Cam bien van toc goc trong dan duong

Vương Đạo Nghệ NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CẢM BIẾN VẬN TỐC GÓC TRONG VIỆC DẪN ĐƯỜNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Điện tử - Viễn thông HÀ N Ộ I - 2005... Chỉ ra một số hạ

Vương Đạo Nghệ

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CẢM BIẾN VẬN TỐC GÓC

TRONG VIỆC DẪN ĐƯỜNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Điện tử - Viễn thông

HÀ N Ộ I - 2005

Vương Đạo Nghệ

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CẢM BIẾN VẬN TỐC GÓC

TRONG VIỆC DẪN ĐƯỜNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Điện tử - Viễn thông

Cán bộ hướng dẫn: GS.TSKH Nguyễn Phú Thuỳ

HÀ N Ộ I - 2005

Lời đầu tiên em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo: GS.TSKH Nguyễn Phú Thuỳ, người đã vạch ra con đường và tận tình hướng dẫn cho em hoàn thành

được khoá luận tốt nghiệp này Em xin cảm ơn các thầy, các cô trong trường Đại học

Công Nghệ đã dạy bảo và trang bị cho em những kiến thức trong suốt thời gian qua

Đề tài này cũng không thể có được những kết quả như ngày hôm nay nếu không

có được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy, các anh trong phòng thí nghiệm Em xin bày tỏ lòng cảm ơn tới TS Nguyễn Thăng Long, TS Chử Đức Trình, CN Bùi Thanh Tùng, cùng

các thầy, các anh trong bộ môn “Vi cơ điện tử và vi hệ thống” Em xin cảm ơn TS

Nguyễn Văn Chúc - phân viện trưởng PV1/ Viện Tên Lửa đã tạo điều kiện cho em trao đổi, học hỏi và có những góp ý quý báu

Cuối cùng, em xin gửi tới gia đình, bạn bè sự biết ơn về những quan tâm, động viên và cổ vũ giúp em vượt qua được các khó khăn để hoàn thành khoá luận này

Hà nội, tháng 6 năm 2005 Sinh viên thực hiện

Vương Đạo Nghệ

Đề tài nghiên cứu sử dụng cảm biến vận tốc góc ADXRS150 trong việc dẫn đường Trước hết đề tài tìm hiểu các phương pháp dẫn đường trong thực tế Chỉ ra một số hạn chế của phương pháp dẫn đường thông dụng là sử dụng các hệ dẫn đường vệ tinh như GPS, GLONASS v.v…Trên cơ sở đó nêu ra khả năng sử dụng cảm biến vận tốc góc trợ giúp hệ dẫn đường vệ tinh hoặc sử dụng cảm biến vận tốc góc độc lập với hệ dẫn đường

vệ tinh trong một số ứng dụng riêng biệt Sau đó chỉ ra sự so sánh và đi tới lựa chọn loại cảm biến vận tốc góc được nghiên cứu sử dụng trong đề tài

Đề tài đã thực hiện một loạt các xây dựng và phát triển hệ thống nhằm phục vụ cho việc đánh giá cảm biến như: về phần cứng, xây dựng hệ chuẩn cảm biến, mạch đánh giá cảm biến, mạch ghép nối giao tiếp giữa cảm biến với máy tính từ xa v.v…; về phần mềm: viết phần mềm nhúng cho các vi xử lý, phần mềm thu thập và xử lý dữ liệu trên máy tính có xử lý đồ hoạ, vẽ đồ thị và giao diện tiếng Việt v.v…Từ đó thực hiện một số thí nghiệm nhằm đánh giá các thông số và đặc trưng của cảm biến ADXRS150, nêu ra các nhận xét và đưa ra các giải pháp nhằm nâng cao khả năng sử dụng cảm biến Từ những nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm, nêu ra cách sử dụng cảm biến vận tốc góc cho bài toán định hướng và giữ hướng bay cho máy bay

Phần 1 Lý thuyết……… 3

Chương 1 Khái quát về các phương pháp dẫn đường……….… 3

1.1 Phương pháp dẫn đường dùng GPS……… 3

1.1.1 Khái niệm về GPS 3

1.1.2 Nguyên tắc dẫn đường của GPS……… ………… 5

1.1.3 Khi nào GPS gặp hạn chế……… 6

1.2 Phương pháp dẫn đường sử dụng cảm biến vận tốc góc……… 8

1.2.1 Các loại cảm biến vận tốc góc và so sánh……… 9

1.2.2 Cảm biến vận tốc góc ADXRS150……… 11

1.2.3 Sử dụng cảm biến vận tốc góc ADXRS150 trong bài toán dẫn đường 16 Phần 2 Thực nghiệm……… 19

Chương 2 Hệ chuẩn cảm biến và thành phần thiết bị đo cảm biến vận tốc góc 19 2.1 Xây dựng hệ chuẩn cảm biến……… 19

2.1.1 Khái niệm và ý nghĩa của hệ chuẩn cảm biến……… 19

2.1.2 Mô tả hệ chuẩn cảm biến và phương pháp xây dựng……… 19

2.2 Xây dựng hệ cảm nhận vận tốc góc……… 31

2.2.1 Thiết kế và chế tạo bản mạch Evaluation Board……… 31

2.2.2 Thiết kế và chế tạo hệ cảm nhận vận tốc góc……… 33

2.3 Các phương pháp xử lý tín hiệu……… … 38

2.3.1 Các phương pháp tính góc từ vận tốc góc……… 38

2.3.2 Phương pháp xử lý sự trôi điểm “0”……… … 40

Chương 3 Đo đặc trưng cảm biến vận tốc góc và bình luận kết quả……… … 41

3.1 Thí nghiệm đo góc sử dụng cảm biến vận tốc góc ADXRS 150 …… …… 41

3.1.1 Mô tả thí nghiệm……… 41

3.1.2 Kết quả đo và xử lý số liệu……… 42

3.2 Đánh giá kết quả thí nghiệm hướng phát triển tiếp theo…… 48

Kết luận ……… 50

Phụ lục……… 52

MỞ ĐẦU

Các hoạt động thực tế sử dụng các dịch vụ dẫn đường là vô cùng phong phú

Nó không chỉ dừng lại ở các mục đích dân sự mà còn trong cả các hoạt động quân sự, quốc phòng, hàng không vũ trụ Có thể thấy từ mức độ cá nhân như những người du lịch, những nhà thám hiểm, leo núi, đến nhóm sử dụng lớn như những công ty tàu bè, những hãng hàng không hay rộng hơn nữa là ở quy mô quốc gia, tất cả ngày nay đều đang phải phụ thuộc vào các hệ thống dẫn đường lớn như GPS, GLONASS, GALILEO v.v…Tuy nhiên sự lệ thuộc ấy đang bộc lộ khá nhiều nhược điểm như chi phí xây dựng vô cùng tốn kém, sự mất ổn định do tầm hoạt động rộng lớn phụ thuộc nhiều vào yếu tố môi trường, không có khả năng chủ động về độ chính xác Đặc biệt là khi các hệ thống này chỉ thuộc quyền sở hữu của một vài quốc gia riêng lẻ

