Khóa luận Thiết kế và thi công máy bay giám sát ba cánh quạt truyền phát dữ liệu về máy tính (Phần 1)

133 trang phuongnguyen 170

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Khóa luận Thiết kế và thi công máy bay giám sát ba cánh quạt truyền phát dữ liệu về máy tính (Phần 1)", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

khoa_luan_thiet_ke_va_thi_cong_may_bay_giam_sat_ba_canh_quat.pdf

Nội dung text: Khóa luận Thiết kế và thi công máy bay giám sát ba cánh quạt truyền phát dữ liệu về máy tính (Phần 1)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY BAY GIÁM SÁT BA CÁNH QUẠT TRUYỀN PHÁT DỮ LIỆU VỀ MÁY TÍNH GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM SVTH: NGUYỄN NGỌC QUỐC DUY MSSV: 11142214 SVTH: NGUYỄN QUỐC ĐẠT MSSV: 11141363 S K L 0 0 3 8 8 6 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2015
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUÂ T TH NH PHỐ HỒ CH MINH KHOA Đ O TẠO CHẤT LƯ N CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY BAY GIÁM SÁT BA CÁNH QUẠT TRUYỀN PHÁT DỮ LIỆU VỀ MÁY TÍNH SVTH : N UYỄN N ỌC QUỐC DUY MSSV : 11142214 SVTH : N UYỄN QUỐC ĐẠT MSSV : 11141363 Khoá : 11 Nga nh : CNKT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔN GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM Tp. Hồ Minh, tháng 7 năm 2015
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Tp. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 7 năm 2015 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: NGUYỄN NGỌC QUỐC DUY MSSV: 11142214 Họ và tên sinh viên: NGUYỄN QUỐC ĐẠT MSSV: 11141363 Ngành: CNKT- Điện tử truyền thông Lớp: 11141CLDT1 Giảng viên hƣớng dẫn: TS. NGUYỄN MINH TÂM ĐT: Nga y nhận đề tài: 03/03/2015 Ngày nộp đề tài: 27/07/2015 1. Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY BAY GIÁM SÁT BA CÁNH QUẠT TRUYỀN PHÁT DỮ LIỆU VỀ MÁY TÍNH 2. Các số liệu, tài liệu ban đâ u: - Các kiến thức về lập trình arduino cơ bản, lập trình C, C#. - Kiến thức về hoạt động và điều khiển các module liên quan. 3. Nội dung thực hiện đề tài: - Thiết kế thi công mô hình bay cho máy bay ba cánh quạt. - Thực hiện giải thuật điều khiển, truyền nhận song RF để điều khiển cho máy bay hoạt động ( cất cánh, tự cân bằng và điều khiển theo ý muốn của ngƣời điều khiển) - Thực hiện phần cứng và phần mềm khối thu thập và truyền dữ liệu về máy tính. 4. Sản phẩm: Thiết kế và thi công thành công máy bay ba cánh quạt có thể điều khiển bằng song RF và thu thập dữ liệu truyền về máy tính. TRƢỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN Trang i
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc PHIÊ U NH N XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN Họ và tên sinh viên: NGUYỄN NGỌC QUỐC DUY MSSV:11142214 Họ và tên sinh viên: NGUYỄN QUỐC ĐẠT MSSV:11141363 Ngành: CNKT Điện tử - Truyền thông Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY BAY GIÁM SÁT BA CÁNH QUẠT TRUYỀN PHÁT DỮ LIỆU VỀ MÁY TÍNH Họ và tên giáo viên hƣớng dẫn: TS. NGUYỄN MÌNH TÂM NH N XÉT 1. Về nội dung đề tài và khối lƣợng thực hiện: 2. Ƣu điểm: 3. Khuyết điểm: 4. Đề nghị cho bảo vệ hay không? 5. Đánh giá loại: 6. Điểm: (Bằng chữ: ) Trang ii
Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2015 Giáo viên hƣớng dẫn (Ký & Ghi rõ họ tên) Trang iii
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc PHIÊ U NH N XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ và tên sinh viên: NGUYỄN NGỌC QUỐC DUY MSSV: 11142214 Họ và tên sinh viên: NGUYỄN QUỐC ĐẠT MSSV: 11141363 Ngành: CNKT Điện tử - Truyền thông Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY BAY GIÁM SÁT BA CÁNH QUẠT TRUYỀN PHÁT DỮ LIỆU VỀ MÁY TÍNH Họ và tên giáo viên phản biện : NH N XÉT 1. Về nội dung đề tài và khối lƣợng thực hiện: 2. Ƣu điểm: 3. Khuyết điểm: 4. Đề nghị cho bảo vệ hay không? 5. Đánh giá loại: 6. Điểm: (Bằng chữ: ) Trang iv
Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2015 Giáo viên phản biện (Ký & Ghi rõ họ tên) Trang v
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: NGUYỄN NGỌC QUỐC DUY Lớp: 11141CLDT1 MSSV : 11142214 Họ tên sinh viên 2: NGUYỄN QUỐC ĐẠT Lớp: 11141CLDT1 MSSV : 11141363 Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY BAY GIÁM SÁT BA CÁNH QUẠT TRUYỀN PHÁT DỮ LIỆU VỀ MÁY TÍNH Xác nhận Tuần/ngày Nội dung GVHD Thầy trƣởng ngành họp mặt sinh viên đủ điều kiện làm đồ án tốt nghiệp, phổ biến quy chế và phân công giáo Tuần 1 viên hƣớng dẫn. Cho thời gian hạn nộp tên đề tài về khoa. Chọn đề tài phù hợp với khả năng của nhóm, sau đó Tuần 2 gặp giáo viên hƣớng dẫn để thảo luận về tài thực hiện. Sau khi quyết định chọn đề tài, sinh viên nghiên cứu Tuần 3 các hƣớng thực hiện đề tài, cũng nhƣ tham khảo các nguồn tài liệu liên quan đến đề tài thực hiện. Trang vi
Sinh viên báo cáo về các tài liệu tìm đƣợc và hiểu biết sơ về đề tài cũng nhƣ các yêu cầu cần thực hiện đối với đề tài cho giáo viên, từ đó tham khảo ý kiến giáo viên về các công việc và quy trình cần thực hiện đối với đề Tuần 4 tài đã chọn. Giáo viên giao nhiệm vụ tiếp theo: tìm kiếm thêm tài liệu, từ đó tìm hiểu nguyên lý bay và cách điều khiển cân bằng. Sinh viên nghiên cứu các nhiệm vụ mà giáo viên giao cho, qua đó rút ra các thắc mắc, vấn đề cần giải quyết. Sinh viên báo cáo tình hình nghiên cứu với giáo viên và Tuần 5 cùng trao đổi để giải quyết các vấn đề phát sinh. Giáo viên hƣớng dẫn đọc hiểu và phân tích tài liệu (một số tài liệu tiếng anh) cùng với trao đổi kiến thức trên các diễn đàn để tìm ra các cách giải quyết tối ƣu nhất. Sinh viên báo cáo tiến độ với giao viên hƣớng dẫn. Sinh viên và giáo viên thảo luận về các linh kiện cần Tuần 6 dùng cho đề tài, tìm hiểu các dòng vi điều khiển và lựu chọn vi điều khiển sẽ sử dụng (lựa chọn board Arduino). Sinh viên nghiên cứu sơ lƣợt cách sử dụng Board điều khiển. Tuần 7 Tìm hiểu sơ bộ về các cảm biến giúp cho việc cân bằng bay Trang vii
Giáo viên giao nhiệm vụ mới: nghiên cứu đọc cảm biến và chuyển đổi về góc cần dùng (Yaw, pitch, roll). Nghiên cứu và đƣa ra một mô hình khung cơ bản cho máy bay, và tiến hành mua các thiết bị còn lại (động Tuần 8,9 cơ, esc, ). Nghiên cứu sử dụng và kiểm tra hoạt động của thiết bị. Tiến hành cho khởi động thử mô hình khi chƣa lắp cảm biến. Sinh viên hoàn thiện phần đọc cảm biến, xây dựng 1 Tuần 10 mô hình khung mới hoàn chỉnh. Sinh viên nghiên cứu giải thuật điều khiển, động lực học. Áp dụng giải thuật vào điều khiển cân bằng cho Tuần 11 một góc (góc roll) và đồng thời nghiên cứu RF. Bắt tay vào việc xây dựng cuốn báo cáo và nộp đề cƣơng chi tiết cho thầy trƣởng ngành theo lịch hẹn. Giáo viên hƣớng dẫn hổ trợ sinh viên trong phần giải quyết bài toán cân bằng cho mô hình bằng PID. Lắp đặt các thiết bị cần thiết và tiến hành viết code cho Tuần 12,13,14 máy bay. Xây dựng tay điều khiển bằng RF. Tiến hành viết báo cáo theo đề cƣơng chi tiết đã định sẵn. Trang viii
Sinh viên tập trung vào việc cân bằng cho toàn mô hình, tiến hành lấy kết quả thực nghiệm và cho bay thử Tuần 15,16 (có dây an toàn). Tiếp tục viết báo cáo. Hoàn thiện, chỉnh sửa cuốn báo cáo. Tuần 17,18 Tiếp tục chỉnh sửa để hoàn thiện mô hình. GV HƢỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ tên) TS Nguyễn Minh Tâm Trang ix
LỜI CẢM ƠN  Đề tài “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY BAY GIÁM SÁT BA CÁNH QUẠT TRUYỀN PHÁT DỮ LIỆU VỀ MÁY TÍNH” là một đề tài mới mẽ và khó với sinh viên chuyên ngành điện tử công nghiệp, đề tài yêu cầu sinh viên có kiến thức cơ bản về cơ khí, khí động học, động lực học và các kiến thức chuyên môn về điện tử, tuy nhiên với sự nổ lực và quyết tâm thì sau một khoảng thời gian ngắn nhóm cũng đã hoàn thành xong đề tài. Kết quả đạt đƣợc tuy chƣa thực sự trọn vẹn hoàn hảo nhƣng có thể coi là một thành công của cả nhóm. Với một khối lƣợng công việc phải hoàn thành lớn thì cần yêu cầu một sự cố gắng không nhỏ từ bản thân mỗi thành viên của nhóm nhƣng sự cố gắng không thì không thể mang lại hẳn một kết quả nhƣ vậy trong một khoảng thời gian ngắn cho phép. Chính vì thế nhóm đã phải trao dồi, học hỏi thêm các kiến thức mới để bổ sung vào lƣợng kiến thức đã đƣợc đào tạo ở trƣờng để có thể thực hiện đề tài nhƣ mong muốn. Do là sinh viên của ngành điện tử công nghiệp nên các kiến thức liên quan đến tự động cân bằng cũng nhƣ các giải thuật điều khiển không đƣợc tốt. Vì vậy, đối với nhóm, vai trò của giáo viên hƣớng dẫn là vô cùng quan trọng, là một giáo viên chuyên ngành điện tự động, thầy Nguyễn Minh Tâm đã rất tận tình chỉ bảo nhóm về những kiến thức còn hạn chế, những yêu cầu để có thể hoàn thành đƣợc đề tài. Song song đó, thầy còn cùng nhóm nghiên cứu đƣa ra các giải pháp, các hƣớng hợp lý để giải quyết các vấn đề phát sinh trong lúc thực hiện. Trong quá trình thực hiện đề tài, không ít lần nhóm đã phát sinh mâu thuẫn, những ý kiến trái chiều nhau, điều này thực sự ảnh hƣởng rất lớn đến thời gian cũng nhƣ chất lƣợng của đề tài. Và chính thầy đã là ngƣời đứng ra giải quyết các vấn đề riêng đó một cách đầy tinh tế và tình cảm, đem lại cho cả nhóm niềm tin lẫn nhau để có thể tiếp tục. Không chỉ dừng lại ở đó, chính thầy là ngƣời vực dậy tinh thần của nhóm, khuyến khích động viên trong lúc nhóm nản chí sau những lần thất bại để từ đó hoàn thành tốt nhiệm vụ của đề tài. Nhóm chúng em xin vô cùng cảm ơn thầy Nguyễn Minh Tâm. Kiến thức không chỉ ngày một ngày hai hay có thể truyền đạt từ một ngƣời duy nhất. Trong xuyên suốt bốn năm học tại ngôi trƣờng này đã giúp chúng em có thể tích lũy một lƣợng kiến thức nhất định, nó không chỉ giup chúng em có một nền tản vững chắc khi ra trƣờng và còn là một hành trang không nhỏ trên con đƣờng đời phía trƣớc. Vì vậy, chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa đã tận tình giảng dạy, mang hết tấm lòng và tri thức có đƣợc để truyền dạy cho chúng em, giúp chúng em một phần không nhỏ để hoàn thành đề tài này. Trang x
Bản thân còn là sinh viên nên khi thực hiện đề tài, kinh phí là điều mà nhóm còn nhiều trăn trở. Với đề tài này thì chi phí để có thể hoàn thiện đề tài cũng khá lớn, không những thế vì lần đầu tiên tiếp xúc với các thiết bị còn lạ lẵm, và với nên kinh nghiệm chƣa có, vì vậy sự hƣ hỏng thiết bị là không thể tránh khỏi, đây là lý dó làm chi phí phát sinh tăng thêm. Nhƣng nhờ sự động viên, ủng hộ kinh phí từ gia đình đã giúp nhóm vƣợt qua. Chính vì vậy, nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, đã tin tƣởng quan tâm lo lắng và hổ trợ hết mình cho nhóm thực hiện tốt đề tài. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 7 năm 2015 Nhóm thực hiện Nguyễn Ngọc Quốc Duy – Nguyễn Quốc Đạt Trang xi
MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i PHIÊ U NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN ii PHIÊ U NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iv LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP vi LỜI CẢM ƠN x DANH MỤC CÁC TỪ VI T TẮT xvii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xviii DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIÊ U ĐỒ xix Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1 1.1. Giới thiệu tình hình nghiên cứu hiện nay 1 1.2. Tính cấp thiết của đề tài 1 1.3. Mục tiêu nghiên cứu 2 1.4. Nhiệm vụ nghiên cứu 2 1.5. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 2 1.6. Phƣơng ph áp Nghiên cứu 2 1.7. Bố cục của Đồ án 2 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUY T 4 2.1. Nguyên lý điều khiển bay và phƣơng trình động lực học 4 2.2. Phƣơng trình toán cân bằng tri-rotor 6 2.3. Sơ lƣợc về thiết bị đo quán tính IMU sensor 10 2.3.1. Giới thiệu về IMU 10 2.3.2. Gia tốc kế (Accelerometer) 11 2.3.2.1. Giới thiệu 11 2.3.2.2. Xử lý tín hiệu từ Gia tốc kế (Accelerometer) 13 2.3.3. Con quay hồi chuyển 14 2.3.3.1. Giới thiệu 14 2.3.3.1.1. Gyro cơ 15 2.3.3.1.2. Gyro quang (Optical gyro) 16 2.3.3.1.3. Gyro rung (Vibrating gyro) 19 2.3.3.2. Xử lý tín hiệu từ con quay hồi chuyển 20 2.4. Phƣơng pháp tọa độ Quaternion 21 Trang xii
2.4.1. Giới thiệu sơ lƣợc về cách sử dụng Quaternion trong phép quay 21 2.4.2. Phƣơng pháp tọa độ Quaternion ứng dụng trong đề tài 22 2.5. Bộ điều kiển PID (Proportional Integral Derivative) 24 2.5.1. Giới thiệu bộ điều khiển PID 24 2.5.2.1. Khâu tỉ lệ 25 2.5.2.2. Khâu tích phân 27 2.5.2.3. Khâu vi phân 28 2.5.3. Phƣơng pháp dò hệ số PID 29 CHƢƠNG 3: GIỚI THIỆU LINH KIỆN VÀ MODULE 32 3.1. Động cơ DC không chuổi than (Brushless DC motor ) 32 3.1.1. Giới thiệu 32 3.1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 34 3.1.2.1. Cấu tạo 34 3.1.2.1. Nguyên lý hoạt động và nguyên lý điều khiển động cơ 36 3.2. Bộ điều khiển tốc độ động cơ ESC 40 3.2.1. Giới thiệu 40 3.2.2. Cấu tạo và cách thức vận hành 40 3.2.2.1. Cấu tạo 40 3.2.2.2. Cách thức vận hành 41 3.3. Board Arduino Uno 41 3.3.1. Giới thiệu 41 3.3.2. Cấu tạo và chức năng 43 3.3.2.1. Cấu tạo 43 3.3.2.2. Chức năng 44 3.4. Arduino Nano 44 3.4.1. Giới thiệu: 44 3.4.2. Cấu tạo và chức năng 46 3.4.2.1. Cấu tạo 46 3.4.2.2. Chức năng 46 3.5. Arduino Mega 2560 R3 47 3.5.1. Giới thiệu 47 3.5.2. Cấu tạo và chức năng 48 3.5.2.1. Cấu tạo 48 Trang xiii
