Báo cáo máy bay không người lái 4 cánh Quadcopter TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH QUADROCOPTER ĐỂ THU THẬP KHÔNG GIAN ẢNH Giảng viê[.]
lOMoARcPSD|16911414 tai lieu, luan van1 of 98 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH QUADROCOPTER ĐỂ THU THẬP KHÔNG GIAN ẢNH Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Anh A Vũ Tuấn A Hà Mạnh B 20152510 20152097 Nguyễn Ngọc C 20152200 Hà Nội, 2021 document, khoa luan1 of 98 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 tai lieu, luan van2 of 98 LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay, số lĩnh vực dân dụng, quân hay khoa học vũ trụ người dần thay phương tiện bay có người lái thiết bị bay khơng người lái, tính ưu việt có khả hoạt động tự động điều khiển từ xa, có khả hoạt động nơi mà người khó tiếp cận Các thiết bị bay không người lái cải biến để phục vụ cho lĩnh vực khác sống cứu hộ, giám sát an ninh, phương tiện vận tải, gieo trồng, phun thuốc trừ sâu nông nghiệp…thậm chí để giải trí Dựa nhu cầu thực tế phục vụ cho việc học tập, tìm hiểu, nghiên cứu nhóm chúng em chọn “Đề tài nghiên cứu chế tạo mơ hình máy bay Quadcopter” đề tài đòi hỏi kiến thức tổng hợp nhiều lĩnh vực thiết kế khí, động lực học, khí động học, mạch điều khiển, giao tiếp máy tính, truyền nhận tín hiệu, xử lý nhiễu…trong loại đề tài Vì vậy, đề tài giới thiệu tổng quan phân tích nguyên lý hoạt động, sở lý thuyết thiết kế chế tạo mơ hình bay Quadcopter Trong q trình thực đề tài, kiến thức cịn hạn hẹp nên khơng tránh khỏi sai sót mong thầy bạn đóng góp ý kiến để chúng em hồn thiện đề tài Chúng em xin trân thành cảm ơn! document, khoa luan2 of 98 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 tai lieu, luan van3 of 98 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU MỤC LỤC A GIỚI THIỆU TỔNG QUAN .4 Tìm hiểu máy bay khơng người lái UAV (Unmanned Aerial Vehicle) Giới thiệu loại máy bay không người lái cánh quạt Quadcopter 2.1 Kết cấu khí nguyên lý hoạt động Quadcopter .5 2.2 Động sử dụng Quadcopter .7 2.3 Mạch điều khiển tốc độ điện tử ESCs (Electronic speed control circuits) 2.4 Định vị GPS điều khiển Quadcopter 2.5 Bộ điều khiển từ xa 2.6 Board mạch điều khiển trung tâm 2.7 Camera 2.8 Thiết kế cánh quạt Cấu tạo Quadcopter 10 3.1 Bộ phận khí 10 3.2 Thiết bị phận thực bay 11 3.3 Thiết bị điều khiển .12 3.4 Cảm biến thiết bị định hướng 13 3.5 Thiết bị ghi truyền dẫn hình ảnh 14 document, khoa luan3 of 98 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 tai lieu, luan van4 of 98 A GIỚI THIỆU TỔNG QUAN Tổng quan máy bay khơng người lái UAV (Unmanned Aerial Vehicle) 1.1 Vai trị UAV sử dụng nhiều loại nhiệm vụ khác nhau: Từ thám công Khi khả mẫu UAV tăng lên, quốc gia giới tiếp tục đẩy mạnh nghiên cứu mình: thành tựu việc nghiên cứu phát triển khiến cho vai trò UAV khơng dừng lại tình báo, thám theo dõi – vai trò truyền thống chúng UAV đảm nhiệm cơng điện tử, tiến hành công bom tên lửa, tiến hành phá hủy ngăn chặn hệ thống phịng khơng, mắt xích tồn hệ thống liên lạc đối thủ, tiến hành nhiệm vụ tìm kiếm giải cứu (CSAR) 1.2 Phân loại a) Theo vai trò Các UAV thường rơi vào sáu loại chức (mặc dù tảng khung máy bay đa vai trò trở nên phổ biến hơn): - Chiến đấu - cung cấp khả cơng cho nhiệm vụ có nguy cao (Máy bay chiến đấu không người lái (UCAV) ) document, khoa luan4 of 98 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 tai lieu, luan van5 of 98 Hình 1.2 ISIS