Tải bản đầy đủ

Định vị trong nhà sử dụng cảm biến IMU

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
----------

NGUYỄN VĂN ĐƯỜNG

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG
ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ VÀ CÔNG TRÌNH
SỬ DỤNG CẢM BIẾN IMU

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG

HÀ NỘI - 2018


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
----------

NGUYỄN VĂN ĐƯỜNG


NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG
ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ VÀ CÔNG TRÌNH
SỬ DỤNG CẢM BIẾN IMU
Ngành: Công Nghệ Kỹ thuật Điện tử, Truyền thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60520203

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. TRẦN ĐỨC TÂN

HÀ NỘI - 2018


i
LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm
ơn sâu sắc tới Thầy PGS.TS Trần Đức Tân . Thầy đã không quản khó khăn,
thời gian, công sức để giúp tôi hoàn thành luận văn này. Thầy là người luôn
say mê nghiên cứu khoa học, có phương pháp nghiên cứu và đã có nhiều đóng
góp cho sự nghiệp nghiên cứu khoa học. Tôi đã học được ở Thầy nhiều bài
học quý về cách làm việc chuyên nghiệp, lối tư duy đánh giá sự việc, những
kinh nghiệm làm việc giúp ích cho tôi trong công việc sau này.
Tôi xin cảm ơn tới anh Phạm Văn Thành - Nghiên cứu sinh tại bộ môn,
người đi cùng tôi trong nghiên cứu này và tôi xin cảm ơn các bạn sinh viên
trong nhóm nghiên cứu, các bạn đã hỗ trợ nhiệt tình để tôi có thể hoàn thành
nghiên cứu.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô giáo và bạn bè trong
nhóm MEMS và các bạn trong lớp K22 Kỹ thuật điện tử, Khoa Điện Tử Viễn Thông, Trường Đại Học Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã có
những nhận xét, góp ý cho luận văn này của tôi.
Tiếp theo, tôi xin gửi lời cảm ơn tới các anh chị trong cơ quan nơi tôi
công tác, những người đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi học tập và nghiên cứu.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến gia đình tôi. Gia
đình là động lực cho tôi vượt qua những thử thách, luôn luôn ủng hộ và động
viên tôi hoàn thành luận văn này.
Mặc dù đã cố gắng rất nhiều nhưng không tránh khỏi sai sót, hạn chế. Tôi
mong nhận được nhiều sự góp ý, chỉ bảo của các thầy, cô để tôi có thể hoàn


thiện hơn luận văn của mình.
Tôi xin chân thành cảm ơn !
Hà Nội, ngày 3 tháng 5 năm 2018
Học viên

Nguyễn Văn Đường


ii
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp “Nghiên cứu xây dựng hệ thống
định vị trong nhà và công trình sử dụng cảm biến IMU.” là sản phẩm của quá

trình nghiên cứu, tìm hiểu của cá nhân dưới sự hướng dẫn và chỉ bảo của các
thầy hướng dẫn, thầy cô trong bộ môn, trong khoa và các bạn bè. Các số liệu,
kết quả trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực. Tôi không sao chép
các tài liệu hay các công trình nghiên cứu của người khác để làm luận văn
này.
Trong luận văn có dùng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong
phần tài liệu tham khảo.
Nếu vi phạm, tôi xin chịu mọi trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 3 tháng 5 năm 2018
Người thực hiện

Nguyễn Văn Đường


iii
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................. I
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................. II
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC CÔNG NGHỆ............................................... 3
ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ ............................................................................................. 3
1.1

Giới thiệu về định vị trong nhà ...................................................................3

1.2. Một số phương pháp định vị trong nhà hiện nay .............................................3
1.2.1

Công nghệ định vị cảm biến từ trường ...................................................3

1.2.2

Công nghệ định vị dùng sóng siêu âm ....................................................4

1.2.3

Công nghệ định vị dùng sóng bluetooth..................................................5

1.2.4

Công nghệ định vị sử dụng mạng wifi.....................................................5

1.2.5

Công nghệ định vị sử dụng ánh sáng ......................................................6

