Thiết kế bộ điều khiển mặt đất cho thiết bị bay không người lái ứng dụng cho thử nghiệm trong môi trường đặc biệt

Tổng quan về thiết bị bay không người lái, hệ điều khiển trên mặt đất. Phương pháp truyền dẫn dữ liệu. Nghiên cứu thiết kế phần cứng và phần mềm cho hệ điều khiển trên mặt đất UAV. Thử nghiệm và đánh giá. Tổng quan về thiết bị bay không người lái, hệ điều khiển trên mặt đất. Phương pháp truyền dẫn dữ liệu. Nghiên cứu thiết kế phần cứng và phần mềm cho hệ điều khiển trên mặt đất UAV. Thử nghiệm và đánh giá.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

LÊ HỒNG SƠN

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MẶT ĐẤT CHO THIẾT BỊ BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI ỨNG DỤNG CHO THỬ NGHIỆM

TRONG MÔI TRƯỜNG ĐẶC BIỆT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội, năm 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

LÊ HỒNG SƠN

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MẶT ĐẤT CHO THIẾT BỊ BAY

KHÔNG NGƯỜI LÁI ỨNG DỤNG CHO THỬ NGHIỆM

TRONG MÔI TRƯỜNG ĐẶC BIỆT

Chuyên ngành: Điều khiển và tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

TS BÙI ĐĂNG THẢNH

Hà Nội – Năm 2017

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn: Lê Hồng Sơn

Đề tài luận văn: Thiết kế bộ điều khiển mặt đất cho thiết bị bay không người

lái ứng dụng cho thử nghiệm trong môi trường đặc biệt

Chuyên ngành: Điều khiển và tự động hóa

Mã số SV: CA150431

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 20/01/2018 với các nội dung sau:

- Chỉnh sửa một số lỗi chính tả, trình bày

- Bổ sung trích dẫn tham khảo khi trình bày các chương

- Việt hóa một số thuật ngữ Tiếng Anh

- Bổ sung, giải thích môi trường đặc biệt trong luận văn

- Bổ sung, giải thích lý do thử nghiệm ở khoảng cách 1000m thay vì 3000m?

Ngày tháng 12 năm 2017 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn thạc sĩ kỹ thuật: “Thiết kế bộ điều khiển mặt đất cho thiết bị bay không người lái ứng dụng cho thử nghiệm trong môi trường đặc

biệt” do tôi tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS Bùi Đăng Thảnh Các

số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế

Để hoàn thành đồ án này tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu phát hiện có sự sao chép tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2017

Tác giả luận văn

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT iii

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CHUNG VỀ THIẾT BỊ BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI, HỆ ĐIỀU KHIỂN TRÊN MẶT ĐẤT VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU 2

1.1 Tổng quan chung về UAV 2

1.1.1 Lịch sử phát triển 2

1.1.2 Phân loại 3

1.1.3 Vai trò của UAV và ứng dụng trong thực tế 4

1.2 Hệ thống điều khiển mặt đất 5

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN DẪN DỮ LIỆU 9

2.1 Hệ thống thông tin vô tuyến 9

2.1.1 Máy thu và máy phát 9

2.1.2 Môi trường truyền tin 9

2.1.3 Ăng ten 10

2.2 Giới thiệu về sóng RF 12

2.2.1 Tần số mang, bước sóng và phổ điện từ 12

2.2.2 Kỹ thuật điều chế tín hiệu 14

2.3 Phát hiện và sửa lỗi trong truyền dẫn dữ liệu bằng sóng RF 18

2.3.1 Giới thiệu 18

2.3.2 Các loại lỗi bit 19

2.3.3 Phát hiện lỗi 19

2.3.4 Sửa lỗi 22

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM

CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN TRÊN MẶT ĐẤT UAV 26

3.1 Yêu cầu thiết kế 26

3.2 Thiết kế phần cứng máy phát lệnh 26

3.2.1 Sơ đồ khối tổng quan 26

3.2.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lý hệ thống 27

3.2.3 Thiết kế mạch in 33

3.3 Thiết kế phần cứng mạch thu 35

3.3.1 Sơ đồ khối mạch thu tín hiệu 35

3.3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch thu 36

3.3.3 Thiết kế sơ đồ mạch in, vỏ hộp sản phẩm 37

3.4 Thiết kế phần mềm hệ thống 39

3.4.1 Lưu đồ thuật toán tay cầm điều khiển 39

3.4.2 Lưu đồ thuật toán bên thu 44

CHƯƠNG 4 THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 49

4.1 Đo thử nghiệm, đánh giá thời gian trễ của tín hiệu giữa 2 bộ truyền và nhận 49

4.2 Đo thử nghiệm, đánh giá tỉ lệ lỗi truyền bản tin 49

4.3 Đo thử nghiệm hoạt động thực tế 51

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

PHỤ LỤC 56

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

TỪ VIẾT

TẮT NGHĨA TIẾNG ANH NGHĨA TIẾNG VIỆT

RSSI Received Signal Strength Indicator Cường độ tín hiệu

UADS Unmanned Aircraft Defense System Hệ thống phòng thủ máy bay không

người lái

300 MHz tới 3 GHz

30 đến 300 MHz VTOL Vertical Take-Off and Landing UAV cất hạ cánh thẳng đứng

Mbps Millions of bits per second Đơn vị đo tốc độ truyền dẫn dữ liệu

HALE High Altitude, Long Endurance UAV bay lâu – độ cao lớn

tới 30 MHz

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Máy bay Sperry Aerial Torpedo 2

Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống điều khiển UAV 5

Hình 1.3: Trạm điều khiển mặt đất cơ động (PORTABLE GROUND CONTROL STATION) 6

Hình 1.4: The “FlightGear” application [2] 7

Hình 1.5: Sơ đồ kết nối giữa UAV và máy phát lệnh điều khiển 7

Hình 1.6: Máy phát lệnh T6J 8

Hình 2.1: Hình tượng hóa môi trường vùng truyền song 10

Hình 2.2: Mối tương quan giữa tăng ích Ăng ten vô hướng và VBW 2.1 dBi (0 dBd) = 75º VBW 5.1 dBi (3 dBd) = 33º VBW 8.1 dBi (6 dBd) = 17º VBW 11

Hình 2.3: Mối tương quan giữa tăng ích Ăng ten định hướng và VBW 8.1 dBi (6 dBd) = 70º VBW 11.1 dBi (9 dBd) = 55º VBW 15.1 dBi (13 dBd) = 35º VBW 11

