Tải bản đầy đủ

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

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
HỮU NGHỊ VIỆT - HÀN
KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

ĐỀ TÀI

ĐỊNH VỊ ROBOT SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ TRUYỀN
THÔNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY KẾT HỢP VỚI BỘ
LỌC KALMAN MỞ RỘNG

SVTH: Hoàng Như Việt
Lớp: CCVT06B
GVHD: Nguyễn Thị Huyền Trang

Đà Nẵng, tháng 6 năm 2016


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


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
…………………………………………………………………………………………………...
……………………………………………………………………………………………...........
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
Điểm: …………………….……… (Bằng chữ: …..……………….)
Đà Nẵng, ngày

tháng

năm 2016

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Nguyễn Thị Huyền Trang

SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B
2


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


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
…………………………………………………………………………………………………...
Điểm: …………………….……… (Bằng chữ: …..……………….)
Đà Nẵng, ngày

tháng

năm 2016

GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B
3


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

MỤC LỤC
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN........................................................................2
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN...........................................................................3
MỤC LỤC......................................................................................................................................4
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT............................................................................................................6
DANH MỤC HÌNH VẼ................................................................................................................8
DANH MỤC BẢNG BIỂU.........................................................................................................10
LỜI NÓI ĐẦU.............................................................................................................................12
CHƯƠNG I – TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VLC – TRUYỀN THÔNG SỬ DỤNG
ÁNH SÁNG NHÌN THẤY.........................................................................................................14
1.1. Đèn LED trắng.................................................................................................................14
1.1.1. Một vài nét sơ lược.................................................................................................14
1.1.2. Các đặc trưng.........................................................................................................16
1.1.2.1. Cường độ chiếu sáng........................................................................................16
1.1.2.2. Công suất quang truyền....................................................................................16
1.1.3. Ưu nhược điểm......................................................................................................17
1.1.3.1. Ưu điểm............................................................................................................17
1.3.1.2. Truyền thông trong các môi trường đặc biệt....................................................26
CHƯƠNG II – CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ VLC
TRONG MÔI TRƯỜNG TRONG NHÀ.................................................................................30
2.5. Phương pháp định vị kết hợp AOA-RSS......................................................................39
2.5.1. Mô hình hệ thống..................................................................................................40
2.5.2. Nhiễu hệ thống.......................................................................................................40
2.5.3. Cơ chế hoạt động...................................................................................................42
2.5.3.1. Bước 1 – Xác định hướng của robot................................................................42
2.5.3.2. Bước 2 – Xác định tọa độ của robot.................................................................42
2.6. Tóm tắt chương hai.........................................................................................................43
CHƯƠNG III – ÁP DỤNG BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG TRONG ĐỊNH VỊ ROBOT
........................................................................................................................................................43
3.1. Mô hình hệ thống: Cấu hình động học.........................................................................44
3.1.1. Cập nhật vị trí........................................................................................................45
3.1.2. Sai số hệ thống.......................................................................................................46
3.2. Mô hình phép đo..............................................................................................................49
3.3. Bộ lọc Kalman mở rộng..................................................................................................49
3.3.1. Ước đoán vị trí.......................................................................................................50
3.3.2. Hiệu chỉnh vị trí.....................................................................................................52
3.4. Điều khiển robot bám quỹ đạo di chuyển....................................................................53
3.5. Tóm tắt chương 3.............................................................................................................55
KẾT LUẬN..................................................................................................................................56
SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B
4


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

TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................................57

SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B
5


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

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
4G
5G
AOA
AOA

RSS
CEP
CRLB
DC
DD
DMT
EKF
FET
FOV
GPS
IEEE

Fourth Generation
Fifth Generation
Angle of Arrival

Mạng di động thế hệ thứ tư
Mạng di động thế hệ thứ năm
Góc của tia sáng tới

Angle of Arrival – Received

Kết hợp hai phương pháp AOA

Signal Strength

và RSS

Circular Error Probability
Cramér-Rao Lower Bound
Direct Current
Direct Detection
Discrete Multi-Tone modulation
Extended Kalman Filter
Field Effect Transistor
Field of View
Global Positioning System
Institute of Electricaland

