ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Vương Đạo Nghệ

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CẢM BIẾN VẬN TỐC GÓC
TRONG VIỆC DẪN ĐƯỜNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Điện tử - Viễn thông

HÀ NỘI - 2005


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Vương Đạo Nghệ

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CẢM BIẾN VẬN TỐC GÓC
TRONG VIỆC DẪN ĐƯỜNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Điện tử - Viễn thông
Cán bộ hướng dẫn: GS.TSKH. Nguyễn Phú Thuỳ

HÀ NỘI - 2005


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo: GS.TSKH

Nguyễn Phú Thuỳ, người đã vạch ra con đường và tận tình hướng dẫn cho em hoàn thành
được khoá luận tốt nghiệp này. Em xin cảm ơn các thầy, các cô trong trường Đại học
Công Nghệ đã dạy bảo và trang bị cho em những kiến thức trong suốt thời gian qua.
Đề tài này cũng không thể có được những kết quả như ngày hôm nay nếu không
có được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy, các anh trong phòng thí nghiệm. Em xin bày tỏ
lòng cảm ơn tới TS. Nguyễn Thăng Long, TS. Chử Đức Trình, CN Bùi Thanh Tùng, cùng
các thầy, các anh trong bộ môn “Vi cơ điện tử và vi hệ thống”. Em xin cảm ơn TS.
Nguyễn Văn Chúc - phân viện trưởng PV1/ Viện Tên Lửa đã tạo điều kiện cho em trao
đổi, học hỏi và có những góp ý quý báu.
Cuối cùng, em xin gửi tới gia đình, bạn bè sự biết ơn về những quan tâm, động
viên và cổ vũ giúp em vượt qua được các khó khăn để hoàn thành khoá luận này.
Hà nội, tháng 6 năm 2005
Sinh viên thực hiện

Vương Đạo Nghệ


Tóm tắt nội dung
Đề tài nghiên cứu sử dụng cảm biến vận tốc góc ADXRS150 trong việc dẫn
đường. Trước hết đề tài tìm hiểu các phương pháp dẫn đường trong thực tế. Chỉ ra một số
hạn chế của phương pháp dẫn đường thông dụng là sử dụng các hệ dẫn đường vệ tinh như
GPS, GLONASS v.v…Trên cơ sở đó nêu ra khả năng sử dụng cảm biến vận tốc góc trợ
giúp hệ dẫn đường vệ tinh hoặc sử dụng cảm biến vận tốc góc độc lập với hệ dẫn đường
vệ tinh trong một số ứng dụng riêng biệt. Sau đó chỉ ra sự so sánh và đi tới lựa chọn loại
cảm biến vận tốc góc được nghiên cứu sử dụng trong đề tài.
Đề tài đã thực hiện một loạt các xây dựng và phát triển hệ thống nhằm phục vụ
cho việc đánh giá cảm biến như: về phần cứng, xây dựng hệ chuẩn cảm biến, mạch đánh
giá cảm biến, mạch ghép nối giao tiếp giữa cảm biến với máy tính từ xa v.v…; về phần
mềm: viết phần mềm nhúng cho các vi xử lý, phần mềm thu thập và xử lý dữ liệu trên
máy tính có xử lý đồ hoạ, vẽ đồ thị và giao diện tiếng Việt v.v…Từ đó thực hiện một số

thí nghiệm nhằm đánh giá các thông số và đặc trưng của cảm biến ADXRS150, nêu ra các
nhận xét và đưa ra các giải pháp nhằm nâng cao khả năng sử dụng cảm biến. Từ những
nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm, nêu ra cách sử dụng cảm biến vận tốc góc cho
bài toán định hướng và giữ hướng bay cho máy bay.


Nội dung
Phần 1 Lý thuyết……………………………………………………………………

3

Chương 1. Khái quát về các phương pháp dẫn đường……………………….….

3

1.1 Phương pháp dẫn đường dùng GPS………………………………………...

3

1.1.1 Khái niệm về GPS...............................................................................

3

1.1.2 Nguyên tắc dẫn đường của GPS…………………………... …………

5

1.1.3 Khi nào GPS gặp hạn chế………………………………......................

6


1.2 Phương pháp dẫn đường sử dụng cảm biến vận tốc góc………....................

8

1.2.1 Các loại cảm biến vận tốc góc và so sánh…………………………….

9

1.2.2 Cảm biến vận tốc góc ADXRS150……………………………………

11

1.2.3 Sử dụng cảm biến vận tốc góc ADXRS150 trong bài toán dẫn đường

16

Phần 2 Thực nghiệm………………………………………………………………

19

Chương 2. Hệ chuẩn cảm biến và thành phần thiết bị đo cảm biến vận tốc góc

19

2.1 Xây dựng hệ chuẩn cảm biến……………………………………….............

19

2.1.1 Khái niệm và ý nghĩa của hệ chuẩn cảm biến……………...................


19

2.1.2 Mô tả hệ chuẩn cảm biến và phương pháp xây dựng…………………

19

2.2 Xây dựng hệ cảm nhận vận tốc góc………………………………………

31

2.2.1 Thiết kế và chế tạo bản mạch Evaluation Board………………….....

31

2.2.2 Thiết kế và chế tạo hệ cảm nhận vận tốc góc…………………………

33

2.3 Các phương pháp xử lý tín hiệu………………………………………..…...

38

2.3.1 Các phương pháp tính góc từ vận tốc góc…………………………….

38

2.3.2 Phương pháp xử lý sự trôi điểm “0”……………………… ….............

40


Chương 3. Đo đặc trưng cảm biến vận tốc góc và bình luận kết quả………..….

41

3.1 Thí nghiệm đo góc sử dụng cảm biến vận tốc góc ADXRS 150 ……..……

41

3.1.1 Mô tả thí nghiệm……………………………………………………...

41

3.1.2 Kết quả đo và xử lý số liệu…………………………….......................

42

3.2 Đánh giá kết quả thí nghiệm hướng phát triển tiếp theo……..............

48

Kết luận …………………………………………………………………………………….

50


Tài liệu tham khảo……………………………………………………………...........

51


Phụ lục……………………………………………………………………………….

