Tóm tắt Luận án Thiết kế và xây dựng hệ thống dẫn đường tích hợp INS/GPS dùng cho tàu thủy

tính (IMU) và một thuật toán dẫn đường. Trong đó, IMU được cấu tạo bởi các cảm biến và thông thường là 3 cảm biến đo gia tốc (Accelermeter) và 3 cảm biến đo vận tốc góc (Gyroscope). Luận án sẽ đi sâu nghiên cứu hai giải pháp cụ thể để nâng cao chất lượng làm việc của hệ tích hợp INS/GPS đó là: Cải tiến về hệ thống và cải tiến về linh kiện của hệ thống. 1.2. Tổng quan về Gyroscope và hệ tích hợp INS/GPS 1.2.1. Tổng quan nghiên cứu về MEMS và các cảm biến dựa trên công nghệ MEMS Các linh kiện MEMS ra đời vào năm 1954 và được phát triển mạnh mẽ từ cuối năm 1959. Công nghệ MEMS ra đời là khởi nguồn của các vi cảm biến và các bộ kích thích/chấp hành làm nhiệm vụ nhận biết môi trường và sự thay đổi trong môi trường đó [49]. Vì 4 kích thước nhỏ gọn nên MEMS cần tới nguồn cung cấp cỡ micro mét và các khối vi xử lý tín hiệu [23]. Các hệ vi cơ điện tử làm cho hệ thống làm việc với tốc độ nhanh hơn, giá thành rẻ hơn, độ tin cậy cao hơn và có khả năng tích hợp được nhiều tính năng phức tạp hơn [17]. Vào những năm 1990, MEMS đã xuất hiện cùng với sự phát triển của quá trình sản xuất mạch tích hợp (IC) nên đã được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống con người như không gian vũ trụ, các phân tích y sinh, truyền thông không dây, lưu trữ dữ liệu... Đến cuối những năm 1990, hầu hết các bộ cảm biến MEMS trong đó có các cảm biến đo vận tốc góc và cảm biến gia tốc đã được chế tạo bằng các phương pháp: vi cơ khối, vi cơ bề mặt, và LIGA [20]. Ngoài ra, còn áp dụng các quy trình vi chế tạo 3 chiều căn cứ vào từng yêu cầu cụ thể như tạo ra các thiết bị y sinh và các bộ vi kích thích/chấp hành có nguồn điện áp đầu ra cao hơn. Trong các hệ vi cơ điện tử, các cảm biến gia tốc và cảm biến vận tốc góc được ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô [68], y sinh [30], điện tử gia đình [70], rô bốt, phân tích rung, hệ định vị [66]... 1.2.2. Tổng quan nghiên cứu về ứng dụng của Gyroscope và các biện pháp nâng cao hiệu quả của hệ tích hợp INS/GPS Thuật ngữ Gyroscope lần đầu tiên được đưa ra bởi nhà khoa học người Pháp, Leon Foucault. Khi đó, Foucault đã áp dụng định luật chuyển động quay của Gyro để giải thích chuyển động quay của trái đất vào năm 1852 [73]. Gyroscope đã ra đời và được trình bày trong Hình 1.1 [25],[26]. 5 Hình 1.1 Con quay cơ học cổ điển [25] Sự ra đời của MEMS là tiền đề cho việc tạo ra các cảm biến đo vận tốc góc và các cảm biến đo gia tốc kích thước cỡ nm và µm. Vì thế đã dẫn đến các nghiên cứu về cảm biến đo vận tốc góc kiểu Tuning Fork -TFG. Hiện nay, TFG đã được sử dụng khá phổ biến trong thực tế [9],[36],[47],[79]. Ngoài ra, độ cứng của các cảm biến và các dầm cũng có ảnh hướng lớn tới hoạt động và chất lượng làm việc của chúng [2]. Những nghiên cứu về hệ tích hợp INS/GPS: Trong nghiên cứu [16] đưa ra những phân tích chất lượng của hệ định vị tích hợp INS/GPS thời gian thực. Nghiên cứu đã đánh giá và đưa ra giải pháp nâng cao chất lượng cho