Nghiên cứu phương pháp xử lý tín hiệu nhiều chiều và ứng dụng

Trình bày lý thuyết về tín hiệu nhiều chiều, lựa chọn một số ứng dụng xử lý tín hiệu nhiều chiều điển hình, xây dựng mẫu hình búp sóng siêu âm của cảm biến siêu âm SRF05, đề xuất thuật toán tạo ảnh cho hệ thống SONAR, thiết kế, chế tạo chạy thử mô hình.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THÙY LINH NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU NHIỀU CHIỀU VÀ ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG Hà Nội, 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THÙY LINH NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU NHIỀU CHIỀU VÀ ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN HỮU TRUNG Hà Nội, 2013 MỤC LỤC MỤC LỤC MỤC LỤC HÌNH MỤC LỤC BẢNG .6 CHƯƠNG I TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU I.1 Lý chọn đề tài I.2 Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu I.2.1 Mục đích nghiên cứu I.2.2 Đối tượng nghiên cứu I.2.3 Phạm vi nghiên cứu I.3 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 10 I.4 Phương pháp nghiên cứu 10 I.4.1 Nghiên cứu lý thuyết khảo sát thực tế 10 I.4.2 Thử nghiệm với số liệu giả định 11 I.4.3 Thử nghiệm với số liệu thật 11 CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC TẾ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI .12 II.1 Nguyên lý đo khoảng cách sóng siêu âm 12 II.1.1 Sóng âm 12 II.1.2 Giới thiệu chung cảm biến siêu âm 15 II.2 Xử lý, tái tạo tín hiệu hình ảnh 2D 18 II.2.1 Các hình ảnh miền liên tục x(t) = x(t1, t2) 18 II.2.2 Sự diễn dịch vật lý giả thuyết miền liên tục 19 II.2.3 Một hình ảnh 2D miền xáo trộn: Một ảnh quét 19 II.2.4 Một tín hiệu 2D miền rời rạc: Tấm ảnh lấy mẫu hình chữ nhật 20 II.2.5 Xem tín hiệu 2D tương tự miền rời rạc sử dụng điểm ảnh 21 II.2.6 Nhận thức không gian 22 II.2.7 Thuộc tính hình khối vuông nhỏ không gian đơn khung 23 II.2.8 Lượng tử hoá mã hoá giá trị hình ảnh để thể máy 24 II.2.9 Chuyển động thời gian mượt mà 26 II.3 Khảo sát thực tế 27 II.3.1 Công nghệ SONAR giới 27 II.3.2 Một số cảm biến đo khoảng cách có bán thị trường 29 II.4 Cảm biến siêu âm SRF05 kết đo đạc mẫu hình búp sóng 30 II.4.1 Giới thiệu cảm biến siêu âm SRF05 30 II.4.2 Thiết lập hệ thống đo mẫu hình búp sóng cho cảm biến SRF05 34 II.4.3 Quy trình đo 36 II.4.4 Kết đo 38 CHƯƠNG III ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN XỬ LÝ .55 III.1 Nhiệm vụ thuật toán xử lý 55 III.2 Vấn đề định vị đo khoảng cách tới vật cản đơn lẻ 56 III.3 Vấn đề định vị đo khoảng cách tới hai vật cản rời rạc 58 III.4 Vấn đề định vị đo khoảng cách tới nhiều vật cản liên hoàn 59 III.5 Đề xuất mơ hình nâng cao khả phân biệt vật cản liên hoàn 59 III.5.1 Sơ lược ý tưởng 59 III.5.2 Bố trí cảm biến 60 CHƯƠNG IV LỰA CHỌN MƠ HÌNH THỬ NGHIỆM VÀ THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI 62 IV.1 Các giải pháp thực đề tài 62 IV.1.1 Giải pháp nghiên cứu hoàn toàn lý thuyết 62 IV.1.2 Giải pháp nghiên cứu lý thuyết thử nghiệm với số liệu giả định 62 IV.1.3 Giải pháp nghiên cứu lý thuyết kiểm nghiệm với mơ hình thật 63 IV.2 Thiết kế sơ đồ khối mơ hình thử nghiệm 63 IV.2.1 Sơ đồ khối tổng quát 63 IV.2.2 Sơ đồ khối chi tiết mô đun 64 IV.3 Một số phần tử mơ hình thơng số hoạt động 66 IV.3.1 Cảm biến đo khoảng cách 66 IV.3.2 Động quay dàn cảm biến 66 IV.3.3 Khả xử lý ghép nối máy tính 67 CHƯƠNG V THIẾT KẾ PHẦN CỨNG MƠ HÌNH THỬ NGHIỆM 68 V.1 Mô đun đo khoảng cách 68 V.1.1 Cảm biến đo khoảng cách 68 V.1.2 Khối mạch đo tiền xử lý 68 V.2 Mô đun động lực quay dàn cảm biến 69 V.2.1 Mạch công suất điều khiển động 69 