ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Văn Thắng

THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG
HỆ THỐNG DẪN ĐƢỜNG TÍCH HỢP INS/GPS
TRÊN CƠ SỞ LINH KIỆN VI CƠ ĐIỆN TỬ DÙNG CHO
CÁC PHƢƠNG TIỆN GIAO THÔNG ĐƢỜNG BỘ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 62520203

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

Hà Nội – 2017
1


Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Công nghệ,
Đại học Quốc gia Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Chử Đức Trình
PGS.TS. Trần Đức Tân

Phản biện: PGS.TS. Bạch Nhật Hồng
Phản biện: TS. Đỗ Trung Kiên
Phản biện: PGS.TS. Nguyễn Đức Minh
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Quốc gia
chấm luận án tiến sĩ họp tại Trường Đại học Công nghệ, Đại
học Quốc gia Hà Nội vào hồi 9 giờ 00 ngày 11 tháng 8

vi cơ điện tử dùng cho các phương tiện giao thông đường bộ” cho
luận án tiến sĩ của mình.
Đối tƣợng nghiên cứu
Hệ thống GPS, INS, hệ tích hợp phần cứng INS/GPS thương mại
và các biện pháp nâng cao chất lượng làm việc và các cảm biến đo
vận tốc góc trong khối đo lường quán tính IMU.
1


Mục đích nghiên cứu
Tìm ra các thuật toán mới kết hợp với dữ liệu trong bản đồ số để
nâng cao chất lượng định vị và dẫn đường của hệ tích hợp INS/GPS
thương mại. Đồng thời, đưa ra một cấu trúc mới về cảm biến đo vận
tốc góc kiểu Tuning Fork (TFG) dựa trên công nghệ MEMS.
Phƣơng 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 và mô phỏng
trên dữ liệu thực nghiệm.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 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 mới về cảm biến vận tốc).
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.
Cấu trúc của luận án
Mở đầu

sẵn có là: Cải tiến về hệ thống và cải tiến về linh kiện của hệ thống.
1.2.

Tổng quan về Gyroscope và hệ tích hợp INS/GPS

1.2.1. Tổng quan nghiên cứu về MEMS và các cảm biến dựa trên
công nghệ MEMS
Các linh kiện MEMS ra đời vào năm 1954 và được phát triển
mạnh mẽ từ cuối năm 1959. 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
3


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) nên 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... 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, vi cơ bề mặt, và
LIGA [27]. Ngoài ra, còn áp dụng các quy trình vi chế tạo 3 chiều
căn cứ vào từng yêu cầu cụ thể như tạo ra các thiết bị y sinh và các
bộ vi kích thích/chấp hành có nguồn điện áp đầu ra cao hơn.
Trong các hệ vi cơ điện tử, các cảm biến gia tốc và cảm biến vận
tốc góc được ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô [78], y sinh

đường. MM đang trở nên cấp thiết khi mà ô tô được sử dụng như các
5


bộ cảm biến giao thông để đo tốc độ xe đường trường và xây dựng
các mô hình thống kê về sự cản trở giao thông. Dữ liệu trong các bộ
cảm biến giao thông đang được sử dụng trong các động cơ định
tuyến thương mại của Microsoft [16], Inrix [41]. Map matching còn
được nghiên cứu để đưa vào các ứng dụng như dự đoán đường [47].
Nghiên cứu trình bày trong tài liệu trích dẫn [57] đã đưa ra một thuật
toán Map matching mới dựa trên mô hình Hidden Markov có khả tìm
ra con đường thích hợp nhất. Thuật toán MM dựa trên luật logic mờ
dùng cho phương tiện đường bộ được trình bày trong tài liệu [66].
Ngoài ra, còn rất nhiều các nghiên cứu khác về MM đã được các nhà
nghiên cứu trên thế giới thực hiện thành công như trong các tài liệu
trích dẫn [11],[15],[18],[19],[20],[21],[51],[88]…
1.3.