hệ thống này bằng cách loại bỏ những thông tin đo bất thường của GPS. Có nghiên cứu lại đưa ra giải pháp dùng lọc Kalman khi kết hợp hai hệ thống riêng lẻ để tạo ra hệ tích hợp làm việc hiệu quả hơn [42]. Bên cạnh những nghiên cứu, giải pháp kể trên thì các nghiên cứu về thuật toán khớp bản đồ MM (Map Matching) đã được thực hiện để nâng cao chất lượng làm việc cho các hệ thống định vị và dẫn đường. MM đang trở nên cấp thiết khi mà ô tô được sử dụng như các bộ cảm biến giao thông để đo tốc độ xe đường trường và xây dựng 6 các mô hình thống kê về sự cản trở giao thông. Dữ liệu trong các bộ cảm biến giao thông đang được sử dụng trong các động cơ định tuyến thương mại của Microsoft [31], Inrix [32]. Map matching còn được nghiên cứu để đưa vào các ứng dụng như dự đoán đường [41]. Nghiên cứu trình bày trong tài liệu trích dẫn [51] đã đưa ra một thuật toán Map matching mới dựa trên mô hình Hidden Markov có khả tìm ra con đường thích hợp nhất. Thuật toán MM dựa trên luật logic mờ dùng cho phương tiện đường bộ được trình bày trong tài liệu [60]. Ngoài ra, còn rất nhiều các nghiên cứu khác về MM đã được các nhà nghiên cứu trên thế giới thực hiện thành công như trong các tài liệu trích dẫn [10],[12],[13],[14],[15],[45]. 1.3. Định hướng nghiên cứu Luận văn đưa ra hai đóng góp mới, đó là hai giải pháp để nâng cao chất lượng làm việc của hệ tích hợp INS/GPS giá rẻ: Giải pháp thứ nhất là tìm ra thuật toán mới với tên gọi “Thuật toán bám đường” STA (Street Tracking Algorithm) kết hợp với bản đồ số để hỗ trợ cho hệ tích hợp INS/GPS làm việc khi mất GPS. Giải pháp thứ hai là nâng cao chất lượng của Gyro trong INS, cụ thể là đưa ra thiết kế, mô phỏng một cảm biến đo vận tốc góc kiểu Tuning fork (TFG) hoạt động dựa trên hiệu ứng điện dung có khả năng bù lệch pha cho hai tín hiệu kích thích đầu vào. 7 Chương 2: HỆ DẪN ĐƯỜNG TÍCH HỢP INS/GPS VÀ CÁC BIỆN PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG 2.1 Hệ tích hợp INS/GPS 2.1.1. Nguyên lý kết hợp INS/GPS 2.1.1.1. Các phương thức kết hợp và kĩ thuật điều chỉnh lỗi Để kết hợp INS và GPS thành một hệ tích hợp có thể sử dụng một số phương thức cơ bản: Kết hợp lỏng, kết hợp chặt hay phương thức chặt phát triển [69]. Để điều chỉnh lỗi khi kết hợp hai hệ thống này có thể dùng 2 kỹ thuật: Điều chỉnh kiểu vòng hở và kiểu vòng kín. 2.1.1.2. Bộ lọc Kalman Trái tim của hệ thống tích hợp INS/GPS chính là bộ lọc tối ưu Kalman. Bộ lọc Kalman rất hiệu quả và linh hoạt trong việc kết hợp đầu ra bị nhiễu của cảm biến quán tính để ước lượng trạng thái của hệ thống. Về bản chất thì bộ lọc Kalman là một bộ lọc tối ưu dùng để lọc tín hiệu bị nhiễu thống kê và lấy ra các thông tin cần thiết với điều kiện là các tính chất của nhiễu thống kê này đã được biết trước. 2.1.1.3. Thuật toán dẫn đường quán tính Thuật toán dẫn đường quán tính trong INS sẽ tính toán vị trí, vận tốc, tư thế vật thể [64]. Dữ liệu vào là các thông tin ban đầu về vị trí và dữ liệu thu được từ khối IMU. Đầu ra là các thông tin về: - Kinh độ, vĩ độ và góc phương vị (trong hệ tọa độ trái đất). - Các vận tốc DEN VVV ,, trong hệ tọa độ định vị. - Tư thế: Góc quay, góc chúc và góc hướng. 