Định vị robot sử dụng công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy được kết hợp với bộ lọc Kalman

Bảng

Nội dung

Trang

1.1.

So sánh những đặc tính của các công nghệ truyền thông VLC, IRB, RFB

2. 1.

Các tham số hệ thống trong mô hình hệ thống VLC

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 61 trang tài liệu này.

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những thập kỉ vừa qua, công nghệ truyền thông sử dụng sóng vô tuyến (Radio Frequency-RF) đã phát triển rất mạnh mẽ và chiếm ưu thế trong việc truyền tải thông tin liên lạc và dữ liệu. Công nghệ này đã phát triển đến thế hệ di động thứ tư (4G hay còn gọi là LTE – Long Term Evolution) và hiện nay, nó vẫn được xem như một giải pháp chủ yếu trong truyền thông không dây. Tuy nhiên, công nghệ này gặp phải rất nhiều hạn chế như nguồn tài nguyên tần số ngày càng khan hiếm, nhiễu đa đường khi đi qua các tòa nhà cao tầng và ảnh hưởng của nó tới sức khỏe con người. Ngoài ra, công nghệ này còn không phù hợp ở một số khu vực hạn chế sóng vô tuyến như: bệnh viện, đường hầm, sân bay,… Do sóng vô tuyến gây nhiễu lên các thiết bị điện tử được sử dụng ở trong các môi trường này, làm sai lệch tín hiệu nhận được hoặc không đảm bảo chất lượng dịch vụ cho các thiết bị di động do có nhiều vật cản. Cùng với sự phát triển của các loại vật liệu bán dẫn trong những thập kỉ gần đây và sự ra đời của đi- ốt phát quang (LED), công nghệ VLC (Visible Light Communications) – truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy đã ra đời và phát triển rất nhanh chóng, nó được xem như là công nghệ mới của truyền thông không dây bởi nhiều đặc tính vật lí nổi bật so với các công nghệ truyền thông khác như: tiêu tốn ít năng lượng, hoạt động được trong những môi trường khắc nghiệt, không gây hại cho sức khỏe con người, có khả năng truyền dữ liệu cao, có băng thông rộng và tính bảo mật cao đã giải quyết được các vấn đề khó khăn còn tồn tại ở công nghệ truyền thông vô tuyến và đặc biệt là khả năng kết hợp giữa truyền thông và chiếu sáng.

Ngày nay, sự xuất hiện của các robot di động đã trở nên rất phổ biến trong xã hội. Các robot di động có mặt trong các thiết bị gia đình như máy hút bụi hay các hệ thống trợ giúp trong gia đình. Chúng ta cũng có thể dễ dàng nhìn thấy chúng ở các nơi công cộng như các robot hướng dẫn viên trong viện bảo tàng, phòng trưng bày; hay trong các lĩnh vực công nghiệp và quân sự như robot do thám hay robot vận chuyển hàng hóa trong các nhà máy,… Đối với những robot đòi hỏi khả năng làm việc độc lập, thì định vị là yêu cầu đầu tiên và quan trọng nhất. Hiện nay, có một số công nghệ định vị phổ biến như định vị GPS hoặc sử dụng các cảm biến như cảm biến siêu âm, hồng ngoại,... Tuy nhiên, định vị GPS chỉ phù hợp với môi trường ngoài trời với sai số lên đến hàng mét, còn các cảm biến có độ sai số lớn và thường hoạt động trong các

không gian làm việc có diện tích nhỏ. Do đó, định vị cho robot trong môi trường trong nhà trong những năm gần đây đã trở thành vấn đề nhận được nhiều sự quan tâm trong các nghiên cứu về robot. Chính vì vậy, em đã lựa chọn đề tài luận văn của mình là “Định vị robot sử dụng công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy được kết hợp với bộ lọc Kalman”.

Nội dung đồ án bao gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về công nghệ VLC – truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy Chương 2: Các phương pháp định vị sử dụng công nghệ VLC trong môi trường trong nhà

Chương 3: Áp dụng bộ lọc Kalman trong việc định vị robot

Do thời gian và hiểu biết còn hạn chế nên chắc chắn đồ án không tránh khỏi rất nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được sự chỉ dẫn của các thầy cô giáo và ý kiến góp ý của các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn.

