Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

• Введение
• 1. Анализ существующих технических решений контроля положения объекта
• 1.1 Растровый измерительные преобразователь
• 1.2 Интерференционный метод
• 1.3 Дифракционный метод
• 1.4 Датчики угла
• 1.5 Светолучевой метод определения углового положения
• 1.6 Метод измерения углов отклонения гидродинамическим гироскопом
• 1.7 Датчики движения на основе микроэлектромеханиеских систем
• 2. Разработка структурной схемы и алгоритма работы устройства
• 3. Выбор протокола связи для беспроводного соединения с ПК
• 3.1 User Datagram Protocol
• 3.2 UDP Lite
• 3.3 Transmission Control Protocol
• 3.4 Reliable Data Protocol
• 3.5 Архитектура клиент-сервер
• 4. Выбор элементной базы измерительного модуля
• 4.1 Микроконтроллер
• 4.2 Модуль с гироскопом и акселерометром
• 4.3 Wi-Fi модуль
• 4.4 Аккумулятор
• 5. Разработка электрической принципиальной схемы модуля
• 6. Макетирование модуля
• 7. Выбор среды разработки для программного обеспечения
• 8. Разработка ПО для микроконтроллера
• 9. Разработка ПО для ПК
• 10. Тестирование разработанной подсистемы контроля положения объекта
• 11. Вклад в работу каждого из участников проекта
• Список литературы


Введение

В настоящее время растет интерес практически во всех областях к IT_индустрии, в частности к беспилотным летательным аппаратам, виртуальной реальности (VR), почти ко всем мобильным устройствам и другим областям, где используются такие датчики, как гироскопы и акселерометры. Основная проблема заключается в том, что инженеры проектируют измерительные модули для контролирования объекта в пространстве именно для конкретных разрабатываемых устройств, а это означает, что такие модули невозможно использовать в других устройствах. Для решения этой проблемы необходимо создать отделяемый измерительный модуль для контроля ориентации любого объекта.

Этот вопрос в настоящее время не является активной областью исследований, так как нету массовой потребности в подобном устройстве, но для узкоспециализированных задач переносное измерительное устройство позволит упростить некоторые процессы. Сейчас существует множество работ, посвященных гироскопам и акселерометрам в связке с конкретным проектом, но мало работ по отделяемым измерительным модулям. Многие люди хотят создать квадрокоптер своими руками, но большинство из них не обладают необходимыми знаниями для создания модуля, который будет стабилизировать коптер в полете на основе измерительного модуля. Кроме того, эта проблема является такой же актуальной и для разработчиков, потому что работа будет более продуктивной, если использовать готовые модули, и более удобной благодаря универсальным модулям. Кроме того, отделяемый измерительный модуль для контроля ориентации объекта может использоваться для тестирования различных частей систем в любых областях, а затем может быть удален без затруднений. Это причины в пользу необходимости для разработки отделяемого измерительного модуля для контроля ориентации объекта [1].

Целью данной работы была реализация переносного портативного измерительного модуля для сбора данных о положении объекта и их отображения на персональном компьютере (далее ПК).

Задачами в рамках данного проекта были анализ существующих методов проектирования и реализации подобных устройств и основываясь на полученных результатах разработать свою систему, которая измеряла бы отклонение объекта по трем осям с точностью до 1° и отправляла эти данные по Wi-Fi связи на программу для ПК, где визуально отображаются полученные данные.

В данной работе был проведен анализ существующих методов реализации проекта от начального этапа разработки до практического применения. В ходе изучения темы были выбраны следующие основные компоненты, на основе которых реализован проект: микроконтроллер ATmega8a-16pu, модуль со встроенными гироскопом и акселерометром MPU-6050, Wi-Fi модуль для отправки данных на ПК ESP-8266. Для схемотехнической реализации был проведен анализ некоторых известных систем проектирования и выбраны следующие системы: Splan для разработки принципиальной электрической схемы; Proteus для виртуального моделирования электрической схемы; онлайн редактор печатных плат EasyEDA для создания рисунка печатной платы для материальной реализации проекта; Atmel Studio использовался для написания прошивки микроконтроллера; QTcreator для реализации пользовательского интерфейса и отображения данных, отправляемых модулем.



1. Анализ существующих технических решений контроля положения объекта

Существуют множество сфер деятельности, где требуются системы измерения угла наклона относительно заданной точки, поэтому были спроектированы такие системы, чтобы удовлетворить требования в таких измерениях. В каждой области применения необходимо измерять свои данные, поэтому абсолютно универсального прибора пока что нет. Ниже приведены некоторые методы получения данных о положении объекта относительно инерциальной точки.

Существует способ контроля положения объекта, используя оптические датчики. Такие датчики очень широко применяются в науке, технике, электронике, где требуется измерение разных параметров. Системы, в основе которых лежат подобные датчики, могут решать задачи разной сложности, благодаря высоким характеристикам точности, быстродействия и надежности. Одним из видов такой системы является оптический преобразователь. Такие преобразователи способны представлять данные об угловом или линейном перемещении в форме, которую понимают технические средства. Развитие современных технологий подразумевает разработку более компактных, надежных и производительных компонентов, что требует повышенной точности измерительного оборудования и возможности бесконтактного измерения. Именно для таких целей используются системы с оптическими датчиками, которые обладают высокой точностью, чувствительностью и скоростью измерений. По методу формирования кодирующих сигналов оптические преобразователи делятся на растровые, интерференционные и дифракционные методы [2].

