NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MÔ HÌNH BAY QUADCOPTER

TỔNG QUAN VỀ QUADCOPTER

Lịch sử nghiên cứu

Multicopter, đặc biệt là quadcopter, là một loại máy bay sử dụng lực quay của động cơ để tạo ra dòng khí đẩy xuống, tạo ra lực nâng giúp máy bay bay lên Khác với máy bay cánh bằng, quadcopter thường có bốn động cơ, cho phép điều chỉnh lực quay từng động cơ, mang lại khả năng di chuyển linh hoạt và lộn nhào Mặc dù trực thăng cũng thuộc loại multicopter với một cánh quạt chính tạo lực nâng, nhưng nó không được coi là quadcopter vì chỉ có một động cơ chính Điểm nổi bật của quadcopter là khả năng đứng yên tại chỗ, di chuyển ngang, lên, xuống và lùi lại một cách dễ dàng.

Quadcopter khác với trực thăng truyền thống nhờ vào việc sử dụng cánh quạt có khả năng điều chỉnh độ cao của dao động khi di chuyển quanh trục rotor, mang lại sự linh hoạt và ổn định hơn trong việc bay.

Trong những ngày đầu, quadcopter được coi là giải pháp cho các vấn đề bay thẳng đứng, nhờ vào khả năng kiểm soát lực xoắn bằng cách xoay các cánh quạt ngược chiều nhau Một số thiết kế có người lái đã xuất hiện vào những năm 1920 và 1930, nhưng những chiếc máy bay này vẫn gặp khó khăn trong việc cất cánh và hạ cánh thẳng đứng.

Các mẫu đầu tiên gặp phải vấn đề về độ ổn định kém và quyền kiểm soát hạn chế, dẫn đến tính khả thi của chúng bị đánh giá thấp Do đó, mẫu thứ hai cần phải thực hiện nhiều công việc thí điểm để cải thiện tình hình.

Cuối những năm 2000, sự phát triển của thiết bị điện tử đã thúc đẩy sản xuất các bộ điều khiển từ xa giá rẻ, gia tốc (IMU), hệ thống định vị toàn cầu và máy ảnh, dẫn đến sự bùng nổ của quadcopter tiêu dùng nhỏ và rẻ Các quadcopter này, với thiết kế nhỏ gọn và tính cơ động, có khả năng bay cả trong nhà lẫn ngoài trời Ưu điểm nổi bật của chúng là kích thước nhỏ, giá thành thấp và độ bền cao hơn so với máy bay trực thăng truyền thống nhờ vào cấu trúc cơ khí đơn giản Lưỡi cánh nhỏ giúp giảm động năng, từ đó giảm thiểu khả năng gây thiệt hại, đồng thời các quadcopter quy mô nhỏ mang lại sự tương tác an toàn hơn Ngoài ra, quadcopter còn được trang bị khung chắn bảo vệ cánh quạt, giúp giảm thiểu nguy cơ gây hại.

Khi kích thước của quadcopter tăng lên, nó gặp phải nhiều bất lợi so với trực thăng thông thường Việc tăng kích thước lưỡi cánh dẫn đến sự gia tăng đà, gây ra sự thay đổi trong tốc độ lưỡi dài và ảnh hưởng tiêu cực đến khả năng kiểm soát Hơn nữa, lưỡi cánh lớn hơn cũng yêu cầu nhiều năng lượng hơn để duy trì chuyến bay.

Độ hiệu quả ngày càng tăng với chi phí, trong khi trực thăng không gặp phải vấn đề này; việc tăng kích thước rotor không ảnh hưởng nhiều đến khả năng điều khiển.

Hình 1.2 Quadcopter dùng để chụp ảnh, quay phim

Mục tiêu của đề tài

Nội dung nghiên cứu đồ án tốt nghiệp của nhóm gồm:

- Chương 1: Tổng quan về quadcopter

- Chương 2: Mô hình toán học quadcopter

- Chương 3: Tính toán, thiết kế mô hình quadcopter

Nội dung nghiên cứu này cung cấp cái nhìn tổng quan về mô hình bay thực tế, bao gồm cấu tạo, hoạt động, vai trò và ứng dụng của nó trong ngành công nghiệp hiện nay.

