Báo cáo Nghiên cứu ứng dụng cảm biến gia tốc trong điều khiển cân bắng xe đạp 2 bánh (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Nghiên cứu ứng dụng cảm biến gia tốc trong điều khiển cân bắng xe đạp 2 bánh (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CẢM BIẾN GIA TỐC TRONG ĐIỀU KHIỂN CÂN BẮNG XE ĐẠP 2 BÁNH S K C 0 0 0 2 8 1 MÃ SỐ: T2011 - 54 S K C 0 0 3 6 2 6 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 2011
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CẢM BIẾN GIA TỐC TRONG ĐIỀU KHIỂN CÂN BẮNG XE ĐẠP 2 BÁNH Mã số: T2011-54 Chủ nhiệm đề tài: Ths. Lê Thanh Tùng TP. HCM, tháng 2/2012
3. MỤC LỤC CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Đối tƣợng nghiên cứu 2 1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc 2 1.2.1Tình hình trong nƣớc 2 1.2.2 Tình hình ngoài nƣớc 2 1.2. 3 Những vấn đề còn tồn tại 3 1.3 Mục đích đề tài 4 1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu 4 1.4.1Các phƣơng pháp sử dụng trong đề tài 4 1.4.2 Phƣơng án thực hiện 4 CHƢƠNG 2: ACCERLEROMETER 2.1. Giới thiệu công nghệ Mems 5 2.2 Công nghệ chế tạo sản phẩm Mems 5 2.3 Ứng dụng của cảm biến Mems 8 2.4 Nguyên lý hoạt động của cảm biến Accerlaromter 9 2.5 Cảm biến MMA7260 14 2.5.1 Đặc điểm 15 2.5.2 Những ứng dụng điển hình 15 2.5.3 Sơ đồ khối cấu trúc 16 2.5.4 cấu tạo bên ngoài 16 2.4.5 Nguyên lý hoạt động 19 2.4.6 Những tính năng đặc biệt 20 2.4.7 Kết nối cơ bản 20 2.4.8 Những thông số hoạt động của cảm biến 22 2.4.9 Thiết kế mạch ứng dụng 25 CHƢƠNG 3: GYROSCOPE 3.1.Lực Coriolis trên Gyroscope 29 3.2. Nguyên lý hoạt động Gyroscope 29 3.3 Gyroscope LPY550AL 31 CHƢƠNG 4: XỬ LÝ TÍN HIỆU CẢM BIẾN 4.1 Lọc nhiễu tín hiệu cảm biến 34 4.1.1 Khái niệm bộ lọc 34 4.1.2 Bộ lọc Kalman 34 4.1.3 Quy trình ƣớc lƣợng 35 4.2 Phƣơng pháp lọc nhiễu sử dụng trong đề tài CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN 5.1 Kết luận 39 5.2. Hƣớng phát triển 39 1
4. Chương 1 Tổng quan 1.1. Đối tượng nghiên cứu . Công nghệ vi cơ điện tử ( MEMS-Micro Electro Mechanical Systems) đã và đang tạo ra những biến đổi mang tính cách mạng trong chế tạo linh kiện biến năng kích thƣớc micro, đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực giao thông, công nghiệp, y học, quân sự MEMS là sự tích hợp của các yếu tố vi cơ, vi cảm biến, vi chấp hành, và vi điện tử trên một nền Silicon hoặc Polime bằng công nghệ vi chế tạo. Cảm biến gia tốc đƣợc chế tạo dựa trên công nghệ vi cơ điện tử, vi hệ thống( gọi tắt là cảm biến gia tốc vi cơ điện tử) là một trong những sản phẩm phong phú và đa dạng nhất của công nghệ MEMS. Nó đã và đang thâm nhập một cách mạnh mẽ vào hầu hết các lĩnh vực nhƣ công nghiệp ôtô, y sinh học, điện tử dân dụng, công nghệ không gian, vũ trụ Và nhanh chóng thay thế các loại cảm biến gia tốc thông thƣờng trƣớc đây bằng ƣu thế vƣợt trội nhƣ nhạy hơn, kích thƣớc nhỏ, độ tin cậy cao, ngày càng thông minh và rẻ hơn. Nhận thức đƣợc tầm quan trọng và xu hƣớng của công nghệ MEMS nói chung và sản phẩm cảm biến gia tốc của nó nói riêng, ngƣời nghiên cứu quyết định chọn cảm biến gia tốc MMA7260Q của hãng Freescale Semiconductor làm đối tƣợng nghiên cứu chính, và thực hiện đề tài Nghiên cứu, ứng dụng cảm biến gia tốc trong điều khiển cân bằng xe đạp 2 bánh. 1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước . 1.2.1 Tình hình trong nước. Việc nghiên cứu, ứng dụng cảm biến gia tốc chế tạo dựa trên công nghệ MEMS nói chung chƣa phổ biến trong thực tiễn cũng nhƣ trong giảng dạy. Một số bài báo và nghiên cứu tiêu biểu nhƣ : - Xe hai bánh tự cân bằng di chuyển trên địa hình phẳng. - Sử dụng cảm biến ADXL202 để xây dựng thiết bị trỏ thay chuột máy tính. - Khảo sát đặc trƣng và khả năng ứng dụng của cảm biến gia tốc MEMS. - Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng cảm biến gia tốc áp điện trở có độ nhạy cao. - Robot hình dạng ngƣời. 1.2.2 Tình hình ngoài nước. Cảm biến gia tốc đã đƣợc nghiên cứu và sử dụng khá rộng rãi ở các nƣớc tiên tiến, chúng đƣợc các công ty nhƣ Freescale Semiconductor, STMicroelectronics, Analog Devices sản xuất hàng loạt và đƣợc nghiên cứu, ứng dụng vào một số sản phẩm cụ thể nhƣ: - Thiết bị chơi game Wii - Sử dụng trong các khớp của robot dạng ngƣời Asimo, robot nhện - Ứng dụng trong điện thoại iPhone - Xe 2 bánh tự cân bằng Segway - Chuột ảo trên điện thoại dùng điều khiển xe đồ chơi - Điều khiển thực tại ảo dùng trong y tế, điều khiển 2
5. Và rất nhiều sản phẩm, công trình nghiên cứu trong thực tế, giảng dạy có sự hiện diện của cảm biến gia tốc vi cơ điện tử. 1.2.3 Những vấn đề còn tồn tại. Cảm biến gia tốc vi cơ điện tử nói chung còn khá mới mẻ với phần lớn sinh viên, một phần do công nghệ MEMS ở Việt Nam mới ở dạng nghiên cứu chứ chƣa mang tính ứng dụng rộng rãi, trong nƣớc chỉ mới có một số trung tâm nghiên cứu nhƣ của ĐH Công Nghệ-ĐH Quốc Gia Hà Nội, ĐH Quốc Gia TP.HCM. Hƣớng tiếp cận tƣơng đối khó khăn và để sử dụng đƣợc hết những lợi thế mà cảm biến gia tốc vi cơ điện tử mang lại đòi hỏi ngƣời nghiên cứu có kỹ năng lập trình tốt. Phạm vi ứng dụng của cảm biến gia tốc là rất rộng rãi, mang tính công nghệ cao, có thể có mặt trong các thiết bị cao cấp. Chúng ta vẫn phải nhập ngoại một số sản phẩm ứng dụng của cảm biến gia tốc với giá thành hàng ngàn USD, nhƣ xe Segway giá 6.000 USD. Vì vậy mà việc nghiên cứu, ứng dụng cảm biến gia tốc vào thực tế nói chung và một ứng dụng cụ thể trong đề tài là điều khiển xe đạp 2 bánh tự cân bằng nói riêng là một hƣớng đi mang tính mới mẻ, cơ bản, thực tiễn. 1.3 Mục đích đề tài. Xuất phát từ thực tiễn và xu hƣớng đã nêu trên , đề tài này đƣơc̣ thƣc̣ hiêṇ với nhƣ̃ng mục đích sau: -Bƣớc đầu tim hiểu nguyên lý cảm biến Mems và ứng dụng nó trong mô hình cân bằng xe đạp 2 bánh.Tạo ra môṭ sản phẩm phục vụ cho viêc̣ nghiên cƣ́ u lâp̣ trình, điều khiển trong hoc̣ tâp̣ . Môṭ sản phẩm thƣc̣ tiêñ có thể dùng trong thƣơng mại, giải trí. - Góp phần đƣa một loại cảm bi ến tiên tiến đến gần với sinh viên , tạo những cơ sở lý thuyết giúp cho viêc̣ nghiên cƣ́ u dê ̃ dàng hơn , kích thích việc nghiên cứu và ứng dụng cảm biến gia tốc vào những thiết bị cao cấp trong cuộc sống. 1.4 Phương phá p nghiên cứ u. 1.4.1 Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong đề tài. - Phƣơng pháp tham khảo tài liêụ : tìm kiếm tài liệu trong sách báo , trên internet làm cơ sở lý thuyết, tài liệu tham khảo. - Phƣơng pháp thƣc̣ nghiêṃ : tƣ̀ nguồn tà i liêụ đa ̃ thu thâp̣ , chắt loc̣ và lên kế hoạch thực hiện từng modul cho phù hợp với đề tài . Thiết kế và thi công mô hình với nhƣ̃ng trang thiết bi ̣hiêṇ có của ngƣời nghiên cƣ́ u , thƣc̣ nghiêṃ điều khiển đƣơc̣ tiến hành thƣờng xuyên, theo tƣ̀ ng modul nhỏ . 