intTypePromotion=1
ADSENSE

Đồ án tốt nghiệp Công nghệ kỹ thuật điện tử truyền thông: Định vị robot sử dụng công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy được kết hợp với bộ lọc Kalman

Chia sẻ: Bananalachuoi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:50

44
lượt xem
2
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung đồ án bao gồm 3 chương, được trình bày cụ thể như sau: Tổng quan về công nghệ VLC – truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy; Các phương pháp định vị sử dụng công nghệ VLC trong môi trường trong nhà; Áp dụng bộ lọc Kalman trong việc định vị robot.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Đồ án tốt nghiệp Công nghệ kỹ thuật điện tử truyền thông: Định vị robot sử dụng công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy được kết hợp với bộ lọc Kalman

  1. 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 ĐƯỢC KẾT HỢP VỚI BỘ LỌC KALMAN SVTH: Hoàng Như Việt Lớp: CCVT06B GVHD: Nguyễn Thị Huyền Trang Đà Nẵng, tháng 6 năm 2016
  2. NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN …………………………………………………………………………………………………... ……………………………………………………………………………………………........... …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... Điểm: …………………….……… (Bằng chữ: …..……………….) Đà Nẵng, ngày tháng 6 năm 2016 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Nguyễn Thị Huyền Trang ii
  3. NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... Điểm: …………………….……… (Bằng chữ: …..……………….) Đà Nẵng, ngày tháng 6 năm 2016 GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iii
  4. MỤC LỤC NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ...........................................................i NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN........................................................... iii MỤC LỤC .....................................................................................................................iv THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ............................................................................................vi DANH MỤC HÌNH VẼ............................................................................................. viii DANH MỤC BẢNG BIỂU ..........................................................................................ix LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................1 CHƯƠNG I – TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VLC – TRUYỀN THÔNG SỬ DỤNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY ...............................................................................3 1.1. Đèn LED trắng ....................................................................................................3 1.1.1. Một vài nét sơ lược ........................................................................................3 1.1.2. Các đặc trưng ................................................................................................ 5 1.1.2.1. Cường độ chiếu sáng ..............................................................................5 1.1.2.2. Công suất quang truyền ..........................................................................5 1.1.3. Ưu nhược điểm .............................................................................................. 6 1.1.3.1. Ưu điểm ...................................................................................................6 1.1.3.2. Nhược điểm.............................................................................................. 7 1.2. Mô tả hệ thống VLC ...........................................................................................7 1.2.1. Mô hình hệ thống ..........................................................................................7 1.2.2. Cấu hình đường truyền ...............................................................................11 1.2.3. Kênh IM-DD ................................................................................................ 12 1.2.4. Công suất quang nhận ................................................................................13 1.3. Ứng dụng và một số sản phẩm thực tế ............................................................ 14 1.3.1. Truyền thông di động ..................................................................................14 1.3.1.1. Truyền thông di động thế hệ sau 4G .....................................................14 1.3.1.2. Truyền thông trong các môi trường đặc biệt ........................................15 1.3.2. Truyền hình .................................................................................................15 1.3.3. Nhà thông minh ..........................................................................................16 1.3.4. Hệ thống giao thông thông minh ............................................................... 