Tài liệu Nghiên cứu phát triển hệ thống định vị vô tuyến trong nhà sử dụng anten điều khiển búp sóng tt

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Thông tin về vị trí của một đối tượng đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống kể trên. Luận án tập trung nghiên cứu xác định vị trí của đối tượng trong môi trường trong nhà, đôi khi được định nghĩa là môi trường hẹp có nhiều ràng buộc, nhiều vật cản. Các môi trường điển hình như trong một ngôi nhà, tòa nhà, kho hàng, trung tâm thương mại, bảo tàng,…trong môi trường đó, công nghệ định vị toàn cầu như GPS khó thực hiện do sai số cao. Trong các hệ thống đó, hầu hết tất cả các nhiệm vụ mà robot thực hiện thường là những nhiệm vụ xuất phát từ các câu hỏi như: Tôi ở đâu ? Tôi đang đi đâu ? Tôi làm thế nào để đến được đó ? Như vậy yêu cầu thông tin về vị trí robot là cần thiết phải xác định, từ đó có thể trả lời được các câu hỏi nói trên và dẫn đường cho robot thực hiện các công việc được giao. Hệ thống định vị áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau nổi bật nhất là: y tế, kinh doanh, giải trí và các lĩnh vực khác. Từ những nhu cầu lớn của thị trường, các hệ thống định vị trong nhà được nghiên cứu và phát triển với nhiều công nghệ, kỹ thuật và phương pháp khác nhau. Tiêu biểu được biết đến là hệ định vị vô tuyến sử dụng anten điều khiển búp sóng (AĐKBS) mang lại độ chính xác cao cho hệ thống định vị vô tuyến, bên cạnh đó làm giảm số lượng trạm, giảm độ phức tạp cho hệ thống định vị vô tuyến trong nhà, từ đó giảm giá thành của hệ thống. Những vấn đề còn tồn tại và hướng nghiên cứu của luận án Việc xây dựng hệ thống định vị vô tuyến còn gặp nhiều thách thức về việc: giảm độ phức tạp, giảm số lượng trạm, tăng độ ổn định và độ chính xác cho hệ thống. Giải pháp nghiên cứu và đề xuất các mô hình hệ thống định vị vô tuyến trong nhà, dựa trên các công nghệ không dây kể trên sử dụng AĐKBS tại các dải tần dùng chung ISM từ 2,4 ÷ 2,5 GHz và 5,17 ÷ 5,875 GHz theo các nội dung chính như sau: - Nghiên cứu lựa chọn các mô hình hệ thống định vị vô tuyến trong nhà phù hợp. - Nghiên cứu thiết kế các AĐKBS đạt được búp sóng hẹp theo phương quét, cải thiện hiệu suất, hệ số tăng ích, băng thông, đặc biệt dễ chế tạo và dễ tích hợp vào hệ thống. - Nghiên cứu phát triển AĐKBS phân cực tròn, cải thiện băng thông, hiệu suất bức xạ, hệ số tăng ích và chất lượng phân cực tròn giúp nâng cao hiệu năng của AĐKBS cho hệ định vị vô tuyến trong nhà khi đối tượng thay đổi hướng liên tục. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu AĐKBS mảng pha búp sóng hẹp, cấu trúc phẳng, bức xạ ngang định hướng, cải thiện: hệ số tăng ích, hiệu suất. Nghiên cứu AĐKBS chuyển búp phân cực tròn, cấu trúc bán cầu, bức xạ định hướng theo nhiều vùng (secto), cải thiện: hệ số tăng ích, tính phân cực tròn, băng thông và hiệu suất. Mặt khác, AĐKBS đạt được những tiêu chí chung như nâng cao: hệ số tăng ích, hiệu suất, mở rộng băng thông, dễ chế tạo ứng dụng cho hệ thống định vị vô tuyến trong nhà. 1 Nghiên cứu phát triển các hệ định vị vô tuyến trong nhà sử dụng AĐKBS giúp cấu hình hệ thống đơn giản và cải thiện độ chính xác cho hệ thống. Đối tượng nghiên cứu: Anten mạch in, AĐKBS. Hệ thống định vị vô tuyến trong nhà sử dụng AĐKBS dựa trên các tham số RSS và AoA. Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống định vị trong môi trường hẹp, AĐKBS tương tự. Dải tần số 2,45 GHz; 5GHz và 5,8GHz. Ý nghĩa khoa học của đề tài Về lý luận: Đề xuất những AĐKBS mới góp phần phát triển các giải pháp định vị vô tuyến và tăng chất lượng hệ thống định vị trong nhà. Phát triển hai mô hình định vị vô tuyến trong nhà với sai số nhỏ nhờ sử dụng AĐKBS. Về mặt thực tiễn: Các AĐKBS dễ dàng chế tạo trong nước, tương thích với dải tần các thiết bị không dây phổ biến hiện nay, khả thi khi tích hợp trong các trạm trong các hệ thống định vị đối tượng trong nhà, Những đóng góp chính của luận án Những đóng góp khoa học của luận án gồm: 1. Đề xuất các AĐKBS - AĐKBS mảng pha có búp sóng dải quạt