1.4.2 Phương á n thưc̣ hiêṇ - Phác thảo những module cần có trong đề tài. - Thiết kế mô hình cơ khí bằng phần mềm Pro -e, thi công mô hình bằng nhƣ̃ng dụng cụ, phƣơng tiêṇ hiêṇ có của cơ sở . - Thiết kế board mac̣ h trên mô hình xe bằng phần mềm Orcad , thƣc̣ hiêṇ thi công board mac̣ h , hàn các linh kiện tạo thành board mạch hoàn chỉnh , kiểm tra hoạt động của từng board mạch. - Tiến hành viết chƣơng trình điều khiển hoaṭ đôṇ g của m ô hình bằng phần mềm Bascom AVR , kiểm chƣ́ ng các thông số của cảm biến bằng công cu ̣hiêṇ có trong phần mềm. - Kiểm tra sƣ ̣ ổn điṇ h của mô hình bằng thƣc̣ nghiêṃ . 3
6. Chương 2 ACCELEROMETER 2.1 Giới thiệu công nghệ Mems Vào thế kỷ XX, các thiết bị điện tử đƣợc tích hợp với số lƣợng ngày càng lớn, kích thƣớc ngày càng nhỏ và chức năng ngày càng đƣợc nâng cao. Điều này đã mang lại sự biến đổi sâu sắc cả về mặt công nghệ lẫn xã hội. Vào cuối những năm 50 của thế kỷ XX, một cuộc cách mạng hoá về công nghệ micro đã diễn ra và hứa hẹn một tƣơng lai cho tất cả các ngành công nghiệp. Hệ thống vi cơ điện tử (Micro ElectroMechanical Systems) viết tắt là MEMS cũng đã đƣợc ra đời và phát triển trong giai đoạn này. Công nghệ vi cơ đã và đang tiến xa hơn nhiều so với nguồn gốc của nó là công nghiệp bán dẫn. MEMS bao gồm những cấu trúc vi cơ, vi sensor, vi chấp hành và vi điện tử cùng đƣợc tích hợp trên cùng một chip (on chip). Các linh kiện MEMS thƣờng đƣợc cấu tạo từ silic. Một thiết bị MEMS thông thƣờng là một hệ thống vi cơ tích hợp trên một chip mà có thể kết hợp những phần cơ chuyển động với những yếu tố sinh học, hoá học, quang hoặc điện. Kết quả là các linh kiện MEMS có thể đáp ứng với nhiều loại lối vào: hoá, ánh sáng, áp suất, rung động vận tốc và gia tốc Với ƣu thế có thể tạo ra những cấu trúc cơ học nhỏ bé tinh tế và nhạy cảm đặc thù, công nghệ vi cơ hiện nay đã cho phép tạo ra những bộ cảm biến (sensor), những bộ chấp hành (actuator) đƣợc ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống. Các bộ cảm biến siêu nhỏ và rất tiện ích này đã thay thế cho các thiết bị đo cũ kỹ, cồng kềnh trƣớc đây. Song công nghệ MEMS mới đang ở giai đoạn đầu của nó và cần rất nhiều những nghiên cứu cơ bản hơn, sâu hơn 2.2 Công nghệ chế tạo các sản phẩm MEMS Các sản phẩm MEMS là sự tích hợp vi mạch điện tử với các linh kiện, các chi tiết vi cơ. Mạch vi điện tử đƣợc chế tạo trên phiến silic do đó xu hƣớng chung là lợi dụng tối đa vật liệu silic để chế tạo các linh kiện vi cơ theo những kĩ thuật tƣơng tự với kĩ thuật làm mạch vi điện tử, điển hình là kỹ thuật khắc hình. Tuy nhiên các linh kiện của mạch vi điện tử đều nằm trên mặt phẳng (công nghệ planar nghĩa là phẳng) còn nhiều linh kiện vi cơ phải thực hiện những thao tác nhƣ dịch chuyển, rung, quay, đẩy kéo, bơm v.v Do đó chúng không chỉ nằm trên một mặt phẳng mà có một phần, có khi hoàn toàn tách ra khỏi mặt phẳng. Mặt khác các chi tiết vi cơ phải làm bằng vật liệu có tính chất thích hợp thí dụ có chi tiết cần đàn hồi nhƣ lò xo, có chi tiết cần rất cứng, có chi tiết cần mềm dẻo, có chỗ cần phản xạ tốt ánh sáng, có chỗ cần dẫn điện. May mắn là trên cơ sở 4
