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

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

V

Vận tốc do GPS cung cấp

T

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

̂

Kk
Pk
ω
a
hN1, hN2
CbN
B NE

ϑ ,γ , ψ
φ,λ,Ψ

Vx,y,z
VN ,VE ,VD

δx(t)
u(t)

Ước lượng của véc tơ trạng thái
Ma trận khuếch đại Kalman
Ma trận hiệp phương sai
Vận tốc góc
Gia tốc
Chu kỳ lấy mẫu
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)
Các vận tốc trong hệ tọa độ cố định tâm trái đất
Các vận tốc trong hệ tọa độ định vị
Véc tơ trạng thái lỗi
Véc tơ nhiễu đo

-viii-


v eT ,ε


eT

f

Lỗi vận tốc, lỗi tư thế
Lỗi gia tốc, lỗi vận tốc góc

bT

,δωibbT

u Tacc (t), u Tgyro (t)

xt
zt

Nhiễu của cảm biến gia tốc và nhiễu cảm biến vận

tốc Véc tơ trạng thái liên tục (tại thời điểm t)
Véc tơ đo lường liên tục (tại thời điểm t)
Các vị trí ước lượng của bộ lọc Kalman trong hệ tọa độ định vị

p NKF , pEKF

Các vận tốc ước lượng của bộ lọc Kalman trong hệ tọa độ định vị

v NKF ,vEKF

Các vị trí ước lượng của INS trong hệ tọa độ định vị

p NINS , pEINS

Các vận tốc ước lượng của INS trong hệ tọa độ định vị

v NINS ,vEINS

Các vị trí do thuật toán STA xác định

PSTAN , PSTAE

Các vận tốc do thuật toán STA xác định

VSTAN ,VSTAE

Lực tĩnh điện

F
q1, q2

r
k

Điện tích của các hạt mang điện
Khoảng cách giữa hai hạt điện tích
9

2

2

Hằng số tĩnh điện, k = 9.10 (Nm /C )
Độ điện thẩm chân không, ε0 = 8,854.10

-12

ε0

F/m Hằng số điện môi (của không khí ε = 1)

ε

Phần diện tích chồng lên nhau

A0

Khoảng cách giữa hai bản cực

d0

Điện dung của tụ điện

C

Năng lượng điện trường sinh ra giữa hai bản

E

cực Điện tích trong tụ

Q

-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

K

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 h

Hình 3. 21

Biên dạng dịc

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
Hiện tượng lệch và trôi của cảm
biến đo vận tốc góc (do sự ảnh
hưởng của nhiệt độ)

Độ lệch của cảm biến gia tốc

Nhiễu ngẫu nhiên

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-


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
nhiên, INS có một nhược điểm lớn đó là khi làm việc trong khoảng thời gian dài thì
sai số định vị và dẫn đường sẽ tăng do hiện tượng tích lũy sai số trong các cảm biến.

-6-


Xét về mặt chất lượng làm việc, các hệ định vị và dẫn đường đơn lẻ hay các hệ
tích hợp như hệ tích hợp INS/GPS đều có sai số nhất định và đặc biệt là các hệ được
thương mại hóa. Vì vậy, cần có các giải pháp nâng cao chất lượng, hiệu quả làm
việc của chúng mà không làm tăng giá thành của sản phẩm. Chính vì vậy vẫn cần có
các nghiên cứu để hiện thực hóa điều đó. Có nhiều giải pháp để thực hiện như tìm ra
các thuật toán thông minh, hiệu quả cho việc tích hợp hai hệ thống (bộ lọc Kalman,
Kalman thích nghi…); nâng cao thuật toán dẫn đường (thuật toán Map matching);
căn chỉnh để giảm lỗi ngay khi hệ thống bắt đầu làm việc; hay nâng cao chất lượng
INS mà cụ thể là các cảm biến và sự kết hợp chúng với nhau. Về mặt cấu tạo, INS
gồm một khối đo lường quán tính (IMU) và một thuật toán dẫn đường. Trong đó,

IMU được cấu tạo bởi các cảm biến và thông thường là 3 cảm biến đo gia tốc
(Accelermeter) và 3 cảm biến đo vận tốc góc (Gyroscope).
Để nâng cao chất lượng làm việc của hệ tích hợp INS/GPS thương mại, luận
án tập trung vào nghiên cứu và thực hiện hai giải pháp cụ thể. Giải pháp thứ nhất là
tìm ra thuật toán mới kết hợp với bản đồ số giúp cho hệ tích hợp INS và GPS làm
việc hiệu quả hơn và giảm được các sai số mà các hệ tích hợp INS/GPS thông
thường mắc phải (cải tiến về hệ thống). Giải pháp thứ hai là nâng cao chất lượng
của INS bằng cách tạo ra một cảm biến đo vận tốc góc kiểu vi sai có khả năng bù
lệch pha cho hai tín hiệu kích thích đầu vào (cải tiến về linh kiện của hệ thống).
Trước khi thực hiện các giải pháp nghiên cứu mà luận án đặt ra, tác giả xin
đưa ra tổng quan nghiên cứu về những lĩnh vực này ở trong và ngoài nước trong
phần tiếp theo của luận án.
1.2. Tổng quan về các cảm biến đo vận tốc góc và hệ tích hợp INS/GPS
1.2.1. Tổng quan nghiên cứu về MEMS và các cảm biến dựa trên công nghệ
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
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
chiếm một tỉ lệ phần trăm đáng kể trong số các cảm biến làm bằng Silicon. Cảm
biến gia tốc có số lượng bán ra cao thứ hai sau cảm biến áp lực (pressure sensor)
[69] và chủ yếu được ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô [78], ứng dụng y sinh

[37], điện tử gia đình [80], rô bốt, phân tích rung, hệ định vị [73] v.v.

-8-


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
Thuật ngữ Gyroscope (còn gọi là con quay hồi chuyển hay con quay cơ học cổ
điển và sau này được gọi là cảm biến đo vận tốc góc) lần đầu tiên được đưa ra bởi
nhà khoa học người Pháp, Leon Foucault. Khi đó, Foucault đã áp dụng định luật

chuyển động quay của cảm biến đo vận tốc góc để giải thích chuyển động quay của
trái đất vào năm 1852 [83].
Về mặt phân loại thì con quay hồi chuyển dùng trong đo đạc, điều khiển thông
thường được chia thành 3 nhóm chính:
- Con quay có trọng vật quay tròn (spinning mass gyroscope) hay con quay cơ

học thông thường.
- Con quay quang học (optical gyroscope): Con quay laser vòng; Con quay sợi

quang học.
- Con quay dao động (vibrating gyroscope): Con quay dao động dựa trên công

nghệ vi cơ điện tử (MEMS gyroscope); Con quay dao động hoạt động dựa trên hiện
tượng áp điện hoặc áp trở.
Dưới đây là một số công trình nghiên cứu có liên quan đến các con quay này:
Con quay hồi chuyển đã ra đời và được trình bày trong Hình 1.1. Khi cảm biến
đo vận tốc góc bị quay quanh trục của nó với tốc độ cao nó sẽ chống lại chuyển
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 điển

1

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 hải

2

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-