TỔNG QUAN
LỊCH SỬ HÌNH THÀNH
Máy bay không người lái là gì?
Máy bay không người lái (UAV) là một loại phương tiện bay có khả năng hoạt động mà không cần người điều khiển, biến chúng thành những thiết bị tự động Các loại máy bay này, bao gồm quadcopter và máy bay truyền thống, được lập trình để bay theo kế hoạch thông qua phần mềm tích hợp trong hệ thống của chúng Hệ thống này sử dụng công nghệ GPS để định hướng và theo dõi chuyển động của máy bay không người lái.
Hiện tại, tuỳ theo ứng dụng mà phân thành các loại :
- Máy bay không người lái nông nghiệp
- Máy bay không người lái giao hàng
- Phương tiện bay siêu nhỏ (micro)
- Máy bay đa cánh quạt
- Máy bay không người lái chở người
- Máy bay không người lái 4 cánh được ứng dụng phổ biến trong nghiên cứu, chụp ảnh, quay phim,…
- Máy bay chiến đấu không người lái, UAV vũ trang
Trong đồ án tốt nghiệp này, nhóm đã lựa chọn nghiên cứu quadcopter
Trong Thế chiến 2, Reginald Denny, một thành viên quân đội Hoa Kỳ, đã phát minh ra chiếc máy bay điều khiển từ xa đầu tiên mang tên Radioplane OQ-2 Đây là sản phẩm UAV đầu tiên được sản xuất hàng loạt tại Mỹ và trên toàn thế giới.
Máy bay không người lái quân sự đã được triển khai từ Thế chiến II, trở thành một công cụ hiệu quả trong việc tiêu diệt kẻ thù Sự phát triển của máy bay không người lái thương mại cũng đang mở rộng ứng dụng của công nghệ này trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
4 mại đã xuất hiện khoảng chưa đầy 15 năm và thực sự mở rộng kể từ năm 2006 khi DJI dẫn đầu ngành được thành lập ở Trung Quốc
Chiếc máy bay được sản xuất hàng loạt đầu tiên do Reginald Denny, một diễn viên nổi tiếng Hollywood, sáng tạo ra Ông đã theo đuổi đam mê với máy bay không người lái điều khiển từ xa và thành lập Công ty Reginald Denny Công ty này đã sản xuất chiếc máy bay vô tuyến được cải tiến phục vụ cho quân đội Mỹ trong Thế chiến 2.
Quân đội Mỹ đã tiến hành thử nghiệm nhiều loại máy bay không người lái và chế tạo ngư lôi trên không, sử dụng chúng làm mục tiêu trong Chiến tranh Lạnh Những máy bay không người lái này không chỉ phục vụ cho mục đích huấn luyện mà còn có khả năng thu thập dữ liệu hoạt động qua sóng vô tuyến.
Quadcopters là một trong những máy bay VTOL (Cất cánh và hạ cánh thẳng đứng) đầu tiên, được phát triển để giải quyết các vấn đề mà các phi công trực thăng gặp phải khi thực hiện các chuyến bay thẳng đứng Các máy bay trực thăng trước đó sử dụng cánh quạt đuôi để đối trọng với mô-men xoắn, nhưng điều này không hiệu quả và lãng phí Chiếc máy bay quadcopter đầu tiên, Omnichen 2, được phát minh bởi Etienne Omnichen vào năm 1920 và đã đạt được kỷ lục 360 mét và thực hiện hơn 1000 chuyến bay thành công, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong công nghệ hàng không.
Chiếc quadcopter Convertawings Model A ra đời vào năm 1956, do Tiến sĩ George E Bothezat thiết kế Đây là mẫu quadcopter đầu tiên sử dụng động cơ đẩy để điều khiển các thao tác như ngáp, ném và lăn Đến năm 1958, Công ty Curtis Wright đã phát triển mẫu quadcopter Curtis Wright V27.
Trong thập kỷ qua, công nghệ máy bay không người lái đã phát triển mạnh mẽ với sự đóng góp của nhiều công ty hàng đầu như Heli-Max, Blade, Walker, Parrot và DJI.
5 máy bay không người lái siêu nhỏ và nano sử dụng công nghệ máy tính cập nhật để chụp ảnh trên không và điều khiển chuyến bay.
TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa đang phát triển mạnh mẽ, cho phép con người chế tạo những thiết bị hiện đại Hiện nay, hầu hết các công việc sản xuất đều có thể được tự động hóa, thay thế cho lao động thủ công trước đây Việc áp dụng máy móc tự động không chỉ nâng cao độ chính xác của sản phẩm mà còn tăng năng suất sản xuất, mang lại nhiều lợi ích cho các lĩnh vực khác nhau.