Phương pháp thực hiện đề tài

1.3.1 Phương pháp nghiên cứu lí thuyết

• Qua những kiến thức đã học, tài liệu và sách vở nghiên cứu từ các đề tài trước về robot

• Từ các bài toán động học, động lực học, mô hình hóa giúp cho việc tính toán và chọn các trang thiết bị điện và cơ khí

• Tìm hiểu lí thuyết về các loại động cơ, hệ thống cảm biến, bộ điều tốc, bộ điều khiển

• Tìm hiểu về cơ sở lí thuyết, ứng dụng, viết chương trình điều khiển và cân bằng bay cho máy bay thông qua sóng không dây

1.3.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

• Nghiên cứu mô hình bay không người lái trên thực tế hoặc các mô hình của đề tài trước

• Sử dụng phần mềm Matlap làm công cụ để mô hình hóa hệ thống

• Sử dụng phần mềm Solidworks để thiết kế và mô phỏng hệ thống cơ khí

• Sử dụng phần mềm Alumium để thiết kế mạch điện và in mạch PCB

MÔ HÌNH TOÁN HỌC QUADCOPTER

Nguyên lí hoạt động của máy bay

Quadrocopter là một loại máy bay không người lái với cấu trúc bao gồm bốn động cơ điện giống nhau, được gắn cánh quạt ở bốn góc của hình vuông Các cánh quạt có thể được lắp trực tiếp hoặc thông qua hệ thống truyền động bánh răng Bốn động cơ này được phân chia thành hai cặp: một cặp ở phía trước và một cặp ở phía sau, cùng với một cặp bên trái và bên phải.

Trong quadcopter, chiều quay của hai motor trong mỗi cặp là giống nhau, nhưng chiều quay của cặp trước-sau và cặp trái-phải lại ngược nhau Cụ thể, nếu cặp trước-sau quay cùng chiều kim đồng hồ, thì cặp trái-phải sẽ quay ngược chiều kim đồng hồ Do đó, cánh quạt sử dụng trong quadcopter cần phải là hai loại khác nhau: một loại quay cùng chiều và một loại quay ngược chiều kim đồng hồ.

Mục đích của việc sử dụng bốn động cơ trong quadcopter là để triệt tiêu moment xoắn do từng cặp gây ra Bên cạnh khả năng tạo moment triệt tiêu, các động cơ này còn tạo ra lực nâng cho máy bay khi quay, mang lại ưu điểm lớn cho thiết kế quadcopter.

Nguyên lý di chuyển của 2 kiểu quadcopter phổ biến dấu cộng và dấu nhân:

Hình 2.1 Nguyên lý di chuyển quadcopter cộng

Hình 2.2 Nguyên lý di chuyển quadcopter nhân

Mô hình hóa hệ thống

Drone Quadcopter là một vật thể cứng trong không gian 3D, được xác định vị trí bởi 6 tọa độ chính xác Ba tọa độ (x, y, z) mô tả khoảng cách của tâm Drone theo ba hướng tương ứng với ba trục độ của không gian 3D, đồng thời ba tọa độ còn lại biểu diễn cho hướng của Drone thông qua ba góc (𝜑, 𝜃, 𝜓), giúp xác định chính xác vị trí và hướng của Drone trong không gian.

Giả sử bề mặt Trái đất là phẳng và lực hấp dẫn không đổi, tâm khối của Drone sẽ tương đương với trọng tâm (G) Khi biết đầy đủ 6 tọa độ, chúng ta có thể xác định vị trí của tâm khối G từ (x,y,z) và sau đó sử dụng các tọa độ (𝜑, 𝜃, 𝜓) để xác định hướng hoặc trạng thái của Drone so với trọng tâm G.