Kết luận chương 1 ...................................................................................................7
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG VÀ XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ............... 8
2.1. Thiết kế hệ thống định vị .................................................................................8
2.1.1 Thiết kế phần cứng .....................................................................................8
2.1.2 Thiết kế phần mềm ...................................................................................12
2.1.3 Hiệu chỉnh cảm biến và lọc dữ liệu..........................................................13
2.2 Xây dựng giải thuật .........................................................................................17
2.2.1 Bộ đếm bước chân ....................................................................................17
2.2.2 Phát hiện hướng dịch chuyển ...................................................................26
2.2.3 Định vị vị trí theo chiều dọc .....................................................................34
Kết luận chương 2 .................................................................................................40
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN ................................ 41
Kết luận chương 3 .................................................................................................46
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 47
CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ................................................... 48
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 49


i
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Viết tắt

Ý nghĩa

ADC

Analog to Digital converter

Bộ chuyển đổi tương tự - số

DMA

Direct Memory Access

Truy cập địa chỉ trực tiếp

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

LED

Light Emitting Diode

Đi ốt phát quang

IMU

Inertial Measurement Unit

Đơn vị đo lường quán tính

I2C

Inter-Intergrated Circuit

Giao tiếp mạch tích hợp

IPS

Indoor Positioning System

Hệ thống định vị trong nhà

SPI

Serial Peripheral Interface

Giao diện ngoai vi nối tiếp

Received Signal Strength

Chỉ số cường độ tín hiệu thu

Indicator

được

Universal

Truyền nhận nối tiếp đồng bộ

Synchronous/Asynchronous

và không đồng bộ

RSSI

USART

Receiver/Transmitter


ii

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Ví dụ về định vị trong nhà sử dụng cảm biến từ trường ..............................4
Hình 1.2 Mô hình định vị trong nhà sử dụng sóng siêu âm .......................................4
Hình 1.3 Mô hình định vị sử dụng sóng bluetooth .....................................................5
Hình 1.4 Mô hình định vị trong nhà sử dụng sóng Wifi .............................................6
Hình 1.5 Mô hình định vị sử dụng ánh sáng ..............................................................7
Hình 2.1 Sơ đồ khối kết nối chính của hệ thống định vị .............................................8
Hình 2.2 MCU STM32F103C8T6 ..............................................................................9
Hình 2.3 Hình ảnh thực tế cảm biến MPU9250 [6] ....................................................9
Hình 2.4 Hướng các trục tọa độ của MPU9250 [6] ..................................................10
Hình 2.5 Cảm biến áp suất BMP180.........................................................................10
Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý của thiết bị định vị được đeo trên người .........................11
Hình 2.7 Hình ảnh thực tế của thiết bị định vị được đeo trên người ........................12
Hình 2.8 Sơ đồ hoạt động của thiết bị .......................................................................13
Hình 2.9 Tín hiệu gia tốc trước và sau khi được căn chỉnh ......................................14
Hình 2.10 Tín hiệu gia tốc trước và sau khi được lọc loại bỏ nhiễu .........................15
Hình 2.11 Tín hiệu từ trường trước và sau khi được qua bộ lọc ...............................15
Hình 2.12 Tín hiệu từ trường trước và sau khi được căn chỉnh ................................16
Hình 2.13 Hình ảnh mô phỏng cho cảm biến từ trường khi chưa được căn chỉnh [7]
...................................................................................................................................16
Hình 2.14 Hình ảnh mô phỏng cho cảm biến từ trường khi được căn chỉnh ............17
Hình 2.15 Trạng thái bước chân và giá trị gia tốc tương ứng [8] .............................17
Hình 2.16 Tín hiệu gia tốc 3 trục thu từ cảm biến. ...................................................18
Hình 2.17 Tín hiệu gia tốc thô trước khi chưa được lọc ...........................................19
Hình 2.18 Tín hiệu gia tốc đã được qua bộ lọc thông thấp .......................................19
Hình 2.19 Các đỉnh có trong tín hiệu bao gồm đỉnh thật và đỉnh giả .......................20
Hình 2.20 Loại bỏ đỉnh giả khi sử dụng điều kiện khoảng cách đỉnh nhỏ nhất .......20
Hình 2.21 Thuật toán phát hiện đỉnh và điều kiện khoảng cách đỉnh tối thiểu ........21
Hình 2.22 Đỉnh bị loại bỏ khi sử dụng điều kiện sự nổi trội của đỉnh ......................22
Hình 2.23 Giá trị MAX, MIN, Ngưỡng động trên mỗi đoạn dữ liệu........................23
Hình 2.24 Thuật toán sử dụng ngưỡng động ............................................................24