Quadcopter hay còn gọi là Drone: là một thiết bị UAV (Unmaned Aerial Vihecle - thiết bị không người lái)
Quadcopter là thiết bị điều khiển từ xa đang ngày càng phổ biến, đặc biệt ở các nước phát triển Nó được sử dụng để quay video với góc quay khó, chụp ảnh và thực hiện nhiều nhiệm vụ khác Với khả năng điều khiển từ xa, tôi đã nghĩ đến việc áp dụng tính năng bay của quadcopter trong các tình huống cứu hộ đơn giản, nhằm hỗ trợ con người trong những trường hợp khẩn cấp.
Quadcopter hiện đang trở thành công cụ phổ biến trong lĩnh vực giải trí, cung cấp góc nhìn từ trên cao cho các môn thể thao và quay phim hành động Bên cạnh đó, Quadcopter còn được ứng dụng trong quân sự để do thám và cứu hộ, giúp quan sát và đánh giá tình hình trong các vụ cháy rừng Ngoài ra, với khả năng linh hoạt và chi phí chế tạo thấp, Quadcopter cũng được sử dụng để vận chuyển bưu kiện nhẹ trong phạm vi gần, mang lại hiệu quả cao hơn so với các loại máy bay truyền thống.
Mô hình bay hoạt động dựa trên nguyên lý cân bằng góc nghiêng của các động cơ đối diện nhau Để máy bay có thể duy trì sự cân bằng trên từng trục, cần điều khiển bốn động cơ một cách chính xác, đồng thời kết hợp điều chỉnh các trục để đạt được sự ổn định tối ưu.
6 với nhau, triệt tiêu quán tính xoay tròn và điều khiển Quadcopter di chuyển ổn định
Yếu tố quan trọng nhất để điều khiển cân bằng và di chuyển là độ chính xác của các góc nghiêng từ cảm biến Thuật toán PID được phát triển dựa trên phương pháp Ziegler – Nichols kết hợp với kinh nghiệm thực tế nhằm tối ưu hóa các thông số điều khiển cho mô hình bay.
MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
• Nghiên cứu phương trình động học, động lực học
• Xây dựng mô hình hoàn chỉnh của Quadcopter
• Tính toán thiết kế mạch điều khiển
• Xây dựng thuật toán điều khiển và phương pháp cân bằng cho
• Điều khiển bay ổn định, điều chỉnh được hướng bay, kiểm soát được tốc độ bay của Quadcopter
PHƯƠNG PHÁP, PHẠM VI, GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU
- Vận dụng những kiến thức đã được học ở trường lớp để áp dụng tính toán trong đề tài nghiên cứu
- Tìm hiểu tham khảo những thông tin từ những bài báo trên internet
* Phạm vi, giới hạn nghiên cứu:
- Sử dụng vi điều khiển là Arduino UNO để điều khiển
- Sử dụng cảm biến MPU-6050 để do góc nghiêng
- Sử dụng bộ điều khiển PID để cân bằng góc nghiêng
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
LÝ THUYẾT BAY, ĐIỀU KHIỂN CỦA QUADCOPTER
Quadcopter, hay còn gọi là UAVs (Unmanned Aerial Vehicles), là thiết bị bay không người lái với cấu trúc gồm 4 động cơ chính và 4 ESC để điều khiển Bốn cánh quạt được gắn trên 4 rotors tạo ra lực nâng, cho phép quadcopter cất cánh khi các cánh quạt quay theo một chiều xác định.
Các chế độ bay cho quadcopter:
• Bay lên trên (cất cánh)
• Bay xuống dưới(hạ cánh)
• Bay sang phải (rẽ phải)
• Bay sang trái (rẽ trái)
Hai động cơ chéo nhau quay cùng chiều, trong khi hai động cơ cạnh nhau quay ngược chiều Để quadcopter bay lên, ta cần tăng đều tốc độ quay của bốn động cơ, từ đó tăng lực nâng theo phương thẳng đứng (trục Z); để hạ cánh, chỉ cần giảm tốc độ quay của bốn động cơ để giảm lực nâng Điều khiển bay về phía trước hoặc phía sau (Pitch-control) liên quan đến việc điều chỉnh lực nâng theo phương dọc (trục X) bằng cách tăng tốc độ quay của rotor bên phải và giảm ở rotor đuôi, hoặc ngược lại Điều khiển bay rẽ trái phải (Roll-control) là việc điều chỉnh lực nâng theo phương ngang (trục Y) bằng cách tăng tốc độ quay của rotor trái và giảm ở rotor phải, hoặc làm ngược lại Cuối cùng, điều khiển quadcopter quay quanh trục của nó (Yaw-control) giúp điều chỉnh hướng bay.