Có hai phương pháp chính để biểu diễn tính định hướng của Drone: góc Euler và Quaternion Góc Euler dễ hiểu và hữu ích cho việc phân tích chuyển động, nhưng gặp phải vấn đề gimbal-lock, khiến ba tọa độ không xác định một hướng duy nhất Để khắc phục hạn chế này, Quaternion thường được sử dụng trong mô phỏng và điều khiển Drone, sau đó chuyển đổi sang góc Euler ở đầu ra để dễ sử dụng hơn Bài viết này sẽ tập trung vào việc giải thích và so sánh hai phương pháp này.

12 góc Euler đủ để mô tả tất cả các hướng của chiếc Drone mà chúng ta mong muốn nó bay

Trước khi khám phá góc Euler, cần xác định các hệ quy chiếu biểu diễn chúng, trong đó có hai hệ tọa độ chính cần được chú ý.

Hệ quy chiếu quán tính, hay còn gọi là hệ quy chiếu Trái đất, được gắn cố định với Trái đất, với các trục tọa độ xác định theo các hướng chính như Bắc và Đông, đồng thời hướng về tâm Trái đất Hệ quy chiếu này không di chuyển và sử dụng các tọa độ (x,y,z) và (𝜑, 𝜃, 𝜓) để mô tả vị trí trong không gian.

Hình 2.3 Hệ quy chiếu quán tính

Hệ quy chiếu cố định với Drone được thiết lập bằng cách coi Drone như một vật thể cứng, trong đó điểm gốc G được sử dụng để xác định tọa độ Qua hệ tọa độ (𝑏 1, 𝑏 2, 𝑏 3), khoảng cách và hướng của tâm các cánh quạt được mô tả tương ứng Các tọa độ này được căn chỉnh sao cho 𝑏 1 và 𝑏 2 trùng với các trục đối xứng của thân Drone, trong khi 𝑏 3 hướng thẳng đứng, song song với trục động cơ cánh quạt.

Hình 2.4 Hệ quy chiếu cố định với Drone

Hiện nay, để chuyển đổi giữa hai hệ quy chiếu, cần thiết lập một mối quan hệ tổng quát cho phép chuyển đổi từ tập hợp tọa độ này sang tập hợp tọa độ khác Điều này giúp thực hiện các phép tính một cách thuận tiện và dễ dàng chuyển đổi lời giải sang hệ quy chiếu khác khi cần thiết Khái niệm này tương tự như hệ tọa độ vuông góc và hệ tọa độ cực, cho phép mô tả cùng một vị trí trong cả hai hệ và sử dụng các mối quan hệ toán học để chuyển đổi qua lại giữa chúng.

Hình 2.5 Mối quan hệ giữa 2 hệ quy chiếu quán tính và vật

Mục tiêu của nghiên cứu là phân biệt giữa chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay của Drone bằng cách sử dụng hai tọa độ Điều này cho phép giám sát hướng của Drone thông qua việc xoay hệ quy chiếu cố định quanh tâm khối G và theo dõi vị trí của Drone bằng phép tịnh tiến tâm khối G so với hệ quy chiếu quán tính Phép tịnh tiến được biểu diễn bằng vectơ của hệ quy chiếu Drone so với hệ quy chiếu quán tính, trong khi định hướng được thể hiện qua các góc Euler.

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 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 quán tính và Drone) có cùng hướng

Hình 2.6 Mối quan hệ 2 hệ quy chiếu khi có cùng hướng

Trong bài viết này, chúng ta khám phá cách biểu diễn các khung tọa độ thông qua 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, ma trận biến đổi sẽ trở thành ma trận đơn vị, như được minh họa trong hình trên.

Khi thực hiện xoay hệ quy chiếu Drone quanh một trong các trục của nó, trục quay vẫn duy trì sự song song với trục quán tính 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 Những phương trình này có thể được tinh gọn thành một biểu thức nhân ma trận, tương ứng với từng trục riêng lẻ.

