TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
HỮU NGHỊ VIỆT - HÀN
KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

ĐỀ TÀI

ĐỊNH VỊ ROBOT SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ TRUYỀN
THÔNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY KẾT HỢP VỚI BỘ
LỌC KALMAN MỞ RỘNG

SVTH: Hoàng Như Việt
Lớp: CCVT06B
GVHD: Nguyễn Thị Huyền Trang

Đà Nẵng, tháng 6 năm 2016


Định vị robot sử dụng công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy kết hợp với bộ lọc Kalman mở rộng

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
…………………………………………………………………………………………………...
……………………………………………………………………………………………...........
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
Điểm: …………………….……… (Bằng chữ: …..……………….)
Đà Nẵng, ngày

tháng


2.5. Phương pháp định vị kết hợp AOA-RSS......................................................................39
2.5.1. Mô hình hệ thống..................................................................................................40
2.5.2. Nhiễu hệ thống.......................................................................................................40
2.5.3. Cơ chế hoạt động...................................................................................................42
2.5.3.1. Bước 1 – Xác định hướng của robot................................................................42
2.5.3.2. Bước 2 – Xác định tọa độ của robot.................................................................42
2.6. Tóm tắt chương hai.........................................................................................................43
CHƯƠNG III – ÁP DỤNG BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG TRONG ĐỊNH VỊ ROBOT
........................................................................................................................................................43
3.1. Mô hình hệ thống: Cấu hình động học.........................................................................44
3.1.1. Cập nhật vị trí........................................................................................................45
3.1.2. Sai số hệ thống.......................................................................................................46
3.2. Mô hình phép đo..............................................................................................................49
3.3. Bộ lọc Kalman mở rộng..................................................................................................49
3.3.1. Ước đoán vị trí.......................................................................................................50
3.3.2. Hiệu chỉnh vị trí.....................................................................................................52
3.4. Điều khiển robot bám quỹ đạo di chuyển....................................................................53
3.5. Tóm tắt chương 3.............................................................................................................55
KẾT LUẬN..................................................................................................................................56
SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B
4


Định vị robot sử dụng công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy kết hợp với bộ lọc Kalman mở rộng

TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................................57

SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B
5



Kết hợp hai phương pháp AOA

Signal Strength

và RSS

Circular Error Probability
Cramér-Rao Lower Bound
Direct Current
Direct Detection
Discrete Multi-Tone modulation
Extended Kalman Filter
Field Effect Transistor
Field of View
Global Positioning System
Institute of Electricaland

Xác suất vòng tròn lỗi
Chặn dưới Cramér-Rao
Dòng trực tiếp
Tách sóng trực tiếp
Điều chế đa tần rời rạc
Bộ lọc Kalman mở rộng
Transitor hiệu ứng trường
Trường thu nhận ánh sang
Hệ thống định vị toàn cầu

IM
IR

Photodiode
Pulse Position Modulation
Radio Frequency
Radio Frequency Band

RFID

Radio Frequency Identification

RSS
SNR
TDO

Received Signal Strength
Signal to Noise Ratio

A
TOA

Time Difference of Arrival
Time of Arrival

Viện kỹ thuật điện và điện tử
Điều chế cường độ
Hồng ngoại
Dải bước song hồng ngoại
Bộ lọc Kalman
Đi-ốt phát quang
Phương truyền thẳng
Bình phương tối thiểu


VLC

Visible Light Communications

WDM
YAG

Wavelength Division
Multiplexing
Yttrium Aluminum Garnet

Đèn LED sử dụng tia cực tím
Công nghệ truyền thông sử dụng
ánh sáng nhìn thấy
Ghép kênh quang theo bước sóng
Granat ytri-nhôm

SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B
7


Định vị robot sử dụng công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy kết hợp với bộ lọc Kalman mở rộng

DANH MỤC HÌNH VẼ
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN........................................................................2
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN...........................................................................3
MỤC LỤC......................................................................................................................................4
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT............................................................................................................6
DANH MỤC HÌNH VẼ................................................................................................................8

