LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ BÀN THỬ IMU 9 DOF SỬ DỤNG ARM – CORTEX M3 VÀ MODULE BLUETOOTH
NỘI DUNG ĐỒ ÁN
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
THIẾT KẾ BÀN THỬ IMU 9 DOF SỬ DỤNG ARM – CORTEX M3 VÀ MODULE BLUETOOTH
MỤC LỤC
Chương Mở đầu : GIỚI THIỆU CHUNG.............................................................. 1
Chương 1: HỆ THỐNG IMU VÀ CÁC TÍNH TOÁN LIÊN QUAN .................... 3
1.1 Các phương pháp mô tả định vị và phương hướng
trong không gian ............................................................................. 3
1.1.1 Phương pháp ........................................................ 3
1.1.2 Phương pháp DCM ( Direct Cosine Matrix) .......................... 8
1.1.3 Phương pháp Quaternions..................................................... 9
1.1.4 Chuyển đổi giữa các trục....................................................... 9
1.2 Hệ thống định vị quán tính INS ..................................................... 13
1 .............................................. 14
1.2.2 Thành phần cấu tạo ................................................ 14
1.3 Các cảm biến cấu thành một đơn vị đo lường quán tính IMU ..... 18
1.3.1 Cảm biến vận tốc góc (Gyro)............................................... 18
1.3.2 Cảm biến gia tốc ( Accelerometer) ...................................... 24
1.3.3 Cảm biến từ trường ( Magnetometer) .................................. 25
1.4 Các tính toán xử lý dữ liệu sơ bộ từ cảm biến ............................... 25
1.4.1 Xử lý dữ liệu từ cảm biến trọng trường (accellerometer) ..... 26
1.4.2 Xử lý dữ liệu từ cảm biến từ trường (Magnetometer) .......... 27
1.4.3 Xử lý dữ liệu từ cảm biến vận tốc góc( Gyro)....................... 28
Chương 2: LÝ THUYẾT CÁC BỘ LỌC VÀ
VẤN ĐỀ CALIB HỆ THỐNG IMU ..................................................................... 30
2.1 Giới thiệu chung ............................................................................. 30
2.1.1 Các nguyên nhân có thể dẫn đến sai số hệ thống ................. 30
2.1.2 Sai số của Cảm biến vận tốc góc ......................................... 30
2.1.3 Sai số của cảm biến gia tốc ................................................. 31
2.1.4 Sai số của cảm biến từ trường ............................................. 31
2.2 Các bộ lọc số sử dụng cho IMU ..................................................... 32
2.2.1 Bộ lọc AHRS ...................................................................... 32
2.2.2 Bộ lọc bù ........................................................................... 33
2.2.3 Bộ lọc Kalman ................................................................... 35
2.3 Vấn đề Cân chỉnh hệ thống IMU ................................................... 37
2.3.1 Cân chỉnh cảm biến gia tốc................................................ 37
2.3.2 Cân chỉnh cảm biến từ trường............................................ 39
Chương 3: ..................................... 40
3.1 Cấu trúc tổng thể............................................................................ 40
3 .................................. 40
3 ................................................... 40
3.2 Giới thiệu phần cơ khí.................................................................... 41
3.3 Thiết kế và thi công phần mạch điện ............................................. 44
3.3.1 Mô hình tổng quát phần cứng ............................................ 44
3.3.2 Giới thiệu ARM cortex M3 LMS9B96 và LPC1769 ............ 45
3.3.3 Các thiết kế phần cứng....................................................... 58
3.4 Thiết kế và thi công phần mềm ...................................................... 72
3.4.1 Phần thực thi trên MCU..................................................... 72
3.4.2 Phần thực thi trên máy tính ................................................ 73
3.5 Cân chỉnh ban đầu cho mô hình .................................................... 74
Chương 4: KẾT QUẢ, HẠN CHẾ, HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................. 77
4.1 Các kết quả đạt được ..................................................................... 77
4.1.1 Về mặt thực tế .................................................................... 77
4.1.2 Về mặt lý thuyết ................................................................. 81
4.2 Những hạn chế của đề tài ............................................................... 81
4.3 Những hướng phát triển ................................................................ 82
TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................
Định vị có thể chia làm hai loại: định vị tương đối và định vị tuyệt đối. Định vị tuyệt đối cung cấp cho giá trị vị trí tuyệt đối của hệ thống tại một thời điểm, còn định vị tương đối cung cấp cho ta giá trị vị trí của thời điểm hiện tại so với một thời đ iểm trước đó. Hiện nay có rất nhiều hệ thống định vị được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới. Ví dụ như hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global positioning system) là một hệ thống định vị tuyệt đối, hệ thống định vị quán tính INS (Inertial navigation system
Nguyên lý hoạt động của INS là tổng hợp các tín hiệu đo được bởi một cơ cấu đo lường quán tính IMU (inertial measurement units), để cho biết trạng thái hiện thời của hệ thống, sau đó sử dụng phương pháp dead-reckoning để ước lượng trạng thái kế tiếp của hệ thống. Các tín hiệu đo được bởi IMU gồm có vận tốc góc và gia tốc dài của hệ thống. IMU cấu tạo từ các
cảm biến gia tốc (accelerometer) và các cảm biến gyro.
Ngày nay,chúng ta cũng rất hay gặp từ “hệ thống nhúng”, đây là một lĩnh vực khá mới
mẽ nhưng có các ứng dụng rất rộng rãi trong cuộc sống hàng ngày và có thể tìm gặp ở bất kì các thiết bị điện tử nào. Ví dụ trong các thiết bị điện tử dân dụng (máy giặt, tủ lạnh, TV . . .), các thiết bị điện tử “thông minh” (điện thoại di động), thiết bị truyền thông, thiết bị y tế, xe hơi, thậm chí cả trong một máy tính cá nhân (card mở rộng). Các hệ thống nhúng được thiết kế để thực hiện một số nhiệm vụ chuyên dụng chứ không phải đóng vai trò là các hệ thống máy tính đa chức năng như máy vi tính.
Đối với các hệ thống được thiết kế theo hướng nhúng thì một yêu cầu là khối xử lý trung tâm phải sử dụng một vi điều khiển đủ mạnh, nghĩa là đòi hỏi tốc độ xử lý phải đủ nhanh, RAM đủ lớn….Với yêu cầu đó thì ARM Cortex là một lựa chọn phù hợp. Lõi ARM Cortex được chia ra thành ba dòng cấu hình chính, với các ký hiệu viết tắt lần lượt là: A, R, M. Chữ A là viết tắt của Application, lõi ARM dòng này hỗ trợ cho các ứng dụng có độ phức tạp cao như: máy tính, điện thoại di động... R là viết tắt của Realtime, các ứng dụng cần tính toán xử lý thời gian thực được hỗ trợ bởi cấu hình này. M là Microcontroller, dành cho các ứng dụng công nghiệp và điện tử tiêu dùng. Với Giải pháp Soc (System-on-chip) ARM được
ứng dụng vào rất nhiều thị trường khác nhau bao gồm các ứng dụng doanh nghiệp, các hệ thống ô tô, mạng gia đình và công nghệ mạng không dây.
Với ứng ưu điểm ARM Cortex và với thực tế những ứng dụng rộng rãi của IMU cũng
như INS, đề tài hướng đến