3.5.2.2. Chức năng 50 3.6. Mô đun IMU DOF-10 gy-86 51 3.6.1. Giới thiệu 51 3.6.2. Cấu tạo 52 3.6.2.2. Cảm biến gia tốc và góc quay MPU6050 52 3.6.2.2. Cảm biến từ trƣờng HMC5883 53 3.6.2.3. Cảm biến độ cao MS5611 54 3.7. Động cơ servo 55 3.7.1. Giới thiệu 55 3.7.2. Cấu tạo 56 3.7.3. Cách thức hoạt động và phƣơng pháp điều khiển 57 3.7.3.1. Cách thức hoạt động 57 3.7.3.2. Phƣơng pháp điều khiển 58 3.8. Module truyền/ nhận sóng radio nRF24L01 59 3.8.1. Giới thiệu 59 3.8.2. Đặc tính và hoạt động 59 3.8.2.1. Đặc tính 59 3.8.2.2. Hoạt động 61 3.8.2.2.1. Cấu hình địa chỉ truyền nhận 61 3.8.2.2.2. Khung truyền dữ liệu 61 3.8.2.2.3. Kênh truyền và địa chỉ nhận 61 3.8.2.2.4. Cấu hình tốc độ truyền công suất phát 62 3.8.2.2.5. Mã CRC, truyền nhận 62 3.8.2.2.6. Cách gửi dữ liệu 63 3.8.2.2.7. Cách nhận dữ liệu 63 3.9. Module Wifi CC3000 64 3.9.1. Giới thiệu 64 3.9.2. Đặc tính và hoạt động 64 3.9.2.1. Đặc tính 64 3.9.2.2. Hoạt động 66 3.10. Cảm biến nhiệt độ, áp suất BMP180 66 3.10.1. Giới thiệu 66 3.10.2. Hoạt động 67 Trang xiv
3.10.3. Ứng dụng 69 3.11. Pin Lipo 69 3.11.1. Giới thiệu 69 3.11.2. Lựa chọn Pin phù hợp 70 3.11.2.1. Dung lƣợng pin 70 3.11.2.1. Cách lựa chọn Pin 70 Chƣơng 4: THI T K MÔ HÌNH BAY VÀ XÂY DỰNG PHẦN MỀM VÀ GIẢI THUẬT PID 73 4.1. Xây dựng phần cứng 73 4.1.1. Xây dựng khung máy bay 73 4.1.1.1. Ý tƣởng và thực nghiệm 73 4.1.1.2. Giải pháp 73 4.1.2. Sơ đồ khối phần cứng máy bay 75 4.1.3. Sơ đồ mạch điều khiển và tay cầm 76 4.1.3.1. Mạch điều khiển 76 4.1.3.2 Sơ đồ mạch tay cầm 79 4.1.4 Sơ đồ mạch in mạch điều khiển và tay cầm 81 4.1.4.1 Mạch điều khiển 81 4.1.4.2. Mạch tay cầm điều khiển 81 4.1.5. Lắp đặt phần cứng tricopter 82 4.2. Thiết kế phần mềm 83 4.2.1. Giới thiệu phần mềm lập trình C# (micosoft visual studio) 83 4.2.2 Xây dựng phần mềm C# giao tiếp với board arduino, hiệu chỉnh hệ số 83 4.3. Xây dựng phần mềm hiển thị dữ liệu trên webrowser với intelliJ IDEA 84 4.4. Xây dựng giải thuật điều khiển PD cho máy bay 86 4.4. Lƣu đồ giải thuật chƣơng trình arduino uno R3 điều khiển máy bay 88 CHƢƠNG 5: TỔNG HỢP, PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ K T QUẢ THỰC TIỄN 92 5.1. Kết quả giả của giải thuật PD theo theo các phƣơng X,Y,Z 92 5.1.1. Kết quả cân cân bằng góc pitch 92 5.1.2. Kết quả cân bằng theo góc roll 94 5.1.3. Kết quả cân bằng theo góc yaw 95 5.2. Kết quả thử nghiệm điều khiển bay thực tế 95 5.3. Kết quả quá trình truyền dữ liệu từ tricopter về máy tính thông qua websever Trang xv
95 5.4. Đánh giá kết quả thu đƣợc 96 6.2. Ƣu điểm và hạn chế 97 6.3. Kết luận 97 6.4. Hƣớng phát triển 98 T I LIỆU THAM KHẢO 99 PHỤ LỤC 100 Trang xvi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT T T UAVs: Unmanned Aerial Vehicles IMU: Inertial Measurement Unit MEMS: Micro Electromechanical Systems RLG: Ring Laser Gyro DMP: Digital Motion Processor PID: Proportional Integral Derivative BLDC: Brushles DC Motor BEMF: Back ElectroMagnetic Field phulses ESC: Electric Speed Control USB: Universal Serial Bus PWM: Pulse-Width Modulation UART:Universal Asynchronous Receiver/Transmitter DOF: Degree Of Freedom ADC: Anolog to Digital Converter DSP: Digital Motion Processor AMR: Anisotropic Magneto-Resistive RC: Radio-Controlled PGA: Programmable Gain Amplifier SCK: Serial Clock MISO: Master Input Slave Output MOSI: Master Ouput Slave Input SS: Slave Select Lipo: Lithium Polymer Trang xvii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 - Các phƣơng pháp điều chỉnh hệ số PID .30 Bảng 2.2 - Tác động của việc tăng một thông số độc lập trong phƣơng pháp điều chỉnh thủ công 31 Bảng 3.1 - Một số BLDC khác thƣờng đƣợc sử dụng trong các máy bay mô hình.33 Bảng 3.2 - Bảng trạng thái mạch điều khiển BLDC đơn giản .38 Bảng 3.3 – Một vài thông số Arduino Uno 42 Bảng 3.4 – Các thông số Arduino Nano 45 Bảng 3.5 – Các thông số Arduino Mega 2560 .48 Bảng 3.6 – 4 cổng serial trên Arduino Mega 2560 50 Bảng 3.7 – 6 ngắt ngoài trên Arduino Mega 2560 50 Bảng 3.8 - Bảng các giá trị cấu hình tốc độ phát 63 Bảng 3.9 - Mã CRC truyền nhận 63 Bảng 3.10 – 11 word của EPROM 70 Trang xviii
DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIÊ U ĐỒ Hình 2.1 – Điều khiển bay lên, hạ xuống của tricopter . 4 Hình 2.2 – Điều khiển bay rẽ trái phải (Rol-control) của tricopter . 5 Hình 2.3 – Điều khiển bay về phía trước hay về phía sau (Pitch-control) của tricopter . 5 Hình 2.4 - Điều khiển tricopter quay quanh nó chính (Yaw-control) của tricopter 6 Hình 2.5 – Cấu trúc của một UAV Tri-rotor với các trục và góc điều khiển 7 H nh 2 6 - C c góc aw itch và o trong h thống đ nh v qu n tính .11 H nh 2 7 - Cấu tạo gia tốc con c 12 Hình 2.8 - Tính toán góc góc nghiêng (tilt) từ accelerometer 13 Hình 2.9 - Mô hình cấu tạo con quay hồi chuyển 14 Hình 2.10 - Hình ảnh một gyro cơ 15 H nh 2 11 - Cấu tạo của gyro v ng aser 17 H nh 2 12 - Gyro v ng aser th c t 18 H nh 2 13 - C c thành ph n cơ ản của Gyro c p quang 19 H nh 2 14 - Gyro c p quang th c t 19 Hình 2.15 – Ví dụ về phép quay một góc 1200 quanh trục v = i + j 22 Hình 2.16 – Sơ đồ khối PID 25 Hình 2.17 – Đồ th đ p ứng theo 3 giá tr Kp ( Ki và Kd là hằng số) 26 Hình 2.18 - Đồ th đ p ứng theo 3 giá tr Ki ( Kp và Kd là hằng số). 28 Hình 2.19 - Đồ th đ p ứng theo 3 giá tr Kd ( Kp và Ki là hằng số) 29 Hình 3.1 - Động cơ SunnyS y 2212-13 kv980 32 Hình 3.2 – Cấu tạo của Động cơ DC hông chổi than 35 Hình 3.3 - Cấu tạo của Stator động cơ 35 Hình 3.4 – S phân chia các c c trong rotor động cơ 36 Hình 3.5 – Ha sensor được g n trên Stator của BLDC 36 Hình 3.6 – Sơ đồ nguyên lý mạch l c. ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 36 Hình 3.7 – ESC Simon Series 20A sử dụng trong đề tài 40 Hình 3.8 – Sơ đồ mạch ESC 41 Hình 3.9 – Hình ảnh board Arduino Uno 42 Hình 3.10 – Cấu tạo ngoài của Arduino Uno 43 Trang xix
Hình 3.11 – Hình ảnh th c t của Arduino nano 45 Hình 3.12 – Cấu tạo ngoài của Arduino Nano 46 Hình 3.13 – Các ứng dụng ti n lợi mang tính nhỏ gọn của Arduino Nano .47 Hình 3.14 - Hình ảnh th c t của board Arduino Mega 2560 47 Hình 3.15 – Cấu tạo Arduino Mega2560 . 49 Hình 3.16 - Máy in 3D Makerbot - Hình 3.17 – o ot xe điều khiển 51 Hình 3.18- IMU 10 bậc t do (10 DOF) DOF-10 gy-86 .52 Hình 3.19 – Sơ đồ tổng quát MPU6050 53 Hình 3.20 - Sơ đồ tổng quát HCM5883 54 Hình 3.21– Sơ đồ tổng quát của MS5611 55 Hình 3.22 - Động cơ Servo Tower ro MG996 56 Hình 3.23- Cấu tạo động cơ Servo 57 Hình 3.24 – Giản đồ xung kích Servo 58 Hình 3.25 - Module truyền/ nhận sóng radio nRF24L01 59 Hình 3.26 – Sơ đồ khối tổng quát của nRF24L01 60 Hình 3.27 - Module Wifi CC3000 64 Hình 3.28 – Sơ đồ khối tổng qu t CC3000 và cơ ch lien k t giữa Slave và Host MCU 65 Hình 3.29 - Cảm bi n nhi t độ, áp suất BMP180 67 Hình 3.31 – Một số loại Pin lipo 70 Hình 4.1 - Khung máy bay HJ550 74 Hình 4.2 – Sơ đồ ph n cứng máy bay 75 Hình 4.3 – Sơ đồ khối tr c quan ph n cứng máy bay 77 Hinh 4.3 - Giao ti p module RF + MPU6050 + bi n trở điều tốc ESC 77 Hình 4.5 - Giao ti p với các ESC và cấp nguồn cho c c oard điều khiển 77 Hình 4.6 - Giao ti p với board arduino R3 78 Hình 4.7 - Giao ti p với board arduino mega 256 78 Hình 4.8 - Board cảm bi n giao ti p với arduino mega256 79 Hình 4.9 - Giao ti p với module RF với arduino dumelivo (atmega328) và bi n trở chỉnh ga và led báo hi u nhận tín hi u từ nút nhấn. 80 Hình 4.10 - Các nút nhấn điều khiển máy bay 80 Hình 4.11 - Top coper mạch điều khiển 81 Hình 4.12 - Bottom face mạch điều khiển 81 Trang xx
Hình 4.13 - Bottom face mạch tay c m Hình 4.14 - Top face mạch tay c m 81 Hình 4.15 - G n các thi t b ph n cứng của tricopter lên khung 83 Hình 4.16- Ph n cứng xử lý trung tâm trên tricopter 83 Hình 4.17 – Mạch tay c m điều khiển . 84 Hình 4.18 - Giao di n ph n mềm C# dùng để dò h số PID 84 Hình 4.19 - Ph n mềm intellil IDEA 85 Hình 4.20 - Giao di n ph n mềm thu thập dữ li u trên Webrowser 85 Hình 4.21 - Sơ đồ bộ điều khiển PD tricopter 86 Hình 4.22 - Lưu đồ điều khiển tổng quát tricopter 88 Hình 4.23 - Lưu đồ quá trình kiểm tra k t nối với tay c m điều khiển 90 Hình 4.24 - Lưu đồ quá trình t động đ p và cân ằng 90 Hình 5.1- Góc pitch khi không sử dụng bộ điều khiển PID 92 Hình 5.2 - Góc pitch khi sử dụng bộ điều khiển với kp=0.8 92 Hình 5.3- Góc pitch với kp=1 và kd =0 93 Hình 5.4 - Góc pitch với kp =0.8 và kd =1.2 93 Hình 5.5 - Góc pitch với h số kd = 1.5 và kd = 5.2 94 Hình 5.6 - Góc roll với h số kp = 1.53 và kd = 4.2 94 Hình 5.7 - Góc yaw với kp = 0.66 và kd = 2.37 956 Hình 5.8 - Dữ li u được cập nhật về giao di n chương tr nh trên we rowser cốc cốc .97 Trang xxi
Đồ án tốt nghiệp Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu tình hình nghiên cứu hiện nay Trong cuộc sống hiện nay với sự phát triển không ngừng và vô cùng mạnh mẽ của các ngành công nghiệp điện tử thì con ngƣời có xu hƣớng tự động hóa công việc, thay thế con ngƣời bằng các robot tự động. Điều này đã đƣợc kiểm chứng bằng việc ngày càng nhiều robot đƣợc nghiên cứu phát triển ra đời, hổ trợ đắc lực cho con ngƣời trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đòi hỏi sự tỉ mỉ, khéo léo cũng nhƣ khả năng hoạt động linh hoạt ở những điều kiện khắc nghiệt mà bản thân con ngƣời không thể làm việc. Đặc biệt trong lĩnh vực công nghiệp, việc thay thế con ngƣời bằng robot đóng vai trò vô cùng quan trọng, nó giúp nền công nghiệp ngày càng phát triển với năng suất cao và chất lƣợng tốt. Chính sự phát triển mạnh mẽ này đã giúp con ngƣời chinh phục đƣợc bầu trời và vũ trụ với sự phát triển của các thiết bị có thể bay đƣợc trên không. Ngày nay trong các lĩnh vực dân dụng, quân sự hay khoa học vũ trụ con ngƣời dần thay thế các phƣơng tiện bay có ngƣời lái bằng các thiết bị bay không ngƣời lái với các tính năng ƣu việc nhƣ có thể hoạt động một cách tự động, có thể hoạt động thay con ngƣời ở nhƣng nơi nguy hiểm mà con ngƣời không thể đặt chân tới, chúng có thể giúp con ngƣời làm các công việc nhƣ giám sát núi lửa, cháy rừng, giám sát an ninh khu vực, trong hoạt động sản xuất nông nghiệp có thể sử dụng để phun thuốc trừ sâu hại Và các thiệt bị bay không ngƣời lái này cũng đƣợc xem là một loại vũ khí đặc biệt mà trong quân đội đã và đang đƣợc các nƣớc chế tạo, đƣa vào sử dụng với mục đích chính là thăm dò, do thăm tình hình hay vẽ bản đồ 1.2. T nh c p thi t của ề t i Đề tài “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY BAY GIÁM SÁT BA CÁNH QUAT TRUYỀN PHÁT DỮ LIỆU VỀ MÁY TÍNH” là một đề tài mới mẽ với sinh viên nghành kỹ thuật điện – điện tử, đề tài yêu cầu sinh viên có kiến thức cơ bản về cơ khí, khí động học, động lực học và các kiến thức chuyên môn về điện tử nhƣ lập trình vi xử lý, điều khiển động cơ, truyền nhận sóng radio, đọc hiểu và sử dụng cảm biến, truyền và nhận dữ liệu thông tin qua wifi Vì vậy, đề tài sẽ cho chúng ta hiểu hơn kiến thức về nguyên lý bay của mô hình máy bay 3 cánh cũng nhƣ một số mô hình bay liên quan về khả năng hoạt động, cách lập trình bay, một số cơ sở lý thuyết cũng nhƣ cách điều khiển bay, cách truyền nhận dữ liệu từ máy bay gửi về thông qua module cảm biến đƣợc gắn trên máy bay. Trang 1
