Đồ án Nghiên cứu và chế tạo máy bay 4 cánh không người lái (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Nghiên cứu và chế tạo máy bay 4 cánh không người lái (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MÁY BAY 4 CÁNH KHÔNG NGƯỜI LÁI GVHD: Th.S. VÕ LÂM CHƯƠNG SVTH: LÊ HOÀNG ĐẠT MSSV: 11146028 SVTH: NGUYỄN ANH TUẤN MSSV: 11146137 SVTH: DƯƠNG VĂN THÀNH MSSV: 11146104 S K L 0 0 3 9 6 8 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2015
2. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Độc lập - Tự do – Hạnh phúc Bộ môn Cơ Điện tử NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn: Th.S: VÕ LÂM CHƯƠNG Sinh viên thực hiện: LÊ HOÀNG ĐẠT MSSV: 11146028 NGUYỄN ANH TUẤN MSSV: 11146137 DƯƠNG VĂN THÀNH MSSV: 11146104 1. Tên đề tài: NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MÁY BAY BỐN CÁNH KHÔNG NGƯỜI LÁI. 2. Các số liệu, tài liệu ban đầu: . . . . . . 3. Nội dung chính của đồ án: Nghiên cứu, chế tạo mô hình máy bay bốn cánh (Quadrotor). Thiết kế lập trình giao diện điều khiển giám sát máy bay không người lái. 4. Các sản phẩm dự kiến: Mô hình máy bay bốn cánh (Quadrotor). Phần mềm giao diện giám sát, điều khiển của máy bay. 5. Ngày giao đồ án: / /2015. 6. Ngày nộp đồ án: /07/2015. TRƯỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) i
3. LỜI CAM KẾT - Tên đề tài: NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MÁY BAY BỐN CÁNH KHÔNG NGƯỜI LÁI. - GVHD: Th S. VÕ LÂM CHƯƠNG - H tên sinh viên: LÊ HOÀNG ĐẠT - MSSV: 11146028 Lớp: 11462A - Địa chỉ sinh viên: 26/146 Quang Trung, Phường 10, Gò Vấp, Tp HCM. - Số điện thoại liên lạc: 098 711 1993 - Email: lehoangdat711@gmail.com - H tên sinh viên: NGUYỄN ANH TUẤN - MSSV: 11146137 Lớp: 11462B - Địa chỉ sinh viên: 28 Tân Lập 2, Phường Hiệp Phú, Thủ Đức, Tp HCM. - Số điện thoại liên lạc: 0974 840 207 - Email: nguyenanhtuan.cdt@gmail.com - H tên sinh viên: DƯƠNG VĂN THÀNH - MSSV: 11146104 Lớp: 11462A - Địa chỉ sinh viên: 222 Quốc lộ 13, phường Hiệp Bình Phước, Thủ Đức, Tp HCM. - Số điện thoại liên lạc: 0169 895 1005 - Email: thanh.duong.vs@gmail.com - Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): /07/2015 - Lời cam kết: “Tôi xin cam đoan khoá luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình do chính tôi nghiên cứu và thực hiện. Tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”. Tp. Hồ Chí Minh, ngày . tháng . năm 20 Ký tên ii
4. LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên ,chúng tôi xin gửi lời cám ơn chân thành nhất đến thầy Th.S. Võ Lâm Chương, người đã luôn tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, góp ý cho chúng tôi suốt thời gian làm đồ án. Đồ án này có lẽ sẽ chẳng thể được thực hiện nếu không có sự đồng ý hướng dẫn của thầy từ khi nó chỉ vừa nhen nhóm ý tưởng. Chúng tôi sẽ luôn nghi nhớ những giúp đỡ quý báu của thầy cả về mặt chuyên môn ,tinh thần và vật chất. Sau nữa, chúng tôi cũng gửi lời cám ơn chân thành đến thầy PGS.TS. Nguyễn Trường Thịnh đã cho chúng tôi