Luận án Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị thu mặt đất với cơ chế tự động phát hiện và bám vệ tinh dùng cho hệ thống thông tin vệ tinh vinasat

c ngẩng của anten Góc ngẩng (EL) là góc được tạo bởi búp sóng chính của Anten tới vệ tinh và đường chân trời (mặt phẳng tiếp tuyến của mặt đất tại điểm đặt anten). Xét tam giác OESS trên Hình 2.2.a, ta có: 0 (2.6) (2.7) Thay R và h và công thức (2.7) ta có. [ √ ] (2.8) Áp dụng công thức định lý hàm số Cosin trong tam giác SESO để tính 47 khoảng cách giữa anten vệ tinh và anten mặt đất: 2 2 2 2 2 ( ) 2 ( ) ( ) ( ) 2 ( ) ( ) 35786 1 0,419999(1 ) ( ) d R R h R R h Cos b d R R h R R h Cos b Cosb Km              (2.9) Khi nhìn từ một điểm bất kỳ trên mặt đất thì sẽ bị giới hạn góc nhìn, do vậy ta sẽ tính góc giới hạn đông và tây của cung quỹ đạo địa tĩnh. Góc ngẩng nhỏ nhất của anten trạm mặt đất là 00, khi đó vệ tinh nằm trên tiếp tuyến của mặt đất. Nếu góc ngẩng lớn hơn 00 thì đường thẳng trên ngắn hơn thể hiện trên Hình 2.4. Hình 2.4 Minh hoạ giới hạn nhìn thấy b = bMAX khi EL = 0 0 vậy từ công thức tính góc ngẩng anten trạm mặt đất ta có b = arccos[R/(R+h)] = arccos(6378/42164)=81,30 Vậy trạm mặt đất có thể nhìn thấy vệ tinh với cung quỹ đạo địa tĩnh  81,30 theo kinh tuyến trạm mặt đất. Trong thực tế để tránh ảnh hưởng của tạp âm từ mặt đất thì góc ngẩng nhỏ nhất thường  50. EL  50 thì tạp âm mặt đất tác động vào làm tạp âm của Anten lớn hơn mức cho phép. Các tham số góc ngẩng và góc phương vị là cơ sở để thực hiện điều chỉnh anten thu tìm kiếm vệ tinh tương ứng. Quá trình điều chỉnh anten thu tìm kiếm vệ tinh có thể thực hiện theo phương pháp thủ công, phương pháp bán tự động, và phương pháp tự động. Phân loại hệ thống điều khiển và phương pháp tìm kiếm vệ tinh thể hiện trên Hình 2.5. S ES b O R+h b S 48 Hình 2.5 Phân loại hệ thống điều khiển và phương pháp tìm kiếm vệ tinh Hệ thống tìm kiếm vệ tinh sử dụng cả hai phương pháp đó là phương pháp bán tự động và phương pháp tự động. Phương pháp bán tự động sử dụng phím bấm kết hợp mạch điện tử để điều khiển anten. Góc ngẩng của anten thu được điều khiển bởi phím bấm lên/xuống, và điều khiển góc phương vị của anten thông qua phím dịch trái/phải. Phương pháp tìm kiếm tự động sử dụng các thông số về góc ngẩng và góc phương vị có thể được đưa vào từ bàn phím hoặc hệ thống tự động tính toán để có góc tương ứng với vị trí trạm thu. Sau đó mạch điện tử sẽ thực hiện điều chỉnh hệ thống cơ khí quay anten đến góc ngẩng tương ứng. 2.2 Đề xuất thuật toán bám vệ tinh 2.2.1 Đề xuất thuật toán bám vòng hở Thuật toán bám vệ tinh được chia làm hai nhóm đó là thuật toán bám vòng hở và thuật toán bám vòng kín. Sự khác nhau giữa 2 thuật toán này là có hoặc không sử dụng tín hiệu vệ tinh để thực hiện quá trình bám. Thuật toán bám vòng kín sử dụng tín hiệu thu được để làm cơ sở cho quá trình thực hiện bám vệ tinh, một trong những thuật toán thông dụng đó là thuật toán bám từng bước. Đối với thuật toán bám vòng hở sẽ không sử dụng tín hiệu thu được và sử dụng thông tin vị trí của