Đồ án Nghiên cứu ðiều khiển mô hình máy bay quadcopter (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Nghiên cứu ðiều khiển mô hình máy bay quadcopter (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ÐIỆN – ÐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU ÐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH MÁY BAY QUADCOPTER GVHD: THS. NGUYỄN ĐÌNH PHÚ SVTH: HUỲNH TRỌNG ĐỨC MSSV: 10101028 SKL003164 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2014
2. BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH MÁY BAY QUADCOPTER GVHD: THS. NGUYỄN ĐÌNH PHÚ SVTH: Huỳnh Trọng Đức MSSV: 10101028 Tp. Hồ Chí Minh - 07/2014
3. BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH MÁY BAY QUADCOPTER GVHD: THS. NGUYỄN ĐÌNH PHÚ SVTH: Huỳnh Trọng Đức MSSV: 10101028 Lớp: 101011C, Hệ chính qui Tp. Hồ Chí Minh - 07/2014
4. PHẦN A: GIỚI THIỆU
5. Trƣờng ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật PHIẾU CHẤM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Khoa Điện – Điện Tử (Dành cho cán bộ hƣớng dẫn/phản biện) BM Điện Tử Công Nghiệp Ngàytháng năm 2014 1. Họ tên sinh viên: 1.HUỲNH TRỌNG ĐỨC 2.NGHIÊM ĐẠI PHÁT 2. Tên đề tài tốt nghiệp: NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH MÁY BAY QUADCOPTER 3. Cán bộ hƣớng dẫn: THS.NGUYỄN ĐÌNH PHÚ 4. Cán bộ phản biện: THS.NGUYỄN MINH CHƢƠNG 5. Tổng quát về bản thuyết minh: Số trang : 106 Số chƣơng : 06 Sản phẩm: máy bay 4 cánh. 6. Mục tiêu chính của ĐATN:  Tìm hiểu nguyên lý điều khiển, cân bằng cho quadcopter.  Xây dựng mô hình thực tế.  Tính toán thiết kế mạch điều khiển.  Xây dựng thuật toán điều khiển và phƣơng pháp cân bằng cho quadcopter. 7. Các vấn đề tồn tại của ĐATN có liên quan đã thực hiện ở các khóa trƣớc:  Góc ra từ cảm biến còn nhiễu, xử lí bộ lọc chƣa tốt.  Tầm điều khiển không đƣợc xa, chỉ trong tầm 10m với nhiễu tần số bởi motor, sóng radio ngoài, do dùng dãi tần thấp.  Cần bằng máy bay còn dùng tay điều khiển nên chƣa chính xác, vì những lí do đó máy bay chƣa thể cất cánh. 8. ĐATN của nhóm đã giải quyết đƣợc vấn đề gì, tính mới, tính cải tiến, tính tối ƣu:  Góc ra chính xác hơn, không bị nhiễu nhiều trong các cấp tốc độ motor khác nhau, cho dù motor quay ở tốc độ cao.  Tầm điều khiển xa hơn, đỡ nhiễu hơn vì dùng dải tần 2.4Ghz với khoảng cách truyền xa hơn.  Máy bay tự cân bằng với bộ điều khiển PID, có thể cất cánh, tay cầm chỉ còn việc điều khiển hƣớng để chống trôi cho máy bay. 9. Kết quả đạt đƣợc ĐATN:  Đề tài hoàn thành đúng thời gian qui định.  Mạch tay cầm nhỏ gọn, có thể dùng để điều chỉnh PID.  Mạch trung tâm điều khiển máy bay hoạt động tốt với các thiết bị ngoại vi.  Máy bay có thể bay.  Vẫn còn những thiếu sót về phần cứng, dung lƣợng pin ít, tay cầm điều khiển chƣa đƣợc xa lắm.  Vẫn còn thiếu nhiều thiết bị để máy bay có thể bay ổn định, bay tự động. 10. Nhận xét của giảng viên phản biện:
6. 11. Đề nghị : Đƣợc bảo vệ: Bổ sung để đƣợc bảo vệ: Không đƣợc bảo vệ: 12. Các câu hỏi sinh viên phải trả lời trƣớc hội đồng : (dành cho cán bộ phản biện) Câu 1: . Câu 2: . . Câu 3: . . 13. Đánh giá chung (bằng chữ: giỏi, khá, TB, yếu): Điểm: /10. 14. Xin mời GV hƣớng dẫn và GV phản biện tham gia hội đồng bảo vệ của thƣ mời đính kèm. Chú ý từ mục 1 đến 9 thì SV tự ghi. Cán bộ chấm đồ án
7. Trƣờng ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật PHIẾU CHẤM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Khoa Điện – Điện Tử (Dành cho cán bộ hƣớng dẫn/phản biện) BM Điện Tử Công Nghiệp Ngàytháng năm 2014 1. Họ tên sinh viên: 1.HUỲNH TRỌNG ĐỨC 2.NGHIÊM ĐẠI PHÁT 2. Tên đề tài tốt nghiệp: NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH MÁY BAY QUADCOPTER 3. Cán bộ hƣớng dẫn: THS.NGUYỄN ĐÌNH PHÚ 4. Cán bộ phản biện: THS.NGUYỄN MINH CHƢƠNG 5. Tổng quát về bản thuyết minh: Số trang : 106 Số chƣơng : 06 Sản phẩm: máy bay 4 cánh. 6. Mục tiêu chính của ĐATN:  Tìm hiểu nguyên lý điều khiển, cân bằng cho quadcopter.  Xây dựng mô hình thực tế.  Tính toán thiết kế mạch điều khiển.  Xây dựng thuật toán điều khiển và phƣơng pháp cân bằng cho quadcopter. 7. Các vấn đề tồn tại của ĐATN có liên quan đã thực hiện ở các khóa trƣớc:  Góc ra từ cảm biến còn nhiễu, xử lí bộ lọc chƣa tốt.  Tầm điều khiển không đƣợc xa, chỉ trong tầm 10m với nhiễu tần số bởi motor, sóng radio ngoài, do dùng dãi tần thấp.  Cần bằng máy bay còn dùng tay điều khiển nên chƣa chính xác, vì những lí do đó máy bay chƣa thể cất cánh. 8. ĐATN của nhóm đã giải quyết đƣợc vấn đề gì, tính mới, tính cải tiến, tính tối ƣu:  Góc ra chính xác hơn, không bị nhiễu nhiều trong các cấp tốc độ motor khác nhau, cho dù motor quay ở tốc độ cao.  Tầm điều khiển xa hơn, đỡ nhiễu hơn vì dùng dải tần 2.4Ghz với khoảng cách truyền xa hơn.  Máy bay tự cân bằng với bộ điều khiển PID, có thể cất cánh, tay cầm chỉ còn việc điều khiển hƣớng để chống trôi cho máy bay. 9. Kết quả đạt đƣợc ĐATN:  Đề tài hoàn thành đúng thời gian qui định.  Mạch tay cầm nhỏ gọn, có thể dùng để điều chỉnh PID.  Mạch trung tâm điều khiển máy bay hoạt động tốt với các thiết bị ngoại vi.  Máy bay có thể bay.  Vẫn còn những thiếu sót về phần cứng, dung lƣợng pin ít, tay cầm điều khiển chƣa đƣợc xa lắm.  Vẫn còn thiếu nhiều thiết bị để máy bay có thể bay ổn định, bay tự động. 10. Nhận xét của giảng viên phản biện:
8. 11. Đề nghị : Đƣợc bảo vệ: Bổ sung để đƣợc bảo vệ: Không đƣợc bảo vệ: 12. Các câu hỏi sinh viên phải trả lời trƣớc hội đồng : (dành cho cán bộ phản biện) Câu 1: . Câu 2: . . Câu 3: . . 13. Đánh giá chung (bằng chữ: giỏi, khá, TB, yếu): Điểm: /10. 14. Xin mời GV hƣớng dẫn và GV phản biện tham gia hội đồng bảo vệ của thƣ mời đính kèm. Chú ý từ mục 1 đến 9 thì SV tự ghi. Cán bộ chấm đồ án
9. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP – TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ Tp.Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 7 năm 2014 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Huỳnh Trọng Đức MSSV: 10101028 Nghiêm Đại Phát MSSV: 10101091 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện-Điện tử Mã ngành: 01 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2010-2014 Lớp: 101011C I.TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH MÁY BAY QUADCOPTER II.NHIỆM VỤ 1.Các yêu cầu thực hiện, thông số đề tài 2.Các vấn đề tồn tại của Đồ án tốt nghiệp có liên quan đã thực hiện ở khóa trƣớc