8 thay đổi hướng của quadcopter, điều này giúp quadcopter có thể tự xoay quanh trục Z và thay đổi hướng đầu đuôi của quadcopter
Hình 2 1 Chiều quay của động cơ
ĐỘNG HỌC VÀ PHƯƠNG TRÌNH TOÁN HỌC
2.2.1 Khái niệm về 6 bậc tự do và hệ quy chiếu Đối với một vật thể cứng trong không gian 3-D, có thể mô tả vị trí của tất cả các điểm trên Drone với 6 tọa độ Ba tọa độ đầu tiên là các tọa độ (x,y,z) biểu diễn cho khoảng cách của tâm khối Drone theo ba hướng tương ứng với ba trục độ của không gian 3-D
Trong mô hình giả định ban đầu, bề mặt Trái đất được coi là phẳng và lực hấp dẫn là không đổi, dẫn đến việc tâm khối tương đương với trọng tâm (G) Điều này cho phép chúng ta sử dụng hai thuật ngữ này thay thế cho nhau Để xác định vị trí của drone, ba tọa độ được biểu diễn qua ba góc (𝜙, 𝜃, 𝜓) là cần thiết Nếu chúng ta nắm rõ tất cả 6 tọa độ, việc xác định vị trí của tâm khối sẽ trở nên khả thi.
G từ (x,y,z) và sau đó từ (𝜙, 𝜃, 𝜓) để xác định hướng hoặc trạng thái của Drone so với trọng tâm G
Ba thành phần vectơ vị trí (𝜙, 𝜃, 𝜓) đại diện cho tọa độ trong không gian 3-D, với các trục được căn chỉnh theo hướng Bắc, Đông và độ cao.
9 dọc hướng về tâm trái đất) Nhưng ba tọa độ mô tả trạng thái của Drone khó quan sát một cách trực quan
Có nhiều cách để biểu diễn tính định hướng của Drone, trong đó hai phương pháp phổ biến nhất là góc Euler và Quaternion Góc Euler dễ hiểu và hữu ích trong việc phân tích chuyển động của Drone, nhưng có hạn chế do hiện tượng gimbal-lock, dẫn đến sự bất định trong việc xác định hướng Để giảm thiểu vấn đề này, Quaternion thường được sử dụng trong các mô phỏng và bộ điều khiển của Drone, sau đó chuyển đổi về góc Euler để dễ sử dụng Trước khi tìm hiểu về góc Euler, cần xác định hai hệ quy chiếu (hệ tọa độ) quan trọng để biểu diễn chúng.
Hệ quy chiếu cố định:
Hệ quy chiếu cố định với Trái đất được xác định bởi các trục tọa độ dựa trên các hướng chính như Bắc và Đông, cùng với hướng về tâm Trái đất hoặc vuông góc với bề mặt do giả định Trái đất phẳng Điểm quan trọng là hệ quy chiếu này không di chuyển, với các tọa độ được định nghĩa là (𝜙, 𝜃, 𝜓).
Hình 2 2 Hệ quy chiếu quán tính
Trước đây, Drone được coi như một vật thể cứng với tất cả các thành phần cố định trong một hệ tọa độ tại trọng tâm G Để mô tả khoảng cách và hướng của các cánh quạt đối với G, cần xác định một hệ tọa độ với gốc tại G Hệ quy chiếu Drone sẽ có các tọa độ (b1, b2, b3), trong đó b1 và b2 nằm trên các trục đối xứng của thân Drone, còn b3 hướng thẳng đứng, song song với trục động cơ cánh quạt.
Hình 2 3 Hệ quy chiếu drone
Hiện tại, có hai hệ quy chiếu cần được chuyển đổi qua lại Để thực hiện điều này, cần thiết lập một mối quan hệ tổng quát, cho phép chuyển đổi từ hệ tọa độ này sang hệ tọa độ khác, nhằm thực hiện các phép tính một cách thuận tiện nhất.
Khái niệm chuyển đổi giữa các hệ quy chiếu tương tự như hệ tọa độ vuông góc và hệ tọa độ cực, cho phép mô tả cùng một vị trí bằng cả hai hệ Việc sử dụng các mối quan hệ toán học giúp chúng ta dễ dàng chuyển đổi qua lại giữa các hệ tọa độ này khi cần thiết.
Mục tiêu của nghiên cứu là sử dụng hai tọa độ để phân biệt giữa chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay của Drone Việc giám sát hướng của Drone được thực hiện bằng cách xoay hệ quy chiếu quanh trọng tâm G, trong khi vị trí của Drone được theo dõi thông qua phép tịnh tiến trọng tâm G đối với hệ quy chiếu cố định Phép tịnh tiến này được biểu diễn đơn giản bằng một vectơ của hệ quy chiếu Drone so với hệ quy chiếu cố định Để thể hiện định hướng một cách chính xác, các góc Euler sẽ được sử dụng.
Hình 2 4 chuyển động quay và chuyển động tịnh tiến
2.2.2 Các góc Euler Ý tưởng về góc Euler nhằm biểu diễn bất kỳ hướng cuối cùng nào của hệ quy chiếu thông qua một bộ 3 phép quay tuần tự quanh các trục cụ thể Hãy thử làm một phép quay, ví dụ quanh các trục khác nhau để biết cách hoạt động của nó Sử dụng ký hiệu ma trận để mô tả các phép quay, trước tiên chúng ta hãy bắt đầu với trường hợp đơn giản trong đó các trục tọa độ của cả hai khung tọa độ (hệ quy chiếu cố định và Drone) có cùng hướng
Trong bài viết này, chúng ta đang trình bày các khung tọa độ với các vectơ đơn vị (x,y,z) và (b1,b2,b3) Một phương pháp hiệu quả để chuyển đổi giữa các vectơ là sử dụng phép nhân ma trận Khi cả ba thành phần song song với nhau, ma trận biến đổi sẽ trở thành ma trận đơn vị, như thể hiện trong hình trên.
