Nghiên cứu xây dựng hệ thống định vị trong nhà và công trình sử dụng cảm biến imu

I HỌ

U

ƢỜ

GI H

I

Ọ

Ệ

----------

NGUYỄ VĂ

ƢỜNG

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG
ỊNH VỊ TRONG NHÀ VÀ CƠNG TRÌNH
SỬ DỤNG CẢM BIẾN IMU

VĂ
CƠNG NGHỆ KỸ THU

ỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG

- 2018

I HỌ

U

ƢỜ

GI H

I

Ọ

Ệ

----------

NGUYỄ VĂ

ƢỜNG

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG
ỊNH VỊ TRONG NHÀ VÀ CƠNG TRÌNH
SỬ DỤNG CẢM BIẾN IMU
n :

n

ệ Kỹ thuật iện tử, Truyền thông

u n n n : ỹ thuật iện tử
Mã số: 60520203

VĂ
CÔNG NGHỆ KỸ THU

ƢỜI

ỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG

ƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. TRẦ

- 2018

ỨC TÂN


i
Ờ

ẢM Ơ

ể hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm
ơn sâu sắc tới Thầy PGS.TS Trần

ức Tân . Thầy đã k

n quản k ó k ăn,

thời gian, cơng sức để giúp tơi hồn thành luận văn n . Thầy l n ười luôn

say mê nghiên cứu khoa học, có p ươn p áp n i n cứu v đã có nhiều đón
góp cho sự nghiệp nghiên cứu khoa học. T i đã ọc được ở Thầy nhiều bài
học quý về cách làm việc chuyên nghiệp, lối tư du đán

iá sự việc, những

kinh nghiệm làm việc giúp ích cho tơi trong cơng việc sau này.
Tôi xin cảm ơn tới anh Phạm Văn T n - Nghiên cứu sinh tại bộ môn,
n ười đi cùn t i tron n i n cứu này và tôi xin cảm ơn các bạn sinh viên
trong nhóm nghiên cứu, các bạn đã ỗ trợ nhiệt tìn để tơi có thể hồn thành
nghiên cứu.
Tơi c n

in ửi lời cảm ơn đến các t ầ , c

nhóm MEMS và các bạn trong lớp
Vi n T n , Trườn
n ữn n ận

ại Học

n

t, óp c o luận văn n

iáo v

22 Kỹ thuật điện tử,
ệ,

ại Học

ạn

tron

o

iện Tử -

uốc Gi H

ội đã có

củ t i.

Tiếp theo, tôi xin gửi lời cảm ơn tới các anh chị tron cơ qu n nơi t i
công tác, nhữn n ười đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi học tập và nghiên cứu.
uối cùn t i in ửi lời cảm ơn chân thành nhất đến i đìn t i. Gi
đìn l độn lực c o t i vượt qu n ữn t ử t ác , lu n lu n ủn

ộ v độn

vi n t i o n t n luận văn n .
Mặc dù đã cố gắng rất nhiều n ưn k n trán k ỏi sai sót, hạn chế. Tơi
mong nhận được nhiều sự góp ý, chỉ bảo của các thầ , c để tôi có thể hồn
thiện ơn luận văn của mình.
Tơi xin chân thành cảm ơn !
Hà Nội, ngày 3 tháng 5 năm 2018
Học viên

Nguyễn Văn ƣờng


ii
Ờ

M

T i in c m đo n luận văn tốt nghiệp “Nghiên cứu xây dựng hệ thống
định vị trong nhà và cơng trình sử dụng cảm biến IMU.” là sản phẩm của quá

trình nghiên cứu, tìm hiểu củ cá n ân dưới sự ướng dẫn và chỉ bảo của các
thầ

ướn dẫn, t ầ c tron

ộ m n, tron k o v các ạn

kết quả trình bày trong luận văn l

. Các số liệu,

o n to n trun t ực. Tôi khơng sao chép

các tài liệu hay các cơng trình nghiên cứu củ n ười k ác để làm luận văn
này.
Trong luận văn có dùn một số tài liệu tham khảo n ư đã n u tron
phần tài liệu tham khảo.
Nếu vi phạm, tôi xin chịu mọi trách nhiệm.

