- Trang Chủ
- Công nghệ thông tin
- Đề tài khoa học và công nghệ cấp cơ sở: Các phương pháp ước lượng cho cảm biến đo lường quán tính ứng dụng trong robot hai bánh tự cân bằng
Xem mẫu
- ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG CĐ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
CẤP CƠ SỞ
CÁC PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG CHO CẢM BIẾN
ĐO LƯỜNG QUÁN TÍNH ỨNG DỤNG TRONG
ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG
Mã số: T2017-07-06
Chủ nhiệm đề tài: ThS. Dương Ngọc Pháp
Đà Nẵng, 12/2017
- ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG CĐ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
CẤP CƠ SỞ
CÁC PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG
ĐO LƯỜNG QUÁN TÍNH ỨNG DỤNG TRONG
ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG
Mã số: T2017-07-06
Xác nhận của cơ quan chủ trì đề tài Chủ nhiệm đề tài
Đà Nẵng, 12/2017
- MỤC LỤC
MỤC LỤC
MỤC LỤC ....................................................................................................................... I
DANH MỤC HÌNH VẼ ..................................................................................................1
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ..........................................................................................2
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .......................................................................3
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................5
I. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC ĐỀ TÀI
TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC ..........................................................................................5
1. NGOÀI NƯỚC .........................................................................................................5
2. TRONG NƯỚC.........................................................................................................5
II. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ............................................................................5
III. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI ........................................................................................6
IV. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU..........................................................6
1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU .......................................................................................6
2. PHẠM VI NGHIÊN CỨU ...........................................................................................6
V. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .....................................................................................6
CHƯƠNG 1: CẢM BIẾN ĐO LƯỜNG QUÁN TÍNH VÀ ỨNG DỤNG .....................7
1.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG .......................................................................................7
1.2. GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN ĐO LƯỜNG QUÁN TÍNH ..................................7
1.3. ỨNG DỤNG CẢM BIẾN ĐO LƯỜNG QUÁN TÍNH ......................................11
1.3.1. Ứng dụng của cảm biến rung động trong giám sát và tiết kiệm điện năng
12
1.3.2. Ứng dụng của nhận biết chấn động, cử động … .......................................13
1.3.3. Ứng dụng của cảm biến nghiêng ............................................................... 14
1.3.4. Con quay hồi chuyển và các thiết bị đo dùng quán tính ........................... 15
1.3.5. Xu hướng xử lý tín hiệu mới ......................................................................16
1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG ......................................................................................16
CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT GIẢM NHIỄU ..........................................................17
2.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG .....................................................................................17
2.2. YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG.............................................................................17
2.3. CÁC KỸ THUẬT GIẢM NHIỄU ......................................................................18
2.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG ......................................................................................20
CHƯƠNG 3: THỰC HIỆN GIẢM NHIỄU VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ....................21
3.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG .....................................................................................21
3.2. MÔ PHỎNG, SO SÁNH, ĐÁNH GIÁ ............................................................... 21
3.3. MÔ HÌNH ĐÁNH GIÁ THỰC NGHIỆM ..........................................................22
3.3.1. Sơ đồ khối mô hình robot 2 bánh tự cân bằng ..........................................22
3.3.2. Lưu đồ thuật toán điều khiển .....................................................................24
3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG ......................................................................................25
i
- MỤC LỤC
KẾT LUẬN ...................................................................................................................26
KIẾN NGHỊ ...................................................................................................................26
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 27
ii
- DANH MỤC HÌNH VẼ
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Link kiện cảm biến gia tốc ba chiều công nghệ số iMEMS – ADXL345 của
hãng Analog Devices. Nguồn SensorMagazine.com. .....................................................7
Hình 1.2: Cảm biến con quay hồi chuyển ADXRS610 của hãng Analog Devices.
Nguồn SensorMagazine.com. ..........................................................................................8
Hình 1.3: Năm chế độ cảm biến chuyển động. Nguồn EECatalog.com. .......................9
Hình 1.4: Thiết bị PocketCPR, một ví dụ về cảm biến gia tốc giúp xác định chuyển
động và vị trí. Nguồn: EECatalog.com. ........................................................................12
Hình 1.5: Ví dụ về ứng dụng của cảm biến rung động để phân biệt máy hoạt động
bình thường (phổ màu đen) với máy đã bị mòn (phổ màu đỏ). Nguồn: EECatalog.com.
.......................................................................................................................................13
Hình 1.6: Cơ chế bảo vệ ổ đĩa cứng tự động của máy tính xách tay IBM ThinkPad® là
một ví dụ về ứng dụng của khả năng cảm biến chấn động. Nguồn: EECatalog.com. ..14
Hình 1.7: Máy giám sát huyết áp Omron Wrist có sử dụng các kỹ thuật cảm biến cao
cấp , bao gồm cả cảm biến độ nghiêng, để đảm bảo độ chính xác của dữ liệu.
