Tài liệu Thiết kế và xây dựng hệ thống dẫn đường tích hợp insgps trên cơ sở linh kiện vi cơ điện tử dùng cho các phương tiện giao thông đường bộ

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 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS Chử Đức Trình 2. PGS. TS Trần Đức Tân Hà Nội – 2017 -ii- LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Tất cả các số liệu, kết quả nghiên cứu trình bày trong luận án được phản ánh trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu khoa học nào khác. Nghiên cứu sinh Nguyễn Văn Thắng -iii- LỜI CẢM ƠN Luận án Tiến sĩ của tác giả được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của thầy PGS.TS Chử Đức Trình và thầy PGS.TS Trần Đức Tân. Bên cạnh những chỉ dẫn, định hướng về mặt khoa học, sự khuyến khích động viên về tinh thần luôn là động lực lớn giúp tác giả thực hiện thành công nghiên cứu của mình. Thông qua luận án này, tác giả xin gửi tới các thầy giáo hướng dẫn lòng biết ơn chân thành và cảm ơn sâu sắc. Tác giả xin trân trọng cảm ơn các lãnh đạo Trường Cao đẳng Phát thanh – 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 MEMS ......................................................................................................................7 1.2.2. Tổng quan nghiên cứu về ứng dụng của cảm biến đo vận tốc góc và các biện pháp nâng cao hiệu quả của hệ tích hợp INS/GPS ..............................................9 1.3. Định hướng nghiên cứu và tính khả thi của luận án ...........................................17 1.3.1. Định hướng nghiên cứu .............................................................................17 1.3.2. Tính khả thi của luận án .............................................................................19 Chương 2: HỆ DẪN ĐƯỜNG TÍCH HỢP INS/GPS VÀ CÁC BIỆN PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ...............................................................................................21 2.1 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của INS và GPS ............................................21 2.1.1. Hệ dẫn đường quán tính INS .....................................................................21 2.1.2. Hệ định vị toàn cầu GPS ............................................................................23 2.1.3. Sự cần thiết của việc tích hợp INS và GPS ...............................................24 2.2 Hệ tích hợp INS/GPS..........................................................................................24 2.2.1. Nguyên lý kết hợp INS/GPS ......................................................................24 2.2.2. Hệ thống phần cứng tích hợp INS/GPS .....................................................35 2.3 Biện pháp nâng cao hiệu quả làm việc của hệ tích hợp dùng Map Matching và thuật toán STA (Street Tracking Algorithm) ............................................................37 2.3.1. Thiết lập mô hình trạng thái cho bộ lọc Kalman .......................................37 -v- 2.3.2. Thuật toán bám đường (STA) ....................................................................39 2.3.3. Kết quả và thảo luận ..................................................................................45 2.4 Kết luận...............................................................................................................51 Chương 3: CẤU TRÚC CẢM BIẾN ĐO VẬN TỐC GÓC KIỂU VI SAI ..............52 3.1. Cảm biến đo vận tốc góc và ý tưởng thiết kế cảm biến đo vận tốc góc kiểu vi sai ............................................................................................................................52 3.1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến đo vận tốc góc ..................52 3.1.2. Ý tưởng thiết kế cảm biến đo vận tốc góc kiểu vi sai ................................55 3.2. Phần mềm thiết kế và mô phỏng cảm biến đo vận tốc góc ................................60 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 Attitude - Tư thế AKF Adaptive Kalman filter – Bộ Lọc Kalman thích nghi FEM Finite element method - Phương pháp phần tử hữu hạn GPS Global positioning system - Hệ định vị toàn cầu Gyroscope Con quay hồi chuyển/ Cảm biến đo vận tốc góc IMU Inertial measurement unit - Khối đo lường quán tính INS Inertial navigation system - Hệ dẫn đường quán tính INS/GPS Hệ tích hợp INS và GPS 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 Map Matching - Khớp bản đồ Ký hiệu Giải thích ý nghĩa PGPS Vị trí do GPS cung cấp VGPS Vận tốc do GPS cung cấp TGPS Thời gian do GPS cung cấp -vii- PIMU Vị trí do IMU cung cấp VIMU Vận tốc do IMU cung cấp 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 ̂ Ước lượng của véc tơ trạng thái Kk Ma trận khuếch đại Kalman Pk Ma trận hiệp phương sai ω Vận tốc góc a Gia tốc hN1, hN2 Chu kỳ lấy mẫu C bN B NE Ma trận chuyển từ hệ tọa độ gắn liền vật thể sang hệ tọa độ định vị Ma trận chuyển từ hệ tọa độ định vị sang hệ tọa độ tâm trái đất  ,  , 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  f bT ,ibbT Lỗi gia tốc, lỗi vận tốc góc uTacc (t),uTgyro (t) Nhiễu của cảm biến gia tốc và nhiễu cảm biến vận tốc xt Véc tơ trạng thái liên tục (tại thời điểm t) zt Véc tơ đo lường liên tục (tại thời điểm t) pNKF , pEKF Các vị trí ước lượng của bộ lọc Kalman trong hệ tọa độ định vị vNKF , vEKF Các vận tốc ước lượng của bộ lọc Kalman trong hệ tọa độ định vị pNINS , pEINS Các vị trí ước lượng của INS trong hệ tọa độ định vị vNINS , vEINS Các vận tốc ước lượng của INS trong hệ tọa độ định vị N 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 Độ điện thẩm chân không, ε0 = 8,854.10-12 F/m ε Hằng số điện môi (của không khí ε = 1) A0 Phần diện tích chồng lên nhau d0 Khoảng cách giữa hai bản cực C Điện dung của tụ điện E Năng lượng điện trường sinh ra giữa hai bản cực Q Điện tích trong tụ -ix- 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 Độ cứng của hệ dầm treo theo phương cảm ứng (trục y) của gyroscope φ Độ lệch pha giữa hai tín hiệu kích thích φ1 Độ lệch pha rung cơ học giữa hai khung kích thích KdTFG Độ cứng của hệ dầm treo theo phương kích thích (trục x) của Tuning Fork Gyroscope -x- DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3. 1: Các tham số thiết kế trong cấu trúc cảm biến vận tốc góc đề xuất .........71 Bảng 3. 2 Kết quả phân tích tần số dao động riêng liên quan đến phương kích thích của cảm biến đo vận tốc góc .....................................................................................71 Bảng 3. 3 Các tham số thiết kế của lò xo/dầm treo liên kết hình quả trám ..............73 Bảng 3. 4 Kết quả phân tích tần số dao động riêng liên quan đến phương kích thích của 3 cấu trúc ............................................................................................................85 Bảng 3. 5 Mối quan hệ giữa φ và φ1 (độ) ..................................................................88 -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 Hình 2. 19 Chất lượng định vị của hệ thống INS/GPS khi có STA so sánh với quỹ đạo chuẩn...................................................................................................................47 -xii- Hình 2. 20 Vận tốc theo hướng Đông của hệ INS/GPS khi có và không có STA ....48 Hình 2. 21 Vận tốc theo hướng Bắc của hệ INS/GPS khi có và không có STA ......48 Hình 2. 