Khi xoay hệ quy chiếu của Drone quanh một trong các trục, trục quay vẫn song song với trục cố định tương ứng Các trục của hệ quy chiếu Drone có thể được mô tả bằng hàm lượng giác liên quan đến các thành phần quán tính và góc quay Các phương trình này có thể được tóm gọn thành biểu thức nhân ma trận, tương ứng với từng trục riêng lẻ.
Ma trận chuyển đổi, hay còn gọi là Ma trận Cosine Hướng (Direction Cosine Matrix - DCM), được ký hiệu là R Các ma trận này là trực chuẩn, với các vectơ đơn vị trực giao, và có tính chất R^T = R^(-1).
Bây giờ hãy tưởng tượng thực hiện tuần tự 3 phép quay đó theo thứ tự quay quanh b3, đến b2, rồi đến b1 Hệ quy chiếu Drone sẽ có dạng như sau:
Hình 2 6 các phép quay tuần tự
Khi thực hiện các phép quay thứ hai và thứ ba quanh các trục đã được xoay, việc duy trì thứ tự của các góc Euler là rất quan trọng Có nhiều trình tự khác nhau với các quy luật riêng, nhưng khi đã chọn một chuỗi ba phép quay, cần tuân thủ thứ tự đó để đảm bảo hướng cuối cùng chính xác Trong mô hình này, chúng ta sẽ sử dụng tiêu chuẩn góc Drone 3-2-1, như đã minh họa Để hiểu rõ hơn về các góc Euler, mỗi góc quay sẽ được xác định trong một hệ quy chiếu trung gian, dẫn đến tổng cộng 4 hệ quy chiếu, nhưng chúng ta chỉ quan tâm đến hệ quy chiếu cố định và hệ quy chiếu Drone sau ba lần quay Kết quả của phép biến đổi ma trận cho phép nối các ma trận quay lại với nhau, giúp đơn giản hóa 3 ma trận thành một ma trận duy nhất, biến đổi tọa độ hệ quy chiếu quán tính sang tọa độ hệ quy chiếu Drone Lưu ý rằng vectơ (x,y,z) sẽ được nhân với phép quay góc 𝜓 trước, sau đó là 𝜃, và cuối cùng là 𝜙.
= [ cos 𝜃 cos 𝜓 cos 𝜃 sin 𝜓 −sin 𝜃
− cos 𝜙 sin 𝜓 + sin 𝜙 sin 𝜃 cos 𝜓 cos 𝜙 cos 𝜓 + sin 𝜙 sin 𝜃 sin 𝜓 sin 𝜙 cos 𝜃 sin 𝜙 sin 𝜓 + cos 𝜙 sin 𝜃 cos 𝜓 − sin 𝜙 cos 𝜓 + cos 𝜙 sin 𝜃 sin 𝜓 cos 𝜙 cos 𝜃
Để đơn giản hóa ký hiệu, chúng ta sử dụng biến 𝐶 𝑗 𝑖 để tham chiếu đến các phép biến đổi tọa độ giữa hai hệ quy chiếu, trong đó phép biến đổi diễn ra từ hệ quy chiếu i sang hệ quy chiếu j Ma trận này sẽ được biểu diễn dưới dạng chuyển đổi từ hệ quy chiếu cố định n (Navigation) sang hệ quy chiếu Drone b (Body).
LÝ THUYẾT BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID - Proportional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển phổ biến, được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp PID được xem là loại bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất trong lĩnh vực này.
Bộ điều khiển PID hoạt động bằng cách tính toán giá trị "sai số", được xác định là hiệu số giữa giá trị đo thực tế của thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn.
Bộ điều khiển PID sử dụng ba thông số chính: tỷ lệ (P), tích phân (I) và đạo hàm (D) Thông số tỷ lệ phản ánh ảnh hưởng của sai số hiện tại, trong khi tích phân xem xét tổng hợp các sai số trong quá khứ, và đạo hàm đánh giá tốc độ thay đổi của sai số.
Hình 2 9 sơ đồ khối bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID không nhất thiết phải có đủ cả ba khâu; tùy thuộc vào hệ thống, có thể chỉ cần sử dụng một hoặc hai khâu Khi hệ số K của khâu còn lại bằng 0, bộ điều khiển sẽ được gọi là bộ điều khiển PI, PD hoặc P.