V.2.2 Vấn đề cách ly tín hiệu điều khiển chống nhiễu 70 V.3 Mô đun mạch điều khiển 71 V.3.1 Mạch vi điều khiển 71 V.3.2 Khối truyền thông RS232 72 V.3.3 Khối ghép nối USB 72 V.3.4 Khối thị hình thị LCD GLCD 73 V.3.5 Khối nguồn 74 CHƯƠNG VI THIẾT KẾ PHẦN MỀM CHO MƠ HÌNH THỬ NGHIỆM 75 VI.1 Thiết kế phần mềm cho IC vi điều khiển 75 VI.1.1 Nhiệm vụ IC vi điều khiển 75 VI.1.2 Phân tích lựa chọn cơng cụ lập trình 76 VI.1.3 Thiết kế lưu đồ thuật toán 76 VI.2 Thiết kế phần mềm chạy máy tính PC 78 VI.2.1 Các chức phần mềm chạy PC 78 VI.2.2 Lựa chọn cơng cụ lập trình 78 VI.2.3 Triển khai thiết kế chi tiết chức 79 VI.3 Thiết kế khung truyền liệu 84 VI.3.1 Truyền liệu mô đun đo khoảng cách mơ đun điều khiển 85 VI.3.2 Truyền liệu mơ đun điều khiển máy tính PC 87 VI.4 Một số kết thử nghiệm 88 KẾT LUẬN 91 Kết đạt 91 Kết luận chung 92 Hướng phát triển đề tài đề xuất 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO 93 MỤC LỤC HÌNH Hình II.1 Sóng âm .13 Hình II.2 Nguyên lý thời gian truyền 15 Hình II.3 Búp sóng cảm biến siêu âm 16 Hình II.4 Tín hiệu 2D miền xáo trộn quét mành x(t , n T) ảnh quét 20 Hình II.5 Hoạt động giữ mẫu 2D để chuyển đổi xung 2D thành điểm ảnh 2D 22 Hình II.6 Hai cách thể ma trận số với ảnh Rrec 22 Hình II.7 Các khối khơng gian hình ảnh truyền hình đặc trưng 24 Hình II.8 Phương trình thu gọn-phủ định Q[.] 25 Hình II.9 Thể hình ảnh truyền hình số x(n , n , n ) 26 Hình II.10 Tạo ảnh backprojection: Xử lý tuyến tính .28 Hình II.11 Tạo ảnh Compressive sensing: Tối ưu hóa có tương tác 29 Hình II.12 Cảm biến siêu âm SRF05 .30 Hình II.13 Cách bố trí chân cảm biến siêu âm SRF05 (Chế độ 1) 31 Hình II.14 Đồ thị thời gian cảm biến SRF05 (Chế độ 1) 32 Hình II.15 Cách bố trí chân cảm biến siêu âm SRF05 (Chế độ 2) 32 Hình II.16 Đồ thị thời gian cảm biến SRF05 (Chế độ 2) 33 Hình II.17 Cột gắn cảm biến .34 Hình II.18 Cột gắn cảm biến mạch đo 35 Hình II.19 Các vật mẫu có đường kính khác 35 Hình II.20 Vật mẫu gắn dọi 36 Hình II.21 Khơng gian tiến hành đo 36 Hình II.22 Hệ thống vạch chia độ chia khoảng cách 37 Hình II.23 Tiến hành đo đạc với vật mẫu 38 Hình II.24 Kết đo LCD .38 Hình II.25 Đồ thị chùm tia ứng với vật mẫu có bán kính 15 cm .41 Hình II.26 Đồ thị chùm tia ứng với vật mẫu có bán kính 12.5 cm 44 Hình II.27 Đồ thị chùm tia ứng với vật mẫu có bán kính 10cm .47 Hình II.28 Đồ thị chùm tia ứng với vật mẫu có bán kính 7.5 cm .50 Hình II.29 Đồ thị chùm tia ứng với vật mẫu có bán kính cm 53 Hình III.1 Khoảng cách thời gian truyền sóng siêu âm 56 Hình III.2 Búp sóng rộng chùm siêu âm 57 Hình III.3 Xác định góc hướng qua phép đo liên tiếp 57 Hình III.4 Vấn đề gặp phải vật cản gần 58 Hình III.5 Hai vật cản rời rạc 58 Hình III.6 Nhiều vật cản liên hồn 59 Hình III.7 Minh họa việc tối ưu góc mở cảm biến 60 Hình III.8 Cách bố trí cảm biến 61 Hình III.9 Hình ảnh thực tế cách bố trí cảm biến 61 Hình IV.1 Sơ đồ khối mơ hình thử nghiệm .64 Hình IV.2 Sơ đồ khối mơ đun đo khoảng cách 64 Hình IV.3 Sơ đồ khối mơ đun điều khiển .65 Hình IV.4 Sơ đồ khối mô đun động lực quay dàn cảm biến .65 Hình V.1 Các giắc cắm kết nối cảm biến siêu âm với mạch điều khiển 68 Hình V.2 Vi điều khiển ATmega32 69 Hình V.3 Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý mô đun đo khoảng cách 69 Hình V.4 Mạch công suất điều khiển động 70 Hình V.5 Sơ đồ nguyên lý mạch cách ly tín hiệu điều khiển 70 Hình V.6 Sơ đồ nguyên lý mạch vi điều khiển mơ dun điều khiển .71 Hình V.7 IC MAX232 mạch chuyển đổi điện áp sử dụng IC MAX232 .72 Hình V.8 Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi UART – USB 73 Hình