iii
Hình 2.25 Các đỉnh giả bị loại bỏ khi sử dụng điều kiện ngưỡng động ...................24
Hình 2.26 Thuật toán loại bỏ các đỉnh trong trạng thái đứng yên ............................25
Hình 2.27 Kết quả bước chân thu được sau khi thỏa mãn các điều kiện ..................25
Hình 2.28 Sơ đồ thuật toán đếm bước chân ..............................................................26
Hình 2.29 Dữ liệu từ ba trục cảm biến từ trường ......................................................27
Hình 2.30 Tín hiệu từ trường trục mx, mz và giá trị Max,Min,Max-Min. ...............28
Hình 2.31 Giá trị th_X, th_Z và th_M ......................................................................28
Hình 2.32 Thuật toán chuẩn hóa dữ liệu ...................................................................29
Hình 2.33 Tín hiệu th_M sau khi đã được chuẩn hóa ...............................................30
Hình 2.34 Các thời điểm xác nhận sự chuyển hướng ...............................................30
Hình 2.35 Thuật toán chuẩn hóa dữ liệu từ trường mx, mz ......................................32
Hình 2.36 Chuẩn hóa tín hiệu mx, mz ......................................................................32
Hình 2.37 Sơ đồ thuật toán phát hiện chuyển hướng. ...............................................33
Hình 2.38 Phát hiện sự chuyển hướng và xác định hướng di chuyển .......................34
Hình 2.39 Dữ liệu thô thu được từ cảm biến áp suất không khí ...............................35
Hình 2.40 Giá trị độ cao chuyển đổi từ giá trị áp suất không khí thô thu được từ cảm
biến ............................................................................................................................35
Hình 2.41 Những điểm bất thường ở dữ liệu thô ......................................................36
Hình 2.42 Sơ đồ tổng quát phương pháp hiệu chỉnh giá trị áp suất [10] .................37
Hình 2.43 Tín hiệu áp suất sau khi được hiệu chỉnh .................................................38
Hình 2.44 Tín hiệu độ cao sau khi được hiệu chỉnh .................................................38
Hình 2.45 Lưu đồ thuật toán phát hiện tầng nhà. ......................................................39
Hình 2.46 Sơ đồ tổng quát hệ thống định vị trong nhà .............................................39
Hình 3.1 Hình ảnh thực tế khi đeo thiết bị trên người thử nghiệm…………..…….41
Hình 3.2 Mô hình thử nghiệm khi đi theo hình chữ nhật với chiều dài 7 bước và
chiều rộng 5 bước. .....................................................................................................42
Hình 3.3 Kết quả sau đi bộ với số bước 24 ...............................................................42
Hình 3.4 Kết quả số bước chân khi đi quanh khu dân cư .........................................43
Hình 3.5 Các thời điểm quay và xác định hướng khi đi quanh khu dân cư ..............44
Hình 3.6 Quỹ đạo chuyển động của người thực nghiệm khi đi quanh khu dân cư...44
Hình 3.7 Giá trị độ cao khi đi bộ và trong thang máy...............................................46


iv


v
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Sự tương quan giữa tín hiệu mx, mz với những lần chuyển hướng ..........33
Bảng 3.1 Bảng kết quả các lần thử nghiệm cho thuật toán đếm bước ......................43
Bảng 3.2 Bảng kết quả phát hiện sự chuyển hướng ..................................................45


1
LỜI NÓI ĐẦU
Như ta đã biết, với các hệ thống định vị ngoài trời đang được sử dựng như hệ
thống GPS, với khả năng định vị rất tốt vị trí của người trong phạm vi rộng lớn. Tuy
nhiên,khi gặp sự che khuất của các công trình, tòa nhà hoặc đi vào những vùng
không thể thu được tín hiệu GPS thì sự định vị này không còn chính xác. Trong khi
đó, vấn đề định trong là lại đang vô cùng hữu ích cho cuộc sống và trong công tác
cứu hộ cứu nạn. Hiện nay, trên thế giới đã có một số công nghệ định vị được nghiên
cứu và sử dụng như: định vị sử dụng sóng siêu âm, tia hồng ngoại, sóng bluetooth,
wifi… Tuy các công nghệ trên đã đạt được những thành công nhất định, bên cạnh
đó còn những hạn chế như: chi phí cao, công suất tiêu thụ lớn, cần thiết lập sẵn hệ
thống định vị và các nghiên cứu đó mới chỉ định vị theo chiều ngang mà chưa định
vị theo chiều dọc. Vì vậy, trong luận văn này tác giả đã đưa ra một đề xuất xây
dựng một thiết bị tích hợp các cảm biến đo lường quán tính (IMU).và cảm biến áp
suất để định vị vị trí của người.theo cả chiều ngang và chiều dọc.
Nội dung của khóa luận được tóm tắt như sau:
Chương 1: Tổng quan về định vị trong nhà
Chương 2: Thiết kế hệ thống, xây dựng thuật toán
Chương 3: Kết quả thực nghiệm và thảo luận