1.1 Растровый измерительные преобразователь

- это электрическое измерительное устройство, применяемое для измерения угловых или линейный перемещений. В основе принципа лежит сравнение измеряемой величины с многозначной мерой, которая является совокупностью однородных элементов, которые образуют периодическую структуру. Растровый преобразователь состоит из преобразующего звена, которое состоит из подвижного измерительного и неподвижного индикаторного растров, блока подсветки, блока фотоприемников, которые воспринимают излучение, модулированного растровым звеном, и электронный логический блок.

Принцип работы растрового преобразователя основан на методе оптико-электронного сканирования штриховых растров. Измерительный растр фиксируется на движущемся объекте, движения которого вызывают модуляцию посредством растрового сопряжения светового потока, падающего на фотодетекторную матрицу. Электрические сигналы от фотодетекторов пропорциональны интенсивности светового потока, проходящего через растровое сопряжение, и несут информацию об измеренном перемещении объекта.

Преобразователи линейного перемещения выполняют синхронное преобразование аналогового значения измеренного линейного перемещения в координатно-периодическую последовательность значений ортогональных электрических сигналов, масштаб времени которых пропорционален скорости течения измеряемого движения, а число колебаний является кратным числу штрихов измерительного растра или дробной части их периода, содержащегося в измеренном движении. Таким образом, число колебаний ортогональных электрических сигналов, характер их взаимного изменения и величина текущей частоты позволяют соответственно оценить величину, направление и скорость течения измеренных смещений. Измерительные устройства обработки информации выводят сигналы преобразователя в один из унифицированных видов, которые могут использоваться для дальнейшей обработки в системах ЧПУ, цифровых дисплеях или компьютерах.

Далее приведен принцип работы этого метода (рис. 1). При движении короткой (индикаторная пластина - 2) и длинной (растровая шкала - 1) линейках происходит модуляция светового потока светодиодов (инфракрасные излучатели - 3), что воспринимается фотоприемниками (кремниевые фотодиоды - 4). При относительном перемещении растровой шкалы и индикаторной пластины поля считывания реализуют два идентичных канала приема излучения. Каждый канал содержит два поля считывания, растры которых имеют пространственный сдвиг относительно друг друга, равный 1/2 растрового шага и, соответственно, два осветителя 5 и фотоприемник 6. Построенный таким образом канал считывания генерирует два ортогональных периодических сигнала, Взаимный характер которых позволяет определить направление перемещения, а число их периодов для данного перемещения - его величина. Специальные методы обработки сигналов могут значительно улучшить точность измерений, обеспечивая при этом контроль за движением с дискретностью, намного меньшей, чем у измерительного растра.

Рис. 1. Линейный растровый фотоэлектрический преобразователь.

Принцип работы датчиков углового перемещения (рис. 2) основан на регистрации относительной величины оптического излучения, передаваемого через интерфейс растра, как координатно-периодическую функцию взаимного углового положения регулярного растра шкалы и растров окон анализатора. Преобразователь имеет два кинематически связанных функциональных блока: радиальную растровую шкалу, жестко соединенную с валом преобразователя, и растровый анализатор фиксированного считывающего устройства. Радиальная растровая шкала содержит две концентрические информационные дорожки: регулярный растр и контрольную метку [3].

Рис. 2. Преобразователь угловых перемещений.

1.2 Интерференционный метод

контроля широко применяется для областей, где необходимо осуществлять контроль над объектом. Этот метод используется для оценки геометрических параметров объекта и его положения в пространстве. У этого метода есть недостаток - это сложная конструкция системы интерферометров, а также жесткие требования к условиям окружающей среды в процессе проведения измерений.

Существует способ, при котором используется наведение на множество точек с разными порядками при помощи развернутой щели [4]. В результате наведения формируется вторичная картина, которая очень чувствительна к смещению точек инверсии отрицательно центра щели. В схеме данного устройства (рис. 3) присутствуют: 1 - лазер; 2 - телескопическая система; 3 - вспомогательное зеркало; 4 - отражатель; 5 - светоделительный куб; 6 - бипризма Френеля; 7 - щель; 8 - приемник.

Рис. 3. Схема интерферометра.

Волновой фронт, который отражается от объекта (4), падает на бипризму (6), которая после этого делит его на два волновых фронта под углами

O = ±д (n-1)

где n - показатель преломления материала бипризмы, д - преломляющий угол бипризмы.

Развернутая относительно интерференционных полос на угол б щель пересекает линии инверсии интерференционной картины (рис. 4).

Рис. 4. Интерференционная картина.



При изменении фазы входного сигнала на щели, в дифракционной картине появляются дополнительные полосы, минимумы которых соответствуют пересечению линий инверсий фазы с осью.

Интерференционный метод контроля положения позволяет проводить измерения с высокой точностью. Но интерференционный измеритель слишком чувствителен к внешним воздействиям и имеет немалые габариты.

1.3 Дифракционный метод

контроля пространственного положения объекта чаще всего используется в измерительной технике, когда необходима высокая точность, бесконтактность и автоматизация процесса измерения. Точность измерения таким методом равна нескольким микрометрам и происходит в диапазоне от единиц до сотен микрометров. Лазерное излучение позволяет получить высококонтрастную дифракционную картину с большим числом дифракционных порядков и избавится от погрешностей, связанных с тем, что излучение немонохроматично. По интенсивности в ее характерных точках или расстоянию между ними оценивают размер, пространственное положение или физические свойства объекта [5].