I Bộ điều khiển PI khá phổ biến, do đáp ứng vi phân khá nhạy đối với các nhiễu đo lường, trái lại nếu thiếu giá trị tích phân có thể khiến hệ thống không đạt được giá trị mong muốn
Pout là thành phần đầu ra khâu Tỉ Lệ
Iout là thành phần đầu ra khâu Tích Phân
Dout là thành phần đầu ra khâu Vi Phân
Vấn đề khó khăn khi sử dụng thuật toán PID để điều khiển mô hình là việc lựa chọn các giá trị Kp, Ki, Kd
Khâu tỉ lệ, hay còn gọi là độ lợi, ảnh hưởng đến giá trị đầu ra dựa trên tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại Để điều chỉnh đáp ứng tỉ lệ, sai số được nhân với một hằng số Kp, được gọi là độ lợi tỉ lệ.
𝑃 𝑜𝑢𝑡 = 𝐾 𝑝 × 𝑒(𝑡) Pout: thừa số tỷ lệ đầu ra
Độ lợi tỉ lệ (Kp) là thông số quan trọng trong hệ thống điều khiển, phản ánh sự thay đổi đầu ra khi sai số (e) thay đổi Độ lợi lớn cho thấy đầu ra thay đổi mạnh mẽ với sai số nhỏ, nhưng nếu quá cao, hệ thống có thể trở nên không ổn định Ngược lại, độ lợi nhỏ dẫn đến phản ứng đầu ra yếu trong khi sai số đầu vào lớn, làm giảm độ nhạy của bộ điều khiển và gây ra phản ứng chậm Khi độ lợi quá thấp, tác động điều khiển có thể không đủ để ứng phó với nhiễu trong hệ thống.
Khâu tích phân, hay còn gọi là reset, có phân phối tỉ lệ thuận với biên độ sai số và thời gian xảy ra sai số Tổng sai số tức thời theo thời gian (tích phân sai số) giúp chúng ta có được tích lũy bù đã được hiệu chỉnh Tích lũy sai số này được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển Biên độ phân phối của khâu tích phân trên tất cả các tác động điều chỉnh được xác định bởi độ lợi tích phân.
Iout : Đáp ứng ngõ ra của khâu tích phân
Ki: hằng số độ lợi tích phân e: sai số = SP – PV t: thời gian hiện tại τ: một biến tích phân trung gian
Khâu tích phân đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện tốc độ đáp ứng của hệ thống, giúp hệ thống nhanh chóng đạt được điểm đặt và ổn định khử dư sai số Tuy nhiên, do tính chất tích lũy của sai số, khâu tích phân có thể dẫn đến hiện tượng giá trị hiện tại vượt quá giá trị đặt.
Tốc độ thay đổi của sai số trong quá trình điều khiển được xác định bằng cách tính độ dốc của sai số theo thời gian, tức là đạo hàm bậc một theo thời gian, và sau đó nhân với độ lợi tỉ lệ Kp Biên độ của phân phối khâu vi phân, thường được gọi là tốc độ, trên tất cả các hành vi điều khiển bị giới hạn bởi độ lợi vi phân.
𝑑𝑡𝑒(𝑡) Dout: đáp ứng ngõ ra khâu vi phân
Kd: độ lợi vi phân e: sai số t: thời gian hiện tại
Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi đầu ra của bộ điều khiển, giúp đạt được điểm đặt một cách chính xác Việc sử dụng điều khiển vi phân giúp giảm biên độ vọt lố từ thành phần tích phân và tăng cường độ ổn định cho bộ điều khiển hỗn hợp Tuy nhiên, cần lưu ý rằng phép vi phân có thể khuếch đại nhiễu, làm cho bộ điều khiển trở nên nhạy cảm hơn với sai số và có thể dẫn đến quá trình không ổn định.
2.3.4 Cách hoạt động và xác lập thông số của bộ PID
Để đảm bảo 30 đế vòng lặp PID hoạt động hiệu quả, cần điều chỉnh các thông số điều khiển cho từng khâu đến khi đạt được giá trị đáp ứng tối ưu Độ ổn định là yếu tố cơ bản mà hệ thống PID phải đảm bảo Tuy nhiên, việc điều khiển PID là một thách thức, ngay cả khi chỉ có ba thông số Nếu các thông số của bộ điều khiển bị lựa chọn sai, hệ thống sẽ trở nên không ổn định và có sự khác biệt trong đáp ứng.
Sự không ổn định do dư thừa độ lợi, đặc biệt khi độ trẻ lớn, cần được kiểm soát để duy trì sự ổn định Tóm lại, độ ổn định này phải được đảm bảo, và quá trình không nên có sự giao động.
Có nhiều phương pháp điều chỉnh vòng lặp PID, trong đó các phương pháp hiệu quả thường dựa trên mô hình xử lý để xác định các thông số P, I và D theo đặc điểm của mô hình động học Các phương pháp điều chỉnh thủ công thường không mang lại hiệu quả cao, đặc biệt là đối với các vòng lặp có thời gian tính toán dài.