hẹp bốn búp tại tần số 2,45GHz và tám búp tại tần số 5GHz. - AĐKBS mảng pha có búp sóng dải quạt rộng bốn búp tại tần số 2,45GHz. - Đề xuất AĐKBS chuyển búp phân cực tròn tại tần số 5,8GHz 2. Đề xuất các hệ thống định vị: - Hệ thống định vị ba trạm dựa trên chuẩn IEEE 802.15.4, các trạm tích hợp AĐKBS mảng pha có búp sóng dải quạt hẹp. - Hệ thống định vị đơn trạm tích hợp AĐKBS mảng pha có búp sóng dải quạt rộng hoặc tích hợp AĐKBS chuyển búp phân cực tròn. Cấu trúc nội dung của luận án Luận án bao gồm 3 chương, chương 1 trình bày tổng quan về hệ thống định vị vô tuyến trong nhà sử dụng AĐKBS với chi tiết các cấu hình và kỹ thuật định vị. Trong chương 2 của luận án, chi tiết về các thiết kế anten mạch in và AĐKBS mảng pha búp sóng có dạng dải quạt hẹp phục vụ cho hệ thống định vị ba trạm ứng dụng cho các không gian định vị rộng, được trình bày. Các phương pháp thiết kế này đều có thể được sử dụng lại để thực hiện thiết kế anten tại các tần số quan tâm khác. Tiếp theo, chương 3 đề xuất AĐKBS búp sóng dải quạt rộng và hệ thống định vị đơn trạm sử dụng hai AĐKBS mảng pha búp sóng dải quạt rộng. Để nâng chất lượng cho hệ định vị, áp dụng cho các đối tượng thay đổi hướng liên tục, luận án đề xuất AĐKBS chuyển búp phân cực tròn và hệ thống định vị đơn trạm sử dụng AĐKBS chuyển búp phân cực tròn. Phần cuối cùng của luận án là kết luận và hướng phát triển của đề tài. 2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN TRONG NHÀ SỬ DỤNG ANTEN ĐIỀU KHIỂN BÚP SÓNG 1.1 Tổng quan về các hệ thống định vị vô tuyến trong nhà Hệ thống định vị vô tuyến sử dụng anten truyền thống Sau khi tìm hiểu tổng hợp các hệ thống định vị vô tuyến sử dụng anten truyền thống (đẳng hướng, định hướng) trên thế giới, độ chính xác của hệ thống định vị vô tuyến đạt đến độ chính xác cỡ ~1m. Có nhiều giải pháp để nâng cao độ chính xác cho hệ thống như: tăng số trạm điều này làm tăng giá thành hệ thống, cấu hình và tính toán phức tạp; cải thiện các thuật toán xác định vị trí, dùng các thuật toán lọc dữ liệu với khối lượng tính toán phức tạp cần áp dụng trên máy chủ có cấu hình cao; kết hợp sóng vô tuyến với các cảm biến khác để tăng thêm độ chính xác trong quá trình xác định vị trí đối tượng di động. Hoặc sử dụng công nghệ UWB cho độ chính xác đạt tới cm, tuy nhiên vùng định vị hẹp đồng thời mạch thu phát công nghệ UWB giá thành rất cao là các hạn chế của công nghệ này. Hệ thống định vị vô tuyến sử dụng anten điều khiển búp sóng Cộng đồng các nhà khoa học trên thế giới đã tập trung nghiên cứu phát triển, cải tiến AĐKBS nhằm nâng cao chất lượng cho hệ thống định vị trong nhà trong mười năm gần đây. Các nhóm nghiên cứu nổi bật như: trường đại học Nanyang Technological University (NTU) của Singapore, trường Đại học KU Leuve của Bỉ đã áp dụng anten điều khiển búp sóng dạng anten mảng tuyến tính dựa trên anten phần tử lưỡng cực. Hệ thống đạt sai số nhỏ 0,57m trên vùng định vị 15m2, 0,85m trên vùng định vị 14m2. Tuy nhiên, giản đồ bức xạ của những anten điều khiển búp sóng này có dạng bức xạ ngang theo hai hướng, khi gắn anten gần tường gây ra hiện tượng phản xạ và bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng đa đường nghiêm trọng. Trong thực nghiệm Stijn Wielandt đã gắn thêm màn chắn từ hỗ trợ giúp loại bỏ hiện tượng này. Các nghiên cứu khác áp dụng AĐKBS kiểu chuyển mạch cho hệ thống định vị vô tuyến, giản đồ bức xạ quay 360 theo phương ngang như: nhóm nghiên cứu trường đại học công nghệ Gdansk của Balan đạt sai số 1,61m trên vùng định vị 20,25m2 ; nhóm của S.Nagaraju tại Ấn độ nghiên cứu anten chuyển búp sử dụng phần tử anten tấm định vị một chiều đạt sai số 0,74m trong khoảng 10m tại hành lang hay nhóm nghiên cứu M.Passafiume tại trường đại học Florence của Ý với anten chuyển búp dựa trên anten tấm phân cực tròn đạt sai số 0,44m trên vùng định vị 25m2. Tuy nhiên đặc điểm chung của các AĐKBS này cần phải đặt ở trung tâm vùng định vị hay giữa phòng và vùng phủ ngang với vùng đối tượng dịch chuyển, dẫn đến việc bố trí trạm gặp khó khăn. Mặt