7. silic có thể làm ra một số vật liệu đáp ứng đƣợc nhu cầu nói trên, thí dụ oxyt silic (SiO2) cách điện, silic đa tinh thể (poly - Si) dẫn điện đƣợc, nitrit silic (Si3N4) vừa cứng vừa đàn hồi. Cũng có thể dùng các phƣơng pháp bốc bay, phún xạ để tạo những lớp chất đặc biệt nhƣ lớp kim loại phản xạ, lớp áp điện, lớp hợp kim đàn hồi v.v lên bề mặt silic rồi khắc hình để chỗ này có mặt phản xạ tốt dùng làm gƣơng, chỗ kia có lá kim loại đàn hồi dùng làm lò so v.v Có thể kể đến một số phƣơng pháp về gia công các chi tiết cơ tiêu biểu ở công nghệ MEMS nhƣ sau: - Gia công vi cơ khối Gia công vi cơ khối là lấy đi một phần thể tích trong phiến vật liệu để hình thành chi tiết vi cơ. Gọi là gia công nhƣng thực ra là dùng các phƣơng pháp hoá, lý để ăn mòn (tẩm thực) tạo ra trên phiến các lỗ sâu, các rãnh, các chỗ lõm v.v Để hình thành các chi tiết cơ ở phần còn lại có hai cách phổ biến: Ăn mòn ướt: thƣờng dùng đối với các phiến vật liệu là silic, thạch anh. Đây là quá trình dùng dung dịch hoá chất để ăn mòn theo những diện tích định sẵn nhờ các mặt nạ (mask). Các dung dịch hoá chất thƣờng dùng đối với silic là các dung dịch axit hoặc hỗn hợp các axit nhƣ HF, HNO3, CH3COOH, hoặc KOH. Việc ăn mòn có thể là đẳng hƣớng (ăn mòn đều nhau theo mọi hƣớng) hoặc dị hƣớng (có hƣớng tinh thể ăn mòn nhanh, có hƣớng chậm). Ăn mòn khô: ăn mòn khô bằng cách cho khí hoặc hơi hoá chất tác dụng thƣờng là ở nhiệt độ cao. Hình dạng, diện tích hố ăn mòn đƣợc xác định theo mặt nạ (mask) đặt lên bề mặt phiến vật liệu. Để tăng cƣờng tốc độ ăn mòn có thể dùng sóng điện từ (RF) kích thích phản ứng hoặc dùng điện thế để tăng tốc độ ion tức là tăng tốc độ các viên đạn bắn phá. - Gia công vi cơ bề mặt Thí dụ để trên phiến silic cần tạo ra một dầm đa tinh thể silic một đầu cố định, một đầu tự do có thể làm theo các giai đoạn sau: - Tạo ra lớp oxyt silic trên phiến silic. - Dùng mặt nạ 1 khoét (theo cách khắc hình) diện tích để sau này gắn vào đấy đầu cố định của dầm. - Phủ lên toàn bộ một lớp đa tinh thể silic rồi dùng mặt nạ 2 để khắc hình khoét đi lớp silic đa tinh thể, chỉ chừa lại một dầm. - Nhúng toàn bộ vào một loại axit để hoà tan hết SiO2 (nhƣng không hoà tan silic) ta có đƣợc dầm đa tinh thể một đầu bám vào phiến silic, một đầu tự do. 5