Hình 2.7 Các phép quay quanh các trục tọa độ

Ma trận chuyển đổi, hay còn gọi là Ma trận Cosine Hướng (Direction Cosine Matrix - DCM) hoặc Ma trận xoay ký hiệu là R, là các ma trận trực chuẩn với các vectơ đơn vị trực giao Tính chất quan trọng của chúng là 𝑅 𝑇 = 𝑅 −1.

Bây giờ hãy tưởng tượng thực hiện tuần tự 3 phép quay đó theo thứ tự quay quanh 𝑏 1 , đến 𝑏 2 , rồi đến 𝑏 3 Hệ quy chiếu Drone sẽ có dạng như sau:

Hình 2.8 Hướng quay theo thứ tự b1-b2-b3

Khi thực hiện các phép quay quanh các trục đã được xoay, cần chú ý đến thứ tự của các góc Euler để đảm bảo tính nhất quán Có nhiều trình tự quay khác nhau với các quy luật và tiêu chuẩn riêng Tuy nhiên, khi chọn một chuỗi ba phép quay, việc thực hiện theo đúng thứ tự là rất quan trọng để đạt được hướng cuối cùng chính xác Bài viết này sẽ tuân theo các tiêu chuẩn thường được áp dụng trong lĩnh vực thiết bị bay liên quan đến các góc.

Drone 3-2-1, như minh họa ở hình trên Để giải thích chặt chẽ hơn về các góc Euler sẽ xác định mỗi góc quay là một hệ quy chiếu trung gian Vì vậy, đối với (𝜑, 𝜃, 𝜓) phép quay được hiển thị ở trên, sẽ có tổng cộng 4 hệ quy chiếu Nhưng chỉ thực sự quan tâm đến hệ quy chiếu quán tính và hệ quy chiếu cố định Drone cuối cùng sau tất cả 3 lần quay góc Euler Tính hữu ích của phép biến đổi ma trận là chúng có thể được nối với nhau để có thể đơn giản hóa

Ba ma trận quay được kết hợp thành một ma trận duy nhất, nhằm biến đổi tọa độ từ hệ quy chiếu quán tính sang tọa độ của Drone Trong quá trình này, vectơ (x, y, z) đầu tiên được nhân với phép quay góc 𝜓, tiếp theo là phép quay góc 𝜃, và cuối cùng, kết quả sẽ được nhân với phép quay góc 𝜑.

0 cos sin 0 1 sin sin cos 0

3 cos cos cos sin sin cos sin sin sin cos cos cos sin sin sin sin cos sin sin cos sin cos sin cos cos sin sin cos sin b x b y b z

Mô phỏng hệ thống bay Quadcopter

2.3.1 Mô phỏng hệ thống điều khiển vòng hở

Xây dựng mô hình vòng hở với đầu vào là lực đẩy từ bốn cánh quạt, bao gồm lực nâng từ cánh quạt trước phải, trước trái, sau trái và sau phải, và đầu ra là các góc quay 𝜑, 𝜃, 𝜓.

Hình 2.11 Mô hình vòng hở điều khiển Quadcopter đầu vào là lực 4 cánh quạt và đầu ra là các góc quay Euler

Sử dụng khối 6DOF-Euler trong thư viện Aerospace Blockset trong Matlab Simulink, mô phỏng hệ trên như sau:

Hình 2.12 Mô hình điều khiển vòng hở sử dụng thư viện Aerospace Blockset

Hình 2.13 Mô phỏng hệ điều khiển vòng hở với F1

Hình 2.14 Mô phỏng hệ thống vòng hở với (F1, F2) > (F3, F4)

Hình 2.15 Mô phỏng hệ thống vòng hở với (F1, F3) > (F2, F4)

Hình 2.16 Mô phỏng hệ thống vòng hở (F1, F4) > (F2, F3)

2.3.2 Mô phỏng hệ thống điều khiển vòng kín

Mô hình bay của Quadcopter yêu cầu cân bằng ở các góc, với Roll, Pitch và Yaw đều bằng 0 Để đạt được điều này, hệ thống cần nhận diện các góc quay hiện tại và kiểm soát sai số của chúng Từ đó, Quadcopter sẽ điều chỉnh tốc độ động cơ và lực nâng của bốn cánh quạt, nhằm giảm dần sai số về 0.

