Báo cáo tìm hiểu về cảm biến gia tốc.Nhu cầu về cảm biến gia tốc.Nguyên lí hoạt động và cách chế tạo cảm biến gia tốc và con quay hồi chuyển trong hệ MEMS.Các ứng dụng của cảm biến gia tốc.Tìm hiểu cụ thể MPU6050.
Ngô Thanh Tùng – KSTN CĐT K60 CẢM BIẾN GIA TỐC I Đặt vấn đề Để khảo sát trạng thái chuyển động vật, cần biết thông số động học: vị trí, vận tốc, gia tốc Các thông số biến đổi qua lại cho phép toán đạo hàm tích phân Tuy nhiên thực tế, người ta thường sử dụng rộng rãi phép toán tích phân đem lại kết tốt có nhiễu tắt dần Chính vậy, người ta thường xác định gia tốc để khảo sát chuyển động vật Để máy hiểu thông số gia tốc sử dụng toán Tự động hóa … ta cần cảm biến gia tốc 1|Page Ngô Thanh Tùng – KSTN CĐT K60 II Nguyên lí hoạt động 1) Gia tốc kế (Accelerometer) Hãy nhìn vào khoang chứa hình trụ có chứa bóng gắn lò xo Đây mô hình cảm biến gia tốc Khoang chứa hình trụ gắn liền vào vật thể mà bạn cần đo gia tốc, bóng vật di chuyển chiều bên khoang chứa Khi bạn di chuyển khoang chứa, bóng di chuyển bên khoang chứa, khiến lò xo co dãn Dựa vào độ co dãn lò xo, bạn đoán biết lực gia tốc chuyển động Nếu sử dụng cảm biến gia tốc đơn giản phía đặt chiều X, Y, Z, bạn dễ dàng đo chuyển động vật thể không gian 2) Con quay hồi chuyển (Gyroscope) Con quay hồi chuyển thiết bị dùng để đo trì định hướng Khi đĩa xoay với vận tốc cao, chuyển hướng theo moment ngoại lực giảm thiểu giúp gyroscope trì độ nghiêng Hiện tượng ứng dụng để giám sát độ nghiêng Gia tốc kế đo gia tốc tuyến tính thiết bị, quay hồi chuyển có 2|Page Ngô Thanh Tùng – KSTN CĐT K60 thể nhận biết hướng thiết bị, hệ thống dễ dàng ghi nhận chuyển động theo phương ngang phương thẳng đứng Cảm biến hoạt động dựa hiệu ứng Coriolis III Cấu tạo 1) Gia tốc kế (Accelerometer) Vật thể chuyển động đo đạc cảm biến "lược thưa" màu xanh nhạt hình vẽ Khoang chứa toàn khoảng màu trắng, “quả bóng” vật thể màu xanh nhạt có hình giống lược Lò xo cảm biến lớp silicon dọc lược thưa Nếu bạn đo chuyển động lớp silicon dọc này, bạn đo chuyển động cảm biến Ta nhìn vào góc cảm biến Tại đây, bạn thấy rằng, đầu chân lược trung tâm chân gắn khoang chứa phần tụ điện biến thiên Do đó, lược trung tâm chuyển động, dòng điện sản sinh Bằng cách nhận diện dòng điện này, nhận diện chuyển động cảm biến Khi đo độ mạnh yếu dòng điện, kỹ sư đo mức độ chuyển động cảm biến 3|Page Ngô Thanh Tùng – KSTN CĐT K60 2) Con quay hồi chuyển (Gyroscope) Ta quan sát loại Gyroscope điển hình MEMS Gyroscope Các cảm biến gyroscope sử dụng khối proof mass dao động theo phương gọi phương sơ cấp Khối đồng thời bị quay quanh trục, làm xuất lực Coriolis khiến có thêm dao động theo phương khác, gọi phương thứ cấp Trên phương chuyển động thứ cấp có gắn cực tụ điện để nhận biết thay đổi điện dung gây chuyển động này, từ vận tốc xoay Sơ đồ nguyên lý cảm biến hình 4|Page Ngô Thanh Tùng – KSTN CĐT K60 IV Ứng dụng Cảm biến gia tốc có khả ứng dụng to lớn thực tế: a) Kỹ thuật: Cảm biến gia tốc đo gia tốc phương tiện, đo dao động ô tô, máy móc, nhà cửa, hệ thống tự động hóa lắp đặt an toàn Nó dùng để đo hoạt động địa chất, đo độ dốc, vị trí tốc độ động học với ảnh hưởng không ảnh hưởng trọng lực Một ứng dụng quan trọng cảm biến gia tốc đo gia tốc trọng trường b) Sinh học: Cảm biến gia tốc sử dụng