NGHIÊN CỨU VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI

A TRƯỜNG ĐẠI HỌC DUY TÂN KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ NGUYỄN THANH SƠN NGHIÊN CỨU VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Đà Nẵng, 2022 N G U Y Ễ N T H A N H S Ơ N N G H Ê N C Ứ U.CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN1.1 Giới thiệu chungMáy bay không người lái (UAV) là loại máy bay có thể được điều khiển từ xathông qua hệ thống điều khiển dưới mặt đất hoặc hoàn toàn tự động bằng hệ thốngmáy tính gắn trên máy bay.Trong số các máy bay không người lái, Quadrocopter là loại máy bay có khả năngcất hạ cánh thẳng đứng mà không cần đường băng. Bộ phận tạo ra lực đẩy và đồngthời cũng làm nhiệm vụ cân bằng cho máy bay là bốn động cơ. Toàn bộ các chuyểnđộng của máy bay được điều khiển thông qua tăng giảm tốc độ quay của động cơ(không thong qua thay đổi góc tấn các cánh), từ đó dẫn đến thay đổi lực đẩy trên cáccánh quạt. Do đó, so với các loại máy bay UAV khác, Quadrocopter có kết cấu cơ khíđơn giản hơn. Điều này đồng nghĩa với kết cấu của máy bay có độ tin cậy cao, do đóviệc bảo trì sẽ đơn giản và ít tốn kém so với các loại máy bay khác. Mặt khác,Quadrocopter tạo lực đẩy từ bốn cánh quạt nên cho phép tạo ra lực đẩy tương đươngvới các máy bay khác có kích thước cồng kềnh hơn do sử dụng cánh quạt có kíchthước lớn hơn. Điều này là ưu thế cho phép Quadrocopter hoạt động trong các môitrường chật hẹp và nhiều vật cản như trong thành phố, ở các nơi không có quá nhiềukhông gian cho việc cất hạ cánh.Bên cạnh các ưu điểm, một trong số các hạn chế của Quadrocopter là hiệu suất lựcđẩy của máy bay thấp do toàn bộ lực nâng của máy bay sinh ra từ lực đẩy của động cơ.Mặt khác, sử dụng cánh quạt có đường kính nhỏ cho tổn thất khí động lớn hơn so vớicánh quạt có đường kính lớn. Tuy vây, trong tương lai, việc chế tạo máy bay bằng cácvật liệu mới có khối lượng nhẹ, sẽ đóng góp đáng kể vào việc nâng cao hiệu suất tiêuthụ năng lượng của máy bay.Quadrocopter đã và đang cho thấy sự hữu ích trong muôn vàn các ứng dụng trongcuộc sống. Với kích thước nhỏ gọn với khả năng mang theo tải trọng lớn,Quadrocopter có thể làm nhiệm vụ cứu hộ một cách hiệu quả (cứu thương, tìm kiếmcứu hộ sau thảm họa, cứu hỏa,…), đặc biệt trong thành phố, nơi mà nguy cơ tắc nghẽngiao thông đường bộ luôn có khả năng làm chậm trễ việc tiếp cận bằng các phươngtiện cứu hộ đường bộ. Bên cạnh đó là rất nhiều ứng dụng trong việc vận chuyển hànghóa, hay thậm chí cả trong quân sự (trinh sát, do thám,…).17Đề tài : Nghiên cứu và điều khiển máy bay không người láiSVTH: Nguyễn Thanh Sơn GVHD: T.S Hoàng Thắng1.2 Ứng dụng của Quadrocopter Ứng dụng của Quadrocopter trong Thành lập bản đồ địa hình và khảo sát đất đai:• Sử dụng Quadrocopter để khảo sát địa hình, đất đai đặc biệt hữu ích đốivới những dự án có quy mô lớn, khi mà sử dụng phương pháp bản đồ địahình truyền thống không Đểm lại hiệu quả cao và có nhiều sai sót.• Không những thế, Máy bay không người lái cũng đã giải quyết được vấnđề khó nhằn của cơ quan nhà nước khi hỗ trợ cung cấp dữ liệu bổ trợtrong việc xây dựng bản đồ địa lý của các vùng địa hình phức tạp mà conngười khó tiếp cận.