Báo cáo khoa học đề tài : Thiết kế và chế tạo imu 9 bậc
SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THÀNH ĐOÀN TP. HỒ CHÍ MINH TP. HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH VƯỜN ƯƠM SÁNG TẠO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TRẺ *** BÁO CÁO NGHIỆM THU Chủ nhiệm đề tài : TS. NGUYỄN VĨNH HẢO Cơ quan chủ trì : TRUNG TÂM PHÁT TRIỂN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TRẺ TP. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2012 Đề tài THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO IMU 9 BẬC I TÓM TẮT ĐỀ TÀI IMU (Inertial Measurement Unit) là thiết bị dùng để đo gia tốc tịnh tiến và góc quay của một vật chuyển động trong không gian. Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm IMU 9 bậc với sai số góc quay nhỏ hơn 2 o và tần số cập nhật 100Hz. Thuật toán ước lượng tối ưu được xây dựng và lập trình trên họ vi xử lý tốc độ cao DSP TI C2000 của Texas Instruments để tạo ra thiết bị IMU có tần số cập nhật nhanh và kích thước nhỏ. Xuất phát từ nhu cầu thực tế ở Việt Nam khi chỉ có các ứng dụng công nghiệp phát triển mạnh, còn các ứng dụng cho tên lửa và hàng không hầu như chưa có, nên Nhóm nghiên cứ u tập trung vào phân khúc sản phẩm áp dụng cho công nghiệp. Với yêu cầu sai số cho phép từ 1 o đến 2 o thì giá thành thiết kế chế tạo sẽ rẻ và linh kiện cũng dễ tìm hơn. Sản phẩm sau khi hoàn thiện có thế áp dụng được trong lĩnh vực công nghiệp, robot, lĩnh vực ô tô và máy bay mô hình. ABSTRACT Inertial measurement unit (IMU) is a measurement device used to provide translating acceleration and angular velocity of an object in space. The project’s aim is developing a complete solution of angular estimation for IMU with expected average angular error less than 2 o at update frequency 100Hz. An optimal estimation algorithm is formulated and embedded into the Texas Instruments DSP chip TMS320F28355 that supports the floating-point format to make the measurement module more compact, fast update frequency, and high accurate. From current state of Vietnam where the industrial applications are well developed but the higher class such as missiles and aerospace applications are still limited, hence we focus on developing the product segment with required error in the range of 1 o to 2 o . With the given requirements, components and materials are easy to get and designing and manufacturing costs are relatively cheap. Completed product could be applied in industries, robotics, automobiles and modeling aircraft with taking into account of magnetic disturbance. II MỤC LỤC Tóm tắt đề tài I Mục lục II Danh sách các chữ viết tắt III Danh sách bảng IV Danh sách hình V Bảng quyết toán VI PHẦN MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 2 1.