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

Trang 1 B GIÁO DỘỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI H C BÁCH KHOA HÀ N I ỌỘ--- 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

TRONG MÔI TRƯỜNG ĐẶC BIỆT

LUẬN VĂN THẠC SĨ Ỹ K THU T Ậ ĐIỀ U KHI N VÀ T Ể Ự ĐỘ NG HÓA

Hà N ội, năm 2017

Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057204867411000000

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 201 7

C NG HÒA XÃ H I CH Ộ Ộ Ủ NGHĨA VIỆT NAM

Độ ậ – ực l p T do H nh phúc – ạ

B N XÁC NH N CH NH S A LU Ả Ậ Ỉ Ử ẬN VĂN THẠC SĨ

H và tên tác gi ọ ả luận văn: Lê Hồng Sơn

Đề tài luận văn: Thiế ế ộ điềt k b u khi n mể ặt đất cho thi t b ế ị bay không người lái ứng d ng cho th nghiụ ử ệm trong môi trường đặc biệt

Chuyên ngành: Điều khi n và t ng hóa ể ự độ

Mã số SV: CA150431

Tác giả, Người hướng d n khoa h c và Hẫ ọ ội đồng ch m luấ ận văn xác nhận tác

gi ả đã sửa ch a, b sung luữ ổ ận văn theo biên bản h p Họ ội đồng ngày 20/01/2018 với các nội dung sau:

- Chỉnh s a mử ột số ỗ l i chính t , trình bày ả

- B sung trích d n tham kh ổ ẫ ảo khi trình bày các chương

- Việt hóa một số thu t ng ậ ữTiếng Anh

- B sung, gi ổ ải thích môi trường đặc biệt trong luận văn

- B sung, gi i thích lý do th nghi ổ ả ử ệm ở kho ng cách 1000m thay vì 3000m? ả

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan bản luận văn thạc sĩ ỹk thu t Thiế ế ộ điềậ : “ t k b u khi n m ể ặt đấ t cho thi t b ế ị bay không ngườ i lái ng d ng cho th nghi ứ ụ ử ệm trong môi trường đặ c

bi t ệ ” do tôi tự thi t k ế ế dướ ự hưới s ng d n c a th y giáo ẫ ủ ầ TS Bùi Đăng Thảnh Các

s u và kốliệ ết quả là hoàn toàn đúng với thực ết

Để hoàn thành đồ án này tôi ch s d ng nh ng tài liỉ ử ụ ữ ệu được ghi trong danh

m c tài li u tham kh o và không sao chép hay s d ng b t k tài li u nào khác Nụ ệ ả ử ụ ấ ỳ ệ ếu phát hi n có s sao chép tôi xin ch u hoàn toàn trách nhiệ ự ị ệm

Hà Nộ i, ngày … tháng … năm 201 7

Tác gi ả luận văn

i

MỤ C LỤ C

LỜI CAM ĐOAN i

MỤ C LỤC i

DANH MỤ C CÁC KÝ HI U, CÁC CH ẾT TẮT iii Ệ ỮVI DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ TH ivỊ DANH M C BỤ ẢNG BI U viỂ M Ở ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CHUNG V THI T B Ề Ế Ị BAY KHÔNG NGƯỜ I LÁI, HỆ ĐIỀU KHIỂN TRÊN MẶT ĐẤT VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN C UỨ 2

1.1 T ng quan chung v ổ ềUAV 2

1.1.1 L ch s phát tri n 2ị ử ể 1.1.2 Phân lo i 3ạ 1.1.3 Vai trò c a UAV và ng d ng trong thủ ứ ụ ực tế 4

1.2 H ệ thố ng đi ề u khiển mặ t đ ất 5

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP TRUY N D N D LI U 9Ề Ẫ Ữ Ệ 2.1 H ệ thống thông tin vô tuy n 9ế 2.1.1 Máy thu và máy phát 9

2.1.2 Môi trường truy n tin 9ề 2.1.3 Ăng ten 10

2.2 Giớ i thiệu về sóng RF 12

2.2.1 T n s ầ ố mang, bước sóng và phổ điệ ừn t 12

2.2.2 K thuỹ ật điều ch ếtín hiệu 14

2.3 Phát hi n và s a lệ ử ỗ i 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 hi n l i 19ệ ỗ 2.3.4 Sửa lỗi 22

ii

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THI T K PH N C NG VÀ PH N M M Ế Ế Ầ Ứ Ầ Ề CHO HỆ ĐI U KHI N TRÊN M Ề Ể ẶT ĐẤT UAV 263.1 Yêu c u thi t k 26ầ ế ế

3.2 Thi t k ế ế phần cứng máy phát lệnh 263.2.1 Sơ đồ kh i t ng quan 26ố ổ3.2.2 Thi t k ế ế sơ đồ nguyên lý h ệthống 273.2.3 Thi t k m ch in 33ế ế ạ3.3 Thi t k ế ế phần cứng m ch thu 35ạ

3.3.1 Sơ đồ kh i m ch thu tín hi u 35ố ạ ệ3.3.2 Sơ đồ nguyên lý m ch thu 36ạ3.3.3 Thi t k ế ế sơ đồ ạch in, vỏ ộ ả m h p s n ph m 37ẩ3.4 Thi t k ế ế phần m m h ề ệ thống 393.4.1 Lưu đồ thu t toán tay cậ ầm điều khi n 39ể3.4.2 Lưu đồthuật toán bên thu 44

CHƯƠNG 4 THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 49

4.1 Đo thử nghiệm, đánh giá thời gian tr c a tín hi u gi a 2 b truy n và ễ ủ ệ ữ ộ ề nhận 49 4.2 Đo thử nghiệm, đánh giá tỉ ệ ỗ l l i truy n b n tin 49ề ả 4.3 Đo thử nghi m ho t đ ng th c t 51 ệ ạ ộ ự ế

KẾ T LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRI N 54Ể TÀI LIỆU THAM KH O 55Ả PHỤ Ụ L C 56

iii

DANH MỤ C CÁC KÝ HI U, CÁC CH ẾT TẮT Ệ ỮVI

TỪ VIẾT

UAV Unmanned Aerial Vehicle Máy bay không người lái

GCS Ground Control Station Trạm điều khiển mặt đất

IMU Inertial Measurement Unit Cảm biến góc quay

RSSI Received Signal Strength Indicator Cường độ tín hiệu

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

người lái UAS Unmanned Aircraft System Hệ thống máy bay không người lái

UHF Ultra High Frequency Tần số cực cao nằm trong khoảng

300 MHz tới 3 GHz

VHF Very High Frequency Tần số rất cao là dải tần số radio từ

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 GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