Đồ án tốt nghiệp Điểm mới mẻ của đề tài là khả năng ghi nhận dữ liệu và truyền dữ liệu trực tiếp về laptop thông qua wifi, chính nhờ khả năng này mà việc giám sát, khả năng ứng dụng của đề tài sẽ cao hơn rất nhiều trong đời sống hiện tại 1.3. Mục tiêu nghiên cứu  Xây dựng một mô hình cơ khí hoàn chỉnh cho mô hình bay 3 cánh.  Tìm hiểu cảm biến cũng nhƣ các bộ phận của máy bay 3 cánh.  Tìm hiểu nguyên lý bay và giữ thăng bằng của mô hình bay 3 cánh.  Nghiên cứu và ứng dụng board Arduino vào điêu khiển máy bay, truyền phát dữ liệu cần thiết.  Thiết kế bộ điều khiển cho máy bay giúp mô hình có thể cất cánh, tự giữ thăng bằng và điều khiển bay theo ý ngƣời dùng trên không theo 3 trục x, y, z.  Thiết kế bộ truyền phát dữ liệu từ cảm biến về laptop thông qua wife. 1.4. Nhiệm vụ nghiên cứu  Nguyên lý bay của mô hình máy bay 3 cánh về khả năng cân bằng, khả năng hoạt động bay.  Nghiên cứu cách điều khiển, cách lập trình cho máy bay hoạt động, góp phần đƣa ra mạch phần cứng phù hợp và tối ƣu nhất.  Một số cơ sở lý thuyết về cách truyền nhận dữ liệu từ máy bay gửi về thông qua module wifi đƣợc gắn trên máy bay. 1.5. Đối tƣợng v phạm vi nghiên cứu - Đối tƣợng chính là mô hình bay 3 cánh tricopter. - Các đối tƣợng liên quan: Board Arduino Uno, Board Arduino Mega2560, Board Arduino Nano, cảm biến MPU 6050, bộ thu phát RF, moduel wifi CC3000, cảm biến BMP180 và một vài đối tƣợng khác. 1.6. Phƣơng ph p Nghiên cứu Nguyên cứu dựa trên các tài liệu tìm kiếm đƣợc và các nghiên cứu có sẵn của một số sinh viên hay các nhà nghiên cứu trong và ngoài nƣớc. Ứng dụng các thiết bị có sẳn để thiết kế một mô hình bay nhƣ động cơ, thiết bị điều tốc cho động cơ (ESC) , board vi xử lý tích hợp, board mạch cảm biến. 1.7. Bố cục của Đồ n  Chƣơng 1 Tổng quan: Giới thiệu tình hình nghiên cứu hiện nay, tính cấp thiết khi thực hiện đề tài, mục tiêu nghiên cứu của đề tài cũng nhƣ nêu lên nhiệm vụ nghiên cứu, đồi tƣợng và phạm vi nghiên cứu, phƣơng pháp nghiên cứu đề tài. Trang 2
Đồ án tốt nghiệp  Chƣơng 2 Cơ sở lý thuyết: trình bày nguyên lý bay, một số phƣơng trình động học và toán học liên quan. Nêu một số cơ sở lý thuyết cơ bản nhƣ lý thuyết về góc và xác định góc, vấn đề liên quan đến cảm biến gyro và accelerometer.  Chƣơng 3: Giới thiệu linh kiện: giới thiệu một số linh kiện liên quan cũng nhƣ lý thuyết liên quan tới nhƣ là động cơ, esc, pin  Chƣơng 4 : Giải thuật điều khiển: nói về lý thuyết bộ điều khiển PID, nêu lên mô hình giải thuật điều khiển và xây dựng lƣu đồ giải thuật  Chƣơng 5: Xây dựng mô hình và kết quả thực nghiệm: Xây dựng phần cứng, phần mềm và kết quả thực nghiệm. Bao gồm: Sơ đồ khối hệ thống, chức năng từng khối và hoạt động. Đề xuất các phƣơng án lựa chọn mạch (mô đun) cho mỗi khối Thiết kế tính toán (xây dựng) phần cứng cho mỗi khối. Lƣu đồ giải thuật, giao diện phần mềm C#, phần mềm lập trình và các kết quả thực nghiệm đồ thị.  Chƣơng 6 Kết luận và hƣớng phát triển: những kết quả đả đạt đƣợc, những hạn chế của đề tài, kết luận chung sau khi hoàn thành đề tài và các hƣớng phát triển cho đề tài. PHỤ LỤC Trang 3
Đồ án tốt nghiệp CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Nguyên lý iều khiển bay v phƣơng trình ộng lực học Tricopter là một mô hình bay hay thiết bị bay không ngƣời lái còn gọi là UAVs (Unmanned Aerial Vehicles). Tricopter có cấu tạo chính bao gồm bộ xử lý trung tâm, 3 động cơ đƣợc gắn cánh quạt nằm đối xứng cách nhau 1200 trong không gian phẳng Bộ xử lý trung tâm sẽ nhận tín hiệu từ tay cầm để điều khiển 3 động cơ, trong đó có hai động cơ chính và một động cơ đặc biệt ở phần đuôi để thực hiện nhiệm vụ điều khiển bay. Nguyên lý điều khiển bay của tricopter chính xác là điều khiển tốc độ quay của ba cánh quạt gắn trên động cơ, chính lực nâng của ba cánh quạt sẽ giúp máy bay hoạt động theo ý muốn:  Điều khiển bay lên, hạ xuống: Để tricopter có thể bay lên ta tăng lực nâng hay lực kéo của chúng theo một phƣơng thẳng đứng (phƣơng theo trục Z) bằng cách tăng đều tốc độ quay của 3 cánh quạt, nhƣ vậy việc giảm đều tốc độ quay của 3 cánh quạt sẽ làm giảm lực nâng theo trục Z làm cho tricopter bay xuống dƣới (hạ cánh). Hình 2.1 – Điều khiển bay lên, hạ xuống của tricopter  Điều khiển bay rẽ trái phải (Roll-control): Là điều khiển các lực nâng (lực kéo) theo phƣơng ngang (trục Y ) bằng cách tăng thêm một lƣợng vận tốc Trang 4
Đồ án tốt nghiệp quay vào rotor trái và giảm một lƣợng vào rotor bên phải hoặc tăng rotor phải và giảm rotor trái. Hình 2.2 – Điều khiển bay rẽ trái phải (Roll-control) của tricopter  Điều khiển bay về phía trƣớc hay về phía sau (Pitch-control): Là điều khiển các lực nâng (lực kéo) theo phƣơng dọc (trục X) bằng cách tăng thêm một lƣợng tốc độ quay vào rotor trải và phải, giảm một lƣợng ở rotor đuôi hoặc giảm một lƣợng ở 2 rotor trái và phải, tăng một lƣợng ở rotor đuôi. Hình 2.3 – Điều hiển ay về phía trước hay về phía sau ( itch-contro ) của tricopter Trang 5
Đồ án tốt nghiệp  Điều khiển tricopter quay quanh nó chính (Yaw-control): Là thay đổi hƣớng của tricopter, điều này giúp tricopter có thể tự xoay quanh trục Z và thay đổi hƣớng đầu đuôi của tricopter, điều khiển này bằng cách thay đổi góc quay của rotor đƣợc gắng ở đuôi (servo motor), việc thay đổi góc quay của servo sẽ làm thay đổi phƣơng của lực của rotor đuôi và tạo ra momen xoắn quay quanh trục Z (trọng tâm của tricopter) làm cho tricopter tự quay quanh chính trục của nó, chiều quay của nó sẽ phụ thuộc vào chiều quay của rotor đuôi và góc nghiêng của servo. Hình 2.4 - Điều khiển tricopter quay quanh nó chính (Yaw-control) của tricopter 2.2. Phƣơng trình to n cân bằng tri-rotor Trang 6
Đồ án tốt nghiệp Hình 2.5 – Cấu trúc của một UAV Tri-rotor với c c trục và góc điều hiển Hình trên cho thấy cấu trúc của một UAV tri-rotor với những khung sƣờn và các trục tham chiếu. Trong đó rotor 1 và rotor 2 là 2 rotor điều khiển trái phải, rotor 3 là rotor đuôi. Rotor 3 quay tƣơng tự 2 rotor còn lại nhƣng có thể nghiêng một góc µ để điều khiển tricopter quay quanh chính nó, góc nghiêng này đƣợc thực hiện nhờ việc điều chỉnh servo gắn với rotor 3. Ta xét các hệ trục tọa độ x y z với chiều dƣơng của trục x hƣớng về phía trƣớc (rotor 1 và rotor 2), chiều dƣơng của trục y hƣớng về phía phải (rotor 2) và chiều dƣơng của trục z hƣớng xuống dƣới vuông góc với mặt phẳng Oxy. Giả sử vector trọng tâm G đƣợc xác định ngay chính trọng tâm của tricopter và tổng khối lƣợng của tricopter là m thì trọng lực P sẽ trùng với véc tơ trọng tâm G và đƣợc xác định: P = mg. Chiều dƣơng của ba giá trị góc quay bao gồm góc Roll ( ), góc Pitch ( ) và góc Yaw ( ѱ) đƣợc xác định bằng góc quay ngƣợc chiều kim đồng hồ xung quanh các trục tọa độ z, y và z tƣơng ứng. Góc nghiêng µ chính là góc hợp bởi hai trục y và z. Lưu ý: điểm O đƣợc đặt tại trọng tâm của tricopter, nhƣ trên hình vẽ thì trục tọa độ Oxyz đƣợc dịch một khoảng l2 và ngƣợc chiều trục X. Mô hình động lực học của tricopter xây dựng dựa trên công thức toán học Newton-Euler với 6 bậc tự do ( DOF) và 4 ngõ vào: trong đó 3 ngõ vào là tốc độ của 3 cánh quạt gắn trên động cơ và ngõ vào còn lại là góc nghiêng µ. Phƣơng trình Trang 7
Đồ án tốt nghiệp chuyển động phi tuyến của các UAVs thông thƣờng cũng đƣợc sử dụng đối với tricopter. Các phƣơng trình động học chung của các UAVs: Phương trình lực: Fx = m( ̇ - rv + qω) + mgSinθ (2.1) Fy = m( ̇+ ru + pω) – mgSin Φ Cosθ Fz = m( ̇ + pv – qr) – mgCos Φ Cosθ Phương trình momen L = Iyy ̇ – qr(Iyy – Izz) – Ixxpq (2.2) 2 2 M = Iyy ̇ – pr(Izz – Ixx) – Ixz(r – p ) N = Izz ̇ – pq(Ixx – Iyy) - Ixzqr Phương trình động học ̇ = p + qSinϕTanθ + rCosϕTanθ ̇ = qCosϕ – rSinϕ (2.3) ̇ = (qSinϕ + rCosϕ)/Cosθ Phương trình chuyển động quay – ̈ = ̇ = qr( ) – ̈ = ̇ = pr( ) (2.4) – ̈ = ̇ = pq( ) Trong đó: FX, FY, FZ : Lực theo các phƣơng x,y,z. L,M,N : Momen theo các phƣơng x,y,z. u, v, ω : Vận tốc tịnh tiến theo các phƣơng x, y, z p, q, r : Vận tốc góc quanh các trục x, y, z Φ, θ, : Góc quay quanh các trục (Roll, Pitch, Yaw) IXX , IYY , IZZ : Quán tính quay. Phương trình lực của tricopter (trạng thái lơ lững lý tưởng) : ⃗⃗⃗ [ ] (2.5) Trang 8
Đồ án tốt nghiệp ⃗⃗⃗⃗ [ ] (2.6) Với: fi = ki. , τi = kt. Trong đó: µ là góc nghiêng của rotor 3. f1, f2, f3 : các lực của rotor. τ1, τ2, τ3 : các momen rotor. Ωi là tốc độ quay của các rotor tƣơng ứng. Từ các công thức trên ta có thể xác định cách điều khiển tricopte cân bằng ở trạng thái lơ lững trên không cũng nhƣ di chuyển theo ý muốn. Giã sử các rotor là giống nhau và các hệ số lý tƣởng.  Muốn cho tricopter ở trạng thái lơ lững cân bằng thì ta cần xác định các lực tác động và momen theo các phƣơng x, y, z. Khi tricopter ở trạng thái cân bằng thì ta có: = 0; ⃗⃗ = 0; Tức là lực tác động theo các phƣơng x, y, z bằng 0 và momen quay theo các phƣơng x, y, z bằng 0.  Muốn tricopter di chuyển theo các trục x, y, z thì ta phải thay đổi lực và momen tác động theo các trục x, y, z bằng cách thay đổi vận tốc quay của các cánh quạt và thay đổi góc nghiêng của động cơ servo đuôi từ đó tricopter sẽ di chuyển theo nguyên tắc đã đƣợc nêu ở phần trên. Khi rotor quay (kèm theo cánh quạt quay) thì nó sẽ tạo ra một lực nâng kéo lên trên theo phƣơng z và đồng thời cũng sinh ra một momen quay quanh trọng tâm của nó. Lực nâng theo phƣơng z giúp cho tricopter có thể bay lên trên không theo phƣơng thẳng đứng (|Fz |>mg, Fx=Fy=0). Lực Fx, Fy làm cho tricopter di chuyển theo phƣơng x, y. Momen quay quanh trục z làm tricopter quay quanh chính nó và làm thay đổi góc yaw. Momen quay quanh trục x,y làm tricopter quay theo các trục x, y chính là thay đổi góc roll, pitch. Giả sử các thông số về động cơ và cánh quạt cũng nhƣ các yếu tố nhiễu tác động từ bên ngoài coi nhƣ là lý tƣởng thì thì khi vận tốc quay của các rotor là nhƣ nhau sẽ làm Fx, Fy = 0, Fz ≠ 0 giúp tricopter bay lên theo phƣơng thẳng đứng. Thay đổi tốc độ quay của rotor 3 hoặc rotor 2 làm thay đổi Fx ,Fy đồng thời momen quay quanh các trục x,y thay đổi và khác 0 làm cho tricopter quay theo các trục x, y sinh Trang 9
Đồ án tốt nghiệp ra các góc roll, pitch. Ở trạng thái cân bằng lý tƣởng momen do rotor 2 và rotor 1 sinh ra ngƣợc chiều nhau và có giá trị bằng nhau (M = F.l) vậy nên chúng sẽ triệt tiêu lẩn nhau, chiều quay của rotor 3 có thể thuận chiều hoặc ngƣợc chiều kim đồng hồ khi đó momen quay do rotor 3 sinh ra sẽ khác 0 và làm cho tricopter tự quay quanh trục z (α = 0). Nhƣ vậy, để tricopter cân bằng theo trục z tức nó không tự động quay thì Mz = 0 , khi đó rotor 3 (rotor đuôi) cần nghiêng một góc µ và ngƣợc chiều với chiều quay của momen, 1 thành phần Fy nhỏ do rotor 3 sinh ra sẽ triệt tiêu momen quay. Vì lý do chƣa xác định đƣợc các hệ số ki, kt của các rotor nên không thể xác định cụ thể các lực F và M. Vậy nên việc xác định góc nghiêng α sẽ đƣợc thực hiện o bằng thực nghiệm (µ ~ 4 ). Góc µ phụ thuộc vào rotor và chiều dài l3. 2.3. Sơ lƣợc về thi t bị o qu n t nh IMU sensor 2.3.1. Giới thiệu về IMU IMU ( Inertial Measurement Unit) là một thiết bị điện tử đo và xác định các giá trị vận tốc, phƣơng hƣớng, gia tốc trọng trƣờng của một phƣơng tiện chuyển động trong không gian ba chiều. IMU sử dụng kết hợp các cảm biến gia tốc (acclerometers), con quay hồi chuyển (gyroscopes) và đôi khi có thêm từ trƣờng (magnetometers), GPS. Ngày nay, IMU là một thiết bị không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực nhƣ máy bay, tên lửa, tàu thủy, ô tô, robot công nghiệp, mô phỏng chuyển động của con ngƣời Chính vì thị trƣờng IMU trên thế giới rất lớn nên đã có nhiều công ty tham gia nghiên cứu chế tạo IMU với nhiều mức chất lƣợng và phạm vi ứng dụng khác nhau. IMU là thành phần chính của hệ thống định vị quán tính INS đƣợc sử dụng trong hầu hết các máy bay, tàu thủy, tàu ngầm, phi thuyền vũ trụ, các phƣơng tiện vận chuyển đƣờng bộ cũng nhƣ là trong robot tự hành. Các dữ liệu thu thập đƣợc từ các cảm biến trong IMU cho phép máy tính có thể xác định vị trí của phƣơng tiện chuyển động, sử dụng phƣơng pháp tính toán đƣợc biết đến dƣới tên gọi dead- reckoning. IMU hoạt động bằng cách xác định giá trị hiện tại của gia tốc khi sử dụng một hoặc nhiều cảm biến gia tốc. Nó cũng phát hiện những thay đổi của các góc quay nhƣ Roll, Pitch và Yaw sử dụng một hoặc nhiều cảm biến gyro. Trong hệ thống định vị, các dữ liệu đo đƣợc từ cảm biến sẽ đƣợc đƣa vào máy tính để tính toán và cho ra vị trí hiện tại dựa trên vận tốc và thời gian. Trang 10
Đồ án tốt nghiệp H nh 2.6 - C c góc aw itch và o trong h thống đ nh v qu n tính Nhƣợc điểm cơ bản nhất của IMU trong việc định vị đó là chúng thƣờng bị lỗi tích lũy. Bởi vì hệ thống dẫn đƣờng liên tục thêm vào những thay đổi đƣợc phát hiện vào vị trí đã đƣợc tính toán trƣớc đó, bất kì một sai số nào trong quá trình đo lƣờng, dù là nhỏ, cũng sẽ đƣợc tích lũy dần dần. Điều này dẫn đến việc trôi các đại lƣợng tính toán, hoặc một sự thay đổi khác biệt ngày càng tăng giữa giá trị vị trị mà hệ thống tính toán và giá trị thực tế của thiết bị. IMU thƣờng chỉ là một thành phần của hệ thống định vị. Các hệ thống khác sẽ đƣợc sử dụng để làm chính xác các giá trị sai lệch mà IMU mắc phải trong quá trình chuyển động của thiết bị, điển hình nhƣ hệ thống định vị GPS, cảm biến lực trọng trƣờng, cảm biến vận tốc bên ngoài (đề bù sự trôi vận tốc), hệ thống đo khí áp để hiệu chỉnh chính xác giá trị cao độ, và một cảm biến la bàn điện tử giúp xác định từ trƣờng. Cấu trúc của IMU thông thƣờng bao gồm một khối với 3 cảm biến gia tốc và 3 cảm biến gyro. Các cảm biến gia tốc đƣợc đặt sao cho các trục đo của chúng trực giao với nhau. Chúng đo gia tốc quán tính, điển hình là gia tốc trọng trƣờng. Các cảm biến gyro cũng đƣợc đặt trong hệ trực giao tƣơng tự, đo vị trí góc quay có tham chiếu đến những hệ thống phối hợp đã đƣợc chọn. Một đơn vị đo lƣờng quán tính có thể đƣợc tạo nên bởi nhiều cảm biến khác nhau nhằm đem lại độ chính xác cao cho việc định vị. Tuy nhiên, một đơn vị đo lƣờng quán tính cơ bản sẽ bao gồm cảm biến gia tốc ( accellerometer) và cảm biến gyro nhƣ đã trình bày ở trên và có thể có cảm biến từ trƣờng( magnetometer). 2.3.2. Gia tốc k (Accelerometer) 2.3.2.1. Giới thiệu Trang 11