2.1.2. Hệ thống phần cứng tích hợp INS/GPS Cấu hình phần cứng sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm của luận án này gồm một máy tính chuyên dụng, một máy thu GPS HI- 204E, một IMU là MICRO-ISU BP3010. 8 2.2 Ứng dụng thuật toán STA và kết quả mô phỏng thực nghiệm 2.2.1 Thuật toán bám đường (STA) và sơ đồ đề xuất Trước khi đi vào phân tích và đánh giá thuật toán mới, tác giả xin đưa ra một số ràng buộc trong nghiên cứu này là: Thứ nhất, quỹ đạo chuyển động của xe thực nghiệm đã được biết trước. Thứ hai, ứng dụng này chỉ dành cho việc định vị và dẫn đường cho các phương tiện di chuyển trên mặt đất. Thứ ba, ràng buộc về vận tốc được ứng dụng cho hệ tích hợp INS/GPS khi tín hiệu GPS bị mất. Cụ thể, trên hệ tọa độ gắn liền vật thể xe chỉ chạy theo trục Y (bám sát tâm đường), vận tốc theo các hướng của trục X và Z trong hệ tọa độ gắn liền vật thể bằng “0”. Do đó, chỉ tính vận tốc theo trục Y. Cấu hình tích hợp INS và GPS đề xuất được chỉ ra trong Hình 2.14. Nguyên lý hoạt động của hệ thống như sau: Trước hết ta gọi γ là tham số thể hiện việc có hoặc không có tín hiệu GPS. Khi có tín hiệu GPS thì γ = 1, còn khi không có (mất tín hiệu GPS hoặc tín hiệu GPS không tin cậy) thì γ = 0. Trong thuật toán lọc Kalman, véc tơ trạng thái ước lượng được chỉ ra như sau: / 1 1 ˆ ˆ k k k k k k x A x B u     (2.16)  / 1 / 1ˆ ˆ ˆk k k k k k kx x K z Hx    (2.17) Trong đó, Ak, Bk, H là dạng rời rạc của F(t), G(t), H(t); Kk là hệ số khuếch đại Kalman tại bước k. Khi có tín hiệu GPS, chuyển mạch sẽ ở trạng thái “1”, γ = 1, và bộ lọc Kalman làm việc ở chế độ thông thường. Khi mất tín hiệu GPS hoặc tín hiệu GPS không đáng tin cậy, chuyển mạch sẽ ở trạng thái “0”, γ = 0. Khi đó bộ lọc Kalman làm việc ở chế độ dự đoán. Khi đó đầu ra của bộ lọc Kalman không được 9 đưa về khối INS, do vậy vận tốc ( , )INS INSN Ev v mà INS tính toán ở bước Hình 2.14 Hệ thống tích hợp đề xuất với thuật toán STA thứ k+1 sẽ dựa vào vận tốc tại bước thứ k và độ tăng vận tốc tại bước thứ k+1. Bởi vậy, đầu ra của INS gồm vị trí theo hệ tọa độ cố định tâm trái đất và gia tốc thô theo hệ tọa độ gắn liền vật thể được đưa trực tiếp đến khối STA thay vì đưa tới khối “P V A(góc hướng) đã căn chỉnh”. Lúc này khối STA và khối cơ sở dữ liệu bản đồ số được kích hoạt. Nguyên lý làm việc của thuật toán STA và bản đồ số trong hệ thống như sau: - Trước tiên, căn cứ vào cơ sở dữ liệu của bản đồ số để chọn ra các điểm mốc trong quỹ đạo chuyển động của xe (gọi là các điểm tham chiếu). Các điểm mốc được lựa chọn là các điểm nằm trên tâm của làn đường xe chạy. Do đó, có thể khẳng định được rằng các điểm tham chiếu và quỹ đạo tham chiếu (đường nối các điểm tham chiếu với nhau) hoàn toàn đáng tin cậy và có thể dùng để thay thế quỹ đạo chuẩn (do GPS xác định trong điều kiện bình thường) khi mất tín 10 hiệu GPS. - Tiếp đến là xác định vị trí của xe ở các thời điểm sau khi mất GPS. Hình 2.16 là một thuyết