Khi công nghệ vi cơ phát triển mạnh đã mở ra một lối thoát cho vấn đề này Nó cho ra đời các cảm biến có kích thước siêu nhỏ và nhẹ với độ chính xác và độ nhạy rất cao Không những thế sự phát triển rầm rộ của công nghiệp chế tạo linh kiện vi cơ điện tử làm cho mặt hàng này trở thành phổ biến với giá thành rẻ Chính vì thế các xu hướng mới trên thế giới là tích hợp các thiết bị quán tính (IMU) vào các phương tiện chuyển động để nâng cao độ chính xác, giúp người sử dụng chỉ còn lệ thuộc một phần hoặc không còn lệ thuộc vào các hệ thống dẫn đường vệ tinh nữa

Trong khi trên thế giới người ta đã làm quen với việc sử dụng cảm biến vận tốc góc vào các bài toán dẫn đường khác nhau ngay trong những câu lạc bộ không chuyên nghiệp như câu lạc bộ điều khiển bay, các câu lạc bộ thi đấu robot, các câu lạc

bộ điện tử nghiệp dư v.v…thì ở Việt Nam việc nghiên cứu về cảm biến vận tốc góc cho bài toán dẫn đường vẫn chưa hoàn toàn phổ biến, đặc biệt là ở quy mô dân sự Một minh chứng rõ ràng là trong quá trình làm đề tài này tác giả đã phải làm hầu hết các công đoạn mang tính chất phát triển hệ thống, các tài liệu được sử dụng hầu hết là các tài liệu mới trong 1, 2 năm gần đây bằng tiếng Anh Ngoài ra việc trao đổi về kinh nghiệm chế tạo, các vấn đề về thiết kế, sử dụng v.v… đều phải trao đổi với các bạn nước ngoài

Từ thực tế trên cho thấy việc có những nghiên cứu ứng dụng cảm biến vận tốc góc ở Việt Nam là một việc làm cần thiết Nó giúp chúng ta có thể tiếp cận với những phương pháp tiên tiến nhất trong lĩnh vực dẫn đường Những hiểu biết này giúp ta làm chủ được hệ thống của mình một cách độc lập

Đề tài này tập trung nghiên cứu cảm biến vận tốc góc ADXRS150 là trái tim của các hệ thống dẫn đường quán tính Nó cho phép xác định hai thông số cơ bản trong bài toán dẫn đường là vận tốc góc và góc quay Để làm chủ được cảm biến vận

tốc góc cần có các phương tiện xác định các đặc trưng hoạt động của cảm biến Hệ chuẩn cảm biến vận tốc góc là một trong những mục tiêu đã được thực hiện trong phạm vi của đề tài Ngoài ra tác giả còn chế tạo bản mạch thử để ghép nối cảm biến với mạch xử lý tín hiệu thay cho việc nhập bản mạch với giá thành từ 50 – 80 $ Các kết quả khác của đề tài là viết chương trình phần mềm xử lý tín hiệu và vẽ đồ thị giao diện người sử dụng trên máy tính, nghiên cứu các phương pháp xử lý nhiễu, phần mềm nhúng cho các vi xử lý hoạt động tốt theo nhiệm vụ định trước, các phương pháp tính tích phân cũng được thực hiện và so sánh Cuối cùng là các đánh giá kết quả đo và đề xuất phương hướng phát triển tiếp theo

Phần I Lý thuyết Chương 1: Khái quát về các phương pháp dẫn đường

Phần đầu tiên của chương này tác giả sẽ giới thiệu về phương pháp dẫn đường phổ biến là dẫn đường dùng hệ thống dẫn đường vệ tinh Phân tích cụ thể nguyên lý dẫn đường của hệ thống dẫn đường vệ tinh điển hình là GPS, từ đó chỉ ra một số hạn chế của phương pháp này để trên cơ sở đó chỉ ra yêu cầu và khả năng sử dụng cảm biến vận tốc góc hỗ trợ hoặc dùng tách biệt với GPS trong một số ứng dụng dẫn đường

1.1 Phương pháp dẫn đường dùng GPS 1.1.1 Khái niệm về GPS

GPS viết tắt của The Global Positioning System, là hệ thống định vị toàn cầu được xây

dựng bởi bộ quốc phòng Mỹ Đầu tiên nó chỉ được sử dụng cho các mục đích quân sự Cho đến những năm 1980 GPS được mở rộng cho những mục đích dân sự

GPS là hệ thống định vị toàn cầu bao gồm một hệ thống các vệ tinh liên tục truyền đi các thông tin được mã hoá giúp xác định chính xác vị trí của một vật xác định trên Trái Đất bằng cách đo khoảng cách từ vệ tinh.( 1 )

Hình 1 Hệ thống GPS

GPS bao gồm 3 thành phần chính: thành phần không gian bao gồm các vệ tinh, thành phần điều khiển là các trạm mặt đất, và thành phần người sử dụng gồm có người sử dụng và bộ thu tín hiệu GPS

Thành phần không gian

Thành phần không gian gồm tổng cộng 24 vệ tinh là trái tim của toàn bộ hệ thống Các vệ tinh chuyển động trên “quĩ đạo cao” cách mặt đất khoảng 19,300 km Với độ cao như vậy, cho phép tín hiệu của mỗi vệ tinh có thể che phủ một vùng rộng lớn trên trái đất Các vệ tinh được bố trí trên quĩ đạo của chúng sao cho một máy thu GPS trên mặt đất có thể “nhìn thấy” tối thiểu 4 vệ tinh vào bất kỳ thời điểm nào Các

vệ tinh hoàn thành 2 vòng quĩ đạo trong vòng một ngày đêm Các vệ tinh sử dụng

năng lượng mặt trời, và được trang bị ắc qui để hoạt động khi bị che khuất hoặc nhật thực v.v… Ngoài ra, còn có các tên lửa đẩy nhỏ để điều chỉnh quĩ đạo khi cần

Hình 2 Các thành phần của hệ thống GPS

Vệ tinh đầu tiên được phóng vào năm 1978 và hoàn chỉnh với 24 quả vào năm

1994 Tín hiệu truyền từ vệ tinh với công suất cực kỳ thấp trên một vài tần số (được gọi là L1, L2, v.v…) Máy thu dân dụng chỉ thu được tín hiệu trên tần số L1 = 1575.42 MHz Tín hiệu được truyền theo đường thẳng có khả năng xuyên qua mây, thuỷ tinh

và nhựa v.v… nhưng không xuyên qua được hầu hết các chất rắn khác như bê tông, thép, đất đá v.v