2
TÓM TẮT
Tóm tắt:
Ngày nay, việc định vị rất được quan tâm và nghiên cứu, với việc định vị
ngoài trời đã có các hệ thống định vị như GPS. Nhưng trong trường hợp vì lý do
nào đó mà tín hiệu GPS không thể thu được, thì việc định vị trở nên không chính
xác ví dụ như trong trường hợp người định vị ở trong các tòa nhà, công trình, tầng
hầm. Trong khi đó, vấn đề định vị trong nhà lại vô cùng hữu ích trong một số
trường hợp như định vị nhân viên cứu hộ trong tòa nhà…Vì vậy, trong luận văn
này, tác giả đã đưa ra một phương pháp kết hợp sử dụng.dữ liệu thu được từ cảm
biến áp suất.và dữ liệu từ cảm biến đo lường quán tính (IMU) để định vị được vị trí
của người theo chiều ngang và theo chiều dọc.
Từ khóa: Cảm biến IMU, cảm biến từ trường, cảm biến áp suất.


3
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC CÔNG NGHỆ
ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ
1.1 Giới thiệu về định vị trong nhà
Hệ thống định vị trong nhà (Indoor Positioning System - IPS) là một hệ thống
xác định vị trí các đối tượng hoặc người bên trong tòa nhà, sử dụng sóng vô tuyến,
từ trường, sóng siêu âm hay một số các loại cảm biến khác được thu thập bởi các
thiết bị di động.
Một số công trình nghiên cứu về các phương pháp định vị khác nhau đã ra đời
và đã đạt được các kết quả nhất định. Tuy nhiên điểm chung của các công trình này
là cần thiết lập trước môi trường để định vị, do đó trong một số trường hướng
nghiên cứu này sẽ không khả thi như: định vị trong một công trình bất kì, công tác
cứu hộ cứu tạn khi trong tòa nhà xảy ra sự cố gây ra sự hư hỏng cho các hệ thống
được thiết lặp sẵn.
Hiện đã có một số sản phẩm của một số công ty đã được thương mại hóa, tuy
nhiên vẫn chưa có một tiêu chuẩn nào cho hệ thống định vị trong nhà nói chung.

1.2. Một số phương pháp định vị trong nhà hiện nay
1.2.1 Công nghệ định vị cảm biến từ trường
Công nghệ này dựa trên tập tính của động vật như: chim, cá hồi… với mục
đích khác nhau như di trú hay săn mồi… các động vật này sẽ dựa vào từ trường của
trái đất để định hướng.
Dựa trên những tính chất khác biệt về từ trường của mỗi tòa nhà bao gồm từ
trường Trái đất và hệ thống cấu trúc xây dựng tòa nhà, nên hoàn toàn có thể định vị
chính xác vị trí của người trong tòa nhà đó dựa vào thiết bị có hỗ trợ cảm biến từ
trường và một cơ sở dữ liệu lưu trữ thông tin chi tiết về từ trường của tòa nhà đó.
Từ đó, qua sự so sánh giá trị từ trường tại vị trí cần định vị với cơ sở dữ liệu đã lưu
ta có thể biết được vị trí của người đó chính xác [1] .


4

Hình 1.1 Ví dụ về định vị trong nhà sử dụng cảm biến từ trường1
1.2.2 Công nghệ định vị dùng sóng siêu âm
Trong phương pháp định vị này, người ta dùng hệ thống cảm biến phát ra sóng
siêu âm được thiết lập trước trong môi trường cần định vị được gọi là máy phát. Vật
hay người cần định vị mang thiết bị hỗ trợ, ở đây thiết bị được thiết lập như là một
máy thu, có nhiệm vụ thu tín hiệu từ các máy phát, từ tín hiệu đó có thể tính được
khoảng các từ máy thu tới từng máy phát dựa vào thời gian nhận được tín hiệu và
vận tốc truyền của sóng siêu âm [2].
Từ dữ liệu các khoảng cách từ các máy phát tới máy thu, người ta có thể xây
dựng được vị trí của người hay vật thể trong môi trường định vị.
Nhược điểm của phương pháp này là chi phí thiết bị cao, phải thiết lập trước
hệ thống, và hệ thống có thể bị nhiễu khi gặp các vật cản như tường vách và có độ
sai số vị trí lớn.

