Đồ án THIẾT kế CHUYỂN ĐỘNG 3DOF ỨNG DỤNG TRONG VR

Đồ án THIẾT kế CHUYỂN ĐỘNG 3DOF ỨNG DỤNG TRONG VR Đồ án THIẾT kế CHUYỂN ĐỘNG 3DOF ỨNG DỤNG TRONG VR Đồ án THIẾT kế CHUYỂN ĐỘNG 3DOF ỨNG DỤNG TRONG VR Đồ án THIẾT kế CHUYỂN ĐỘNG 3DOF ỨNG DỤNG TRONG VR Đồ án THIẾT kế CHUYỂN ĐỘNG 3DOF ỨNG DỤNG TRONG VR Đồ án THIẾT kế CHUYỂN ĐỘNG 3DOF ỨNG DỤNG TRONG VR

VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

====o0o====

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆPĐẠI HỌC

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHUYỂN

ĐỘNG 3DOF ỨNG DỤNG TRONG VR

Hà Nội, 6/2018

Đánh giá quyển đồ án tốt nghiệp

Giảng viên đánh giá:

Họ tên sinh viên : MSSV:

Tên đồ án: Nghiên cứu và thiết kế chuyển động 3 bậc tự do (3DOF) ứng dụng

trong VR

Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây: Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)

3 Nhận xét thêm của Thầy/Cô (giảng viên hướng dẫn nhận xét về thái độ và tinh thần làm việc của sinh viên)

Ngày: / 6 /2018

Người nhận xét

(Ký và ghi rõ họ tên)

Đánh giá quyển đồ án tốt nghiệp

Giảng viên đánh giá:

Họ và tên Sinh viên: MSSV:

Tên đồ án: Nghiên cứu và thiết kế chuyển động 3 bậc tự do (3DOF) ứng dụng

Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và

các giả thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như

phạm vi ứng dụng của đồ án

1 2 3 4 5

2 Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế) 1 2 3 4 5

3 Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề 1 2 3 4 5

4 Có kết quả mô phỏng/thưc nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả

Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)

5

Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phương pháp

thực hiện dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ

thống

1 2 3 4 5

6 Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết

quả đều được phân tích và đánh giá thỏa đáng 1 2 3 4 5

7

Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa

kết quả đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp

lập luận để đề xuất hướng giải quyết có thể thực hiện trong

tương lai

1 2 3 4 5

Kỹ năng viết (10)

8 Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương

logic và đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được 1 2 3 4 5

đánh số thứ tự và được giải thích hay đề cập đến trong đồ án,

có căn lề, dấu cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu

chương và kết luận chương, có liệt kê tài liệu tham khảo và có

trích dẫn đúng quy định

9 Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa

học, lập luận logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.) 1 2 3 4 5

Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)

10a

Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/đạt giải

SVNC khoa học giải 3 cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa

học (quốc tế/trong nước) từ giải 3 trở lên/ Có đăng ký bằng

phát minh sáng chế

5

10b

Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị sinh viên

nghiên cứu khoa học nhưng không đạt giải từ giải 3 trở

lên/Đạt giải khuyến khích trong các kỳ thi quốc gia và quốc tế

khác về chuyên ngành như TI contest

2

10c Không có thành tích về nghiên cứu khoa học 0

Điểm tổng quy đổi về thang 10

3 Nhận xét thêm của Thầy/Cô

Ngày: / 6 /2018 Người nhận xét

(Ký và ghi rõ họ tên)

Danh Sách Hình Ảnh

Hình 1: Ví dụ về độ tự do 10

Hình 2: Mô hình cung cấp 3 chuyển độn 11

Hình 3: Hệ thống thực tế ảo 13

Hình 4: Trải nghiệm thực tế ảo 14

Hình 5: Sơ đồ khối hệ thống 16

Hình 6: Cấu trúc vi điều khiển 17

Hình 7: Ứng dụng Vi Điều Khiển 18

Hình 8: Board mạch Arduino 20

Hình 9: Động cơ bước 21

Hình 10: Hệ thống điều khiển động cơ bước 21

Hình 11: Kết nối động cơ bước với arduino 22

Hình 12: Ethernet Sheld 23

Hình 13 :Tất cả các vị trí được chọn để cài đặt sau khi nhấp vào “Chọn tất cả” 26

Hình 14: Không có vị trí nào được chọn để cài đặt sau khi nhấp vào “Chọn Không có gì” 27

