thiết kế và thực hiện giá ăng ten tự xoay bám theo quỹ đạo của vệ tinh cubesat

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN
GIÁ ĂNG-TEN TỰ XOAY BÁM THEO
QUỸ ĐẠO CỦA VỆ TINH CUBESAT

Sinh viên thực hiện:

Cán bộ hướng dẫn:

Trần Trung Kiên

MSSV: 1117981

Nguyễn Đức Mỹ

MSSV: 1117986

ThS. Trương Phong Tuyên

Lớp: Kỹ thuật Máy tính – Khóa 37

Cần Thơ, tháng 05 năm 2015


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN
GIÁ ĂNG-TEN TỰ XOAY BÁM THEO
QUỸ ĐẠO CỦA VỆ TINH CUBESAT

Sinh viên thực hiện:
Trần Trung Kiên
MSSV: 1117981
Nguyễn Đức Mỹ
MSSV: 1117986
Lớp: Kỹ thuật Máy tính – Khóa 37

Cán bộ hướng dẫn:
ThS. Trương Phong Tuyên

Luận văn được bảo vệ tại: Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp
Bộ môn Điện tử - Viễn thông. Khoa Công Nghệ
Trường Đại Học Cần Thơ vào ngày 15 tháng 05 năm 2015


Thiết kế và thực hiên giá ăng-ten tự xoay bám theo quỹ đạo của vệ tinh CubeSat

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Luận văn được thực hiện bởi:

1.
2.

Họ tên: Trần Trung Kiên, MSSV: 1117981, Lớp: Kỹ thuật máy tính 37
Họ tên: Nguyễn Đức Mỹ, MSSV: 1117986, Lớp: Kỹ thuật máy tính 37

Tựa đề Luận văn (Hay tên đề tài): Thiết kế và thực hiện giá ăng-ten tự
xoay bám theo quỹ đạo của vệ tinh CubeSat

Luận văn đã nộp và báo cáo tại Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn tốt nghiệp
Đại học ngành Điện tử Truyền thông/ Kỹ thuật Máy tính, Bộ môn Điện tử
Viễn thông vào ngày 15 tháng 05 năm 2015. (Quyết định thành lập Hội
đồng số: 133/QĐ-CN ngày 24 tháng 04 năm 2015 của Trưởng Khoa Công
Nghệ)

Kết quả đánh giá: ___________

Chữ ký của các thành viên Hội đồng:
Thành viên 1: ThS.Trương Phong Tuyên ……………………………
Thành viên 2: TS. Lương Vinh Quốc Danh …………………………
Thành viên 3: ThS. Võ Ngọc Lợi ...……………………….…………

i


Thiết kế và thực hiên giá ăng-ten tự xoay bám theo quỹ đạo của vệ tinh CubeSat

LỜI CAM ĐOAN
Đề tài “Thiết kế và thực hiện giá ăng-ten tự xoay bám theo quỹ đạo của vệ tinh
CubeSat” được thực hiện trên board Raspberry Pi 2, với mục đích thiết kế một hệ

thống giá đỡ tự động định vị ăng-ten bám theo vệ tinh một cách tương đối chính xác
với sai số tối thiểu, từ đó sẽ thu được tín hiệu ở mọi thời điểm với hiệu xuất thu được
tốt nhất. Đồng thời qua đó góp phần vào nguồn tư liệu cho các nghiên cứu về sau. Do
đó đề tài đã được chúng em chọn để thực hiện Luận văn tốt nghiệp trong thời gian
này.
Trong quá trình thực hiện đề tài, có thể còn nhiều thiếu sót do kiến thức hạn chế
nhưng những nội dung trình bày trong quyển báo cáo này là những hiểu biết và thành
quả của chúng em đạt được dưới sự giúp đỡ của giảng viên hướng dẫn là Thạc sĩ
Trương Phong Tuyên.
Chúng em xin cam đoan rằng: những nội dung trình bày trong quyển báo cáo
Luận văn tốt nghiệp này không phải là bản sao chép từ bất kỳ công trình đã có trước
nào. Nếu không đúng sự thật, em xin chịu mọi trách nhiệm trước nhà trường.
Cần Thơ, ngày 10 tháng 05 năm 2015
Sinh viên thực hiện

Trần Trung Kiên

Nguyễn Đức Mỹ

ii


Thiết kế và thực hiên giá ăng-ten tự xoay bám theo quỹ đạo của vệ tinh CubeSat

LỜI CẢM ƠN
Để có kết quả của ngày hôm nay trước hết chúng tôi xin chân thành cám ơn
gia đình và cha mẹ là những người đã có công ơn sinh thành và giáo dục chúng tôi
trong quãng đời vừa qua, đồng thời cũng chính là những người luôn quan tâm và hỗ
trợ kịp thời về mặt kinh tế và tinh thần giúp chúng tôi có được một động lực tốt để
học tập và rèn luyện trong suốt quãng thời gian này.

Xin gửi lời cảm ơn đến đội ngũ cán bộ giảng dạy tại trường Đại học Cần Thơ
nói chung và hai bộ môn Điện tử Viễn thông và Tự động hóa trực thuộc Khoa Công
nghệ nói riêng đã tận tình giảng dạy, chỉ bảo cũng như tạo mọi điều kiện vật chất cho
chúng tôi trong suốt thời gian chúng tôi tham gia học tập tại trường.
Đặc biệt xin chân thành cám ơn ThS. Trương Phong Tuyên, người đã trực tiếp
hướng dẫn chúng tôi thực hiện đề tài luận văn này, người đã có những chỉ dẫn, định
hướng kịp thời giúp chúng tôi thực hiện đúng hướng và kịp thời hạn đối với đề tài
được giao, một lần nữa xin chân thành cám ơn thầy.
Trong suốt quá trình thực hiện đề tài chúng tôi cũng xin cám ơn sự hợp tác của
các nhóm làm luận văn dưới sự hướng dẫn của thầy Trương Phong Tuyên, cùng toàn
thể bạn bè có liên quan trong cuộc sống hiện tại đã nhiệt tình động viên và ủng hộ,
cổ vũ tinh thần cho chúng tôi.
Xin chân thành cám ơn !
Cần Thơ, ngày 10 tháng 5 năm 2015
Nhóm thực hiện:

Trần Trung Kiên

Nguyễn Đức Mỹ

iii


Thiết kế và thực hiên giá ăng-ten tự xoay bám theo quỹ đạo của vệ tinh CubeSat

MỤC LỤC
KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT .........................................................................................1
MỤC LỤC BẢNG .....................................................................................................2
MỤC LỤC HÌNH ......................................................................................................3
TÓM TẮT ..................................................................................................................5

