IMU

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

1

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

2

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

3

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

MỤC LỤ LỤC LỜI NÓI ĐẦU ĐẦU……………………………… ………………………………………………………………. ………………………………. 6 ĐỒ ÁN……………………………… ………………………………………………………….. ………………………….. 7 TÓM TẮT TẮT ĐỒ ÁN DANH SÁCH BẢ B ẢNG BIỂ BIỂU VÀ HÌNH VẼ…………………… VẼ……………………………….. ………….. 8 CÁC THUẬ THUẬT NGỮ  NGỮ  VÀ  VÀ VIẾ VIẾT TẮ TẮT……………………………………… ……………………………………… 11 11 CHƯƠNG 1. CHƯƠNG 1. MỞ  ĐẦU ……………………………………………………. ……………………. 12 12 MỞ ĐẦ U……………………………… 1.1. Hệ thống định vị quán tính INS………………………………………. 12 1.2.  Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của hệ thống định vị quán tính……... 12 1.3. Đơn vị đo lườ ng ng quán tính IMU……………………………………… 15

CHƯƠNG 2. HƯƠNG 2. CƠ SỞ  LÝ  LÝ THUYẾ THUYẾT………………………………………. ………………………………………. 18 đ ộ……………………………………………………….. ……………………….. 18 2.1. Hệ thống tọa độ……………………………… ……………………………………………………. ……………. 18 2.1.1. Hệ tọa độ nền……………………………………… ể……………………………………………. …………. 18 2.1.2. Hệ tọa độ gắn vật thể………………………………… ………………………………………….. ….. 18 2.1.3. Hệ quy chiếu quán tính……………………………………… 2.1.4. Hệ quy chiếu cấp địa phương…………………………………… 18

………………………………………………… 19 2.2. Tìm hiểu về góc Euler ………………………………………………… 2.2.1. Góc Euler chính xác………………………………………… 20 2.2.2. Góc Tait-Bryan……………………………………………... 22

………………………………………………... 24 2.2.3. Gimbal Lock ………………………………………………... 2.2.4. Phương pháp Direction Cosine Matrix……………………... 25 2.3. Tìm hiểu về Quaternions……………………………………………... 26 2.4. Chuyển đổi giữa các hệ tr ục tọa độ…………………………………... 27 2.5. Tính toán vận tốc và vị trí …………………………………………… 29

………………………………….... ….... 30 30 2.6. Cảm biến, các sai số và chuẩn hóa……………………………… 2.6.1. Cảm biến gia tốc………………………………………………… 32

……………………………………………… ……………… 36 2.6.2. Cảm biến góc quay………………………………

4

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

2.6.3. Cảm biến từ trườ ng ng……………………………………………… 40 2.7. Lý thuyết về các bộ lọc………………………………………………... 45 2.7.1. Bộ lọc thông thấ p số…………………………………………….. 45 2.7.2. Bộ lọc bù Complementary………………………………………. 46 2.7.3. Bộ lọc Kalman…………………………………………………... 48

CHƯƠNG 3. HƯƠNG 3. THIẾ THIẾT K Ế KHỐI  KHỐI ĐO LƯỜ NG NG QUÁN TÍNH IMU…… IMU …….... 51 ……………………………………………………………... ………………………... 51 3.1. Sơ đồ khối…………………………………… …………………………………………………….. …….. 52 3.2. Lựa chọn linh kiện……………………………………………… …………………………………………………….. …………………….. 52 3.2.1. Vi điều khiển……………………………… ………………………………………………………… ………………… 58 3.2.2. Cảm biến……………………………………… ………………………………………... 62 62 3.3. Chuẩn giao tiế p I2C và và UART UART………………………………………... …………………………………………………….. …………………….. 62 3.3.1. Giao tiế p I2C……………………………… …………………………………………………. …………………. 66 3.3.2. Giao tiế p UART UART……………………………… ………………………………………………………………….. ………………….. 68 3.4. Bộ lọc……………………………………………… CHƯƠNG 4. HƯƠNG 4. K ẾT QUẢ QUẢ ………………………………………………… ………………………………………………….... 69 4.1. Hình ảnh phần cứng………………………………………………….... 69 4.2. Xử lý dữ liệu cảm biến gia tốc………………………………………… 72 4.3. Xử lý dữ liệu cảm biến từ……………………………………………... 73 4.4. Xử lý dữ liệu cảm biến góc quay……………………………………… 74 4.5. Bộ lọc bù Complementary…………………………………………….. 74 4.6. Lưu đồ thuật toán……………………………………………………… 75 4.7. K ết quả tính toán và mô phỏng………………………………………... 76

CHƯƠNG 5. 5. K ẾT LUẬ LUẬN………………………………………………… ………………………………………………….. 80 TÀI LIỆ LIỆU THAM KHẢ KH ẢO………………………………………………… ………………………………………………… 8  822 …………………………………………………………………... PHỤ PHỤ LỤ  LỤC………………………………………………………………… ... 85

5

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

LỜI NÓI ĐẦU: ĐẦU:  Ngày nay, v ớ i sự phát triển của công nghệ vi điện tử, các thiết bị điện tử nhỏ

ềnh trướ c kia. Các thiết gọn đang dần thay thế cho nhiều cỗ máy cơ khí cồng k ềnh ở nên  bị cảm biến là một trong số đó, các cảm biến điện tử ngày nay tr ở   nên vô cùng  phổ biến, ta có thể bắt gặ p trong r ất nhiều các thiết bị điện tử dân dụng như

điện thoại thông minh, máy tính bảng, hay các máy móc công nghiệ p, công nghệ robot, hàng không, hàng hải và y tế… Mà trong số đó, các cảm biến gia tốc, cảm biến góc quay và cảm biến từ trườ ng ng là một trong những cảm biến thông dụng ta có thể dễ dàng bắt gặ p nhất. Chúng đượ c ứng dụng phổ biến vào các thiết bị cầm tay như điện thoại thông minh để thực hiện các các chức năng

tương tác với người dùng, các trò chơi... Hay có thể sử dụng vào trong các thiết bị y t ế cho những ngườ i tậ p thể thao, hay điều tr ị vật lý tr ị liệu. Các cảm  biến trên cũng đượ c ứng dụng vào các hệ thống dẫn đườ ng ng quán tính INS (Inertial Navigation System) vớ i ví dụ là các hệ thống dẫn đườ ng ng hàng hải,

hàng không… Hệ thống dẫn đườ ng ng quán tính INS không phải là mới, nhưng ộng rãi để thích ứng vớ i sự phát triển của nó vẫn đượ c ứng dụng và phát triển r ộng công nghệ vi điện tử vớ i nhiều các ứng dụng khác nhau. Trong đồ án này, ta sẽ tìm hiểu v ề h ệ thống dẫn đườ ng ng quán tính và thu thậ p dữ liệu từ các cảm biến gia tốc, góc quay, từ trườ ng ng r ồi k ết hợ  p vớ i các lý thuyết để tính toán.

Em xin đượ c cảm ơn chân thành t ớ i thầy giáo, thạc sĩ Nguyễn Việt Dũng. Trong quá trình nghiên cứu đồ án, em đã nhận đượ c sự chỉ bảo tr ực tiế p,

hướ ng ng dẫn tận tình từ thầy. Trong thờ i gian làm việc vớ i thầy, em không ngừng đượ c tiế p thu nhiều kiến thức bổ ích và học đượ c tinh thần làm việc,

thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hi ệu quả, đây là những điều r ất cần thiết cho em trong quá trình học tập và công tác sau này. Em cũng xin đượ c gửi lờ i cảm ơn tớ i các thầy cô trường đại học Bách Khoa Hà N ội nói chung và các thầy cô trong Viện Điện tử -Viễn thông, bộ môn Công nghệ điện tử và K ỹ thuật Y sinh nói riêng đã giảng dạy, truyền kiến thức cho em trong thờ i gian qua. Em xin chúc các thầy cô luôn khỏe mạnh và công tác tốt. 6

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

TÓM TẮ TẮT ĐỒ ĐỒ ÁN  ÁN  Như đã nói ở trên, ở  trên, trong đồ án này, ta sẽ tìm hiểu về hệ thống định vị quán tính cùng vớ i việc thu thậ p dữ liệu từ  các cảm biến để xử lý, tính toán. Nội

dung đồ án sẽ gồm 4 phần chính đó là: - Tìm hiểu về hệ thống định vị quán tính, khối đo lườ ng ng quán tính, nguyên lý hoạt động, cấu tạo. - Cơ sở  lý   lý thuyết: lý thuyết các hệ tọa độ, góc Euler, quaternion, lý thuyết cảm biến, sử lý cảm biến và lý thuyết các bộ lọc. - Việc thiết k ế khối đo lườ ng ng quán tính. - K ết quả thu đượ c. c.

7

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

DANH SÁCH HÌNH VẼ VẼ VÀ BẢNG BIỂ BIỂU: Hình 1.1: Góc nghiêng yaw, pitch, roll trong không gian. Hình 1.2: Góc nghiêng theo từng tr ục. Hình 1.3: Góc nghiêng trên hệ tọa độ 3 chiều xyz tr ực giao.

Hình 2.1: Cách xác định Các góc Proper Euler. Hình 2.2: Hình chiếu tr ục Z lên hệ tr ục chuẩn. Hình 2.3: Hình chiếu tr ục Y lên hệ tr ục chuẩn

sở y’ đượ c kí hiệu màu vàng). Hình 2.4: Góc Tait- ryan (đương cơ sở y’ Hình 2.5: Ứ ng ng dụng Góc Tait- Bryan trong hàng không. Hình 2.6: Hiện tượ ng ng Gimbal khi pitch = 90º. Bảng 2.7: Bảng tính toán giá tr ị góc Euler tử ma tr ận xoay. Hình 2.8: Mô hình thiết bị MEMS. Hình 2.9 : a. Mô hình cảm biến gia tốc đơn giản theo một tr ục; b. Mô hình cảm biến gia tốc theo ba tr ục. Hình 2.10: a. Mô hình cảm biến gia tốc MEMS; b,c: Sự thay đổi vị trí khi có gia tốc đặt vào. Hình 2.11: Sự thay đổi điện dung của tụ điện được dùng để tìm gia tốc. Hình 2.12: Cấu tạo cảm biến gia tốc MEMS trên thực tế. Hình 2.13: Con quay hồi chuyển. Hình 2.14: Lực Coriolis. Hình 2.15: Mô hình trong cảm biến góc quay MEMS.

8

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

Hình 2.16: Cảm biến góc quay MEMS. Hình 2.17 : K ết quả thu đượ c từ cảm biến từ quay 360º trong từ trườ ng ng (vớ i

điều kiện không bị ảnh hưở ng ng từ môi trườ ng ng ngoài). ở trên Hình 2.18: Hiệu ứng từ điện tr ở   trên hợ  p kim Pecmalc Pecmalci.i. Hình 2.19a, b: Mô hình cầu Wheatstone trong cảm biến từ trườ ng ng AMR.

soft iron gây gây ra như hình. hình. anh lá Hình 2.20 : Ảnh hưở ng ng của hard iron và soft hưởng. anh dương: dương: tác động của soft iron. Đỏ: tác cây: khi không có ảnh hưởng. động của hard iron. Hình 2.21: Bộ lọc bù cơ bản.

Hình 2.22: Sơ đồ khối lọc bù dùng 9 tr ục tự do. Hình 2.23: Sơ đồ khối lọc Kalman Hình 3.1: Thiết k ế khối IMU Hình 3.2a, b: Kit phát triển Stellaris Launchpad

Hình 3.3: Sơ đồ khối kit phát triển Stellaris Launchpad Hình 3.4: Sơ đồ khối dòng vi điều khiển TI Stellaris LM4F Hình 3.5: Sơ đồ khối vi điều khiển Stellaris LM4F120H5QR Hình 3.6a, b: Cảm biến gia tốc và gyroscope 6 tr ục MPU6050 Hình 3.7: Module cảm biến HMC5883L Hình 3.8: Khung truyền đọc dữ liệu trên bus I2C Hình 3.9: Khung truyền ghi dữ liệu trên bus I2C Hình 3.10: Mức điện áp chuẩn RS232 và UART

9

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

Hình 4.1a: Hai module cảm biến gắn trên board thử Hình 4.1b: Mô hình k ết nối qua bus I2C phụ. Hình 4.1c: Khối cảm biến IMU vớ i bus I2C của module HMC5 3L đượ c gắn vớ i bus I2C phụ của module MPU6050. Hình 4.1d: Khối cảm biến IMU khi hoạt động. Hình 4.2: Khối cảm biến IMU và kit Stellaris Launchpad. Hình 4.3: Tìm góc nghiêng nghiêng pitch, pitch, roll.