V.9 Mạch LCD đồ họa LCD thường 73 Hình V.10 Khối nguồn cung cấp .74 Hình VI.1 Lưu đồ thuật tốn IC vi điều khiển mơ đun (1) 76 Hình VI.2 Lưu đồ thuật tốn IC vi điều khiển mô đun (2) 77 Hình VI.3 Sơ đồ khối mơ hình thử nghiệm .84 Hình VI.4 Ghép cảm biến siêu âm để thu hẹp búp sóng 89 Hình VI.5 Ghép cảm biến siêu âm để thu hẹp búp sóng so với cảm biến gốc 89 Hình VI.6 Giao diện phần mềm chỉnh thông số kết nối tới máy tính PC 90 Hình VI.7 Màn hình SONAR hoạt động vật cản phát 90 MỤC LỤC BẢNG Bảng II.1 Thông số số cảm biến siêu âm 30 Bảng II.2 Kết đo vật có bán kính 15 cm 39 Bảng II.3 Kết đo vật có bán kính 15 cm hệ tọa độ x-y 40 Bảng II.4 Kết đo vật có bán kính 12.5 cm 42 Bảng II.5 Kết đo vật có bán kính 12.5 cm hệ tọa độ x-y 43 Bảng II.6 Kết đo vật có bán kính 10 cm 45 Bảng II.7 Kết đo vật có bán kính 10 cm hệ tọa độ x-y 46 Bảng II.8 Kết đo vật có bán kính 7.5 cm .48 Bảng II.9 Kết đo vật có bán kính 7.5 cm hệ tọa độ x-y 49 Bảng II.10 Kết đo vật có bán kính cm 51 Bảng II.11 Kết đo vật có bán kính cm hệ tọa độ x-y 52 Bảng VI.1 Dữ liệu truyền mô đun đo mơ đun điều khiển 85 Bảng VI.2 Dữ liệu truyền mô đun điều khiển máy tính PC .87 CHƯƠNG I TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU Chương I trình bày vấn đề mang tính tổng quan đề tài nghiên cứu như: Lý chọn đề tài, mục đích nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu giới hạn phạm vi nghiên cứu Đây sở để xác định hướng nghiên cứu q trình thực luận văn để đánh giá kết đạt Chương I ý nghĩa mặt khoa học thực tiễn đề tài đề xuất số phương pháp nghiên cứu cụ thể để chọn phương pháp phù hợp I.1 Lý chọn đề tài Xử lý tín hiệu ngành khoa học đầu tư nghiên cứu nhiều ngành khoa học lĩnh vực điện tử Nó sở mang tính cốt lõi nhiều ngành khoa học khác So với nhiều ngành, xử lý tín hiệu đời muộn ngày nay, phát triển cơng nghệ xử lý tín hiệu đạt bước tiến xa, vượt bậc liên tục có thên kết Hầu hết biết đến vài khái niệm q trình xử lý tín hiệu Khi nói đến khái niệm này, liên tưởng đến q trình xử lý tín hiệu đơn lẻ cách độc lập như: lọc nhiễu khỏi tín hiệu từ cảm biến nhiệt, nén tín hiệu âm thanh, điều chế giải điều chế tín hiệu truyền thông xa v.v… Những công nghệ đạt thành tựu lớn tiếp tục nghiên cứu phát triển Cùng với phát triển khoa học, việc xử lý tín hiệu đơn lẻ, rời rạc không đáp ứng kịp yêu cầu mới, thách thức Hơn thế, công nghệ vượt trội liên tục đời cho phép tạo công cụ xử lý mạnh mẽ hơn, nhanh chóng Điều tất yếu thúc đẩy phát triển nghiên cứu liên quan đến việc kết hợp xử lý nhiều tín hiệu độc lập liên quan đến đối tượng để tạo kết hoàn toàn mà việc xử lý đơn lẻ khơng có Đó việc xử lý tín hiệu nhiều chiều Xử lý tín hiệu nhiều chiều khơng phải khái niệm mẻ Tuy nhiên lĩnh vực rộng phức tạp nên việc đầu tư nghiên cứu cần thiết Các nghiên cứu vấn đề xử lý tín hiệu nhiều chiều sở khoa học quan trọng để xây ứng dụng cao cấp mà tín hiệu đơn chiều đem lại Việc xử lý tín hiệu nhiều chiều cho phép tạo cơng nghệ hay cỗ máy có khả phân tích, xem xét tổng hợp vấn đề từ nhiều mặt, nhiều khía cạnh mối tương tác với nhiều yếu tố khác liên quan Đó công cụ tuyệt vời cho phép thúc đẩy phát triển toàn khoa học kỹ thuật theo hướng sâu ngày tiến gần tới chất việc, tượng Đó tảng để bước số hóa, nhận thức kiểm sốt yếu tố môi trường xung quanh nhằm nâng cao chất lượng sống Để cụ thể hóa nghiên cứu ứng dụng xử lý tín hiệu nhiều chiều, ta sâu nghiên cứu vấn đề tạo ảnh cho hệ thống SONAR Đây ứng dụng đặc trưng cho q trình xử lý tín hiệu nhiều chiều (2 đến chiều tùy theo mục đích) Q trình tạo ảnh cho hệ thống SONAR mặt nguyên lý giống với