2.3.5 Điều chỉnh thủ công Ở phương pháp này, ban đầu ta thiết lập thông số Ki và Kd bằng không Tăng dần Kp đến khi mô hình dao động điều hòa sau đó chỉnh Kp bằng một nửa giá trị trên Ta có Kp, sau đó tăng Ki đến khi đủ thời gian xử lý Tuy nhiên
LƯU ĐỒ ĐIỀU KHIỂN CẤT CÁNH, HẠ CÁNH, TỚI LÙI, TRÁI PHẢI
2.4.1 Lưu đồ điều khiển cất cánh, hạ cánh
Hình 2 12 Sơ đồ khối điều khiển cất cánh
Cất cánh là quá trình mà người điều khiển sử dụng tay cầm kênh throttle để gửi tín hiệu cho vi điều khiển Vi điều khiển sẽ xử lý dữ liệu từ kênh ga và cảm biến gyro, đồng thời thực hiện hiệu chỉnh PID cho các thông số roll, pitch và yaw Cuối cùng, vi điều khiển xuất tín hiệu điều khiển đến bốn động cơ để thực hiện cất cánh.
2.4.2 Lưu đồ điều khiển tiến lùi
Hình 2 13 Sơ đồ khối điều khiển tiến lùi
Để di chuyển tiến và lùi, người điều khiển sử dụng tay cầm kênh roll, từ đó vi điều khiển nhận tín hiệu và xử lý dữ liệu từ cảm biến gyro Việc hiệu chỉnh PID cho các thông số roll, pitch và yaw được thực hiện, sau đó tín hiệu điều khiển cho bốn động cơ sẽ được xuất ra.
2.4.3 Lưu đồ điều khiển trái phải
Hình 2 14 Sơ đồ điều khiển trái phải
Để di chuyển sang trái hoặc phải, người dùng cần điều khiển tay cầm kênh pitch Vi điều khiển sẽ nhận tín hiệu từ kênh pitch và tiến hành xử lý dữ liệu liên quan đến pitch và cảm biến.
36 biến gyro, hiệu chỉnh PID (roll, pitch,yaw) Sau đó xuất tín hiệu điều khiển 4 động cơ
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG
LINH KIỆN
-Chất lượng: nhựa, có độ bền cao
Khung máy bay được chế tạo từ vật liệu siêu bền, mang lại khả năng chống va đập hiệu quả Sử dụng bộ khung PCB hợp chất có độ bền cao, giúp kết nối giữa ESC và pin trở nên an toàn và thuận tiện hơn.
3.1.2 Động cơ DC không chổi than
Motor không chổi than (brushless motor) được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực như quạt DC, quạt tản nhiệt, linh kiện máy móc công nghiệp, xe đạp điện, xe máy điện và đồ chơi mô hình Đặc biệt, hầu hết các máy bay mô hình hiện nay đều sử dụng motor DC không chổi than.
Động cơ DC không chổi than (Brushless DC motor) sử dụng các thanh nam châm cố định trên rotor để kích thích hoạt động của động cơ Các cuộn dây được bố trí lệch nhau 120 độ trong không gian của Stator, tạo ra sự tương tác từ trường hiệu quả.
Cấu tạo của động cơ:
Motor không chổi than bao gồm các bộ phận sau:
Stator là thành phần quan trọng trong động cơ, bao gồm các lõi sắt được làm từ lá thép kỹ thuật điện cách điện với nhau và dây quấn Cách quấn dây của động cơ không chổi than khác biệt so với động cơ xoay chiều 3 pha thông thường, tạo ra hiệu suất và đặc tính hoạt động riêng biệt cho từng loại động cơ.
Rotor: Về cơ bản, bộ phận này cũng tương tự như các động cơ có nam châm vĩnh cửu khác
Cảm biến Hall, hay còn gọi là cảm biến hiệu ứng Hall, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định vị trí của từ trường rotor trong động cơ BLDC Do đặc thù của sức phản điện động của động cơ này có dạng hình thang, cấu hình điều khiển cần phải có cảm biến để tương quan với các pha của cuộn dây stator Sử dụng cảm biến Hall giúp cải thiện hiệu suất và độ chính xác trong quá trình điều khiển động cơ.
Động cơ không chổi than (BLDC) thường có 3 cuộn dây trên stato, dẫn đến việc có 6 dây dẫn điện kéo dài từ các cuộn dây này Trong số đó, 3 dây được kết nối bên trong, trong khi 3 dây còn lại kéo dài từ thân động cơ Việc đấu dây trong vỏ của động cơ BLDC phức tạp hơn so với việc chỉ kết nối các cực âm và dương của tế bào nguồn.
Do đó, những ưu điểm của động cơ không chổi than được biết đến như:
Động cơ không chổi than nổi bật với hiệu quả cao, cho phép điều khiển liên tục ở lực quay tối đa (mô men xoắn) Trong khi đó, động cơ có chổi than chỉ đạt mô men xoắn cực đại tại một số điểm nhất định trong vòng quay Điều này lý giải tại sao ngay cả động cơ không chổi than mini cũng có thể cung cấp công suất đáng kể.