Возможности данного метода контроля зависят от выбора параметров дифракционного разделения, которые нужно регистрировать. По типу регистрируемых параметров дифракционные методы контроля делятся на следующие группы:

- На основе регистрации интенсивности дифракционного распределения в фиксированных точках;

- На основе регистрации характеристических размеров распределения интенсивности.

У этих методов контроля присутствует ряд недостатков. Чувствительность при регистрации по интенсивности в фиксированных точках спектра Винера (рис. 5) будет определяться выражением

(1)

где коэффициент C зависит от мощности источника излучения.

Рис. 5. Спектр Винера.

Анализ выражения (1) показывает, что чувствительность максимальна в точках, где крутизна распределения интенсивности максимальна. Чувствительность уменьшается с уменьшением измеряемого размера а, поэтому измерение малых размеров является сложным процессом. Кроме того, диапазон измерения ограничен, не больше ± 20% от размера объекта, а сигнал сильно зависит от мощности источника и положения объекта в пределах пучка. Даже, когда произойдет стабилизации лазерного излучения, точность метода не будет превышать 0.5% от измеряемого размера.

Для повышения точности наведения на точки минимумов следует использовать либо более совершенную схему цифровой обработки сигналов, либо необходимо использовать оптическую обработку дифракционной картины. Оптическая обработка дифракционной картины использует преимущества наведения на точки инверсии фазы частотного спектра, которым соответствует максимальная чувствительность.

Препятствием для дальнейшего повышения точности методов дифракционного контроля является их недостаточная точность из-за регистрации дифракционной картины квадратичными приемниками. Поэтому дальнейшее исследование с целью повышения точности и чувствительности дифракционных методов контроля требуют создания оптических систем обработки информации, в которых используется амплитудно-фазовое распределение световых полей за контролируемым объектом.

1.4 Датчики угла

широко применяются в промышленности, автомобилестроении, компьютерной технике, робототехнике. Используя такие датчики можно судить о том, как ведет себя та или иная система относительно другой. Они преобразуют вращение объекта в электрический сигнал, который и делает возможным определить угол поворота. Датчики угла поворота (далее ДУП) различаются по способу выдачи информации на инкрементные и абсолютные, по принципу действия на оптические, резистивные, магнитные, индуктивные и механические, и по углу поворота с ограниченным и неограниченным диапазоном работы [6].

Инкрементные ДУПы на выходе формируют импульсы, посредством которых принимающее устройство определяет текущее положение вала путем подсчета числа импульсов счетчиком. Сразу после включения инкрементного ДУПа положение вала неизвестно. Для привязки системы отсчета к контрольной точке, инкрементные датчики имеют нулевые (опорные) отметки, которые необходимо пройти после включения оборудования. Недостатки этого типа датчиков угла положения также включают в себя тот факт, что невозможно определить пропуск импульсов от ДУПа по какой-либо причине. Это приводит к накоплению ошибки в определении угла поворота вала до тех пор, пока не пройдет нулевая отметка. Два измерительных канала («синус» и «косинус») используются для определения направления вращения, при котором идентичные последовательности импульсов (меандр) смещены на 90° относительно друг друга.

Абсолютные ДУПы имеют выходные сигналы, которые можно однозначно интерпретировать как угол поворота вала ДУПа. Подобные датчики не требуют привязки системы отсчета к нулевой метке.

Оптические ДУПы имеют стеклянный диск, жестко закрепленный на валу с оптическим растром. Когда вал вращается, растр перемещается относительно фиксированного растра, в то время как световой поток, принимаемый фотодатчиком, модулируется. Абсолютные датчики оптического угла - это угловые датчики, в которых каждое положение вала соответствует цифровому выходному коду, который наряду со скоростью является основным рабочим параметром датчика. Абсолютные оптические ДУП, так же, как и инкрементные, считывают и фиксируют параметры вращения оптического диска.

Магнитные ДУП регистрируют прохождение магнитных полюсов вращающегося магнитного элемента непосредственно около сенсорного элемента, преобразовывая эти данные в соответствующий цифровой код или сигнал.

Механические и оптические ДУПы с последовательным выходом содержат диск из диэлектрика или стекла с нанесенными выпуклыми, проводящими или непрозрачными областями. Считывание абсолютного угла поворота диска производится линейкой переключателей или контактов в случае механической цепи и линии оптронов в случае оптической. Выходными сигналами являются кодом Грея, что позволяет избавиться от неоднозначной интерпретации сигнала. Основным недостатком механического ДУПа является дребезг контактов, что может привести к некорректному вычислению и определению направления вращения. Оптический и магнитный ДУПы лишены этого эффекта.



1.5 Светолучевой метод определения углового положения

На его основе спроектированы бесконтактные устройства измерения положения объекта относительно другого по трем осям [7].

Принцип данного метода следующий: на объект, который нужно контролировать устанавливается блок излучателей света, который имеет диаграмму направленности в виде трех плоских пучков света, проекция которых имеет прямые линии, расположенные под определенными углами относительно друг друга (рис. 6). На объекте, относительно которого происходит измерение, размещаются два позиционно чувствительных элемента (далее ПЧЭ). Лучи света Л1-Л3 излучаются из центра контролируемого объекта (далее КО). Когда лучи пересекаются с плоскостью x_бO_бz_б, образуются три световые прямые С1-С3. По расположению этих следов света на плоскости можно однозначно определить угловое положение и координаты КО относительно базового объекта (далее БО). Расположение следов света С1-С3 считывается, используя ПЧЭ, данные об измерении с которых приходит во времяимпульсном формате.