khác, hệ số tăng ích của chúng thấp dẫn đến vùng định vị hẹp. Khắc phục nhược điểm của loại anten điều khiển búp sóng này, các nhà nghiên cứu anten chuyển búp hình bán cầu có thể lắp đặt trên trần nhà, phủ được 360 như: Hive5 của nhóm nghiên cứu trường đại học Santiago ở Bồ Đào Nha đạt sai số 0,99m trên vùng 28m2 với cấu hình đơn trạm; nhóm của S.Maddio đạt sai số tới 0,63m trên vùng định vị 9,88m2 với cấu hình bốn trạm. 3 Kết luận Từ những tìm hiểu tổng quan về các hệ thống định vị tiêu biểu như đã trình bày ở trên, nhận thấy xu thế các nhà nghiên cứu đang tập trung phát triển AĐKBS cho hệ thống định vị vô tuyến trong nhà, giúp nâng cao chất lượng hệ thống định vị về các yếu tố: sai số, vùng định vị, số lượng trạm. Dựa vào đó luận án cũng tiến hành nghiên cứu, phát triển, đưa ra những đề xuất, thiết kế AĐKBS áp dụng cho các mô hình hệ thống định vị vô tuyến trong nhà giúp nâng cao chất lượng hệ định vị, góp phần triển khai hệ thống định vị vô tuyến khả thi ở Việt Nam. 1.2 Các cấu hình định vị Hệ định vị thường có 2 cấu hình chính gồm hệ tự định vị và hệ định vị từ xa, tùy vào từng ứng dụng, yêu cầu cụ thể mà hệ thống sẽ được lắp đặt và hoạt động với cấu hình khác nhau. 1.3 Sơ đồ khối chức năng của hệ thống định vị Một hệ thống định vị sử dụng sóng vô tuyến sẽ bao gồm các phần tử phần cứng và thuật toán ước lượng vị trí đối tượng. Theo luồng xử lý thông tin, hệ thống có thể được mô tả dưới dạng sơ đồ khối chức năng chính như sau: Hình 1.4. Sơ đồ khối chức năng của hệ thống định vị vô tuyến Đối tượng được xét trong luận án gồm đối tượng tĩnh và động, khối đo tham số gồm các tham số chính như: RSS, AoA, ToA và TDoA, anten là phần tử quan trọng của khối đo tham số vị trí. Cấu trúc chung của khối đo tham số vị trí gồm: Anten và phần mạch cứng được mô tả trong hình 1.5, anten là phần tử bức xạ và nhận tín hiệu sóng vô tuyến, tín hiệu sóng thu được cung cấp các tham số vị trí có liên quan đến việc định vị đối tượng. Tùy theo công nghệ, kỹ thuật và đặc điểm của tín hiệu sóng điện từ mà anten được sử dụng mang những đặc tính khác nhau. Các tham số như: cấu trúc, dải tần, băng thông, dạng giản đồ bức xạ liên quan trực tiếp đến kỹ thuật và công nghệ định vị. Các tham số vị trí được đưa vào lưu trữ và xử lý tín hiệu dựa trên thuật toán ước lượng như giao khoảng cách, giao góc, dấu vân tay để ước lượng vị trí đối tượng. 4 Hình 1.5. Khối đo tham số vị trí 1.4 Các kỹ thuật định vị 1.4.1 Tham số vị trí Tham số cường độ tín hiệu nhận được RSS (thường đo bằng dBm) và chỉ số cường độ tín hiệu nhận RSSI (là giá trị RSS được quy đổi dựa trên công suất phát) là hai tham số đặc trưng cho cường độ tín hiệu nhận được trong quá trình thu phát vô tuyến. Lợi dụng đặc điểm suy hao của sóng vô tuyến theo khoảng cách lan truyền sóng ra môi trường xung quanh, các nhà khoa học có thể xác định được khoảng cách d của nguồn phát đến điểm thu dựa vào cường độ tín hiệu vô tuyến thu được. Từ khoảng cách d sử dụng các thuật toán để ước lượng vị trí đối tượng. Tham số AoA là tham số xác định hướng góc tới của tín hiệu được truyền đến, để tăng độ chính xác trong xác định hướng góc tới hệ cần tích hợp anten định hướng, anten mảng hoặc AĐKBS. Ước lượng hướng góc tới trong trường hợp một cổng nhận, tính toán không quá phức tạp và mang lại hiệu quả cao trong ước lượng vị trí đối tượng cho bài toán định vị. Với định vị hai chiều chỉ cần hai trạm, để tăng độ chính xác cho tìm hướng góc tới, hệ thống cần trang bị các loại anten có giản đồ bức xạ định hướng hoặc những anten mảng điều hướng. Búp sóng càng hẹp việc ước lượng hướng sóng tới càng chính xác giúp nâng cao chất lượng định vị. 1.4.2 Phương pháp định vị Phương pháp định vị thường chia làm 3 phương pháp chính: giao khoảng cách, giao góc và dấu vân tay. Trong đó, dấu vân tay là phương pháp có độ chính xác cao nhất, tuy nhiên ở phương pháp này yêu cầu thu thập cơ sở dữ liệu (CSDL). Phương pháp giao khoảng cách và giao góc dựa trên tham số khoảng cách và góc để ước lượng vị trí, không cần CSDL từ trước. Do đó có thể thực hiện trong hệ định vị thời gian thực, tuy nhiên độ chính xác bị hạn chế. Trong luận án, sử dụng các phương pháp trên khi tiến hành thử nghiệm hệ thống định vị tích hợp AĐKBS. 