Đồ án Thiết kế và thi công mô hình máy bay quadcopter (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Thiết kế và thi công mô hình máy bay quadcopter (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH MÁY BAY QUADCOPTER GVHD: ThS.NGUYỄN ĐÌNH PHÚ SVTH: LƯƠNG QUỐC ÂN MSSV: 12141009 SVTH: PHAN NGỌC TƯỜNG MSSV: 12141719 S K L 0 0 4 4 8 8 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01/2017
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 CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH MÁY BAY QUADCOPTER GVHD: ThS.Nguyễn Đình Phú SVTH1: Lương Quốc Ân SVTH2: Phan Ngọc Tường MSSV1: 12141009 MSSV2: 12141719 Tp. Hồ Chí Minh – 01/2017
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 TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH MÁY BAY QUADCOPTER GVHD : ThS. Nguyễn Đình Phú SVTH1: Lương Quốc Ân SVTH2: Phan Ngọc Tường MSSV: 12141009 MSSV: 12141719 Tp. Hồ Chí Minh – 01/2017 i
4. TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Tp. HCM, ngày 13 tháng 1 năm 2017 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Lương Quốc Ân MSSV: 12141009 Phan Ngọc Tường MSSV: Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử truyền thông Mã ngành: 01 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 01 Khóa: 2012 Lớp: 12141DT1A I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH MÁY BAY QUADCOPTER II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: (ghi những thông số, tập tài liệu tín hiệu, hình ảnh, ) 2. Nội dung thực hiện: Trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nôi dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án. Trình bày cơ sở lý thuyết về các linh kiện, lý thuyết động học, động lực học, điện tử cơ bản, Thiết kế mạch nguyên lý, mạch trung tâm cho robot, và nghiên cứu tính toán các thuật toán PID, kalman, Trình bày kết quả thực hiện được, nhận xét robot đã hoàn chỉnh hay chưa, cần cải tiến vấn đề gì? Đưa ra kết luận, trình bày hướng phát triển và ứng dụng của robot. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 10/10/2016 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 13/01/2017 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS.Nguyễn Đình Phú. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP ii
5. TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Tp.HCM, ngày 13 tháng 01 năm 2017 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Lương Quốc Ân Lớp: 12141DT1A MSSV:12141009 Họ tên sinh viên 2: Phan Ngọc Tường Lớp: 12141DT1A MSSV:12141719 Tên đề tài: Thiết kế và thi công mô hình máy bay Quadcopter Xác nhận Tuần/ngày Nội dung GVHD Tuần 1 Tìm đề tài. Tuần 2 Tìm, thống kê ưu, nhược điểm của các loại máy bay mô hình và chọn một mô hình thiết kế Tuần 3 Tìm hiểu đề tài, cài các phần mềm bổ trợ Tuần 4 Lập trình Arduino với các chân I/O qua ví dụ, lập trình với các chân PWM trên Arduino Tuần 5 Nghiên cứu, thiết kế phần cứng, cảm biến cân bằng Tuần 6 Mua linh kiện về lắp ráp. Tuần 7 Lập trình giao tiếp với cảm biến. Tuần 8 Lập trình giao tiếp với tay điều khiển. Tuần 9 Hoàn thiện phần lập trình. Tuần 10 Viết luận văn. Tuần 11 Chỉnh sửa, in báo cáo GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) iii