Рис. 6. Схема светолучевого метода.

Связь параметров КО с расположением прямых С1-С3 на плоскости x_бO_бz_б и с временным положением импульсов с ПЧЭ описывается системой нелинейных уравнений:

N₁(a₁-z₁₁)+L₁(b₁-x₁₁)-M₁y₁₁=0;

N₂(a₁-z₂₁)+L₂(b₁-x₂₁)-M₂y₂₁=0;

N₃(a₁-z₃₁)+L₃(b₁-x₃₁)-M₃y₃₁=0;

N₁(a₂-z₁₂)+L₁(b₂-x₁₂)-M₁y₁₂=0;

N₂(a₂-z₂₂)+L₂(b₂-x₂₂)-M₂y₂₂=0;

N₃(a₂-z₃₂)+L₃(b₂-x₃₂)-M₃y₃₂=0,

Где x_ij, y_ij, z_ij (i=1, 2, 3; j=1, 2) - координаты центра КО в момент времени, соответствующие засветке i-м лучом j-го ПЧЭ в точке (x_kj, z_kj);

L_i, M_i, N_i - коэффициенты нормального вектора В_i{L_i, M_i, N_i} плоскости луча Л_i.

Коэффициенты L_i, M_i, N_i определяются по формулам:

L₁=lcos ц₁ +A₀sin ц₁; M₁=mcos ц₁ +B₀sin ц₁; N₁=-ncos ц₁ +C₀sin ц₁;

L₂=lcos м₂ +A_csin м ₁; M₂=mcos м ₂ +B_csin м ₂; N₂=-ncos м ₂ +C_csin м ₂;

L₃=lcos ц₃ +A₀sin ц₁; M₃=mcos ц₃ +B₀sin ц₃; N₃=-ncos ц₃ +C₀sin ц₃,

где

A_c=sinг sinн cosв+sinв cosг; B_c=-cosн sinг; C_c=-sinг sinн sinв+cosв cosг;

A₀=-cosг sinн cosв+sinв sinг; B₀=cosн cosг; C₀=cosг sinн sinв+cosв sinг;

L=cosн cosв; m=sinн; n=cosн sinв;

ц₁, м ₂, ц₃ - углы, определяющие положение лучей Л1, Л2, Л3 соответственно в связанной системе координат x_cy_cz_c.

В этой системе уравнений a_j, b_j - координаты начала фоточувствительной зоны ПЧЭ_j;

x_ij=d+V_xt_ij; y_ij=h; z_ij=c+V_zt_ij,

где h, d, c - координаты КО; V_x, V_z - проекция вектора скорости сканирования ПЧЭ_j на оси базовой системы координат.

Данная система нелинейных уравнений соответствует общему случаю взаимного расположения лучей Л1-Л3 и расположения ПЧЭ_j на плоскости y_бO_бz_б. определяя значения углов ц₁, м ₂, ц₃ и координат ПЧЭ_j, возможно получать разные варианты такой системы. С помощью описанного метода можно определить шесть параметров положения объекта: координаты и углы поворота.

1.6 Метод измерения углов отклонения гидродинамическим гироскопом

В способе измерения углов отклонения заданного направления от вертикального и поперечного ускорений интегрированы два гидродинамических гироскопа (далее ГДГ), которые кинематически не связаны друг с другом, осуществляют подвеску сенсорного элемента одного из них с осевым перемещением центра масс в направлении кинетического момента, выравнивают коэффициенты пропускания системы. Временные константы ГДГ, устанавливают их на управляющем объекте таким образом, чтобы кинетические моменты были параллельны данному направлению, при определении параметров движения в первом ГДГ генерирует сигналы только об угловых движениях базы, а во втором сигналы ГДГ об угловых и поступательных движениях базы. Извлекаются сигналы из сигналов второй ГДГ о поступательных движениях базы, используя сигналы первого ГДГ. В способе подвеса сенсорного элемента ГДГ с осевым смещением центра масс частично заполнен жидкостью в камере подвеса поплавка, что обеспечивает ее осевую нейтральную плавучесть, осуществляется предварительная настройка системы съема сигнала и отклонение поплавков по величине радиального смещения центра масс относительно его геометрического центра, сводятся к минимуму поперечные связи между измерительными каналами подвеса сенсорного элемента ГДГ, осуществляется осевое смещение центра масс сенсорного элемента, контролируется плавучесть сенсорного элемента и корректируется количество жидкости во внутренней части подвеса. Окончательно регулируется система приема сигнала ГДГ при вертикальном положении оси собственного вращения, чтобы получить на выходе минимальное выходное напряжение Uo. Калибруется гироскопическая измерительную систему. Технический результат - это способность отделять сигналы гироскопов об угловых и поступательных движениях базы при движении по определенному рельефу местности [8].

1.7 Датчики движения на основе микроэлектромеханиеских систем

(далее МЭМС). Одной из главных задач МЭМС-датчиков - это определение положения и ориентации объекта в пространстве в реальном времени. Так же использование таких датчиков возможно и для взаимодействия пользователя с устройством (повороты, встряхивания, наклоны т т.д.). Преимущественно МЭМС-датчики применяются в мобильной технике: в камерах для стабилизации изображения, в спортивном оборудовании для мониторинга физической активности, в медицине для проведения анализов или операций и во многих других областях. Для решения поставленных задач только одного МЭМС-датчика будет недостаточно, поэтому обычно используются в связке гироскопы, акселерометры, магнитометры [9].