ABSTRACT ...............................................................................................................5
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN .................................................................................6
1.1 Đặt vấn đề ......................................................................................................6
1.2 Lịch sử giải quyết vấn đề ...............................................................................6
1.3 Phạm vi đề tài ................................................................................................6
1.4 Phương pháp nghiên cứu ...............................................................................7
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT .....................................................................8
2.1 Giới thiệu về vệ CubeSat ...............................................................................8
2.2 Hệ thống bám vệ tinh và hệ thống giá đỡ ......................................................9
2.2.1 Hệ thống bám vệ tinh ..............................................................................9
2.2.2 Hệ thống giá đỡ ăng-ten..........................................................................9
2.3 Quỹ đạo và Phần mềm Gpredict ..................................................................10
2.3.1 Quỹ đạo .................................................................................................10
2.3.2 Phần mềm Gpredict ..............................................................................11
2.4 Cảm biến gia tốc [1] ....................................................................................11
2.5 Con quay hồi chuyển[1] ..............................................................................12
2.6 La bàn số ......................................................................................................12
2.6.1 La bàn ...................................................................................................12
2.6.2 Cảm biến từ - từ kế ...............................................................................13
2.7 Giới thiệu cơ bản về board mạch Raspberry Pi[5] ........................................13
2.7.1 Cấu hình cơ bản của Rasberry Pi 2 .......................................................14
2.7.2 Giao tiếp ngoại vi ..................................................................................14
2.7.3 Hệ điều hành trên cho Raspberry Pi .....................................................15
2.8 Ngôn ngữ lập trình Python[10] ......................................................................15
2.8.1 Giới thiệu về Python .............................................................................15
2.8.2 Một số đặc điểm chính của ngôn ngữ Python .......................................15
2.8.3 Các nhánh của ngôn ngữ Python ..........................................................16
2.8.4 Lập trình giao diện Tkinter ...................................................................16
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG .............................................................17
3.1 Sơ đồ khối hệ thống .....................................................................................17

3.2 Giới thiệu module cảm biến ........................................................................18
3.2.1 Module cảm biến MPU6050[1][8]...........................................................18
3.2.2 Module cảm biến la bàn số HMC5883L[7] ...........................................23
3.3 Động cơ bước ..............................................................................................28
3.3.1 IC Mạch cầu H L293D[6] ......................................................................29
3.3.2 Chế độ Half step điều khiển động cơ bước...........................................30
3.4 Nghiên cứu giải thuật cho hệ thống .............................................................31
3.4.1 Sơ đồ giải thuật của hệ thống: ..............................................................31
3.4.2 Sơ đồ giải thuật điều khiển góc phương vị (Azimuth): ........................32
3.4.3 Sơ đồ giải thuật điều khiển góc nghiêng (Elevation): ..........................34
CHƯƠNG 4 PHẦN MỀM .................................................................................35
iv


Thiết kế và thực hiên giá ăng-ten tự xoay bám theo quỹ đạo của vệ tinh CubeSat

4.1 Tổng quan về giao diện chương trình ..........................................................35
4.1.1 Giao diện chương trình .........................................................................35
4.1.2 Chức năng hoạt động ............................................................................35
4.1.3 Giải thuật chương trình phần mềm .......................................................36
4.1.4 Giải thuật thực hiện các nút tùy chọn: ..................................................37
4.2 Phần mềm gpredict[9] ...................................................................................38
4.2.1 Giao diện chương trình Gpredict ..........................................................38
4.2.2 Xác định trạm thu trên phần mềm Gpredict .........................................38
4.2.3 Các vệ tinh cần theo dõi trên phần mềm Gpredict ...............................39
4.2.4 Dữ liệu vệ tinh ......................................................................................39
4.3 Các giải thuật giao tiếp với hệ thống ...........................................................41
4.3.1 Dạng file text của dữ liệu ......................................................................41
4.3.2 Giải thuật truyền dữ liệu từ file text .....................................................41
4.4 Các giải thuật đồ họa ...................................................................................42

4.4.1 Mô phỏng dữ liệu bằng cách vẽ hình trên nền Canvas .........................42
4.4.2 Vẽ hình ..................................................................................................42
4.4.3 Giải thuật vẽ hình mô phỏng dữ liệu ....................................................44
4.4.4 Giải thuật cập nhật và hiển thị dữ liệu ra giao diện chương trình ........45
4.4.5 Giới thiệu công cụ MATPLOTLIB ......................................................45
KẾT QUẢ ................................................................................................................47
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................52
Phần cứng: .............................................................................................................52
Phần mềm: .............................................................................................................52
Kiến nghị: ..............................................................................................................52
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................53
PHỤ LỤC 1 ..............................................................................................................54
Giao diện chương trình gpredict ...........................................................................54
Cách sử dụng chương trình ...................................................................................54
Xác định vị trí của trạm thu mặt đất..................................................................54
Chọn các vệ tinh cần theo dõi ...........................................................................55
Lưu dữ liệu ........................................................................................................56
PHỤ LỤC 2 ..............................................................................................................57
Giới thiệu công cụ vẽ giao diện của hệ thống .......................................................57
Giới thiệu về giao diện của hệ thống ....................................................................57
Các bước sử dụng giao diện của hệ thống ............................................................58

v


Thiết kế và thực hiên giá ăng-ten tự xoay bám theo quỹ đạo của vệ tinh CubeSat

KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT

Az

CRA
CRB
CubeSat
DMP
E
El
GEO
GPIO
GSO
HEO
I2C
ICO, MEO
LEO
MEMS
N
OS
S
TV
VAST
VNSC
W

Azimuth (Góc phương vị)
Configuration Register A
Configuration Register B
Vệ tinh siêu nhỏ
Digital Motion Processor
Cực Tây
Elevation (Góc ngẫng)
Quỹ đạo địa tĩnh

General purpose input/output
Quỹ đạo Trái Đất đồng bộ
Quỹ đạo Trái Đất tầm cao
Inter-Integrated Circuit
Quỹ đạo Trái Đất tầm trung
Quỹ đạo Trái Đất tầm thấp
Micro-electro-mechanical System
Cực Bắc
Operating system
Cực Nam
Tivi
Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
Trung tâm Vệ tinh Quốc gia Việt Nam
Cực Đông

1


Thiết kế và thực hiên giá ăng-ten tự xoay bám theo quỹ đạo của vệ tinh CubeSat

MỤC LỤC BẢNG
Bảng 3.1: Chức năng các chân của module MPU-6050 ...........................................19
Bảng 3.2: Các thanh ghi cơ bản thiết lập hoạt động MPU-6050 ..............................19
Bảng 3.3: Nguồn xung clock cho con quay hồi chuyển ...........................................20
Bảng 3.4: Bảng tham chiếu đồng bộ mở rộng ..........................................................20
Bảng 3.5: Chỉ số bộ lọc hạ thông ..............................................................................21
Bảng 3.6: Các khoảng đo đạc của con quay hồi chuyển ...........................................22
Bảng 3.7: Các khoảng đo đạc của gia tốc kế ............................................................22
Bảng 3.8: Bảng các thanh ghi chứ dữ liệu cảm biến MPU-6050..............................23
Bảng 3.9: Chức năng các chân của Module HMC5883L .........................................24

Bảng 3.10: Danh sách các thanh ghi của HMC5883L ..............................................24
Bảng 3.11: Miêu tả các bit của thanh ghi CRA ........................................................25
Bảng 3.12: Miêu tả các bit trong thanh ghi CRB ......................................................26
Bảng 3.13: Miêu tả các bit trong thanh ghi MODE ..................................................27
Bảng 3.14: Mode half step ........................................................................................30