Nguồn: EECatalog.com. ................................................................................................ 15
Hình 1.8: Minh họa các điểm có thể đặt cảm biến quán tính giúp người chơi golf ghi
lại các chuyển động của mình khi thi đấu hay tập luyện, phục vụ việc phân tích và
hoàn thiện kỹ thuật đánh. Nguồn: MedCityNews.com. ................................................16
Trang 1
- DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
IMU Inertial Measurement Unit Khối đo lường quán tính
MPU Motion Processing Unit Khố xử lý chuyển động
DMP Digital Motion Processor Bộ xử lý chuyển động số
MEMS Microelectromechanical system Hệ thống vi cơ điện tử
LCD Liquid Crytal Display Bộ hiển thị tinh thể lỏng
PID Proportional, Integral, Derivative Tỷ lệ, tích phân, đạo hàm
PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung
ADC Anolog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự số
Trang 2
- THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG CĐ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: CÁC PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG ĐO LƯỜNG QUÁN TÍNH
ỨNG DỤNG TRONG ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG
- Mã số: T2017-07-06
- Chủ nhiệm: DƯƠNG NGỌC PHÁP
- Thành viên tham gia: không
- Cơ quan chủ trì: Trường Cao đẳng Công nghệ thông tin – Đại học Đà Nẵng
- Thời gian thực hiện: từ tháng 04/2017 đến tháng 12/2017
2. Mục tiêu:
- Nghiên cứu các phương pháp tính toán, ước lượng giá trị cảm biến gia tốc và
con quay hồi chuyển được đo đạc (có lỗi) nhằm cải thiện tín hiệu để đáp ứng
các thông số điều khiển đầu vào cho các mô hình tự động hóa.
3. Tính mới và sáng tạo:
- Tín hiệu cảm biến thu được từ cảm biến đo lường quan tính bị tác động mạnh
bởi nhiễu và có hiện tượng “trôi” dưới tác dụng của trọng lực trái đất gây khó
khăn cho việc xác định đúng góc nghiêng của vật thể.
- Trong đề tài, tác giả nghiên cứu điều chỉnh, đánh giá, so sánh các giảm nhiễu
cho cảm biến đo lường quán tính.
- Bên cạnh đó tác giả cũng tiến hành mô phỏng thực nghiệm trên mô hình robot
hai bánh tự cân bằng để đánh giá hiệu quả các kỹ thuật.
4. Tóm tắt kết quả nghiên cứu:
- Trình bày tổng quan về cảm biến quán tính, ứng dụng trong các hệ thống
MEMS và các tham số mô hình.
- Bên cạnh đó, các kỹ thuật ước lượng giá trị cảm biến gia tốc và con quay hồi
chuyển bị “trôi” khi đo đạc cũng được nghiên cứu để thực hiện giảm nhiễu cho
tín hiệu cảm biến.
- Đề tài cũng trình bày việc mô phỏng thực nghiệm trên mô hình robot 2 bánh tự
cân bằng để đánh giá ứng dụng của các kỹ thuật.
5. Tên sản phẩm:
- Báo cáo tổng kết đề tài;
Trang 3
- THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
- Bài báo đăng trên kỷ yếu hội thảo cấp trường.
6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:
- Về mặt giáo dục - đào tạo: phục vụ công tác giảng dạy, nghiên cứu.
- Về mặt khoa học: đóng góp đáng kể của đề tài là trình bày các kỹ thuật giảm
nhiễu cho cảm biến đo lường quán tính, qua đó so sánh đánh giá hiệu quả giảm nhiễu
nâng cao chất lượng tín hiệu của cảm biến.
- Về sản phẩm ứng dụng: ứng dụng thuật toán trong việc giảm nhiễu cho cảm
biến IMU, ứng dụng trong các hệ thống vi cơ điện tử MEMS.
7. Hình ảnh, sơ đồ minh họa chính:
Hình 0.1: So sánh các giá trị cảm biến gia tốc trục x xử lý bởi ba kỹ thuật khác nhau
sử dụng bộ lọc bù, bộ lọc Kalman và DMP so với tín hiệu gốc.
Đà Nẵng, ngày 15 tháng 12 năm 2017
Cơ quan chủ trì Chủ nhiệm đề tài
Dương Ngọc Pháp
Trang 4
- MỞ ĐẦU
MỞ ĐẦU
I. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC ĐỀ TÀI
TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
1. Ngoài nước
Với sự ra đời của các cảm biến quán tính, đặc biệt là các sản phẩm được chế tạo
từ công ty InvenSense Inc. với các hệ thống trên chip (SoC) đã cho phép tích hợp các
cảm biến gia tốc, con quay hồi chuyển và la bàn lên các thiết bị điện tử thông minh
nhằm hỗ trợ cho các ứng dụng đột phát và quan trọng. Các công trình nghiên cứu đã
đưa ra các phương pháp tính toán, thuật toán ước lượng từ các giá trị “thô” thu được
(do bị trôi dưới tác động của các yếu tố môi trường (nhiệt độ, điện từ trường,...) hoặc
bản thân tốc độ biến đổi của các bộ ADC) như sử dụng các bộ lọc số đơn giản
(Butterworth), bộ lọc Complementary, bộ lọc Kalman, đặc biệt là khối xử lí chuyển
động số (DMP) được tích hợp sẵn trong chip với nhiều kết quả riêng lẻ, tích cực.