• Ngoài ra, một số loại Quadrocopter có tích hợp hệ thống quét laser nhưLIDAR có tác dụng hỗ trợ rất hiệu quả cho quá trình xây dựng bản đồđịa hình, nhất là Mô hình 3D số khu vực khảo sát.Hình 1.1 DJI Phantom 4 RTK khảo sát địa hình , đất đai Ứng dụng của Quadrocopter trong Nông nghiệpo Ứng dụng của Quadrocopter vào nông nghiệp trong những năm gần đâykhông còn xa lạ nữa. Những loại thiết bị bay không người lái được thiếtkế để dùng trong nông nghiệp thường có khả năng mang tải trọng lớn.Nó có thể thay thế các công việc độc hại như: bón phân, phun thuốc.. vàcác công việc yêu cầu tính chính xác cao nhằm nâng cao chất lượng mùavụ như: gieo hạt, thụ phấn cho hoa…o Bên cạnh đó, những loại Quadrocopter được gắn thêm camera kỹ thuậtsố còn giúp nhà nông quan sát tổng quát cánh đồng của mình và thu thập18Đề tài : Nghiên cứu và điều khiển máy bay không người láiSVTH: Nguyễn Thanh Sơn GVHD: T.S Hoàng Thắngđa dạng dữ liệu hình ảnh video về cây trồng. Từ những thông tin thuthập được sẽ giúp người nông dân phân tích về tình trạng cây trồng vàđưa ra cách chăm sóc hợp lý và quảng bá hình ảnh trang trại khi ứngdụng công nghệ kỹ thuật cao vào gieo trồng.Hình 1.2 Máy bay phun thuốc DJI Agras T30 phun thuốc cho cây cà phê Ứng dụng của Quadrocopter trong Vận chuyển hàng hóa: Sử dụng Drone để vậnchuyển hàng hóa đã phát triển ở nhiều khu vực trên thế giới. Nó giúp đơn vị giaonhận tiết kiệm được thời gian và đảm bảo an toàn cho cả người giao và ngườinhận, đặc biệt trong khoảng thời gian có dịch bệnh Covid 19 diễn ra19Đề tài : Nghiên cứu và điều khiển máy bay không người láiSVTH: Nguyễn Thanh Sơn GVHD: T.S Hoàng Thắng1.3 Lịch sử phát triển QuadrocopterVào năm 1907, chiếc Gyroplane No.1 được chế tạo bởi anh em nhà Breguet, đặt dấumốc cho sự ra đời chiếc trực thăng đầu tiên và cũng là chiếc Quadrocopter đầu tiên trênthế giới. Do khả năng ổn định chưa thực sự tốt, nó chỉ có thể bay gần mặt đất và phảiđược giữ bằng dây trong khi bay.Vào năm 1920, Etienne Oehmichen đã thử nghiệm thành công nhiều lần chiếcOehmichen No.2 do ống thiết kế và chế tạo. Chiếc máy bay có khả năng ổn định khá tốtvà có thể cất cánh khỏi mặt đất tới vài phút. Chiếc máy bay có kết cấu là các ống thép,với các cánh quạt có thể thay đổi góc tấn.Vào năm 1922, Chiếc Flying Octopus (Bạch tuộc bay) được chế tạo bởi Georges deBothezat đã bay thử nghiệm nhiều lần thành công. Tuy nhiên, do chi phí chế tạo đắt đỏvà không gây được nhiều sự chú ý, dự án đã bị hủy bỏ.Hình 1.3 Gyroplane No.1Hình 1.4 Oehmichen No.220Đề tài : Nghiên cứu và điều khiển máy bay không người láiSVTH: Nguyễn Thanh Sơn GVHD: T.S Hoàng ThắngHình 1.5 Flying OctopusVài thập kỉ sau đó, tiếp nối sau những thành công của những kĩ sư tiên phong, nhữngnhà thiết kế, những kĩ sư bấy giờ đã tìm thấy niềm cảm hứng và quay trở lại với ý tưởngvề mô hình chiếc máy bay bốn cánh quạt. Với sự hiểu biết sâu sắc hơn về hệ thống điềukhiển, họ đã thiết kế và thử nghiệm thành công nhiều mô hình Quadrocopter khác nhau.Chiếc Convertawings Model A được thiết kế để thử nghiệm trước khi sản xuất dòngmáy bay cỡ lớn phục vụ trong cả dân sự và quân sự. Chiếc máy bay gồm hai động cơdẫn động bốn rotor thông qua bộ truyền đai. Trong năm 1956, với việc bay thử nghiệmthành công nhiều lần, nó đã chứng minh cho tính khả thi của mô hình Quadrocopter.Đồng thời, đây là chiếc Quadrocopter đầu tiên có khả năng bay tiến về phía trước. Tuynhiên, cũng vì lí do kinh phí, dự án đã bị ngừng lại.Trong năm 1958, chiếc CurtissWright VZ7 được thiết kế bởi công ty CurtissWright theo đơn đặt hang của quân đội Mỹ. Chiếc máy bay được đánh giá có khả năngdi chuyển linh hoạt và dễ điều khiển. Tuy nhiên, do không đáp ứng được một số tiêuchuẩn của quân đội, phải đến năm 1960 chiếc máy bay mới được đưa vào sản xuất.Tháng 11 năm 1963, chuyến bay thử nghiệm đầu tiên của chiếc Curtiss X19 diễnra. Mẫu thiết kế