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

tới 30 MHz HID Human-Interface Device Giao diện người máy

iv

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ TH Ị

Hình 1.1: Máy bay Sperry Aerial Torpedo 2 Hình 1.2: Sơ đồ ệ ống điề h th u khi n UAV 5 ể Hình 1.3: Tr ạm điề u khi n m t ể ặ đất cơ độ ng (PORTABLE GROUND CONTROL STATION) 6 Hình 1.4: The “FlightGear” application [2] 7 Hình 1.5: Sơ đồ ế ố k t n i gi a UAV và máy phát l ữ ệnh điề u khi n 7 ể Hình 1.6: Máy phát l nh T6J 8 ệ Hình 2.1: Hình tượng hóa môi trườ ng vùng truy n song 10 ề Hình 2.2: M ối tương quan giữa tăng ích Ăng ten vô hướ ng 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: M ối tương quan giữa tăng ích Ăng ten định hướ ng 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 h a h ọ ệ thố ng truy n phát không dây RF 12 ề Hình 2.5: Ph t ổ ần đượ c chia thành các d i t n 13 ả ầ Hình 2.6: (a) điề u ch ế biên độ, (b) điề u ch t n s 15 ế ầ ố Hình 2.7:D ạng sóng điề u ch ASK 16 ế Hình 2.8: D ạng sóng điề u ch ế PSK 17 Hình 2.9: D ạng sóng điề u ch FSK 18 ế Hình 2.10: L i bit trong quá trình nh n d u 19 ỗ ậ ữ liệ Hình 2.11: Phương pháp sử ụng bit dư thừ d a 20 Hình 2.12: Quá trình ki m tra l i CRC 21 ể ỗ Hình 3.1: Sơ đồ kh ối tay điề u khi n 27 ể Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý c a kh ủ ối vi điề u khi n 27 ể 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 kh i phát RF 30 ố Hình 3.6: Sơ đồ khối nguồn 31 Hình 3.7: Pin UltraFire 31 Hình 3.8:Sơ đồ chân c a TLV1117-33 32 ủ

v

Hình 3.9:Nút nh ấn đa hướ ng (joystick) 32 Hình 3.11: Ch ức năng tay điề u khi n JoyStick 32 ể Hình 3.12:Sơ đồ nguyên lý kh i Joystick 33 ố Hình 3.13: Hình v 3D m ch tay c ẽ ạ ầm điề u khi n 34 ể Hình 3.14:Sơ đồ ạch in tay điề m u khi n 34 ể Hình 3.15: Sơ đồ kh i ph n nh n tín hi u 35 ố ầ ậ ệ Hình 3.16: Sơ đồ nguyên lý m ch thu 36 ạ Hình 3.17: Sơ đồ nguyên lý kh ối điề u khi ển động cơ Servo 36 Hình 3.18: Hình v 3D m ch thu trên UAV 37 ẽ ạ Hình 3.19: Sơ đồ ạ m ch in module thu RF 37 Hình 3.20:Lưu đồ thu t toán tay phát 39 ậ Hình 3.21: Sơ đồ ế ố k t n i giao th c SPI 40 ứ Hình 3.22: Lưu đồ thu t toán b thu tín hi u RF 44 ậ ộ ệ Hình 4.1: Xung điề u khi n kênh 1 khi Joystick tr ng thái t nhiên 51 ể ở ạ ự Hình 4.2: Xung điề u khi n kênh 1 khi g t Joystick xu ng t i gi i h n 52 ể ạ ố ớ ớ ạ Hình 4.3: Xung điề u khi n kênh 1 khi g t Joystick lên t i gi i h n 52 ể ạ ớ ớ ạ

B ng 3.2: Khung b n tin thêm mã ki m tra l i CRC 41 ả ả ể ỗ

B ảng 4.1: Bảng kết quả php thử khoảng cách bộ thu phát 49

B ng 4.2: B ả ảng đánh giá tỉ ệ ỗ ả l l i b n tin truy ền khi chưa sử ụ d ng thu t toán s a l i 50 ậ ử ỗ

B ng 4.3: B ả ảng đánh giá tỉ ệ ỗ ả l l i b n tin truy ề n khi có s d ng thu t toán s a l i 50 ử ụ ậ ử ỗ

1

M Ở ĐẦU Ngày nay, UAV đang đượ ử ục s d ng r ng rãi trong các ng d ng dân s và quân ộ ứ ụ ự

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

d ữ liệu và đặc bi t là làm m c tiêu b n cho tên l a, pháo trong t p luyệ ụ ắ ử ậ ện Đối với

m t h ộ ệ thống điều khi n UAV, vể ấn đề truy n thông tin d u t máy phát l nh ề ữ liệ ừ ệđiều khi n hay trể ạm điều khi n mể ặt đất đến b ộ điều khi n trung tâm UAV là r t ể ấquan trọng Nó điều khiển UAV trong giai đoạn cất cánh và hạ cánh

Tuy nhiên, hi n nay ph n l n các thi t b ệ ầ ớ ế ị điều khiển cho UAV đều là các thi t b ế ịnhập khẩu nguyên chiếc, giá thành cao Do đó, để làm chủ công ngh tránh ph ệ ụthuộc vào các hãng s n xuả ất, đặc biệt là trong lĩnh vực quân sự, quốc phòng, tôi đã lựa chọn

đề tài “Thi t k b u khiế ế ộ điề ển mặt đất cho thi t b ế ị bay không người lái ng d ng cho ứ ụthử nghiệm trong môi trường đặc bi t” làm đề tài luận văn tốt nghiệp c a mình ệ ủ

N i dung nghiên c u cộ ứ ủa luận văn được thể hiện trong 4 chương:

Chương 1: Tìm hi u chung v ể ề 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 d n d li u ẫ ữ ệ

Chương 3: Nghiên cứu, thi t k ph n c ng và ph n m m cho h ế ế ầ ứ ầ ề ệ điều khi n trên ể mặt đất UAV

Chương 4: Thử nghi m ệ và đánh giá

Hà Nộ i, ngày … tháng 12 năm 201 7

Tác gi ả luận văn

Lê Hồng Sơn

2

CHƯƠNG 1 Ổ T NG QUAN CHUNG V THI T B Ề Ế Ị BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI, HỆ ĐIỀU KHIỂN TRÊN MẶT ĐẤT VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN C U Ứ

1.1 T ng quan chung v ổ ềUAV

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 chđí 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 đư c sử dụng cho các nhiệm vụ huấn luyện, trinh sát, ợthông 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 L ch s phát tri n ị ử ể

Sperry Aerial Torpedo được coi là phiên b n máy bay không ng i lái u tiên, ả ườ đầphi c Sperry Aerial Torpedo ra i t i M n m 1917, m t n m tr c khi Th chi n ơ đờ ạ ỹ ă ộ ă ướ ế ếthứ nh t k t thúc nh m mấ ế ằ ục đích mang theo thu c n lao thố ổ ẳng vào căn cứ đố i phương Đây được coi là c t mộ ốc đánh dấu s ự ra đời và phát tri n máy bay không ểngười lái

