèn LED trắng là 25.000 đến
1.000.000 giờ. Đây là một con số rất lớn so với thời gian hoạt động 1.000 giờ
của các bóng đèn sợi đốt thông thường.
 Hiệu suất cao: Các đèn LED trắng có lượng quang thông (tính bằng đơn vị
lumen) trên mỗi oát phát ra lớn hơn nhiều so với các đèn nóng sáng truyền
thống. Ví dụ, một oát sẽ có lượng quang thông là 683 (lm) tại bước sóng 555
(nm).
 Kích thước nhỏ: LED trắng có kích thước rất nhỏ (nhỏ hơn 2 (mm
2
)) do đó, nó
được sử dụng rất nhiều trong các mạch điện tử và trang trí.
 Nhiệt độ hoạt động thấp: So với các nguồn phát sáng nhân tạo khác như đèn
sợi đốt (phát xạ ánh sáng do bức xạ nhiệt), đèn huỳnh quang. Các đèn LED
trắng hầu như không bức xạ nhiệt mà chủ yếu là bức xạ quang, do đó năng
lượng hao phí rất thấp.
 Dễ dàng điều chỉnh độ sáng của đèn LED: Có thể dễ dàng điều chỉnh độ sáng

mức độ phân tán khoảng 0.2 độ hoặc nhỏ hơn.
1.2. Mô tả hệ thống VLC
1.2.1. Mô hình hệ thống
Hình 1.3 là sơ đồ khối của một hệ thống truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn
thấy (VLC). Một hệ thống VLC có thể dễ dàng thực hiện được bằng cách điều chế tín
hiệu theo mức độ sáng - tối của đèn LED. Việc điều khiển độ sáng một cách chính xác
là một thách thức lớn đối với các đèn sử dụng bức xạ nhiệt, trong khi đó, các đèn LED
có thể điều chỉnh được chính xác độ sáng – tối một cách dễ dàng bởi vì đáp ứng thời
gian của chuyển mạch ON-OFF của đèn LED là rất nhỏ (chỉ khoảng vài chục nano
giây). Vì vậy, bằng việc điều chế dòng điện qua đèn LED ở một tần số khá cao, chúng
ta có thể thay đổi trạng thái ON-OFF của đèn LED mà không làm thay đổi cường độ
sáng. Do đó, mắt của con người không thể cảm nhận được sự thay đổi này.
18 Hình 1.3. Sơ đồ khối của công nghệ VLC.
Trong thực tế, chúng ta không thể sử dụng một bộ điều khiển để điều khiển cho
một đèn LED riêng lẻ bởi vì các hệ thống chiếu sáng sử dụng đèn LED thường có số
lượng đèn rất lớn. Do đó, chúng ta cần phải thiết kế một cơ chế điều khiển để có khả
năng điều khiển được tất cả các đèn LED trong hệ thống. Hình 1.4 là sơ đồ khối của
một kịch bản điều khiển chung cho các đèn LED. Với một số lượng lớn các đèn LED,
bộ điều khiển trung tâm vẫn có khả năng điều khiển độ sáng tại bất kỳ một vị trí mong
muốn nào. Đối với các đèn LED được sử dụng đồng thời cho cả hai mục đích chiếu
sáng và truyền thông thì các tín hiệu điều khiển độ sáng và tín hiệu truyền phải độc lập
và không gây nhiễu lên nhau. Rất nhiều các phương pháp điều khiển độ sáng được
nghiên cứu và đề suất cho đến nay [5, 6]. Điều khiển độ sáng tối của đèn LED dựa trên
điều chế biên độ là giải pháp đơn giản nhất [7]. Tuy nhiên, phương pháp điều chỉnh độ
rộng xung là giải pháp tố
i ưu nh
1.5 minh họa mô hình thự

