Розроблення та дослідження робастної інерціальної навігаційної системи з бездротовим інтерфейсом
Автор: Гладун Тарас Андрійович
Кваліфікаційний рівень: магістр
Спеціальність: Смарт пристрої у радіоелектроніці і вбудовані системи
Інститут: Інститут телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2024-2025 н.р.
Мова захисту: українська
Анотація: У даній магістерській кваліфікаційній роботі було розроблено інерціальну навігаційну систему на базі мікроконтролера ESP32, яка здійснює отримання та обробку навігаційних даних з різних інерціальних сенсорів, зокрема гіроскопа, акселерометра, магнітометра та барометра. Основною метою системи є забезпечення точного моніторингу та аналізу руху об’єкта, що використовує дані цих сенсорів для визначення його положення та орієнтації в просторі. Система реалізована з урахуванням обробки даних у реальному масштабі часу та виведення результатів на веб-сервер для зручного відображення та подальшого використання за допомогою бездротового інтерфейсу. Використання фільтра Калмана для обробки даних дозволило значно підвищити робастність системи, знижуючи вплив шумів і похибок, що можуть виникати через неточності сенсорів. У першому розділі роботи розглянуто загальні принципи роботи інерціальних навігаційних систем, які базуються на вимірюванні різних параметрів, таких як прискорення, обертальні рухи та напрямок. Окрему увагу приділено ролі сенсора GY-87, який у своєму складі має акселерометр і гіроскоп MPU6050, магнітометр QMC5883L та барометр BMP180, що дозволяють отримувати інформацію для визначення орієнтації та положення об’єкта в просторі. Для побудови інерціальної навігаційної системи було обрано мікроконтролер ESP32, який має достатню обчислювальну потужність для роботи з даними сенсорів у реальному часі та можливості бездротової передачі даних. Також розглянуто методи фільтрації даних, зокрема використання фільтра Калмана для покращення точності вимірювань. Це дозволяє зменшити вплив шумів та похибок, які виникають через неточності сенсорів, та 5 забезпечити високу стабільність вимірювань. Особливу увагу приділено бездротовим інтерфейсам передачі даних. Використання протоколу TCP для передачі даних забезпечує стабільність та низький рівень втрат пакетів, що важливо для точного передавання даних про положення та орієнтацію. У другому розділі розглянуто апаратну реалізацію та програмне забезпечення, яке було розроблено для цієї навігаційної системи. Описано структуру коду, що реалізує взаємодію між мікроконтролером та сенсорами, а також програмну частину для виведення даних на веб-інтерфейс, що забезпечує зручний доступ до результатів вимірювань. Важливим аспектом є підключення сенсорів до мікроконтролера через інтерфейс I2C, що дозволяє забезпечити надійний зв’язок між компонентами системи. Описано процес завантаження програмного коду в мікроконтролер за допомогою середовища розробки PlatformIO. Експериментальна частина роботи включала перевірку точності даних з гіроскопа, акселерометра, магнітометра та барометра. Використання смартфона для імітації транспортира підтвердило правильність вимірювань гіроскопа. Експеримент з акселерометром полягав у вимірюванні прискорення та кутових швидкостей при різних швидкостях руху. Результати показали, що при швидкому русі датчика значення прискорення та кутових швидкостей були значно вищими, ніж при повільному переміщенні. Магнітометр продемонстрував невеликі відхилення через вплив електроніки в приміщенні. Вимірювання за допомогою барометра підтвердили коректність даних щодо висоти та температури з незначними відхиленнями. Фільтр Калмана покращив точність вимірювань, знижуючи вплив шуму та коливань. В економічному розділі проведено аналіз витрат на розробку та впровадження цієї навігаційної системи. Оцінено витрати на компоненти, програмне забезпечення та необхідні ресурси. Визначено потенційну економічну вигоду від впровадження системи, що дозволяє знизити витрати на традиційні методи навігації в специфічних умовах, що робить її ефективною для широкого застосування в різних сферах. Об’єкт дослідження – інерціальна навігаційна система з бездротовим інтерфесом. Предмет дослідження – методи обробки та фільтрації даних інерціальних давачів. Сфера дослідження – розробка та вдосконалення інерціальних навігаційних систем. Мета роботи: розробка та дослідження інерціальної навігаційної системи на основі мікропроцесора ESP32, з використанням інерціальних давачів для точного вимірювання руху та обробки даних за допомогою фільтра Калмана, створення веб-інтерфейсу для відображення результатів в реальному часі та забезпечення бездротової передачі даних. Ключові слова: інерціальна навігаційна система, ESP32, інерціальні давачі, фільтр Калмана, веб-інтерфейс, бездротова передача даних. Список літератури 1. Малохвій E., Молчанов Г., Паржин Ю. Дослідження протоколів передачі даних в умовах інтернету речей. Системи управління, навігації та зв’язку. Збірник наукових праць. 2022. Т. 1, № 67. С. 66–74. 2. Петросян А. Аналіз алгорітмів фільтрації інформації в бортовому комп’ютері безпілотного повітряного судна. Державний університет “Житомирська політехніка”. 2023. URL: https://conf.ztu.edu.ua/wp- content/uploads/2023/02/136.pdf (дата звернення: 25.11.2024). 3. Capelo Monteiro T. TCP and UDP protocols – explained in plain english. FreeCodeCamp. URL: https://www.freecodecamp.org/news/tcp-and-udp- protocols/ (дата звернення: 25.11.2024). 4. Inertial navigation systems (INS) – an introduction. Advanced Navigation. URL: https://www.advancednavigation.com/tech-articles/inertial- navigation-systems-ins-an-introduction/ (дата звернення: 25.11.2024). 5. MATLAB. Optimal state estimator | understanding kalman filters, part 3, 2017. YouTube. URL: https://www.youtube.com/watch?v=ul3u2yLPwU0 (дата звернення: 25.11.2024).