một ý tưởng tuyệt vời về một thiết bị bay không người lái để từ đó mỗi chúng tôi đã có trong mình một ước mơ để cố gắng phấn đấu và thực hiện. Chúng tôi cũng muốn gửi lời cám ơn đến thầy PGS.TS. Trương Nguyễn Luân Vũ và thầy Th.s Lê Linh đã có những góp ý, hướng dẫn chuyên môn giúp chúng tôi khắc phục được những khó khăn phát sinh trong quá trình nghiên cứu đề tài. Và sau cùng ,chúng tôi xin được cảm ơn tất cả các thầy cô thuộc khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy, Bộ môn Cơ Điện Tử của trường Đại H c Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố HCM, những người đã trang bị những kiến thức nền tảng vững chắc cho chúng tôi để có thể tự tin theo đuổi ước mơ của mình. iii
5. TÓM TẮT ĐỒ ÁN NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MÁY BAY BỐN CÁNH KHÔNG NGƯỜI LÁI Máy bay không người lái (UAV) hiện nay được nghiên cứu rất nhiều trên khắp thế giới và được sử dụng trong nhiều lĩnh vực để phục vụ cho nhu cầu ngày càng đa dạng của con người. Hệ thống máy bay không người lái của nhóm nghiên cứu và chế tạo là một hệ thống hoàn chỉnh bao gồm ba bộ phận cơ bản cấu thành nên UAV là: bộ phận giám sát điều khiển, bộ phận thông tin liên lạc và máy bay bốn cánh được trang bị hệ thống định vị quán tính (INS) là bộ phận chấp hành. Sản phẩm này chỉ phục vụ cho mục đích dân sự và thương mại. iv
6. ABSTRACT RESEARCH AND DESIGN UNMANNED QUADROTOR. Unmanned Aerial Vehicles (UAV) are researched in all around the world and service in many fields to response the increasingly diverse needs of human being. Our UAV is a complete system which consists of three basic parts making up the UAV: the monitor part, the communication part and Quadrotor equipped with Inertial Navigation System (INS) is the performance part. This research service for civilian and trading purposes only. v
7. MỤC LỤC Trang NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN i LỜI CAM KẾT ii LỜI CÁM ƠN iii TÓM TẮT ĐỒ ÁN iv MỤC ỤC vi N MỤC Ơ ĐỒ N ix N MỤC T IẾT TẮT xiii C ƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1 1.1 Tính cấp thiết của đề tài. 1 1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. 1 1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài. 2 1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 2 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 2 1.5 Phương pháp nghiên cứu. 2 1.5.1 Cơ sở phương pháp luận 2 1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể 2 1.6 Kết cấu của ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP. 3 C ƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 4 2.1 Thiết bị bay không người lái (UAV). 4 2.2 Đánh giá ưu nhược điểm các loại máy bay mô hình hiện nay. 5 2.2.1 Máy bay cánh bằng 5 2.2.2 Máy bay hai cánh (Bicopter). 6 2.2.3 Máy bay ba cánh (Tricopter). 7 2.3.4 Máy bay bốn cánh (Quadcopter-Y4 Quadcopter-V Tail Quadcopter). 8 2.3.5 Máy bay sáu cánh (Hexa-Y6). 11 2.3.6 Máy bay tám cánh (OctoCopter). 12 2.3.7 Máy bay trực thăng ( elicopter). 13 2.3 Lựa chọn mô hình máy bay để nghiên cứu, chế tạo. 14 2.4 Các nghiên cứu nổi bật trong và ngoài nước về UAV Quadrotor. 14 2.4.1 Các nghiên cứu nổi bật trên thế giới. 14 2.4.2 Các nghiên cứu trong nước. 15 vi