2. Trong nước
Các nghiên cứu trong nước đặc biệt tập trung ứng dụng các thuật toán đã nghiên
cứu ở ngoài nước để xây dựng các hệ thống cân bằng điều khiển thông minh, phần lớn
sử dụng chủ yếu bộ lọc Kalman và bộ lọc Complementary để ước lượng thông số cho
các ứng dụng mô hình (xe cân bằng, máy bay 4 cánh,...) mà chưa đưa ra các đánh giá
tổng quan để so sánh các thuật toán ước lượng, và lựa chọn tối ưu các hệ số bộ lọc để
cho đáp ứng tốt nhất.
II. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Đặc tính cân bằng ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các mô hình điều
khiển tự động và thông minh: điện thoại thông minh, robot tự cân bằng, điều khiển
tương tác, thiết bị đeo tay,... Trong đó thành phần đóng vai trò quan trọng nhằm xác
định sự thay đổi hướng được gọi là đơn vị đo lường quán tính (IMU - Inertial
Measurement Unit) chứa cảm biến gia tốc, con quay hồi chuyển và/hoặc la bàn được
tính toán và lập trình để đưa ra các quyết định điều khiển tương ứng. Tuy nhiên do
nhược điểm thiết kế cơ khí của thiết bị cảm biến và hiện tượng “trôi” dưới tác dụng
của trọng lực trái đất mà giá trị cảm biến đo đạc có nhiều lỗi gây khó khăn cho việc
xác định đúng góc nghiêng của vật thể. Yêu cầu đặt ra là phải có phương pháp để thu
được các giá trị trị cảm biến tin cậy nhằm đưa ra các quyết định điều khiển chính xác.
Đề tài sẽ tập trung tối ưu, đánh giá, so sánh các phương pháp ước lượng giá trị cảm
biến quán tính, được ứng dụng trên robot 2 bánh tự cân bằng để đưa ra góc nhìn đầy
đủ về việc lựa chọn giải pháp phù hợp cho mô hình robot được xây dựng.
Trang 5
- MỞ ĐẦU
III. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
- Nghiên cứu các phương pháp tính toán, ước lượng giá trị cảm biến gia tốc và
con quay hồi chuyển được đo đạc (có lỗi) nhằm cải thiện tín hiệu để đáp ứng
các thông số điều khiển đầu vào cho các mô hình tự động hóa.
IV. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
1. Đối tượng nghiên cứu
- Giá trị cảm biến quán tính đo đạc.
- Các bộ lọc số.
- Ngôn ngữ Matlab thực hiện mô phỏng.
2. Phạm vi nghiên cứu
- Ước lượng các giá trị cảm biến quán tính.
- Mô phỏng các kỹ thuật ước lượng.
- Ứng dụng trên mô hình robot 2 bánh tự cân bằng.
V. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
1. Đánh giá các phương pháp tính toán, ước lượng cảm biến gia tốc và con quay
hồi chuyển: phép tính toán dựa vào sai số, sử dụng bộ lọc Complementary, sử
dụng bộ lọc Kalman trên thiết bị phần cứng MPU6050.
2. Mô phỏng trên phần mềm Matlab để so sánh kết quả ước lượng.
3. Thực nghiệm đánh giá trên kit Arduino cho mô hình robot 2 bánh tự cân bằng.
Trang 6
- Chương 1: CẢM BIẾN ĐO LƯỜNG QUÁN TÍNH VÀ ỨNG DỤNG
Chương 1: CẢM BIẾN ĐO LƯỜNG QUÁN TÍNH VÀ ỨNG DỤNG
1.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG
Chương 1 trình bày những đặc điểm liên quan đến cảm biến đo lường quán tính
và ứng dụng thực tế trong các hệ thống vi cơ điện tử cũng như các hệ thống đòi hỏi có
yếu tố đo đạc chuyển động. Bên cạnh đó cũng thấy được vai trò của cảm biến IMU
trong các hệ thống hiện đại và các ứng dụng điều khiển thông minh.
1.2. GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN ĐO LƯỜNG QUÁN TÍNH
Sự xuất hiện của các cảm biến gia tốc và con quay hồi chuyển (thiết bị đo góc
hay gia tốc góc) dựa trên công nghệ MEMS (Microelectromechanical system), có giá
thành rẻ và đáng tin cậy tạo điều kiện cho việc tích hợp khả năng nhận biết chuyển
động vào ngày càng nhiều loại hình ứng dụng.