Hình 4.4: Lưu đồ thuật toán. Hình 4.5a: So sánh góc quay roll theo tr ục x, giữa k ết quả do cảm biến gia tốc

(màu đỏ) và k ết quả của bộ lọc bù (màu đen). Hình 4.5b: Góc quay theo tr ục x phóng to khi không di chuyển cảm biến. Hình 4.6: góc quay pitch theo tr ục y tính từ cảm biến gia tốc (tím) và bộ lọc bù

(xanh dương). Hình 4.7a, b, c, d: K ết quả mô phỏng trên phần mềm Processing

10

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

CÁC THUẬ THUẬT NGỮ  NGỮ  VÀ  VÀ VIẾ VIẾT TẮ TẮT: INS: Inertial Navigation System IMU: Inertial Measurements Units DCM: Direction Cosine Matrices AHRS: Attitude and Heading Reference System MARG: Magnetic Angular Rate and Gravitational sensor Complementary Filter Kalman Filter EKF: Extended Kalman Filter MEMS: Micro Electro Mechanicals Systems Accelerometer Gyroscope Magnetometer AMR: Anisotropic Magnetoresistive GMR: Giant Magnetoresistance TMR: Tunneling Magnetoresistance ADC: Analog to Digital Converter I2C : Inter-Integrated Circuit UART: Universal Asynchronous Receiver/Transmitter

11

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦ MỞ ĐẦU U 1.1. Hệ thống  thống định định vị vị quán tính INS ợ  định vị sử dụng máy tính, các Hệ thống định vị quán tính là hệ thống hỗ tr ợ đị cảm biến chuyển động (gia tốc), và cảm biến góc (gyroscope) để tính toán liên tục thông qua dead reckoning để tìm vị trí, hướ ng ng và vận tốc (hướng và độ lớ n chuyển động) của một đối tượ ng ng mà không cần tham chi ếu bên ngoài. Dead reckoning là một thuật ngữ dùng trong ngành hàng hải truyền thống, dùng để

 phương pháp xác định vị  trí thuyền trên biển của các hoa tiêu. Nh ững chỉ  phương ngườ i hoa tiêu có thể tiên đoán đượ c vị trí của thuyền trong một khoảng thờ i ờ vào độ bẻ lái và tốc độ của thuyền, do đó có thể ước lượ ng gian nhất định nhờ vào ng đượ c những chướ ng ng ngại vật sắ p tới trên đường đi, hay vị trí của đất li ền dựa vào kinh nghiệm về địa lý. Tớ i ngày nay, cùng vớ i sự phát triển của khoa học

ở thành k ỹ thuật, dead-reckoning tr ở   thành một phương pháp định vị cho các h ệ thống dò đườ ng. ng. Hệ thống định vị quán tính INS phát triển từ những năm 1960. Ngườ i khởi đầu cho sự phát triển này là tiến sĩ Robert Goddard, một nhà tiên ti ên phong trong công nghệ  tên lửa của Mỹ. K ết quả thực nghiệm của Robert Goddard vớ i một hệ

gyroscope thô sơ đã khơi dậy trào lưu nghiên cứ u về INS trên thế giớ i.i. INS đượ c ứng dụng đầu tiên trong lĩnh vự c tên lửa vũ trụ, sau đó mở  r   r ộng qua các  ĩ nh l ĩ  nh vực hàng không dân dụng và quân sự, vận t ải biển, tàu ngầm, công nghệ truyền thông, và cả trong các ngành khoa h ọc nghiên cứu về robot tự hành.

1.2. Nguyên lý hoạt ho ạt động động và cấ cấu tạ tạo củ của hệ hệ thống  thống định định vị vị quán tính INS  Nguyên lý hoạt động của INS là t ổng hợ  p các tín hiệu đo đượ c bở i một cơ cấu đo lường quán tính IMU (Inertial measurement units), để cho biết tr ạng thái hiện thờ i của hệ thống, sau đó sử dụng phương pháp dead-reckoning để ướ c

lượ ng ng tr ạng thái k ế ti ế p của hệ thống. Các tín hiệu đo đượ c bở i IMU gồm có vận t ốc góc và gia tốc dài của h ệ thống. IMU cấu tạo từ các cảm biến gia tốc

12

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

(accelerometer) và các c ảm biến góc quay. Tín hiệu gia tốc dài được đọc về  bở i cảm biến gia tốc, còn tín hiệu vận tốc góc được đo bở i cảm biến góc quay.

Ở đây chúng ta nên phâ n biệt IMU và INS. IMU chỉ đóng vai trò là đo lườ ng ng những thông số của hệ thống, còn INS thì bao gồm IMU và những thuật toán

để tổng hợp và xác định tr ạng thái của hệ thống. Con quay hồi chuyển đo vận tốc góc của hệ thống đối vớ i một hệ tọa độ tham chiếu. Bằng cách sử dụng

 phương và và hướ ng ng tại gốc tọa độ như là trạng thái ban đầu của hệ thống, sau đó lấy tích phân giá tr ị vận tốc góc đo được, ta có được phương hướ ng ng của hệ thống t ại mỗi thời điểm. Cảm biến gia tốc đo đượ c gia tốc dài của hệ thống trong một hệ t ọa độ tham chiếu, và thông thườ ng ng là một hệ tọa độ gắn liền vớ i một vật chuyển động khi cảm biến gia tốc đượ c gắn cố định lên hệ thống và chuyển động cùng hệ thống. Tuy nhiên, bằng cách xác định vận tốc góc và gia t ốc dài đối vớ i hệ tọa độ chuyển động gắn vớ i hệ thống, ta hoàn toàn có th ể xác đinh đượ c gia tốc dài của hệ thống trong hệ tọa độ quán tính. Thực hiện phép tích phân gia t ốc quán tính ta có thể xác định đượ c vận tốc quán tính của hệ thống, sau đó tích phân lần nữa ta sẽ thu đượ c vị trí của hệ thống trong hệ tọa độ quán tính, nhưng vớ i

điều kiện là ta xác định đượ c vị trí, vận tốc góc ban đầu của hệ thống trong hệ tọa độ quán tính.

 Như vậy, hệ thống định vị quán tính cung cấ p vị trí, vận tốc, hướ ng ng và vận tốc góc của hệ thống bằng cách đo vận tốc góc và gia tốc dài của hệ thống trong hệ tọa độ tham chiếu. u điểm của hệ thống định vị quán tính INS là không

cần các tín hiệu tham chiếu từ bên ngoài trong việc xác định vị trí, hướng, và vận tốc của hệ thống một khi nó đã được khởi động xong. Hệ thống định vị quán tính INS gồm các cảm biến gia tốc đo góc (hoặc các cảm biến góc quay) để đo các góc nghiêng của hệ thống trong không gian gồm

có ya, pitch và roll. Như trong hình bên dưới thì pitch là góc nghiêng của máy bay khi chúc lên hay xuống, roll là góc nghiêng cánh của máy bay, còn yaw là góc của máy bay quay quanh tr ục thẳng đứng.

13

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

Hình 1.1: Góc nghiêng yaw, pitch, roll trong không gian Các cảm biến gia tốc đo gia tốc dài sẽ đượ c gắn lên ba tr ục của hệ tọa độ chuyển động để đo các gia tốc dài tương ứng của hệ thống. Sau đó máy tính sẽ

tính toán ra đượ c tr ạng thái hiện tại của hệ thống. Một hệ thống INS hoạt động gần hay trên bề mặt trái đất phải đượ c tích hợ  p thêm phép hi ệu chỉnh Schuler

để cho hệ thống có thể liên tục chỉ về tâm trái đất khi di chuyển (phép hiệu chỉnh Schuler đượ c phát minh bởi Schuler năm 1923. Phép hiệu chỉnh Schuler

đảm bảo cho những tính toán đối với INS là đúng trong hệ tọa độ gắn liền vớ i tâm trái đất cho dù tâm quay của một vật di chuyển trên bề mặt trái đất bị thay đổi và không còn trùng với tâm trái đất bở i ảnh hưở ng ng của địa hình. Và lý thuyết này đã đượ c ứng dụng cho những hệ thống dò đườ ng ng quán tính hoạ t

động gần bề mặt trái đất đấ t như trong tàu thủy, máy bay…). Như vậy INS thì bao gồm hệ thống các cảm biến đo lường và những thuật toán để t ổng hợ  p và xác

định tr ạng thái của hệ thống.

14

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

Hình 1.2: Góc nghiêng theo từng tr ục

1.3. Đơn vị đo lườ ng ng quán tính IMU Đơn vị đo lường quán tính là một thiết bị điện tử được dùng để đo và cho ra các giá trị vận tốc, hướng, gia tốc trọng trường của một phương tiện chuyển động, điển hình là máy bay. IMU sử dụng sự kết hợp giữa các cảm biến gia tốc và cảm biến gyro. IMU thường được dùng để điều khiển quá trình chuyển động của các phương tiện vận chuyển hoặc robot tự hành. Đơn vị đo lường quán tính là thành phần chính của hệ thống định vị quán tính INS được sử dụng trong hầu hết các máy bay, tàu thủy, tàu ngầm, phi thuyền vũ trụ, các phương tiện vận chuyển đường bộ cũng như là trong robot tự hành. Các dữ liệu thu thập được từ các cảm biến trong IMU cho phép máy tính có thể xác định vị trí của phương tiện chuyển động, sử dụng phương pháp tính toán được biết đến dưới tên gọi dead-reckoning.

15

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

IMU hoạt động bằng cách xác định giá trị hiện tại của gia tốc khi sử dụng một

hoặc nhiều cảm biến gia tốc. Nó cũng phát hiện những thay đổi của các góc quay như oll, Pitch và a sử dụng một hoặc nhiều cảm biến gyro. Trong hệ thống định vị, các dữ liệu đo được từ cảm biến sẽ được đưa vào máy tính để tính toán và cho ra vị trí hiện tại dựa trên vận tốc và thời gian.

Hình 1.3: Góc nghiêng trên hệ tọa độ 3 chiều xyz tr ực giao

 Nhược điểm cơ cơ bản nhất của IMU trong trong việc định vị đó là chúng thường bị lỗi tích lũy. ởi vì hệ thống dẫn đường liên tục thêm vào những thay đổi được  phát hiện vào vị trí đã được tính toán trước đó, bất kì một sai số nào nào trong quá trình đo lường, dù là nhỏ, cũng sẽ được tích lũy dần dần. Điều này dẫn đến việc trôi các đại lượng tính toán, hoặc một sự thay đổi khác biệt ngày càng tăng giữa giá trị vị trị mà hệ thống tính toán và giá trị thực tế của thiết bị. IMU thường chỉ là một thành phần của hệ thống định vị. Các hệ thống khác sẽ

được sử dụng để làm chính xác các giá trị sai lệch mà IMU mắc mắ c phải trong quá trình chuyển động của thiết bị, điển hình như hệ thống định vị PS, cảm biến lực trọng trường, cảm biến vận tốc bên ngoài (đề bù sự trôi vận tốc), hệ thống

16

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

đo khí áp để hiệu chỉnh chính xác giá trị cao độ, và một cảm biến la bàn điện tử giúp xác định từ trường. thông thường bao gồm một khối với 3 cảm biến gia tốc và 3 Cấu trúc của IMU thông cảm biến gyro. Các cảm biến gia tốc được đặt sao cho các trục đo của chúng trực giao với nhau. Chúng đo gia tốc quán tính, điển hình là gia tốc trọng trường. Các cảm biến gyro cũng được đặt trong hệ trực giao tương tự, đo vị trí góc quay có tham chiếu đến những hệ thống phối hợp đã được chọn .

17

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ  LÝ  LÝ THUYẾ THUYẾT 2.1. Hệ tọa  tọa độ Việc đo đạc trong một hệ đẫn đườ ng ng quán tính INS sẽ cho biết vị trí của vật thể trong hệ tọa độ đó. Dưới đây là giải nghĩa về các hệ tọa độ, hay các hệ quy chiếu đượ c nêu trong báo cáo này.

độ nềền 2.1.1. Hệ tọa  tọa độ n Là hệ tọa độ gắn liền vớ i cảm biến trong hệ thống INS. Mỗi loại cảm biến (gia tốc, con quay hồi chuyển, từ) đều có hệ quy chiếu nền của riêng chúng. Hệ nền

ục mà nó đo lườ ng. của mỗi cảm biến có các tr ục x, y, z gắn vớ i mỗi tr ục ng. Tối ưu nhất là hệ nền của m ỗi cảm biến đều đượ c gắn vớ i nhau và các tr ục tr ực giao vớ i nhau.

2.1.2. Hệ tọa  tọa độ g độ gắắn vậ vật thể thể Hệ quy chiếu gắn vật thể trong trườ ng ng hợp này được xác định như là hệ quy

ở đây được xem như khối đo lườ ng chiếu gắn vớ i vật ch ứa các cảm biến, mà ở đây ng quán tính IMU. Các tr ục tọa độ trùng vớ i các mặt tr ực giao của kh k hối IMU và

đượ c g ắn chính xác vớ i tr ục ục x hướ ng ục z hướ ng ng tớ i,i, tr ục ng xuống và tr ục y tuần theo quy tắc bàn tay phải. óc định hướng được xác định trong hệ quy chiếu gắn vớ i vật thể như sau: góc định hướ ng ng ψ  là   là góc giữa hình chiếu của tr ục x xuống mặt phẳng ngang với hướ ng ng bắc của trái đất, góc ψ  có   có giá tr ị t ừ -180°

đế n 180°. Góc có giá tr ị dương nếu hình chi ếu của tr ục x chỉ theo bên phải của hướ ng ng bắc và có giá tr ị âm nếu nó chỉ theo bên trái của hướ ng ng bắc. 2.1.3. Hệ quy chiế chiếu quán tính Hệ quy chiếu quán tính là hệ  quy chi ếu nghỉ hoặc chuyển động tuyến tính, tuân theo định luật Newton. Một cách hay được dùng hơn là điểm gốc đượ c gắn vớ i trung tâm của trái đất và 3 tr ục của nó có thể xác định theo bất k ỳ ba

hướ ng ng tr ục giao bất k ỳ. 2.1.4. Hệ quy chiế chiếu cấp cấp địa phương Hệ quy chiếu cấp địa phương là hệ  quy chiếu tr ực giao Cartesian vớ i tr ục x hướ ng ục y hướng sang phía đông và trục z hướ ng ng lên phía bắc, tr ục ng lên tuân theo

18

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

ở tâm trái đất do trái đất quy tắc bàn tay phải. Tr ục z có thể không hoàn toàn ở tâm không toàn toàn đều hình cầu.

2.2. Góc Euler Để biến đổi các giá tr ị đo đạc đượ c từ đơn vị đo lườ ng ng quán tính IMU sang các hệ quy chiếu khác thì ta cần xác định mối quan hệ giữa chúng.

Các góc Euler là 3 góc được định nghĩa nghĩa bởi Leonhard Euler để đ ể xác định hướng của một đối tượng. Để xác định hướng trong không gian Euclide 3 chiều, 3 tham số cần đượ c biết. Các góc Euler thay thế cho ba chuyển động quay kết hợp, di chuyển hệ trục tham chiếu đến một hệ trục ta đang xét. Hay nói một cách khác, bất kì một hướng nào trong không gian Euclide 3 chiều cũng có thể được xác định bằng sự kết hợp của 3 chuyển động xoay thành phần (chuyển động xoay quanh một trục cơ bản), và tương tự như thế, ma trận xoay từ hệ trục cố định tham chiếu đến hệ trục ta đang xét cũng có thể được phân tích thành 3 ma trận xoay thành  phần. hông tính đến việc xét dấu của chuyển động quay cũng như việc di chuyển các hệ trục tham chiếu, có tất cả 12 quy ước khác nhau trong việc kết hợp chuyển động quay, từ đó là các quy ước về góc khác nhau. Một trong số chúng được gọi là góc Euler chính xác. Số còn lại được gọi là góc Tait -ryan. Đôi lúc chúng đều được gọi chung là gó c Euler. Việc xác định các góc là thuộc nhóm nào phụ thuộc vào cách định nghĩa đường cơ sở dùng để hỗ trợ việc xác định các góc này. Có thể sử dụng đường cơ sở là giao của 2 mặt phẳng tương đồng (2 mặt phẳng trùng nhau khi các góc bằng 0). Tuy nhiên cũng có thể xác định dựa vào 2 mặt phẳng trực giao (2 mặt phẳng vuông góc nhau khi các góc bằng 0). Các góc được xác định bằng cách chọn thứ nhất được gọi là các góc Euler chính xác. Còn với cách chọn thứ hai, các góc được gọi là góc Nautical, Nau tical, góc Cardan, hoặc là góc Tait-Bryan.