10. 3.Đồ án tốt nghiệp giải quyết đƣợc vấn đề gì, tính mới, tính cải tiến, tính tối ƣu 4.Kết quả đạt đƣợc của Đồ án tốt nghiệp sau khi thực hiện III.NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 01/03/2014 IV.NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 06/07/2014 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƢỚNG DẪN:Ths. Nguyễn Đình Phú CÁN BỘ HƢỚNG DẪN BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Ths. Nguyễn Đình Phú TS.Nguyễn Thanh Hải
11. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP – TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ TP.HCM,ngày 11tháng7năm2014 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Huỳnh Trọng Đức Lớp: 101011C MSSV: 10101028 Họ tên sinh viên 2: Nghiêm Đại Phát Lớp: 101011C MSSV: 10101091 TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH MÁY BAYQUADCOPTER TUẦN/ NGÀY NỘI DUNG XÁC NHẬN GVHD Đăng kí đề tài, tìm hiểu các vấn đề cần Tuần 1 nghiên cứu. Tìm hiểu các thành phần phần cứng và Tuần 2,3 cảm biến MPU6050. Tìm hiểu cách tính ra góc từ dữ liệu thô Tuần 4 của cảm biến. Viết code bộ lọc kalman, góc ra không Tuần 5 đúng thực tế. Tuần 6 Nghiên cứu điều khiển motor. Tiếp tục nghiên cứu bộ lọc kalman, tìm Tuần 7 giá trị offset. Nghiên cứu phần mềm processing hiển Tuần 8 thị dạng sóng của góc. Chọn thông số cho bộ lọc kalman, thi Tuần 9 công mạch tay cầm, điều khiển motor bằng tay cầm. Hoàn thiện phần cứng mô hình, nghiên Tuần 10 cứu giải thuật PID. Hoàn thiện chƣơng trình điều khiển và Tuần 11,12 tìm cách khắc phục lỗi trong quá trình test.
12. Viết xong chƣơng trình điều khiển,khi test do motor rung gây nhiễulàm góc trả Tuần 13 về thiếu chính xác.Chọn lại thông số kalman. Tuần 14 Tìm thông số PID nhƣng chƣa chính xác. Viết chƣơng trình đọc dữ liệu dùng Tuần 15 DMP.Góc trả chính xác, không bị nhiễu bởi rung của motor. Viết sách, chọn thông số PID, cho bay Tuần 16,17,18 thử. GV HƢỚNG DẪN Ths. Nguyễn Đình Phú
13. LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, con ngƣời cùng với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến của thế giới, chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn.Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm nổi bật nhƣ sự chính xác cao, tốc độ nhanh, tính ứng dụng và thẩm mỹ. Điện tử đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ. Nó đã đáp ứng đƣợc những đòi hỏi không ngừng của các ngành, lĩnh vực khác nhau cho đến nhu cầu thiết yếu của con ngƣời trong cuộc sống hàng ngày. Những ứng dụng đó đã đem lại cho đời sống con ngƣời sự tiện nghi, thoải mái và thay thế con ngƣời trong rất nhiều các công việc từ công việc nhà, sản xuất công nghiệp đến giải trí, nghiên cứu tìm hiểu tự nhiên và vũ trụ. Con ngƣời vẫn luôn khao khát làm chủ vũ trụ, khao khát tìm ra những vùng đất mới, những nơi có sự sống. Do vậy thiết kế, chế