Hình 1.1: Máy bay Sperry Aerial Torpedo

C ơ chế hoạt động c a lo i máy bay không ng i lái th a s khai không quá ủ ạ ườ ủ ơ

ph c t p Theo , chúng ứ ạ đó được phóng vào qu o nh s n nh m t h ỹ đạ đị ẵ ờ ộ ệ thống đặc

3

bi t Kho ng cách t i m c tiêu và nh ng y u t khác ệ ả ớ ụ ữ ế ố được con ng i tính toán chi ườtiế ướt tr c khi nhi m v ệ ụ được tri n khai H th ng c bi t trên máy bay s ể ệ ố đặ ệ ẽ được h n ẹ

gi thay i qu o theo th i gian ờ để đổ ỹ đạ ờ được tính toán trước đó Cu i cùng, máy bay ố

ch a ứ đầy thu c n s rố ổ ẽ ơi tự do xu ng m c tiêu dù chính xác không thố ụ độ ực sự cao.1.1.2. Phân loại

Có nhi u cách phân lo i ề ạ UAV khác nhau tùy vào quan điểm thi t k , ch t o và ế ế ế ạ

mục đích sử d ng ụ Nhưng nhìn chung, có mộ ốt s cách phân loại chính như sau:

 Theo lĩnh vự ử ụ c s d ng: UAV được chia thành UAV quân d ng và dân d ng ụ ụUAV quân d ng lụ ại được chia theo chức năng, tùy nhi m v c n gi i quy t cệ ụ ầ ả ế ủa quân độ ừng nưới t c Ch ng hẳ ạn UAV được chia theo chức năng, nhi m v c n ệ ụ ầ

gi i quy t: ví d ả ế ụ như nước Đức h chia thành lo i trinh sát, chiọ ạ ến đấu và bảo

đảm chiến đấu, M h chia thành UAV chiỹ ọ ến đấu và bảo đảm chiến đấu (UAV trinh sát được x p vào b o v chiế ả ệ ến đấu)

 Theo ph m vi kh ạ ối lượ ng: UAV được chia thành các lo i: UAV vi hành ạ –dưới 5Kg; UAV ti u hình ể –dưới 200Kg; UAV lớn –trên 1000Kg và UAV siêu l n- ớtrên 20000Kg

 Theo th i gian bay ờ : chia thành các mức dưới 1 giờ, 6 giờ 12 giờ, , 24 gi ờ và trên 24 gi ờ

 T heo độ cao ho ạt độ ng chia thành UAV thành: UAV ho : ạt động cao cở độ ực

nh có t m hoỏ ầ ạt động dưới 1 km, độ cao nh - ỏ dưới 3km, độ cao trung bình dưới 12km, độ cao l n trên 12km và c c l n trên 20km ớ ự ớ

 Theo phương thức điề u khi n, ể UAV được chia thành phương tiện bay t hành ự(Drones hay UAV) theo phương tiện bay điều khi n t xa (RPV - Remotely ể ừPiloted Vehicle UAV t ) ự hành được điều khi n t ể ừ máy tính trên phương tiện bay với chương trình lập trình trước Còn RPV, như tên gọ ủa nó, được điều i ckhi n thông qua truy n d u vô tuy n Theo m t quan ni m khác RPV là con ể ề ữ liệ ế ộ ệ

c a UAV và hi n là m t trong nh ng lủ ệ ộ ữ ớp vũ khí trạng b ị đang được phát triển năng động nh t ấ Theo đó, hầu hết RPV đều có kh ả năng bay tự hành theo chương trình, song v n có th ẫ ể bay theo điều khi n ngoài ể

4

T i M UAV còn phân lo i theo 2 lạ ỹ ạ ớp chính đó là UAV chiến thu t TUAV - ậTactical Unmanned Air Vehicle (có c ly tác nghi p tự ệ ối đa 200km, chủ ế y u nhằm chi vi n cho lệ ực lượng mặt đất) và UAV bay lâu (trên 200km) TUAV lại được chia thành phân l p t m g n (50km) và t m trung Lớ ầ ầ ầ ớp UAV bay lây được chia nh ỏthành phân l p th i gian dàiớ ờ , độ cao trung bình và độ cao l n ớ như đã nêu ớ, v i nh ng ữmáy bay có th i gian bay c 10-30h và trên mờ ỡ ột ngày Tương lạ ẽi s có lo i UAV ạ

cực lâu –ULE với thời gian lên tới nhiều tháng

1.1.3. Vai trò ủc a UAV và ứ ng dụng trong thự c tế

Thiết bị bay không người lái - UAV có nh ng u i m vữ ư đ ể ượt tr i nhộ ư:

- Không c n phi công i u khi n tr c ti p trong bu ng lái, do gi m thi u ầ đ ề ể ự ế ồ đó ả ểthương vong, chi phí o t o, có th bay liên t c trong nhi u gi trong các trong các đà ạ ể ụ ề ờtrường h p kh n c p ợ ẩ ấ

- UAV d dàng thay ễ đổi đường bay do khó b nh ch n h n các tên lđó ị đá ặ ơ ửa hành trình, ng th i có th hođồ ờ ể ạt động ởcác địa hình phức tạp

- V ới ưu th nh , khó b phát hi n, UAV có th hoế ỏ ị ệ ể ạt động nh ng vùng nguy ở ữ

hi m, xâm nh p vào không ph n trinh sát và theo dõi i ph ng, th m chí ể ậ ậ để đổ ươ ậ có

th trể ực tiế ấp t n công các m c tiêu khi c n thi ụ ầ ết

- UAV cũng thể hiện ưu đ ểi m v i khả n ng t hành, nhiớ ă ự ều kích thước khác nhau, thích hợp với môi trường khắc nghiệt, nguy hi m mà con ngể ười không th tể ới được

V i nh ng u th c a mình, UAV ớ ữ ư ế ủ đã và đang được ứng d ng vào nhi u mụ ề ục đích khác nhau cả trong quân s và phi quân s : ự ự

 Ứng dụng trong lĩnh vực quân s : ự

- Bay giám sát, h ỗ trợ lực lượng mặt đất (Mỹ và nhiều qu c gia khác ang số đ ử dụng);

- Theo dõi mục tiêu trên không, truy n hình nh video trề ả ực tiếp v c n c ; ề ă ứ

- Tiêu diệt mục tiêu (với các chi c UAV ế được gắn vũ khí);

- Huấn luy n bay; ệ

- Rà soát, phát hi n, h ệ ỗtrợ tháo gỡ bom mìn (Lào ang áp d ng); đ ụ

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

- Quay phim, ch p nh t ụ ả ừtrên không [1];

- Xây d ng b n , nh t là b n 3D (dùng các h ự ả đồ ấ ả đồ ệ thống quét laser nh ưLIDAR);

- B o v ả ệ động v t hoang dã (m t vài khu b o t n t i M và Sumatra, ậ ộ ả ồ ạ ỹIndonesia đã bắt đầu áp d ng); ụ