52


VƯƠNG ĐẠO NGHỆ

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

MỞ ĐẦU
Các hoạt động thực tế sử dụng các dịch vụ dẫn đường là vô cùng phong phú.
Nó không chỉ dừng lại ở các mục đích dân sự mà còn trong cả các hoạt động quân sự,
quốc phòng, hàng không vũ trụ. Có thể thấy từ mức độ cá nhân như những người du
lịch, những nhà thám hiểm, leo núi, đến nhóm sử dụng lớn như những công ty tàu bè,
những hãng hàng không hay rộng hơn nữa là ở quy mô quốc gia, tất cả ngày nay đều
đang phải phụ thuộc vào các hệ thống dẫn đường lớn như GPS, GLONASS,
GALILEO v.v…Tuy nhiên sự lệ thuộc ấy đang bộc lộ khá nhiều nhược điểm như chi
phí xây dựng vô cùng tốn kém, sự mất ổn định do tầm hoạt động rộng lớn phụ thuộc
nhiều vào yếu tố môi trường, không có khả năng chủ động về độ chính xác. Đặc biệt là
khi các hệ thống này chỉ thuộc quyền sở hữu của một vài quốc gia riêng lẻ.
Khi công nghệ vi cơ phát triển mạnh đã mở ra một lối thoát cho vấn đề này. Nó
cho ra đời các cảm biến có kích thước siêu nhỏ và nhẹ với độ chính xác và độ nhạy rất
cao. Không những thế sự phát triển rầm rộ của công nghiệp chế tạo linh kiện vi cơ
điện tử làm cho mặt hàng này trở thành phổ biến với giá thành rẻ. Chính vì thế các xu
hướng mới trên thế giới là tích hợp các thiết bị quán tính (IMU) vào các phương tiện
chuyển động để nâng cao độ chính xác, giúp người sử dụng chỉ còn lệ thuộc một phần
hoặc không còn lệ thuộc vào các hệ thống dẫn đường vệ tinh nữa.
Trong khi trên thế giới người ta đã làm quen với việc sử dụng cảm biến vận
tốc góc vào các bài toán dẫn đường khác nhau ngay trong những câu lạc bộ không
chuyên nghiệp như câu lạc bộ điều khiển bay, các câu lạc bộ thi đấu robot, các câu lạc

bộ điện tử nghiệp dư v.v…thì ở Việt Nam việc nghiên cứu về cảm biến vận tốc góc
cho bài toán dẫn đường vẫn chưa hoàn toàn phổ biến, đặc biệt là ở quy mô dân sự. Một
minh chứng rõ ràng là trong quá trình làm đề tài này tác giả đã phải làm hầu hết các
công đoạn mang tính chất phát triển hệ thống, các tài liệu được sử dụng hầu hết là các
tài liệu mới trong 1, 2 năm gần đây bằng tiếng Anh. Ngoài ra việc trao đổi về kinh
nghiệm chế tạo, các vấn đề về thiết kế, sử dụng v.v… đều phải trao đổi với các bạn
nước ngoài.
Từ thực tế trên cho thấy việc có những nghiên cứu ứng dụng cảm biến vận tốc
góc ở Việt Nam là một việc làm cần thiết. Nó giúp chúng ta có thể tiếp cận với những
phương pháp tiên tiến nhất trong lĩnh vực dẫn đường. Những hiểu biết này giúp ta làm
chủ được hệ thống của mình một cách độc lập.
Đề tài này tập trung nghiên cứu cảm biến vận tốc góc ADXRS150 là trái tim
của các hệ thống dẫn đường quán tính. Nó cho phép xác định hai thông số cơ bản
trong bài toán dẫn đường là vận tốc góc và góc quay. Để làm chủ được cảm biến vận
1


VƯƠNG ĐẠO NGHỆ

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

tốc góc cần có các phương tiện xác định các đặc trưng hoạt động của cảm biến. Hệ
chuẩn cảm biến vận tốc góc là một trong những mục tiêu đã được thực hiện trong
phạm vi của đề tài. Ngoài ra tác giả còn chế tạo bản mạch thử để ghép nối cảm biến
với mạch xử lý tín hiệu thay cho việc nhập bản mạch với giá thành từ 50 – 80 $. Các
kết quả khác của đề tài là viết chương trình phần mềm xử lý tín hiệu và vẽ đồ thị giao
diện người sử dụng trên máy tính, nghiên cứu các phương pháp xử lý nhiễu, phần mềm
nhúng cho các vi xử lý hoạt động tốt theo nhiệm vụ định trước, các phương pháp tính
tích phân cũng được thực hiện và so sánh. Cuối cùng là các đánh giá kết quả đo và đề
xuất phương hướng phát triển tiếp theo.


2


VƯƠNG ĐẠO NGHỆ

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Phần I Lý thuyết
Chương 1: Khái quát về các phương pháp dẫn đường
Phần đầu tiên của chương này tác giả sẽ giới thiệu về phương pháp dẫn đường
phổ biến là dẫn đường dùng hệ thống dẫn đường vệ tinh. Phân tích cụ thể nguyên lý
dẫn đường của hệ thống dẫn đường vệ tinh điển hình là GPS, từ đó chỉ ra một số hạn
chế của phương pháp này để trên cơ sở đó chỉ ra yêu cầu và khả năng sử dụng cảm
biến vận tốc góc hỗ trợ hoặc dùng tách biệt với GPS trong một số ứng dụng dẫn
đường.
1.1 Phương pháp dẫn đường dùng GPS
1.1.1 Khái niệm về GPS
GPS viết tắt của The Global Positioning
System, là hệ thống định vị toàn cầu được xây
dựng bởi bộ quốc phòng Mỹ. Đầu tiên nó chỉ
được sử dụng cho các mục đích quân sự. Cho đến
những năm 1980 GPS được mở rộng cho những
mục đích dân sự.
GPS là hệ thống định vị toàn cầu bao gồm một hệ
thống các vệ tinh liên tục truyền đi các thông tin
được mã hoá giúp xác định chính xác vị trí của
một vật xác định trên Trái Đất bằng cách đo
khoảng cách từ vệ tinh.(1)
Hình 1. Hệ thống GPS


GPS bao gồm 3 thành phần chính: thành phần không gian bao gồm các vệ tinh, thành
phần điều khiển là các trạm mặt đất, và thành phần người sử dụng gồm có người sử
dụng và bộ thu tín hiệu GPS.
Thành phần không gian
Thành phần không gian gồm tổng cộng 24 vệ tinh là trái tim của toàn bộ hệ
thống. Các vệ tinh chuyển động trên “quĩ đạo cao” cách mặt đất khoảng 19,300 km.
Với độ cao như vậy, cho phép tín hiệu của mỗi vệ tinh có thể che phủ một vùng rộng
lớn trên trái đất. Các vệ tinh được bố trí trên quĩ đạo của chúng sao cho một máy thu
GPS trên mặt đất có thể “nhìn thấy” tối thiểu 4 vệ tinh vào bất kỳ thời điểm nào. Các
vệ tinh hoàn thành 2 vòng quĩ đạo trong vòng một ngày đêm. Các vệ tinh sử dụng

1

GPS Guide for Beginner

3


VƯƠNG ĐẠO NGHỆ

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

năng lượng mặt trời, và được trang bị ắc qui để hoạt động khi bị che khuất hoặc nhật
thực v.v… Ngoài ra, còn có các tên lửa đẩy nhỏ để điều chỉnh quĩ đạo khi cần.

