Giải thuật tìm đường đi ngắn nhất ứng dụng GPS trong giao thông

Gii thut tìm đng đi ngn nht GPS ng dng trong giao thông
GVHD: TS. Võ Tng Quân Trang 1 HVTH: Hoàng Hi Sơn
MC LC

MC LC 1
LI NịI ĐU 3
CHNG 1: TNG QUAN 4
1.1 Tng quan chung v lĩnh vực nghiên cu, các kt qu nghiên cu trong và
ngoài nc đư công b. 5
1.1.1 Tng quan v GPS 5
1.1.2 Các thành phn GPS 6
1.1.3 Các ng dng ca h thng đnh v GPS 7
1.1.4 Các công trình nghiên cu đư đợc công b 11
1.2 Mc tiêu, khách th và đi tợng nghiên cu. 13
1.2.1 Mc tiêu 13
1.2.2 Khách th và đi tợng nghiên cu 13
1.3 Nhim v ca đ tài và phm vi nghiên cu. 14
1.4 Phơng pháp nghiên cu. 14
1.5 Tóm lợc ni dung lun văn, đim mi so vi các công trình khác 14
CHNG 2: C S LÝ THUYT 16
2.1 TNG QUAN V VI ĐIU KHIN PIC 16
2.1.1 Ngôn ngữ lp trình và mch np cho PIC 16
2.1.2 Sơ đ chân vi điu khin 17
2.2 TNG QUAN V GPS 18
2.2.1 Các thành phn ca h thng 19
2.2.2 Nguyên tc đnh v 24
CHNG 3: THIT K PHN CNG VÀ PHN MM 26
3.1 THIT K PHN CNG 26
3.1.1 Cm bin la bàn CMPS-03 26
3.1.2 Module GPS EM - 410 32
3.1.3 Mch công sut dùng L298 35

Gii thut tìm đng đi ngn nht GPS ng dng trong giao thông
GVHD: TS. Võ Tng Quân Trang 2 HVTH: Hoàng Hi Sơn
3.1.4 Sơ đ khi xử lý trung tâm 36
3.1.5 Mch chuyn đi USB ậ COM 37
3.1.6 Mch hin th dùng LCD 16x2 37
3.1.7 MÔ HÌNH TNG QUÁT ĐIU KHIN H THNG 40
3.1.8 LU Đ CA H THNG 41
3.2 THIT K PHN MM 42
3.2.1 Phn mm nhn tín hiu t GPS 42
3.2.2 Tìm đng đi ngn nht trên bng đ 42
3.2.3 Phn mm hin th tọa đ dùng bn đ offline 47
CHNG 4: KT QU ĐT ĐC 49
4.1 NHN TÍN HIU T GPS VÀ HIN TH LÊN BN Đ 49
4.2 TỊM ĐNG ĐI NGN NHT TRÊN BN Đ GOOGLE VÀ HIN TH 51
4.2.1 Truyn tín hiu xung vi điu khin 51
4.2.2 Cp nht hin th tọa đ GPS 53
4.2.3 Ni dung gói tin gửi và nhn (Protocol) 53
4.3 LP TRỊNH ĐIU KHIN ROBOT 53
CHNG 5: KT LUN 55
5.1 Kt qu đt đợc 55
5.1.1 Tìm đng đi ngn nht và truyn tín hiu xung Robot 55
5.1.2 Thử nghim Robot trên đng đi thực t 56
5.2 Các vn đ còn tn ti 57
5.3 Hng phát trin ca đ tài 57
PH LC 58
TÀI LIU THAM KHO 66


Gii thut tìm đng đi ngn nht GPS ng dng trong giao thông
GVHD: TS. Võ Tng Quân Trang 3 HVTH: Hoàng Hi Sơn

LI NịI ĐU
Cùng vi sự phát trin ca cuc sng con ngi thì những yêu cu v xác đnh
v trí là rt quan trọng. Khi mun đi trên đng ta có th dựa vào tòa nhà, các cây hay
là các ct mcầ Đ xác đnh đng đi và v trí mình đang đng.
Ngày xa, khi con ngi mun đi qua mt khu vực nào đó mi nh là rng hay
là sa mc họ phi đ li du vt nh là đánh du lên đng, bẻ mt cành cây đ xác
đnh v trí ca mình đư đi qua. Tuy nhiên, sau này khi đi bin thì đ xác đnh v trí ca
mình họ không th dựa vào các vt đợc đánh du, họ dựa vào thiên văn các vì sao
trên tri, sử dng la bàn đ xác đnh phơng hng và các đ lch ca các vì sao nh
th họ s đnh v đợc v trí ca họ trên bin. Tuy nhiên, những phơng pháp này có
đ chính xác không cao và ph thuc rt nhiu vào thi tit.
Vào giữa th kỷ 20, các nhà khoa học đư phát minh ra cách dùng sóng vô tuyn
đ đo khong cách. Bằng cách sử dng nhiu trm phát sóng vô tuyn, vi mt máy
thu sóng vô tuyn ta có th bt đợc sóng t các trm phát này. Khong cách có đợc
khi sử dng phơng pháp này không ln lm.
Những phơng pháp trên tuy đư mt phn nào xác đnh đợc v trí, nhng đó
vn ch là v trí trong không gian hai chiu, v trí tìm đợc thng bin thiên trong
mt khong khá ln và trong mt s yêu cu khác thì hu nh không th áp dng các
phơng pháp trên. Trc những nhợc đim và những yêu cu thực tin ngày càng
cao, cũng nh yêu cu đ chính xác ln v v trí, ngi ta cn thit có mt h thng có
th gii quyt đợc mọi vn đ này. Vì vy, h thng đnh v toàn cu GPS đư đợc
nghiên cu và trin khai, lp đặt thành công bi Mỹ. Nh h thng GPS, ta có th
quan sát toàn b Trái đt mà không b nh hng ca thi tit. Nh các thông s
khong cách t mi v tinh ti đim kho sát, ta có th xác đnh khá chính xác v trí
trong không gian ca đim cn tìm. Ngoài các tham s v không gian, h thng GPS
còn cung cp khá nhiu tin ích và dch v khác nh thông s v thi gian, tn s
chuẩn,ầ Ngoài ra h thng GPS còn mang li rt nhiu tin ích khác nh dn đng,
đo đc đa cht, kho sát đáy binầ.