Mặc dù cảm biến MEMS đã được dùng cho việc phóng túi khí và trong các cảm
biến áp suất ở ô tô từ hai thập kỷ trước nhưng công chúng chỉ hiểu được tiềm năng của
những thiết bị này khi họ tiếp xúc với các máy chơi trò chơi Wii của Nintendo và điện
thoại iPhone của Apple.
Sự hữu dụng của cảm biến quán tính chỉ dừng lại ở các sản phẩm trong đó cần
phát hiện được gia tốc và giảm tốc. Điều này chỉ đúng nếu nhìn ở khía cạnh kỹ thuật
nhưng lại bỏ qua tiềm năng ứng dụng ngày càng lớn của cảm biến gia tốc (Hình 1.1)
và con quay hồi chuyển (Hình 1.2) dùng MEMS trong nhiều lĩnh vực như thiết bị y tế,
công nghiệp, đồ điện tử trong tiêu dùng và ô tô.
Hình 1.1: Link kiện cảm biến gia tốc ba chiều công nghệ số iMEMS – ADXL345 của
hãng Analog Devices. Nguồn SensorMagazine.com.
Trang 7
- Chương 1: CẢM BIẾN ĐO LƯỜNG QUÁN TÍNH VÀ ỨNG DỤNG
Nếu ta xem xét các khả năng của từng loại cảm biến chuyển động – gia tốc (bao
gồm cả thông tin về chuyển động tịnh tiến như vị trí và hướng), rung động, chấn động,
độ nghiêng, và quay – thì tầm ứng dụng của chúng sẽ mở rộng ra thêm rất nhiều.
Ví dụ như một cảm biến gia tốc có thể dùng để thực hiện các kỹ thuật quản lý
điện năng bằng cách ra lệnh cho một thiết bị chuyển sang chế độ tiêu thụ năng lượng
thấp nhất khi thiết bị này được cho là ở trạng thái nghỉ do cảm biến không nhận thấy
có chuyển động hay rung động. Các bảng điều khiển với các nút điều khiển vật lý
phức tạp cũng đang dần được thay thế bởi các giao diện nhận biết được cử động và
được điều khiển bằng các cú chạm ngón tay. Trong các trường hợp sử dụng khác thì
cảm biến giúp cho hoạt động của hệ thống trở nên chính xác hơn, ví dụ như một chiếc
la bàn được hiệu chỉnh tùy theo độ nghiêng của nó khi người dùng cầm trên tay.
Bài viết này sẽ cung cấp các ví dụ về việc các cảm biến gia tốc và con quay hồi
chuyển cao cấp dùng MEMS hiện có trên thị trường sẽ thay đổi bộ mặt của rất nhiều
loại sản phẩm nhờ vào năm kiểu chuyển động chúng nhận biết được.
Hình 1.2: Cảm biến con quay hồi chuyển ADXRS610 của hãng Analog Devices.
Nguồn SensorMagazine.com.
Trong năm kiểu chuyển động – gia tốc, rung động, chấn động, nghiêng và quay –
thì ngoại trừ chuyển động quay, những chuyển động còn lại đều là kết quả của sự thay
đổi của gia tốc theo thời gian (Hình 1.3). Tuy nhiên, chúng ta không liên hệ những
chuyển động trên, bằng trực giác, với sự thay đổi của gia tốc hay giảm tốc. Xem xét
riêng từng chế độ cảm biến giúp chúng ta nhận ra các tiềm năng của chúng dễ dàng
hơn.
Trang 8
- Chương 1: CẢM BIẾN ĐO LƯỜNG QUÁN TÍNH VÀ ỨNG DỤNG
Hình 1.3: Năm chế độ cảm biến chuyển động. Nguồn EECatalog.com.
Gia tốc, bao gồm cả chuyển động tịnh tiến, đo sự biến đổi của vận tốc theo thời
gian. Vận tốc, được biểu diễn bởi đơn vị m/s, bao gồm thông tin cả về tốc độ và
hướng của chuyển động. Gia tốc được tính theo đơn vị m/s2. Khi gia tốc có giá trị âm,
như khi một chiếc ô tô đi chậm lại do lái xe đạp phanh, thì được gọi là giảm tốc.
Nếu xét gia tốc theo thời gian thì rung động có thể coi như là gia tốc và giảm tốc
thay nhau xảy ra theo chu kỳ tuần hoàn. Tương tự như vậy, chấn động là gia tốc xảy ra
tức thì nhưng khác với rung động, gia tốc trong chấn động là một quá trình không tuần
hoàn và thường chỉ xảy ra một lần.
Hãy xem xét trong một khoảng thời gian dài hơn. Khi một vật bị di chuyển làm
thay đổi độ nghiêng của nó thì sẽ có sự thay đổi tương ứng về mặt lực hấp dẫn.
Chuyển động này thường xảy ra chậm hơn so với rung và chấn động.