6. LỜI CAM ĐOAN Đề tài này là do tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó. Người thực hiện đề tài Lương Quốc Ân & Phan Ngọc Tường iv
7. LỜI CẢM ƠN Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác. Suốt thời gian từ khi bắt đầu học tập ở giảng đường đại học đến nay, em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý Thầy Cô, gia đình và bạn bè. Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý Thầy Cô ở Khoa Điện Điện Tử – Trường Đại Học sư phạm kỹ thuật đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học tập tại trường. Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Đình Phú đã tận tâm hướng dẫn chúng em qua những buổi nói chuyện, thầy đã chỉ dạy chúng em ra hướng đi đúng đắn nhất để hoàn thành đồ án này. Nếu không có những lời hướng dẫn, dạy bảo của thầy thì em nghĩ đồ án này của em rất khó có thể hoàn thiện được. Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn thầy. Em cũng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn lớp 12141DT1 đã chia sẻ trao đổi kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài. Cảm ơn đến cha mẹ, Xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện đề tài Lương Quốc Ân & Phan Ngọc Tường v
8. MỤC LỤC Trang bìa i Nhiệm vụ đồ án ii Lịch trình iii Cam đoan iv Lời cảm ơn v Mục lục vi Liệt kê hình vẽ ix Liệt kê bảng vẽ xi Tóm tắt xii CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1 1.1. Đặt vấn đề 1 1.2. Mục tiêu 2 1.3. Nội dung nghiên cứu 2 1.4. Giới hạn 2 1.5. Bố cục 3 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4 2.1 Lý thuyết bay, điều khiển của quadcopter 4 2.2 Động học và phương trình toán học 5 2.2.1 Lý thuyết điều khiển quadcopter 5 2.2.2 Lý thuyết chuyển động của quadcopter và mô hình động lực học 6 2.2.3 Mô hình tính toán khí động lực học 8 2.2.4 Tính toán các thông số chế tạo 8 2.3 Lý thuyết bộ điều khiển PID 9 2.3.1 Khâu tỉ lệ 10 2.3.2 Khâu tích phân 11 2.3.3 Khâu vi phân 12 2.3.4 Xây dựng thuật toán điều khiển 12 2.4 Lưu đồ điều khiển cất cánh, hạ cánh, tới lùi, trái phải 13 2.4.1 Lưu đồ điều khiển cất cánh, hạ cánh 13 vi
9. 2.4.2 Lưu đồ điều khiển tiến lùi 14 2.4.3 Lưu đồ điều khiển trái phải 15 2.5 Giới thiệu linh kiện 17 2.5.1 Động cơ DC không chổi than (BRUSHLESS DC MOTOR) 17 2.5.1.1 Giới thiệu chung 17 2.5.1.2 Cấu tạo 18 2.5.1.3 Nguyên lý hoạt động và điều khiển động cơ 18 2.5.1.4 Một số loại động cơ dùng trong quadcopter 21 2.5.2 Bộ điều tốc – ESC( Electronic speed controler) 23 2.5.2.1 Giới thiệu chung 23 2.5.2.2 Cấu tạo và kết nối ESC 23 2.5.3 Cảm biến cân bằng Gyroscape L3G4200D 24 2.5.3.1 Giới thiệu 24 2.5.3.2 Cấu tạo chi tiết 26 2.5.4 Board điều khiển – Board Arduino Uno 26 2.5.4.1 Giới thiệu chung 26 2.5.4.2 Cấu tạo 27 2.5.5 Nguồn cấp (Pin Li-po) 28 2.5.5.1 Giới thiệu chung 28 2.5.5.2 Dung lượng pin 29 2.5.6 Cánh quạt 30 2.5.7 Bộ RX – TX và tay cầm Flysky I6 30 2.5.7.1 Giới thiệu chung 30 2.5.7.2 Thông số kỹ thuật 31 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ. 31 3.1 GIỚI THIỆU 31 3.2 Tính toán và thiết kế hệ thống 31 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 31 3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch 33 3.2.3 Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch 36 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG 37