Đồ án tốt nghiệp Gia tốc là đại lƣợng vật lý đặc trƣng cho sự thay đổi của vận tốc theo thời gian. Gia tốc là đại lƣợng cơ bản dùng để mô tả chuyển động. Giống nhƣ vận tốc thì gia tốc là đại lƣợng hữu hƣớng (vector). Một gia tốc kế (Accelerometer) sử dụng quán tính của 1 vật để đo sự thay đổi giữa gia tốc động học trong không gian quán tính so với gia tốc trọng trƣờng. Gia tốc kế cho phép ta biết khi nào thiết bị đƣợc di chuyển khỏi vị trí ban đầu cũng nhƣ di chuyển nhƣ thế nào nhờ vào việc ghi nhận sự thay đổi của gia tốc theo cả phƣơng và chiều. nhƣ chúng ta biết thì đơn vị của gia tốc là m/s2. Tuy nhiên đối với các hệ thống đo lƣờng quán tính thì cảm biến gia tốc kế thƣờng có đơn vị là g (g = 9.8 m/s2 là gia tốc trọng trƣờng). Nhƣ vậy việc đo gia tốc chính là đo sự thay đổi giữa gia tốc động học trong không gian quán tính so với gia tốc trọng trƣờng Gia tốc kế dạng con lắc có cấu tạo khá giống nhƣ gyro rung, gồm 1 vật nặng (proof mass) đƣợc treo bởi 1 lò xo. Vật nặng có thể chuyển động dọc theo lò xo. Con lắc đƣợc đặt vào môi trƣờng giảm chấn để hạn chế ảnh hƣởng của rung động. Hình sau minh họa cho cấu tạo 1 gia tốc kế con lắc. H nh 2.7 - Cấu tạo gia tốc con c Nếu nhƣ có 1 gia tốc thì lò xo sẽ biến dạng. Dựa trên độ biến dạng của lò xo mà ta có thể tính đƣợc gia tốc của hệ thống. Đó là nguyên lý hoạt động của gia tốc kế con lắc. Hiện nay, ngƣời ta thƣờng dùng gia tốc kế vòng kín, là một loại gia tốc kế có khả năng làm việc tốt hơn hẳn gia tốc kế dạng con lắc và hầu nhƣ không có thành phần nào di chuyển, nhờ gắn thêm một cuộn dây bên ngoài proof mass. Nguyên lý hoạt động của nó là khi có dịch chuyển nhỏ của proof mass thì sẽ sinh ra 1 dòng Trang 12
Đồ án tốt nghiệp điện trong cuộn dây, tạo một lực điện từ theo chiều ngƣợc lại để khử đi chuyển động. Do đó, có thể suy ra đƣợc gia tốc chuyển động của hệ thống bằng cách đo dòng điện chạy trong cuộn dây. Với sự phát triển của công nghệ MEMS (microelectromechanical systems) thì các loại gia tốc kế đƣợc sản xuất hàng loạt với giá thành thấp và chất lƣợng khá tốt. 2.3.2.2. Xử lý t n hiệu từ Gia tốc k (Accelerometer) Hình 2.8 - Tính to n góc góc nghiêng (ti t) từ acce erometer  Tử accelerometer ta có thể xác định đƣợc góc nghiêng của hệ thống bằng cách xác định góc Roll và Pitch.  Trong hệ tọa độ tƣơng đối XbYbZb , ta có các giá trị trong trƣờng hợp cảm biến đặt vuông góc với phƣơng của trọng lực nhƣ sau: Xb = Yb =0 và Zb = 1 g ; Nhƣng trong hệ trục tọa độ tuyệt đối ta sẽ đo đƣợc các giá trị là Ax, Ay , Az, các giá trị này đã đƣợc chuẩn hóa ( normalize). Ax cos cos  cos  cos  sin  0 A cos sin sin cos  sin cos  cos sin  sin sin cos  sin 0 y cos sin cos sin sin sin  cos sin cos sin cos  cos 1 Az (2.7) Từ đây ta có thể suy ra là :  Góc Roll = = Arcsin(Ay / cos )  Góc Pitch = =Arcsin(-Ax) Trang 13
Đồ án tốt nghiệp Lưu ý: các Ax, Ay, Az đã đƣợc chuẩn hóa, tức phải thỏa: √ 2.3.3. Con quay hồi chuyển 2.3.3.1. Giới thiệu Thuật ngữ gyroscope tức con quay hồi chuyển xuất hiện từ giữa thế kỉ XIX, và trong những thập niên gần đây nó đƣợc sử dụng rộng rãi và đƣợc thay thế trên toàn cầu với từ gyro. Đây là một thiết bị đo đạt hoặc di trì phƣơng hƣớng, dựa trên các nguyên tắc bảo toàn mô men động lƣợng.Những lý thuyết ban đầu về con quay hồi chuyển đƣợc áp dụng để giải thích về chuyển động của một vật thể quay nhƣ Trái đất. Và dần dần gyro đã đƣợc phát triển và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, và đặc biệt là trong hệ thống định vị quán tính INS. Con quay hồi chuyển có nhiều loại, và chúng cơ bản đều dựa trên con quay hồi chuyển cơ học. Đó là một bánh xe hay đĩa quay với các trục quay tự do theo mọi hƣớng. Khi bánh xe quay nó sẽ làm thay đổi mô men xoắn và điều này làm thay đổi phƣơng hƣớng từ đó con quay hồi chuyển có thể xác định đƣợc hƣớng quay. Hình 2.9 - Mô h nh cấu tạo con quay hồi chuyển Có thể chia gyro thành 3 loại với nguyên lý hoạt động, cấu tạo và khả năng ứng dụng khác nhau nhƣ sau: gyro cơ, gyro quang, và gyro điện. Khởi đầu trong sự phát triển là gyro cơ, hoạt động dựa trên nguyên lý con quay hồi chuyển truyền thống. Gyro cơ đƣợc sử dụng nhiều trong hệ thống gimbaled INS. Sau đó là sự ra đời của gyro quang học, và gần đây nhất là sự phát triển của các loại gyro điện ứng dụng bởi công nghệ vi cơ điện tử MEMS (micro-electromechanical systems), gyro quang Trang 14
Đồ án tốt nghiệp và gyro điện ứng dụng nhiều trong strap down INS. 2.3.3.1.1. Gyro cơ Gyro cơ ( hay thƣờng gọi bằng thuật ngữ rotating wheel) hoạt động dựa trên nguyên lý bảo toàn moment của một vật thể chuyển động quay khi tổng các lực tác dụng lên vật triệt tiêu. Cấu tạo cơ bản của một gyro cơ gồm có một đĩa kim loại hình tròn đƣợc treo lơ lửng bằng một sợi dây đàn hồi trong một bộ khung. Đĩa kim loại đƣợc truyền chuyển động quay bằng cách tác động lên sợi dây dàn hồi treo dọc theo trục của bánh xe. Hình 2.10 – Hình ảnh một gyro cơ Khi chuyển động quay thì Gọi A là moment quay của đĩa gyro, I là moment quán tính của đĩa đối với trục quay, w là vận tốc quay của đĩa quanh trục. Dựa trên nguyên lý bảo toàn moment ta có: ii Ar I r. w ir Đối với cấu tạo dạng đĩa tròn ta có thể tính đƣợc moment quán tính của đĩa trong hệ tọa độ đặt tại tâm đĩa và các trục quanh tƣơng ứng với các trục quay của gimbal. Lƣu ý là trong cấu tạo của gyro cơ, trọng tâm của đĩa xoay phải trùng với trọng tâm của hệ gyro gimbal: Irx 00 II 0 0 r ry 00I rz (2.8) Trong quá trình hoạt động, nếu nhƣ trạng thái của hệ thống thay đổi, thì các gimbal có thể chuyển động quay quanh trục, nhƣng mà đĩa gyro vẫn giữ nguyên Trang 15
Đồ án tốt nghiệp phƣơng hƣớng của trục quay, và giữ trạng thái ổn định trong không gian quán tính. Còn góc quay của các gimbal có thể đo đƣợc bằng các thiết bị đo góc gắn liền với trục quay của gimbal, các thiết bị này đƣợc gọi bằng thuật ngữ pickoff. Số lƣợng gimbal trong cấu tạo của gyro quy định số bậc tự do chuyển động quay của gyro. Ví dụ nhƣ gyro có hai bậc tự do thì có cấu tạo gồm có hai gimbal. Nếu trục quay của một gyro hai bậc tự do là thẳng đứng thì nó đƣợc gọi là gyro thẳng đứng (vertical gyro), còn nếu nhƣ trục quay nằm trong mặt phẳng nằm ngang thì gọi là gyro định hƣớng (directional gyro), còn một gyro có trục quay không theo một phƣơng cụ thể nào thì gọi là gyro tự do (free gyro). Sự ổn định trong không gian ba chiều đòi hỏi một gyro thẳng đứng và một gyro định hƣớng, hoặc là hai gyro tự do. Một loại gyro cơ có tầm ứng dụng rộng rãi là gyro một bậc tự do, tức là cấu tạo chỉ gồm một gimbal quay quanh trục mà thôi, loại gyro này thƣờng đƣợc gọi là intergrating rate gyro. Gyro cơ là loại gyro truyền thống, có độ chính xác cao, và đƣợc ứng dụng nhiều trong hệ thống dẫn đƣờng của tên lửa hay tàu ngầm. Gyro cơ có chức năng chủ yếu là ổn định phƣơng hƣớng chuyển động của hệ thống thống. Gyro cơ chủ yếu đƣợc sử dụng trong hệ gimbaled INS bởi vì kết cấu cơ khí rất phù hợp. Hầu hết các hệ thống INS đều sử dụng kết hợp ba cảm biến gyro loại rate intergrating một bậc tự do để ổn định phƣơng hƣớng trong không gian. 2.3.3.1.2. Gyro quang (Optical gyro) Nguyên lý hoạt động của gyro quang dựa trên hiệu ứng Sagnac,đƣợc nhà vật lý học ngƣời Pháp Georges Sagnac tìm ra năm 1913, là hiệu ứng giao thoa ánh sáng tƣơng quan với vận tốc quay. Hiệu ứng Sagnac đƣợc đo bởi một vòng đo giao thoa. Một luồng sáng đƣợc tách ra thành hai và cho lan truyền trên cùng một quỹ đạo với hai chiều trái ngƣợc nhau, và quỹ đạo đó là một vòng kín, đồng thời cũng là một thiết bị đo giao thoa, gọi là dụng cụ đo giao thoa vòng (ring interferometer). Thiết bị này đƣợc gắn lên một giá đỡ có thể quay đƣợc. Khi giá đỡ quay thì vòng giao thoa sẽ bị dịch chuyển, dẫn đến vân giao thoa thu đƣợc trên màng quan sát sẽ bị dịch chuyển, và độ dịch chuyển của vân tùy thuộc vào độ dịch chuyển hay góc quay của giá đỡ. Cấu tạo của gyro cơ là hết sức phức tạp và gồm nhiều bộ phận chuyển động, còn gyro quang thì có cấu tạo đơn giản hơn và hầu nhƣ không có bộ phận nào chuyển động. Có hai loại gyro quang đƣợc phát triển và ứng dụng rộng rãi trong công nghệ dò đƣờng độ chính xác cao, đó là gyro vòng laser và gyro cáp quang.  Gyro vòng laser (RLG-Ring laser gyro): Trang 16
Đồ án tốt nghiệp Con quay laser vòng (Ring Laser Gyroscope- RLG) đƣợc chế tạo lần đầu tiên năm 1963 và bắt đầu đi vào sản xuất thƣơng mại vào cuối những năm 1980. Nó hoạt động cũng dựa trên hiệu ứng Sagnac nhƣ con quay sợi quang học, trong đó 2 tia laser cùng bƣớc sóng và đồng pha đi qua một hệ thống gƣơng phản xạ theo 2 chiều ngƣợc nhau và lấy ra ở gƣơng bán phản xạ. Nhƣng ở đây thay vì cho giao thoa tia ra và đo sự khác biệt trong vân giao thoa nhƣ IFOG, ngƣời ta đo sự chênh lệch tần số của 2 tia laser (nhƣ trong RFOG). Có điều này là do khi RLG quay, tia đi theo chiều quay sẽ có quãng đƣờng dài hơn nên tần số thấp hơn, tia đi ngƣợc chiều quay có quãng đƣờng ngắn hơn nên tần số cao hơn. Đo sự khác biệt này sẽ tính ra đƣợc tốc độ quay. Một gyro vòng laser cơ bản có cấu tạo là một rãnh kín có dạng hình học (thƣờng là ba, bốn, hay sáu cạnh) đƣợc khoan bên trong một khối thủy tinh. Các rãnh này là đƣờng chuyển động của một hỗn hợp khí, nhƣ là helium và neon. Các phân tử khí chuyển động phát ra ánh sáng khi bị kích thích bởi điện trƣờng trong rãnh kín. Chùm sáng đƣợc tách đôi và chuyển động theo hai hƣớng ngƣợc chiều nhau trong rãnh kín, một chùm sáng chuyển động theo chiều kim đồng hồ và chùm sáng còn lại chuyển động ngƣợc chiều kim đồng hồ. Tại trạng thái cân bằng của khối thủy tinh, thì thời gian di chuyển của hai chùm sáng để đi hết quãng đƣờng là một rãnh kín là nhƣ nhau, cho nên hai sóng ánh sáng là cùng pha nhau. Còn nếu nhƣ khối thủy tinh quay đi một góc trong không gian thi thời gian hai chùm sáng đi hết một rãnh kín không còn nhƣ nhau nữa bởi quãng đƣờng đi có sự sai lệch, và sóng ánh sáng cũng bị lệch pha nhau. Nhƣ thế sẽ làm dịch chuyển vân giao thoa trên thiết bị quan sát. H nh 2.11 - Cấu tạo của gyro v ng aser Trang 17
Đồ án tốt nghiệp H nh 2.12 - Gyro v ng aser th c t Con quay laser vòng có độ chính xác cao do không có bộ phận chuyển động, nó đƣợc sử dụng phổ biến hơn con quay sợi quang học - mà chủ yếu là trong máy bay, nhƣ máy bay ném bom B-2, Su-30MKI, trong tên lửa nhƣ Trident I-II, Agni III.  Gyro cáp quang (Fiber optic gyro) : Mặc dù sự phát triển của gyro vòng laser là rất thành công, nhƣng với những nghiên cứu trong lĩnh vực cáp quang đã tạo động lực cho những thiết kế cho gyro cáp quang. Ánh sáng đƣợc truyền trong sợi cáp quang đƣợc quấn thành cuộn, và chiều dài tối đa có thể lên đến 5km, chiều dài của sợi cáp quang dài hay ngắn sẽ thay đổi độ nhạy của gyro cáp quang. Thông thƣờng gyro cáp quang có kích thƣớc nhỏ, nhẹ và công suất bé. Ngoài cuộn dây cáp quang thì gyro cáp quang còn có những thành phần cơ bản sau: một nguồn sáng, một bộ phân cực ánh sáng, một bộ chia đôi luồng sáng, một bộ chỉnh pha ánh sáng và một cảm biến quang để phát hiện ánh sáng. Nguyên lý hoạt động của gyro cáp quang hoàn toàn tƣơng tự nhƣ gyro vòng laser, ánh sáng sau khi đƣợc phân cực và đƣợc tách làm hai sẽ lan truyền theo hai hƣớng ngƣợc nhau trong cuộn cáp quang. Bộ phân cực đảm bảo cho cả hai luồng sáng phải đƣợc phân cực đồng đều để cho tốc độ lan truyền bằng nhau. Tại vị trí cân bằng, gyro không quay thì không có tín hiệu gì ở cảm biến quang bởi vì hai chùm sáng là ngƣợc pha nên triệt tiêu nhau. Nếu gyro quay một góc thì hai chùm sáng lệch pha kết hợp sẽ tạo nên một chùm sáng kết hợp, cƣờng độ chùm sáng kết hợp đƣợc cảm biến quang chuyển thành điện áp tƣơng ứng. Điện áp càng cao nếu nhƣ góc quay càng lớn. Trang 18
