CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN nguồn. Bên cạnh đó là sơ đồ nguyên lý toàn mạch để mọi người có cái nhìn tổng quan hơn về hệ thống. Chương 4: Thi công hệ thống.
Chương này trình bày về cách lắp ráp hệ thống, cách định vị các điểm trên dịch vụ bản đồ google map, cách lập trình, cách kiểm tra các khối của hệ thống. Bên cạch đó là hình ảnh thực tế, cũng như là kết quả hiện tại mà thùng rác đạt được. Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá. Chương này trình bày các kiến thức, cũng như các kỹ năng mà nhóm đạt được sau khi thực hiện đề tài như: sử dụng các cảm biến, nhận thông tin qua GPS, cách lập trình cho arduino để thùng rác thực hiện một số tác vụ theo yêu cầu.
Đồng thời là những hình ảnh thực tế của thùng rác chạy ngoài trời cũng như so sánh, đánh giá những kết quả thực tế đó so với những tính toán lý thuyết ban đầu. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển. Chương này trình bày những kết quả mà đề tài đạt được và những phần chưa đạt được. Đồng thời, đưa ra những giải pháp khắc phục và những hướng phát triển mới cho đề tài để có thể ứng dụng vào thực tiễn, đời sống.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH 5 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS Ngày nay khó có thể hình dung bất cứ một chiếc máy bay, tàu thủy, hay phương tiện thám hiểm nào mà không lắp đặt bộ thu tín hiệu GPS để thu những tín hiệu từ vệ tinh bay trên quỹ đạo quanh trái đất. Dù là một công nghệ đã phát triển từ rất lâu nhưng không vì thế GPS lại lỗi thời, ngược lại nó thực sự rất quan trọng trong mọi lĩnh vực của cuộc sống, chẳng hạn như trong quân sự, hàng không, tàu vũ trụ đến địa chất, trắc địa, bản đồ… hay gần đây những ứng dụng của nó đã được tích hợp trong cả Smartphone giúp theo dõi hoạt động người dùng, thú cưng hay tìm đường, định vị vị trí cho xe ô tô và những dịch vụ rất nổi tiếng như Uber, Grap. Chính vì thế, có thể nói GPS là một trong những đột phá công nghệ hữu ích nhất trong những năm gần đây: thay vì phải đọc những tấm bản đồ tốn thời gian, người tiêu dùng giờ đây đã có thể tìm được đường đi chỉ trong vòng một phút với hướng dẫn chi tiết cùng với số lượng địa điểm đồ sộ tăng dần theo thời gian.
Giới thiệu về GPS Hệ thống Định vị Toàn cầu (tiếng Anh: Global Positioning System - GPS) hay còn gọi là NAVSTAR (NAVigation Satettlite Timing and Ranging) là hệ thống dẫn đường vệ tinh dùng để cung cấp thông tin về vị trí, tốc độ và thời gian cho các máy thu GPS ở khắp mọi nơi trên trái đất, trong mọi thời điểm và mọi điều kiện thời tiết. Hệ thống GPS có thể xác định vị trí sai số từ vài trăm mét tới vài centimet. Tất nhiên với độ chính xác càng cao thì cấu tạo máy thu tín hiệu GPS càng phức tạp và giá thành càng cao. Hệ thống được phát triển bởi chính phủ Mỹ, quản lý bởi Không Lực Mỹ (U.S Air Force) và giám sát bởi ủy ban Định vị-Dẫn đường Bộ Quốc phòng Mỹ Hệ thống định vị toàn cầu của Mỹ là hệ dẫn đường dựa trên một mạng lưới 24 quả vệ tinh được Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ đặt trên quỹ đạo không gian.
Vệ tinh BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH 6 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT đầu tiên được đưa vào quỹ đạo trái đất vào năm 1978. Hoàn chỉnh đầy đủ 23 vệ tinh vào năm 1994. Đến năm 2000, hệ thống này đã có 27 vệ tinh.
