HD6 khuất đức dương nghiên cứu thiết kế mô hình máy bay không người lái

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ  - - BỘ CƠNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - - Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế mơ hình máy bay khơng người lái BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ Giáo viên hướng dẫn : Th.S Khuất Đức Dương  - - Sinh viên thực : Giáp Ngọc Hải Nguyễn Văn Hải 2018603751 2018605186 Nguyễn Dương Phi 2018603846 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ Lớp:  - - ĐH CƠ ĐIỆN TỬ – K13 BỘ CÔNG THƯƠNG Hà Nội: 2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ  - - BỘ CƠNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI I MỤC LỤC MỤC LỤC I DANH MỤC HÌNH ẢNH III CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 LỊCH SỬ HÌNH THÀNH 1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1.3 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 1.4 PHƯƠNG PHÁP, PHẠM VI, GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 LÝ THUYẾT BAY, ĐIỀU KHIỂN CỦA QUADCOPTER 2.2 ĐỘNG HỌC VÀ PHƯƠNG TRÌNH TỐN HỌC 2.2.1 Khái niệm bậc tự hệ quy chiếu 2.2.2 Các góc Euler 11 2.2.3 Mô tả chuyển động 15 2.3 LÝ THUYẾT BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 26 2.3.1 Khâu tỉ lệ 28 2.3.2 Khâu tích phân 28 2.3.3 Khâu vi phân 29 2.3.4 Cách hoạt động xác lập thông số PID 29 2.3.5 Điều chỉnh thủ công 30 2.3.6 Phương pháp Ziegler-Nichols 30 2.3.7 Xây dựng thuật toán điều khiển 31 2.4 LƯU ĐỒ ĐIỀU KHIỂN CẤT CÁNH, HẠ CÁNH, TỚI LÙI, TRÁI PHẢI 33 2.4.1 Lưu đồ điều khiển cất cánh, hạ cánh 33 2.4.2 Lưu đồ điều khiển tiến lùi 34 2.4.3 Lưu đồ điều khiển trái phải 35 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG 37 3.1 LINH KIỆN 37 3.1.1 Khung quadcopter 37 3.1.2 Động DC không chổi than 37 3.1.3 Bộ điều tốc – ESC( Electronic speed controler) 40 3.1.4 Cảm biến MPU6050 42 3.1.5 Board điều khiển – Board Arduino Uno 43 3.1.6 Nguồn cấp (pin) 45 II 3.1.7 Cánh quạt 46 3.1.8 Bộ RX – TX tay cầm Flysky I6 47 3.2 SƠ ĐỒ NGUN LÍ TỒN MẠCH 48 3.3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG 49 3.4 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT 50 3.4.1 Khối khởi động 50 3.4.2 Khối khởi tạo thông số MPU 6050 51 3.4.3 Khối kiểm tra Receiver 51 3.4.4 Chuẩn hóa tín hiệu từ receiver 1000us – 2000us 52 3.4.5 Khối lấy giá trị Gyro chuyển vào PID 53 3.4.6 Khối kiểm tra điều kiện khởi động 53 3.4.7 Khối tính tốn PID 54 3.4.8 Khối cấp xung cho ESC 54 3.5 THIẾT KẾ MƠ HÌNH TRÊN SOLIDWORK 55 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN 56 4.1 MƠ HÌNH LẮP RÁP HOÀN THIỆN 56 4.2 MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ TRÊN MATLAB SIMULINK 56 4.3 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 61 4.4 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 64 KẾT LUẬN 66 DANH MỤC THAM KHẢO 67 PHỤ LỤC III DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Chiều quay động Hình 2 Hệ quy chiếu quán tính Hình Hệ quy chiếu drone 10 Hình chuyển động quay chuyển động tịnh tiến 11 Hình Nhân ma trận 13 Hình phép quay 13 Hình Quy ước chiều hệ tọa độ Drone 19 Hình Chuỗi phép quay góc euler 24 Hình sơ đồ khối điều khiển PID 27 Hình 10 sơ đồ khối hệ điều khiển cân 31 Hình 11 Tín hiệu điều khiển hồn chỉnh 31 Hình 12 Sơ đồ khối điều khiển cất cánh 33 Hình 13 Sơ đồ khối điều khiển tiến lùi 34 Hình 14 Sơ đồ điều khiển trái phải 35 Hình Khung quadcopter 37 Hình Động không chổi than DC 