Bộ điều khiển PID, viết tắt từ các khâu tỉ lệ, khâu tích phân và khâu vi phân, là thành phần quan trọng trong hệ thống điều khiển vòng kín.

Hình 2.17 Mô hình hệ thống điều khiển vòng kín góc quay Quadcopter

Mô phỏng hệ thống vòng kín trên Matlab Simulink

Hình 2.18 Mô hình điều khiển vòng kín sử dụng thư viện Aerospace Blockset

Hình 2.19 Kết quả mô phỏng hệ điều khiển vòng kín với góc ban đầu (-1;0;0)

Hình 2.20 Kết quả mô phỏng hệ điều khiển vòng kín với góc ban đầu (0;1.5;0)

Hình 2.21 Kết quả mô phỏng hệ điều khiển vòng kín với góc ban đầu (1.5;0.1; -1)

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH QUADCOPTER

Tính toán, thiết kế hệ thống cơ khí

3.1.1 Quy trình tính toán và thiết kế hệ thống cơ khí

- Xác định yêu cầu kĩ thuật

- Xác định nguyên lý hoạt động và chế độ bay

- Lập sơ đồ hoạt động chung của toàn máy, chọn ra các loại, công suất phù hợp với sơ đồ hoạt động

- Tính công suất cần thiết, lựa chọn động cơ phù hợp cho hệ thống bay

- Tính toán động học, mô phỏng hệ thống, khả năng đáp ứng của hệ thống

- Chỉnh sửa, hiệu chỉnh lại sản phẩm

- Lập tài liệu thiết kế

Máy bay trực thăng bốn cánh quạt (Quadcopter) cỡ nhỏ là một loại máy bay không người lái phổ biến, bao gồm 4 cánh tay với động cơ ở đầu mỗi cánh tay, được kết nối qua khung máy Thiết kế của Quadcopter tập trung vào tính đối xứng, trọng tâm và khối lượng của mô hình, bắt đầu từ việc mô hình hóa và tính toán kích thước cũng như lực nâng phù hợp Bài báo cáo này trình bày giải pháp thiết kế thực nghiệm dựa trên kích thước của các mô hình máy bay trực thăng bốn cánh quạt phổ biến.

Thiết kế đầu tiên sử dụng vật liệu hợp kim nhôm cho cánh tay máy bay và bảng mạch in phủ đồng để tăng cường độ cứng cho phần kết nối Mặc dù thiết kế này có khối lượng nhẹ nhất, nhưng độ bền cơ học lại kém, dễ bị ảnh hưởng bởi chấn động hoặc va chạm mạnh trong quá trình bay và hạ cánh.

Hình 3.1 Thiết kế khung hợp kim nhôm

Thiết kế mới đã loại bỏ bản mạch in và thay thế bằng vật liệu nhựa mica, giúp tối ưu hóa trọng lượng máy bay Việc thay thế cánh tay bằng vật liệu nhôm bằng thanh ống carbon 3K 16mm đã cải thiện đáng kể độ bền của máy bay Tuy nhiên, với hình dạng trụ tròn của cánh tay, việc giữ cố định motor bên trên gặp khó khăn.

Thiết kế thứ ba sử dụng vật liệu nhựa sợi cacbon, mang lại độ bền cao hơn so với thiết kế 1 và thiết kế 2 Mặc dù bảng mạch điện trong thiết kế 1 và 2 được thiết kế chi tiết hơn với hai bảng mạch trên và dưới, thiết kế 3 vẫn tối ưu hóa không gian lắp đặt nhờ vào vật liệu nhựa cacbon Tuy có chi phí cao hơn, thiết kế 3 cung cấp sự linh hoạt và khả năng tối ưu hóa quá trình lắp đặt.