Шесть степеней свободы в системе отсчета объединяют три линейные и три угловые степени свободы двух трехосных датчиков - акселерометров и гироскопов. Они соответствуют трем декартовым осям, относительно которых линейное движение или линейное ускорение обнаруживается с помощью акселерометров и угловых скоростей или углового вращения с помощью гироскопов. Датчики с шестью степенями свободы также называются шестиосевыми. связь беспроводной измерительный компьютер

Мобильный датчик обнаруживает углы поворота, такие как крен (Roll), тангаж или продольный наклон (Pitch) и рысканье - повороты в плоскости, параллельной Земле (Yaw). Акселерометры и гироскопы обнаруживают линейное ускорение и угловую скорость объекта или точки.

Гироскопы позволяют рассчитать угловую скорость. Интеграция угловой скорости дает угол поворота. Наиболее важным параметром является смещение гироскопа. Если начальная ориентация известна в момент t₀ и смещение (сигнал при нулевом вращении), то ориентацию можно определить в момент времени t.

Гироскопы и акселерометры расположены в гравитационном и магнитном полях Земли. Для конкретной расчетной схемы подходит использование системы координат, фиксированной относительно магнитного поля Земли. Но в случае, когда земная и мобильная область в реальном времени различны, требуется учитывать магнитное поле и в любом случае - гравитационное.

Акселерометры позволяют измерять истинное ускорение объекта или его части, которое складывается из истинного ускорения и ускорения падения в поле тяжести. Крен и продольный наклон возникают в результате ускорения в гравитационном поле. Для определения гравитационного ускорения сигналы подвижного акселерометра проецируются на ось земной области. Перед корректировкой силы тяжести и интегрированием сигналов акселерометра для оценки положения в инерциальной навигационной системе для проецирования используются данные интегрирования гироскопического сигнала (данные ориентации).

В мобильной системе сигнал гравитации отделяется, используя магнитометр, для ориентации вдоль осей. Магнитометры предоставляют информацию о курсе (рыскании). Добавление трехосевого магнитометра в мультисенсорный блок с шестью степенями свободы дает еще три дополнительных уровня свободы и комплексное решение с девятью степенями свободы или девятиосевым датчиком.

Очевидно, что для непрерывных вычислений данных о позиции и ориентации объекта используются сложные алгоритмы обработки сигналов со сглаживанием данных с датчиков. Традиционные навигационные системы IMU, AHRS - сложные и дорогостоящие решения, цена которых тем выше, чем более высокая их точность измерения. Разработка коммерческих MEMS-технологий привела к появлению на рынке блоков инерциальных измерений с шестью или девятью отдельными типами выходов от трехосных датчиков, обработка сигналов которых для расчета положения или ориентации осуществляется центральным процессором. В последние годы MEMS-технологии позволили достичь выдающихся результатов в плане улучшения качества гироскопов: стабильности смещения, углового случайного шума, и достижения тактического уровня производительности (тактический класс), при котором стабильность смещения лучше на 10 ° / ч, а угловой случайный шум меньше 0,5 ° / v ч. Но недавно появилось несколько недорогих девятиосевых решений plug & play со слиянием данных, легко встраиваемых в мобильные электронные устройства. Поскольку рынок бытовой электроники в настоящее время является лидером среди всех других сегментов, эти решения предназначены для разработки встроенных систем для промышленных, медицинских приложений, робототехники и т.д. В свое время системы IMU, сделанные на основе МЭМС-технологии, были возвращены с потребительского рынка в традиционные сферы использования (военную и аэрокосмическую). МЭМС-технология позволила снизить цену и размер компонентов, чтобы позволить еще более массовое распространение комбинированных датчиков. Миниатюрные мультисенсорные умные системы с девятью или более степенями свободы и со слиянием данных, снимаемых с датчиков способствуют более полному осуществлению контроля пространственного положения объекта.

Проведя анализ распространенных методов измерения угла наклона объекта, становится очевидным, что для поставленной задачи больше подходит метод измерения при помощи МЭМС-датчиков. Так как это самый современный и доступный способ контроля положения объекта в пространстве, применимый практически во всех сферах.

2. Разработка структурной схемы и алгоритма работы устройства

Проектируемое устройство разрабатывается для использования в лабораторных условиях для демонстрации отклонения положения какого-либо объекта от начального. Данное устройство задумано как мобильное, соответственно должно обладать возможностью автономной работы и обеспечивать передачу данных беспроводным путем. Опираясь на приведенные требования и анализ методов контроля изменения положения объекта относительно начального составим структурную схему устройства контроля пространственного положения объекта (рис. 7).

Рис. 7. Структурная схема.

Для обеспечения автономной работы данного устройства нужна установка аккумуляторной батареи, которая будет питать все компоненты устройства. Беспроводная передача данных обеспечивается путем установки Wi-Fi модуля, который будет связываться с ПК для передачи данных о положении объекта, которые снимаются при помощи модуля с гироскопом и акселерометром (далее МГА). Всеми процессами в устройстве управляет микроконтроллер.

Алгоритм работы проектируемого устройства согласно структурной схема будет следующий: при включении питания, путем замыкания цепи на аккумуляторной батарее, микроконтроллер, Wi-Fi модуль и МГА обеспечиваются питанием. Микроконтроллер начинает передавать установочные настройки для МГА по шине I²C (Inter-Integrated Circuit) и для Wi-Fi модуля интерфейс связи uart (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter). Одновременно с включением питания на устройстве или после этого запускается поиск доступных Wi-Fi сетей, и, когда нужная сеть, раздаваемая Wi-Fi модулем, была найдена, начинается процесс подключения к ней. После получения всех настроек от микроконтроллера Wi-Fi модуль ждет подтверждения от приложения на ПК, что беспроводное соединение установлено. Получив сообщение об успешном соединении с ПК, Wi-Fi модуль начинает передавать данные в приложение на ПК, генерируемые МГА и обрабатываемые микроконтроллером.