Hình 2. Các thành phần của hệ thống GPS

Vệ tinh đầu tiên được phóng vào năm 1978 và hoàn chỉnh với 24 quả vào năm
1994. Tín hiệu truyền từ vệ tinh với công suất cực kỳ thấp trên một vài tần số (được

gọi là L1, L2, v.v…) Máy thu dân dụng chỉ thu được tín hiệu trên tần số L1 = 1575.42
MHz. Tín hiệu được truyền theo đường thẳng có khả năng xuyên qua mây, thuỷ tinh
và nhựa v.v… nhưng không xuyên qua được hầu hết các chất rắn khác như bê tông,
thép, đất đá v.v...
Để so sánh, ta lấy ví dụ các đài phát thanh FM có tần số từ 88 đến 108 MHz,
(đài tp HCM là 99.9 MHz, đài Hà Nội là 104.5 MHz, còn Bình Dương là 92.5 MHz).
Công suất của các đài phát vào khoảng 100 ngàn wát (đài FM tp HCM có công suất 20
KW, các đài phát khác ở Việt Nam có công suất từ 1 KW đến 500 KW, trong khi đó
tín hiệu từ vệ tinh chỉ có 20 – 50 wát mà thôi. Ta thử tưởng tượng máy thu phải lắng
nghe tín hiệu có công suất 50 wát từ khoảng cách 19300 km !!! Đó là lý do tại sao
cường độ tín hiệu máy thu GPS nhận được phụ thuộc rất nhiều vào độ “quang đãng”
của bầu trời. (2)
Thành phần điều khiển
Thành phần điều khiển có nhiệm vụ dõi theo các vệ tinh và cung cấp thông tin
chính xác về quỹ đạo và thời gian. Có tất cả 5 trạm điều khiển trên toàn thế giới. Bốn
trạm làm trạm giám sát tự động và một trạm còn lại là trạm chủ. Bốn trạm nhận tự
động sẽ đều đặn nhận dữ liệu từ các vệ tinh và sau đó gửi thông tin này đến trạm chủ.

2

http://ttvnol/forums/kythuatquansunuocngoai/gps

4


VƯƠNG ĐẠO NGHỆ

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Trạm chủ sau đó hiệu chỉnh các thông tin vệ tinh rồi cùng với 2 hệ thống dàn ăngten

gửi trả lại thông tin cho các vệ tinh.
Thành phần người sử dụng
Thành phần người sử dụng chỉ đơn giản là người sử dụng cùng với bộ thu
nhận tín hiệu GPS. Người sử dụng GPS là những thành phần rất đa dạng, từ thuỷ thủ,
phi công, người leo núi, nhà thám hiểm, khách du lịch, thợ săn, quân đội, hay bất cứ ai
cần biết mình đã đi đâu và đang đi tới đâu.
1.1.2 Nguyên tắc dẫn đường của GPS
Ta sẽ tìm hiểu cách GPS xác định vị trí như thế nào.
Để thực hiện tính toán về vị trí, máy thu GPS phải biết ít nhất hai thông số.
1. Vị trí của ít nhất ba vệ tinh
2. Khoảng cách giữa máy thu GPS và từng vệ tinh
Bằng cách phân tích sóng điện từ tần số cao, công suất cực thấp phát từ các vệ tinh,
máy thu GPS tính toán ra được hai thông số trên. Máy thu loại xịn có thể thu nhận tín
hiệu của nhiều vệ tinh đồng thời. Sóng radio chuyển động với vận tốc ánh sáng, tức là
khoảng 300 ngàn km/giây trong chân không. Máy thu có thể tính toán được khoảng
cách dựa vào thời gian cần thiết để tín hiệu đến được máy thu. Sau đây, chúng ta sẽ
tìm hiểu máy thu và các vệ tinh đã hoạt động cùng nhau như thế nào để đo các khoảng
cách này. Đây là một quá trình khá phức tạp. Vào một thời điểm nào đó, giả sử vào lúc
0 giờ, một vệ tinh bắt đầu truyền một chuỗi tín hiệu dài, được gọi là mã ngẫu nhiên
giả. Máy thu cũng bắt đầu tạo ra chuỗi mã giống hệt vào cùng thời điểm. Khi tín hiệu
từ vệ tinh truyền đến máy thu, chuỗi tín hiệu đó sẽ bị trễ một chút so với chuỗi do máy
thu tạo ra. Chiều dài khoảng thời gian trễ này chính là thời gian truyền của tín hiệu từ
vệ tinh. Máy thu nhân thời gian này với tốc độ ánh sáng để xác định quãng đường
truyền tín hiệu. Giả sử rằng tín hiệu truyền trên đường thẳng, đây chính là khoảng cách
từ vệ tinh đến máy thu. Để thực hiện phép đo này, chúng ta phải chắc chắn là đồng hồ
trên vệ tinh và trong máy thu phải đồng bộ với nhau. Một sai số 1 mili giây sẽ dẫn đến
sai số là 300 ngàn mét. Do đó, độ chính các tối thiểu cho các máy thu phải là cỡ nano
giây. Để có độ chính xác như vậy, phải trang bị đồng hồ nguyên tử cho không chỉ các
vệ tinh mà còn cả các máy thu. Giá của đồng hồ nguyên tử khoảng 50 đến 100 ngàn
đô.