trạm thu di động và góc định hướng của nó từ các cảm biến để bám vệ tinh. Sơ đồ thuật toán bám vòng hở đề xuất thể hiện trên Hình 2.6. Thuật toán này sử dụng thông tin vị trí của trạm thu nhờ khối thu định vị GPS (Global Positioning System) có độ chính xác cao kết hợp với hệ thống cảm biến góc nghiêng và cảm biến góc phương vị để xác định góc ngẩng và góc phương vị hiện tại của trạm thu. Thông tin về kinh độ và vĩ độ của trạm thu lấy từ khối thu định vị Hệ thống điều khiển Phương pháptìm kiếm Điện tử Bán tự động Cơ khí Thủ công Tự động 49 GPS kết hợp với thông tin vị trí của vệ tinh để tính toán ra góc ngẩng và góc phương vị của trạm thu di động. Thông số này sẽ được so sánh với góc ngẩng và góc phương vị thu được từ hệ thống cảm biến góc đặt trên trục quay của hệ thống anten. Tùy theo thông tin sai lệch mà hệ thống sẽ điều khiển mô tơ góc ngẩng EL dịch lên, xuống và mô tơ góc phương vị Az quay tới vị trí góc tương ứng. Sau khi thực hiện xong hệ thống sẽ ổn định và sau một thời gian nhất định hệ thống lại thực hiện lại quá trình từ đầu. Hình 2.6 Sơ đồ thuật toán bám vòng hở Thuật toán bám vòng hở có ưu điểm là tính ổn định cao, quá trình bám vẫn đảm bảo liên tục khi hệ thống thu di chuyển cũng như khi chuyển hướng. Nhưng nhược điểm của thuật toán này là độ chính xác phụ thuộc vào độ chính xác của khối thu định vị GPS cũng như các bộ cảm biến góc nghiêng và độ chính xác của la bàn số. Vậy đây mới là phương pháp chỉnh thô vị trí anten và cần phải kết Đọc cảm biến độ nghiêng (EL2); Xác định la bàn số (Az2). Điều khiển góc Az phải Đọc kinh độ, vĩ độ từ máy thu GPS;Tính góc Az1, EL1 của máy thu Chế độ ổn định Khởi động |Az1-Az2|<1 Az1-Az2>0 |EL1-EL2|<2 EL1-EL2>0 Điều khiển góc Az trái Điều khiển góc EL lên Điều khiển góc EL xuống Đ Đ Đ Đ S S S S 50 hợp với thuật toán bám từng bước để tinh chỉnh vị trí sao cho thu được mức tín hiệu tốt nhất. 2.2.2 Đề xuất thuật toán bám kết hợp Để tận dụng ưu điểm và khắc phục nhược điểm của hai thuật toán bám trên, nghiên cứu sinh đề xuất sử dụng thuật toán bám kết hợp thuật toán bám từng bước và thuật toán bám vòng hở, sơ đồ thuật toán thể hiện trên Hình 2.7. Hình 2.7 Sơ đồ thuật toán bám kết hợp Khi bắt đầu hệ thống sẽ thực hiện chế độ bám vòng hở. Các thông số thu được từ khối thu định vị GPS và thông số của vệ tinh cần bám sẽ là cơ sở để tính toán ra góc ngẩng và góc phương vị của anten trạm mặt đất. Giá trị này sẽ được so sánh với giá trị từ cảm biến góc nghiêng và la bàn số để điều chỉnh anten thu hướng đến vệ tinh cần thu. Đây là quá trình tìm kiếm vệ tinh hay quá trình chỉnh thô để bắt quả vệ tinh, lúc này máy thu sẽ thu được tín hiệu từ vệ tinh sau đó hệ thống chuyển sang chế độ bám từng bước. Để đạt được mức tín hiệu thu lớn nhất thì hệ thống tiếp tục thực hiện quá trình bám từng bước cho đến khi đạt yêu cầu thì hệ thống chuyển sang chế độ ổn định. S S Đ Chế độ bám vòng hở Chế độ bám từng bước Chế độ ổn định AS>NG2 Bắt đầu AS>NG1 Đ 51 Hình 2.8 Mức ngưỡng tín hiệu thu Khi hệ thống máy thu di chuyển, lúc đó mức tín hiệu thu được