ấy. Qua bả
ng trên chúng ta có th
u ưu đi
ểm hơn các hệ thống RF như vừ
a có kh
li
ệu, băng thông rộng, mức độ bảo mật cao
và
ũng có nh
ững hạn chế so với công nghệ
RF như: khó có th
ng cách xa
, chỉ tối ưu trong môi trườ
ng sóng ánh sáng truy
sáng và truy
ền thông. Hình
ng trong nhà
.

a đèn LED.

n thông s
ử dụng sóng
ng trên chúng ta có th
ể thấy
a có kh
ả năng chiếu
và
công suất tiêu
RF như: khó có th

n sáng xung
quanh
Tổn hao
công suất
Khá th
Khả năng
di động
Giới h
Vùng phủ Hẹ
p và r
20
ực t
ế của công nghệ VLC trong môi trườ
ng trong nhà
ặ
c tính của các công nghệ truyền thông
VLC, IRB, R
VLC
IRB
Không gi
ới hạn
700 mm)

Không giới hạn
(800-1600 nm)
Gi
Có
Có
Ng
ắn Ngắn đến dài

Khá thấp
Trung bình
i hạn
Giới hạn
p và r
ộng Hẹp và rộng
Ch

ng trong nhà
[3].
VLC, IRB, R
FB [2].
RFB
Giới hạn
Không
Ng
ắn đến dài
ngoài tr
ời)
Thấp
Hoàn thi
ện
Truy
ền thông
t cả các thiết bị
điện tử
Trung bình
Tốt
Ch
ủ yếu rộng

Modulation) là phương pháp điều chế phổ biến nhất. Các bộ nhận quang (như PD)
được sử dụng để thu tín hiệu quang trực tiếp (DD – direct detection) và sau đó, sinh ra
một dòng điện tỉ lệ với công suất quang tức thời nhận được. Hình 1.7 mô tả mô hình
của kênh truyền sử dụng ánh sang nhìn thấy IM/DD [2].

Hình 1.7. Kênh IM/DD trong công nghệ VLC [3].
Kênh VLC có thể được mô hình như một hệ thống tuyến tính trong dải tần cơ
sở với công suất đầu vào tức thời X(t), dòng qua bộ nhận quang I
p
(t), hệ thống tuyến
tính bất biến có đáp ứng kênh h(t). Trong nhiều ứng dụng của hệ thống VLC, các
nhiễu có phân bố Gauss có ảnh hưởng lên đầu ra của hệ thống. Do đó, kênh IM/DD có
thể biểu diễn như sau:
( ) ( ) ( ) ( )
p
t t t t

  
I X h N
(1.7)
Trong đó, γ là độ nhạy thu của PD (A/W) và ⊗ biểu thị cho phép tích chập. Do đó,
công suất quang truyền trung bình được biểu diễn như sau:
1
lim ( ) ( )
2
T
t T
T
t d t
T


 






H
(1.9)

23 Hình 1.8. Mô hình truyền nhận ánh sáng trực tiếp (LOS).
Trong đó, A là diện tích bề mặt nhận sáng của một PD; m là hệ số Lambert; D
d
là
khoảng cách giữa đèn LED và PD; ψ là góc của ánh sáng tới bề mặt của PD và ϕ là
góc rọi của đèn LED.
( )
s
T

là độ lợi của bộ lọc quang. cos
m
(ϕ) và cos(ψ) lần lượt là
độ nhạy của LED và PD.
( )
s

của kênh truyền VLC được tại PD là:
P
r
=H
d
(0) P
t
(1.11)
1.2.5. Trường hợp ánh sáng phản xạ
Trong phần này, chúng ta sẽ xem xét ảnh hưởng của các tia sáng phản xạ đầu
tiên lên tường (xem hình 1.9). Khi đó, công suất quang nhận được sẽ là tổng hợp của
công suất trên kênh truyền thẳng và kênh truyền phản xạ:
(0) (0)
LEDs
r t d t ref
walls
d
 
 
 
 


P P H P H
(1.12)
Trong đó, độ lợi DC của kênh truyền trong lần phản xạ đầu tiên được biểu diễn như
sau [4]:
2 2
1 2
( 1)