2


Thiết kế và thực hiên giá ăng-ten tự xoay bám theo quỹ đạo của vệ tinh CubeSat

MỤC LỤC HÌNH
Hình 2.1: Vệ tinh Ncube-2 của Na Uy ........................................................................8
Hình 2.2: Mô hình kỹ thuật của vệ tinh siêu nhỏ F-1 .................................................8
Hình 2.3: Hình ảnh của trục phương vị, góc nghiêng .................................................9
Hình 2.4: Một mô hình gắn kết các trục và ăng-ten..................................................10
Hình 2.5: Ảnh chụp một phần của phần mềm Gpredict ...........................................11
Hình 2.6: Cấu tạo cơ bản của một cảm biến gia tốc .................................................11
Hình 2.7: Cấu tạo cơ khí của con quay hồi chuyển ..................................................12
Hình 2.8: Hình ảnh một la bàn từ ..............................................................................13
Hình 2.9: Board mạch Raspberry Pi 2 ......................................................................14
Hình 2.10: Giao tiếp ngoại vi trên board mạch Raspebeery Pi .................................14
Hình 2.11: Hệ điều hành Raspian trên hệ thống .......................................................15
Hình 3.1: Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống ............................................................17
Hình 3.2: Hình ảnh thực tế Module MPU-6050 .......................................................18
Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý của module MPU-6050 ..................................................19
Hình 3.4: Cấu trúc thanh ghi PWR_MGMT_1 .........................................................19
Hình 3.5: Thanh ghi CONFIG ..................................................................................20
Hình 3.6: Cấu trúc thanh ghi SMPLRT_DIV ...........................................................21
Hình 3.7: Cấu trúc thanh ghi GYRO_CONFIG ........................................................21

Hình 3.8: Cấu trúc thanh ghi ACCEL_CONFIG ......................................................22
Hình 3.9: Hình ảnh thực tế của module HMC5883L – (GY271) .............................23
Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý của module HMC5883L ..............................................24
Hình 3.11: Sơ đồ thanh ghi CRA ..............................................................................25
Hình 3.12: Tốc độ bit ngõ ra ....................................................................................25
Hình 3.13: Thiết lập cho thanh ghi CRA ..................................................................25
Hình 3.14: Thanh ghi CRB .......................................................................................26
Hình 3.15: Thiết lập phạm vi cảm biến .....................................................................26
Hình 3.16: Thanh ghi MODE ...................................................................................26
Hình 3.17: Dữ liệu ban đầu .......................................................................................27
Hình 3.18: Dữ liệu sau khi thay đổi x + 185, y + 80 ................................................28
Hình 3.19: Hình ảnh động cơ bước ...........................................................................29
Hình 3.20: Sơ đồ nguyên lý mạch L293D ................................................................29
Hình 3.21: Sơ đồ layout của mạch L293D ................................................................29
Hình 3.22: Sơ đồ giải thuật hệ thống ........................................................................31
Hình 3.23: Sơ đồ giải thuật điều khiển trục Az.........................................................32
Hình 3.24: Sơ đồ giải thuật chương trình con move_to ............................................33
Hình 3.25: Sơ đồ giải thuật điều khiển trục El ..........................................................34
Hình 4.1: Giao diện chương trình phần mềm ...........................................................35
Hình 4.2: Sơ đồ giải thuật chương trình chính của phần mềm .................................36
Hình 4.3: Giải thuật các nút tùy chọn .......................................................................37
Hình 4.4: Giao diện chương trình Gpredict ..............................................................38
Hình 4.5: Giao diện mô tả trạm thu mặt đất..............................................................38
Hình 4.6: Giao diện mô tả danh sách các vệ tinh cần theo dõi .................................39
Hình 4.7: Mô tả thông tin dữ liệu của vệ tinh ...........................................................40
Hình 4.8: Đường đi của vệ tinh trên trục tọa độ .......................................................40
3


Thiết kế và thực hiên giá ăng-ten tự xoay bám theo quỹ đạo của vệ tinh CubeSat

Hình 4.9: Biểu đồ thể hiện góc phương vị và góc ngẩng theo thời gian ..................40
Hình 4.10: Lưu dữ liệu dưới dạng file text ...............................................................41
Hình 4.11: Mô tả giải thuật đọc dữ liệu từ file text...................................................41
Hình 4.12:Mô phỏng góc phương vị và góc ngẩng trên hệ thống ............................42
Hình 4.13: Cách vẽ đường tròn trong phân tử Canvas của giao diện Tkinter ..........42
Hình 4.14: Tọa độ của đoạn thẳng ............................................................................43
Hình 4.15: Tìm tọa độ trên đường tròn ....................................................................43
Hình 4.16: Giải thuật vẽ đường tròn mô phỏng cho dữ liệu trên hệ thống ...............44
Hình 4.17: Giải thuật hiển thị dữ liệu và hiển thị dữ liệu ra giao diện .....................45
Hình 4.18: Giao diện vẽ đồ thị trên hệ thống ............................................................46
Hình 0.1: Hình ảnh thực tế mô hình hệ thống giá xoay ăng-ten ...............................47
Hình 0.2: Hình ảnh phần mềm điều khiển hệ thống .................................................47
Hình 0.3: Biểu đồ truyền và kết quả .........................................................................48
Hình 0.4: Biểu đồ sai số ............................................................................................48
Hình 0.5: Hình ảnh dữ liệu lúc 09:32:24 ..................................................................49
Hình 0.6: Biểu đồ dữ liệu và kết quả sau khi quay ...................................................49
Hình 0.7: Biểu đồ sai số ............................................................................................49
Hình 0.8: Biểu đồ dữ liệu và kết quả ........................................................................50
Hình 0.9: Biểu đồ sai số ............................................................................................50

4


Thiết kế và thực hiên giá ăng-ten tự xoay bám theo quỹ đạo của vệ tinh CubeSat

TÓM TẮT
Hiện nay, hệ thống thông tin vệ tinh được ứng dụng rất nhiều trong đời sống
từ giải trí đến hàng hải, khí hậu, địa chất, quân sự,…Việc xây dựng một hệ thống giá
đỡ ăng-ten có khả năng tự động xoay bám theo vệ tinh là rất quan trọng. Do đó, chúng

em lựa chọn thực hiện đề tài “Thiết kế và thực hiện giá ăng-ten tự xoay bám theo
quỹ đạo của vệ tinh CubeSat”. Đề tài thiết kế hệ thống giá xoay ăng-ten với chi phí
thấp có khả năng lấy dữ liệu quỹ đạo của vệ tinh, điều khiển giá ăng-ten xoay với sai
số các trục là nhỏ nhất (≤ 1 độ), đồng thời hiển thị các thông số, vẽ ra đồ thị tọa độ
Az/El của yêu cầu và đáp ứng, vẽ đồ thị mức độ sai số trên phần mềm điều khiển.
Kết quả dự kiến đạt được là xây dựng hệ thống với các chức năng như trình bày ở
trên. Hy vọng kết quả của đề tài góp phần vào nguồn tư liệu cho các nghiên cứu về
sau.
Từ khóa: Auto-tracking-satellite, Antenna-shelf, Gpredict-Raspberry,
HMC5883L-MPU6050, Rorating-antenna.