1.5 Anten và anten điều khiển búp sóng trong hệ thống định vị vô tuyến 1.5.1 Anten và anten mảng Anten là một thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ không gian bên ngoài. Anten là bộ phận quan trọng không thể thiếu của bất kỳ hệ thống vô tuyến điện nào, anten được sử dụng với các mục đích khác nhau sẽ có những đặc tính khác nhau. 5 Anten mảng được tạo bởi gồm các phần tử anten, chúng sắp xếp thích hợp trong một không gian để tạo ra giản đồ bức xạ với đặc tính mong muốn. Các đặc tính mong muốn đó có thể đạt được bởi các yếu tố sau: - Biên độ và pha của nguồn tiếp điện cho mỗi phần tử. - Giản đồ bức xạ của mỗi phần tử. - Khoảng cách d giữa các phần tử. Mảng N phần tử giống nhau sắp xếp thành đường thẳng khoảng cách đều nhau d và cùng biên độ an. Nếu mảng gồm N phần tử theo Balanis thì hệ số của mảng AF được xác định như công thức dưới đây: j kd cos   j 2 kd cos   j N 1 kd cos    AF =an 1  e  e    e   (1.1)   N AF =an e n=1 j  n-1 kdcosθ+  N j n-1 ψ  an e   ; với ψ   k  d .cos     (1.2) n=1 N: số phần tử; θ: góc quay của búp sóng chính; k = 2π/λ hằng số sóng d: khoảng cách giữa các phần tử  : góc lệch pha giữa các phần tử trong mảng ψ: góc lệch pha giữa các phần tử xét trên mặt phẳng sóng Tổng quát: Trường tổng = [Trường của một phần tử] × [Hệ số mảng] Giản đồ bức xạ của anten mảng quét búp sóng phụ thuộc vào: giản đồ bức xạ của anten phần tử, số phần tử và hệ số mảng. Trong đó, hệ số mảng phụ thuộc vào các trọng số biên, pha và khoảng cách giữa các phần tử trong mảng, những tham số này quyết định góc quay của búp sóng chính, độ định hướng, hệ số tăng ích, búp sóng phụ và độ rộng búp sóng. 1.5.2 Anten điều khiển búp sóng trong hệ thống định vị vô tuyến Khái niệm chung: Anten điều khiển búp sóng là anten mảng có khả năng quay búp sóng theo các hướng khác nhau trong không gian. AĐKBS có thể dùng phương pháp cơ, điện tử hoặc cơ-điện tử. AĐKBS điện tử được chia làm hai loại: AĐKBS kiểu tương tự và AĐKBS số. Trong luận án muốn quan tâm và đề cập đến AĐKBS kiểu tương tự. Có một số phương pháp phân loại khác nhau tuy nhiên đại đa số thì AĐKBS tương tự được chia làm hai nhóm: AĐKBS chuyển búp và AĐKBS mảng pha. AĐKBS mảng pha: là AĐKBS bao gồm bộ dịch pha giúp quay búp sóng theo những hướng mong muốn, do vậy chúng có phần cứng phức tạp hơn. Việc điều chỉnh pha của các nguồn kích thích cho các phần tử anten trong mảng có thể điều chỉnh búp sóng chính đến hướng mong muốn. AĐKBS chuyển búp: là AĐKBS gồm nhiều anten phần tử được gắn với phần tử chuyển mạch và bộ chia nguồn/bộ phối hợp. Hướng bức xạ của AĐKBS là hướng bức xạ của anten phần tử được tích cực, các anten phần tử khác không tham gia vào quá trình bức xạ. Nội dung chính của luận án nhằm cải thiện các AĐKBS mảng pha về: cấu trúc phẳng dễ tích hợp, búp sóng hẹp theo phương quét, hệ số tăng ích và hiệu suất. Cải thiện hiệu suất, tính phân cực tròn, băng thông rộng cũng là tiêu chí của 6 AĐKBS chuyển búp phân cực tròn. Các đề xuất AĐKBS cho hệ thống định vị vô tuyến trong nhà nhằm nâng cao chất lượng của hệ thống. 1.3 Kết luận chương 1 Chương này luận án đã tìm hiểu tổng quan về các hệ thống định vị vô tuyến nói chung và hệ định vị vô tuyến sử dụng AĐKBS nói riêng trên thế giới. Nhằm đưa ra các giải pháp cho hệ thống định vị vô tuyến sử dụng AĐKBS thích hợp, bởi AĐKBS có tác động trực tiếp đến: độ chính xác, tính khả dụng, số lượng trạm, tính linh động, vùng không gian định vị, cách bố trí trạm, công nghệ định vị, thời gian định vị và giá thành hệ thống. Trình bày cấu hình và sơ đồ khối chung của hệ thống định vị dựa trên sóng vô tuyến. Trình bày các tham số định vị RSS, RSSI và AoA cũng như các phương pháp định vị, thuật toán định vị, tạo tiền đề cơ sở cho các chương tiếp theo. Trong chương này cũng trình bày các tham số cơ bản của anten, kỹ thuật mảng