Em xin cảm ơn các thầy cô giáo Khoa Công nghệ Điện Tử - Viễn Thông đã giảng dạy và giúp đỡ em trong quá trình học tập cũng như thực hiện đồ án này.

Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Thị Huyền Trang đã trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.

Đà Nẵng, ngày… tháng 6 năm 2016

Sinh viên

Hoàng Như Việt

CHƯƠNG I - TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VLC – TRUYỀN THÔNG SỬ DỤNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY

Trong những năm gần đây, công nghệ VLC – truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy đã phát triển rất nhanh chóng và dần có mặt trong rất nhiều ứng dụng trong đời sống xã hội. Công nghệ VLC được đề xuất là một trong những mô hình cho mạng thông tin di động thế hệ thứ năm (5G) nhằm đáp ứng các nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng về chất lượng dịch vụ như tốc độ dữ liệu, giảm chi phí, các ảnh hưởng tới sức khỏe con người,... Một số tiêu chuẩn cho công nghệ VLC đã được đề suất và đang trong quá trình hoàn thiện như tiêu chuẩn IEEE 802.15.7. Với khả năng vừa cung cấp yêu cầu về truyền thông, vừa cung cấp yêu cầu về chiếu sáng, công nghệ VLC được xem như là một thay thế rất tốt cho mạng truyền thông vô tuyến hiện nay trong các môi trường trong nhà như các tòa nhà cao tầng, nơi mà nhiễu đa đường có ảnh hưởng rất lớn. Trong nội dung của chương một, em sẽ giới thiệu tổng quan về các vấn đề cơ bản trong công nghệ VLC – truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy. Đồng thời, một số ứng dụng phổ biến nhất của công nghệ VLC cũng sẽ được đề cập đến trong phần cuối cùng của chương này.

1.1. Đèn LED trắng

1.1.1. Một vài nét sơ lược

Trong một hệ thống truyền thông quang, các nguồn ánh sáng được sử dụng phải đạt những yêu cầu nhất định như: bước sóng, độ rộng vạch phổ phù hợp, độ bức xạ cao với diện tích bề mặt phát cực nhỏ, tuổi thọ và độ tin cậy cao, có khả năng hoạt động tốt trong các môi trường khắc nghiệt. Trong những năm gần đây, công nghệ đèn LED đã phát triển rất mạnh mẽ và được xem là ứng cử viên số một cho các hệ thống có khả năng chiếu sáng và truyền thông đồng thời do thỏa mãn các điều kiện trên. Thiết bị này hoạt động dựa trên nguyên tắc kích thích các điện tử của vật liệu bán dẫn để phát ra ánh sáng. Bức xạ quang do sự kích thích các điện tử, bức xạ này chiếm phần lớn, bức xạ nhiệt hầu như không có hoặc rất nhỏ do thành phần cấu tạo của vật liệu. Do đó, khi áp dụng công nghệ này sẽ giảm được hiệu ứng nhà kính, đồng thời, công suất hao tổn thấp do hầu như không bức xạ nhiệt hoặc bức xạ nhiệt rất ít. Vì lý do này mà công nghệ truyền thông quang sử dụng đèn LED được coi như là một công nghệ truyền thông xanh (Green Communications).

Các đèn LED có một dải rộng các bước sóng do bức xạ quang của các vật liệu khác nhau, từ vùng ánh sáng nhìn thấy đến vùng hồng ngoại (IR) trong dải phổ điện từ.

Trong đó, LED trắng có bức xạ trong toàn vùng ánh sáng nhìn thấy (có giới hạn nằm trong khoảng từ 400 (nm) đến 700 (nm)).

