ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài Nghiên cứu, thiết kế mô hình máy bay không người lái Quadcopter sử dụng Arduino và Cảm biến MPU 6050.Đồ án sử dụng bộ điều khiển PID.Đề tài Nghiên cứu, thiết kế mô hình máy bay không người lái Quadcopter sử dụng Arduino và Cảm biến MPU 6050.Đồ án sử dụng bộ điều khiển PIDĐề tài Nghiên cứu, thiết kế mô hình máy bay không người lái Quadcopter sử dụng Arduino và Cảm biến MPU 6050.Đồ án sử dụng bộ điều khiển PID
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 Quadcopter
• Điều khiển bay ổn định, điều chỉnh được hướng bay, kiểm soát được tốc độ bay của Quadcopter
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
LÝ THUYẾT BAY, ĐIỀU KHIỂN CỦA QUADCOPTER
Quadcopter, hay còn gọi là UAV (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 gắn trên 4 rotors tạo ra lực nâng, cho phép quadcopter cất cánh khi 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, cần tăng tốc độ quay của cả bốn động cơ, tạo lực nâng theo phương thẳng đứng (trục Z), và để hạ cánh, chỉ cần giảm tốc độ quay của chúng 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 thay đổi tốc độ quay của rotor Điều khiển rẽ trái hoặc phải (Roll-control) là việc điều chỉnh lực nâng theo phương ngang (trục Y) thông qua sự thay đổi tốc độ quay của các rotor bên trái và bên phải Cuối cùng, điều khiển quay quanh trục chính (Yaw-control) cho phép quadcopter tự xoay quanh trục Z, thay đổi hướng đầu đuôi của nó.
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, 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) Khi biết cả 6 tọa độ, chúng ta có thể xác định vị trí của tâm khối G từ (x,y,z) và từ đó xác định hướng hoặc trạng thái của Drone so với trọng tâm G.
Ba thành phần vectơ vị trí của Drone là giá trị tọa độ trong không gian 3-D, với các trục được căn chỉnh theo hướng Bắc, Đông và độ cao, trong đó trục dọc hướng về tâm trái đất Tuy nhiên, việc mô tả trạng thái của Drone bằng ba tọa độ này có thể 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 giúp phân tích chuyển động của Drone, nhưng gặp hạn chế do hiện tượng gimbal-lock, khi ba tọa độ không xác định một hướng duy nhất Để khắc phục vấn đề này, các Quaternion thường được sử dụng, vì chúng giảm thiểu sự bất định Thông thường, các mô phỏng và bộ điều khiển Drone sử dụng phương trình Quaternion và sau đó chuyển đổi sang 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, giả định Trái đất là phẳng Điểm quan trọng là hệ quy chiếu này không di chuyển, tạo ra các tọa độ ổn định.
Hình 2 2 Hệ quy chiếu quán tính
Trước đây, đã giả định rằng Drone là một vật thể cứng với tất cả các thành phần được cố định tại hệ tọa độ có trọng tâm G Để mô tả khoảng cách và hướng của các cánh quạt so với G, cần xác định một hệ tọa độ với điểm gốc tại G Hệ tọa độ này sẽ có các tọa độ (b1, b2, b3), trong đó b1 và b2 được căn chỉnh theo các trục đối xứng của thân Drone, còn b3 sẽ hướng thẳng đứng, song song với trục động cơ cánh quạt.
Hình 2 3 Hệ quy chiếu drone
Hiện nay, có hai hệ quy chiếu cần thiết để chuyển đổi giữa chúng 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, giúp thực hiện các phép tính một cách thuận tiện 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.
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 Điều này cho phép giám sát hướng của Drone bằng cách xoay hệ quy chiếu quanh trọng tâm G, đồng thời theo dõi vị trí của Drone thông qua phép tịnh tiến trọng tâm G đối với hệ quy chiếu cố định Phép tịnh tiến được biểu diễn đơn giản bằng một vectơ từ hệ quy chiếu Drone đến hệ quy chiếu cố định, trong khi định hướng của Drone được thể hiện thông qua các góc Euler.
