giải thuật tìm đường đi ngắn nhất ứng dụng gps trong giao thông

Tuy nhiên, sau này khi đi biển thì để xác định vị trí của mình họ không thể dựa vào các vật được đánh dấu, họ dựa vào thiên văn các vì sao trên trời, sử dụng la bàn để xác định phương hư

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÀNG HẢI SƠN

GIẢI THUẬT TÌM ĐƯỜNG ĐI NGẮN NHẤT ỨNG DỤNG GPS TRONG GIAO THÔNG

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270

S KC 0 0 4 0 7 3

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÀNG HẢI SƠN

GIẢI THUẬT TÌM ĐƯỜNG ĐI NGẮN NHẤT ỨNG

DỤNG GPS TRONG GIAO THÔNG

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

MÃ NGÀNH: 605270

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2013

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÀNG HẢI SƠN

GIẢI THUẬT TÌM ĐƯỜNG ĐI NGẮN NHẤT ỨNG

DỤNG GPS TRONG GIAO THÔNG

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

MÃ NGÀNH: 605270

Hướng dẫn khoa học: TS VÕ TƯỜNG QUÂN

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2013

i

I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC

Họ & tên: Hoàng Hải Sơn Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 05/05/1985 Nơi sinh: Hà Nội

Quê quán: Hà Tây Dân tộc: Kinh

Chức vụ, đơn vị công tác trước khi học tập, nghiên cứu: Giảng viên, Trường Đại Học Nguyễn Tất Thành

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 44/14, Đ HT45, P.Hiệp Thành, Q.12, TPHCM Điện thoại cơ quan: 0836022532 Điện thoại nhà riêng: 0906387475 Fax: E-mail: hson012003@yahoo.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO

1 Cao đẳng:

2 Đại học:

Hệ đào tạo: Chính quy; Thời gian đào tạo từ 08/2003 đến 05/2008 Nơi học (trường, thành phố): Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM

Ngành học: Kỹ thuật điện - điện tử

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Sổ tay điện tử

Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 03/2008 tại trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM

Người hướng dẫn: ThS Nguyễn Việt Hùng

Tp.HCM

Người hướng dẫn: TS Võ Tường Quân

3 Trình độ ngoại ngữ : Tiếng Anh-mức độ: B1

4 Học vị, học hàm, chức vụ kỹ thuật đƣợc chính thức cấp; số bằng, ngày & nơi cấp: Bằng Kỹ sư Điện - Điện tử, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm

05/2008 – nay Trường Đại học Nguyễn Tất

Thành

Giảng viên, Khoa Điện-Điện

tử

Tác giả xin gửi lời tri ân chân thành nhất đến:

- Ban Giám Hiệu, Khoa Điện – Điện tử, các Phòng ban liên quan thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều kiện học tập

và nghiên cứu tốt nhất cho toàn thể Học viên

- Toàn thể Cán bộ giảng dạy đã truyền đạt kiến thức cũng như trang bị cho Học viên nhiều kỹ năng làm việc quý giá

- Ban Giám Hiệu, Khoa Điện-Điện tử Trường Đại Học Nguyễn Tất Thành đã tạo mọi điều kiện tốt nhất giúp bản thân hoàn thành khóa học

- Tiến sĩ Võ Tường Quân – Giảng viên Khoa Cơ khí trường Đại Học Bách Khoa

Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tâm trong quá trình truyền đạt cũng như hướng dẫn sâu rộng nhiệt tình, đầy trách nhiệm trong suốt thời gian thực thi Luận văn tốt nghiệp

- Tất cả những người thân yêu trong Gia đình, cùng những thân hữu gần xa đã động viên tinh thần, giúp đỡ về mọi mặt trong suốt hai năm học tập và nghiên cứu

- Tất cả các bạn Học viên cùng khóa đã có nhiều ý kiến đóng góp đúng lúc, kịp thời giúp Luận văn hoàn thành

Trân trọng Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 10/2013

Học viên thực hiện

Hoàng Hải Sơn

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày …tháng … năm 2013

( Ký tên và ghi rõ họ tên )

Hoàng Hải Sơn



Luận văn nghiên cứu về GPS và điều khiển Robot chạy theo đường đi cho trước thông qua bản đồ Google Map (Earth) Tín hiệu GPS từ vệ tinh được Modun GPS thu nhận và đưa vào máy tính xử lí Phần mềm được viết sẽ lấy được kinh độ và vĩ độ tại vì trí ta đang đứng Tín hiệu này sẽ được đưa lên bản

đồ Google để xác định vị trí trên bản đồ

Thông qua bản đồ Google Map (Earth) ta tìm và vẽ được đường đi ngắn nhất

từ vị trí ta đang đứng tới vị trí ta muốn di chuyển tới Đường đi này sẽ được băm nhỏ thành các tọa độ và được đưa và Vi điều khiển PIC điều khiển Robot chạy theo đúng lộ trình (Kết hợp với cảm biến la bàn CMPS 03)

Trong qua trình di chuyển của Robot, khi chạy tới điểm tiếp theo thì Vi điều khiển sẽ so sánh tọa độ hiện tại (lấy từ GPS) với tọa độ mong muốn (lấy từ bản

đồ Google) Nếu trùng thì di chuyển tới điểm tiếp theo, nếu không trùng thì Robot sẽ tự chạy dò cho tới khi trùng tọa độ mong muốn

Robot cứ chạy qua các điểm và cuối cùng sẽ tới điểm đích đúng theo yêu cầu đưa ra Robot được ứng dụng trong việc di chuyển tự động trong tương lai sau này

Tác giả Hoàng Hải Sơn



The thesis research on GPS and controllers for robot path before running through the map Google Map (Earth) GPS signals from the GPS satellite receiver module to receive and put into the computer processor Software was written to get the longitude and latitude in the position we are standing This signal will be taken to Google maps to locate on the map

Through the map Google Map (Earth) and we find the shortest path is drawn from one position to the standing position we want to move to This path will be shredded into the given coordinates and PIC microcontroller and robot control run according to schedule (Combined with compass sensor CMPS 03)

In the process of moving the robot, while running to the next point, the microcontroller will compare current coordinates (from GPS) to the desired coordinates (taken from Google maps) If the insect is moving to the next point, if not identical, the robot will automatically run duplicate detection until the desired coordinates

Robot on the run over the final point and destination to satisfy the requirements given Robot applications in the automatic transfer of the latter in the future