Để so sánh, ta lấy ví dụ các đài phát thanh FM có tần số từ 88 đến 108 MHz, (đài tp HCM là 99.9 MHz, đài Hà Nội là 104.5 MHz, còn Bình Dương là 92.5 MHz) Công suất của các đài phát vào khoảng 100 ngàn wát (đài FM tp HCM có công suất 20

KW, các đài phát khác ở Việt Nam có công suất từ 1 KW đến 500 KW, trong khi đó tín hiệu từ vệ tinh chỉ có 20 – 50 wát mà thôi Ta thử tưởng tượng máy thu phải lắng nghe tín hiệu có công suất 50 wát từ khoảng cách 19300 km !!! Đó là lý do tại sao cường độ tín hiệu máy thu GPS nhận được phụ thuộc rất nhiều vào độ “quang đãng” của bầu trời (2)

Thành phần điều khiển

Thành phần điều khiển có nhiệm vụ dõi theo các vệ tinh và cung cấp thông tin chính xác về quỹ đạo và thời gian Có tất cả 5 trạm điều khiển trên toàn thế giới Bốn trạm làm trạm giám sát tự động và một trạm còn lại là trạm chủ Bốn trạm nhận tự động sẽ đều đặn nhận dữ liệu từ các vệ tinh và sau đó gửi thông tin này đến trạm chủ

2 http://ttvnol/forums/kythuatquansunuocngoai/gps

Trạm chủ sau đó hiệu chỉnh các thông tin vệ tinh rồi cùng với 2 hệ thống dàn ăngten gửi trả lại thông tin cho các vệ tinh

Thành phần người sử dụng

Thành phần người sử dụng chỉ đơn giản là người sử dụng cùng với bộ thu nhận tín hiệu GPS Người sử dụng GPS là những thành phần rất đa dạng, từ thuỷ thủ, phi công, người leo núi, nhà thám hiểm, khách du lịch, thợ săn, quân đội, hay bất cứ ai cần biết mình đã đi đâu và đang đi tới đâu

1.1.2 Nguyên tắc dẫn đường của GPS

Ta sẽ tìm hiểu cách GPS xác định vị trí như thế nào

Để thực hiện tính toán về vị trí, máy thu GPS phải biết ít nhất hai thông số

1 Vị trí của ít nhất ba vệ tinh

2 Khoảng cách giữa máy thu GPS và từng vệ tinh

Bằng cách phân tích sóng điện từ tần số cao, công suất cực thấp phát từ các vệ tinh, máy thu GPS tính toán ra được hai thông số trên Máy thu loại xịn có thể thu nhận tín hiệu của nhiều vệ tinh đồng thời Sóng radio chuyển động với vận tốc ánh sáng, tức là khoảng 300 ngàn km/giây trong chân không Máy thu có thể tính toán được khoảng cách dựa vào thời gian cần thiết để tín hiệu đến được máy thu Sau đây, chúng ta sẽ tìm hiểu máy thu và các vệ tinh đã hoạt động cùng nhau như thế nào để đo các khoảng cách này Đây là một quá trình khá phức tạp Vào một thời điểm nào đó, giả sử vào lúc

0 giờ, một vệ tinh bắt đầu truyền một chuỗi tín hiệu dài, được gọi là mã ngẫu nhiên giả Máy thu cũng bắt đầu tạo ra chuỗi mã giống hệt vào cùng thời điểm Khi tín hiệu

từ vệ tinh truyền đến máy thu, chuỗi tín hiệu đó sẽ bị trễ một chút so với chuỗi do máy thu tạo ra Chiều dài khoảng thời gian trễ này chính là thời gian truyền của tín hiệu từ

vệ tinh Máy thu nhân thời gian này với tốc độ ánh sáng để xác định quãng đường truyền tín hiệu Giả sử rằng tín hiệu truyền trên đường thẳng, đây chính là khoảng cách

từ vệ tinh đến máy thu Để thực hiện phép đo này, chúng ta phải chắc chắn là đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu phải đồng bộ với nhau Một sai số 1 mili giây sẽ dẫn đến sai số là 300 ngàn mét Do đó, độ chính các tối thiểu cho các máy thu phải là cỡ nano giây Để có độ chính xác như vậy, phải trang bị đồng hồ nguyên tử cho không chỉ các

vệ tinh mà còn cả các máy thu Giá của đồng hồ nguyên tử khoảng 50 đến 100 ngàn

đô

Các vệ tinh của GPS được phóng lên trên quỹ đạo sao cho tại thời điểm bất kỳ,

ở một điểm bất kỳ trên mặt đất đều có thể được “nhìn thấy” bởi tối thiểu 4 vệ tinh

thời gian truyền sóng tới điểm đó với vận tốc của sóng Như vậy đối với mỗi vệ tinh thì điểm cần xác định sẽ nằm ở đâu đó trên một mặt cầu có tâm là vệ tinh và bán kính

là khoáng cách đo được Điểm cần xác định là giao điểm của cả 3 mặt cầu

Ta đã biết rằng 2 mặt cầu cắt nhau theo một đường tròn Đường tròn này giao với mặt cầu thứ ba tại nhiều nhất 2 điểm Trong 2 điểm này sẽ có một điểm thuộc mặt cầu

là bề mặt Trái Đất đã biết, nhờ đó

ta tìm được điểm cần xác định Vậy tại sao lại cần đến vệ tinh thứ

tư ? Câu trả lời là, theo cách xác định ở trên ta mới xác định được

vị trí của một điểm trên bề mặt

ấy có cao độ như thế nào, nghĩa là nó nằm cao bao nhiêu so với bề mặt Trái Đất thì cần phải dùng đến vệ tinh thứ tư

Hình 4 Xác định vị trí bằng GPS

1.1.3 Khi nào GPS gặp hạn chế ?

Những nhân tố có thể làm suy biến tín hiệu GPS và ảnh hưởng tới độ chính xác bao gồm:

• Độ trễ của tầng điện ly và tầng đối lưu: Tín hiệu từ vệ tinh bị chậm đi khi nó đi qua tầng khí quyển Hệ thống GPS sử dụng mô hình bên trong có thể tính toán

độ trễ trung bình để hiệu chính từng phần loại lỗi này

• Đa hướng tín hiệu: Xảy ra khi tín hiệu GPS bị phản xạ từ những vật thể như những toà nhà cao tầng hay những bề mặt đá lớn trước khi nó đến bộ nhận tín hiệu Hiện tượng này làm tăng thời gian truyền của tín hiệu do đó gây ra sai số

Hình 5 Lỗi chắn tín hiệu và lỗi sóng đa hướng

• Lỗi quỹ đạo: Còn được biết đến như lỗi thiên văn, đó là các báo cáo sai về vị trí của vệ tinh