hệ thống RADAR, dựa hệ tọa độ cực Tuy nhiên, hệ thống RADAR xây dựng dựa nguyên lý thu phát sóng điện từ nên yêu cầu mặt tốc độ xử lý liệu lớn, gây khó khăn cho việc thử nghiệm Trong đó, hệ thống SONAR hoạt động dựa nguyên lý thu phát sóng siêu âm – sóng cơ, tốc độ truyền lan thấp – nên thuận lợi cho q trình thử nghiệm với mơ hình thực tế Bên cạnh đó, hệ thống SONAR có ứng dụng phủ nhận thay định vị đo khoảng cách nước (nơi không dùng RADAR), ứng dụng nhiều khoa học lĩnh vực quân I.2 Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu I.2.1 Mục đích nghiên cứu Trong q trình thực luận văn, tác giả cố gắng nghiên cứu đưa số khái niệm đơn giản tín hiệu nhiều chiều, xử lý tín hiệu nhiều chiều thử nghiệm ứng dụng Cụ thể, luận văn hướng tới: − Nghiên cứu lý thuyết tín hiệu nhiều chiều − Lựa chọn nghiên cứu ứng dụng cụ thể: Ứng dụng tạo ảnh hệ thống SONAR VI.2.3 Triển khai thiết kế chi tiết chức VI.2.3.1 Thiết lập thông số cho cổng nối tiếp Cổng nối tiếp COM có thơng số kỹ thuật sau phục vụ cho việc truyền nhận liệu thiết bị: − Số hiệu cổng: Tên cổng COM như: COM1,COM2, … − Tốc độ baud: Tốc độ baud thể số ký hiệu truyền đơn vị thời gian − Độ rộng dãy bit truyền: Dữ liệu truyền qua cổng COM dạng nối tiếp bit một, đơn vị liệu truyền 6, hay bit − Bit stop: Bit kết thúc − Bit kiểm tra chẵn lẻ: Phục vụ cho trình sửa sai lỗi bit nơi thu Để thiết lập thông số cho cổng nối tiếp, ta sử dụng lớp có System.IO.Port: Để khai báo đối tượng cổng nối tiếp, ta khai báo: SerialPort myport = new SerialPort(); Ta sử dụng đối tượng ComboBox để chứa danh sách giá trị cho phép lựa chọn thông số phù hợp cho cổng COM Một điều ý System.IO.Port có hỗ trợ kiểu liệt kê cho hai thuộc tính StopBit Parity cổng COM, để thiết lập hai thuộc tính ta dùng cấu trúc switch VI.2.3.2 Giao tiếp với cổng COM Để bắt kiện nhận liệu ta gọi đến kiện DataReceived đoạn code Dưới phần xử lý liệu nhận qua cổng COM: private void DataReceived(object sender, SerialDataReceivedEventArgs e) { string s = myport.ReadExisting(); if (s != String.Empty) { myfile.SaveDataRecevied(s); //luu vao file } } 79 Phương thức ReadExisting() trả chuỗi, chứa liệu cổng COM Ở đây, liệu nhận chứa vào file Khi cần sử dụng đến ta tiến hành thao tác với file để đọc liệu Để thực kết nối hay không kết nối với cổng COM, giao diện ta sử dụng hai đối tượng Button bt_Connect cho phép kết nối bt_Disconnect cho phép ngắt kết nối Khi bt_Connect bấm thực phần code sau: private void bt_Connect_Click(object sender, EventArgs e) { try { check = true; display = false ; myport.Open(); richTextBox1.ForeColor = Color.Red; richTextBox1.Text = "Status: Connect cb_COM.SelectedItem.ToString(); bt_Connect.Enabled = false; } catch { check = false; richTextBox1.Text = "Can not connect Try again"; } bt_disconnect.Enabled = true; } to "+ Phương thức Open() cho phép mở cổng COM Trạng thái đóng mở cổng COM hiển thị RichTextBox Khi bt_Disconnect bấm thực phần code sau: private void bt_disconnect_Click_1(object sender, EventArgs e) { richTextBox1.Text = "Status:Close port "; display = false;//khong cho hien du lieu myport.Close(); t = 0;//tro ve vi tro ban dau mytimer.Close(); bt_Connect.Enabled = true; bt_disconnect.Enabled = false; } Phương thức Close() cho phép đóng cổng COM lại VI.2.3.3 Vẽ giao diện SONAR Giao diện radar bao gồm vòng tròn đồng tâm, hai trục tọa độ chia X, Y tia quét hình quạt chuyển động hình trịn Các thao tác thực class tự tạo riêng Class ClassDraw nằm namespace My_Project 80 Lớp ClassDraw bao gồm biến thành viên phục vụ trình vẽ như: mypoint, myrect, t Các biến