Định hƣớng nghiên cứu

Luận án tập trung vào hai giải pháp để nâng cao chất lượng làm
việc của hệ tích hợp INS/GPS thương mại sẵn có để tạo nên hệ dẫn
đường dùng cho các phương tiện giao thông đường bộ. Đây cũng
chính là hai đóng góp mới của nghiên cứu sinh trong luận án này:
Thứ nhất là đề xuất thuật toán mới “Thuật toán bám đường” kết hợp
với bản đồ số để hỗ trợ cho hệ tích hợp INS/GPS làm việc. Thuật
toán này nâng cao độ chính xác của hệ tích hợp INS/GPS khi hệ
thống làm việc trong điều kiện mất tín hiệu GPS. Thứ hai là nâng cao
chất lượng của cảm biến đo vận tốc góc trong INS, cụ thể là đưa ra
thiết kế, mô phỏng một cảm biến đo vận tốc góc kiểu Tuning Fork


-

Các vận tốc VN ,VE ,VD trong hệ tọa độ định vị.

-

Tư thế: Góc quay, góc chúc và góc hướng.

2.1.2. Hệ thống phần cứng tích hợp INS/GPS
Cấu hình phần cứng sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm của
luận án này gồm một máy tính chuyên dụng, một máy thu GPS HI204E [35], một IMU là MICRO-ISU BP3010 [36].
7


2.2 Ứng dụng thuật toán STA và kết quả mô phỏng thực nghiệm
2.2.1 Thuật toán bám đƣờng (STA) và sơ đồ đề xuất
Một số ràng buộc trong nghiên cứu này là: Thứ nhất, lộ trình
chuyển động của xe thực nghiệm đã được biết trước hay nói cách
khác là thuật toán và hệ thống được thử nghiệm và mô phỏng trên
một lộ trình đã được xác định. Có thể thấy rằng ràng buộc này cũng
đã giới hạn một phần phạm vi ứng dụng trong thực tế. Thứ hai, ứng
dụng này chỉ dành cho việc định vị và dẫn đường cho các phương
tiện đường bộ. Thứ ba, ràng buộc về vận tốc được ứng dụng cho hệ
tích hợp INS/GPS khi tín hiệu GPS bị mất. Cụ thể, trên hệ tọa độ gắn
liền vật thể xe chỉ chạy theo trục Y (bám sát tâm đường), vận tốc theo
các hướng của trục X và Z trong hệ tọa độ gắn liền vật thể bằng “0”.
Cấu hình tích hợp INS và GPS đề xuất được chỉ ra trong Hình 2.14.

Hình 2.14 Hệ thống tích hợp đề xuất với thuật toán STA

bước thứ k+1 sẽ dựa vào vận tốc tại bước thứ k và độ tăng vận tốc tại
bước thứ k+1. Bởi vậy, đầu ra của INS gồm vị trí theo hệ tọa độ cố
định tâm trái đất và gia tốc thô theo hệ tọa độ gắn liền vật thể (Body
frame) được đưa trực tiếp đến khối STA thay vì đưa tới khối “P V
A(góc hướng) đã căn chỉnh”. Lúc này khối STA và khối cơ sở dữ
liệu bản đồ số được kích hoạt để nâng cao chất lượng của hệ định vị.
Trong cấu hình phần cứng có sử dụng một máy tính đã lưu trữ cơ sở
dữ liệu bản đồ số, trong đó có quỹ đạo chuyển động của xe chạy thực
nghiệm. Cụ thể như sau:
- Trước tiên, căn cứ vào cơ sở dữ liệu của bản đồ số để chọn ra các
điểm mốc trong quỹ đạo chuyển động của xe (gọi là các điểm tham
chiếu). Các điểm mốc được lựa chọn là các điểm nằm trên tâm của
làn đường xe chạy. Do đó, có thể khẳng định được rằng các điểm
tham chiếu và quỹ đạo tham chiếu (đường nối các điểm tham chiếu
9