• Số vệ tinh khả kiến: Bộ nhận tín hiệu GPS càng nhìn được nhiều vệ tinh thì độ chính xác càng cao Các công trình, vật cản thiên nhiên, nhiễu điện từ, hay thậm chí đôi khi còn có thể là những tán cây rậm rạp có thể giam tín hiệu không cho phép truyền tới bộ nhận gây ra lỗi vị trí hoặc hoàn toàn không xác định được vị trí Các thành phần của GPS thông thường không hoạt động trong nhà, dưới nước hay dưới mặt đất

• Bộ định thời của bộ nhận tín hiệu bị lỗi: Bộ định thời bên trong của mỗi bộ nhận tín hiệu GPS không được chính xác bằng bộ định thời gắn trên các vệ tinh GPS Do đó nó có thể gây sai số

• Sự che chắn hình học vệ tinh: Thuật ngữ này nói đến hiện tượng liên quan đến

vị trí tương đối của các vệ tinh trong bất kỳ thời điểm nào Các vị trí hình học lý tưởng của vệ tinh tồn tại khi các vệ tinh được sắp xếp sao cho góc nhìn tương đối của chúng là lớn Vị trí hình học tồi xảy ra khi các vệ tinh nằm thẳng hàng hay nằm sát nhau

• Gây suy biến tín hiệu GPS có chủ đích: Khả năng chọn lọc (Selective Availability _ SA) là sự làm suy biến tín hiệu GPS có chủ đích bởi bộ quốc phòng Mỹ SA được tạo ra để tránh cho đối phương sử dụng độ chính xác cao của GPS vào các mục đích quân sự Chính phủ Hoa Kỳ đã bác bỏ SA từ tháng 5

năm 2000 giúp tăng đáng kể độ chính xác của bộ thu nhận tín hiệu GPS dân dụng

• Sai số của các máy cầm tay là khá cao Để đạt được độ chính xác cỡ centimét (cm) các máy thu tín hiệu GPS cần được trang bị đồng hồ nguyên tử Những máy độ chính xác cao như vậy lại có giá thành cỡ 4-5 nghìn đô la Mỹ

• Một trở ngại nữa là bản đồ số của tổng cục địa chính Việt Nam sử dụng hệ toạ

độ vn2000 trong khi GPS lại không biết đến hệ toạ độ này

Như vậy có thể thấy, mặc dù GPS có những khả năng rất ưu việt tuy nhiên nó cũng bộc lộ một số hạn chế nhất định Đặc biệt việc GPS chỉ thuộc quyển sở hữu của

Mỹ gây ra sự lệ thuộc lớn của các ứng dụng dẫn đường vào chính phủ Hoa Kỳ Đòi hỏi xây dựng một phương pháp dẫn đường chính xác và độc lập trở lên vô cùng cấp bách đối với tất cả các quốc gia trên thế giới

1.2 Phương pháp dẫn đường sử dụng cảm biến vận tốc góc

Để khắc phục những hạn chế của hễ dẫn đường vệ tinh, người ta nghĩ đến phương pháp nào đó có thể cảm nhận sự chuyển động của thiết bị và cho phép xử lý ngay trên thiết bị Câu trả lời cho vấn đề này là các cảm biến quán tính Cảm biến quán tính có thể là cảm biến vận tốc góc hay cảm biến gia tốc Bằng những đòi hỏi của mục đích quân sự, những hệ cảm nhận quán tính (Inertial Measurement Unit - IMU) đã sớm có mặt trên các tên lửa hành trình, đầu đạn thông minh v.v… Ở đây nó có nhiệm vụ liên tục cảm nhận sự chuyển động, so sánh với tín hiệu cung cấp bởi GPS, làm các căn chỉnh cần thiết để hướng dẫn vũ khí thông minh tìm chính xác mục tiêu

Dần dần các cảm biến quán tính phát triển rầm rộ hơn, nhiều tính năng hơn và dễ khai thác sử dụng hơn Người ta bắt đầu làm quen nó cho những mục đích có tính dân sự Thậm chí việc sử dụng chúng độc lập với GPS trong một số ứng dụng là điều hoàn toàn có thể

Trên lý thuyết, khi biết vị trí ban đầu, biết được thời gian, vận tốc chuyển động và góc quay, ta hoàn toàn có thể tính toán được vị trí hiện tại của vật thể Các thông số ban đầu ta hoàn toàn có thể làm chủ Thông số cuối cùng ta có được nhờ sử dụng cảm biến quán tính

Hình 6 Ví dụ dẫn đường dùng cảm biến vận tốc góc

Một trong những vấn đề mấu chốt trong bài toán dẫn đường là khả năng định hướng, giữ hướng Hai thông số cơ bản nhất để giải quyết vấn đề này là vận tốc góc và góc dịch chuyển của đối tượng chuyển động Điều thú vị là cả hai thông số này lại hoàn toàn có thể được xác định chỉ nhờ cảm biến vận tốc góc Cảm biến vận tốc góc lại hoạt động hoàn toàn không phụ thuộc vào vị trí địa lý hay trọng lực của Trái Đất do dựa trên nguyên lý cảm nhận lực Coriolis Ngoài ra nó còn rất nhỏ gọn, có nhiều tùy chọn về thông số và chức năng Đây chính là những lý do quyết định giúp cho cảm biến vận tốc góc trở thành trái tim của các hệ thống dẫn đường quán tính có trên tất cả các loại tên lửa, vệ tinh, máy bay và phương tiện chuyển động hiện đại

1.2.1 Các loại cảm biến vận tốc góc và so sánh

Trước sự phát triển của công nghệ vi cơ, các loại cảm biến ra đời ngày một phong phú, đa dạng.Trong đó các chủng loại cảm biến vận tốc góc cũng được nhiều nhà sản xuất khác nhau trên thế giới tập trung phát triển Việc xây dựng những ứng dụng dẫn đường trở lên chính xác và nhỏ gọn hơn bao giờ hết

Sau đây sẽ giới thiệu một vài loại cảm biến vi cơ điện tử thông dụng và so sánh các đặc điểm của chúng Lấy hai loại cảm biến vận tốc góc phổ biến đem ra so sánh là: Tokin CG-16D của hãng Tokin và ADXRS của hãng Analog Devices

Tokin CG-16D có dải đo là +/- 90 độ/s Trong khi ADXRS có 2 loại với dải đo lần lượt là +/-150 độ/s và +/-300 độ/s Tuỳ vào mục đích sử dụng mà sự khác biệt này có thể là quan trọng hay không quan trọng Đối với những ứng dụng cân bằng cho robot hay máy bay trực thăng thì đôi khi chỉ cần đến dải đo giao động trong một vùng hẹp xung quanh góc 0 độ vì hiếm khi những thiết bị này hoạt động bình thường khi có độ nghiêng đến hàng chục độ