và tổng quan về anten điều khiển búp sóng điện tử kiểu tương tự làm cơ sở để đưa ra giải pháp phát triển và thiết kế anten điều khiển búp sóng cho hệ thống định vị trong nhà dựa trên sóng vô tuyến ở các chương sau. HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN BA TRẠM TRONG NHÀ 2.1 Giới thiệu chương Chương 2 trong chương này, luận án đề xuất cấu hình ba trạm tích hợp AĐKBS mảng pha búp sóng dải quạt hẹp. AĐKBS mảng pha dải quạt hẹp được đề xuất với đặc điểm búp sóng hẹp theo phương xoy và độ mở của búp theo phương yoz hạn chế ở mức dưới ~90 để tránh phản xạ của đất tại tần số 2,45GHz và 5GHz. 2.2 Giải pháp anten điều khiển búp sóng mảng pha dải quạt hẹp 2.2.1 Giải pháp thiết kế anten phần tử lưỡng cực mạch in 1. Anten lưỡng cực mạch in đẳng hướng (LC-ĐaH) Anten phần tử LC-ĐaH được đề xuất có cấu trúc và sơ đồ tương đương của balun được mô tả như hình 2.3. Các tham số thiết kế được trình bày chi tiết trong bảng 2.1. Các kết quả mô phỏng và đo tham số S11 và giản đồ bức xạ thể hiện trong hình 2.4. Hình ảnh anten được chế tạo trong hình 2.5 dựa trên chất nền RO4003C. Hình 2.3: Cấu trúc của anten LC-ĐaH và sơ đồ tương đương của balun. Bảng 2.1: Các tham số kích thước của anten LC-ĐaH Cánh bức xạ (mm) Balun (mm) Lb Wb Wsg Lf1 Lf2 Ws L W g 21.56 4.01 1.5 23 4.01 7 9.5 23 4.01 7 Hình 2.4: Hệ số S11 mô phỏng, đo và giản đồ bức xạ của anten LC-ĐaH a) Mặt trên b) Mặt dưới Hình 2.5: Hình ảnh anten LC-ĐaH được chế tạo 2. Anten lưỡng cực mạch in định hướng (LC-ĐiH) Khi thêm chấn tử phản xạ, chiều dài chấn tử phản xạ 0,57g, khoảng cách giữa chấn tử phản xạ và cánh bức xạ bằng 0,25g, được giản đồ bức xạ định hướng. Anten được thiết kế và chế tạo như hình 2.6 với các tham số trong bảng 2.2. Kết quả mô phỏng, đo được thể hiện trong hình 2.7, từ đó cho thấy búp sóng hình dải quạt hẹp theo phương xoy và rộng theo phương còn lại (yoz). Đây là một trong những đặc điểm lợi thế của anten LC-ĐiH để phát triển AĐKBS mảng pha dải quạt được nói tới trong mục sau. Hình 2.6: Cấu trúc của anten LC-ĐiH và hình ảnh chế tạo Bảng 2.2: Các tham số kích thước của anten LC-ĐiH Cánh bức xạ (mm) Balun (mm) Chấn tử phản xạ(mm) L W g Lb Wb Wsg Lf1 Lf2 Wf Lg Wg 23,5 4,2 1,5 18 4,2 4,2 22 16 2 20 10 8 Hình 2.7: Hệ số S11 mô phỏng, đo và giản đồ bức xạ của anten LC-ĐiH 3. Anten lưỡng cực mạch in sử dụng chấn tử dẫn xạ (LC-DâX) Với cánh bức xạ chủ động đảm bảo tính chất nửa bước sóng, đồng thời giảm kích thước theo chiều ngang của anten, cánh bức xạ được thiết kế uốn cong. Bên cạnh đó còn giúp tăng độ định hướng theo phương trực giao với cánh bức xạ. Để tăng thêm độ định hướng, các chấn tử dẫn xạ được thêm vào phía trước song song với cánh bức xạ như hình 2.8 tạo thành anten lưỡng cực mạch in dẫn xạ (LCDâX). Anten LC-DâX được tối ưu với các tham số trong bảng 2.3; bảng 2.4; bảng 2.5 tại các tần số 2,45GHz và 5GHz. Kết quả mô phỏng và đo các hệ số S11 và giản đồ bức xạ của anten thể hiện trong các hình 2.9; hình 2.10 và hình 2.11 Hình 2.8: Hình ảnh nguyên lý và chế tạo của anten LC- DâX Hệ số tăng ích bị đánh đổi bởi kích thước của anten, với LC- DâX có hai chấn tử dẫn xạ nhận được tăng ích là 7,37 dBi tại 2,45GHz và 7,64 dBi tại 5GHz. Bảng 2.3: Các tham số của anten LC- DâX tại 2,45GHz đơn vị mm Cánh bức xạ Tham số Giá trị Larm 23,3 Warm 4,2 Ls 23 g 0,7 hsub 0,8 Lsub 74 Wsub 57,1 Balun Tham số Giá trị Wbalun 2,1 La 20 Lb 15,1 Wfeed 4,2 Lgnd 7 Wgnd 24 Thành phần định hướng Tham số Giá trị Ldirec 30 Wdirec 4,2 y1 14 (0,15g) y2 14 (0,15g) 9 Hình 2.9: Hệ số S11 và giản đồ bức xạ của anten LC- DâX tại dải tần 2,45GHz Bảng 2.4: Các tham số của anten LC- DâX tại 5GHz đơn vị mm Cánh bức xạ Tham số Giá trị Larm 11,4 Warm 2,1 Ls 11,5 g 0,7 hsub 0,8 Lsub Wsub 37 29 Balun Tham số Giá trị Wbalun 2,1 La 10,1 Lb 8 Wfeed 2,1 Lgnd 3,5 Wgnd 12 Thành phần định hướng Tham số Giá trị Ldirec 15 Wdirec 2,1 y1 7 (0,15g) y2 7 (0,15g) Bảng 2.5: Băng thông và hệ số tăng ích của anten LC-DâX khi thay đổi số lượng chấn tử dẫn xạ (n) tại tần số trung tâm 5GHz n BW [MHz] Tăng