Gii thut tìm đng đi ngn nht GPS ng dng trong giao thông

GVHD: TS. Võ Tng Quân Trang 4 HVTH: Hoàng Hi Sơn
CHNG 1: TNG QUAN
Trong quá trình phát trin nhanh chóng và toàn din ca khoa học và công ngh,
máy móc càng ngày càng tr nên thông minh hơn và đợc sử dng nhiu hơn đ phc
v cho con ngi v nhiu mặt, quân sự cũng nh dân sự. Nhng h thng cơ gii
đợc sử dng hin nay đợc tự đng hóa không ngng đ to nên sự thun tin cho
con ngi cũng ci tin kh năng hot đng ca h thng. Ví d nh xe hơi đợc lp
trình đ chy tự đng theo bn đ, máy bay quan sự không ngi lái, robot tự hành
hot đng trong những môi trng đc hi, các tàu lặn tự hành dùng đ kho sát đa
hình ng dng trong ngành du lửaầvà rt nhiu những ng dng cơ gii khác có th
hot đng  ch đ tự đng. Và nn tng cho những ng dng cơ gii tự đng đó
chính là kh năng tự đnh v.
Có rt nhiu h thng đnh v đợc sử dng rng rãi trên toàn th gii. Ví d nh
h thng đnh v toàn cu GPS (Global positioning system) là mt h thng đnh v
tuyt đi, H thng đnh v quán tính INS (Inertial navigation system) là mt h thng
đnh v tơng đi.
Hin nay, GPS là mt h thng đợc sử dng rt rng rãi trên toàn th gii trong
lĩnh vực đnh v, tuy nhiên nó có những hn ch nht đnh nh là đ chính xác thp
(mt b thu GPS dân sự loi thng có th có sai s t 10 - 20m) và thi gian truyn
tín hiu lâu, cho nên GPS không th áp dng cho những h thng đòi hi sự chính xác
và n đnh trong thi gian ngn. Có nhiu gii pháp đ ci thin đ chính xác ca tín
hiu GPS bằng cách áp dng các thut toán xử lý tín hiu nh DGPS hay dùng b lọc
s, tuy nhiên vn không th tăng tc đ xử lý ca GPS. Trong những thp niên gn
đây, các nhà nghiên cu đư đa ra mt gii pháp ti u hơn ht cho vic khc phc
những hn ch ca GPS bằng cách kt hợp tín hiu GPS vi tín hiu đo đợc t mt
h thng đnh v tơng đi riêng bit khác nh là odometry hay là INS. Odometry
là h thng đnh v tơng đi dùng trong xe cơ gii, hot đng nh vào vic đo vn
tc quay ca bánh xe đ suy ra đợc giá tr v trí ca xe. Tuy nhiên odometry li có
nhợc đim là b nh hng ln bi đa hình, rung đng và ch hot đng trong phm
vi hẹp. INS là h thng đnh v tơng đi, cho ta bit không những v trí tơng đi ca

h thng mà còn có th cho ta bit đợc trng thái ca h thng trong không gian ngay
Gii thut tìm đng đi ngn nht GPS ng dng trong giao thông
GVHD: TS. Võ Tng Quân Trang 5 HVTH: Hoàng Hi Sơn
ti thi đim hin ti. INS đợc ng dng rt rng rãi trong các tên lửa hành trình,
máy bay, các xe tự hành, các phơng tin bay không ngi lái, tàu thy, và c xe hơi.
1.1 Tng quan chung v lĩnh vực nghiên cu, các kt qu nghiên cu trong vƠ
ngoƠi nc đƣ công b.
1.1.1 Tng quan v GPS
Trên danh nghĩa, GPS bao gm mt chòm 24 qu v tinh. Chòm v tinh này gọi là
kh năng vn hành ban đu (IOC), đợc hoàn thành vào tháng 7 năm 1993. Tuy nhiên,
đn tháng 12 năm 1993 IOC mi chính thc thông báo. Đ đm bo bao ph trái đt
liên tc các v tinh tinh GPS đợc b trí sao cho có 4 v tinh trên 6 quỹ đo bay (hình
2.1). Vi chòm v tinh đa lý này, ti bt c đâu trên trái đt s quan sát đợc t 4 đn
10 v tinh GPS, nu khi xét vi góc ngẩng là
0
10
. Ch cẩn 4 v tinh đ cung cp thông
tin hay v trí ca mt đim.
Quỹ đo v tinh GPS là quỹ đo gn nh tròn (Dng elip có đ lch chuẩn 0.01)
vi góc nghiêng
0
55
so vi xích đo. Nửa trc chính ca quỹ đo GPS vào khong
26560 km (đ cao ca v tinh vào khong 20200 km so vi b mặt trái đt). Chu kỳ
quỹ đo GPS là 11 gi 58 phút. H thng GPS đợc khai báo chính thc đ đt đợc
dung lợng hot đng đy đ (FOC) vào ngày 17/7/1995, đm bo 24 qu v tinh hot
đng. Trên thực t, vì GPS đt đợc dung lợng hot đng đy đ ca nó, s các v
tinh trong chùm v tinh GPS luôn ln hơn 24 qu.

Hình 1.1 Chùm v tinh GPS [9]

Gii thut tìm đng đi ngn nht GPS ng dng trong giao thông
GVHD: TS. Võ Tng Quân Trang 6 HVTH: Hoàng Hi Sơn
1.1.2 Các thƠnh phn GPS
GPS cha 3 thành phn: Phn không gian, phn điu khin và phn ngi dùng
(hình 2.2). Phn không gian cha vòm 24 v tinh nh đư đợc gii trình bày mc
trên. Mi v tinh GPS phát ra mt tín hiu, tín hiu này có mt s thành phn: Hai
sóng sin (gọi là tn s sóng mang), hai mã s và mt bn tin dn đng. Các mã và
bn tin dn đng này đợc thêm vào sóng mang khi điu ch nh phân lỡng pha.
Sóng mang và mư đợc sử dng ch yu đ xác đnh khong cách t ngi máy thu
ca ngi sử dng đn v tinh GPS.