sử dụng bốn động cơ cánh quạt phản lực, được thiết kế để xoay hướngkhi máy bay chuyển qua lại giữa chế độ cấthạ cánh thẳng đứng và chế độ bay bằng. Dochất lượng hệ thống điều khiển còn hạn chế, chiếc X19 đã không thể thực hiện đượcthao tác này. Đồng thời, chiếc máy bay khó điều khiển trong quá trình bay treo bởi cácảnh hưởng của hiệu ứng mặt đất chưa được tính đến.Trong chuyến bay đầu tiên vào năm 1966, chiếc Bell X22 đã lập tức đạt được thànhcông trong việc chuyển từ chế độ bay treo sang bay bằng. Chiếc máy bay sử dụng cácđộng cơ đặt trong ống. Tuy nhiên, tốc độ của máy bay khi bay bằng bị ảnh hưởng bởilực cản sinh ra do đường kính lớn của các ống, dẫn đến tốc độ của máy bay thấp.MỤC LỤCCÁC QUY ƯỚC VÀ HẰNG SỐ LIÊN QUAN....................................................................10I. CÁC QUY ƯỚC ........................................................................................................................................10II. CÁC HẰNG SỐ .........................................................................................................................................13LỜI NÓI ĐẦU.........................................................................................................................141. Lý do chọn đề tài ....................................................................................................................................142. Nội dung nghiên cứu của đề tài. .............................................................................................................143. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................................................................144. Cấu trúc của đề tài..................................................................................................................................15CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN........................................................................161.1 Giới thiệu chung.................................................................................................................................161.2 Ứng dụng của Quadrocopter ..............................................................................................................171.3 Lịch sử phát triển Quadrocopter ........................................................................................................191.4 Tổng quan về phần mềm LabView......................................................................................................221.4.1 Giới thiệu phần mềm Labview. ............................................................................................................ 221.4.2 Labview là gì ? ...................................................................................................................................... 221.4.3 Chức năng của Labview: ...................................................................................................................... 231.4.4 Mở phần mềm tạo chương trình mới.................................................................................................. 24CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT QUADROCOPTER..............................................................272.1 Lý thuyết điều khiển Quadrocopter....................................................................................................272.2 Cơ sở lý thuyết mô hình bay Quadrocopter .......................................................................................272.2.1 Gốc toạ độ đặt tại tâm Quadrocopter ................................................................................................. 