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 sẽ khám phá cách biến đổi vectơ trong không gian ba chiều thông qua phép nhân ma trận, với các khung tọa độ được biểu diễn bằng các vectơ đơn vị (x,y,z) và (b1,b2,b3) Khi ba thành phần song song, ma trận biến đổi sẽ trở thành ma trận đơn vị, như được minh họa trong hình trên.
Khi xoay hệ quy chiếu của Drone quanh một trục cụ thể, trục quay vẫn giữ song song với trục cố định tương ứng Các trục của hệ quy chiếu Drone có thể được mô tả bằng hàm lượng giác dựa trên các thành phần quán tính và góc quay Các phương trình này có thể được tổng hợp thành một 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, tức là chúng bao gồm 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 theo các góc Euler, cần chú ý đến thứ tự của các góc để đảm bảo tính nhất quán và chính xác trong kết quả cuối cùng Các trình tự khác nhau có thể được chọn, nhưng khi đã xác định một chuỗi ba phép quay, phải tuân theo thứ tự đó để tránh sai lệch Trong bài viết này, chúng ta sẽ sử dụng tiêu chuẩn 3-2-1 thường gặp trong ngành thiết bị bay Mỗi phép quay được coi là một hệ quy chiếu trung gian, dẫn đến tổng cộng bốn hệ quy chiếu, nhưng chỉ cần quan tâm đến hệ quy chiếu cố định và hệ quy chiếu Drone sau ba lần quay Kết quả của các phép biến đổi ma trận cho phép kết hợp ba ma trận quay thành một ma trận duy nhất, giúp chuyển đổi tọa độ từ hệ quy chiếu quán tính sang hệ quy chiếu Drone Lưu ý rằng vectơ (x,y,z) sẽ được nhân với các ma trận quay theo thứ tự đã xác định để đạt được kết quả chính xác.
Để đơn giản hóa ký hiệu, chúng ta sử dụng một biến để tham chiếu đến các phép biến đổi tọa độ từ hệ quy chiếu i sang hệ quy chiếu j Ma trận sẽ được biểu diễn dưới dạng chuyển đổi từ hệ quy chiếu cố định n (Navigation) sang hệ quy chiếu Drone b (Body).
Để thực hiện phép quay ngược lại từ tọa độ hệ quy chiếu Drone sang tọa độ hệ quy chiếu cố định, ta cần sử dụng phép toán nghịch đảo của ma trận Tuy nhiên, thay vì tính toán trực tiếp, ta có thể sử dụng tính chất trực giao đã được xác định trước đó, theo đó chuyển vị của ma trận quay chính là nghịch đảo của nó Do đó, phép quay ngược lại trở nên đơn giản hơn rất nhiều.
Bây giờ đã xác định được hệ quy chiếu cố định và hệ quy chiếu Drone cũng như cách biến đổi tọa độ trong hệ này thành hệ kia.
2.2.3.1 Những trạng thái cần thiết để mô tả chuyển động?
LÝ THUYẾT BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển phổ biến trong các hệ thống điều khiển công nghiệp PID được sử dụng rộng rãi nhất trong các bộ điều khiển phản hồi, với chức năng tính toán giá trị "sai số", tức là hiệu số giữa giá trị đo được và giá trị đặt mong muốn.
Bộ điều khiển PID sử dụng ba thông số riêng biệt, bao gồm giá trị tỉ lệ (P), tích phân (I) và đạo hàm (D) Giá trị tỉ lệ phản ánh tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân tính toán tác động của tổng các sai số trong quá khứ, và giá trị vi phân đánh giá tác động của tốc độ biến đổi sai số.
Hình 2 9 sơ đồ khối bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID không nhất thiết phải bao gồm đủ cả ba thành phần, mà có thể chỉ sử dụng một hoặc hai trong số đó, dẫn đến các loại bộ điều khiển như PI, PD, P hoặc I Trong đó, bộ điều khiển PI được ưa chuộng nhờ khả năng phản ứng nhạy với các nhiễu đo lường, tuy nhiên, việc thiếu thành phần tích phân có thể làm cho hệ thống không đạt được giá trị mong muốn.