truyền vào từ bên ngồi lớp thơng qua thuộc tính Ví dụ để truyền vào đối tượng RectangleF, ta có thuộc tính: private RectangleF Rect { get { return myrect; } set { myrect = value; } } Để vẽ đường trịn đồng tâm, ta có đoạn code sau: internal void DrawCircle() { SolidBrush sr = new SolidBrush(Color.Gold); mygraph.FillEllipse(sr, myrect.Height); myrect.X, myrect.Y, myrect.Width, //ve duong tron thu RectangleF rect1 = new RectangleF(); rect1.X = myrect.Width / + myrect.X; rect1.Y = myrect.Height / + myrect.Y; rect1.Width = * myrect.Width / 4; rect1.Height = * myrect.Height / 4; mygraph.DrawEllipse(Pens.Black, rect1); //ve duong tron thu //ve duong tron thu } Ở đây, mygraph đối tượng Graphics truyền vào Vẽ hai trục tọa độ X, Y internal void DrawXY() { //Ve he truc toa XY //ve hai truc toa mygraph.DrawLine(Pens.Black, myrect.X, myrect.Height / + myrect.Y, myrect.Width + myrect.X, myrect.Height / + myrect.Y); mygraph.DrawLine(Pens.Black, myrect.Width / + myrect.X, myrect.Y, myrect.Width / + myrect.X, myrect.Height + myrect.Y); //Danh dau diem chia tren truc for (int i = (int) myrect.Width / 2; i < (int)myrect.Width ; i += (int)myrect.Width / 16) { mygraph.DrawLine(Pens.Black, i + myrect.X, myrect.Height / + myrect.Y + , i + myrect.X, myrect.Height / - + myrect.Y); mygraph.DrawLine(Pens.Black, myrect.Width / + myrect.X - 2, i + myrect.Y, myrect.Width / + + myrect.X, i + myrect.Y); } for (int i = (int)myrect.Width / 2; i >= 0; i -= (int)myrect.Width / 16) { 81 mygraph.DrawLine(Pens.Black, i + myrect.X, myrect.Height / + myrect.Y + 2, i + myrect.X, myrect.Height / - + myrect.Y); mygraph.DrawLine(Pens.Black, myrect.Width / + myrect.X - 2, i + myrect.Y, myrect.Width / + myrect.X + 2, i + myrect.Y); } Font font = new System.Drawing.Font("Times New Roman", 10); mygraph.DrawString("4m", font, Brushes.Black, myrect.X - 20, myrect.Y + myrect.Height / 2); mygraph.DrawString("4m", font, Brushes.Black, myrect.Width + myrect.X, myrect.Y + myrect.Height / 2); mygraph.DrawString("4m", font, Brushes.Black, myrect.Width / + myrect.X, myrect.Y - 15); mygraph.DrawString("4m", font, Brushes.Black, myrect.Width/2 + myrect.X, myrect.Height + myrect.Y); } VI.2.3.4 Vẽ tia quét chuyển động Ta có hàm sau: internal void DrawRotate() { ClassPoint tam = new ClassPoint(); ClassPoint point = new ClassPoint(); SolidBrush solid = new SolidBrush(Color.FromArgb(100, Color.Red)); //SolidBrush solid1 = new SolidBrush(Color.FromArgb(200, Color.White)); float R = myrect.Width / 2; //toa tam tam.X = myrect.Width / + myrect.X; tam.Y = myrect.Height / + myrect.Y; float b = (float)(Math.PI / 180); point.X = (float)(myrect.Width / + R * Math.Cos(t * b)) + myrect.X; point.Y = (float)(myrect.Height / - R * Math.Sin(-t * b)) + myrect.Y; mygraph.FillPie(solid, myrect.X, myrect.Y, myrect.Width, myrect.Height, t, rotate); } Giá trị t truyền từ bên vào Để thực vẽ hình quạt chuyển động ta sử dụng đối tượng System.Timers.Timer Ta khai báo đối tượng Timer Thao tác với đối tượng mytimer ta thực : //Xu ly timer mytimer = new System.Timers.Timer(); mytimer.Interval = toc_do; mytimer.Elapsed += new System.Timers.ElapsedEventHandler (Mytimer_Elapsed); private void Mytimer_Elapsed(object sender, EventArgs e) { if (t < 361) t++; if (t > 360) t = 0; this.Invalidate(); } 82 Thuộc tính Interval đối tượng Timer mytimer cho biết sau khoảng thời gian toc_do kiện Elapsed gọi Tuy nhiên kiện Elapsed gọi ta cài đặt thuộc tính Enabled true gọi phương thức mytimer.Start(); VI.2.3.5 Vẽ đối tượng vật cản lên hình quét Khi nhận liệu ta tiến hành xử lý