Các vệ tinh của GPS được phóng lên trên quỹ đạo sao cho tại thời điểm bất kỳ,
ở một điểm bất kỳ trên mặt đất đều có thể được “nhìn thấy” bởi tối thiểu 4 vệ tinh.
Mỗi vệ tinh sẽ xác định được khoảng cách từ nó đến điểm cần xác định sau khi nhân
5


VƯƠNG ĐẠO NGHỆ

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

thời gian truyền sóng tới điểm đó với vận tốc của sóng. Như vậy đối với mỗi vệ tinh
thì điểm cần xác định sẽ nằm ở đâu đó trên một mặt cầu có tâm là vệ tinh và bán kính
là khoáng cách đo được. Điểm cần xác định là giao điểm của cả 3 mặt cầu.
Ta đã biết rằng 2 mặt cầu cắt nhau
theo một đường tròn. Đường tròn
này giao với mặt cầu thứ ba tại
nhiều nhất 2 điểm. Trong 2 điểm
này sẽ có một điểm thuộc mặt cầu
là bề mặt Trái Đất đã biết, nhờ đó
ta tìm được điểm cần xác định.
Vậy tại sao lại cần đến vệ tinh thứ
tư ? Câu trả lời là, theo cách xác
định ở trên ta mới xác định được
vị trí của một điểm trên bề mặt
Hình 3. Giao của hai mặt cầu có tâm là các vệ tinh
Trái Đất. Tuy nhiên để biết điểm
ấy có cao độ như thế nào, nghĩa là nó nằm cao bao nhiêu so với bề mặt Trái Đất thì
cần phải dùng đến vệ tinh thứ tư.

Hình 4. Xác định vị trí bằng GPS


1.1.3 Khi nào GPS gặp hạn chế ?
Những nhân tố có thể làm suy biến tín hiệu GPS và ảnh hưởng tới độ chính
xác bao gồm:

6


VƯƠNG ĐẠO NGHỆ

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

• Độ trễ của tầng điện ly và tầng đối lưu: Tín hiệu từ vệ tinh bị chậm đi khi nó đi
qua tầng khí quyển. Hệ thống GPS sử dụng mô hình bên trong có thể tính toán
độ trễ trung bình để hiệu chính từng phần loại lỗi này.
• Đa hướng tín hiệu: Xảy ra khi tín hiệu GPS bị phản xạ từ những vật thể như
những toà nhà cao tầng hay những bề mặt đá lớn trước khi nó đến bộ nhận tín
hiệu. Hiện tượng này làm tăng thời gian truyền của tín hiệu do đó gây ra sai số.

Hình 5. Lỗi chắn tín hiệu và lỗi sóng đa hướng
• Lỗi quỹ đạo: Còn được biết đến như lỗi thiên văn, đó là các báo cáo sai về vị trí
của vệ tinh.
• Số vệ tinh khả kiến: Bộ nhận tín hiệu GPS càng nhìn được nhiều vệ tinh thì độ
chính xác càng cao. Các công trình, vật cản thiên nhiên, nhiễu điện từ, hay thậm
chí đôi khi còn có thể là những tán cây rậm rạp có thể giam tín hiệu không cho
phép truyền tới bộ nhận gây ra lỗi vị trí hoặc hoàn toàn không xác định được vị
trí. Các thành phần của GPS thông thường không hoạt động trong nhà, dưới
nước hay dưới mặt đất.
• Bộ định thời của bộ nhận tín hiệu bị lỗi: Bộ định thời bên trong của mỗi bộ
nhận tín hiệu GPS không được chính xác bằng bộ định thời gắn trên các vệ tinh

GPS. Do đó nó có thể gây sai số.
• Sự che chắn hình học vệ tinh: Thuật ngữ này nói đến hiện tượng liên quan đến
vị trí tương đối của các vệ tinh trong bất kỳ thời điểm nào. Các vị trí hình học lý
tưởng của vệ tinh tồn tại khi các vệ tinh được sắp xếp sao cho góc nhìn tương
đối của chúng là lớn. Vị trí hình học tồi xảy ra khi các vệ tinh nằm thẳng hàng
hay nằm sát nhau.
• Gây suy biến tín hiệu GPS có chủ đích: Khả năng chọn lọc (Selective
Availability _ SA) là sự làm suy biến tín hiệu GPS có chủ đích bởi bộ quốc
phòng Mỹ. SA được tạo ra để tránh cho đối phương sử dụng độ chính xác cao
của GPS vào các mục đích quân sự. Chính phủ Hoa Kỳ đã bác bỏ SA từ tháng 5
7


VƯƠNG ĐẠO NGHỆ

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

năm 2000 giúp tăng đáng kể độ chính xác của bộ thu nhận tín hiệu GPS dân
dụng.
• Sai số của các máy cầm tay là khá cao. Để đạt được độ chính xác cỡ centimét
(cm) các máy thu tín hiệu GPS cần được trang bị đồng hồ nguyên tử. Những
máy độ chính xác cao như vậy lại có giá thành cỡ 4-5 nghìn đô la Mỹ.
• Một trở ngại nữa là bản đồ số của tổng cục địa chính Việt Nam sử dụng hệ toạ
độ vn2000 trong khi GPS lại không biết đến hệ toạ độ này.
Như vậy có thể thấy, mặc dù GPS có những khả năng rất ưu việt tuy nhiên nó
cũng bộc lộ một số hạn chế nhất định. Đặc biệt việc GPS chỉ thuộc quyển sở hữu của
Mỹ gây ra sự lệ thuộc lớn của các ứng dụng dẫn đường vào chính phủ Hoa Kỳ. Đòi
hỏi xây dựng một phương pháp dẫn đường chính xác và độc lập trở lên vô cùng cấp
bách đối với tất cả các quốc gia trên thế giới.
1.2 Phương pháp dẫn đường sử dụng cảm biến vận tốc góc

Để khắc phục những hạn chế của hễ dẫn đường vệ tinh, người ta nghĩ đến phương
pháp nào đó có thể cảm nhận sự chuyển động của thiết bị và cho phép xử lý ngay trên
thiết bị. Câu trả lời cho vấn đề này là các cảm biến quán tính. Cảm biến quán tính có
thể là cảm biến vận tốc góc hay cảm biến gia tốc. Bằng những đòi hỏi của mục đích
quân sự, những hệ cảm nhận quán tính (Inertial Measurement Unit - IMU) đã sớm có
mặt trên các tên lửa hành trình, đầu đạn thông minh v.v… Ở đây nó có nhiệm vụ liên
tục cảm nhận sự chuyển động, so sánh với tín hiệu cung cấp bởi GPS, làm các căn
chỉnh cần thiết để hướng dẫn vũ khí thông minh tìm chính xác mục tiêu.
Dần dần các cảm biến quán tính phát triển rầm rộ hơn, nhiều tính năng hơn và dễ khai
thác sử dụng hơn. Người ta bắt đầu làm quen nó cho những mục đích có tính dân sự.
Thậm chí việc sử dụng chúng độc lập với GPS trong một số ứng dụng là điều hoàn
toàn có thể.
Trên lý thuyết, khi biết vị trí ban đầu, biết được thời gian, vận tốc chuyển động và góc
quay, ta hoàn toàn có thể tính toán được vị trí hiện tại của vật thể. Các thông số ban
đầu ta hoàn toàn có thể làm chủ. Thông số cuối cùng ta có được nhờ sử dụng cảm biến
quán tính.