nhiều công nghệ sinh học Dữ liệu với tần số cao cảm biến gia tốc trục hay trục giúp nhà khoa học quan sát tốt hoạt động vật chúng tự nhiên Ngoài ra, liệu gia tốc cho phép nhà khoa học xác định tỉ lệ chuyển hóa lượng loài động vật hoang dã 5|Page Ngô Thanh Tùng – KSTN CĐT K60 c) Công nghiệp: Cảm biến gia tốc sử dụng việc bảo quản máy móc để báo cáo dao động biến đổi trục quay, ổ bi,… kịp thời Được dùng nhiều thiết bị tua bin, máy bơm, quạt, lăn, máy nén,… thiết bị không phát lỗi kịp thời dẫn đến sửa chữa tốn Dữ liệu dao động máy móc giúp người sử dụng theo dõi phát lỗi trước thiết bị quay bị hỏng d) Giám sát xây dựng kết cấu: Cảm biến gia tốc sử dụng để đo chuyển động dao động cấu trúc chịu ảnh hưởng hệ thống chuyển động Các hệ thống chuyển động bắt nguồn từ vô số nguồn khác như: Hoạt động người: lại, chạy, nhảy, khiêu vũ… Công việc xây dựng: đóng cọc, phá dỡ, khoan, đào… Các máy làm việc: bên tòa nhà hay khu vực lân cận Vận chuyển hàng hóa nặng cầu Va chạm xe cộ 6|Page Ngô Thanh Tùng – KSTN CĐT K60 Tải trọng tác động Sự chấn động: bên bên vụ nổ Sự đứt gãy, sụp đổ kết cấu Sức gió Áp suất không khí Hỏng kết cấu biến đổi Động đất hậu chấn Việc theo dõi cấu trúc phản hồi với tác động bên quan trọng để đánh giá độ an toàn tính bền cấu trúc e) Y học: Trong vài năm gần đây, nhiều công ty sản xuất đồng hồ đeo tay thể thao có chân đế gắn cảm biến gia tốc giúp cho việc theo dõi tốc độ vị trí chạy người đeo Ở Bỉ, máy đếm bước sử dụng cảm biến gia tốc phủ quảng bá rộng rãi để khuyến khích người dân hàng nghìn bước ngày Herman Digital Trainer sử dụng cảm biến gia tốc để đo lực công luyện tập thể dục Nó sử dụng để tính toán thông số dáng Loại cảm biến sử dụng để đo giám sát người f) Định vị: Cảm biến gia tốc kết hợp với số thiết bị khác vài thuật toán sử dung la bàn để xác định vị trí, hướng vận tốc vật mà không cần thông số bên 7|Page Ngô Thanh Tùng – KSTN CĐT K60 g) Giao thông: Cảm biến gia tốc sử dụng để phát điểm cao chuyển động loại tên lửa Một ứng dụng thông dụng cảm biến gia tốc hệ thống túi khí an toàn xe đại Các cảm biến gia tốc xác định thay đổi đột ngột gia tốc phương tiện để xác định có va chạm xảy mức độ nghiêm trọng va chạm h) Các thiết bị điện tử cá nhân: Các cảm biến gia tốc tích hợp thiết bị điện tử cá nhân giúp xác định hướng thiết bị smartphone, tablet,… Một số smartphone, máy nghe nhạc kỹ thuật số có chứa gia tốc kế để điều khiển giao diện người dùng, thường để xoay ngang/dọc hình thiết bị cho phù hợp với vị trí 8|Page Ngô Thanh Tùng – KSTN CĐT K60 Gia tốc kế sử dụng hệ thống kiểm soát cân điện tử để đo chuyển động thực tế xe Hệ thống máy tính điều chỉnh phanh giảm công suất xe Điều giúp giảm khả quay lật xe Bàn điều khiển video game Wii Nintendo sử dụng điều khiển gọi Wii Remote có chứa gia tốc kế ba trục thiết kế cho phép nhận biết chuyển động tay cầm Những sản phẩm, dự án hay làm nhà: Robot bánh tự cân Máy bay điều khiển từ xa (drone) Chuột máy tính không Tay cầm chơi game Hệ thống giữ thăng cho camera/máy ảnh Các ứng dụng: đếm số bước chân, cảm biến rơi, cảm biến rung/lắc 9|Page Ngô Thanh Tùng – KSTN CĐT K60 V Tìm hiểu cảm biến MPU6050 1) Giới thiệu chung MPU-6050 cảm biến hãng InvenSense MPU-6050 giải pháp cảm biến chuyển động giới có tới (mở rộng tới 9) trục cảm