Hình 1.2 Mô hình định vị trong nhà sử dụng sóng siêu âm 2
1

http://www.xyht.com/wp-content/uploads/2016/01/IndoorAtlas2015-12-22-at-10.04.37-PM.gif
https://www.researchgate.net/profile/C_Medina/publication/236042519/figure/fig4/AS:214070721552384@
1428049845021/The-typical-configuration-of-the-TELIAMADE-system-A-coordinator-node-is-connectedto-a.png

2


5
1.2.3 Công nghệ định vị dùng sóng bluetooth
Công nghệ bluetooth phổ biến hơn hai công nghệ trước vì sóng bluetooth có
khoảng cách truyền nhận xa hơn, tiêu tốn ít năng lượng hơn tuy nhiên sóng
bluetooth không thể truyền trong khoảng cách quá xa nên khó có thể sử dụng trong
tòa nhà có kích thước lớn và nhiều tầng, chi phí cũng đắt đỏ.
Ở phương pháp này người ta sử dụng chỉ số cường độ tín hiệu nhận được
(RSSI) tại máy thu, từ các phép đo chỉ số cường độ tín hiệu nhận được và thông tin
từ cơ sở dữ liệu của mô hình chuyển động đã thực hiện trước đó, từ đó ta có thể
hoàn toàn định vị được vị trí của người trong một không gian nhỏ khoảng 4.7m [3].
Hình 1.3 mô tả một mô hình định vị bằng bluetooth, người định vị sử dụng
điện thoại có cài sẵn ứng dụng định vị bằng cách sử dụng ứng dụng bluetooth tích
hợp trên điện thoại và hệ thống máy thu phát được thiết lặp sẵn, ứng dụng này đã có
khả năng định vị người trong môi trường trong nhà.

Hình 1.3 Mô hình định vị sử dụng sóng bluetooth3
1.2.4 Công nghệ định vị sử dụng mạng wifi
So những phương pháp trên, công nghệ định vị trong nhà sử dụng mạng wifi
được phổ biến hơn cả. Do sự phổ biến của các điểm truy cập (Acess Point), phương
pháp này sử dụng địa chỉ MAC của các điểm truy cập và chỉ sổ cường độ tín hiệu

3

https://cdn.infsoft.com/www/images/blog/archive/infsoft-blog-BLE-EN.jpg


6
nhận được ở máy thu (thiết bị di động có kết nối wifi). Đối chiếu với cơ sở dữ liệu
ta có thể định vị được người trong khu vực nhỏ với độ chính xác cao. [4]
Nhược điểm của phương pháp này là yêu cầu thiết lập hệ thống điểm truy cập,
xây dựng cơ sở dữ liệu ở máy chủ và giá thành cao.

Hình 1.4 Mô hình định vị trong nhà sử dụng sóng Wifi4
1.2.5 Công nghệ định vị sử dụng ánh sáng
Trong phương pháp định vị này, người ta sử dụng hệ thống đèn chiếu sáng
LED làm các máy phát mã tín hiệu bằng cách chớp tắt đèn, ở người cần định vị có
thế sử dụng máy ảnh của của điện thoại làm máy thu, nhận các tín hiệu từ các máy
phát truyền tới. Sau khi đối chiếu với hệ thống máy chủ qua một ứng dụng được cài
trên thiết bị di động, ở đây máy chủ cung cấp bản đồ vị trí của vật cần định vị. Qua
đó có thể định vị chính xác vật thể hay người [5].
Phương pháp này có ưu điểm là máy thu phổ biến vì các mẫu điện thoại thông
minh hiện nay đều có máy ảnh.
Nhược điểm của định vị này là khoảng cách ngắn, và ảnh hưởng lớn nếu môi
trường định vị nhiều vật cản hoặc ảnh hưởng của các hệ thống đèn chiếu sáng bên
cạnh.

4

https://cdn.infsoft.com/www/images/technology/sensors/wifi/infographic-infsoft-indoor-positioning-usingWiFi-EN-fullsize.jpg


7

Hình 1.5 Mô hình định vị sử dụng ánh sáng 5

Kết luận chương 1
Một số công nghệ định vị trong nhà hiện nay, tuy có độ chính xác cao nhưng
các phương pháp đó đòi hỏi sự thiết lập sẵn cơ sở hạ tầng, hệ thống phức tạp, tốn
kém chi phí.
Do đó, tác giả đã đưa ra đề xuất định vị trong nhà sử dụng các cảm biến quán
tính (IMU) và cảm biến áp suất, với ưu điểm hệ thống nhỏ gọn, trang thiết bị giá
thành thấp, dễ triển khai và không yêu cầu sự thiết lập sẵn về cơ sở hạ tầng.