tạo robot viễn thám phục vụ cho con ngƣời trong việc nghiên cứu khoa học, khảo sát địa hình, tìm hiểu thiên nhiên luôn là vấn đề đƣợc quan tâm và thúc đẩy. Đối với một sinh viên sắp ra trƣờng, bƣớc vào cuộc sống mới thì đồ án tốt nghiệp là một bƣớc nhảy quan trọng. Qua đó ta có thể học đƣợc rất nhiều điều thực tế về cuộc sống và sản xuất, không giống nhƣ thời gian mà ta ngồi học trên ghế nhà trƣờng chỉ đƣợc học qua lý thuyết. Đƣợc tiếp xúc với thực tế, đƣợc tự mình nghiên cứu và chế tạo những thứ mà mình muốn. Biết đƣợc tƣơng quan giữa công nghệ trong nƣớc và nƣớc ngoài. Đồ án tốt nghiệp không chỉ mang lại kinh nghiệm thực tế về chuyên môn mà còn bổ sung nhiều kỹ năng cuộc sống nhƣ giao tiếp, đàm phán, khả năng làm việc nhóm, làm việc độc lập Với đề tài “Nghiên cứu điều khiển mô hình máy bay Quadcopter” đƣợc xem là một đề tài đòi hỏi tổng hợp nhiều kiến thức chuyên ngành. Qua quá trình nghiên cứu chúng em đã thu đƣợc những kiến thức rất bổ ích. Đề tài đã hoàn thành đƣợc khá tốt các yêu cầu của nhiệm vụ đồ án và có khả năng phát triển rộng hơn. Mong sự góp ý của các thầy cô và các bạn sinh viên! Nội dung sách bao gồm có 6 chƣơng, trong đó: Chƣơng 1: dẫn nạp. Chƣơng 2: tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc từ trƣớc đền giờ. Chƣơng 3: lý thuyết điều khiển và mô hình toán của Quadcopter. Chƣơng 4: quá trình xây dựng mô hình thực tế Quadcopter của nhóm. Chƣơng 5: giải thuật điều khiển giúp máy bay cân bằng. Chƣơng 6: kết quả đạt đƣợc, kết quả thực nghiệm và hƣớng phát triển của đề tài. Trong quá trình viết sách chắc có chỗ sai sót, mong nhận đƣợc sự góp ý từ thầy cô và các bạn sinh viên.
14. LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian nghiên cứu và tiến hành thi công nhóm đã hoàn thành xong đồ án tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu điều khiển mô hình quadcopter”. Hoàn thành đồ án ngoài nỗ lực của nhóm ra thì sự giúp đỡ của bạn bè và sự chỉ bảo nhiệt tình của thầy Nguyễn Đình Phú là những tiền đề quan trọng để nhóm hoàn thành đồ án. Qua đây chúng em xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến thầy Nguyễn Đình Phú, ngƣời đã hết sức tạo điều kiện và tận tình hƣớng dẫn, góp ý, động viên chúng em trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện đồ án này. Đồng thời cũng xin chân thành cảm ơn đến tất cả quý thầy cô thuộc Khoa Điện-Điện tử, Bộ môn Điện tử công nghiêp trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật TP.HCM, những ngƣời đã trang bị cho chúng em những kiến thức cơ bản, cũng nhƣ đã nhiệt tình hƣớng dẫn giúp đỡ chúng em trong suốt những năm học vừa qua. Và cuối cùng chúng em xin cảm ơn cha mẹ đã giúp đỡ về mặt tinh thần lẫn vật chất để chúng em hoàn thành tố đề tài này. Xin chân thành cảm ơn! TP.Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 7 năm 2014 Nhóm thực hiện Huỳnh Trọng Đức-Nghiêm Đại Phát