Hình 3.3 Cánh tay máy bay

Chiều dài cơ sở chéo 450mm

Trọng lượng cất cánh 800g ~ 1600g Đặc điểm của khung:

- Dây ESC và pin có thể được đi ngầm, đảm bảo tính an toàn và dễ dàng kết nối

- Cung cấp nhiều không gian cho các bộ phận điện khác

Hình 3.5 Thiết kế hoàn thiện khung máy bay

3.1.3 Tính toán thông số chế tạo

3.1.3.1 Động cơ không chổi than (Brushless DC) Động cơ không chổi than 2212 có thông số kĩ thuật:

▪ Số vòng quay 1000kv = 1000 RPM/V

Động cơ ba pha không chổi than Brushless DC motor có khả năng chịu tải lên đến 35A, nổi bật với tốc độ cao, mô-men xoắn lớn, khối lượng nhẹ và quán tính thấp, rất lý tưởng cho việc nâng máy bay cỡ nhỏ.

Hình 3.6 Động cơ 3 pha không chổi than

3.1.3.2 Bộ điều khiển tốc độ (ESC)

Bộ điều tốc Sienwinny ESC 30A không chỉ điều chỉnh dòng điện cho động cơ mà còn nhận tín hiệu PWM 50Hz từ bộ điều khiển Nó có khả năng thay đổi độ rộng xung từ 1-2ms để xác định tốc độ vòng quay (RPM) của động cơ.

Hình 3.7 Hình Bộ điều tốc 30A

Pin lipo 3cell 2200mAh 30C có dòng xả tối đa 2.2A×30C = 66 A đủ để cấp cho

4 động cơ hoạt động tốt trong khoảng 15 phút

Hình 3.8 Pin lipo Shang Yi 2200mah

3.1.3.4 Cánh quạt Để phù hợp với kích thước khung và đảm bảo lực nâng cho máy bay cần lựa chọn độ dài cánh không quá 450

√2 = 318 mm và chiều quay thích hợp

Hình 3.9 Bộ 4 cánh thuận nghịch kích thước 254mm (10inch)

Tính toán, thiết kế hệ thống điều khiển

3.2.1 Các thành phần hệ thống điều khiển

Các yêu cầu cần thiết khi thiết kế hệ thống điều khiển:

- Tốc độ xử lí nhanh, chính xác

- Khả năng xử lí tín hiệu tốt, loại bỏ tối đa nhiễu xuất hiện trong quá trình điều khiển

- Tính ổn định và độ bền cao

Mô hình tổng quan Quadrocopter gồm 3 khối (Hình 5):

• Khối điều khiển có bộ phát sóng RF để điều khiển ở tần số 2.4GHz,

Khối xử lý và xuất tín hiệu bao gồm các thành phần quan trọng như cảm biến vận tốc quay, cảm biến gia tốc, bộ thu sóng RF, bộ chip xử lý, bộ điều tốc ESC và động cơ, tạo nên hệ thống hoàn chỉnh cho việc điều khiển và vận hành hiệu quả.

• Khối giao tiếp máy tính qua RS232

Mô hình bay Quadrocopter yêu cầu một bộ xử lý tín hiệu nhạy để tự động điều chỉnh cân bằng Các mô-đun của hệ thống này được thể hiện tổng quát trong hình ảnh.

Hình 3.10 Sơ đồ hệ thống điều khiển

Máy phát có chức năng mã hóa vị trí của các cần điều khiển thành chuỗi tín hiệu điện và phát tín hiệu này ra môi trường xung quanh.

Tay điều khiển có thể bao gồm từ 1 đến nhiều kênh, tùy thuộc vào mục đích sử dụng Thông thường, tay điều khiển phổ biến có từ 2 đến 14 kênh.

Sóng điều khiển của tay điều khiển sử dụng sóng radio để truyền tín hiệu, với tần số xác định bởi thạch anh Sóng radio hoạt động như một sóng mang, cần được điều chế trước khi phát đi để đảm bảo tín hiệu đến máy thu.