5

https://cdn.infsoft.com/www/images/blog/archive/infsoft-blog-VLC-EN.jpg


8
Chương 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG VÀ XÂY DỰNG THUẬT TOÁN
2.1. Thiết kế hệ thống định vị
2.1.1 Thiết kế phần cứng
Trong quá trình nghiên cứu, sửa đổi các phiên bản phần cứng tác giả đã đưa ra
được phiên bản phần cứng tối ưu nhất cho các thành phần của hệ thống định vị.
Hệ thống bao gồm thiết bị đặt ở thắt lưng để thu nhận dữ liệu gia tốc, dữ liệu
từ trường và dữ liệu áp suất. Thiết bị được kết với máy tính thông qua mô đun
truyền phát không dây (nRF24L01). Hình 2.1 mô tả sơ đồ khối của hệ thống.
Thiết bị đo gồm 6 phần chính. Vi điều khiển, cảm biến IMU, cảm biến áp suất
nhiệt độ, bộ truyền thông không dây, pin + mạch sạc và hệ thống còi báo, nút bấm,
thẻ nhớ và các đèn báo trạng thái.

Hình 2.1 Sơ đồ khối kết nối chính của hệ thống định vị
Bộ xử lý trung tâm là vi điều khiển 32bit STM32F103C8T6 có chức năng thu
nhận, tiền xử lý tín hiệu từ cảm biến IMU (MPU9250) bao gồm tín hiệu gia tốc, gia
tốc góc, từ trường và tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ, áp suất BMP180 sau đó tất cả tín
hiệu được lưu trữ vào thẻ nhớ (SD card). Module nRF24L01 có nhiệm vụ truyền dữ
liệu từ cảm biến lên máy tính, và cuối cùng là pin lithium có dung lượng 1200mAh.
a) Vi điều khiển STM32F103C8T6 là dòng vi điều khiển 32 bit ARM mạnh
mẽ cùng các cổng giao tiếp ngoại vi phong phú, điện áp hoạt động trong dải 2-3.6V,
đáp ứng đủ yêu cầu của hệ thống. Với các thông số như sau: Kiến trúc lõi ARM 32bit Cortex - M3, tốc độ CPU là 72MHz với 1.25MIPS/MHz. Bộ nhớ chương trình
dạng Flash với dung lượng 64Kbytes và 20Kbytes SRAM. Hỗ trợ các chuẩn giao
tiếp USART, I2C,SPI, ADC, các bộ định thời 16bit mạnh mẽ và bộ truy cập bộ nhớ
trực tiếp DMA giúp tăng tốc độ hoạt động của hệ thống.


9

Hình 2.2 MCU STM32F103C8T66
b) Cảm biến IMU - MPU 9250 là sản phẩm của hãng InvenSense có các
thông số cơ bản sau. Dải điện áp hoạt động từ 2.4-3.6V. IMU được tích hợp 3 bộ
cảm biến bao gồm: Cảm biến gia tốc 3 trục tọa độ (accelerometer) với bộ chuyển
đổi ADC 16-bit,với dải đo từ ±2g, ±4g, ±8g và ±16g. Cảm biến gia tốc góc 3 trục
tọa độ (Gyroscope) tích hợp bộ chuyển đổi ADC 16-bit, dải đo từ ±2500/s,
±5000/s,±10000/s,±20000/s. Và MPU9250 cũng tích hợp thêm cảm biến 3 trục từ
trường (Magnetometer) AK8963C,với bộ chuyển đổi tương tự số ADC 14- bit giá
trị thu được trong dải là ±4800 T. Bộ cảm biến MPU9250 được giao tiếp với vi
điều khiển thông qua chuẩn giao tiếp SPI tốc độ 1Mhz hoặc giao tiếp thông qua
chuẩn giao tiếp I2C tốc độ 400Khz ở chế độ Fast Mode.

Hình 2.3 Hình ảnh thực tế cảm biến MPU9250 [6]

a). Hướng các trục tọa độ của MPU9250 [6]
6

http://bizweb.dktcdn.net/thumb/grande/100/171/563/products/l-f4dd47e3-789e-45dc-b80fe6159c155bfd.jpg?v=1507791006690


10

b) . Hướng các trục tọa độ của MPU9250
Hình 2.4 Hướng các trục tọa độ của MPU9250 [6]
c) Cảm biến nhiệt độ, áp suất BMP180 có một số thông số cơ bản sau: Dải
điện áp hoạt động là từ 1.8-3.6V. Dải đo nhiệt độ là từ 0 - 650C và dải đo áp suất
300-1100hPa tương ứng với độ cao +9000m và -500m so với mặt nước biển.