Hà Nội, ngày 3 tháng 5 năm 2018
ười thực hiện

Nguyễn Văn ƣờng


iii
MỤC LỤC
H

HI U V

H

VIẾT TẮT ..................................................i

DANH M C HÌNH VẼ ............................................................................................. ii
ươn 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC CÔNG NGH ................................................... 3
ỊNH VỊ TRONG NHÀ ............................................................................................. 3
Giới thiệu về định vị trong nhà ...................................................................3

1.1

1.2. Một số p ươn p áp định vị trong nhà hiện nay .............................................3
1.2.1

Công nghệ định vị cảm biến từ trường ...................................................3

1.2.2

Cơng nghệ định vị dùng sóng siêu âm ....................................................4

1.2.3

Cơng nghệ định vị dùng sóng bluetooth..................................................5

1.2.4

Cơng nghệ định vị sử dụng mạng wifi.....................................................5

1.2.5

Công nghệ định vị sử dụng ánh sáng ......................................................6

Kết luận c ươn 1 ...................................................................................................7
ươn 2. THIẾT KẾ H TH NG VÀ XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ................... 8
2.1. Thiết kế hệ thốn định vị .................................................................................8
2.1.1 Thiết kế phần cứng .....................................................................................8
2.1.2 Thiết kế phần mềm ...................................................................................12
2.1.3 Hiệu chỉnh cảm biến và lọc dữ liệu..........................................................13
2.2 Xây dựng giải thuật .........................................................................................17
2.2.1 Bộ đếm bước chân ....................................................................................17
2.2.2 Phát hiện hướng dịch chuyển ...................................................................26
2.2.3 Định vị vị trí theo chiều dọc .....................................................................34
Kết luận c ươn 2 .................................................................................................40
ươn 3 KẾT QUẢ THỰC NGHI M VÀ THẢO LUẬN .................................... 41
Kết luận c ươn 3 .................................................................................................46
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 47
CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG B CỦA TÁC GIẢ ................................................... 48
TÀI LI U THAM KHẢO......................................................................................... 49

i
MỤ
ệ

Ệ V

ỮV Ế
n

Viết tắt

ADC

Analog to Digital converter

Bộ chuyển đổi tươn tự - số

DMA

Direct Memory Access

Truy cập địa chỉ trực tiếp

GPS

Global Positioning System

Hệ thốn định vị toàn cầu

LED

Light Emitting Diode

i ốt phát quang

IMU

Inertial Measurement Unit

ơn vị đo lường quán tính

I2C

Inter-Intergrated Circuit

Giao tiếp mạch tích hợp

IPS

Indoor Positioning System

Hệ thốn định vị trong nhà

SPI

Serial Peripheral Interface

Giao diện ngoai vi nối tiếp

Received Signal Strength

Chỉ số cườn độ tín hiệu thu

Indicator

được

Universal

Truyền nhận nối tiếp đồng bộ

Synchronous/Asynchronous

v k

RSSI

USART

Receiver/Transmitter

n đồng bộ


ii

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Ví dụ về định vị trong nhà sử dụng cảm biến từ trường ..............................4

Hìn 1.2

ìn định vị trong nhà sử dụng sóng siêu âm .......................................4

Hìn 1.3

ìn định vị sử dụng sóng bluetooth .....................................................5

Hình 1.4

ìn định vị trong nhà sử dụng sóng Wifi .............................................6

Hìn 1.5

ìn định vị sử dụng ánh sáng ..............................................................7

Hìn 2.1 Sơ đồ khối kết nối chính của hệ thốn định vị .............................................8
Hình 2.2 MCU STM32F103C8T6 ..............................................................................9
Hình 2.3 Hình ảnh thực tế cảm biến MPU9250 [6] ....................................................9
Hìn 2.4 Hướng các trục tọ độ của MPU9250 [6] ..................................................10
Hình 2.5 Cảm biến áp suất BMP180.........................................................................10
Hìn 2.6 Sơ đồ nguyên lý của thiết bị định vị được đeo tr n n ười .........................11
Hình 2.7 Hình ảnh thực tế của thiết bị định vị được đeo tr n n ười ........................12
Hìn 2.8 Sơ đồ hoạt động của thiết bị .......................................................................13
Hình 2.9 Tín hiệu gia tốc trước v s u k i được căn c ỉnh ......................................14
Hình 2.10 Tín hiệu gia tốc trước v s u k i được lọc loại bỏ nhi u .........................15
Hình 2.11 Tín hiệu từ trườn trước v s u k i được qua bộ lọc ...............................15
Hình 2.12 Tín hiệu từ trườn trước v s u k i được căn c ỉnh ................................16
Hình 2.13 Hình ảnh mô phỏng cho cảm biến từ trườn k i c ư được căn c ỉnh [7]
...................................................................................................................................16

Hình 2.14 Hình ảnh mô phỏng cho cảm biến từ trườn k i được căn c ỉnh ............17
Hình 2.15 Trạn t ái ước chân và giá trị gia tốc tươn ứng [8] .............................17
Hình 2.16 Tín hiệu gia tốc 3 trục thu từ cảm biến. ...................................................18
Hình 2.17 Tín hiệu gia tốc t

trước k i c ư được lọc ...........................................19

Hình 2.18 Tín hiệu gia tốc đã được qua bộ lọc thơng thấp .......................................19
Hìn 2.19 ác đỉnh có trong tín hiệu bao gồm đỉnh thật v đỉnh giả .......................20
Hình 2.20 Loại bỏ đỉnh giả khi sử dụn điều kiện khoản các đỉnh nhỏ nhất .......20
Hình 2.21 Thuật toán phát hiện đỉn v điều kiện khoản các đỉnh tối thiểu ........21
Hìn 2.22 ỉnh bị loại bỏ khi sử dụn điều kiện sự nổi trội củ đỉnh ......................22
Hình 2.23 Giá trị