- Dùng trong nông nghiệp (r i phân bón, thu c tr ả ố ừsâu );

- Tìm ki m, c u n n ế ứ ạ

1.2 H ệ thống điều khi n mể ặt đất

Mô tả ề ệ ống điề v h th u khi n mể ặt đất của UAV được thể ệ hi n trên Hình 1.2

Hình 1.2: Sơ đồ ệ h thống điề u khi n UAV ể

H ệthống điều khi n mể ặt đất bao g m h ồ ệthống i u khi n trên máy bay (Flight đ ề ểControl System- FCS) và trạm đ ều i khi n mể ặ đất t (Ground Control Station- GCS) Trạm điều khiển mặt đất có chức năng ấu hình, cài đặt, giám sát, điềc u khi n các ể

lo i ạ UAV t i mạ ặt đất cũng như trong suốt quá trình bay th c hành nhi m v theo ự ệ ụ

Hình 1.3: Trạm điề u khi n m ể ặt đấ cơ độ t ng (PORTABLE GROUND CONTROL STATION)

Trạm điều khi n mể ặt đất có cấu trúc cơ ảb n bao g m: Máy tính trung tâm ho c ồ ặmáy tính b ngả ; chân đế ở ộ m r ng c ng giao ti p (Docking station); b t ng bám ổ ế ộ ự độsát (tracking antenna); màn hình m r ng hi n th các tham s ở ộ ể ị ố điều khi n m r ng ể ở ộ

ho c hi n th ặ ể ị video thu đượ ừc t UAV truyền v ; modem truy n d li u (data link) ề ề ữ ệMáy tính trung tâm đượ cài đặc t ph n m m đi u khi n và hi n th máy bay và các ầ ề ề ể ể ị

ph n m m chuyên dầ ề ụng được cài đặ ểt đ thiết kế bay, điều khi n bay và có th l p k ể ể ậ ế

ho ch v ạ ị trí hướng c t h cánh t i thấ ạ ạ ực địa M t s ph n m m chuyên x ộ ố ầ ề ử lý ảnh UAV phổ ế ở bi n ệt Nam là [1]: Vi

- Trimble Business Center Photogramettry và Inpho UASMaster của hãng Trimble

- Agisoft PhotoScan của hãng Geoscan Nga

- Pix4d mapper của Thụy Sĩ

7

Hình 1.4 : The “FlightGear” application [ 2]

H ệthống điều khi n mể ặt đất có th ể điều khiển được máy bay không người lái ở

t t c các ch bay Tuy nhiên trong th c tấ ả ế độ ự ế, để đả m b o tính an toàn c a các ả ủchuy n bay, trong ế giai đoạn c t h ấ ạ cánh máy bay thường được phi công điều khi n ểthông qua máy phát lệnh điều khiển (Transmitter) Sơ đồ ế k t n i gi a UAV và tay ố ữđiều khi n mô t ể ả như Hình 1.5 Máy phát lệnh điều khi n là thi t b ể ế ị điều khi n ểchuyên d ng có chụ ức năng phát ra các lệnh điều khiển dướ ại d ng sóng RF và được truyền đến các thi t b có trang b máy thu lế ị ị ệnh điều khiển tương ứng t n s máy ầ ốphát và n m trong vùng kho ng cách gi i h n c a thi t b Hình 1.6 là m t lo i máy ằ ả ớ ạ ủ ế ị ộ ạphát lệnh điều khi n T6J (hãng Futaba) chuyên d ng cho các ể ụ thiế ị điềt b u khi n t ể ừ

xa mà ch yủ ếu là các lo i UAV ạ

Hình 1.5: Sơ đồ ế ố k t n i gi a UAV và máy phát l ữ ệnh điề u khi n ể

8

Hình 1.6: Máy phát l nh T6J ệ

Bên c nh , máy phát lạ đó ệnh điều khiển cũng được s d ng nhiử ụ ều trong điều khi n UAV không có l p thi t b bay t ể ắ ế ị ự động theo chương trình vì đơn giản, chi phí giá thành thấp hơn nhiều so v i trớ ạm điều khi n mể ặt đất C u trúc cấ ủa tay điều khi n 4 kênh g m 1 b phát RF, 2 Joystick và các phím bể ồ ộ ấm cài đặt các thông s ốThêm nữa, điều khiển UAV trong lĩnh vực quân s cự ần lưu ý đến môi trường

hoạt động C n thi t k các b ầ ế ế ộ điều khiển đảm b o cho thi t b có th hoả ế ị ể ạt động trong các môi trường đặc biệt như mưa gió, ẩm ướt; hay môi tr ng truy n sóng b ườ ề ịảnh hưởng b i các tín hi u nhiở ệ ễu như nhiễu pha đinh, nhiễu th c p hay các tín hi u ứ ấ ệphá hoại củ ẻ địa k ch

T nh ng phân tích, tìm hi u trên, luừ ữ ể ận văn sẽ ậ t p trung trình bày v nghiên ề

c u, thi t k b máy phát lứ ế ế ộ ệnh điều khi n trên mể ặt đấ trong môi trường đặt c bi t ệ

nh m làm ch công ngh và gi m giá thành s n ph m Các nghiên c u, tìm hi u v ằ ủ ệ ả ả ẩ ứ ể ề

k ỹthuật điều ch tín hi u, mã hóa, s a lế ệ ử ỗi đường truyền ẽ đượs c trình bày trong báo cáo giúp cho thi t b có th hoế ị ể ạt động trong môi trường đặc biệt đã nêu ở trên Tác

gi ả cũng đưa vào sử ụ d ng b mã hóa và s a lộ ử ỗi hamming để ả gi m thi u l i b n tin ể ỗ ảkhi truy n Trong thi t k ph n c ng, các linh ki n, module chuyên d ng có sai s ít ề ế ế ầ ứ ệ ụ ố

và kh ả năng chống nhi u cao bên c nh thi t k t t ph n ph i h p tr kháng trong ễ ạ ế ế ố ầ ố ợ ở

mạch để đảm bảo thi t b ế ịcó thể hoạ ột đ ng tốt trong môi trường đặc bi ệt

9

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN D N D LI U Ẫ Ữ Ệ

2.1 H ệ thống thông tin vô tuy n ế

Một hệ thống thông tin vô tuyế cơ bản n bao g m các thành ph n chính sau: ồ ầ

- 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 trườ ng truy n tin ề

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:

 T m nhìn th ng ầ ẳ

T m nhìn th ng vô tuy n giầ ẳ ế ữa Ăng ten phát và Ăng ten thu là m t y u t quan ộ ế ốtrọng ảnh hưởng đến c li liên l c trong thông tin vô tuy n Có th ự ạ ế ể được phân thành hai loại như sau:

- T m nhìn th ng quang h c: là kh ầ ẳ ọ ả năng có thể nhìn b ng mằ ắt thường t ừ Ăng ten phát đế Ăng tenn thu Nói m t cách khác là t n t i mộ ồ ạ ột đường truy n th ng giề ẳ ữa hai Ăng ten trong môi trường truyền

- T m nhìn th ng vô tuy n: không ch t n t i t m nhìn th ng quang h c mà ầ ẳ ế ỉ ồ ạ ầ ẳ ọcòn bao gồm các đường truyền khác được ph n x , khúc x hay tán x b i các ả ạ ạ ạ ởchướng ng i v t trong ạ ậ môi trường truy n ề

10

 Vùng truyền tin

Vùng truy n tin có th ề ể được xem như một kho ng không gian giả ữa Ăng tenphát và Ăng ten thu, mà ở đó tập trung ph n lầ ớn năng lượng sóng vô tuy n gi a hai ế ữĂng ten

Hình 2.1: Hình tượ ng hóa môi trườ ng vùng truy n ng ề só

Như vậy để đạt được m t c li thông tin cộ ự ực đại, trong vùng truy n sóng ph i ề ảkhông t n t i b t c mồ ạ ấ ứ ột chướng ng i vạ ật nào Do đó nế Ăng ten được đặu t ngay trên mặt đất, thì ph m vi liên l c s b suy gi m m t cạ ạ ẽ ị ả ộ ách đáng kể, do không th ểtránh khỏi các chướng ng i vạ ật như nhà cửa, cây c iố … Để gi m thiả ểu được suy

gi m này, các ả Ăng ten thu và phát cần được nâng cao so v i mớ ặt đất sao cho các chướng ng i vạ ật cũng như độ cong c a mủ ặt đất không ảnh hưởng đến vùng truy n ềsóng

2.1.3 Ăng ten

Ăng ten là các thi t b ế ị được s dử ụng để phát x ho c h p th ạ ặ ấ ụ năng lượng sóng

vô tuyến theo các hướng nhất định v i các m u phát x ớ ẫ ạtuỳ thu c vào t ng thi t k ộ ừ ế ế

và t ng ng d ng Kh ừ ứ ụ ả năng năng lượng đượ ậc t p trung theo một hướng nhất định được gọi là tăng ích Ăng ten

 Tăng ích Ăng ten

Ăng ten là m t thành ph n có ộ ầ ảnh hưởng lớn đến kho ng cách truy n tin trong ả ề

m t h ộ ệ thống thông tin Trong đó tăng ích Ăng ten là m t giá tr ộ ị mang tính định lượng cho kh ả năng này Do vậy chúng ta có th ể điều ch nh giá tr này nhỉ ị ằm để tăng

c li liên lự ạc Ăng ten có tăng ích càng lớn thì độ ập trung năng lượ t ng càng cao, do

v y c ậ ựli liên lạc càng xa

11

 Ăng ten vô hướng

Ăng ten vô hướng là lo i ạ Ăng ten đơn giản dùng để phát và thu sóng đồng đều

đố ớ ấ ải v i t t c cáchướng Như vậy nó làm phân tán năng lượng và cường độ tín hi u ệđến được máy thu ch b ng m t ph n nh c a tỉ ằ ộ ầ ỏ ủ ổng năng lượng tín hiệu phát ra Để

kh c phắ ục nhược điểm này chúng ta ph i nâng công suả ất phát, nhưng điều này lại làm tăng sự xuyên nhi u gi a các kênh Nói chung ễ ữ Ăng ten vô hướng có nhi u hề ạn chế ề độ tăng ích, hiệu năng sử ụ v d ng ph t n và kh ổ ầ ả năng tái sử ụ d ng các kênh t n ầ

s Búp sóng cố ủa Ăng ten vô hướng có d ng vành xuy n B dày VBW (Vertical ạ ế ềBeam Width) c a búp sóng (góc m ủ ở Ăng ten theo phươngthẳng đứng) t l ngh ch ỉ ệ ị

với tăng ích Ăng ten

Hình 2.2 M : ối tương quan giữa tăng ích Ăng ten vô hướ ng 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 loạ Ăng ten đơn giản, nhưng khác vớ Ăng teni i vô hướng nó được thi t k phát và thu tín hi u t p trung v mế ế để ệ ậ ề ột hướng nhất định,

tập trung năng lượng sóng vô tuy n ch y u theo mế ủ ế ột hướng chính Búp sóng của Ăng ten định hướng có dạng như hình vẽsau:

Hình 2.3: M ối tương quan giữa tăng ích Ăng ten định hướ ng và VBW 8.1 dBi (6 dBd) =

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

2.2. Giới thiệu v sóng RF ề

Hình 2.4: Minh h a h ọ ệ thố ng truy n phát không dây RF ề

Sóng vô tuyến là một kiểu bức x n tạ điệ ừ với bước sóng trong ph n tổ điệ ừ dài hơn ánh sáng hồng ngo i Sóng vô tuyạ ến có t n số từ 3 kHz tới 300 GHz, tương ứng bước ầsóng từ 100 km t i 1 mm Giớ ống như các sóng điện từ khác, chúng truyền v i vận tốc ớánh sáng Sóng vô tuyến do con người t o nên dùng cho Radar, phát thanh, liên l c vô ạ ạtuyến di động và cố định và các hệ thống dẫn đường khác Thông tin vệ tinh, các mạng máy tính và vô số các ng d ng khác Các tứ ụ ần s khác nhau c a sóng vô tuyố ủ ến 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 th ng ẳ

Điều khi n t xa b ng t n s vô tuyếể ừ ằ ầ ố n là loại điều khi n t xa xu t hiể ừ ấ ện đầu tiên

và đến nay v n gi m t vai trò quan tr ng và ph biẫ ữ ộ ọ ổ ến trong đờ ối s ng Nếu điều khi n ch ể ỉ dùng trong nhà thì điều khi n RF l i dùng cho nhi u v t d ng bên ngoài ể ạ ề ậ ụnhư các thiế ị ở ửt b m c a Gara ô tô, hệ ố th ng báo hi u cho xem các loệ ại đồ chơi điện

t t xa, ử ừ thậm chí ki m soát v tinh và các h ể ệ ệthống máy tính xách tay và điện thoại thông minh

2.2.1 T ần số mang, bướ c sóng và ph ổ điện từ

Phổ bước sóng được chia theo t n s ầ ố và thường được gọi là d i tần (ả Hình 2.5)

300 – 3000 Hz 10 3 km-100 km T n s tho i ầ ạố VF Chchuẩn ứa các tần số kênh thoại tiêu

30 - 300 MHz 10m-1m T n s r t cao ấầ ố VHF

Dùng cho vô tuyến di động, thông tin hàng h i và hàng không, ả phát thanh FM thương mại (88 đế n