Hình 1.1. Vùng ánh sáng nhìn thấy trong phổ bức xạ điện từ

Cùng với sự phát triển không ngừng trong công nghệ chế tạo đèn LED, những vật liệu để chế tạo LED trắng cũng ngày càng phong phú và cải thiện được nhiều tính chất quan trọng trong việc chiếu sáng và truyền thông. Chúng ta có thể phân loại đèn LED sau:

 Đèn LED trắng đầu tiên ra đời bởi sự kết hợp của LED GaN (gallium Nitride) phát quang xanh ở bước sóng 450 (nm) – 470 (nm) với phốt pho YAG (Yttrium Aluminum Garnet). Loại đèn LED này hoạt động bằng cách phát ánh sáng xanh qua lớp phủ phốt pho màu vàng để tạo ra ánh sáng trắng (xem hình 1.2).

 Phương pháp thứ hai dựa trên công thức pha trộn các màu sắc khác nhau. Trong đó, ba màu chủ đạo là đỏ (λred ~ 625 (nm)), xanh lá cây (λgreen ~ 525 (nm)) và xanh da trời (λblue ~ 470 (nm)) được phối theo một tỉ lệ nhất định (xem hình 1.2).

Gần đây, một công nghệ mới trong việc sản xuất LED được đưa vào sử dụng, bằng cách phối hợp UV-LED (Ultra Violet – LED, tia cực tím ở bước sóng 380 (nm)) với phốt pho. Bằng việc kết hợp UV-LED với các loại phốt pho khác nhau chúng ta có thể thu được đèn LED trắng hoặc các loại đèn LED có màu sắc khác như tím, da cam, hồng,… để phục vụ cho mục đích trang trí và các ứng dụng khác nhau.

Hình 1.2. Các loại đèn LED trắng cơ bản

1.1.2. Các đặc trưng

1.1.2.1. Cường độ chiếu sáng

Cường độ chiếu sáng là đại lượng biểu thị lượng thông năng trên mỗi góc khối và liên quan đến độ rọi tại bề mặt được chiếu sáng. Do đó, cường độ chiếu sáng biểu diễn độ sáng của đèn LED:

Trong đó là quang thông và là góc không gian, có thể được tính từ theo công thức:

Trong đó: là đường cong độ sáng tiêu chuẩn, là tầm nhìn tối đa, vào khoảng ~680 (lm/W) tại bước sóng λ = 555nm.

1.1.2.2. Công suất quang truyền

Công suất quang truyền biểu thị tổng năng lượng bức xạ từ đèn LED. Bằng cách lấy tích phân của thông năng e theo tất cả mọi hướng ta thu được công suất

quang truyền

Pt :

Trong đó, photodiode (PD).

max và

min được xác định bằng đường cong biểu diễn độ nhạy của

1.1.3. Ưu nhược điểm

Như đã đề cập trong phần trên, đèn LED trắng không chỉ được sử dụng cho mục đích chiếu sáng trong phòng, đèn đường, và các ứng dụng liên quan đến trang trí mà đèn LED trắng ngày nay còn được sử dụng trong các hệ thống truyền thông không dây. Hiện tại, nó được xem như là công nghệ chiếu sáng phổ biến nhất trong thế kỉ 21 đang dần thay thế các loại đèn truyền thống như đèn sợi đốt và đèn huỳnh quang bởi những ưu điểm của nó.

1.1.3.1. Ưu điểm

Trong tương lai chúng ta sẽ được chứng kiến sự tăng trưởng mạnh mẽ của đèn LED trong hoạt động hoạt động chiếu sáng bởi đây là một công nghệ xanh và tiết kiệm năng lượng. Công nghệ này có một số lợi thế như sau:

Tuổi thọ cao: Thời gian sống trung bình của đèn LED trắng là 25.000 đến

1.000.000 giờ. Đây là một con số rất lớn so với thời gian hoạt động 1.000 giờ của các bóng đèn sợi đốt thông thường.

Hiệu suất cao: Các đèn LED trắng có lượng quang thông (tính bằng đơn vị lumen) trên mỗi oát phát ra lớn hơn nhiều so với các đèn nóng sáng truyền thống. Ví dụ, một oát sẽ có lượng quang thông là 683 (lm) tại bước sóng 555 (nm).