X,

I ,

ưỡn động trên mỗi đoạn dữ liệu........................23

Hình 2.24 Thuật tốn sử dụn n ưỡn động ............................................................24
Hìn 2.25 ác đỉnh giả bị loại bỏ khi sử dụn điều kiện n ưỡn động ...................24
Hình 2.26 Thuật tốn loại bỏ các đỉnh trong trạn t ái đứng yên ............................25


iii
Hình 2.27 Kết quả ước c ân t u được sau khi thỏ mãn các điều kiện ..................25
Hìn 2.28 Sơ đồ thuật tốn đếm ước chân ..............................................................26
Hình 2.29 Dữ liệu từ ba trục cảm biến từ trường ......................................................27
Hình 2.30 Tín hiệu từ trường trục mx, mz và giá trị Max,Min,Max-Min. ...............28

Hình 2.31 Giá trị th_X, th_Z và th_M ......................................................................28
Hình 2.32 Thuật tốn chuẩn hóa dữ liệu ...................................................................29
Hình 2.33 Tín hiệu t _

s u k i đã được chuẩn hóa ...............................................30

Hình 2.34 Các thời điểm xác nhận sự chuyển ướng ...............................................30
Hình 2.35 Thuật tốn chuẩn hóa dữ liệu từ trường mx, mz ......................................32
Hình 2.36 Chuẩn hóa tín hiệu mx, mz ......................................................................32
Hìn 2.37 Sơ đồ thuật tốn phát hiện chuyển ướng. ...............................................33
Hình 2.38 Phát hiện sự chuyển ướn v
Hình 2.39 Dữ liệu t

ác địn

ướng di chuyển .......................34

t u được từ cảm biến áp suất khơng khí ...............................35

Hình 2.40 Giá trị độ cao chuyển đổi từ giá trị áp suất k

n k ít

t u được từ cảm

biến ............................................................................................................................35
Hình 2.41 Nhữn điểm bất t ường ở dữ liệu thơ ......................................................36
Hình 2.42 Sơ đồ tổn quát p ươn p áp hiệu chỉnh giá trị áp suất [10] .................37
Hình 2.43 Tín hiệu áp suất sau khi được hiệu chỉnh .................................................38
Hình 2.44 Tín hiệu độ c o s u k i được hiệu chỉnh .................................................38

Hìn 2.45 Lưu đồ thuật tốn phát hiện tầng nhà. ......................................................39
Hình 2.46 Sơ đồ tổng quát hệ thốn định vị trong nhà .............................................39
Hình 3.1 Hình ảnh thực tế k i đeo t iết bị tr n n ười thử nghiệm…………..…….41
Hình 3.2 Mơ hình thử nghiệm k i đi t eo ìn c ữ nhật với chiều d i 7 ước và
chiều rộn 5 ước. .....................................................................................................42
Hình 3.3 Kết quả s u đi ộ với số ước 24 ...............................................................42
Hình 3.4 Kết quả số ước c ân k i đi qu n k u dân cư .........................................43
Hình 3.5 Các thời điểm qu

v

ác địn

ướn k i đi qu n k u dân cư ..............44

Hình 3.6 Quỹ đạo chuyển động củ n ười thực nghiệm k i đi qu n k u dân cư...44
Hình 3.7 Giá trị độ c o k i đi ộ và trong thang máy...............................................46


iv
MỤ

Ả

Bảng 2.1 Sự tươn qu n iữa tín hiệu mx, mz với những lần chuyển ướng ..........33
Bảng 3.1 Bảng kết quả các lần thử nghiệm cho thuật toán đếm ước ......................43
Bảng 3.2 Bảng kết quả phát hiện sự chuyển ướng ..................................................45


1

Ờ

Ầ

ư t đã iết, với các hệ thống định vị ngoài trời đ n được sử dựn n ư ệ
thống GPS, với khả năn định vị rất tốt vị trí củ n ười trong phạm vi rộng lớn. Tuy
nhiên,khi gặp sự che khuất của các cơng trình, tịa nhà hoặc đi v o n ững vùng
không thể t u được tín hiệu GPS thì sự định vị này khơng cịn chính xác. Trong khi
đó, vấn đề định trong là lại đ n v cùn