AS (Average Signal) sẽ bị suy giảm, nếu máy thu chuyển hướng hoàn toàn và mức tín hiệu thu được nhỏ hơn một mức ngưỡng NG1 (ngưỡng 1) lúc đó hệ thống sẽ chuyển sang chế độ bám vòng hở để định lại hướng bắt vệ tinh, ngược lại nếu độ dịch chuyển của anten thu nhỏ và mức tín hiệu thu được lớn hơn mức ngưỡng NG1 và nhỏ hơn mức ngưỡng NG2 (ngưỡng 2) thì thuật toán bám từng bước sẽ hoạt động sau đó sẽ chuyển sang chế độ ổn định. Khi mức tín hiệu thu AS lớn hơn NG2 thì hệ thống vẫn thu được tín hiệu một cách ổn định, khi mức tín hiệu thu AS nằm trong ngưỡng NG1 và NG2 thì chế độ bám từng bước sẽ hoạt động hiệu quả. Chỉ khi mức tín hiệu nhỏ hơn mức NG1 là do anten thu bị dịch chuyển và mất hoàn toàn phương hướng ban đầu. Để giảm thời gian bám thì hệ thống cần phải xác định lại góc ngẩng và góc phương vị của anten bằng cách chuyển sang chế độ bám vòng hở. Ở chế độ này hệ thống thực hiện tính toán vị trí kết hợp với hệ thống cảm biến để điều khiển anten đến vị trí mới và hệ thống lại chuyển sang chế độ bám từng bước để tinh chỉnh vị trí. Nếu ở thuật toán bám từng bước thì thời gian để hệ thống trở lại trạng thái ổn định rất lâu vì lúc này anten đã bị đổi hướng hoàn toàn và phải thực hiện tại từ chế độ quét. Khi kết hợp thuật toán bám vòng hở thì góc ngẩng và góc phương vị 52 được tính toán lại trong thời gian rất nhanh, do vậy thời gian bám được rút ngắn và tín hiệu thu được đảm bảo liên tục. 2.3 Thiết kế hệ thống điều khiển anten Cấu trúc phần cứng của hệ thống điều khiển anten bám vệ tinh thể hiện trên Hình 2.9. Để áp dụng thuật toán bám kết hợp ta phải sử dụng tín hiệu thu được từ vệ tinh, do vậy ngoài hệ thống điều khiển anten cần phải kết hợp đầu thu tín hiệu. Tín hiệu thu được từ vệ tinh được đưa qua bộ đổi tần nhiễu thấp LNB, sau đó được đưa tới bộ hạ tần thành tín hiệu trung tần IF và đưa tới bộ tách sóng. Thiết bị này tách ra tín hiệu trung bình để cung cấp điện áp DC tỷ lệ thuận với cường độ tín hiệu, sau đó tín hiệu được đưa vào vi xử lý thông qua bộ chuyển đổi ADC. Hình 2.9 Sơ đồ hệ thống điều khiển anten Đối với thuật toán bám vòng hở sử dụng hệ thống thu GPS có độ chính xác cao, các thông số về kinh độ và vĩ độ của trạm thu sẽ được máy thu GPS đưa vào vi xử lý. Dựa vào các thông số này và giá trị kinh độ của vệ tinh, vi xử lý sẽ tính toán góc ngẩng và góc phương vị của trạm vệ tinh. Để biết được góc ngẩng hiện tại của anten trạm thu, hệ thống sử dụng cảm biến góc nghiêng để xác định góc nghiêng của anten so với mặt đất và đây chính là góc ngẩng hiện tại của anten. Cảm biến độ nghiêng được gắn trên trục hướng theo búp sóng chính của anten mặt đất và vệ tinh. Để xác định góc phương vị của anten, hệ thống sử dụng cảm biến từ IF Hệ điều khiển động cơ Chuyển đổi A/D Hệ truyền động EL, Az Cảm biến góc Az, EL LNB Máy thu GPS Vi xử lý Máy tính PC Chuyển đổi A/D Khuếch đại Tách sóng 53 trường (la bàn điện tử) có độ chính xác cao, cảm biến được gắn trên trục quay góc phương vị của anten. Tín hiệu từ các cảm biến độ nghiêng và cảm biến la bàn điện tử sau khi khuếch đại