minh về thuật toán STA. Trong hình này đường màu xám to là con đường thực tế cho xe chạy (lưu ý ràng buộc xe chạy bám tâm đường), còn đường nối các điểm nằm giữa con đường thực là đường nối các điểm tham chiếu với nhau (lúc này đã trở thành các điểm đáng tin cậy như lập luận ở trên). Xe được trang bị hệ thống định vị tích hợp tích hợp đề xuất ở trên và giả sử chạy từ vị trí xuất phát đến trước thời điểm ts thì máy thu GPS vẫn hoạt động tốt. Từ thời điểm ts thì bị mất tín hiệu GPS. Điều đó có nghĩa là những thông tin định vị tại trước thời điểm ts vẫn là đáng tin cậy. Tính đến thời điểm tk (tk > ts), khoảng cách di chuyển thực của xe từ ts tới tk gọi là d(tk) được tính bằng tích phân kép của gia tốc theo trục y trong hệ tọa độ gắn liền vật thể do IMU cung cấp. Hình 2.16 Minh chứng về thuật toán STA Lúc này, lý do mà hệ thống không sử dụng thuật toán dẫn đường quán tính để xác định vị trí của xe theo hệ tọa độ tâm trái đất là vì ma trận chuyển hệ tọa độ bị ảnh hưởng bởi lỗi tích lũy từ 03 cảm biến vận tốc góc trong khối IMU. Điểm thú vị của đề xuất này là với các 11 thông tin vị trí tin cậy trên hệ tọa độ tâm trái đất từ trước thời điểm ts khi kết hợp với thông tin về quãng đường di chuyển thực tế trong hệ tọa độ gắn liền vật thể ( )kd t bằng cách sử dụng STA sẽ cho thông tin vị trí tin cậy ở thời điểm tk (tk > ts) trong hệ tọa độ tâm trái đất để đảm bảo được: 1) độ tin cậy của hệ định vị đề xuất và 2) tính thống nhất trong việc biểu diễn thông tin định vị của vật thể. Cụ thể đề xuất được trình bày như sau: 1) Gọi dref là khoảng cách di chuyển của xe từ thời điểm ngay trước khi mất tín hiệu GPS tới một vị trí tham chiếu nào đó trong quỹ đạo chuyển động đã được xác định từ trước. Khoảng cách dref này dễ dàng được xác định vì những thông tin tọa độ của các điểm tham chiếu đã biết trước và thông tin tọa độ của xe ở thời điểm ngay trước khi mất tín hiệu GPS cũng đã được xác định. 2) Mặc dù d(tk) là độ dài thực tế mà xe di chuyển từ thời điểm ts tới tk nhưng nó không thể cung cấp được thông tin về tọa độ (hệ tọa độ tâm trái đất) của xe ở thời điểm tk. Lí do là với cùng một độ dài thực tế di chuyển thì xe có thể ở nhiều tọa độ (X,Y) khác nhau (đường thẳng, đường cong, đường gấp khúc). Vì vậy, để xác định được vị trí của xe ở thời điểm tk cần phải dùng công thức dưới đây:  k refd t d d  (2.19) Trong công thức (2.19) có tham số Δd, đây là giá trị sai số vị trí cho phép được đặt ra từ ban đầu (lưu ý Δd không mô tả độ chính xác vị trí của thuật toán STA đề xuất nhưng Δd có ảnh hưởng tới độ chính xác của hệ thống). Giá trị của dref được xác định trong tập các điểm tham chiếu, khi thỏa mãn điều kiện trong công thức (2.19) là sẽ tìm ra được vị trí của xe. Vị trí của xe lúc này được gán là vị trí của điểm tham chiếu thỏa mãn (2.19). Vị trí này đương nhiên có thể xác 12 định trong hệ tọa độ tâm trái đất (vốn là thông tin ban đầu của các điểm tham chiếu). Trường hợp không thỏa mãn thì sẽ nâng giá trị của Δd rồi lặp lại công thức (2.19) để tìm ra điểm tham chiếu mà có dref