ữu ích cho cuộc sống và trong công tác

cứu hộ cứu nạn. Hiện nay, trên thế giới đã có một số cơng nghệ định vị được nghiên
cứu và sử dụng n ư: định vị sử dụng sóng siêu âm, tia hồng ngoại, sóng bluetooth,
wifi… Tuy các cơng nghệ tr n đã đạt được những thành công nhất định, bên cạnh
đó cịn n ững hạn chế n ư: chi phí cao, cơng suất tiêu thụ lớn, cần thiết lập sẵn hệ
thốn định vị và các nghiên cứu đó mới chỉ định vị theo chiều n n m c ư định
vị theo chiều dọc. Vì vậy, trong luận văn này tác giả đã đư r một đề xuất xây
dựng một thiết bị tích hợp các cảm biến đo lường quán tính (IMU).và cảm biến áp
suất để định vị vị trí củ n ười.theo cả chiều ngang và chiều dọc.
Nội dung của khóa luận được tóm tắt n ư s u:
ươn 1: Tổng quan về định vị trong nhà
ươn 2: T iết kế hệ thống, xây dựng thuật toán
ươn 3: ết quả thực nghiệm và thảo luận


2
TĨM T T
Tóm tắt:
Ngày nay, việc định vị rất được quan tâm và nghiên cứu, với việc định vị

ngoài trời đã có các hệ thốn định vị n ư GPS.

ưn tron trường hợp vì lý do

n o đó m tín iệu GPS khơng thể t u được, thì việc định vị trở nên khơng chính
xác ví dụ n ư trong trường hợp n ười định vị ở trong các tòa nhà, cơng trình, tầng
hầm. Tron k i đó, vấn đề định vị trong nhà lại vơ cùng hữu ích trong một số
trường hợp n ư định vị nhân viên cứu hộ trong tịa nhà…Vì vậy, trong luận văn
này, tác giả đã đư r một p ươn p áp kết hợp sử dụng.dữ liệu t u được từ cảm
biến áp suất.và dữ liệu từ cảm biến đo lường quán tính (IMU) để định vị được vị trí
của n ười theo chiều ngang và theo chiều dọc.
Từ khóa: Cảm biến IMU, cảm biến từ trƣờng, cảm biến áp suất.


3
ƣơn 1. ỔNG QUAN VỀ CÁC CÔNG NGHỆ
ỊNH VỊ TRONG NHÀ
1.1 Giới thiệu về định vị trong nhà
Hệ thốn định vị trong nhà (Indoor Positioning System - IPS) là một hệ thống
ác định vị trí các đối tượng hoặc n ười bên trong tịa nhà, sử dụng sóng vơ tuyến,
từ trường, sóng siêu âm hay một số các loại cảm biến k ác được thu thập bởi các
thiết bị di động.
Một số cơng trình nghiên cứu về các p ươn p áp định vị k ác n u đã r đời
v đã đạt được các kết quả nhất địn . Tu n i n điểm chung của các cơng trình này
là cần thiết lập trước m i trườn để định vị, do đó trong một số trường ướng
nghiên cứu này sẽ không khả t i n ư: định vị trong một cơng trình bất kì, cơng tác
cứu hộ cứu tạn khi trong tòa nhà xảy ra sự cố gây ra sự ư ỏng cho các hệ thống
được thiết lặp sẵn.
Hiện đã có một số sản phẩm của một số c n t đã được t ươn mại hóa, tuy
nhiên vẫn c ư có một tiêu chuẩn nào cho hệ thống định vị trong nhà nói chung.

1.2. Một số p ƣơn p áp định vị trong nhà hiện nay
1.2.1 Công nghệ định vị cảm biến từ trường
Công nghệ này dựa trên tập tính củ động vật n ư: c im, cá ồi… với mục
đíc k ác n u n ư di trú
trái đất để địn

săn mồi… các động vật này sẽ dựa vào từ trường của

ướng.

Dựa trên những tính chất khác biệt về từ trường của mỗi tòa nhà bao gồm từ
trườn Trái đất và hệ thống cấu trúc xây dựng tịa nhà, nên hồn tồn có thể định vị
chính xác vị trí củ n ười tron tị n

đó dựa vào thiết bị có hỗ trợ cảm biến từ

trường và một cơ sở dữ liệu lưu trữ thông tin chi tiết về từ trường củ tị n

đó.

Từ đó, qu sự so sánh giá trị từ trường tại vị trí cần định vị với cơ sở dữ liệu đã lưu
ta có thể biết được vị trí củ n ười đó c ín

ác [1] .