38 Hình 3 ESC 41 Hình Sơ đồ kết nối ESC- 30A với pin, động BLDC Arduino 41 Hình MPU6050 43 Hình Board Arduino Uno 44 Hình Cấu tạo Board Arduino Uno 44 Hình Pin lipo 45 Hình Cánh quạt 46 Hình 10 Bộ tay điều khiển kênh Fly Sky I6 47 Hình 11 Sơ đồ nguyên lý 48 Hình 12 Sơ đồ khối lý thuyết tay cầm điều khiển 49 Hình 13 Sơ đồ khối điều khiển trung tâm 49 Hình 14 Lưu đồ giải thuật 50 Hình 15 Giao thức I2C 51 Hình 16 Code kiểm tra Receiver 52 Hình 17 Code thực chuẩn hóa Receiver 53 IV Hình 18 Code đổi giá trị Gyro sang tốc độ góc 53 Hình 19 Code điều khiển để khởi động động 53 Hình 20 Code PID 54 Hình 21 Code cấp xung cho ESC 55 Hình 22 Mơ hình solidwork 55 Hình Mơ hình lắp ráp hồn thiện 56 Hình Sơ đồ khối 57 Hình Khối biến đổi omega 57 Hình 4 Khối tính gia tốc góc 58 Hình Khối tính gia tốc tuyến tính 59 Hình Khối PID 60 Hình Đồ thị góc theta 60 Hình Một số hình ảnh bay 61 Hình Một số hình ảnh bay 62 Hình 10 Một số hình ảnh bay 62 Hình 11 Một số hình ảnh bay lỗi 63 Hình 12 Một số hình ảnh bay lỗi 63 Hình 13 Một số hình ảnh bay lỗi 64 Lời cảm ơn Trước tiên chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Khuất Đức Dương tạo điều kiện tận tình hướng dẫn, góp ý, động viên chúng em suốt q trình nghiên cứu thực đồ án tốt nghiệp Chúng em chân thành cảm ơn thầy cô trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội trang bị cho chúng em nhiều kiến thức quan trọng, bổ ích để chúng em áp dụng, sáng tạo làm đồ án tốt nghiệp Trong toàn đồ án này, cố gắng nhiều khơng tránh nhiều thiếu sót Mong q thầy cô thông cảm bảo chúng em để đề tài hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn! Tóm Tắt Hiện thời đại cơng nghiệp hóa đại hóa đất nước, với bùng nổ phát triển nhanh chóng khoa học công nghệ làm cho kinh tế phát triển nhanh chóng đời sống người cải thiện Các thiết bị máy móc cơng nghiệp, cơng trình nghiên cứu khoa học tự động hóa ứng dụng rộng rãi nhằm tăng suất, hiệu lao động nhiều lĩnh vực như: giao thông, xây dựng, sản xuất công nghiệp, thiết bị y tế, quân sự, Ngoài ứng dụng nêu trên, không dừng lại với ứng dụng mặt đất mà người nghiên cứu ứng dụng không nhiều Cụ thể nghiên cứu thiết bị, vật thể bay nhằm mục đích chinh phục không trung vũ trụ Với việc chế tạo thiết bị bay có khả di chuyển vào địa hình nguy hiểm (như hang động, vực sâu) mà người đặt chân tới được; thu thập, giám sát gửi liệu từ camera máy tính Với mong muốn nghiên cứu mơ hình máy bay điều khiển giúp ích cho người phun thuốc trừ sâu hay vận chuyển đồ đạc cứu trợ đồng bào bị lũ lụt mà phương tiện đường khơng tới Mục đích đồ án nghiên cứu, thiết kế thi cơng mơ hình máy bay khơng người lái bao gồm vấn đề sau: • Chương Tổng Quan: Lịch sử hình thành, mục tiêu đề tài, phương pháp phạm vi giới hạn nghiên cứu • Chương Cơ Sở Lý Thuyết: Lý thuyết bay điều khiển máy bay khơng người lái, Mơ hình động học máy bay khơng người lái, Mơ hình động lực học máy bay khơng người lái • Chương Thiết Kế Tính Tốn: Tính tốn, thiết kế hệ thống khí, Tính tốn, thiết kế hệ thống điều khiển • Chương Kết luận định hướng phát triển: Kết đạt định hướng phát triển battery_voltage = (analogRead(0) + 65) * 1.2317; loop_timer = micros(); gian cho vòng lặp //Đặt đếm thời //When everything is done, turn off the led digitalWrite(12,LOW); // Tắt led } ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// ////////////////////// // Chương trình vịng lặp ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// ////////////////////// void