Hình 1.2: Các thành phn ca GPS [9]
Thông tin dn đng bao gm to đ ca v tinh theo thi gian. Tín hiu đợc
truyn đi bi các đng h nguyên tử có đ chính xác cao trên các v tinh.
Phn điu khin ca h thng GPS bao gm mt mng li các trm bám,
trong đó có mt trm điu khin trung tâm (MCS) đặt  Clorado Springs nc mỹ.
Chc năng chính ca phân h điu khin là bám sát các v tinh GPS theo trt tự đ xác
đnh và dự báo v trí v tinh, tích hợp h thng, xử lỦ đng h nguyên tử trên v tinh,
dữ liu khí quyn, niên giám v tinh và các thông s khác. Thông s này sau đó đợc
đóng gói và đa vào v tinh thông qua băng S.
Phân h ngi dùng bao gm c ngi dùng quân sự và dân sự. Vi mt máy
thu GPS đợc kt ni vi anten GPS, mt ngi sử dng có th nhn tín hiu GPS đ
Gii thut tìm đng đi ngn nht GPS ng dng trong giao thông
GVHD: TS. Võ Tng Quân Trang 7 HVTH: Hoàng Hi Sơn
xác đnh v trí ca họ  bt c đâu trên toàn th gii. GPS hin đang đợc sử dng
rng rãi trên toàn th gii mà không cn phi tr phí trực tip.
1.1.3 Các ng dng ca h thng đnh v GPS
1.1.3.1 Các ng dng trong trc đa vƠ bn đ mặt đt
Đ chính xác cao ca các tr s đo Phase sóng mang GPS cùng vi những thut
toán bình sai xp x dn cung cp mt công c thích hợp cho nhiu nhim v khác

nhau trong công tác trc đa và bn đ. Chúng ta có th chia các ng dng này làm 4
loi:
- Đo đc đa chính
- Lp li khng ch trc đa.
- Theo dõi đ bin dng cc b.
- Theo dõi đ bin dng toàn b.
Đo đc đa chính đòi hi đ chính xác v trí tơng đi khong 10
-4
. Ngi ta có
th đt đợc đ chính xác này mt cách d dàng bằng cách quan trc GPS.
Li khng ch trc đa là những li trc đa có đ chính xác cao. Đ chính
xác yêu cu v v trí tơng đi khong 5.10
-6
đn 1.10
-6
ng vi các cự ly 20 - 100
km. Đ chính xác này có th đt đợc bằng cách xử lỦ sau các tr đo phase sóng mang
GPS bằng những phn mm tiêu chuẩn. Các cp hng khng ch thp hơn (ví d li
đo v bn đ) có th cũng đợc thành lp bằng phơng pháp GPS.
Vic theo dõi đ bin dng cc b (lún do khai thác m, bin dng công trình)
đòi hi đ chính xác 1 mm đn 1 cm trên cự ly ti mt vài km. Đi vi những ng
dng này, đ chính xác có th đt đợc nói trên b hn ch bi sự thiu chc chn
trong sự bin đi ca các tm vi mch trong ăng ten GPS và sự sai lch v tín hiu do
môi trng phn x nơi đặt ăng ten. Hơn th nữa, khó khăn b tăng lên do kh năng
nhìn thy v tinh b gii hn vì hin tợng bóng ti ca tín hiu trong môi trng công
nghip tiêu biu.
Vic theo dõi đ bin dng toàn b (hot đng kin to ca đa tng) đòi hi đ
chính xác khong 10
-7
- 10

-8
trên cự ly liên lc đa. Sự khác nhau cơ bn giữa vic
theo dõi bin dng toàn b so vi những ng dng đư nói trên là  ch trong trng
Gii thut tìm đng đi ngn nht GPS ng dng trong giao thông
GVHD: TS. Võ Tng Quân Trang 8 HVTH: Hoàng Hi Sơn
hợp này cn phi có mt mô hình phc tp v các quỹ đo v tinh GPS, các tr thi tr
khi truyn tín hiu qua tng khí quyn và các đ lch khác.
1.1.3.2 Các ng dng trong giao thông vƠ thông tin trên mặt đt
Vic ph bin rng rưi phép đnh v hàng hi bằng GPS trong giao thông dân dng
hu nh tăng dn dn thay th các phơng pháp truyn thng. Trong vic xác đnh các
hành trình trên mặt đt, mt màn hình tự đng th hin v trí ca phơng tin (đợc
xác đnh bằng GPS) trên mt sơ đ đin tử có th s thay th sự so sánh có tính th
công các vt th xung quanh phơng tin vi bn đ truyn thng. ng dng này
thuc loi cực kỳ quan trọng đi vi các phơng tin thi hành lut pháp, công tác tìm
kim hoặc cu h
Vic theo dõi v trí và sự chuyn đng ca các phơng tin có th đt đợc nu
các phơng tin này đợc trang b những máy phát chuyn tip tự đng đ h trợ máy
thu GPS. V trí đợc xác đnh bằng các thit b thu và xử lỦ GPS có th đợc truyn
đn mt đa đim trung tâm đợc th hin trên màn hình.
1.1.3.3 Các ng dng trong trc đa vƠ bn đ trên bin
Nh đ chính xác cao và thi gian cn thit đ đo mt v trí ch đnh (Fix) ngn, h
GPS đặc bit phù hợp vi công vic đnh v ven b và ngoài khơi. Đi vi công tác
trc đa bin, yêu cu đ chính xác v v trí mặt phẳng thng thay đi trong khong
t mt vài đcimét đn mt vài chc mét. Đ đáp ng các yêu cu này cn phi sử
dng những kỹ thut quan sát và xử lỦ s liu khác nhau bằng cách sử dng các phép
đo gi cự ly hoặc phép đo phase sóng mang. Các ng dng trên bin bao gm đo v
bn đ, các chng ngi dn đng tàu thuyn (đo v bưi cn, đo v phao ni) và đo
v các cu tàu và bn cng. Các yêu cu đnh v trong thám him đa lỦ đáy bin (ví
d đo đa chn) cũng nh các yêu cu v đnh v h khoan đu có th đợc đáp ng
bằng GPS.