8


VƯƠNG ĐẠO NGHỆ

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Hình 6. Ví dụ dẫn đường dùng cảm biến vận tốc góc
Một trong những vấn đề mấu chốt trong bài toán dẫn đường là khả năng định
hướng, giữ hướng. Hai thông số cơ bản nhất để giải quyết vấn đề này là vận tốc góc và
góc dịch chuyển của đối tượng chuyển động. Điều thú vị là cả hai thông số này lại
hoàn toàn có thể được xác định chỉ nhờ cảm biến vận tốc góc. Cảm biến vận tốc góc
lại hoạt động hoàn toàn không phụ thuộc vào vị trí địa lý hay trọng lực của Trái Đất do

dựa trên nguyên lý cảm nhận lực Coriolis. Ngoài ra nó còn rất nhỏ gọn, có nhiều tùy
chọn về thông số và chức năng. Đây chính là những lý do quyết định giúp cho cảm
biến vận tốc góc trở thành trái tim của các hệ thống dẫn đường quán tính có trên tất cả
các loại tên lửa, vệ tinh, máy bay và phương tiện chuyển động hiện đại.
1.2.1 Các loại cảm biến vận tốc góc và so sánh
Trước sự phát triển của công nghệ vi cơ, các loại cảm biến ra đời ngày một
phong phú, đa dạng.Trong đó các chủng loại cảm biến vận tốc góc cũng được nhiều
nhà sản xuất khác nhau trên thế giới tập trung phát triển. Việc xây dựng những ứng
dụng dẫn đường trở lên chính xác và nhỏ gọn hơn bao giờ hết.
Sau đây sẽ giới thiệu một vài loại cảm biến vi cơ điện tử thông dụng và so sánh
các đặc điểm của chúng. Lấy hai loại cảm biến vận tốc góc phổ biến đem ra so sánh là:
Tokin CG-16D của hãng Tokin và ADXRS của hãng Analog Devices.

9


VƯƠNG ĐẠO NGHỆ

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Tokin CG-16D có dải đo là +/- 90 độ/s. Trong khi ADXRS có 2 loại với dải đo lần
lượt là +/-150 độ/s và +/-300 độ/s. Tuỳ vào mục đích sử dụng mà sự khác biệt này có
thể là quan trọng hay không quan trọng. Đối với những ứng dụng cân bằng cho robot
hay máy bay trực thăng thì đôi khi chỉ cần đến dải đo giao động trong một vùng hẹp
xung quanh góc 0 độ vì hiếm khi những thiết bị này hoạt động bình thường khi có độ
nghiêng đến hàng chục độ.
Cảm biến vận tốc góc ADXRS chỉ có dạng chân kiểu hàng bi tròn (BGA) trong
khi Tokin CG-16D thì dễ sử dụng hơn với kiểu thiết kế 2 hàng chân thông thường
(DIP). Tuy nhiên ADXRS lại có kích thước chỉ bằng 1/5 kích thước của cảm biến
Tokin. Và việc hàn dạng chân BGA thực sự có thể làm được ở phòng thí nghiệm (như

thực tế đã được thực hiện trong đề tài). Thêm vào đó Analog Devices cũng đưa ra sản
phẩm mạch Evaluation Board (mạch thử nghiệm) có dạng chân ra thông thường, trên
đó đã gắn cảm biến, để tăng thêm tuỳ chọn cho người sử dụng.
Hơn thế nữa, cảm biến Tokin không có các chân ra của cảm biến nhiệt độ cũng
như lối ra so sánh chuẩn. Điều này có thể là không quan trọng nếu sử dụng mạch lọc
Kalman để theo dõi sự trôi điểm “0”. Ngược lại nó lại có ý nghĩa nếu không dùng
mạch loc Kalman mà lại cần cân chỉnh ở mức độ chính xác cao, đo đạc có bù trừ…
Cảm biến ADXRS cảm nhận theo trục vuông góc với bề mặt. Cảm biến Tokin lại có
trục cảm nhận song song với bề mặt. Cần có 3 cảm biến vận tốc góc ADXRS để có thể
cảm nhận được đầy đủ cả 3 chiều trong không gian, trong khi nếu sử dụng Tokin chỉ
cần 2.
Đề tài này chọn nghiên cứu sử dụng cảm biến vận tốc góc ADXRS150 của
hãng Analog Devices. Do những ưu điểm vượt trội về kích thước, độ tích hợp, các
chức năng bổ trợ và giá thành mà ADXRS150 đã và đang trở thành sự lựa chọn của
nhiều đề tài, ứng dụng về dẫn đường và tự động hoá trên thế giới.
ADXRS150 có dải đo lớn (+/- 150 độ/s) sẽ thuận tiện khi được dùng cho các
ứng dụng cần xác định những vận tốc góc lớn như để loại trừ việc phương tiện chuyển
động ngoặt quá gấp.
Nhược điểm về cấu hình chân không phổ biến sẽ được khắc phục bằng việc
nghiên cứu thiết kế bản mạch Evaluation Board (Bản mạch thử hay mạch đánh giáEB). Đây là bản mạch có chức năng lọc tín hiệu, thiết lập các thông số kỹ thuật như độ
rông giải thông, độ nhạy, dải đo… Bản mạch Evaluation Board đã được thế kế và chế
tạo thành công trong quá trình thực hiện đề tài. Nó cho cấu hình 20 hàng chân theo
chuẩn DIP.

10


VƯƠNG ĐẠO NGHỆ

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG


1.2.2 Cảm biến vận tốc góc ADXRS150
Các đặc trưng
• Tích hợp hoàn chính con quay vi cơ lên
một đơn chip
• Cảm nhận theo trục Z
• Chống nhiễu dao động cao trên miền tần
số rộng
• Độ shock chịu đựng được đến 1000g
• Chế độ tự kiểm tra theo lệnh số
• Có lối ra cảm biến nhiệt
• Có lối ra điện thế so sánh chính xác
• Lổi ra vận tốc tuyệt đối cho các ứng
dụng chính xác
• Điện thế hoạt động là +5V
• Siêu mỏng và nhẹ (<150mm2, <1 gam)
Hình 7. Cảm biến vận tốc góc ADXRS150