3. Выбор протокола связи для беспроводного соединения с ПК

Чтобы обеспечить беспроводную передачу данных, нужно определиться каким способом будет осуществляется передача данных и какому протоколу связи она будет соответствовать. Так как передача данных не будет происходить в сети Internet, будем использовать протоколы транспортного уровня. Транспортный уровень - это 4-й уровень сетевой модели OSI, предназначенный для доставки данных. Не имеет значения, какие данные передаются, откуда и куда, он обеспечивает сам механизм передачи данных. При передаче данных блоки данных разбиваются на фрагменты, размеры которых зависят от протокола: короткие объединяются в один и разбивает длинные данные. Протоколы этого уровня предназначены для взаимодействия типа «точка-точка».

Существует много классов протоколов транспортного уровня, начиная от протоколов, которые обеспечивают только основные транспортные функции, например, передачу данных без подтверждения приема, и заканчивая протоколами, которые гарантируют доставку нескольких пакетов данных в надлежащей последовательности к месту назначения, мультиплексируют несколько потоков данных, обеспечивают механизм управления потоком данных и обеспечивают достоверность полученных данных.

Некоторые протоколы транспортного уровня, которые называются протоколами без установки соединения, не гарантируют, что данные доставляются адресату в том порядке, в котором они были отправлены исходным устройством. Некоторые транспортные уровни справляются с этим, собирая данные в нужной последовательности до их передачи на сеансовый уровень. Мультиплексирование данных означает, что транспортный уровень способен одновременно обрабатывать несколько потоков данных (потоки могут поступать из разных приложений) между двумя системами. Механизм управления потоком данных - это механизм, который позволяет вам регулировать объем данных, передаваемых из одной системы в другую. Протоколы транспортного уровня часто имеют функцию контроля передачи данных, заставляя принимающую систему данных отправлять подтверждения передающей стороне о приеме данных.

3.1 User Datagram Protocol

(далее UDP) является одним из ключевых элементов стека TCP / IP, набора сетевых протоколов для Интернета. С помощью UDP компьютерные приложения могут отправлять сообщения (в данном случае - дейтаграммы) на другие хосты по IP-сети без необходимости в предварительном сообщении для настройки специальных каналов передачи или маршруты данных.

UDP использует простую модель передачи, без неявных «рукопожатий» для обеспечения надежности, упорядочения или целостности данных. Таким образом, UDP предоставляет ненадежную службу, и дейтаграммы могут поступать в неправильном порядке, дублироваться или даже исчезать без следа. UDP подразумевает, что проверка и исправление ошибок либо не нужны, либо должны выполняться в приложении. Приложения, чувствительные ко времени, часто используют UDP, поскольку предпочтительнее отбрасывать пакеты, чем ждать задержавшиеся пакеты, например, в системах реального времени.

Характер UDP как протокола с состоянием также полезен для серверов, которые отвечают на небольшие запросы от огромного количества клиентов, например, DNS (Domain Name System) и в потоковых мультимедийных приложениях, таких как IPTV, Voice over IP, протоколы туннелирования IP и многие онлайн-игры.



3.2 UDP Lite

(облегчённый UDP) - это протокол без установки соединения, входящий в состав транспортного уровня модели OSI и очень похожий на UDP. В отличие от UDP, который защищен контрольной суммой или всеми пакеты, или ни один из них, UDP Lite допускает частичные контрольные суммы, которые покрывают только часть дейтаграммы, и, таким образом, возможна доставка частично поврежденных пакетов. Это было создано для мультимедийных протоколов (таких как Voice over IP), в которых прием пакета с частично поврежденной полезной нагрузкой считается предпочтительным вариантом, чем вообще не получить пакет.

3.3 Transmission Control Protocol

(далее TCP) является одним из основных протоколов передачи данных в Интернете, предназначенным для управления передачей данных, входит в состав транспортного уровня модели OSI. Механизм TCP обеспечивает поток данных с предустановленным соединением, повторно запрашивает данные в случае потери данных и устраняет дублирование при получении двух копий того же пакета, тем самым обеспечивая, в отличие от UDP, целостность передаваемых данных и уведомление отправителя о результатах передачи.

TCP обеспечивает надежную передачу потока байтов от одной программы на каком-либо компьютере в другую программу на другом компьютере. В отличие от традиционной альтернативы UDP, которая может немедленно начать передачу пакетов, TCP устанавливает соединения, которые должны быть созданы до передачи данных. Соединение TCP можно разделить на три этапа:

- Установление соединения,

- Обмен данными,

- Завершение соединения Выбор элементной базы измерительного модуля.

Процесс запуска сеанса TCP, также называемый «рукопожатием», состоит из трех шагов.

1. Клиент, который намеревается установить соединение, отправляет сегмент с порядковым номером и флагом SYN на сервер. Сервер получает сегмент, сохраняет порядковый номер и пытается создать сокет (буферы и структуры управления памятью) для обслуживания нового клиента. В случае успеха сервер отправляет клиенту сегмент с порядковым номером и флагами SYN и ACK и переходит в состояние SYN-RECEIVED. В случае сбоя сервер отправляет клиенту сегмент с флагом RST.