Do cả bốn dạng cảm biến chuyển động này đều liên quan tới gia tốc nên chúng
được đo bằng lực g, đơn vị của lực hấp dẫn tác dụng lên một vật trên Trái đất (1g =
9.8m/s2). Cảm biến MEMS phát hiện độ nghiêng bằng cách đo mức ảnh hưởng của
lực hấp dẫn lên từng trục chuyển động. Ví dụ với cảm biến gia tốc ba chiều sẽ cho ra
ba kết quả đo biểu thị gia tốc trên các trục chuyển động X, Y, và Z.
Trang 9
- Chương 1: CẢM BIẾN ĐO LƯỜNG QUÁN TÍNH VÀ ỨNG DỤNG
Phần lớn các cảm biến có mặt trên thị trường hiện nay đo gia tốc bằng cách sử
dụng các cặp tụ điện vi sai. Mức khác biệt về điện dung của các cặp tụ điện này tỉ lệ
thuận với gia tốc của cảm biến. Mức khác biệt này sau đó được chuyển đổi sang dạng
điện thế hoặc các tín hiệu nhị phân (đối với các cảm biến có đầu ra số), rồi thông tin
này được chuyển tới bộ vi xử lý để thực thi các hoạt động tiếp theo. Những tiến bộ
công nghệ gần đây cho phép sản xuất các cảm biến gia tốc MEMS nhỏ gọn trong dải
gia tốc thấp (low-g) lẫn gia tốc cao (high-g) với băng thông rộng hơn trước đây rất
nhiều, do đó càng gia tăng hơn nữa tiềm năng ứng dụng của chúng. Cảm biến trong dải
gia tốc thấp (gia tốc dưới 20 g) phù hợp để phát hiện các chuyển động do con người
tạo ra. Cảm biến trong dải gia tốc cao thì hữu dụng trong các ứng dụng liên quan tới
máy móc hay xe cộ – về bản chất là các chuyển động không thể tạo ra bởi con người.
Cho tới lúc này chúng ta mới chỉ bàn tới chuyển động tịnh tiến, loại chuyển động
này bao gồm gia tốc, rung động, chấn động, và nghiêng. Chuyển động quay được định
lượng bằng tốc độ góc. Điểm khác biệt của kiểu chuyển động này là nó có thể diễn ra
mà không hề có sự thay đổi về gia tốc. Để hiểu rõ vấn đề này hãy thử tưởng tượng một
cảm biến quán tính 3 chiều, trong đó chiều X và Y nằm song song với mặt đất còn trục
Z thì hướng tới tâm trái đất. Ở vị trí này, trọng lực đo được trên ba trục X, Y, và Z lần
lượt là 0, 0, và 1 g. Tiếp đó, quay cảm biến xung quanh trục Z (Hình 4). Trục X và Y
sẽ quay theo, và vẫn chỉ đo được 0 g trọng lực, trong khi trên trục Z vẫn là 1 g. Để
phát hiện được chuyển động quay như trên cần sử dụng cảm biến con quay hồi
chuyển. Do một số sản phẩm cần phải đo được chuyển động quay cùng với các dạng
chuyển động khác nên các cảm biến con quay hồi chuyển có thể được tích hợp với các
cảm biến gia tốc trong bộ IMU (Inertial Measurement Unit – bộ đo quán tính) đa
chiều.
MPU-6050 là cảm biến của hãng InvenSense. MPU-6050 là một trong những
giải pháp cảm biến chuyển động đầu tiên trên thế giới có tới 6 (mở rộng tới 9) trục
cảm biến tích hợp trong 1 chip duy nhất.
MPU-6050 sử dụng công nghệ độc quyền MotionFusion của InvenSense có thể
chạy trên các thiết bị di động, tay điều khiển...
MPU-6050 tích hợp 6 trục cảm biến bao gồm:
+ Con quay hồi chuyển 3 trục (3-axis MEMS gyroscope)
+ Cảm biến gia tốc 3 chiều (3-axis MEMS accelerometer)
Ngoài ra, MPU-6050 còn có 1 đơn vị tăng tốc phần cứng chuyên xử lý tín hiệu
(Digital Motion Processor - DSP) do cảm biến thu thập và thực hiện các tính toán cần
thiết. Điều này giúp giảm bớt đáng kể phần xử lý tính toán của vi điều khiển, cải thiện
Trang 10
- Chương 1: CẢM BIẾN ĐO LƯỜNG QUÁN TÍNH VÀ ỨNG DỤNG
tốc độ xử lý và cho ra phản hồi nhanh hơn. Đây chính là 1 điểm khác biệt đáng kể của
MPU-6050 so với các cảm biến gia tốc và gyro khác.
MPU-6050 có thể kết hợp với cảm biến từ trường (bên ngoài) để tạo thành bộ
cảm biến 9 góc đầy đủ thông qua giao tiếp I2C.
Các cảm biến bên trong MPU-6050 sử dụng bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC)
16-bit cho ra kết quả chi tiết về góc quay, tọa độ... Với 16-bit bạn sẽ có 2^16 = 65536
giá trị cho 1 cảm biến.
