ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Văn Thắng

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG

Hà Nội – 2017

-i-


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Văn Thắng

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

Chuyên ngành: Kĩ thuật điện tử
Mã số: 62520203
LUẬN ÁN TIẾN SĨ
CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG


Truyền hình I đã tạo điều kiện về thời gian và hỗ trợ kinh phí cho tác giả trong suốt
quá trình làm nghiên cứu sinh.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các thày cô giáo trong bộ môn “Các hệ Vi cơ
điện tử và Vi hệ thống” và Khoa Điện tử viễn thông trường Đại học Công nghệ, Đại
học Quốc gia Hà Nội về sự giúp đỡ, hợp tác nghiên cứu và động viên tinh thần
trong những năm qua.
Tác giả xin bày tỏ sự biết ơn tới nhóm nghiên cứu thuộc Viện ITIMS thuộc
Đại học Bách khoa Hà Nội, đặc biệt là thầy PGS.TS Vũ Ngọc Hùng về sự hỗ trợ,
động viên và hợp tác nghiên cứu.
Qua đây, tác giả cũng xin được cảm ơn tới bạn bè, đồng nghiệp và đặc biệt là
bạn Đào Đình Thành – Những người luôn chia sẻ và động viên tác giả trong suốt
chặng đường khó khăn vừa qua.
Từ đáy lòng mình tác giả xin được nói lời cảm ơn tới gia đình bố, mẹ, anh chị
em và đặc biệt là vợ và con gái đã luôn ủng hộ, động viên tinh thần và tạo mọi điều
kiện để tác giả có thể thực hiện thành công luận án này.

-iv-


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iv
MỤC LỤC ...................................................................................................................v
DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................ xi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................................. xii
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
Chương 1: TỔNG QUAN ...........................................................................................6
1.1. Đặt vấn đề .............................................................................................................6
1.2. Tổng quan về các cảm biến đo vận tốc góc và hệ tích hợp INS/GPS ..................7
1.2.1. Tổng quan nghiên cứu về MEMS và các cảm biến dựa trên công nghệ

3.3. Hiệu ứng tĩnh điện và hệ tụ răng lược ................................................................62
3.3.1. Lực tĩnh điện (lực Coulomb) .....................................................................62
3.3.2. Tụ điện .......................................................................................................63
3.3.3. Lực tiếp tuyến và lực pháp tuyến ...............................................................64
3.3.4. Ứng dụng hiệu ứng tĩnh điện cho bộ kích thích kiểu răng lược ................66
3.4. Cấu trúc cảm biến đo vận tốc góc ......................................................................68
3.5. Cấu trúc cảm biến đo vận tốc góc kiểu vi sai (cảm biến đo vận tốc góc kiểu
Tuning Fork có hệ dầm treo vi sai) ...........................................................................72
3.5.1. Hệ dầm treo vi sai ......................................................................................72
3.5.2. Thiết kế cảm biến đo vận tốc góc kiểu Tuning Fork có hệ dầm treo vi sai ...
....................................................................................................................73
3.6. Kết quả và thảo luận ...........................................................................................76
3.7. Kết luận...............................................................................................................94
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................95
Kết luận .....................................................................................................................95
Kiến nghị về công việc nghiên cứu tiếp theo của đề tài ...........................................96
DANH MỤC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN
QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ...........................................................................................97
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................98

-vi-


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Giải thích ý nghĩa

Chữ viết tắt
A


KF

Kalman filter - Bộ lọc Kalman

LUT

Look up table - Bảng tra

MEMS

Microelectromechanical Systems - Các hệ vi cơ điện tử

P

Position - Vị trí

STA

Street Tracking Algorithm - Thuật toán bám đường

TFG

Tuning Fork Gyroscope - Cảm biến đo vận tốc góc kiểu Tuning
Fork

V

Velocity- Vận tốc

MM

AIMU

Tư thế do IMU cung cấp

xk

Véc tơ trạng thái rời rạc (tại thời điểm k)