16 1.3.5. Định vị và dẫn đường ..................................................................................17 1.4. Tóm tắt chương một .........................................................................................17 CHƯƠNG II – CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ VLC TRONG MÔI TRƯỜNG TRONG NHÀ...................................................................18 2.1. Phương pháp định vị dựa trên thời gian sóng ánh sáng tới (TOA) .............19 2.2. Phương pháp định vị dựa trên độ chênh lệch thời gian của các sóng ánh sáng tới (TDOA) .......................................................................................................21 iv
  5. 2.3. Phương pháp định vị dựa trên cường độ tín hiệu nhận được (RSS) ...........23 2.4. Phương pháp định vị dựa trên góc của sóng ánh sáng tới (AOA) ...............24 2.5. Phương pháp định vị kết hợp AOA-RSS ........................................................27 2.5.1. Mô hình hệ thống ........................................................................................27 2.5.2. Nhiễu hệ thống ............................................................................................ 28 2.5.3. Cơ chế hoạt động.........................................................................................29 2.5.3.1. Bước 1 – Xác định hướng của robot .....................................................29 2.5.3.2. Bước 2 – Xác định tọa độ của robot .....................................................29 2.6. Tóm tắt chương hai...........................................................................................30 CHƯƠNG III – ÁP DỤNG BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG TRONG ĐỊNH VỊ ROBOT .........................................................................................................................31 3.1. Mô hình hệ thống: Cấu hình động học ...........................................................31 3.1.1. Cập nhật vị trí .............................................................................................. 32 3.1.2. Sai số hệ thống ............................................................................................ 33 3.2. Mô hình phép đo ............................................................................................... 34 3.3. Bộ lọc Kalman ...................................................................................................35 3.3.1. Ước đoán vị trí ............................................................................................. 36 3.3.2. Hiệu chỉnh vị trí ..........................................................................................38 3.4. Tóm tắt chương ba ............................................................................................ 39 KẾT LUẬN ..................................................................................................................40 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................41 v
  6. THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 4G Fourth Generation Mạng di động thế hệ thứ tư 5G Fifth Generation Mạng di động thế hệ thứ năm AOA Angle of Arrival Góc của tia sáng tới AOA– Angle of Arrival – Received Kết hợp hai phương pháp AOA RSS Signal Strength và RSS DC Direct Current Dòng trực tiếp DD Direct Detection Tách sóng trực tiếp FET Field Effect Transistor Transitor hiệu ứng trường FOV Field of View Trường thu nhận ánh sang GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu Institute of Electricaland IEEE Viện kỹ thuật điện và điện tử Electronics Engineers IM Intensity Modulation Điều chế cường độ IR Infrared Hồng ngoại IRB Infrared Band Dải bước song hồng ngoại KF Kalman Filter Bộ lọc Kalman LED Light Emitting Diode Đi-ốt phát quang LOS Light of Sight Phương truyền thẳng LS Least square Bình phương tối thiểu LTE Long-Term Evolution Mạng 4G Kỹ thuật sử dụng nhiều đầu vào MIMO Multi Input – Multi Output và đầu ra NLOS Non Light of Sight Phương truyền gián tiếp OOK On-Off Keying Điều chế ON/OFF PD Photodiode Bộ nhận quang RF Radio Frequency Sóng vô tuyến RFB Radio Frequency Band Dải sóng vô tuyến Nhận dạng dựa vào tần số sóng RFID Radio Frequency Identification vô tuyến RSS Received Signal Strength Cường độ tín hiệu nhận vi
  7. Độ chênh lệch về thời gian của TDOA Time Difference of Arrival các tia sáng tới TOA Time of Arrival Thời gian của tia sáng tới Công nghệ truyền thông sử VLC Visible Light Communications dụng ánh sáng nhìn thấy YAG Yttrium Aluminum Garnet Granat ytri-nhôm vii