ABSTRACT
Nowadays, the satellite communication system is applys in the fields such as
entertainment, shipping, climate, geology, military, etc. The construction of a antenna
shelf system capable of auto-rotating track satellite is very important. Therefore, we
selected the project "Design and implementation of a antenna shelf auto-rotating
tracking satellite CubeSat". System low cost capable of retrieving data from the
satellite's orbit, controlling the rotation with smallest error rates of the axis (≤ one
angle), simultaneous display of parameters in controlling software: graphs the request
and response Az / El and plotted error rates. The result is expected to build complete
systems with functions are described above. Hopefully the results of the study
contributes to resources in future research.
Key word: Auto-tracking-satellite, Antenna-shelf, Gpredict-Raspberry,
HMC5883L-MPU6050, Rorating-antenna.

5


Thiết kế và thực hiên giá ăng-ten tự xoay bám theo quỹ đạo của vệ tinh CubeSat

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

Chương này giới thiệu những nội dung chính sau:
 Giới thiệu đề tài, yêu cầu và mục đích lựa chọn đề tài.
 Quá trình hình thành và lịch sử giải quyết đối với đề tài.
 Phạm vi về không gian, thời gian và các gói công cụ hỗ trợ thực hiện đề tài.
 Cách thức và phương pháp thực hiện đề tài.
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Các hệ thống thông tin vệ tinh được phát triển nhanh chóng trong những thập
kỷ gần đây. Qua các hệ thống thông tin vệ tinh, con người có thể thu thập hoặc trao
đổi thông tin với bất kỳ nơi nào trên Trái Đất. Thông tin vệ tin có khả năng đa dạng
dịch vụ, không những các dịch vụ dân sự mà cả các dịch vụ quốc phòng, an ninh,
hàng không, hàng hải, viễn thông, viễn thám, theo dõi biến đổi khí hậu, khai thác,
thăm dò địa chất,…
Việc đảm bảo chất lượng tín hiệu thu/phát giữa trạm mặt đất và vệ tinh là rất
quan trọng. Ngoài việc lựa chọn ăng-ten có độ lợi cao, sử dụng ống dẫn sóng sơ cấp,
các mặt phản xạ thì việc thiết kế một hệ thống giá đỡ có khả năng định vị ăng-ten
được sử dụng phổ biến. Một vệ tinh được ăng-ten hướng tới thông qua việc điều chỉnh
góc ngẫng và sau đó quay toàn bộ hệ thống giá đỡ cho tới khi nhận được tín hiệu vệ
tinh. Khi việc hiệu chỉnh được thực hiện tốt thì cường độ tín hiệu thu đạt được ở mức
cực đại.
Đề tài “Thiết kế và thực hiện giá ăng-ten tự xoay bám theo quỹ đạo của vệ
tinh CubeSat” được thực hiện trên board Raspberry Pi 2, với mục đích tự thiết kế
một hệ thống giá đỡ ăng-ten với chi phí thấp có khả năng tự động xoay bám theo quỹ
đạo vệ tinh một cách tương đối chính xác với sai số tối thiểu nhỏ hơn 10, từ đó sẽ thu
được tín hiệu ở mọi thời điểm với hiệu xuất thu được tốt nhất. Đồng thời qua đó góp
phần vào nguồn tư liệu cho các nghiên cứu về sau.
1.2 LỊCH SỬ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

Việc thiết kế và xây dựng một hệ thống giá xoay ăng-ten bám theo vệ tinh rất
phổ biến ở các nước. Để thiết kế và xây dựng một hệ thống hoàn chỉnh tốn rất nhiều
chi phí.
Các đề tài như: “Đề tài KC.01.19 – Nghiên cứu cấu trúc hệ thống viễn thông
mặt đất để sử dụng hiệu quả vệ tinh VINASAT – Nội dung 5”[2], “Tiềm năng lớn
của vệ tinh siêu nhỏ đáp ứng nhu cầu viễn thông, viễn thám của Việt Nam”[12], “Hệ
pin quang điện bám mặt trời thu năng lượng tối ưu”[11] …Những hệ thống giá xoay
được trình bày trong các đề tài trên mục dích dùng cho việc theo dõi vệ tinh địa tĩnh,
theo dõi mặt trời.
1.3 PHẠM VI ĐỀ TÀI
Đề tài nghiên cứu và xây dựng dựa trên nền tảng kiến thức điện tử căn bản, lập
trình vi điều khiển, lập trình nhúng. Hệ thống được thực hiện trên board mạch
Raspberry Pi 2 và được xây dựng trên ngôn ngữ lập trình Python.
Do có những giới hạn về con người cũng như khuôn khổ thời gian cho phép. Vì
vậy, đề tài sẽ tập trung vào việc phát triển một hệ thống giá xoay ăng-ten với chi phí
6


Thiết kế và thực hiên giá ăng-ten tự xoay bám theo quỹ đạo của vệ tinh CubeSat

thấp có khả năng điều chỉnh được trục phương vị và góc ngẫng, kết hợp với thiết kế
phần mềm điều khiển với giao diện trực quan, dễ sử dụng.
Hệ thống có khả năng thực hiện lấy dữ liệu của các vệ tinh (thời gian, góc
phương vị, góc ngẫng), điều khiển giá xoay với sai số các trục là nhỏ nhất ≤ 1 độ,
đồng thời hiển thị các thông số của vệ tinh và hệ thống điều khiển được, vẽ ra đồ thị
tọa độ Az/El của yêu cầu và đáp ứng, vẽ đồ thị mức độ sai số trên phần mềm điều
khiển.
1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Quá trình thực hiện đề tài được tiến hành tuần tự theo các bước sau:
 Tìm hiểu về nguyên lý, cấu tạo của giá xoay ăng-ten – những hệ thống bám

theo vệ tinh, quỹ đạo vệ tinh và phần mềm có thể tính toán, lưu trữ quỹ đạo vệ
tinh.
 Tìm hiểu board Raspberry Pi 2.
 Tìm hiểu lý thuyết về ngôn ngữ lập trình Python.
 Tìm hiểu về các cảm biến đo góc (góc nghiêng, góc phương vị).
 Thiết kế và xây dựng hệ thống phần cứng.
 Thết kế và xây dựng phần mềm.
 Kiểm tra, sửa chữa.