loop(){ gyro_roll_input = (gyro_roll_input * 0.7) + ((gyro_roll / 65.5) * 0.3); //Đầu vào quay hồi chuyển độ / giây gyro_pitch_input = (gyro_pitch_input * 0.7) + ((gyro_pitch / 65.5) * 0.3); gyro_yaw_input = (gyro_yaw_input * 0.7) + ((gyro_yaw / 65.5) * 0.3); //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// //Tính tốn góc quay hồi chuyển //0.0000611 = / (250Hz / 65.5) angle_pitch += gyro_pitch * 0.0000611; nghiêng thêm giá trị vào biến angle_pitch //Tính góc angle_roll += gyro_roll * 0.0000611; //0.000001066 = 0.0000611 * (3.142(PI) / 180degr) 0,000001066 = 0,0000611 * (3,142 (PI) / 180degr) Hàm Arduino sin tính radian angle_pitch -= angle_roll * sin(gyro_yaw * 0.000001066); IMU nhận,chuyển góc raw sang góc nghiêng //Nếu angle_roll += angle_pitch * sin(gyro_yaw * 0.000001066); //Tính tốn góc gia tốc kế acc_total_vector = sqrt((acc_x*acc_x)+(acc_y*acc_y)+(acc_z*acc_z)); //Tính tổng vectơ gia tốc kế if(abs(acc_y) < acc_total_vector){ angle_pitch_acc = asin((float)acc_y/acc_total_vector)* 57.296; góc tung độ //Tính } if(abs(acc_x) < acc_total_vector){ angle_roll_acc = asin((float)acc_x/acc_total_vector)* -57.296; } //Đặt mức linh kiện MPU-6050 ghi lại giá trị hai dòng sau để hiệu chuẩn angle_pitch_acc -= 0.0; gia tốc kế cho trục pitch angle_roll_acc -= 0.0; tốc kế cho trục roll //Giá trị hiệu chỉnh //Giá trị hiệu chuẩn gia angle_pitch = angle_pitch * 0.9996 + angle_pitch_acc * 0.0004; //Hiệu chỉnh độ lệch góc quay hồi chuyển góc gia tốc kế angle_roll = angle_roll * 0.9996 + angle_roll_acc * 0.0004; pitch_level_adjust = angle_pitch * 15; chỉnh góc pitch roll_level_adjust = angle_roll * 15; chỉnh góc roll if(!auto_level){ chế độ tự động cấp //Tính tốn hiệu //Tính tốn hiệu //Nếu quadcopter không pitch_level_adjust = 0; cao độ thành //Đặt hiệu chỉnh góc roll_level_adjust = 0; } if ( start == 0){ esc_1 = 0; esc_2 = 0; esc_3 = 0; esc_4 = 0; } //Để khởi động động cơ: vặn ga thấp di chuyển sang trái (bước 1) if(receiver_input_channel_3 < 1050 && receiver_input_channel_4 < 1050)start = 1; //Khi cần gạt trở lại vị trí trung tâm, khởi động động (bước 2) if(start == && receiver_input_channel_3 < 1050 && receiver_input_channel_4 > 1450){ start = 2; angle_pitch = angle_pitch_acc; //Đặt góc bước quay hồi chuyển với góc bước gia tốc kế khởi động quadcopter angle_roll = angle_roll_acc; // Đặt góc cuộn quay hồi chuyển với góc cuộn gia tốc kế khởi động quadcopter gyro_angles_set = true; IMU //Đặt cờ bắt đầu //Đặt lại điều khiển PID để có khởi đầu dễ dàng pid_i_mem_roll = 0; pid_last_roll_d_error = 0; pid_i_mem_pitch = 0; pid_last_pitch_d_error = 0; pid_i_mem_yaw = 0; pid_last_yaw_d_error = 0; } //Dừng động cơ: vặn ga thấp ngáp sang phải if(start == && receiver_input_channel_3 < 1050 && receiver_input_channel_4 > 1950)start = 0; //Điểm đặt PID tính độ giây xác định đầu vào thu cuộn //Trong trường hợp chia cho 3, tốc độ cuộn tối đa khoảng 164 độ giây ((500-8) / = 164d / s) pid_roll_setpoint = 0; // cần dải nhỏ 16us để có kết tốt if(receiver_input_channel_1 > 1508)pid_roll_setpoint = receiver_input_channel_1 - 1508; else if(receiver_input_channel_1 < 1492)pid_roll_setpoint = receiver_input_channel_1 - 1492; pid_roll_setpoint -= roll_level_adjust; chỉnh góc khỏi giá trị đầu vào cuộn thu chuẩn hóa //Trừ phần hiệu pid_roll_setpoint /= 3.0; //Chia điểm đặt cho điều khiển cuộn PID cho để có góc theo độ //Điểm đặt PID tính độ giây xác định đầu vào thu âm