22 Góc hướng của hệ INS/GPS khi có và không có STA ...........................50 Hình 3. 1 Cảm biến đo vận tốc góc một khối gia trọng ............................................53 Hình 3. 2 Cảm biến đo vận tốc góc rung thực tế.......................................................53 Hình 3. 3 Cảm biến đo vận tốc góc hai khối gia trọng (TFG) ..................................54 Hình 3. 4 Sơ đồ khối mạch khuếch đại vi sai điện tử với nguồn dòng không đổi ....56 Hình 3. 5 Một dạng mạch khuếch đại vi sai điện tử có nguồn dòng không đổi .......57 Hình 3. 6 Cấu trúc khối của cảm biến đo vận tốc tốc góc kiểu Tuning Fork rung với hai khối gia trọng treo kiểu vi sai ..............................................................................59 Hình 3. 7 Tụ điện với hai bản cực song song ............................................................63 Hình 3. 8 Lực tiếp tuyến và pháp tuyến giữa hai bản cực ........................................64 Hình 3. 9 Sơ đồ tính lực tiếp tuyến và pháp tuyến ....................................................64 Hình 3. 10 Bộ kích thích kiểu răng lược ...................................................................67 Hình 3. 11 Mô hình tính toán bộ kích thích răng lược ..............................................67 Hình 3. 12 Cảm biến đo vận tốc góc dùng công nghệ MEMS đề xuất. ....................69 Hình 3. 13 Sơ đồ kích thích dao động kiểu một cực điện dung trong cảm biến đo vận tốc góc công nghệ MEMS [6] ............................................................................69 Hình 3. 14 Cấu trúc dầm treo vi sai ..........................................................................72 Hình 3. 15 Cảm biến đo vận tốc góc kiểu Tuning Fork có hệ dầm treo vi sai .........74 Hình 3. 16 Một số mode dao động của cảm biến đo vận tốc góc: Mode kích thích (a); các mode khác (b-d) ...........................................................................................78 Hình 3. 17 Một số mode dao động của cấu trúc TFG 1: Mode kích thích (a); các mode khác (b-d) ........................................................................................................81 Hình 3. 18 Một số mode dao động của cấu trúc TFG 2: Mode kích thích (a); các 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 cho thuê xe tự lái, theo dõi và định vị các nhân viên bán và giao hàng. Các hệ thống định vị, dẫn đường còn được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực quân sự, điều hành bay, do thám… Một trong những hệ thống định vị được sử dụng rộng rãi nhất là hệ định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System). Hệ thống GPS thu thập thông tin về tọa độ (vĩ độ và kinh độ), độ cao và tốc độ của các vật thể [17]. Trong quá trình làm việc, sai số của GPS có thể do một số nguyên nhân sau [4]:  Đồng hồ vệ tinh  Dữ liệu Ephemeris  Trễ ở tầng đối lưu  Trễ ở tầng điện ly  Nhiễu đa đường  Máy thu (bao gồm cả phần mềm) Đó là những nguyên nhân gây nên sai số khi GPS làm việc trong môi trường thuận lợi, điều kiện thời tiết tốt. Ngoài ra, khi GPS hoạt động trong điều kiện thời tiết xấu, làm việc tại các khu vực đông dân cư có nhiều nhà cao tầng, cây cao, đi dưới các cầu vượt, đường hầm thì sẽ làm giảm thậm chí mất khả năng định vị. Chính vì vậy, để tăng hiệu quả làm việc của GPS thì cần phải kết hợp với một hệ định vị, dẫn đường khác có khả năng hoạt động độc lập mà không phụ thuộc vào các yếu tố trên. Trong khi đó hệ dẫn đường quán tính INS (Inertial Navigation System) có khả năng hoạt động tự trị, có độ chính xác cao trong khoảng thời gian ngắn và có tốc độ cập nhật cao. Về mặt cấu tạo thì INS gồm một khối đo lường quán tính IMU (Inertial Measurement