với nhau) hoàn toàn đáng tin cậy và có thể dùng để thay thế quỹ đạo
chuẩn (do GPS xác định trong điều kiện bình thường) khi mất tín
hiệu GPS.
- Tiếp đến là xác định vị trí của xe ở các thời điểm sau khi mất
GPS. Hình 2.16 là một thuyết minh về thuật toán STA. Trong hình
này đường màu xám to là con đường thực tế cho xe chạy (lưu ý ràng
buộc xe chạy bám tâm đường), còn đường nối các điểm nằm giữa
con đường thực là đường nối các điểm tham chiếu với nhau (lúc này
đã trở thành các điểm đáng tin cậy như lập luận ở trên). Xe được
trang bị hệ thống định vị tích hợp đề xuất ở trên và giả sử chạy từ vị
trí xuất phát đến trước thời điểm ts thì máy thu GPS vẫn hoạt động
tốt. Từ thời điểm ts thì bị mất tín hiệu GPS. Điều đó có nghĩa là
những thông tin định vị tại trước thời điểm ts vẫn là đáng tin cậy.

được vị trí của xe ở thời điểm tk cần phải dùng công thức dưới đây:

e  d  tk   dref d

(2.18)

Trong công thức (2.18) có tham số Δd, đây là giá trị sai số vị trí
cho phép được đặt ra từ ban đầu (lưu ý Δd không mô tả độ chính xác
vị trí của thuật toán STA đề xuất nhưng Δd có ảnh hưởng tới độ
chính xác của hệ thống). Giá trị của dref được xác định trong tập các
điểm tham chiếu, khi thỏa mãn điều kiện trong công thức (2.18) là sẽ
11


tìm ra được vị trí của xe. Vị trí của xe lúc này được gán là vị trí của
điểm tham chiếu thỏa mãn (2.18). Vị trí này đương nhiên có thể xác
định trong hệ tọa độ tâm trái đất (vốn là thông tin ban đầu của các
điểm tham chiếu). Trường hợp không thỏa mãn thì sẽ nâng giá trị của
Δd rồi lặp lại công thức (2.18) để tìm ra điểm tham chiếu mà có dref
thỏa mãn. Do đó, điểm tham chiếu vừa tìm được là điểm nằm trên
quỹ đạo chuyển động và gần với vị trí thực của xe tại thời điểm tk
nhất. Cơ sở đặt ra giá trị Δd phụ thuộc vào mật độ điểm tham chiếu
trên quỹ đạo và yêu cầu về độ chính xác của hệ thống. Mật độ các
điểm tham chiếu càng dày thì độ chính xác càng lớn. Tuy nhiên, cần
phải dung hoà giữa hai yếu tố trên vì khi tăng mật độ điểm tham
chiếu sẽ làm cho việc tính toán trong thuật toán STA và hệ thống sẽ
phức tạp hơn dẫn đến tốc độ cập nhật chậm và ngược lại.
Sau khi xác định được vị trí của xe theo hướng Bắc và hướng
Đông trong hệ tọa độ định vị, tiếp tục dùng thuật toán STA xác định
vận tốc trung bình theo các hướng đó, theo công thức:

(t k ) tính theo mét (m),
không dùng thông tin về vị trí theo kinh độ và vĩ độ bởi vì sự thay

đổi vị trí theo độ là rất nhỏ. Cuối cùng thuật toán STA xác định góc
hướng trung bình (tk) theo công thức:
V N (tk )
tan(  tk )  STA
E
VSTA
(tk )
2.2.2 Kết quả và thảo luận
12

(2.21)


Để có cơ sở so sánh chất lượng của hệ tích hợp INS/GPS thông
thường với hệ tích hợp có thêm thuật toán STA đề xuất, nghiên cứu
đã đưa hệ phần cứng đã giới thiệu ở trên vào một xe ô tô và chạy
thực nghiệm tại hiện trường. Sau đó, sử dụng dữ liệu để mô phỏng
đánh giá kết quả. Xe chạy trong khoảng thời gian 1350 giây. Trong
thời gian này tín hiệu GPS hoàn toàn được thu nhận tốt để xây dựng

(m)

được quỹ đạo chuyển động (đường màu đen trong hình 2.19).