Xác suất vòng tròn lỗi
Chặn dưới Cramér-Rao
Dòng trực tiếp
Tách sóng trực tiếp
Điều chế đa tần rời rạc
Bộ lọc Kalman mở rộng
Transitor hiệu ứng trường
Trường thu nhận ánh sang
Hệ thống định vị toàn cầu

IM
IR
IRB
KF
LED
LOS
LS
LTE

Electronics Engineers
Intensity Modulation
Infrared
Infrared Band
Kalman Filter
Light Emitting Diode
Light of Sight
Least square
Long-Term Evolution

MIMO

Multi Input – Multi Output

NLOS
OOK
PD
PPM
RF
RFB

Non Light of Sight
On-Off Keying
Photodiode
Pulse Position Modulation
Radio Frequency
Radio Frequency Band

RFID

Radio Frequency Identification

RSS
SNR
TDO

Received Signal Strength
Signal to Noise Ratio

A
TOA

Time Difference of Arrival
Time of Arrival

Viện kỹ thuật điện và điện tử
Điều chế cường độ
Hồng ngoại
Dải bước song hồng ngoại
Bộ lọc Kalman
Đi-ốt phát quang
Phương truyền thẳng
Bình phương tối thiểu
Mạng 4G
Kỹ thuật sử dụng nhiều đầu vào
và đầu ra
Phương truyền gián tiếp
Điều chế ON/OFF
Bộ nhận quang
Điều chế vị trí xung
Sóng vô tuyến
Dải sóng vô tuyến
Nhận dạng dựa vào tần số sóng
vô tuyến
Cường độ tín hiệu nhận
Tỉ số tín hiệu trên tạp âm
Độ chênh lệch về thời gian của
các tia sáng tới
Thời gian của tia sáng tới

SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B
6


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

UV-

Ultra Violet – Light Emitting

LED

Diode

VLC

Visible Light Communications

WDM
YAG

Wavelength Division
Multiplexing
Yttrium Aluminum Garnet

Đèn LED sử dụng tia cực tím
Công nghệ truyền thông sử dụng
ánh sáng nhìn thấy
Ghép kênh quang theo bước sóng
Granat ytri-nhôm

SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B
7


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

DANH MỤC HÌNH VẼ
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN........................................................................2
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN...........................................................................3
MỤC LỤC......................................................................................................................................4
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT............................................................................................................6
DANH MỤC HÌNH VẼ................................................................................................................8
DANH MỤC BẢNG BIỂU.........................................................................................................10
LỜI NÓI ĐẦU.............................................................................................................................12
CHƯƠNG I – TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VLC – TRUYỀN THÔNG SỬ DỤNG
ÁNH SÁNG NHÌN THẤY.........................................................................................................14
1.1. Đèn LED trắng.................................................................................................................14
1.1.1. Một vài nét sơ lược.................................................................................................14
Hình 1.1. Vùng ánh sáng nhìn thấy trong phổ bức xạ điện từ..............................15
Hình 1.2. Các loại đèn LED trắng cơ bản.............................................................16
1.1.2. Các đặc trưng.........................................................................................................16
1.1.2.1. Cường độ chiếu sáng........................................................................................16
1.1.2.2. Công suất quang truyền....................................................................................16
1.1.3. Ưu nhược điểm......................................................................................................17
1.1.3.1. Ưu điểm............................................................................................................17
Hình 1.4. Sơ đồ khối cho cơ chế điều chỉnh độ sáng của đèn LED......................20
Hình 1.9. Công nghệ truyền thông VLC ứng dụng trong phòng họp...................26
1.3.1.2. Truyền thông trong các môi trường đặc biệt....................................................26
CHƯƠNG II – CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ VLC
TRONG MÔI TRƯỜNG TRONG NHÀ.................................................................................30
Hình 2.8. Kịch bản mô phỏng thuật toán định vị AOA........................................39
2.5. Phương pháp định vị kết hợp AOA-RSS......................................................................39
2.5.1. Mô hình hệ thống..................................................................................................40
Hình 2.9. Mô hình hệ thống kết hợp AOA-RSS sử dụng mảng PD......................40
2.5.2. Nhiễu hệ thống.......................................................................................................40
2.5.3. Cơ chế hoạt động...................................................................................................42
2.5.3.1. Bước 1 – Xác định hướng của robot................................................................42
2.5.3.2. Bước 2 – Xác định tọa độ của robot.................................................................42
2.6. Tóm tắt chương hai.........................................................................................................43
CHƯƠNG III – ÁP DỤNG BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG TRONG ĐỊNH VỊ ROBOT
........................................................................................................................................................43
3.1. Mô hình hệ thống: Cấu hình động học.........................................................................44
3.1.1. Cập nhật vị trí........................................................................................................45
Hình 3.1. Mô hình robot hai bánh vi sai a) Trạng thái của hệ thống robot b) Robot
trong hệ tọa độ địa phương và toàn cục................................................................45
SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B
8