272.3 Mô hình toán học của Quadrocopter..................................................................................................302.3.1 Động học .............................................................................................................................................. 302.3.2 Động lực học ........................................................................................................................................ 33CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH QUADROCOPTER............................................353.1 Các chi tiết cấu tạo .............................................................................................................................353.1.1 Khung in 3D.......................................................................................................................................... 353.1.2 Motor ................................................................................................................................................... 353.1.3 Propeller............................................................................................................................................... 373.1.4 ESC(Electronic Speed Controls)............................................................................................................ 383.1.5 Pin ........................................................................................................................................................ 408Đề tài : Nghiên cứu và điều khiển máy bay không người láiSVTH: Nguyễn Thanh Sơn GVHD: T.S Hoàng Thắng3.1.6 Mạch Naza M lite ................................................................................................................................. 413.1.7 Càng đáp .............................................................................................................................................. 433.1.8 Bộ điều khiển ....................................................................................................................................... 443.2 Đi dây setup mạch Naza .....................................................................................................................453.2.1 Sơ đồ đi dây mạch Naza m Lite............................................................................................................ 453.2.2 Setup mạch Naza m lite ....................................................................................................................... 453.3 Sơ đồ tổng thể của hệ thống ..............................................................................................................483.4 Lên kế hoạch ......................................................................................................................................49CHƯƠNG 4 LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI..............534.1 Thiết lập các Control trên Front Panel ................................................................................................534.2 Sơ đồ khối trên Block Diagram ...........................................................................................................54CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN....................................................................................................605.1 NHỮNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC .............................................................................................................605.2 NHỮNG KẾT QUẢ CHƯA ĐẠT ĐƯỢC VÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC ........................................................615.3 NHỮNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ CHƯA ĐẠT ĐƯỢC CỦA Ý TƯỞNG SỬ DỤNG LABVIEW...................61TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................................62

NGUYỄN THANH SƠN * A TRƯỜNG ĐẠI HỌC DUY TÂN KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ NGHÊN CỨU VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI NGUYỄN THANH SƠN NGHIÊN CỨU VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỆN – ĐIỆN TỬ * NĂM 2022 Đà Nẵng, 2022 Đề tài : Nghiên cứu điều khiển máy bay không người lái TRƯỜNG ĐẠI HỌC DUY TÂN KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI Chuyên ngành: Điện tự động GVHD : SVTH : LỚP: MSSV : T.S HOÀNG THẮNG NGUYỄN THANH SƠN K24-EDT 24211701335 Đà Nẵng, 2022 SVTH: Nguyễn Thanh Sơn GVHD: T.S Hoàng Thắng Đề tài : Nghiên cứu điều khiển máy bay không người lái NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Thanh Sơn MSSV: 24211701335 Khoa: Điện – Điện tử Ngành: Điện tự động Khóa: K24 Tên đề tài: “Nghiên cứu điều khiển máy bay không người lái” SVTH: Nguyễn Thanh Sơn GVHD: T.S Hoàng Thắng Đề tài : Nghiên cứu điều khiển máy bay không người lái NỘI DUNG CƠ BẢN DỰ KIẾN THỰC HIỆN Nghiên cứu điều khiển máy bay không - Dùng labview điều khiển Quadrocopter Nghiên cứu ngun lý bay Quadrocopter Xây dựng mơ hình sửa dụng phần mềm Naza M Lite Sơ đồ tổng thể hệ thống Đà Nẵng, ngày……tháng 12 năm 2022 Cán hướng dẫn (ký ghi rõ họ tên) T.S Hoàng Thắng SVTH: Nguyễn Thanh Sơn GVHD: T.S Hoàng Thắng Đề tài : Nghiên cứu điều khiển máy bay không người lái LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu khoa học: “Nghiên cứu điều khiển máy bay không người lái ” cơng trình nghiên cứu nhóm Những phần có sử dụng tài liệu tham khảo có đề tài liệt kê nêu rõ phần tài liệu tham khảo Đồng thời số liệu hay kết trình bày đề tài trung thực, có nguồn gốc rõ ràng Nếu sai tơi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm chịu tất kỷ luật môn nhà trường đề Đà Nẵng, ngày….tháng….năm 2022 Tác giả (ký ghi rõ họ tên) Giảng viên hướng dẫn (ký ghi rõ họ tên) SVTH: Nguyễn Thanh Sơn GVHD: T.S Hoàng Thắng Đề tài : Nghiên cứu điều khiển máy bay không người lái LỜI CẢM ƠN Xin gửi lời cảm ơn đến thầy T.S Hoàng Thắng hướng dẫn tạo điều kiện giúp đỡ chúng em hoàn thành tốt đề tài nghiên cứu khoa học Gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô thuộc Khoa Điện –Điện tử tạo điều kiện tốt cho chúng em hoàn thành đề tài nghiên cứu khoa học SVTH: Nguyễn Thanh Sơn GVHD: T.S Hoàng Thắng Đề tài : Nghiên cứu điều khiển máy bay không người lái MỤC LỤC CÁC QUY ƯỚC VÀ HẰNG SỐ LIÊN QUAN 10 I CÁC QUY ƯỚC 10 II CÁC HẰNG SỐ 13 LỜI NÓI ĐẦU 14 Lý chọn đề tài 14 Nội dung nghiên cứu đề tài 14 Phương pháp nghiên cứu .14 Cấu trúc đề tài 15 CHƯƠNG GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 16 1.1 Giới thiệu chung 16 1.2 Ứng dụng Quadrocopter 17 1.3 Lịch sử phát triển Quadrocopter 19 1.4 Tổng quan phần mềm LabView 22 1.4.1 Giới thiệu phần mềm Labview 22 1.4.2 Labview ? 