Cảm biến vận tốc góc ADXRS chỉ có dạng chân kiểu hàng bi tròn (BGA) trong khi Tokin CG-16D thì dễ sử dụng hơn với kiểu thiết kế 2 hàng chân thông thường (DIP) Tuy nhiên ADXRS lại có kích thước chỉ bằng 1/5 kích thước của cảm biến Tokin Và việc hàn dạng chân BGA thực sự có thể làm được ở phòng thí nghiệm (như thực tế đã được thực hiện trong đề tài) Thêm vào đó Analog Devices cũng đưa ra sản phẩm mạch Evaluation Board (mạch thử nghiệm) có dạng chân ra thông thường, trên

đó đã gắn cảm biến, để tăng thêm tuỳ chọn cho người sử dụng

Hơn thế nữa, cảm biến Tokin không có các chân ra của cảm biến nhiệt độ cũng như lối ra so sánh chuẩn Điều này có thể là không quan trọng nếu sử dụng mạch lọc Kalman để theo dõi sự trôi điểm “0” Ngược lại nó lại có ý nghĩa nếu không dùng mạch loc Kalman mà lại cần cân chỉnh ở mức độ chính xác cao, đo đạc có bù trừ… Cảm biến ADXRS cảm nhận theo trục vuông góc với bề mặt Cảm biến Tokin lại có trục cảm nhận song song với bề mặt Cần có 3 cảm biến vận tốc góc ADXRS để có thể cảm nhận được đầy đủ cả 3 chiều trong không gian, trong khi nếu sử dụng Tokin chỉ cần 2

Đề tài này chọn nghiên cứu sử dụng cảm biến vận tốc góc ADXRS150 của hãng Analog Devices Do những ưu điểm vượt trội về kích thước, độ tích hợp, các chức năng bổ trợ và giá thành mà ADXRS150 đã và đang trở thành sự lựa chọn của nhiều đề tài, ứng dụng về dẫn đường và tự động hoá trên thế giới

ADXRS150 có dải đo lớn (+/- 150 độ/s) sẽ thuận tiện khi được dùng cho các ứng dụng cần xác định những vận tốc góc lớn như để loại trừ việc phương tiện chuyển động ngoặt quá gấp

Nhược điểm về cấu hình chân không phổ biến sẽ được khắc phục bằng việc nghiên cứu thiết kế bản mạch Evaluation Board (Bản mạch thử hay mạch đánh giá-EB) Đây là bản mạch có chức năng lọc tín hiệu, thiết lập các thông số kỹ thuật như độ rông giải thông, độ nhạy, dải đo… Bản mạch Evaluation Board đã được thế kế và chế tạo thành công trong quá trình thực hiện đề tài Nó cho cấu hình 20 hàng chân theo chuẩn DIP

• Độ shock chịu đựng được đến 1000g

• Chế độ tự kiểm tra theo lệnh số

• Có lối ra cảm biến nhiệt

vi cơ điện tử tích hợp (intergrated micro electro-mechanical system - iMEMS), dùng quá trình vi cơ bề mặt để tạo lên con quay vi cơ có chức năng hoàn chỉnh Nhờ đó con quay vi cơ của họ trở nên nhỏ hơn, chính xác hơn, độ tin cậy cao hơn và có tính kinh tế hơn so với các loại cảm biến vận tốc góc khác Con quay vi cơ ADXRS được đóng gói trên đế có kích thước 7x7x3 mm với thiết kế hàng chân kiểu hàng bi tròn (ball grid array - BGA) và chỉ tiêu thụ dòng 5mA tại điện thế nuôi 5V

Tín hiệu lối ra, RATEOUT (1B,2A) là điện thế tỉ lệ với vận tốc góc quanh trục vuông góc với bề mặt cảm biến (Hình 7)

Hình 8 Tín hiệu lối ra tăng theo chiều quay thuận chiều kim đông hồ

Trục cảm nhận của cảm biến là trục Z trong hệ toạ độ thông thường hay còn gọi

là trục quay trái phải Cảm biến sẽ tạo ra điện áp dương ở lối ra nếu chuyển động quay

có chiều dương quanh trục cảm nhận Nói cách khác, khi đó nhìn theo hướng từ trên xuống bề mặt cảm biến, chiều quay thuận với chiều kim đồng hổ

Có thể sử dụng một điện trở ngoài để giảm hệ số tỉ lệ Tần số hoạt động cũng có thể được thiết lập nhờ một tụ bên ngoài Các tụ mắc thêm khác cần thiết cho hoạt động được mô tả trong hình 8

Hình 9 Ví dụ về mạch ghép nối

Các lối ra nhiệt độ và so sánh cũng được cung cấp cho các trường hợp dùng kỹ thuật bù Hai lối vào tự kiểm tra số kích thích cơ điện cho cảm biến nhằm kiểm tra hoạt động của cả cảm biến và các mạch điều chỉnh tín hiệu

Nguyên tắc hoạt động

Cảm biến vận tốc góc ADXRS150 hoạt động trên nguyên tắc con quay vi cơ cộng hưởng Hai cấu trúc cảm nhận polysilicon chứa khung dao động được cưỡng bức dao động tĩnh điện Nó tạo ra thành phần vận tốc cần thiết để tạo ra lực Coriolis khi có chuyển động quay Tại hai đầu cuối của khung, vuông góc với phương dao động là các cấu trúc răng lược linh động gắn xen kẽ với các răng lược cố định để tạo lên cấu kiểu trúc tụ dùng để cảm nhận chuyển động Coriolis Tín hiệu tạo ra được đưa vào một loạt các khối khuếch đại và giải điều chế để tạo ra tín hiệu lối ra dạng điện Thiết kế lưỡng sensor (cảm biến) để tránh rung động và ngoại lực tác dụng Chế tạo cảm biến với mạch xử lý tín hiệu bảo vệ tín hiệu khỏi môi trường nhiễu

Điện áp hoạt động của bộ cộng hưởng tĩnh điện là 14 - 16V Trong khi đó hầu hết các ứng dụng thông thường sử dụng điện áp 5V, do đó trong chip được thiết kế

một “bơm” điện tích Nếu có thể sử dụng nguồn nuôi 14 - 16V, hai tụ ở các chân CP4 có thể được bỏ qua và nguồn nuôi lúc này nối vào chân CP5(chân 7D) với một tụ 100nF mắc thay vị trí của tụ 47nF

CP1-Sau khối giải điều chế là một mạch lọc thông thấp bao gồm một trở nội 7k (Rsen1) và một tụ mắc ngoài do người sử dụng mắc thêm (Cmid) Một tụ Cmid 100nF

sẽ tạo ra mạch lọc thông thấp tần số 400Hz và được dùng để giới hạn tác dụng của tần

số cao lên tầng khuếch đại sau cùng Tụ hạn giải tần Cout có tác dụng giới hạn giải thông (Hình 9)