15. Đồ án tốt nghiệp Mục lục PHẦN A: GIỚI THIỆU 1 PHẦN B: NỘI DUNG 5 CHƢƠNG 1: DẪN NHẬP 6 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN 9 2.1 Giới thiệu lịch sử phát triển của quadcopter 10 2.2.Tình hình nghiên cứu ở nƣớc ngoài 14 2.3 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc 19 2.4 Nội dung nghiên cứu của đề tài 22 CHƢƠNG 3: LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN QUADCOPTER 23 3.1 Lý thuyết điều khiển quadcopter 24 3.2 Mô hình toán của quadcopter 28 3.2.1 Động học 28 3.2.2 Động lực học 30 3.2.3 Khí động học 37 3.2.3.1 Thuyết động lƣợng 37 3.2.3.2 Thuyết cơ bản về cánh quạt 39 3.2.3.3 Về hình dáng khí động học 40 CHƢƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH QUADCOPTER 42 PHẦN I: CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG 43 4.1 Hệ thống cơ khí và truyền động 43 4.1.1 Động cơ không chổi than 43 4.1.2 Bộ điều tốc (ESC) 46 4.1.3 Cảm biến 50 4.1.3.1 MPU6050 50 4.1.3.2 Giao tiếp I2C 51 4.1.3.3 Cách tính góc từ cảm biến MPU6050 53 4.1.4 Module nrf24l01 54 4.1.4.1 Thông số kỹ thuật 54 4.1.4.2 Sơ đồ nối chân với vi điều khiển 55 4.1.4.3 Cách lập trình cho module để truyền nhận dữ liệu 55 4.1.4.4 Giao tiếp truyền dữ liệu giữa vi điều khiển và module 56 4.1.5 Pin 56 PHẦN II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC TẾ 57 4.2 Sơ đồ khối của hệ thống 57 4.3 Thiết kế mô hình 58 4.3.1 Thiết kế cơ khí 58 4.3.2 Thiết kế hệ thống điều khiển 58 4.3.2.1 Thiết kế mạch điều khiển cầm tay 59 4.3.2.2 Thiết kế mạch điều khiển trung tâm trên máy bay: 61 GVHD: Ths. Nguyễn Đình Phú 1
16. Đồ án tốt nghiệp 4.4 Thi công mô hình thực tế 63 4.4.1 Mạnh in board giao tiếp trung gian 63 4.4.2 Mạch in board tay cầm 63 4.5 Hình ảnh thực tế 64 CHƢƠNG 5: GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 66 PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 67 5.1 Ảnh hƣởng của nhiễu 67 5.2 Phƣơng pháp lọc kalman 67 5.2.1 Giới thiệu chung 67 5.2.2 Quá trình ƣớc lƣợng bộ lọc kalman 67 5.2.3 Thuật toán Kalman rời rạc 68 5.3 Bộ lọc bù 70 5.4 Thuật toán điều khiển PID 71 5.4.1 Sơ lƣợc thuật toán điều khiển 71 5.4.2 Các phƣơng pháp chỉnh định các thông số PID 71 PHẦN II: GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 74 5.5 Sơ đồ giải thuật cân bằng 74 5.6 Lƣu đồ giải thuật bay 75 5.7 Lƣu đồ giải thuật hiệu chỉnh PID bằng tay cầm 77 5.7.1 Bên tay cầm 77 5.7.2 Bên mạch điều khiển trên máy bay 78 5.8 Nguyên lí hoạt động của toàn bộ hệ thống 79 CHƢƠNG 6: KẾT QUẢ VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 81 6.1 Những kết quả đạt đƣợc 82 6.2 Kết quả thực nghiệm 82 6.3 Những hạn chế và biện pháp khắc phục 84 6.4 Hƣớng phát triển đề tài 84 PHỤ LỤC VÀ TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 1. VI ĐIỀU KHIỂN STM32F103C8T6 86 2. TÀI LIỆU THAM KHẢO 102 3. CÁC QUY ƢỚC VÀ HẰ NG SỐ LIÊN QUAN 103 GVHD: Ths. Nguyễn Đình Phú 2