Author Hoang Hai Son

xii

Hình 1.1 Chùm vệ tinh GPS 5

Hình 1.2 Các thành phần của GPS 6

Hình 1.3 Sơ đồ hoạt động của hệ thống GPS Tracking 13

Hình 1.41 Sơ đồ khối luận văn 15

Hình 2.1 Sơ đồ chân Vi điều khiển 16F887 18

Hình 2.2 Các thành phần hệ thống GPS 19

Hình 2.3 Chòm sao các vệ tinh GPS 20

Hình 2 4 Sơ đồ vị trí các tra ̣m điều khiển 21

Hình 2.5 Tổng quan bộ phâ ̣n điều khiển 22

Hình 2.6 Bộ phận sử dụng 24

Hình 2.7 Nguyên tắc định vị từ 2 vệ tinh 25

Hình 2.8 Nguyên tắc định vị từ 3 vệ tinh 25

Hình 3.1 Sơ đồ chân cảm biến la bàn 26

Hình 3.2 Modun GPS EM - 410 32

Hình 3.3 Sơ đồ chân Module GPS 33

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lí mạch công suất dùng L298 35

Hình 3.5 Khối điều khiển trung tâm dùng PIC 16F887 36

Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lí và hình mạch FT RS232 37

Hình 3.7 Màn hình LCD 16x2 37

Hình 3.8 Mô hình tổng quát của hệ thống 40

Hình 3.9 Lưu đồ của hệ thống 41

Hình 3.10 Giao diện phần mềm nhận tín hiệu từ GPS 42

Hình 3.11 Thuật toán Dijkstra……….44

xiii

Hình 4.1 Lưu đồ tổng quát của phần mềm điều khiển 49

Hình 4.2 Lưu đồ quá trình gửi dữ liệu xuống vi điều khiển 50

Hình 4.3 Lưu đồ tiến trình lấy dữ liệu từ file đường đi 52

Hình 4.4 Lưu đồ cập nhật hiển thị GPS 53

Hình 4.5 Nội dung gói tin 53

Hình 4.6 Lưu đồ điều khiển Robot 54

Hình 5.1 Giao diện tìm đường đi ngắn nhất và phân thành nhiều điểm 55

Hình 5.2 Giao diện truyền dữ liệu xuống vi điều khiển 55

Hình 5.3 Hình ảnh Robot di chuyển bám theo tọa độ 56

Hình 5.4 Đường đi của Robot ……… ……… 56

DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 3.1 Chức năng các chân cảm biến la bàn………28

Bảng 3.2 Bảng chức năng chuỗi tín hiệu đọc từ GPS……….…… 33

Bảng 3.3 Chức năng các chân của LCD 16x2……….38

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI NÓI ĐẦU 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 4

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố 5

1.1.1 Tổng quan về GPS 5

1.1.2 Các thành phần GPS 6

1.1.3 Các ứng dụng của hệ thống định vị GPS 7

1.1.4 Các công trình nghiên cứu đã được công bố 11

1.2 Mục tiêu, khách thể và đối tượng nghiên cứu 13

1.2.1 Mục tiêu 13

1.2.2 Khách thể và đối tượng nghiên cứu 13

1.3 Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu 14

1.4 Phương pháp nghiên cứu 14

1.5 Tóm lược nội dung luận văn, điểm mới so với các công trình khác 14

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 16

2.1 TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN PIC 16

2.1.1 Ngôn ngữ lập trình và mạch nạp cho PIC 16

2.1.2 Sơ đồ chân vi điều khiển 17

2.2 TỔNG QUAN VỀ GPS 18

2.2.1 Các thành phần của hệ thống 19

2.2.2 Nguyên tắc định vị 24

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM 26

3.1 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 26

3.1.1 Cảm biến la bàn CMPS-03 26

3.1.2 Module GPS EM - 410 32

3.1.3 Mạch công suất dùng L298 35

3.1.4 Sơ đồ khối xử lý trung tâm 36

3.1.5 Mạch chuyển đổi USB – COM 37

3.1.6 Mạch hiển thị dùng LCD 16x2 37

3.1.7 MÔ HÌNH TỔNG QUÁT ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 40

3.1.8 LƯU ĐỒ CỦA HỆ THỐNG 41

3.2 THIẾT KẾ PHẦN MỀM 42

3.2.1 Phần mềm nhận tín hiệu từ GPS 42

3.2.2 Tìm đường đi ngắn nhất trên bảng đồ 42

3.2.3 Phần mềm hiển thị tọa độ dùng bản đồ offline 47

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 49

4.1 NHẬN TÍN HIỆU TỪ GPS VÀ HIỂN THỊ LÊN BẢN ĐỒ 49

4.2 TÌM ĐƯỜNG ĐI NGẮN NHẤT TRÊN BẢN ĐỒ GOOGLE VÀ HIỂN THỊ 51 4.2.1 Truyền tín hiệu xuống vi điều khiển 51

4.2.2 Cập nhật hiển thị tọa độ GPS 53

4.2.3 Nội dung gói tin gửi và nhận (Protocol) 53

4.3 LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ROBOT 53

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 55

5.1 Kết quả đạt được 55

5.1.1 Tìm đường đi ngắn nhất và truyền tín hiệu xuống Robot 55

5.1.2 Thử nghiệm Robot trên đường đi thực tế 56

5.2 Các vấn đề còn tồn tại 57

5.3 Hướng phát triển của đề tài 57

PHỤ LỤC 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển của cuộc sống con người thì những yêu cầu về xác định

vị trí là rất quan trọng Khi muốn đi trên đường ta có thể dựa vào tòa nhà, các cây hay

là các cột mốc… Để xác định đường đi và vị trí mình đang đứng

Ngày xưa, khi con người muốn đi qua một khu vực nào đó mới như là rừng hay

là sa mạc họ phải để lại dấu vết như là đánh dấu lên đường, bẻ một cành cây để xác định vị trí của mình đã đi qua Tuy nhiên, sau này khi đi biển thì để xác định vị trí của mình họ không thể dựa vào các vật được đánh dấu, họ dựa vào thiên văn các vì sao trên trời, sử dụng la bàn để xác định phương hướng và các độ lệch của các vì sao như thế họ sẽ định vị được vị trí của họ trên biển Tuy nhiên, những phương pháp này có

độ chính xác không cao và phụ thuộc rất nhiều vào thời tiết

Vào giữa thế kỷ 20, các nhà khoa học đã phát minh ra cách dùng sóng vô tuyến

để đo khoảng cách Bằng cách sử dụng nhiều trạm phát sóng vô tuyến, với một máy thu sóng vô tuyến ta có thể bắt được sóng từ các trạm phát này Khoảng cách có được khi sử dụng phương pháp này không lớn lắm