Có 2 dạng điều chế là AM và FM

+ AM (amplitude modulation) điều biên: là tín hiệu được điều chế vào sóng mang dưới dạng thay đồi biên độ của sóng mang

Điều tần FM (tần số điều chế) là một phương pháp điều chế tín hiệu bằng cách thay đổi tần số của sóng mang Tất cả các máy phát sử dụng cơ chế mã hóa PCM đều áp dụng sóng mang dạng FM.

Sóng FM có khả năng chống nhiễu tốt hơn so với sóng AM Trong khi sóng AM dễ bị ảnh hưởng bởi các thiết bị điện thông dụng, sóng FM chỉ bị nhiễu khi có thiết bị phát sóng ở tần số gần hoặc bằng tần số sử dụng.

Sóng radio tần số 2.4G sử dụng công nghệ tương tự như Wifi, cho phép tự điều chỉnh tần số Vì vậy, về lý thuyết, phổ tần số của nó không bị trùng lặp như các sóng AM hay FM thông thường.

Tay điều khiển phát tín hiệu điều khiển qua 4 kênh chính: throttle, yaw, pitch và roll, nhằm điều khiển mô hình máy bay theo ý muốn của người sử dụng.

Kỹ thuật vô tuyến trái phổ (Spread Spectrum) tần số FM 2.4 GHz được lựa chọn trong lĩnh vực mô hình điều khiển do tính kinh tế, kinh nghiệm sử dụng phong phú, khả năng ứng dụng linh hoạt và tiềm năng mở rộng, phát triển trong tương lai.

Nhóm đã sử dụng modul thu phát sóng NRF24L01, một thiết bị liên lạc không dây hoạt động trên tần số vô tuyến từ 2,4Ghz đến 2,5Ghz, cụ thể là từ 2.400 Mhz đến 2.525Mhz Thiết bị này cho phép lựa chọn giữa 125 kênh với khoảng cách 1Mhz giữa chúng Tuy nhiên, để tránh xung đột với các thiết bị kết nối wifi, nên ưu tiên sử dụng tần số từ 2.501Mhz trở đi.

Thông số kỹ thuật: Điện áp hoạt động 1,9 ~ 3,6VDC

Tần số thu phát 2.4 ~ 2.5 Ghz

Tốc độ truyền dữ liệu 250kbps đến 2Mbps

Khoảng cách truyền dẫn trung bình ~100m

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật NRF24L01

Có chức năng nhận sóng Radio từ tay điều khiển và giải mã tín hiệu cho bộ điều khiển

Tùy theo từng nhu cầu dùng khác nhau nên đặc điểm lựa chọn Rx có một số thông số như sau:

- Tần số phải cùng tần số với máy phát

- Số kênh phụ thuộc vào nhu cầu sử dụng

Nhóm đã chọn sử dụng Modul NRF24L01 làm bộ thu sóng để đáp ứng nhu cầu kết nối không quá phức tạp, giúp tương thích với tín hiệu của bộ phát và tránh xung đột.

3.2.1.2 Mạch điều khiển trung tâm

Khi nhắc đến lập trình, dòng mạch Arduino của công ty Smart Projects luôn được nhớ đến Hiện nay, Arduino đã phát triển nhiều phiên bản và thế hệ, bao gồm Arduino Uno, Nano, Mega, và nhiều hơn nữa Với kích thước nhỏ gọn, Arduino Nano là lựa chọn lý tưởng cho các thiết bị có không gian hạn chế.