Output(t) = Pout + Iout + Dout Trong đó:
Pout, Iout, và Dout lần lượt là các thành phần đầu ra của khâu Tỉ Lệ, Tích Phân và Vi Phân trong hệ thống điều khiển Một trong những thách thức lớn khi áp dụng thuật toán PID để điều khiển mô hình là việc xác định các giá trị Kp, Ki và Kd một cách chính xác.
Khâu tỉ lệ, hay còn gọi là độ lợi, có tác dụng điều chỉnh giá trị đầu ra dựa trên sai số hiện tại Để điều chỉnh đáp ứng tỉ lệ, sai số này được nhân với một hằng số Kp, được gọi là độ lợi tỉ lệ.
Pout: thừa số tỷ lệ đầu ra.
Độ lợi tỉ lệ (Kp) là thông số quan trọng trong việc điều chỉnh hệ thống, ảnh hưởng đến mối quan hệ giữa sai số (e) và thời gian tức thời (t) Độ lợi cao cho phép hệ thống phản ứng mạnh mẽ với sai số nhỏ, nhưng nếu quá cao, hệ thống sẽ trở nên không ổn định Ngược lại, độ lợi thấp dẫn đến phản ứng chậm và kém nhạy, làm giảm hiệu quả điều khiển, đặc biệt khi gặp nhiễu từ môi trường Do đó, việc điều chỉnh độ lợi tỉ lệ cần phải cân nhắc kỹ lưỡng để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả.
Phân phối của khâu tích phân, hay còn gọi là reset, tỉ lệ thuận với biên độ sai số và thời gian xảy ra sai số Tổng sai số tức thời theo thời gian, hay tích phân sai số, giúp chúng ta có được tích lũy bù đã được hiệu chỉnh Tích lũy sai số này sau đó 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 trong 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 trong hệ thống điều khiển giúp cải thiện tốc độ phản hồi, giúp hệ thống nhanh chóng đạt được giá trị đặt và duy trì độ ổn định 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 được xác định bằng cách tính độ dốc của sai số theo thời gian, tương đương với 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, hay còn gọi là tốc độ, trên tất cả các hành vi điều khiển, bị giới hạn bởi độ lợi vi phân Kp.
Dout: đáp ứng ngõ ra khâu vi phân.
Kd: độ lợi vi phân. e: sai số. t: thời gian hiện tại
Khâu vi phân giúp làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển, từ đó đạt được điểm đặt mong muốn Việc sử dụng điều khiển vi phân có tác dụng giảm biên độ vọt lố do thành phần tích phân gây ra và tăng cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp Tuy nhiên, việc áp dụng phép vi phân cũng có thể khuếch đại nhiễu, khiến cho bộ điều khiển nhạy cảm hơn với sai số và dẫn đến tình trạng không ổn định trong quá trình điều khiển.
2.3.4 Cách hoạt động và xác lập thông số của bộ PID Đế vòng lặp PID này hoạt động tốt, ta phải điều chỉnh các thông số điều khiển từng khâu cho đến khi giá trị đáp ứng điều khiển tối ưu Độ ổn định là một điều cơ bản mà PID phải thực hiện được Điều khiển PID là một bài toán khó ngay cả khi chỉ có ba thông số như miêu tả ở trên Nếu các thông số của bộ điều khiển này bị chọn sai, hệ thống sẽ mất ổn định và khác biệt về dáp ứng Sự không ổn định gây ra bởi sự dư thừa độ lợi, nhất là khi độ trẻ lớn Tóm lại, độ ổn định này phải ổn định, và quá trình không được có giao động.