Ak,k-1

Ma trận chuyển

Bk,k-1

Ma trận đầu vào

ωk-1

Nhiễu trắng quá trình

Zk

Véc tơ đo lường

vk

Nhiễu trắng đo lường

̂



Góc quay, góc chúc và góc hướng

 , , 

Vĩ độ, kinh độ và góc phương vị (trong hệ tọa độ tâm trái đất)

Vx,y,z

Các vận tốc trong hệ tọa độ cố định tâm trái đất

V N , VE , VD

Các vận tốc trong hệ tọa độ định vị

x(t)

Véc tơ trạng thái lỗi

u(t)

Véc tơ nhiễu đo

-viii-


 veT ,  eT

Lỗi vận tốc, lỗi tư thế


E
PSTA
, PSTA

Các vị trí do thuật toán STA xác định

N
E
VSTA
, VSTA

Các vận tốc do thuật toán STA xác định

F

Lực tĩnh điện

q1, q2

Điện tích của các hạt mang điện

r

Khoảng cách giữa hai hạt điện tích

k

Hằng số tĩnh điện, k = 9.109 (Nm2/C2)

ε0

V

Hiệu điện thế giữa hai bản cực

Ft

Lực tiếp tuyến giữa hai bản cực

Fn

Lực pháp tuyến giữa hai bản cực

Ei

Nội năng của nguồn

md

Khối lượng khung kích thích của gyroscope

ms

Khối lượng khung cảm ứng của gyroscope

Kd

Độ cứng của hệ dầm treo theo phương kích thích (trục x) của
gyroscope

Ks

-xi-


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Con quay cơ học cổ điển ............................................................................10
Hình 1.2 Con quay cơ học dùng trong hàng hải .......................................................10
Hình 1.3 Con quay sợi quang học .............................................................................13
Hình 1.4 Con quay Laze vòng ..................................................................................13
Hình 1.5 Cấu trúc hệ tích hợp INS/GPS và vị trí đóng góp mới của luận án ...........19

Hình 2. 1 Cấu trúc của khối IMU. .............................................................................22
Hình 2. 2 Hệ thống định toàn cầu GPS. ....................................................................23
Hình 2. 3 Phương thức kết hợp lỏng (loosely coupled) ............................................25
Hình 2. 4 Phương thức kết hợp chặt (tightly coupled). .............................................25
Hình 2. 5 Phương thức kết hợp chặt phát triển (Ultra-tightly coupled) ....................25
Hình 2. 6 Kỹ thuật điều chỉnh lỗi trong hệ tích hợp INS/GPS .................................27
Hình 2. 7 Sơ đồ tính toán của bộ lọc Kalman ...........................................................29
Hình 2. 8 Sơ đồ tích hợp INS/GPS với bộ lọc Kalman thích nghi và LUT đề xuất .30
Hình 2. 9 Thuật toán dẫn đường quán tính (a) ..........................................................32
Hình 2. 10 Thuật toán dẫn đường quán tính (b) ........................................................33
Hình 2. 11 Khối IMU được chế tạo bởi công nghệ vi cơ điện tử. ............................35
Hình 2. 12 Thiết bị thu GPS HI-204E .......................................................................36
Hình 2. 13 Cấu hình phần cứng của hệ tích hợp INS/GPS .......................................37
Hình 2. 14 Hệ thống tích hợp đề xuất với thuật toán STA .......................................39
Hình 2. 15 Một phần quỹ đạo xác định bằng GPS và bằng các điểm tham chiếu từ
bản đồ số....................................................................................................................41
Hình 2. 16 Thuyết minh về thuật toán Street Tracking Algorithm (STA) ................41
Hình 2. 17 Lưu đồ thực thi thuật toán STA ..............................................................45
Hình 2. 18 Bản đồ và quỹ đạo thực nghiệm tại hiện trường .....................................46

mode khác (b-d) ........................................................................................................83
Hình 3. 19 Một số mode dao động của cấu trúc TFG 3: Mode kích thích (a); các
mode khác (b-d) ........................................................................................................85