Đồ án tốt nghiệp H nh 2.13 - C c thành ph n cơ ản của Gyro c p quang  Gyro cáp quang có đặc tính vƣợt trội so với gyro vòng laser ở chỗ nó có thể cho phép ta đo với nhiều độ nhạy khác nhau tùy theo ứng dụng bởi chiều dài cuộn cáp quang có thể thay thế đƣợc. Và cùng với kích thƣớc nhỏ gọn nên gyro cáp quang đƣợc ứng dụng ngày càng rộng rãi trong các hệ thống định vị và dò đƣờng. H nh 2.14 - Gyro c p quang th c t 2.3.3.1.3. Gyro rung (Vibrating gyro) Với giá thành thấp hơn hẳn so với các loại gyro khác, gyro rung đƣợc ứng dụng nhiều trong lĩnh vực dân dụng giới. Gyro rung chủ yếu đƣợc dùng để đo góc heading của xe trong lúc di chuyển, và gyro rung chỉ đóng vai trò hỗ trợ cho GPS, hệ thống định vị chính của các loại xe này. Công nghệ chế tạo các vi cơ cấu, vi cảm biến và hệ thống vi cơ điện (MEMS- micro electromechanical system) đang phát triển nhanh chóng trên toàn thế giới, và ngày càng đƣợc ứng dụng nhiều để sản xuất ra những thiết bị đo quán tính với sản lƣợng lớn và giá thành hạ. Cảm biến gyro rung vi cơ (micromechanical vibrating Trang 19
Đồ án tốt nghiệp gyro) hay cảm biến đo vận tốc góc có tiềm năng rất lớn trong nhiều ứng dụng nhƣ là những cảm biến cơ sở trong lĩnh vực dò đƣờng và điều khiển. Các cảm biến MEMS thƣờng không có độ chính xác cao và giá thành rất thấp. Tuy nhiên khả năng hoat động của cảm biến có thể đƣợc nâng cấp nhờ các công cụ khác nhƣ các bộ lọc để xử lý tín hiệu. Trong hầu hết các loại gyro rung, thì thành phần cảm biến cơ bản là một cơ cấu gồm một khối đƣợc giữ bằng hai lò xo. Khối ở giữa đƣợc giữ bởi hai lò xo gọi là khối lƣợng chịu lực (proof mass). Proof mass có thể dao động ở một trong hai chế độ, một chế độ khi không có lực coriolis, gọi là chế độ cơ sở còn chế độ còn lại là chế độ thứ cấp khi proof mass dao động trên một hệ thống đang quay và chịu lực coriolis. Thông thƣờng gyro rung hoạt động ở chế độ thứ cấp, bằng cách chuyển đổi áp điện sự dao động của proof mass, ta có thể đo đƣợc vận tốc quay của hệ thống. Vận tốc càng lớn thì điện áp càng cao. Do proof mass đƣợc cấu tạo từ vật liệu áp điện cho nên gyro rung bị ảnh hƣởng rất lớn bởi nhiệt độ. Với công nghệ MEMS, hiện tƣợng này đã đƣợc hạn chế, do đó tính năng của gyro rung càng đƣợc nâng cao. 2.3.3.2. Xử lý t n hiệu từ con quay hồi chuyển Việc tính toán số liệu từ Gyro là khá phức tạp vì nó cho ra dữ liệu là vận tốc góc nên để xác định đƣợc góc quay thì chúng ta phải tích phân theo thời gian. Các phƣơng trình dùng để tính vận tốc thay đồi( vi phân) góc Euler từ Gyro nhƣ sau:  t 0 sin cos x  1 0 cos cos  sin  cos   tcos y cos sin  sin  cos  cos  z  t ( 2.9 ) Với Ψ, θ, Φ lần lƣợt là góc Euler tại thời điểm lấy mẫu trƣớc đó (t-1) . Góc Euler tại thời điểm hiện tại đƣợc xác định nhƣ sau:  t (tt ) ( 1)  (t ) ( t 1) . t t (tt ) ( 1)  t (2.10) Trang 20
Đồ án tốt nghiệp 2.4. Phƣơng ph p tọa ộ Quaternion 2.4.1. Giới thiệu sơ lƣợc về c ch sử dụng Quaternion trong phép quay Do phƣơng pháp biều diễn theo góc Euler sẽ xảy ra hiện tƣợng Gimbla Lock nên ngƣời ta đã nghĩ đến giải pháp không gian 4 chiều, chính là hệ tọa độ Quaternion. Đây là hệ thống số đƣợc phát triển mở rộng từ hệ thống số phức. Nó đƣợc định nghĩa lần đầu tiên bởi nhà toán học ngƣời Ai-len Sir William Rowan Hamilton vào năm 1843, và đƣợc ứng dụng để phân tích không gian 3 chiều. Một Quaternion q đƣợc định nghĩa nhƣ là một số phức có ba thành phần ảo: q = w + ix +jy +kz Các thành phần ảo i, j, k có thể đƣợc coi nhƣ ba vector đơn vị của trục tọa độ x, y, z. Và một quaternion có thể đƣợc viết lại nhƣ sau: q= w + v Trong đó: w là đại lƣợng vô hƣớng chỉ độ lớn v là một vector trong không gian 3 chiều (i, j, k coi nhƣ là 3 vector đơn vị của trục tọa độ oxyz). Quaternion có thể hiểu là một tọa độ không gian 4 chiều và chúng đƣợc ứng dụng trong các phép quay không gian. Ngoài ra ta cũng có thể định nghĩa quaternion nhƣ sau: q [] q q q q T 0 1 2 3 2 2222 q q0 q 1 q 2 q 3 1 Áp dụng vào phép quay không gian. Giả sử bạn có một vector trục quay u 2 2 2 (vector u phải là vector đơn vị, tức ux + uy + uz = 1 ) và góc quay θ (dƣơng khi quay cùng chiều với vector, theo nguyên tắc nắm tay phải) thì chúng ta sẽ có một quaternion quay nhƣ sau: q = cos + usin = cos + (uxi + uyj + uzk) sin Ví dụ: Muốn tạo một phép quay một góc 120 độ (tức 2/3 pi radian) quay trục v = i +j +k. Đầu tiên chúng ta sẽ chuẩn hóa (normalize) vector v thành vector đơn vị u. u ̂ √ √ Và từ đó, chúng ta có quaternion cho phép quay là: q = cos + usin = cos + sin = ( 2.11 ) √ Trang 21
Đồ án tốt nghiệp Để thực hiện phép quay thì phải cần một cái gì đó để quay. Ví dụ, có một điểm P trong không gian có tọa độ ( a, b, c) đƣợc xác định trong không gian bởi vector p = ai + bj +ck thì phép quay điểm P theo q đƣợc định nghĩa là: p’ = qpq-1 Trong đó, p’ là vector tọa độ của điểm P sau khi quay q-1 là nghịch đảo của q. Cụ thể trong trƣờng hợp ví dụ này: q-1 = = cos - usin = Trong trƣờng hợp này, nghịch đảo bằng lƣợng liên hợp, do trị tuyệt đối của quaternion trong phép quay bằng 1. Sau đó, sử dụng phép nhân quartenion, chúng ta sẽ đƣợc kết quả: p’ = qpq-1 = ci + aj + bk Hình 2.15 – Ví dụ về phép quay một góc 1200 quanh trục v = i + j +k Hình trên mô tả phép quay của ví dụ vừa thực hiện. Có thể thấy rằng nếu quay quanh trục v một góc 1200 thì tọa độ (a,b,c) sẽ tráo cho nhau thành (c,a,b). Phù hợp với kết quả của phép nhân quartenion nhƣ lý thuyết trên. 2.4.2. Phƣơng ph p tọa ộ Quaternion ứng dụng trong ề tài Với việc sử dụng phƣơng pháp tọa độ quaternion sẽ giúp ta giải quyết đƣợc hiện tƣợng Gimbal Look nhƣ đả đề cập ở mục trên. Vì thế đây cũng là phƣơng pháp đƣợc ứng dụng trong đề tài tricopter này. Trang 22
Đồ án tốt nghiệp Chúng ta có thể kết hợp quaternion với một chuyển động quay quanh một trục nhƣ sau: q0 cos( / 2) q1 sin(  / 2)cos(x ) q2 sin(  / 2)cos(y ) q sin(  / 2)cos( ) 3 z Trong các công thức trên, là góc quay (giá trị tính bằng radian của góc quay) và cos(x ) , cos( y ) , cos(z ) là các “cosine định hƣớng” của trục quay. Khi đó ma trận quay của chuyển động quay này trong không gian 3 chiều Euclide đƣợc xác định nhƣ sau: Rxyz = [ ] ( 2.12 ) hoặc là: Rxyz = [ ] ( 2.13 ) Các giá trị cảm biến sau khi đƣợc xử lý bằng bộ xử lý DMP (Digital Motion Processor). Các giá trị ta có thể thu đƣợc trong đó có giá trị quaternion. Tuy nhiên dựa vào quaternion ta chƣa thể hình dung các góc mà máy bay đang nghiêng chính là các góc yaw, pitch, roll. Chính vì thế ta cần chuyển đồi từ quaternion sang các góc Euler (yaw, pitch, roll) với công thức nhƣ sau: 2(q . q q . q ) arctan 0 1 2 3 22  1 2(qq12 )  arcsin(2(q0 . q 2 q 1 . q 3 )) (2.14)  2(q . q q . q ) arctan 0 3 1 2 1 2(qq22 ) 23 Do các hàm atan và arcsin chỉ có giá trị trong khoảng [- /2, /2]. Vì thế ta thay các hàm atan thành atan2 để bao gồm tất cả các không gian. Trang 23
Đồ án tốt nghiệp 22  atan 2(2(q0 . q 1 q 2 . q 3 ),1 2( q 1 q 2 ))  arcsin(2(q . q q . q )) Nên (2.14) đƣợc viết lại 0 2 1 3 (2.15) 22  atan 2(2(q0 . q 3 q 1 . q 2 ),1 2( q 2 q 3 )) 2.5. Bộ iều kiển PID (Proportional Integral Derivative) 2.5.1. Giới thiệu bộ iều khiển PID Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ ( bộ điều khiển PID – Proportional Intergral Derivative ) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát đƣợc sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID đƣợc sử dụng phổ biến nhất trong số các bộ điều khiển phản hồi nhƣ điều chỉnh nhiệt độ, tốc độ động cơ, tốc độ dòng chảy, áp suất, Một bộ điều khiển PID tính toán một giá trị “sai số” là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn. Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào. Trong trƣờng hợp không có kiến thức cơ bản về quá trình, bộ điều khiển PID là bộ điều khiển tốt nhất. Tuy nhiên, để đạt đƣợc kêt quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng trong tính toán phải điều chỉnh theo tính chất của hệ thống – trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống. Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôi khi nó còn đƣợc gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết tắt lần lƣợt là P, I và D. Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số. Tổng chập của ba tác động này dùng để điều chỉnh quá trình thông qua một phần tử điều khiển nhƣ vị trí của van điều khiển hay bộ nguồn của phần tử gia nhiệt. Nhờ vậy, những giá trị này có thể làm sáng tỏ về quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ, và D dự đoán các sai số tƣơng lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại. Bằng cách điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuật của bộ điều khiển PID, bộ điều khiển có thể dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt. Đáp ứng của bộ điều khiển có thể đƣợc mô tả dƣới dạng độ nhạy sai số của bộ điều khiển, giá trị mà bộ điều khiển vọt lố điểm đặt và giá trị dao động của hệ thống. Lƣu ý là công dụng của giải thuật PID trong điều khiển không đảm bảo tính tối ƣu hoặc ổn định cho hệ thống. Vài ứng dụng có thể yêu cầu chỉ sử dụng một hoặc hai khâu tùy theo hệ thống. Điều này đạt đƣợc bằng cách thiết đặt đội lợi của các đầu ra không mong muốn về Trang 24
Đồ án tốt nghiệp 0. Một bộ điều khiển PID sẽ đƣợc gọi là bộ điều khiển PI, PD, P hoặc I nếu vắng mặt các tác động bị khuyết. Bộ điều khiển PI khá phổ biến, do đáp ứng vi phân khá nhạy đối với các nhiễu đo lƣờng, trái lại nếu thiếu giá trị tích phân có thể khiến hệ thống không đạt đƣợc giá trị mong muốn. Hình 2.16 – Sơ đồ khối PID Chú ý: Do sự đa dạng của lĩnh vực lý thuyết và ứng dụng điều khiển, nhiều qui ƣớc đặt tên cho các biến có liên quan cùng đƣợc sử dụng. 2.5.2. Lý thuy t iều khiển PID Sơ đồ điều khiển PID đƣợc đặt tên theo ba khâu hiệu chỉnh của nó, tổng của ba khâu này tạo thành bởi các biến điều khiển (MV). Ta có: MV(t) = Pout + Iout + Dout Trong đó Pout, Iout và Dout là các thành phần đầu ra từ ba khâu của bộ điều khiển PID, đƣợc xác định nhƣ dƣới đây. 2.5.2.1. Khâu tỉ lệ Khâu tỉ lệ (đôi khi còn đƣợc gọi là độ lợi ) làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại. Đáp ứng tỉ lệ có thể đƣợc điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với một hằng số Kp, đƣợc gọi là độ lợi tỉ lệ. Thừa số tỉ lệ của đầu ra đƣợc cho bởi: Pout = Kpe(t) Trong đó: Trang 25
Đồ án tốt nghiệp Pout : Thừa số tỉ lệ của đầu ra Kp : Độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh e(t) : Sai số theo thời gian = SP - PV Độ lợi của khâu tỉ lệ lớn là khi thay đổi lớn ở đầu ra mà sai số thay đổi nhỏ. Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định. Ngƣợc lại, độ lợi nhỏ là do đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai số đầu vào lớn, và làm cho bộ điều khiển kém nhạy, hoặc đáp ứng chậm. Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá thấp, thì có thể dẫn tới đáp ứng điều khiển không thỏa mản yêu cầu hệ thống do tác động điều khiển có thể sẽ quá bé khi đáp ứng với các nhiễu của hệ thống. Hình 2.17 – Đồ th đ p ứng theo 3 gi tr Kp ( Ki và Kd à hằng số) Nếu không có nhiễu, điều khiển tỉ lệ thuần túy sẽ không xác lập tại giá trị mong muốn của nó, nhƣng nó vẫn duy trì một ( ộ trƣợt - droop) sai số ổn định trạng thái, là một hàm của độ lợi tỉ lệ và độ lợi quá trình. Đặc biệt, nếu độ lợi quá trình - trong khoảng thời gian dài bị trôi do thiếu điều khiển, nhƣ việc làm mát một lò nung tới nhiệt độ phòng - đƣợc ký hiệu G và giả sử sai số xấp xỉ là hằng số, khi đó droop - độ trƣợt xảy ra khi độ lợi không đổi này bằng thừa số tỉ lệ của đầu ra Pout, với sai số là tuy n tính, G = Kpe do đó e = G/Kp. Khi thừa số tỉ lệ, đẩy vào thông số tới giá trị đặt, đƣợc bù chính xác bởi độ lợi quá trình, nó sẽ kéo thông số ra khỏi giá trị đặt. Nếu độ lợi quá trình giảm, khi làm lạnh, thì trạng thái dừng sẽ nằm dưới điểm đặt, ta gọi là "droop-độ trƣợt". Chỉ các thành phần dịch chuyển (trung bình dài hạn, thành phần tần số không) Trang 26