Những phương pháp trên tuy đã một phần nào xác định được vị trí, nhưng đó vẫn chỉ là vị trí trong không gian hai chiều, vị trí tìm được thường biến thiên trong một khoảng khá lớn và trong một số yêu cầu khác thì hầu như không thể áp dụng các phương pháp trên Trước những nhược điểm và những yêu cầu thực tiễn ngày càng cao, cũng như yêu cầu độ chính xác lớn về vị trí, người ta cần thiết có một hệ thống có thể giải quyết được mọi vấn đề này Vì vậy, hệ thống định vị toàn cầu GPS đã được nghiên cứu và triển khai, lắp đặt thành công bởi Mỹ Nhờ hệ thống GPS, ta có thể quan sát toàn bộ Trái đất mà không bị ảnh hưởng của thời tiết Nhờ các thông số khoảng cách từ mỗi vệ tinh tới điểm khảo sát, ta có thể xác định khá chính xác vị trí trong không gian của điểm cần tìm Ngoài các tham số về không gian, hệ thống GPS còn cung cấp khá nhiều tiện ích và dịch vụ khác như thông số về thời gian, tần số chuẩn,… Ngoài ra hệ thống GPS còn mang lại rất nhiều tiện ích khác như dẫn đường,

đo đạc địa chất, khảo sát đáy biển…

Có rất nhiều hệ thống định vị được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới Ví dụ như

hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global positioning system) là một hệ thống định vị tuyệt đối, Hệ thống định vị quán tính INS (Inertial navigation system) là một hệ thống định vị tương đối

Hiện nay, GPS là một hệ thống được sử dụng rất rộng rãi trên toàn thế giới trong lĩnh vực định vị, tuy nhiên nó có những hạn chế nhất định như là độ chính xác thấp (một bộ thu GPS dân sự loại thường có thể có sai số từ 10 - 20m) và thời gian truyền tín hiệu lâu, cho nên GPS không thể áp dụng cho những hệ thống đòi hỏi sự chính xác

và ổn định trong thời gian ngắn Có nhiều giải pháp để cải thiện độ chính xác của tín hiệu GPS bằng cách áp dụng các thuật toán xử lý tín hiệu như DGPS hay dùng bộ lọc

số, tuy nhiên vẫn không thể tăng tốc độ xử lý của GPS Trong những thập niên gần đây, các nhà nghiên cứu đã đưa ra một giải pháp tối ưu hơn hết cho việc khắc phục những hạn chế của GPS bằng cách kết hợp tín hiệu GPS với tín hiệu đo được từ một

hệ thống định vị tương đối riêng biệt khác như là odometry hay là INS Odometry

là hệ thống định vị tương đối dùng trong xe cơ giới, hoạt động nhờ vào việc đo vận tốc quay của bánh xe để suy ra được giá trị vị trí của xe Tuy nhiên odometry lại có nhược điểm là bị ảnh hưởng lớn bởi địa hình, rung động và chỉ hoạt động trong phạm

vi hẹp INS là hệ thống định vị tương đối, cho ta biết không những vị trí tương đối của

hệ thống mà còn có thể cho ta biết được trạng thái của hệ thống trong không gian ngay

tại thời điểm hiện tại INS được ứng dụng rất rộng rãi trong các tên lửa hành trình, máy bay, các xe tự hành, các phương tiện bay không người lái, tàu thủy, và cả xe hơi

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố

1.1.1 Tổng quan về GPS

Trên danh nghĩa, GPS bao gồm một chòm 24 quả vệ tinh Chòm vệ tinh này gọi là khả năng vận hành ban đầu (IOC), được hoàn thành vào tháng 7 năm 1993 Tuy nhiên, đến tháng 12 năm 1993 IOC mới chính thức thông báo Để đảm bảo bao phủ trái đất liên tục các vệ tinh tinh GPS được bố trí sao cho có 4 vệ tinh trên 6 quỹ đạo bay (hình 2.1) Với chòm vệ tinh địa lý này, tại bất cứ đâu trên trái đất sẽ quan sát được từ 4 đến

10 vệ tinh GPS, nếu khi xét với góc ngẩng là 100 Chỉ cẩn 4 vệ tinh để cung cấp thông tin hay vị trí của một điểm

Quỹ đạo vệ tinh GPS là quỹ đạo gần như tròn (Dạng elip có độ lệch chuẩn 0.01) với góc nghiêng 550 so với xích đạo Nửa trục chính của quỹ đạo GPS vào khoảng

26560 km (độ cao của vệ tinh vào khoảng 20200 km so với bề mặt trái đất) Chu kỳ quỹ đạo GPS là 11 giờ 58 phút Hệ thống GPS được khai báo chính thức để đạt được dung lượng hoạt động đầy đủ (FOC) vào ngày 17/7/1995, đảm bảo 24 quả vệ tinh hoạt động Trên thực tế, vì GPS đạt được dung lượng hoạt động đầy đủ của nó, số các vệ tinh trong chùm vệ tinh GPS luôn lớn hơn 24 quả

Hình 1.1 Chùm vệ tinh GPS [9]

1.1.2 Các thành phần GPS

GPS chứa 3 thành phần: Phần không gian, phần điều khiển và phần người dùng (hình 2.2) Phần không gian chứa vòm 24 vệ tinh như đã được giới trình bày mục trên Mỗi vệ tinh GPS phát ra một tín hiệu, tín hiệu này có một số thành phần: Hai sóng sin (gọi là tần số sóng mang), hai mã số và một bản tin dẫn đường Các mã và bản tin dẫn đường này được thêm vào sóng mang khi điều chế nhị phân lưỡng pha Sóng mang và mã được sử dụng chủ yếu để xác định khoảng cách từ người máy thu của người sử dụng đến vệ tinh GPS

dữ liệu khí quyển, niên giám vệ tinh và các thông số khác Thông số này sau đó được đóng gói và đưa vào vệ tinh thông qua băng S

Phân hệ người dùng bao gồm cả người dùng quân sự và dân sự Với một máy thu GPS được kết nối với anten GPS, một người sử dụng có thể nhận tín hiệu GPS để

xác định vị trí của họ ở bất cứ đâu trên toàn thế giới GPS hiện đang được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới mà không cần phải trả phí trực tiếp

1.1.3 Các ứng dụng của hệ thống định vị GPS

1.1.3.1 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ mặt đất

Độ chính xác cao của các trị số đo Phase sóng mang GPS cùng với những thuật toán bình sai xấp xỉ dần cung cấp một công cụ thích hợp cho nhiều nhiệm vụ khác nhau trong công tác trắc địa và bản đồ Chúng ta có thể chia các ứng dụng này làm 4 loại:

- Đo đạc địa chính

- Lập lưới khống chế trắc địa

- Theo dõi độ biến dạng cục bộ

- Theo dõi độ biến dạng toàn bộ

Đo đạc địa chính đòi hỏi độ chính xác vị trí tương đối khoảng 10-4 Người ta có thể đạt được độ chính xác này một cách dễ dàng bằng cách quan trắc GPS

Lưới khống chế trắc địa là những lưới trắc địa có độ chính xác cao Độ chính xác yêu cầu về vị trí tương đối khoảng 5.10-6 đến 1.10-6 ứng với các cự ly 20 - 100

km Độ chính xác này có thể đạt được bằng cách xử lý sau các trị đo phase sóng mang GPS bằng những phần mềm tiêu chuẩn Các cấp hạng khống chế thấp hơn (ví dụ lưới