Unit) và thuật toán dẫn đường. Trong đó, IMU lại gồm các -1- cảm biến đo vận tốc góc và các cảm biến đo gia tốc. Cũng giống như các hệ thống khác, INS cũng có những sai số nhất định. Xét tổng thể có thể thấy những sai số của INS là do chất lượng của thiết bị INS và thuật toán dẫn đường gây ra. Khi đã bỏ qua 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, mỗi nghiên cứu đều dừng lại ở một mức độ thành công nhất định. Với mong muốn nâng cao chất lượng làm việc cho hệ định vị tích hợp INS/GPS thương mại nên tác giả đã chọn 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” cho luận án tiến sĩ của mình. -2- Đối tượng nghiên cứu Hệ thống định vị toàn cầu GPS, hệ dẫn đường quán tính INS. Hệ tích hợp phần cứng INS/GPS thương mại và các biện pháp nâng cao chất lượng làm việc. Các cảm biến đo vận tốc góc (Gyroscopes) trong khối đo lường quán tính IMU. Mục đích nghiên cứu 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. Đưa ra một cấu trúc mới về cảm biến đo vận tốc góc kiểu Tuning Fork (TFG) dựa trên công nghệ MEMS. TFG có cấu trúc treo kiểu vi sai, hoạt động dựa trên hiệu ứng điện dung. Nguyên lý hoạt động của cấu trúc này được so sánh có sự tương đồng với nguyên lý hoạt động của một mạch khuếch đại vi sai điện tử dùng hai Transistor và một nguồn dòng không đổi. Phạm vi nghiên cứu Các loại cảm biến đo vận tốc góc dựa trên công nghệ MEMS và các phần mềm thiết kế và mô phỏng chúng. Hiệu ứng tĩnh điện và hệ tụ răng lược. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động, các ưu nhược điểm và ứng dụng của hệ thống định vị toàn cầu GPS, hệ đo lường quán tính INS. Ưu nhược điểm của hệ tích hợp INS/GPS và những biện pháp nâng cao chất lượng. 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 giữa hai cảm biến hoạt động dựa trên hiệu ứng điện dung. Cảm biến mới này có nguyên lý hoạt động được so sánh có sự tương đồng với nguyên lý hoạt động của một mạch khuếch đại vi sai điện tử, vì vậy có khả năng bù lệch pha cho hai tín hiệu kích thích/kích hoạt đầu vào đến một giá trị nhất định, đồng thời giảm ảnh hưởng đáng kể các tín hiệu/nhiễu đồng pha và khuếch đại tín hiệu ngược pha. Cấu trúc của luận án -4- Luận án được trình bày trong ba chương, cụ thể như sau: Chương 1 trình bày tổng quan nghiên cứu về các cảm biến đo vận tốc góc và hệ tích hợp INS/GPS. Nội dung đã đề cập đến sự ra đời và phát triển của công nghệ MEMS, các nghiên cứu và ứng dụng của công nghệ này trong các cảm biến đo vận tốc góc. Đồng thời đưa ra những nghiên cứu về sự tích hợp INS và GPS, các biện pháp cải tiến chất lượng làm việc của chúng. Chương 2 đánh giá ưu nhược điểm của INS, GSP và lý do phải kết hợp chúng với nhau. Đồng thời, đưa ra phương thức tích hợp INS/GPS với bộ lọc Kalman và thuật toán dẫn đường. Sau đó, đưa thuật toán mới STA và bản đồ số vào dữ liệu thực nghiệm tại hiện trường để nhận xét, đánh giá chất lượng. Chương 3 trình bày ý tưởng thiết kế, cơ sở thiết kế và thực hiện mô phỏng cảm biến vận tốc góc kiểu Tuning Fork có hệ dầm treo vi sai. Xuất phát từ nguyên lý hoạt động của mạch khuếch đại vi sai điện tử đã dẫn đến ý tưởng nghiên cứu về một cảm biến cơ học nhưng có nguyên lý tương đồng. Những nội dung cơ bản nhất về phần mềm dùng để mô phỏng cùng với lý thuyết về hiệu ứng tĩnh điện, hệ tụ răng lược - tiền đề cho thiết kế cảm biến đo vận tốc góc hoạt động dựa trên hiệu ứng điện dung đã được trình bày. Các thiết kế về cảm biến đo vận tốc góc và TFG; kết quả mô phỏng, tổng hợp, đánh giá hiệu quả và tính ưu việt của TFG đề xuất đã được thực hiện. Kết luận và kiến nghị là phần kết luận chung về những đóng góp mới của luận án đồng thời đưa ra hướng nghiên cứu tiếp theo của luận án. -5-