Mô tả chung
Con quay vi cơ ADXRS chế tạo trên công nghệ iMEMS là thiết bị thương mại
đầu tiên trên thị trường có tích hợp cả cảm biến vận tốc góc và tất cả các mạch xử lý
tín hiệu cần thiết lên trên một đơn chip. Hãng Analog Devices có công nghệ hệ thống
vi cơ điện tử tích hợp (intergrated micro electro-mechanical system - iMEMS), dùng
quá trình vi cơ bề mặt để tạo lên con quay vi cơ có chức năng hoàn chỉnh. Nhờ đó con
quay vi cơ của họ trở nên nhỏ hơn, chính xác hơn, độ tin cậy cao hơn và có tính kinh tế
hơn so với các loại cảm biến vận tốc góc khác. Con quay vi cơ ADXRS được đóng gói
trên đế có kích thước 7x7x3 mm với thiết kế hàng chân kiểu hàng bi tròn (ball grid
array - BGA) và chỉ tiêu thụ dòng 5mA tại điện thế nuôi 5V.
Tín hiệu lối ra, RATEOUT (1B,2A) là điện thế tỉ lệ với vận tốc góc quanh trục
vuông góc với bề mặt cảm biến (Hình 7).


Hình 8. Tín hiệu lối ra tăng theo chiều quay thuận chiều kim đông hồ

11


VƯƠNG ĐẠO NGHỆ

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Trục cảm nhận của cảm biến là trục Z trong hệ toạ độ thông thường hay còn gọi
là trục quay trái phải. Cảm biến sẽ tạo ra điện áp dương ở lối ra nếu chuyển động quay
có chiều dương quanh trục cảm nhận. Nói cách khác, khi đó nhìn theo hướng từ trên
xuống bề mặt cảm biến, chiều quay thuận với chiều kim đồng hổ.
Có thể sử dụng một điện trở ngoài để giảm hệ số tỉ lệ. Tần số hoạt động cũng có
thể được thiết lập nhờ một tụ bên ngoài. Các tụ mắc thêm khác cần thiết cho hoạt động
được mô tả trong hình 8.

Hình 9. Ví dụ về mạch ghép nối

Các lối ra nhiệt độ và so sánh cũng được cung cấp cho các trường hợp dùng kỹ
thuật bù. Hai lối vào tự kiểm tra số kích thích cơ điện cho cảm biến nhằm kiểm tra
hoạt động của cả cảm biến và các mạch điều chỉnh tín hiệu.
Nguyên tắc hoạt động
Cảm biến vận tốc góc ADXRS150 hoạt động trên nguyên tắc con quay vi cơ
cộng hưởng. Hai cấu trúc cảm nhận polysilicon chứa khung dao động được cưỡng bức
dao động tĩnh điện. Nó tạo ra thành phần vận tốc cần thiết để tạo ra lực Coriolis khi có
chuyển động quay. Tại hai đầu cuối của khung, vuông góc với phương dao động là các
cấu trúc răng lược linh động gắn xen kẽ với các răng lược cố định để tạo lên cấu kiểu
trúc tụ dùng để cảm nhận chuyển động Coriolis. Tín hiệu tạo ra được đưa vào một loạt

các khối khuếch đại và giải điều chế để tạo ra tín hiệu lối ra dạng điện. Thiết kế lưỡng
sensor (cảm biến) để tránh rung động và ngoại lực tác dụng. Chế tạo cảm biến với
mạch xử lý tín hiệu bảo vệ tín hiệu khỏi môi trường nhiễu.
Điện áp hoạt động của bộ cộng hưởng tĩnh điện là 14 - 16V. Trong khi đó hầu
hết các ứng dụng thông thường sử dụng điện áp 5V, do đó trong chip được thiết kế
12


VƯƠNG ĐẠO NGHỆ

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

một “bơm” điện tích. Nếu có thể sử dụng nguồn nuôi 14 - 16V, hai tụ ở các chân CP1CP4 có thể được bỏ qua và nguồn nuôi lúc này nối vào chân CP5(chân 7D) với một tụ
100nF mắc thay vị trí của tụ 47nF.
Sau khối giải điều chế là một mạch lọc thông thấp bao gồm một trở nội 7k
(Rsen1) và một tụ mắc ngoài do người sử dụng mắc thêm (Cmid). Một tụ Cmid 100nF
sẽ tạo ra mạch lọc thông thấp tần số 400Hz và được dùng để giới hạn tác dụng của tần
số cao lên tầng khuếch đại sau cùng. Tụ hạn giải tần Cout có tác dụng giới hạn giải
thông (Hình 9).

Hình 10. Sơ đồ các khối bên trong ADXRS150 và các linh kiện mắc ngoài

Nối nguồn nuôi và nối đất
Để cảm biến ADXRS150 hoạt động bình thường chỉ nên sử dụng nguồn nuôi
thông thường, những nguồn nuôi lấy từ biến đổi DAC có nhiễu tần số cao và xung
kích gây ảnh hưởng đến hoạt động của thiết bị.
Hình 8 chỉ ra cách mắc nối ADXRS150, trong đó ta thấy cả chân AVCC và
PDD đều có tụ lọc riêng. Các tụ này nên mắc càng gần các chân tương ứng của cảm
biến càng tốt. Nó sẽ hạn chế nhiễu tạo ra bởi bộ “bơm” điện tích nuôi bởi chân PDD.
Ba tụ của mạch “bơm” điện tích mắc vào các chân CP1-CP5 cũng cần được mắc càng

gần các chân tương ứng càng tốt. Các tụ này dùng để tạo mức điện thế cao trên chip
thay đổi tại tần số rung động khoảng 15kHz. Cần lưu ý rằng dung kháng tổng cộng của
các tụ này không vượt quá 50pF. Sử dụng các tụ bề mặt với mức điện áp chịu đựng
trên 15V là thích hợp nhất.

