ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG Báo cáo bài tập lớn Tìm hiểu về ARS (Attitude reference system) và AHRS (Attitude and Heading reference system)[.]
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG Báo cáo tập lớn Tìm hiểu ARS (Attitude reference system) AHRS (Attitude and Heading reference system) Tìm hiểu cảm biến gia tốc cảm biến quay hồi chuyển Mơn học: Cảm biến tín hiệu (TR4043) Sinh viên thực Tạ Đình Khoa Học kỳ: HK231 Giảng viên: TS Nguyễn Ngọc Tú Ngày nộp: …/…/2023 2053141 Lời cam kết Em xin cam kết: - Đây báo cáo tập lớn em thực - Các số liệu, kết báo cáo trung thực chưa tùng công bố cơng trình khác - Các đoạn trích dẫn số liệu kết sử dụng để so sánh báo cáo dẫn nguồn có độ xác cao phạm vi hiểu biết em Tạ Đình Khoa Tóm tắt Mục đích tập tìm hiểu ARS (Attitude reference system) trình báy xác định Attitude (Pitch Roll) với cảm biến gia tốc tìm hiểu AHRS (Attitude and Heading reference system) trình bày cách xác định Attitude (Pitch Roll) Heading (Yaw) cảm biến quay hồi chuyển Sau xác định vị trí, Attitude Heading máy bay dựa vào liệu từ cảm biến gia tốc cảm biến quay hồi Lời cảm ơn Em xin gửi lời cảm ơn đến Tiến sĩ Nguyễn Ngọc Tú – giảng viên môn Cảm biến tín hiệu ln ln hướng dẫn, hỗ trợ, truyền đạt sở lý thuyết liên quan cung cấp nguồn tài liệu tham khảo đáng tin cậy để em hồn thành tốt đề tài Mục lục Lời cam kết Tóm tắt .3 Lời cảm ơn Mục lục Danh mục hình ảnh I Các khái niệm ma trận hệ quy chiếu quay không gian 1.1 Hệ quy chiếu quay 1.2 Phương pháp Euler – ma trận quay .10 1.3 Chuyển hệ tham chiếu Trái Đất 11 1.4 Mối quan hệ vận tốc góc góc Euler 12 1.5 Xác định góc Pitch Roll từ cảm biến gia tốc – accelerometer 13 II Hệ thống tham chiếu trạng thái ARS 17 2.1 Cảm biến góc quay (Angular Rate Sensors) 17 2.2 Cảm biến gia tốc (Accelerometers) .18 2.3 Cảm biến từ tính (Magnetometers) .19 2.4 Bộ vi xử lý (Microcontroller) 19 2.5 Hệ thống điều khiển (Control System) 20 2.6 Giao diện người dùng (User Interface) 21 2.7 Ứng dụng ARS 21 III Hệ thống tham chiếu trạng thái AHRS 24 3.1 AHRS .24 3.2 Cấu trúc nguyên lý hoạt động AHRS 25 3.3 Gyroscopes (Cảm biến góc quay) 25 3.4 Cảm biến gia tốc (Accelerometers) .26 3.5 Cảm biến từ tính (Magnetometers) .27 3.6 Bộ xử lý liệu (Data Processor) 28 3.7 Hệ thống điều khiển AHRS 28 3.8 Giao diện người dùng AHRS .29 3.9 Nguồn lượng AHRS 29 3.10 Giao tiếp liên kết liệu AHRS 29 3.11 Tìm hiểu trình bày cách xác định Attitude (Pitch, Roll) Heading (Yaw) cảm biến quay hồi chuyển (Gyroscope) .30 IV Vận dụng 33 4.1 Các liệu gia tốc, góc quay hồi chuyển thời gian lấy mẫu 33 4.2 Tính tốn góc pitch roll từ cảm biến gia tốc .33 V Kết luận .44 VI Tài liệu tham khảo .44 Danh mục hình ảnh Hình 1: Hệ tọa độ biểu diễn góc quay Hình 2: Quy trình xác định góc Pitch Roll từ cảm biến gia tốc quay hồi chuyển Hình 3: Hệ tọa độ dùng để tính góc pitch, roll từ cảm biến gia tốc Hình 4: Các góc Euler mơ máy bay Hình 5: vận tốc góc ωx theo thời gian (deg/s) Hình 6: vận tốc góc ωy theo thời