4

Hình 1.1 Ví dụ về định vị trong nhà sử dụng cảm biến từ trường1
1.2.2 Công nghệ định vị dùng sóng siêu âm

Tron p ươn p áp định vị n , n ười ta dùng hệ thống cảm biến phát ra sóng
siêu âm được thiết lập trước tron m i trường cần định vị được gọi là máy phát. Vật
n ười cần định vị mang thiết bị hỗ trợ, ở đâ t iết bị được thiết lập n ư l một
máy thu, có nhiệm vụ thu tín hiệu từ các máy phát, từ tín hiệu đó có t ể tín được
khoảng các từ máy thu tới từng máy phát dựa vào thời gian nhận được tín hiệu và
vận tốc truyền của sóng siêu âm [2].
Từ dữ liệu các khoảng cách từ các máy phát tới má t u, n ười ta có thể xây
dựn được vị trí củ n ười hay vật thể tron m i trườn định vị.
ược điểm củ p ươn p áp n

l c i p í t iết bị cao, phải thiết lập trước

hệ thống, và hệ thống có thể bị nhi u khi gặp các vật cản n ư tườn vác v có độ
sai số vị trí lớn.

Hình 1.2 Mơ hình định vị trong nhà sử dụng sóng siêu âm 2
1

/> />1428049845021/The-typical-configuration-of-the-TELIAMADE-system-A-coordinator-node-is-connectedto-a.png
2


5
1.2.3 Cơng nghệ định vị dùng sóng bluetooth
Cơng nghệ bluetooth phổ biến ơn

ic n n

ơn, ti u tốn ít năn

khoảng cách truyền nhận

ệ trước vì sóng bluetooth có
lượn

ơn tu

n i n són

bluetooth khơng thể truyền trong khoảng cách q xa nên khó có thể sử dụng trong
tị n

có kíc t ước lớn và nhiều tần , c i p í c n đắt đỏ.
Ở p ươn p áp n

n ười ta sử dụng chỉ số cườn độ tín hiệu nhận được

(RSSI) tại máy thu, từ các p p đo chỉ số cườn độ tín hiệu nhận được và thơng tin
từ cơ sở dữ liệu của mơ hình chuyển độn đã t ực hiện trước đó, từ đó t có t ể
o n to n định vị được vị trí củ n ười trong một khơng gian nhỏ khoảng 4.7m [3].
Hình 1.3 mơ tả một m

ìn định vị bằn

luetoot , n ười định vị sử dụng

điện thoại có cài sẵn ứng dụn định vị bằng cách sử dụng ứng dụng bluetooth tích
hợp tr n điện thoại và hệ thốn má t u p át được thiết lặp sẵn, ứng dụn n

đã có

khả năn định vị n ười tron m i trường trong nhà.

Hình 1.3 Mơ hình định vị sử dụng sóng bluetooth3
1.2.4 Công nghệ định vị sử dụng mạng wifi
So nhữn p ươn p áp tr n, c n n

ệ định vị trong nhà sử dụng mạng wifi

được phổ biến ơn cả. Do sự phổ biến củ các điểm truy cập (Acess Point), p ươn
pháp này sử dụn địa chỉ MAC củ các điểm truy cập và chỉ sổ cường độ tín hiệu

3

/>

6
nhận được ở máy thu (thiết bị di động có kết nối wifi).

ối chiếu với cơ sở dữ liệu

ta có thể định vị được n ười trong khu vực nhỏ với độ chính xác cao. [4]
ược điểm củ p ươn p áp n

l

u cầu thiết lập hệ thốn điểm truy cập,

xây dựn cơ sở dữ liệu ở máy chủ và giá thành cao.

Hình 1.4 Mơ hình định vị trong nhà sử dụng sóng Wifi4
1.2.5 Cơng nghệ định vị sử dụng ánh sáng
Tron p ươn p áp định vị n , n ười ta sử dụng hệ thốn đ n c iếu sáng
LED làm các máy phát mã tín hiệu bằng cách chớp tắt đ n, ở n ười cần định vị có
thế sử dụng máy ảnh của củ điện thoại làm máy thu, nhận các tín hiệu từ các máy
phát truyền tới. S u k i đối chiếu với hệ thống máy chủ qua một ứng dụn được cài
trên thiết bị di động, ở đâ má c ủ cung cấp bản đồ vị trí của vật cần định vị. Qua
đó có t ể định vị chính xác vật thể
P ươn p áp n
minh hiện n

n ười [5].

có ưu điểm là máy thu phổ biến vì các mẫu điện thoại thơng

đều có máy ảnh.

ược điểm củ định vị này là khoảng cách ngắn, và ản
trườn định vị nhiều vật cản hoặc ản

ưởng lớn nếu môi

ưởng của các hệ thốn đ n c iếu sáng bên

cạnh.

4

/>

7

Hình 1.5 Mơ hình định vị sử dụng ánh sáng 5

Kết luận c ƣơn 1
Một số công nghệ định vị trong nhà hiện n , tu có độ c ín

ác c o n ưn

các p ươn p áp đó địi ỏi sự thiết lập sẵn cơ sở hạ tầng, hệ thống phức tạp, tốn
kém chi phí.
o đó, tác iả đã đư r đề xuất định vị trong nhà sử dụng các cảm biến quán
tính (IMU) và cảm biến áp suất, với ưu điểm hệ thống nhỏ gọn, trang thiết bị giá
thành thấp, d triển khai và không yêu cầu sự thiết lập sẵn về cơ sở hạ tầng.