đo vẽ bản đồ) có thể cũng được thành lập bằng phương pháp GPS

Việc theo dõi độ biến dạng cục bộ (lún do khai thác mỏ, biến dạng công trình) đòi hỏi độ chính xác 1 mm đến 1 cm trên cự ly tới một vài km Đối với những ứng dụng này, độ chính xác có thể đạt được nói trên bị hạn chế bởi sự thiếu chắc chắn trong sự biến đổi của các tấm vi mạch trong ăng ten GPS và sự sai lệch về tín hiệu do môi trường phản xạ nơi đặt ăng ten Hơn thế nữa, khó khăn bị tăng lên do khả năng nhìn thấy vệ tinh bị giới hạn vì hiện tượng bóng tối của tín hiệu trong môi trường công nghiệp tiêu biểu

Việc theo dõi độ biến dạng toàn bộ (hoạt động kiến tạo của địa tầng) đòi hỏi độ

chính xác khoảng 10-7 - 10-8 trên cự ly liên lục địa Sự khác nhau cơ bản giữa việc theo dõi biến dạng toàn bộ so với những ứng dụng đã nói trên là ở chỗ trong trường

hợp này cần phải có một mô hình phức tạp về các quỹ đạo vệ tinh GPS, các trị thời trễ khi truyền tín hiệu qua tầng khí quyển và các độ lệch khác

1.1.3.2 Các ứng dụng trong giao thông và thông tin trên mặt đất

Việc phổ biến rộng rãi phép định vị hàng hải bằng GPS trong giao thông dân dụng hầu như tăng dần dần thay thế các phương pháp truyền thống Trong việc xác định các hành trình trên mặt đất, một màn hình tự động thể hiện vị trí của phương tiện (được xác định bằng GPS) trên một sơ đồ điện tử có thể sẽ thay thế sự so sánh có tính thủ công các vật thể xung quanh phương tiện với bản đồ truyền thống Ứng dụng này thuộc loại cực kỳ quan trọng đối với các phương tiện thi hành luật pháp, công tác tìm kiếm hoặc cứu hộ

Việc theo dõi vị trí và sự chuyển động của các phương tiện có thể đạt được nếu các phương tiện này được trang bị những máy phát chuyển tiếp tự động để hỗ trợ máy thu GPS Vị trí được xác định bằng các thiết bị thu và xử lý GPS có thể được truyền đến một địa điểm trung tâm được thể hiện trên màn hình

1.1.3.3 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ trên biển

Nhờ độ chính xác cao và thời gian cần thiết để đo một vị trí chỉ định (Fix) ngắn, hệ GPS đặc biệt phù hợp với công việc định vị ven bờ và ngoài khơi Đối với công tác trắc địa biển, yêu cầu độ chính xác về vị trí mặt phẳng thường thay đổi trong khoảng

từ một vài đềcimét đến một vài chục mét Để đáp ứng các yêu cầu này cần phải sử dụng những kỹ thuật quan sát và xử lý số liệu khác nhau bằng cách sử dụng các phép

đo giả cự ly hoặc phép đo phase sóng mang Các ứng dụng trên biển bao gồm đo vẽ bản đồ, các chướng ngại dẫn đường tàu thuyền (đo vẽ bãi cạn, đo vẽ phao nổi) và đo

vẽ các cầu tàu và bến cảng Các yêu cầu định vị trong thám hiểm địa lý đáy biển (ví

dụ đo địa chấn) cũng như các yêu cầu về định vị hố khoan đều có thể được đáp ứng bằng GPS

Trong trắc địa biển (địa hình đáy biển, trường trọng lực của trái đất ) đều có thể dùng GPS làm công cụ định vị

1.1.3.4 Các ứng dụng trong giao thông và hải dương học trên biển

Hệ thống địnhvị GPS đã trở thành một công cụ dẫn đường hàng hải trên biển lý tưởng Yêu cầu độ chính xác dẫn hướng đi trên biển thay đổi trong khoảng từ một vài

mét (trên bãi biển, bến tàu và dẫn hướng trên sông) đến một vài trăm mét (dẫn hướng trên đường đi) Thủ tục định vị GPS chính xác sử dụng cả phép đo giả ngẫu nhiên và phép đo phase sóng mang có thể đưa đến việc dẫn hướng đi của tàu thuyền trên sông

và ven biển không cần đến phao nổi, công tác tìm kiếm và cứu hộ ngoài khơi xa cũng

sẽ có hiệu quả hơn nhờ được nâng cao độ chính xác việc dẫn hướng đường đi

Các nhu cầu định vị đối với công tác dã ngoại trong vật lý đại dương cũng có thể được đáp ứng nhờ hệ GPS Phép đo phase của sóng mang bổ túc cho ta tốc độ tàu thuyền chính xác, là số liệu cần thiết trong nghiên cứu các dòng chảy của đại dương

1.1.3.5 Các ứng dụng trong bản đồ trắc địavà bản đồ hàng không

Trong ứng dụng đo đạc và đo vẽ bản đồ từ ảnh máy bay, hệ định vị GPS cung cấp

kỹ thuật dẫn đường bay, xác định tâm chính ảnh

Trong đo vẽ ảnh hàng không, yêu cầu độ chính xác dẫn đường bay khoảng một vài chục mét - có thể thực hiện được một cách dễ dàng nhờ hệ GPS Phép xử lý sau với độ chính xác cao bằng GPS có thể thay thế kỹ thuật tam giác ảnh không gian và do

đó có thể đóng vai trò của các điểm khống chế mặt đất một cách tuyệt hảo Yêu cầu về

độ chính xác của phép định vị trong lĩnh vực ứng dụng này thay đổi trong khoảng từ 0.5 m đến 26 m tuỳ theo từng loại tỉ lệ bản đồ khác nhau

Phép lập mặt cắt địa hình bằng laze hàng không có thể được dùng để đo vẽ trực tiếp bản đồ số của địa hình (mô hình số mặt đất) nếu vị trí của bộ cảm biến (laze) được biết với độ chính xác khoảng 0.5 - 1 m về độ cao và một vài mét về mặt phẳng Người ta trông đợi hệ GPS sẽ cho độ chính xác định vị tốt hơn trong phép xử lý sau khi đo

Phép đo trọng lực hàng không cũng đòi hỏi một kiểu định vị tương tự như vậy Trong lĩnh vực ứng dụng này, các số đo GPS cho phép xác định thêm tốc độ của bộ cảm biến cần thiết cho phép quy EOTVOS dữ liệu trọng lực

Phép đo sâu laze hàng không và phép xạ ảnh rada đòi hỏi độ chính xác định vị

bộ cảm biến không cao có thể thực hiện một cách dễ dàng bằng các số đo GPS

1.1.3.6 Ứng dụng trong giao thông hàng không

Trong lĩnh vực hàng không dân dụng, hầu hết các hãng hàng không quốc tế đã

sử dụng hệ GPS làm hệ thống dẫn đường bay ICAO - Tổ chức hàng không dân dụng

quốc tế đã quy định sử dụng hệ thống GPS trong dẫn đường và cất, hạ cánh Ở Việt nam từ 1998 hãng hàng không quốc gia sẽ chính thức sử dụng GPS