13


VƯƠNG ĐẠO NGHỆ

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Thiết lập giải thông
Trên hình 9, các tụ ngoài Cmid và Cout được dùng tổ hợp với các trở trên chip để
tạo ra hai mạch lọc thông thấp, giới hạn dải tần của tần số đáp ứng của ADXRS150.
Tần số -3dB thiết lập bởi Rout và Cout cho bởi công thức:
f out =

1
2 ∗ ∏ ∗Rout ∗ C out

(1.1)

và có thể dễ dàng điều chỉnh khi biết Rout có giá trị là 180kΩ+/1%. Bất kỳ trở ngoài
nào mắc giữa hai chân RATEOUT(1B,2A) và SUMJ(1C,2C) sẽ tạo ra điện trở tương
đương cho bởi công thức:
Rout =

180 KΩ ∗ Rext
180 KΩ + Rext


(1.2)

Tần số -3dB tạo ra bởi Rsen (tổ hợp hai trở Rsen1 và Rsen2) thì khó điều khiển hơn
vì Rsen1 và Rsen2 được sử dụng để xác định độ nhạy vận tốc của cảm biến khi sản suất
và có sai số 35%. Mục đích chính của chúng là giới hạn tần số giải điều chế tạo ra từ
sự bão hoà tầng khuếch đại cuối cùng.
Mở rộng giải đo
Giải đo của một cảm biến vận tốc góc là giới hạn vận tốc góc mà cảm biến còn
có khả năng nhận biết chính xác. Tuy nhiên có thể mắc thêm điện trở ngoài để thay đổi
giải đo này. Việc mắc thêm điện trở ngoài phụ thuộc từng loại cảm biến vận tốc góc cụ
thể. Đối với ADXRS150 điêù này được quy định cụ thể như sau.
Giải đo của ADXRS150 có thể được mở rộng bằng cách thêm một trở ngoài
giữa hai chân RATEOUT(1B,2A) và SUMJ(1C,2C) tức là mắc song song với trở nội
Rout. Ví dụ, một trở bên ngoài có giá trị 330 KΩ tạo ra độ nhạy khoảng 8.1
mV/độ/giây và độ tăng tương ứng khoảng 50% toàn dải. Nó có thể mở rộng toàn giải
tới 4 lần (giá trị điện trở ngoài nhỏ nhất cho phép là 45 KΩ). Mặt trái của việc mở rộng
giải đo là sự gia tăng độ trôi điểm “0” lối ra (tương ứng với khoảng 2º/s theo nhiệt độ)
và sự hiệu chỉnh lại của độ trôi điểm “0” (xem phần hiệu chỉnh điểm “0”).
Lối ra nhiệt độ và hiệu chỉnh
Hiệu chỉnh nhiệt độ cảm biến để tăng cường độ chính xác chung là việc làm
thường thấy. Cảm biến vận tốc góc ADXRS150 có lổi ra điện thế tỉ lệ với nhiệt độ để
cung cấp cho những phương pháp hiệu chỉnh như vậy. Điện thế ra ở chân
TEMP(3F,3G) bình thường là 2.5V tại 27ºC và có đặc trưng tuyến tính (proportional
to absolute temperature - PTAT), tức là 8.4mV/ºC. Chú ý rằng dòng lối vào/ra giới hạn
đến 100 µa /50µa.

14



VƯƠNG ĐẠO NGHỆ

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Sử dụng kỹ thuật hiệu chỉnh 3 điểm có thể hiệu chỉnh độ trôi tới mức chính xác
khoảng 300 độ/giờ. Để đạt mức ổn định cao hơn, tức là độ trôi chỉ ở mức giá trị
khoảng 70 độ/giờ hay ít hơn thì phải sử dụng nhiều điểm hơn. Giới hạn giải tần của
thiết bị sẽ giảm được nhiễu flat-band trong suốt quá trình hiệu chỉnh, làm tăng độ
chính xác của phép đo tại mỗi điểm hiệu chỉnh.
Sử dụng ADXRS150 với Ratiometric ADC.
Tín hiệu lối ra của ADXRS150 là không tuyến tính, tức là cả điện áp điểm “0”
lẫn độ nhạy vận tốc đều tỷ lệ với nguồn cung cấp. Tuy nhiên các giá trị đó thường
không đổi đối với nguồn cung cấp một chiều dao động trong khoảng 4.75 đến 5.25V.
Nếu ADXRS150 được sử dụng với Ratiometric ADC, lối ra 2.5V của cảm biến có thể
được biến đổi ADC và được sử dụng trong chương trình phần mềm để căn chỉnh khi
có các rung động.
Điều chỉnh điểm “0”
Việc điều chỉnh điểm “0” có thể thực hiện bằng cách đưa một dòng thích hợp
vào chân SUMJ(1C,2C). Để thực hiện điều đó chỉ cần mắc thêm một điện trở giữa
nguồn cung cấp với đất. Điện áp “0” 2.5V nằm đối xứng giữa giải điện áp lối ra. Tuy
nhiên đối với một số ứng dụng mức điện áp “0” không đối xứng lại thích hợp hơn. Cần
lưu ý rằng khi mắc điện trở với nguồn cung cấp thì khi nguồn không ổn định có thể
gây sự thăng giáng điểm “0”. Trong trường hợp này, nhiễu của nguồn số phải được
đặc biệt loại trừ. (Xem thêm phần nối nguồn nuôi và nối đất)
Giá trị điện trở cần sử dụng có thể tính toán theo công thức sau:
Rnull =

2.5 ∗ 180,000
Vnull 0 − Vnull1


(1.3)

Trong công thức trên Vnull0 là điện áp “0” ở lối ra khi chưa điều chỉnh; Vnull1 là giá trị
mong muốn. Nếu giá trị ban đầu thấp hơn giá trị mong muốn thì nối điện trở vào
nguồn hoặc đất. Ngược lại nếu giá trị ban đầu cao hơn giá trị mong muốn thì nối điện
trở vào nguồn cung cấp. Giá trị thường gặp của điện trở nằm trong khoảng 1-5 MΩ.
Nếu sử dụng điện trở ngoài ở chân RATEOUT và SUMJ giá trị dùng trong
công thức trên là giá trị điện trở tương đương. Giá trị tương đương của điện trỏ được
tính khi giả thiết nguồn nuôi Vcc = 5V và VSUMJ = 2.5 V.
Chức năng tự kiểm tra (self test)
Con quay vi cơ ADXRS150 có chức năng tự kiểm tra để kích thích các cấu trúc
cảm nhận và các mạch điện tương thích theo cách giống như khi cảm biến chịu tác
dụng của vận tốc góc. Chức năng này được kích hoạt khi tác dụng tín hiệu điện ở
15


VƯƠNG ĐẠO NGHỆ

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

mức logic cao vào chân ST1(5F,5G) hoặc ST2(4F,4G) hoặc cả hai. Tác dụng vào chân
ST1(5F,5G) làm điện áp lối ra ở chân RATEOUT hạ xuống 0.7V, còn tác dụng vào
chân ST2(4F,4G) sẽ làm điện áp lối ra ở chân RATEOUT tăng lên 0.7V.
Việc kích hoạt cả hai chân ST1 và ST2 đồng thời sẽ không gây ảnh hưởng xấu đến
cảm biến. Tuy nhiên do ST1 và ST2 không được đặt đủ gần nhau, việc kích hoạt đồng
thời tại 2 chân này có thể khiến điểm “0” bị trôi một cách rõ ràng.
1.2.3 Sử dụng cảm biến vận tốc góc ADXRS150 trong bài toán dẫn đường
Như đã đề cập ở trên, có hai thông số quan trọng sử dụng trong bài toán dẫn
đường là vận tốc góc và góc. Để thu được vận tốc góc cần xác định đường đặc tuyến
phụ thuộc giữa điện thế lối ra với vận tốc góc mà cảm biến cảm nhận. Theo lý thuyết