Hình 2.4: Minh họa hệ thống truyền phát không dây RF 12

Hình 2.5: Phổ tần được chia thành các dải tần 13

Hình 2.6: (a) điều chế biên độ, (b) điều chế tần số 15

Hình 2.7:Dạng sóng điều chế ASK 16

Hình 2.8: Dạng sóng điều chế PSK 17

Hình 2.9: Dạng sóng điều chế FSK 18

Hình 2.10: Lỗi bit trong quá trình nhận dữ liệu 19

Hình 2.11: Phương pháp sử dụng bit dư thừa 20

Hình 2.12: Quá trình kiểm tra lỗi CRC 21

Hình 3.1: Sơ đồ khối tay điều khiển 27

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý của khối vi điều khiển 27

Hình 3.3: Sơ đồ chân Atmega 32 (a) DIP, (b) TQFP 29

Hình 3.4: Module RFM22 ISM 30

Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý khối phát RF 30

Hình 3.6: Sơ đồ khối nguồn 31

Hình 3.7: Pin UltraFire 31

Hình 3.8:Sơ đồ chân của TLV1117-33 32

Hình 3.9:Nút nhấn đa hướng (joystick) 32

Hình 3.11: Chức năng tay điều khiển JoyStick 32

Hình 3.12:Sơ đồ nguyên lý khối Joystick 33

Hình 3.13: Hình vẽ 3D mạch tay cầm điều khiển 34

Hình 3.14:Sơ đồ mạch in tay điều khiển 34

Hình 3.15: Sơ đồ khối phần nhận tín hiệu 35

Hình 3.16: Sơ đồ nguyên lý mạch thu 36

Hình 3.17: Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển động cơ Servo 36

Hình 3.18: Hình vẽ 3D mạch thu trên UAV 37

Hình 3.19: Sơ đồ mạch in module thu RF 37

Hình 3.20:Lưu đồ thuật toán tay phát 39

Hình 3.21: Sơ đồ kết nối giao thức SPI 40

Hình 3.22: Lưu đồ thuật toán bộ thu tín hiệu RF 44

Hình 4.1: Xung điều khiển kênh 1 khi Joystick ở trạng thái tự nhiên 51

Hình 4.2: Xung điều khiển kênh 1 khi gạt Joystick xuống tới giới hạn 52

Hình 4.3: Xung điều khiển kênh 1 khi gạt Joystick lên tới giới hạn 52

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Bảng các dải tần số 13

Bảng 2.2: Cách tính các bit chẵn lẻ trong mã Hamming 23

Bảng 2.3: Kiểm tra các bit chẵn lẻ 23

Bảng 2.4: Tính giá trị các bit chẵn lẻ 24

Bảng 3.1: Định dạng khung bản tin 41

Bảng 3.2: Khung bản tin thêm mã kiểm tra lỗi CRC 41

Bảng 4.1: Bảng kết quả phép thử khoảng cách bộ thu phát 49

Bảng 4.2: Bảng đánh giá tỉ lệ lỗi bản tin truyền khi chưa sử dụng thuật toán sửa lỗi 50

Bảng 4.3: Bảng đánh giá tỉ lệ lỗi bản tin truyền khi có sử dụng thuật toán sửa lỗi 50

MỞ ĐẦU

Ngày nay, UAV đang được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân sự và quân

sự Trong lĩnh vực quân sự UAV được dùng để trinh sát, giám sát mục tiêu, thu thập

dữ liệu và đặc biệt là làm mục tiêu bắn cho tên lửa, pháo trong tập luyện Đối với một hệ thống điều khiển UAV, vấn đề truyền thông tin dữ liệu từ máy phát lệnh điều khiển hay trạm điều khiển mặt đất đến bộ điều khiển trung tâm UAV là rất quan trọng Nó điều khiển UAV trong giai đoạn cất cánh và hạ cánh

Tuy nhiên, hiện nay phần lớn các thiết bị điều khiển cho UAV đều là các thiết bị nhập khẩu nguyên chiếc, giá thành cao Do đó, để làm chủ công nghệ tránh phụ thuộc vào các hãng sản xuất, đặc biệt là trong lĩnh vực quân sự, quốc phòng, tôi đã lựa chọn

đề tài “Thiết kế bộ điều khiển mặt đất cho thiết bị bay không người lái ứng dụng cho thử nghiệm trong môi trường đặc biệt” làm đề tài luận văn tốt nghiệp của mình Nội dung nghiên cứu của luận văn được thể hiện trong 4 chương:

Chương 1: Tìm hiểu chung về thiết bị bay không người lái, hệ điều khiển trên mặt đất và định hướng nghiên cứu

Chương 2: Trình bày về phương pháp truyền dẫn dữ liệu

Chương 3: Nghiên cứu, thiết kế phần cứng và phần mềm cho hệ điều khiển trên mặt đất UAV

Chương 4: Thử nghiệm và đánh giá

Hà Nội, ngày … tháng 12 năm 2017

Tác giả luận văn

Lê Hồng Sơn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CHUNG VỀ THIẾT BỊ BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI, HỆ ĐIỀU KHIỂN TRÊN MẶT ĐẤT VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan chung về UAV

UAV (Unmanned Aerial Vehicle)- thiết bị bay không người lái, hay máy bay không người lái, là tên gọi chung cho các loại máy bay mà không có phi công ở buồng lái và được điều khiển từ xa từ trung tâm điều khiển [1] [3] UAV có nhiều kiểu dáng, hình dạng

và kích thước khác nhau tùy thuộc vào các mục đích sử dụng khác khác nhau

Từ khi ra đời đến nay UAV được sử dụng phổ biến trong các lĩnh vực quân sự và dân

sự Đối với lĩnh vực quân sự, UAV được sử dụng cho các nhiệm vụ huấn luyện, trinh sát, thông tin, tác chiến điện tử và thậm chí trực tiếp tham gia chiến đấu Ngoài ra UAV còn có chức năng mang các hàng hóa quan trọng, trọng tải giới hạn, mang camera độ phân giải cao để khảo sát địa hình, những nơi mà con người khó có thể tới được vv

1.1.1 Lịch sử phát triển

Sperry Aerial Torpedo được coi là phiên bản máy bay không người lái đầu tiên, phi cơ Sperry Aerial Torpedo ra đời tại Mỹ năm 1917, một năm trước khi Thế chiến thứ nhất kết thúc nhằm mục đích mang theo thuốc nổ lao thẳng vào căn cứ đối phương Đây được coi là cột mốc đánh dấu sự ra đời và phát triển máy bay không người lái

Hình 1.1: Máy bay Sperry Aerial Torpedo

Cơ chế hoạt động của loại máy bay không người lái thủa sơ khai không quá phức tạp Theo đó, chúng được phóng vào quỹ đạo định sẵn nhờ một hệ thống đặc

biệt Khoảng cách tới mục tiêu và những yếu tố khác được con người tính toán chi tiết trước khi nhiệm vụ được triển khai Hệ thống đặc biệt trên máy bay sẽ được hẹn giờ để thay đổi quỹ đạo theo thời gian được tính toán trước đó Cuối cùng, máy bay chứa đầy thuốc nổ sẽ rơi tự do xuống mục tiêu dù độ chính xác không thực sự cao

1.1.2 Phân loại

Có nhiều cách phân loại UAV khác nhau tùy vào quan điểm thiết kế, chế tạo và mục đích sử dụng Nhưng nhìn chung, có một số cách phân loại chính như sau:

 Theo lĩnh vực sử dụng: UAV được chia thành UAV quân dụng và dân dụng

UAV quân dụng lại được chia theo chức năng, tùy nhiệm vụ cần giải quyết của quân đội từng nước Chẳng hạn UAV được chia theo chức năng, nhiệm vụ cần giải quyết: ví dụ như nước Đức họ chia thành loại trinh sát, chiến đấu và bảo đảm chiến đấu, Mỹ họ chia thành UAV chiến đấu và bảo đảm chiến đấu (UAV trinh sát được xếp vào bảo vệ chiến đấu)

 Theo phạm vi khối lượng: UAV được chia thành các loại: UAV vi hành –dưới

5Kg; UAV tiểu hình –dưới 200Kg; UAV lớn –trên 1000Kg và UAV siêu lớn- trên 20000Kg

 Theo thời gian bay: chia thành các mức dưới 1 giờ, 6 giờ, 12 giờ, 24 giờ và

trên 24 giờ

 Theo độ cao hoạt động: chia thành UAV thành: UAV hoạt động ở độ cao cực

nhỏ có tầm hoạt động dưới 1 km, độ cao nhỏ- dưới 3km, độ cao trung bình dưới 12km, độ cao lớn trên 12km và cực lớn trên 20km

 Theo phương thức điều khiển, UAV được chia thành phương tiện bay tự hành

(Drones hay UAV) theo phương tiện bay điều khiển từ xa (RPV - Remotely Piloted Vehicle) UAV tự hành được điều khiển từ máy tính trên phương tiện bay với chương trình lập trình trước Còn RPV, như tên gọi của nó, được điều khiển thông qua truyền dữ liệu vô tuyến Theo một quan niệm khác RPV là con của UAV và hiện là một trong những lớp vũ khí trạng bị đang được phát triển năng động nhất Theo đó, hầu hết RPV đều có khả năng bay tự hành theo chương trình, song vẫn có thể bay theo điều khiển ngoài

Tại Mỹ UAV còn phân loại theo 2 lớp chính đó là UAV chiến thuật TUAV - Tactical Unmanned Air Vehicle (có cự ly tác nghiệp tối đa 200km, chủ yếu nhằm chi viện cho lực lượng mặt đất) và UAV bay lâu (trên 200km) TUAV lại được chia thành phân lớp tầm gần (50km) và tầm trung Lớp UAV bay lây được chia nhỏ thành phân lớp thời gian dài, độ cao trung bình và độ cao lớn như đã nêu, với những máy bay có thời gian bay cỡ 10-30h và trên một ngày Tương lại sẽ có loại UAV cực lâu –ULE với thời gian lên tới nhiều tháng

1.1.3 Vai trò của UAV và ứng dụng trong thực tế

Thiết bị bay không người lái - UAV có những ưu điểm vượt trội như:

- Không cần phi công điều khiển trực tiếp trong buồng lái, do đó giảm thiểu thương vong, chi phí đào tạo, có thể bay liên tục trong nhiều giờ trong các trong các trường hợp khẩn cấp

- UAV dễ dàng thay đổi đường bay do đó khó bị đánh chặn hơn các tên lửa hành trình, đồng thời có thể hoạt động ở các địa hình phức tạp

- Với ưu thế nhỏ, khó bị phát hiện, UAV có thể hoạt động ở những vùng nguy hiểm, xâm nhập vào không phận để trinh sát và theo dõi đổi phương, thậm chí có thể trực tiếp tấn công các mục tiêu khi cần thiết

- UAV cũng thể hiện ưu điểm với khả năng tự hành, nhiều kích thước khác nhau, thích hợp với môi trường khắc nghiệt, nguy hiểm mà con người không thể tới được Với những ưu thế của mình, UAV đã và đang được ứng dụng vào nhiều mục đích khác nhau cả trong quân sự và phi quân sự:

 Ứng dụng trong lĩnh vực quân sự:

- Bay giám sát, hỗ trợ lực lượng mặt đất (Mỹ và nhiều quốc gia khác đang sử dụng);

- Theo dõi mục tiêu trên không, truyền hình ảnh video trực tiếp về căn cứ;

- Tiêu diệt mục tiêu (với các chiếc UAV được gắn vũ khí);

- Huấn luyện bay;

- Rà soát, phát hiện, hỗ trợ tháo gỡ bom mìn (Lào đang áp dụng);

- Là mục tiêu cho các đối tượng pháo, su30….vv

 Ứng dụng trong lĩnh vực phi quân sự:

- Giao hàng tận nơi;

- Dự báo thời tiết, thu thập thông tin khí tượng (NASA và cơ quan thời tiết Hoa Kỳ đã sử dụng);

- Quay phim, chụp ảnh từ trên không [1];

- Xây dựng bản đồ, nhất là bản đồ 3D (dùng các hệ thống quét laser như LIDAR);

- Bảo vệ động vật hoang dã (một vài khu bảo tồn tại Mỹ và Sumatra, Indonesia đã bắt đầu áp dụng);

- Dùng trong nông nghiệp (rải phân bón, thuốc trừ sâu );

- Tìm kiếm, cứu nạn

1.2 Hệ thống điều khiển mặt đất

Mô tả về hệ thống điều khiển mặt đất của UAV được thể hiện trên Hình 1.2

Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống điều khiển UAV

Hệ thống điều khiển mặt đất bao gồm hệ thống điều khiển trên máy bay (Flight Control System- FCS) và trạm điều khiển mặt đất (Ground Control Station- GCS) Trạm điều khiển mặt đất có chức năng cấu hình, cài đặt, giám sát, điều khiển các loại UAV tại mặt đất cũng như trong suốt quá trình bay thực hành nhiệm vụ theo thời gian thực (Hình 1.3) Cụ thể:

 GCS có khả năng cấu hình, lập trình, điều khiển UAV tại mặt đất cũng như trong suốt quá trình bay

 Có khả năng điều khiển mở rộng: Điều khiển nhiều thiết bị, máy móc điều

khiển từ xa khác có sử dụng modem thu phát tùy thuộc vào modem thu phát

dữ liệu và mục đích sử dụng

 Có khả năng giám sát, điều khiển nhiều UAV cùng một thời điểm theo thời gian thực

Hình 1.3: Trạm điều khiển mặt đất cơ động (PORTABLE GROUND CONTROL STATION)

Trạm điều khiển mặt đất có cấu trúc cơ bản bao gồm: Máy tính trung tâm hoặc máy tính bảng; chân đế mở rộng cổng giao tiếp (Docking station); bộ tự động bám sát (tracking antenna); màn hình mở rộng hiển thị các tham số điều khiển mở rộng hoặc hiển thị video thu được từ UAV truyền về; modem truyền dữ liệu (data link) Máy tính trung tâm được cài đặt phần mềm điều khiển và hiển thị máy bay và các phần mềm chuyên dụng được cài đặt để thiết kế bay, điều khiển bay và có thể lập kế hoạch vị trí hướng cất hạ cánh tại thực địa Một số phần mềm chuyên xử lý ảnh UAV phổ biến ở Việt Nam là [1]:

- Trimble Business Center Photogramettry và Inpho UASMaster của hãng Trimble

- Agisoft PhotoScan của hãng Geoscan Nga

- Pix4d mapper của Thụy Sĩ

Hình 1.4: The “FlightGear” application [2]

Hệ thống điều khiển mặt đất có thể điều khiển được máy bay không người lái ở tất cả các chế độ bay Tuy nhiên trong thực tế, để đảm bảo tính an toàn của các chuyến bay, trong giai đoạn cất hạ cánh máy bay thường được phi công điều khiển thông qua máy phát lệnh điều khiển (Transmitter) Sơ đồ kết nối giữa UAV và tay điều khiển mô tả như Hình 1.5 Máy phát lệnh điều khiển là thiết bị điều khiển chuyên dụng có chức năng phát ra các lệnh điều khiển dưới dạng sóng RF và được truyền đến các thiết bị có trang bị máy thu lệnh điều khiển tương ứng tần số máy phát và nằm trong vùng khoảng cách giới hạn của thiết bị Hình 1.6 là một loại máy phát lệnh điều khiển T6J (hãng Futaba) chuyên dụng cho các thiết bị điều khiển từ

xa mà chủ yếu là các loại UAV

Hình 1.5: Sơ đồ kết nối giữa UAV và máy phát lệnh điều khiển

Hình 1.6: Máy phát lệnh T6J

Bên cạnh đó, máy phát lệnh điều khiển cũng được sử dụng nhiều trong điều khiển UAV không có lắp thiết bị bay tự động theo chương trình vì đơn giản, chi phí giá thành thấp hơn nhiều so với trạm điều khiển mặt đất Cấu trúc của tay điều khiển 4 kênh gồm 1 bộ phát RF, 2 Joystick và các phím bấm cài đặt các thông số Thêm nữa, điều khiển UAV trong lĩnh vực quân sự cần lưu ý đến môi trường hoạt động Cần thiết kế các bộ điều khiển đảm bảo cho thiết bị có thể hoạt động trong các môi trường đặc biệt như mưa gió, ẩm ướt; hay môi trường truyền sóng bị ảnh hưởng bởi các tín hiệu nhiễu như nhiễu pha đinh, nhiễu thứ cấp hay các tín hiệu phá hoại của kẻ địch

Từ những phân tích, tìm hiểu trên, luận văn sẽ tập trung trình bày về nghiên cứu, thiết kế bộ máy phát lệnh điều khiển trên mặt đất trong môi trường đặc biệt nhằm làm chủ công nghệ và giảm giá thành sản phẩm Các nghiên cứu, tìm hiểu về

kỹ thuật điều chế tín hiệu, mã hóa, sửa lỗi đường truyền sẽ được trình bày trong báo cáo giúp cho thiết bị có thể hoạt động trong môi trường đặc biệt đã nêu ở trên Tác giả cũng đưa vào sử dụng bộ mã hóa và sửa lỗi hamming để giảm thiểu lỗi bản tin khi truyền Trong thiết kế phần cứng, các linh kiện, module chuyên dụng có sai số ít

và khả năng chống nhiễu cao bên cạnh thiết kế tốt phần phối hợp trở kháng trong mạch để đảm bảo thiết bị có thể hoạt động tốt trong môi trường đặc biệt

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN DẪN DỮ LIỆU

2.1 Hệ thống thông tin vô tuyến

Một hệ thống thông tin vô tuyến cơ bản bao gồm các thành phần chính sau:

- Thiết bị phát

- Thiết bị thu

- Môi trường truyền tin

- Ăng ten

2.1.1 Máy thu và máy phát

Chức năng của máy phát trong một hệ thống thông tin vô tuyến là truyền tín hiệu cần phát đi tới Ăng ten Máy phát sẽ mã hoá và điều chế dữ liệu thành sóng điện từ với cường độ nhất định (công suất tín hiệu đầu ra) Máy thu với chức năng ngược lại là giải điều chế và giải mã tín hiệu vô tuyến có ích thu về từ Ăng ten, trong khi đó loại bỏ những thành phần không mong muốn

2.1.2 Môi trường truyền tin

Khoảng không gian giữa máy phát và máy thu là môi trường truyền tin Nhiễu

và các vật thể xung quanh có thể tham gia, ảnh hưởng và làm giảm khả năng cũng như chất lượng thông tin

Để đánh giá chất lượng của môi trường truyền tin, người ta thường quan tâm tới hai khái niệm dưới đây:

 Tầm nhìn thẳng

Tầm nhìn thẳng vô tuyến giữa Ăng ten phát và Ăng ten thu là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến cự li liên lạc trong thông tin vô tuyến Có thể được phân thành hai loại như sau:

- Tầm nhìn thẳng quang học: là khả năng có thể nhìn bằng mắt thường từ Ăng ten phát đến Ăng ten thu Nói một cách khác là tồn tại một đường truyền thẳng giữa hai Ăng ten trong môi trường truyền

- Tầm nhìn thẳng vô tuyến: không chỉ tồn tại tầm nhìn thẳng quang học mà còn bao gồm các đường truyền khác được phản xạ, khúc xạ hay tán xạ bởi các chướng ngại vật trong môi trường truyền

 Vùng truyền tin

Vùng truyền tin có thể được xem như một khoảng không gian giữa Ăng ten phát và Ăng ten thu, mà ở đó tập trung phần lớn năng lượng sóng vô tuyến giữa hai Ăng ten

Hình 2.1: Hình tượng hóa môi trường vùng truyền sóng

Như vậy để đạt được một cự li thông tin cực đại, trong vùng truyền sóng phải không tồn tại bất cứ một chướng ngại vật nào Do đó nếu Ăng ten được đặt ngay trên mặt đất, thì phạm vi liên lạc sẽ bị suy giảm một cách đáng kể, do không thể tránh khỏi các chướng ngại vật như nhà cửa, cây cối… Để giảm thiểu được suy giảm này, các Ăng ten thu và phát cần được nâng cao so với mặt đất sao cho các chướng ngại vật cũng như độ cong của mặt đất không ảnh hưởng đến vùng truyền sóng

2.1.3 Ăng ten

Ăng ten là các thiết bị được sử dụng để phát xạ hoặc hấp thụ năng lượng sóng

vô tuyến theo các hướng nhất định với các mẫu phát xạ tuỳ thuộc vào từng thiết kế

và từng ứng dụng Khả năng năng lượng được tập trung theo một hướng nhất định được gọi là tăng ích Ăng ten

 Tăng ích Ăng ten

Ăng ten là một thành phần có ảnh hưởng lớn đến khoảng cách truyền tin trong một hệ thống thông tin Trong đó tăng ích Ăng ten là một giá trị mang tính định lượng cho khả năng này Do vậy chúng ta có thể điều chỉnh giá trị này nhằm để tăng

cự li liên lạc Ăng ten có tăng ích càng lớn thì độ tập trung năng lượng càng cao, do vậy cự li liên lạc càng xa