8. C ƯƠNG 3: LÝ THUYẾT TIẾP CẬN QUADROTOR. 17 3.1 Lý thuyết điều khiển Quadrotor. 17 3.2 Mô hình toán. 20 3.2.1 Hệ quy chiếu. 20 3.2.2 Ma trận xoay. 20 3.2.3 Đạo hàm toán học. 21 3.3 Tổng kết. 27 3.3.1 Động học. 27 3.3.2 Năng lượng. 28 3.3.3 Phương trình của chuyển động. 28 3.3.4 Cơ sở động học của mô hình. 28 C ƯƠNG 4: P ƯƠNG ƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP VỀ ĐIỀU KHIỂN, THIẾT KẾ. 30 4.1 Yêu cầu của đề tài. 30 4.2 Phương hướng và giải pháp thực hiện. 30 4.2.1 Phương án 1. 30 4.2.2 Phương án 2. 35 4.3 Lựa chọn phương án. 37 4.4 Trình tự công việc tiến hành. 38 C ƯƠNG 5: TÍN TOÁN THIẾT KẾ VÀ CÁC LÝ THUYẾT ĐÃ LIÊN QUAN. 40 5.1 Tính toán, thiết kế mô hình Quadrotor. 40 5.1.1 Động cơ- ESC- Pin. 40 5.1.1.1 Động cơ ba pha không chổi than (Brushless motor 3 phase). 40 5.1.1.2 Bộ điều chỉnh tốc độ- ESC (Electronic Speed Control). 42 5.1.1.3 Pin Lipo. 43 5.1.1.4 ơ đồ kết nối động cơ- ESC- pin. 44 5.1.2 Bộ cảm biến IMU GY88( MPU6050+ HMC5883L+ BMP085). 45 5.1.1.6 Mô-đun giao tiếp truyền nhận không dây APC220. 49 5.1.3 Mạch điều khiển trung tâm. 51 5.2 Các lý thuyết liên qua. 52 5.2.1 Lý thuyết hệ thống định vị quán tính IN và đơn vị đo lường quán tính IMU. 52 5.2.1.1 Hệ thống định vị quán tính INS 52 5.2.1.2 Các cảm biến của đơn vị đo lường quán tính IMU. 52 5.2.1.3 Cách xử lý dữ liệu và nguyên nhân sai số thường gặp của cảm biến. 53 vii
9. 5.2.2 Bộ lọc Kalman. 54 5.2.2.1 Lý thuyết bộ lọc Kalman. 54 5.2.2.2 Mô hình bộ lọc Kalman cho bài toán Quadrotor. 60 5.2.3 Lý thuyết bộ điều khiển PID. 63 5.2.3.1 Giới thiệu chung bộ điều khiển PID. 63 5.2.4.2 Bộ điều khiển PID cho Quadrotor. 63 C ƯƠNG 6: C Ế TẠO- THỬ NGHIỆM- ĐÁN GIÁ. 65 6.1 Thiết kế, chế tạo đánh giá mô hình Quadrotor. 65 6.1.1 Thiết kế mô hình Quadrotor trên phần mềm SolidWorks. 65 6.1.2 Mô hình Quadrotor thực tế. 66 6.1.3 Thông số mô hình. 66 6.2 Thiết kế chế tạo khung xoay một bậc tự do. 66 6.3 Thiết kế chế tạo khung xoay ba bậc tự do. 67 6.4 Thiết kế, lập trình giao diện giám sát điều khiển. 67 6.5 Thiết kế mạch điều khiển trung tâm. 71 6.6 Mô phỏng với Matlab và kết quả. 72 6.6.1 Mô phỏng với Matlab. 72 6.6.2 Kết quả mô phỏng. 75 6.7 Chương trình điều khiển. 79 6.7.1 ơ đồ thu thập dữ liệu. 79 6.7.2 Giải thuật điều khiển. 80 6.8 Các vấn đề phát sinh, nguyên nhân và cách khắc phục. 83 6.8.1 Tốc độ các động cơ không tuyến tính. 83 6.8.2 Nhiễu cảm biến khi động cơ hoạt động. 83 KẾT LUẬN 89 PHỤ LỤC 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO 96 viii
10. DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ Hình 2.1: Mô hình máy bay cánh bằng. 5 Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động của máy bay cánh bằng. 5 Hình 2.3: Máy bay hai cánh (Bicopter). 6 Hình 2.4: Nguyên lý hoạt động của Bicopter. 6 Hình 2.5: Máy bay ba cánh (Tricopter). 7 Hình 2.6: Nguyên lý hoạt đông của máy bay ba cánh (Tricopter). 7 Hình 2.7: Máy bay bốn cánh (Quadrotor). 8 Hình 2.8: Nguyên lý hoạt động của X-Quadrotor 8 Hình 2.9: Nguyên lý hoạt động của Plus-Quadrotor 9 Hình 2.10: Y4 Quadcopter. 9 Hình 2.11: V-Tail Quadcopter. 10 Hình 2.12: Máy bay sáu cánh (Hexacopter). 11 Hình 2.13: Máy bay sáu cánh Y6 (Y6-Copter). 11 Hình 2.14: Nguyên lý hoạt động của Y6-Copter. 12 Hình 2.15: Máy bay tám cánh (OctoCopter). 12 Hình 2.16: Máy bay trực thăng ( elicopter). 13 Hình 2.17: Robot của Raffaello D'Andrea với hhả năng giữ thăng bằng ly nước. 14 Hình 2.18: DJI Inspire 1. 15 Hình 2.19: Hình ảnh được chụp từ DJI Inspire1 ngoài biển. 15 Hình 2.20: Một sảm phẩm nghiên cứu bị bỏ qua phần thiết kế cơ khí và điều khiển. 16 Hình 2.21: Flycam trị giá hơn 300 triệu cần nhóm sáu người để điều khiển. 16 Hình 3.1: Lý thuyết điều khiển Quadrotor. 17 Hình 3.2: Trạng thái lơ lửng (Hovering) 18 Hình 3.3: Trạng thái bay lên hoặc hạ xuống (Throttle). 18 Hình 3.4: Điều khiển Quadrotor dựa vào góc Roll. 18 Hình 3.5: Điều khiển Quadrotor dựa vào góc Pitch. 19 Hình 3.6: Điều khiển Quadrotor dựa vào góc Yaw. 19 Hình 3.7: Hệ quy chiếu B-E. 20 Hình 4.1: Một bộ khung Quadrotor làm từ sợi Cacbon. 31 Hình 4.2: Arducopter, một sản phẩm trong phân khúc Arduipilot. 32 Hình 4.3: ướng dẫn kết nối cho Arduino NANO của MultiWii khi sử dụng mã nguồn mở của hãng. 32 ix
11. Hình 4.4: rduino Uno R3 và Môđun Xbee được kết nối thuận tiện, dễ dàng. 33 Hình 4.5: Chương trình quản lý điều khiển thể hiện mọi thông tin về cảm biến được chúng tôi xây dựng sơ bộ. 34 Hình 4.6: Phương án sử dụng dây hiện nay rất phổ biến. 34 Hình 4.7: Phíp sợi thủy tinh dạng tấm (FiberGlass). 35 Hình 4.8: Môđun RF PC220. 36 Hình 4.9: Chương trình quản lý dữ liệu góc Pitch và Roll được quản lý riêng biệt do chúng tôi xây dựng sơ bộ. 36 Hình 4.10: Bộ khung quay 1 bậc tự do giúp lấy thông số PID góc Roll và góc Pitch. 37 Hình 5.1: Cơ cấu đo lực nâng của động cơ bằng thực nghiệm. 41 Hình 5.2: Động cơ imodel 1400kv 42 Hình 5.3: ESC 20A 2-3s Skywalker. 42 Hình 5.4: Pin Lipo Turnigy 3s 2200mAh. 44 Hình 5.5: Kết nối động cơ E C pin. 44 Hình 5.6: Mạch chia nguồn. 45 Hình 5.7: ơ đồ nguyên lý cảm biến GY-88. 46 Hình 5.8: ơ đồ nguyên lý MPU6050. 46 Hình 5.9 ơ đồ khối MPU6050. 47 Hình 5.10: Thu thập dữ liệu góc Pitch và Roll trực tiếp từ bộ DMP. 49 Hình 5.11: Mô-đun PC 220. 49 Hình 5.12: Phần mềm cài đặt RF-Magic số cho mô-đun PC220 50 Hình 5.13: Mạch STM32F407 Discovery. 51 Hình 5.14: Góc Yaw, Pitch, Roll. 52 Hình 5.15: Mô hình không gian trạng thái. 55 Hình 5.16: Chu trình bộ lọc Kalman. Cập nhật theo thời gian (time update) dự đoán trạng thái hiện tại theo thời gian 58 Hình 5.17: Mô tả hoàn chỉnh về hoạt động của bộ lọc Kalman. 59 Hình 5.18: ơ đồ bộ điều khiển PID. 63 Hình 6.1: Mô hình Quadrotor thiết thế trên phần mềm SolidWorks. 65 Hình 6.2: Bản vẽ lắp ráp 3D của mô hình Quadrotor. 65 Hình 6.3: Mô hình Quadrotor thực tế. 66 Hình 6.4: Khung xoay một bậc tự do. 66 Hình 6.5: Khung xoay ba bậc tự do thiết kế trên phần mềm SolidWorks. 67 Hình 6.6: Khung xoay ba bậc tự do đang được gia công. 67 x