Hình 15: Các biểu tượng chương trình đơn 28

Hình 16: Cửa sổ hiệu chuẩn của màn hình cài đặt Joystick 29

Hình 17: Màn hình cài đặt Joystick, sau khi hiệu chuẩn hoàn tất 29

Hình 18: Cửa sổ Active Profile của màn hình cài đặt Joystick đã chọn màu cam 30

Hình 19: Cửa sổ Manage Profiles của X-Plane 11 30

Hình 20: Phần Đầu ra dữ liệu của Cài đặt 31

Hình 21: Mô hình 36

Hình 22: Cài đặt khay di động 37

Hình 23: Tính chiều cao 38

Hình 24: Nâng tam giác A 39

Hình 25: Vị trí của động cơ 40

Hình 26: Vị trí trục đầu ra hộp số 40

Hình 27: Mô phỏng dự kiến 41

Hình 28: Tác động từ bên ngoài 42

Hình 29: Điểm hỗ trợ 43

Hình 30 : Mô hình 3DOF kín 44

Hình 31: Khung hoàn chỉnh 44

Hình 32: Sơ đồ hệ thống điều khiển 45

Hình 33: Kết nối 46

Hình 34: Thêm thư viện ArdSim 48

Hình 35: Cấu hình mạng đang sử dụng 49

Hình 36: Cấu hình Ethernet 50

Hình 37: Sử dụng thư viện ArdSim 51

Hình 38: Lựa chọn Arduino kết nối 51

Hình 39: Port cổng COM kết nối 52

Hình 40: Nạp code ArdSim cho Arduino va Ethernet Shield 52

Hình 41: Giao diện khởi động X-plane 53

Hình 42: Dữ liệu đầu ra X-plane 53

Hình 43: Thiết lập chuyến bay 54

Hình 44: Thiết lập kết nối plugins 55

Hình 45: Giao diện chờ kết nối 56

Hình 46: Kết nối X-plane vói Arduino hoàn tất 56

Hình 47: Dữ liệu được lưu trong tệp data 57

Hình 48: Giao diện điều khiển 58

Hình 49: Sản phẩm hoàn thiện 66

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay xã hội phát triển mạnh mẽ , kỹ thuật ngày càng hiện đại nên như cầu về thông tin giải trí ngày càng cao.Trong những năm gần đây công nghệ về chuyển động DOF(bậc tự do) được biết đến giúp con người tốt hơn trong việc mô phỏng lái xe điều khiển ,máy bay UAN cùng với đó là như cầu giải trí đọc báo, xem phim, chơi game trên phần mềm thực tế ảo (VR) ngày càng cao Vì vậy, nhóm chúng em quyết định nghiên cứu ,tìm hiểu về chuyển động 3 bậc tự do (3DOF)

Để đề tài được hoàn thành theo đúng thời gian quy định đạt được kết quả đề ra không chỉ là sự nỗ lực của nhóm thực hiện đề tài mà còn có sự giúp dỡ, sự chỉ bảo của thầy giáo và sự chia sẻ kinh nghiệm từ các bạn/nhóm khác Nhóm thực hiện đề tài xin chân thành cảm ơn:

 Sự chỉ dẫn và góp ý chân thành của thầy NguyễnVăn Khang Cảm ơn thầy đã nhiệt tình cung cấp thông tin và hỗ trợ kiểm tra, khắc phục các thông tin chưa chính xác

 Các bạn/nhóm đã giúp đỡ rất nhiều về mặt phương tiện, tài liệu, ý kiến, Trong quá trình thực hiện đề tài này, mặc dù nhóm thực hiện đã rất cố gắng song sẽ không tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận được sự góp ý, phê bình

và chỉ dẫn của quý thầy cô và các ban

Dưới đây, chúng em xin phép được trình bày về đề tài vừa nêu: Thiết kế mạch chuyển động 3DOF (3 bậc tự do) ứng dụng trong VR

TÓM TẮT ĐỒ ÁN Báo cáo gồm 5 chương :

Chương 1 : Tổng quan về chuyển động 3 DOF và giới thiệu về thực tế ảo VR Chương 2 : Công nghệ sử dụng và tìm hiểu về phần mềm X- plane

Chương 3 : Thiết kế mạch điều khiển

Chương 4 : Mô phỏng

Chương 5 : Kết quả và Đánh giá

Chương 1:Tổng quan về chuyển động 3 bậc tự do

(3DOF) và thực tế ảo VR 1.1 Giới thiệu về độ tự do

Bất cứ chuyển động nào của vật gì đó trong vật lý được phân tích là tổ hợp của các chuyển động cơ bản được gọi là bậc tự do Có tổng cộng tối đa 6 bậc tự do, đó

là các chuyển động tịnh tiến và xoay theo các trục tọa độ x (phương trước- sau), y (phương trái- phải), z (phương thẳng đứng)

Một số ví dụ về độ tự do:

 Vị trí của một chiếc xe (động cơ) di chuyển dọc theo một đường ray có một

độ tự do vì vị trí của xe được xác định bởi khoảng cách dọc theo đường

 Hệ gồm 1 chất điểm trong không gian có 3 bậc tự do là vị trí x, y, z

Hình 1: Ví dụ về độ tự do

Mô hình cung cấp 3 chuyển động

 Roll (effect "roll")

 Pitch (effect "pitch")

 Swell (axis "heave")

Hình 2: Mô hình cung cấp 3 chuyển độn

1.2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Mục tiêu: Thực hiện được mô phỏng lái máy bay chuyển động 3DOF có thể giao tiếp với PC, các bậc tự do được điều khiển bởi cơ điện Các mức độ tự do khác

sẽ được tạo ra, được mô phỏng bởi các phần mềm quản lý Những chuyển động này

sẽ được thêm vào hoặc không, đối với các trục hoặc hiệu ứng của bộ mô phỏng để

cố những gì máy không làm được

Để tạo hiệu ứng cho các chuyển động và chương trình mô phỏng của X-plane nên dùng SimTools Phần mềm này chạy trên cùng một máy tính như một trò chơi

và thử nghiệm trình mô phỏng thông qua một cáp USB

Nội dung: Giới thiệu về các chuyển động để chúng ta có thể thiết kế và triển khai trên nền tảng di động của trình mô phỏng và động cơ của nó Điều này có nghĩa rằng bất cứ điều gì có khả năng được cài đặt và gắn liền với chuyển dộng này

để thiết kế

Góc nghiêng có liên quan: + 10 ° (20 °)

Góc quay của các quay trong chuyển động: 120 °

Cranks với chiều dài cánh tay 70mm

Lưu ý: Vì nhiều lý do, để tránh bất kỳ sự cố nào, các tay quay có khả năng xoay

360 °

1.3 Giới thiệu về thực tế ảo VR

1.3.1 Công nghệ thực tế ảo

Công nghệ thực tế ảo là một thuật ngữ mới xuất hiện khoảng đầu thập kỷ 90, nhưng thực sự phát triển mạnh trong vòng vài năm trở lại đây Theo dự đoán của Gartner (tổ chức nghiên cứu thị trường toàn cầu), VR đứng đầu danh sách 10 công nghệ chiến lược năm 2009 Tại Mỹ và châu Âu thực tế ảo (VR) đã và đang trở thành một công nghệ mũi nhọn nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực (nghiên cứu và công nghiệp, giáo dục và đào tạo, du lịch, dịch vụ bất động sản, thương mại và giải trí, ) và tiềm năng kinh tế, cũng như tính lưỡng dụng (trong dân dụng và quân sự) của nó Trong loạt các bài viết sau, tôi sẽ trình bày có hệ thống về VR: khái niệm, ứng dụng, phần mềm, phần cứng, mạng liên kết, nhằm giúp các bạn trẻ Việt Nam có cái nhìn tổng quát về công nghệ VR trên thế giới, khả năng ứng dụng phần mềm để thiết kế thế giới ảo và xây dựng hệ thống VR tại Việt Nam