chuyển đổi ADC rồi đưa vào vi xử lý. Hệ truyền động bao gồm động cơ điện và hệ cơ khí dùng để điều khiển quay bệ anten theo hai kênh điều khiển phương vị và góc ngẩng. Hệ truyền động sử dụng động cơ điện một chiều có hộp giảm tốc, kết hợp với encoder để điều chỉnh chính xác vị trí. Có hai phương pháp điều khiển đó là điều khiển bằng điện và bằng tay. Hộp giảm tốc có tỷ số truyền bảo đảm được tốc độ quay của bệ theo yêu cầu về tính năng kỹ thuật. Giới hạn góc quay phương vị 0-3600 và góc ngẩng là 900. Hệ điều khiển động cơ là các tầng khuếch đại công suất kiểu cầu H dùng đèn bán dẫn điều khiển động cơ một chiều. Tín hiệu điều khiển qua các IC ghép quang để cách ly dữ liệu điều khiển với tải mô tơ một chiều. Hệ thống chấp hành và giao tiếp với máy tính trung tâm được thực hiện nhờ các vi điều khiển loại PIC theo 2 kênh phương vị và góc ngẩng. Anten sử dụng trong hệ thống thu vệ tinh là anten parabol có đường kính 60 cm với các tham số kỹ thuật như sau: - Độ dài tiêu cự: 39,3cm - Góc phương vị có thể điều chỉnh được: 0 - 360° - Góc ngẩng có thể điều chỉnh được: 10o - 90° - Độ lợi: 31,5 dBi - Nhiệt độ làm việc: -34°C +52°C - Độ ẩm làm việc cực đại: 100% - Trọng lượng: 2,7Kg Đồ thị phương hướng của anten mô tả quan hệ giữa cường độ trường bức xạ hoặc công suất bức xạ của anten trong các hướng khác nhau với một khoảng cách khảo sát cố định (tính từ anten). Đồ thị phương hướng của anten trong hệ tọa độ vuông góc thể hiện trên Hình 2.10. 54 Hình 2.10 Đồ thị phương hướng của anten parabol Độ rộng búp sóng được xác định bởi góc giữa hai hướng mà theo hai hướng đó công suất bức xạ giảm đi một nửa so với công suất bức xạ cực đại. Nếu tính theo đơn vị decibel (dB), khi công suất giảm đi một nửa sẽ tương ứng với công suất sẽ giảm 3 dB. 2.4 Thiết kế giải thuật điều khiển động cơ. 2.4.1 Mạch điều khiển động cơ Để điều khiển động cơ một chiều quay thuận nghịch ta sử dụng mạch cầu H, giải pháp ở đây sử dụng transistor công suất BJT loại NPN 2SC2581 và loại PNP 2SA1106 kết hợp các IC ghép quang 4N35 cách ly phần điều khiển với mô tơ điều khiển 2 kênh. Sơ đồ mạch thể hiện trên Hình 2.11. Transistor BJT 2SC2581 và 2SA1106 có thể chịu điện áp cao nhất 100V và dòng tối đa là 10A. Khi điện áp ngõ FWD ở mức thấp thì U1 và U4 không hoạt động dẫn đến BJT Q1 và Q4 không hoạt động tương đương một khóa Q1 và Q4 mở. Khi FWD được kéo lên mức cao 5V, khi đó U1 và U4 hoạt động làm cho BJT Q1 và Q4 dẫn bão hòa (mạch E chung), dòng IC từ Vcc qua Q1 qua động cơ qua Q4 về GND kín mạch. Để đảo chiều động cơ thì điện áp ngõ REV sẽ điều khiển Q2 và Q3. Như vậy, chúng ta có thể dùng các mức điện áp chuẩn 0V và 5V để kích các BJT dùng trong mạch cầu H cho dù điện áp nguồn có thể lên vài chục hay trăm Volt. Để điều chỉnh tốc độ động cơ ta sử dụng tín hiệu điều chế độ rộng xung 55 PWM (Pulse Width Modulation). Tín hiệu này sẽ được vi điều khiển tạo ra và đưa ra vào các đường điều khiển FWD và REV. Hình 2.11 Mạch cầu H dùng transistor BJT. 2.4.2 Giải thuật điều khiển PID. Để điều khiển động cơ trong luận án sử