Kích thước nhỏ: LED trắng có kích thước rất nhỏ (nhỏ hơn 2 (mm2)) do đó, nó được sử dụng rất nhiều trong các mạch điện tử và trang trí.

Nhiệt độ hoạt động thấp: So với các nguồn phát sáng nhân tạo khác như đèn sợi đốt (phát xạ ánh sáng do bức xạ nhiệt), đèn huỳnh quang. Các đèn LED trắng hầu như không bức xạ nhiệt mà chủ yếu là bức xạ quang, do đó năng lượng hao phí rất thấp.

Dễ dàng điều chỉnh độ sáng của đèn LED: Có thể dễ dàng điều chỉnh độ sáng của các đèn LED bằng phương pháp điều chỉnh độ rộng xung hoặc cường độ dòng điện qua LED.

An toàn và không ảnh hưởng tới sức khỏe: Các đèn LED trắng không bức xạ tia cực tím, không chứa thủy ngân trong thành phần cấu tạo, vì vậy nguồn phát sáng này không ảnh hưởng cho sức khỏe và an toàn cho mắt của con người.

Sự đa dạng về màu sắc: Sự đa dạng về màu sắc trong vùng ánh sáng nhìn thấy của đèn LED được thực hiện đơn giản bằng việc phối hợp ba màu sắc cơ bản (đỏ, xanh da trời, xanh lá cây) với một tỉ lệ thích hợp mà không cần sử dụng bất kỳ bộ lọc màu sắc nào như các nguồn phát sáng nhân tạo thông thường.

 Khả năng phát sáng tập trung: Do lợi thế về kích thước rất nhỏ cùng với khả năng bức xạ cao, chúng ta có thể dễ dàng điều chỉnh góc khối của đèn LED để đạt được khả năng phát tập trung cao so với nguồn ánh sáng sợi đốt và huỳnh quang.

1.1.3.2. Nhược điểm

Bên cạnh những ưu điểm vượt trội so với các loại đèn truyền thống thì các đèn LED trắng cũng tồn tại một số nhược điểm do nhiều yếu tố mang lại như:

Phụ thuộc nhiệt độ: Hiệu suất của đèn LED bị ảnh hưởng lớn bởi nhiệt độ xung quanh quanh nơi nó đang hoạt động. Điều này có thể khiến đèn LED bị hỏng trong khi đang bức xạ ánh sáng.

Phân cực điện: Các đèn LED trắng chỉ hoạt động nếu ta phân cực đúng cho nó trong khi đèn sợi đốt và đèn huỳnh quang không bị ảnh hưởng bởi cơ chế phân cực điện này.

Độ nhạy điện áp: Các đèn LED trắng phải được cung cấp một điệp áp có giá trị trên một ngưỡng nhất định và dòng đi qua phải thấp hơn một giá trị nhất định.

Mức độ phân kì: Các đèn LED trắng không thể cung cấp mức độ phân kì thấp hơn vài độ. Trong khi đó, nguồn phát sáng Laser có thể phát những tia sáng có mức độ phân tán khoảng 0.2 độ hoặc nhỏ hơn.

1.2. Mô tả hệ thống VLC

1.2.1. Mô hình hệ thống

Hình 1.3 là sơ đồ khối của một hệ thống truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy (VLC). Một hệ thống VLC có thể dễ dàng thực hiện được bằng cách điều chế tín hiệu theo mức độ sáng - tối của đèn LED. Việc điều khiển độ sáng một cách chính xác là một thách thức lớn đối với các đèn sử dụng bức xạ nhiệt, trong khi đó, các đèn LED có thể điều chỉnh được chính xác độ sáng – tối một cách dễ dàng bởi vì đáp ứng thời gian của chuyển mạch ON - OFF của đèn LED là rất nhỏ (chỉ khoảng vài chục nano giây). Vì vậy, bằng việc điều chế dòng điện qua đèn LED ở một tần số khá cao, chúng ta có thể thay đổi trạng thái ON - OFF của đèn LED mà không làm thay đổi cường độ sáng. Do đó, mắt của con người không thể cảm nhận được sự thay đổi này.