Thực tế ảo hay còn gọi là thực tại ảo (tiếng Anh là virtual reality, viết tắt là VR) là thuật ngữ miêu tả một môi trường được giả lập bởi con người Các môi

trường giả lập này là hình ảnh do con người chủ động thiết kế qua các ứng dụng phần mềm chuyên dụng, được hiển thị trên màn hình máy tính hoặc thông qua kính thực tại ảo nhằm đem lại những trải nghiệm thực tế nhất cho người xem như họ đang ở trong chính không gian đó Để gia tăng tính trải nghiệm môi trường, các môi trường giả lập đều được tích hợp thêm giác quan khác như khứu giác (âm thanh) Thực Tế Ảo là một hệ thống giao diện cấp cao giữa người sử dụng và máy tính Hệ thống này mô phỏng các sự vật và hiện tượng theo thời gian thực và tương tác với người sử dụng qua tổng hợp các kênh cảm giác

1.3.2 Các thành phần của hệ thống thực tế ảo

Một hệ thống VR tổng quát bao gồm 5 thành phần: phần mềm (SW), phần cứng (HW), mạng liên kết, người dùng và các ứng dụng Trong đó 3 thành phần chính và quan trọng nhất là phần mềm (SW), phần cứng (HW) và các ứng dụng

Hình 3: Hệ thống thực tế ảo

Phần mềm luôn là linh hồn của VR cũng như đối với bất cứ một hệ thống máy tính hiện đại nào Về mặt nguyên tắc có thể dùng bất cứ ngôn ngữ lập trình hay phần mềm đồ họa nào để mô hình hóa (modelling) và mô phỏng (simulation) các đối tượng của VR Ví dụ như các ngôn ngữ (có thể tìm miễn phí) OpenGL, C++, Java3D, VRML, X3D, hay các phần mềm thương mại như WorldToolKit, PeopleShop, Phần mềm của bất kỳ VR nào cũng phải bảo đảm 2 công dụng chính: Tạo hình vào Mô phỏng Các đối tượng của VR được mô hình hóa nhờ chính phần mềm này hay chuyển sang từ các mô hình 3D (thiết kế nhờ các phần mềm CAD khác như AutoCAD, 3D Studio, ) Sau đó phần mềm VR phải có khả năng mô phỏng động học, động lực học, và mô phỏng ứng xử của đối tượng

Phần cứng của một hệ thống VT bao gồm: Máy tính (PC hay Workstation với cấu hình đồ họa mạnh), các thiết bị đầu vào (Input devices) và các thiết bị đầu ra (Output devices)

- Các thiết bị đầu vào (Input devices): Chúng bao gồm những thiết bị đầu ra có khả năng kích thích các giác quan để tạo nên cảm giác về sự hiện hữu trong thế giới ảo Chẳng hạn như màn hình đội đầu HMD, chuột, các tai nghe âm thanh nổi - và những thiết bị đầu vào có khả năng ghi nhận nơi người sử dụng đang nhìn vào hoặc hướng đang chỉ tới, như thiết bị theo dõi gắn trên đầu (head-trackers), găng tay hữu tuyến (wire-gloves)

- Các thiết bị đầu ra (Output devices): gồm hiển thị đồ họa (như màn hình, HDM, ) để nhìn được đối tượng 3D Thiết bị âm thanh (loa) để nghe được âm thanh vòm (như Hi-Fi, Surround, ) Bộ phản hồi cảm giác (Haptic feedback như găng tay, ) để tạo xúc giác khi sờ, nắm đối tượng Bộ phản hồi xung lực (Force Feedback) để tạo lực tác động như khi đạp xe, đi đường xóc,

1.3.3 Đặc tính cơ bản của một hệ thống VR

Một hệ thống thực tế ảo thì tính tương tác, các đồ họa ba chiều thời gian thực

và cảm giác đắm chìm được xem là các đặc tính then chốt

Hình 4: Trải nghiệm thực tế ảo

Tương tác thời gian thực (real-time interactivity): có nghĩa là máy tính có

khả năng nhận biết được tín hiệu vào của người sử dụng và thay đổi ngay lập tức thế giới ảo Người sử dụng nhìn thấy sự vật thay đổi trên màn hình ngay theo ý muốn của họ và bị thu hút bởi sự mô phỏng này

Cảm giác đắm chìm (immersion): là một hiệu ứng tạo khả năng tập trung sự

chú ý cao nhất một cách có chọn lọc vào chính những thông tin từ người sử dụng hệ thống thực tế ảo Người sử dụng cảm thấy mình là một phần của thế giới ảo, hòa lẫn vào thế giới đó VR còn đẩy cảm giác này “thật” hơn nữa nhờ tác động lên các kênh cảm giác khác Người dùng không những nhìn thấy đối tượng đồ họa 3D, điều

khiển (xoay, di chuyển ) được đối tượng mà còn sờ và cảm thấy chúng như có thật Các nhà nghiên cứu cũng đang tìm cách tạo những cảm giác khác như ngửi, nếm trong thế giới ảo

Tính tương tác: có hai khía cạnh của tính tương tác trong một thế giới ảo: sự

du hành bên trong thế giới và động lực học của môi trường Sự du hành là khả năng của người dùng để di chuyển khắp nơi một cách độc lập, cứ như là đang ở bên trong một môi trường thật Nhà phát triển phần mềm có thể thiết lập những áp đặt đối với việc truy cập vào những khu vực ảo nhất định, cho phép có được nhiều mức độ tự

do khác nhau (Người sử dụng có thể bay, xuyên tường, đi lại khắp nơi hoặc bơi lặn…) Một khía cạnh khác của sự du hành là sự định vị điểm nhìn của người dùng