8. Trong thí dụ trên có những lớp chế tạo ra nhƣ lớp SiO2 chỉ có vai trò trong một giai đoạn gia công, sau đó lại hoà tan để loại bỏ. Ngƣời ta gọi đó là lớp hi sinh. - Hàn Để tạo ra các chi tiết vi cơ phức tạp, sâu, kín nhƣ ống dẫn, bể ngầm có thể thực hiện việc gia công ở hai phiến rồi hàn úp hai mặt gia công lại với nhau. Tạo một cái hố trên bề mặt một phiến bằng cách ăn mòn thông thƣờng rồi hàn lên trên phiến đó một phiến khác để đậy hố lại. Gọi là hàn nhƣng thực ra là ép nhiệt trực tiếp hai phiến lại hoặc dùng thêm một lớp lót để tăng cƣờng sự kết dính. - Gia công bằng tia laze Có thể dùng tia laze để tạo ra những chi tiết vi cơ theo kiểu khoét lần lƣợt, điều khiển trực tiếp. Tuy nhiên cách gia công này rất chậm, không gia công đồng loạt đƣợc. Vì vậy ở công nghệ MEMS cách gia công bằng laze thƣờng chỉ dùng để làm khuôn. Laze dùng là laze eximơ mới đủ mạnh và vật liệu để gia công thƣờng là chất dẻo, polymer. - Liga LIGA là từ ghép các chữ đầu của Lithgraphie Galvanofruningund Abformung, tiếng Đức nghĩa là khắc hình, mạ điện và làm khuôn. Đây là kỹ thuật tạo ra các hệ vi cơ ba chiều chứ không phải là hai chiều nhƣ ở các cách khắc hình bình thƣờng. 2.3 Ứng dụng của các cảm biến MEMS Tuy rằng MEMS mới ra đời chƣa lâu nhƣng đã có rất nhiều ứng dụng góp phần không nhỏ vào sự phát triển đời sống xã hội. Các ứng dụng phổ cập: Các ứng dụng phổ cập nhất hiện nay của công nghệ MEMS trong các ngành công nghiệp có thể tóm tắt nhƣ sau: 6
9. Sensor áp suất: Kiểm tra tỷ lệ nhiên liệu và các chức năng đo đạc khác khác trong ôtô, thiết bị đo huyết áp và các ứng dụng dân dụng khác. Sensor gia tốc và gyroscope: Túi khí trong ôtô, thiết bị định hƣớng cho tên lửa và các phƣơng tiện vận tải. Hiển thị: Các màn hình độ phân giải cao dùng các vi gƣơng cho các thiết bị điện tử . Đầu phun mực: Hàng trăm triệu chip phun mực một năm cho các máy in laser đen trắng và mầu. Các sensor hoá học: Cho các mục đích y tế và y sinh học. Chuyển mạch cho thông tin quang sợi: Internet, truyền hình và thông tin giải rộng dùng cáp quang. Vi van: Các hệ sắc kế khí cực nhỏ sử dụng các dãy vi van. Chuyển mạch điện cơ: Các vi rơle trong các ứng dụng một chiều, xoay chiều và vô tuyến. 2.4 Vi cảm biến gia tốc Cảm biến gia tốc là một thiết bị dùng để đo gia tốc. Cảm biến vi cơ là một loại cảm biến đƣợc chế tạo theo công nghệ vi cơ. Nó chính là một trong những sản phẩm phong phú và đa dạng nhất của công nghệ MEMS. Cảm biến vi cơ ngày càng nhanh hơn, nhạy hơn, nhẹ hơn, rẻ hơn và có độ tin cậy cao chƣa từng có so với các cảm biến chế tạo theo công nghệ điện tử trƣớc đây. Trong đề tài này chúng ta đặc biệt quan tâm đến khả năng ứng dụng của cảm biến gia tốc vi cơ điện tử. Cảm biến gia tốc chế tạo theo công nghệ vi cơ điện tử có hai loại là cảm biến kiểu tụ và cảm biến kiểu áp trở. Trong nhiều ứng dụng việc lựa chọn cảm biến kiểu tụ hay kiểu áp trở là rất quan trọng. Cảm biến kiểu áp trở có ƣu điểm là công nghệ cấu tạo rất đơn giản. Tuy nhiên nhƣợc điểm của nó là hoạt động phụ thuộc nhiều vào sự thay đổi nhiệt độ và có độ nhạy kém hơn cảm biến kiểu tụ. Các cảm biến kiểu tụ có độ nhạy cao hơn, ít bị phụ thuộc vào nhiệt độ, ít bị nhiễu và mất mát năng lƣợng. Tuy nhiên chúng có nhƣợc điểm là mạch điện tử phức tạp hơn. Hiện nay cảm biến gia tốc kiểu tụ đƣợc ứng dụng rộng rãi hơn 2. 4. Nguyên lý hoạt động cảm biến Accelerometer Để hiểu về hoạt động của accelerometers, ta có thể hình dung một trái cầu đặt trong không gian của một hộp lập phƣơng với trục tọa độ 7