Tùy thuộc vào yêu cầu của bạn, cảm biến MPU-6050 có thể hoạt động ở chế độ
tốc độ xử lý cao hoặc chế độ đo góc quay chính xác (chậm hơn). MPU-6050 có khả
năng đo ở phạm vi:
+ Con quay hồi chuyển: ± 250 500 1000 2000 dps
+ Gia tốc: ± 2 ± 4 ± 8 ± 16g
Hơn nữa, MPU-6050 có sẵn bộ đệm dữ liệu 1024 byte cho phép vi điều khiển
phát lệnh cho cảm biến, và nhận về dữ liệu sau khi MPU-6050 tính toán xong.
Các thông số kĩ thuật khác của module MPU-6050
+ Nguồn: 3-5V, trên module MPU-6050 đã có sẵn LDO chuyển nguồn 5V -> 3V
+ Giao tiếp I2C ở mức 3V
+ Khoảng cách chân cắm: 2.54mm
+ Địa chỉ: 0x68, có thể cấp mức cao vào chân AD0 để chuyển địa chỉ thành 0x69
1.3. ỨNG DỤNG CẢM BIẾN ĐO LƯỜNG QUÁN TÍNH
Trong phần trước của bài viết chúng ta đã bàn tới vai trò của gia tốc trong việc
xác định chuyển động và vị trí. Một cảm biến gia tốc MEMS có thể giúp nhận biết
việc một thiết bị được cầm lên hay đặt xuống. Khi phát hiện được những chuyển động
trên, cảm biến có thể phát một tín hiệu điều khiển để tự động bật hoặc tắt các chức
năng của thiết bị này. Ngoài ra, các tổ hợp chức năng khác nhau của thiết bị cũng có
thể được điều khiển để hoạt động ở chế độ bình thường hay chế độ tiêu thụ điện năng
thấp nhất. Tính năng bật/tắt dựa trên chuyển động rất có ích với người dùng vì nó loại
bỏ được các thao tác lặp đi lặp lại cho họ. Hơn nữa, tính năng này còn giúp cải thiện
việc quản lý điện năng, tăng thời gian sử dụng thiết bị giữa các lần xạc hay thay pin.
Những chiếc điều khiển từ xa thông minh sử dụng màn hình LCD là một trong những
ví dụ về ứng dụng tiềm năng của kỹ thuật này.
Một ứng dụng tiềm năng khác của cảm biến gia tốc là phát hiện chuyển động rồi
phát ra một tín hiệu điều khiển cho thiết bị điện đàm vô tuyến trong lĩnh vực quân sự
hay an ninh. Để đảm bảo tính bảo mật của việc liên lạc, nếu một máy điện đàm không
được đeo hay mang theo bởi người sử dụng trong một khoảng thời gian thì máy sẽ yêu
cầu người sử dụng xác thực lại danh tính trước khi cho phép tiếp tục sử dụng. Cần lưu
Trang 11
- Chương 1: CẢM BIẾN ĐO LƯỜNG QUÁN TÍNH VÀ ỨNG DỤNG
ý rằng, đối với những thiết bị di động hay thiết bị nhỏ gọn như trong hai ví dụ vừa kể
trên thì các cảm biến gia tốc phải tiêu thụ ít năng lượng, tối đa là vài micro ampe (μA),
để ứng dụng có tính thực tế.
Thiết bị y tế là một mảng ứng dụng khác cho cảm biến chuyển động. Máy trợ tim
(Automatic External Defibrillator – AED) là thiết bị dùng để tạo ra sốc điện giúp tim
của bệnh nhân đập trở lại. Khi ADE không có tác dụng thì cần tiến hành hô hấp nhân
tạo (CPR). Một nhân viên cứu hộ ít kinh nghiệm có thể nén ngực bệnh nhân không đủ
mạnh, khiến CPR không có hiệu quả. Nếu gắn một cảm biến gia tốc lên miếng nén
ngực của AED thì có thể đo được khoảng cách miếng nén này di chuyển, giúp cho
nhân viên cấp cứu biết được mức nén tối ưu.
Hình 1.4: Thiết bị PocketCPR, một ví dụ về cảm biến gia tốc giúp xác định chuyển
động và vị trí. Nguồn: EECatalog.com.
1.3.1. Ứng dụng của cảm biến rung động trong giám sát và tiết kiệm điện năng
Những thay đổi nhỏ trong rung động là biểu hiện của vòng bi bị mòn, các bộ
phận cơ khí không khít, và các vấn đề máy móc khác. Các cảm biến MEMS nhỏ gọn
với băng thông rộng có thể được sử dụng để giám sát rung động ở động cơ, quạt máy,
và các máy nén. Khả năng bảo trì nhờ thông tin dự báo như trên giúp cho các nhà máy
sản xuất tránh được hư hỏng trên các thiết bị đắt tiền cũng như là các hỏng hóc ở quy
mô lớn. Việc định lượng được các thay đổi về đặc tính rung động của thiết bị còn có
thể được dùng để đánh giá liệu thiết bị này đã được tinh chỉnh để hoạt động một cách
tối ưu chưa.