12. Hình 6.7: Giao diện chính của chương trình. 68 Hình 6.8: Đồ thị quản lý các giá trị góc Yaw. 69 Hình 6.9: Đồ thị quản lý các giá trị góc Pitch. 69 Hình 6.10: Đồ quản lý các giá trị góc Roll. 70 Hình 6.11: Bảng điều khiển trung tâm và giao diện quản lý đồ họa. 70 Hình 6.12: ơ đồ nguyên lý mạch điều khiển trung tâm. 71 Hình 6.13: Mạch điều khiển trung tâm thiết kế bằng Altium Designer. 71 Hình 6.14: Mạch điều khiển trung tâm được gia công thực tế. 72 Hình 6.15: Thử nghiệm mạch điều khiển trung tâm. 72 Hình 6.16: Mô hình hệ thống. 72 Hình 6.17: Bộ điều khiển PD. 73 Hình 6.18: Hệ thống Quadrotor. 73 Hình 6.19: Tính Omega. 74 Hình 6.20: Tính góc Phi, Theta, Psi. 74 Hình 6.21: Tính khoảng cách. 75 Hình 6.22: Đáp ứng góc Phi. 75 Hình 6.23:Đáp ứng U1. 76 Hình 6.24: Đáp ứng góc Theta. 76 Hình 6.25:Đáp ứng U2. 77 Hình 6.26: Đáp ứng góc Psi. 77 Hình 6.27: Đáp ứng U3. 78 Hình 6.28: Đáp ứng trục Z. 78 Hình 6.29: Đáp ứng U4. 79 Hình 6.30: Cấu trúc hệ điều khiển. 80 Hình 6.31: ơ đồ khối tín hiệu điều khiển từng động cơ. 80 Hình 6.32: ưu đồ giải thuật của chương trình điều khiển chính 81 Hình 6.33: Nhiễu nghiêm trọng khi động cơ hoạt động. 84 Hình 6.34: Thiết kế ban đầu với mạch điều khiển được bắt cứng vào khung máy bay. 86 Hình 6.35: Thử nghiệm cột mút xốp mềm vào giữa mạch điều khiển và máy bay. 86 Hình 6.36:Nhiễu giảm đáng kể khi có mút xốp. 86 Hình 6.37: Bộ chống rung phổ biến trên thị trường. 87 Hình 6.38: Thiết kế lại mô hình trên SolidWorks, mạch điều khiển được bắt mềm vào thân máy bay thông qua 2 lớp chống rung bằng cao su. 87 xi
13. Hình 6.39: Máy bay được thiết kế lại với 2 lớp chống rung. 87 Hình 6.40: Nhiễu được loại bỏ hoàn toàn sau khi mạch điều khiển được chống rung. 88 xii
14. DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT CNC Computerized Numerical Control. DMP Digital Motion Processor. DOF Degrees Of Freedom. ESC Electronic Speed Control. GPS Global Positioning System. IMU Inertial Measurement Units. INS Inertial Navigation System. MAV Micro Aerial Vehicle. MEMS Micro Electronic Mechanical Systems. PC Personal Computer. PID Proportional Integral Derivative. RC Radio Control. UAV Unmanned Aerial Vehicle. xiii
15. Nghiên cứu và chế tạo máy bay 4 cánh không người lái CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài. Hiện nay ở Việt Nam, nhu cầu sử dụng máy bay mô hình trong lĩnh vực dân dụng và nghiên cứu là rất lớn nhưng vẫn chưa có công ty nào sản xuất các máy bay cỡ nhỏ, các mô hình và các linh kiện cần thiết để đáp ứng nhu cầu này. Phần lớn nguồn sản phẩm đều xuất phát từ các cửa hàng tư nhân nhập về từ nước ngoài với giá cao, từ nhiều hãng khác nhau và một số người chơi mô hình bán truyền tay nhau, hàng xách tay Ở mức độ nghiên cứu và phát triển thì hầu như không có hoặc rất ít những sản phẩm nghiên cứu