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước 2 1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước 4 1.3. Tính cấp thiết của đề tài 4 1.4. Công trình nghiên cứu liên quan và các kết quả mới nhất 5 1.5. Các hướng giải quyết mới từ điều kiện thực tế ở Việt Nam. 6 CHƯƠNG 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP 9 2.1. Nội dung 1: Thiết kế và thi công phần cứng IMU 9 2.1. Nội dung 2: Xây dựng bộ ước lượng tối ưu 10 2.3. Nội dung 3: Cân chỉnh và đánh giá chấ t lượng IMU 16 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 18 3.1. Nội dung 1: Thiết kế và thi công phần cứng IMU 18 3.1. Nội dung 2: Xây dựng bộ ước lượng tối ưu 19 3.3. Nội dung 3: Cân chỉnh và đánh giá chất lượng IMU 22 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 26 4.1. Kết luận 26 4.1. Một số kết quả khác đạt được từ đề tài 27 4.3. Hướng phát triển 27 PHỤ LỤC 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 III DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT VIẾT TẮT THUẬT NGỮ TIẾNG VIỆT IMU Inertial Measurement Unit – Thiết bị đo quán tính INS Inertial Navigation System – Hệ thống dẫn đường quán tính GPS Global Navigation System – Hệ thống định vị toàn cầu DCM Direct Cosine Modulation – Điều chế Cosine trực tiếp EKF Extended Kalman filter – Bộ ước lượng Kalman mở rộng IV DANH SÁCH BẢNG SỐ TÊN BẢNG SỐ LIỆU TRANG 1 Sai số 3 góc (RMS) giữa bộ ước lượng thiết kế với bộ ước lượng tích hợp trong MTi-9 20 2 Thông số kỹ thuật của IMU 9 bậc 26 V DANH SÁCH HÌNH SỐ TÊN HÌNH ẢNH TRANG 1 Một số sản phẩm IMU 1 2 Cấu trúc tổng quát của một IMU 2 3 Sơ đồ kết nối phần cứng trong thiết bị IMU 9 4 Cấu trúc bộ ước lượng tối ưu dùng bộ lọc Kalman 10 5 Hướng lệch của tù trường trái đất 12 6 Biểu diễn góc lệch của từ trường so với phương Bắc 12 7 Sơ đồ khối bộ ước lượng Kalman DCM 15 8 Sản phẩm phần cứng IMU 18 9 Cấu trúc bộ ước lượng trên Matlab/Simulink 19 10 Giá trị ước lượng và sai số 3 góc khi đặt IMU đứng yên 20 11 Giá trị ước lượng và sai số 3 góc khi xoay quanh Z 21 12 Giá trị ước lượng và sai số 3 góc khi di chuyển dọc X 21 13 Giá trị ước lượng và sai số 3 góc khi chuyển động tự do 22 14 Mô hình cân chỉnh IMU 23 15 Bo mạch giao tiếp PC104CARD 23 16 Độ lệch của tâm từ trường trục X, Y 24 17 Chương trình hiển thị kết quả trên máy tính 24 18 Thiết bị IMU 9 bậc lắp đặt trên Quadrotor 26 19 Mô hình tích hợp INS/GPS 27 20 Quĩ đạo thực nghiệm mô hình tích hợp INS/ GPS 27 VI QUYẾT TOÁN KINH PHÍ (Phần này Trung tâm Phát triển KHCN sẽ bổ sung) Đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO IMU 9 BẬC Chủ nhiệm: TS. Nguyễn Vĩnh Hảo Cơ quan chủ trì: Trung tâm phát triển khoa học và công nghệ trẻ Thời gian đăng ký trong hợp đồng: 12 tháng Thời gian thực hiện giai đoạn 1: (Dùng cho báo cáo giám định) Tổng kinh phí được duyệt: 80 triệu Kinh phí cấp giai đoạn 1: (số tiền) (Theo thông báo số: /TB-KHCN ngày…) Kinh phí cấp giai đoạn 2: (số tiền) (Theo thông báo số: /TB-KHCN ngày…) TT Nội dung Kinh phí Trong đó Ngân sách Nguồn khác I Kinh phí được cấp trong năm II Kinh phí quyết toán trong năm 1. Công chất xám 2. Công thuê khoán 3. Nguyên, nhiên, vật liệu, dụng cụ, phụ tùng, văn phòng phẩm 4. Thiết bị 5. Xét duyệt, giám định, nghiệm thu 6. Hội nghị, hội thảo 7. Đánh máy tài liệu 8. Giao thông liên lạc 9. Chi phí điều hành III Tiết kiệm 5% IV Kinh phí chuyển sang năm sau 1 BÁO CÁO NGHIỆM THU Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO IMU 9 BẬC Chủ nhiệm đề tài: TS. Nguyễn Vĩnh Hảo Cơ quan chủ trì: Trung tâm phát triển khoa học và công nghệ trẻ Thời gian thực hiện đề tài: 12 tháng Kinh phí được duyệt: 80 triệu đồng Kinh phí đã cấp: 80 triệu đồng, theo TB số : TB-SKHCN ngày / / Mục tiêu: (Theo đề cương đã duyệt) IMU (Inertial Measurement Unit) là thiết bị dùng để đo gia tốc tịnh tiến và góc quay c ủa một vật chuyển động trong không gian. Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm IMU 9 bậc với sai số góc quay nhỏ hơn 2 o và tần số cập nhật 100Hz. Thuật toán ước lượng tối ưu được xây dựng và lập trình trên họ vi xử lý tốc độ cao DSP TI C2000 của Texas Instruments để tạo ra thiết bị IMU có tần số cập nhật nhanh và kích thước nhỏ Nội dung: (Theo đề cương đã duyệt và hợp đồng đã ký) Công việc dự kiến Công việc đã thực hiện Đặt hàng và tích hợp cảm biến Hoàn thành Xây dựng bộ ước lượng tối ưu Hoàn thành Cân chỉnh và đánh giá chất lượng Hoàn thành Sản phẩm của đề tài: Tên sản phẩm Thông số kỹ thuật đề tài đặt ra Thông số kỹ thuật hoàn thành IMU 9 bậc - Kích thước: 10 x 6 x 6cm (LxWxH) - Trọng lượng: <0.1kg - Tần số cập nhật: 100Hz - Độ phân giải góc quay ngõ ra 0.1 o - Sai số tĩnh 1 o (RMS - Sai số động 2 o (RMS) - Kích thước: 8 x 6 x 4cm (LxWxH) - Trọng lượng: 90g - Tần số cập nhật: 100Hz - Độ phân giải góc quay ngõ ra 0.1 o - Sai số tĩnh 1 o (RMS) - Sai số động 2 o (RMS) 2 Chương 1 TỔNG QUAN 1.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Ngày nay, IMU là một thiết bị không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực như máy bay, tên lửa, tàu thủy, ô tô, robot công nghiệp, mô phỏng chuyển động của con người… Theo thống kê (từ nguồn www.yole.fr) thị trường tiêu thụ IMU trong năm 2009 có giá trị 1,85 tỉ USD, trong đó hàng không chiếm 55%; tên lửa 33%; hàng hải 4%; không gian 2%; công nghiệp, ô tô và các ứng dụng khác 6%. Chính vì thị trường IMU trên thế giới rất lớn nên đã có rất nhiều công ty tham gia nghiên cứu chế t ạo IMU với nhiều mức chất lượng và phạm vi ứng dụng khác nhau. Điển hình trong số này là: • Northrop Grumman, Mỹ: Mã hiệu: IMU600 Kích thước: 14cm x 19cm x 7cm (W x L x H) Trọng lượng: 1.5kg Tần số cập nhật: 700Hz Sai số: 0.05 o Ứng dụng: Hàng không, tên lửa • Honeywell, Mỹ: Mã hiệu: HG1700 – AG59 Kích thước: 9cm x 9cm x 7cm (W x L x H) Trọng lượng: 0.8kg Tần số cập nhật: 100Hz Sai số: 0.2 o Ứng dụng: Công nghiệp, hàng không • Gladiator Technology, Mỹ: Mã hiệu: Landmark 30 IMU Kích thước: 8cm x 8cm x 6cm (W x L x H) Trọng lượng: 0.4kg Tần số cập nhật: 200Hz Sai số: 0.5 o Ứng dụng: Ô tô, ổn định hướng antenna • Systron Donner, Mỹ: Mã hiệu: MMQ50 IMU Kích thước: 5cm x 5cm x 7cm (W x L x H) Trọng lượng: 0.2kg Tần số cập nhật: 50Hz Sai số: 1 o Ứng dụng: Robot, hàng hải 3 • Xsens Technologies, Hà Lan: Mã hiệu: MTx Kích thước: 4cm x 5cm x 2cm (W x L x H) Trọng lượng: 0.03kg Tần số cập nhật: 120Hz Sai số: 2 o Ứng dụng: Công nghiệp, mô phỏng Mặc dù độ chính xác và kích thước của các IMU là khác nhau nhưng nguyên lý và cấu trúc cơ bản để hình thành nên một IMU là giống nhau. Bên trong IMU có 9 cảm biến bao gồm 3 cảm biến vận tốc góc (gyroscope), 3 cảm biến gia tốc (accelerometer), và 3 cảm biến từ trường (magnetometer) kết hợp lại với nhau trên 1 trục tọa độ 3 chiều trực giao như mô tả ở Hình 2. Hệ thống cảm biến này gọi chung là MARG (Magnetic, Angular rate, and Gravity). Đây là các cảm biến hệ vi c ơ điện tử (MEMS) có xu hướng phát triển mạnh