biến bao gồm 3axis gyroscope, 3-axis accelerometer Digital Motion Processor (DMP) tích hợp chip có kích thước nhỏ (4x4x0.9mm) Với bus cảm biến I2C dành riêng, trực tiếp chấp nhận đầu vào từ la bàn bên trục để cung cấp kết MotionFusion ™ trục hoàn chỉnh MPU-6050 có ba chuyển đổi ADC (analog-to-digital) 16-bit để số hóa đầu quay hồi chuyển ba ADC 16-bit để số hóa đầu gia tốc kế Để theo dõi xác chuyển động nhanh chuyển động chậm, phận có thang đo quy lập trình cho người sử dụng với phạm vi ± 250, ± 500, ± 1000, ± 2000 ° /giây (dps) máy gia tốc kế lập trình dải ± 2g, ± 4g, ± 8g, ± 16g 2) Tính a) Gyroscope Tích hợp ADC 16 bit cho phép lấy liệu đồng thời quay hồi chuyển Tăng độ xác độ nhạy cân nhiệt độ giúp giảm hiệu chỉnh người dùng Cải thiện hiệu suất giảm nhiễu hoạt động tần số thấp Dòng hoạt động: 3.6mA 10 | P a g e Ngô Thanh Tùng – KSTN CĐT K60 Dòng chờ: 5μA b) Accelerometer Tích hợp ADC 16 bit cho phép lấy liệu đồng thời gia tốc kế Dòng hoạt động: 500μA Dòng chế độ công suất thấp: 10μA 1.25Hz, 20μA 5Hz, 60μA 20Hz, 110μA 40Hz Phát hướng điều hướng Ngắt người sử dụng tự lập trình c) Một số tính khác Thêm cổng I2C phụ để đọc liệu từ cảm biến bên Chịu shock 10000g Bộ lọc kỹ thuật số người sử dụng lập trình cho cảm biến quay, cảm biến gia tốc, cảm biến nhiệt độ Bộ đệm 1024 bytes FIFO làm giảm tiêu thụ lượng 3) Ứng dụng Công nghệ BlurFree (để chống rung chụp ảnh, quay video) Công nghệ AirSign (cho An ninh / Xác thực) Công nghệ TouchAnywhere (cho ứng dụng điều khiển / điều hướng giao diện người dùng "không chạm") Công nghệ MotionCommand (đối với cử chỉ, điệu bộ) Phát triển ứng dụng game dựa vào chuyển động người chơi Các dịch vụ vị trí, la bàn ảo… Các thiết bị điều khiển từ xa 3D, chuột 3D Bộ cảm biến trang bị cho sức khỏe, thể dục thể thao Đồ chơi 11 | P a g e Ngô Thanh Tùng – KSTN CĐT K60 4) Cách sử dụng MPU6050 thường kết hợp module GY-521 GY-521 giao tiếp với nhiều loại KIT Vi điều khiển khác Arduino, PIC,… Schematic GY521 hình GY-521 kết hợp với Arduino để mô chuyển động vật 12 | P a g e Ngô Thanh Tùng – KSTN CĐT K60 VI Kết luận Cảm biến gia tốc có vai trò quan trọng có ứng dụng lĩnh vực sống Chính vậy, việc nghiên cứu tiếp tục phát triển cảm biến gia tốc việc làm cần thiết để đáp ứng yêu cầu ngày cao độ xác tốc độ xử lý thông tin thực tế VII Danh mục tài liệu tham khảo [1] https://en.wikipedia.org/wiki/Accelerometer, truy nhập lần cuối 24/3/2017 [2] Hình ảnh tìm kiếm Google Images [3] http://machtudong.vn/sanpham/mpu-6050.html, truy nhập cuối ngày 24/3/2017 [4] arduino.vn, truy nhập cuối ngày 24/3/2017 [5] InvenSense, MPU-6000 and MPU6050 Product Specification Revision 3.4, 2013 13 | P a g e ... này, từ vận tốc xoay Sơ đồ nguyên lý cảm biến hình 4|Page Ngô Thanh Tùng – KSTN CĐT K60 IV Ứng dụng Cảm biến gia tốc có khả ứng dụng to lớn thực tế: a) Kỹ thuật: Cảm biến gia tốc đo gia tốc phương... chất, đo độ dốc, vị trí tốc độ động học với ảnh hưởng không ảnh hưởng trọng lực Một ứng dụng quan trọng cảm biến gia tốc đo gia tốc trọng trường b) Sinh học: Cảm biến gia tốc sử dụng nhiều công... Digital Trainer sử dụng cảm biến gia tốc để đo lực công luyện tập thể dục Nó sử dụng để tính toán thông số dáng Loại cảm biến sử dụng để đo giám sát người f) Định vị: Cảm biến gia tốc kết hợp với số