ích [dBi] n BW [MHz] Tăng ích [dBi] 0 1 2 770 592 500 6,03 7,00 7,64 3 4 5 450 820 580 8,18 8,43 8,77 Hình 2.10: Cấu trúc anten LC-DâX nhiều chấn tử dẫn xạ và hệ số S11 của các anten lưỡng cực tại dải tần 5GHz 10 Hình 2.11: Giản đồ bức xạ của các anten LC-ĐaH, LC-ĐiH, LC-DâX gồm 2, 8 chấn tử dẫn xạ tại dải tần 5GHz 2.2.2 Thiết kế bộ dịch pha vi dải sử dụng ma trận Butler 1. Ma trận dịch pha Butler Ma trận Butler N×N bao gồm N đầu vào và N đầu ra với N = 2l (l =1, 2, 3…), với mỗi đầu vào ứng với một độ lệch pha ở các đầu ra tương ứng theo công thức:    2l  1 180 N Góc quay của các búp sóng chính được xác định bởi:      arccos   ; k = 2π/  kd  (2.8) (2.9) 2. Mạch dịch pha sử dụng ma trận Butler 4×4 tại tần số 2,45GHz Hình 2.13: AĐKBS mảng pha sử dụng ma trận Butler với N = 4 Bộ chia đôi nguồn vuông pha QPD: Bộ QPD hay còn gọi bộ hỗn hợp có chức năng chia đôi nguồn và tín hiệu đầu ra lệch pha nhau một góc 90 (hybrid 90- 3dB) thực hiện chức năng chia đôi công suất đầu vào và pha của tín hiệu ở đầu ra lệch nhau 90. Các tham số về chiều dài và trở kháng được thiết kế như hình 2.14.a. 11 Hình 2.14: Cấu trúc của bộ QPD và cầu nối chéo Kết quả mô phỏng các tham số của mạch QPD tại tần số trung tâm 2,45 GHz được thể hiện trong hình 2.15.a, nhận thấy các tham số S11, S22 nhỏ và các tham số S31, S41 lớn phản ánh đường truyền hiệu suất cao từ các cổng 1, 2 ra cổng 3, 4. Kết quả tham số S12 hay S21 phản ánh sự cách ly giữa 2 cổng vào, kết quả độ lệch pha giữa hai đầu ra của QPD bằng 90,2. Hình 2.15: Các tham số S và độ lệch pha giữa 2 cổng ra của bộ QPD Cầu nối chéo (Cossover): Hình 2.14.b là cấu trúc của cầu nối chéo, đặc điểm của cầu này là truyền tín hiệu theo đường chéo: tín hiệu từ cổng 1 truyền sang cổng 4, tín hiệu từ cổng 2 truyền sang cổng 3. Cầu nối chéo có đặc điểm độ lệch pha giữa vào và ra bằng 0. Hình 2.15.b thể hiện các tham số S và pha của cầu nối chéo. Bộ dịch pha cố định 450 Hình 2.16 là bộ dịch pha dạng đơn giản nhất, bộ dịch pha sử dụng đường truyền vi dải và kết quả mô phỏng độ lệch pha thiết kế là 45 º 12 Hình 2.16: Cấu trúc bộ dịch pha 45º và kết quả mô phỏng của đường vi dải. Cấu trúc ma trận dịch pha Butler 4×4 gồm các phần tử cũng như việc phối hợp trở kháng được thực hiện trên hình 2.17.a. Các hệ số phản xạ khi các đầu vào được tiếp điện lần lượt được thể hiện trên hình 2.17.b. Từ kết quả cho thấy bộ dịch pha có băng thông rộng BW=500MHz, phối hợp trở kháng tốt trong dải 2,2 ÷ 2,7GHz. Sau khi mô phỏng, các tham số S của bộ dịch pha giữa các đầu ra ~ ±45° và ±135°, hệ số truyền qua từ cổng vào tới các cổng ra xấp xỉ -6 dB. Hình 2.17: Cấu trúc của ma trận Butler 4×4 thiết kế và tham số S mô phỏng 2.2.3 Kết quả AĐKBS mảng pha búp sóng dải quạt hẹp 1. AĐKBS sử dụng LC-DâX tại tần số trung tâm 2,45GHz Để thu hẹp búp sóng theo phương thẳng đứng (góc mở dải quạt hẹp), giúp giảm ảnh hưởng của đất, anten phần tử được sử dụng là loại lưỡng cực dẫn xạ gọi là AĐKBS. Hình ảnh đo AĐKBS Mặt trên Mặt dưới Hình 2.19: Hình ảnh AĐKBS mảng pha được chế tạo và đo kiểm 13 Hình 2.20: Kết quả mô phỏng và đo bộ tham số S của AĐKBS đề xuất. Hình 2.21: Kết quả mô phỏng và đo giản đồ bức xạ của AĐKBS. Nhận xét : - Ưu điểm nổi bật là độ rộng búp sóng phương xoy hẹp từ 21,5º ÷ 24,5º. - Độ tăng ích 9,13 dBi ÷ 9,8 dBi - Góc quay -36º, -12º, +12º, +37º - Độ rộng búp sóng theo phương yoz: 60º ÷100º - Hiệu suất bức xạ lớn hơn 80 %; Băng thông rộng 400MHz (16,3 %) - Kích thước vẫn còn lớn 220mm×260mm 2. AĐKBS sử dụng LC-DâX tại dải tần 5GHz Dưới đây là các hình ảnh AĐKBS chế tạo và đo dựa trên mạch dịch pha Butler 8x8: Mặt trên Mặt dưới Hình ảnh đo AĐKBS Hình 2.28: AĐKBS mảng pha sử dụng ma trận Butler 8×8 14 Kết quả đo các tham số S của AĐKBS được mô tả trong hình 2.29 cho thấy AĐKBS đạt băng thông rộng 13,2% với tần số trung tâm là 5GHz. Kết quả đo giản đồ bức xạ của AĐKBS được thể hiện trên hình 2.30 với độ rộng búp sóng theo phương xoy xấp xỉ 12, tám búp của anten ứng với các góc quét lần lượt là -52, -37, -20, -8, +9, +25, +40 và +56. Hệ số tăng ích lớn nhất của AĐKBS ứng với các búp đạt: 7,8 ÷ 11dBi. So sánh với các công trình nghiên cứu khác trên thế giới, nổi trội nhất của AĐKBS đề xuất có búp sóng hình dải quạt hẹp theo phương xoy ~12, theo chiều yoz thì độ rộng búp sóng đạt 50÷120. Trong khi đó hệ số tăng ích và kích thước của AĐKBS vẫn được đảm bảo. Hình 2.29: Kết quả đo hệ số S của AĐKBS đề xuất. Hình 2.30: Kết quả đo giản đồ bức xạ của AĐKBS. 