108 MHz), truyền hình thương mại (kênh 2 đến 12 t n s ầ ố từ 54 -

vi ba và v tinh ệ

14

3 – 30 GHz 10 cm cm -1 siêu cao SHF T n s ầ ố chủ yếu dùng cho vi ba và thông tin vệ tinh

30 – 300 GHz 1 cm -1mm T n s c c kì ựầ ố

cao EHF ít sử d ng trong thông tin vô tuyụ ến

Bước sóng được xác định b i công th c ở ứ

Ở đầ u thu b giộ ải điều ch s d a vào s ế ẽ ự ự thay đổi thông s ố đó của sóng mang tái t o ạ

l i tín hiạ ệu mang thông tin ban đầu Các thông s cố ủa sóng mang được dùng trong quá trình điều ch có th là biên đ , pha, t n s ế ể ộ ầ ố

(a) K ỹ thuật điề u ch ế tương tự

Các kiểu điều ch ế tương tự thường s d ng trong các h ử ụ ệ thống phát thanh

qu ng bá gả ồm: điều ch ế biên độ (AM), điều ch t n s ế ầ ố (FM), điều ch pha (PM) ế

- Điều ch ế biên độ

Khi biên độ ủ c a sóng mang RF b ị thay đổi tuân theo biên độ ủ c a tín hiệu băng

gốc, thì quá trình được gọi là điều ch ế biên độ(AM)

- Điều ch t n s ế ầ ố

Khi t n s cầ ố ủa sóng mang cao tần (RF) thay đổi (trong ph m vi vài kilohertz) phù ạhợp với biên độ ủ c a tín hiệu băng gốc, thì quá trình đượ ọi là điềc g u ch t n s (FM) ế ầ ố

(b) Kỹ thuậ ề t đi u chế số

 Điều ch d ch biên ASK (Amplitude Shilf Keying) [4] ế ị

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 A1tương ứng với mã nhị phân 0 và 1 Trong thực tế, dạng sóng ASK gồm các xung “mark”

 Điều ch d ch pha PSK (Phase Shilf Keying) [5] ế ị

Trong phương pháp điều ch PSK, t n s ế ầ ố và biên độ sóng mang được gi ữkhông đổi trong khi pha c a nó d ch theo m i bit d liủ ị ỗ ữ ệu được truy n ề

Có hai loại PSK thường dùng, loại thứ nh t dùng hai tín hiệu sóng mang đại diện ấcho bit “0” và bit “1”, hai sóng mang này khác pha nhau 180o Vì tín hiệu này chỉ là nghịch đảo của tín hi u kia nên loệ ại 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

Hình 2.8: D ạng sóng điề u ch PSK ế

- Điều ch d ch t n s FSK (Fequencyế ị ầ ố Shilf Keying) [6]

Trong điều ch ế FSK, các bit “0”, “1” được mã hóa b ng hai t n s khác nhau ằ ầ ố

c a sóng mang, t n s ủ ầ ốcao ứng v i mớ ức “1” và tần s ốthấ ứp ng v i mớ ức “0”

18

Hình 2.9: D ạng sóng điề u ch FSK ế

Để tránh vấn đề thay đổ ề biên độ ới v , v i FSK dùng hai tín hi u sóng mang có ệcùng biên t n và c nh, mầ ố đị ột cho bit “1” và một cho bit “0” Sự khác bi t gi a hai ệ ữsóng mang là t n s Hoầ ố ạt động điều ch ế tương đương vớ ự ổi s t ng h p các ngõ ra ợ

c a hai b ủ ộ điều ch ASK riêng bi t: M t th c hi n trên sóng mang th nh t dùng ế ệ ộ ự ệ ứ ấ

ph n g c tín hi u (mầ ố ệ ức “1”) và một th c hi n trên sóng mang th hai v i ph n bù ự ệ ứ ớ ầ

của tín hiệu d u (mữliệ ức “0”)

Những ưu điểm c a FSK so v i ASK là: tính chủ ớ ất biên độ không đổ ủi c a tín

hi u sóng mang không gây lãng phí công su t và ch ng nhi u t t ệ ấ ố ễ ố

V i nhớ ững ưu đ ểm và tính đơn giải n của nó nên FSK là phương pháp được s ử

d ng rụ ộng rãi trong điều ch tín hi u sóng RF, trong luế ệ ận văn này tác gi l a ch n ả ự ọ

s d ng module thu phát RF có kiử ụ ểu điều ch ếFSK

2.3. Phát hiện và s a l i trong truyử ỗ ề n dẫn d ữ liệu bằng sóng RF

2.3.1 Giớ i thi u ệ

Cũng như trong các hệ ố th ng truy n d n không dây khác, khi truy n d li u t ề ẫ ề ữ ệ ừ

v ị trí này đến v trí khác Có nhi u yị ề ếu t ố tác động lên đường truyền như môi trường, n, nhiồ ễu đường truy nề …có thể làm l i m t hay nhi u bit c a kh i d li u ỗ ộ ề ủ ố ữ ệ

19

đang truyền Do đó muốn thông tin ở nơi nhận, nhận được chính xác thì phải có cơ chế phát hi n và s a các l i đó ho c là yêu c u truy n l i nế ỗệ ử ỗ ặ ầ ề ạ u l i quá l n ớ

2.3.2 Các lo ại lỗi bit

Khi truy n d u t máy phát t i máy thu, các tín hi u d ng nh ề ữliệ ừ ớ ệ ạ ị phân “0” và

“1” nếu b l i có th biị ỗ ể ến đổ ừ “0” thành “1” và từ “1” thành “0”, có ba loạ ỗi t i l i thường gặp đó là lỗi đơn bit, đa bit và đảo bit

Hình 2.10: L i bit trong quá trình nh n d u ỗ ậ ữ liệ

2.3.3 Phát hiệ ỗ n l i

Khi máy thu nhận được b n tin t máy phát gả ừ ửi đến, làm th ế nào để nó có th ể

bi t m t trong nh ng l i trên x y ra, tr ế ộ ữ ỗ ả ừ trường h p nó ph i g i mợ ả ử ỗi đơn vị ữ d liệu hai l n rầ ồi máy thu so sánh hai đơn vị ữ d u nhliệ ận được theo t ng bit m t, t ừ ộ ừ đó phát hi n ra lệ ỗi Nhưng như vậy thì làm m t hai l n th i gian nh n và x lý b n tin ấ ầ ờ ậ ử ả

c ng thêm thộ ời gian để so sánh t ng bit d ừ ữ liệu Phương pháp này không hiệu qu ả

do tăng quá nhiều th i gian x ờ ử lý và cũng không biết được trong hai l n g i l n nào ầ ử ầbit d u b l i Rõ ràng phữliệ ị ỗ ải có cơ chế phát hi n l i vệ ỗ ừa đơn giản mà không làm

t n th i gian truy n nhố ờ ề ận hay làm tăng khối lượng b n tin quá nhi u ả ề

Chỉ ằng cách đưa vào các thông tin dư thừ b a trong quá trình truy n nh m m c ề ằ ụđích so sánh, thay thế ệ ặ vi c l p toàn b d li u, ch c n m t nhóm nh các bit thêm ộ ữ ệ ỉ ầ ộ ỏvào cu i mố ỗi đơn vị ữ d u K thu t này gliệ ỹ ậ ọi là dư thừa b i vì m t s bit bên ngoài ở ộ ốđược thêm vào là th a so v i thông tin c n gừ ớ ầ ửi đi Những bit dư thừa này s ẽ được

b ỏ đi, khi thông tin truyề ới nơi nhận và được kiển t m tra xác nh n là không l ậ ỗi