Sự kiểm soát điểm nhìn là việc người sử dụng tự theo dõi chính họ từ một khoảng cách, việc quan sát cảnh tượng thông qua đôi mắt của một con người khác, hoặc di chuyển khắp trong thiết kế của một cao ốc mới như thể đang ngồi trong một chiếc ghế đẩy… Động lực học của môi trường là những quy tắc về cách thức mà người, vật và mọi thứ tương tác với nhau trong một trật tự để trao đổi năng lượng hoặc thông tin

1.3.4 Đặc điểm của thực thế ảo

Với các phần mềm VR bắt buộc người dùng phải mua thiết bị hỗ trợ như kính thực tế ảo thì mới có thể sử dụng.Yêu cầu có sự kết hợp tốt giữa người chơi vs thiết bị trong việc di chuyển (đặc biệt là chuyển động nhanh, chuyển động phần đầu), nếu không người dùng sẽ có cảm giác chóng mặt, buồn nôn Bất lợi là không thể quan sát được những gì đang xảy ra trong Thế giới thực và thường gây ra nhiều rủi ro, do người dùng không thể nhìn được thế giới thực Mọi lời nói, di chuyển hay hành động đều theo quá trình sử dụng.Tuy nhiên do giá tiền của 1 chiếc kính

VR xịn không hề rẻ chút nào cộng thêm vấn đề không gian khá chật hẹp nên VR chưa thực sự được phát triển và ứng dụng nhiều tại Việt Nam

1.3.5 Một số ứng dụng

Tại các nước phát triển, chúng ta có thể nhận thấy VR được ứng dụng trong mọi lĩnh vực: Khoa học kỹ thuật, kiến trúc, quân sự, giải trí, du lịch, địa ốc và đáp ứng mọi nhu cầu: Nghiên cứu- Giáo dục- Thương mại-dịch vụ Y học, du lịch là lĩnh vực ứng dụng truyền thống của VR Bên cạnh đó VR cũng được ứng dụng

trong giáo dục, nghệ thuật, giải trí, du lịch ảo (Virtual Tour), bất động sản Trong lĩnh vực quân sự, VR cũng được ứng dụng rất nhiều ở các nước phát triển Bên cạnh các ứng dụng truyền thống ở trên, cũng có một số ứng dụng mới nổi lên trong thời gian gần đây của VR như: giả lập môi trường game, tương tác ảo Như hệ

thống Headset chơi game thực tế ảo Oculus Rift do nhóm Oculus VR phát triển từ

khi được giới thiệu lần đầu tiên đã thu được những phản hồi hết sức tích cực Khi đeo loại kính này, các game thủ sẽ thấy mình như được hòa mình vào thế giới không gian 3D với góc nhìn rộng lên tới 110 độ, thật hơn rất nhiều so với khi chúng

ta ngồi trước màn hình máy tính với góc nhìn chỉ 45 độ Bạn sẽ cảm thấy choáng ngợp đặc biệt khi chơi các game nhập vai hay FPS

Chương 2 : Công nghệ sử dụng và tìm hiểu về phần

mềm X-plane 2.1 Công nghệ sử dụng

2.1.2 Cấu trúc vi điều khiển

lý và bộ nhớ Ngày nay, phần lớn hệ thống nhúng của vi điều khiển được lập trình

để ứng dụng trong các thiết bị điện tử tiêu dùng, bao gồm cả máy móc, điện thoại,

thiết bị ngoại vi, xe hơi, đồ dùng điện lạnh trong gia đình… Do đó, vi điều khiển còn có tên gọi khác là “Bộ điều khiển nhúng”

Nhìn chung, có một số loại vi điều khiển với hệ thống nhúng được thiết kế tinh vi, trong khi những loại khác lại được lập trình khá đơn giản với bộ nhớ, thời gian lập trình và các phần mềm ít phức tạp

Hình 6: Cấu trúc vi điều khiển

Ứng dụng:

Vi điều khiển vốn được lập trình để sử dụng cho các ứng dụng nhúng, không giống như các bộ vi xử lý trong máy tính cá nhân Vi điều khiển thường được sử dụng trong các thiết bị điều khiển tự động bao gồm các công cụ điện, đồ chơi, thiết

bị y tế cấy dưới da, máy móc văn phòng, hệ thống điều khiển động cơ, thiết bị, điều khiển từ xa và hàng loạt các hệ thống nhúng khác

Hình 7: Ứng dụng Vi Điều Khiển

2.1.3 Arduino

Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng

khác nhau

Một mạch Arduino bao gồm một vi điều khiển AVR với nhiều linh kiện bổ sung giúp dễ dàng lập trình và có thể mở rộng với các mạch khác Một khía cạnh quan trọng của Arduino là các kết nối tiêu chuẩn của nó, cho phép người dùng kết nối với CPU của board với các module thêm vào có thể dễ dàng chuyển đổi, được gọi là shield Vài shield truyền thông với board Arduino trực tiếp thông qua các chân khách nhau, nhưng nhiều shield được định địa chỉ thông qua serial bus I²C-nhiều shield có thể được xếp chồng và sử dụng dưới dạng song song Arduino chính thức thường sử dụng các dòng chip megaAVR, đặc biệt là ATmega8, ATmega168, ATmega328, ATmega1280, và ATmega2560 Một vài các bộ vi xử lý khác cũng được sử dụng bởi các mạch Aquino tương thích Hầu hết các mạch gồm một bộ điều chỉnh tuyến tính 5V và một thạch anh dao động 16 MHz (hoặc bộ cộng hưởng

ceramic trong một vài biến thể), mặc dù một vài thiết kế như LilyPad chạy tại 8 MHz và bỏ qua bộ điều chỉnh điện áp onboard do hạn chế về kích cỡ thiết bị Một vi điều khiển Arduino cũng có thể được lập trình s n với một boot loader cho phép đơn giản là upload chương trình vào bộ nhớ flash on-chip, so với các thiết bị khác thường phải cần một bộ nạp bên ngoài Điều này giúp cho việc sử dụng Arduino được trực tiếp hơn bằng cách cho phép sử dụng 1 máy tính gốc như là một bộ nạp chương trình