Trong trc đa bin (đa hình đáy bin, trng trọng lực ca trái đt ) đu có
th dùng GPS làm công c đnh v.
1.1.3.4 Các ng dng trong giao thông vƠ hi dng học trên bin
H thng đnhv GPS đư tr thành mt công c dn đng hàng hi trên bin lỦ
tng. Yêu cu đ chính xác dn hng đi trên bin thay đi trong khong t mt vài
Gii thut tìm đng đi ngn nht GPS ng dng trong giao thông
GVHD: TS. Võ Tng Quân Trang 9 HVTH: Hoàng Hi Sơn
mét (trên bưi bin, bn tàu và dn hng trên sông) đn mt vài trăm mét (dn hng
trên đng đi). Th tc đnh v GPS chính xác sử dng c phép đo gi ngu nhiên và
phép đo phase sóng mang có th đa đn vic dn hng đi ca tàu thuyn trên sông
và ven bin không cn đn phao ni, công tác tìm kim và cu h ngoài khơi xa cũng
s có hiu qu hơn nh đợc nâng cao đ chính xác vic dn hng đng đi.
Các nhu cu đnh v đi vi công tác dư ngoi trong vt lỦ đi dơng cũng có
th đợc đáp ng nh h GPS. Phép đo phase ca sóng mang b túc cho ta tc đ tàu
thuyn chính xác, là s liu cn thit trong nghiên cu các dòng chy ca đi dơng.
1.1.3.5 Các ng dng trong bn đ trc đavƠ bn đ hƠng không
Trong ng dng đo đc và đo v bn đ t nh máy bay, h đnh v GPS cung cp
kỹ thut dn đng bay, xác đnh tâm chính nh.
Trong đo v nh hàng không, yêu cu đ chính xác dn đng bay khong mt
vài chc mét - có th thực hin đợc mt cách d dàng nh h GPS. Phép xử lỦ sau
vi đ chính xác cao bằng GPS có th thay th kỹ thut tam giác nh không gian và do
đó có th đóng vai trò ca các đim khng ch mặt đt mt cách tuyt ho. Yêu cu v
đ chính xác ca phép đnh v trong lĩnh vực ng dng này thay đi trong khong t
0.5 m đn 26 m tuỳ theo tng loi t l bn đ khác nhau.
Phép lp mặt ct đa hình bằng laze hàng không có th đợc dùng đ đo v trực
tip bn đ s ca đa hình (mô hình s mặt đt) nu v trí ca b cm bin (laze)
đợc bit vi đ chính xác khong 0.5 - 1 m v đ cao và mt vài mét v mặt phẳng.
Ngi ta trông đợi h GPS s cho đ chính xác đnh v tt hơn trong phép xử lỦ sau
khi đo.
Phép đo trọng lực hàng không cũng đòi hi mt kiu đnh v tơng tự nh vy.

Trong lĩnh vực ng dng này, các s đo GPS cho phép xác đnh thêm tc đ ca b
cm bin cn thit cho phép quy EOTVOS dữ liu trọng lực.
Phép đo sâu laze hàng không và phép x nh rada đòi hi đ chính xác đnh v
b cm bin không cao có th thực hin mt cách d dàng bằng các s đo GPS.
1.1.3.6 ng dng trong giao thông hƠng không
Trong lĩnh vực hàng không dân dng, hu ht các hưng hàng không quc t đã
sử dng h GPS làm h thng dn đng bay. ICAO - T chc hàng không dân dng
Gii thut tìm đng đi ngn nht GPS ng dng trong giao thông
GVHD: TS. Võ Tng Quân Trang 10 HVTH: Hoàng Hi Sơn
quc t đư quy đnh sử dng h thng GPS trong dn đng và ct, h cánh.  Vit
nam t 1998 hưng hàng không quc gia s chính thc sử dng GPS.
Trong các ng dng hàng không khác (lâm nghip và gieo trng ngũ cc ),
những lĩnh vực không đòi hi tính an toàn ca hàng không mà ch cn trin khai vic
vn chuyn hàng hóa, kỹ thut GPS có th đm bo d dàng những yêu cu chính xác
v dn đng bay.
1.1.3.7 Các ng dng trong thám him, không gian
ng dng ch yu ca h GPS trong thám him không gian bao gm vic đnh v
và đnh hng bay ca các phơng tin không gian khác có mang theo những máy thu
phát đa lỦ hoặc trc đa. Thông thng các v tinh này có quỹ đo thp, vì vy
nguyên lỦ hình học ca các phép đo cũng tơgn tự nh đư ng dng cho mặt đt.
Những ví d đin hình trong lĩnh vực ng dng này là phép đo vin thám bằng v tinh
và phép đo đ cao bằng rada. Các v trí tọa đ ca v tinh nhn đợc t các s đo GPS
có th đợc dùng đ ci tin hoặc đơn gin hóa những tính toán quỹ đo ca các
phơng tin không gian này, thm chí thay th phép đnh v liên tc bằng phép đnh v
ri rc trong đnh v quỹ đo bay.
1.1.3.8 Các ng dng trong vic ngh ngi, gii trí
Ngi ta trông đợi giá c ca các máy thu GPS s liên tc gim. Hin nay  mc
giá mt vài trăm dola những ngi sử dng không chuyên cũng đư có th mua đợc
máy thu GPS đơn gin, có kích thc, trọng lợng rt nh (nh đng h đeo tay).
Trong trng hợp này, các hot đng ngh ngơi và điu dỡng s cung cp mt th