Trong các ứng dụng hàng không khác (lâm nghiệp và gieo trồng ngũ cốc ), những lĩnh vực không đòi hỏi tính an toàn của hàng không mà chỉ cần triển khai việc vận chuyển hàng hóa, kỹ thuật GPS có thể đảm bảo dễ dàng những yêu cầu chính xác

về dẫn đường bay

1.1.3.7 Các ứng dụng trong thám hiểm, không gian

Ứng dụng chủ yếu của hệ GPS trong thám hiểm không gian bao gồm việc định vị

và định hướng bay của các phương tiện không gian khác có mang theo những máy thu phát địa lý hoặc trắc địa Thông thường các vệ tinh này có quỹ đạo thấp, vì vậy nguyên lý hình học của các phép đo cũng tươgn tự như đã ứng dụng cho mặt đất Những ví dụ điển hình trong lĩnh vực ứng dụng này là phép đo viễn thám bằng vệ tinh

và phép đo độ cao bằng rada Các vị trí tọa độ của vệ tinh nhận được từ các số đo GPS

có thể được dùng để cải tiến hoặc đơn giản hóa những tính toán quỹ đạo của các phương tiện không gian này, thậm chí thay thế phép định vị liên tục bằng phép định vị rời rạc trong định vị quỹ đạo bay

1.1.3.8 Các ứng dụng trong việc nghỉ ngơi, giải trí

Người ta trông đợi giá cả của các máy thu GPS sẽ liên tục giảm Hiện nay ở mức giá một vài trăm dola những người sử dụng không chuyên cũng đã có thể mua được máy thu GPS đơn giản, có kích thước, trọng lượng rất nhỏ (như đồng hồ đeo tay) Trong trường hợp này, các hoạt động nghỉ ngơi và điều dưỡng sẽ cung cấp một thị trường rộng lớn cho những máy thu đeo tay, xách tay, giá rẻ dễ sử dụng

1.1.3.9 Các ứng dụng trong quân đội

Hệ thống định vị toàn cầu được thiết kế chủ yếu để cho quân đội định vị điểm theo thời gian thực Các ứng dụng cho quân đội bao gồm dẫn hướng hàng không, hàng hải và trên bộ Hệ định vị GPS được coi là hệ độc lập và là một bộ phận của những hệ thống dẫn đường tích hợp Ngoài ra, các vệ tinh GPS còn mang theo các bộ thu phát

để khám phá và hiển thị các vụ nổ hạt nhân

1.1.4 Các công trình nghiên cứu đã đƣợc công bố

1 Nghiên cứu ứng dụng máy đo đạc điện tử và công nghệ GPS trong thi công

và khai thác công trình cầu

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của Hồ Thị Lan Hương Người Hướng dẫn khoa học:

số liệu phương pháp hướng chuẩn trong kiểm tra trục tim cầu

 Điểm hạn chế: Chưa khai thác triệt để các ứng dụng của GPS trong xử lí các

vị trí cầu đường với địa hình đặc biệt ở Việt Nam Chưa vẽ và chỉ ra được

vị trí chính xác trên bản đồ

2 Thiết kế và chế tạo Robot tự hành trên nền GPS – ĐH Bách Khoa TPHCM

Robot tự hành là Robot có khả năng tự di chuyểns , tự vận động dưới sự điều khiển

tự động để hoàn thanh các công việc được giao

hợp hệ thống và đưa ra thuật toán dẫn đường, tránh vật cản cho robot tự hành Kiểm tra tính thực tế của hệ thống bằng cách cho robot tự hành chạy trên 1 hệ thống bằng một đường cụ thể (sân trường Đại Học Bách Khoa)

Ưu điểm:

 Sử dụng bản đồ Google Map với Code API của Google giúp cho việc di chuyển của Robot được dễ dàng

 Dùng la bàn điện tử giúp Robot đi đúng hướng

 Có tránh được vật cản trên đường

Nhược điểm:

 Chưa ứng dụng được khi chạy ở cự li xa và khi không có đường trên bản đồ

 Dùng nhiều cảm biến phức tạp

 Chi phí cao, khó ứng dụng thực tế

 Robot có thể chạy sai nếu một trong số các cảm biến bị lỗi

 Chưa nêu rõ đường đi ngắn nhất mà chỉ cho Robot chạy theo điểm ta đã qui ước trước

3 Các ứng dụng GPS đang được sử dụng ở Việt Nan

Ứng dụng GPS Tracking cho các phương tiện giao thông

 Hệ thống định vị dành cho các hãng taxi, xe khách, xe tải dựa trên nên tảng công nghệ GPS Tracking giúp định vị được vị trí, tốc độ xe đang di chuyển

 Hệ thống lưu trữ được lộ trình đường đi, các thông tin về phương tiện

 Đây chỉ là hệ thống định vị thông thường, chưa có chức năng tìm đường đi ngắn nhất và xe phải có người lái

Hình 1.3: Sơ đồ hoạt động của hệ thống GPS Tracking

1.2 Mục tiêu, khách thể và đối tƣợng nghiên cứu

1.2.1 Mục tiêu

 Tìm hiểu hệ thống thông tin vệ tinh và hệ thống định vị toàn cầu GPS

 Hiểu và xử lí dữ liệu thu được từ vệ tinh và hiển thị lên màn hình

 Xử lí dữ liệu thu được để tìm ra đường đi ngắn nhất tới điểm cần đến

 Điều khiển thiết bị sau khi tìm được đường đi ngắn nhất

1.2.2 Khách thể và đối tƣợng nghiên cứu

 Hệ thống định vị GPS

 Modun nhận và xử lí tín hiệu GPS thu từ vệ tinh

 Các mạch xử lí và điều khiển thiết bị

1.3 Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu

1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài

 Tìm hiểu hệ thống định vị toàn cầu GPS

 Tìm hiểu các sai số, các thông số, các mã của tín hiệu GPS

 Giao tiếp modun GPS với máy tính và xử lí tín hiệu tìm ra đường đi ngắn nhất tới điểm ta mong muốn

 Điều khiển thiết bị (Robot tự hành) hoạt động theo tín hiệu đã được xử lí

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu

 Hệ thống định vị toàn cầu GPS

 Bản đồ đường đi theo Google Map (Earth)

 Xử lí dữ liệu và điều khiển thiết bị

 Lập trình giao diện điều khiển và giao tiếp các thiết bị

 Điều khiển Robot tự hành dùng phương pháp PWM

1.4 Phương pháp nghiên cứu

 Đọc tài liệu, phân tích các dữ liệu thu thập được

 Làm modun giao tiếp với máy tính

 Lập trình cho PIC và các modun giao tiếp

 Làm mô hình định vị tìm đường đi ngắn nhất và điều khiển Robot đi theo lộ trình được đưa ra