cơng Iraq, Syria UAV - Mục tiêu mồi nhử - cung cấp pháo mặt đất không mục tiêu mô máy bay tên lửa đối phương - Trinh sát - cung cấp thơng tin tình báo chiến trường - Logistics - giao hàng - Nghiên cứu phát triển - cải tiến công nghệ UAV - UAV dân dụng,thương mại-nông nghiệp, chụp ảnh không,thu thập liệu Hình 1.3 UAV dân dụng thương mại b) Theo độ cao - Hand-held ( Cầm tay) độ cao 600 m, phạm vi khoảng km - Close (Gần) độ cao 1500m, phạm vi lên đến 10km - NATO type độ cao 3000 m, phạm vi lên đến 50 km - Tactical (Chiến thuật cao) 5,5km độ cao, phạm vi khoảng 160km - MALE (medium altitude, long endurance) lên đến 9km phạm vi 200 km - HALE (high altitude, long endurance) 9,1km, phạm vi không xác định - Siêu high-speed, siêu âm (Mach 1-5) siêu (Mach 5+) độ cao 15,2km , phạm vi 200 km - Orbital low earth orbit (Mach 25+) document, khoa luan5 of 98 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 tai lieu, luan van6 of 98 - CIS Lunar Earth-Moon transfer - Hệ thống hướng dẫn vận chuyển hỗ trợ máy tính (CACGS) for UAVs c) Theo chủng loại, thiết kế - Drone: Từ đồng nghĩa với UAV, thường dùng để thiết bị bay khơng người lái dùng cho mục đích quân sự, từ UAV dùng để thiết bị sử dụng cho mục đích giải trí - Multirotor: Có thể hiểu thiết bị bay sử dụng nhiều cánh quạt (dạng lên thẳng) - Hexacopter: UAV sử dụng sáu động cơ/cánh quạt - Octocopter: UAV sử dụng tám động cơ/cánh quạt Hình 1.4 Octocoper UAV - Quadcopter: UAV có bốn động cơ/cánh quạt bốn cánh tay đỡ - Tricopter: UAV có ba động cơ/ cánh quạt thường có tay đỡ - Spyder: UAV kiểu “Spyder” (thường UAV loại quad hexa) mà cánh tay đỡ motor không nằm đối xứng với nhìn từ xuống - V-Tail: Có bốn động cơ/cánh quạt, cặp tay đỡ tạo thành hình chữ “V” - X4/X8: X4 X8 dạng UAV với cánh tay đỡ - Y3/Y6: Y3 Y6 dạng UAV với cánh tay đỡ document, khoa luan6 of 98 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 tai lieu, luan van7 of 98 - Cỡ (mm) đo đơn vị milimet (ví dụ 450 mm), thể khoảng cách lớn động UAV Cỡ UAV dùng định xác định “lớp'” UAV (micro, mini, ) - RTF (Ready-to-fly) : UAV khơng cần lắp ráp thực bay - ARTF, ARF (Almost-ready-to-fly): Đã lắp ráp hầu hết thành phần chưa bao gồm máy thu (RX) máy phát tín hiệu (TX), gọi chung RC - BNF (Bind-And-Fly): UAV lắp ráp hoàn thiện gồm RX, người điều khiển cần chọn TX tương thích tích hợp với RX để thực điều khiển Các UAV sản xuất theo hướng người dùng lựa chọn nhằm tiết kiệm chi phí dễ dàng để phát triển UAV 1.3 Khái niệm Máy bay không người lái khái niệm quen thuộc thời gian gần Ngay tên gọi khiến hình dung phần sản phẩm công nghệ đại bậc Nói cách chúng phương tiện bay không người lái thường gọi ngắn gọn máy bay không người lái Unmanned aerial vehicle tên tiếng anh máy bay khơng người lái thường viết tắt UAV UAV tên chung cho loại máy bay hoạt động mà khơng có xuất người buồng lái, hoạt động cách tự lập chúng thường điều khiển từ xa trung tâm hay máy điều khiển document, khoa luan7 of 98 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 tai lieu, luan van8 of 98 Hình 1.1 Một mẫu máy bay khơng người lái (UAV) Máy bay không người lái trải qua nhiều biến thể tính đến thời điểm chúng gọi với tên khác Ngồi ra, Ủy ban Quản lí Hàng khơng Liên bang Hoa Kỳ sử dụng cụm từ UAS (Unmanned Aerial System) máy bay truyền thống trang bị hệ thống điều khiển lái cách tự động Những máy bay xuất từ sớm từ năm 1950 hầu hết dùng để phục vụ công tác chiến đấu Không dừng lại