-xiii-


Hình 3. 20 Tần số cộng hưởng theo phương kích thích của cấu trúc 1 ....................86
Hình 3. 21 Biên dạng dịch chuyển của TFG 1 tại hai thời điểm khác nhau .............88
Hình 3. 22 Mối quan hệ giữa độ lệch pha rung cơ học của hai khung kích thích và
độ lệch pha điện của hai tín hiệu kích thích ..............................................................89
Hình 3. 23 Độ dịch chuyển của khung kích thích trong TFG đề xuất ......................90
Hình 3. 24 Độ dịch chuyển cơ học của khung cảm ứng (b) khi có vận tốc góc hình
sin (a) .........................................................................................................................91
Hình 3. 25 Độ dịch chuyển cơ học của khung cảm ứng (b) khi có vận tốc góc hình
tam giác (a) ................................................................................................................92
Hình 3. 26 Độ dịch chuyển cơ học của khung cảm ứng (b) khi có vận tốc góc hình
thang (a).....................................................................................................................93

-xiv-


-xv-


MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Trong những năm gần đây, nhu cầu về định vị và dẫn đường của con người
ngày càng tăng. Ngoài những ứng dụng trong cuộc sống đời thường như theo dõi lộ
trình và dẫn đường cho xe ô tô, tàu thuyền trên biển, tìm kiếm cứu nạn, chống trộm

các sai số đó thì INS còn có một số sai số khác nhưng chủ yếu do các cảm biến
quán tính gây nên [68] và được liệt kê như sau:
Loại
Lỗi vị trí của cảm biến khi lắp đặt

Gây ra sai số
Góc nghiêng, góc chúc và góc hướng

Hiện tượng lệch và trôi của cảm Vật thể không di chuyển nhưng vẫn có vận
biến đo vận tốc góc (do sự ảnh tốc góc không đổi
hưởng của nhiệt độ)
Độ lệch của cảm biến gia tốc

Đầu ra của cảm biến gia tốc sẽ bị lệch đi một
giá trị không đổi. Giá trị này lại thay đổi mỗi
khi tắt/bật thiết bị.

Nhiễu ngẫu nhiên

Lỗi ngẫu nhiên trong đo lường

Do vậy, INS cũng cần phải kết hợp với một hệ thống khác để nâng cao hiệu
quả làm việc khi hoạt động trong khoảng thời gian dài. Một trong những giải pháp
được coi là tối ưu nhất là sự kết hợp giữa GPS và hệ dẫn đường quán tính INS để
tạo ra hệ tích hợp INS/GPS.
Tuy nhiên, ngay cả khi kết hợp chúng với nhau đặc biệt là đối với các hệ tích
hợp thương mại vẫn tồn tại sai số khi hoạt động.
Với những lý do trên nên vẫn đã, đang, và tiếp tục đòi hỏi những nghiên cứu
mới nhằm nâng cao chất lượng, hiệu quả làm việc của chúng. Rất nhiều các nghiên
cứu trong và ngoài nước đã thành công và được ứng dụng trong thực tế. Tuy vậy,

Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp nghiên cứu, tính toán lý thuyết
và thiết kế, mô phỏng bằng phần mềm Comsol Multiphysics (đối với nội dung liên
quan đến cảm biến đo vận tốc góc) và mô phỏng trên dữ liệu thực nghiệm - dữ liệu