20

Hình 2.11: Phương pháp sử ụng bit dư thừ d a

M i khi chu i bit d ỗ ỗ ữ liệu được phát đi đều phải đi qua một thi t b phân tích và ế ị

b sung vào m t chuổ ộ ỗi dữ liệu đó, mã kiểm tra dư thừa thích hợp Đơn vị ữ d u tr liệ ởnên l n ớ hơn bởi m t s bit thêm vào, t t c ộ ố ấ ả được truyền lên đường liên kết đến nơi

nh n Thi t b nhậ ế ị ận đặt toàn b ộchuỗi này vào m t kh i ki m tra N u chu i d u ộ ố ể ế ỗ ữliệ

nhận được, đi qua được kh i ki m tra thì ph n d u s ố ể ầ ữliệ ẽ được nhận còn các bit dư thừa sẽ được bỏ qua

Có 4 cách để ểm tra dư thừ ki a đó là:

- Kiểm tra dư thừ ứa đ ng VRC, hay còn g i là ki m tra ch n l ọ ể ẵ ẻ

- Kiểm tra dư thừa dài LRC

- Kiểm tra dư thừa tu n hoàn CRC ầ

- T ng ki m tra Checksum ổ ể

Kiểm lỗi dư thừa tu n hoàn CRC ầ

Phương pháp kiểm lỗi này có độ tin c y cao nh t VRC và LRC d a vào vi c b ậ ấ ự ệ ổsung thêm s bit, còn CRC d a vào phép chia nh phân Trong CRC chu i các bit ố ự ị ỗ

dư thừa được g i là s ọ ố dư CRC, sẽ ổ b sung thêm vào cuối đơn vị ữ ệ d li u sao cho đơn vị ữ ệ d li u mới này là chia không dư cho số nh ị phân được quy định trước và s ử

21

d ng ụ ở nơi gửi Khi đó đơn vị ữ d liệu được xem là không l i và s ỗ ẽ được nh n ậTrường hợp php chia có dư, nghĩa là đơn vị ữ ệu đã bị ỗi và không đượ d li l c nh n ậCác bit dư thừa CRC được nơi gửi tính bằng cách chia đơn vị ữ ệ d li u cho m t ộ

s ố chia xác định trước, s ố dư chính là CRC CRC phải có ít hơn số chia m t bit và ộ

phải bổ sung vào cu i d u ố ữliệ Hình 2.12 minh ho quá trình kiạ ểm lỗi CRC:

Hình 2.12: Quá trình ki m tra l i CRC ể ỗ

Đầu tiên thêm n bit “0” vào cuối đơn vị ữ ệ d li u, s ố n ít hơn số chia 1 bit Ti p ếtheo đơn vị ữ ệ d li u mới này được chia cho s chia S ố ố dư của phép chia chính là CRC CRC thu được, thay cho các bit “0” ở cuối đơn vị ữ ệ d li u N u s ế ố dư ít hơn n bit thì b sung thêm s 0 vào các bit bên trái Nổ ố ếu php chia không dư thì n số 0 được đặt làm s ố dư và nó là CRC…

Đơn vị ữ ệ d li u chuy n tiể ếp đến thi t b nh n, d liế ị ậ ữ ệu đến trước và theo sau là CRC Thi t b nh n xem toàn b d ế ị ậ ộ ữ liệu này như một đơn vị và chia nó cho cùng

một số chia đã được sử ụ d ng bên g ở ửi

N u chu i d ế ỗ ữliệu khi được ki m tra CRC cho s ể ố dư bằng 0 được xem là không

lỗi và được nh n N u chu i d u b ậ ế ỗ ữ liệ ị thay đổi trong quá trình truy n, s ề ố dư sẽkhác 0 và đơn vị ữ ệ d li u b l i, không nhị ỗ ận được

CRC phát hi n t t c các l i, tr khi giá tr các bit c a kh i chính xác b ng giá ệ ấ ả ỗ ừ ị ủ ố ằ

trị ủ c a số chia S chia CRC thông d ng là 13, 17 và 33, bố ụ ảo đảm phát hi n hệ ết l i.ỗ

Mã Hamming

Mã Hamming là m t mã s a l i tuy n tính (linear error-ộ ử ỗ ế correcting code), được

đặt tên theo tên của người phát minh ra nó, Richard Hamming Mã Hamming có th ểphát hi n m t bit ho c hai bit b l i (single and double-bit errors) Mã Hamming còn ệ ộ ặ ị ỗ

có th s a các l i do m t bit b sai gây ra Xét d u 7 bit thì cể ử ỗ ộ ị ữliệ ần 4 bit dư thừa đểthêm vào cuối đơn vị ữ d u ho c chèn vào nh ng bit d u g c liệ ặ ữ ữliệ ố

Hình 2.13: Cách chèn các bit dư thừ a vào d u ữ liệ

Trên hình vẽ, các bit dư thừa được đặt vào v trí 1, 2, ị 4 và 8 và được ký hi u là ệr1, r2, r4, r8 Trong mã Hamming m i bit r là VRC c a m t t h p các bit d u ỗ ủ ộ ổ ợ ữliệCác t hổ ợp được sử ụng để d tính m t trong b n giá tr cộ ố ị ủa 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

23

tra lỗi, xin xem bảng liệt kê dưới đây: Ch d (data) được dùng để biểu thị các bit dữ ệữ li u

và chữ p (parity) để ể bi u 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

B ng 2.2 Cách tính các bit ch n l trong mã Hamming ả : ẵ ẻ

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

"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 b ng cách cho bit chằ ẵn lẻ giá trị 1 khi kết quả ể ki m tra dùng quy luật số chẵn bị sai

B ng 2.3: ả Kiể m tra các bit ch n l ẵ ẻ

Việc đổi ngược giá tr c a bit th 11 làm cho nhóm 10001100100 tr l i thành ị ủ ứ ở ạ