dụng bộ điều khiển PID. Kỹ thuật điều khiển PID tuy không phải là một kỹ thuật điều khiển mới, nhưng lại là kỹ thuật phổ biến nhất chuyên dùng để điều khiển các hệ thống trong công nghiệp như hệ thống lò nhiệt, điều khiển tốc độ, vị trí, moment động cơ AC và DC. Một trong những lý do bộ điều khiển PID trở nên phổ biến như vậy là vì tính đơn giản, dễ triển khai trên những vi xử lý nhỏ với hiệu năng tính toán hạn chế. Bộ điều khiển PID gồm có 3 thành phần đó là: Tỉ lệ (P); tích phân (I); vi phân (D) 56 Hình 2.12 Sơ đồ bộ điều khiển PID Trong đó: u là tín hiệu điều khiển, e là sai lệch giữa đầu vào mong muốn ysp và đầu ra thực tế y. Tín hiệu điều khiển u sẽ là tổng hợp của 3 thành phần vi phân, tích phân, tỉ lệ và được xác định qua công thức (2.10): 0 1 ( ) ( ) ( ) ( ) t P D I de t u t K e t e d T T dt            (2.10) Hàm truyền của bộ điều khiển PID thể hiện ở công thức (2.11) và (2.12): ( ) 1 ( ) ( ) PID P I D U s G s K K K s E s s     (2.11) 1 ( ) (1 )PID P D I G s K T s T s    (2.12) Trong đó: - KP: Độ lợi khâu tỷ lệ; - KI: Độ lợi khâu tích phân; - KD: Độ lợi khâu vi phân. Bộ điều khiển tỉ lệ P giúp giảm thời gian đáp ứng; giảm sai lệch tĩnh nhưng không triệt tiêu được sai lệch tĩnh. Bộ điều khiển tích phân I có khả năng triệt tiêu sai lệch tĩnh; nhưng nó có thể làm cho đáp ứng quá độ tồi tệ hơn. Bộ điều khiển vi phân D giúp giảm độ quá điều chỉnh; cải thiện đáp ứng quá quá độ của hệ thống, tuy nhiên đôi khi làm hệ mất độ ổn định do khá nhạy cảm với nhiễu. Do từng thành phần của bộ PID có những ưu nhược điểm khác nhau, và không thể đồng thời đạt được tất cả các chỉ tiêu chất lượng một cách tối ưu, do vậy cần phải thỏa hiệp giữa các tham số để đạt mục đích điều khiển. Việc lựa chọn tham số cho bộ điều khiển PID cũng phụ thuộc vào đối tượng điều khiển, các phương pháp xác định thông số và kinh nghiệm thiết kế. Hồi tiếp y u e ysp Đối tượng Bộ điều khiển PID -1  57 2.4.3 Giải thuật điều khiển mờ PID. Để hệ thống điều khiển đạt được các tham số: thời gian đáp ứng nhanh, độ quá điều chỉnh là nhỏ nhất, triệt tiêu sai lệch tĩnh, nâng cao tính ổn định thì cần phải kết hợp các bộ điều khiển PID với các bộ điều khiển nâng cao như điều khiển mờ, điều khiển thích nghi Ở phần này sẽ sử dụng bộ điều khiển mờ để đạt được các tham số KP, KI, KD tốt nhất cho bộ điều khiển PID. Ba tham số KP, KI, KD có giá trị nằm trong các khoảng [KPmin – KPmax], [KDmin – KDmax], [KImin – KImax], quy đổi về dạng chính tắc ta có: (2.13) (2.14) (2.15) Từ công thức trên ta thấy , , có giá trị trong khoảng [0,1], và các tham số của bộ điều khiển PID được tính lại như sau: (2.16) (2.17) (2.18) Hình 2.13 Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ PID. K’P K’I K’D y u e ysp Đối tượng Bộ điều khiển PID -1  Fuzzy de/dt 58 Bộ mờ sẽ gồm có 2 đầu vào là đầu vào sai lệch e và đầu vào vi phân de/dt, đầu ra sẽ là 3 tham số , , của bộ PID. Sử dụng mô hình Mamdani để thiết kế bộ mờ, sơ đồ mô hình thể hiện trên Hình 2.14. Hình 2.14 Mô hình của khối mờ Tuỳ theo độ phức tạp của khối mờ mà ta xây dựng số