19

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

2.2.1. Góc Euler chính xác (proper Euler angles): - Đường cơ sở  là  là giai của 2 mặt phẳng XY và xy

luật zyz, nghĩa là ta xoay hệ - Trong trườ ng ng hợ  p này góc Euler Euler tuân theo quy luậ ục tương ứng z sẽ đượ c góc α, tiế p tục quay tr ục tọa độ tuyệt đối theo các tr ục theo tr ục x sẽ đượ c góc β , và tiế p tục quay theo tr ục z sẽ đượ c góc γ.

Hình 2.1: Cách xác định Các góc Proper Euler 

ục xoay đượ c kí hiệu là màu đỏ Tr ục cố định đượ c kí hiệu bở i màu lam, tr ục Có thể xác định góc Euler chính xác trong trườ ng ng hợ  p này dựa vào hình 2.1

như sau: + Góc α được xác định là góc giữa tr ục x( cố định) và đường cơ sở  (  ( kí hiệu)

 β được xác định là góc giữa tr ục z ( cố định) và tr ục Z( tr ục xoay) + Góc β được + Góc γ được xác định là góc giữa đường cơ sơ ( N ) và trụ c X( tr ục xoay). - Lưu  rằng, các góc α và γ có modulo là 2π , dải giá trị nằm trong khoảng

π,π]. iêng góc β  góc  β  có  có modulo là [-π,π].

π  ,   , dải giá trị nằm trong khoảng [0, π] hoặc

là [-π/2, π/2] - Cách xác định góc Euler từ một h ệ tr ục bất kì: ét một hệ trục tọa độ với

các vector đơn vị (,,) như trong hình 2.2, Ta thấy rằng:

20

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

     

Hình 2.2: Hình chiếu tr ục Z lên hệ tr ục chuẩn

 Ta cũng chiếu vector  tương tự như thế ( hình 2 .3). Lần đầu tiên chiếu lên mặt phẳng của của trục z và đường đường cơ sở N, góc chiếu này sẽ là (90 -  β) và  β) = sin sin β  nên cos(90 –  β)  nên ta có:

   21

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

Hình 2.3: Hình chiếu tr ục Y lên hệ tr ục chuẩn

 Cuối cùng, sử dụng hàm chuyển đổi ngược ta sẽ có được các góc Euler:

 √     √   

2.2.2. Góc Tait-Bryan: - Đườ ng ng cở  s  sở  là  là giao giữa hai mặt phẳng xy và yz - Trườ ng ng hợ  p này góc Euler tuân theo quy luật zyx, nghĩa là khi quay hệ quy

ục ta đượ c góc ψ, tiế p tục quay theo tr ục ục y ta đượ c góc ϕ chiếu tuyệt đối theo tr ục ục x ta đượ c góc θ. và tiế p tục quay theo tr ục

22

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

Hình 2.4: Góc Tait-ryan (đương cơ sở y’ được kí hiệu màu vàng)

Có thể xác định góc Tait-ryan dựa vào hình 2.4 như sau: + Góc ϕ là góc giữa đường cơ sở và trục 

 óc θ là góc giữa đường cơ sở và trục  + Góc ψ là góc giữa trị y và đường cơ sở. Trong thực tế người ta thường ứng dụng góc Tait- Bryan để xác định thuộc

tính và định hướng của hệ thống INS, ví dụ cụ thể là xác định vị trí và phương hướng của mày bay, đôi khi được gọi là hệ trục tọa độ hàng không (aircraft convention)

Hình 2.5: Ứ ng ng dụng Góc Tait- Bryan trong hàng không

23

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

Roll là góc quay quanh tr ục x ( tr ục dọc thân máy bay) Pitch là góc quay quanh tr ục y ( tr ục dọc cánh máy bay) Heading (Yaw) là góc quay quanh tr ục z ( tr ục song song vớ i tr ọng lực)

2.2.3. Gimbal lock:

Hình 2.6: Hiện tượ ng ng Gimbal khi pitch = 90º - Là hiện tượ ng ng mất bậc tự do trong không gian 3 chiều khi hai trong 3 tr ục trùng hoặc song song vớ i nhau dẫn đến hệ thống chỉ quay trong không gian hai chiều. - Ví dụ giả sử trong trườ ng ng hợ  p góc Tait-Bryan T ait-Bryan:: nếu góc Pitch = 90º khi đó theo thứ tự ta có tr ục X s ẽ trùng vớ i tr ục Z sau khi thực hi ện xong góc quay quanh tr ục Y, khi đó khi quay quanh trục X thì sẽ giống như quay quanh trục Z. Vật chỉ quay đượ c quanh tr ục Y và Z. -  Như vật các góc Pitch và Roll s ẽ phải bị giớ i hạn trong tầm từ ( -π/2 , π/2). - Để khắc phục nhược điểm này của phương pháp góc Euler, chỉ có 1 cách duy nhất là sử dụng hệ tọa độ không gian 4 chi ều (Quaternion), sẽ được đề cậ p

ở  ph  phần sau.

24

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

2.2.4. Phương pháp DCM (Direction (Direction Cosine Matrix): -  Như đã nói ở  trên,  trên, các góc Euler có th ể xác định 3 chuyển động xoay thành

ục đang xét. Các chuyển động  phần để đưa một hệ tr ục tham chiếu đến hệ tr ục thành phần là chuyển động quanh một tr ục, có thể là X, Y hoặc . Tương ứng vớ i các chuyển động này, ta có ma tr ận xoay thành phần được định nghĩa như sau.

                                        

 

 

 

(2.1) (2.2)

(2.3)

- Trong đó R(Z,  R(Z, ψ), R(Y, θ) và R(X,ϕ ) lần lượ t là các ma tr ận góc xoay quanh

ục z, y, x theo các góc tương ứng ψ, θ, ϕ theo phương pháp góc Tait-Bryan. tr ục hi đó ta có ma trận xoay tổng quát trong không gian 3 chiều Euclide như sau:

                                                        (2.4)

hay

(2.5)

phương trình đượ c sử dụng để vẽ không gian 3 chiều trong openGL. - Đây là phương ận này còn được dùng để xác định góc nghiêng dựa vào thông số đọc - Ma tr ận từ cảm biến gia tốc.

25

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

2.3. Quaternion  Như đã nói ở trên, ở trên, phương pháp biểu diễn theo góc Euler sẽ xảy ra hiện tượ ng ng imbal lock nên người người ta nghĩ đế đ ến giải pháp không gian 4 chiều, đó là hệ tọa độ Quaternion. Đây là hệ thống số đượ c phát triển mở  r   r ộng từ hệ thống số phức. Nó được định nghĩa lần đầu tiên bởi nhà toán học người Ireland Sir illiam oan Hamilton vào năm 1843, và được ứng dụng để phân tích không gian 3 chiều. Một quaternion bao gồm 4 véc tơ thành phần có thể dùng để xác định bất k ỳ góc quay nào trong không gian 3 chiều. Về mặt k ỹ thuật, một quaternion tổ hợ  p bở i một thành phần số thực và 3 thành phần số phức. Một quaternion đơn vị có thể được định nghĩa như sau:

||     

Chúng ta có thể k ết hợ  p quarternion quarternion vớ i một chuyển động quay quanh một

ục như sau: tr ục

                

 β  y ), cos(  β  z  ) là các cosin Vớ i α là góc quay (tính bằng radian) và cos(  β  x ), cos(  định hướ ng ục quay. hi đó ma trận quay của chuyển động quay này ng của tr ục trong không gian 3 chi ều Euclide được xác định như sau:

                           

Hay là:

26

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

                                 2.4. Chuyển Chuyển đổi đổi giữ  giữ a các hệ hệ trụ  trục tọa tọa độ đổi từ  2.4.1. Chuyển Chuyển đổi từ  góc  góc Euler sang ma trậ tr ận xoay Khi sử dụng phương pháp góc Tail-ryan ta có phương trình 2.5 để xác định ma tr ận xoay từ góc biết trướ c: c:

                    Với quy ướ c: c: Roll là góc ϕ, pitch là góc θ, ya là góc ψ.

2.4.2. Chuyển Chuyển đổi đổi từ  từ  ma  ma trậ trận xoay sang góc Euler Giả sử có một ma tr ận xoay biết trướ c là:

          

 (2.8)  (2.8)

Đồng nhất hệ số với phương trình ta có: a13=- sinθ;  sinθ; tanϕ=a32 /a33; tanψ=a 21 /a11 .

27

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

Hình 2.7: Bảng tính toán giá tr ị góc Euler tử ma tr ận xoay

2.4.3. Chuyển Chuyển đổi đổi từ  từ  góc  góc Euler sang Quaternion Việc chuyển đổi từ  các góc Euler sang h ệ tọa độ quaternion được xác định theo công thức sau:

                                             

2.4.4. Chuyển Chuyển đổi đổi từ  từ  Quaternion  Quaternion sang Euler Đồng nhất hệ số hai phương trình ta đượ c ma tr ận chuyển đổi sau:

28

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

                      [  ] Do hàm arctan và arcsin chỉ cho giá tr ị trong khoảng từ [-  /2,  /2]. Vì thế ta   

  

 phải thay các hàm arctan bằng hàm atan2 để có thể bao quát hết không gian Euclide 3 chiều. hi đó, công thức tr ở  ở thành:  thành:

  ((   )                     

2.5. Xác định định vậ vận tố tốc và vị vị trí 2.5.1. Lấy dữ  dữ  liệ  liệu gia tố tốc trong hệ hệ quy chiế chiếu quán tính Để thu đượ c giá tr ị v ận tốc và vị trí của v ật thể trong hệ quy chiếu quán tính thì ta cần biết đượ c gia tốc vật lý của cảm biến trong hệ  quy chiếu đó. Để chuyển đổi gia tốc đo đượ c sang gia tốc v ật lý thực thì ta cần hiểu chính xác

ục đo gia tốc gì đang được đo. Trong trườ ng ng hợ  p này, ta có gia tốc theo 3 tr ục

 

đượ c

Vớ i

 có thể mô hình bằng:

        

ọng trườ ng,  là gia tốc trong hệ t ọa độ g ắn vât thể,  g  là   là gia tốc tr ọng ng,



 là

ma truận chuyển đổi t ừ hệ quy chiếu quán tính sang hệ quy chiếu gắn vật thể của cảm biến. Với điều ki ện các tr ục tr ực giao, bỏ qua hệ số tỷ l ệ và trôi trong

quá trình đo đạc. Để xác định vận tốc và vị trí trong hệ quy chiếu quán tính, ta cần loại bỏ các thành phần lực thông thườ ng ng khỏi gia tốc đo. Ta có gia tốc trong hệ quy chiếu gắn vật thể:

29

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

        

ờ  đó mà ta có Gia tốc gắn vật thể di chuyển trong hệ quy chiếu quán tính, nhờ đó  phép tích tích phân. Phương Phương trình: trình: thể tính vận tốc và vị trí nhờ  phép

       

Phương trình trình trên có c ó thể đượ c dùng tr ực tiếp để tìm gia t ốc của cảm biến trong hệ quy chiếu quán tính.

2.5.2. Xác định định vậ vận tố tốc và vị vị trí: hi đã biết đượ c gia tốc trong hệ quy chiếu quán tính, ta có thể dùng phép tích

 

 phân để tìm vận tốc  và  của vật thể:

  ∫   ∬         

ời  r ạc ạc được dùng để Dữ liệu thu đượ c bằng cách lấy mẫu theo miền thờ i gian r ờ  tính vận tốc và vị trí theo công thức:

Vớ i lặ p.



ở  trong chương trình là thờ i gian giữa các vòng  là thờ i gian lấy mẫu, ở trong

2.6. Cảm biế biến, các sai số số củ  của cả cảm biế biến và chuẩ chuẩn hóa Mỗi loại cảm biến có những nguyên tắc hoạt động, cấu tạo khác nhau và cũng có những nguồn gây nhiễu khác nhau làm ảnh hưở ng ng tớ i sự chính xác của việc

đo đạc và tính toán, do đó ta cầ n tìm hiểu về mỗi loại cảm bi ến và các sai s ố có thể xảy ra để chuẩn hóa dữ liệu đưa vào góp phần hạn chế lỗi xảy ra khi tính toán. Trong đồ án này, ta sử dụng các thiết bị c ảm biến vớ i công nghệ vi  v i

cơ điện tử MEMS nên ta sẽ tìm hiểu sơ qua về công nghệ này.

30

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

Hệ thống vi cơ điện tử (Micro Electro Mechanicals Systems –  MEMS)  MEMS) là công

trú c vi cơ, vi cảm biến, vi chấp hành, vi điện nghệ cho là sự tích hợ  p các cấu trúc tử thành một hệ thống trên cùng một đế silicon bằng công nghệ vi chế tạo. Một thiết bị MEMS thông thườ ng ng là hệ thống vi cơ tích hợ  p trên một chip k ết hợ  p những phần chuyển động cơ học vớ i những yếu tố sinh học, hóa học, quang hoặc điện. Do đó các linh kiện MEMS có thể đáp ứng vớ i nhiều loại đầu vào

như hóa học, ánh sáng, áp suất, chuyển động, góc quay, từ tính… Với ưu thế có thể tạo ra những cấu trúc cơ học nhỏ và nhạy, công nghệ vi cơ điện tử cho  phép tạo ra những bộ cảm biến (sensor), bộ chấp hành (actuator) đượ c ứng

ộng rãi trong đờ i sống, y tế, công nghiệ p... dụng r ộng

Hình 2.8: Mô hình thiết bị MEMS

Các ưu điểm và nhược điểm của MEMS: - MEMS có bốn ưu điểm chính so vớ i các thi ết bị cơ học truyền thống.