5

/>

8
ƣơn 2.

ẾT KẾ HỆ THỐNG VÀ XÂY DỰNG THU T TOÁN

2.1. Thiết kế hệ thống định vị
2.1.1 Thiết kế phần cứng
Trong quá trình nghiên cứu, sử đổi các phiên bản phần cứng tác giả đã đư r
được phiên bản phần cứng tối ưu n ất cho các thành phần của hệ thốn định vị.
Hệ thống bao gồm thiết bị đặt ở thắt lưn để thu nhận dữ liệu gia tốc, dữ liệu
từ trường và dữ liệu áp suất. Thiết bị được kết với má tín t

n qu m đun

truyền phát khơng dây (nRF24L01). Hình 2.1 mơ tả sơ đồ khối của hệ thống.
Thiết bị đo ồm 6 phần c ín . Vi điều khiển, cảm biến IMU, cảm biến áp suất
nhiệt độ, bộ truyền thông không dây, pin + mạch sạc và hệ thống còi báo, nút bấm,
thẻ nhớ và các đ n báo trạng thái.

Hình 2.1 Sơ đồ khối kết nối chính của hệ thống định vị
Bộ xử lý trun tâm l vi điều khiển 32bit STM32F103C8T6 có chức năn t u
nhận, tiền xử lý tín hiệu từ cảm biến IMU (MPU9250) bao gồm tín hiệu gia tốc, gia
tốc góc, từ trường và tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ, áp suất B P180 s u đó tất cả tín
hiệu được lưu trữ vào thẻ nhớ (SD card). Module nRF24L01 có nhiệm vụ truyền dữ
liệu từ cảm biến lên máy tính, và cuối cùn l pin lit ium có dun lượng 1200mAh.
a) Vi điều khiển ST 32F103 8T6 l dòn vi điều khiển 32 bit ARM mạnh
mẽ cùng các cổng giao tiếp ngoại vi p on p ú, điện áp hoạt động trong dải 2-3.6V,
đáp ứn đủ yêu cầu của hệ thống. Với các thông số n ư s u: iến trúc lõi ARM 32bit Cortex - M3, tốc độ CPU là 72MHz với 1.25MIPS/MHz. Bộ nhớ c ươn trìn
dạng Flash với dun lượng 64Kbytes và 20Kbytes SRAM. Hỗ trợ các chuẩn giao
tiếp USART, I2C,SPI, ADC, các bộ định thời 16bit mạnh mẽ và bộ truy cập bộ nhớ
trực tiếp

iúp tăn tốc độ hoạt động của hệ thống.


9

Hình 2.2 MCU STM32F103C8T66
b) Cảm biến IMU - MPU 9250 là sản phẩm của hãng InvenSense có các
thơng số cơ ản sau. Dải điện áp hoạt động từ 2.4-3.6V. I U được tích hợp 3 bộ
cảm biến bao gồm: Cảm biến gia tốc 3 trục tọ độ (accelerometer) với bộ chuyển

đổi ADC 16-bit,với dải đo từ

2g,

4g,

8g và

16g. Cảm biến gia tốc góc 3 trục

tọ độ (Gyroscope) tích hợp bộ chuyển đổi ADC 16-bit, dải đo từ
5000/s, 10000/s, 20000/s. V

PU9250 c n tíc

2500/s,

ợp thêm cảm biến 3 trục từ

trường (Magnetometer) AK8963C,với bộ chuyển đổi tươn tự số ADC 14- bit giá
trị t u được trong dải là

4800 T. Bộ cảm biến

PU9250 được giao tiếp với vi

điều khiển thông qua chuẩn giao tiếp SPI tốc độ 1Mhz hoặc giao tiếp thông qua
chuẩn giao tiếp I2C tốc độ 400Khz ở chế độ Fast Mode.

Hình 2.3 Hình ảnh thực tế cảm biến MPU9250 [6]

a). Hướng các trục tọa độ của MPU9250 [6]
6

/>

10

b) . Hướng các trục tọa độ của MPU9250
Hình 2.4 Hướng các trục tọa độ của MPU9250 [6]
c) Cảm biến nhiệt độ, áp suất BMP180 có một số thơng số cơ ản sau: Dải
điện áp hoạt động là từ 1.8-3.6V. Dải đo n iệt độ là từ 0 - 650C và dải đo áp suất
300-1100 P tươn ứng với độ cao +9000m và -500m so với mặt nước biển.