máy bay khơng ngừng đa dạng hóa phát triển Những phương tiện bay kiểu chế tạo đa dạng có kích thước nhỏ động hoạt động mức trung bình nhỏ để phù hợp với nhu cầu sử dụng khác gọi Drone Đây thuật ngữ sử dụng nhiều ứng dụng giới thực thời gian gần 1.4 Mức độ độc lập UAV Drone - loại UAV đơn giản: coi drone loại máy bay lúc cần điều khiển từ xa phi cơng (hay cịn gọi người điều khiển) Các phiên UAV tinh vi có tính điều khiển tích hợp hệ thống tìm đường đóng vai trị điều khiển mức độ thấp (ví dụ điều khiển tốc độ cân máy bay), tính định tuyến đơn giản bay theo tuyến đường định sẵn Nếu nhìn từ cách nói phần lớn mẫu UAV khơng mang tính độc lập Thực tế, lĩnh vực nghiên cứu/phát triển khả tự điều khiển (Autonomy) lĩnh vực nghiên cứu mẻ, tài trợ chủ yếu quân đội với mục đích tìm cơng nghệ sẵn sàng cho chiến tranh document, khoa luan8 of 98 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 tai lieu, luan van9 of 98 Khả tự điều khiển (Autonomy) định nghĩa khả đưa định mà không cần tới can thiệp người Các lĩnh vực cơng nghệ Autonomy đóng vai trị quan trọng phát triển UAV Kết hợp cảm biến: Kết hợp thông tin từ cảm biến sử dụng thiết bị Liên lạc: Đảm nhiệm trình liên lạc phối hợp thành phần khác hệ thống, trường hợp thơng tin khơng đủ khơng hồn hảo Lên lịch trình: Tìm tuyến đường tối ưu phải đảm bảo đạt số mục tiêu giới hạn, tránh vật cản Phân bổ nhiệm vụ lên kế hoạch: Tìm cách phân bổ nhiệm vụ tối ưu tới thành phần hệ thống, điều kiện thời gian phần cứng bị giới hạn Chiến lược phối hợp: Tạo kế hoạch cách phân bổ hoạt động tối ưu thành phần hệ thống nhằm đạt khả thành công lớn nhiệm vụ Máy bay không người lái cánh quạt Quadcopter Quadcopter, gọi Quadrotor Helicopter, dạng máy bay thẳng nâng lên bốn cánh quạt đặt khung chữ thập Mơ hình xây dựng thỏa mãn yếu tố nhẹ chắn document, khoa luan9 of 98 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 tai lieu, luan van10 of 98 Máy bay không người lái bốn cánh quạt (Quadcopter) số phương tiện bay không người lái nghiên cứu phát triển từ lâu ứng dụng nhiều lĩnh vực đặc biệt lĩnh vực cứu hộ môi trường nguy hiểm Về mặt điều khiển tự động, nhiều nghiên cứu mơ hình hóa đề xuất nhiều giải thuật điều khiển khác cho loại máy bay (Castillo and Dzul, 2004; Hoffmann et al., 2007; Yasir Amir and Abbas, 2011) Về mặt ứng dụng, máy bay tích hợp hệ thống định vị GPS (Rawashdeh et al., 2009) để hoạt động cách tự động khoảng không gian rộng Loại máy bay bốn cánh quạt nhiều công ty phát triển đưa thành sản phẩm thương mại khơng phục vụ cho ngành cơng nghiệp giải trí mà phục vụ cho việc thực tập, nghiên cứu Năm 2011, mơ hình động lực học loại máy bay giới thiệu mở đầu cho hướng nghiên cứu học viện trường đại học nước (Hiệp et al., 2011) document, khoa luan10 of 98 10 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) ... phương tiện bay không người lái thường gọi ngắn gọn máy bay khơng người lái Unmanned aerial vehicle tên tiếng anh máy bay không người lái thường viết tắt UAV UAV tên chung cho loại máy bay hoạt... (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|1691 141 4 tai lieu, luan van10 of 98 Máy bay không người lái bốn cánh quạt (Quadcopter) số phương tiện bay không người lái nghiên cứu phát triển từ lâu ứng dụng... thống nhằm đạt khả thành công lớn nhiệm vụ Máy bay không người lái cánh quạt Quadcopter Quadcopter, gọi Quadrotor Helicopter, dạng máy bay thẳng nâng lên bốn cánh quạt đặt khung chữ thập Mơ hình xây