trng rng ln cho những máy thu đeo tay, xách tay, giá rẻ d sử dng.
1.1.3.9 Các ng dng trong quơn đội
H thng đnh v toàn cu đợc thit k ch yu đ cho quân đi đnh v đim
theo thi gian thực. Các ng dng cho quân đi bao gm dn hng hàng không, hàng
hi và trên b. H đnh v GPS đợc coi là h đc lp và là mt b phn ca những h
thng dn đng tích hợp. Ngoài ra, các v tinh GPS còn mang theo các b thu phát
đ khám phá và hin th các v n ht nhân.
Gii thut tìm đng đi ngn nht GPS ng dng trong giao thông
GVHD: TS. Võ Tng Quân Trang 11 HVTH: Hoàng Hi Sơn
1.1.4 Các công trình nghiên cu đƣ đc công b
1. Nghiên cứu ứng dụng máy đo đạc điện tử và công nghệ GPS trong thi công
và khai thác công trình cầu
Lun án tin sĩ kỹ thut ca H Th Lan Hơng Ngi Hng dn khoa học:
1. PGS.TS Trn Đc Sử - Trng ĐH GTVT
2. PGS.TS Trn Khánh - Trng ĐH M - Đa cht
Lun án đ xut, lựa chọn các phơng pháp trc đa đợc thực hin bằng máy toàn
đc đin tử và công ngh GPS phù hợp trong xây dựng và khai thác công trình cu.
 Đim hay ca lun án: Xây dựng quy trình và phơng pháp xử lý s liu
li thi công cu bằng phơng pháp kt hợp GPS, Đ xut thut toán xử lý
s liu phơng pháp hng chuẩn trong kim tra trc tim cu.
 Đim hn ch: Cha khai thác trit đ các ng dng ca GPS trong xử lí các
v trí cu đng vi đa hình đặc bit  Vit Nam. Cha v và ch ra đợc
v trí chính xác trên bn đ
2. Thiết kế và chế tạo Robot tự hành trên nền GPS – ĐH Bách Khoa TPHCM
Robot tự hành là Robot có kh năng tự di chuyns , tự vn đng di sự điu khin
tự đng đ hoàn thanh các công vic đợc giao
Nội dung:
Nghiên cu các h thng đnh v ph bin nht hin nay đó là GPS và INS, nghiên
cu và thit k các h thng cm bin liên quan (nh là ultrasonic , cm bin gia tc ,
la bàn đin tử, đọc encoder , RF )

Thit k phn cng cho toàn b h thng cm bin (mch đọc tín hiu và xử lí tín
hiu) và mch cu H điu khin motor .
Nghiên cu và lp trình trên dòng ARM7TDMI-S ca NXP , các chc năng liên
quan dùng trong ng dng , vi điu khin sử dng là LPC2378 72MHz, Lp trình kt
Gii thut tìm đng đi ngn nht GPS ng dng trong giao thông
GVHD: TS. Võ Tng Quân Trang 12 HVTH: Hoàng Hi Sơn
hợp h thng và đa ra thut toán dn đng, tránh vt cn cho robot tự hành. Kim
tra tính thực t ca h thng bằng cách cho robot tự hành chy trên 1 h thng bằng
mt đng c th (sân trng Đi Học Bách Khoa)
u đim:
 Sử dng bn đ Google Map vi Code API ca Google giúp cho vic di
chuyn ca Robot đợc d dàng
 Dùng la bàn đin tử giúp Robot đi đúng hng
 Có tránh đợc vt cn trên đng
Nhc đim:
 Cha ng dng đợc khi chy  cự li xa và khi không có đng trên bn đ
 Dùng nhiu cm bin phc tp
 Chi phí cao, khó ng dng thực t
 Robot có th chy sai nu mt trong s các cm bin b li
 Cha nêu rõ đng đi ngn nht mà ch cho Robot chy theo đim ta đư qui
c trc.
3. Các ng dng GPS đang đc s dng  Vit Nan
ng dng GPS Tracking cho các phng tin giao thông
 H thng đnh v dành cho các hãng taxi, xe khách, xe ti dựa trên nên tng
công ngh GPS Tracking giúp đnh v đợc v trí, tc đ xe đang di chuyn
 H thng lu trữ đợc l trình đng đi, các thông tin v phơng tin
 Đây ch là h thng đnh v thông thng, cha có chc năng tìm đng đi
ngn nht và xe phi có ngi lái.

Gii thut tìm đng đi ngn nht GPS ng dng trong giao thông

GVHD: TS. Võ Tng Quân Trang 13 HVTH: Hoàng Hi Sơn

 hong ca h thng GPS Tracking
1.2 Mc tiêu, khách th vƠ đi tng nghiên cu.
1.2.1 Mc tiêu
 Tìm hiu h thng thông tin v tinh và h thng đnh v toàn cu GPS
 Hiu và xử lí dữ liu thu đợc t v tinh và hin th lên màn hình
 Xử lí dữ liu thu đợc đ tìm ra đng đi ngn nht ti đim cn đn
 Điu khin thit b sau khi tìm đợc đng đi ngn nht
1.2.2 Khách th vƠ đi tng nghiên cu
 H thng đnh v GPS
 Modun nhn và xử lí tín hiu GPS thu t v tinh
 Các mch xử lí và điu khin thit b

Gii thut tìm đng đi ngn nht GPS ng dng trong giao thông
GVHD: TS. Võ Tng Quân Trang 14 HVTH: Hoàng Hi Sơn
1.3 Nhim v ca đ tƠi vƠ phm vi nghiên cu.
1.3.1 Nhim v ca đ tƠi
 Tìm hiu h thng đnh v toàn cu GPS
 Tìm hiu các sai s, các thông s, các mư ca tín hiu GPS
 Giao tip modun GPS vi máy tính và xử lí tín hiu tìm ra đng đi ngn nht
ti đim ta mong mun
 Điu khin thit b (Robot tự hành) hot đng theo tín hiu đư đợc xử lí
1.3.2 Phm vi nghiên cu
 H thng đnh v toàn cu GPS
 Bn đ đng đi theo Google Map (Earth)
 Xử lí dữ liu và điu khin thit b
 Lp trình giao din điu khin và giao tip các thit b
 Điu khin Robot tự hành dùng phơng pháp PWM
1.4 Phng pháp nghiên cu.

 Đọc tài liu, phân tích các dữ liu thu thp đợc
 Làm modun giao tip vi máy tính
 Lp trình cho PIC và các modun giao tip
 Làm mô hình đnh v tìm đng đi ngn nht và điu khin Robot đi theo l
trình đợc đa ra.
1.5 Tóm lc nội dung lun văn, đim mi so vi các công trình khác
 Tìm đợc đng đi ngn nht t đim đu ti đim cui ti bt kì nơi đâu ta
mong mun
 Mô hình hot đng đơn gin: Nhn tín hiu t GPS đ bit đợc tọa đ thực
ca Robot sau đó dùng Google Map (Earth) xut tín hiu tng đim đư đợc
băm nh và Robot s bám theo đim đó di chuyn kt hợp vi la bàn. Khi đi ti
đâu thì s so sánh v trí đi ti và v trí mong mun theo bn đ ca Google.
Gii thut tìm đng đi ngn nht GPS ng dng trong giao thông
GVHD: TS. Võ Tng Quân Trang 15 HVTH: Hoàng Hi Sơn
 Có th phát trin thêm chc năng nu đang đi gặp đim kẹt xe s chuyn sang
đng khác di chuyn
 Đặt nn tng cho vic ng dng GPS cho xe c tơng lai không cn ngi lái
 Câu tru

c cu
̉
a đê ta

i th
̣
c nghiê
̣
m.