liệu để thị lên giao diện radar Ta tạo lớp ClassFile namespace My_Project để thực xử lý liệu nhận internal void ReadText(string s) { string[] a = s.ToString().Split('-'); string s1 = a[0].Trim(); string s2 = a[1].Trim(); R = (float)Convert.ChangeType(s1,typeof(float)); Angle = (float)Convert.ChangeType(s2, typeof(float)); } Hàm cho phép tách hai thông số khoảng cách R góc Angle từ liệu nhận Vẽ vật cản lên giao diện: internal void drawpoint(bool check) { float r; float angle; int width = 10; float a = (float)myrect.Width / 2; float b = (float)(myrect.Width )/ 8; SolidBrush mysolid = new SolidBrush(Color.FromArgb(150, Color.Blue)); SolidBrush mysolid1 = new SolidBrush (Color.Gold); for (int i = 0; i < my_arrayfile.Count; i++) { ClassFile classfile = new ClassFile(); classfile = (ClassFile)(my_arrayfile[i]); r = classfile.Distance; angle = classfile.Goc; ClassPoint mypoint = MyPoint(r, angle); RectangleF rect = new RectangleF(); rect.X = myrect.X + a + mypoint.X * b - 5; rect.Y = myrect.Y + a - mypoint.Y * b -5; rect.Width = rect.Height = width; if ((rect.X >= myrect.X) && (rect.X = myrect.Y) && (rect.Y = 3) { width = 20; mygraph.FillEllipse(mysolid, rect); } else { mygraph.FillEllipse(mysolid, rect); } } } else { //khong hien thi du lieu mygraph.FillEllipse(mysolid1, rect); DrawCircle(); DrawXY(); DrawRotate(); } } } internal ClassPoint MyPoint(float r,float angle) { ClassPoint point; float pi = (float)(Math.PI / 180); float x = (float)(r * Math.Cos(angle * pi));//do dai x float y = (float)(r * Math.Sin(angle * pi));//do dai y point = new ClassPoint(x, y); return point; } VI.3 Thiết kế khung truyền liệu Mô đun đo khoảng cách (1) RS232 Mơ đun điều khiển (2) Mơ đun động lực quay dàn cảm biến (3) USB Phần mềm tạo ảnh chạy PC (4) Ghép nối khí Ghép nối điện Hình VI.3 Sơ đồ khối mơ hình thử nghiệm Hệ thống phần cứng có nhiệm vụ thu thập cung cấp liệu cần thiết cho việc tái tạo ảnh hệ thống SONAR Quá trình tái tạo ảnh đòi hỏi liệu nhiều chiều truyền liên tục ổn định Vì vậy, việc truyền thông liệu 84 mô đun hệ thống công việc quan trọng Căn vào sơ đồ khối mơ hình thử nghiệm, ta thấy có hai kết nối liệu chính: − Dữ liệu kết nối mơ đun đo khoảng cách mơ đun điều khiển chính, − Dữ liệu kết nối mơ đun điều khiển máy tính PC VI.3.1 Truyền liệu mơ đun đo khoảng cách mơ đun điều khiển VI.3.1.1 Các liệu cần truyền Các liệu cần truyền hai mô đun (1) (2) cho bảng VI.1 Bảng VI.1 Dữ liệu truyền mô đun đo mơ đun điều khiển Dữ liệu hay lệnh STT Chiều truyền Kích hoạt lần đo (2)  (1) Số lượng cảm biến sử dụng (2)  (1) Khoảng cách trả cảm biến (1)  (2) Khoảng cách trả cảm biến (*) (1)  (2) Khoảng cách trả cảm biến (*) (1)  (2) (*) Cảm biến đo khoảng cách số số thêm vào bố trí hợp lý để xác hóa kết đo đạc Việc kích hoạt đo điều khiển số lượng cảm biến sử dụng lệnh, truyền bit đơn lẻ byte Các liệu khoảng cách bình thường số có dải giá trị từ – 500 (ứng với 1cm 500cm phạm vi đo cảm biến) Tuy nhiên đề tài này, giới hạn phạm vi đo mơ hình thử nghiệm 2.5m nên liệu khoảng cách trả số có dải từ – 250 Ta quy ước giá trị ứng với tình cảm biến không phát vật cản xuất phạm vi 2.5m Vậy giá trị khoảng cách có dải từ – 250, dải giá trị hồn tồn mã hóa với byte liệu VI.3.1.2 Một số quy định chung − Ngoại trừ liệu, tin tập hợp ký tự số để tiện cho trình debug − Cấu trúc chung message thông thường bố trí sau: 85 Mở khung Loại khung Dữ liệu (nếu có) Dự trữ Check sum Đóng khung ký tự ký tự 1-3 byte ký tự ký tự ký tự $ # − Do tốc độ truyền thông tin không yêu cầu tốc độ cao phải đảm bảo độ xác nên tốc độ bit chọn là 9600 