thỏa mãn. Do đó, điểm tham chiếu vừa tìm được là điểm nằm trên quỹ đạo chuyển động và gần với vị trí thực của xe tại thời điểm tk nhất. Cơ sở đặt ra giá trị Δd phụ thuộc vào mật độ điểm tham chiếu trên quỹ đạo và yêu cầu về độ chính xác của hệ thống. Mật độ các điểm tham chiếu càng dày thì độ chính xác càng lớn. Tuy nhiên, cần phải dung hoà giữa hai yếu tố trên vì khi tăng mật độ điểm tham chiếu sẽ làm cho việc tính toán trong thuật toán STA và hệ thống sẽ phức tạp hơn dẫn đến tốc độ cập nhật chậm và ngược lại. Sau khi xác định được vị trí của xe theo hướng Bắc và hướng Đông trong hệ tọa độ định vị tiếp tục dùng thuật toán STA xác định vận tốc trung bình theo các hướng đó, theo công thức: 1 1 ( ) ( ) ( ) N N N STA k STA k STA k k k P t P t V t t t      (2.20) 1 1 ( ) ( ) ( ) E E E STA k STA k STA k k k P t P t V t t t      (2.21) Lưu ý rằng, ở đây đơn vị của (t ), (t )N ESTA k STA kP P tính theo mét (m), không dùng thông tin về vị trí theo kinh độ và vĩ độ bởi vì sự thay đổi vị trí theo độ là rất nhỏ. Cuối cùng thuật toán STA xác định góc hướng trung bình (tk) theo công thức:   ( ) tan( ) ( ) N STA k k E STA k V t t V t   (2.22) 2.2.2 Kết quả và thảo luận Để có cơ sở so sánh chất lượng của hệ tích hợp INS/GPS thông thường với hệ tích hợp có thêm thuật toán STA đề xuất, nghiên cứu 13 đã đưa hệ phần cứng đã giới thiệu ở trên vào một xe ô tô và chạy thực nghiệm tại hiện trường. Sau đó, sử dụng dữ liệu để mô phỏng đánh giá kết quả. Xe chạy trong khoảng thời gian 1350 giây. Trong thời gian này tín hiệu GPS hoàn toàn được thu nhận tốt để xây dựng được quỹ đạo chuyển động (đường màu đen trong hình 2.18). Quỹ đạo này được sử dụng như một giá trị chuẩn để đánh giá chất lượng của hệ thống INS/GPS khi có và không có STA. Để tạo tình huống so sánh chất lượng giữa hệ tích hợp INS/GPS không sử dụng thuật toán STA và hệ tích hợp dùng thuật toán STA, tín hiệu GPS được ngắt trong vòng 200 giây từ giây thứ 900 đến giây thứ 1100 với khoảng cách di chuyển là 1870 mét. Khi cấu hình không có STA: bộ lọc Kalman vẫn sẽ tính toán vị trí, vận tốc và góc hướng trong suốt thời gian mất tín hiệu GPS trên cơ sở chỉ cập nhật vectơ trạng thái (xem phương trình 2.16 và 2.17, và γ=0 vì lúc này vecto đo đạc là không tin cậy/không có). Tuy nhiên, vị trí đầu ra của hệ INS/GPS khi không có thuật toán STA sẽ sai lệch rất nhiều (hàng trăm mét). Ngay khi có tín hiệu GPS trở lại (γ=1) quỹ đạo chuyển động của xe (tính toán theo INS/GPS) sẽ được kéo ngay về quỹ đạo của GPS và hệ thống INS/GPS được thiết lập lại tại thời điểm và vị trí tín hiệu GPS được khôi phục. Khi có thuật toán STA: vị trí mà hệ thống xác định (đường màu đỏ, xem Hình 2.18) vẫn có thể bám sát các vị trí thực của xe, kết quả này đã được cải thiện rất nhiều so với khi không sử dụng STA. Để đánh giá được chất lượng (sai số) của hệ thống có thể tính toán lỗi bằng công thức: 1 1 N ref i i i e P P N     (2.23) 14 Trong đó, iP  và ref iP là giá trị ước lượng (đường màu đỏ) và các giá trị chuẩn (đường màu đen), và N là số mẫu sử dụng để đánh