3.1.1. Cập nhật vị trí........................................................................................................45
Hình 3.1. Mô hình robot hai bánh vi sai a) Trạng thái của hệ thống robot b) Robot
trong hệ tọa độ địa phương và toàn cục................................................................45
SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B
8


Định vị robot sử dụng công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy kết hợp với bộ lọc Kalman mở rộng

3.1.2. Sai số hệ thống.......................................................................................................46
Hình 3.2. Vận tốc của hai động cơ trái và phải khi chạy thẳng............................47
3.2. Mô hình phép đo..............................................................................................................49
3.3. Bộ lọc Kalman mở rộng..................................................................................................49
Hình 3.3. Ứng dụng thông thường của bộ lọc Kalman.........................................50
Hình 3.4. Sơ đồ minh họa ứng dụng của bộ lọc Kalman trong định vị robot.......50
3.3.1. Ước đoán vị trí.......................................................................................................50
3.3.2. Hiệu chỉnh vị trí.....................................................................................................52
3.4. Điều khiển robot bám quỹ đạo di chuyển....................................................................53
Hình 3.5. Robot bị lệch khỏi quỹ đạo của nó do các sai số hệ thống...................54
Hình 3.6. Robot và quỹ đạo di chuyển của nó......................................................55
3.5. Tóm tắt chương 3.............................................................................................................55
KẾT LUẬN..................................................................................................................................56
TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................................57

SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B
9


Định vị robot sử dụng công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy kết hợp với bộ lọc Kalman mở rộng


2.5.2. Nhiễu hệ thống.......................................................................................................40
Bảng 2. 1. Các tham số hệ thống trong mô hình hệ thống VLC...............41
2.5.3. Cơ chế hoạt động...................................................................................................42
2.5.3.1. Bước 1 – Xác định hướng của robot................................................................42
2.5.3.2. Bước 2 – Xác định tọa độ của robot.................................................................42
2.6. Tóm tắt chương hai.........................................................................................................43
CHƯƠNG III – ÁP DỤNG BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG TRONG ĐỊNH VỊ ROBOT
........................................................................................................................................................43
3.1. Mô hình hệ thống: Cấu hình động học.........................................................................44
SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B
10


Định vị robot sử dụng công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy kết hợp với bộ lọc Kalman mở rộng

3.1.1. Cập nhật vị trí........................................................................................................45
Hình 3.1. Mô hình robot hai bánh vi sai a) Trạng thái của hệ thống robot b) Robot
trong hệ tọa độ địa phương và toàn cục................................................................45
3.1.2. Sai số hệ thống.......................................................................................................46
Hình 3.2. Vận tốc của hai động cơ trái và phải khi chạy thẳng............................47
3.2. Mô hình phép đo..............................................................................................................49
3.3. Bộ lọc Kalman mở rộng..................................................................................................49
Hình 3.3. Ứng dụng thông thường của bộ lọc Kalman.........................................50
Hình 3.4. Sơ đồ minh họa ứng dụng của bộ lọc Kalman trong định vị robot.......50
3.3.1. Ước đoán vị trí.......................................................................................................50
3.3.2. Hiệu chỉnh vị trí.....................................................................................................52
3.4. Điều khiển robot bám quỹ đạo di chuyển....................................................................53
Hình 3.5. Robot bị lệch khỏi quỹ đạo của nó do các sai số hệ thống...................54
Hình 3.6. Robot và quỹ đạo di chuyển của nó......................................................55
3.5. Tóm tắt chương 3.............................................................................................................55

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
SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B
12


Định vị robot sử dụng công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy kết hợp với bộ lọc Kalman mở rộng

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, em 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 đồ án bao gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về công nghệ VLC – truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy
Chương 2: Các phương pháp định vị sử dụng công nghệ VLC trong môi trường trong
nhà
Chương 3: Áp dụng bộ lọc Kalman mở rộng trong việc định vị robot
Do thời gian và hiểu biết còn hạn chế nên chắc chắn đồ án không tránh khỏi rất nhiều
thiếu sót. Em rất mong nhận được sự chỉ dẫn của các thầy cô giáo và ý kiến góp ý của các bạn
để đồ án được hoàn thiện hơn.
Em xin cảm ơn các thầy cô giáo Khoa Công nghệ Điện Tử - Viễn Thông đã giảng dạy
và giúp đỡ em trong quá trình học tập cũng như thực hiện đồ án này.