7


Thiết kế và thực hiên giá ăng-ten tự xoay bám theo quỹ đạo của vệ tinh CubeSat

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương này bao gồm những nội dung chính sau:
 Vệ tinh CubeSat
 Hệ thống bám, hệ thống giá đỡ vệ tinh
 Quỹ đạo vệ tinh và phần mềm Gpredict
 Cảm biến gia tốc
 Con quay hồi chuyển
 La bàn số
 Board Raspberry Pi 2
 Ngôn ngữ lập trình Python
2.1 GIỚI THIỆU VỀ VỆ CUBESAT
Cubesat được đề xuất vào năm 1999 bởi giáo sư Jordi Puig-Suari từ Đại học
Bách khoa bang California và Bob Twiggs từ Đại học Stanford. Mục đích giúp sinh

viên và các nhà nghiên cứu trẻ có thể thiết kế, xây dựng, thử nghiệm và hoạt động
trong không gian với một thiết bị vũ trụ có thời gian phát triển ngắn (từ 1 – 2 năm
đến vài tháng) và chi phí thấp, chỉ khoảng dưới vài trăm ngìn USD. Với kích thước
chuẩn (1U – One Unit, một đơn vị) kích thước 10x10x10 cm và trọng lượng tối đa
1.33kg. Hình 2.2 dưới đây cho thấy một vệ tinh CubeSat của Na Uy có tên Ncube-2

Hình 2.1: Vệ tinh Ncube-2 của Na Uy

Ở Việt Nam, có vệ tinh F-1 do phòng nghiên cứu không gian FSpace, Trường
đại học FPT đã chế tạo (Hình 2.4) được phóng lên vũ trụ thành công vào 9 giờ 6 phút
ngày 21/7/2012 từ trung tâm vũ trụ Tanegashima (Nhật Bản), ra khỏi trạm Vũ trụ
Quốc tế (ISS) vào ngày 4/10/2012. Tuy nhiên, vệ tinh F-1 đã hoạt động không thành
công vì bị mất tín hiệu ngay khi được thả.

Hình 2.2: Mô hình kỹ thuật của vệ tinh siêu nhỏ F-1

8


Thiết kế và thực hiên giá ăng-ten tự xoay bám theo quỹ đạo của vệ tinh CubeSat

Ngoài ra còn có vệ tinh CubeSat Pico Dragon do Trung tâm Vệ tinh Quốc gia
Việt Nam (VNSC) thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VAST)
chế tạo được phóng ra từ trạm Vũ trụ Quốc Tế ISS từ ngày 19/11/2013. Trong hơn 3
tháng hoạt động trên quỹ đạo, vệ tinh Pico Dragon đã hoạt động và liên tục phát tín
hiệu quảng bá với bản tin “PicoDragon VietNam” đến các trạm mặt đất trên toàn thế
giới.
2.2 HỆ THỐNG BÁM VỆ TINH VÀ HỆ THỐNG GIÁ ĐỠ
2.2.1 Hệ thống bám vệ tinh
Đối với các trạm mặt đất cố định liên kết hoạt động với vệ tinh địa tĩnh, giới hạn

góc định vị của anten thường nhỏ. Tuy nhiên, khoảng giới hạn này cũng phải đủ lớn
để có thể định vị lại với một vệ tinh khác trong trường hợp vệ tinh đang sử dụng gặp
sự cố. Trên thực tế, người ta hướng tới việc thiết kế một hệ thống có khả năng điều
chỉnh việc định vị theo hướng bất kỳ để có thể thiết lập các kết nối với các vệ tinh
khác nhau. Tại các đài vệ tinh mặt đất, các loại hệ thống quay anten bám theo vệ tinh
thường được sử dụng bao gồm:
 Hệ thống bám xung đơn: hệ thống này luôn luôn xác định tâm búp sóng anten
có hướng đúng vào vệ tinh hay không để điều khiển hướng của anten.
 Hệ thống bám từng nấc: hệ thống này dịch chuyển nhẹ vị trí anten ở các
khoảng thời gian nhất định để điều chỉnh hướng anten sao cho mức tín hiệu
thu được là cực đại.
 Hệ thống điều khiển theo chương trình: hệ thống này điều khiển anten dựa
trên cơ sở dự đoán trước về quỹ đạo vệ tinh.
Trong đề tài này, chúng em thiết kế hệ thống bám vệ tin theo kiểu điều khiển theo
chương trình.
2.2.2 Hệ thống giá đỡ ăng-ten
Hoạt động của ăng-ten được phát sinh từ sự chuyển động quanh hai trục: một
trục chính cố định so với trái đất và một trục phụ quay quanh trục chính. Hệ thống cơ
khí điều khiển chuyển động của ăng-ten thường được gọi là hệ thống giá đỡ. Trong
thực tế một động cơ được sử dụng để điều chỉnh góc phương vị quanh trục thẳng
đứng (00 – 3600), động cơ thứ hai được dung để điều chỉnh góc ngẩng (00 – 900) quanh
trục nằm ngang.

Hình 2.3: Hình ảnh của trục phương vị, góc nghiêng

9


Thiết kế và thực hiên giá ăng-ten tự xoay bám theo quỹ đạo của vệ tinh CubeSat

Hình 2.4: Một mô hình gắn kết các trục và ăng-ten

 Góc phương vị (Azimuth) là giá trị góc tính từ hướng Bắc (N - 00)
 Góc ngẫng (Elevation) là góc tính từ đường chân trời (Horizontal).
2.3 QUỸ ĐẠO VÀ PHẦN MỀM GPREDICT
2.3.1 Quỹ đạo
Đa số các vệ tinh thường được mô tả đặc điểm dựa theo quỹ đạo của chúng. Mặc
dù một vệ tinh có thể bay trên một quỹ đạo ở bất kỳ độ cao nào, các vệ tinh thường
được xếp theo độ cao của chúng.
 Quỹ đạo Trái Đất tầm thấp (LEO) cách bề mặt Trái Đất từ 200 đến 1200 km.
 Quỹ đạo Trái Đất tầm trung (ICO hay MEO): từ 1200 đến 35786 km.
 Quỹ đạo Trái Đất đồng bộ (GSO).
 Quỹ đạo địa tĩnh (GEO): quỹ đạo đồng bộ không nghiêng, cách xích đạo Trái
Đất 35786 km.
 Quỹ đạo Trái Đất tầm cao (HEO): trên 35786 km.
Để xác định đặc điểm của các vệ tinh, người ta dùng các quỹ đạo đặc biệt như:
quỹ đạo Molniya, quỹ đạo đồng bộ Mặt Trời, quỹ đạo cực, quỹ đạo di chuyển Mặt
Trăng, quỹ đạo di chuyển Hobmann, quỹ đạo siêu đồng bộ và quỹ đạo dưới đồng bộ.
Các vệ tinh thông tin hiện đại có nhiều loại quỹ đao như quỹ đạo địa tĩnh, quỹ đạo
Molniya, quỹ đạo elip, quỹ đạo Trái Đất thấp.
Quỹ đạo địa tĩnh: là quỹ đạo tròn ngay phía trên trên xích đạo Trái Đất. Bất
kỳ điểm nào trên mặt phẳng xích đạo đều quay tròn xung quanh Trái Đất theo cùng
một hướng và với cùng một chu kỳ giống như sự tự quay của Trái Đất. Quỹ đạo địa
tĩnh là trường hợp đặc biệt của quỹ đạo địa đồng bộ, và là quỹ đạo được những người
khai thác hoạt động của vệ tinh nhân tạo ưa thích. Các vị trí của vệ tinh chỉ có theo
khác nhau theo kinh độ. Các ăng-ten có thể hướng tới theo một phương cố định mà
vẫn duy trì được kết nối với vệ tinh.
Quỹ đạo Molniya: là quỹ đạo có độ nghiêng cao, đảm bảo được độ nghiêng
của vệ tinh. Quỹ đạo Molniya được thiết kế để vệ tinh di chuyển phần lớn thời gian
của nó trên những vĩ tuyến bắc xa, trong khi đó đường chiếu xuống đất của quỹ đạo

chỉ di chuyển nhỏ. Chu kỳ của vệ tinh theo quỹ đạo Molniya là nửa ngày, vì vậy nó
có mặt cho mỗi nhiệm vụ trên một vùng 8 giờ mỗi vòng. Theo cách này, một chòm 3
10