1.5 Tóm lược nội dung luận văn, điểm mới so với các công trình khác

 Tìm được đường đi ngắn nhất từ điểm đầu tới điểm cuối tại bất kì nơi đâu ta mong muốn

 Mô hình hoạt động đơn giản: Nhận tín hiệu từ GPS để biết được tọa độ thực của Robot sau đó dùng Google Map (Earth) xuất tín hiệu từng điểm đã được băm nhỏ và Robot sẽ bám theo điểm đó di chuyển kết hợp với la bàn Khi đi tới đâu thì sẽ so sánh vị trí đi tới và vị trí mong muốn theo bản đồ của Google

 Có thể phát triển thêm chức năng nếu đang đi gặp điểm kẹt xe sẽ chuyển sang đường khác di chuyển

 Đặt nền tảng cho việc ứng dụng GPS cho xe cộ tương lai không cần người lái

 Cấu trúc của đề tài thực nghiê ̣m

Module GPS Máy tính

la bàn LCD 16x2

Mạch công suất

Robot tự hành

Hình 1.4: Sơ đồ khối luận văn

- Google earth: Tìm đường ngắn nhất, xuất ra toạ đô ̣ đường đi

- Module Compass: Xác định góc đi

- Module GPS: Giao tiếp vớ i máy tính qua cổng RS232: Tìm toạ độ hiện tại

- PIC16F887: Lấy tính hiê ̣u , so sánh với Compass và máy tính điều khiển Robot tự hành

- Máy tính:

 Xử lí tín hiệu đường ngắn nhất Module Compass

 Băm thành nhiều điểm

 Xuất tín hiê ̣u xuống PIC

 Chạy tới điểm kế tiếp thì GPS so sánh với điểm mong muốn

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN PIC

PIC là viết tắt của “ Programable Intelligent Computer”, có thể tạm dịch là “máy tính thông minh khả trình”do hãng Genenral Instrument đặt tên cho vi điều khiển đầu tiên của họ : PIC1650 được thiết kế để dùng làm các thiết bị ngoại vi cho vi điều khiển CP1600 Vi điều khiển này sau đó được nghiên cứu phát triển thêm và từ đó hình thành nên dòng vi điều khiển PIC ngày nay

Các kí hiệu của vi điều khiển PIC:

PIC12xxxx: độ dài 12 bit

PIC16xxxx: độ dài 14 bit

PIC18xxxx: độ dài 16 bit

C: PIC có bộ nhớ EEPROM( chỉ có 16C84 là EEPROM)

F: PIC có bộ nhớ flash

LF: PIC có bộ nhớ flash hoạt động ở điện áp thấp

LV: tương tự như LF, đây là kí hiệu cũ

Bên cạnh đó một số vi điều khiển có kí hiệu xxFxxx là EEPROM, nếu có thêm chữ A ở cuối là flash (ví dụ PIC16F877 là EEPROM, còn PIC16F877A là flash) Ngoài ra còn có thêm một dòng vi điều khiển PIC mới là dsPIC

2.1.1 Ngôn ngữ lập trình và mạch nạp cho PIC

Ngôn ngữ lập trình cho PIC rất đa dạng Ngôn ngữ lập trình cấp thấp có MPLAB (được cung cấp miễn phí bởi nhà sản xuất Microchip), các ngôn ngữ lập trình cấp cao hơn bao gồm C, Basic, Pascal, … Ngoài ra còn có một số ngôn ngữ lập trình được phát triển dành riêng cho PIC như PICBasic, MikroBasic,…

Đây cũng là một dòng sản phẩm rất đa dạng dành cho vi điều khiển PIC Có thể

sử dụng các mạch nạp được cung cấp bởi nhà sản xuất là hạng Microchip như: PICSTART plus, MPLAB ICD 2, MPLAB PM 3, PRO MATE II Có thể dùng các sản

phẩm này để nạp cho vi điều khiển khác thông qua chương trình MPLAB Dòng sản phẩm chính thống này có ưu thế là nạp được tất cả các vi điều khiển PIC, tuy nhiên giá thành rất cao, và thường gặp rất nhiều khó khăn trong quá trình mua sản phẩm

Ngoài lý do tính năng cho phép nhiều chế độ nạp khác nhau, còn có rất nhiều mạch nạp được thiết kế dành cho vi điều khiển PIC Có thể sơ lược một số mạch nạp cho PIC như sau:

- JDM programmer: mạch nạp này dùng chương trình nạp Icprog cho phép nạp các vi điều khiển PIC có hỗ trợ tính năng nạp chương trình điện áp thấp ICSP (In Circuit Serial Progamming) Hầu hết các mạch nạp đều hỗ trợ tính năng nạp chương trình này

- WARP-13A và MCP-USB: hai mạch nạp này giống với mạch nạp PICSTART PLUS do nhà sản xuất Microchip cung cấp, tương thích với trình biên dịch MPLAB, nghĩa là ta có thể dùng chương trình MPLAB để nạp cho vi điều khiên PIC mà không cần sử dụng một chuơng trình nạp khác, chẳng hạn ICprog

- Mạch nạp Universal của Wiliem: đây không phải là mạch nạp chuyên dụng dành cho PIC như P16PRO40

Các mạch nạp kể trên có ưu điểm rất lớn là đơn giản, rẻ tiền, hoàn toàn có thể

tự lắp ráp một cách dễ dàng, và mọi thông tin về sơ đồ mạch nạp, cách thiết kế, thi công, kiểm tra và chương trình nạp đều dễ dàng tìm được và download miễn phí thông qua Internet Tuy nhiên các mạch nạp trên có nhược điểm là hạn chế về số vi điều khiển được hỗ trợ bên cạnh đó mỗi mạch nạp cần được sử dụng với một chương trình nạp thích hợp

2.1.2 Sơ đồ chân vi điều khiển

Vi điều khiển gồm 40 chân và có 5 Port xuất nhập tín hiệu

 Port A: gồm 6 chân từ RA0 tới RA6, trong luận văn không sử dụng Port này

 Port B: Gồm 8 chân từ RB0 tới RB7, trong luận văn không sử dụng Port này

 Port C: gồm 8 chân từ RC0 tới RC8, Port này được kết nối tới cảm biến la bàn CMPS 03 và mạch điều khiển động cơ L298

 Port D: gồm 8 chân từ RD0 tới RD8, Port này được kết nối tới màn hình hiển thị LCD 16x2

Hình 2.1: Sơ đồ chân vi điều khiển 16F887 [10]