giá. Hình 2.18 Chất lượng định vị của hệ thống INS/GPS khi có STA Hình 2.19 và Hình 2.20 chỉ ra vận tốc theo hướng Đông và hướng Bắc của hệ thống INS/GPS khi có và không có thuật toán STA và của GPS khi làm việc trong điều kiện thời tiết tốt. Từ kết quả cho thấy không có có sự sai khác khi có và không có STA nếu có tín hiệu GPS với lý do là khối STA chỉ được kích hoạt khi mất tín hiệu GPS. Trong khoảng thời gian mất tín hiệu GPS vận tốc của hệ thống khi không dùng STA (đường nét đứt, màu xanh) không thể bám được vận tốc thực (đường nét đứt, màu đỏ). Bằng cách dùng STA, thì mặc dù vẫn tồn tại những thăng giáng nhưng vận tốc (đường liền màu đen) vẫn có thể bám khá tốt vận tốc chuẩn. Có thể tính toán sai số định vị và vận tốc dựa vào công thức (2.23) và dữ liệu được chỉ ra trong các Hình 2.18 đến Hình 2.20. Khi hệ thống dùng thuật toán STA sai số định vị vào khoảng 5 mét và lỗi vận tốc khoảng 3.2 m/s khi tín hiệu GPS bị mất trong vòng 200 giây với quãng đường di chuyển là 1870 mét. (m) (m ) 15 Hình 2.19 Vận tốc theo hướng Đông khi có và không có STA Hình 2.20 Vận tốc theo hướng Bắc khi có và không có STA Hình 2.21 Góc hướng của hệ INS/GPS khi có và không có STA 16 Bên cạnh những kết quả đạt được ở trên, Hình 2.21 cũng chỉ ra những đóng góp về việc nâng cao chất lượng trong việc xác định góc hướng của xe trong điều kiện mất tín hiệu GPS với thời gian và quãng đường như đã đề cập ở trên. Trong hình vẽ này, đường nét chấm màu xanh là đường biểu diễn góc hướng do hệ thống tích hợp tính toán khi không dùng thuật toán STA; đường nét đứt màu đỏ là góc hướng do GPS cung cấp (được coi là dữ liệu chuẩn, dùng để tham chiếu); còn lại là đường nét đứt màu đen là góc hướng do hệ thống xác định được khi áp dụng thuật toán STA. Với kết quả này chỉ ra rằng khi không có thuật toán STA thì hệ thống cung cấp thông tin về góc hướng với sai số lớn. Còn khi có thuật toán thì góc hướng bám rất sát dữ liệu của GPS cung cấp mặc dù cũng còn có những thăng giáng nhất định ở một số điểm. 2.3 Kết luận Kết quả mô phỏng trên dữ liệu thực nghiệm đã chứng minh được rằng: Khi hệ thống dùng thuật toán STA sai số định vị vào khoảng 5 mét và lỗi vận tốc khoảng 3.2 m/s khi tín hiệu GPS bị mất trong vòng 200 giây với quãng đường di chuyển là 1870 mét. Ngoài cải thiện độ chính xác về vị trí, vận tốc, thuật toán STA đề xuất còn cho phép cải thiện cả về góc hướng của xe. Liên quan đến các nội dung của chương này tác giả đã có 5 công trình nghiên cứu khoa học được đăng trên các hội nghị/tạp chí trong và ngoài nước. Cụ thể là các công trình từ (1) đến (5) trong danh mục các công trình nghiên cứu khoa học. 17 Chương 3: CẤU TRÚC GYROSCOPE KIỂU VI SAI 3.1. Cấu trúc Gyroscope đơn đề xuất Cảm biến đo vận tốc góc rung vi cơ dạng hai chiều hoạt động dựa trên hiệu ứng điện dung đề xuất được trình bày trong Hình 3.12. Hình 3.12 Cảm biến đo vận tốc góc rung vi cơ đề xuất. Theo tài liệu [2], tín hiệu kích thích có thể đặt vào giữa điện cực kích thích Cdrive và khối gia trọng có công thức: (3.25) Do đó, lực kích