2. Если клиент получает сегмент с флагом SYN, он запоминает порядковый номер и отправляет сегмент с флагом ACK. Если он одновременно получает флаг ACK (что обычно и происходит), он переходит в состояние ESTABLISHED. Если клиент получает сегмент с флагом RST, он прекращает попытки соединения. Если клиент не получает ответа в течение 10 секунд, он повторяет процесс подключения заново.

3. Если сервер в состоянии SYN-RECEIVED получает сегмент с флагом ACK, он переходит в состояние ESTABLISHED. В противном случае, по истечении тайм-аута, он закрывает сокет и переходит в состояние CLOSED.

Процесс называется «трехсторонним согласованием», так как несмотря на то, что процесс установления соединения с использованием четырех сегментов возможен (SYN по отношению к серверу, ACK по отношению к клиенту, SYN по отношению к клиенту, ACK по отношению к серверу), на практике для экономии времени используются три сегмента.

При обмене данными приемник использует порядковый номер, содержащийся в полученных сегментах, для восстановления его исходного порядка. Приемник уведомляет передающую сторону о номере последовательности, до которой он успешно принял данные, записывая его в поле «номер подтверждения». Все принятые данные, относящиеся к интервалу подтвержденных последовательностей, игнорируются. Если результирующий сегмент содержит порядковый номер больше ожидаемого, то данные из сегмента буферизуются, но порядковый номер подтвержденной последовательности не изменяется. Если впоследствии будет получен сегмент с номером порядка, соответствующий ожидаемому порядковому номеру, порядок данных будет автоматически восстановлен на основе последовательностей номеров в сегментах.

Для обеспечения того, чтобы отправляющая сторона не отправляла данные более интенсивно, чем может обрабатывать получатель, TCP содержит средства управления потоками, где для этого используется поле «окно». В сегментах, переданных от приемника передающей стороне, текущий «размер» принимающего буфера указывается в поле «окно». Передающая сторона сохраняет размер окна и отправляет столько данных, чтобы их было не более указанного приемником. Если получатель указал нулевой размер окна, передача данных в направлении этого узла не происходит, пока получатель не сообщит о большем размере окна.

В некоторых случаях приложение-отправитель может явно запросить до некоторой степени протолкнуть данные в принимающее приложение без его буферизации. Для этого используется флаг PSH. Если флаг PSH обнаружен в полученном сегменте, реализация TCP отдает все текущие буферизованные данные в принимающее приложение. «Проталкивание» используется, например, в интерактивных приложениях. В сетевых терминалах нет смысла ждать ввода пользователя после завершения ввода команды. Поэтому последний сегмент, содержащий команду, должен содержать флаг PSH, чтобы приложение на принимающей стороне могло начать его выполнение.

Завершение соединения можно рассматривать в три этапа:

1. Отправка флага FIN от клиента на сервер для прекращения соединения.

2. Сервер отправляет ACK, FIN флаги ответа клиенту, что соединение закрыто.

3. После получения этих флагов клиент закрывает соединение и отправляет подтверждение ACK серверу, что соединение закрыто.

4.4 Reliable Data Protocol (далее RDP) предназначен для обеспечения надежной передачи данных между пакетно-ориентированными приложениями. Первоначально он был разработан для приложений, которые реализуют удаленную загрузку данных и дистанционное устранение неполадок, но он может использоваться и в других приложениях, требующих надежной передачи сообщений.

Reliable User Datagram Protocol (далее RUDP), основанный на протоколе RDP, предназначен для передачи телефонных сигналов по IP-сетям. Этот протокол не стандартизован, он не имеет официальной спецификации.

Протоколы RDP и RUDP используются в случаях, когда UDP нельзя использовать из-за его ненадежности, а использование TCP влечет за собой слишком большую сложность процесса передачи данных.

В отличие от UDP, RDP и RUDP поддерживают следующие функции:

- Подтверждение доставки пакета,

- Повторная отправка потерянных пакетов,

- Управление потоком.

На основе приведенных данных для обеспечения беспроводной передачи данных между разрабатываемым устройством и ПК выбран протокол TCP так как он обеспечивает надежную передачу данных и не сложен в реализации, также функционала данного протокола более чем достаточно для поставленной цели.

3.5 Архитектура клиент-сервер

будет использоваться для обеспечения связи между разрабатываемым устройством и ПК. Данная архитектура - это вычислительная или сетевая архитектура, в которой задания или сетевая загрузка распределяются между поставщиками услуг, называемыми серверами, и клиентами - заказчиками услуг. Фактически, клиент и сервер являются программным обеспечением. Как правило, эти программы расположены на разных компьютерах и взаимодействуют друг с другом через компьютерную сеть по сетевым протоколам, но они также могут располагаться на одном компьютере. Серверные программы ожидают запросы от клиентских программ и предоставляют им их ресурсы в форме данных или в виде сервисных функций.

Преимущества данной архитектуры заключается в отсутствии дублирования кода программы-сервера программами-клиентами, снижения к требованиям к компьютеру на которых установлен клиент, в связи с тем, что все вычисления происходят на сервере, сервер хранит все данные и обеспечивает большую защиту чем большинство клиентов, также на сервере проще организовать контроль прав доступа для разных клиентов.

Выбранные архитектура и протокол передачи данных позволяют организовать на устройстве TCP-сервер, который будет транслировать данные, и на ПК TCP-клиент, который будет получать и отображать данные с устройства.