thật sự đạt chất lượng và có thể hoạt động tốt. Phần lớn chỉ dừng ở mức độ nghiên cứu đề tài và không được hoàn thiện sau khi đã bảo vệ đề tài. Các đề tài đã được thực hiện trong nước đều điều khiển máy bay bằng tay thông qua bộ điều khiển từ xa. Điều này sẽ gây ra các khó khăn như không thể điều khiển chính xác và cần phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm người điều khiển. Chưa có sản phẩm nào thu thập tín hiệu liên tục và điều khiển trực tiếp từ máy tính. Nhận thấy nhu cầu cấp thiết đó chúng tôi đã quyết định nghiên cứu và chế tạo thiết bị bay không người lái (UAV) có thể điều khiển và giám sát máy bay trực tiếp từ máy tính với các thông số được cập nhật liên tục, nhanh chóng. 1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. Đề tài “Nghiên cứu và phát triển máy bay 4 cánh không người lái” là một đề tài có tính khoa học và kỹ thuật rất cao. Đề tài được xây dựng dựa trên nền tảng các thuật toán điều khiển tự động và các kỹ thuật truyền nhận, xử lý tín hiệu hiện đại với sự ứng dụng, kết hợp các phần mềm chuyên ngành cơ khí điện tử và công nghệ thông tin. Quá trình thực hiện đề tài đòi hỏi sự áp dụng thực tiễn các lĩnh vực tính toán thiết kế mạch điện và cơ khí trên máy tính, gia công chế tạo bằng máy CNC, gia công mạch in công nghiệp, các vật liệu mới và chuyên dụng trong lĩnh vực hàng không Đề tài sẽ mở ra các ý tưởng mới về việc chế tạo các thiết bị bay không người lái nhỏ gọn, dễ điều khiển phù hợp với nhiều đối tượng và có tính ứng dụng thực tiễn rộng lớn trong lĩnh vực dân dụng, thay thế hoàn hảo cho việc dùng máy bay trực thăng để giảm thiểu được chi phí sử dụng và tăng mức độ tiện lợi và nhanh chóng như trong việc: quay phim, chụp ảnh, tìm nạn nhân trong thiên tai lũ lụt. GVHD: Th.s Võ Lâm Chương Trang 1
16. Nghiên cứu và chế tạo máy bay 4 cánh không người lái 1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài. Nghiên cứu và chế tạo hoàn chỉnh phần cơ khí mô hình máy bay bốn cánh (Quadrotor) đáp ứng được các nhu cầu về khả năng hoạt động. Thiết kế chương trình thu thập tín hiệu và điều khiển từ máy tính. Thiết kế bộ điều khiển, mạch điện và lựa chọn các loại cảm biến thích hợp cho đề tài. Xây dựng mô hình toán và mô phỏng trên Matlab. 1.4.1 Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu về hệ thống thiết bị bay không người lái (UAV). Nghiên cứu về cấu tạo, các bộ phận cần thiết của một máy bay lên thẳng bốn cánh quạt (Quadrotor). Nghiên cứu, giải thích và áp dụng nguyên lý hoạt động của hệ thống định vị quán tính INS và đơn vị đo lường quán tính IMU. 