Thông số kỹ thuật của Arduino Nano:

Arduino Nano Thông số kỹ thuật

Bộ nhớ Flash 32 KB of which 2 KB used by Bootloader Điện áp ngõ vào (7-12) Volts

Vi điều khiển ATmega328P Điện áp hoạt động 5V

Kích thước bo mạch 18 x 45 mm

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật Arduino Nano

Chức năng của các chân

STT Tên Pin Kiểu Chức năng

Ngõ vào/ra số Chân TX-truyền dữ liệu

2 D0 / RX I / O Ngõ vào/ra số

Chân Rx-nhận dữ liệu

3 RESET Đầu vào Chân reset, hoạt động ở mức thấp

4 GND Nguồn Chân nối mass

17 3V3 Đầu ra Đầu ra 3.3V (từ FTDI)

18 AREF Đầu vào Tham chiếu ADC

19 A0 Đầu vào Kênh đầu vào tương tự kênh 0

20 A1 Đầu vào Kênh đầu vào tương tự kênh 1

21 A2 Đầu vào Kênh đầu vào tương tự kênh 2

22 A3 Đầu vào Kênh đầu vào tương tự kênh 3

23 A4 Đầu vào Kênh đầu vào tương tự kênh 4

24 A5 Đầu vào Kênh đầu vào tương tự kênh 5

25 A6 Đầu vào Kênh đầu vào tương tự kênh 6

26 A7 Đầu vào Kênh đầu vào tương tự kênh 7

27 + 5V Đầu ra hoặc đầu vào

+ Đầu ra 5V (từ bộ điều chỉnh On-board) hoặc + 5V (đầu vào từ nguồn điện bên ngoài)

28 RESET Đầu vào Chân đặt lại, hoạt động ở mức thấp

29 GND Nguồn Chân nối mass

30 VIN Nguồn Chân nối với nguồn vào

Bảng 3.3 Chức năng chân Arduino Nano

Tên pin Arduino Nano ICSP Kiểu Chức năng

MISO Đầu vào hoặc đầu ra Master In Slave Out

Vcc Đầu ra Cấp nguồn

SCK Đầu ra Tạo xung cho

MOSI Đầu ra hoặc đầu vào Master Out Slave In

RST Đầu vào Đặt lại

GND Nguồn Chân nối dất

Bảng 3.4 Chức năng chân ICSP

Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino sử dụng một ngôn ngữ lập trình riêng, được gọi là "ngôn ngữ Arduino", dựa trên ngôn ngữ Wiring, vốn là biến thể của C/C++ Ngôn ngữ này rất dễ học và dễ hiểu, nhờ vào nguồn gốc từ C/C++ Để lập trình và giao tiếp với mạch Arduino, người dùng có thể sử dụng môi trường lập trình Arduino IDE (Integrated Development Environment) do nhóm phát triển Arduino cung cấp.

Hình 3.13 Giao diện Arduino IDE

MPU-6050 là cảm biến đến từ hãng InvenSense, nổi bật với khả năng tích hợp tới 6 (có thể mở rộng đến 9) trục cảm biến trong một chip duy nhất Đây là một trong những giải pháp cảm biến chuyển động tiên tiến đầu tiên trên thế giới.

Kết quả và hướng phát triển

Mô hình máy bạy hoàn thiện thực hiện các hoạt động bay thu được kết quả sau:

- Điều khiển được động cơ ba pha không chổi than thông qua ESC bằng giải thuật PID

- Thực hiện cân bằng trên mỗi trục và kết hợp cân bằng các trục với nhau

- Mô hình có thể cân bằng trong phạm vi 50m và hoạt động liên tục trong

10 phút nhưng không thể dữ vị trí

- Mô hình gặp nhiều lỗi như mất sóng điều khiển, cảm biến IMU dễ bị sai số do sử dụng kết quả thô

Hình 3.23 Mô hình Quadcopter hoàn thiện

Hình 3.24 Tay cầm điều khiển

- Tìm hiểu các bộ lọc phù hợp cho cảm biến IMU

- Tìm hiểu, xử lý và điều khiển bay cân bằng và điều hướng ổn định cho

- Tích hợp hệ thống định toàn cầu GPS để theo dõi lộ trình và điều khiển vị trí cho Quadcopter

- Tích hợp camera quay phim và giao tiếp với máy tính