Đồ án tốt nghiệp của độ lợi quá trình mới tác động tới độ trƣợt-các dao động đều hoặc ngẫu nhiên trên hoặc dƣới thành phần dịch chuyển sẽ bị triệt tiêu. Độ lợi quá trình có thể thay đổi theo thời gian hoặc theo các thay đổi bên ngoài, ví dụ nhƣ nếu nhiệt độ phòng thay đổi, việc làm lạnh sẽ nhanh hơn hoặc chậm hơn. Độ trƣợt tỉ lệ thuận với độ lợi quá trình và tỉ lệ nghịch với độ lợi tỉ lệ, và là một khiếm khuyết không thể tránh đƣợc của điều khiển tỉ lệ thuần túy. Độ trƣợt có thể đƣợc giảm bớt bằng cách thêm một thừa số độ ch (cho điểm đặt trên giá trị mong muốn thực tế), hoặc sửa đổi bằng cách thêm một khâu tích phân (trong bộ điều khiển PI hoặc PID), sẽ tính toán độ lệch thêm vào một cách hữu hiệu. Nhƣng bất chấp độ trƣợt, cả lý thuyết điều chỉnh lẫn thực tế công nghiệp chỉ ra rằng khâu tỉ lệ là cần thiết trong việc tham gia vào quá trình điều khiển. Chú ý: Độ lợi tỉ lệ Kp có giá trị càng lớn thì đáp ứng càng nhanh do đó sai số càng lớn, bù khâu tỉ lệ càng lớn. Một giá trị độ lợi tỉ lệ quá lớn sẽ dấn đến quá trình mất ổn định và dao động. 2.5.2.2. Khâu tích phân Phân phối của khâu tích phân (đôi khi còn gọi là reset) tỉ lệ thuận với cả biên độ sai số lẫn quãng thời gian xảy ra sai số. Đây là khâu tích lũy sai số hay cộng dồn sai số theo thời gian. Tổng sai số tức thời theo thời gian (tích phân sai số) cho ta tích lũy bù đã đƣợc hiệu chỉnh trƣớc đó. Tích lũy sai số sau đó đƣợc nhân với độ lợi tích phân để ngõ ra phù hợp hơn với yêu cầu đáp ứng của từng hệ thống. Ngõ ra của khâu tích phân trên tất cả tác động điều chỉnh đƣợc xác định bởi độ lợi tích phân, Ki. Thừa số tích phân của đầu ra đƣợc cho bởi: I = K out i∫ Trong đó: Iout : thừa số tích phân của đầu ra Ki : độ lợi tích phân, 1 thông số điều chỉnh : sai số theo thời gian. : thời gian hoặc thời gian tức thời (hiện tại) : một biến tích phân trung gian Khâu tích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc chuyển động của quá trình tới điểm đặt và khử số dƣ sai số ổn định với một tỉ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển. Tuy nhiên, vì khâu tích phân là đáp ứng của sai số tích lũy trong quá khứ, nó có thể Trang 27
Đồ án tốt nghiệp khiến giá trị hiện tại vọt lố qua giá trị đặt (ngang qua điểm đặt và tạo ra một độ lệch với các hƣớng khác). Hình 2.18 - Đồ th đ p ứng theo 3 gi tr Ki ( Kp và Kd à hằng số) Chú ý: Độ lợi tích phân Ki có giá trị càng lớn kéo theo sai số ổn định bị khử càng nhanh. Đổi lại là độ vọt lố càng lớn: bất kỳ sai số âm nào đƣợc tích phân trong suốt đáp ứng quá độ phải đƣợc triệt tiêu tích phân bằng sai số dƣơng trƣớc khi tiến tới trạng thái ổn định. 2.5.2.3. Khâu vi phân Tốc độ thay đổi của sai số của quá trình đƣợc tính toán bằng cách xác định độ dốc của sai số theo thời gian (tức là đạo hàm bậc một theo thời gian) và nhân tốc độ này với độ lợi tỉ lệ Kd sẽ tạo thành khâu vi phân. Biên độ của phân phối khâu vi phân (đôi khi đƣợc gọi là tốc độ) trên tất cả các hành vi điều khiển đƣợc giới hạn bởi độ lợi vi phân, Kd . Thừa số vi phân của ngõ ra đƣợc cho bởi: D = K out d Trong đó Dout : Thừa số vi phân của ngõ ra Kd : Độ lợi vi phân, một thông số điều chỉnh : Sai số theo thời gian. Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc tính này Trang 28
Đồ án tốt nghiệp là đáng chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển. Từ đó, điều khiển vi phân đƣợc sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố đƣợc tạo ra bởi thành phần tích phân và tăng cƣờng độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp. Tuy nhiên, phép vi phân của một tín hiệu sẽ khuếch đại nhiễu và do đó khâu này sẽ nhạy hơn đối với nhiễu trong sai số, và có thể khiến quá trình trở nên không ổn định nếu nhiễu và độ lợi vi phân đủ lớn. Do đó một xấp xỉ của bộ vi sai với băng thông giới hạn thƣờng đƣợc sử dụng hơn. Chẳng hạn nhƣ mạch bù sớm pha. Hình 2.19 - Đồ th đ p ứng theo 3 gi tr Kd ( Kp và Ki à hằng số) Chú ý: Độ lợi vi phân Kd có giá trị càng lớn càng giảm độ vọt lố, nhƣng lại làm chậm đáp ứng quá độ và có thể dẫn đến mất ổn định do khuếch đại nhiễu tín hiệu trong phép vi phân sai số. 2.5.3. Phƣơng ph p dò hệ số PID Có nhiều phƣơng pháp khác nhau để điều chỉnh vòng lặp PID để có thể tìm ra các hệ số Kp , Ki , Kd phù hợp. Lựa chọn phƣơng pháp thích hợp sẽ phụ thuộc phần lớn vào việc có hay không vòng lặp có thể điều chỉnh "offline", và đáp ứng thời gian của hệ thống. Nếu hệ thống có thể thực hiện offline, phƣơng pháp điều chỉnh tốt nhất thƣờng bao gồm bắt hệ thống thay đổi đầu vào từng bƣớc, tín hiệu đo lƣờng đầu ra là một hàm thời gian, sử dụng đáp ứng này để xác định các thông số điều khiển. Trang 29
Đồ án tốt nghiệp Bảng 2.1 - Các phương ph p điều chỉnh h số ID C c phƣơng ph p iều chỉnh hệ số PID Phƣơng ph p Ƣu iểm Khuy t iểm Điều chỉnh thủ Không cần hiểu biết về toán. Phƣơng Yêu cầu nhân viên có công ( Phƣơng pháp online. kinh nghiệm. ph p thử v sai) làm rối loạn quá trình, Phƣơng pháp chứng minh. Phƣơng một số thử nghiệm và Ziegler–Nichols pháp online. lỗi, phải điều chỉnh nhiều lần Điều chỉnh chắc chắn. Phƣơng pháp online hoặc offline. Có thể bao gồm C c công cụ Giá cả cao, và phải huấn phân tích các van và cảm biến. Cho phần mềm luyện. phép mô phỏng trƣớc khi tải xuống để thực thi. Yêu cầu kiến thức toán học. Phƣơng pháp Cohen-Coon xử lý các mô hình tốt. offline. Chỉ tốt đối với các quá trình bậc một. Những phƣơng pháp hữu hiệu nhất thƣờng bao gồm những triển khai của vài dạng mô hình xử lý, sau đó chọn P, I, và D dựa trên các thông số của mô hình động học nhƣng các phƣơng pháp này đòi hỏi sự hiểu biết chuyên sâu cũng nhƣ tƣờng tận các hàm toán học dùng trong phƣơng pháp đó. Do đó một phƣơng pháp đƣợc sử dụng nhiều là phƣơng pháp thủ công và dựa vào kinh nghiệm phân tích hệ thống. Chính vì vậy ở đề tài này, phƣơng pháp điều chỉnh thủ công đã đƣợc áp dụng cho việc dò các hệ số Kp , Ki , Kd phù hợp.  Phƣơng ph p iều chỉnh thủ công ( phƣơng ph p thử v sai): Trƣớc tiên cần có cái nhìn tổng quan về hệ thống, các yếu tốc tác động vào làm mất ổn định hệ thống, tìm hiểu phân tích hoạt động của đối tƣợng để từ đó phán đoán cần sử dụng bộ điều khiển nào cho hợp lý hoặc có thể thử từng bộ một (PID, PI, PD, ). Trang 30
Đồ án tốt nghiệp Nếu hệ thống phải duy trì trạng thái online, phƣơng pháp điều chỉnh là thiết đặt giá trị đầu tiên của Ki và Kd bằng không. Tăng dần Kp cho đến khi đầu ra của vòng điều khiển dao động, tăng Kp đến một giá trị chấp nhận đƣợc, chấp nhận vọt lố. Sau khi tạm chọn đƣợc Kp ta tăng Kd , nếu cần thiết, cho đến khi vòng điều khiển nhanh chóng lấy lại đƣợc giá trị đặt sau khi bị nhiễu. Tuy nhiên, Kd quá lớn sẽ gây đáp ứng dƣ, thành phần Kd có tác dụng nhƣ một phanh hãm dao động quanh điểm cân bằng sau vọt lố giúp hệ dần dần ổn định. Một điều chỉnh cấp tốc của vòng điều khiển PID thƣờng hơi quá lố một ít khi tiến tới điểm đặt nhanh chóng; tuy nhiên, vài hệ thống không chấp nhận xảy ra vọt lố nhiều, ta nên giảm giá trị Kp xuống tới khi hệ hoạt động với vọt lố nhƣ ý muốn. Nếu hệ thống mãi không về điểm đặt hay về điểm đặt quá lâu ta có thể thêm thành phần Ki vào giúp hệ nhanh chóng về điểm cân bằng do Ki là thành phần cộng dồn sai số ép hệ về điểm cần bằng khi sai số đƣợc cộng dồn và tăng dần theo thời gian. Khi thực hiện đề tài này nhóm chỉ sử dụng bộ điều khiển PD (bao gồm 2 hệ số Kp và Kd ), khi lựa chọn đƣợc một cặp hệ số PD phù hợp, nếu cảm thấy hệ thống đáp ứng quá nhanh hay quá chậm thì thực hiện tiến hành chọn lại Kp sao cho ƣng ý rồi dò tìm lại hệ số Kd, lƣu ý chọn Kd không đƣợc quá lớn sẽ khiến hệ chƣa về điểm cân bằng đã bị hãm lại, hệ rất thiếu ổn định. Bảng 2.2 - T c động của vi c tăng một thông số độc lập trong phương ph p điều chỉnh thủ công T c ộng của việc tăng một thông số ộc lập Thông số Thời gian Qu ộ Thời gian Sai số ổn ịnh Độ ổn ịnh khởi ộng xác lập Kp Giảm Tăng Thay đổi Giảm Giảm cấp nhỏ Ki Giảm Tăng Tăng Giảm đáng kể Giảm cấp Kd Giảm ít Giảm ít Giảm ít Về lý thuyết Cải thiện không tác động nếu Kd nhỏ Trang 31
Đồ án tốt nghiệp CHƢƠNG 3: GIỚI THIỆU LINH KIỆN VÀ MODULE 3.1. Động cơ DC không chuổi than (Brushless DC motor ) 3.1.1. Giới thiệu Động cơ DC không chổi than - BLDC (Brushles DC Motor) là một dạng động cơ đồng bộ tuy nhiên động cơ BLDC kích từ bằng một loại nam châm vĩnh cửu dán trên rotor và dùng dòng điện DC ba pha cho dây quấn phần ứng stator. Mặc dù có tên là “một chiều không chổi than” nhƣng nó thuộc nhóm động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chứ không phải là động cơ một chiều. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là nhóm động cơ xoay chiều đồng bộ (tức là rotor quay cùng tốc độ với từ trƣờng quay) có phần cảm là nam châm vĩnh cửu. Dựa vào dạng sóng sức phản điện động stator của động cơ mà trong nhóm này ta có thể chia làm 2 loại: - Động cơ sóng hình sin. - Động cơ sóng hình thang. Động cơ BLDC là loại động cơ sóng hình thang, những động cơ còn lại là động cơ sóng hình sin (ta gọi chung với tên là PM – Permanent magnet Motor). Chính cái sức phản điện động có dạng hình thang này mới là yếu tố quyết định để xác định một động cơ BLDC chứ không phải các yếu tố khác nhƣ Hall sensor, bộ chuyển mạch điện tử (Electronic Commutator) nhƣ nhiều ngƣời vẫn nghĩ. Hình 3.1 - Động cơ SunnySky 2212-13 kv980 Trang 32
Đồ án tốt nghiệp Động cơ BLDC sử dụng trong đề tài là loại động cơ SunnySky 2212-13 kv980 do hãng SunnySky sản xuất với các thông số kỹ thuật nhƣ sau: Pin: 2~3 Cell RPM: 980kv Hiệu suất dòng cực đại: (7-12A) >78% Dòng cực đại: 15A Dòng không tải: 10V/0.3A Công suất cực đại: 150W Điện trở nội: 126 mOhm Cân nặng: 56g Đƣờng kính của trục: 3mm Đƣờng kính stator: 22mm Chiều dài stator: 12mm Kích thƣớc: 27.5x30m Bảng 3.1 - Một số BLDC khác thường được sử dụng trong các máy bay mô hình Loại BLDC Thông số kỹ thuật Turnigy D3542/4 910KV Brushless Outrunner Motor Pin: 2~4 Cell /7.4~14.8V RPM: 1450kv Dòng cực đại: 48A Dòng không tải: 4A Công suất cực đại: 690W Điện trở nội: 0.019 ohm Cân nặng: 130g (bao gồm kết nối) Đƣờng kính của trục: 5mm Kích thƣớc: 35x42m Chịu tải tối đa: 1420g Trang 33
Đồ án tốt nghiệp Emax BL2210/30 1450KV Outrunner Brushless Motor Model: BL2210/30 Số liệu của pin: 2-3x Li-Poly RPM/V: 1450 Hiệu suất dòng cực đại: >75% Dòng không tải / 10V: 0.5 A Khả năng chịu dòng 2210/30 16.5 A/60s Kích thƣớc: 22x10 mm Đƣờng kính trục: 3 mm Nặng: 45 g Khối lƣợng tải yêu cầu: 200 - 500 g MOTOR A2212/13-1000KV Loại: A2212/13 Số liệu của pin:2-3 Li-Poly RPM/V:1000 RMP/V Hiệu suất cực đại:80% Dòng hiệu suất cực đại:4-10A (>75%) Dòng không tải / 10 V:0,5 A Khả năng chịu dòng:12A/60 s Điện trở trong: 90 mΩ Kích thƣớc:27.5x30 mm Đƣờng kính trục: 3.17 mm Nặng:47 g Khả năng chịu tải : 920g 3.1.2. C u tạo v nguyên lý hoạt ộng 3.1.2.1. C u tạo Khác với động cơ một chiều bình thƣờng, động cơ một chiều không chổi than BLDC có phần ứng đứng yên nằm trên stator và phần cảm quay nằm trên rotor. Trang 34
Đồ án tốt nghiệp Hình 3.2 – Cấu tạo của Động cơ DC hông chổi than - Stator: bao gồm lõi sắt (các lá thép kỹ thuật điện ghép lại với nhau) và dây quấn, trong các rãnh của stator đặt cuộn ứng nhƣ trong các rãnh phần ứng bình thƣờng. Hình 3.3 - Cấu tạo của Stator động cơ - Rotor thƣờng là nam châm vĩnh cửu. Nam châm vĩnh cửu dùng để kích từ có thể là loại nam châm điện từ hoặc loại nam châm hiếm nhƣ: AlNiCo, NdFeB, SmCO Tuy nhiên hiện nay ngƣời ta thƣờng sử dụng các loại nam châm hiếm vì chúng có từ dƣ lớn, từ tính ít thay đổi khi nhiệt độ tăng, khó bị khử từ Với công nghệ chế tạo nam châm ngày càng phát triển mạnh các đặc tính từ của nam châm vĩnh cửu ngày càng đƣợc cải thiện, chất lƣợng nam châm ngày càng tốt hơn. Điều này cho phép động cơ BLDC đƣợc chế tạo và ứng dụng nhiều hơn. Trang 35
Đồ án tốt nghiệp Hình 3.4 – S phân chia c c c c trong rotor động cơ - Hall sensor: do đặc thù sức phản điện động có dạng hình thang nên cấu hình điều khiển thông thƣờng của BLDC cần có cảm biến xác định vị trí của từ trƣờng rotor so với các pha của cuộn dây stator. Để làm đƣợc điều đó ngƣời ta dùng cảm biến hiệu ứng Hall, gọi tắt là Hall sensor. Cần chú ý là Hall sensor đƣợc gắn trên stator của BLDC chứ không phải trên rotor. Hình vẽ sau đây hay đƣợc sử dụng trong các tài liệu về BLDC và nó tạo hiểu nhầm rằng ngƣời ta gắn Hall sensor trên rotor. Thực tế là Hall sensor đƣợc gắn trên stator. Application note AN885 của hãng Microchip đƣa ra hình vẽ này và họ cũng giải thích rằng Hall sensor đƣợc gắn trên stator. Hình 3.5 – Ha sensor được g n trên Stator của BLDC 3.1.2.1. Nguyên lý hoạt ộng v nguyên lý iều khiển ộng cơ Trang 36
Đồ án tốt nghiệp  Nguyên lý hoạt ộng: Động cơ DC không chổi than-BLDC (Brushles DC motor) là một dạng động cơ đồng bộ tuy nhiên động cơ BLDC kích từ bằng một loại nam châm vĩnh cửu dán trên rotor và dùng dòng điện DC ba pha cho dây quấn phần ứng stator.Cũng giống nhƣ động cơ đồng bộ thông thƣờng, các cuộn dây BLDC cũng đƣợc đặt lệch nhau 120 điện trong không gian của stator. Các thanh nam châm đƣợc dán chắc chắn vào thân rotor làm nhiệm vụ kích từ cho động cơ. Đặc biệt điểm khác biệt về hoạt động của động cơ BLDC so với các động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khác là đông cơ BLDC bắt buộc phải có cảm biến vị trí rotor để cho động cơ hoạt động. Nguyên tắc điều khiển của động cơ BLDC là xác định vị trí rotor để điều khiển dòng điện vào cuộn dây stator tƣơng ứng, nếu không động cơ không thể tự khởi động hay thay đổi chiều quay. Chính vì nguyên tắc điều khiển dựa vào vị trí rotor nhƣ vậy nên động cơ BLDC đòi hỏi phải có một bộ điều khiển chuyên dụng phối hợp với cảm biến Hall để điều khiển động cơ.  Nguyên lý iều khiển ộng cơ Phƣơng pháp điều khiển truyền thống động cơ BLDC là đóng cắt các khóa mạch lực (IGBT hoặc MOSFET) để cấp dòng điện vào cuộn dây stator động cơ dựa theo tín hiệu Hall sensor đƣa về. Sơ đồ nguyên lý mạch lực và động cơ nhƣ sau: Hình 3.6 – Sơ đồ nguyên lý mạch l c. Trang 37