Trang 12
- Chương 1: CẢM BIẾN ĐO LƯỜNG QUÁN TÍNH VÀ ỨNG DỤNG
Hình 1.5: Ví dụ về ứng dụng của cảm biến rung động để phân biệt máy hoạt động
bình thường (phổ màu đen) với máy đã bị mòn (phổ màu đỏ). Nguồn: EECatalog.com.
1.3.2. Ứng dụng của nhận biết chấn động, cử động …
Cho tới nay, tính năng bảo vệ ổ cứng trong các loại máy tính xách tay là một
trong những ứng dụng phổ biến nhất của nhận biết chấn động. Một cảm biến gia tốc sẽ
giúp phát hiện những chấn động nhỏ gây ra do dây nguồn bị giật hay màn hình bị va
đập. Những chấn động nhỏ này thường là tiền đề của một chấn động khác, cụ thể ở
đây là việc máy tính đập xuống sàn. Chỉ trong vòng vài phần nghìn giây sau khi phát
hiện các hiện tượng này nhờ sử dụng cảm biến chuyển động, hệ thống sẽ ra chỉ thị để ổ
cứng cố định đầu đọc, giúp nó không đập vào đĩa nhớ khi máy tính bị rơi, nhờ vậy
giảm thiểu được các hư hỏng ở ổ đĩa.
Các giao diện điều khiển dựa trên nhận dạng cử động cũng là một ứng dụng tiềm
năng khác nữa cho cảm biến quán tính. Các cử động đã được định nghĩa sẵn như
chạm, chạm đúp, hay rung lắc giúp người dùng kích hoạt các tính năng khác nhau hay
thay đổi chế độ hoạt động của thiết bị. Những giao diện dùng cử động như trên làm
tăng tính hữu dụng của thiết bị trong những trường hợp mà việc điều khiển bằng phím
hay nút không được thuận tiện. Các thiết kế không có phím và nút cũng khiến giá
thành toàn hệ thống giảm, đồng thời làm cho sản phẩm bền hơn. Một ví dụ điển hình là
trường hợp các máy ghi hình dưới nước sẽ bị nước thấm vào qua các cạnh của nút điều
khiển, nếu có.
Các thiết bị điện tử tiêu dùng có kích cỡ nhỏ chỉ là một trong nhiều lĩnh vực ứng
dụng mà việc nhận dạng cử động dùng cảm biến chuyển động tìm được chỗ đứng.
Ngoài ra, giao diện điều khiển dùng cử động còn có thể trở nên hữu dụng trong các
thiết bị y tế đeo trên người hay cấy ghép như các máy trợ thính và máy bơm thuốc.
Trang 13
- Chương 1: CẢM BIẾN ĐO LƯỜNG QUÁN TÍNH VÀ ỨNG DỤNG
Hình 1.6: Cơ chế bảo vệ ổ đĩa cứng tự động của máy tính xách tay IBM ThinkPad® là
một ví dụ về ứng dụng của khả năng cảm biến chấn động. Nguồn: EECatalog.com.
1.3.3. Ứng dụng của cảm biến nghiêng
Cảm ứng độ nghiêng cũng có tiềm năng ứng dụng trong các giao diện điều khiển
dùng cử chỉ. Ví dụ như việc vận hành chỉ với một tay được ưa thích hơn trên các thiết
bị thuộc lĩnh vực xây dựng hay kiểm tra công nghiệp. Tay không dùng để vận hành
thiết bị thì thường dùng để điều khiển thùng hay nền mà người vận hành đang đứng
hay là để giữ giây bảo hiểm. Người vận hành có thể chỉ cần quay máy dò hay thiết bị
để điều chỉnh các tùy chọn.
Một cảm biến gia tốc 3 chiều sẽ có thể phát hiện được sự “quay” dưới dạng
nghiêng. Cảm biến sẽ đo mức biến đổi có tốc độ chậm của góc nghiêng dưới tác dụng
của lực hấp dẫn. Dựa trên thông tin này, hệ thống sẽ tính toán được mức thay đổi của
vector của lực hấp dẫn và xác định xem chuyển động quay là thuận hay ngược chiều
kim đồng hồ. Cảm biến nghiêng còn có thể được kết hợp với tính năng nhận biết va
chạm nhẹ để giúp người vận hành điều khiển được nhiều chức năng hơn trong những
trường hợp thao tác một tay.