 Ăng ten vô hướng

Ăng ten vô hướng là loại Ăng ten đơn giản dùng để phát và thu sóng đồng đều đối với tất cả các hướng Như vậy nó làm phân tán năng lượng và cường độ tín hiệu đến được máy thu chỉ bằng một phần nhỏ của tổng năng lượng tín hiệu phát ra Để khắc phục nhược điểm này chúng ta phải nâng công suất phát, nhưng điều này lại làm tăng sự xuyên nhiễu giữa các kênh Nói chung Ăng ten vô hướng có nhiều hạn chế về độ tăng ích, hiệu năng sử dụng phổ tần và khả năng tái sử dụng các kênh tần

số Búp sóng của Ăng ten vô hướng có dạng vành xuyến Bề dày VBW (Vertical Beam Width) của búp sóng (góc mở Ăng ten theo phương thẳng đứng) tỉ lệ nghịch với tăng ích Ăng ten

Hình 2.2: Mối tương quan giữa tăng ích Ăng ten vô hướng và VBW 2.1 dBi (0 dBd) = 75º

VBW 5.1 dBi (3 dBd) = 33º VBW 8.1 dBi (6 dBd) = 17º VBW

 Ăng ten định hướng

Ăng ten định hướng cũng là loại Ăng ten đơn giản, nhưng khác với Ăng ten vô hướng nó được thiết kế để phát và thu tín hiệu tập trung về một hướng nhất định, tập trung năng lượng sóng vô tuyến chủ yếu theo một hướng chính Búp sóng của Ăng ten định hướng có dạng như hình vẽ sau:

Hình 2.3: Mối tương quan giữa tăng ích Ăng ten định hướng và VBW 8.1 dBi (6 dBd) =

70º VBW 11.1 dBi (9 dBd) = 55º VBW 15.1 dBi (13 dBd) = 35º VBW

Như vậy, so với Ăng ten vô hướng, Ăng ten định hướng có độ tăng ích và hiệu năng tín hiệu cao hơn nhờ sự tập trung tín hiệu Trong khi độ tăng ích của Ăng ten

vô hướng có thể được cải thiện trong các môi trường thông tin cho phép tầm nhìn thẳng, thì hiệu quả của nó trong trường hợp bị che khuất lại tương tự như Ăng ten lưỡng cực Nếu cần tăng tối đa cự li thông tin thì Ăng ten Yagi và một số Ăng ten khác như Pad, Parabel v.v… là một giải pháp tốt

2.2 Giới thiệu về sóng RF

Hình 2.4: Minh họa hệ thống truyền phát không dây RF

Sóng vô tuyến là một kiểu bức xạ điện từ với bước sóng trong phổ điện từ dài hơn ánh sáng hồng ngoại Sóng vô tuyến có tần số từ 3 kHz tới 300 GHz, tương ứng bước sóng từ 100 km tới 1 mm Giống như các sóng điện từ khác, chúng truyền với vận tốc ánh sáng Sóng vô tuyến do con người tạo nên dùng cho Radar, phát thanh, liên lạc vô tuyến di động và cố định và các hệ thống dẫn đường khác Thông tin vệ tinh, các mạng máy tính và vô số các ứng dụng khác Các tần số khác nhau của sóng vô tuyến có đặc tính lan truyền khác nhau trong khí quyển Trái Đất; sóng dài truyền theo đường cong của Trái Đất, sóng ngắn nhờ phản xạ từ tầng điện ly nên có thể truyền rất xa, các bước sóng ngắn hơn bị phản xạ yếu hơn và truyền trên đường nhìn thẳng

Điều khiển từ xa bằng tần số vô tuyến là loại điều khiển từ xa xuất hiện đầu tiên

và đến nay vẫn giữ một vai trò quan trọng và phổ biến trong đời sống Nếu điều khiển chỉ dùng trong nhà thì điều khiển RF lại dùng cho nhiều vật dụng bên ngoài như các thiết bị mở cửa Gara ô tô, hệ thống báo hiệu cho xem các loại đồ chơi điện

tử từ xa, thậm chí kiểm soát vệ tinh và các hệ thống máy tính xách tay và điện thoại thông minh

2.2.1 Tần số mang, bước sóng và phổ điện từ

Phổ bước sóng được chia theo tần số và thường được gọi là dải tần (Hình 2.5)

Hình 2.5: Phổ tần được chia thành các dải tần

ELF

Chứa tần số điện mạng xoay chiều, các tín hiệu đo lường từ xa tần thấp

MF

Dùng cho phát thanh thương mại sóng trung (535 – 1605 kHz) Cũng được dùng cho dẫn đường hàng hải và hàng không

Dùng cho vô tuyến di động, thông tin hàng hải và hàng không, phát thanh FM thương mại (88 đến

108 MHz), truyền hình thương mại (kênh 2 đến 12 tần số từ 54 -

vi ba và vệ tinh

EHF ít sử dụng trong thông tin vô tuyến

Bước sóng được xác định bởi công thức

Trong đó:

- λ: Bước sóng;

- c: vận tốc ánh sáng ≈ 3*108 m/s;

- f: tần số sóng vô tuyến;

- m: hệ số tính theo môi trường truyền sóng

2.2.2 Kỹ thuật điều chế tín hiệu

Điều chế tín hiệu là quá trình biến đổi một hay nhiều thông số của một tín hiệu

tuần hoàn theo sự thay đổi một tín hiệu mang thông tin cần truyền đi xa Tín hiệu tuần hoàn gọi là sóng mang Tín hiệu mang thông tin gọi là tín hiệu được điều chế

Ở đầu thu bộ giải điều chế sẽ dựa vào sự thay đổi thông số đó của sóng mang tái tạo lại tín hiệu mang thông tin ban đầu Các thông số của sóng mang được dùng trong quá trình điều chế có thể là biên độ, pha, tần số

(a) Kỹ thuật điều chế tương tự

Các kiểu điều chế tương tự thường sử dụng trong các hệ thống phát thanh quảng bá gồm: điều chế biên độ (AM), điều chế tần số (FM), điều chế pha (PM)

Dạng sóng của tín hiệu băng gốc, tín hiệu sóng mang cao tần và sóng mang RF điều chế của AM thể hiện ở Hình 2.6a, còn đối với các dạng sóng FM ở các Hình 2.6b

Hình 2.6: (a) điều chế biên độ, (b) điều chế tần số

- Điều chế pha

Khi pha của sóng mang cao tần (RF) thay đổi phù hợp với biên độ của tín hiệu băng gốc, quá trình được gọi là điều chế pha (PM) Khi pha của tín hiệu thay đổi, trong thực tế thực chất là thay đổi về tần số Nếu xem xét kỹ Hình 2.6b, ta sẽ thấy rằng pha của mỗi chu kỳ RF là sự thay đổi dần dần khi biên độ của tín hiệu băng gốc thay đổi Vậy máy thu sẽ xem dạng sóng điều pha như dạng sóng điều tần Ưu điểm của điều pha so với điều tần là ở chổ có thể dùng bộ dao động tinh thể để tạo ra sóng mang RF ở bộ điều chế pha, nên cho độ ổn định cao hơn Dao động tinh thể không thể sử dụng trực tiếp trong điều chế tần số