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

3.1.2. Sai số hệ thống.......................................................................................................46
Hình 3.2. Vận tốc của hai động cơ trái và phải khi chạy thẳng............................47
3.2. Mô hình phép đo..............................................................................................................49
3.3. Bộ lọc Kalman mở rộng..................................................................................................49
Hình 3.3. Ứng dụng thông thường của bộ lọc Kalman.........................................50
Hình 3.4. Sơ đồ minh họa ứng dụng của bộ lọc Kalman trong định vị robot.......50
3.3.1. Ước đoán vị trí.......................................................................................................50
3.3.2. Hiệu chỉnh vị trí.....................................................................................................52
3.4. Điều khiển robot bám quỹ đạo di chuyển....................................................................53
Hình 3.5. Robot bị lệch khỏi quỹ đạo của nó do các sai số hệ thống...................54
Hình 3.6. Robot và quỹ đạo di chuyển của nó......................................................55
3.5. Tóm tắt chương 3.............................................................................................................55
KẾT LUẬN..................................................................................................................................56
TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................................57

SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B
9


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

DANH MỤC BẢNG BIỂU
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN........................................................................2
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN...........................................................................3
MỤC LỤC......................................................................................................................................4
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT............................................................................................................6
DANH MỤC HÌNH VẼ................................................................................................................8
DANH MỤC BẢNG BIỂU.........................................................................................................10
LỜI NÓI ĐẦU.............................................................................................................................12
CHƯƠNG I – TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VLC – TRUYỀN THÔNG SỬ DỤNG
ÁNH SÁNG NHÌN THẤY.........................................................................................................14
1.1. Đèn LED trắng.................................................................................................................14
1.1.1. Một vài nét sơ lược.................................................................................................14
Hình 1.1. Vùng ánh sáng nhìn thấy trong phổ bức xạ điện từ..............................15
Hình 1.2. Các loại đèn LED trắng cơ bản.............................................................16
1.1.2. Các đặc trưng.........................................................................................................16
1.1.2.1. Cường độ chiếu sáng........................................................................................16
1.1.2.2. Công suất quang truyền....................................................................................16
1.1.3. Ưu nhược điểm......................................................................................................17
1.1.3.1. Ưu điểm............................................................................................................17
Hình 1.4. Sơ đồ khối cho cơ chế điều chỉnh độ sáng của đèn LED......................20
Bảng 1.1. So sánh những đặc tính của các công nghệ truyền thông VLC,
IRB, RFB..................................................................................................21
Hình 1.9. Công nghệ truyền thông VLC ứng dụng trong phòng họp...................26
1.3.1.2. Truyền thông trong các môi trường đặc biệt....................................................26
CHƯƠNG II – CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ VLC
TRONG MÔI TRƯỜNG TRONG NHÀ.................................................................................30
Hình 2.8. Kịch bản mô phỏng thuật toán định vị AOA........................................39
2.5. Phương pháp định vị kết hợp AOA-RSS......................................................................39
2.5.1. Mô hình hệ thống..................................................................................................40
Hình 2.9. Mô hình hệ thống kết hợp AOA-RSS sử dụng mảng PD......................40
2.5.2. Nhiễu hệ thống.......................................................................................................40
Bảng 2. 1. Các tham số hệ thống trong mô hình hệ thống VLC...............41
2.5.3. Cơ chế hoạt động...................................................................................................42
2.5.3.1. Bước 1 – Xác định hướng của robot................................................................42
2.5.3.2. Bước 2 – Xác định tọa độ của robot.................................................................42
2.6. Tóm tắt chương hai.........................................................................................................43
CHƯƠNG III – ÁP DỤNG BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG TRONG ĐỊNH VỊ ROBOT
........................................................................................................................................................43
3.1. Mô hình hệ thống: Cấu hình động học.........................................................................44
SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B
10