bps − Một message quy ước bắt đầu ký tự “$” kết thúc ký tự “#” Việc tính tốn check-sum thực đơn giản cách cộng tràn tất ký tự truyền khung ngoại trừ ký tự mở khung đóng khung VI.3.1.3 Định dạng khung truyền Căn vào quy tắc chung đặt liệu cần truyền, ta quy ước khung truyền liệu sau: − Kích hoạt lần đo: $ S CS # CS # CS # CS # − Sử dụng cảm biến: $ − Sử dụng cảm biến: $ − Sử dụng cảm biến: $ − Khoảng cách trả sử dụng cảm biến $ DATA CS # − Khoảng cách trả sử dụng cảm biến $ DATA + CS # − Khoảng cách trả sử dụng cảm biến $ DATA + + 86 CS # VI.3.2 Truyền liệu mô đun điều khiển máy tính PC VI.3.2.1 Các liệu cần truyền Các liệu cần truyền mô đun điều khiển (2) máy tính PC (4) cho bảng VI.2 Bảng VI.2 Dữ liệu truyền mô đun điều khiển máy tính PC Dữ liệu hay lệnh STT Chiều truyền Bắt đầu hoạt động (4)  (2) Chuẩn hóa vị trí (4)  (2) Chế độ hoạt động (4)  (2) Sẵn sàng hoạt động (2)  (4) Dữ liệu khoảng cách góc (2)  (4) Dữ liệu truyền từ (4) đến (2) lệnh nên sử dụng bit đơn lẻ byte để mã hóa Các liệu khoảng cách phân tích mục trước có dải từ – 250, dải giá trị hồn tồn mã hóa với byte liệu Động bước sử dụng có bước góc 1.80 ta cần 200 bước để quay hết vòng (3600) Việc truyền liệu góc hướng (360 giá trị) thay việc truyền số bước góc (200 giá trị) để sử dụng gọn byte VI.3.2.2 Một số quy định chung − Ngoại trừ liệu, tin tập hợp ký tự số để tiện cho trình debug − Cấu trúc chung message thơng thường bố trí sau: Mở khung Loại khung Dữ liệu (nếu có) Dự trữ Check sum Đóng khung ký tự ký tự 1-4 byte ký tự ký tự ký tự $ # − Do tốc độ truyền thông tin không yêu cầu tốc độ cao phải đảm bảo độ xác nên tốc độ bit chọn là 9600 bps 87 − Một message quy ước bắt đầu ký tự “$” kết thúc ký tự “#” Việc tính tốn check-sum thực đơn giản cách cộng tràn tất ký tự truyền khung ngoại trừ ký tự mở khung đóng khung VI.3.2.3 Định dạng khung truyền Căn vào quy tắc chung đặt liệu cần truyền, ta quy ước khung truyền liệu sau: − Bắt đầu hoạt động: $ S CS # I CS # − Chuẩn hóa vị trí: $ − Chế độ hoạt động: $ M 1/2/3/4 CS # − Sẵn sàng hoạt động: $ Y/N CS # − Dữ liệu khoảng cách góc sử dụng cảm biến $ DIS STEP CS # − Dữ liệu khoảng cách góc sử dụng cảm biến $ DIS + STEP CS # CS # − Dữ liệu khoảng cách góc sử dụng cảm biến $ DIS + + STEP VI.4 Một số kết thử nghiệm Sau trình thiết kế, chế tạo thử nghiệm lý thuyết thực tế Tác giả thu số kết khả quan thể hình từ VI.4 đến hình VI.7 Với búp sóng nguyên thủy cảm biến, khả phát mục tiêu tốt với vật cản xa, nhiên khả phân biệt mục tiêu lại Hiện tại, phương pháp kết hợp nhiều cảm biến mục III.5 chương III (hình VI.4), tác giả thử nghiệm mơ hình với cảm biến cải tiến cho kết đáng ghi nhận Bằng cách kết hợp cảm 88 biến này, búp sóng cảm biến thu hẹp nhiều hình VI.7 Việc thu hẹp búp sóng phải trả giá suy giảm đáng kể cự ly đo Điều tác giả tiếp tục tìm cách khắc phục phát triển Hình VI.4 Ghép cảm biến siêu âm để thu hẹp búp sóng (a) Cảm biến gốc (b) Bộ cảm biến Hình VI.5 Ghép cảm biến siêu âm để thu hẹp búp sóng so với cảm biến gốc 89 Hình VI.6 Giao diện phần mềm chỉnh thông số kết nối tới máy tính PC Hình VI.7 Màn hình SONAR hoạt động vật cản phát 90 KẾT LUẬN Kết đạt Sau trình nghiên cứu lý thuyết, đề xuất thuật toán, thử nghiệm mơ hình thật, học viên hồn thành luận văn với kết sau: − Nghiên cứu trình bày lý thuyết tín hiệu nhiều chiều − Lựa chọn ứng dụng xử lý tín hiệu nhiều chiều điển hình: Tạo ảnh hệ thống SONAR − Nghiên cứu trình bày số lý thuyết liên quan đến hệ thống SONAR như: Nguyên lý đo khoảng cách, sóng siêu âm, cảm biến siêu âm đo khoảng cách − Đo đạc thực tế, thu thập