đường đặc tuyến có dạng như chỉ ra trên hình 7.
Trước khi sử dụng cảm biến cần xác định miền tuyến tính của đồ thị bằng số
liệu thực nghiệm. Sau khi đã xác định được miền tuyến tính, giá trị vận tốc góc được
tính theo công thức:
ω = V ∗ cosα

(1.4)

trong đó α là hệ số góc của đường đặc tuyến.
Sau khi xác định được vận tốc góc một cách đáng tin cậy, ta tính góc quay
theo một công thức toán học đơn giản. Như đã biết đạo hàm bậc nhất của góc quay
theo thời gian là vận tốc góc. Như vậy góc quay được tính bằng cách tích phân vận tốc
góc.
Ý nghĩa toán học của phép tính tích phân là như sau:
Giả sử có hàm số f(t). Giá trị tích phân hàm số f(t) trong khoảng thời gian từ t1 đến t2
chính là phần diện tích giới hạn bởi đường cong f(t), trục hoành và hai đường thẳng
vuông góc với trục hoành tại t1 và t2 như chỉ ra trong hình vẽ:

Hình 11. Ý nghĩa của tích phân

16


VƯƠNG ĐẠO NGHỆ

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Trên cơ sở hiểu ý nghĩa phép tính tích phân như vậy, các nhà toán học đã đề ra
các phương pháp tính gần đúng giá trị tích phân khi biết các giá trị rời rạc của hàm số
f(t) và khoảng thời gian giữa các giá trị ấy. Các phương pháp tính tích phân gần đúng

phổ biến là: phương pháp Ơle, phương pháp Trapezoid. Nội dung của các phương
pháp này như sau:
Giả sử hàm số y(t) được lấy mẫu thành tập hợp các giá trị rời rạc theo thời gian.
Gọi yn và yn+1 là 2 mẫu liên tiếp bất kỳ. Khoảng thời gian giữa hai mẫu liên tiếp được
lấy luôn cố định là ∆t. Ta thu được tập hợp các giá trị rời rạc của hàm số y(t) (tương
ứng với các điểm đen tròn yn trên hình 11).

Hình 12. Hàm số y(t) được lấy mẫu thành các giá trị rời rạc

Phương pháp Ơle hay còn gọi là phương pháp hình chữ nhật:
Diện tích S được tính gần đúng bằng tổng các diện tích hình chữ nhật nhỏ có
cạnh là yi và đáy là ∆t.
n

S = ∑ y i ∗ ∆t

(1.5)

i =0

Phương pháp Trapezoid hay phương pháp hình thang:
Diện tích S được tính gần đúng bằng tổng các diện tích hình thang nhỏ có 2 đáy
lần lượt là yi và yi+1, có chiều cao là ∆t.

17


VƯƠNG ĐẠO NGHỆ

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

S=

1 n
∗ ∑ ( yi + yi +1 ) ∗ ∆t (1.6)
2 i =0

Những phương pháp trên sẽ làm cơ sở lý thuyết cho phương pháp tính tích phân
bằng phần mềm được thực hiện trong thí nghiệm sẽ trình bày ở phần sau.
Kết luận:
Từ những cơ sở lý thuyết đã nêu có thể rút ra những kết luận sau:
- Để sử dụng cảm biến vận tốc góc trong bài toán dẫn đường phải xác định được
2 thông số vận tốc góc và góc.
- Để đo được vận tốc góc một cách đáng tin cậy ta sẽ cần một hệ chuẩn cảm biến.
Đây là nội dung sẽ được thực hiện trong phần thực nghiệm.
- Để đo được góc cần thực hiện được phép tính tích phân. Lựa chọn phương pháp
tính tích phân cũng là nội dung đã thực hiện trong đề tài và trình bày chi tiết ở
phần sau.

18


VƯƠNG ĐẠO NGHỆ

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Phần II Thực nghiệm
Chương 2: Hệ chuẩn cảm biến và thành phần thiết bị đo cảm biến vận tốc
góc
2.1 Xây dựng hệ chuẩn cảm biến
Như đã đề cập ở phần lý thuyết, việc có một hệ chuẩn cảm biến là rất cần thiết

để xác định đường đặc trưng của cảm biến, từ đó xác định được miền hoạt động của
cảm biến. Hệ chuẩn cảm biến vận tốc góc được xây dựng phục vụ đề tài này là một hệ
bàn quay có tốc độ thay đổi được. Đồng thời tốc độ của bàn quay được xác định chính
xác thông qua bộ đếm là cảm biến hồng ngoại ghép nối với mạch vi xử lý có tác dụng
tính vận tốc, hiển thị lên màn hình tinh thể lỏng LCD. Ngoài ra còn cho phép ghép nối
với máy tính để giám sát tốc độ bàn quay. Hệ chuẩn cảm biến được xây dựng còn có ý
nghĩa trong việc chuẩn các cảm biến vận tốc góc loại khác nhau, thậm chí có thể dùng
để kiểm tra cảm biến gia tốc.
2.1.1 Khái niệm và ý nghĩa của hệ chuẩn cảm biến
Hệ chuẩn cảm biến vận tốc góc là hệ bàn quay (turn table) có thể đặt các tốc
độ quay khác nhau, và có thể quay ở một tốc độ biết trước một cách ổn định. Cụ thể
hơn, một hệ chuẩn cảm biến vận tốc góc phải có các tính năng sau:
¾
¾
¾
¾
¾

Có tốc độ quay điều khiển được
Độ ổn định cao về tốc độ
Momen quán tính lớn
Chịu được tải trọng khi quay
Có tốc độ quay đủ thấp (Đây là một đặc tính quan trọng khi thực tế ta thường
chỉ gặp các hệ quay có tốc độ quay rất lớn như quạt, bánh xe v.v…)

Một hệ chuẩn có những tính năng như vậy sẽ có ứng dụng rất quan trọng trong việc
xác định vùng hoạt động của cảm biến vận tốc góc nói riêng và cảm biến quán tính nói
chung.
2.1.2 Mô tả hệ chuẩn cảm biến và phương pháp xây dựng


19