 Trướ c tiên là khả năng sản xuất số lượ ng ng lớ n dễ dàng, cùng vớ i sự phát triển của công nghệ vi điện tử, ngày nay công nghệ VLSI cho phép sản xuất các thiết bị MEMS vớ i số lượ ng ng lớn (lên đến 100,000 thiết bị trên 1 đế Poly-Si),

điều mà khó có thể đạt đượ c vớ i các thi ết bị cơ học bình thườ ng. ng. + Do có thể sản xuất số lượ ng ng lớ n, n, nên giá cho mỗi đơn vị r ẻ hơn.

31

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

+ Các thiết bị chế tạo bằng công nghệ vi điện tử, nên kích thướ c bé, hiệu năng cao, tiêu thụ ít năng lượ ng, ng, dễ dàng tích hợ  p vào các thiết bị khác. + Các thành phần cơ học nhỏ gọn, ít bị ảnh hưở ng ng bởi các tác động gây hại từ

môi trườ ng ng nên bền hơn. - Tuy vậy, các thiết bị MEMS cũng có những giớ i hạn và nhược điểm của

mình. Do kích thướ c bé nên các thành phần vật lý của MEMS không chịu đượ c các lực tác động lớ n. n. Có thể bị ảnh hưở ng ng bở i các nhiễu điện từ… 2.6.1. Cảm biế biến gia tố tốc Gia tốc là đại lượ ng ng vật l đặc trưng cho sự thay đổi vận tốc theo thờ i gian. Trong mô hình cảm biến gia tốc cơ bản (hình), khoang tr ụ gắn vớ i vật thể cần

đo gia tốc, quả bóng là vật di chuyển 1 chiều trong khoang. Khi di chuyển khoang, quả bóng di chuyển trong khoang làm lò so co hoặc dãn ra. Dựa vào

độ co dãn của lò so mà ta tính đượ c lực và gia tốc của chuyển động. Nếu đặt 3 cảm biến gia tốc theo 3 chi ều xyz, ta có thể đo đượ c chuyển động của vật thể trong không gian .

32

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

Hình 2.9 : a. Mô hình cảm biến gia tốc đơn giản theo một tr ục; b. Mô hình cảm biến gia tốc theo ba tr ục. Cảm biến gia tốc MEMS cũng sử dụng nguyên l trên: đo chuyển động của vật thể  trong khoang chứa gắn vớ i vật cần đo gia tốc. Mô hình (hình): vật thể chuyển động được đo đạc trong cảm biến có hình răng lượ c xanh nhạt như hình, lò so là lớ  p silicon silicon dọc theo lượ c. c.

33

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

Hình 2. 10: a. Mô hình cảm biến gia tốc MEMS; b,c: Sự thay đổi vị trí khi có gia tốc đặt vào Trong quá trình chuyển động, vị  trí giữa đầu chân của vật chuyển động và 2 chân gắn trên khoang thay đổi làm thay đổi giá tr ị điện dung, bằng cách đo sự

thay đổi này mà ta có thể  chuyển đổi thành đầu ra tín hiêu điện vớ i cảm biến tương tự hoặc đầu ra số vớ i cảm biến số.

34

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

Hình 2. 11: Sự thay đổi điện dung của tụ điện được dùng để tìm gia tốc

Hình 2.12: Cấu tạo cảm biến gia tốc MEMS trên thực tế

ọng trườ ng Cảm biến gia tốc có thể đượ c chuẩn hóa dựa vào gia tốc tr ọng ng theo cả hướ ng ng và độ lớ n. n. Các nguyên nhân gây lỗi bao gồm hiện tượ ng ng trôi, hệ số tỷ lệ và các tr ục không thẳng. Ta có m ối quan hệ giữa gia tốc đặt lên trong h ệ t ọa

độ nền tạo cảm biến a p và gia tốc đo đượ c trong hệ t ọa độ c ảm biến aa, đượ c xác định như sau: 35

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

        

ận đườ ng Vớ i K a là ma tr ận ng chéo vớ i hệ số tỷ lệ, T a là ma tr ận chuyển đổi nếu các tr ục của cảm biến không tr ực giao, ba là hằng số trôi và va là nhiễu đo. Ta xét các tr ục của cảm biến tr ực giao và bỏ qua nhiễu không quan sát đượ c, c, thì:

     

Ở đây ta chưa biết  K a và ba. Nếu ta lần lượt đặt cảm biến theo 6 chiều dọc ọng trườ ng ờ đó mà biết đượ c theo chiều của gia tốc tr ọng ng thì ta sẽ có đượ c a p, nhờ đó các hệ số cần tìm. Việc chuẩn hóa sao cho gia tốc theo 3 tr ục thỏa mãn:

||         

2.6.2. Con quay hồ hồi chuyể chuyển Về mặt vật lý, con quay hồi chuyển là thiết bị để đo đạc hoặc duy trì phương

hướ ng, ng, dựa trên các nguyên t ắc bảo toàn mô men động lượng. Con quay cơ học là một bánh xe hoặc đĩa quay vớ i các tr ục tự do quay theo mọi hướ ng. ng.

Phương hướng này thay đổi ít hay nhiều phụ thuộc vào mô men xoắn bên ngoài hơn là có liên quan đến con quay có tốc độ cao mà không cần mô men động lượ ng ng lớ n. n. Vì mô men xoắn đượ c tối thiểu hóa bở i việc gắn k ết thiết bị trong các khớ  p vạn năng (gimbal), hướ ng ng của nó duy trì gần như cố định bấ t k ể so vớ i bất k ỳ chuyển động nào của vật thể mà nó tựa trên.

Hình 2.13: Con quay hồi chuyển 36

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

Con quay hồi chuyển dùng công nghệ MEMS sử dụng hiệu ứng Coriolis để

xác định góc quay (hình)

Hình 2.14: Lực Corilis Hiệu ứng Coriolis đượ c nhà toán học, v ật l ngườ i Pháp Gustave de Coriolis mô t ả vào năm 1835, là hiệu ứng xảy ra trong các hệ quy chiếu quay so vớ i các hệ quy chiếu quán tính. Nó thể hiện qua sự lệch quỹ đạo của những vậ t chuyển động trong hệ quy chiếu này, sự lệch quỹ đạo do một loại lực quán tính gây ra, gọi là lực Coriolis. Ví dụ như trong hình, khi đối tượ ng ng di chuyển

⃗



theo hướ ng ng  và có vận tốc góc , sẽ xuất hiện một lực theo hướng mũi tên vàng như là k ết quả của lực Coriolis. Độ lớ n của lực gây ra bở i hiệu ứng Coriolis trong cảm biến đượ c ghi nhận bằng k ết cấu cảm biến điện dung.

 Như trong hình, một vật th ể chuyển động thẳng đều trong một hên quy chiếu quán tính, từ tâm đĩa ra mép, sẽ đượ c quan sát thấy như chuyển động cong trong hệ quy chiếu gắn với đĩa quay. Hầu hết các cảm biến gyroscope hiện nay sử dụng cấu hình tuning folk. Hai vật dao động và chuyển động đều theo hai hướng ngượ c nhau (hình). Khi có 37

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng



quay, vật có vận tốc góc , l ực Colioris vớ i t ừng vật th ể cũng xuất hiện theo

hai hướng ngược nhau, làm cho điện dung thay đổi. Giá tr ị điện dung thay đổi tỷ lệ vớ i vận tốc góc, đượ c chuyển đổi thành điện áp đầu ra vớ i gyroscope

tương tự hoặc LSBs vớ i gyroscope số.

Hình 2.15: Mô hình trong cảm biến góc quay MEMS Khi hai vật đượ c gia tốc tuyến tính, chúng di chuyển theo cùng hướng, do đó sẽ không có thay đổi về điện dung. Cảm biến góc quay sẽ cho ra mức điện áp 0 hoặc LSs, điều này cho thấy cảm biến góc quay công nghệ MEMS không  bị ảnh hưở ng ng bở i gia tốc tuyến tính như rung, sốc…

Hình 2.16: Cảm biến góc quay MEMS 38

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

 Nếu các tr ục của con quay hồi chuyển tr ực giao và thẳng giống như vớ i cảm  biến gia tốc, mối quan hệ giữa vận tốc góc trong hệ tọa độ nền ω p và giá tr ị đo  bở i cảm biến đượ c biểu diễn:

     

Vớ i  K  g  là ma tr ận tỷ lệ và b g  là góc trôi/ trượ t.t. Các hệ số trong  K  g  phụ thuộc vào giá tr ị của ω và góc trượ t b g  thườ ng ng phụ thuộc vào nhiệt độ. Việc đào sâu về vấn đề này sẽ gia tăng sự phức tạ p trong việc chuẩn hóa dữ liệu và do đó sẽ tạm thời đượ c bỏ  qua trong báo cáo này. Góc trôi b g  sẽ đượ c tính toán một

cách đơn giản bằng việc lấy mẫu liên tục khối cảm biến ở  tr ạng thái nghỉ và tính giá tr ị trung bình của tổng các mẫu đó. Các hệ số trong ma tr ận tỷ lệ vớ i con quay hồi chuyển thườ ng ng phức tạp hơn nhiều so vớ i cảm biến gia tốc do

ọng trườ ng không có các số để làm chuẩn như gia tốc tr ọng ng trong cảm biến gia tốc. Thay vào đó thì cảm biến sẽ phải dựa trên chuyển động của vật quay. Do có s ử dụng cảm biến từ nên ta có thể dựa vào đó để phát hi ện và xác định các hệ số trong ma tr ận K g nhờ  vào   vào vận tốc góc thực tế lấy từ dữ liệu cảm biến từ đặt trong từ trườ ng ng và thờ i gian.

Hình 2.17 : K ết quả thu đượ c từ cảm biến từ quay 360º trong từ trườ ng ng (vớ i

điều kiện không bị ảnh hưở ng ng từ môi trườ ng ng ngoài).

39

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

2.6.3. Cảm biế biến từ  từ trườ  trườ ng ng Từ trường là môi trườ ng ng vật ch ất đặc biệt sinh ra quanh các điện tích chuyển

động hoặc do sự biến thiên của từ trườ ng ng hoặc có nguồn gốc t ừ các mô men lưỡ ng ng cực từ như nam châm. Mỗi điểm trong từ trường đượ c miêu tả bằng toán học thông qua hướng và độ lớ n lại đó; từ trường đượ c miêu tả bằng

trường véc tơ. Ta hay sử dụng khái niệm lực Lorentz tác dụng lên một điện tích điểm chuyển động để định nghĩa từ trườ ng. ng. Cảm biến từ trường thườ ng ng có hai loại cơ bản: để xác định hướ ng ng của véc tơ từ và để xác định cả hướng và độ l ớ n của véc tơ từ. Có bốn phương pháp cơ  bản trong việc thi ết k ế cảm biến từ công nghệ MEMS: hiệu ứng Hall, hiệu ứng

ở l l ớ n (Giant Magnetoresistance  –  GMR), ở xuyên từ điện tr ở    GMR), hiệu ứng từ điện tr ở    xuyên hầm (Tunneling Magnetoresistance  –   TMR hay Magnetic Tunnel Junction  – 

ở  dị hướ ng MTJ) và hiệu ứng từ điện tr ở  ng (Anisotropic Magnetoresistance  –  AMR) . Ngoài ra, còn có c ảm biến từ MEMS dựa trên lực Lorentz. Mỗi công nghệ thiết k ế trên đều có những ưu và nhược điểm riêng. Cảm biến Honeywell

HMC5883L đượ c thiết k ế dựa trên hiệu ứng từ điện tr ở  ở d  dị hướ ng. ng. Hiệu ứng từ điện tr ở  ở  dị hướ ng ng là hi ệu ứng đượ c William Thomson phát hi ện vào năm ở mà ở đó tỷ số từ điện tr ở  ở  (s ở  1856, là hiệu ứng từ điện tr ở   mà ở đó (sự thay đổi của điện tr ở  dướ i tác dụng của từ trườ ng ng ngoài) phụ thuộc vào hướ ng ng của dòng điện (không đẳng hướ ng ở vào ng trong mẫu), mà bản chất là sự phụ thu thuộc của điện tr ở    vào góc tương đối giữa véc tơ phân cực từ và dòng điện. Hiệu ứng AMR chỉ xảy ra trong các mẫu kim loại sắt từ hoặc trong một số chất bán dẫn hoặc bán kim

nhưng khá nhỏ. Trong từ học, người ta đặc trưng cho tính chất từ điện tr ở  ở  dị hướ ng ở su ng bởi độ biến thiên điện tr ở   suất theo hai phương song song và vuông góc vớ i từ trườ ng. ng. Cảm biến AMR với  tưở ng ng sử d ụng vật li ệu phổ biến như hợ  p kim k im pecmalci pecmalci (permalloy), trong vai trò cảm biến từ. Hợ  p kim permalci permalci là vật liệu chứa 80%

40

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

ở  của hợ  p kim phụ thuộc vào góc giữa hướ ng nicken và 20% sắt. Điện tr ở  ng của dòng điện và từ độ. Trong một từ trường, véc tơ phân cực từ quay theo hướ ng ng của từ trườ ng ng và góc quay phụ thuộc vào độ lớ n của trường bên ngoài. Điện

ở  của hợ  p kim giảm khi hướ ng tr ở  ng của véc tơ phân cực từ quay khỏi hướ ng ng của dòng điện, và nhỏ nhất khi vuông góc với hướ ng ở thay ng của dòng diện. Điện tr ở   thay đổi theo bình phương của cosin góc giữa véc tơ phân cực từ và hướ ng ng của dòng điện.