Ngoài ra, cảm biến nghiêng còn có thể được dùng để hiệu chỉnh thông tin về vị
trí của thiết bị định vị như la bàn điện tử trong hệ thống định vị toàn cầu (GPS) hay
điện thoại di động. Một vấn đề thường gặp trong các thiết bị này là sai số phương
hướng xuất hiện khi la bàn không được đặt thực sự song song với mặt đất. Ở các máy
cân công nghiệp, độ nghiêng so với mặt đất của bàn cân cũng cần được xác định để có
thể tính toán chính xác trọng lượng. Tương tự như vậy, các cảm biến áp suất sử dụng
trong xe hơi và các máy móc công nghiệp cũng chịu sự ảnh hưởng của trọng lực do
những cảm biến này có chứa các màng ngăn mà độ lệch của chúng phụ thuộc vào vị trí
lắp đặt của cảm biến. Trong tất cả các trường hợp kể trên thì cảm biến gia tốc MEMS
Trang 14
- Chương 1: CẢM BIẾN ĐO LƯỜNG QUÁN TÍNH VÀ ỨNG DỤNG
đều có thể được sử dụng để xác định góc nghiêng trước khi thực hiện việc hiệu chỉnh
sai số.
Hình 1.7: Máy giám sát huyết áp Omron Wrist có sử dụng các kỹ thuật cảm biến cao
cấp , bao gồm cả cảm biến độ nghiêng, để đảm bảo độ chính xác của dữ liệu.
Nguồn: EECatalog.com.
1.3.4. Con quay hồi chuyển và các thiết bị đo dùng quán tính
Các ứng dụng thực tế của công nghệ MEMS trở nên hữu ích hơn khi tính năng
phát hiện chuyển động quay được kết hợp với tính năng phát hiện các chuyển động do
quán tính khác. Trong thực tế thì việc kết hợp này cần tới cả cảm biến gia tốc và cảm
biến con quay hồi chuyển.
Một số thiết bị đo dùng quán tính (Inertial Measurement Unit – IMU) có kết hợp
cảm biến gia tốc đa chiều, cảm biến con quay hồi chuyển đa chiều, ngoài ra có thể
thêm cảm biến từ tính để tăng mức độ chính xác về hướng. IMU cũng có thể cung cấp
thông tin cảm biến với 6 bậc tự do, giúp đạt được độ chính xác rất cao đáp ứng được
yêu cầu của các ứng dụng ở thiết bị ghi hình y tế, dụng cụ phẫu thuật, bộ phận cơ thể
giả cao cấp, và dẫn đường tự động cho các phương tiện công nghiệp. Một ưu thế khác
của việc sử dụng IMU là các tính năng của thiết bị có thể được nhà sản xuất kiểm thử
và hiệu chỉnh trước khi xuất xưởng.
IMU còn hữu ích trong các trường hợp sử dụng khác. Ví dụ như nó có thể được
gắn trên một chiếc gậy chơi golf thông minh để giúp ghi lại và theo dõi toàn bộ chuyển
động của một cú đánh. Người chơi golf sẽ dựa vào thông tin này để cải thiện kỹ năng
chơi. Các cảm biến gia tốc trên gậy golf sẽ đo gia tốc và đường vung gậy. Còn cảm
biến con quay hồi chuyển thì đo mức độ xoáy tay của người chơi. Trong khi thi đấu và
tập luyện, gậy golf thông minh sẽ ghi lại những dữ liệu này để phục vụ cho việc phân
tích sau đó trên máy tính.
Trang 15
- Chương 1: CẢM BIẾN ĐO LƯỜNG QUÁN TÍNH VÀ ỨNG DỤNG
Hình 1.8: Minh họa các điểm có thể đặt cảm biến quán tính giúp người chơi golf ghi
lại các chuyển động của mình khi thi đấu hay tập luyện, phục vụ việc phân tích và
hoàn thiện kỹ thuật đánh. Nguồn: MedCityNews.com.
1.3.5. Xu hướng xử lý tín hiệu mới
Dù cho nhu cầu có là tính tiện dụng, giảm tiêu thụ điện năng, giảm thiểu các nút
điều khiển vật lý, điều chỉnh hoạt động tuỳ theo trọng lực và vị trí hay là các phương
thức vận hành thông minh hơn thì giải pháp MEMS quán tính luôn có thể mang lại
nhiều sự lựa chọn để khám phá với cả năm loại cảm biến chuyển động.
Là công ty luôn theo đuổi các giải pháp mới, Analog Devices cùng với giải pháp
Xử lý Tín hiệu Chuyển động iMEMS đang phát triển và cung cấp các bộ cảm biến gia
tốc và con quay hồi chuyển giúp triển khai xu hướng xử lý tín hiệu này. Rất nhiều ứng
dụng sẽ nảy sinh và phát triển nhờ vào những giải pháp tích hợp có kích cỡ nhỏ, độ
nhạy cao, tiêu thụ ít năng lượng, hoạt động ổn định, có tích hợp mạch giao tiếp và định
dạng tín hiệu (signal conditioning circuitry).
1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG
Chương này tập trung giới thiệu về các ứng dụng của cảm biến đo lường quán
tính trong các ứng dụng thực tế, từ đó đưa ra các định hướng xử lí cho các tín hiệu đo
lường bị nhiễu dưới tác động của môi trường.
Trang 16
nguon tai.lieu . vn
