ОГЛАВЛЕНИЕ 10
ВВЕДЕНИЕ 12
1 АППАРАТНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ПЛАТФОРМА ARDUINO 15
1.1 Общие сведения контроллер Arduino UNO 15
1.2 Характеристики контроллера Arduino UNO 16
1.3 Входы и выходы контроллера Arduino UNO 17
1.4 Программирование Arduino UNO 19
1.5 Библиотеки программного обеспечения Arduino UNO 21
2 ОПИСАНИЕ МОДУЛЯ GY-521 23
2.1 Общие сведения модуля GY-521 23
2.2 Спецификация и характеристики модуля GY-521 25
2.3 Акселерометр модуля GY-521 26
2.4 Гироскоп модуля GY-521 27
3 ФИЛЬТРАЦИЯ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ И СРАВНЕНИЕ
ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ФИЛЬТРОВ 28
3.1 Комплементарный фильтр 30
3.2 Фильтр Калмана 31
4 РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОГРАММЫ 36
4.1 Среда разработки 36
4.2 Настройка фильтра и оценка его работы 38
5 ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСНАБЖЕНИЕ 41
5.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения
научных исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения 42
5.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования 42
5.1.2 Анализ конкурентных технических решений 43
5.1.3 SWOT-анализ 44
5.2 Определение возможных альтернатив проведения научных
исследований 46
5.3 Планирование научно-исследовательских работ 47
5.3.1 Структура работ в рамках научного исследования 47
5.3.2 Определение трудоемкости выполнения работ 49
5.3.3 Разработка графика проведения научного исследования 50
5.3.4 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) 54
5.4 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования. 59
5.5 Оценка научно-технического уровня НИР 60
6 СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ 62
6.1 Производственная безопасность 62
6.2 Отклонения параметров микроклимата 62
6.3 Недостаточная освещенность рабочего места 63
6.4 Воздействие шума. Защита от шума 65
6.5 Повышенный уровень напряжённости магнитного поля 65
6.6 Электрический ток 66
6.7 Экологическая безопасность 67
6.8 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 68
6.9 Организационные вопросы обеспечения безопасности 70
6.10 Правовые вопросы обеспечения безопасности 71
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 75
CONCLUSION 76
ПРИЛОЖЕНИЕ А 79
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 83
ПРИЛОЖЕНИЕ В 85
В данной работе описана разработка модифицированного алгоритма фильтра Калмана реализованного на аппаратной вычислительной платформе Arduino.
С развитием технологий, появилась возможность автоматического управления каким-либо процессом. В настоящее время существует задача фильтрации исходных данных наименее трудозатратным и более качественным способом. Данный фильтр может быть использован в позиционировании исследуемых образцов в синхротронных установках, системах наведения и другими. Для этой цели был выбран микроконтроллер Arduino UNO.
В наше время актуальна фильтрация данных в различных отраслях промышленности, так как растут требования к точности и своевременности фильтрации исходных данных. Известные и широко применяемые фильтры не предоставляют высокую точность. Из-за различных особенностей технологических производств, каждый датчик обладает уникальными характеристиками, а также нужно учитывать окружение (технологическую обстановку). Учитывая это была поставлена задача - разработать метод настройки параметров фильтра Калмана для более качественной фильтрации поступающего сигнала. Данный метод был применен и реализован для датчика гироскопа GY-521, который может быть установлен на беспилотных аппаратах, в системе навигационных спутников, также, смартфонах и игровых приставках.
Arduino - это электронный конструктор и эффективное средство для быстрой разработки электронных устройств. Платформа Arduino представляет собой простую плату с микроконтроллером, а также включает в себя специальную среду разработки для написания программного обеспечения. Устройства на базе Arduino могу быть использованы для управления различными исполнительными устройствами. Язык программирования Arduino основан на языке Wiring, а среда разработки основана на среде Processing.
Существует множество других микроконтроллеров и микропроцессорных устройств, предназначенных для программирования других аппаратных средств, таких как: Parallax Basic Stamp, Netmedia’s BX-24, Phidgets, MIT’s Handyboard и многие другие. Данные устройства предлагают пользователю похожую функциональность и предоставляют удобный интерфейс для их программирования. Arduino упрощает процесс работы с микроконтроллерами и предоставляет ряд преимуществ:
Низкая стоимость. По сравнению с похожими аппаратными платформами, платы могут быть приобретены в сборе или собраны пользователем вручную.
Кроссплатформенность. Программное обеспечение Arduino может работать на операционных системах Windows, Macintosh, OSX и Linux.
Простая и удобная в освоении среда программирования. Среда программирования Arduino понятна и проста для начинающих пользователей и достаточно гибка для более продвинутых пользователей.
Расширяемое программное обеспечение с открытым исходным кодом. Программное обеспечение Arduino имеет открытый исходный код, благодаря этому можно изменять и дополнять его. Возможности языка программирования Arduino можно также расширять при помощи C++ библиотек.
Расширяемое открытое аппаратное обеспечение. Устройства Arduino построены на базе микроконтроллеров Atmel ATmega8 и ATmega168. Опытные инженеры и разработчики могут создавать свои версии устройств на основе существующих.
Целью данной работы является программная реализация модифицированного алгоритма фильтра Калмана на базе контроллера Arduino UNO.
В процессе проектирования выпускной квалификационной работы приведено:
— краткое описание и технические характеристики платформ Arduino;
— описание ПО Arduino;
— детальное описание контроллера Arduino Uno и его возможностей;
— описание характеристик гироскопа GY-521 на основе датчика MPU- 6050;
— описание алгоритма фильтрации комплементарного фильтра;
— описание алгоритма фильтрации фильтра Калмана;
— фильтрация исходных данных комплементарным фильтром и модифицированным фильтром Калмана;
— сравнение используемых фильтров.
В процессе выполнения работы была разработана методика автоматической настройки параметров фильтра Калмана для более качественной фильтрации и применение его в датчике гироскопа. В среде разработки Arduino реализованы программные коды комплементарного фильтра и модифицированного фильтра Калмана. Сравнение используемых алгоритмов фильтрации исходных данных проводилось с помощью программного пакета Microsoft Excel.
По результатам сравнения был сделан вывод о том, что модифицированный фильтр Калмана справляется с задачей фильтрации исходных данных лучше, чем комплементарный фильтр.