4. Выбор элементной базы измерительного модуля

Как описывалось выше при разработке структурной схемы измерительного модуля, подсистема контроля пространственного положения объекта состоит из микроконтроллера, МГА, Wi-Fi модуля и аккумулятора.

4.1 Микроконтроллер

- это микросхема, которая предназначена для управления электронными устройствами. Именно в нем хранится программа, в которой описаны инструкции по работе разрабатываемого устройства на машинном языке. Следуя коду программы, микроконтроллер задает начальные настройки всем системам и контролирует их работу.

В 1980 году компания Intel выпустила микроконтроллер Intel 8051, который стал образцом для устройств этого класса. Данный микроконтроллер имеет 8-битную архитектуру и был очень популярным. Он состоит из процессорного ядра, оперативного запоминающего устройства (далее ОЗУ) на 128 байт, постоянного запоминающего устройства (далее ПЗУ) на 4 кб, последовательного порта, логики управления прерываниями и двух таймеров на 16 бит, имеет 8-битную шину данных и 16-битную шину адреса, один двунаправленный и три квазидвунаправленных порта ввода-вывода, последовательный интерфейс UART. На данным момент он уже устарел и появилось множество более производительных микроконтроллеров.

Микроконтроллер 68HC05 (краткое название HC05) - это широкое семейство 8_битных микроконтроллеров от Freescale Semiconductor (ранее Motorola Semiconductor). Как и все процессоры Motorola, которые используют линию связи от 6800, они используют архитектуру фон Неймана, а также ввод-вывод с отображением памяти. В этом семействе есть пять регистров процессора, которые не являются частью памяти. Один 8-разрядный аккумулятор A, 8-разрядный индексный регистр X, 8-разрядный указатель стека SP с двумя наиболее значимыми битами, жестко соединенными с 1, 13-разрядный счетчик команд PC (Program Counter) и 8-разрядный регистр CCR. Среди HC05 есть несколько семейств процессоров, каждое из которых ориентирована на различные встроенные приложения. Семейство 68HC05 началось с введения в конце 1980-х годов вариантов MC68HC805C4 и MC68HC805B6 на основе EEPROM. Используя последовательный загрузчик, они могут быть запрограммированы внутрисхемно простым программным обеспечением, работающим на ПК. Серия HC05 теперь считается устаревшей.

PIC - серия микроконтроллеров с гарвардской архитектурой и производимых американской компанией Microchip Technology Inc. Название PIC (peripheral interface controller - контроллер периферийного интерфейса) означает что микроконтроллеры серии PIC изначально предназначались для расширения возможностей ввода / вывода 16-разрядных микропроцессоров CP1600. Под брендом PIC Microchip производит 8-, 16- и 32-битные микроконтроллеры и цифровые сигнальные контроллеры (DSC), отличительной особенностью которых является хорошая преемственность различных семейств: совместимость программного обеспечения (общие средства разработки: свободно распространяемые IDE MPLAB, общие Библиотеки, общие стеки, наиболее популярные протоколы передачи данных), совместимость выводов, периферийных устройств и напряжения питания. Номенклатура включает более 500 различных контроллеров с различными периферийными вариациями, отличающимися объемом памяти, количеством контактов, производительностью, диапазонами напряжений питания, рабочими температурами и т. д. Но эти микроконтроллеры обладают ограниченной системой команд.

В 1996 году компания Atmel произвела микроконтроллеры на более прогрессивном ядре AVR, которые обладали большим быстродействием и невысокой стоимостью. Микроконтроллеры AVR имеют более совершенную систему команд и возможность внутрисхемного перепрограммирования. Многие чипы имеют функцию самопрограммирования. AVR-архитектура оптимизирована для языка высокого уровня Cи. Эти микроконтроллеры имеют гарвардскую архитектуру с 32 8-битными регистрами общего назначения.

Стандартные семейства:

- TinyAVR (ATtinyxxx):

- Flash-память до 16 Кб; SRAM до 512 бит / с; EEPROM до 512 b;

- Количество линий ввода-вывода 4-18 (общее количество выходов 6_32);

- Ограниченный набор периферийных устройств.

- MegaAVR (ATmegaxxx):

- Flash-память до 256 Кб; SRAM до 16 Кбайт; EEPROM до 4 КБ;

- Количество линий ввода-вывода 23-86 (общее количество терминалов 28_100);

- Аппаратный множитель;

- Расширенная система команд и периферийных устройств.

- XMEGA AVR (ATxmegaxxx):

- Флэш-память до 384 КБ; SRAM до 32 Кбайт; EEPROM до 4 КБ;

- Четырехканальный DMA-контроллер;

- Инновационная система обработки событий.

Для данных микроконтроллеров доступно много бесплатного программного обеспечения и средств разработки. Сторонние производители выпускают широкий спектр компиляторов, программаторов, ассемблеров, отладчиков, разъемов и адаптеров. Исходя из того, что данное семейство микроконтроллеров достаточно популярно и доступно, выбор был сделан в пользу микроконтроллера ATmega8A_16PU (рис. 8), так как его достаточно для поставленной задачи и есть запас производительности и выводов для расширения разрабатываемого устройства.

Рис. 8. Микропроцессор ATmega8-16PU.

4.2 Модуль с гироскопом и акселерометром

(МГА) служит для измерения изменения ориентации контролируемого объекта относительно начального положения.

Выбор модуля происходил среди тех устройств, которые можно в любой момент купить и по доступной цене, все приведенные ниже варианты доступны для покупки на одной торговой площадке.