Cấu trúc của hệ thống định vị GPS Hiện tại, hệ thống GPS được chia làm ba phần riêng biệt: phần không gian, phần kiểm soát và phần sử dụng. Upload (S-band) Bộ phận không gian Tín hiệu GPS Download (L-band) Bộ phận kiểm soát Bộ phận sử dụng Hình 2.1: Cấu trúc hệ thống định vị toàn cầu GPS Phần không gian: Trong phần không gian, đó là một mạng lưới bao gồm 27 vệ tinh quay xung quanh trái đất. Trong số 27 vệ tinh này, 24 vệ tinh đang hoạt động, 3 vệ tinh còn lại đóng vai trò dự phòng trong trường hợp 1 trong số 24 vệ tinh chính bị hư hỏng. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH 7 do an CHƯƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT Dựa vào cách sắp đặt của các vệ tinh này, khi đứng dưới mặt đất, bạn có thể nhìn được ít nhất là 4 vệ tinh trên bầu trời tại bất kì thời điểm nào. Từ đó, chúng ta có thể xác định được tọa độ của một điểm trên mặt đất bằng cách tính khoảng cách từ điểm đó tới 4 vệ tinh theo công thức: S = v.1) Trong đó S: là khoảng cách từ vệ tinh tới vị trí máy thu trên trái đất v: tín hiệu radio di chuyển xấp xỉ với vận tốc ánh sáng 299,3 km/s t: Thời gian từ lúc vệ tinh phát tín hiệu cho đến lúc nhận được Hình 2.2: Các vệ tinh GPS và các quỹ đạo bay của nó (nguồn từ Google) Các vệ tinh được cung cấp bằng năng lượng mặt trời và vùng pin dự phòng để duy trì hoạt động khi chạy khuất vào vùng không có ánh sáng mặt trời, do đó các vệ tinh có thể hoạt động liên tục trong nhiều năm trước khi bị hư và đào thải ra khu vực rác tải trong không gian. Phía dưới mỗi vệ tinh được gắn một tên lửa nhỏ để giữ chúng bay đúng quỹ đạo đã định. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH 8 do an CHƯƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT Phần kiểm soát: Phối hợp hoạt động với các vệ tinh quay xung quanh trái đất là 5 trạm theo dõi đặt trên mặt đất: trạm chủ được đặt tại Colorado (Mỹ) và 4 trạm khác (không có người điều khiển) được đặt tại các vị trí rất xa lạ, song lại rất gần với đường xích đạo (trong đó có Hawaii cũng ở Mỹ). Các trạm theo dõi này thu thập dữ liệu từ các vệ tinh và truyền dữ liệu về trạm chủ. Trạm chủ sau đó sẽ xử lý dữ liệu và đưa ra các thay đổi cần thiết để chuyển dữ liệu chuẩn về các vệ tinh GPS. Đây còn được gọi là phần kiểm soát.
Mục đích trong phần này là kiểm soát vệ tinh đi đúng hướng theo quỹ đạo và thông tin thời gian chính xác.3: 5 Trạm kiểm soát trên thế giới (Nguồn từ Wikipedia) Phần sử dụng: Là thiết bị nhận tín hiệu vệ tinh GPS và người sử dụng thiết bị này. GPS ban đầu chỉ dành cho các mục đích quân sự, nhưng từ năm 1980 chính phủ Mỹ cho phép sử dụng trong dân sự. GPS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi trên Trái Đất, 24 giờ một ngày. Không mất phí thuê bao hoặc mất tiền trả BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH 9 do an CHƯƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT cho việc thiết lập sử dụng GPS nhưng phải tốn tiền không rẻ để mua thiết bị thu tín hiệu và phần mềm nhúng hỗ trợ. Nguyên lý xác định vị trí bằng GPS Một máy thu GPS xác định vị trí của nó bằng cách sử dụng một quá trình gọi là thuật toán trilateration [13] - là quá trình xác định vị trí tuyệt đối hoặc tương đối của các điểm bằng cách đo khoảng cách, sử dụng hình học của hình tròn, hình cầu hoặc hình tam giác. Để dễ hình dung và hiểu một cách đơn giản nhất về nguyên tắc xác định vị trí này, chúng ta nên thông qua một ví dụ như ở Hình 2.4: Biểu diễn của trilateration trên hình tròn Giả sử, tín hiệu GPS đang được truyền từ các đài phát thanh ở Fresno, Los Angeles và Las Vegas. Giả sử bạn có thể giải mã tín hiệu để biết bạn ở bao xa từ mỗi tháp được truyền đến (R1, R2, R3).