Theo nguyên tắc, khi sử dụng ngăn xếp phần mềm Arduino, tất cả các board được lập trình thông qua một kết nối RS-232, nhưng cách thức thực hiện lại tùy thuộc vào đời phần cứng Các board Serial Arduino có chứa một mạch chuyển đổi giữa RS232 sang TTL Các board Arduino hiện tại được lập trình thông qua cổng USB, thực hiện thông qua chip chuyển đổi USB-to-serial như là FTDI FT232 Vài biến thể, như Arduino Mini và Boarduino không chính thức, sử dụng một board adapter hoặc cáp nối USB-to-serial có thể tháo rời được, Bluetooth hoặc các phương thức khác (Khi sử dụng một công cụ lập trình vi điều khiển truyền thống thay vì ArduinoIDE, công cụ lập trình AVR ISP tiêu chuẩn sẽ được sử dụng.)

Board Arduino sẽ đưa ra hầu hết các chân I/O của vi điều khiển để sử dụng cho những mạch ngoài Diecimila, Duemilanove, và bây giờ là Uno đưa ra 14 chân I/O kỹ thuật số, 6 trong số đó có thể tạo xung PWM (điều chế độ rộng xung) và 6 chân input analog, có thể được sử dụng như là 6 chân I/O số Những chân này được thiết kế nằm phía trên mặt board, thông qua các header cái 0.10-inch (2.5 mm) Nhiều shield ứng dụng plug-in cũng được thương mại hóa Các board Arduino Nano, và Arduino-compatible Bare Bones Board và Boarduino có thể cung cấp các chân header đực ở mặt trên của board dùng để cắm vào các breadboard Có nhiều biến thể như Arduino-compatible và Arduino-derived Một vài trong số đó có chức năng tương đương với Arduino và có thể sử dụng để thay thế qua lại Nhiều mở rộng cho Arduino được thực thiện bằng cách thêm vào các driver đầu ra, thường sử dụng trong các trường học để đơn giản hóa các cấu trúc của các 'con rệp' và các robot nhỏ Những board khác thường tương đương về điện nhưng có thay đổi về hình dạng-đôi khi còn duy trì độ tương thích với các shield, đôi khi không Vài biến thể sử dụng bộ vi xử lý hoàn toàn khác biệt, với các mức độ tương thích khác nhau

Hình 8: Board mạch Arduino Board Arduino sẽ đưa ra hầu hết các chân I/O của vi điều khiển để sử dụng cho những mạch ngoài Diecimila, Duemilanove, và bây giờ là Uno đưa ra 14 chân I/O kỹ thuật số, 6 trong số đó có thể tạo xung PWM (điều chế độ rộng xung) và 6 chân input analog, có thể được sử dụng như là 6 chân I/O số Những chân này được thiết kế nằm phía trên mặt board, thông qua các header cái 0.10-inch (2.5 mm) Nhiều shield ứng dụng plug-in cũng được thương mại hóa Các board Arduino Nano, và Arduino-compatible Bare Bones Board và Boarduino có thể cung cấp các chân header đực ở mặt trên của board dùng để cắm vào các breadboard

2.1.4 Động cơ bước và module điều khiển UNL2003

a.Động cơ bước

Động cơ bước thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của roto và có khả năng cố định roto vào những vị trí cần thiết Động cơ bước làm việc được là nhờ có bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo một thứ tự và một tần số nhất định Tổng số góc quay của roto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của roto, phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi Khi một xung điện áp đặt vào cuộn dây stato (phần ứng) của động cơ bước thì roto (phần cảm) của động cơ sẽ quay đi một góc nhất định, góc ấy là một bước quay của động cơ Khi

các xung điện áp đặt vào các cuộn dây phần ứng thay đổi liên tục thì roto sẽ quay liên tục (Nhưng thực chất chuyển động đó vẫn là theo các bước rời rạc)

Hình 9: Động cơ bước

Hệ thống điều khiển động cơ bước

Hình 10: Hệ thống điều khiển động cơ bước

một chiều này có thể lấy từ pin nếu động cơ có công suất nhỏ Với các động cơ có công suất lớn có thể dùng nguồn điện được chỉnh lưu từ nguồn xoay chiều

- CONTROL LOGIC: Đây là khối điều khiển logic Có nhiệm vụ tạo ra tín

hiệu điều khiển động cơ Khối logic này có thể là một nguồn xung, hoặc có thể là

một hệ thống mạch điện tử Nó tạo ra các xung điều khiển Động cơ bước có thể điều khiển theo cả bước hoặc theo nửa bước

vào động cơ Nó lấy điện từ nguồn cung cấp và xung điều khiển từ khối điều khiển

để tạo ra dòng điện cấp cho động cơ hoạt động

- STEPPER MOTOR: Động cơ bước Các thông số của động cơ gồm có:

Bước góc, sai số bước góc, mômen kéo, mômen hãm, mômen làm việc.Đối với hệ điều khiển động cơ bước, ta thấy đó là một hệ thống khá đơn giản vì không hề có phần tử phản hồi Điều này có được vì động cơ bước trong quá trình hoạt động không gây ra sai số tích lũy, sai số của động cơ do sai số trong khi chế tạo Việc sử dụng động cơ bước tuy đem lai độ chính xác chưa cao nhưng ngày càng được sử dụng phổ biến Vì công suất và độ chính xác của bước góc đang ngày càng được cải thiện

b.Mạch điều khiển động cơ bước module UNL2003

Module điều khiển động cơ bước ULN2003 + động cơ bước gồm một mạch điều khiển động cơ bước dùng ULN2003 và động cơ bước 28BYJ-48 Dạng module này giúp các bạn muốn điều khiển động cơ bước 5 dây thì không phải mất công hàn mạch mà có thể kết nối trực tiếp từ KIT

Hình 11: Kết nối động cơ bước với arduino

Thông số kỹ thuật ULN2003:

- Điện áp: 5 ~ 12v

- Tín hiệu ngõ vào: 4 chân In 1; In2; In3 : In4

- Tín hiệu ngõ ra: Jack cắm động cơ bước 28BYJ-48

- 4 Led hiện thị trạng thái hoạt động của động cơ

2.1.5 Ethernet shield

Ethernet shield là một mạch mở rộng cho arduino, giúp arduino có thể kết nối với thế giới internet rộng lớn Ứng dụng của shield này là truyền nhận thông tin giữa arduino với thiết bị bên ngoài sử dụng internet, shield này đặc biệt hữu ích cho các ứng dụng IoT, điều khiển và kiểm soát hệ thống vì internet luôn liên tục, dữ liệu truyền đi nhanh, khoảng cách là vô tận( trong Trái Đất thôi, với phải có mạng nữa)

ăn đứt sóng RF , rẻ hơn với cách truyền từ xa bằng tin nhắn

Phiên bản shield này có tích hợp khe cắm thẻ micro SD, có thể được sử dụng để lưu trữ các tập tin phục vụ qua mạng Ethernet Shield tương thích với Arduino Uno và Mega (sử dụng Ethernet Thư viện) Bạn có thể truy cập vào khe cắm thẻ trên board và sử dụng thư viện SD được bao gồm tích hợp trong bộ thư viện có s n trong trình biên dịch arduino

IC điều khiển W5100 trên Ethernet Shield có thể thực hiện truyền dữ liệu thông qua 2 giao thức là TCP và UDP Số đường truyền dữ liệu song song tối đa là

4 Đây chính là điểm mạnh của W5100 so với Microchip ENC28J60 Khả năng truyền song song cùng lúc 4 luồng dữ liệu giúp board có khả năng nhận dữ liệu từ internet với tỉ lệ lỗi thấp hơn (nguyên nhân thường là do mất dữ liệu trên đường truyền hoặc do thời gian truyền vượt quá giới hạn - time out)

Hình 12: Ethernet Sheld

Thông số kỹ thuật

Để sử dụng phải có board mạch Arduino đi kèm

- Hoạt động tại điện áp 5V (được cấp từ mạch Arduino)

- Chip Ethernet: W5100 với buffer nội 16KB

- Tốc độ kết nối: 10/100Mb

- Kết nối với mạch Arduino qua cổng SPI

- Thư viện và code mẫu có s n trong chương trình Arduino

Lưu ý rằng: bởi vì W5100 và SD card sử dụng chung chuẩn truyền SPI, vì vậy một thiết bị duy nhất có thể được hoạt động tại một thời điểm Nếu bạn đang sử dụng cả hai thiết bị ngoại vi trong chương trình của bạn, điều này cần được xử lý bởi các thư viện tương ứng

Ứng dụng :

 ChatServer : thiết lập một máy chủ trò chuyện đơn giản

 WebClient : tạo một yêu cầu HTTP

 WebClientRepeating : Thực hiện các yêu cầu HTTP lặp lại

 WebServer : lưu trữ một trang HTML đơn giản hiển thị các giá trị cảm biến tương tự

 BarometricPressureWebServer : đưa ra các giá trị từ cảm biến áp suất khí quyển như một trang web

 UDPSendReceiveString : Gửi và nhận chuỗi văn bản qua UDP

 UdpNtpClient : Truy vấn máy chủ Giao thức Thời gian Mạng (NTP) bằng UDP

 DnsWebClient : DNS và trình khách Web dựa trên DHCP

 DhcpChatServer : Máy chủ trò chuyện DHCP đơn giản

 DhcpAddressPrinter : Nhận địa chỉ IP qua DHCP và in ra

 TelnetClient : Một ứng dụng Telnet đơn giản

2.2 Tổng quan về X-plane

X-Plane là một công cụ nghiên cứu mã nguồn mở được sử dụng để tương tác

với phần mềm mô phỏng bay thương mại X-plane X-plane cho phép người dùng điều khiển máy bay và nhận thông tin trạng thái từ máy bay mô phỏng trong X-Plane sử dụng các chức năng viết bằng C, C ++, Java, MATLAB hoặc Python trong thời gian thực thông qua mạng Công cụ nghiên cứu này đã được sử dụng để hình dung các đường bay, các thuật toán điều khiển kiểm tra, mô phỏng một không phận đang hoạt động hoặc tạo ra các hình ảnh ngoài trời cho phần mềm mô phỏng bay Các ứng dụng có thể bao gồm kiểm soát hoạt động của mô phỏng XPlane, hiển thị trực quan, ghi lại các trạng thái trong chuyến bay, hoặc tương tác với một nhiệm vụ trên UDP

Ưu điểm của chương trình bay mô phỏng X-Plane là cho phép người sử dụng

có thể tự mình xây dựng nên mô hình, và có thể tạo ra các tình huống giả lập giống với thực tế, nhờ sự đa năng này mà X-Plane, hiện nay, đang được các nước ứng dụng trong công tác bay giả lập, cũng như tạo ra các tình huống bay thử nghiệm và kiểm chứng trước khi tiến hành bay thử nghiệm thực tế

2.2.1 Cấu hình và điều ch nh cài đ t X-plane

Trong Windows, nếu hệ điều hành không khởi động trình cài đặt X - Plane DVD tự động, hãy nhấp vào menu Bắt đầu, sau đó chọn Máy tính của tôi Kích đúp vào XPLANE11 DVD, sau đó “X-Plane 11 Installer.exe”

Người dùng Mac sẽ cần phải nhấp đúp vào biểu tượng X - Plane DVD trên màn hình nền, sau đó nhấp đúp vào “X-Plane 11 Installer.app” để khởi động trình cài đặt

Khi cửa sổ trình cài đặt xuất hiện, hãy nhấp vào Tiếp tục để bắt đầu quá trình

cài đặt

Lưu ý rằng : bạn có thể thay đổi ngôn ngữ hoặc chọn một hệ điều hành khác để cài đặt bằng cách nhấp vào biểu tượng thanh trượt cài đặt ở góc trên cùng bên phải Nếu bạn đã mua khóa sản phẩm tải xuống kỹ thuật số, hãy nhập mã đó vào màn hình sau Đảm bảo bạn luôn kết nối với Internet trong khi cài đặt