Motor không chổi than (BLDC) nổi bật với khả năng kiểm soát hoạt động hiệu quả, nhờ vào cơ chế phản hồi cho phép phân phối chính xác mô men xoắn và tốc độ quay theo yêu cầu của người dùng Việc điều khiển chính xác này không chỉ giảm mức tiêu thụ năng lượng và hạn chế sinh nhiệt, mà còn giúp kéo dài tuổi thọ và độ bền của pin trong các động cơ chạy bằng pin.
Động cơ BLDC được biết đến với độ bền cao và tiếng ồn thấp nhờ vào việc không sử dụng chổi than Trong khi đó, động cơ có chổi than thường gặp phải vấn đề mài mòn do tiếp xúc liên tục, tạo ra tia lửa và sinh nhiệt tại điểm tiếp xúc Tiếng ồn điện xuất phát từ các tia lửa điện mạnh xuất hiện khi chổi than đi qua khe hở của cổ góp Chính vì lý do này, động cơ BLDC thường được ưa chuộng cho các ứng dụng cần giảm thiểu nhiễu điện.
Do động cơ sử dụng nam châm vĩnh cửu, giá thành sản xuất ban đầu cao, nhưng với sự tiến bộ của công nghệ hiện nay, chi phí cho nam châm có thể giảm đáng kể.
Nam châm sắt có khả năng từ hóa dễ dàng, nhưng khả năng tích trữ từ trường không cao Chúng cũng dễ bị khử từ và đặc tính từ của chúng giảm khi nhiệt độ tăng.
Việc điều khiển tốc độ động cơ BLDC dựa trên nguyên tắc cấp xung tuần tự cho các cuộn dây nhằm tạo ra từ trường quay Để thực hiện điều này, bộ điều tốc ESC (Electronic Speed Controller) được sử dụng, có chức năng biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều 3 pha với tần số thay đổi Để đảo chiều động cơ, chỉ cần thay đổi vị trí của 2 trong 3 dây pha.
Trong các mô hình máy bay, ESC (Electronic Speed Controller) điều khiển tốc độ dựa vào độ rộng xung của tín hiệu PWM Tín hiệu PWM này được chuẩn hóa theo động cơ RC servo, với độ rộng xung từ 1-2ms và tần số điều khiển 50Hz Khi tần số cấp xung tăng cao, rotor sẽ quay với tốc độ lớn hơn.
3.1.3 Bộ điều tốc – ESC( Electronic speed controler)
ESC là một thiết bị biến tần, có chức năng chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều với tần số có thể điều chỉnh, nhằm cung cấp năng lượng cho động cơ.
ESC chuyển đổi điện áp DC 2 pha thành điện áp DC 3 pha lệch 120 độ, với chu kỳ phụ thuộc vào tần số xung kích Độ rộng xung của mỗi pha được điều khiển thông qua tín hiệu PWM.
Như vậy khi ta cấp xung PWM với độ rộng xung nhỏ thì ngõ ra ESC sẽ nhỏ và ngược lại
Cấu tạo và kết nối:
SƠ ĐỒ NGUYÊN LÍ TOÀN MẠCH
Hình 3 11 Sơ đồ nguyên lý
• Dây tín hiệu của 4 ESC được nối vào chân 4,5,6,7
• SDA và SCL của cảm biến được nối vào chân A4, A5
• Led báo nguồn nối vào chân 12
• Các chân của module Receiver nối vào các chân 8,9,10,11
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Hình 3 12 Sơ đồ khối lý thuyết tay cầm điều khiển
- Nguồn : Tay cầm sử dụng nguồn bốn pin tiểu (1.5V) Điện áp dao động khoảng 3.7-6.3V thì sử dụng bình thường
- Có 6 kênh điều khiển và màn hình điều khiển
Hình 3 13 Sơ đồ khối bộ điều khiển trung tâm
- Nguồn: Pin Lipo 2200 mah cung cấp cho động cơ, các ESC và arduino Còn cảm biến và mạch Receivers sử dụng nguồn 5V của arduino
- Cảm biến cân bằng: cảm biến MPU 6050 để đo góc nghiêng cho máy bay
- Vi điều khiển: VĐK Atmega 328 tích hợp trên board arduino
- Mạch thu sóng RF: Receiver của tay Flsky i6
LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT
Hình 3 14 Lưu đồ giải thuật
Khối khởi động sử dụng nguồn điện từ pin LiPo 11.5V, được chia thành ba nhánh khi cấp nguồn vào mạch Nhánh đầu tiên cung cấp điện cho bốn bộ điều tốc ESC, điều khiển bốn động cơ Nhánh thứ hai cấp nguồn cho vi điều khiển, Gyro và relay, trong khi nhánh thứ ba cung cấp điện cho động cơ tạo áp suất Việc sử dụng pin LiPo là cần thiết do yêu cầu dòng điện lớn để đạt tốc độ cao cho các động cơ.