độ //Trong trường hợp chia cho 3, tốc độ cao độ tối đa khoảng 164 độ giây ((500-8) / = 164d / s) pid_pitch_setpoint = 0; if(receiver_input_channel_2 > 1508)pid_pitch_setpoint = receiver_input_channel_2 - 1508; else if(receiver_input_channel_2 < 1492)pid_pitch_setpoint = receiver_input_channel_2 - 1492; pid_pitch_setpoint -= pitch_level_adjust; pid_pitch_setpoint /= 3.0; 10 //Điểm đặt PID tính độ giây xác định đầu vào thu yaw //Trong trường hợp chia cho 3, tốc độ ngáp tối đa khoảng 164 độ giây ((500-8) / = 164d / s) pid_yaw_setpoint = 0; //Chúng ta cần dải nhỏ 16us để có kết tốt if(receiver_input_channel_3 > 1050){ //Không ngáp tắt động if(receiver_input_channel_4 > 1508)pid_yaw_setpoint = (receiver_input_channel_4 - 1508)/3.0; else if(receiver_input_channel_4 < 1492)pid_yaw_setpoint = (receiver_input_channel_4 - 1492)/3.0; } calculate_pid(); Vì vậy, tính tốn đầu pid //Đầu vào PID biết //Điện áp pin cần thiết để bù //Một lọc bổ sung sử dụng để giảm tiếng ồn //0.09853 = 0.08 * 1.2317 battery_voltage = battery_voltage * 0.92 + (analogRead(0) + 65) * 0.09853; //Bật đèn LED điện áp pin thấp if(battery_voltage < 1000 && battery_voltage > 600)digitalWrite(12, HIGH); throttle = receiver_input_channel_3; tín hiệu ga tín hiệu //Chúng ta cần if (start == 2){ if (throttle > 1800) throttle = 1800; //Chúng cần số khoảng trống để giữ tồn quyền kiểm sốt mức tối đa esc_1 = throttle - pid_output_pitch + pid_output_roll - pid_output_yaw; //Calculate the pulse for esc (front-right - CCW)//Tính tốn xung cho esc (phía trước bên phải - CCW) 11 esc_2 = throttle + pid_output_pitch + pid_output_roll + pid_output_yaw; //Calculate the pulse for esc (rear-right - CW) esc_3 = throttle + pid_output_pitch - pid_output_roll - pid_output_yaw; //Calculate the pulse for esc (rear-left - CCW) esc_4 = throttle - pid_output_pitch - pid_output_roll + pid_output_yaw; //Calculate the pulse for esc (front-left - CW) if (battery_voltage < 1240 && battery_voltage > 800){ kết nối không? //Pin có esc_1 += esc_1 * ((1240 - battery_voltage)/(float)3500); xung esc-1 cho sụt giảm điện áp //Bù esc_2 += esc_2 * ((1240 - battery_voltage)/(float)3500); esc_3 += esc_3 * ((1240 - battery_voltage)/(float)3500); esc_4 += esc_4 * ((1240 - battery_voltage)/(float)3500); } if (esc_1 < 1100) esc_1 = 1100; if (esc_2 < 1100) esc_2 = 1100; if (esc_3 < 1100) esc_3 = 1100; if (esc_4 < 1100) esc_4 = 1100; if(esc_1 > 2000)esc_1 = 2000; esc-1 đến 2000us //Giới hạn xung if(esc_2 > 2000)esc_2 = 2000; if(esc_3 > 2000)esc_3 = 2000; if(esc_4 > 2000)esc_4 = 2000; } else{ esc_1 = 1000; phải 2, giữ xung 1000us cho ess-1 esc_2 = 1000; esc_3 = 1000; esc_4 = 1000; } //Nếu bắt đầu không 12 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// if(micros() - loop_timer > 4050)digitalWrite(12, HIGH); đèn LED thời gian vòng lặp vượt 4050us //Bật //tần số 250Hz Điều có nghĩa nhu cầu esc có xung sau 4ms while(micros() - loop_timer < 4000); đợi 4000us thông qua loop_timer = micros(); cho vòng lặp PORTD |= B11110000; outputs 4,5,6 and high //Chúng chờ //Đặt đếm thời gian //Set digital timer_channel_1 = esc_1 + loop_timer; timer_channel_2 = esc_2 + loop_timer; timer_channel_3 = esc_3 + loop_timer; timer_channel_4 = esc_4 + loop_timer; //Nhận liệu quay hồi chuyển rx chia tỷ lệ thành độ giây cho phép tính pid gyro_signalen(); while(PORTD >= 16){ đầu 4,5,6 mức thấp //Ở vòng lặp esc_loop_timer = micros(); //Đọc thời gian if(timer_channel_1