ở trên Hình 2.18: Hiệu ứng từ điện tr ở   trên hợ  p kim Pecmalc Pecmalcii ở dãy. Hợp kim pecmalci được đặt trên đế silicon và được mô hình như điện tr ở   dãy. Đặc tính của tấm phim cho phép tr ở kháng ở kháng thay đổi 2-3% tùy theo từ trườ ng. ng. ở  đượ c k ết n ối thành mạch cầu heatstone để Theo mô hình này, bốn điện tr ở đượ  tính toán độ lớ n của từ trườ ng ục (hình). ăng thông ở đây ở đây thườ ng ng theo từng tr ục ng ở r  từ 1-5 MHz. Đáp ứng của hiệu ứng từ điện tr ở   r ất nhanh và không bị giớ i hạn  bở i cuộn dây và tần số kích thích. 41

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

Hình 2.19a, b: Mô hình cầu Wheatstone trong cảm biến từ trườ ng ng AMR.

Các yếu tố có thể ảnh hưở ng ng tớ i vi ệc đọc giá tr ị từ trườ ng ng có thể cho vào các

nhóm chính như Hard Iron, Soft Iron, các trục không tr ực giao, trôi t ỷ lệ, nhiễu  băng rộng, sự thẳng hàng vớ i hệ quy chiếu vật thể và các hi ệu ứng khác. Trong  báo cáo này ta sẽ đề cập đến hard iron, soft iron, tr ục không tr ực giao, trôi và hệ số tỷ lệ. Hard Iron: là các v ật liệu mang từ tính tạo ra từ trườ ng ng (vd như nam châm,

nam châm điện…). hi đặt cảm biến từ g ần các vật li ệu này thì nó sẽ đặt lên

42

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

cảm biến từ trườ ng ng phụ ngoài từ trườ ng ng của trái đất, gây ảnh hưởng đến đầu ra của theo mỗi tr ục của cảm biến. Soft Iron: là các vật li ệu mà sẽ mất đi từ trườ ng ng khi không có từ trườ ng ng ngoài

đặt vào (vd như sắt, nickel…). Các vật liệu này thì tuy không gây ra từ trườ ng ng  phụ cho cảm biến nhưng nó có thể làm bi ến dạng từ trường đặt vào cảm biến. Tr ục không tr ực giao: nếu các tr ục của cảm biến không được đặt tr ực giao vớ i nhau thì chúng sẽ đo đượ c một phần từ trườ ng ng của cùng một vật. Trong trườ ng ng hợ  p cả 3 tr ục của cảm biến cùng chiều thì nó sẽ đo cùng một t ừ trườ ng ng giống nhau. Hệ số tỷ lệ: có thể nhân lỗi lên nhiều khi giá tr ị đo đượ c nhiều hơn 10% so vớ i thực tế, hệ số lỗi này khác nhau tùy theo t ừng tr ục. Hiện tượ ng ng trôi: lỗi trôi có thể cộng hay tr ừ một giá tr ị lỗi không đổi theo từng tr ục.

Hình 2.20 : Ảnh hưở ng ng của hard iron và soft iron gây ra như hình. anh lá cây: khi không có ảnh hưởng. anh dương: tác động của soft iron. Đỏ: tác

động của hard iron.

43

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

Từ hình trên ta có th ể th  t hấy soft iron gây biến dạng thành hình elip trên đồ th ị XY. Hard iron thêm offset làm lệch tâm. Hard iron và soft iron có th ể xảy ra

đồng thờ i.i. Để chuẩn hóa dữ liệu gây ra bở i hard iron thì ta cần loại bỏ offset khỏi dữ liệu đầu ra. Ta có:

                                         

Vớ i hr  là đầu ra của biến trong hệ tọa độ gắn vớ i cảm biến, S  M   là ma tr ận

đườ ng ng chéo tỷ l ệ, C  NO xác định từ sự không tr ực giao giữa các tr ục cảm biến, C SI  SI  là ma tr ận chuyển

đổi soft iron,

 là ma tr ận chuyển đổi từ hệ quy chiếu

trái đất sang hệ quy chiếu nền, h E  là từ trường trái đất, b HI  là hiệu ứng hard iron và b M  là giá tr ị offset từ nhà máy. Vi ết lại ta có:

Giá tr ị từ cảm biến có thể đượ c viết thành 1 phần phụ thuộc vào từ trườ ng ng trái

đất và môt phần là hằng số  offset, thay thế

bằng  M  và

 bằng b là đượ c: c:

Vớ i hb là từ trường trái đất trong hệ quy chiếu vật thể. Trong trườ ng ng hợ  p này,

do không phân biệt đượ c giữa giá tr ị offset do hard iron và offset của nhà sản xuất nên ta gộ p chung thành b. Các ảnh hưở ng ng của soft iron có thể đượ c tách thành tổ hợ  p của tỷ số lỗi và không thẳng, do đó có thể đượ c viết thành ma tr ận tam giác:

Hay là:

                              

Mục tiêu của việc chuẩn hóa là tìm 9 thông số chưa biết của phương trình trên.

Đặt bộ IMU trên mỗi 6 mặt của nó và so sánh k ết quả đo từ tr ục ục hướ ng ng lên trên vớ i thành phần thẳng đứng của từ trườ ng ng trái đất cho ta 6 phương trình.

44

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

Để so sánh thành phần của từ trườ ng ng nằm trên mặt phẳng nằm ngang hướ ng ng về ục, thì hướ ng  phía bắc vớ i từng tr ục, ng bắc s ẽ đượ c bi ết. Đo đây là mục tiêu chính của chúng ta nên ta phải coi như hướng là chưa biết, và không sử d ụng để so sánh tr ực tiế p vớ i k ết qu ả đo từ cảm biến. Tuy nhiên phương ngang chuẩn có thể đượ c biết và có thể dùng đẻ so sánh vớ i chuẩn của hai tr ục cảm biến nằm

ục y hướ ng trên mặt phẳng ngang. hi mà đặt khối IMU theo cách đó vớ i tr ục ng lên, ta có:

(  )          (  ())    ( ( )               )  (  )   Và:



 

Phương trình 2. có nhờ  so   so sánh k ết quả theo hướ ng ng y vớ i thành phần thẳng đứng của t ừ trường trái đất và phương trình đến từ việc so sánh chuẩn giá tr ị của k ết quả đo theo hướ ng ng x và z vớ i thành phần nằm ngang của từ trườ ng. ng.

ục y hướ ng Một phương trình khác có thể nhận đượ c nhờ  đo đạc khi đặt tr ục ng xuống. Tuy nhiên điều này không mang thêm thông tin nào khác theo mặ t  phẳng ngang, hai tr ục còn lại vẫn đo thành phần từ trường ngang. Lưu  r ằng  bộ IMU phải được đặt trên mặt ngang để thành phần từ trường đứng cân bằng

ục thì ta có 3 phương trình, cho vớ i thành phần đứng của tr ục vật thể. Vớ i 3 tr ục ta tổng cộng 9 phương trình để tìm ra 9 thông s ố chưa biết.

2.7.

Bộ lọ  lọc

2.7.1. Bộ lọ  lọc thông thấ thấp số số Mô hình đơn giản khi cho tín hiệu mẫu  x(k) và muốn lọc thông thấ p tín hiệu này để nhận đượ c tín hiệu y(k):

         

Thực hiến biến đối z  r   r ồi chuyển vế ta có hàm truyền đạt:

45

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

      

Một đặc trưng cơ bản để so sánh bộ lọc thông thấ p là hằng số thờ i gian τ ,

được định nghĩa là thời gian để đầu ra  y(k) ti ến đến giá tr ị (1-1/e) cho bở i tín -1 hiệu vào x(k) là hàm bướ c nhảy có biến đổi z  là  là  X(z)=1/(1-z   X(z)=1/(1-z   ). Phép lọc trong

miền thời gian tương đương vớ i phép nhân trong mi ền z , k ết quả là:

                         

Thực hiện biến đổi z ngượ c vớ i k ≥ 0:

Vớ i  y(k) bằng vớ i (1-1/e) và có mối quan hệ τ = kT  s vớ i T  s là thờ i gian lấy mẫu, ta có:

2.7.2. Bộ lọ  lọc bù Complementary Bộ lọc bù cơ bản đượ c thể hiện trong hình vớ i x và y là các tín hiệu bị nhiễu đo đượ c từ tín hiệu  z  và  và

̂

là là k ết qu ả ước lượ ng ng của  z  sau   sau khi lọc. Giả thiết răng

 x ở  t các nhiễu của  y hầu hết ở  t tần số cao và nhi ễu ở  x  tần số thấp. Do đó G(s) có  y . thể xem như bộ lọc thông thấp để lọc các thành phần nhiễu tần số cao ở  y

 Nếu G(s) là lọc thấ p, thì thì [1-G(s)]  là phần bù, là bộ lọc thông cao để loại bỏ các  x. nhiễu tần thấ p ở  x

Hình 2.21: Bộ lọc bù cơ bản

46

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

Việc sử dụng bộ lọc bù vào việc tính góc của bộ IMU lấy  tưở ng ng từ: + Sự thay đổi nhanh của cảm biến vận t ốc góc đáng tin cậy hơn giá trị từ cảm  biến gia tốc và từ trườ ng. ng.

 Để loại bỏ phân k ỳ do trôi góc của con quay hồi chuyển, sự hội t ụ ổn định của hệ thống cần sử dụng dữ liệu từ cảm biến gia tốc và từ trườ ng. ng.

                      

Ta có: Vớ i

 là  là góc tính toán,

 là  là góc của con quay hồi chuyển,

là góc từ cảm biến gia tốc, từ trườ ng, ng,  là hệ số.

Việc xác định hệ số  của bộ lọc ta cũng cần xác định đượ c hằng số thờ i gian τ  và thờ i gian lấy mẫu T  s.

Sơ đồ khối bộ lọc bù:

Hình 2.22: Sơ đồ khối lọc bù dùng 9 tr ục tự do

47

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

2.7.3. Bộ lọ  lọc Kalman Bộ lọc Kalmal là bộ lọc r ất hiệu quả trong việc d ự đoán các trạng thái nhiễu

không quan sát đượ c. c. Bộ lọc alman đượ c sử dụng trong các hệ th  t hống động, đã biết đối tượng đầu vào và việc đo đạc từ các cảm biến để dự đoán trạng thái của hệ thống. Đây là giải thuật phổ biến trong thuật toán xử lý hệ thống đa cảm biến.

⃗{ ⃗⃗⃗  ⃗   ⃗    

Mô hình cơ bản của một hệ thống động như sau:

Vớ i

 là nhi ễu quá trình và

 là  là nhiễu đo đạc. Bộ

lọc Kalman dựa trên hai bướ c: c:

ạng thái trước đó sử - Dự đoán: thực hiện việc dự đoán trang thái dựa trên tr ạng dụng ma tr ận chuyển đổi F.

⃗

- Cậ p nhật: cậ p nhật tr ạng thái sử dụng véc tơ quan sát . Thực hiện bộ lọc Kalman theo phương pháp Quaternion: Ta chọn tr ạng thái của hệ th ống vớ i các giá tr ị thành phần của quaternion, vớ i

  ⃗  ̇   ⃗ ⃗ ⃗  ̇ ⃗ 

q1 là phần thực, còn q2, q3 ,q4 là phần ảo của quaternion.

ự đoán: Quá trình d ự đoán:

hi đó mối quan hệ giữa vận tốc góc và các bi ến tr ạng thái quaternion:

ời  r ạc hóa vói thờ i gian lấy mẫu δt để dự đoán trạng thái của hệ thống: R ờ  Ta có dạng tổng quát của ma tr ận F

48

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

                                                                    

Để mô hình hóa véc tơ nhiễu quá trình  chúng ta dự đoán các biến của con ận Q được định nghĩa quay hồi chuyển trên mỗi tr ục và tính giá tr ị cho ma tr ận như sau:

               [ ] Giả thiết r ằng E[ω ]=0  (giá tr ị offset của con quay hồi chuyển đã đượ c tính và i

loại bỏ khỏi tín hiệu sao sao chỉ còn hiện tượ ng ng trôi r ất nhỏ, 0.1~0.2deg/s và

 E[ωi. ω j ]=0 vớ i mọi i≠j, ta có ma tr ận cải tạo hiệ p biến Q được đ ược tính như sau:

                      ⃗| ⃗| ⃗| ⃗ |

Tại thời điểm này, phương trình dự đoán có thể được xác định như công thức

dướ i,i, vớ i

là véc tơ dự đoán và

là đầu ra của bộ lọc ở  bướ   bướ c liền

trướ c (tr ạng ạng thái đã lọc):

Quá trình quan sát:

Quá trình quan sát bao gồm bốn thành phần của một quaternion, như là trạng thái của hệ thống lấy từ  tín hiệu gia tốc và từ trườ ng. ng. Để tính hướ ng ng quaternion sử dụng gia tốc và từ trườ ng ng thì một bài toán tối ưu hóa có thể đượ c giải quyết, đề có thể có quaternion tối thiểu hóa lỗi. Như một bài toán thườ ng ng 49

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

để tối thiểu hóa, có thể giải bằng phương pháp radiendt Descent hoặc Gauss Newton.  Newton.