Sử dụng khoảng cách đã biết làm bán kính để vẽ một vòng tròn xung quanh mỗi tháp. Nếu bạn chỉ có tín hiệu cho Las Vegas và Los Angeles thì bạn có thể ở một trong hai điểm giao nhau giữa hai vòng tròn đó. Những nếu bạn thêm vệ tinh từ Fresno, bạn có thể tìm ra nơi chính xác nhất bởi vì BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH 10 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT chỉ có duy nhất một điểm giao nhau giữa ba vòng tròn.5 sẽ cho bạn thấy được phiên bản GPS thực sự của quá trình gọi là trilateration.
Thay vì là những vòng tròn trong hình 2.4, hãy nghĩ đến mỗi tín hiệu GPS mà vệ tinh phát ra là một dạng hình cầu [14].5: Vị trí máy thu GPS (màu xanh) là giao điểm của ba hình cầu (màu đỏ). Vệ tinh thứ tư (được hiển thị bằng vạch màu vàng) cho bạn thời gian. Công thức Haversine: Từ kinh độ và vĩ độ giữa điểm thứ nhất và điểm thứ hai, ta tính được khoảng cách giữa hai điểm đó (d) và góc từ điểm thứ nhất đến điểm thứ hai (θ) Haversine a = sin² (Δφ / 2) + cos φ 1 ⋅ cos φ 2 ⋅ sin² (Δλ / 2) (2.3) BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH 11 do an CHƯƠNG 2.4) Trong đó: φ là vĩ độ, λ là kinh độ, R là bán kính trái đất (bán kính trung bình = 6,371 km); Lưu ý rằng các góc cần được tính bằng đơn vị radian Để tính đước góc lệch giữa 2 vị trí kinh độ vĩ đó đó, chúng ta sử dụng công thức: θ = atan2 (sin Δ ∙ cos φ 2, cos φ 1 ∙ sin φ 2 - sin φ 1 ∙ cos φ 2 ∙ cos Δλ) (2.5) Trong đó φ 1, λ 1 là điểm bắt đầu, φ2, λ 2 điểm kết thúc (Δλ = λ 2 - λ 1 là chênh lệch về kinh độ) Hình 2.6: Khoảng cách từ GPS tới máy thu (smartphone) 2. Tín hiệu GPS Các vệ tinh GPS phát hai tín hiệu vô tuyến công suất thấp dải L1 và L2.
GPS dân sự dùng tần số L1 1575.42 MHz trong dải UHF (ultra high frequency). Tín hiệu truyền trực thị, có nghĩa là chúng sẽ xuyên qua mây, thuỷ tinh và nhựa nhưng không qua phần lớn các đối tượng cứng như núi và nhà. L1 chứa hai mã "giả ngẫu nhiên" (pseudo random), đó là mã Protected (P) và mã Coarse/Acquisition (C/A). Mỗi một vệ tinh có một mã truyền dẫn nhất định, cho BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH 12 do an CHƯƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT phép máy thu GPS nhận dạng được tín hiệu. Mục đích của các mã tín hiệu này là để tính toán khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu GPS.