Theo mặc định X - Plane sẽ cài đặt vào Desktop Mặc dù nó có thể được cài đặt

ở nơi khác, nó được khuyến khích mạnh mẽ rằng nó được đặt trên Desktop để nó có thể được tìm thấy trong tương lai Với mục đích của hướng dẫn này, chúng tôi sẽ

giả định nó được cài đặt ở đó Nhấp vào Tiếp tục

Chấp nhận thỏa thuận người dùng và nhấp lại vào Tiếp tục Rất khuyên bạn

bỏ chọn hộp để gửi dữ liệu sử dụng ẩn danh được chọn Điều này cho phép Laminar Research thu thập dữ liệu ẩn danh để cập nhật cho trình mô phỏng dựa trên cách bạn sử dụng nó

Hình 13 :Tất cả các vị trí được chọn để cài đặt sau khi nhấp vào “Chọn tất cả”

Chọn vị trí bạn muốn cài đặt Các phần của thế giới hiện đang được chọn sẽ là màu xanh sáng Lưu ý rằng đối với các khu vực không có cảnh quan nào được cài đặt, chỉ các đại dương và sân bay mới được hiển thị

Nếu bạn không chắc chắn vùng nào đang được chọn, chỉ cần nhấn Select

None để tắt mọi thứ Từ đó, di chuyển chuột của bạn xung quanh bản đồ để làm nổi

bật các phần của thế giới và nhấp vào những mục bạn muốn cài đặt

Hình 14: Không có vị trí nào được chọn để cài đặt sau khi nhấp vào “Chọn Không có gì”

Khi bạn chọn xong vị trí, hãy nhấp vào Tiếp tục để bắt đầu cài đặt

Trình cài đặt sẽ bắt đầu hiển thị tiến trình của nó Khi sử dụng DVD, trình cài đặt sẽ nhắc bạn khi đã đến lúc tháo đĩa hiện tại và chèn đĩa tiếp theo Việc cài đặt DVD có thể mất từ ba mươi đến sáu mươi phút cho mỗi đĩa và chỉ một đĩa X có thể nằm trong hệ thống cùng một lúc (trình cài đặt sẽ không nhận ra đĩa được đặt trong ổ đĩa DVD thứ hai) Lưu ý rằng ước tính thời gian tải xuống kỹ thuật số dựa trên tốc độ mạng ban đầu của bạn và thời gian cài đặt thực có thể thay đổi đáng kể

Chúng tôi đặc biệt khuyên bạn nên cài đặt chỉ một chút cảnh quan bây giờ và thêm sau này, vì toàn bộ gói vị trí chiếm gần 60 GB không gian và một thời gian dài

để cài đặt

Có thể thêm hoặc xóa vị trí tại bất kỳ thời điểm nào trong tương lai bằng cách chạy lại trình cài đặt Chèn Đĩa 1 nếu bạn có bộ DVD, nhưng nếu bạn đang sử dụng khóa sản phẩm tải xuống kỹ thuật số, X - Máy bay nên nhớ nó Nếu không, hãy nhập khóa sản phẩm của bạn khi được yêu cầu Khi trình cài đặt X-System xuất

hiện nói rằng "Bạn đã cài đặt X - Plane 11 trên máy tính này", hãy nhấp vào

nút Thêm ho c Loại bỏ và tiến hành giống như trong bước ở trên

Lưu ý: Sau khi hoàn tất cài đặt, người dùng Mac có thể sẽ muốn loại trừ thư

mục cài đặt X-Plane của họ khỏi các bản sao lưu Time Machine của họ (như được

mô tả trong chương Chuẩn bị và Cài đặt , trong phần " Cân nhắc đặc biệt cho người dùng Mac ")

Sau khi cài đặt xong X-plane , bạn có thể cấu hình bộ mô phỏng theo một số cách Các tính năng này bao gồm tải bản cập nhật miễn phí mới nhất (cung cấp cho bạn các tính năng mới nhất), thiết lập điều khiển chuyến bay và điều chỉnh hiệu suất của trình mô phỏng cả về chất lượng đồ họa và tốc độ khung hình

Sử dụng chung giao diện X-plane

X-Plane đã được viết để hoạt động trên các hệ thống Windows, Macintosh và Linux Vì tính nhất quán, việc bố trí và sự xuất hiện của X-Plane là như nhau trên cả

ba hệ điều hành Một số chức năng chính của trình mô phỏng: Từ trái sang phải, nhấp vào biểu tượng sẽ: tạm dừng trình mô phỏng, mở Cấu hình Chuyến bay, hiển thị cửa sổ ATC, hiển thị bản đồ, mở Cài đặt và mở trang trợ giúp

Hình 15: Các biểu tượng chương trình đơn

2.2.2 Đ nh cấu hình điều khiển chuyến bay

Với các điều khiển chuyến bay của bạn được cắm và chạy X-Plane, bạn có thể cấu hình cách bộ mô phỏng đáp ứng dữ liệu vào từ mỗi trục và nút Trong phần này chúng ta sẽ tham khảo bất kỳ thiết bị đầu vào như một phím điều khiển; các hướng dẫn áp dụng cho các ốc, góc khuỷu, và bánh lái Cấu hình nên được thực hiện khi thiết lập ban đầu của X-Plane và bất kỳ thời điểm thiết bị mới được cắm vào, nhưng nó không phải là cấu hình phần cứng cho mỗi lần sử dụng

Thiết lập các trục điều khiển

Hình 16: Cửa sổ hiệu chuẩn của màn hình cài đặt Joystick

Hình 17: Màn hình cài đặt Joystick, sau khi hiệu chuẩn hoàn tất

Cấu hình Joystick và Bàn phím

Hình 18: Cửa sổ Active Profile của màn hình cài đặt Joystick đã chọn màu cam

Quản lý Hồ sơ

Hình 19: Cửa sổ Manage Profiles của X-Plane 11

2.2.3 Dữ liệu đầu vào và đầu ra từ X-Plane

X-Plane là một nguồn dữ liệu mạnh mẽ và phần lớn nó được xử lý bằng cách

sử dụng màn hình Data Output (tìm thấy trong cửa sổ Settings) Nút Tổng quát Dữ

liệu ra kiểm soát nơi dữ liệu sẽ được xuất ra

Hình 20: Phần Đầu ra dữ liệu của Cài đặt

Cấu hình máy tính:

Yêu cầu phần cứng tối thiểu:

- CPU: Intel Core i3, i5 hoặc i7 với 2 hoặc nhiều lõi, hoặc tương đương với AMD (Các CPU lõi kép chậm hơn 3 GHz nên thử demo trước khi mua.)