Đồ án tốt nghiệp Bảng 3.2 - Bảng trạng thái mạch điều khiển BLDC đơn giản Switching Seq. Pos. sensors Switch Phase Current interval number H1 H2 H3 closed A B C 00 - 600 0 1 0 0 Q1 Q4 + - off 600 - 1200 1 1 1 0 Q1 Q6 + off - 1200 - 1800 2 0 1 0 Q3 Q6 off + - 1800 - 2400 3 0 1 1 Q3 Q2 - + off 2400 - 3000 4 0 0 1 Q5 Q2 - off + 3000 -3 600 5 1 0 1 Q5 Q4 off - + Để tạo ra từ trƣờng quay cùng pha với nam châm của rotor, ESC (hay bộ điều khiển driver) phải xác định đƣợc vị trí của năm châm vĩnh cửu và vận tốc của nó. Có 2 cách làm điều này là sử dụng cảm biến nhận biết vị trí của rotor ( cảm biến Hall) và cách cảm ứng 1 trong 3 pha của xung điện từ trƣờng phản hồi ( xung BEMF – Back ElectroMagnetic Field phulses). Đối với phần lớn các động cơ dùng trong mô hình bay thì đều dùng phƣơng pháp cảm ứng xung BEMF. Mô hình toán học: v = R(i – i ) + L (i – i ) + e – e ab a b a b b c vbc = R(ib – ic) + L (ib – ic) + ea - eb (3.1) v = R(i – i ) + L (i – i ) + e – e ca c a c a c a T = k w + J + T e f m L Trong đó v, i, e là điện áp, dòng điện và suất điện động. w là tốc độ quay của rotor, R là điện trở, L là điện cảm. Công thức suất điện động và mô – men có thể đƣợc viết nhƣ sau: e = w F(θ ) a m e e = w F(θ - ) b m e (3.2) e = w F(θ - ) c m e T = * ( ) + e  Ƣu, nhƣợc iểm của ộng cơ không chổi than: Trang 38
Đồ án tốt nghiệp *Ƣu iểm Động cơ DC không chổi than BLDC (Brushles DC motor) có các ƣu điểm của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu nhƣ: tỷ lệ momen/quán tính lớn, tỷ lệ công suất trên khối lƣợng cao. Do máy đƣợc kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên giảm tổn hao đồng và sắt trên rotor hiệu suất động cơ cao hơn. Động cơ kích từ nam châm vĩnh cửu không cần chổi than và vành trƣợt nên không tốn chi phí bảo trì chổi than. Ta cũng có thể thay đổi đặc tính động cơ bằng cách thay đổi đặc tính của nam châm kích từ và cách bố trí nam châm trên rotor. Một số đặc tính nổi bật của động cơ BLDC khi hoạt động: - Mật độ từ thông khe hở không khí lớn. - Tỷ lệ công suất/khối lƣợng máy điện cao. - Tỷ lệ momen/quán tính lớn (có thể tăng tốc nhanh). - Vận hành nhẹ nhàng (dao động của momen nhỏ) thậm chí ở tốc độ thấp (để đạt đƣợc điều khiển vị trí một cách chính xác). - Mômen điều khiển đƣợc ở vị trí bằng không. - Vận hành ở tốc độ cao. - Có thể tăng tốc và giảm tốc trong thời gian ngắn. - Hiệu suất cao. - Kết cấu gọn. * Nhƣợc iểm Do động cơ đƣợc kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên khi chế tạo giá thành cao do nam châm vĩnh cửu khá cao nhƣng với sự phát triển công nghệ hiện nay thì giá thành nam châm có thể giảm. Động cơ BLDC đƣợc điều khiển bằng một bộ điều khiển với điện ngõ ra dạng xung vuông và cảm biến Hall đƣợc đặt bên trong động cơ để xác định vị trí rotor. Điều này làm tăng giá thành đẩu tƣ khi sử dụng động cơ BLDC. Tuy nhiên điều này cho phép điều khiển tốc độ và mômen động cơ dễ dàng, chính xác hơn. Nếu dùng các loại nam châm sắt từ chúng dễ từ hóa nhƣng khả năng tích từ không cao, dễ bị khử từ và đặc tính từ của nam châm bị giảm khi tăng nhiệt độ. Nhƣng với loại nam châm hiếm nhƣ hiện nay thì nhƣợc điểm này đã đƣợc cải thiện đáng kể. Trang 39
Đồ án tốt nghiệp 3.2. Bộ iều khiển tốc ộ ộng cơ ESC 3.2.1. Giới thiệu Bộ điều khiển tốc độ động cơ ESC là thiết bị mạch điện giúp phân bố tăng hay giảm điện áp cho động cơ: điện tăng động cơ sẽ quay mạnh và ngƣợc lại. Những loại mô hình thƣờng dùng bộ điều tốc chính là những mô hình điện nhƣ: xe, máy bay, tàu, . ESC hoạt động nhƣ một biến tần biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều có tần số thay đổi đƣợc cung cấp cho động cơ. Hình 3.7 – ESC Simon Series 20A sử dụng trong đề tài 3.2.2. C u tạo v c ch thức vận hành 3.2.2.1. C u tạo Một chiếc ESC thƣờng gồm 3 loại dây: - Dây kết nối với pin: dây tƣơng đối to, gồm 02 dây, thƣờng có màu đen và đỏ. - Dây kết nối với động cơ: dây tƣơng đối to, gồm 3 dây. Ba dây này sẽ kết nối với 3 dây tƣơng ứng trên động cơ không chổi quét. Nếu may mắn, 3 dây trên động cơ và 3 dây trên ESC sẽ có cùng màu, khi đó việc kết nối sẽ đơn giản. Tuy nhiên, ngay cả khi kết nối sai thì cũng không có gì đáng lo ngại vì điều tệ hại nhất có thể xảy ra chỉ là khiến động cơ quay ngƣợc chiều. - Dây kết nối với bộ thu: dây nhỏ nhất có giắc cắm giống giắc servo. Dây này sẽ đƣợc kết nối với bộ thu để nhận tín hiệu điều khiển tay ga từ bộ thu. Sơ đồ cấu tạo của ESC Trang 40
Đồ án tốt nghiệp Hình 3.8 – Sơ đồ mạch ESC Sự thay phiên đống ngắt của các transistor hay Mostfet là tạo ra đƣợc dòng điện 3 pha. Thứ tự điều khiển: [Q1,Q4] [Q4,Q5] [Q5,Q2] [Q2,Q3] [Q3,Q6] [Q6,Q1] Việc điều khiển đóng ngắt các transistor hay Mostfet có thể sử dụng vi điều khiển. 3.2.2.2. C ch thức vận hành ESC hoạt động tƣơng tự nhƣ chuẩn PWM của RC servo, nhƣng những loại ESC chuyên dụng (dùng cho multicopter) tần số hoạt động có thể lên đến 400Hz chu kỳ rút ngắn lại chỉ còn 2.5ms chứ không phải là 20ms nhƣ RC servo, và thời gian mức cao vẫn dao động từ 1ms -> 2ms ESC chuyển từ điện áp DC 2 pha thành điện áp DC 3 pha lệch nhau 120 độ với một chu kì phụ thuộc vào tần số xung kích, độ rộng xung của mỗi pha sẽ đƣợc điều khiên bởi xung PWM. 3.3. Board Arduino Uno 3.3.1. Giới thiệu Arduino Uno là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tƣơng tác với nhau hoặc với môi trƣờng đƣợc thuận lợi hơn. Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở đƣợc thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit. Những Model hiện tại đƣợc trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tƣơng thích với nhiều board mở rộng khác nhau. Trang 41
Đồ án tốt nghiệp Hình 3.9 – H nh ảnh oard Arduino Uno  Một vài thông số của Arduino Uno Bảng 3.3 – Một vài thông số Arduino Uno Vi điều khiển ATmega328 (họ 8bit) Điện áp hoạt động 5V – DC (chỉ đƣợc cấp qua cổng USB) Tần số hoạt động 16 MHz Dòng tiêu thụ 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V – DC Điện áp vào giới hạn 6-20V – DC Số chân Digital I/O 14 (6 chân PWM) Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA Dòng ra tối đa (5V) 500 mA Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi Bộ nhớ flash bootloader Trang 42
Đồ án tốt nghiệp SRAM 2 KB (ATmega328) EEPROM 1 KB (ATmega328) 3.3.2. C u tạo v chức năng 3.3.2.1. C u tạo Hình 3.10 – Cấu tạo ngoài của Arduino Uno Cấu tạo chính của Arduino Uno bao gồm các phần sau: - Cổng USB: đây là loại cổng giao tiếp để ta upload code từ PC lên vi điều khiển. Đồng thời nó cũng là giao tiếp serial để truyền dữ liệu giữa vi điều khiển và máy tính. - Jack nguồn: để chạy Arduino thì có thể lấy nguồn từ cổng USB ở trên, nhƣng không phải lúc nào cũng có thể cắm với máy tính đƣợc. Lúc đó ta cần một nguồn từ 9V đến 12V. - Có 14 chân vào/ra số đánh số thứ tự từ 0 đến 13, ngoài ra có một chân nối đất (GND) và một chân điện áp tham chiếu (AREF). - Có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10 bit (0 → 210- 1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V. Với chân AREF trên board, bạn có thể để đƣa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog. Tức là nếu cấp điện áp 2.5V vào chân này thì có thể dùng các chân analog để đo điện Trang 43
Đồ án tốt nghiệp áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit. Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác. - Vi điều khiển AVR: đây là bộ xử lý trung tâm của toàn bộ bo mạch. Với mỗi mẫu Arduino khác nhau thì con chip khác nhau. Ở con Arduino Uno này thì sử dụng ATMega328. 3.3.2.2. Chức năng Arduino Uno bạn có thể ứng dụng vào những mạch đơn giản nhƣ mạch cảm biến ánh sáng bật tắt đèn, mạch điều khiển động cơ, hoặc cao hơn nữa bạn có thể làm những sản phẩm nhƣ: máy in 3D, Robot, khinh khí cầu, máy bay không ngƣời lái, và các ứng dụng lớn khác. Arduino Uno thực sự đã gây sóng gió trên thị trƣờng ngƣời dùng DIY (là những ngƣời tự chế ra sản phẩm của mình) trên toàn thế giới trong thời gian gần đây. Số lƣợng ngƣời dùng cực lớn và đa dạng với trình độ trải rộng từ bậc phổ thông lên đến đại học thậm chí là những trƣờng đại học nổi tiếng trên thế giới và đã làm cho ngay cả những ngƣời tạo ra chúng phải ngạc nhiên về mức độ phổ biến. Một hệ thống Arduino có thể cung cấp cho bạn rất nhiều sự tƣơng tác với môi trƣờng xung quanh với: Hệ thống cảm biến đa dạng về chủng loại (đo đạc nhiệt độ, độ ẩm, gia tốc, vận tốc, cƣờng độ ánh sáng, màu sắc vật thể, lƣu lƣợng nƣớc, phát hiện chuyển động, phát hiện kim loại, khí độc, ), Các thiết bị hiển thị (màn hình LCD, đèn LED, ). Các module chức năng (shield) hỗ trợ kêt nối có dây với các thiết bị khác hoặc các kết nối không dây thông dụng (3G, GPRS, Wifi, Bluetooth, 315/433Mhz, 2.4Ghz, ), Định vị GPS, nhắn tin SMS, và nhiều thứ thú vị khác đang chờ bạn khám phá. 3.4. Arduino Nano 3.4.1. Giới thiệu: Điểm khác biệt của Arduino Nano 3.0 so với Arduino Uno R3 là Arduino Nano 3.0 sử dụng chip FTDI làm chip giao tiếp USB thay vì dùng ATmega16u2 nhƣ Arduino Uno R3. Driver cho chip đã có sẵn trong bộ cài Arduino. Ngoài ra, chip FTDI chỉ hoạt động khi dùng nguồn USB, chip này không hoạt động khi ta cấp Trang 44
Đồ án tốt nghiệp nguồn ngoài cho board arduino nano. Điều này có nghĩa là nếu bạn muốn kết nối Arduino Nano với máy tính, hãy ngắt nguồn ngoài (Vin) và cắm dây USB vào arduino nano. Hình 3.11 – H nh ảnh th c t của Arduino nano  Các thông số chính của board Arduino Nano Bảng 3.4 – C c thông số Arduino Nano Vi điều khiển ATmega328 Điện áp hoạt động 5 V Điện áp có thể cấp cho Vin 7-12 V Nguồn tối đa 6-20 V Số chân digital 14 (trong đó có 6 kênh xung PWM) Số chân analog 8 Dòng tối đa mỗi chân 40 mA 32 KB (ATmega328), 2K đƣợc sử dụng Bộ nhớ Flash bởi bootloader RAM 2KB EEPROM 1KB Xung đồng hồ 16 MHz Kích thƣớc 1.85cm x 4.3cm Trang 45
Đồ án tốt nghiệp 3.4.2. C u tạo v chức năng 3.4.2.1. C u tạo Hình 3.12 – Cấu tạo ngoài của Arduino Nano Board Arduino Nano có cấu tạo, số lƣợng chân vào ra là tƣơng tự nhƣ board Arduino Uno tuy nhiên đã đƣợc tối giản về kích thcuo75 cho tiện sử dụng hơn. Do đƣợc tối giản nhiều về kích thƣợc nên Arduino Nano chỉ đƣợc nạp code và cung cấp điện bằng duy nhất 1 cổng mini USB. Khác với Arduino uno sử dụng cổng USB Type B, Nano lại sử dụng một cổng nhỏ hơn có tên là mini USB. Vì sử dụng cổng này nên kích thƣớc board (vê chiều cao) cũng giảm đi khá nhiều, ngoài ra có thể lập trình thẳng trực tiếp cho Nano từ máy tính - điều này tạo nhiều điện thuận lợi cho newbie. Các thông số kĩ thuật của Arduino Nano hầu nhƣ giống hoàn Arduino Uno, vì vậy các thƣ viện trên Arduino Uno đều hoạt động tốt trên Arduino Uno.Tuy nhiên, ở Nano có một lợi thế cực kì quan trọng, nhờ đó Arduino Nano đã đƣợc ứng dụng rất nhiều trong các dự án DIY, đó chính là kích thƣớc của nó. Đồng thời Nano còn số lƣợng chân Analog nhiều hơn Uno (2 chân A6, A7 chỉ dùng để đọc) cùng với dùng ra tối đa của mỗi chân IO lên đến 40mA. Nhƣng, có một điểm trừ nhẹ cho Nano, đó là mạch này Nano cần đến 2KB bộ nhớ cho bootloader (ở Uno là 0.5KB). 3.4.2.2. Chức năng Với kích thƣớc cực kì nhỏ gọn và khả năng tƣơng tự nhƣ Arduino Uno, có thể ứng dụng nó trong các dự án yêu cầu kích thƣớc nhỏ và khối lƣợng nhẹ, chẳng hạn nhƣ: Trang 46
Đồ án tốt nghiệp Hình 3.13 – Các ứng dụng ti n lợi mang tính nhỏ gọn của Arduino Nano 3.5. Arduino Mega 2560 R3 3.5.1. Giới thiệu Arduino Mega 2560 R3 là board arduino với khả năng xử lý mạnh. Board arduino Mega 2560 sử dụng chip ATmega2560 của ATmel, bộ nhớ chƣơng trình lên đến 256KB trong đó có 8KB đƣợc sử dụng bởi bootloader. Với bộ nhớ chƣơng trình lớn, bạn có thể viết nhiều chƣơng trình phức tạp, điều khiển đƣợc nhiều thiết bị hơn. Vi điều khiển ATmega2560 cho tốc độ, ngoại vi và số chân nhiều nhất, nếu ngƣời sử dụng có những ứng dụng cần mở rộng thêm nhiều chân, nhiều ngoại vi thì đây là một sự lựa chọn đáng giá, board hoàn toàn có cấu trúc chân tƣơng thích với các board nhƣ Arduino Uno. Hình 3.14 - Hình ảnh th c t của board Arduino Mega 2560 Trang 47