2.3. Thực nghiệm hệ thống định vị ba trạm sử dụng anten điều khiển búp sóng dải quạt hẹp 2.3.1 Cấu hình của hệ thống Hệ thống dựa trên chuẩn IEEE 802.15.4 gồm ba Nút cố định (trạm thu) có nhiệm vụ thu tín hiệu vô tuyến được phát từ Nút di động. Tín hiệu thu được RSSIi được Nút chủ thu thập gửi về máy tính trung tâm để xử lý tính toán vị trí Nút di động. 15 Để đánh giá mức độ hiệu quả việc tích hợp anten điều hướng trong hệ thống, luận án triển khai với hai kịch với các Nút cố định sử dụng anten đẳng hướng và AĐKBS thể hiện trong bảng 2.10. Hình 2.31. Hệ định vị ba trạm sử dụng mạng cảm biến không dây Bảng 2.10: Các kịch bản của hệ thống định vị dựa trên chuẩn IEEE 802.15.4 Thành phần của Thành phần của TT Mô tả hoạt động Nút di động Nút cố định -C-MSP430 -C-MSP430 Kịch -MRF24J40MA bản 1 -Anten đẳng hướng -MRF24J40MA -Anten đẳng hướng -C-MSP430 -C-MSP430 Kịch -MRF24J40MA bản 2 -Anten đẳng hướng -MRF24J40MA -Anten điều khiển búp sóng 2.3.2 Thử nghiệm các phương pháp định vị 1. Phương pháp giao khoảng cách Tìm khoảng cách d tính được, ứng với mỗi khoảng cách vẽ nên đường tròn có phương trình dưới đây: d  d0  10   P   d -Pd0 -X   /10n  (2.13) Trong kịch bản 1, áp dụng thuật toán bình phương tối thiểu (LS). Trong kịch bản 2, áp dụng cả 2 thuật toán LS và lặp tham lam (BGI). Thực hiện cho 81 điểm tĩnh trên lưới. 2. Phương pháp giao góc: Luận án sử dụng hai thuật toán RSSI lớn nhất và MUSIC để ước lượng hướng sóng tới từ đó tìm giao các hướng sóng tới, ước lượng vị trí đối tượng. Thực hiện cho 81 điểm tĩnh trên lưới. 16 3. Phương pháp dấu vân tay: Đo các tham số trên 81 điểm trên lưới tạo CSDL từ đó ước lượng 10 điểm thử dựa trên thuật toán K điểm lân cận có trọng số (WKNN). 2.3.3 Kết luận và đánh giá hệ thống Luận án đưa ra các phương pháp thử nghiệm với các thuật toán khác nhau: - Phương pháp giao khoảng cách: Bình phương tối thiểu (LS), BGI - Phương pháp giao góc: RSSImax và MUSIC - Phương pháp dấu vân tay dựa trên WKNN Kết quả thử nghiệm như bảng 2.6, khi so sánh với các công bố có liên quan có phần nổi trội về độ chính xác. Bảng 2.11: Sai số định vị của các phương pháp và thuật toán khác nhau;đơn vị m Thuật Phương pháp Sai số trung bình Sai số nhỏ nhất Sai số lớn nhất toán 1,67 0,0543 3,36 Giao khoảng LS cách BGI 1,64 0,245 3,36 RSSImax 1,07 0.04 3,46 Giao góc MUSIC 2,57 0.20 11,2 Dấu vân tay WKNN 0,75 0,11 1,9 2.4. Kết luận chương 2 Trong chương này, luận án đã trình bày những đề xuất anten phần tử lưỡng cực với đặc điểm giản đồ bức xạ điều chỉnh được dựa vào cấu trúc của chúng: LCĐaH, LC-ĐiH và LC-DâX từ đó làm cơ sở thiết kế AĐKBS mảng pha có búp sóng hình dải quạt hẹp tại tần số 2,45GHz và 5 GHz ứng dụng cho Wi-Fi thế hệ mới. Dựa trên AĐKBS đề xuất, luận án đã tiến hành thử nghiệm hệ định vị ba trạm dựa trên chuẩn IEEE 802.15.4. Luận án đã sử dụng các phương pháp và thuật toán định vị khác nhau để kiểm chứng hệ thống, mang lại kết quả có nhiều triển vọng: sai số định vị không cần giai đoạn ngoại tuyến là 1,07m; sai số phương pháp dấu vân tay 0,75m trên diện tích vùng định vị 32 m2. Với hệ thống ba trạm đề xuất, căn cứ vào hệ số tăng ích của AĐKBS, căn cứ vào RSSI khảo sát trong môi trường trong nhà, nền nhiễu, phương trình truyền sóng và dự trù khi đối tượng sử dụng anten mạch in tích hợp với hệ số tăng ích thấp thì vùng định vị tối đa lên tới 173m2 ứng với công suất phát 18dBm. HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN TRONG NHÀ ĐƠN TRẠM SỬ DỤNG ANTEN ĐIỀU KHIỂN BÚP SÓNG 3.1 Giới thiệu chương Trong chương này, luận án sẽ thực hiện song song hai xu hướng sử dụng