Hình 2.5 Cảm biến áp suất BMP1807
d)

đun truyền phát không dây nRF24L01 có chức năn tru ền thơng tin

từ thiết bị tới máy tính, ở đó có p ần mềm để theo dõi, giám sát thiết bị.

đun có

một số thơng số sau: Tần số hoạt động 2.4GHz, tiết kiệm năn lượng, dải điện áp từ
1.9 tới 3.6V, tốc độ truyền dữ liệu lên tới 2Mbps. Với module dùng trong luận văn
là module nRF24L01 có tích hợp bộ khuếc đại nên có thể truyền xa lên tới 1km
với m i trường ngoài trời thơng thống khơng có vật cản. Module dùng chuẩn giao
tiếp SPI rất d lập trình.
Ngồi ra, trên thiết bị có hệ thống LED báo trạng thái, còi báo và thẻ micro
S để ghi lại tồn bộ tín hiệu tron q trìn định vị.

7

/>

11

a) Sơ đồ thiết kế module MPU9250

b) Sơ đồ thiết kế khối nguồn

c) Sơ đồ nguyên lý chỉ thị, điều khiển, thẻ nhớ và vi xử lý
Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý của thiết bị định vị được đeo trên người


12
Bộ thu tín hiệu được kết kế trên nền tảng vi xử lý AVR cụ thể l vi điều khiển
Atmega8L với thơng số cơ ản sau: L dịn vi điều khiển 8-bit tốc độ 16MIPS ở
tần số thạch anh là 16MHz. Bao gồm 8Kbyte Flash bộ nhớ c ươn trìn v 1

tes

bộ nhớ SRAM, bên cạn đó vi điều khiển cịn có bộ nhớ EEPROM với 100000 lần
i ó , dun lượn 512 te đủ để lữu trữ một số thông tin c i đặt cho hệ thống. Vi
điều khiển c n

o ồm các ngoại vi giao tiếp cơ ản n ư U RT, SPI, I2C,

…
Hình ảnh thực tế của thiết bị định vị được giới thiệu n ư ìn 2.7

Hình 2.7 Hình ảnh thực tế của thiết bị định vị được đeo trên người
2.1.2 Thiết kế phần mềm
Thiết bị được nhúng hệ điều hành FeeRTOS V8.2.3, lần lượt nhịp nhàng thực
hiện các c ươn trìn s u t n một chu trình khép kín và liên tục.

ươn trìn

c ín được chia thành các Task, mỗi T sk được lập lịc để thực thi câu lệnh. Các
Task luân phiên thực hiện dựa trên các delay củ t sk có độ ưu ti n c o ơn
vTaskDelay. Ưu điểm của lập trình FreeRTOS giúp cho cơng việc lập trìn được
giảm gánh nặng về thuật toán, hệ thống chạy ổn định, d dàng gỡ rối phần mềm.
Thiết bị cịn được tích hợp một số bộ lọc n ư: Lọc thông thấp, lọc trung bình,
lọc Kalman, các bộ lọc này được sử dụng cho cơng việc tiền xử lý tín hiệu, bao gồm
q trình làm mịn tín hiệu, bỏ đi các p ần tín hiệu dư t ừa, đảm bảo c o t u được
tín hiệu khơng bị mất tín hiệu và d dàng cho việc xử lý sau này.
Mỗi lần thiết bị khởi động, vi xử lý sẽ thực hiện tuần tự các công việc sau:
ầu tiên, vi xử lý sẽ c i đặt và thiết lập các thông số cho các ngoại vi giao tiếp cơ
bản n ư: I2C, SPI, USART, PORT. S u k i đã t iết lập các c i đặt của ngoại vi, vi
xử lý tiến hành lấy các giá trị Offset của các cảm biến, các giá trị n

đã được lưu

trong bộ nhớ Flash củ vi điều khiển sau khi cảm biến được căn c ỉnh. Tiếp theo,


13
nếu có yêu cầu cần hiệu chỉnh lại các cảm biến thì vi xử lý sẽ tiến hành hiệu chỉnh
cảm biến, nếu không, vi xử lý tiến hành thu thập dữ liệu gia tốc, từ trường từ cảm
biến MPU9250 và áp suất, nhiệt độ từ cảm biến BMP180. Với tần số lấy mẫu gia

tốc và từ trường là 50Hz còn tần số lấy mẫu áp suất và nhiệt độ là 2Hz. Hình 2.8 là
sơ đồ trình tự hoạt động của thiết bị.