-3-


offline (đối với nội dung liên quan đến nâng cao hệ tích hợp INS/GPS bằng thuật
toán kết hợp với bản đồ số).
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Nghiên cứu một cách có hệ thống về hệ tích hợp INS/GPS thương mại, qua đó
tìm ra các biện pháp nâng cao chất lượng, hiệu quả làm việc của hệ tích hợp đó. Vì
vậy:
Về ý nghĩa khoa học của luận án: Đưa ra thuật toán mới có thể kết hợp với bản
đồ số để ứng dụng vào hệ định vị và dẫn đường INS/GPS. Ngoài ra còn thiết kế
được một cấu trúc mới về cảm biến đo vận tốc góc kiểu Tuning Fork (tạo ra một
cấu trúc linh kiện về cảm biến vận tốc góc).
Về ý nghĩa thực tiễn: Căn cứ vào những kết quả nghiên cứu và mô phỏng có
thể tạo ra sản phẩm thực tế là một linh kiện cảm biến đo vận tốc góc kiểu Tuning
Fork (TFG). Đồng thời, có thể đưa vào ứng dụng thực tế một hệ định vị tích hợp
INS/GPS thương mại làm việc hiệu quả hơn bằng thuật toán vừa được nghiên cứu.
Những kết quả mới của luận án
Với đề tài “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”, tác
giả của luận án đưa ra hai đóng góp mới: Một là, đề xuất một thuật toán mới với tên
gọi “Thuật toán bám đường STA – Street Tracking Algirthm” kết hợp với bản đồ số
để nâng cao chất lượng định vị và dẫn đường của hệ tích hợp INS/GPS thương mại.
Hai là, thiết kế và mô phỏng thành công một cảm biến đo vận tốc góc mới – Cảm
biến đo vận tốc góc kiểu vi sai. Thiết kế có hệ dầm treo/lò xo liên kết hình quả trám


-5-


Chương 1: TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề
Những năm gần đây là khoảng thời gian mà con người sử dụng công nghệ
định vị và dẫn đường phổ biến nhất. Đây là một nhu cầu hết sức thiết yếu và đặc
biệt với các ứng dụng thương mại: Ứng dụng định vị, dẫn đường trong điện thoại
thông minh, các loại xe ô tô, tìm kiếm cứu nạn, lũ lụt, theo dõi và cứu hộ khẩn cấp
cho con người và các phương tiện đi lại… Bên cạnh đó, các hệ thống định vị và dẫn
đường còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như thăm dò địa chất, theo dõi
và điều khiển bay cho các phương tiện trên không (máy bay, tàu thăm dò địa chất,
thám hiểm, thiết bị không người lái), định vị và dẫn đường cho các phương tiện di
chuyển bằng đường hàng hải (tàu ngầm, tàu vận chuyển hàng hóa, tàu khai thác cá
trên biển)… Để giải quyết được các nhu cầu đó có thể sử dụng một trong các hệ
định vị và dẫn đường: Hệ thống dẫn đường vô tuyến (Loran, Omega và Tacan), hệ
thống dẫn đường vệ tinh (GPS, GLONASS, Transit, JTIDS, DME…) và hệ định vị
quán tính (INS) hoặc kết hợp chúng với nhau. Trong các phương thức kết hợp thì
việc kết hợp INS và GPS để tạo ra hệ tích hợp INS/GPS được coi là lý tưởng nhất
với lý do: GPS hoạt động ổn định và có độ chính xác cao khi làm việc trong điều
kiện môi trường thuận lợi (quan sát được ít nhất 3 vệ tinh đối với các phương tiện
định vị trên mặt đất và quan sát được ít nhất 4 vệ tinh đối với các vật chuyển động
trong không gian). Tuy nhiên, khi GPS làm việc trong điều kiện không thuận lợi
như thời tiết xấu, di chuyển vào các khu vực bị che chắn như đường hầm, trong khu
vực có nhiều nhà cao tầng, đi dưới các cầu vượt và khu vực có nhiều cây cao rậm
rạp… sẽ làm giảm tầm quan sát của GPS tới các vệ tinh dẫn đến tín hiệu định vị bị
yếu thậm trí là mất thông tin định vị. Bên cạnh đó, hệ định vị quán tính (INS) có ưu
điểm nổi trội là có khả năng hoạt động tự trị trong bất kỳ điều kiện nào, có tốc độ
cập nhật thông tin cao (1/64 giây trong khi tốc độ cập nhật của GPS là 1 giây). Tuy

MEMS
MEMS được viết tắt của cụm từ Microelectromechanical Systems - Các hệ vi
cơ điện tử, là các hệ có sự kết hợp của các thành phần có chức năng hoạt động dưới
dạng điện và cơ với nhau ở kích thước cỡ mirco mét (µm). Các linh kiện MEMS ra
đời vào năm 1954 khi Charles Smith tìm ra hiệu ứng áp điện trở ở các vật liệu bán