10001100101 B ng vi c b ằ ệ ỏ đi phần mã Hamming, chúng ta lấy được ph n d li u ầ ữ ệ

g c v i giá tr làn 0110101 Các bit ch n l không kiố ớ ị ẵ ẻ ểm tra đượ ẫc l n nhau, n u ch ế ỉ

m t bit ch n l b sai thôi, trong khi tộ ẵ ẻ ị ất cả các bit khác là đúng, thì chỉ có bit ch n l ẵ ẻnói đến là sai mà thôi và không ph i là các bit nó ki m tra (not any bit it checks) ả ểCuối cùng, gi s có hai bit biả ử ến đổ ạ ịi, t i v trí x và y N u x và y có cùng m t bit t i ế ộ ạ

v ị trí 2k trong đại di n nh phân c a chúng, thì bit ch n l ệ ị ủ ẵ ẻ tương ứng v i v ớ ị trí đấy

ki m tra c ể ả hai bit, và do đó sẽ ữ gi nguyên giá trị, không thay đổi Song m t s bit ộ ốchẵ ẻ nào đấn l y nhất định ph i b ả ị thay đổi, vì x ≠ y, và do đó hai bit tương ứng nào

đó có giá trị x và y khác nhau Do v y, mã Hamming phát hi n t t c các l i do hai ậ ệ ấ ả ỗbit b ị thay đổi, song nó không phân biệt được chúng v i các l i do 1 bit b ớ ỗ ị thay đổi.Hiện thời, khi nói đến mã Hamming chúng ta th c ra là muự ốn nói đến mã (7,4)

mà Hamming công b ố năm 1950 ớ V i m i nhóm 4 bit d u, mã Hamming thêm 3 ỗ ữliệbit ki m tra Thu t toán (7,4) c a Hamming có th sể ậ ủ ể ửa chữa bất cứ ột bit lỗ m i nào

C ụthể: ch d bi u th cho bit data, ch p bi u th bit ch n l , c u trúc mữ ể ị ữ ể ị ẵ ẻ ấ ột từ mã

s ẽlà: p1 p2 d1 p3 d2 d3 d4

- Bit parity p1 s ki m tra ch n l các bit: p1, d1, d2, d4 ẽ ể ẵ ẻ

- Bit parity p2 s ki m tra ch n l các bit: p2, d1, d3, d4 ẽ ể ẵ ẻ

- Bit parity p3 s ki m tra ch n l các bit: p3, d2, d3, d4 ẽ ể ẵ ẻ

Như vậy, việc mã hóa đơn giản là tách b n tin ra thành t ng t ả ừ ừ mã 4 bit, sau đó chèn thêm vào 3 bit parity vào t o thành mạ ột từ mã 7bit

 Giải mã và s a lỗi: ử

Ở đầ u thu s th c hi n gi i mã và s a l i, vi c giẽ ự ệ ả ử ỗ ệ ải mã được th c hiự ện như sau:

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

25

- Tính lại các bit parity t ừcác bit data nhận được ở đầ u thu

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

để phát hiện đượ ỗ ạ ịc l i t i v trí nào, s a l i bử ỗ ằng cách đảo bit l i ỗ

- N u bit d1 l i: bit p1 và p2 sai ế ỗ

- N u bit d2 l i: bit p1 và p3 sai ế ỗ

- N u bit d3 l i: bit p2 và p3 ế ỗ sai

- N u bit d4 l ế ỗi: cả 3 bit p1, p2 và p3 sai

- Các trường h p còn lợ ại được cho là dữ liệ u không b l ị ỗi

26

CHƯƠNG 3 NGHIÊN C U THI T K PH N C NG VÀ PH N M M Ứ Ế Ế Ầ Ứ Ầ Ề

CHO HỆ ĐI U KHI N TRÊN M Ề Ể ẶT ĐẤT UAV 3.1. Yêu cầu thiế t kế

Trong luận văn này, tác gi t p trung nghiên c u thiả ậ ứ ết k c p module thu phát RF ế ặtrong điều khi n UAV Module này cể ần đảm bảo các các thông số yêu cầ như u 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 kh i t ng quan ố ổ

Sơ đồ kh i cố ủa tay điều khiển được th hi n trể ệ ên Hình 3.1, trong đó các tín hiệu

t ừ Joystick được đưa đến b chuyộ ển đổi tín hiệu tương tự - s ố ADC trước khi vào vi điều khiển Sau đó sẽ được đưa đến b phát tín hi u M t m ch ngu n có nhi m v ộ ệ ộ ạ ồ ệ ụcung cấp ngu n cho các ph n t cồ ầ ử ủa tay điều khi n ể

27

JoyStick ADC Vi điều khiển Bộ Phát

Switch Khối nguồn

Hình 3.1: Sơ đồ khối tay điề u khi n ể

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

3.2.2 Thiế ế sơ đồ t k nguyên lý h th ng ệ ố

(a) Khố i vi đi ề u khi n ể

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý c a ủ khố i vi điề u khi n ể

28

Hình 3.2 thể ện sơ đồ hi nguyên lý c a khủ ối vi điều khi n Theo phân tích ể ở sơ

đồ kh i h th ng, vi x lý c n có 1 giao ti p SPI vố ệ ố ử ầ ế ới module phát RF, ADC để đọ c

d u t ữliệ ừ tay điều khiển JoyStick do đó tôi lựa ch n chip Atmega32 cho ng d ng ọ ứ ụ

của mình Vi điều khi n Atmega 32 [7] là mể ột vi điều khi n 8bit thu c dòng AVR ể ộ

t ổchức theo cấu trúc RISC có một số thông s ố kĩ thuật như sau:

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

- S d ng ki n trúc RISC v i 131 câu l nh h u h ử ụ ế ớ ệ – ầ ết đều th c hi n trong mự ệ ột chu k xung, có 32 thanh ghi 8 bits, tỳ ốc độ thực hi n câu l nh cao, tệ ệ ối đa 16 MIPS (million instructions per second) t i t n s xung nh p 16MHz; ạ ầ ố ị

- Dung lượng b nh Flash: 32Kbytes, EEPROM: 1024bytes, SRAM: 1Kbyte; ộ ớ

- Khả năng ghi/xóa với bộ nh Flash là 10000 lần và 100000 lần với bộ ớ nhớEEPROM, 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 dở ải điện áp 2.7V – 5.5V, tần số th ch anh 0 - 8 MHz với ạAtmega32L và 4.5V - 5.5V, t n sầ ố thạch anh 0 - 16 MHz với ATmega16

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

có hướng thông thường Bên cạnh đó, 1 số chân trên chip còn tích h p các chợ ức năng đặc biệt khác: các chân PD0, PD1 ph c vụ ụ cho vi c truyệ ền tin nối ti p, chân PC2, PC3, ếPC4, PC5 thực hi n với JTAG và PC6, PC7 là các chân 1, 2 phát tín hiệu đồng bộ của ệ

bộ nh thđị ời, các chân PB3, PD4, PD5, PD7 là ngõ ra c a xung PWM Củ ần lưu ý, khi các chân đã thực hi n chệ ức năng đặc bi t thì nó s không còn là ngõ vào ra n a ệ ẽ – ữ