Để giảm thiểu lỗi do nhiễu điện từ, cần phải bù từ trườ ng ng do việc chuẩn hóa cảm biến từ sẽ giúp ta tránh đượ c lỗi đo. Ma tr ận H là mẫu quan sát sẽ ánh xạ không gian tr ạng thái thực vào không

quan quan sát. Trong trườ ng ng hợp này, H đồng nhất do không gian tr ạng thái tương đồng vớ i không gian quan sát (chúng cùng là quaternion biểu diễn không gian định hướ ng ng 3 chiều hiện tại). Quá trình cậ p nhật:

⃗| ⃗ | ⃗| ⃗   ⃗|  | | |    

Ở  bướ c này bộ l ọc sẽ cậ p nhật tr ạng thái dự đoán

 sử dụng giá tr ị quan

sát. Vi ệc cậ p nhật đượ c thực hi ện nhờ  giá  giá tr ị trung bình của tổng tr ọng số cho trong công thức dướ i,i, vớ i K là hệ số tăng ích của bộ lọc Kalman:

Vớ i

|

 là dự đoán lỗi:

Mô hình tổng quát các khối của bộ lọc Kalman:

Hình 2.23: Sơ đồ khối lọc Kalman 50

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

CHƯƠNG 3. THIẾT THIẾT K Ế KHỐI  KHỐI ĐO LƯỜ NG NG QUÁN TÍNH IMU đồ khối ối đo lườ ng 3.1. Sơ đồ kh ng quán tính  Như đã đề đ ề cậ p ở chương ở chương 1, một khối đo lường quán tính cơ bả n gồm các cảm  biến gia tốc 3 tr ục, cảm biến góc quay 3 tr ục giao tiế p với vi điều khiển hoặc máy tính để thu thậ p, xử lý, tính toán các dữ liệu và góc quay, quãng đường…  Ngoài ra còn có các các cảm biến từ trường giúp định hướ ng, ng, cảm biến khí áp xác

định độ  cao và các bộ thu nhận tín hiệu định vị toàn cầu như PS, allieo, hông dây như F, bluetooth…  tùy theo Glonass, các bộ  thu nhận tín hiệu k hông mục đích ứng dụng. Sơ đồ khối đo lườ ng ng quán tính sử  dụng trong đồ án đượ c thiết k ế như hình dưới đây:

Hình 3.1: Thiết k ể sơ đồ khối IMU - Trung tâm là vi điều khiển sử dụng để k ế nối vớ i các cảm biến thu thậ p và tính toán. Các dữ liệu đầu ra đượ c gửi tớ i máy tính qua giao ti ếp UAT để mô  phỏng, xử lý.. - Các cảm biến đượ c sử dụng là các cảm biến gia tốc, từ trườ ng, ng, góc quay công nghệ MEMS. Các cảm biến k ết nối với vi điều khiển qua bộ chuyển đổi

tương tự - số ADC hoặc giao tiế p I2C, SPI tùy theo từng loại cảm biến.

51

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

- Nguồn nuôi khối IMU lấy từ cổng USB trên máy tính. - Chương trình nạp vào vi điều khiển thông qua trình soạn thảo và biên dịch Energia, mô phỏng qua openGL trên máy tính bằng Processing.

3.2. Lự a chọ chọn phầ phần cứ  cứ ng ng  Như đã phân tích ở  ph  phần trên, thành phần cơ bản của khối đo lườ ng ng quán tính gồm các cảm biến đượ c k ết nối với vi điều khiển, để thu thậ p và tính toán xử lý dữ liệu sau đó đượ c sử dụng vớ i các mục đích khác nhau như thu thậ p, mô  phỏng, điều khiển… Trong đồ án này, ta sẽ lựa chọn các thành phần cơ bản nhất của khối IMU là vi điều khiển và các cảm biến.

3.2.1. Vi điều điều khiể khiển Vi điều khiển (MCU- Microcontroller Unit) là một máy tính nhỏ  trên một mạch tích hợp đượ c sử dụng để điều khiển các thiết bị điện tử, nó bao gồm

ớ  và các mô đul vào ra lập trình đượ c. nhân xử lý, bộ nhớ và c. Có r ất nhiều các nhà sản xuất vi điều khiển như  ST, NXP, Texas Instruments, Atmel, Microchip,

enesas, Freescale… với các dòng vi điều khiển khác nhau, sử d ụng các kiến trúc, tích hợ  p các công nghệ, thành phần vào ra, k ết nối khác nhau. Trong đó nổi b ật là hãng Texas Instruments với các dòng vi điều khiển chất lượ ng ng cao,

ổn định, giá thành tốt như MSP430, Stellaris, C2000, Hercules đượ c sử d ụng r ộng rãi trong các ứng dụng như điều khiển công nghiệ p, y tế, dân dụng…. Đồ án này sử dụng vi điều khiển Stellaris LM4F120H5Q đượ c tích hợ  p trên nền tảng phát triển giá r ẻ  Stellaris® LM4F120 LaunchPad của hãng Texas Instruments với các tính năng sẽ đượ c giớ i thiệu dưới đây. Kit phát triển Stellaris® LM4F120 LaunchPad là nền tảng phát triển giá r ẻ

dành cho vi điều khiển dựa trên AM® Cortex™-M4F từ  hãng Texas Instruments. Thiết k ế của Stellaris Launchpad n ổi bật với vi điều khiển LM4F120H5QR tích hợ  p k ết nối USB 2.0 và chế độ ngủ đông hibernate.

52

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

Kit EK-LM4F120XL tích hợ  p các nút bấm lập trình được và đèn led  cho các ứng dụng tùy chọn. Các đầu cắm mở  r ộng của board Stellaris Launchpad LM4F120 cho phép k ết nối vớ i các phần mở  r   r ộng BoosterPacsks m ột cách dễ

dàng và đơn giản. Vớ i số lượ ng ng cổng I/O nhi ều, tích hợ  p các k ết nối USB 2.0, UART, I2C, SPI sẵn trên một vi điều khiển nền tảng AM® Cortex™-M4F,

đi kèm vớ i bộ phần mềm hỗ tr ợ  ợ  từ Texas Instruments cho phép nhà phát tri ển rút ngắn thờ i gian phát triển.

Hình 3.2a, b: Kit phát triển Stellaris Launchpad

Các tính năn g chính: chính: 53

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

 Vi điều khiển Stellaris® LM4F120H5QR + K ết nối Micro-USB chu ẩn B cho USB Device

 Đèn LED  + Hai nút bấm cứng (ứng dụng/đánh thức)

 Các đầu ra I/O. + Mạch gỡ  l lỗi Stellaris (Onboard Stellaris In-Circuit Debug Interface –  ICDI).  ICDI). + Công tắc lựa chọn nguồn: ICDI và USB Device. + Nút bấm RESET. + Ứ ng ng dụng cài sẵn điều khiển led RGB.

ở  phần mềm StellarisWare® (nay là TivaWare®) bao g ồm thư viện + Hỗ tr ở  US và các thư viện điều khiển khác. ợ các + Hỗ tr ợ   các phần mở  r   r ộng Stellaris® LM4F120 Launchpad BoosterPack XL.  Điện áp hoạt động: 4.75 –  5.25  5.25 VDC.  ích thước: 2.0” x 2.25” x 0.0425” (LxxH) (LxxH) + Hợ  p chu chuẩn RoHS.

Sơ đồ khố i: i:

54

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

Hình 3.3: Sơ đồ khối kit phát triển Stellaris Launchpad

Vi điều khiển Stellaris LM4F của hãng Texas Instrument là vi điều khiển 32  bit dựa trên kiến trúc ARMv7E-M hiệu năng cao vớ i tốc độ lên đến 80MHz đi kèm vớ i bộ xử lý số thực d ấu phẩy động FPU, tích hợ  p bộ nhớ  RAM,   RAM, Flash,

ộng và các tính năng nâng cao khác cho phép EEPROM, các cổng k ết nối mở  r   r ộng sử dụng vào nhiều ứng dụng khác nhau.

55

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

Hình 3.4: Sơ đồ khối dòng vi điều khiển TI Stellaris LM4F

Các tính năng của vi điề u khiể n Stellaris LM4F120H5QR: + Vi xử lý lõi ARM Cortex-M4F. + Tốc độ tối đa 80MHz, hiệu năng lên đến 100DMIPS.

ớ Flash đơn chu kỳ. + 256KB bộ nhớ Flash ớ SAM đơn chu k ỳ. + 32KB bộ nhớ SAM + 2KB bộ nhớ  EEPROM.  EEPROM. 56

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

+ Bộ nhớ  ROM  ROM nội đã đượ c nạ p sẵn phần mềm StellarisWare®. + 8 k ết nối UART.

 4 mô đun SSI. SSI.  4 mô đun I2C I2C tốc độ cao. + Bộ điều khiển CAN 2.0 A/B. + Một k ết nối USB 2.0 full-speed ch ế độ Device. + Bộ điều khiển µDMA ARM PrimeCell 32 kênh cấu hình đượ c. c. + 6 khối 16/32bit GPTM và 6 khối 32/64 bit Wide GPTM. + Hai bộ định thờ i watchdog.

 Mô đun ngủ đông cho chế độ tiết kiệm năng lượ ng. ng. + 6 khối GPIO vật lý vớ i tổng số 43 chân.

 Hai mô đun chuyển đổi tương tự -số ADC 12 bit vớ i tần số lấy mẫu đến 1 triệu mẫu/giây. + Tích hợ  p hai bộ so sánh tương tự độc lậ p. + Bộ so sánh số 16 bit. + Một mô đun JTA tích hợ  p ARM ARM SWD.

 Đóng gói LQFP64.  Điện áp hoạt động 3.0-3.6V. + Nhiệt độ hoạt động: chuẩn mức công nghiệ p -40ºC đến 85ºC.

Sơ đồ khố i: i:

57

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

Hình 3.5: Sơ đồ khối vi điều khiển Stellaris LM4F120H5QR

3.2.2. Cảm biế biến Hiện nay có r ất nhiều các cảm biến gia tốc, góc quay và t ừ trườ ng ng do nhiều hãng sản xuất như ST, osch, Freescale, Analog Devices, Honeyell,

Invensense… vớ i các công nghệ, tính năng k hác hác nhau cho từng mục đích, nhu cầu khác nhau. Các cảm biến này thườ ng ng có hai loại đầu ra phổ biến là tín hiệu

điện áp tương tự hoặc tín hiệu số. Các cảm biến cho đầu ra là điện áp tương tự thì cần đến bộ chuyển đổi tương tự - số ADC để chuyển đổi thành các giá tr ị số mà vi điều khiển hiểu được. Trong khi đó các cảm biến có đầu ra số sử dụng các chu ẩn giao tiếp như I2C, SPI, UAT… để  giao tiế p với vi điều khiển. Trong báo cáo này sử d ụng hai cảm biến là MPU6050 6 tr ục tích hợ  p

58

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

cảm biến gia tốc và cảm biến góc của hãng Invensense và cảm biến từ trườ ng ng 3 tr ục HMC5883L của hãng Honeywell, hai cảm bi ến này có những ưu điểm so vớ i các cảm biến khác trên thị thường như: - Cảm biến MEMS chất lượ ng ng cao. - Tích hợ  p bộ ADC nội cho tín hi ệu đầu ra số. - Sử dụng chuẩn giao tiế p hai dây dây I2C tốc độ cao, dùng ít chân vi điều khiển. - Tiêu thụ ít năng lượng, ngoài ra còn đượ c tích hợp các tính năng nâng cao khác. - Giá thành r ẻ, phổ biến và dễ mua. Cảm biến MPU6050 là thiết bị đầu tiên tích hợ  p cảm biến chuyển động theo 6 tr ục dùng công nghệ MEMS, bao gồm 3 tr ục con quay hồi chuyển, 3 tr ục gia tốc k ế và bộ xử lý chuyển động số (Digital Motion Processor  –  DMP)   DMP) đóng gói vào một chip kích thướ c 4x4x0.9mm. K ết hợ  p với đườ ng ng truyền I2C phụ cho phép lấy dữ liệu tr ực tiế p từ một cảm biến từ 3 tr ục gắn thêm cho phép tính toán chuyển động dựa theo 9 tr ục.

Hình 3.6a, b: Cảm biến gia tốc và gyroscope 6 tr ục MPU6050

Các đặc tính k  ỹ  thu  thuật: - Con quay hồi chuyển gyroscope:

59

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

+ Dữ li ệu đầu ra góc quay số theo 3 tr ục X, Y, Z vớ i kh k hả năng thay đổi t ỷ l ệ ±250, ±500, ±1000, ±2000º/sec

ợ  đồng bộ hình ảnh, + K ết n ối đồng bộ tính hiệu ngoài qua chân FSYNC hỗ tr ợ đồ video, GPS. + Bộ chuyển đổi tương tự - số ADC 16 bit. + Ổn định nhiễu nhiệt, giảm việc chuẩn hóa thủ công. + Cải thiện khả năng chống nhiễu tần số thấ p. + Bộ lọc thông thấ p số lập trình đượ c. c. + Dòng khi hoạt động: 3.6mA. + Dòng khi trong tr ạng thái nghỉ: 0.5µA

 Đã chuẩn hóa hệ số tỷ lệ từ nhà máy. + Chế độ tự kiểm tra. - Gia tốc k ế accelerometer + Dữ liệu đầu ra theo 3 tr ục vớ i hệ số tỷ lệ thay đổi đượ c ±2g, ±4g, ±8g, ±16g.

ời.i . + Bộ chuyển đổi tương tự - số ADC 16 bit lấy mẫu không cần bộ ADC r ờ  + Dòng khi hoạt động: 500µA. + Chế độ hoạt động tiết kiệm năng lượ ng: ng: 10µA ở  1.25Hz,  1.25Hz, 20µA ở  5Hz,  5Hz, 60µA

ở  20Hz,  20Hz, 110µA ở  40Hz.  40Hz. + Phát hiện quay + Phát hiện chạm + Lập trình đượ c ngắt. + Ngắt High-G. + Chế độ tự kiểm tra. - Các đặc tính khác: + Bộ xử lý chuyển động 9 tr ục.

 Đườ ng ng I2C phụ cho phép đọc dữ liệu từ sensor phụ (như cảm biến từ) + Dòng tiêu thụ 3.9mA khi đọc 6 tr ục và bật DMP.

 Điện áp hoạt động: 2.735V –  3.46V.  3.46V.  ích thước đóng gói nhỏ, QFN 4x4x0.9mm. + Bộ đệm FIFO 1024 byte. 60

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

+ Cảm biến nhiệt đầu ra số. + Lập trình đượ c bộ lọc số cho cảm biến gyroscope, gia tốc k ế và nhiệt độ. + Chống sốc lên đến 10,000g.

ợ k  + Hỗ tr ợ   k ết nối I2C 400kHz Fast Mode. + Công nghệ MEMS. + Hợ  p chu chuẩn RoHs và Green.

ở  ddị hướ ng Cảm biến HMC5883L đượ c trang bị công nghệ từ điện tr ở  ng của công ty Honeywell cung cấ p những ưu điểm so vớ i các công ngh ệ cảm biến từ khác. Các cảm biến dạng r ắn vớ i nhiễu tr ục giao thấp đượ c thiết k ế để đo lườ ng ng cả

hướng và độ lớ n của từ trường trái đất từ mili-gauss lên đến 8 gauss. Các tính năng: + Cảm biến từ ba tr ục và mạch ASIC được đóng gói dạng QFN kích thướ c 3x3x0.9mm + B ộ chuyển đối tương tự - số ADC 12 bit cho phép đo đạc bướ c nhảy 2 miligauss trong từ trườ ng ng ±8 Gauss. + Tích hợ  p chế độ tự kiểm tra.