-7-


dẫn Silicon (Si) và Germanium (Ge). Ý tưởng chế tạo các linh kiện và thiết bị có
kích thước nhỏ được Richard P.Feymann đề xuất vào cuối năm 1959. Kể từ đó công
nghệ này đã phát triển rất mạnh mẽ.
Công nghệ MEMS ra đời là khởi nguồn của các vi cảm biến và các bộ kích
thích/chấp hành làm nhiệm vụ nhận biết môi trường và sự thay đổi trong môi trường
đó [55]. Vì kích thước nhỏ gọn nên MEMS cần tới nguồn cung cấp cỡ µv và các
khối vi xử lý tín hiệu [30]. Các hệ vi cơ điện tử làm cho hệ thống làm việc với tốc
độ nhanh hơn, giá thành rẻ hơn, độ tin cậy cao hơn và có khả năng tích hợp được
nhiều tính năng phức tạp hơn [24]. Vào những năm 1990, MEMS đã xuất hiện cùng
với sự phát triển của quá trình sản xuất mạch tích hợp (IC). Sự thúc đẩy mạnh mẽ
của các chính phủ và các ngành công nghiệp đã tạo điều kiện cho sự bùng nổ các
nghiên cứu về MEMS. Bên cạnh những thiết bị MEMS tích hợp đơn giản như các
gia tốc kế/cảm biến gia tốc, đầu máy in phun mực... được thương mại hóa thì các
thiết bị MEMS phức tạp hơn cũng đã được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh
vực khác nhau của đời sống con người như không gian vũ trụ, các phân tích y sinh,
truyền thông không dây, lưu trữ dữ liệu v.v.
Đến cuối những năm 1990, hầu hết các bộ cảm biến MEMS trong đó có các
cảm biến đo vận tốc góc và cảm biến gia tốc đã được chế tạo bằng các phương
pháp: vi cơ khối (bulk micromachining), vi cơ bề mặt (surface micromachining), và
LIGA (Lithgraphie Galvanofruning und Abformung): khắc hình, mạ điện và làm
khuôn [27]. Ngoài ra, còn áp dụng các quy trình vi chế tạo 3 chiều căn cứ vào từng

động theo các hướng cố định và luôn giữ độ ổn định cân bằng ở vị trí ban đầu. Hoạt
động của cảm biến đo vận tốc góc dựa trên lý thuyết của vật quay tức là khi vật
quay bị nghiêng vuông góc với hướng quay thì nó sẽ sinh ra một chuyển động tuế
sai hay còn gọi là chuyển động tiến động. Chuyển động này giữ cho thiết bị luôn có
hướng thẳng đứng, do vậy góc liên quan đến bề mặt tham chiếu có thể đo được (vận
tốc góc). Vì vậy, có thể nói rằng thiết bị này là công cụ dùng để đo đạc và duy trì
phương hướng dựa trên nguyên tắc bảo toàn mô men động lượng. Các cảm biến đo
vận tốc góc đa trục sẽ cung cấp các giá trị đo theo hai hoặc ba hướng vuông góc.

-9-


Hình 1.1 Con quay cơ học cổ điển1
Do tính bảo toàn mô men động lượng của đĩa quay trong quá trình chuyển
động, con quay cơ học cổ điển đã được ứng dụng để tạo ra các thiết bị định hướng
và dẫn đường trong lĩnh vực hàng hải. Những thiết bị dẫn hướng đầu tiên đã có mặt
trên những con tàu biển lớn từ năm 1911 trên cơ sở các phát minh của nhà bác học
Mỹ, Elmer Sperry, như được minh họa ở Hình 1.2.

Hình 1.2 Con quay cơ học dùng trong hàng hải2
Năm 1920, công cụ này đã được ứng dụng vào trong các hệ thống dẫn lái của
các loại bom ngư lôi và đến năm 1930 thì được ứng dụng vào làm các bộ dẫn hướng
cho hệ thống tên lửa và đạn đạo [91].

1
2

/> />
-10-