Đồ án tốt nghiệp  C c thông số ch nh của board arduino nano Bảng 3.5 – C c thông số Arduino Mega 2560 Vi điều khiển ATmega2560 Điện áp hoạt động 5 V Điện áp có thể cấp cho Vin 7-12 V Nguồn tối đa 6-20 V Số chân digital 54 chân (trong đó có 15 chân xung PWM) Số chân analog 16 Dòng điện trong mội chân I/O 40 mA Dòng điện chân nguồn 3.3V 50 mA Bộ nhớ Flash 256 KB, 8KB đƣợc sử dụng bởi Bootloader SRAM 8KB EEPROM 4KB Xung đồng hồ 16 MHz Kích thƣớc 101.98 mm x 53.63 mm 3.5.2. C u tạo v chức năng 3.5.2.1. C u tạo Arduino Mega 2560 R3 là một vi điều khiển dựa trên nền ATmega2560. Có 54 chân đầu vào / đầu ra số ( trong đó có 15 đầu đƣợc sử dụng nhƣ đầu ra PWM ), 16 đầu vào analog, 4 UARTs ( cổng nối tiếp phần cứng ), một 16 MHz dao động thạch anh, kết nối USB , một jack cắm điện, một đầu ICSP , và một nút reset. Chứa tất cả mọi thứ cần thiết để hỗ trợ các vi điều khiển, chỉ cần kết nối với máy tính bằng cáp USB hoặc sử dụng với một bộ chuyển đổi AC -to-DC hay pin. Arduino Mega tƣơng thích với hầu hết các shield đƣợc thiết kế cho Arduino Duemilanove hoặc Diecimila. Trang 48
Đồ án tốt nghiệp Hình 3.15 – Cấu tạo Arduino Mega2560 Arduino Mega 2560 là 1 bo mạch thiết kế với bộ xử lý trung tâm là vi điều khiển AVR Atmega2560. Cấu tạo chính của Arduino Mega 2560 bao gồm các phần sau: - Cổng USB: đây là loại cổng giao tiếp để ta upload code từ PC lên vi điều khiển. Đồng thời nó cũng là giao tiếp serial để truyền dữ liệu giữa vi điều khiển và máy tính. - Jack nguồn: để chạy Arduino thì chỉ có thể lấy nguồn từ cổng USB ở trên nhƣng không phải lúc nào cũng có th cắm với máy tính đƣợc. Lúc đó ta cần nguồn từ 9V đến 12V. - Có 54 chân vào/ra, ngoài ra có một chân nối đất (GND) và một chân điện áp tham chiếu (AREF). - Vi điều khiển AVR: đây là bộ xử lý trung tâm của toàn bộ bo mạch. Với mổi mẫu Arduino khác nhau thì con chip là khác nhau. Ở con Arduino Mega2560 này thì sử dụng ATMega2560. Mega 2560 có 16 đầu vào tƣơng tự, mỗi ngõ vào tƣơng tự đều có độ phân giải 10 bit ( tức 1024 giá trị khác nhau). Theo mặc định từ 0 đến 5 Volts, mặc dù có thể thay đổi phần trên của phạm vi bằng cách sử dụng chân Aref và analogReference) chức năng. Trang 49
Đồ án tốt nghiệp  Điểm khác biệt của Arduino Mega 2560 R3 so với Arduino Uno R3 là số lượng chân nhiều hơn 4 cổng serial: (so với 1 trên Arduino Uno) Bảng 3.6 – 4 cổng serial trên Arduino Mega 2560 Cổng serial Chân RX Chân TX Serial 0 0 1 Serial 1 19 18 Serial 2 17 16 Serial 3 15 14 Lưu ý: cổng serial 0 trên 2 chân 0 và 1 đƣợc sử dụng để upload chƣơng trình từ Arduino IDE vào board Arduino Mega. 6 ngắt ngoài (so với 2 trên Arduino Uno) Bảng 3.7 – 6 ng t ngoài trên Arduino Mega 2560 Số thứ tự ngắt 0 1 2 3 4 5 Chân trên arduino mega 2 3 21 20 19 18 15 chân PWM (so với 6 trên Arduino) Các chân 2-13 và chân 44, 45, 46 16 chân analog 3.5.2.2. Chức năng Với nền tản chip ATmega2560 tốc độ cao, nhiều kết nối ngoại vi và số chân nhiều nhất, bộ nhớ cao nên Arduino Mega 2560 đƣợc ứng dụng trong những đề tài, dự án đòi hỏi cần mở rộng thêm nhiều ngoại vi hơn Arduino Uno. Arduino Mega 2560 có thể ứng dụng trong các sản phẩm đề tài nhƣ: Trang 50
Đồ án tốt nghiệp Hình 3.16 - Máy in 3D Makerbot Hình 3.17 – o ot xe điều khiển 3.6. Mô un IMU DOF-10 gy-86 3.6.1. Giới thiệu Module IMU DOF-10 (10 bậc tự do) là một bộ cảm biến IMU tích hợp cảm biến gia tốc và góc quay MPU6050, cảm biến từ trƣờng HMC5883 và cảm biến độ cao MS5611. Nó thích hợp cho hầu hết các hệ thống kiểm soát vì kích thƣớc nhỏ. Các lỗ gắn làm cho nó có thể cung cấp cho các cảm biến độ chính xác cao và dữ liệu ổn định. Nó đƣợc nhúng một bộ điều chỉnh nhiễu thấp LDO để có thể cung cấp một phạm vi rộng ngõ vào. Module cho phép áp dụng mạnh mẽ vào việc điều khiển các thiết bị vận hành tự động cần định hƣớng nhƣ robot tự hành, tự cân bằng, UAVs (thiết bị bay không ngƣời lái) hoặc các hệ thống cân bằng nhƣ trong xử lý ảnh. Các cảm biến trên module hỗ trợ giao tiếp I2C với tốc độ lên tới 400kb/s và hoạt động ở mức áp 3.3V. Module đƣợc thiết kế tích hợp sẵn IC chuyển áp tín hiệu và IC ổn áp LDO 3.3V, qua đó hoàn toàn tƣơng thích với hệ thống ngoài 3.3V hoặc 5V. Trang 51
Đồ án tốt nghiệp Hình 3.18- IMU 10 bậc t do (10 DOF) DOF-10 gy-86 Ngõ ra của một bộ IMU 10 bậc tự do (10 DOF) sẽ là các giá trị vận tốc góc quanh 3 trục xyz, hình chiếu gia tốc trọng trƣờng và từ trƣờng trái đất lên 3 trục xyz. Từ 10 giá trị này ta sẽ xác định đƣợc vị trí, vận tốc quay, tịnh tiến của hệ vật gắn với module trong không gian mà không phụ thuộc vào yếu tố bên ngoài. 3.6.2. C u tạo Module IMU DOF 10 gy-86 cấu tạo chính bao gồm 3 bộ cảm biến. 3.6.2.2. Cảm bi n gia tốc và góc quay MPU6050 MPU-6050 là cảm biến của hãng InvenSense. MPU-6050 là một trong những giải pháp cảm biến chuyển động đầu tiên trên thế giới có tới 6 trục cảm biến tích hợp trong một chíp duy nhất (mở rộng tới 9) và một bộ xử lý chuyển động số đƣợc tích hợp bên trong, giúp cho việc lấy dữ liệu từ cảm biến trở nên dễ dàng . Nó cho hệ thống biết đƣợc góc nghiêng và vận tốc, gia tốc hiện tại của Tri- rotor. Yêu cầu của cảm biến là có độ đáp ứng nhanh để hệ thống có thể kịp thời điều chỉnh để có thể cân bằng. Hình 3.19 – Sơ đồ tổng quát MPU6050 Đây là sơ đồ kết nối tổng quát tất cả các phần của cảm biến bao gồm 3 trục cảm biến mở rộng, cảm biến MPU6050, giao tiếp I2C, các ứng dụng điều khiển .  Cấu tạo chi tiết - 3 trục cảm biến gia tốc (3-axis MEMS accelerometer). - 3 trục con quay hồi chuyển (3-axis MEMS gyroscope). - 1 bộ xử lý chuyển động số (DMP- Digital Motion Processor). - 1 bộ nhớ đệm FIFO có giá trị 1024 byte. Ngoài ra, MPU-6050 có 1 đơn vị tăng tốc phần cứng chuyên xử lý tín hiệu (Digital Motion Processor - DSP) do cảm biến thu thập và thực hiện các tính toán cần thiết. Điều này giúp giảm bớt đáng kể phần xử lý tính toán của vi điều khiển, Trang 52
Đồ án tốt nghiệp cải thiện tốc độ xử lý và cho ra phản hồi nhanh hơn. Đây chính là 1 điểm khác biệt đáng kể của MPU-6050 so với các cảm biến gia tốc và gyro khác. MPU-6050 có thể kết hợp với cảm biến từ trƣờng (bên ngoài) để tạo thành bộ cảm biến 9 góc đầy đủ thông qua giao tiếp I2C. Các cảm biến bên trong MPU-6050 sử dụng bộ chuyển đổi tƣơng tự - số (Anolog to Digital Converter - ADC) 16-bit cho ra kết quả chi tiết về góc quay, tọa độ Với 16-bit bạn sẽ có 216 = 65536 giá trị cho 1 cảm biến. Tùy thuộc vào yêu cầu của ngƣời sử dụng, cảm biến MPU-6050 có thể hoạt động ở chế độ tốc độ xử lý cao hoặc chế độ đo góc quay chính xác (chậm hơn). MPU-6050 có khả năng đo ở phạm vi: + Con quay hồi chuyển: ± 250 500 1000 2000 dps + gGa tốc: ± 2 ± 4 ± 8 ± 16g Hơn nữa, MPU-6050 có sẵn bộ đệm dữ liệu 1024 byte cho phép vi điều khiển phát lệnh cho cảm biến, và nhận về dữ liệu sau khi MPU-6050 tính toán xong. 3.6.2.2. Cảm bi n từ trƣờng HMC5883 HMC5883 là một cảm biến từ trƣờng có kích thƣớc 3x3x0.9 mm gồm 16 chân của hãng Honeywell , thích hợp với các ứng dụng cần xác định tọa độ, vị trí, phƣơng hƣớng , định vị Sử dụng công nghệ điện trở từ không đẳng hƣớng (AMR: anisotropic magneto-resistive) của hãng Honeywell làm cho các tính năng của HCM5883 có độ chính xác và độ nhạy cao, thích hợp đo cả hƣớng và cƣờng độ từ trƣờng của Trái Đất.  Các tính năng của HMC5883: 12 bit ADC cùng với các cảm biến AMR cho phép đo cƣờng độ từ trƣờng từ 2 miligauss đến 8 gauss. Độ nhạy phù hợp với các cảm biến/trục đo khác nhau. Điều chỉnh sự trôi độ nhạy theo nhiệt độ. Điện áp hoạt động thấp (từ 2.16V đến 3.6V) và tiêu thụ năng lƣợng thấp(100 μA). Sử dụng giao diện I2C số. Cảm biến có thể đƣợc sử dụng trong môi trƣờng từ trƣờng mạnh mẽ. Trang 53
Đồ án tốt nghiệp Hình 3.20 - Sơ đồ tổng qu t HCM5883  Cấu tạo chi tiết: - Một bộ điều khiển. - Một bộ dồn kênh tín hiệu. - Một bộ analog. - Bộ lái set/reset. - Bộ lái Off set. - Các bộ điện trở từ không đẳng hƣớng. 3.6.2.3. Cảm bi n ộ cao MS5611 Cảm biến độ cao MS5611 là một thế hệ mới của cảm biến độ cao có độ phân giải cao từ MEAS của Thụy Sĩ với giao diện bus SPI và I2C. Nó đƣợc tối ƣu hóa cho các bộ đo độ cao và cảm ứng kế. MS5611 thực chất là 1 cảm biến áp suất tuyến tính với 24 bit ADC. MS5611 có thể kết nối hầu hết với mọi vi điều khiển với các giao thức truyền thông đơn giản, không cần lập trình ghi bên trong thiết bị. Sở hữu một kích thƣớc nhỏ chỉ 5.0x3.0mm và chiều cao chỉ 1mm cho phép MS5611 tích hợp trong các thiết bị di động. Ngoài ra, thế hệ cảm biến mới này đƣợc dựa trên công nghệ hàng đầu MEMS và những kinh nghiệm nghiên cứu mới nhất đã đƣợc chứng minh của MEAS Thụy Sĩ, nơi đƣợc biết đến là ngƣời đi đầu trong việc sản xuất khối lƣợng lớn các module đo độ cao đã đƣợc sử dụng rộng rãi hơn một thập kỷ qua. Trang 54
Đồ án tốt nghiệp  Các tính năng của MS5611: Độ phân giải cao 10cm. Điện áp hoạt động thấp (1.8V đến 3.6V), tiêu thụ năng lƣợng thấp (1 μA). Tích hợp cảm biến áp suất kỹ thuật số (24 bit ADC) Tầm hoạt động: từ 10 đến 1200 mbar, -40 đến +85 °C. Giao diện I2C và SPI lên đến 20 MHz. Hoạt động ổn định trong một thời gian dài. Không kết nối các linh kiện bên ngoài ( bộ dao động nội). Hình 3.21– Sơ đồ tổng qu t của MS5611  Cấu tạo chi tiết: - Bộ PGA ( Programmable Gain Amplifier). - Bộ dồn kênh. - Khối ADC. - Bộ nhớ 128 bits. - Giao diện kỹ thuật số. 3.7. Động cơ servo 3.7.1. Giới thiệu Động cơ servo là một loại động cơ đặc biệt có khả năng quay cơ cấu chấp hành tới một vị trí chính xác và giữ cứng tại vị trí đó ngay cả khi cơ cấu chấp hành bị đẩy trở lại. Nó đƣợc thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín. Tín hiệu ra của động cơ đƣợc nối với một mạch điều khiển. Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ đƣợc hồi tiếp về mạch điều khiển này. Nếu có bầt kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chƣa đạt đƣợc vị trí mong muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt đƣợc điểm chính xác. Các động cơ servo điều khiển bằng liên lạc vô tuyến đƣợc gọi là động cơ Trang 55
Đồ án tốt nghiệp servo RC (radio-controlled). Trong thực tế, bản thân động cơ servo không phải đƣợc điều khiển bằng vô tuyến, nó chỉ nối với máy thu vô tuyến trên máy bay hay xe hơi. Động cơ servo nhận tín hiệu từ máy thu này. Hình 3.22 - Động cơ Servo Tower Pro MG996R  C c thông số ch nh của ộng cơ Servo Tower Pro MG996R Cung cấp điện: thông qua bên ngoài bộ chuyển đổi. Chiều dài dây kết nối 300mm Tốc độ hoạt động: 0,17 giây/60 độ( 4.8V không tải) Tốc độ hoạt động: 0,13 giây/60 độ( 6.0v không tải) Mô-men xoắn: 9 kg-cm( 180.5 oz- in) ở 4.8V Mô-men xoắn: 12 kg-cm( 208.3 oz- in) ở 6v Hoạt động ở điện áp: 4,8- 7,2 volt Bánh răng loại: tất cả các bánh răng kim loại Kích thƣớc: 40* 19* 43mm Trọng lƣợng: 55g Trọng lƣợng tịnh: 66g( với các phụ kiện) 3.7.2. C u tạo Cấu tạo của Servo Tower Pro MG996R bao gồm: Trang 56
Đồ án tốt nghiệp 1. Động cơ chính. 2. Board điều khiển tín hiệu hồi tiếp. 3. Dây nguồn ( Đỏ). 4. Dây tín hiệu vào ( Vàng hoặc Trắng). 5. Dây mass ( Đen). 6. Volt kế. 7. Trục/ Bánh răng Output. 8. Horn/ Wheel/ Arm gắn kèm. 9. Vỏ Servo. 10. Chip điều khiển. Hình 3.23- Cấu tạo động cơ Servo Động cơ và Volt kế nối với mạch điều khiển tạo thành mạch hồi tiếp vòng kín. Cả mạch điều khiển và động cơ đều đƣợc cấp nguồn DC ( thƣờng từ 4.8 – 7.2V). Để quay động cơ, tín hiệu số đƣợc gửi tới mạch điều khiển. Tín hiệu này khởi động động cơ, thông qua chuổi bánh răng, nối với Volt kế. Vị trí của trục Volt kế cho biết vị trí trục ra của servo. Khi Volt kế đạt đƣợc vị trí mong muốn, mạch điều khiển sẽ tắt động cơ. Động cơ servo đƣợc thiết kế để quay có giới hạn chứ không phải quay lien tục nhƣ động cơ DC hay động cơ bƣớc. Mặc dù có thể chỉnh động cơ servo quay lien tục nhƣng công dụng chính của động cơ servo là đạt đƣợc góc quay chính xác. Việc điều khiển này có thể ứng dụng để lái robot, di chuyển các tay máy lên xuống, quay một cảm biến để quét khắp phòng 3.7.3. C ch thức hoạt ộng v phƣơng ph p iều khiển 3.7.3.1. C ch thức hoạt ộng - Trục của động cơ servo R/C đƣợc định vị nhờ vào kỹ thuật gọi là điều biến độ rộng xung (PWM). - Servo là đáp ứng của một dãy các xung số ổn định. Cụ thể hơn, mạch điều khiển là đáp ứng của một tín hiệu số có các xung biến đổi từ 1 – 2 ms. Các xung này đƣợc gởi đi 50 lần/giây. Chú ý rằng không phải số xung trong một giây điều khiển servo mà là chiều dài của các xung. Servo đòi hỏi khoảng 30 – 60 xung/giây. Nếu số này qua thấp, độ chính xác và công suất để duy trì servo sẽ giảm. Với độ dài xung 1 ms, servo đƣợc điều khiển quay theo một chiều (giả sử là chiều kim đồng hồ nhƣ dƣới ). Trang 57