(m)

Hình 2.19 Chất lượng định vị của hệ thống INS/GPS khi có STA


(2.22)



Trong đó, Pi và Pi ref là giá trị ước lượng (đường màu đỏ) và các
giá trị chuẩn (đường màu đen), và N là số mẫu sử dụng để đánh giá.
Hình 2.20 và Hình 2.21 chỉ ra vận tốc theo hướng Đông và hướng
Bắc của hệ thống INS/GPS khi có và không có thuật toán STA và
của GPS khi làm việc trong điều kiện thời tiết tốt. Từ kết quả cho
thấy không có có sự sai khác khi có và không có STA nếu có tín hiệu
GPS với lý do là khối STA chỉ được kích hoạt khi mất tín hiệu GPS.
Trong khoảng thời gian mất tín hiệu GPS vận tốc của hệ thống khi
không dùng STA (đường nét đứt, màu xanh) không thể bám được
vận tốc thực (đường nét đứt, màu đỏ). Khi dùng STA, thì mặc dù vẫn
tồn tại những thăng giáng nhưng vận tốc (đường liền màu đen) vẫn
có thể bám khá tốt vận tốc chuẩn. Có thể tính toán sai số định vị và
vận tốc dựa vào công thức (2.22) và dữ liệu được chỉ ra trong các
Hình 2.19 đến Hình 2.21. Khi hệ thống dùng STA sai số định vị vào
khoảng 5 mét và lỗi vận tốc khoảng 3.2 m/s khi tín hiệu GPS bị mất
trong vòng 200 giây với quãng đường di chuyển là 1870 mét.
14


Hình 2.20 Vận tốc theo hướng Đông khi có và không có STA

Hình 2.21 Vận tốc theo hướng Bắc khi có và không có STA

Hình 2.22 Góc hướng của hệ INS/GPS khi có và không có STA
15

Chƣơng 3: CẤU TRÚC CẢM BIẾN ĐO VẬN TỐC GÓC KIỂU
VI SAI
3.1. Cấu trúc Gyroscope đơn đề xuất
Cảm biến đo vận tốc góc rung vi cơ dạng hai chiều hoạt động dựa
trên hiệu ứng điện dung đề xuất được trình bày trong Hình 3.12.

Hình 3.12 Cảm biến đo vận tốc góc rung vi cơ đề xuất.
Theo tài liệu [6], tín hiệu kích thích có thể đặt vào giữa điện cực
kích thích Cdrive và khối gia trọng có công thức:
(3.25)
Do đó, lực kích thích tương ứng tác động lên khung kích thích là:
(3.26)
Tuy nhiên trong quá trình mô phỏng tác giả nghiên cứu đã đặt
trực tiếp lực kích thích vào 8 khung răng lược thay vì kích thích bằng
điện áp. Trong nghiên cứu này, các thông số thiết kế của cảm biến đo
vận tốc góc hoạt động dựa trên hiệu ứng điện dung được liệt kê trong
Bảng 3.1.
Bảng 3.1: Các tham số thiết kế trong cấu trúc cảm biến vận tốc
góc đề xuất
17


Tham số

Ký hiệu

Giá trị

Độ cao của Gyro


hspm

840 µm

Độ rộng của khung cảm ứng

wspm

940 µm

Độ cao dầm treo phụ của khung kích thích

h1

190 µm

Độ cao dầm treo chính của khung kích thích

h2

260 µm

Độ rộng dầm treo khung kích thích

w1

6 µm

w2 × h3


50 µm × 3 µm
2.5 µm

g

8 µm

ldfo

10 µm

Dầm treo cảm ứng hình E líp (1)

a1 × b1

150 µm × 20 µm

Dầm treo cảm ứng hình E líp (2)

a2 × b2

144 µm × 14 µm

Trọng lượng khung kích thích

md

0.5452 × 10-7 Kg

Trọng lượng khung cảm ứng

Tham số
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
Kích thước tổng thể
Góc nghiêng của thanh R3
Kích thước chốt cố định
Độ dày của cấu trúc
Độ cứng theo trục X
Độ cứng theo trục Y

3.2.2.