thích tương ứng tác động lên khung kích thích là: (3.26) Tuy nhiên trong quá trình mô phỏng tác giả nghiên cứu đã đặt trực tiếp lực kích thích vào 8 khung răng lược thay vì kích thích bằng điện áp. Trong nghiên cứu này, các thông số thiết kế của cảm biến đo vận tốc góc hoạt động dựa trên hiệu ứng điện dung được liệt kê trong Bảng 3.1. Bảng 3.1: Các tham số thiết kế trong cấu trúc cảm biến vận tốc góc đề xuất 18 Tham số Ký hiệu Giá trị Độ cao của Gyro H 1754 µm Chiều rộng của Gyro W 1644 µm Độ dày của Gyro t 30 µm Độ cao của khung kích thích hdpm 1200 µm Độ rộng của khung kích thích wdpm 1300 µm Độ cao của khung cảm ứng hspm 840 µm Độ rộng của khung cảm ứng wspm 940 µm Độ cao dầm treo phụ của khung kích thích h1 190 µm Độ cao dầm treo chính của khung kích thích h2 260 µm Độ rộng dầm treo khung kích thích w1 6 µm Kích thước chốt cố định w2 × h3 40 µm × 40 µm Số lượng khung răng lược 8 Độ cao khung răng lược kích thích h5 200 µm Chiều rộng khung răng lược kích thích w3 25 µm Số răng lược trên một khung răng lược kích thích 15 Kích thước răng lược kích thích w4 × h4 50 µm × 3 µm Khoảng cách giữa 2 răng lược liên tiếp 2.5 µm Khoảng cách giữa hai răng lược trên cùng một khung răng lược kích thích g 8 µm Khoảng cách trồng lên nhau của hai răng lược ldfo 10 µm Dầm treo cảm ứng hình E líp (1) a1 × b1 150 µm × 20 µm Dầm treo cảm ứng hình E líp (2) a2 × b2 144 µm × 14 µm Trọng lượng khung kích thích md 0.5452 × 10 -7 Kg Trọng lượng khung cảm ứng ms 0.9408 × 10 -11 Kg Độ cứng mode kích thích Kd 347 N/m Độ cứng mode cảm ứng Ks 540 N/m 3.2. Cấu trúc TFG có hệ dầm treo vi sai đề xuất 3.2.1. Hệ dầm treo vi sai 19 Trong luận văn này tác giả giới thiệu một cấu trúc treo vi sai như được chỉ ra trong Hình 3.14. Các tham số thiết kế cụ thể của hệ dầm treo được chỉ ra trong Bảng 3.3. Hình 3.14 Cấu trúc dầm treo/ lò xo liên kết hình quả trám Bảng 3.3 Các tham số thiết kế của dầm treo liên kết hình quả trám Tham số Giá trị R1 Rộng × Cao: 132 µm × 100 µm R2 Rộng × Cao: 70 µm × 20 µm R3 Rộng × Cao: 60 µm × 600 µm R4 Rộng × Cao: 60 µm × 20 µm R5 Rộng × Cao: 60 µm × 80 µm R6 Rộng × Cao: 500 µm × 6 µm R7 Rộng × Cao: 200 µm × 6 µm Kích thước tổng thể Rộng × Cao: 1000 µm × 1700 µm Góc nghiêng của thanh R3 30 o Kích thước chốt cố định Rộng × Cao: 40 µm × 40 µm Độ dày của cấu trúc 30 µm Độ cứng theo trục X 121 N/m Độ cứng theo trục Y 2314 N/m 3.2.2. Thiết kế TFG có hệ dầm treo vi sai 20 Cấu trúc của cảm biến đo vận tốc góc kiểu Tuning fork đề xuất được chỉ ra trong Hình 3.15. Hình 3.15 Cảm biến đo vận tốc góc kiểu Tuning fork có hệ dầm treo không đổi Trong thiết kế mới này độ cứng của toàn bộ hệ dầm treo/ lò xo của cấu trúc theo phương kích thích/trục X là KdTFG = 1700 N/m. Kích thước tổng thể của toàn cấu trúc là 4000 µm × 1900 µm với độ dày là 30 µm. Vật liệu sử dụng trong thiết kế và mô phỏng là Polysilicon và không khí. Trong đó các cảm biến và dầm treo làm bằng Polysilicon, môi trường xung quanh và khoảng trống còn lại là không khí. 3.3. Kết quả và thảo luận Trước khi chứng minh TFG