10. 4.1 Giới thiệu. 37 4.2 Thi công hệ thống 37 4.2.1 Lắp ráp 37 4.2.2 Lập trình kiểm tra hệ thống 37 4.3 Lập trình hệ thống 43 4.3.1 Lưu đồ giải thuật 43 4.3.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển 44 4.3.3 Setup tay cầm. 53 4.4 Hướng dẫn sử dụng, thao tác 53 4.4.1 Hướng dẫn sử dụng 53 4.4.2 Quy trình thao tác 53 CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 54 5.1 Lắp ráp và thi công phần cứng máy bay 54 5.2 Cảm biến gyro L3G4200D 54 5.3 Bộ điều khiển TX-RX 58 5.4 Kết nối ESC với arduino 62 5.5 Điều chỉnh các thông số PID 62 5.6 Board arduino va phần mềm IDE 63 CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. 64 6.1 Kết luận . 64 6.1 Kết quả đạt được và hạn chế 64 6.1.2 Nhận xét và đánh giá 64 6.2 Hướng phát triển 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC
11. LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình Trang Hình 2.1: Chiều quay của động cơ 5 Hình 2.2: Chuyển động cơ bản của quadcopter 6 Hình 2.3: Mô hình momen quay 7 Hình 2.4: Hệ quy chiếu A và B với chiều dài l và tổng moment quay 8 Hình 2.5: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID. 9 Hình 2.6: Đồ thị đáp ứng Kp. 10 Hình 2.7: Đồ thị đáp ứng Ki. 11 Hình 2.8: Đồ thị đáp ứng Kd. 12 Hình 2.9: Sơ đồ khối hệ điều khiển cân bằng 12 Hình 2.10: Tín hiệu điều khiển hoàn chỉnh 13 Hình 2.11: Sơ đồ khối điều khiển cất cánh 14 Hình 2.12: Sơ đồ khối điều khiển tiến lùi 15 Hình 2.13: Sơ đồ khối điều khiển trái phải 16 Hình 2.14: Động cơ không chổi than DC. 17 Hình 2.15: Sơ đồ đấu dây động cơ BLDc và ESC 19 Hình 2.16 Nguyên tắc điều khiển truyền thống động cơ BLDC. 19 Hình 2.17: Trình tự cấp điện cho các cuộn dây. 20 Hình 2.18: Một mạch điều khiển BLDC đơn giản 20 Hình 2.19: Động cơ A2212 1000Kv 22 Hình 2.20: Động cơ max cf2822 1200kv outrunner 22 Hình 2.21: ESC- 30A 23 Hình 2.22: Sơ đồ kết nối ESC- 30A với pin, động cơ BLDC và Arduino. 24 Hình 2.23: Cảm biến L3G4200D Gyro 25 Hình 2.24: Board Arduino Uno. 26 Hình 2.25: Cấu tạo Board Arduino Uno. 27 Hình 2.26: Một số loại pin Lipo 29 Hình 2.27: Cánh quạt EPP1045 30 Hình 2.28: Bộ tay điều khiển 6 kênh Fly Sky I6. 31 Hình 3.1: Sơ đồ khối bộ điều khiển 32 Hình 3.2: Sơ đồ khối bộ điều khiển trung tâm 33 Hình 3.3: Sơ đồ kết nối cảm biến Gyro L3G4200D 34 ix