Hình 2.5 Cảm biến áp suất BMP1807
d) Mô đun truyền phát không dây nRF24L01 có chức năng truyền thông tin
từ thiết bị tới máy tính, ở đó có phần mềm để theo dõi, giám sát thiết bị. Mô đun có
một số thông số sau: Tần số hoạt động 2.4GHz, tiết kiệm năng lượng, dải điện áp từ
1.9 tới 3.6V, tốc độ truyền dữ liệu lên tới 2Mbps. Với module dùng trong luận văn
là module nRF24L01 có tích hợp bộ khuếch đại nên có thể truyền xa lên tới 1km
với môi trường ngoài trời thông thoáng không có vật cản. Module dùng chuẩn giao
tiếp SPI rất dễ lập trình.
Ngoài ra, trên thiết bị có hệ thống LED báo trạng thái, còi báo và thẻ micro
SD để ghi lại toàn bộ tín hiệu trong quá trình định vị.

7

https://cdn.instructables.com/F5U/4IHU/IKH7JA4M/F5U4IHUIKH7JA4M.LARGE.jpg


11

a) Sơ đồ thiết kế module MPU9250

b) Sơ đồ thiết kế khối nguồn

c) Sơ đồ nguyên lý chỉ thị, điều khiển, thẻ nhớ và vi xử lý
Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý của thiết bị định vị được đeo trên người


12
Bộ thu tín hiệu được kết kế trên nền tảng vi xử lý AVR cụ thể là vi điều khiển
Atmega8L với thông số cơ bản sau: Là dòng vi điều khiển 8-bit tốc độ 16MIPS ở
tần số thạch anh là 16MHz. Bao gồm 8Kbyte Flash bộ nhớ chương trình và 1Kbytes
bộ nhớ SRAM, bên cạnh đó vi điều khiển còn có bộ nhớ EEPROM với 100000 lần
ghi xóa, dung lượng 512byte đủ để lữu trữ một số thông tin cài đặt cho hệ thống. Vi
điều khiển cũng bao gồm các ngoại vi giao tiếp cơ bản như UART, SPI, I2C,
ADC…
Hình ảnh thực tế của thiết bị định vị được giới thiệu như hình 2.7

Hình 2.7 Hình ảnh thực tế của thiết bị định vị được đeo trên người
2.1.2 Thiết kế phần mềm
Thiết bị được nhúng hệ điều hành FeeRTOS V8.2.3, lần lượt nhịp nhàng thực
hiện các chương trình sau thành một chu trình khép kín và liên tục. Chương trình
chính được chia thành các Task, mỗi Task được lập lịch để thực thi câu lệnh. Các
Task luân phiên thực hiện dựa trên các delay của task có độ ưu tiên cao hơn
vTaskDelay. Ưu điểm của lập trình FreeRTOS giúp cho công việc lập trình được
giảm gánh nặng về thuật toán, hệ thống chạy ổn định, dễ dàng gỡ rối phần mềm.
Thiết bị còn được tích hợp một số bộ lọc như: Lọc thông thấp, lọc trung bình,
lọc Kalman, các bộ lọc này được sử dụng cho công việc tiền xử lý tín hiệu, bao gồm
quá trình làm mịn tín hiệu, bỏ đi các phần tín hiệu dư thừa, đảm bảo cho thu được
tín hiệu không bị mất tín hiệu và dễ dàng cho việc xử lý sau này.
Mỗi lần thiết bị khởi động, vi xử lý sẽ thực hiện tuần tự các công việc sau:
Đầu tiên, vi xử lý sẽ cài đặt và thiết lập các thông số cho các ngoại vi giao tiếp cơ
bản như: I2C, SPI, USART, PORT. Sau khi đã thiết lập các cài đặt của ngoại vi, vi
xử lý tiến hành lấy các giá trị Offset của các cảm biến, các giá trị này đã được lưu
trong bộ nhớ Flash của vi điều khiển sau khi cảm biến được căn chỉnh. Tiếp theo,


13
nếu có yêu cầu cần hiệu chỉnh lại các cảm biến thì vi xử lý sẽ tiến hành hiệu chỉnh
cảm biến, nếu không, vi xử lý tiến hành thu thập dữ liệu gia tốc, từ trường từ cảm
biến MPU9250 và áp suất, nhiệt độ từ cảm biến BMP180. Với tần số lấy mẫu gia
tốc và từ trường là 50Hz còn tần số lấy mẫu áp suất và nhiệt độ là 2Hz. Hình 2.8 là
sơ đồ trình tự hoạt động của thiết bị.

