ку от получения и передачи передаваемых данных по последовательному порту в микроконтроллер до генерирования высокочастотного сигнала и его модуляции. Изначально данный модуль рассчитан на работу вместе с устройствами, использующими логические уровни пять вольт, поэтому конвертер логических уровней преобразует амплитуду сигналов последовательного порта в данное значение.

Соединение радиомодуля с микроконтроллером по последовательному интерфейсу UART выполняется согласно рис. 2.2.

Таким образом, роботизированное устройство имеет возможность двусторонней связи с оператором. Оператор передает команды управления по радиоканалу, радиомодуль их принимает и отправляет по последовательному интерфейсу в управляющий микроконтроллер, который, в свою очередь, их обрабатывает и исполняет. Микроконтроллер же периодически передает информацию о своем состоянии, результатах измерений, а также вспомогательные данные оператору в обратном порядке.

2.1.4. Датчик температуры и влажности воздуха

Датчик температуры и влажности воздуха относится к системе сбора информации и осуществляет периодические измерения соответствующих величин. В данной работе используется модуль на базе микросхемы SHT3x-DIS, его внешний вид показан на рис. 2.8. Характеристики датчика приведены в табл. 2.7.

Рис. 2.8. Внешний вид датчика температуры и влажности воздуха [8] Таблица 2.7

Характеристики датчика температуры и влажности воздуха

22

Датчик имеет возможность производить как одиночные, так и периодические измерения. Управление датчиком и считывание результатов измерений осуществляется посредством последовательного интерфейса I2C. Передача и считывание данных при помощи указанного интерфейса описаны в последующих разделах. Датчик не требует настройки и при включении питания сразу может производить измерения.

В прил. 4 представлена принципиальная схема датчика. Датчик содержит минимальный набор элементов. Резистор R1 используется для подтяжки вывода аппаратного сброса к общей шине. Это необходимо для того, чтобы при отсутствии внешнего сигнала сброса датчик находился в стабильном состоянии. В цепи питания установлен самовосстанавливающийся предохранитель для защиты микросхемы от большого тока. В цепи последовательного порта установлены два резистора, подтягивающих шину I2C к напряжению питания (одно из требований корректной работы интерфейса). Кроме того, для удобного подключения и отключения датчика с роботизированным устройством имеется два разъема – один для подключения питания, другой для подключения к последовательной шине I2C.

Подключение датчика к микроконтроллеру при помощи последовательного интерфейса I2C показано на рис. 2.3.

Таким образом, роботизированное устройство имеет возможность производить мониторинг температуры и влажности воздуха в той среде, где сейчас находится. Это позволяет оператору лучше контролировать обстановку и точки маршрута роботизированного устройства, ведь перегрев либо переохлаждение может негативно сказаться на параметрах функционирования. Кроме того, измеренные данные можно записывать для составления температурной карты местности либо использования в других целях, требуемых оператору.

2.1.5. Инерциальный датчик

Инерциальный датчик представляет собой модуль в виде готовой печатной платы, содержащий микросхему MPU9250 и необходимую для ее работы обвязку из электронных компонентов. Внешний вид датчика изображен на рис. 2.9. Датчик выполнен по технологии MEMS.

Инерциальный датчик выполняет одновременно несколько функций, а именно: измерение ускорения по трем осям при помощи встроенного акселерометра, измерение угловой скорости по трем осям при помощи гироскопа, а также измерение по трем осям напряженности магнитного поля Земли. Параметры датчика приведены в табл. 2.8.

23

Рис. 2.9. Внешний вид инерциального датчика [9]

Гироскоп в микросхеме MPU9250 состоит из трех одноосных вибрационных датчиков. Каждый датчик реагирует на вращение вокруг своей оси. Рассмотрим принцип работы гироскопа. Две подвешенные массы совершают механические колебания по противоположным осям. При этом, если датчик начинает двигаться с какой-либо угловой скоростью, имеет место возникновение эффекта Кориолиса, который изменяет направление вибрации. Данное направление фиксируется емкостным датчиком. Измеренная емкость пропорциональна углу перемещения. Впоследствии полученный сигнал поступает на строенный в датчик 16-битный АЦП. Путем программной конфигурации датчика можно изменять такие параметры, как время оцифровки, параметры фильтра низких частот и другие. Диапазон измерений датчика может быть программно настроен на одно из значений из табл. 2.8.

Акселерометр измеряет ускорение датчика по каждой из осей. В неподвижном состоянии исправный датчик измеряет ускорение свободного падения. Акселерометр во время измерений использует для каждой оси отдельную пробную массу, позиция которой смещается при возникновении ускорения. Позиция также фиксируется емкостными датчиками, полученный сигнал поступает на 16-битный АЦП. Диапазон измерений датчика может быть программно настроен на одно из значений из табл. 2.8.

24

Принцип работы магнитометра основан на высокоточной технологии эффекта Холла. Магнитометр имеет возможность измерения напряженности магнитного поля Земли по трем осям. Датчик каждой оси подключен к АЦП разрядностью 16 бит. Диапазон измерений указан в табл. 2.8. Результатом измерений магнитометра является трехкомпонентный вектор, направленный на север.