Module GPSMáy tính

Vi điều khiển
Cảm biến
la bàn
LCD 16x2
Mạch công
suất
Robot tự hành

Hình 1.4 khi lu
- Google earth: Tìm đng ngn nht, xuât ra toa
̣
đô
̣
đơ

ng đi
- Module Compass: Xác đnh góc đi
- Module GPS: Giao tiêp vơ

i ma

y tố

nh qua cô
̉
ng RS232: Tìm to đ hin ti
- PIC16F887: Lây tố

nh hiê
̣

u , so sa

nh vơ

i Compass va

ma

y tố

nh điêu khiê
̉
n Robot tự
hành.
- Máy tính:
 X
̉
lí tín hiu đng ngn nht Module Compass
 Băm tha

nh nhiêu điê
̉
m
 Xuât tố

n hiê
̣
u xuông PIC
 Chy ti đim k tip thì GPS so sánh vơ


i điê
̉
m mong muôn.
Gii thut tìm đng đi ngn nht GPS ng dng trong giao thông
GVHD: TS. Võ Tng Quân Trang 16 HVTH: Hoàng Hi Sơn
CHNG 2: C S LÝ THUYT
2.1 TNG QUAN V VI ĐIU KHIN PIC
PIC là vit tt ca ắ Programable Intelligent Computer”, có th tm dch là ắmáy
tính thông minh kh trình”do hưng Genenral Instrument đặt tên cho vi điu khin đu
tiên ca họ : PIC1650 đợc thit k đ dùng làm các thit b ngoi vi cho vi điu khin
CP1600. Vi điu khin này sau đó đợc nghiên cu phát trin thêm và t đó hình
thành nên dòng vi điu khin PIC ngày nay.
Các kí hiu ca vi điu khin PIC:
PIC12xxxx: đ dài 12 bit
PIC16xxxx: đ dài 14 bit
PIC18xxxx: đ dài 16 bit
C: PIC có b nh EEPROM( ch có 16C84 là EEPROM)
F: PIC có b nh flash
LF: PIC có b nh flash hot đng  đin áp thp
LV: tơng tự nh LF, đây là kí hiu cũ
Bên cnh đó mt s vi điu khin có kí hiu xxFxxx là EEPROM, nu có thêm
chữ A  cui là flash (ví d PIC16F877 là EEPROM, còn PIC16F877A là flash).
Ngoài ra còn có thêm mt dòng vi điu khin PIC mi là dsPIC.
2.1.1 Ngôn ng lp trình vƠ mch np cho PIC
Ngôn ngữ lp trình cho PIC rt đa dng. Ngôn ngữ lp trình cp thp có MPLAB
(đợc cung cp min phí bi nhà sn xut Microchip), các ngôn ngữ lp trình cp cao
hơn bao gm C, Basic, Pascal, ầ Ngoài ra còn có mt s ngôn ngữ lp trình đợc
phát trin dành riêng cho PIC nh PICBasic, MikroBasic,ầ
Đây cũng là mt dòng sn phẩm rt đa dng dành cho vi điu khin PIC. Có th
sử dng các mch np đợc cung cp bi nhà sn xut là hng Microchip nh:

PICSTART plus, MPLAB ICD 2, MPLAB PM 3, PRO MATE II. Có th dùng các sn
Gii thut tìm đng đi ngn nht GPS ng dng trong giao thông
GVHD: TS. Võ Tng Quân Trang 17 HVTH: Hoàng Hi Sơn
phẩm này đ np cho vi điu khin khác thông qua chơng trình MPLAB. Dòng sn
phẩm chính thng này có u th là np đợc tt c các vi điu khin PIC, tuy nhiên
giá thành rt cao, và thng gặp rt nhiu khó khăn trong quá trình mua sn phẩm.
Ngoài lỦ do tính năng cho phép nhiu ch đ np khác nhau, còn có rt nhiu
mch np đợc thit k dành cho vi điu khin PIC. Có th sơ lợc mt s mch np
cho PIC nh sau:
- JDM programmer: mch np này dùng chơng trình np Icprog cho phép np
các vi điu khin PIC có h trợ tính năng np chơng trình đin áp thp ICSP (In
Circuit Serial Progamming). Hu ht các mch np đu h trợ tính năng np chơng
trình này.
- WARP-13A và MCP-USB: hai mch np này ging vi mch np
PICSTART PLUS do nhà sn xut Microchip cung cp, tơng thích vi trình biên
dch MPLAB, nghĩa là ta có th dùng chơng trình MPLAB đ np cho vi điu khiên
PIC mà không cn sử dng mt chuơng trình np khác, chẳng hn ICprog.
- Mch np Universal ca Wiliem: đây không phi là mch np chuyên dng
dành cho PIC nh P16PRO40.
Các mch np k trên có u đim rt ln là đơn gin, rẻ tin, hoàn toàn có th
tự lp ráp mt cách d dàng, và mọi thông tin v sơ đ mch np, cách thit k, thi
công, kim tra và chơng trình np đu d dàng tìm đợc và download min phí thông
qua Internet. Tuy nhiên các mch np trên có nhợc đim là hn ch v s vi điu
khin đợc h trợ bên cnh đó mi mch np cn đợc sử dng vi mt chơng trình
np thích hợp.
2.1.2 S đ chơn vi điu khin
Vi điu khin gm 40 chân và có 5 Port xut nhp tín hiu
 Port A: gm 6 chân t RA0 ti RA6, trong lun văn không sử dng Port này.
 Port B: Gm 8 chân t RB0 ti RB7, trong lun văn không sử dng Port này.
 Port C: gm 8 chân t RC0 ti RC8, Port này đợc kt ni ti cm bin la bàn