  8. DANH MỤC HÌNH VẼ Hình Nội dung Trang 1.1. Vùng ánh sáng nhìn thấy trong phổ bức xạ điện từ 4 1.2. Các loại đèn LED trắng cơ bản 5 1.3. Sơ đồ khối của công nghệ VLC 8 1.4. Sơ đồ khối cho cơ chế điều chỉnh độ sáng của đèn LED 9 1.5 Mô hình thực tế của công nghệ VLC trong môi trường trong nhà 10 1.6. Phân loại đường truyền của hệ thống VLC 12 1.7. Kênh IM/DD trong công nghệ VLC 12 1.8. Mô hình truyền nhận ánh sáng trực tiếp (LOS) 13 1.9. Công nghệ truyền thông VLC ứng dụng trong phòng họp 14 1.10. Công nghệ VLC được sử dụng trong bệnh viện 15 1.11. Sơ đồ khối của bộ phát video và audio 15 1.12. Sơ đồ khối của bộ nhận video và audio 16 1.13. Hệ thống giao thông thông minh 16 1.14. Hệ thống dẫn đường E-mart trong siêu thị 17 2.1. Đường tròn tưởng tượng chứa các điểm nhận được thời gian truyền 19 ánh sáng như nhau. 2.2. Vị trí robot trong vùng giao cắt của các đường tròn tưởng tượng 21 2.3. Mô hình hệ thống của phương pháp TDOA 22 2.4. Phương pháp định vị hyperbol 23 2.5. Các tham số trong phương pháp định vị RSS 24 2.6. Mô hình hệ thống của phương pháp định vị AOA 25 2.7. Mô hình và các thông số hệ thống 25 2.8. Kịch bản mô phỏng thuật toán định vị AOA 26 2.9. Mô hình hệ thống kết hợp AOA-RSS sử dụng mảng PD 28 3.1. Mô hình robot hai bánh vi sai a) Trạng thái của hệ thống robot b) 32 Robot trong hệ tọa độ địa phương và toàn cục 3.2. Ứng dụng thông thường của bộ lọc Kalman 36 3.3. Sơ đồ minh họa ứng dụng của bộ lọc Kalman trong định vị robot 36 viii
  9. DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Nội dung Trang 1.1. So sánh những đặc tính của các công nghệ truyền thông VLC, IRB, 10 RFB 2. 1. Các tham số hệ thống trong mô hình hệ thống VLC 29 ix
  10. Định vị robot sử dụng công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy được kết hợp với bộ lọc Kalman 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 SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B 1
  11. Định vị robot sử dụng công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy được kết hợp với bộ lọc Kalman 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 SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B 2
  12. Định vị robot sử dụng công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy được kết hợp với bộ lọc Kalman 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). SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B 3
  13. Định vị robot sử dụng công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy được kết hợp với bộ lọc Kalman 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. SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B 4
  14. Định vị robot sử dụng công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy được kết hợp với bộ lọc Kalman 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 : SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B 5
  15. Định vị robot sử dụng công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy được kết hợp với bộ lọc Kalman Trong đó,  max và  min 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 6
  16. Định vị robot sử dụng công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy được kết hợp với bộ lọc Kalman  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 7
  17. Định vị robot sử dụng công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy được kết hợp với bộ lọc Kalman 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 8
  18. Định vị robot sử dụng công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy được kết hợp với bộ lọc Kalman 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 9
  19. Định vị robot sử dụng công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy được kết hợp với bộ lọc Kalman 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 VLC IRB RFB Không giới hạn Không giới hạn Giới Băng thông (400 – 700 mm) (800-1600 nm) hạn Truyền thẳng Có Có Không Ngắn đến Ngắn đến dài Khoảng cách Ngắn dài (ngoài (ngoài trời) trời) Bảo mật Cao Cao Thấp Khá đầy đủ cho môi Đang hoàn thiện trường trong nhà, đang Hoàn Tiêu chuẩn (tiêu chuẩn IEEE hoàn thiện cho môi thiện 802.15.7) trường ngoài trời SVTH: Hoàng Như Việt – Lớp CCVT06B 10
  20. Định vị robot sử dụng công nghệ truyền thông ánh sáng nhìn thấy được kết hợp với bộ lọc Kalman Chiếu sáng + Truyền Dịch vụ Truyền thông Truyền thông thông Ánh sáng mặt Ánh sáng mặt trời và Tất cả các Nguồn nhiễu trời và các nguồn các nguồn sáng xung thiết bị điện sáng xung quanh quanh tử Tổn hao Trung Khá thấp Khá thấp công suất bình Khả năng Giới hạn Giới hạn Tốt di động Hẹp và Chủ yếu Vùng phủ Hẹp và rộng rộng 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 11
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2