đề xuất có khả năng bù lệch pha cho hai tín hiệu kích thích đầu vào, ba cấu trúc TFG đã được tạo nên với sự khác nhau về độ cứng của hệ lò xo treo hình quả trám. Mục đích của việc tạo ra ba cấu trúc đó là để tìm ra giá trị lệch pha cụ thể của hai tín hiệu kích thích mà cấu trúc có thể bù được. Để thu được độ dịch chuyển biên độ lớn nhất khi dao động của các khung kích thích và khung cảm ứng của hai Gyro thì cần tìm được tần số phù hợp nhất để đưa vào phương trình tín hiệu kích 21 thích. Tần số này chính là tần số dao động riêng theo phương kích thích (dao động kích thích) của từng cấu trúc TFG và được xác định thông qua phương pháp phân tích phần tử hữu hạn trong Comsol Multiphysics 4.4. Trong mô phỏng này xây dựng 3 cấu trúc TFG khác nhau ở độ cứng của dầm treo. Cụ thể là khác nhau về độ cao của dầm R6 trong hệ dầm treo hình quả trám (Hình 3.14). Độ cao của R6 lần lượt là 6µm, 4µm, 12µm tương ứng với cấu trúc TFG 1, 2 và 3. Ngoài ra, các thông số còn lại của cả 3 TFG giống nhau.Các mode dao động riêng tổng hợp được từ các kết quả phân tích của 3 TFG được liệt kê trong Bảng 3.4. Bảng 3.4 Kết quả phân tích tần số dao động riêng liên quan đến phương kích thích của 3 cấu trúc Mode dao động Tần số (Hz) Cấu trúc 1 (HR6 = 6µm) Cấu trúc 2 (HR6 = 4µm) Cấu trúc 3 (HR6 = 12µm) 1 - Dao động kích thích 21397.9 21184.7 21751.2 2 - Dao động không mong muốn 44446.8 44227.6 44801.3 3 - Dao động không mong muốn 63436.5 63427.9 63447.1 4 - Dao động không mong muốn 65032.2 65020.9 65049.6 Trong suốt quá trình mô phỏng, các cấu trúc đều sử dụng chung một kiểu chia lưới: “Physics-controlled mesh” với kích thước phần tử: “Extremely coarse”. Các cấu trúc được thiết kế bằng vật liệu Polysilicon và được nhúng trong không khí. Hai tín hiệu kích thích đặt vào hai hệ tụ răng lược kích thích của hai Gyro đơn có công thức: (3.27) (3.28) 22 Trong đó: Tín hiệu f1 được đặt vào 8 khung răng lược kích thích của Gyro bên trái và tín hiệu f2 được đặt vào 8 khung răng lược kích thích của Gyro bên phải hoặc ngược lại. Quá trình thực hiện mô phỏng kết quả được thực hiện một cách độc lập với từng cấu trúc. Do vậy, lần thực hiện mô phỏng của cấu trúc nào thì tần số f trong hai công thức (3.27), (3.28) được thay thế bởi tần số cộng hưởng theo hướng kích thích của cấu trúc đó. Theo nguyên lý hoạt động thông thường của TFG thì hai tín hiệu kích thích f1 và f2 luôn ngược pha nhau. Nếu gọi φ là độ lệch pha giữa hai tín hiệu kích thích thì theo nguyên lý chung của TFG φ = 180o. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này tín hiệu kích thích f1 được giữ nguyên và f2 được thay đổi bởi các giá trị khác nhau của φ trong mỗi lần tính toán và mô phỏng một cấu trúc cụ thể. Mục đích của việc thay đổi độ lệch φ của hai tín hiệu kích thích là để quan sát độ lệch pha rung cơ học của hai khung kích thích nhằm đánh giá được khả năng bù lệch pha của các cấu trúc TFG đề xuất khi có độ lệch pha giữa hai tín hiệu kích thích. Bảng 3.5 chỉ ra mối quan hệ giữa độ lệch pha của hai tín hiệu kích thích φ và độ l