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

3.1.1. Cập nhật vị trí........................................................................................................45
Hình 3.1. Mô hình robot hai bánh vi sai a) Trạng thái của hệ thống robot b) Robot
trong hệ tọa độ địa phương và toàn cục................................................................45
3.1.2. Sai số hệ thống.......................................................................................................46
Hình 3.2. Vận tốc của hai động cơ trái và phải khi chạy thẳng............................47
3.2. Mô hình phép đo..............................................................................................................49
3.3. Bộ lọc Kalman mở rộng..................................................................................................49
Hình 3.3. Ứng dụng thông thường của bộ lọc Kalman.........................................50
Hình 3.4. Sơ đồ minh họa ứng dụng của bộ lọc Kalman trong định vị robot.......50
3.3.1. Ước đoán vị trí.......................................................................................................50
3.3.2. Hiệu chỉnh vị trí.....................................................................................................52
3.4. Điều khiển robot bám quỹ đạo di chuyển....................................................................53
Hình 3.5. Robot bị lệch khỏi quỹ đạo của nó do các sai số hệ thống...................54
Hình 3.6. Robot và quỹ đạo di chuyển của nó......................................................55
3.5. Tóm tắt chương 3.............................................................................................................55
KẾT LUẬN..................................................................................................................................56
TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................................57

SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B
11


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

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, v.v. 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 điốt 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, v.v. 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, v.v. 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
SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B
12


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

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 kết hợp với
bộ lọc Kalman mở rộng”.
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 mở rộng 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 5 năm 2016
Sinh viên

Hoàng Như Việt

SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B
13


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

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, v.v. 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).
SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B
14


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

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, .v.v để phục vụ cho mục đích trang trí và các ứng dụng khác nhau.

SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B
15


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

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

SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B
16


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

Trong đó, Λmax và Λmin được xác định bằng đường cong biểu diễn độ nhạy
của photodiode (PD).
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.
SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B
17


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

• 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.
SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B
18


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

Hình 1.3. Sơ đồ khối của công nghệ VLC
Trong thực tế, chúng ta không thể sử dụng một bộ điều khiển để điều khiển cho
một đèn LED riêng lẻ bởi vì các hệ thống chiếu sáng sử dụng đèn LED thường có số
lượng đèn rất lớn. Do đó, chúng ta cần phải thiết kế một cơ chế điều khiển để có khả
năng điều khiển được tất cả các đèn LED trong hệ thống.

SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B
19


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

Hình 1.4. Sơ đồ khối cho cơ chế điều chỉnh độ sáng của đèn LED
Hình 1.4 là sơ đồ khối của một kịch bản điều khiển chung cho các đèn LED.
Với một số lượng lớn các đèn LED, bộ điều khiển trung tâm vẫn có khả năng điều
khiển độ sáng tại bất kỳ một vị trí mong muốn nào. Đối với các đèn LED được sử
dụng đồng thời cho cả hai mục đích chiếu sáng và truyền thông thì các tín hiệu điều
khiển độ sáng và tín hiệu truyền phải độc lập và không gây nhiễu lên nhau. Rất nhiều
các phương pháp điều khiển độ sáng được nghiên cứu và đề suất cho đến nay. Điều
khiển độ sáng tối của đèn LED dựa trên điều chế biên độ là giải pháp đơn giản nhất.
Tuy nhiên, phương pháp điều chỉnh độ rộng xung là giải pháp tối ưu nhất cho việc
điều khiển độ sáng và truyền thông.
Hình 1.5 minh họa mô hình thực tế của công nghệ VLC trong môi trường trong
nhà.

SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B
20


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

Hình 1.5 Mô hình thực tế của công nghệ VLC trong môi trường trong nhà
Bảng 1.1 so sánh các đặc trưng giữa các công nghệ truyền thông sử dụng sóng
vô tuyến, sóng hồng ngoại và ánh sáng nhìn thấy. Qua bảng trên chúng ta có thể thấy
rằng hệ thống VLC có nhiều ưu điểm hơn các hệ thống RF như vừa có khả năng chiếu
sáng vừa có thể truyền dữ liệu, băng thông rộng, mức độ bảo mật cao và công suất tiêu
thụ thấp. Bên cạnh đó, nó cũng có những hạn chế so với công nghệ RF như: khó có thể
truyền dữ liệu trong khoảng cách xa, chỉ tối ưu trong môi trường sóng ánh sáng truyền
thẳng.
Bảng 1.1. So sánh những đặc tính của các công nghệ truyền thông VLC, IRB, RFB
Đặc tính
Băng thông
Truyền thẳng
Khoảng cách
Bảo mật

VLC
Không giới hạn

IRB
Không giới hạn

RFB
Giới

(400 – 700 mm)


(800-1600 nm)


hạn
Không
Ngắn đến

Ngắn
Cao
Đang hoàn thiện

Tiêu chuẩn

(tiêu chuẩn IEEE
802.15.7)

Dịch vụ

Chiếu sáng +

Ngắn đến dài
(ngoài trời)
Cao
Khá đầy đủ cho môi

dài (ngoài
trời)
Thấp

trường trong nhà,

Hoàn

đang hoàn thiện cho

thiện

môi trường ngoài trời
Truyền thông

Truyền

SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B
21


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

Nguồn nhiễu
Tổn hao
công suất
Khả năng
di động
Vùng phủ

Truyền thông
Ánh sáng mặt

Ánh sáng mặt trời và

thông
Tất cả các

trời và các nguồn

các nguồn sáng xung

thiết bị điện

sáng xung quanh

quanh

tử
Trung

Khá thấp

Khá thấp

Giới hạn

Giới hạn

Hẹp và
rộng

Hẹp và rộng

bình
Tốt
Chủ yếu
rộng

1.2.2. Cấu hình đường truyền
Có sáu loại hình đường truyền cho các hệ thống truyền thông sử dụng ánh sáng
trong môi trường trong nhà được phân loại dựa trên hai yếu tố. Yếu tố đầu tiên được
quyết định bởi mức độ định hướng giữa bộ phát và bộ nhận. Mối quan hệ giữa chúng
được phân thành ba loại: trực tiếp, không trực tiếp và lai ghép (xem hình 1.6). Đường
truyền trực tiếp giữa bộ phát và bộ nhận có hiệu suất công suất nhận được cao nhất bởi
vì suy hao và nhiễu mà nó phải chịu từ các nguồn sáng xung quanh là nhỏ nhất. Đối
với các đường truyền không trực tiếp, các thiết bị di động có thể dễ dàng nhận được tín
hiệu ngay cả khi đang di chuyển nhưng công suất tín hiệu nhận được thì không cao do
tín hiệu phát bị phân tán và ảnh hưởng các nguồn ánh sáng khác từ môi trường. Trong
cấu hình lai ghép mức độ định hướng giữa bộ phát và bộ nhận có sự khác biệt, công
suất nhận được cao hơn cấu hình phân tán do độ tập trung ánh sáng của bộ phát, nhưng
nhỏ hơn cấu hình định hướng và vẫn bị ảnh hưởng bởi các nguồn ánh sáng khác do độ
mở của bộ nhận lớn.

SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B
22


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

Hình 1.6. Phân loại đường truyền của hệ thống VLC
Yếu tố thứ hai phụ thuộc vào chùm tia sáng có hướng thẳng đến bộ nhận hay
không? Dựa vào yếu tố thứ hai chúng ta có hai loại hình đường truyền khác nhau là
đường truyền thẳng (Light of Sight – LOS) và đường truyền gián tiếp (Non Light of
Sight – NLOS). Đối với cấu hình đường truyền LOS, hiệu suất của công suất nhận
được là cao nhất và méo đa đường nhỏ nhất. Trong khi đó, cấu hình đường truyền
NLOS lại phù hợp hơn trong các tình huống đặc biệt như có vật cản, người che khuất.
1.2.3. Kênh IM-DD
Trong hệ thống truyền thông vô tuyến, điều chế tín hiệu theo biên độ, pha và
tần số là các phương pháp điều chế được sử dụng nhiều nhất. Còn trong công nghệ
truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy, điều chế cường độ (IM – Intensity
Modulation) là phương pháp điều chế phổ biến nhất. Các bộ nhận quang (như PD)
được sử dụng để thu tín hiệu quang trực tiếp (DD – direct detection) và sau đó, sinh ra
một dòng điện tỉ lệ với công suất quang tức thời nhận được. Hình 1.7 mô tả mô hình
của kênh truyền sử dụng ánh sang nhìn thấy IM/DD.

Hình 1.7. Kênh IM/DD trong công nghệ VLC

SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B
23


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

Kênh VLC có thể được mô hình như một hệ thống tuyến tính trong dải tần cơ
sở với công suất đầu vào tức thời X(t), dòng qua bộ nhận quang Ip(t), hệ thống tuyến
tính bất biến có đáp ứng kênh h(t). Trong nhiều ứng dụng của hệ thống VLC, các
nhiễu có phân bố Gauss có ảnh hưởng lên đầu ra của hệ thống. Do đó, kênh IM/DD có
thể biểu diễn như sau:

)

Trong đó, γ là độ nhạy thu của PD (A/W) và ⊗ biểu thị cho phép tích chập. Do đó,
công suất quang truyền trung bình được biểu diễn như sau:

1.2.4. Công suất quang nhận

Hình 1.8. Mô hình truyền nhận ánh sáng trực tiếp (LOS)
Hình 1.8 mô tả kênh truyền quang không dây trong trường hợp kênh truyền
thẳng. Trong đường truyền quang không dây này, độ lợi DC của kênh truyền được biểu
diễn như sau:

SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B
24


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

Trong đó, A là diện tích bề mặt nhận sáng của một PD; m là hệ số Lambert;
là khoảng cách giữa đèn LED và PD; ψ là góc của ánh sáng tới bề mặt của PD và ϕ là
góc rọi của đèn LED. Ts(ψ) là độ lợi của bộ lọc quang. cosm(ϕ) và cos(ψ) lần lượt là
độ nhạy của LED và PD. gs(ψ) là độ tập trung ánh sáng:

Trong đó, n là hệ số khúc xạ; ψc là góc mở tối đa của một PD. Khi đó, công
suất quang Pr của kênh truyền VLC được tại PD là:

1.3. Ứng dụng và một số sản phẩm thực tế
Cùng với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ chiếu sáng sử dụng chất bán
dẫn (solid-state lighting). Công nghệ VLC cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ hàng
trăm Mbps thậm chí có thể lên đến vài Gbps. Với những ưu điểm nổi bật, công nghệ
VLC được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực như dưới đây.
1.3.1. Truyền thông di động
1.3.1.1. Truyền thông di động thế hệ sau 4G
Công nghệ VLC được xem như là một trong những ứng viên sáng giá cho thế
hệ di động sau 4G giúp tăng chất lượng dịch vụ trong các tòa nhà, văn phòng hay các
môi trường trong nhà khác nơi mà truyền thông bằng sóng vô tuyến có thể bị suy hao
cao do hiệu ứng đa đường trong những môi trường này. Do đó, công nghệ VLC là một
giải pháp thay thế rất hữu hiệu để nâng cao chất lượng dịch vụ. Đã có rất nhiều hệ
thống lai ghép giữa mạng di động tế bào và mạng di động VLC nơi mà các đèn LED
đóng vai trò là các điểm truy cập đã được đề suất cho đến nay.

SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B
25


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×