 Điện áp hoạt động 2.16 –  3.6V  3.6V và dòng tiêu thụ thấ p: 100µA. 100µA. + Tích hợ  p mạch điều khiển Strap Drive + Giao tiế p I2C.

 Đóng gói không chì. + Phạm vi từ trường đo lớ n (±8 Oe).

ợ ph + Hỗ tr ợ   phần mềm và thuật toán. + Tốc độ đầu ra lên đến 160 Hz.

61

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

Hình 3.7: Module cảm biến HMC5883L

3.3. Giao tiế tiếp I2C và UART 3.3.1. Giao tiế tiếp I2C I2C là viết tắt của từ  Inter-Integrated Circuit là một chuẩn truyền thông do

hãng điện tử Philips Semiconductor sáng lậ p và xây dựng thành chuẩn năm năm 2007. 1990. Phiên bản mớ i nhất của I2C là V3.0 phát hành năm Một giao tiế p I2C gồm có 2 dây: Serial Data (SDA) và Serial Clock (SCL).

SDA là đườ ng ng truyền dữ liệu theo hai hướng, còn SCL là đườ ng ng truyền xung đồng hồ theo một hướ ng. ng. Khi một thiết bị ngoai vi k ết nối vào đườ ng ng SCL. Một hệ thống I2C bao gồm hai thành phần: Master và Slave. Do một đườ ng ng truyền I2C có thể k ết nối nhiều thiết bị nên ta cần phân biệt chúng bằng địa chỉ. - Thông thườ ng ng trên bus I2C chúng ta sẽ có một chip vi điều khiển đóng vai trò master (đóng vai trò điều phối thông tin).

62

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

- Trên bus I2C các cảm biến, bộ nhớ  ngoài,   ngoài, adc,…. thườ ng ng đóng vai trò là slave, trên bus I2C có thể có nhiều con slave

Cách đặt địa chỉ cho thiết bị có k ết nối I2C: - Ở đây ta chỉ quan tâm cách đặt địa chỉ 7 bit - Có thể có 128 thiết bị trên đườ ng ng truyền,do có 16 địa chỉ đượ c dự tr ữ nên chỉ có tối đa 112 thiết bị trên đườ ngg ngg truyền - Trên bus I2C ko thể k ết nối 2 thiết bị có cùng địa chỉ. Chế độ và tốc độ hoạt động - Chế độ hoạt động: + Một master –  M  Một slave. + Một master –  Nhi  Nhiều slave. + Nhiều master –  Nhi  Nhiều slave. - Tốc độ hoạt động: + Chế độ chậm: 10 kbit/s k bit/s.. + Chế độ cơ bản: 100 kbit/s. + Chế độ nhanh 1: 400 kbit/s. + Chế độ nhanh 2: 1 Mbit/s. + Chế độ tốc độ cao: 3.4 Mbit/s. Vai trò của master và slave trong giao ti ế p I2C - Vai trò của master + Giữ vai trò điều khiển Bus I2C. + Tạo xung Clock ( SCL) trong suốt quá trình giao tiế p. + Tạo các tín hiệu Start bắt đầu quá trình truy xuất. + Phát địa chỉ của thiết bị Slave cần truy xuất. + Gửi tín hiệu R/W tớ i Slave. + Truyền dữ liệu tớ i thiết bị Slave. + Nhận dữ liệu từ Slave. + Tạo tín hiệu Not-ACK khi k ết thúc nhận từ Slave. + Tạo tín hiệu Stop k ết thúc quá trình truy xuất. - Vai trò của slave 63

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

+ Nhận địa chỉ  và bit R/W từ  Master (Chỉ “Hồi đáp” khi đúng địa chỉ của Slave) . + Nhận dữ liệu từ Master gửi bit ACK sau mỗi 8 Clock. + Thực hiện chức năng chuyên dụng của khối thiết bị ngoại vi ( RAM,

EEPOM, ADC,DAC ngoài…). Quá trình truyền dữ liệu trên bus i2c - Chế độ truyền dữ liệu: +Để bắt đầu truyền dữ liệu master kéo dây SDA xu ống mức 0 trong khi SCL ở  mức 1. + Sau khi SDA xu ống mức 0 một khoảng thờ i gian ngắn thì SCL cũng xuống mức 0 và bắt đầu quá trình truyền dữ liệu. +Dữ liệu đượ c truyền trên bus I2C theo từng bit tại mỗi cạnh lên của xung Clock. + Để k ết thúc truyền dữ liệu master kéo dây SDA xu ống mức 0 trong khi SCL

ở  m  mức 1. Quá trình đọc dữ liệu trên bus I2C - Khung truyền

Hình 3.8: Khung truyền đọc dữ liệu trên bus I2C - Giải thích khung truyền : + Master gửi tín hiệu start. + Master gửi 7 bit địa chỉ thiết bị slave và bit write(bit 0) cu ối cùng. + Slave nhận đượ c 8 bit ở  trên  trên thi gửi tr ả tin hiệu AK(bit 0) 64

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

+ Master nhận đượ c tín hiệu AK thì master gửi di 8 bit địa chỉ c ủa thanh ghi có trong con slave. + Sau khi nhận 8 bit địa chỉ thi slave gửi tr ả bit AK + Sau khi nhận bit AK master gửi tin hiệu restart r ồi gửi lại địa chỉ thiết bị một lần nữa cùng bit read(bit 1). + Sau khi nhận 8 bit trên thi slave g ửi tr ả  bit A và ngay sau đó gửi 8 bit data. + Nếu master muốn đọc tiế p dữ liệu thì sẽ gửi tiế p bit AK và và slave se gửi tiế p

ở trướ c nữa. 8 bit luôn mà ko cần tín hiệu AK ở trướ  + Nếu ko muốn đọc dữ liệu nữa thì master sẽ gửi bit NA(bit 1)sau đó gử i tín hiệu stop. Quá trình ghi dữ liệu trên bus I2C - Khung truyền

Hình 3.9: Khung truyền ghi dữ liệu trên bus I2C - Giải thích khung truyền : + Master gửi tín hiệu start. + Master gửi 7 bit địa chỉ thiết bị slave và bit write(bit 0) cu ối cùng. + Slave nhận đượ c 8 bit ở  trên  trên thi gửi tr ả tin hiệu AK(bit 0) + Master nhận đượ c tín hi ệu AK thì master gửi di 8 bit đị a chỉ của thanh ghi có trong con slave. + Sau khi nhận 8 bit địa chỉ thi slave gửi tr ả bit AK. + Sau khi nhận bit AK master gửi đi 8 bit dữ liều cần ghi. 65

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

+ Sau khi nhận 8 bit dữ liệu slave sẽ gửi lại bit A để xác định đã nhận dữ liệu. + Nếu muốn ghi tiế p thi master master gửi tiế p 8 bit, còn nếu muốn k ết thúc thì master gửi tín hiệu stop(SP).

3.3.2. Giao tiế tiếp UART Thuật ngữ UAT trong tiếng anh là viết tắt của cụm từ: Universal Asynchronous serial eveiver and Transmitter, nghĩa là bộ truyền nhận nối tiếp không đồng bộ. Cần chú  rằng khái niệm UAT thường để chỉ thiết bị  phần cứng (device, (device, hardare), không phải phải chỉ một chuẩn giao tiếp. UAT UAT cần  phải kết hợp với một một thiết bị chuyển chuyển đổi mức điện áp để tạo ra một chuẩn giao giao tiếp nào đó. Ví dụ, chuẩn S232 (hay COM) trên các máy tính cá nhân là sự kết hợp của chip UAT và chip chuyển đổi mức điện áp. Tín hiệu từ chip UAT thường theo mức TTL: mức logic HIGH là 3.3V và mức LOW là 0V. Trong khi đó, tín hiệu chuẩn S232 trên máy tính cá nhân thườ ng ng là (-3, 12V) cho mức HIGH và (+3, +12V) cho mức LOW (hình)

Hình 3.10: Mức điện áp chuẩn RS232 và UART

66

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng Truyề n thông nố i tiế   p: dữ liệu

đượ c truyền từng bit trên m ột ( hoặc một ít)

đườ ng ng truyền. Tuy nhiên nó có hạn chế là tốc độ truyền và độ chính xác của dữ liệu khi truyền và nhận. Vì dữ liệu cần đượ c chia nhỏ thành từng bit khi truyền/nhận, tốc độ truyền sẽ bị giảm. Mặt khác, để đảm bảo tính chính xác của dữ liệu, bộ  truyền và bộ nhận cần có những “thỏa hiệp” hay tiêu chuẩn nhất định. Truyền thông không đồng bộ chỉ cần một đườ ng ng truyền cho một quá trình. Khung dữ li ệu đã đượ c chuẩn hóa bở i các thiết bị nên không cần đườ ng ng xung nhịp báo trướ c dữ liệu đến. Ví dụ  2 thiết bị đang giao tiế p vớ i nhau theo

 phương pháp này, chúng chúng đã đượ c thỏa thuận vớ i nhau r ằng cứ 1ms thì sẽ có 1  bit dữ liệu truyền đến, như thế thiết bị nhận chỉ cần kiểm tra và đọc đườ ng ng truyền mỗi mili-giây để đọc các bit dữ li ệu và sau đó kết hợ  p chúng lại thành dữ liệu có  nghĩa. Truyền thông nối tiếp không đồng bộ vì thế hiệu quả hơn truyền thông đồng bộ (không cần nhiều đườ ng ng truyền). Tuy nhiên, để quá trình truyền thành công thì việc tuân thủ các tiêu chu ẩn truyền là hết sức quan tr ọng.

ọng trong phương pháp truyền thông Ta sẽ tìm hiểu về các khái ni ệm quan tr ọng này. - Baud rate (tốc độ Baud): như trong ví dụ trên về việc truyền 1 bit trong

1ms, bạn thấy rằng để việc truyền và nhận không đồng bộ xảy ra thành công thì các thiết bị tham gia phải “thống nhất” nhau về khoảng thời dành cho 1 bit truyền, hay nói cách khác tốc độ truyền phải được cài đặt như nhau trước, tốc độ này gọi là tốc độ aud. Theo định nghĩa, tốc độ baud là số bit truyền trong 1 giây. Ví dụ nếu tốc độ baud được đặt là 19200 thì thời gian dành cho 1 bit truyền là 1/19200 ~ 52.08 52 .083us. 3us. - Frame (khung truyền): do truyền thông nối tiếp mà nhất là nối tiếp không

đồng bộ rất dễ mất hoặc sai lệch dữ liệu, quá trình truyền thông theo kiểu này  phải tuân theo một một số quy cách nhất định. ên ên cạnh tốc độ baud, khung truyền truyền là một yếu tốc quan trọng tạo nên sự thành công khi truyền và nhận. hung truyền bao gồm các quy định về số bit trong mỗi lần truyền, các bit “báo” như

67

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

 bit Start và bit Stop, các bit kiểm tra như Parity, ngoài ra số lượng các bit trong một data cũng được quy định bởi khung truyền. - Start bit: start là bit đầu tiên được truyền trong một frame truyền, bit này có

chức năng báo cho thiết bị nhận biết rằng có một gói dữ liệu sắp được truyền tới. - Data: data hay dữ liệu cần truyền là thông tin chính mà chúng ta cần gởi và

nhận. Có thể quy định số lượng bit của data là 5, 6, 7, 8 hoặc 9 (tương tự cho hầu hết các thiết bị hỗ trợ UAT khác). Trong truyền thông nối tiếp UAT,  bit có ảnh hưởng nhỏ nhất nhất (LS – Least –  Least Significant it, bit bên phải) của data sẽ được truyền trước và cuối cùng là bit có ảnh hưởng lớn nhất (MS –  Most  Most Significant Bit, bit bên trái).

bit:  parity là bit dùng kiểm k iểm tra dữ liệu truyền đúng không (một cách - Parity bit: parity tương đối). Có 2 loại parity là parity chẵn (even parity) và parity lẻ (odd  parity). Parity chẵn nghĩa là số lượng số 1 trong dữ liệu bao gồm bit parity luôn là số chẵn. Ngược lại tổng số lượng các số 1 trong parity lẻ luôn là số lẻ.

Ví dụ, nếu dữ liệu là 10111011 nhị phân, có tất cả 6 số 1 trong dữ liệu này, nếu parity chẵn được dùng, bit parity sẽ mang giá trị 0 để đảm bảo tổng các số 1 là số chẵn (6 số 1). Nếu parity lẻ được yêu cầu thì giá trị của parity bit là 1. Parity bit không phải là bit bắt buộc và vì thế chúng ta có thể loại bit này khỏi khung truyền. - Stop bits: stop bits là một hoặc các bit báo cho thiết bị nhận rằng một gói dữ

liệu đã được gởi xong. Sau khi nhận được stop bits, thiết bị nhận sẽ tiến hành kiểm tra khung truyền để đảm bảo tính chính xác của dữ liệu. Stop bits là các  bits bắt buộc xuất hiện trong khung truyền. Trong ví dụ ở hình 1, có 2 stop  bits được dùng cho khung truyền.iá trị của stop bit luôn là giá trị nghỉ (Idle) và là ngược với giá trị của start bit. 3.4. Bộ lọc ộ lọc được sử dụng dưới đây là bộ lọc thông thấp cho giá trị gia tốc và bộ lọc  bù Compleme Complementary ntary để xác định góc Euler. 68

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

CHƯƠNG 4. KẾT KẾT QUẢ QUẢ 4.1. Hình ảnh phầ phần cứ  cứ ng ng

Hình 4.1a: Hai module cảm biến gắn trên board thử Bên trái là module GY-521 gắn sẵn cảm biến MPU6050 3 tr ục gia tốc và 3 tr ục con quay hồi chuyển. Đầu ra bao gồm các chân ngu ồn (Vcc, GND), k ết nối I2C với vi điều khiển (SCL, SDA), k ết nối I2C phụ (XDA, XCL) cho phép k ết nối thêm vớ i cảm biến ngoài như từ trườ ng ng (ở  đây là cảm biến HMC5883L), chân chọn địa chỉ AD0 (không k ết nối hoặc nối đất thì địa chỉ là 0x68, nếu nối với Vcc 3.3V thì địa chỉ là 0x69, điều này cho phép k ết nối lên

đến 2 cảm biến MPU6050 MPU6050 trên cùng 1 đườ ng ng bus I2C) và chân ngắt INT. Bên phải là module gắn cảm biến từ trườ ng ng 3 tr ục HMC5883L. Các chân ra nguồn (Vcc, ND), đườ ng ng bus I2C (SDA, SCL –  có  có thể đượ c k ết nối vớ i chân

69

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

XDA, XCL của MPU6050 hoặc k ết nối tr ực tiếp vào đườ ng ng truyền I2C) và chân ngắt DRDY. Cả hai module cảm biến đều đượ c tích hợ  p sẵn IC ổn áp nguồn giúp hoạt động

ổn định và các thành phần cơ bản như điện tr ở  ở,  tụ điện, đèn báo và đượ c ký hiệu các tr ục cảm biến như trên hình. Ngu ồn cấ p cho khối c ảm bi ến đượ c lấy từ đầu ra 3.3V trên bo Stellaris Launchpad. Bus I2C của khối cảm biến k ết nối vớ i khối I2C thứ 3 (chân PD0, PD1) tích h ợp trên vi điều khiển .