12. Hình 3.4: Mạch chia áp. 35 Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch. 36 Hình 4.1: Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển 43 Hình 4.2: Giao diện Arduino IDE. 44 Hình 5.1: Mô hình máy bay hoàn chỉnh. 54 Hình 5.2: Quadcopter khi góc nghiêng là 00. 55 Hình 5.3: Số liệu các góc Roll, Pitch, Yaw khi nghiêng 00 56 Hình 5.4: Quadcopter khi góc Roll là 450. 56 Hình 5.5: Số liệu các góc Roll, Pitch, Yaw khi nghiêng trục Roll 450 57 Hình 5.6: Quadcopter khi góc Pitch là 450. 57 Hình 5.7: Số liệu các góc Roll, Pitch, Yaw khi nghiêng trục Pitch 450 58 Hình 5.8: Kênh 3 (Gas) của tay cầm ở vị trí thấp nhất. 59 Hình 5.9: Giá trị hiển thị của 4 kênh khi gas ở vị trí thấp nhất 59 Hình 5.10: Kênh 3 (Gas) của tay cầm ở vị trí cao nhất. 60 Hình 5.11: Giá trị hiển thị của 4 kênh khi gas ở vị trí cao nhất. 60 Hình 5.12: Kênh 2 của tay cầm ở vị trí cao nhất. 60 Hình 5.13: Giá trị hiển thị của 4 kênh khi kênh 2 ở vị trí cao nhất. 61 Hình 5.14: Kênh 1 của tay cầm ở vị trí cao nhất. 61 Hình 5.15: Giá trị hiển thị của 4 kênh khi kênh 1 ở vị trí cao nhất. 62
13. TÓM TẮT Hiện nay trong thời đại công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước, với sự bùng nổ và phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ làm cho nền kinh tế phát triển nhanh chóng và đời sống con người cũng được cải thiện. Các thiết bị máy móc công nghiệp, các công trình nghiên cứu khoa học và tự động hóa đã được ứng dụng rộng rãi nhằm tăng năng suất, hiệu quả lao động trong rất nhiều các lĩnh vực như: giao thông, xây dựng, sản xuất công nghiệp, thiết bị y tế, quân sự, Ngoài những ứng dụng nêu trên, không chỉ dừng lại với ứng dụng trên mặt đất mà con người còn nghiên cứu những ứng dụng trên không nhiều hơn. Cụ thể là nghiên cứu ra các thiết bị, vật thể bay nhằm mục đích chinh phục không trung và vũ trụ. Với việc chế tạo ra các thiết bị bay có khả năng di chuyển vào những địa hình nguy hiểm (như hang động, vực sâu) mà con người không thể đặt chân tới được; thu thập, giám sát gửi dữ liệu từ camera về máy tính. Với mong muốn nghiên cứu những mô hình máy bay điều khiển có thể giúp ích cho con người như phun thuốc trừ sâu hay vận chuyển những đồ đạc cứu trợ đồng bào bị lũ lụt mà phương tiện đường bộ không tới được. Mục đích của đồ án này sẽ nghiên cứu, thiết kế và thi công mô hình máy bay Quadcopter bao gồm những vấn đề như sau: Chương 1. Tổng Quan: Trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nôi dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án. Chương 2. Cơ Sở Lý Thuyết: Trình bày cơ sở lý thuyết về các linh kiện, lý thuyết động học, động lực học, điện tử cơ bản Chương 3. Thiết Kế và Tính Toán: Thiết kế mạch nguyên lý, mạch trung tâm cho robot, và tính toán các thuật toán PID Chương 4. Thi công hệ thống: Lắp ráp phần cứng và xây dựng phần mềm, vẽ lưu đồ giải thuật và hướng dẫn sử dụng. Chương 5. Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá: Trình bày kết quả thực hiện được, nhận xét robot đã hoàn chỉnh hay chưa, cần cải tiến vấn đề nào. Chương 6. Kết Luận và Hướng Phát Triển: Đưa ra kết luận, trình bày hướng phát triển và ứng dụng của robot. xii
14. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong thời đại công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước, với sự bùng nổ và phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ làm cho nền kinh tế phát triển nhanh chóng và đời sống con người cũng được cải thiện. Các thiết bị máy móc công nghiệp, các công trình nghiên cứu khoa học và tự động hóa đã được ứng dụng rộng rãi nhằm tăng năng suất, hiệu quả lao động trong rất nhiều các lĩnh vực như: giao thông, xây dựng, sản xuất công nghiệp, thiết bị y tế, quân sự, Ngoài những ứng dụng nêu trên, không chỉ dừng lại với ứng dụng trên mặt đất mà con người còn nghiên cứu những ứng dụng trên không nhiều hơn. Cụ thể là nghiên cứu ra các thiết bị, vật thể bay nhằm mục đích chinh phục không trung và vũ trụ. Với việc chế tạo ra các thiết bị bay có khả năng di chuyển vào những địa hình nguy hiểm (như hang động, vực sâu) mà con người không thể đặt chân tới được; thu thập, giám sát gửi dữ liệu từ camera về máy tính. Đặc biệt, nhiều quốc gia trên thế giới còn ứng dụng các vật thể bay này trong nông nghiệp để phun thuốc trừ sâu. Trong lĩnh vực quân sự, đã tạo ra được máy bay không người lái với mục đích: do thám, thám hiểm, vẽ bản đồ, Với mục đích muốn được giúp đỡ, cứu trợ những đồng bào vùng lũ lụt. Nhóm đã quyết định nghiên cứu và chế tạo “Robot bay 4 cánh” có thể bay ổn định và mong muốn vận chuyển được lương thực, thực phẩm ở những nơi bị lũ lụt không có phương tiện di chuyển. NHỮNG VẤN ĐỀ CỦA NHỮNG NGHIÊN CỨU TRƯỚC: Tìm hiểu được cách lập trình trên board Arduino. Tìm hiểu được nguyên lý bay và nguyên lý điều khiển quadcopter. Xây dựng được mô hình giải thuật điều khiển. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 1
15. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Giải quyết được vấn đề cân bằng cho phép mô hình cất cánh và bay trên không nhưng cân bằng chưa thật sự tốt, mức độ dao động vẫn còn, độ ổn định chưa đạt. Nhóm cải thiện và phát triển thêm: Cân bằng thêm về vị trí trong không gian điều này sẽ giúp cho mô hình có thể đứng yên tại một điểm trong không gian. Nếu có đủ thời gian sẽ nghiên cứu thêm việc sử dụng camera truyền hình ảnh trực tiếp về máy tính và định vị GPS. 1.2. MỤC TIÊU • Tìm hiểu nguyên lý cân bằng, nghiên cứu động học, động lực học thiết bị bay dạng quadcopter. • Xây dựng mô hình thực tế. • Tìm hiểu cảm biến và các bộ phận của máy bay bốn cánh. • Tính toán thiết kế mạch điều khiển. • Xây dựng thuật toán điều khiển và phương pháp cân bằng cho robot bay 4 cánh (Quadcopter). • Thi công hoàn thiện và điều khiển được mô hình robot bay 4 cánh Quadcopter. • Linh kiện chính: cảm biến cân bằng L3G4200D, board Arduino UNO, xây dựng mô hình mô phỏng, bộ điều khiển, bộ thu phát sóng RF, động cơ, ESC và một số linh kiện khác. 1.3. NỘi DUNG NGHIÊN CỨU NỘI DUNG 1: Tìm hiểu đề tài mô hình robot bay 4 cánh, các tài liệu liên quan. NỘI DUNG 2: Liệt kê danh sách các linh kiện và tìm hiểu nguyên lý hoạt động của chúng. NỘI DUNG 3: Thiết kế, lắp ráp mô hình robot bay 4 cánh. NỘI DUNG 4: Thiết kế, thi công mạch điều khiển trung tâm cho robot. NỘI DUNG 5: Lập trình cho mạch điều khiển trung tâm và tay cầm. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 2
16. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NỘI DUNG 6: Chạy thử mô hình và cân chỉnh hệ thống. NỘI DUNG 7: Đánh giá kết quả và viết báo cáo. 1.4. GIỚI HẠN Kích thước của robot bay 4 cánh: dài 50cm, rộng 50cm, cao 10cm. Ứng dụng board Arduino thay vì thiết kế mạch điều khiển mới để tiết kiệm thời gian, đồng thời tìm hiểu về một board mới được sử dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực. Thiết kế xây dựng được bộ điều khiển cân bằng cho robot bay 4 cánh bằng giải thuật điều khiển PID. Nhúng giải thuật điều khiển vào mô hình thực nghiệm và đánh giá chất lượng bộ điều khiển. Cân bằng thêm về vị trí trong không gian giúp mô hình bay không bị trôi, điều này sẽ giúp cho mô hình có thể đứng yên tại một điểm trong không gian. 1.5. BỐ CỤC Chương 1. Tổng Quan: Trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nôi dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án. Chương 2. Cơ Sở Lý Thuyết: Trình bày cơ sở lý thuyết về các linh kiện, lý thuyết động học, động lực học, điện tử cơ bản Chương 3. Thiết Kế và Tính Toán: Thiết kế mạch nguyên lý, mạch trung tâm cho robot, và tính toán các thuật toán PID Chương 4. Thi công hệ thống: Lắp ráp phần cứng và xây dựng phần mềm, vẽ lưu đồ giải thuật và hướng dẫn sử dụng. Chương 5. Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá: Trình bày kết quả thực hiện được, nhận xét robot đã hoàn chỉnh hay chưa, cần cải tiến vấn đề nào. Chương 6. Kết Luận và Hướng Phát Triển: Đưa ra kết luận, trình bày hướng phát triển và ứng dụng của robot. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 3
17. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 LÝ THUYẾT BAY, ĐIỀU KHIỂN CỦA QUADCOPTER Quadcopter là thiết bị bay hay mô hình bay không người lái còn gọi là UAVs (Unmanned Aerial Vehicles). Quadcopter gồm 4 động cơ chính và 4 ESC để điều khiển bay. Bốn cánh quạt được gắn trên 4 rotors giúp tạo lực nâng cho phép quadcopter bay lên khi cánh quạt quay theo 1 chiều xác định. Các chế độ bay chung cho các quadcopter hay multi-copter: Bay lên trên (cất cánh). Bay xuống dưới(hạ cánh). Bay sang phải (rẽ phải). Bay sang trái (rẽ trái). Bay về phía trước. Bay về phía sau. Bay theo một số hướng khác tùy ý. Để quadcopter có thể bay lên ta tăng đều tốc độ quay của 4 động cơ nhằm tăng lực nâng của chúng theo phương thẳng đứng (trục Z), như vậy để hạ cánh ta chỉ cần giảm điều tốc độ quay của 4 động cơ nhằm giảm lực nâng theo phương thẳng đứng. Điều khiển bay về phía trước hay về phía sau (Pitch-control) là điều khiển các lực nâng (lực kéo) theo phương dọc (trục X) bằng cách tăng thêm một lượng tốc độ quay vào rotor trải và phải, giảm một lượng ở rotor đuôi hoặc giảm một lượng ở 2 rotor trái và phải, tăng một lượng ở rotor đuôi. Điều khiển bay rẽ trái phải (Roll-control) là điều khiển các lực nâng (lực kéo) theo phương ngang (trục Y) bằng cách tăng thêm một lượng vận tốc quay vào rotor trái và giảm một lượng vào rotor bên phải hoặc tăng rotor phải và giảm rotor trái. Điều khiển quadcopter quay quanh nó chính (Yaw-control) là thay đổi hướng của quadcopter, điều này giúp quadcopter có thể tự xoay quanh trục Z và thay đổi hướng đầu đuôi của quadcopter. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 4
18. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.1: Chiều quay của động cơ. 2.2 ĐỘNG HỌC VÀ PHƯƠNG TRÌNH TOÁN HỌC 2.2.1 Lý thuyết điều khiển quadcopter Cặp cánh trái phải quay ngược chiều kim đồng hồ, cặp cánh trước sau quay cùng chiều kim đồng hồ. Hình 2.2: Chuyển động cơ bản của quadcopter. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 5
19. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.2.2 Lý thuyết chuyển động của quadcopter và mô hình động lực học[3] Nguyên lý hoạt động chính của mô hình này hoạt động dựa trên sự chuyển động của các dòng khí do cánh máy bay tạo ra di chuyển xuống dưới làm vật bay lên trên và sự điều chỉnh vận tốc từng động cơ sẽ làm thay đổi hướng bay của Quadcopter. Để mô tả các chuyển động của một khung cứng 6 bậc tự do cần 2 hệ quy chiếu. E1 hệ quy chiếu quán tính Trái Đất EB hệ quy chiếu khung Quadcopter Sự định hướng Quadcopter được biểu thị bởi 3 góc Euler qua ma trận xoay R (1) 휔 휃 휔푆휃푆∅ − 푆휔 휃 휔푆휃푆∅ + 푆휔 휃 R= ( 푆휔 휃 푆휔 푆휃푆∅ + 휔 ∅ 푆휔푆휃푆∅ − 휔 ∅ ) −푆휃 휃푆∅ 휃 ∅ 2 Lực sinh ra của các động cơ: Fi = b. 휔푖 , i= 1,2,3,4 Khi đó lực nâng cho cả khung máy bay là: 4 4 2 = ∑푖=1|퐹푖| = ∑푖=1 휔푖 (2) Phương trình mô tả gia tốc Quadcopter: ̈ 0 0 ̈ = ( ̈) = 𝑔. (0) - R (0) (3) ̈ 1 1 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 6
20. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.3: Mô hình momen quay. Phương trình quan hệ giữa ma trận quán tính IR = (Ix,Iy,Iz), moment quay M và moment quay hồi chuyển MG: I.Ω̈ = -(Ω̈ . Ω̇ ) – MG + M (4) Ta có momen quay hồi chuyển phụ thuốc vào các yếu tố vận tốc xoay với u1= T, u2,u3,u4 và vận tốc góc 휔푖 máy bay sẽ được g(u) = 휔1 + 휔2 + 휔3 + 휔4 (5) Kết hợp (5) với (3) và (4) ta có phương trình động lực học: (6) ̈= -(cos ∅ sin휃cos휓 + sin∅sin휓). 1 ̈= -(cos ∅ sin휃cos휓 - sin∅cos휓). 1 ̈= g – (cos ∅ cos휃). 1 ̈ − 푍 푅 ̇ 퐿 ∅= 휃̇휓̇ ( ) − ∅𝑔( ) + 2 ̇ − 푅 ̇ 퐿 휃̈ = ∅휓̇ ( ) − ∅𝑔( ) + 3 ̇ − 1 휓̈ = ∅휃̇ ( ) + 4 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 7
21. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.4: Hệ quy chiếu A và B với chiều dài l và tổng moment quay. 2.2.3 Mô hình tính toán khí động lực học Việc tính toán khí động học mô tả các tác động khi quay của cánh quạt trong 2 không khí. Với các thông số: (N) là lực đẩy của cánh quạt, hướng lên, S( ) là 3 diện tích của quạt, 휌푠(kg/ ) là mật độ không khí. Ta có phương trình của lực đẩy: 2 = 2휌푆푣1 (N) (7) Do lực đẩy = 푊 = (trọng lực được mang bởi một cánh quạt): 푃 4 Vận tốc dòng khí cho mỗi cánh quạt: 1 = √(푊푃)/(2푆휌푠) (m/s) (8) 2.2.4 Tính toán các thông số chế tạo Tổng khối lượng 1.2kg, kích thước 620x620x250mm mật độ không khí trong điều kiện ở 25 độ C và áp suất không khí tại mặt đất khoảng 1atm: 휌 = 1.249 𝑔⁄ 3 2 S = ( )= 0.1252=0,049 2 4 Ta tính được tổng lực nâng: 2 ′ = 4 = 4푊푃 = 4.2휌푆푣1 = 𝑔 = 1.2 9.8 = 11.76( ) Suy ra = √( ′ )/(2푆휌 ) = √(11.76)/(2 1,249 0,049) = 9.8 ( ) 1 푠 푠 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 8
22. S K L 0 0 2 1 5 4