Thiết kế và thực hiên giá ăng-ten tự xoay bám theo quỹ đạo của vệ tinh CubeSat

vệ tinh có thể cung cấp độ phủ sóng không bị ngắt quãng.Vệ tinh Molniya được sử
dụng điển hình cho điện thoại và các dịch vụ TV xuyên Nga. Một chức năng khác là
sử dụng chúng cho hệ thống radio di động từ khi mà những chiếc xe phải đi xuyên
qua các thành phố nhiều giờ cần phải truy cập đến vệ tinh ở độ cao lớn, nhằm đảm
bảo khả năng kết nối lâu dài.
Vệ tinh quỹ đạo Trái Đất thấp: có quỹ đạo tròn điển hình cao 400 km so với
bề mặt Trái Đất và tương ứng với chu kỳ là khoảng 90 phút. Vì độ cao của nó, những
vệ tinh này chỉ có thể nhìn thấy trong vòng bán kính 1000 km từ điểm chiếu xuống
của vệ tinh. Những vệ tinh này thay đổi vị trí của chúng rất nhanh so với bề mặt Trái
Đất. Vì vậy, để phục vụ ứng dụng cho một nơi nào đó, cần một số lượng lớn các vệ
tinh này để kết nối không bị ngắt quãng.
2.3.2 Phần mềm Gpredict
Gpredict là một phần mềm ứng dụng trong việc theo dõi và dự đoán quỹ đạo
của vệ tinh theo thời gian. Gpredict có thể theo dõi một số lượng không giới hạn các
vệ tinh, hiển thị vị trí và dữ liệu của vệ tinh trong bản đồ, danh sách, bảng. Gpredict
cũng có thể dự đoán được quỹ đạo tương lai của một vệ tinh, và cung cấp những
thông tin chi tiết những địa điểm mà vệ tinh đã đi qua tại thời điểm đó.
Gpredict xác định được những thông tin cần thiết như góc phương vị, góc
ngẩng, khoảng cách từ trạm thu mặt đất đến vệ tinh và thời điểm mà trạm thu mặt đất
có thể bắt sóng từ vệ tinh trên phần mềm Gpredict.

Hình 2.5: Ảnh chụp một phần của phần mềm Gpredict

Gpredict là phần mềm miễn phí được cấp giấy phép theo GNU General Public,
là một gói mã nguồn cũng như những chương trình biên dịch sẵn cho hệ điều hành
Linux, Mac OS X và Windows.
2.4 CẢM BIẾN GIA TỐC [1]

Hình 2.6: Cấu tạo cơ bản của một cảm biến gia tốc

11


Thiết kế và thực hiên giá ăng-ten tự xoay bám theo quỹ đạo của vệ tinh CubeSat

Cảm biến gia tốc là thiết bị có khả năng đo đạc độ rung, sự dịch chuyển của
vật thể, cấu trúc. Lực gây ra bởi sự rung lắc hay dịch chuyển sẽ có tác động vào khối
vật thể nằm bên trong cảm biến sẽ sản sinh một lượng điện tích tỉ lệ thuận với lực tác
dụng vào cảm biến. Về nguyên tắc, cảm biến gia tốc có cấu trúc là một vật nặng gắn
vào một lò xo dao động tắt dần. Khi có ngoại lực tác dụng vào gia tốc kế, sẽ làm vật
nặng dịch chuyển đến vị trí cân bằng của ngoại lực và lực lò xo gây nên. Dựa vào lực
đàn hồi của lò xo mà ta có thể xác định được lực tác dụng.
Các cảm biến gia tốc hiện đại thường sử dụng hệ thống MEMS, các cảm biến
sử dụng công nghệ này sẽ nhỏ gọn, ít sinh nhiệt khi hoạt động và có thể tích hợp
nhiều cảm biến bên trong để có thể đo đạc trên nhiều trục khác nhau.
Các đặc tính của cảm biến gia tốc:
 Khoảng động (dynamic range): là giá trị biên âm hoặc dương lớn nhất mà cảm
biến có thể đo đạc được mà không làm biến dạng, cắt tính hiệu ngõ ra.
 Tần số đáp ứng (frequency response): là tần số tín hiệu ngõ ra của cảm biến,
được xác định bởi đặc tính của vật liệu và có độ lệch xác định +-5%.
 g 1g: là giá trị mà gia tốc dựa vào giá trị gia tốc trọng trường g của Trái Đất:
32,2ft/s2, 386in/s2 hoặc 9.81 m/s2.
 Độ nhạy (Sensitivity): là tác động nhỏ nhất cảm biến có khả năng phát hiện

được
 Độ nhạy nhiệt độ (temperature sensitivity): độ thay đổi tín hiệu ngõ ra khi
nhiệt độ cảm biến tăng lên 1 độ.
 Khoảng nhiệt độ hoạt động (temperature range): giới hạn mà cảm biến có thể
hoạt động được.
2.5 CON QUAY HỒI CHUYỂN[1]
Con quay hồi chuyển là thiết bị đo đạc hoặc duy trì phương hướng, dựa trên
nguyên lý bảo toàn động lượng.

Hình 2.7: Cấu tạo cơ khí của con quay hồi chuyển

Về mặt cơ khí, con quay hồi chuyển là một đĩa tròn xoay quanh trục tự do theo
mọi hướng. Phương hướng này thay đổi nhiều hay ít tùy thuộc vào mô men xoắn bên
ngoài hơn là liên quan đến con quay có vận tốc cao bên trong. Vì mô men xoắn được
tối thiểu hóa bởi việc gắn kết thiết bị trong các khớp vạn năng (gimbal), hướng của
nó duy trì gần như cố định bất kể so với bất kỳ chuyển động nào của vật thể mà nó
tựa lên.
2.6 LA BÀN SỐ
2.6.1 La bàn
La bàn là dụng cụ dùng để xác định phương hướng trong không gian nhất định.
La bàn được ứng dụng nhiều trong các hoạt động đi biển, vào rừng, sa mạc, hướng
12


Thiết kế và thực hiên giá ăng-ten tự xoay bám theo quỹ đạo của vệ tinh CubeSat

bay của máy bay, tàu thủy, tàu ngầm, tên lửa, tàu vũ trụ. Các thông số gồm phương
hướng, tọa độ.