17. Đồ án tốt nghiệp Danh mục hình và bảng Hình: Hình 2.1 Phân loại vật thể bay 10 Hình 2.2 Breguet- Richet Gyroplane No.1 11 Hình 2.3 Quadcopter của Etienne Oemichen 11 Hình 2.4 Draganflyer 12 Hình 2.5 Quattrocopter 12 Hình 2.6 X4- flyer Mark II 13 Hình 2.7 XAircraft X650 QuadCopter 14 Hình 2.8 Chống rung lắp máy quay 15 Hình 2.9 Cánh quạt và động cơ không chổi than 15 Hình 2.10 Cơ cấu đơn của quadcopter 16 Hình 2.11 DJI Phantom Aerial UAV Drone Quadcopter for GoPro 17 Hình 2.12 Parrot AR Drone 17 Hình 2.13 Parrot AR Drone với các kiểu dáng khác nhau 18 Hình 2.14 Mô hình máy bay nghiệm thu tại Sở Khoa học - Công nghệ 19 Hình 2.15 Một chiếc máy bay 4 cánh của câu lạc bộ mô hình 20 Hình 2.16 Quadcopter và nhóm sinh viên Cơ điện tử ĐH Công nghiệp Hà Nội 21 Hình 2.17 Robot tự hành kiểu quadcopter của Học viện Kỹ thuật Quân sự 21 Hình 3.1 Sơ đồ điều khiển của Quadcopter 24 Hình 3.2 Nguyên lý hoạt động của Quadcopter 25 Hình 3.3 Hover 25 Hình 3.4 Throttle 26 Hình 3.5 Roll 26 Hình 3.6 Pitch 27 Hình 3.7 Yaw 27 Hình 3.8 Hệ quy chiếu E và B 28 Hình 3.9 Các lực và moment tác dụng lên Quadcopter 30 Hình 3.10 Moment quán tính khối hình hộp chữ nhật 35 Hình 3.11 Mô hình cánh quạt trong thuyết động lƣợng 38 Hình 3.12 Biểu diễn mặt cắt của cánh quạt 39 Hình 3.13 Hình dáng khí động học của cánh 41 Hình 4.1 Động Cơ BLDC inrunner 43 Hình 4.2 Động cơ BLDC outrunner 44 Hình 4.3 Sơ đồ đấu dây động cơ BLDC và ESC 44 Hình 4.4 Động cơ không chổi than 45 Hình 4.5 Cánh quạt GWS EP-1060Rx3 45 Hình 4.6 Cánh quạt EPP1045 46 Hình 4.7 ESC HW 30A 46 Hình 4.8 Cấu tạo bên trong ESC HW 30A 47 Hình 4.9 Nguyên lý tạo dòng 3 pha 48 Hình 4.10 Dạng xung điều khiển động cơ 49 Hình 4.11 Cảm biến MPU6050 50 Hình 4.12 Sơ đồ khối cảm biến 50 Hình 4.13 Khung truyền quá trình đọc trên bus I2C 52 Hình 4.14 Khung truyền quá trình ghi trên bus I2C 52 GVHD: Ths. Nguyễn Đình Phú 3
18. Đồ án tốt nghiệp Hình 4.15 Tính toán góc góc nghiêng (tilt) từ accelerometer 53 Hình 4.16 Module RF 24L01 54 Hình 4.17 Sơ đồ khối module RF 24L01 54 Hình 4.18 Sơ đồ kết nối RF với MCU 55 Hình 4.19Pin 56 Hình 4.20 Sơ đồ khối tổng thể của hệ thống 57 Hình 4.21 Cấu hình chong chóng kéo (tractor propeller) 58 Hình 4.22 Sơ đồ khối tay cầm 59 Hình 4.23 Sơ đồi khối mạch tay cầm 60 Hình 4.24 Sơ đồ mạch nút nhấn 60 Hình 4.25 Sơ đồ khối mạch điều khiển trung tâm máy bay 61 Hình 4.26 Sơ đồ mạch nguồn và kết nối trung gian 62 Hình 4.27 Mạch đế cảm biến 63 Hình 4.28 Mạch trung gian giao tiếp kit STM32F103C8T6 với ngoại vi 63 Hình 4.29 Board điều khiển chính trên tay cầm 63 Hình 4.31 Hình ảnh thực tế của máy bay 64 Hình 4.32 Hình ảnh thực tế của tay cầm 65 Hình 5.1 Chu trình bộ lọc kalman 69 Hình 5.2 Tổng quan chu trình thực hiện bộ lọc Kalman hoàn chỉnh 70 Hình 5.3 Tín hiệu qua bộ lọc kalman 70 Hình 5.4 Sơ đồ bộ điều khiển pid căn bản 71 Hình 5.5 Sự thay đổi kp 72 Hình 5.6 Sự thay đổi kd 72 Hình 5.7 Sự thay đổi ki 72 Hình 5.8 Sơ đồ tín hiệu pid điều khiển motor 74 Hình 5.9 Lƣu đồ giải thuật chƣơng trình điều khiển chính 76 Hình 5.10 Lƣu đồ chỉnh PID bên tay cầm 77 Hình 5.11 Lƣu đồ chỉnh PID bên quadcopter 79 Hình 6.1 Đáp ứng PID góc roll khi chƣa đạt thông số tối ƣu. 82 Hình 6.2 Đáp ứng PID góc roll khi hiệu ở giá trị gần tối ƣu. 83 Hình 6.3 Đáp ứng PID góc pitch khi hiệu chƣa tối ƣu. 83 Hình 6.4 Đáp ứng PID góc pitch khi hiệu ở giá trị gần tối ƣu 84 Bảng: Bảng 4. 1 Thông số kỹ thuật của động cơ Himodel A2212/13 1000 kv 45 Bảng 4. 2 Thông số kỹ thuật của ESC Hobbywing Pentium 30A 47 Bảng 5. 1 Phƣơng pháp Ziegler-Nichols 73 GVHD: Ths. Nguyễn Đình Phú 4
