Nghiên cứu chế tạo hệ thống xác định hướng vật thể độ chính xác cao dựa trên từ kế và vật liệu biến hóa

Chủ nhiệm đề tài: GS.TS. Vũ Đình Lãm

Trong bối cảnh các hệ thống dẫn đường thông minh, thiết bị bay không người lái (UAV), robot tự hành và các nền tảng hàng không – quốc phòng ngày càng phát triển, nhu cầu về các hệ thống xác định hướng có độ chính xác cao, kích thước nhỏ gọn và tiêu thụ năng lượng thấp trở nên cấp thiết. Một trong những thách thức lớn hiện nay là làm thế nào để vừa nâng cao độ chính xác của cảm biến từ trường, vừa bảo đảm khả năng cấp nguồn liên tục mà không phụ thuộc vào pin hoặc dây dẫn.

Xuất phát từ yêu cầu đó, nhóm nghiên cứu của GS. TS. Vũ Đình Lãm đã triển khai đề tài "Nghiên cứu chế tạo hệ thống xác định hướng vật thể có độ chính xác cao dựa trên từ kế và vật liệu biến hóa" mã số NCPTVL.03/24-25, thuộc Chương trình phát triển vật liệu của Viện Hàn lâm Khoa học và Công Nghệ Việt Nam. Đề tài được thực hiện trong thời gian 30 tháng bắt đầu từ tháng 01 năm 2024 và đã nghiệm thu cấp Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào tháng 6 năm 2026, do Học viện Khoa học và Công nghệ (Học viện) làm chủ trì. Đề tài hướng tới việc phát triển một hệ thống tích hợp gồm cảm biến từ trường ba trục, hệ thống truyền năng lượng không dây, mạch điện tử xử lý tín hiệu và vật liệu biến hóa từ tính (Magnetic Metamaterials). Đây là hướng nghiên cứu liên ngành, kết hợp giữa điện tử, vật liệu, điện từ trường và công nghệ vi chế tạo nhằm tạo ra giải pháp mới cho các hệ thống cảm biến thông minh thế hệ tiếp theo. Với vai trò là đơn vị chủ trì, Học viện đã cung cấp hệ thống Phòng thí nghiệm số hiện đại, tạo điều kiện tối đa cho nhóm nghiên cứu thực hiện các bước tính toán và mô phỏng chuyên sâu.

Phát triển mô hình vật liệu biến hóa cho truyền năng lượng không dây

Một trong những nội dung trọng tâm của đề tài là nghiên cứu vật liệu biến hóa (Metamaterials) nhằm nâng cao hiệu suất của hệ thống truyền năng lượng không dây (Wireless Power Transfer – WPT).

Nhóm nghiên cứu đã xây dựng mô hình lý thuyết và phát triển chương trình Matlab để tính toán độ tự cảm của các cấu trúc cuộn xoắn ốc sử dụng trong vật liệu biến hóa. Mô hình này được kiểm chứng bằng mô phỏng điện từ trên phần mềm CST Studio Suite, cho thấy độ chính xác rất cao giữa kết quả tính toán và mô phỏng.

Kết quả khảo sát cho thấy độ tự cảm của cấu trúc gần như không thay đổi khi vật liệu bị uốn cong hoặc gấp ở các góc thông thường. Ngay cả khi góc uốn đạt tới 180°, độ tự cảm vẫn duy trì trên 96% so với cấu trúc ban đầu. Điều này chứng minh rằng vật liệu biến hóa hoàn toàn có thể được sử dụng trong các thiết bị điện tử mềm dẻo hoặc các hệ thống có cấu trúc linh hoạt mà vẫn bảo đảm hiệu suất hoạt động.

Tối ưu hóa hệ thống truyền năng lượng không dây

Dựa trên các kết quả nghiên cứu vật liệu biến hóa, nhóm nghiên cứu tiếp tục thiết kế hệ thống truyền năng lượng không dây tích hợp vật liệu biến hóa hoạt động tại tần số 13,56 MHz. Điểm nổi bật của nghiên cứu là đề xuất phương pháp điều chỉnh góc nghiêng của các ô cơ sở trong tấm vật liệu biến hóa nhằm điều khiển sự phân bố từ trường. Thay vì sử dụng các phần tử điều khiển chủ động phức tạp, phương pháp này khai thác khả năng tái cấu hình cơ học của vật liệu để tập trung năng lượng vào vùng thu.