Hình 2.8: Hình ảnh một la bàn từ

2.6.2 Cảm biến từ - từ kế
Từ kế hay máy đo từ là thiết bị dung để đo đạc cường độ và có thể cả hướng
của từ trường trong khu vực lân cận. Cảm biến từ trường hoạt động dựa trên nhiều
hiệu ứng khác nhau của từ trường tác động lên vật chất, để cho ra biểu hiện có thể
định lượng được, ở các từ kế hiện đại thì biểu hiện này là tín hiệu điện.
Cảm biến từ được ứng dụng trong nghiên cứu địa lý, vật lý để đo từ trường
của Trái Đất, Mặt Trời,… Trong phòng thí nghiệm vật lý thì từ kế được dùng trong
xác định tính chất từ của mẫu vật, và trong khảo sát các quá trình hoặc hiện tượng vật
lý, hóa học, sinh học,…
Các đặc trưng kỹ thuật của từ kế:
 Nhịp lấy mẫy (sample rate): quãng thời gian giữa hai lần cho ra số liệu, nó xác
định khoảng cách điểm đo khi phương tiện đo di chuyển.
 Băng thông (bandwidth): thể hiện đáp ứng khi từ trường thay đổi, ví dụ khi
tao đo di chuyển hoặc khi bão từ. Băng thông hẹp sẽ vướng vào giới hạn
Nyquist (Nyquist limit) khi từ trường biến đổi nhanh.
 Độ phân giải (Resolution): sự thay đổi nhỏ nhất của từ trường có thể đo.
 Sai số tuyệt đối (Absolute error): sự khác biệt giữa trung bình số đo với từ
trường thực tế.
 Độ trôi (Drift): sự thay đổi tham số theo thời gian.
 Ổn định nhiệt (thermal stability): sự phụ thuộc kết quả đo với nhiệt độ.
 Độ nhạy (Sensitivity): đại lượng lớn hơn tiếng ồn và độ phân giải.
2.7 GIỚI THIỆU CƠ BẢN VỀ BOARD MẠCH RASPBERRY PI[5]
Raspberry Pi là một board mạch điện tử có kích thước nhỏ cỡ một chiếc thẻ tín
dụng được phát triển bởi Raspberry Pi Foundation, với mục đích giảng dạy các môn
khoa học máy tính cơ bản cho trẻ em tại các trường học ở Anh quốc.
Các board mạch Raspberry Pi được cấp giấy phép sản xuất bởi Newarek
element14, RS Components và Egoman.
Hình 2.9 là hình ảnh thực tế của board mạch Raspberry Pi 2.

13


Thiết kế và thực hiên giá ăng-ten tự xoay bám theo quỹ đạo của vệ tinh CubeSat

Hình 2.9: Board mạch Raspberry Pi 2

2.7.1











2.7.2








Cấu hình cơ bản của Rasberry Pi 2
SoC: Broadcom BCM3836.

CPU: chip 900 MHz quad-core ARM Cortex-A7.
Bộ nhớ RAM: 1GB LPDDR2 SDRAM
Cổng USB 2.0: 4 cổng kết nối USB.
Video input: 15-pin với giao diện camera MIPI.
Video outputs: HDMI với độ phân giải từ 640x350 đến 1920x1200.
Audio input: jack 3.5 mm TTRS jack.
Audio output: tín hiệu analog qua cổng 3.5 mm phone jack, tín hiệu số qua
cổng HDMI.
On-board storage: khe cắm thẻ nhớ MicroSD.
On-board network: 10/100 Mbit/s Ethernet.
Nguồn: micro USB 5V 2A
Giao tiếp ngoại vi

Hình 2.10: Giao tiếp ngoại vi trên board mạch Raspebeery Pi

GPIO: 17 cổng giao tiếp vào ra.
Giao tiếp I2C: chứa trong GPIO2 và GPIO3
Giao tiếp UART: chứa trong GPIO14 và GPIO15
Giao tiếp SPI: chứa trong GPIO7, GPIO8, GPIO9, GPIO10 và GPIO 11.
HDMI: chuyển tín hiệu sang cáp VGA xuất ra màn hình máy tính.
Khe cắm thẻ nhớ miroSD: cài hệ điều hành và làm bộ nhớ chính.
14


Thiết kế và thực hiên giá ăng-ten tự xoay bám theo quỹ đạo của vệ tinh CubeSat

2.7.3 Hệ điều hành trên cho Raspberry Pi
Raspberry Pi có được khá nhiều OS Linux hỗ trợ như Raspian, Pidora, openSUSE,
OpenWRT, OpenELEC, Snappy,…Raspian là một bản xây dựng Linux dựa trên hệ
điều hành Debian với giao diện LXDE được sử dụng như máy tính PC.

Hình 2.11: Hệ điều hành Raspian trên hệ thống

2.8 NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH PYTHON[10]
2.8.1 Giới thiệu về Python
Python là một ngôn ngữ lập trình thông dịch (interpreted language) do Guido van
Rossum tạo ra năm 1990. Python được phát triển trong một dự án mã nguồn mở, do
tổ chức phi lợi nhuận Python Software Foundation quản lý. Tên gọi Python được Van
Rossum đặt bắt nguồn từ một series hài kịch “Monty Python ‘s Flying Circus” của
đài truyền hình BBC được phát trong những năm 1970.
Ban đầu, ngôn ngữ Python được phát triển để chạy trên nền Unix, nhưng sau đó
đã mở rộng sang các hệ điều hành khác như MacOS, Windows,… Đây là một ngôn
ngữ dễ học. có những cấu trúc dữ liệu cấp cao hiệu quả và hướng lập trình đối tượng
đơn giản. Ở chế độ tương tác, trình thông dịch Python tương tự như các sell trong các
hệ điều hành họ Unix, ở đó ta có thể nhập vào từng biểu thức rồi gõ Enter, các kết
quả thực thi sẽ được hiển thị ngay lập tức (khác với các ngôn ngữ như C/C++ và
Fortran đòi hỏi phải biên dịch trước khi thực hiện chương trình). Đặc điểm này rất
hữu ích cho người mới học. giúp họ tìm hiểu cách thực thi của chương trình từng
bước một, hoặc để các lập trình viên chạy thử mã lệnh trong suốt quá trình phát triển
phần mềm.
2.8.2 Một số đặc điểm chính của ngôn ngữ Python
Một số đặc điểm chính của ngôn ngữ Python gồm có:
 Ngôn ngữ thông dịch: biên dịch chương trình nguồn theo từng phân đoạn hoặc
từng câu lệnh, sau đó thực thi các đoạn mã đã được biên dịch, chương trình
đích vừa tạo ra sẽ không được lưu lại. Do đó nó có ưu điểm tiết kiệm thời gian
phát triển ứng dụng vì không cần phải thực hiện biên dịch và liên kết.
 Ngôn ngữ kiểu động: ngôn ngữ mà các kiểu chỉ được gán lên các dữ liệu trong
thời gian chương trình được thực thi. Chương trình không kiểm tra các ràng
buộc về kiểm dữ liệu tại thời điểm biên dịch, mà là tại thời điểm thực thi.
Ngoài ra, khi sử dụng Python ta không cần phải khai báo biến, biến được xem

là đã khai báo nếu nó được gán một giá trị lần đầu tiên. Căn cứ vào mỗi lần
gán, Python sẽ tự động xác định kiểu dữ liệu của biến.
 Cơ chế cấp phát bộ nhớ tự động: không khởi tạo giá trị ban đầu cho biến.
15