2.2 TỔNG QUAN VỀ GPS

Hệ thống định vị toàn cầu Global Positioning System (thường được gọi là GPS) là hệ thống truyền thời gian và vị trí theo sóng vô tuyến dựa vào các vệ tinh, được thiết kế, xây dựng, phát triển và điều khiển bởi bộ Quốc phòng Mỹ GPS ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực quân sự và dân sự nhờ các đặc điểm:

 Xác định vị trí chính xác (khoảng từ 10 m trở xuống đến vài mm)

 Tương ứng với từng vị trí, có thể xác định được vận tốc và thời gian chính xác

 Hệ thống hỗ trợ xác định vị trí theo ba hướng

 Tín hiệu luôn có sẵn ở mọi nơi trên trái đất

 Hệ thống hỗ trợ cho mọi điều kiện thời tiết và hoạt động 24/24

 Hệ thống không đòi hỏi chi phí cao ở người dùng, người dùng chỉ cần trả chi phí cho một vài phần cứng cần thiết

2.2.1 Các thành phần của hệ thống

Hệ thống GPS bao gồm 3 bộ phận chính:

 Bộ phận không gian (Space segment)

 Bộ phận điều khiển (Control segment)

Trên mỗi vệ tinh được trang bị 4 đồng hồ nguyên tử Cesium và Rubidium với độ chính xác cao (khoảng 10-12) Đồng hồ sản sinh tần số cơ sở fo = 10.23 MHz và hình thành hai tầnsố mang phục vụ cho mục đích định vị: L1 = 1575.42 MHz và L2 = 1227.60 MHz Các sóngmang L1 và L2 được điều biến bởi 2 mã C/A và mã P

 Mã thô C/A (Coarse/Acquisition) có tần số 1.023 MHz = fo/10 và có chiều dài là 1msec, mã C/A dành cho mục đích dân sự

 Mã bảo vệ P (Protected) có tần số 10.23 MHz = f0 và có chiều dài là 266,4 ngày

Mã P được giữ bí mật và chỉ được dùng cho mục đích quân sự Ngoài ra, khi bị phá nhiễu (do Bộ Quốc phòng Mỹ bật chế độ phá nhiễu A/S: Anti-Spoofing) thì

mã P biến thành mã Y, mã Ylà mã bí mật và chỉ có những máy thu của Bộ Quốc Phòng Mỹ mới có khả năng giải được mã này

Cả 2 sóng mang L1 và L2 còn được điều biến bằng các thông tin đạo hàng bao gồm: Ephemeride của vệ tinh (lịch tọa độ vệ tinh), thời gian, số hiệu chỉnh cho đồng

hồ vệ tinh,tình trạng của hệ thống vệ tinh

Mỗi vệ tinh có trọng lượng 930 kg và có tuổi thọ khoảng 10 năm Khi có vệ tinh nàokhông hoạt động lập tức đều được thay thế ngay để đảm bảo tính chặt chẽ của cấu trúc hệ thống

Hình 2.3 : Chòm sao các vệ tinh GPS [9]

Các nhiệm vụ chủ yếu của vệ tinh GPS:

 Nhận và lưu giữ lịch tọa độ vệ tinh mới được gửi lên từ trạm điều khiển

 Thực hiện các phép xử lý có chọn lọc trên vệ tinh bằng các bộ vi xử lý đặt trên

vệ tinh

 Duy trì khả năng chính xác cao của thời gian bằng hai đồng hồ nguyên tử Cesium và 2 đồng hồ Rubidium

 Thay đổi quỹ đạo bay của vệ tinh theo sự điều khiển của trạm mặt đất

 Truyền thông tin và tín hiệu trên 2 tần số L1 và L2 rất ổn định và nhất quán

2.2.1.2 Bộ phận điều khiển

Có 5 trạm mặt đất được bố trí đều trên vành đai xích đạo: Hawaii, Colorado Springs, Ascension Island, Diego Garcia and Kwajalein Tất cả đều thuộc sở hữu và được xây dựng bởi bộ Quốc phòng Mỹ và có những nhiệm vụ sau:

 4 trạm giám sát Hawaii, Ascension Island, Diego Garcia and Kwajalein đều được trang bị các thiết bị nhận GPS để theo dõi các vệ tinh Dữ liệu kết quả sẽ được gửi cho trạm điều khiển trung tâm Colorado Springs

Hình 2.4 : Sơ đồ vi ̣ trí các trạm điều khiển [9]

 Trạm điều khiển trung tâm MCS (Master Control Station) dựa vào các dữ liệu nhận được từ các trạm giám sát để tính toán lịch vệ tinh và chỉnh sửa đồng hồ

vệ tinh Đây là nơi điều khiển cho mọi hoạt động của phần không gian: điều khiển các vệ tinh, mã hóa dữ liệu, duy trì đồng hồ vệ tinh… Ngoài ra, trạm điều khiển trung tâm còn có nhiệm vụ “diễn tập” cho các vệ tinh dự phòng để

có thay thế cho một vệ tinh không còn khả năng hoạt động được nữa tại bất kỳ thời điểm nào

 3 antenna có nhiệm vụ nhận và truyền tín hiệu điều khiển vệ tinh được đặt tại

3 trạm Ascension Island, Diego Garcia and Kwajalein, những trạm này còn có thể được gọi là trạm ti ếp vận Dữ liệu từ antenne chuyển đi lên vệ tinh bao gồm thông tin đồng hồ và quỹ đạo vệ tinh đã được trạm điều khiển trung tâm chỉnh sửa và được truyền đi như thông điệp định hướng

Việc hiệu chỉnh được tiến hành 3 lần mỗi ngày Do đó, các thông tin định hướng nếu cần có thể được truyền đi đến các vệ tinh 8 tiếng / 1 lần

Hình 2.5 : Tổng quan bộ phận điều khiển [9]

Vệ tinh GPS bay với vận tốc rất cao (11.200 km/h) Sau khi vệ tinh được phóng lên, nó bắt đầu quay quanh trái đất, quỹ đạo của nó được xác định dựa vào vị trí, vận

tốc ban đầu và rất nhiều ảnh hưởng khác Sở dĩ cần đến bộ phận điểu khiển là vì quỹ đạo của vệ tinh không tuân thủ theo đúng định luật của Kepler do trái đất có kích thước xác định, không phải chất điểm, lại có mật độ phân bố vật chất không đồng đều, chịu áp lực của mặt trời, kết quả là quỹ đạo chuyển động của vệ tinh không phải là hình ellipse, do đó không thể dùng công thức giải tích để tính trước tọa độ của vệ tinh Chính bộ phận điều khiển có nhiệm vụ xác định vị trí chính xác tức thời của vệ tinh Các lực có ảnh hưởng lớn đến sự chuyển động của các vệ tinh:

Gồm người sử dụng và thiết bị thu GPS

Các thiết bị thu GPS chuyển đổi các tín hiệu từ vệ tinh thành vị trí, vận tốc và thời gian tương đối Các thi ết bị này dùng để định hướng, xác định vị trí, thời gian và các nghiên cứu khác (đo lường thành phần khí quyển)