Kết quả mô phỏng cho thấy khi các ô cơ sở được nghiêng khoảng 30°, hệ số truyền năng lượng tăng khoảng 25% so với cấu hình truyền thống. Đồng thời, từ trường được tập trung tốt hơn vào cuộn thu, góp phần nâng cao hiệu suất truyền năng lượng và mở ra khả năng phát triển các hệ thống WPT thông minh có khả năng điều khiển linh hoạt.

Chế tạo thành công nguyên mẫu hệ thống

Bên cạnh các nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng, nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công các nguyên mẫu của hệ thống truyền năng lượng không dây, bao gồm bộ phát, bộ thu và các cấu trúc vật liệu biến hóa trên mạch PCB. Hệ thống được đánh giá trong nhiều điều kiện môi trường khác nhau, bao gồm không khí và môi trường dẫn điện. Kết quả thực nghiệm chứng minh rằng việc sử dụng vật liệu biến hóa kết hợp với cấu trúc chắn nền (Patterned Ground Shield – PGS) giúp giảm đáng kể tổn hao do dòng điện xoáy, cải thiện hiệu suất truyền năng lượng và nâng cao tính ổn định của hệ thống. Các kết quả thực nghiệm phù hợp với mô hình mô phỏng, khẳng định tính khả thi của giải pháp đề xuất trong các ứng dụng thực tế.

Hệ thống truyền năng lượng không dây tích hợp vật liệu biến hóa

Phát triển hệ thống từ kế ba trục có độ chính xác cao

Một kết quả quan trọng khác của đề tài là chế tạo thành công hệ thống từ kế ba trục phục vụ xác định hướng vật thể.

Khối cảm biến từ kế 3 trục và thông số kỹ thuật

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng vật liệu từ mềm Metglas kết hợp với vật liệu áp điện để chế tạo cảm biến từ trường đơn trục, sau đó tích hợp thành đầu đo ba trục. Đồng thời, hệ thống điện tử đo lường gồm khối nguồn, khối xử lý tín hiệu, bộ chuyển đổi ADC và vi điều khiển STM32 cũng được thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh.

Các phép thử nghiệm cho thấy cảm biến đạt độ tuyến tính tốt, độ phân giải cao, nền nhiễu thấp và khả năng hoạt động ổn định trong thời gian dài. Sau khi tích hợp với hệ thống truyền năng lượng không dây, toàn bộ thiết bị có thể hoạt động mà không cần kết nối nguồn bằng dây dẫn, góp phần nâng cao tính linh hoạt và độ tin cậy của hệ thống.

Hệ thống xác định hướng vật thể tích hợp từ kế và vật liệu biến hóa

Giá trị khoa học và khả năng ứng dụng

Đề tài đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu và nội dung nghiên cứu đặt ra, từ xây dựng mô hình tính toán, thiết kế và tối ưu vật liệu biến hóa, chế tạo hệ thống truyền năng lượng không dây đến phát triển thành công hệ thống từ kế ba trục tích hợp. Bên cạnh những kết quả về công nghệ như chế tạo hệ thống truyền năng lượng không dây dựa trên vật liệu biến hóa, khối cảm biến từ kế 3 trục tích hợp đã được trình bày ở trên, đề tài đã công bố được 4 bài báo thuộc hệ thống SCI-E, 2 bài báo quốc gia và hỗ trợ đào tạo 02 Tiến sĩ tại Học viện.

Các kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần làm chủ các công nghệ lõi trong lĩnh vực vật liệu biến hóa, truyền năng lượng không dây và cảm biến từ trường, mà còn tạo tiền đề cho việc phát triển các hệ thống định hướng và cảm biến thông minh phục vụ nhiều lĩnh vực như thiết bị bay không người lái (UAV), robot tự hành, Internet vạn vật (IoT), hàng không vũ trụ, công nghiệp và quốc phòng.

Trong thời gian tới, nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục tối ưu hóa cấu trúc vật liệu biến hóa nhằm nâng cao hiệu suất truyền năng lượng, thu nhỏ kích thước hệ thống và mở rộng khả năng tích hợp giữa cảm biến, truyền năng lượng không dây và truyền dữ liệu để phát triển các nền tảng cảm biến thông minh thế hệ mới.

Với định hướng lấy nghiên cứu làm nền tảng, Học viện đã và đang xây dựng môi trường học thuật tiên tiến, đầu tư đồng bộ về cơ sở vật chất và trang thiết bị hiện đại, tạo điều kiện để học viên, nghiên cứu sinh và các nhà khoa học phát triển tư duy sáng tạo, làm chủ công nghệ mới và tạo ra các công trình nghiên cứu có giá trị, đáp ứng yêu cầu phát triển khoa học, công nghệ và đổi mới sáng tạo của đất nước.