- Hệ điều hành được hỗ trợ: OS X: OS X 10.10 hoặc mới hơn (ví dụ như đảo Yosemite, El Capitan hoặc Sierra) Windows: Windows 7, 8 hoặc 10, 64-bit Linux

Để tìm tốc độ CPU của máy tính và lượng RAM, người dùng Mac có thể chỉ cần

mở Menu Apple và nhấp vào “Giới thiệu về máy Mac này”

Đối với người dùng Windows, bạn có thể mở menu Bắt đầu và nhập Máy tính của tôi Ứng dụng dành cho máy tính để bàn “PC này” sẽ hiển thị trong danh sách Nhấp chuột phải vào nó và chọn "Properties." System Panel sẽ mở và hiển thị thông số kỹ thuật hệ thống của bạn

Trong khi X - Plane 11 sẽ chạy trên Linux, X - Plane không cung cấp hỗ trợ cho các bản phân phối cụ thể; nếu bạn muốn chạy trên Linux, bạn sẽ cần thử X - Plane trên bản phân phối của bạn để xem nó có tương thích hay không Với ý nghĩ đó, các nhà phát triển đã sử dụng Ubuntu 14.04 và 16.04 LTS thành công

Đối với Linux, X - Plane yêu cầu trình điều khiển độc quyền từ AMD hoặc NVIDIA để chạy Bạn có thể có được X - Plane để chạy trên trình điều khiển Mesa / Gallium với một GPU Intel, nhưng điều này không được hỗ trợ Chúng tôi hoàn toàn không hỗ trợ các trình điều khiển nguồn mở hoàn toàn cho AMD và NVIDIA

Hiển thị phần cứng

X-Plane có thể hiển thị trên bất kỳ màn hình nào, với độ phân giải từ 1.024 × 768 pixel đến 9,999 × 9,999 pixel Nó làm cho không có sự khác biệt với X - Plane tỷ lệ khung hình của màn hình của bạn; nếu tỷ lệ khung hình của bạn không phù hợp với

tỷ lệ của bảng điều khiển bạn đang sử dụng, X - Máy bay sẽ chỉ đơn giản là phóng

to hoặc kéo giãn bảng điều khiển khi thích hợp để lấp đầy màn hình của bạn

X-Plane cho phép sử dụng bất kỳ số lượng màn hình nào để mô tả bất kỳ thứ gì bạn thích Nhiều máy tính có nhiều bản sao của X - Plane có thể được sử dụng để điều khiển nhiều màn hình, do đó kết nối mạng lên tới khoảng 20 màn hình để hiển thị

bất kỳ sự kết hợp nào của các khung nhìn có thể tưởng tượng được Nhiều card đồ họa hoặc công nghệ hiện đại như bộ tách video như Matrox TripleHead2Go ) có thể được sử dụng để thúc đẩy nhiều hình ảnh chuyển tiếp với một máy Trong trường hợp đó, một máy thứ hai có thể được sử dụng để điều khiển màn hình buồng lái hoặc chế độ xem bên ngoài, như được mô tả trong phần “Định cấu hình mô phỏng

đa màn hình ”

Trình điều khiển đồ họa

X-Plane, tất nhiên, cần một card đồ họa khá trong máy tính mà bạn muốn chạy nó Về cơ bản, bất kỳ card video hiện đại, rời rạc nào (tức là không tích hợp)

sẽ hoạt động tốt, mặc dù card đồ họa mạnh mẽ hơn, đắt tiền hơn sẽ cho phép chi tiết cao hơn trong đồ họa của trình mô phỏng Tuy nhiên, điều quan trọng như bản thân

card đồ họa là các trình điều khiển đồ họa của máy tính (về cơ bản, các hướng dẫn

cho phép X - Plane biết cách sử dụng cạc đồ họa của bạn)

Trên nhiều hệ thống, các trình điều khiển đồ họa cần thiết sẽ được cài đặt Tuy nhiên, có thể cần phải cập nhật định kỳ trình điều khiển video của máy tính, để khắc phục sự cố hoặc để có được hiệu suất tốt nhất mà hệ thống có thể phân phối Nhiều công ty thẻ đồ họa cung cấp phần mềm có thể tự động phát hiện khi có trình điều khiển mới và giúp bạn cập nhật Người dùng card đồ họa ATI / AMD có thể tìm hiểu thêm và tải xuống trình điều khiển từ trang web AMD , trong khi người dùng NVIDIA có thể tải xuống trình điều khiển và phần mềm từ trang web của NVIDIA Trước khi cập nhật trình điều khiển đồ họa, chúng tôi khuyên bạn nên cài đặt và khởi chạy X - Plane (trên phần “ Cài đặt X-Plane ” của chương này) và xem nó chạy như thế nào Nếu có bất kỳ vấn đề nào sau đây gặp phải, các trình điều khiển đồ họa của hệ thống có thể cần được cập nhật:

• Một màn hình chỉ bao gồm các mảng màu

• Một màn hình với các thanh ngang hoặc dọc chạy qua nó

• Hình ảnh ngẫu nhiên của các phần khác nhau của máy bay hoặc bảng điều khiển công cụ