Теоретически можно было бы обойтись всего одним датчиком – магнитометром, ведь для передвижения необходимо вычисление только азимута. Однако экспериментальным путем было выяснено, что при использовании одного лишь магнитометра вычисление текущего азимута происходит с большой погрешностью, не позволяющей роботизированному устройству двигаться в автоматическом режиме. Это связано с несколькими факторами. Во-первых, магнитное поле Земли неоднородно, из-за чего датчик показывает не истинное, а магнитное направление на север. Также в зависимости от широты магнитное поле имеет определенное склонение, которое невозможно вычислить и компенсировать без специализированного оборудования. Последним, наиболее неблагоприятным, фактором является воздействие на датчик других магнитных полей (не Земли), а также металлических предметов поблизости, что не позволяет использовать датчик в помещении. В связи со всем сказанным ранее было принято решение использовать более надежную инерциальную навигационную систему на базе гироскопа, акселерометра и магнитометра. Благодаря этому помимо измерения азимута роботизированного устройства появилась возможность измерения также и угла наклона. Это позволяет оператору лучше контролировать роботизированное устройство, а также определять опрокидывание. Управление инерциальным датчиком, считывание его показаний, а также преобразование измерений в пространственную ориентацию роботизированного устройства описаны в последующих разделах.

Таким образом, при помощи инерциального датчика на базе микросхемы MPU9250 роботизированное устройство имеет возможность определения текущей ориентации в пространстве, в том числе не только на открытой местности, но и в помещении.

2.1.6.Модуль вычисления глобального местоположения

Входе разработки устройства был произведен анализ существующих технологий и систем определения глобального местоположения в пространстве посредством спутниковых навигационных систем (GPS, Glonass, Gallileo). Задача вычисления глобальных координат является сложной и ресурсоемкой, а также выходит далеко за рамки данной работы, поэтому для ее решения было применено уже готовое устройство – модуль GPS/Глонасс.

Внастоящее время GPS-модули достаточно сильно распространены и применяются в самых различных устройствах и системах. Обзор существующих модулей показал, что подавляющее большинство из них имеет компактные размеры, позволяющие применять их в мобильном оборудовании. Обычно

25

GPS-модуль представляет из себя плату со специализированным процессором для обработки сигналов и встроенной либо внешней антенной, а также дополнительными цепями, необходимыми для работы. GPS-модули обеспечивают определение глобальных координат (широта и долгота), текущих времени и даты, высоты над уровнем моря, а также других параметров, зависящих от конкретной модели. Управление модулями и считывание результатов измерений происходят при помощи последовательного интерфейса (UART, SPI) по сп е- циализированным протоколам передачи данных. При этом для повышения точности измерений некоторые модули могут использовать системы дифференциальной коррекции. Таким образом, GPS-модуль с избытком позволяет обеспечить возможность вычисления текущих координат совместно с другими немаловажными параметрами.

В результате обзора существующих моделей GPS-модулей был выбран модуль на базе чипсета MT3333 (рис. 2.10). Модуль представлен в виде платы с микропроцессором и встроенной керамической антенной, позволяет одновременно работать с навигационными системами GPS и Glonass, обрабатывая сигналы с двенадцати спутников. Среди вычисляемых параметров широта, долгота, высота над уровнем моря, время, дата, скорость и направление перемещения. Управление модулем, а также считывание результатов измерений осуществляется посредством интерфейса UART по протоколу NMEA. Подробные характеристики модуля представлены в табл. 2.9 [13].

Рис. 2.10. Внешний вид модуля вычисления глобального местоположения [12]

26

Модуль имеет следующие выводы для взаимодействия с микроконтроллером: V – плюс питания устройства, G – общий, Rx – приемник последовательного порта Uart, Tx – передатчик последовательного порта Uart. Дополнительно модуль производит индикацию наличия питания, а также передачи и приема данных при помощи установленных на плате цветных светодиодов. В приложении Е представлена принципиальная схема датчика. Дополнительно в модуле присутствуют преобразователи уровней логических сигналов интерфейса UART, которые позволяют подключать модуль к внешним устройствам с уровнями сигналов пять вольт.

Обмен данными модуля с микроконтроллером производится по протоколу NMEA. Это специализированный стандарт, определяющий протокол связи навигационного оборудования. Обмен данными производится в текстовом виде. Имеется возможность проверки целостности данных при обмене путем вычисления проверочной суммы. В соответствии с протоколом модуль периодически с программируемым интервалом времени производит передачу результатов измерений. Модуль имеет возможность программного конфигурирования посредством специализированных команд управления. Более подробно процесс взаимодействия модуля с микроконтроллером по протоколу NMEA описан в последующих разделах.

Таким образом, роботизированное устройство имеет возможность измерения координат глобального местоположения в пространстве, а также других параметров, таких как текущие время, дата, высота над уровнем моря и другие. Данные измерения используются для обеспечения возможности автоматического передвижения по точкам маршрута. Однако, из-за неустойчивости уровня принимаемого от спутников сигнала, точность вычисления глобальных координат составляет не более 3 м. В условиях здания ситуация усугубляется еще больше. Чтобы скомпенсировать погрешность применяется инерциальная навигационная система.

27