Thiết kế và thực hiên giá ăng-ten tự xoay bám theo quỹ đạo của vệ tinh CubeSat

 Khả năng mở rộng: trình thông dịch Python có được mở rộng dễ dàng với
những chức năng và kiểu dữ liệu được viết trong C hoặc C++ ( hoặc ngôn ngữ
nào đó có thể gọi được từ C). Ta cũng có thể mở rộng chức năng của trình
thông dịch, hoặc liên kết các chương trình Python với các thư viện chỉ ở dạng
nhị phân.
Tuy nhiên, cũng như tất cả các ngôn ngữ lập trình khác, Python không phải là
không có những khuyết điểm:
 Python vốn không phải là ngôn ngữ được xây dựng nên để phục vụ cho mục
đích khoa học kĩ thuật do đó các thư viện của nó không so sánh được với các
ngôn ngữ chuyên sâu như Matlab/Octave, Mathematica,…
 Tốc độ thực thi chương trình không nhanh bằng những ngôn ngữ khác như
C/C++. Fortan,…
2.8.3 Các nhánh của ngôn ngữ Python
Các nhánh chính cho ngôn ngữ Python:
 CPython: được xây dựng nên từ ngôn ngữ C bởi Guido van Rossum
 Jython: Python cho Java
 IronPython: Pytthon cho Microsoft .NET
 PyMite: Python cho các vi xử lý (microprocessor)
Ngoài ra, Python có các thư viện phục vụ khoa học kỹ thuật chẳng hạn:
 Numpy: đây là thư viện được viết bằng ngôn ngữ lập trình cấp thấp như C và
Fortran (chủ yếu phục vụ các tính toán ma trận), được xây dựng dựa trên nền
tảng các thư viện như BLAS, LAPACK.

 SciPy: thư viện này phục vụ cho các tính toán tích phân số, giải hệ phương
trình vi phân, tính toán tối ưu,…
 Mathplotlib: công cụ vẽ đồ thị tương đương với bộ công cụ trong Matlab.
 Multi-processing: gói tính toán song song.
2.8.4 Lập trình giao diện Tkinter
Tên Tkinter được bắt nguồn từ giao diện Tk. Tkinter được viết bởi Fredrik
Lundh. Tkinter là phần mềm sử dụng ngôn ngữ lập trình kết hợp với giao diện đồ
họa để tạo ra các công cụ lập trình giao diện phục vụ người dùng. Tkinter có thể sử
dụng cho nhiều ngôn ngữ khác nhau, tuy nhiên nó là một phần mềm phổ biến nhất
dành cho ngôn ngữ Python và được đánh giá là một công cụ mạnh nên việc học cách
sử dụng bộ công cụ này không hề đơn giản. Tkinter cung cấp như là tập hợp các cửa
sổ. Tkinter được thiết kế như là một giao diện người sử dụng do yêu cầu thực tế dành
cho riêng ngôn ngữ Python.

16


Thiết kế và thực hiên giá ăng-ten tự xoay bám theo quỹ đạo của vệ tinh CubeSat

CHƯƠNG 3

THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Chương này bao gồm những nội dung chính sau:
 Sơ đồ khối hệ thống
 Các module cảm biến sử dụng trong hệ thống
 Động cơ sử dụng trong hệ thống
 Sơ đồ giải thuật của hệ thống
3.1 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG

Module
MPU6050

Module
HMC5883L

I2C

Động cơ điều khiển
trục Azimuth

Động cơ điều khiển
trục El

GPIO

USB

Chuột

USB

Bàn phím

HDMI
to VGA
cable

Màn hình

Hình 3.1: Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống

Tổng quan nhiệm vụ, chức năng các khối trong hệ thống:
**Board xử lý trung tâm: Khởi động phần mềm điều khiển giá xoay do nhóm thiết
kế, người dùng lựa chọn vệ tinh cần quan sát, hệ thống sẽ so sánh thời gian của hệ
thống với thời gian trong dữ liệu quỹ đạo vệ tinh cần quan sát. Khi thời gian dữ liệu
vệ tinh trùng với thời gian hệ thống, chương trình sẽ lấy giá trị góc phương vị và góc
nghiêng tương trong dữ liệu, tính toán ra các thông số điều khiển và ra điều khiển
khối cơ cấu chấp hành. Cùng lúc với quá trình đọc dữ liệu và điều khiển, phần mềm
sẽ hiển thị trực quan các thông số thời gian, góc phương vị, góc nghiêng của vệ tinh
và thông số hệ thống điều khiển được.
**Khối cơ cấu chấp hành: Nhận tín hiệu xung điều khiển từ board xử lý trung tâm,
xoay trục Az và El theo góc tương ứng.
17


Thiết kế và thực hiên giá ăng-ten tự xoay bám theo quỹ đạo của vệ tinh CubeSat

**Thiết bị ngoại vi (chuột, màn hình, bàn phím): Sử dụng chuột, bàn phím để điều
khiển, các thiết lập ban đầu. Màng hình dùng để hiển thị, xem kết quả.
**Khối cảm biến MPU-6050:
Cảm biến MPU-6050 tích hợp bao gồm: 1 cảm biến gia tốc 3 trục và 1 con quay hồi
chuyển 3 trục. Khi hệ thống hoạt động, cảm biến sẽ đo đạc gia tốc trọng trường chiếu
lên 3 trục của cảm biến gia tốc và tốc độ góc của 3 trục thông qua con quay hồi
chuyển. Dữ liệu này sẽ được Raspberry Pi lấy về thông qua chuẩn kết nối I2C.
**Khối cảm biến HMC5883L:
Cảm biến HMC5883L là cảm biến la bàn số với 3 trục tự do. Khi hệ thống hoạt động,
cảm biến sẽ trả về tọa độ hiện tại mà cảm biến hướng đến, giá trị tọa độ tính từ hướng
Bắc (00). Dữ liệu này sẽ được Raspberry Pi lấy về thông qua chuẩn kết nối I2C.
3.2 GIỚI THIỆU MODULE CẢM BIẾN

3.2.1 Module cảm biến MPU6050[1][8]
Cảm biến MPU-6050 là dòng cảm biến chuyển động tích hợp bên trong 3 cảm
biến gia tốc và 3 cảm biến con quay hồi chuyển, cho phép tính toán sự chuyển động
của cảm biến hoặc hệ vật được gắn cảm biến. Dữ liệu được số hóa thông qua các bộ
ADCs và có thể xử lý chuyển động (Digital Motion Processor) trước khi đưa vào các
thanh ghi. MPU-6050 có thể được cài đặt các thông số từ vi điều khiển bên ngoài
thông qua giao thức I2C hoặc SPI.
Trong đề tài này MPU6050 được sử dụng để đo giá trị góc nghiêng (Trục
Elevation) của hệ thống.

Hình 3.2: Hình ảnh thực tế Module MPU-6050

Một số đặc tính của module cảm biến MPU-6050:
 Dải điện áp hoạt động: 2.3V – 3.4V
 Nhiệt độ hoạt động tốt nhất: 250C
 Dải nhiệt hoạt động: -40 đến +850C
 Chuẩn giao tiếp I2C (Fast mode và Normal mode) hoặc SPI
 Khả năng chịu chấn động: 10000g
 Khoảng đo lường của cảm biến gia tốc: 2g – 4g – 8g – 16g
 Khoảng đo lường của con quay hồi chuyển: 250 – 500 – 1000 – 2000
(Degree/sec)

18