3.4.2 Khối khởi tạo thông số MPU 6050
MPU6050 giao tiếp với vi điều khiển Arduino UNO thông qua giao thức I2C (Inter Integrated Circuit), vì vậy việc xác định địa chỉ của cảm biến Gyro là rất quan trọng Sau khi lấy địa chỉ, chúng ta sẽ nạp thông số ba trục khi Quadcopter ở trạng thái cân bằng vào các biến để xử lý PID Giao thức I2C cho phép kết nối nhiều thiết bị, nhờ vào tính năng giao tiếp nối tiếp đồng bộ của nó.
Kiểm tra xem Tx và Rx đã nhận được tín hiệu hay chưa và đồng thời kiểm tra sự kết nối giữa arduino và Rx
Hình 3 16 Code kiểm tra Receiver
Nếu đã nhận được tín hiệu từ Receiver thì tiếp tục chạy các dòng lệnh tiếp theo, nếu không thì tiếp tục kiểm tra tín hiệu Receiver
3.4.4 Chuẩn hóa tín hiệu từ receiver về 1000us – 2000us Ở đây ta phải chuẩn hóa để bốn kênh tín hiệu được thống nhất, đồng bộ với nhau Đầu tiên ta lưu vào eeprom vị trí cao nhất và thấp nhất của các cần điều khiển Tiếp theo ta so sánh giá trị hiện tại nhận được ở biến Actual để so sánh với các biến định mức Low, High và Center, sau đó quy về giá trị 1000us
Hình 3 17 Code thực hiện chuẩn hóa Receiver
3.4.5 Khối lấy giá trị của Gyro và chuyển vào bộ PID Ở khối này, ta tiếp tục lấy giá trị hiện tại ba trục Gyro ở thời điểm hiện tại và giá trị này được xử lý thành tốc độ góc:
Hình 3 18 Code đổi giá trị Gyro sang tốc độ góc
Sau đó ra chuyển giá trị đã biến đổi này vào vộ PID để tiếp tục tính toán
3.4.6 Khối kiểm tra điều kiện khởi động Đến đây, các thông số đã sẳn sàng để máy bay cách cánh, tuy nhiên ta cần một số điều kiện để giúp cho quá trình điều khiển sự khởi động và sự tắt máy bay từ xa được an toàn Trong dự án này sử dụng các cần điều khiển làm công tắc đóng ngắt nguồn điện Khi ta hạ cần throttle xuống vị trí thấp nhất bên trái thì cả bốn động cơ sẽ khởi động Nếu cần throttle ở vị trí cao nhất bên phải, cả bốn động cơ sẽ bị ngắt nguồn hoàn toàn
Hình 3 19 Code điều khiển để khởi động động cơ
Khi giá trị bắt đầu là hai, hệ thống sẽ khởi động và thực hiện tính toán PID; nếu không, quá trình này sẽ tiếp tục lặp lại trong vòng lặp.
3.4.7 Khối tính toán PID Đầu tiên ta tìm sai số hiện tại so với gia trị ban đầu ở vị trí cân bằng hoàn toàn
0 Đó chính là e(t) sai số theo thời gian Nhân nó với hệ số Kp ta đã đặt trước đó, ta được khâu tỉ lệ đầu tiên
Khâu tiếp theo trong quy trình là khâu tích phân, nơi chúng ta tiếp tục tính toán sai số cộng dồn theo thời gian Sai số này sau đó được nhân với độ lợi Ki để tạo thành khâu tích phân Để thực hiện điều này, chúng ta sử dụng dòng lệnh thích hợp.
Tiếp theo, chúng ta tiến hành tính toán khâu vi phân bằng cách sử dụng phép trừ để xác định tốc độ thay đổi của sai số theo thời gian Cụ thể, ta lấy sai số hiện tại trừ đi sai số trước đó và nhân với Kd, độ lợi của khâu vi phân.
Phương trình PID được hình thành bằng cách cộng ba phép tính lại với nhau, sau đó thực hiện lặp đi lặp lại trong một vòng lặp thời gian nhằm liên tục cập nhật các thay đổi nhỏ.
3.4.8 Khối cấp xung cho ESC Để điều khiển bốn động cơ chính, điều khiển thông qua bộ ESC đã giới thiệu ở trên bằng cách gởi xung điện
Đoạn code trên điều khiển bốn ESC để tạo ra hai cặp motor với tốc độ đồng nhất, giúp máy bay có thể di chuyển tới lui, qua trái, qua phải và xoay ổn định Cụ thể, esc_1 là motor quay ngược chiều kim đồng hồ (CCW) ở phía trước bên phải, esc_2 là motor quay theo chiều kim đồng hồ (CW) ở phía sau bên phải, esc_3 là motor CCW ở phía sau bên trái, và esc_4 là motor CW ở phía trước bên trái.