(b) Kỹ thuật điều chế số

 Điều chế dịch biên ASK (Amplitude Shilf Keying) [4]

Trong điều chế ASK, biên độ sóng mang hình sine tần số f được thay đổi giá trị tương ứng với giá trị của tín hiệu băng gốc, biên độ của sóng mang bao gồm hai mức A0 và A1

tương ứng với mã nhị phân 0 và 1 Trong thực tế, dạng sóng ASK gồm các xung “mark”

biểu diễn kí tự 1 và “space” biểu diễn ký tự 0 Lúc này ASK còn được gọi là biểu diễn khóa

 Điều chế dịch pha PSK (Phase Shilf Keying) [5]

Trong phương pháp điều chế PSK, tần số và biên độ sóng mang được giữ không đổi trong khi pha của nó dịch theo mỗi bit dữ liệu được truyền

Có hai loại PSK thường dùng, loại thứ nhất dùng hai tín hiệu sóng mang đại diện cho bit “0” và bit “1”, hai sóng mang này khác pha nhau 180o Vì tín hiệu này chỉ là nghịch đảo của tín hiệu kia nên loại này được gọi là phase-coherent PSK (PSK phối hợp) Điều bất tiện của loại này là tại máy thu đòi hỏi phải có sóng mang tham chiếu để

so pha với tín hiệu thu, do đó cần phải thực hiện đồng bộ pha giữa máy thu và máy phát Kết quả dẫn đến mạch giải điều chế phức tạp hơn

Loại PSK thứ 2 gọi là PSK vi sai (differential PSK) Với loại này sự dịch chuyển pha xảy ra tại mỗi bit hay mỗi symbol, không cần quan tâm tới chuỗi bit “0” hay “1” đang được truyền Giả sử với điều chế 2-PSK vi sai thì có một sự dịch pha 90o tương ứng với tín hiệu hiện hành chỉ định “0” là bit kế tiếp, trong khi sự dịch pha 270o chỉ bit “1” là bit kế tiếp Như vậy mạch giải điều chế chỉ cần xác định độ lớn của sự dịch pha thay vì phải xác định giá trị tuyệt đối của từng pha Ở mạch điều chế chỉ khi nào thay đổi trạng thái của dữ liệu mới đổi pha của sóng mang

Hình 2.8: Dạng sóng điều chế PSK

- Điều chế dịch tần số FSK (Fequency Shilf Keying) [6]

Trong điều chế FSK, các bit “0”, “1” được mã hóa bằng hai tần số khác nhau của sóng mang, tần số cao ứng với mức “1” và tần số thấp ứng với mức “0”

Hình 2.9: Dạng sóng điều chế FSK

Để tránh vấn đề thay đổi về biên độ, với FSK dùng hai tín hiệu sóng mang có cùng biên tần và cố định, một cho bit “1” và một cho bit “0” Sự khác biệt giữa hai sóng mang là tần số Hoạt động điều chế tương đương với sự tổng hợp các ngõ ra của hai bộ điều chế ASK riêng biệt: Một thực hiện trên sóng mang thứ nhất dùng phần gốc tín hiệu (mức “1”) và một thực hiện trên sóng mang thứ hai với phần bù của tín hiệu dữ liệu (mức “0”)

Những ưu điểm của FSK so với ASK là: tính chất biên độ không đổi của tín hiệu sóng mang không gây lãng phí công suất và chống nhiễu tốt

Với những ưu điểm và tính đơn giản của nó nên FSK là phương pháp được sử dụng rộng rãi trong điều chế tín hiệu sóng RF, trong luận văn này tác giả lựa chọn

sử dụng module thu phát RF có kiểu điều chế FSK

2.3 Phát hiện và sửa lỗi trong truyền dẫn dữ liệu bằng sóng RF

2.3.1 Giới thiệu

Cũng như trong các hệ thống truyền dẫn không dây khác, khi truyền dữ liệu từ

vị trí này đến vị trí khác Có nhiều yếu tố tác động lên đường truyền như môi trường, ồn, nhiễu đường truyền…có thể làm lỗi một hay nhiều bit của khối dữ liệu

đang truyền Do đó muốn thông tin ở nơi nhận, nhận được chính xác thì phải có cơ chế phát hiện và sửa các lỗi đó hoặc là yêu cầu truyền lại nếu lỗi quá lớn

2.3.2 Các loại lỗi bit

Khi truyền dữ liệu từ máy phát tới máy thu, các tín hiệu dạng nhị phân “0” và

“1” nếu bị lỗi có thể biến đổi từ “0” thành “1” và từ “1” thành “0”, có ba loại lỗi thường gặp đó là lỗi đơn bit, đa bit và đảo bit

Hình 2.10: Lỗi bit trong quá trình nhận dữ liệu

2.3.3 Phát hiện lỗi

Khi máy thu nhận được bản tin từ máy phát gửi đến, làm thế nào để nó có thể biết một trong những lỗi trên xảy ra, trừ trường hợp nó phải gửi mỗi đơn vị dữ liệu hai lần rồi máy thu so sánh hai đơn vị dữ liệu nhận được theo từng bit một, từ đó phát hiện ra lỗi Nhưng như vậy thì làm mất hai lần thời gian nhận và xử lý bản tin cộng thêm thời gian để so sánh từng bit dữ liệu Phương pháp này không hiệu quả

do tăng quá nhiều thời gian xử lý và cũng không biết được trong hai lần gửi lần nào bit dữ liệu bị lỗi Rõ ràng phải có cơ chế phát hiện lỗi vừa đơn giản mà không làm tốn thời gian truyền nhận hay làm tăng khối lượng bản tin quá nhiều

Chỉ bằng cách đưa vào các thông tin dư thừa trong quá trình truyền nhằm mục đích so sánh, thay thế việc lặp toàn bộ dữ liệu, chỉ cần một nhóm nhỏ các bit thêm vào cuối mỗi đơn vị dữ liệu Kỹ thuật này gọi là dư thừa bởi vì một số bit bên ngoài được thêm vào là thừa so với thông tin cần gửi đi Những bit dư thừa này sẽ được

bỏ đi, khi thông tin truyền tới nơi nhận và được kiểm tra xác nhận là không lỗi

Hình 2.11: Phương pháp sử dụng bit dư thừa

Mỗi khi chuỗi bit dữ liệu được phát đi đều phải đi qua một thiết bị phân tích và

bổ sung vào một chuỗi dữ liệu đó, mã kiểm tra dư thừa thích hợp Đơn vị dữ liệu trở nên lớn hơn bởi một số bit thêm vào, tất cả được truyền lên đường liên kết đến nơi nhận Thiết bị nhận đặt toàn bộ chuỗi này vào một khối kiểm tra Nếu chuỗi dữ liệu nhận được, đi qua được khối kiểm tra thì phần dữ liệu sẽ được nhận còn các bit dư thừa sẽ được bỏ qua

Có 4 cách để kiểm tra dư thừa đó là:

- Kiểm tra dư thừa đứng VRC, hay còn gọi là kiểm tra chẵn lẻ

- Kiểm tra dư thừa dài LRC

- Kiểm tra dư thừa tuần hoàn CRC

- Tổng kiểm tra Checksum

Kiểm lỗi dư thừa tuần hoàn CRC

Phương pháp kiểm lỗi này có độ tin cậy cao nhất VRC và LRC dựa vào việc bổ sung thêm số bit, còn CRC dựa vào phép chia nhị phân Trong CRC chuỗi các bit

dư thừa được gọi là số dư CRC, sẽ bổ sung thêm vào cuối đơn vị dữ liệu sao cho đơn vị dữ liệu mới này là chia không dư cho số nhị phân được quy định trước và sử

dụng ở nơi gửi Khi đó đơn vị dữ liệu được xem là không lỗi và sẽ được nhận

Trường hợp phép chia có dư, nghĩa là đơn vị dữ liệu đã bị lỗi và không được nhận

Các bit dư thừa CRC được nơi gửi tính bằng cách chia đơn vị dữ liệu cho một

số chia xác định trước, số dư chính là CRC CRC phải có ít hơn số chia một bit và phải bổ sung vào cuối dữ liệu Hình 2.12 minh hoạ quá trình kiểm lỗi CRC:

Hình 2.12: Quá trình kiểm tra lỗi CRC

Đầu tiên thêm n bit “0” vào cuối đơn vị dữ liệu, số n ít hơn số chia 1 bit Tiếp theo đơn vị dữ liệu mới này được chia cho số chia Số dư của phép chia chính là CRC CRC thu được, thay cho các bit “0” ở cuối đơn vị dữ liệu Nếu số dư ít hơn n bit thì bổ sung thêm số 0 vào các bit bên trái Nếu phép chia không dư thì n số 0 được đặt làm số dư và nó là CRC…

Đơn vị dữ liệu chuyển tiếp đến thiết bị nhận, dữ liệu đến trước và theo sau là CRC Thiết bị nhận xem toàn bộ dữ liệu này như một đơn vị và chia nó cho cùng một số chia đã được sử dụng ở bên gửi

Nếu chuỗi dữ liệu khi được kiểm tra CRC cho số dư bằng 0 được xem là không lỗi và được nhận Nếu chuỗi dữ liệu bị thay đổi trong quá trình truyền, số dư sẽ khác 0 và đơn vị dữ liệu bị lỗi, không nhận được

CRC phát hiện tất cả các lỗi, trừ khi giá trị các bit của khối chính xác bằng giá trị của số chia Số chia CRC thông dụng là 13, 17 và 33, bảo đảm phát hiện hết lỗi

2.3.4 Sửa lỗi

Sửa lỗi được thực hiện bằng hai cách đó là thiết bị nhận yêu cầu thiết bị gửi truyền lại toàn bộ dữ liệu đã gửi Cách khác, thiết bị nhận sử dụng mã sửa lỗi tự động sửa một số lỗi nhất định

Trên lý thuyết, có thể tự động sửa lỗi bất kỳ lỗi nhị phân nào Mã sửa lỗi đòi hỏi nhiều bit dư thừa hơn so với mã phát hiện lỗi Số bit cần để sửa các lỗi đa bit và lỗi đảo bit lớn đến nỗi trong nhiều trường hợp nó trở nên không còn hiệu quả Vì vậy trong hầu hết các thao tác sửa lỗi chỉ giới hạn ở một, hai, hoặc ba bit lỗi trong một đơn vị dữ liệu

Mã Hamming

Mã Hamming là một mã sửa lỗi tuyến tính (linear error-correcting code), được đặt tên theo tên của người phát minh ra nó, Richard Hamming Mã Hamming có thể phát hiện một bit hoặc hai bit bị lỗi (single and double-bit errors) Mã Hamming còn

có thể sửa các lỗi do một bit bị sai gây ra Xét dữ liệu 7 bit thì cần 4 bit dư thừa để thêm vào cuối đơn vị dữ liệu hoặc chèn vào những bit dữ liệu gốc

Hình 2.13: Cách chèn các bit dư thừa vào dữ liệu

Trên hình vẽ, các bit dư thừa được đặt vào vị trí 1, 2, 4 và 8 và được ký hiệu là r1, r2, r4, r8 Trong mã Hamming mỗi bit r là VRC của một tổ hợp các bit dữ liệu Các tổ hợp được sử dụng để tính một trong bốn giá trị của r như sau:

vị trí 1, 3, 5, 7, 9, 11 Ví dụ chúng ta có một từ dữ liệu dài 7 bit với giá trị là "0110101"

Để chứng minh phương pháp các mã Hamming được tính toán và được sử dụng để kiểm

tra lỗi, xin xem bảng liệt kê dưới đây: Chữ d (data) được dùng để biểu thị các bit dữ liệu

và chữ p (parity) để biểu thị các bit chẵn lẻ (parity bits) Đầu tiên, các bit của dữ liệu được đặt vào vị trí tương thích của chúng, sau đó các bit chẵn lẻ cho mỗi trường hợp được tính toán dùng quy luật bit chẵn lẻ số chẵn

Bảng 2.2: Cách tính các bit chẵn lẻ trong mã Hamming

Thứ tự bit 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Vị trí bit chẵn lẻ và các bit dữ liệu p1 p2 d1 p3 d2 d3 d4 p4 d5 d6 d7

Nhóm dữ liệu (không có bit chẵn lẻ) 0 1 1 0 1 0 1

"10001100101" Nếu chúng ta thử cho rằng bit cuối cùng bị thoái hóa (gets corrupted) và

bị lộn ngược từ 1 sang 0 Nhóm dữ liệu mới sẽ là "10001100100" Dưới đây, sẽ phân tích quy luật kiến tạo mã Hamming bằng cách cho bit chẵn lẻ giá trị 1 khi kết quả kiểm tra dùng quy luật số chẵn bị sai

Bảng 2.3: Kiểm tra các bit chẵn lẻ

Bảng 2.4: Tính giá trị các bit chẵn lẻ

p 4 p 3 p 2 p1 Nhị phân 1 0 1 1

Thập phân 8 2 1 Σ=11

Việc đổi ngược giá trị của bit thứ 11 làm cho nhóm 10001100100 trở lại thành

10001100101 Bằng việc bỏ đi phần mã Hamming, chúng ta lấy được phần dữ liệu gốc với giá trị làn 0110101 Các bit chẵn lẻ không kiểm tra được lẫn nhau, nếu chỉ một bit chẵn lẻ bị sai thôi, trong khi tất cả các bit khác là đúng, thì chỉ có bit chẵn lẻ nói đến là sai mà thôi và không phải là các bit nó kiểm tra (not any bit it checks) Cuối cùng, giả sử có hai bit biến đổi, tại vị trí x và y Nếu x và y có cùng một bit tại

vị trí 2k trong đại diện nhị phân của chúng, thì bit chẵn lẻ tương ứng với vị trí đấy kiểm tra cả hai bit, và do đó sẽ giữ nguyên giá trị, không thay đổi Song một số bit chẵn lẻ nào đấy nhất định phải bị thay đổi, vì x ≠ y, và do đó hai bit tương ứng nào