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu Khái niệm và các thành phần cấu tạo của hệ thống thiết bị bay không người lái và từ đó xây dựng một hệ thống giám sát điều khiển máy bay với đầy đủ các chức năng cơ bản. Chế tạo mô hình máy bay có cấu hình công suất nhỏ có trang bị hệ thống IMU 10DOF và bộ truyền nối tiếp không dây tầm hoạt động 1000m trong điều kiện không vật cản. Nhận lệnh điều khiển từ máy tính. Xử lý các tín hiệu đọc được từ cảm biến và đưa vào bộ điều khiển để thu thập, giám sát dữ liệu và điều khiển máy bay cân bằng. 1.5 Phương pháp nghiên cứu. 1.5.1 Cơ sở phương pháp luận Chúng tôi áp dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết và phương pháp khảo sát, loại trừ để từ đó xác định mục tiêu chúng tôi sẽ làm là mô hình Quadrotor. Chúng tôi sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm để kiểm chứng các lý thuyết đã nghiên cứu. Phương pháp phân tích và tổng hợp sẽ giúp hệ thống lại các thông tin, dữ liệu và tìm ra nguyên nhân sai sót để đưa ra được hướng khắc phục. 1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể Tìm hiểu các tài liệu hiện có trong nước và ngoài nước. Tiến hành khảo sát thực tế, tìm hiểu các nghiên cứu hiện có. G : Th. õ âm Chương Trang 2
17. Nghiên cứu và chế tạo máy bay 4 cánh không người lái Xây dựng mô hình tính toán lí thuyết. Tiến hành thiết kế và gia công mô hình thực tế, rút ra các bất cập, nguyên nhân và tìm cách khắc phục từ đó hoàn thiện hệ thống. Thiết kế các bộ khung thử một trục, ba trục cho Quadrotor để đảm bảo đáp ứng tối ưu nhất trước khi bay thật. 1.6 Kết cấu của ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI. CHƯƠNG 3: LÝ THUYẾT TIẾP CẬN QUADROTOR. CHƯƠNG 4: P ƯƠNG ƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP VỀ ĐIỀU KHIỂN, THIẾT KẾ. CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ CÁC LÝ THUYẾT LIÊN QUAN CHƯƠNG 6: CHẾ TẠO- THỬ NGHIỆM- ĐÁN GIÁ. G : Th. õ âm Chương Trang 3
18. Nghiên cứu và chế tạo máy bay 4 cánh không người lái CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2.1 Thiết bị bay không người lái (UAV). U : Unmanned erial ehicle được dịch là “Phương tiện bay không người lái” hay “Máy bay không người lái”. U có thể có nhiều hình dạng kích thước khác nhau để phục vụ nhiều mục đích khác nhau. Chúng có thể có sải cánh rộng như máy bay phản lực hay chỉ nhỏ như một máy bay mô hình điều khiển bằng các loại sóng vô tuyến. U cũng có thể được gọi với các tên khác nhau như: . rone: máy bay không người lái đơn giản nhất, luôn cần được điều khiển. . Remotely Piloted ehicle: Phương tiện lái từ xa. . Hiện nay còn có thêm tên mới là Micro erial ehicles (M s) được tạm dịch là “Các vi máy bay”. Một UAV hoàn chỉnh được thiết kế theo công nghệ tự hành (Autonomy Technology). Công nghệ tự hành có thể được chia làm 3 loại chính. Kết hợp với cảm biến: Các thông tin chuyển động của U được cung cấp và tổng hợp từ các cảm biến khác nhau được lắp đặt trên U . Đối với các mô hình hiện nay và xu hướng trên toàn thế giới là sử dụng hệ thống IMU bao gồm hai thành phần cơ bản là cảm biến gia tốc và cảm biến Gyro. Có thể thêm vào cảm biến la bàn số, cảm biến áp xuất và GPS. UAV loại này sẽ khiến bộ xử lý hoạt động nhiều hơn hệ thống điều khiển phức tạp hơn và đòi hỏi có sự điều khiển trực tiếp của con người tuy nhiên có thể hoạt động chính xác hơn và xử lý được các sự cố bất ngờ. Tạo ra quỹ đạo chuyễn động mong muốn: Xác định tuyến đường bay cho trước và các thông số đã định trước để UAV định hướng bay theo. Thông thường quỹ đạo chuyển động chứa đựng các thông tin về điểm đổi hướng đổi độ cao đổi tốc độ. Qũy đạo mong muốn này được thực hiện bằng một hệ thống chỉ đạo (Guidance Systems). Các kỹ thuật có thể sử dụng là waypoint, light of sight. UAV loại này có ưu điểm là sẽ giúp giảm thiểu khả năng tính toán và hoạt động cho bộ điều khiển và ít cần sự can thiệp của con người nhưng sẽ không xử lý được các tính huống sự cố bất ngờ. Lập kế hoạch chuyển động: Xác định tuyến đường bay tối ưu cho U khi gặp phải các vật cản. UAV loại này có ưu điểm là sẽ được lập trình xử lý các tình huống sẽ gặp phải được tính toán từ trước. Nhược điểm là đòi hỏi sự dự đoán cẩn thận của người lập trình và vẫn có thể xảy ra rủi ro và cần thêm các hệ thống khác để hỗ trợ. Ngoài ra còn có các loại như: Thông tin liên lạc, chỉ định nhiệm vụ và lập bảng hành trình, chiến thuật phối hợp. G : Th. õ âm Chương Trang 4
19. Nghiên cứu và chế tạo máy bay 4 cánh không người lái Về cấu trúc của UAV: tùy theo phương pháp điều khiển có thể có một số cấu trúc khác nhau. Nhưng nhìn chung có thể đưa ra một mô hình chung gồm có ba phần chính: Bộ phận chỉ đạo và ra lệnh điều khiển: Các máy tính chủ (Host PC), chương trình, phần mềm điều khiển Bộ phận thông tin liên lạc: Bộ phận và phương thức hỗ trợ thông tin liên lạc theo 2 chiều. Bộ phận thực hiện: máy bay và các thiết bị trên đó gồm cảm biến ,bộ điều tốc Sau quá trình tìm hiểu và thống nhất với giáo viên hướng dẫn, chúng tôi đã quyết định tiến hành nghiên cứu và chế tạo UAV với cơ chế tự hành loại một với bộ IMU 10 DOF gắn trên UAV gồm các cảm biến gia tốc, cảm biến Gyro, cảm biến la bàn số và cảm biến áp suất. Giao diện thu thập tín hiệu và điều khiển trực tiếp sẽ được xây dựng bằng phần mềm Visual Studio 2013. 2.2 Đánh giá ưu, nhược điểm các loại máy bay mô hình hiện nay. 2.2.1 Máy bay cánh bằng. Hình 2.1: Mô hình máy bay cánh bằng. Nguyên lý hoạt động: Hoạt động dựa vào nguyên lý lực nâng khí động lực học. Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động của máy bay cánh bằng. Đánh giá: G : Th. õ âm Chương Trang 5
20. Nghiên cứu và chế tạo máy bay 4 cánh không người lái Ưu điểm: Cơ cấu cơ khí linh kiện điện và điều khiển tưng đối đơn giản, tốc độ bay nhanh, kích cỡ và giá thành đa dạng. Khuyết điểm: Máy bay cần cất cánh và hoạt động trong vùng không gian rộng, không thích hợp cho các trường hợp khẩn cấp và không gian chật, không thể giữ cân bằng ổn định tại một vị trí vì luôn cần lực đẩy của động cơ hướng về phía trước. 2.2.2 Máy bay hai cánh (Bicopter). Hình 2.3: Máy bay hai cánh (Bicopter). Nguyên lý hoạt động: Bay lên và cân bằng nhờ hai động cơ chính hai bên, di chuyển bốn hướng nhờ sự thay đổi phương lực đẩy bằng các RC servo. Hình 2.4: Nguyên lý hoạt động của Bicopter. Đánh giá: Ưu điểm: Rẻ tiền, thích hợp với các máy bay nhỏ gọn mang tải nhẹ. G : Th. õ âm Chương Trang 6
21. S K L 0 0 2 1 5 4