Hình 2.8 Sơ đồ hoạt động của thiết bị
2.1.3 Hiệu chỉnh cảm biến và lọc dữ liệu
Mỗi cảm biến khi xuất xưởng đều có giá trị Offset, do ảnh hưởng của môi
trường, địa lý, nhiệt độ, sự lão hóa của thiết bị và các biến động trong môi trường
làm việc mà giá trị offset này bị trôi. Điều này làm ảnh hưởng lớn tới các phép toán
xử lý tín hiệu sau này. Dẫn tới các ứng dụng sử dụng các giá trị này cũng bị ảnh
hưởng lớn. Vì vậy việc hiệu chỉnh cảm biến là điều cần thiết.
2.1.3.2 Hiệu chỉnh và lọc tín hiệu cảm biến gia tốc
Trước khi tiến hành thu dữ liệu đưa vào xử lý, các cảm biến của thiết bị cần
được hiệu chỉnh giá trị giữa các trục.
Trong luận văn này, tác giả xin giới thiệu phương pháp đơn giản để hiệu chỉnh
cảm biến gia tốc.


14
Do tính đối xứng của cảm biến gia tốc, phương pháp áp dụng cho cả 3 trục tọa
độ là tương đương, tác giả trình bày phương pháp căn chỉnh cho trục Z như sau:
1: Đặt thiết bị theo hướng 1G và thu dữ liệu az+.
2: Đặt thiết bị theo hướng -1G và thu dữ liệu az-.
3: Tính hệ số K =

2
az  az 


4: _az+= K. az+ , _az- = K. az- .
5 :  = *(_az+ + _az-)
6 : az_calibrated+ = az+ - 
az_calibrated- = az -- 
Sau khi cảm biến được căn chỉnh, tín hiệu gia tốc lúc này được thể hiện ở
Hình 2.9, thiết bị được đặt sao cho trục az có phương và hướng trùng với
phương và hướng của gia tốc trọng trường. Các trục ax,ay có phương vuông góc
với gia tốc trọng trường. Trong trường hợp lý tưởng giá trị đo được az sẽ bằng 0.
Nhưng thực tế không đạt được như vậy, cụ thể ở đây tín hiệu trước khi được hiệu
chỉnh dao động trong khoảng -0.02G, sau khi được hiệu chỉnh, giá trị của tín hiệu
dao động trong khoảng -0.005G. Rõ ràng bằng phương pháp hiệu chỉnh trên, tín
hiệu thu được đã chính xác hơn.

Hình 2.9 Tín hiệu gia tốc trước và sau khi được căn chỉnh
Khi cảm biến đã được hiệu chỉnh, tín hiệu lúc này vẫn còn thành phần nhiễu
sinh ra trong quá trình đo hoặc ảnh hưởng của môi trường. Để thu được tín hiệu


15
chính xác nhất, điều cần làm là loại bỏ các thành phần nhiễu gây ra có lẫn trong tín
hiệu mong muốn thu được.
Trong luận văn này, tác giả đã sử dụng bộ lọc số Kalman để nhằm loại bỏ các
tín hiệu gây nhiễu. Kết quả thu được thể hiện trong hình 2.10.

Hình 2.10 Tín hiệu gia tốc trước và sau khi được lọc loại bỏ nhiễu
Trong hình 2.10 cho thấy tín hiệu trước khi được lọc có biên độ dao động lớn,
khó xử lý. Khi được qua bộ lọc số Kalman, tín hiệu đã được làm mịn dễ xử lý hơn.
2.1.3.2 Hiệu chỉnh và lọc tín hiệu cảm biến từ trường
Đối với cảm biến từ trường, tác giả cũng sử dụng bộ lọc số Kalman nhằm loại
bỏ thành phần nhiễu không mong muốn. Tín hiệu từ trường thu được đã bỏ được
phần lớn tín hiệu gây nhiễu còn lại là tín hiệu mong muốn được mô tả ở hình 2.11.

Hình 2.11 Tín hiệu từ trường trước và sau khi được qua bộ lọc


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×