trong vòng 10 năm trở lại. Hình 2. Cấu trúc tổng quát của một IMU Thành phần trung tâm của IMU là một con chip vi điều khiển được lập trình để đọc 9 cảm biến và sử dụng các thuật toán ước lượng trạng thái phi tuyến tối ưu để ước lượng góc quay dựa theo 9 giá trị đo này. Công việc trọng tâm ở đây là kết hợp dữ liệu từ các cảm biến MEMS theo mô hình toán chính xác (được xây dựng nên bởi từng nhà sả n xuât) để có được giá trị uớc lượng góc quay của vật thể tốt hơn là chỉ sử dụng riêng lẻ 1 hay 2 cảm biến đơn thuần. Góc nghiêng theo trục của đối tượng về lý thuyết có thể đạt được bằng cách lấy tích phân dữ liệu cảm biến vận tốc góc theo thời gian. Tuy nhiên, khó khăn ở đây khi sử dụng các cảm biến MARG là luôn hiện hữu độ không chính xác trong quá trình đọc dữ li ệu cảm biến, và các tác động nhiễu không mong muốn bên ngoài như các rung động có gia tốc ngoài, nhiễu từ trường từ các vật liệu sắt từ, động cơ,… Ngoài ra, sai số tích lũy rất dễ tăng dần theo thời gian bởi sự lượng tử hóa, khâu tích phân, và sai số cảm biến. Do đó, việc kết hợp các cảm biến lại để giám sát và bù trừ cho nhau là cần thiết. Để bù lại sai số tích lũy củ a hệ thống từ cảm biến vận tốc góc, cảm biến gia tốc được sử dụng. Cảm biến gia tốc đo gia tốc trọng trường g, được dùng để bù sai số cho những góc so với phương thẳng đứng (trục x, y). Thành phần thứ ba của hệ thống IMU là cảm biến từ trường. Cảm biến từ trường đo vùng từ trường nội của khu vực trên Trái Đấ t, nó được dùng để hiệu chỉnh sai số của góc trên mặt phẳng nằm ngang vuông góc với phương g G (trục z). [...]... vài nghìn USD tới vài trăm nghìn USD tùy thuộc vào sai số của nó từ 2o đến 0.1o Thiết bị IMU trong các ứng dụng hàng không, tên lửa và không gian, yêu cầu phải có sai số rất nhỏ (< 0.1o) đòi hỏi việc chế tạo IMU rất khó khăn IMU sử dụng trong công nghiệp, ô tô và các ứng dụng khác có yêu cầu sai số từ 2o đến 1o nên việc chế tạo ít phức tạp hơn Chất lượng của một IMU phụ thuộc chính vào 3 yếu tố Yếu... ổn định và sai số nằm trong giới hạn cho phép như trình bày ở Bảng 1 Bảng 2 Thông số kỹ thuật của IMU 9 bậc Tên sản phẩm IMU 9 bậc Thông số kỹ thuật - Kích thước: 8cm x 6cm x 4cm (LxWxH) - Trọng lượng: 90 g - Tần số cập nhật: 100Hz - Độ phân giải góc quay ngõ ra 0.1o - Sai số tĩnh 1o (RMS) - Sai số động 2o (RMS) Thiết bị IMU 9 bậc đã được kiểm chứng hoạt động ổn định và tin cậy khi lắp đặt vào mô hình... xử lý giao tiếp với ADIS16354 qua chuẩn SPI và giao tiếp với HMC5843 qua chuẩn I2C Hình 8 Sản phẩm phần cứng IMU Kết quả phần cứng IMU như ở Hình 8, sản phẩm có kích thước 8 x 6 x 4cm (LxWxH) và trọng lượng 90 g Mô tả chi tiết và sơ đồ mạch điện phần cứng IMU được trình bày cụ thể ở phần Phụ lục 18 b Nhận xét Kích thước và trọng lượng của thiết bị IMU thiết kế tương đối gọn nhẹ, có thể dễ dàng sử dụng... đánh giá chất lượng 17 Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Nội dung 1: Thiết kế và thi công phần cứng IMU a Kết quả Như đã đề cập ở mục 1.5, để đảm bảo chất lượng của IMU thì phần cứng của IMU mà cụ thể là 3 loại cảm biến vận tốc góc, gia tốc và từ trường phải có sai số nhỏ và độ phân giải cao Tuy nhiên, để phù hợp với nhu cầu thực tế ở Việt Nam, yêu cầu giá thành của IMU phải