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).
SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B
14


Định vị robot sử dụng công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy kết hợp với bộ lọc Kalman mở rộng

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.
Trong đó, LED trắng có bức xạ trong toàn vùng ánh sáng nhìn thấy (có giới hạn
nằm trong khoảng từ 400 (nm) đến 700 (nm)).

Hình 1.1. Vùng ánh sáng nhìn thấy trong phổ bức xạ điện từ
Cùng với sự phát triển không ngừng trong công nghệ chế tạo đèn LED, những
vật liệu để chế tạo LED trắng cũng ngày càng phong phú và cải thiện được nhiều tính
chất quan trọng trong việc chiếu sáng và truyền thông. Chúng ta có thể phân loại đèn


là góc không gian,

có thể được tính từ

theo công thức:

Trong đó:

là đường cong độ sáng tiêu chuẩn,

là tầm nhìn tối đa, vào

khoảng ~680 (lm/W) tại bước sóng λ = 555nm.
1.1.2.2. Công suất quang truyền
Công suất quang truyền Công suất quang truyền biểu thị tổng năng lượng bức
xạ từ đèn LED. Bằng cách lấy tích phân của thông năng Φ e theo tất cả mọi hướng ta
thu được công suất quang truyền Pt:

SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B
16


Định vị robot sử dụng công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy kết hợp với bộ lọc Kalman mở rộng

Trong đó, Λmax và Λmin được xác định bằng đường cong biểu diễn độ nhạy
của photodiode (PD).
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

Định vị robot sử dụng công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy kết hợp với bộ lọc Kalman mở rộng

• Sự đa dạng về màu sắc: Sự đa dạng về màu sắc trong vùng ánh sáng nhìn
thấy của đèn LED được thực hiện đơn giản bằng việc phối hợp ba màu sắc cơ bản (đỏ,
xanh da trời, xanh lá cây) với một tỉ lệ thích hợp mà không cần sử dụng bất kỳ bộ lọc
màu sắc nào như các nguồn phát sáng nhân tạo thông thường.
• Khả năng phát sáng tập trung: Do lợi thế về kích thước rất nhỏ cùng với
khả năng bức xạ cao, chúng ta có thể dễ dàng điều chỉnh góc khối của đèn LED để đạt
được khả năng phát tập trung cao so với nguồn ánh sáng sợi đốt và huỳnh quang.
1.1.3.2. Nhược điểm
Bên cạnh những ưu điểm vượt trội so với các loại đèn truyền thống thì các đèn
LED trắng cũng tồn tại một số nhược điểm do nhiều yếu tố mang lại như:
• Phụ thuộc nhiệt độ: Hiệu suất của đèn LED bị ảnh hưởng lớn bởi nhiệt độ
xung quanh quanh nơi nó đang hoạt động. Điều này có thể khiến đèn LED bị hỏng
trong khi đang bức xạ ánh sáng.
• Phân cực điện: Các đèn LED trắng chỉ hoạt động nếu ta phân cực đúng cho
nó trong khi đèn sợi đốt và đèn huỳnh quang không bị ảnh hưởng bởi cơ chế phân cực
điện này.
• Độ nhạy điện áp: Các đèn LED trắng phải được cung cấp một điệp áp có
giá trị trên một ngưỡng nhất định và dòng đi qua phải thấp hơn một giá trị nhất định.
• Mức độ phân kì: Các đèn LED trắng không thể cung cấp mức độ phân kì
thấp hơn vài độ. Trong khi đó, nguồn phát sáng Laser có thể phát những tia sáng có
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

Tuy nhiên, phương pháp điều chỉnh độ rộng xung là giải pháp tối ưu nhất cho việc
điều khiển độ sáng và truyền thông.
Hình 1.5 minh họa mô hình thực tế của công nghệ VLC trong môi trường trong
nhà.

SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B
20


Định vị robot sử dụng công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy kết hợp với bộ lọc Kalman mở rộng

Hình 1.5 Mô hình thực tế của công nghệ VLC trong môi trường trong nhà
Bảng 1.1 so sánh các đặc trưng giữa các công nghệ truyền thông sử dụng sóng
vô tuyến, sóng hồng ngoại và ánh sáng nhìn thấy. Qua bảng trên chúng ta có thể thấy
rằng hệ thống VLC có nhiều ưu điểm hơn các hệ thống RF như vừa có khả năng chiếu
sáng vừa có thể truyền dữ liệu, băng thông rộng, mức độ bảo mật cao và công suất tiêu
thụ thấp. Bên cạnh đó, nó cũng có những hạn chế so với công nghệ RF như: khó có thể
truyền dữ liệu trong khoảng cách xa, chỉ tối ưu trong môi trường sóng ánh sáng truyền
thẳng.
Bảng 1.1. So sánh những đặc tính của các công nghệ truyền thông VLC, IRB, RFB
Đặc tính
Băng thông
Truyền thẳng
Khoảng cách
Bảo mật

VLC
Không giới hạn

IRB

Cao
Khá đầy đủ cho môi

dài (ngoài
trời)
Thấp

trường trong nhà,

Hoàn

đang hoàn thiện cho

thiện

môi trường ngoài trời
Truyền thông

Truyền

SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B
21


Định vị robot sử dụng công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy kết hợp với bộ lọc Kalman mở rộng

Nguồn nhiễu
Tổn hao
công suất
Khả năng

Giới hạn

Hẹp và
rộng

Hẹp và rộng

bình
Tốt
Chủ yếu
rộng

1.2.2. Cấu hình đường truyền
Có sáu loại hình đường truyền cho các hệ thống truyền thông sử dụng ánh sáng
trong môi trường trong nhà được phân loại dựa trên hai yếu tố. Yếu tố đầu tiên được
quyết định bởi mức độ định hướng giữa bộ phát và bộ nhận. Mối quan hệ giữa chúng
được phân thành ba loại: trực tiếp, không trực tiếp và lai ghép (xem hình 1.6). Đường
truyền trực tiếp giữa bộ phát và bộ nhận có hiệu suất công suất nhận được cao nhất bởi
vì suy hao và nhiễu mà nó phải chịu từ các nguồn sáng xung quanh là nhỏ nhất. Đối
với các đường truyền không trực tiếp, các thiết bị di động có thể dễ dàng nhận được tín
hiệu ngay cả khi đang di chuyển nhưng công suất tín hiệu nhận được thì không cao do
tín hiệu phát bị phân tán và ảnh hưởng các nguồn ánh sáng khác từ môi trường. Trong
cấu hình lai ghép mức độ định hướng giữa bộ phát và bộ nhận có sự khác biệt, công
suất nhận được cao hơn cấu hình phân tán do độ tập trung ánh sáng của bộ phát, nhưng
nhỏ hơn cấu hình định hướng và vẫn bị ảnh hưởng bởi các nguồn ánh sáng khác do độ
mở của bộ nhận lớn.

SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B
22


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:

)

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:

1.2.4. Công suất quang nhận

Hình 1.8. Mô hình truyền nhận ánh sáng trực tiếp (LOS)
Hình 1.8 mô tả kênh truyền quang không dây trong trường hợp kênh truyền
thẳng. Trong đường truyền quang không dây này, độ lợi DC của kênh truyền được biểu
diễn như sau:

SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B
24


Định vị robot sử dụng công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy kết hợp với bộ lọc Kalman mở rộng

Trong đó, A là diện tích bề mặt nhận sáng của một PD; m là hệ số Lambert;
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. Ts(ψ) là độ lợi của bộ lọc quang. cosm(ϕ) và cos(ψ) lần lượt là
độ nhạy của LED và PD. gs(ψ) là độ tập trung ánh sáng:

Trong đó, n là hệ số khúc xạ; ψc là góc mở tối đa của một PD. Khi đó, công
suất quang Pr của kênh truyền VLC được tại PD là:

1.3. Ứng dụng và một số sản phẩm thực tế