lượng các hàm thuộc và tập giá trị của biến vật lý và biến ngôn ngữ. Ở đây đầu vào bộ mờ xây dựng 2 hàm thuộc ứng với 5 biến ngôn ngữ khác nhau, cụ thể như sau: e = {NB, NS, ZE, PS, PB} de/dt = {DF, DS, MT, IS, IF} Hình 2.15 Các hàm thuộc của đầu vào e và de/dt. Các đầu ra , , có dạng giống nhau nên hàm thuộc cũng lấy cùng dạng như Hình 2.16. , , = {NHO, TBN, TB, TBL, LON} 59 Hình 2.16 Các hàm thuộc của đầu ra. Các luật hợp thành đều có dạng chung như sau: If e(t) is NB and de(t) is DF, then , , is NHO Bảng 2.2 Bảng luật hợp thành mờ de(t)/e(t) NB NS ZE PS PB DF NHO NHO TBN TBN TB DS NHO TBN TBN TB TBL MT TBN TBN TB TBL TBL IS TBN TB TBL TBL LON IF TB TBL TBL LON LON Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển mờ PID thể hiện trên Hình 2.17. Hình 2.17 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển mờ Động cơ sử dụng trong hệ thống là mô tơ DC servo 24V, với tốc độ quay 2500v/phút với các tham số thể hiện trên Bảng 2.3. 60 Bảng 2.3 Tham số của động cơ DC Tham số Ý nghĩa Giá trị R Điện trở phần ứng 2,96  L Điện cảm phần ứng 150 mH J Mô men quán tính 42,3e-6 Kg.m2 B Hệ số ma sát 48,6e-6 Nms Kt Hằng số mô men xoắn 13,5e-3 N-m/A Kb Hằng số sức phản điện động 13,5e-3 V-sec/rad Hàm truyền tốc độ của động cơ DC được tính theo công thức sau [40]: (2.19) Thay tham số ở Bảng 2.3 vào công thức 2.19 ta được hàm truyền của động cơ như sau: Kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab khi sử dụng bộ điều khiển PID thể hiện trên Hình 2.18. Với đường màu xanh là tham số PID đã sử dụng phương pháp tuning, kết quả thời gian lên là 0,191s, thời gian thiết lập là 0,656s Hình 2.18 Đáp ứng của bộ điều khiển PID Kết qủa mô phỏng đáp ứng của bộ điều khiển mờ PID và PID thể hiện trên Hình 2.19. Kết quả cho thấy thời gian lên, thời gian xác lập và độ vượt lố của bộ điều khiển mờ PID tốt hơn so với bộ điều khiển PID. 61 Hình 2.19 Đáp ứng của bộ điều khiển mờ PID 2.5 Thiết kế, chế tạo khối xử lý trung tâm 2.5.1 Thiết kế mạch xử lý trung tâm Trên cơ sở sơ đồ hệ thống đã thiết kế, tiến hành tổng hợp sơ đồ thiết kế khối xử lý trung tâm. Sơ đồ mạch nguyên lý thể hiện trên Hình 2.20. Mạch xử lý trung tâm sử dụng vi điều khiển PIC16 kết hợp các mạch giao tiếp để thu nhận tín hiệu từ các module cảm biến đo độ nghiêng, cảm biến la bàn số, máy thu GPS, tín hiệu thu được từ vệ tinh và các encoder. Ngoài ra còn các mạch giao tiếp với máy tính và mạch điều khiển động cơ. Hình 2.20 Sơ đồ mạch vi điều khiển và giao tiếp ngoại vi 62 Hình 2.21 Sơ đồ mạch điều khiển và hiển thị trạng thái Hình 2.22 Sơ đồ nguyên lý mạch cấp nguồn. 63 2.5.2 Các module cảm biến và Khối định vị GPS 1. Khối định vị GPS Trong hệ thống điều khiển sử dụng Module sẵn có là NEO-6M, đây là khối thu định vị toàn cầu sử dụng hệ thống vệ tinh GPS của Mỹ. Khối định vị GPS sử dụng mạch điều khiển kết nối của hãng U-BLOX đến từ Thụy Sĩ có rất nhiều năm kinh nghiệm trong lĩnh vực sản xuất module định vị toàn cầu. Khối định vị GPS NEO-6M cho tốc độ xác định vị trí nhanh và chính xác, có nhiều mức năng lượng hoạt