Có nhiều phương pháp điều chỉnh vòng lặp PID, trong đó các phương pháp hiệu quả thường sử dụng mô hình xử lý để xác định các thông số P, I và D dựa trên động học Các phương pháp điều chỉnh thủ công thường không mang lại hiệu quả cao, đặc biệt 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 Ki quá lớn sẽ gây mất ổn định Cuối cùng tăng Kd nếu cần thiết, cho đến khi vòng điều khiển có thể nhanh chóng lấy lại vị trí đặt nếu có nhiễu xẩy ra Nhưng Kd quá lớn lại gây ra đáp ứng dư vọt lổ, trong trường hợp đó, ta chỉnh Kd về một nữa giá trị mà nó gây ra dao động Và đây cũng là cách sử dụng để điều chỉnh các thông số của đồ án này.
Một phương pháp điều chỉnh theo kinh nghiệm khác là phương pháp Ziegler Nichols được đưa ra bởi John G Ziegler và Nathaniel B Nichols vào những năm
Năm 1940, phương pháp điều chỉnh hệ thống được thực hiện bằng cách thiết lập Ki và Kd ban đầu bằng không Sau đó, giá trị Kp được tăng lên cho đến khi hệ thống bắt đầu dao động, lúc này Kp được gọi là Ku và chu kỳ dao động được xác định là Pu.
Bảng 1 1 Phương pháp Ziegler-Nichols
PD 0.6Ku 2Kp/Pu KpPu/8
2.3.7 Xây dựng thuật toán điều khiển
Sơ đồ khối hệ điều khiển cân bằng:
Hình 2 10 sơ đồ khối hệ điều khiển cân bằng
Hình 2 11 Tín hiệu điều khiển hoàn chỉnh
Trong sơ đồ điều khiển này, mô hình sẽ tự điều chỉnh trạng thái phù hợp với các thông số điều khiển: độ cao, roll, pitch, yaw.
Do đặc điểm điều khiển mỗi thông số khác nhau nên hàm hiệu chỉnh PID tương ứng cũng có hệ số khác nhau.
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, có khả năng chống va đập hiệu quả Sử dụng bộ khung PCB hợp chất với độ bền cao, việc kết nối ESC và pin trở nên an toàn và thuận tiện hơn.
3.1.2 Động cơ DC không chổi than
Motor không chổi than 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 loại 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 Trong khi đó, các cuộn dây được bố trí lệch nhau 120 độ trong không gian của Stator, giúp tối ưu hóa hiệu suất làm việc của động cơ.
Cấu tạo của động cơ:
Motor không chổi than bao gồm các bộ phận sau:
Stator là một phần quan trọng của động cơ, thường bao gồm các lõi sắt được tạo thành từ các lá thép kỹ thuật điện ghép lại với nhau và có lớp cách điện Cách quấn dây của động cơ không chổi than khác biệt so với cách quấn dây của động cơ xoay chiều 3 pha thông thường, điều này ảnh hưởng đến hiệu suất và ứng dụng của 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, là thiết bị quan trọng trong việc xác định vị trí từ trường rotor của động cơ BLDC, giúp cấu hình điều khiển hiệu quả hơn Đặc điểm của sức phản điện động của động cơ BLDC có dạng hình thang, vì vậy việc sử dụng cảm biến Hall là cần thiết để đồng bộ hóa các pha của cuộn dây stator.
Động cơ không chổi than (BLDC) thường có 3 cuộn dây trên stato, dẫn đến việc có tới 6 dây dẫn điện nối từ các cuộn dây này Trong số đó, 3 dây sẽ 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 nguồn điện.
Do đó, những ưu điểm của động cơ không chổi than được biết đến như:
Động cơ không chổi than có ưu điểm vượt trội về hiệu quả, cho phép điều khiển liên tục ở lực quay tối đa (mô men xoắn), trong khi động cơ chổi than chỉ đạt mô men xoắn cực đại tại một số điểm nhất định Điều này giải thích tại sao ngay cả động cơ không chổi than mini cũng có thể cung cấp công suất đáng kể.