Hình 2.8 Sơ đồ hoạt động của thiết bị
2.1.3 Hiệu chỉnh cảm biến và lọc dữ liệu
Mỗi cảm biến khi xuất ưởn đều có giá trị Offset, do ảnh ưởng của môi
trườn , địa lý, nhiệt độ, sự lão hóa của thiết bị và các biến độn tron m i trường
làm việc mà giá trị offset này bị tr i. iều này làm ản

ưởng lớn tới các phép toán

xử lý tín hiệu sau này. Dẫn tới các ứng dụng sử dụng các giá trị n

c n

ị ảnh

ưởng lớn. Vì vậy việc hiệu chỉnh cảm biến l điều cần thiết.
2.1.3.2 Hiệu chỉnh và lọc tín hiệu cảm biến gia tốc
Trước khi tiến hành thu dữ liệu đư v o ử lý, các cảm biến của thiết bị cần
được hiệu chỉnh giá trị giữa các trục.
Trong luận văn n , tác iả xin giới thiệu p ươn p áp đơn iản để hiệu chỉnh
cảm biến gia tốc.


14
o tín đối xứng của cảm biến gia tốc, p ươn p áp áp dụng cho cả 3 trục tọa
độ l tươn đươn , tác iả trìn

p ươn p áp căn c ỉnh cho trục Z n ư s u:

1: Đặt thiết bị theo hướng 1G và thu dữ liệu az+.
2: Đặt thiết bị theo hướng -1G và thu dữ liệu az-.
3: Tính hệ số K =

2
az  az 


4: _az+= K. az+ , _az- = K. az- .
5 :  = *(_az+ + _az-)
6 : az_calibrated+ = az+ - 
az_calibrated- = az -- 
Sau khi cảm biến được căn c ỉnh, tín hiệu gia tốc lúc n

được thể hiện ở

Hình 2.9, thiết bị được đặt sao cho trục az có p ươn v
p ươn v

ướng trùng với

ướng của gia tốc trọn trường. Các trục ax,ay có p ươn vu n

óc

với gia tốc trọn trường. Tron trường hợp l tưởng giá trị đo được az sẽ bằng 0.
ưn t ực tế k n đạt được n ư vậy, cụ thể ở đâ tín iệu trước k i được hiệu
chỉn d o động trong khoảng -0.02G, s u k i được hiệu chỉnh, giá trị của tín hiệu
d o động trong khoảng -0.005G. Rõ ràng bằn p ươn p áp iệu chỉnh trên, tín

hiệu t u được đã c ín

ác ơn.

Hình 2.9 Tín hiệu gia tốc trước và sau khi được căn chỉnh
Khi cảm biến đã được hiệu chỉnh, tín hiệu lúc này vẫn còn thành phần nhi u
sin r tron quá trìn đo hoặc ản

ưởng củ m i trường.

ể t u được tín hiệu


15
chính xác nhất, điều cần làm là loại bỏ các thành phần nhi u gây ra có lẫn trong tín
hiệu mong muốn t u được.
Trong luận văn n , tác iả đã sử dụng bộ lọc số

lm n để nhằm loại bỏ các

tín hiệu gây nhi u. Kết quả t u được thể hiện trong hình 2.10.

Hình 2.10 Tín hiệu gia tốc trước và sau khi được lọc loại bỏ nhiễu
Trong hình 2.10 cho thấy tín hiệu trước k i được lọc có i n độ d o động lớn,
khó xử l .

i được qua bộ lọc số Kalman, tín hiệu đã được làm mịn d xử l

ơn.

2.1.3.2 Hiệu chỉnh và lọc tín hiệu cảm biến từ trường
ối với cảm biến từ trường, tác giả c n sử dụng bộ lọc số Kalman nhằm loại
bỏ thành phần nhi u không mong muốn. Tín hiệu từ trườn t u được đã ỏ được
phần lớn tín hiệu gây nhi u cịn lại là tín hiệu mong muốn được mơ tả ở hình 2.11.

Hình 2.11 Tín hiệu từ trường trước và sau khi được qua bộ lọc


16
Do tín hiệu từ trườn Trái đất là khác nhau ở nhữn đị điểm khác nhau và
phụ thuộc vào m i trường thử nghiệm nên việc hiệu chỉnh cảm biến là cần thiết.
Trong luận văn n , tác giả đã sử dụng phần mềm hiệu chỉnh Mag Master [7]
để tính tốn các hệ số hiệu chỉnh dựa trên tín hiệu t u được từ thiết bị của tác giả.
Tín hiệu từ trườn trước và sau khi hiệu chỉn được thể hiện ở hình 2.12 , hình 2.13
và hình 2.14

Hình 2.12 Tín hiệu từ trường trước và sau khi được căn chỉnh

Hình 2.13 Hình ảnh mơ phỏng cho cảm biến từ trường khi chưa được căn chỉnh [7]
Hình 2.13 và hình 2.14 mơ tả tín hiệu cảm biến từ trườn trước và sau khi
được hiệu chỉnh. Giá trị từ trườn đã được phân bố đều nhau qua tâm gốc tọ độ ở
hình 2.14 so với hình 2.13 các giá trị của cảm biến từ trường bị lệch khỏi tâm trục
tọ độ.