AĐKBS mảng pha và chuyển búp ứng dụng cho hệ thống định vị vô tuyến trong nhà 3.2 Giải pháp anten điều khiển búp sóng mảng pha dải quạt rộng Thiết kế AĐKBS tại dải tần 2,45GHz hỗ trợ cho chuẩn IEEE 802.11. Anten phần tử LC-ĐaH cho mảng AĐKBS mảng pha. Sử dụng bộ dịch pha Butler 4×4 17 ghép với 4 phần tử LC-ĐaH sẽ tạo ra AĐKBS có cấu trúc phẳng, mang lại hiệu suất cao. Theo nguyên lý tương tự như trình bày về bộ dịch pha, mảng anten, AĐKBS mảng pha. Hình 3.2 là AĐKBS pha đã được thiết kế và chế tạo trên chất nền RO4003C bề dày chất nền 0,8mm, bề dầy lớp đồng 0,017mm, khoảng cách d=0,57 giữa các anten phần tử trong mảng. a) Mặt trên b) Mặt dưới c) Đo tham số S của AĐKBS Hình 3.2: Hình ảnh anten điều hướng mảng pha búp sóng dải quạt rộng Kết quả đo hệ số phản xạ của AĐKBS ứng với trường hợp từng cổng được tiếp điện thể hiện trên hình 3.3.a, từ kết quả đó nhận thấy kết quả đo và mô phỏng là tương đồng, dải tần hoạt động 2,3 GHz ÷ 2,7 GHz. b) a) Hình 3.3: Kết quả mô phỏng và đo của AĐKBS đề xuất Hình 3.4: Kết quả đo và mô phỏng giản đồ bức xạ của AĐKBS Hình 3.3.b là kết quả thể hiện hệ số tăng ích, hệ số định hướng và hiệu suất bức xạ tổng của anten điều hướng trong dải tần hoạt động của anten. Trong đó, hệ số tăng ích đạt từ 7,17 ÷ 8,64 dBi trong toàn bộ dải tần. Khi chọn từng cổng đầu vào 18 sẽ nhận được một búp sóng chính có hướng xác định như hình 3.4. Các búp sóng chính có vị trí lần lượt là ± 12, 37 và -36. Độ rộng búp sóng theo phương yoz rộng từ 200 đến 240, như vậy khi anten điều khiển búp sóng phủ một vùng rộng theo phương yoz. 3.3 Giải pháp thiết kế anten điều khiển búp sóng chuyển búp phân cực tròn 3.3.1 Anten phân cực tròn sử dụng kỹ thuật quay tuần tự Anten phân cực tròn đề xuất có tên là TDAA được chế tạo dựa trên nguyên lý quay tuần tự về vật lý và về pha giữa các phần tử trong mảng, chúng xếp thành vòng tròn lệch nhau 90 về góc vật lý và pha. TDAA được chế tạo trên chất nền RO4003C thể hiện trên hình 3.11. Kết quả mô tả trên hình 3.11 cho thấy hệ số phản xạ có sự tương đồng giữa kết quả đo và mô phỏng. Anten hoạt động trong dải tần rộng từ 4,6 đến 6,7 GHz (36,2% và dải tần số đạt 3dB AR là 1,3 GHz (từ 5,4 đến 6,7 GHz (22,4%)). Hình 3.11: Hình ảnh anten TDAA được chế tạo và hệ số S11 của TDAA Tỷ số phân cực AR, hệ số tăng ích, độ định hướng và hiệu suất của TDAA được mô tả trên hình 3.12. Hệ số tăng ích của anten thay đổi từ 7,6 dBi tới 9,8 dBi trong cả dải tần số 4,3÷7,1 GHz. Kết quả đo và mô phỏng đồ thị bức xạ tại tần số 5,8 GHz theo mặt phẳng xoz và yoz được trình bày trên hình 3.13. a) Tỷ số AR b) Tăng ích, độ định hướng, hiệu suất của TDAA Hình 3.12: So sánh kết quả đo và mô phỏng của anten TDAA. 19 a) Giản đồ bức xạ trên mặt phẳng xoz b) Giản đồ bức xạ trên mặt phẳng yoz Hình 3.1: Kết quả mô phỏng và đo giản đồ bức xạ của TDAA tại 5,8 GHz 3.3.2 Thiết kế anten điều khiển búp sóng chuyển búp phân cực tròn AĐKBS được ghép từ bảy anten phần tử phân cực tròn hoạt động trên nguyên lý chung của AĐKBS chuyển búp sóng như hình 3.15. Với lắp ghép và thiết kế thành hình bán cầu, AĐKBS sẽ phủ được một vùng rộng trong nhà. Các hệ số phản xạ của bảy anten phần tử và tương hỗ giữa chúng được đo và thể hiện trên hình 3.16. Hệ số tương hỗ giữ các anten phần tử nhỏ hơn -42 dB tại tần số 5,8GHz. Hình 3.15: Nguyên lý hoạt động và hình Hình 3.16: Hệ số phản xạ của bảy ảnh AĐKBS chuyển búp phân cực tròn anten TDAA và hệ số tương hỗ. 3.4 Thực nghiệm hệ thống định vị đơn trạm tích hợp anten điều khiển búp sóng mảng pha dải quạt rộng 3.4.1 Cấu hình hệ thống đơn trạm Địa điểm triển khai thực nghiệm tại phòng 413 nhà C1 trường đại học Bách Khoa Hà Nội rộng 6×6,5×3,5 m3, với tường vôi, cột trần bê tông, sàn ghạch men, lưới khảo sát trong vùng 5×5m2 như hình 3.17. 3.4.2 Thử nghiệm các phương pháp định vị 1. Phương pháp dấu vân tay: Thuật toán K điểm hàng xóm gần nhất có trọng số (WKNN) được sử dụng để tính toán vị trí đối tượng trong trường hợp này. 2. Phương pháp ước lượng hướng sóng tới dựa trên thuật toán MUSIC 20