22 1.4.3 Chức Labview: 23 1.4.4 Mở phần mềm tạo chương trình 24 CHƯƠNG 2.1 LÝ THUYẾT QUADROCOPTER 27 Lý thuyết điều khiển Quadrocopter 27 2.2 Cơ sở lý thuyết mơ hình bay Quadrocopter .27 2.2.1 Gốc toạ độ đặt tâm Quadrocopter 27 2.3 Mơ hình tốn học Quadrocopter 30 2.3.1 Động học 30 2.3.2 Động lực học 33 CHƯƠNG XÂY DỰNG MÔ HÌNH QUADROCOPTER 35 3.1 Các chi tiết cấu tạo .35 3.1.1 Khung in 3D 35 3.1.2 Motor 35 3.1.3 Propeller 37 3.1.4 ESC(Electronic Speed Controls) 38 3.1.5 Pin 40 SVTH: Nguyễn Thanh Sơn GVHD: T.S Hoàng Thắng Đề tài : Nghiên cứu điều khiển máy bay không người lái 3.1.6 3.1.7 3.1.8 Mạch Naza M lite 41 Càng đáp 43 Bộ điều khiển 44 3.2 Đi dây setup mạch Naza .45 3.2.1 Sơ đồ dây mạch Naza m Lite 45 3.2.2 Setup mạch Naza m lite 45 3.3 Sơ đồ tổng thể hệ thống 48 3.4 Lên kế hoạch 49 CHƯƠNG LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI 53 4.1 Thiết lập Control Front Panel 53 4.2 Sơ đồ khối Block Diagram 54 CHƯƠNG KẾT LUẬN 60 5.1 NHỮNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC .60 5.2 NHỮNG KẾT QUẢ CHƯA ĐẠT ĐƯỢC VÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC 61 5.3 NHỮNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ CHƯA ĐẠT ĐƯỢC CỦA Ý TƯỞNG SỬ DỤNG LABVIEW 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 SVTH: Nguyễn Thanh Sơn GVHD: T.S Hoàng Thắng Đề tài : Nghiên cứu điều khiển máy bay khơng người lái Hình 1.1 DJI Phantom RTK khảo sát địa hình , đất đai 17 Hình 1.2 Máy bay phun thuốc DJI Agras T30 phun thuốc cho cà phê 18 Hình 1.3 Gyroplane No.1 19 Hình 1.4 Oehmichen No.2 .19 Hình 1.5 Flying Octopus 20 Hình 1.6 Convertawings Model A 21 Hình 1.7 Curtiss-Wright VZ-7 21 Hình 1.8 Curtiss X-19 .21 Hình 1.9 Bell X-22 22 Hình 1.10 23 Hình 1.11 Biểu tượng phần mềm Labview 23 Hình 1.12 Một chương trình viết labview .23 Hình 1.13 Tạo chương trình phần mềm 24 Hình 1.14 Cửa sổ tạo chương trình 24 Hình 1.15 Tạo dự án 25 Hình 1.16 Chọn file VI để mở chương trình viết code .25 Hình 1.17 Cửa sổ giao diện cửa sổ viết code .26 Hình 1.18 Thanh công cụ Labview .26 Hình 2.1 Định nghĩa hướng chuyển động Quadrocopter 27 Hình 2.2 Hover 28 Hình 2.3 Throttle .28 Hình 2.4 Roll 29 Hình 2.5 Pitch 29 Hình 2.6 Yaw 30 Hình 2.7 Hệ quy chiến E B 30 Hình 2.8 Các lực moment tác dụng lên Quadrocopter 33 Hình 3.1 khung 3D 35 Hình 3.2 Cấu tạo động không chổi than .36 Hình 3.3 motor blushless 37 Hình 3.4 Cặp cánh quạt 1045 38 Hình 3.5 ESC Hobbywing SkyWalker-40A Ubec 2-4S 40 Hình 3.6 PIN Lipo Shangyi 11.1V 3s 5200mAh 40 Hình 3.7 Mạch cân Naza M lite .41 Hình 3.8 Bộ đáp 44 Hình 3.9 Tay điều khiển FS I6 44 Hình 3.10 RX iA6B 45 Hình 3.11 Sơ đồ dây 45 Hình 3.12 Kiểm tra tay điều khiển 46 Hình 3.13 chọn hướng cánh quạt flycam 46 Hình 3.14 đo mạch cân gps theo trục xyz 47 Hình 3.15 chọn tay điều khiển sử dụng 47 Hình 3.16 Điều chỉnh chế đọ bay cho ổn định tính cân cho người lái 47 Hình 3.17 cài đặt máy bay tín hiệu quay trở lại vị trí xuất phát 48 Hình 3.18 chọn loại pin sử dụng máy bay .48 Hình 3.19 Sơ đồ tổng thể hệ thống 49 Hình 3.20 Thiết kê dùng cấu hình chong chóng đẩy (pusher propeller) 50 Hình 3.21 Thiết kế cấu hình chong chóng kéo (tractor propeller) 51 Hình 3.22 Thiết kế hồn chỉnh 52 Hình 3.23 Mơ hình máy bay Quadrocopter thực tế 52 Hình 4.1 Bảng giá trị điện áp 53 Hình 4.2 Thiết lập Control Front Panel 53 Hình 4.3 Tồn sơ đồ khối Block Diagram 59 SVTH: Nguyễn Thanh Sơn GVHD: T.S Hoàng Thắng Đề tài : Nghiên cứu điều khiển máy bay không người lái CÁC QUY ƯỚC VÀ HẰNG SỐ LIÊN QUAN I CÁC QUY ƯỚC Ký hiệu Đơn vị X M Vị trí dài theo trục XE Y M Vị trí dài theo trục YE Z M Vị trí dài theo trục ZE 𝜑 Rad Góc roll (xoay quanh trục X) 𝜃 Rad Góc pitch (xoay quanh