19. Đồ án tốt nghiệp PHẦN B: NỘI DUNG GVHD: Ths. Nguyễn Đình Phú 5
20. Đồ án tốt nghiệp CHƢƠNG 1: DẪN NẠP CHƢƠNG 1: DẪN NHẬP GVHD: Ths. Nguyễn Đình Phú 6
21. Đồ án tốt nghiệp CHƢƠNG 1: DẪN NẠP 1.1 Lý do chọn đề tài Theo từ điển chuyên ngành trong lĩnh vực quân sự, máy bay không ngƣời lái – UAV (Unmanned Arial Vehicle) – là một phƣơng tiện hàng không có gắn động cơ nhƣng không mang ngƣời lái, sử dụng các lực khí động học để di chuyển, có thể bay tự động hoặc thông qua bộ điều khiển từ xa, có thể mang vũ khí chiến đấu hoặc các thiết bị điện tử khác. Các phƣơng tiện bay theo quỹ đạo, bán quỹ đạo nhƣ vệ tinh nhân tạo, các tên lửa hành trình, tên lửa tìm nhiệt không đƣợc coi là một vật bay không ngƣời lái. Các UAV đƣợc biết đến bởi khả năng thực hiện các nhiệm vụ liên quan đến các thiết bị quân sự. Sau khi chiến tranh lạnh kết thúc, hàng loạt các nƣớc nhƣ Mỹ, Tây Âu, Úc, Israel, Trung Quốc, Nga đã đầu tƣ hàng triệu đô-la cho các công trình nghiên cứu và phát triển UAV. Các loại UAV phục vụ cho các nhiệm vụ quân sự khác nhau đƣợc thiết kế và đƣa vào thực tế. Ngoài các thiết kế dành cho quân sự, các ứng dụng cho các lĩnh vực khác cũng đƣợc quan tâm nhƣ quan sát núi lửa, điều tra môi trƣờng, bảo dƣỡng thiết bị, gieo trồng, phun thuốc trừ sâu trong nông nghiệp Ngày càng có nhiều các ứng dụng thƣơng mại đƣợc phát triển với UAV. Ngày nay, một số lƣợng lớn UAV đƣợc phát triển dựa trên các nhiệm vụ yêu cầu. Thông qua số lƣợng các UAV đang đƣợc sử dụng cho thấy không thể phủ nhận khả năng của các phƣơng tiện bay lên thẳng bởi tính tiện dụng và linh hoạt trong phạm vi hoạt động hẹp. Phƣơng tiện bay lên thẳng có thể bay trong các khu vực thấp hơn so với mặt nƣớc biển, có thể lƣ ợn và cung cấp chi tiết các thông tin về khu vực đó thông qua các trạm điều khiển.Các cấu hình khác nhau của phƣơng tiện bay lên thẳng nhƣ các loại máy bay trực thăng, quạt ống, cánh nghiêng, quadcopter đều đã đƣợc phát triển từ lâu. Mỗi loại cấu hình nêu trên đều có những ƣu nhƣợc điểm nhất định. Quadcopter một phƣơng tiện bay dạng UAV đƣợc trang bị 4 động cơ có gắn cánh quạt ở 4 góc một khung hình chữ thập, hoạt động dựa vào các nguyên lý khí động học. Nhiệm vụ của đề tài là thiết kế một loại thiết bị bay lên thẳng dạng Quadcopter có khả năng tự cân bằng, hoạt động trong phòng thí nghiệm và đƣợc điều khiển từ xa. 1.2 Mục tiêu của đề tài - Tìm hiểu nguyên lý cân bằng, nghiên cứu động học, động lực học thiết bị bay dạng quadcopter. - Xây dựng mô hình thực tế. - Tính toán thiết kế mạch điều khiển. - Xây dựng thuật toán điều khiển và phƣơng pháp cân bằng cho quadcopter. 1.3 Phƣơng pháp và đối tƣợng nghiên cứu Ứng dụng phƣơng pháp luận cơ điện tử trong tính toán thiết kế và chế tạo robot. Ở phƣơng pháp này việc thiết kế có xét đến tính liên ngành và tích hợp hệ thống, cụ thể: - Nghiên cứu các tài liệu và thiết kế có sẵn trong và ngoài nƣớc. GVHD: Ths. Nguyễn Đình Phú 7
22. S K L 0 0 2 1 5 4