Các ứng dụng của hệ thống ngày càng được mở rộng đối với cả quân sự và dân sự:

 Theo dõi, định hướng trên đường bộ, đường thủy và cả đường hàng không Với ứng dụng này đòi hỏi độ chính xác vừa phải, do đó chi phí tương đối thấp

 Trắc địa bản đồ: bao gồm địa vật lý, nghiên cứu các giải pháp và khảo sát các

dữ liệu GIS thu được…Các ứng dụng này nói chung có độ chính xác rất cao, cho định vị theo cả hai phương thức tĩnh và động, do đó cần phần cứng đặc biệt

và phần mềm xử lý dữ liệu riêng

 Cho các ứng dụng trong quân đội Mặc dù hầu hết các ứng dụng giống như dân

sự nhưng hệ thống GPS dành cho quân đội được phát triển đặc biệt hơn và đạt được độ tin cậy rất lớn

 Cho các yêu cầu giải trí cá nhân Với các ứng dụng loại này đòi hỏi chi phí thiết bị thấp và dễ sử dụng

 Các ứng dụng đặc biệt khác như: nghiên cứu bầu khí quyển…Hiển nhiên các ứng dụng này đòi hỏi hệ thống chí phí cao và đặc biệt hơn như hệ thống xử lý theo thời gian thực

Hình 2.7: Nguyên tắc định vị từ 2 vệ tinh [9]

Nếu chúng ta đứng cách thêm một vệ tinh thứ 3 là 13 dặm => có thêm một hình cầu với tâm là vị trí vệ tinh, bán kính = 13 dặm Vùng giao của hình cầu thứ 3 này và hình tròn là 2 điểm Về bản chất 2 đi ểm này khác nhau về cả kinh độ, vĩ độ

và độ cao, nếu đưa độ cao thích hợp vào thiết bị nhận GPS, ta có thể xác định được

vị trí theo hai hướng (kinh độ và vĩ độ) Tuy nhiên, có thêm một vệ tinh thứ 4, chúng

ta sẽ thực sự xác định được một đi ểm duy nhất theo cả ba hướng (kinh độ, vĩ độ và

độ cao), đây chính là nơi chúng ta đang đứng và thiết bị nhận GPS nhận tín hiệu từ cả

4 vệ tinh

Hình 2.8 : Nguyên tắc định vị từ 3 vệ tinh [9]

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM 3.1 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

3.1.1 Cảm biến la bàn CMPS-03

La bàn sử dụng cảm biến trường từ Philips KMZ51, có khả năng phát hiện trường từ của trái đất Ngõ ra từ 2 trong các chân đế ở phía bên tay phải được sử dụng để tính toán hướng ở thành phần phương ngang của trường từ trái đất Chúng ta xem ví dụ của việc sử dụng la bàn điện tử với tầm rộng hơn của các mạch điều khiển thông thường khác Module sử dụng kết nối I2C để truyền dữ liệu cho

vi xử lý khác

Cấu hình chân module

Hình 3.1: Sơ đồ chân cảm biến la bàn [10]

Pin 1: +5v La bàn điện tử yêu cầu nguồn cung cấp 5v và dòng trên danh nghĩa

là 25mA Có 2 cách để lấy được phương hướng từ la bàn điện tử Tín hiệu PWM ở Pin

4 hoặc giao tiếp I2C được cung cấp ở Pin 2,3

Pin2,3: giao tiếp I2C có thể được sử dụng để lấy giá trị chỉ phương hướng ra ngòai Nếu giao tiếp I2C không được sử dụng thì các pin này được đưa lên mức cao (tới +5v) với 1 cặp điện trở Khoảng 47k là được, giá trị thì hòan tòan không có giới hạn

Pin 4 Tín hiệu PWM tín hiệu được đo bằng bề dày xung với bề dày xung để chỉ ra góc Bề dày xung có giá trị từ 1ms( 0O) đến 36.99ms (359.9O) với các bước giá trị là 100us/O + 1ms offset Tín hiệu sẽ xuống mức thấp trong 65ms giữa các xung, thời gian của 1chu kỳ là 65ms + chiều dài xung (trong khỏang từ 66ms - 102ms) Xung được phát ra bằng timer 16 bit trong vi điều khiển với độ phân giải là 1us, mặc

dù vậy không thể tìm ra 1 thước đo nào nhỏ hơn 0.1O ( 10us) Chắc chắn rằng bạn kết nối các chân I2C, SDL và SCA, với nguồn cung cấp 5v nếu bạn sử dụng PWM, khi không có điện trở kéo lên ở các chân này

Pin 5: Được sử dụng để chỉ ra kích cỡ của la bàn, ghi giá trị 255 ( 0xFF ) cho thanh ghi command Các chỉ dẫn đầy đủ cho việc ghi kích thước thì nhiều hơn ở đây Ngõ vào xác định có điện trở kéo lên ngay trên bo mạch và có thể bỏ ra sau khi đã định cỡ

Pin 7 và 8 thực tế không sử dụng Nó gắn trên bo và có thể không cần phải kết nối

Pin 9: Chân đất, cấp nguồn 0V

Giao tiếp I2C

Giao thức giao tiếp I2C với la bàn điện tử thì giống như là giao tiếp của EEPROM như là 24C04

Đầu tiên là gởi start bit, địa chỉ của module (0xC0) với bit read/write ở mức thấp, sau đó số thanh ghi bạn mong muốn để đọc Điều này được kế tiếp theo bằng cách start lặp đi lặp lại và địa chỉ của khối với bit read/write ở mức cao (0xC1) Giờ bạn đọc theo thứ tự 1 hay 2 byte cho thanh ghi 8 bit hay 16 bit Thanh ghi 16bit đọc byte cao trước La bàn có chuỗi 16 byte thanh ghi 1 vài trong số chúng được doble lên từ thanh ghi 16 bit như sau:

0 Số phiên bản phần mềm, phiên bản 14 hoặc cao hơn cho phiên bản

sớm hơn

1 Lấy dữ liệu la bàn ở dạng byte, 0-255 cho đủ một vòng

2,3 Lấy dữ liệu ở dạng Word, 0-3599 cho đủ một vòng tượng trưng cho

12 Mã mở khóa 1-mã mở khóa được yêu cầu cho địa chỉ I2C thay đổi

hay lưu trữ sự xác định kích cỡ

13 Mã mở khóa 2

Bảng 3.1: Chức năng các chân cảm biến la bàn

Thanh ghi 0 : số duyệt lại software ( 14 )

+ Thanh ghi 1 : thanh ghi cho ra góc heading chuyển đổi từ 0-255 Việc đọc thanh ghi này dễ dàng hơn đòi hỏi đọc 2 byte của tahnh ghi 2 và 3

+ Thanh ghi 2 và: là thanh ghi 16 bit không dấu trong tầm 0-3599, miêu tả 0-359.9