CMPS 03 và mch điu khin đng cơ L298
 Port D: gm 8 chân t RD0 ti RD8, Port này đợc kt ni ti màn hình hin
th LCD 16x2
Gii thut tìm đng đi ngn nht GPS ng dng trong giao thông
GVHD: TS. Võ Tng Quân Trang 18 HVTH: Hoàng Hi Sơn

 chân vu khin 16F887 [10]
2.2 TNG QUAN V GPS
H thng đnh v toàn cu Global Positioning System (thng đợc gọi là
GPS) là h thng truyn thi gian và v trí theo sóng vô tuyn dựa vào các v tinh,
đợc thit k, xây dựng, phát trin và điu khin bi b Quc phòng Mỹ. GPS ngày
càng đợc ng dng rng rưi trong các lĩnh vực quân sự và dân sự nh các đặc đim:
 Xác đnh v trí chính xác (khong t 10 m tr xung đn vài mm).
 Tơng ng vi tng v trí, có th xác đnh đợc vn tc và thi gian chính xác.
 H thng h trợ xác đnh v trí theo ba hng.
 Tín hiu luôn có sẵn  mọi nơi trên trái đt.
 H thng h trợ cho mọi điu kin thi tit và hot đng 24/24.
 H thng không đòi hi chi phí cao  ngi dùng, ngi dùng ch cn tr chi
phí cho mt vài phn cng cn thit.



Gii thut tìm đng đi ngn nht GPS ng dng trong giao thông
GVHD: TS. Võ Tng Quân Trang 19 HVTH: Hoàng Hi Sơn
2.2.1 Các thành phn ca h thng
H thng GPS bao gm 3 b phn chính:
 B phn không gian (Space segment).
 B phn điu khin (Control segment).
 B phn sử dng (User segment)

Hình 2.2 : Các thành phn h thng GPS [9]
2.2.1.1 Bộ phn không gian
B phn không gian bao gm ít nht 24 v tinh (thông thng 32 v tinh) làm
vic và dự phòng đợc đặt lên quỹ đo sao cho  bt c v trí nào trên mặt đt cũng có
th "nhìn" thy đợc 4 v tinh. Các v tinh này đợc sp xp trên 6 mặt phẳng quỹ
đo nghiêng 55 0 so vi mặt xích đo. Mi quỹ đo là mt vòng tròn vi cao đ
khong12.000 dặm (20183 km).
Trên mi v tinh đợc trang b 4 đng h nguyên tử Cesium và Rubidium vi đ
chính xác cao (khong 10-12). Đng h sn sinh tn s cơ s fo = 10.23 MHz và hình
thành hai tns mang phc v cho mc đích đnh v: L1 = 1575.42 MHz và L2 =
1227.60 MHz. Các sóngmang L1 và L2 đợc điu bin bi 2 mã C/A và mã P.
Gii thut tìm đng đi ngn nht GPS ng dng trong giao thông
GVHD: TS. Võ Tng Quân Trang 20 HVTH: Hoàng Hi Sơn
 Mã thô C/A (Coarse/Acquisition) có tn s 1.023 MHz = fo/10 và có chiu dài là
1msec, mã C/A dành cho mc đích dân sự.
 Mã bo v P (Protected) có tn s 10.23 MHz = f0 và có chiu dài là 266,4 ngày.
Mư P đợc giữ bí mt và ch đợc dùng cho mc đích quân sự. Ngoài ra, khi b
phá nhiu (do B Quc phòng Mỹ bt ch đ phá nhiu A/S: Anti-Spoofing) thì
mã P bin thành mã Y, mã Ylà mã bí mt và ch có những máy thu ca B Quc
Phòng Mỹ mi có kh năng gii đợc mã này.
C 2 sóng mang L1 và L2 còn đợc điu bin bằng các thông tin đo hàng bao
gm: Ephemeride ca v tinh (lch tọa đ v tinh), thi gian, s hiu chnh cho đng
h v tinh,tình trng ca h thng v tinh
Mi v tinh có trọng lợng 930 kg và có tui thọ khong 10 năm. Khi có v tinh
nàokhông hot đng lp tc đu đợc thay th ngay đ đm bo tính chặt ch ca cu
trúc h thng.

Hình 2.3 : Chòm sao các v tinh GPS [9]

Gii thut tìm đng đi ngn nht GPS ng dng trong giao thông

GVHD: TS. Võ Tng Quân Trang 21 HVTH: Hoàng Hi Sơn
Các nhim v ch yu ca v tinh GPS:
 Nhn và lu giữ lch tọa đ v tinh mi đợc gửi lên t trm điu khin.
 Thực hin các phép xử lý có chọn lọc trên v tinh bằng các b vi xử lỦ đặt trên
v tinh.
 Duy trì kh năng chính xác cao ca thi gian bằng hai đng h nguyên tử
Cesium và 2 đng h Rubidium.
 Thay đi quỹ đo bay ca v tinh theo sự điu khin ca trm mặt đt.
 Truyn thông tin và tín hiu trên 2 tn s L1 và L2 rt n đnh và nht quán.
2.2.1.2 Bộ phn điu khin
Có 5 trm mặt đt đợc b trí đu trên vành đai xích đo: Hawaii, Colorado Springs,
Ascension Island, Diego Garcia and Kwajalein. Tt c đu thuc s hữu và đợc xây
dựng bi b Quc phòng Mỹ và có những nhim v sau:
 4 trm giám sát Hawaii, Ascension Island, Diego Garcia and Kwajalein đu
đợc trang b các thit b nhn GPS đ theo dõi các v tinh. Dữ liu kt qu s
đợc gửi cho trm điu khin trung tâm Colorado Springs.