động, phù hợp với các ứng dụng chạy pin. Module NEO 6M sử dụng anten bên ngoài, thực hiện giao tiếp với vi xử lý theo chuẩn nối tiếp tại chân Tx và Rx. Vcc và GND là hai chân cấp nguồn 5V. Hình 2.23 Module GPS NEO 6M Dữ liệu được đọc từ GPS dạng giao thức NMEA viết tắt của từ: The National Marine Electronics Association, dòng dữ liệu GPS được bắt đầu với dấu $, các số liệu được cách nhau bằng dấu (,) sau dấu (,) có ký tự khoảng trắng. Có nhiều bản tin chuẩn theo giao thức NMEA, tuy nhiên để có thể lấy tọa độ và thời gian thì không nhất thiết phải đọc tất cả các bản tin. Để đơn giản nhất ta chỉ cần đọc bản tin RMC là đã đủ lượng thông tin cần lấy. 2. Cảm biến đo độ nghiêng Hệ thống sử dụng cảm biến MPU-6050, đây là cảm biến của hãng Inven Sense tích hợp cảm biến gia tốc kế 3 trục – accelerometer và cảm biến con quay hồi chuyển 3 trục - gyroscope. MPU-6050 sử dụng công nghệ độc quyền Motion 64 Fusion của Inven Sense có thể chạy trên các thiết bị di động, tay điều khiển. Cảm biến hỗ trợ giao tiếp thông qua I2C với tốc độ tối đa 400kHz và hoạt động ở mức điện áp là 3,3V. Chip này cũng có sẵn trong một gói SPI được gọi là MPU-6000 cho tốc độ giao tiếp lên tới 10Mbs. Hình 2.24 Module Cảm biến MPU-6050 MPU-6050 có 1 đơn vị tăng tốc phần cứng chuyên xử lý tín hiệu (Digital Motion Processor - DSP) do cảm biến thu thập và thực hiện các tính toán cần thiết. Điều này giúp giảm bớt đáng kể phần xử lý tính toán của vi điều khiển, cải thiện tốc độ xử lý và cho ra phản hồi nhanh hơn. MPU-6050 có sẵn bộ đệm dữ liệu 1024 byte cho phép vi điều khiển phát lệnh cho cảm biến, và nhận về dữ liệu sau khi MPU-6050 tính toán xong. - MPU-6050 có thể kết hợp với cảm biến từ trường (bên ngoài) để tạo thành bộ cảm biến 9 góc đầy đủ thông qua giao tiếp I2C. 3. Cảm biến từ trường Hệ thống sử dụng cảm biến từ trường HMC5883L sử dụng công nghệ ASIC do hãng Honeywell sản xuất. Đây là cảm biến từ trường 3 trục sử dụng bộ chuyển đổi ADC 12 bit, nguồn cung cấp từ 2,16 to 3,6 V với dòng 100A. Hình 2.25 Module cảm biến từ trường HMC5883L 65 - GND và VCC là 2 chân nguồn của cảm biến nối với điện áp cấp là 5V. - SDA và SCL kết nối theo chuẩn I2C với vi xử lý. Dữ liệu đọc ra từ HMC5883L sẽ được chuyển đổi thành góc của la bàn. 2.5.3 Thiết kế hệ thống truyền động Hệ thống truyền động bao gồm cơ cấu bánh răng, động cơ DC, cơ cấu encoder được bố trí để điều khiển anten theo 2 hướng. Hệ thống truyền động thực hiện điều khiển anten quay góc 3600 theo góc phương vị và 900 theo góc ngẩng. Hệ thống anten thu được gắn trên một bệ đỡ. Trên bệ đỡ có gắn hệ cơ khí truyền động thực hiện quay anten theo góc ngẩng, đảm bảo anten có thể dịch chuyển lên, xuống để bám theo góc ngẩng của trạm thu. Toàn bộ bệ đỡ được gắn trên hệ cơ khí truyền động để quay theo góc phương vị, lúc này hệ thống bệ đỡ sẽ được điều khiển quay vòng tròn. Ngoài ra trên trục quay của góc ngẩng và góc phương vị còn bố trí cơ cấu để đặt cảm biến từ trường và cảm biến góc nghiêng. Sơ đồ bố trí hệ thống truyền động thể hiện trên Hình 2.26. Hình 2.26 Sơ đồ bố trí hệ thống truyền động 66 Hình 2.27 Mạch điều khiển và hệ thống cơ khí 2.6 Kết quả đo đạc thử nghiệm Trung tâm điều khiển là phần mềm cài đặt trên máy tính PC. Để thực hiện thuật toán bám kết hợp thuật toán bám từng bước và thuật toán bám vòng hở, hệ thống sử dụng các nguồn tín hiệu từ GPS, tín hiệu thu từ vệ tinh, cảm biến góc nghiêng, cảm biến từ trường được đưa vào hệ vi xử lý để truyền về máy tính xử lý. Kết hợp với các thông số của vệ tinh, phần mềm sẽ tính toán đưa ra góc ngẩng và góc phương vị hiện tại của trạm thu, kết hợp với giá trị góc từ cảm biến đưa đến để xác định giá trị điều khiển mô tơ quay anten thu tìm kiếm và bám vệ tinh. Phần mềm điều khiển được viết bằng ngôn ngữ Visual C++ có giao diện như Hình 2.28. 67 Hình 2.28 Phần mềm điều khiển cài đặt trên máy tính Phần mềm thực hiện kết nối trao đổi thông tin 2 chiều giữa máy tính trung tâm và hệ thống truyền động anten. Trung tâm và trạm anten trao đổi 2 chiều với nhau qua cổng COM 1 mặc định (có thể cài đặt để thay đổi). Trong quá trình phân phối điều khiển giữa trung tâm và trạm, một cửa sổ giao diện kết nối 2 chiều được thể hiện ở phía dưới, bên phải dưới dạng toạ độ cực. Giao diện này mô tả trạng thái số liệu phát đi từ trung tâm và thu về từ trạm anten trạng thái đương thời của trạm. Song song với mô tả trạng thái của trạm bằng góc phương vị giữa giá trị trung tâm phát tới trạm và góc trạng thái của anten, ở giao diện phía dưới còn có 2 dòng dữ liệu phát và thu, thông báo số hiệu trạm đang theo dõi điều khiển và các thông số tương ứng. Nhìn 2 dòng dữ liệu này trung tâm cũng thấy ngay quá trình trao đổi thu phát và theo dõi quá trình điều khiển. 68 Hình 2.29 Thử nghiệm hệ thống điều khiển anten Để đo kết quả thí nghiệm hệ thống được đặt ở tọa độ ban đầu là kinh độ 105,752 0 và vĩ độ 21,0420 Hệ thống thực hiện bắt vệ tinh Vinasat-1 ở vị trí 1320 đông và làm việc ở băng tần C. Do vậy góc ngẩng của trạm mặt đất tính toán được là 51,50 và góc phương vị là 126,00. Anten thu được điều khiển quay theo 2 mặt phẳng là mặt phẳng góc ngẩng và mặt phẳng phương vị. Hình 2.30 Mức tín hiệu thu sử dụng thuật toán bám từng bước 69 Kết quả đo mức tín hiệu thu được sau tách sóng của máy thu khi áp dụng thuật toán bám từng bước thể hiện trên Hình 2.30. Từ đồ thị cho thấy từ thời điểm 0 đến 21s là thời điểm thực hiện quá trình khởi động và quét, sau đó hệ thống thực hiện quá trình bám ổn định. Tại điểm 42,94s là thời điểm mà hệ thống anten thu bị dịch chuyển (góc phương vị hoặc góc ngẩng) do vậy anten bị mất phương hướng lúc này hệ thống phải thực hiện quá trình bám vệ tinh. Thời gian thực hiện quá trình bám mất khoảng từ vài ms đến vài s tùy theo góc dịch chuyển so với vị trí ban đầu. Hình 2.31 Mức tín hiệu thu sử dụng thuật toán bám vòng hở. Hình 2.31 thể hiện kết quả đo mức tín hiệu thu khi áp dụng thuật toán bám vòng hở. Từ kết quả cho thấy, khi hệ thống thu dịch chuyển thì hệ thống thực hiện tính toán lại vị trí để điều khiển anten bám theo vệ tinh. Thời gian thực hiện lại quá trình bám chỉ còn 0,5s tùy thuộc