Giá trị
Rộng × Cao: 132 µm × 100 µm
Rộng × Cao: 70 µm × 20 µm
Rộng × Cao: 60 µm × 600 µm
Rộng × Cao: 60 µm × 20 µm
Rộng × Cao: 60 µm × 80 µm
Rộng × Cao: 500 µm × 6 µm
Rộng × Cao: 200 µm × 6 µm
Rộng × Cao: 1000 µm × 1700 µm
30o
Rộng × Cao: 40 µm × 40 µm
30 µm
121 N/m

20


thích. Tần số này chính là tần số dao động riêng theo phương kích
thích (dao động kích thích) của từng cấu trúc TFG và được xác định
thông qua phương pháp phân tích phần tử hữu hạn trong Comsol
Multiphysics 4.4.
Trong mô phỏng này xây dựng 3 cấu trúc TFG khác nhau ở độ
cứng của dầm treo. Cụ thể là khác nhau về độ cao của dầm R6 trong
hệ dầm treo hình quả trám (Hình 3.14). Độ cao của R6 lần lượt là
6µm, 4µm, 12µm tương ứng với cấu trúc TFG 1, 2 và 3. Ngoài ra,
các thông số còn lại của cả 3 TFG giống nhau.Các mode dao động
riêng tổng hợp được từ các kết quả phân tích của 3 TFG được liệt kê
trong Bảng 3.4.
Bảng 3.4 Kết quả phân tích tần số dao động riêng liên quan đến
phương kích thích của 3 cấu trúc
Tần số (Hz)
Mode dao động

Cấu trúc 1
(HR6 = 6µm)

1 - Dao động kích thích
2 - Dao động không mong muốn
3 - Dao động không mong muốn
4 - Dao động không mong muốn

21397.9
44446.8
63436.5

trúc nào thì tần số f trong hai công thức (3.27), (3.28) được thay thế
bởi tần số cộng hưởng theo hướng kích thích của cấu trúc đó. Theo
nguyên lý hoạt động thông thường của TFG thì hai tín hiệu kích
thích f1 và f2 luôn ngược pha nhau. Nếu gọi φ là độ lệch pha giữa hai
tín hiệu kích thích thì theo nguyên lý chung của TFG φ = 180o.
Tuy nhiên, trong nghiên cứu này tín hiệu kích thích f1 được giữ
nguyên và f2 được thay đổi bởi các giá trị khác nhau của φ trong mỗi
lần tính toán và mô phỏng một cấu trúc cụ thể. Mục đích của việc
thay đổi độ lệch φ của hai tín hiệu kích thích là để quan sát độ lệch
pha rung cơ học của hai khung kích thích nhằm đánh giá được khả
năng bù lệch pha của các cấu trúc TFG đề xuất khi có độ lệch pha
giữa hai tín hiệu kích thích.
Bảng 3.5 chỉ ra mối quan hệ giữa độ lệch pha của hai tín hiệu kích
thích φ và độ lệch pha rung cơ học của hai khung kích thích φ1 trong
các lần mô phỏng của 3 cấu trúc TFG đề xuất.
Bảng 3.5 Mối quan hệ giữa φ và φ1 (Độ)
φ1
φ
180°/0°
179.5°/0.5°
179°/1°
178.5°/1.5°
178°/2°
177.5°/2.5°

Cấu trúc 1

Cấu trúc 2

Cấu trúc 3

3.4.

0
0
3.9
18.2

3.5
7.0
15
x

0
0
0
15.6

Kết luận

Trong chương này tác giả của luận án đã đưa ra các cơ sở lý
thuyết và đi đến thiết kế, mô phỏng một cảm biến đo vận tốc góc
kiểu Tuning fork có hệ lò xo liên kết/dầm treo liên kết hình quả trám
(gọi là cảm biến đo vận tốc góc vi sai). Thiết kế có các hệ tụ răng
lược dùng để kích thích bằng tín hiệu điện. Thiết kế đã thể hiện được
tính ưu việt của hệ lò xo liên kết hình quả trám. Các kết quả trong
Bảng 3.5 và Hình 3.22 chỉ ra rằng rung động cơ học của hai khung
kích thích được khớp nối rất tốt khi độ lệch pha của hai tín hiệu kích
thích lần lượt  3.5o, 2.5o và 4o tương ứng với cấu trúc 1, 2 và 3. Các
rung động cơ học của hai khung kích thích sẽ không được bù khi độ
lệch pha của hai tín hiệu kích thích lần lượt lớn hơn 3.5o, 2.5o và 4o