số liệu xây dựng mẫu hình chùm sóng siêu âm cảm biến siêu âm SRF05 với vật mẫu có đường kính khác − Đề xuất thuật toán tái tạo ảnh cho hệ thống SONAR đơn giản đề xuất cấu hình thử nghiệm thực tế gồm: Phần cứng (hệ cảm biến quay) phần mềm (tạo ảnh) − Thiết kế, chế tạo chạy thử đạt kết tốt mạch điện phần cứng − Thiết kế, lập trình chạy thử đạt kết tốt với phần mềm cho IC vi điều khiển với phần mềm tạo ảnh chạy máy tính PC − Bước đầu ghép nối tồn hệ thống: thuật toán, phần mềm phần cứng để tạo nên thiết bị SONAR đơn giản cho kết khả quan tính tốn ban đầu: o Phát định vị vật cản có diện tích phản xạ sóng siêu âm hiệu dụng lớn diện tích phản xạ sóng siêu âm hiệu dụng đĩa trịn có bán kính 5cm o Chỉ phát vật cản gần nằm búp sóng cảm biến Các vật cản phía sau coi rơi vào vùng mù phát hiện, đo đạc 91 o Sử dụng cảm biến SRF05 đo khoảng cách với tần số sóng siêu âm sử dụng 40kHz o Dải đo: 10 cm đến 250 cm o Góc quét: 3600 liên tục o Tốc độ quét: ~0.05 vòng / giây (quét vòng 20 giây) Kết luận chung Với kết đạt được, luận văn hoàn thành tốt mục tiêu đề ban đầu như: − Nghiên cứu lý thuyết, − Đề xuất thuật toán mơ hình mới, − Thiết kế, chế tạo, thử nghiệm đo đạc cho kết tốt Kết đo đạc phản ánh nghiên cứu lý thuyết trước minh chứng cho thuật tốn đề xuất Ngồi ra, luận văn cịn số tồn cần đầu tư nghiên cứu tiếp tục giải như: Vùng mù nằm sau vật cản, đồng liệu phần mềm với phần cứng, tăng độ phân giải để phân biệt hai vật cản nằm gần Hướng phát triển đề tài đề xuất Đề tài nghiên cứu luận văn đề tài hay đòi hỏi đầu tư lớn thời gian, trí tuệ tiền bạc để đưa ứng dụng thực tế Vì vậy, việc nghiên cứu đề tài cần chia thành bước mô đun để tiện kế thừa, bổ xung phát triển Với kết nghiên cứu vừa qua, bước đề tài việc giải vấn đề tồn như: − Vấn đề xử lý vùng mù nằm sau vật cản − Vấn đề giảm độ rộng búp sóng để tăng khả phân biệt vật cản − Tăng thêm cảm biến để dựng ảnh 3D không gian xung quanh Mặt khác, việc tối ưu mạch điện đo đạc, thuật toán điều khiển tối ưu phần mềm yêu cầu cần đầu tư nghiên cứu để đảm bảo tính xác độ tin cậy phép đo 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] L.T Bruton (1994) MD Signal Processing pp 27-54 [2] Taylor Williams (2011) SONAR Imaging using Compressive Sensing Electrical and Computer Engineering The Ohio State University pp 2-7 [3] Magnus Borga (1998) Learning Multidimensional Signal Processing Department of Electrical Engineering Linkoping University S-581 83 Linkoping Sweden [4] Mathew A Herman, Thomas Strohmer High-Resolution Radar via Compressed Sensing [5] Cesar F Caiafa, Andrzej Cichocki (2012) Computing Sparse Representations of Multidimensional Signals Using Kronecker Bases Neural Computation Journal, MIT Press [6] Dhananjay V.Gadre - Programming And Customizing The Avr Microcontroller [7] Atmel Corporation (2003) Efficient C Coding for AVR [Online] Available: http://www.atmel.com [8] Atmel Corporation (2007) ATmega128 http://www.atmel.com 93 [Online] Available: ... giản tín hiệu nhiều chiều, xử lý tín hiệu nhiều chiều thử nghiệm ứng dụng Cụ thể, luận văn hướng tới: − Nghiên cứu lý thuyết tín hiệu nhiều chiều − Lựa chọn nghiên cứu ứng dụng cụ thể: Ứng dụng tạo... Để cụ thể hóa nghiên cứu ứng dụng xử lý tín hiệu nhiều chiều, ta sâu nghiên cứu vấn đề tạo ảnh cho hệ thống SONAR Đây ứng dụng đặc trưng cho trình xử lý tín hiệu nhiều chiều (2 đến chiều tùy theo... việc xử lý tín hiệu nhiều chiều Xử lý tín hiệu nhiều chiều khơng phải khái niệm mẻ Tuy nhiên lĩnh vực rộng phức tạp nên việc đầu tư nghiên cứu cần thiết Các nghiên cứu vấn đề xử lý tín hiệu nhiều