không quá đắt Do đó, Nhóm... TMS320F28335 + Thiết kế khối giao tiếp Vi xử lý với 3 cảm biến vận tốc góc + Thiết kế khối giao tiếp Vi xử lý với 3 cảm biến gia tốc + Thiết kế khối giao tiếp Vi xử lý với 3 cảm biến từ trường + Thiết kế khối giao tiếp Vi xử lý với máy tính • Gia công bo mạch phần cứng IMU + Xử lý tập tin gia công bo mạch phần cứng IMU + Kiểm tra chất lượng bo mạch phần cứng IMU + Hàn linh kiện và kiểm tra thử nghiệm IMU • Lập... Nhóm cũng đã xây dựng chương trình máy tính hiển thị trực quan giá trị góc của IMU Tuy nhiên, quá trình đánh giá sai số còn gặp khó khăn vì chưa có một thiết bị IMU chuẩn để so sánh đối chiếu 25 Chương 4 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 4.1 Kết luận Nhóm nghiên cứu đã hoàn thành việc nghiên cứu chế tạo thiết bị đo quán tính IMU 9 bậc với các thông số như ở Bảng 2, các thông số này đã đạt mục tiêu đề tài đặt... khí cân chỉnh IMU + Gia công mô hình cơ khí 3 trục xoay + Lắp đặt encoder lên mô hình cơ khí + Gia công bo mạch đọc encoder và giao tiếp với máy tính • Thiết kế bo mạch đọc encoder + Thiết kế khối đọc encoder 24 bit + Thiết kế khối giao tiếp bo mạch với máy tính • Xây dựng chương trình phần mềm cân chỉnh và đánh giá chất lượng IMU + Viết chương trình đồng bộ mô hình cân chỉnh với thiết bị IMU, đánh giá... nghiên cứu chế tạo thiết bị IMU 9 bậc với các thông số kỹ thuật đạt mục tiêu đăng ký, nhưng sản phẩm hiện tại vẫn có kích thước lớn và trọng lượng nặng hơn sản phẩm IMU chuẩn MTi -9 của Xsens mà Nhóm cần hướng tới Do đó, ở thời điểm hiện tại Nhóm đang tiến hành nâng cấp sản phẩm IMU lên phiên bản thứ 2 với kích thước và trọng lượng nhẹ hơn như ở Hình 20 Sản phẩm mới này có kích thước 5x4x3cm (LxWxH) và trọng... trong lĩnh vực ô tô và hàng hải trong việc xây dựng các hệ thống dẫn đường khi đối tượng đi vào các vùng che khuất mà không nhận được tín hiệu GPS Hình 20 Thiết bị IMU phiên bản thứ 2 (hình trái) và hệ thống tích hợp INS/GPS (hình phải) 28 PHỤ LỤC A Sơ đồ mạch nguyên lý phần cứng IMU 9 bậc: J1 1 3 5 7 9 11 13 15 17 VCC 19 21 23 SPISIMOA 25 SPICLKA 27 SCITXDA 29 SCIRXDB 31 33 35 37 39 VCC_3.3V J2 2 4... lượng thiết kế với bộ ước lượng tích hợp trong MTi -9 Chuyển động Đứng yên Quay quanh trục Z Di chuyển trục X Tự do Sai số φ (độ) 0.1720 0.23 49 0.2765 1.2023 Sai số θ (độ) 0.1503 0.1261 0.2041 0.6427 Sai số ψ (độ) 0.6521 0. 793 9 1.1562 1.2401 Hình 10 Giá trị ước lượng và sai số 3 góc khi đặt IMU đứng yên 20 Hình 11 Giá trị ước lượng và sai số 3 góc khi xoay IMU quanh trục Z Hình 12 Giá trị ước lượng và . PHÁT TRIỂN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TRẺ TP. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2012 Đề tài THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO IMU 9 BẬC I TÓM TẮT ĐỀ TÀI IMU (Inertial Measurement Unit) là thiết bị dùng. tốc tịnh tiến và góc quay của một vật chuyển động trong không gian. Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm IMU 9 bậc với sai số góc quay nhỏ hơn 2 o và tần số cập. Phát triển KHCN sẽ bổ sung) Đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO IMU 9 BẬC Chủ nhiệm: TS. Nguyễn Vĩnh Hảo Cơ quan chủ trì: Trung tâm phát triển khoa học và công nghệ trẻ Thời gian đăng ký trong