trục Y) Ψ Rad Góc yaw(xoay quanh trục Z) u m/s Vận tóc dài theo trục XB v m/s Vận tóc dài theo trục YB w m/s Vận tóc dài theo trục ZB p Rad/s Vận tóc góc theo trục XB q Rad/s Vận tóc góc theo trục YB r Rad/s Vận tóc góc theo trục ZB 𝛤E M Vector vị trí dài theo hệ quy chiếu E 𝛤̇ E M Vector vận tốc dài theo hệ quy chiếu E 𝛤̈ E 𝑚2 𝑠 Vector gia tốc dài theo hệ quy chiếu E 𝛩𝐸 Rad Vector vị trí góc theo hệ quy chiếu E 𝛩̇𝐸 Rad/s Vector vận tốc góc theo hệ quy chiếu E 𝛩̈𝐸 𝑟𝑎𝑑 𝑠 Vector gia tóc góc theo hệ quy chiếu E 𝑉𝐸 m/s Vector vận tốc dài theo hệ quy chiếu E 𝑉𝐵 V̇̇B m/s Vector vận tốc dài theo hệ quy chiếu B 𝑚2 𝑠 Vector gia tốc dài theo hệ quy chiếu B Rad/s Vector vận tốc góc theo hệ quy chiếu B 𝜔𝐵 Mơ tả SVTH: Nguyễn Thanh Sơn GVHD: T.S Hồng Thắng 10 Đề tài : Nghiên cứu điều khiển máy bay khơng người lái Hình 3.19 Sơ đồ tổng thể hệ thống Hệ thống nhìn chung có khối thành phần chính: - Khối điều khiển: gồm thành phần nhu pin Volt cung cấp luợng, tay joystick điều khiển kênh throttle - roll - pitch - yaw, vi điều khiển phát tín hiệu sóng RF - Khối mơ hình Quadrocopter với thu RF, vi điều khiển chính, cảm biến quán tính IMU, điều tốc ESC động BLDC, pin Lithium Polymer làm nguồn nuôi chung - Khối giám sát: gồm có cổng giao tiếp RS232 kết nối với máy tính Chức thu thập liệu, hiển thị xử lý thông tin khối mơ hình q trình tiến hành thực nghiệm 3.4 Lên kế hoạch SVTH: Nguyễn Thanh Sơn GVHD: T.S Hoàng Thắng 49 Đề tài : Nghiên cứu điều khiển máy bay khơng người lái Hình 3.20 Thiết kê dùng cấu hình chong chóng đẩy (pusher propeller) Ở thiết kế đầu tiên, mơ hình sử dụng quạt cánh adapter giữ cánh kiểu bó trục Do cánh quạt lắp vào trục động dựa vào lực ép ma sát, bắt động vào khung theo cách thông thuờng, cánh quạt nằm bên động cơ, động quay nhanh, lực đẩy moment xoắn sinh có xu huớng làm cho cánh quạt trượt khỏi trục, có nguy phá vỡ tính ổn định gây hư hại cho mơ hình Vì bắt buộc phải bắt động theo cách ngược lại, mang cấu hình chong chóng đẩy, cánh quạt nằm bên để đảm bảo cho tính ổn định an tồn mơ hình Sau khoảng thời gian bay thử nghiệm, nhận thấy với thiết kế này, trọng tâm mơ hình q cao, nằm mặt phang lực nâng cánh quạt Như bị lệch khỏi vị trí cân bằng, mơ hình có xu hướng lật nhào để đưa trọng tâm vị trí cân bền Thiết kế kiểu chong chóng đẩy tỏ khơng cịn phù hợp, làm độ ổn định, mơ hình khó điều khiển Bản thiết kế thứ hai chuyển sang cấu hình chong chóng kéo đem lại độ ổn định tốt hơn, dù có lệch khỏi vị trí cân trọng tâm mơ hình tự kéo trở lại SVTH: Nguyễn Thanh Sơn GVHD: T.S Hoàng Thắng 50 Đề tài : Nghiên cứu điều khiển máy bay khơng người lái Hình 3.21 Thiết kế cấu hình chong chóng kéo (tractor propeller) Tuy vậy, thiết kế tiềm ẩn nhiều nguy cánh quạt không lắp cách chắn lên trục động Hơn nữa, động BLDC quay có độ rung, board điều khiển trung tâm gắn cứng lên mơ hình truyền tồn rung động lên cảm biến, gây nhiễu lớn tín hiệu thu nhận Áp dụng thay đổi lên thiết kế thứ ba, mơ hình Quadrocopter thỏa mãn đầy đủ yêu cầu đặt ra: Trọng tâm thấp để nâng cao độ ổn định Các cánh quạt bắt “mềm” lên trục động prop saver với nhiều uu điểm: không bị truợt trục nhu adapter cũ, cánh bị hu hại cố hay va đập, cánh quạt quay rung hơn, v.v… Board điều khiển trung tâm đuợc đặt vòng nhựa giảm đuợc đáng kể rung động tác động lên cảm biến, tín hiệu thu nhận nhờ xác SVTH: Nguyễn Thanh Sơn GVHD: T.S Hoàng Thắng 51 Đề tài : Nghiên cứu điều khiển máy bay khơng người lái Hình 3.22 Thiết kế hồn chỉnh Hình 3.23 Mơ hình máy bay Quadrocopter thực tế Ở thiết