đó có giá trị x và y khác nhau Do vậy, mã Hamming phát hiện tất cả các lỗi do hai bit bị thay đổi, song nó không phân biệt được chúng với các lỗi do 1 bit bị thay đổi Hiện thời, khi nói đến mã Hamming chúng ta thực ra là muốn nói đến mã (7,4)

mà Hamming công bố năm 1950 Với mỗi nhóm 4 bit dữ liệu, mã Hamming thêm 3 bit kiểm tra Thuật toán (7,4) của Hamming có thể sửa chữa bất cứ một bit lỗi nào

Cụ thể: chữ d biểu thị cho bit data, chữ p biểu thị bit chẵn lẻ, cấu trúc một từ mã

sẽ là: p1 p2 d1 p3 d2 d3 d4

- Bit parity p1 sẽ kiểm tra chẵn lẻ các bit: p1, d1, d2, d4

- Bit parity p2 sẽ kiểm tra chẵn lẻ các bit: p2, d1, d3, d4

- Bit parity p3 sẽ kiểm tra chẵn lẻ các bit: p3, d2, d3, d4

Như vậy, việc mã hóa đơn giản là tách bản tin ra thành từng từ mã 4 bit, sau đó chèn thêm vào 3 bit parity vào tạo thành một từ mã 7bit

 Giải mã và sửa lỗi:

Ở đầu thu sẽ thực hiện giải mã và sửa lỗi, việc giải mã được thực hiện như sau:

- Mỗi từ mã 7 bit sẽ được tách riêng các bit data và bit parity

- Tính lại các bit parity từ các bit data nhận được ở đầu thu

- So sánh các bit parity nhận được với các bit parity tính toán được ở đầu thu

để phát hiện được lỗi tại vị trí nào, sửa lỗi bằng cách đảo bit lỗi

- Nếu bit d1 lỗi: bit p1 và p2 sai

- Nếu bit d2 lỗi: bit p1 và p3 sai

- Nếu bit d3 lỗi: bit p2 và p3 sai

- Nếu bit d4 lỗi: cả 3 bit p1, p2 và p3 sai

- Các trường hợp còn lại được cho là dữ liệu không bị lỗi

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM

CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN TRÊN MẶT ĐẤT UAV 3.1 Yêu cầu thiết kế

Trong luận văn này, tác giả tập trung nghiên cứu thiết kế cặp module thu phát RF trong điều khiển UAV Module này cần đảm bảo các các thông số yêu cầu như sau:

- Giao tiếp với bộ điều khiển trung tâm của UAV qua giao thức UART

Căn cứ vào yêu cầu thiết kế, tác giả tiến hành thiết kế hệ thống phần cứng và xây dựng phần mềm cho bộ máy phát lệnh điều khiển và module nhận tín hiệu

3.2 Thiết kế phần cứng máy phát lệnh

3.2.1 Sơ đồ khối tổng quan

Sơ đồ khối của tay điều khiển được thể hiện trên Hình 3.1, trong đó các tín hiệu

từ Joystick được đưa đến bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự - số ADC trước khi vào vi điều khiển Sau đó sẽ được đưa đến bộ phát tín hiệu Một mạch nguồn có nhiệm vụ cung cấp nguồn cho các phần tử của tay điều khiển

JoyStick ADC Vi điều khiển Bộ Phát

Switch Khối nguồn

Hình 3.1: Sơ đồ khối tay điều khiển

Người lái thay đổi hướng của JoyStick và nút bấm được vi điều khiển đọc về thông qua ADC và trạng thái chân của vi điều khiển, sau đó mã hóa thông tin thông qua bộ phát phát thông tin đi tới bộ nhận

3.2.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lý hệ thống

(a) Khối vi điều khiển

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý của khối vi điều khiển

Hình 3.2 thể hiện sơ đồ nguyên lý của khối vi điều khiển Theo phân tích ở sơ

đồ khối hệ thống, vi xử lý cần có 1 giao tiếp SPI với module phát RF, ADC để đọc

dữ liệu từ tay điều khiển JoyStick do đó tôi lựa chọn chip Atmega32 cho ứng dụng của mình Vi điều khiển Atmega 32 [7] là một vi điều khiển 8bit thuộc dòng AVR

tổ chức theo cấu trúc RISC có một số thông số kĩ thuật như sau:

- Thuộc loại vi điều khiển AVR 8 bits với hiệu suất cao, năng lượng tiêu thụ thấp;

- Sử dụng kiến trúc RISC với 131 câu lệnh – hầu hết đều thực hiện trong một chu kỳ xung, có 32 thanh ghi 8 bits, tốc độ thực hiện câu lệnh cao, tối đa 16 MIPS (million instructions per second) tại tần số xung nhịp 16MHz;

- Dung lượng bộ nhớ Flash: 32Kbytes, EEPROM: 1024bytes, SRAM: 1Kbyte;

- Khả năng ghi/xóa với bộ nhớ Flash là 10000 lần và 100000 lần với bộ nhớ EEPROM, có khả năng lưu giữ dữ liệu trong thời gian dài (khoảng 20 năm ở 85oC và 100 năm ở 25oC);

- Giao diện chuẩn JTAG;

- Có 2 bộ Timer/Counter 8-bit, 1 bộ Timer/Counter 16-bit, bộ Counter với chia tần

số thời gian thực 4 kênh PWM (trong đó 2 kênh 8 bits và 2 kênh 16 bits);

- 8 kênh ADC có độ phân giải tối đa 10-bit;

- Khả năng truyền tin nối tiếp USART;

- Giao diện SPI Master/Slave;

- Hoạt động ở dải điện áp 2.7V – 5.5V, tần số thạch anh 0 - 8 MHz với Atmega32L và 4.5V - 5.5V, tần số thạch anh 0 - 16 MHz với ATmega16

Atmega32 được sản xuất theo kiểu đóng vỏ DIP, QFN, MLF, hoặc TQFP (Hình 3.3) Cổng A (PA0 – PA7) hoạt động như 1 đầu vào tương tự của bộ chuyển đổi tương tự/số, đồng thời nó còn được dùng như cổng xuất/nhập dữ liệu có điều khiển hướng Cổng B (PB0 – PB7), cổng C (PC0 – PC7) và cổng D (PD0 – PD7) là các cổng vào ra

có hướng thông thường Bên cạnh đó, 1 số chân trên chip còn tích hợp các chức năng đặc biệt khác: các chân PD0, PD1 phục vụ cho việc truyền tin nối tiếp, chân PC2, PC3, PC4, PC5 thực hiện với JTAG và PC6, PC7 là các chân 1, 2 phát tín hiệu đồng bộ của

bộ định thời, các chân PB3, PD4, PD5, PD7 là ngõ ra của xung PWM Cần lưu ý, khi các chân đã thực hiện chức năng đặc biệt thì nó sẽ không còn là ngõ vào – ra nữa