Hình 2.4 : 









 [9]
Gii thut tìm đng đi ngn nht GPS ng dng trong giao thông
GVHD: TS. Võ Tng Quân Trang 22 HVTH: Hoàng Hi Sơn

 Trm điu khin trung tâm MCS (Master Control Station) dựa vào các dữ liu
nhn đợc t các trm giám sát đ tính toán lch v tinh và chnh sửa đng h
v tinh. Đây là nơi điu khin cho mọi hot đng ca phn không gian: điu
khin các v tinh, mã hóa dữ liu, duy trì đng h v tinhầ Ngoài ra, trm
điu khin trung tâm còn có nhim v ắdin tp” cho các v tinh dự phòng đ
có thay th cho mt v tinh không còn kh năng hot đng đợc nữa ti bt kỳ
thi đim nào.
 3 antenna có nhim v nhn và truyn tín hiu điu khin v tinh đợc đặt ti
3 trm Ascension Island, Diego Garcia and Kwajalein, những trm này còn có
th đợc gọi là trm ti p vn. Dữ liu t antenne chuyn đi lên v tinh bao
gm thông tin đng h và quỹ đo v tinh đư đợc trm điu khin trung
tâm chnh sửa và đợc truyn đi nh thông đip đnh hng.
Vic hiu chnh đợc tin hành 3 ln mi ngày. Do đó, các thông tin đnh hng
nu cn có th đợc truyn đi đn các v tinh 8 ting / 1 ln.

 2.5 : 







 [9]
V tinh GPS bay vi vn tc rt cao (11.200 km/h). Sau khi v tinh đợc phóng
lên, nó bt đu quay quanh trái đt, quỹ đo ca nó đợc xác đnh dựa vào v trí, vn
Gii thut tìm đng đi ngn nht GPS ng dng trong giao thông
GVHD: TS. Võ Tng Quân Trang 23 HVTH: Hoàng Hi Sơn
tc ban đu và rt nhiu nh hng khác. S dĩ cn đn b phn điu khin là vì quỹ
đo ca v tinh không tuân th theo đúng đnh lut ca Kepler do trái đt có kích

thc xác đnh, không phi cht đim, li có mt đ phân b vt cht không đng đu,
chu áp lực ca mặt tri, kt qu là quỹ đo chuyn đng ca v tinh không phi là
hình ellipse, do đó không th dùng công thc gii tích đ tính trc tọa đ ca v tinh.
Chính b phn điu khin có nhim v xác đnh v trí chính xác tc thi ca v tinh.
Các lực có nh hng ln đn sự chuyn đng ca các v tinh:
 Lực hút ca trái đt.
 Sc hút ca mặt trăng, m ặt tri và các hành tinh khác
 Sc ép t sự bc x ca mặt tri.
 Sự thay đi v trng hp dn ca trái đt phát sinh t hình th rn ca trái
đt và thy triu bin.
2.2.1.3 Bộ phn s dng
Gm ngi sử dng và thit b thu GPS.
Các thit b thu GPS chuyn đi các tín hiu t v tinh thành v trí, vn tc và thi
gian tơng đi. Các thi t b này dùng đ đnh hng, xác đnh v trí, thi gian và các
nghiên cu khác (đo lng thành phn khí quyn).
Các ng dng ca h thng ngày càng đợc m rng đi vi c quân sự và dân sự:
 Theo dõi, đnh hng trên đng b, đng thy và c đng hàng không. Vi
ng dng này đòi hi đ chính xác va phi, do đó chi phí tơng đi thp.
 Trc đa bn đ: bao gm đa vt lý, nghiên cu các gii pháp và kho sát các
dữ liu GIS thu đợcầCác ng dng này nói chung có đ chính xác rt cao,
cho đnh v theo c hai phơng thc tĩnh và đng, do đó cn phn cng đặc bit
và phn mm xử lý dữ liu riêng.
 Cho các ng dng trong quân đi. Mặc dù hu ht các ng dng ging nh dân
sự nhng h thng GPS dành cho quân đi đợc phát trin đặc bit hơn và đt
đợc đ tin cy rt ln.
Gii thut tìm đng đi ngn nht GPS ng dng trong giao thông
GVHD: TS. Võ Tng Quân Trang 24 HVTH: Hoàng Hi Sơn
 Cho các yêu cu gii trí cá nhân. Vi các ng dng loi này đòi hi chi phí
thit b thp và d sử dng.
 Các ng dng đặc bit khác nh: nghiên cu bu khí quynầHin nhiên các

ng dng này đòi hi h thng chí phí cao và đặc bit hơn nh h thng xử lý
theo thi gian thực.

Hình 2.6: B phn s dng [9]
2.2.2 Nguyên tc đnh v
Khái nim cơ bn ca đnh v GPS đó là đnh v theo vùng. Nguyên tc hình học
ca đnh v có th đợc gii thích trong gii hn giao ca các đim.
Xét mt thi đim bt kỳ, hưy tng tợng chúng ta đang có mt thi t b nhn
GPS, và cách v tinh th nht 11 dặm, vy v trí ca chúng ta là mt đi m bt kỳ trên
hình cu vi tâm là v tinh này và bán kính chính là kho ng cách t v trí đng ti v
tinh (11 dặm), mặt khác chúng ta cũng đng cách v tinh th hai là 12 dặm => có
hình cu th 2 vi tâm là v trí ca v tinh 2, bán kính = 12 dặm. T 2 hình cu này,
chúng ta có đợc vùng giao là mt hình tròn => v trí xác đnh là mt đi m bt kỳ
trong hình tròn giao.
Gii thut tìm đng đi ngn nht GPS ng dng trong giao thông
GVHD: TS. Võ Tng Quân Trang 25 HVTH: Hoàng Hi Sơn

Hình 2.7: Nguyên tnh v t 2 v tinh [9]
Nu chúng ta đng cách thêm mt v tinh th 3 là 13 dặm => có thêm mt
hình cu vi tâm là v trí v tinh, bán kính = 13 dặm. Vùng giao ca hình cu th 3
này và hình tròn là 2 đim. V bn cht 2 đi m này khác nhau v c kinh đ, vĩ đ
và đ cao, nu đa đ cao thích hợp vào thit b nhn GPS, ta có th xác đnh đợc
v trí theo hai hng (kinh đ và vĩ đ). Tuy nhiên, có thêm mt v tinh th 4, chúng
ta s thực sự xác đnh đợc mt đi m duy nht theo c ba hng (kinh đ, vĩ đ và
đ cao), đây chính là nơi chúng ta đang đng và thit b nhn GPS nhn tín hiu t c
4 v tinh.

Hình 2.8 : Nguyên tnh v t 3 v tinh [9]