Một trong những ưu điểm nổi bật của động cơ không chổi than (BLDC) là khả năng kiểm soát hoạt động hiệu quả Động cơ này sử dụng cơ chế phản hồi để điều chỉnh chính xác mô men xoắn và tốc độ quay theo yêu cầu của người dùng Việc điều khiển chính xác không chỉ giảm mức tiêu thụ năng lượng mà còn hạn chế sinh nhiệt Đối với động cơ chạy bằng pin, điều này còn giúp kéo dài tuổi thọ và độ bền của pin.
Động cơ BLDC được biết đến với độ bền cao và khả năng vận hành êm ái nhờ không sử dụng chổi than Ngược lại, động cơ có chổi than thường gặp phải tình trạng mài mòn do tiếp xúc liên tục, dẫn đến việc phát sinh tia lửa và nhiệt tại các điểm tiếp xúc Tiếng ồn điện, thường xuất hiện do các tia lửa mạnh tại khu vực chổi than đi qua cổ góp, là lý do khiến động cơ BLDC trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng cần giảm thiểu nhiễu điện.
Động cơ sử dụng nam châm vĩnh cửu có chi phí sản xuất cao do giá thành của nam châm này Tuy nhiên, với sự tiến bộ của công nghệ hiện nay, giá thành nam châm vĩnh cửu có khả năng giảm, giúp tăng tính cạnh tranh cho động cơ này.
Nam châm sắt từ dễ bị từ hóa nhưng khả năng tích trữ từ trường không cao và dễ bị khử từ Đặc tính từ của nam châm sẽ giảm khi nhiệt độ tăng lên.
Điều khiển tốc độ động cơ BLDC dựa trên nguyên tắc cấp xung tuần tự cho các cuộn dây để tạo ra từ trường quay Để thực hiện điều này, cần sử dụng bộ điều tốc ESC (Electronic Speed Controller), 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 hai trong ba dây pha.
Trong mô hình máy bay, ESC điều chỉnh tốc độ thông qua độ rộng xung của tín hiệu PWM, được quy chuẩn theo động cơ RC servo với độ rộng xung từ 1-2ms và tần số điều khiển 50Hz Tần số xung cao sẽ dẫn đến việc rotor quay với tốc độ nhanh 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 nguồn năng lượng cho động cơ.
ESC chuyển đổi điện áp DC 2 pha thành điện áp DC 3 pha với độ lệch 120 độ Chu kỳ của quá trình này phụ thuộc vào tần số xung kích, trong khi độ rộng xung của mỗi pha được điều khiển thông qua xung 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.
• 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, chia thành ba nhánh khi cấp nguồn Nhánh đầu tiên cung cấp điện cho bốn bộ điều tốc ESC, hỗ trợ 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 Để đáp ứng nhu cầu dòng điện lớn cho các động cơ hoạt động với tốc độ cao, dự án này lựa chọn pin LiPo làm nguồn cung cấp.
3.4.2 Khối khởi tạo thông số MPU 6050
MPU6050 giao tiếp với vi điều khiển Arduino UNO qua giao thức I2C, vì vậy cần xác định địa chỉ của cảm biến Gyro Địa chỉ này được sử dụng để nạp thông số ba trục khi Quadcopter ở trạng thái cân bằng vào các biến phục vụ cho việc xử lý PID Giao thức I2C là một phương thức giao tiếp nối tiếp đồng bộ, cho phép mở rộng kết nối với nhiều thiết bị khác nhau.
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 eepron 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 – 2000us.
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 hệ thống bắt đầu với giá trị khởi động là hai, quá trình khởi động và tính toán PID sẽ được kích hoạt; nếu không, bước 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. 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 quá trình điều khiển là khâu tích phân, nơi chúng ta tiếp tục tính toán sai số cộng dồn theo thời gian Sai số này được nhân với độ lợi Ki để tạo thành khâu tích phân.
Để tính toán khâu vi phân, ta 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 và thực hiện lặp đi lặp lại trong một vòng lặp thời gian, giúp 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 mã trong Hình 3.21 cấp tín hiệu cho 4 ESC, cho phép điều khiển hai cặp motor với cùng tốc độ Điều này giúp máy bay có thể di chuyển tới lùi, 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.