Hình 10 Sơ đồ các khối bên trong ADXRS150 và các linh kiện mắc ngoài

Nối nguồn nuôi và nối đất

Để cảm biến ADXRS150 hoạt động bình thường chỉ nên sử dụng nguồn nuôi thông thường, những nguồn nuôi lấy từ biến đổi DAC có nhiễu tần số cao và xung kích gây ảnh hưởng đến hoạt động của thiết bị

Hình 8 chỉ ra cách mắc nối ADXRS150, trong đó ta thấy cả chân AVCC và PDD đều có tụ lọc riêng Các tụ này nên mắc càng gần các chân tương ứng của cảm biến càng tốt Nó sẽ hạn chế nhiễu tạo ra bởi bộ “bơm” điện tích nuôi bởi chân PDD

Ba tụ của mạch “bơm” điện tích mắc vào các chân CP1-CP5 cũng cần được mắc càng gần các chân tương ứng càng tốt Các tụ này dùng để tạo mức điện thế cao trên chip thay đổi tại tần số rung động khoảng 15kHz Cần lưu ý rằng dung kháng tổng cộng của các tụ này không vượt quá 50pF Sử dụng các tụ bề mặt với mức điện áp chịu đựng trên 15V là thích hợp nhất

Thiết lập giải thông

Trên hình 9, các tụ ngoài Cmid và Cout được dùng tổ hợp với các trở trên chip để tạo ra hai mạch lọc thông thấp, giới hạn dải tần của tần số đáp ứng của ADXRS150 Tần số -3dB thiết lập bởi Rout và Cout cho bởi công thức:

out out out

C R

1

(1.1)

và có thể dễ dàng điều chỉnh khi biết Rout có giá trị là 180kΩ+/1% Bất kỳ trở ngoài nào mắc giữa hai chân RATEOUT(1B,2A) và SUMJ(1C,2C) sẽ tạo ra điện trở tương đương cho bởi công thức:

ext

ext out

R K

R K R

+ Ω

∗ Ω

= 180

180

(1.2)

Tần số -3dB tạo ra bởi Rsen (tổ hợp hai trở Rsen1 và Rsen2) thì khó điều khiển hơn

vì Rsen1 và Rsen2 được sử dụng để xác định độ nhạy vận tốc của cảm biến khi sản suất

và có sai số 35% Mục đích chính của chúng là giới hạn tần số giải điều chế tạo ra từ

sự bão hoà tầng khuếch đại cuối cùng

Mở rộng giải đo

Giải đo của một cảm biến vận tốc góc là giới hạn vận tốc góc mà cảm biến còn

có khả năng nhận biết chính xác Tuy nhiên có thể mắc thêm điện trở ngoài để thay đổi giải đo này Việc mắc thêm điện trở ngoài phụ thuộc từng loại cảm biến vận tốc góc cụ thể Đối với ADXRS150 điêù này được quy định cụ thể như sau

Giải đo của ADXRS150 có thể được mở rộng bằng cách thêm một trở ngoài giữa hai chân RATEOUT(1B,2A) và SUMJ(1C,2C) tức là mắc song song với trở nội

Rout Ví dụ, một trở bên ngoài có giá trị 330 KΩ tạo ra độ nhạy khoảng 8.1 mV/độ/giây và độ tăng tương ứng khoảng 50% toàn dải Nó có thể mở rộng toàn giải tới 4 lần (giá trị điện trở ngoài nhỏ nhất cho phép là 45 KΩ) Mặt trái của việc mở rộng giải đo là sự gia tăng độ trôi điểm “0” lối ra (tương ứng với khoảng 2º/s theo nhiệt độ)

và sự hiệu chỉnh lại của độ trôi điểm “0” (xem phần hiệu chỉnh điểm “0”)

Lối ra nhiệt độ và hiệu chỉnh

Hiệu chỉnh nhiệt độ cảm biến để tăng cường độ chính xác chung là việc làm thường thấy Cảm biến vận tốc góc ADXRS150 có lổi ra điện thế tỉ lệ với nhiệt độ để cung cấp cho những phương pháp hiệu chỉnh như vậy Điện thế ra ở chân TEMP(3F,3G) bình thường là 2.5V tại 27ºC và có đặc trưng tuyến tính (proportional

to absolute temperature - PTAT), tức là 8.4mV/ºC Chú ý rằng dòng lối vào/ra giới hạn đến 100 µa /50µa

Sử dụng kỹ thuật hiệu chỉnh 3 điểm có thể hiệu chỉnh độ trôi tới mức chính xác khoảng 300 độ/giờ Để đạt mức ổn định cao hơn, tức là độ trôi chỉ ở mức giá trị khoảng 70 độ/giờ hay ít hơn thì phải sử dụng nhiều điểm hơn Giới hạn giải tần của thiết bị sẽ giảm được nhiễu flat-band trong suốt quá trình hiệu chỉnh, làm tăng độ chính xác của phép đo tại mỗi điểm hiệu chỉnh

Sử dụng ADXRS150 với Ratiometric ADC

Tín hiệu lối ra của ADXRS150 là không tuyến tính, tức là cả điện áp điểm “0” lẫn độ nhạy vận tốc đều tỷ lệ với nguồn cung cấp Tuy nhiên các giá trị đó thường không đổi đối với nguồn cung cấp một chiều dao động trong khoảng 4.75 đến 5.25V Nếu ADXRS150 được sử dụng với Ratiometric ADC, lối ra 2.5V của cảm biến có thể được biến đổi ADC và được sử dụng trong chương trình phần mềm để căn chỉnh khi

có các rung động

Điều chỉnh điểm “0”

Việc điều chỉnh điểm “0” có thể thực hiện bằng cách đưa một dòng thích hợp vào chân SUMJ(1C,2C) Để thực hiện điều đó chỉ cần mắc thêm một điện trở giữa nguồn cung cấp với đất Điện áp “0” 2.5V nằm đối xứng giữa giải điện áp lối ra Tuy nhiên đối với một số ứng dụng mức điện áp “0” không đối xứng lại thích hợp hơn Cần lưu ý rằng khi mắc điện trở với nguồn cung cấp thì khi nguồn không ổn định có thể gây sự thăng giáng điểm “0” Trong trường hợp này, nhiễu của nguồn số phải được đặc biệt loại trừ (Xem thêm phần nối nguồn nuôi và nối đất)

Giá trị điện trở cần sử dụng có thể tính toán theo công thức sau:

1 0

000,1805.2

null null

null

V V

Nếu sử dụng điện trở ngoài ở chân RATEOUT và SUMJ giá trị dùng trong công thức trên là giá trị điện trở tương đương Giá trị tương đương của điện trỏ được tính khi giả thiết nguồn nuôi Vcc = 5V và VSUMJ = 2.5 V

Chức năng tự kiểm tra (self test)

Con quay vi cơ ADXRS150 có chức năng tự kiểm tra để kích thích các cấu trúc cảm nhận và các mạch điện tương thích theo cách giống như khi cảm biến chịu tác dụng của vận tốc góc Chức năng này được kích hoạt khi tác dụng tín hiệu điện ở

mức logic cao vào chân ST1(5F,5G) hoặc ST2(4F,4G) hoặc cả hai Tác dụng vào chân ST1(5F,5G) làm điện áp lối ra ở chân RATEOUT hạ xuống 0.7V, còn tác dụng vào chân ST2(4F,4G) sẽ làm điện áp lối ra ở chân RATEOUT tăng lên 0.7V

Việc kích hoạt cả hai chân ST1 và ST2 đồng thời sẽ không gây ảnh hưởng xấu đến cảm biến Tuy nhiên do ST1 và ST2 không được đặt đủ gần nhau, việc kích hoạt đồng thời tại 2 chân này có thể khiến điểm “0” bị trôi một cách rõ ràng

1.2.3 Sử dụng cảm biến vận tốc góc ADXRS150 trong bài toán dẫn đường

Như đã đề cập ở trên, có hai thông số quan trọng sử dụng trong bài toán dẫn đường là vận tốc góc và góc Để thu được vận tốc góc cần xác định đường đặc tuyến phụ thuộc giữa điện thế lối ra với vận tốc góc mà cảm biến cảm nhận Theo lý thuyết đường đặc tuyến có dạng như chỉ ra trên hình 7

Trước khi sử dụng cảm biến cần xác định miền tuyến tính của đồ thị bằng số liệu thực nghiệm Sau khi đã xác định được miền tuyến tính, giá trị vận tốc góc được tính theo công thức:

α

ω = V ∗cos (1.4)

trong đó α là hệ số góc của đường đặc tuyến

Sau khi xác định được vận tốc góc một cách đáng tin cậy, ta tính góc quay theo một công thức toán học đơn giản Như đã biết đạo hàm bậc nhất của góc quay theo thời gian là vận tốc góc Như vậy góc quay được tính bằng cách tích phân vận tốc góc

Ý nghĩa toán học của phép tính tích phân là như sau:

Giả sử có hàm số f(t) Giá trị tích phân hàm số f(t) trong khoảng thời gian từ t1 đến t2

chính là phần diện tích giới hạn bởi đường cong f(t), trục hoành và hai đường thẳng vuông góc với trục hoành tại t1 và t2 như chỉ ra trong hình vẽ:

Hình 11 Ý nghĩa của tích phân

Trên cơ sở hiểu ý nghĩa phép tính tích phân như vậy, các nhà toán học đã đề ra các phương pháp tính gần đúng giá trị tích phân khi biết các giá trị rời rạc của hàm số f(t) và khoảng thời gian giữa các giá trị ấy Các phương pháp tính tích phân gần đúng phổ biến là: phương pháp Ơle, phương pháp Trapezoid Nội dung của các phương pháp này như sau:

Giả sử hàm số y(t) được lấy mẫu thành tập hợp các giá trị rời rạc theo thời gian Gọi yn và yn+1 là 2 mẫu liên tiếp bất kỳ Khoảng thời gian giữa hai mẫu liên tiếp được lấy luôn cố định là ∆t Ta thu được tập hợp các giá trị rời rạc của hàm số y(t) (tương ứng với các điểm đen tròn yn trên hình 11)

Hình 12 Hàm số y(t) được lấy mẫu thành các giá trị rời rạc

Phương pháp Ơle hay còn gọi là phương pháp hình chữ nhật:

Diện tích S được tính gần đúng bằng tổng các diện tích hình chữ nhật nhỏ có cạnh là yi và đáy là ∆t

0

Phương pháp Trapezoid hay phương pháp hình thang:

Diện tích S được tính gần đúng bằng tổng các diện tích hình thang nhỏ có 2 đáy lần lượt là yi và yi+1, có chiều cao là ∆t

∆

∗+

S

0

1)(

Từ những cơ sở lý thuyết đã nêu có thể rút ra những kết luận sau:

- Để sử dụng cảm biến vận tốc góc trong bài toán dẫn đường phải xác định được

Phần II Thực nghiệm

Chương 2: Hệ chuẩn cảm biến và thành phần thiết bị đo cảm biến vận tốc góc

2.1 Xây dựng hệ chuẩn cảm biến

Như đã đề cập ở phần lý thuyết, việc có một hệ chuẩn cảm biến là rất cần thiết

để xác định đường đặc trưng của cảm biến, từ đó xác định được miền hoạt động của

cảm biến Hệ chuẩn cảm biến vận tốc góc được xây dựng phục vụ đề tài này là một hệ

bàn quay có tốc độ thay đổi được Đồng thời tốc độ của bàn quay được xác định chính

xác thông qua bộ đếm là cảm biến hồng ngoại ghép nối với mạch vi xử lý có tác dụng

tính vận tốc, hiển thị lên màn hình tinh thể lỏng LCD Ngoài ra còn cho phép ghép nối

với máy tính để giám sát tốc độ bàn quay Hệ chuẩn cảm biến được xây dựng còn có ý

nghĩa trong việc chuẩn các cảm biến vận tốc góc loại khác nhau, thậm chí có thể dùng

để kiểm tra cảm biến gia tốc

2.1.1 Khái niệm và ý nghĩa của hệ chuẩn cảm biến

Hệ chuẩn cảm biến vận tốc góc là hệ bàn quay (turn table) có thể đặt các tốc

độ quay khác nhau, và có thể quay ở một tốc độ biết trước một cách ổn định Cụ thể

hơn, một hệ chuẩn cảm biến vận tốc góc phải có các tính năng sau:

¾ Có tốc độ quay điều khiển được

¾ Độ ổn định cao về tốc độ

¾ Momen quán tính lớn

¾ Chịu được tải trọng khi quay

¾ Có tốc độ quay đủ thấp (Đây là một đặc tính quan trọng khi thực tế ta thường

chỉ gặp các hệ quay có tốc độ quay rất lớn như quạt, bánh xe v.v…)

Một hệ chuẩn có những tính năng như vậy sẽ có ứng dụng rất quan trọng trong việc

xác định vùng hoạt động của cảm biến vận tốc góc nói riêng và cảm biến quán tính nói

chung

2.1.2 Mô tả hệ chuẩn cảm biến và phương pháp xây dựng

Từ những tính năng đã nêu ở phần trên có thể thấy hệ chuẩn cảm biến sẽ gồm các thành phần chính là:

ƒ Phần cơ cấu động học: Bảo đảm cơ cấu truyền động có thể chịu được tải trọng,

có momen quán tính lớn, có thể thay đổi tốc độ

ƒ Phần đo tốc độ: Giúp kiểm soát tốc độ của bàn quay

Trên cơ sở đó, hệ bàn quay được xây dựng có các bộ phận: Phần cơ cấu động học gồm bàn quay và hệ bánh răng truyền động ; Phần cảm nhận tốc độ là mạch cảm biến hồng ngoại có tác dụng cảm nhận chuyển động quay để tạo ra chuỗi xung; Phần xử lý, ghép nối và hiển thị gồm vi xử lý, màn hình tinh thể lỏng (LCD) và mạch ghép nối máy tính

có chức năng xử lý tín hiệu từ cảm biến để tính toán tốc độ hệ quay, hiển thị tốc độ và truyền về máy tính

Nội dung khoá luận phần tiếp theo mô tả việc thiết kế, chế tạo từng khối của

hệ chuẩn này, phối ghép chúng với nhau và tiến hành thực nghiệm đo, xử lý số liệu và kiểm chứng

Phần cơ cấu động học

Phần này chứa môtơ, hệ bánh răng và bàn quay Hệ bánh răng truyền động truyền chuyển động quay của môtơ đến bàn quay Hệ truyền động được mô tả như trong hình 13 Hầu hết các chi tiết này được sử dụng lại của một hệ bàn quay của Nga không còn hoạt động, trừ một chi tiết bánh răng và vài phụ kiện được gia công thêm

Hình 13 Hệ bánh răng truyền động

Tốc độ được lựa chọn bằng cách lựa chọn tổ hợp hai nút vặn như mô tả ở hình 14

Hình 14a Lựa chọn tốc độ

Hình 14b Các chế độ tốc độ quay khác nhau

Sơ đồ mạch điện của môtơ được mô tả ở hình 15

Hình 15 Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển mô tơ

Bàn quay có khắc 360 vạch chia độ tương ứng với 1 độ/vạch Để có thể kiểm soát được tốc độ bàn quay ta gắn thêm dải băng sáng tối (hình 16a) lên bàn quay Sau đó một mạch đo dùng cảm biến hồng ngoại có tác dụng cảm nhận các vạch sáng tối và tạo thành các xung vuông ở lối ra

Hình 16 a) Dải băng sáng tối; b) Bàn quay có gắn dải băng sáng tối

Phương pháp cảm nhận tốc độ bàn quay dựa trên nguyên tắc đếm các

màu đen (màu tối) và trắng (màu sáng) Muốn vậy, trên bàn quay được dán một dải băng sáng tối Mỗi vạch sáng, tối tương ứng với một độ chia (1º ) Để đếm các vạch màu sáng, cần thiết kế, chế tạo một bản phát và cảm nhận hồng ngoại Nhờ mạch này đếm được số vạch sáng, đo khoảng thời gian đếm này ta biết được vận tốc góc

Mạch cảm nhận hồng ngoại chứa một đầu phát hồng ngoại (LED) và m

biến hồng ngoại Khi vạch màu trắng quét qua, độ phản xạ của chùm sáng từ LED chiếu đến rất mạnh và tới được đầu thu của cảm biến hồng ngoại tạo thành dòng lớn

Khi vạch màu đen quét qua, độ phản xạ của chùm sáng từ LED chiếu đến rất yếu do ánh sáng đã bị hấp thụ, dòng tạo ra ở cảm biến hồng ngoại là nhỏ (hình 22)

Tín hiệu ở lối ra của cảm biến hồng ngoại được đưa tới bộ so sánh của IC LM324 Sau khi đi qua mạch so sánh tín hiệu có dạng xung vuông (hình 23c)

Tín hiệu ở lối ra của cảm biến hồng ngoại có thể được khuếch đại tới 1600 lần nhờ mạch khuếch đại sử dụng 2 bộ khuếch đại thuật toán như sau:

Hình 17 Sơ đò mạch khuếch đại 2 lần dùng 2 bộ khuếch đại thuật toán

Tầng khuếch đại thứ nhất có độ khuếch đại tính theo công thức:

41 1

40 21

Ta dễ nhận thấy mạch mắc như trên còn hình thành được một mạch lọc thông dải sử dụng khuếch đại thuật toán:

Hình 18 Mạch lọc thông dải dùng khuếch đại thuật toán

ý nghĩa của nó là giới hạn giải tốc độ cảm nhận và khuếch đai Để giải thích rõ ràng hơn ta nhìn vào đồ thị dưới đây:

Hình 19 Dải thông của mạch lọc thông dải

Tần số dải thông nằm giữa tần số cắt thấp (foL) và tần số cắt cao (foH)

Mỗi tần số cắt thì được tính bởi công thức:

11 112

1

R C

f oL

Π

12 122

1

R C

f oH

Π

= (1.10)

Ví dụ đối với các thông số như đã cho ở trên thì ta có:

Khi đó mạch khuếch đại sẽ khuếch đại tín hiệu trong dải tần số khoảng 0.3 đến 8 Hz

Điều đó không có nghĩa là những tần số nằm ngoài khoảng thì không được khuếch đại mà nó chỉ khó được khuếch đại hơn Nhờ đó ta chống lại việc phát hiện chuyển động quá chậm hoặc quá nhanh Đây cũng là một phương pháp loại bỏ nhiễu, sai số của môi trường

Tín hiệu được cảm nhận được chuyển thành xung vuông nhờ sử dụng mạch so sánh

Bằng việc thiết lập các thông số phù hợp ta có thể

được một xung vuông Ở đây ta sẽ phân tích xem làm thế nào có thể quy định được điều đó:

Giả sử tín hiệu của ta có thể biến đổi như lối vào A, ta muốn chỉ trong dải điện thế +1.7V đến +3.3V thì tín hiệu có mức thế cao, còn ngoài dải đó tín hiệu có mức thế thấp Các điểm B,C có mức điện áp định trước là +3.3V và +1.7V

đảo nhỏ hơn +3.3V thì lối ra có mức H (tương

ứng với mức cao) Khi lối vào cao hơn +3.3V thì

lập tức lối ra chuyển xuống mức L (tương ứng với

mức thấp) Với IC2, lối vào đảo

cố định là +1.7V, nếu lố

nhờ mạch chia thế Với IC1, nếu lối vào

i vào đảo lớn hơn

ử dụng ở đây

Hình 21 Dạng tín hiệu tương ứng

+1.7V thì lối ra có mức H (tương ứng với mức

cao) Khi lối vào thấp hơn +1.7V thì lập tức

lối ra chuyển xuống mức L (tương ứng với

mức thấp) Trên thực tế ngưỡng so sánh được