kế sau mơ hình thực tế, thiết kế nhựa cứng có hiệu nhẹ chống rung cao SVTH: Nguyễn Thanh Sơn GVHD: T.S Hoàng Thắng 52 Đề tài : Nghiên cứu điều khiển máy bay không người lái CHƯƠNG LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN MÁY BAY KHƠNG NGƯỜI LÁI Bảng giá trị điện áp cho chế độ UAV: Hình 4.1 Bảng giá trị điện áp 4.1 Thiết lập Control Front Panel Hình 4.2 Thiết lập Control Front Panel Sử dụng Numeric Control Numeric Indicator để thiết lập giá trị đầu vào hiển thị đầu cho chế độ: Tiến Lùi – Trái Phải – Quay - Ga Tạo Combo Box add đầy đủ tất chế độ điều khiển hoạt động máy bay vào Combo Box: SVTH: Nguyễn Thanh Sơn GVHD: T.S Hoàng Thắng 53 Đề tài : Nghiên cứu điều khiển máy bay không người lái Tạo nút nhấn điều khiển chế độ Radio Buttons: Điều giúp dễ dàng điều khiển hoạt động máy bay hình 4.2 Sơ đồ khối Block Diagram Sử dụng Case Structure để xử lý tất chế độ máy bay Sử dụng DBL Numeric Constant Local Variable để đưa giá trị điện áp Tiến – Lùi Trái Phải – Quay – Ga - SWD – SWC cho tương ứng cho chế độ Chế độ KHỞI ĐỘNG SVTH: Nguyễn Thanh Sơn GVHD: T.S Hoàng Thắng 54 Đề tài : Nghiên cứu điều khiển máy bay không người lái Chế độ BAY LÊN Chế độ CÂN BẰNG SVTH: Nguyễn Thanh Sơn GVHD: T.S Hoàng Thắng 55 Đề tài : Nghiên cứu điều khiển máy bay không người lái Chế độ HOLD Chế độ TRÁI Chế độ PHẢI SVTH: Nguyễn Thanh Sơn GVHD: T.S Hoàng Thắng 56 Đề tài : Nghiên cứu điều khiển máy bay không người lái Chế độ TIẾN Chế độ LÙI Chế độ HẠ XUỐNG SVTH: Nguyễn Thanh Sơn GVHD: T.S Hoàng Thắng 57 Đề tài : Nghiên cứu điều khiển máy bay không người lái Tổng quan tất chế độ: Sử dụng Case Structure để thiết lập nút ấn Radio Buttons cho tất chế độ Sơ đồ kết nối với điểu khiển SVTH: Nguyễn Thanh Sơn GVHD: T.S Hoàng Thắng 58 Đề tài : Nghiên cứu điều khiển máy bay khơng người lái Tồn sơ đồ khối Block Diagram Hình 4.3 Tồn sơ đồ khối Block Diagram SVTH: Nguyễn Thanh Sơn GVHD: T.S Hoàng Thắng 59 Đề tài : Nghiên cứu điều khiển máy bay không người lái CHƯƠNG KẾT LUẬN 5.1 NHỮNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC Với mục tiêu đề tài đặt ra, qua trình thực hiện, nghiên cứu đạt kết sau: ❖ Về nghiên cứu lý thuyết: Đã có nghiên cứu nắm bắt cách tổng thể nguyên lý hoạt động, nguyên lý điều khiển, lý thuyết tổng quan động học, động lực học, mơ hình tốn thiết bị bay dạng Quadrocopter ❖ Về thiết kể khí: Tận dụng nguồn thiết bị vật liệu sẵn có thị trường Mơ hình đảm bảo yêu cầu kỹ thuật thẩm mỹ Tính chọn thiết bị phù hợp với Quadrocopter ❖ Về thiết kể điều khiển: Chương trình điều khiển viết hồn chỉnh linh hoạt, cho phép điều khiển mơ hình Quadrocopter cất cánh, hạ cánh, quay trái, quay phải di chuyển theo hướng trước, sau, trái, phải Bộ điều khiển từ xa dùng truyền thông UART với mã điều khiển mở, dễ thay đổi, có khả mở rộng phát triển tốt lên ứng dụng điều khiển giám sát có yêu cầu cao Xử lý tốt tín hiệu thu từ cảm biến quán tính IMU (gồm accelerometer gyroscope), khắc phục tốt vấn đề nhiễu, lấy kết đo gần với giá trị thực phục vụ cho việc điều khiển cân Chương trình kiểm tra giám sát trạng thái phần mem LabVIEW giao diện trực quan, sinh động, có khả mở rộng tính giám sát, thu nhận thêm hình ảnh, SVTH: Nguyễn Thanh Sơn GVHD: T.S Hồng Thắng 60 Đề tài : Nghiên cứu điều khiển máy bay khơng người lái Hình 6.1 bay ổn định, cân tốt 5.2 NHỮNG KẾT QUẢ CHƯA ĐẠT ĐƯỢC VÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC Bên cạnh kết đạt được, đề tài tồn tại, hạn chế cần phải khắc phục: - Phần khung nhìn chung nặng, cần giảm xuống khoảng E1.2I