gian (deg/s) Hình 7: vận tốc góc ωz theo thời gian (deg/s) Hình 8: Góc phi ϕ theo thời gian (deg) Hình 9: Góc theta θ theo thời gian (deg) Hình 10: góc psi ψ theo thời gian (deg) Hình 11: vận tốc vx theo thời gian (m/s) Hình 12: vận tốc vy theo thời gian (m/s) Hình 13: vận tốc vz theo thời gian (m/s) Hình 14: vị trí x theo thời gian (m) Hình 15: vị trí y theo thời gian (m) Hình 16: vị trí z theo thời gian (m) Hình 17: vị trí máy bay khơng gian I Các khái niệm ma trận hệ quy chiếu quay không gian 1.1 Hệ quy chiếu quay Để hiểu rõ khái niệm, nguyên lý hoạt động ARS ARHS, trước tiên ta cần nắm vũng số khái niệm, lý thuyết hệ quy chiếu quay hay gọi thay đổi tọa độ Trong vật lý toán học việc thay đổi hệ tọa độ công cụ sử dụng nhằm mơ tả vị trí hướng đối tượng không gian so với hệ tọa độ làm gốc Khi ta thay đổi hệ tọa độ hay khung tham chiếu trạng thái đặc điểm đối tượng thay đổi tương ứng Việc thay đổi hệ tọa độ tham chiếu nhằm đơn giản hóa việc giải vấn đề liên quan đến chuyển động, vị trí hướng đối tượng khơng gian Một vectơ thường có cách định nghĩa sau: đoạn thẳng có hướng đường thẳng bao gồm phép chiếu lên hệ tọa độ Oxyz, thường Ox, Oy, Oz vng góc Ở định nghĩa hệ tọa độ gốc hiểu độc lập với hệ tọa độ khác (không phụ thuộc vào nhau), định nghĩa thứ hai (dưới dạng thành phần) hệ tọa độ gốc phụ thuộc vào hệ tọa độ khác Và báo cáo này, ta sử dụng định nghĩa thứ hai nhằm nắm rõ sâu chuyển động quay tọa độ Ta có hệ tọa độ gốc Oxyz với vectơ x làm chuẩn hệ tọa độ quay với vectơ xb Ta giả định hai hệ tọa độ có gốc O Khi ta có hình minh họa sau: Hình 1: Hệ tọa độ biểu diễn góc quay Ta có hướng chuyển động tương ứng theo vectơ là: yaw axis (z), pitch axis (y) , roll axis (x) Khi ta xoay theo góc ϕ trục yaw, ta công thức ma trận sau: Khi ta xoay theo trục Oz điểm trạng thái trục Oz không đổi, nhiên trục khác thay đổi từ dẫn đến kết ma trận Và tương tự tiến hành xoay theo trục Oy – trục pitch góc θ ta ma trận sau: Bây ta xoay toàn hệ tọa độ theo góc ψ ta ma trận theo trục Ox sau: Ta kết hợp vectơ xb1, xb2, xb3 Ta gọi mà trận R(Фψθ) RT ta có dạng cơng thức quay trục: tương tự cho trục Oy, Oz 1.2 Phương pháp Euler – ma trận quay Các giá trị góc quay từ cảm biến tích hợp để tạo ma trận quay, thường biểu diễn dạng ma trận xoay quaternion Ma trận quay cho phép hệ thống ARS tính tốn lại góc Roll, Pitch Yaw phương tiện thiết bị thông qua biến đổi tọa độ từ hệ tham chiếu đến hệ tọa độ cố định phương tiện Q trình tích hợp cập nhật ma trận quay thường xảy liên tục để theo dõi biến đổi góc quay phương tiện theo thời gian Xây dựng ma trận quay cách sử dụng góc Euler có ý nghĩa vật lý việc xác định trạng thái, vị trí vận tốc vật cần đo, chúng sử dụng làm thơng tin ngõ nhiều hệ thống ARS Vì vậy, việc thực phép tính sử dụng góc Euler có ưu điểm dễ dàng hiểu ý nghĩa phép tính trực tiếp thu kết đầu mà khơng cần q trình chuyển đổi khác Tuy nhiên, nhược điểm phương pháp góc nghiêng 90 deg thu giá trị vi phân (vấn đề kỳ dị) Các góc Euler xác định Hình 10