Hình 4.1b: Mô hình k ết nối qua bus I2C phụ.

Hình 4.1c: Khối cảm biến IMU vớ i bus I2C của module HMC5883L đượ c gắn vớ i bus I2C phụ của module MPU6050.

70

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

Hình 4.1d: Khối cảm biến IMU khi hoạt động

Hình 4.2: Khối cảm biến IMU và kit Stellaris Launchpad.

71

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

4.2. Xử  lý  lý dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  cả  cảm biế biến gia tố tốc Để xác định các offset trôi của cảm biến, khi khở i chạy ban đầu ta sẽ lấy trung  bình của vài trăm mẫu giá tr ị khi đặt cảm biến nằm yên. Tìm góc nghiêng pitch và roll từ cảm biến gia tốc:

Hình 4.3: Tìm góc nghiêng pitch, roll Do cấu tạo cảm biến gia tốc nhạy vớ i những va chạm nhỏ nên trướ c khi tính toán ta cần xử lý bằng bộ lọc thông thấp để giảm thiểu ảnh hưở ng. ng. Vớ i: i:

               

xong, ta đưa các giá trị tr ị vào để tìm góc nghiêng pitch và roll của hệ Sau khi lọc xong, thống:

√     √     72

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

4.3. Xử  lý  lý dữ  dữ  liệ  liệu cả cảm biế biến từ  từ trườ  trườ ng ng Việc chuẩn tắc hóa (normalize) dữ liệu của c ảm bi ến từ đượ c thực hi ện bằng công thức:

                

Sau khi đã chuẩn tắc hóa, như trình bày ở  trên ta đã xác định đượ c góc nghiêng nhờ  đến cảm biến gia tốc. Bây giờ  ta sẽ xác định góc xoay theo

 phương ngang (a) theo cảm bi ến từ trường. Cách xác định đượ c trình bày như sau:

                                                       -

 ,  ,

 ,  ,

 là hình chiếu của vector cường độ t ừ trườ ng ng B lên các tr ục tọa

độ tương đối và

 ,  ,

 ,  ,

là hình là các giá tr ị đo đượ c trong hệ tọa độ

tuyệt đối.

- Trong hệ tọa độ này, góc yaw sẽ đượ c tính như sau:

- Vớ i: i:

- Do arctan có giá tr ị t ừ [-π/2;π/2] nên ta có thể xác định hướ ng ng dựa theo giá tr ị

 và

như sau:

<0,

>0 và

<0,

73

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

         >0 và

>0,

=0 và

<0,

=0 và

>0,

4.4. Xử  lý  lý dữ  dữ  liệ  liệu cả cảm biế biến góc quay Do con quay hồi chuyển bị ảnh hưở ng ng nhiều bở i trôi theo thờ i gian dài, nên ta cần phải xác định hệ số trôi của cảm biến bằng cách để yên cảm biến khi khở i chạy chương trình và lấ y mẫu các giá tr ị của con quay hồi chuyển r ồi tính trung bình của chúng. Việc bù offset được xác định bằng:

                     

Dữ liệu ra của con quay hồi chuyển là vận tốc góc nên để xác định góc quay ta  phải tích phân theo th ờ i gian.

4.5. Bộ lọ  lọc bù Ta sử dụng bộ lọc bù để xác định góc quay yaw, pitch, roll của vật thể: Vớ i góc hệ số:

             

Dữ liệu góc từ cảm biến gia tốc, từ trườ ng ng sẽ đượ c lọc thông thấp để loại bỏ các ảnh hưở ng ng của sự thay đổi nhanh còn dữ liệu góc từ cảm biến góc quay

đượ c lọc thông cao để loại bỏ lỗi tích lũy theo thờ i gian.

74

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

4.6. Lưu đồ thu đồ thuậật toán

Hình 4.4: Lưu đồ thuật toán.

75

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

4.7. K ết quả quả tính toán và mô phỏ phỏng Đồ thị so sánh:

Hình 4.5a: So sánh góc quay roll theo tr ục x, giữa k ết quả do cảm biến gia tốc

(màu đỏ) và k ết quả của bộ lọc bù (màu đen).

Hình 4.5b: Góc quay theo tr ục x phóng to khi không di chuyển cảm biến.

76

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

Hình 4.6: góc quay pitch theo tr ục y tính từ cảm biến gia tốc (tím) và bộ lọc bù

(xanh dương). Từ hình trên ta nhận thấy góc cho bở i cảm biến gia tốc r ất nhạy vớ i rung, lắc của môi trườ ng ng ngoài, việc áp dụng bộ lọc bù vớ i k ết hợ  p của cảm biến góc quay sẽ cho ta góc quay ổn định hơn.

a

77

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

 b

c

d Hình 4.7a, b, c, d: K ết quả mô phỏng trên phần mềm Processing

78

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

Ta nhận thấy góc tính bằng cảm biến gia tốc có đáp ứng nhanh hơn vớ i sự thay đổi vị trí của vật thể, tuy nhiên lại nhạy vớ i các va chạm, rung lắc nhẹ như đã so sánh ở  trên. Còn góc tổng hợ  p bằng bộ lọc bù cho ta đáp ứng chậm hơn nhưng giảm thiểu

đượ c các ảnh hưở ng ng của va chạm, rung lắc nhẹ từ môi trườ ng ng bên ngoài.

79

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

Chương Chương 5. 5 . KẾT KẾT LUẬ LUẬN Cùng vớ i sự phát triển của công nghệ vi điện tử, các cảm biến MEMS ngày

ở nên càng tr ở   nên phổ biến, r ẻ và đượ c ứng dụng vào nhiều lĩnh vực trong cuộc sống như điện tử tiêu dùng, điện tử y tế, điện tử công nghiệp, hàng không vũ

ụ… mà các cảm biến gia tốc, góc quay và từ trườ ng tr ụ… ng là những cảm biến có thể tìm thấy trong bất k ỳ thiết bị di động thông minh smartphone, tablet nào. Việc tìm hi ểu về các cảm biến và ứng dụng các cảm biến trong việc định vị giúp ta có thể thiết k ế các tương tác, mô phỏng giữa hoạt động của con ngườ i với các trò chơi, các hoạt động thể thao hay các chương trình vật lý tr ị liệu. Do các cảm biến có thể cảm nhận, tính toán, xử lý các chuyển động r ất nhỏ nên nó có thể k ết hợ  p vớ i các bộ thu nhận chuyển động bằng hình ảnh giúp mô phỏng chính xác các hoạt động của vật thể. Nó sẽ là một hướng đi triển vọng trong

các chương trình vật lý tr ị liệu, góp phần giúp các bác sĩ chuẩn đoán, dự báo, đánh giá chính xác hơn hiệu quả của chương trình vật lý tr ị liệu vớ i bệnh nhân. Các vấn đề đã tìm hiểu: - Hệ thống định vị quán tính INS, nguyên tắc hoạt động và cấu tạo. - Khối đo lườ ng ng quán tính và các c ảm biến sử dụng trong đó. - Các hệ tọa độ, góc Euler, quaternion, cách chuyển đổi. - Cảm biến, nguyên lý, cấu tạo và các sai số. - Lý thuyết các bộ lọc. - Áp dụng các phần lý thuyết để thiết k ế khối đo lườ ng ng quán tính và sử dụng

để tính toán tìm góc Euler. Các vấn đề còn tồn tại và hướng đi trong tương lai: - Các giá tr ị của cảm biến vẫn chưa đượ c chuẩn hóa một cách chính xác,

chưa có mẫu tham chiếu để đánh giá tính đúng đắ n của việc đo đạc, xử lý. - Việc tìm vị trí của vật thể vẫn còn nhiều vấn đề chưa đượ c xử lý chính xác

để giảm sai số.

80

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

- Việc áp dụng các bộ lọc khác nhau để so sánh, tối ưu bộ lọc cho từng ứng dụng. - Việc k ết hợ  p bộ thu nhận tín hi ệu định vị vệ tinh GPS trong việc định vị hàng hải hay bộ thu nhận xử lý hình ảnh trong các chương trình tương tác, mô  phỏng. - Việc k ết hợ  p với các module không dây như F, igbee, luetooth tạo thành mạng lướ i sensor node, gắn nhiều các khối đo lường để xác định, mô  phỏng chuyển động của cơ thể.

81

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

TÀI LIỆ LIỆU THAM KHẢ KH ẢO: [1]

Kurt Seifert and Oscar Camacho, AN3397 - Implementing Positioning

Algorithms Using Accelerometers, rev0, 02/2007. [2]

Kimberly Tuck, Tu ck, AN3461 - Tilt Sensing Using Linear Accelerometers,

rev2, 06/2007. [3]

Mark Pedley, AN3461 - Tilt Sensing Using a Three-Axis

Accelerometer, rev 6, 03/2013. [4]

Talat Ozyagcilar, AN4246 - Calibrating an eCompass in the Presence

of Hard and Soft-Iron Interference, rev3, 04/2013. [5]

Talat Ozyagcilar, AN4248 - Implementing a Tilt-Compensated

eCompass using Accelerometer and Magnetometer Sensors, rev3, 01/2012. [6]

Mark Pedley, AN4399 - High Precision Calibration of a Three-Axis

Accelerometer, rev1, 01/2013. [7]

STMicrolectronics, AN3182 - Tilt Measurement Measurement Using A Low-g 3-

Axis Accelerometer, rev1, 04/2010. [8]

Michael J. Caruso, Caru so, Applications of Magnetic Sensors for Low Cost

Compass Systems. [9]

Michael J. Caruso, Caru so, Applications of Magnetoresistive Sensors in

 Navigation  Navigation Systems. Systems. [10]

Yong Yao Cai, Yang Zhao, Xian Feng Ding & James Fennelly,

Magnetometer basics for mobile phone applications, 02/2012. [11]

Walter T. Higgins, JR., A Comparison of Complementary and

Kalman Filtering, 05/1975. [12]

CH Robotics, AN1005 - Understanding Euler Angles, rev1, 10/2012.

82

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

[13]

CH Robotics, AN1006 - Understanding Quaternions, rev1, 10/2012. 10/2012 .

[14]

CH Robotics, AN1007 - Estimating Velocity andPosition Using

Accelerometers, rev1, 10/2012. [15]

CH Robotics, AN1008 - Sensors for Orientation Estimation, rev1,

10/2012. [16]

D. Comotti , M. Ermidoro, Report of The Course “Progetto di

Microelettronica”. [17]

Shane Colton, The Balance Filter A Simple Solution for Integrating

Accelerometer and Gyroscope Measurements for a Balancing Platform, 06/2007. [18]

João Luís Marins, Xiaoping Yun, Eric R. Bachmann, Robert B.

McGhee, and Michael J. Zyda, An Extended Kalman Filter for QuaternionBased Orientation Estimation Using MARG Sensors. [19]

Sebastian O.H. Madgwick, An Efficient Orientation Filter for Inertial

and Inertial/Magnetic Sensor Arrays, 04/2010. [20]

Manne Henriksson, Estimation of Heading Using Magnetometer and

GPS, 09/2013. [21]

William Premerlani and Paul Bizard, Direction Cosine Matrix IMU:

Theory, 05/2009. [22]

Starlino, Starlino, DCM Tutorial –  An  An Introduction to Orientation Kinematics,

rev 0.1, 2011. [23]

Wei Li and Jinling Wang, Effective Adaptive Kalman Filter for

MEMS-IMU/Magnetometers Integrated Attitude and Heading Reference Systems. [24]

Honeywell, 3-Axis Digital Compass IC HMC5883L. HMC5883L . 83

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

[25]

Invensense, MPU-6000 and MPU-6050 Product Specification, rev

3.4. [26]

Jeff Rowberg, https://github.com/jrowberg/i2cdevlib

[27]

D. Comotti, Orientation Estimation Based on Gauss-Newton Method

and Implementation of a Quaternion Complementary Filter.

84

Thu nhậ nhận dữ  dữ  liệ  liệu từ  từ  các  các cả cảm biế biến gia tố tốc, con quay hồ hồi chuyể chuyển và từ  từ trườ  trườ ng ng

PHỤ PHỤ LỤ  LỤC: [1]

Ứ ng ng dụng của khối IMU trong thiết k ết robot tự cân bằng:

https://www.youtube.com/watch?v=FDSh_N2yJZk  [2]

Ứ ng ng dụng trong thiết k ế Quad Helicopter

https://www.youtube.com/watch?v=6iSl4WL1PkI [3]

So sánh 3 bộ lọc: lọc bù, lọc Kalman và l ọc Kalman mở  r   r ộng

https://www.youtube.com/watch?v=uWaZn4yhu7o [4]

Mô phỏng hoạt động của cơ thể ngườ i dùng 14 khối IMU

https://www.youtube.com/watch?v=BDJkPQBp7Jk  [5]

Giớ i thiệu bộ cảm biến YEI 3 space và demo

https://www.youtube.com/watch?v=rK6BAqctcRk  https://www.youtube.com/watch?v=d_KpDGK4Pl8 [6]

Giớ i thiệu sự k ết hợ  p giữa IMU và Kinect

https://www.youtube.com/watch?v=HlHMhkBT77w

85