Đồ án thiết kế và chế tạo mô hình quadrocopter để thu thập không gian ảnh

lOMoARcPSD|16911414 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 KHƠNG 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 lOMoARcPSD|16911414 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 nơng 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 địi 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! lOMoARcPSD|16911414 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 lOMoARcPSD|16911414 A GIỚI THIỆU TỔNG QUAN Tổng quan máy bay không người lái UAV (Unmanned Aerial Vehicle) 1.1 Vai trò 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 trị UAV khơng dừng lại tình báo, thám theo dõi – vai trò truyền thống chúng UAV đảm nhiệm công điện tử, tiến hành công bom tên lửa, tiến hành phá hủy ngăn chặn hệ thống phịng khơng, mắt xích toàn 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 công cho nhiệm vụ có nguy cao (Máy bay chiến đấu khơng người lái (UCAV) ) lOMoARcPSD|16911414 Hình 1.2 ISIS công 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 khơng,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+) lOMoARcPSD|16911414 - 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 qn 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 lOMoARcPSD|16911414 - 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 không 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 không 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 lOMoARcPSD|16911414 Hình 1.1 Một mẫu máy bay không người lái (UAV) Máy bay không người lái trải qua nhiều biến thể tính đến thời điểm chúng gọi với tên khác Ngoài ra, Ủy ban Quản lí Hàng khơng Liên bang Hoa Kỳ cịn 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 Khơng 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 không 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 qn đội với mục đích tìm công nghệ sẵn sàng cho chiến tranh lOMoARcPSD|16911414 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 thông 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 lOMoARcPSD|16911414 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 không phục vụ cho ngành công nghiệp giải trí mà cịn 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) 10 lOMoARcPSD|16911414 Hình 3.6 Sơ đồ kết nối tổng quát phận QuadCopter với Pixhawk 36 lOMoARcPSD|16911414 3.3 Sơ đồ kết nối chi tiết phận Mơ hình khối kết nối Quadcopter dựa Pixhawk thể hình chi tiết kết nối giải thích sau : Hình 3.7 Mơ hình kết nối tổng quát Quadcopter dựa Pixhawk 37 lOMoARcPSD|16911414 a) Motor – Propeller Hình 3.8 Kết cấu cánh quạt motor Quadcopter - Hầu hết động yêu cầu gắn chuyển đổi (prop adapter) trước tiên - Sử dụng kích thước vịng nhựa với prop (thường kèm với cánh quạt) Nếu lỏng gây rung lắc không cần thiết - Miếng đệm gắn phía cánh quạt với nút prop bên - Sử dụng vít vặn để vặn chặt núm cho núm kẹp chặt xuống phần thân b) Motor – ESC Hình 3.9 Kết nối ESC với motor Foxracer 35A ESC - Sử dụng ESC chung cho motor Với motor có dây pha - Để đảo chiều quay động cần đổi kết nối dây pha 38 lOMoARcPSD|16911414 - Kết nối động ESC thường kết nối kiểu đầu đạn 3.5 mm c) ESC – Power Module – Battery - Kết nối Power Module với Battery ESC thường cổng XT60 Hình 3.10 Kết nối Power Module với ESC Battery d) Battery – Battery Warning - Kết nối qua cổng JST-XHR Hình 3.11 Kết nối Battery Battery Warning e) Camera – Gimbal - Camera đặt cố định, chặt chẽ khung chứa Gimbal 39 lOMoARcPSD|16911414 Hình 3.12 Kết nối Camera cấu tạo Gimbal f) Gimbal – Gimbal Controller - Motor quay trục Gimbal kết nối với chân tương ứng Gimbal Controller Hình 3.13 Kết nối thành phần với Gimbal Controller g) Camera – Video Transmitter - Chân kết nối Camera nối tương ứng với VTX hình - Nguồn dược cấp từ Pixhawk (5V) pin rời hình Hình 3.14 Kết nối Camera VTX 40 lOMoARcPSD|16911414 h) Radio Receiver – PPM Sum Receiver - PWM (Pulse Width Modulation) tiêu chuẩn để điều khiển thiết bị khác mơ hình điều khiển từ xa Mỗi kênh có dây riêng, có thu kênh, ta cần kết nối dây để đọc đầu vào vào điều khiển chuyến bay - PPM (Pulse Position Modulation) tín hiệu tương tự, thay sử dụng dây riêng cho kênh, PPM xếp chồng tín hiệu để gửi tất tín hiệu theo dây Điều làm cho việc kết nối Bộ thu R/C với chế độ lái tự động dễ dàng nhiều! Các biến thể khác PPM bao gồm CPPM PPMsum biến thể nhẹ giới thiệu nhà sản xuất cụ thể Hình 3.15 Kết nối Receiver với PPM Encoder i) Pixhawk – Power Module 41 lOMoARcPSD|16911414 - Power module kết nối đến cổng Power dây cáp, vị trí chân cắm tương ứng với bảng PinOuts 3.1b Hình 3.16 Kết nối Pixhawk với Power module j) Pixhawk – ESC - Chân kết nối ESC với Pixhawk gồm đầu động IN1, IN2, IN3, IN4 chân nối đất GND tương ứng với vị trí 1, 2, 3, hàng chân tín hiệu S (signal) – (bất kỳ) kênh (Main ouputs) Pixhawk Hình 3.17 Kết nối Pixhawk với ESC 4in1 k) Pixhawk – Telemetry 42 lOMoARcPSD|16911414 - Module Telemetry kết nối với cổng Telem (Telem Serial 4/5) Pixhawk thông qua cáp DF13 cổng Vị trí chân cắm thể bảng PinOuts 3.1b Hình 3.18 Kết nối Telemetry với Pixhawk l) Pixhawk – Gimbal Controller - Kết nối qua chuẩn UART (Tx, Rx, GND) Gimbal Controller tới cổng Telem (hoặc Serial) Pixhawk 43 lOMoARcPSD|16911414 Hình 3.19 Kết nối Pixhawk Gimbal Controller m) Pixhawk – Buzzer - Buzzer kết nối với cổng Buzzer có sẵn Pixhawk với dây cáp Hình 3.20 Kết nối Pixhawk với Buzzer n) Pixhawk – PPM Sum Receiver - Kết nối sử dụng dây cáp Ground, Power Signal Hình 3.21 Kết nối Pixhawk với PPM Sum Receiver 44 lOMoARcPSD|16911414 o) Pixhawk – Safety Switch - Kết nối với dây cáp với chân định bảng OutPuts 3.1b Hình 3.22 Kết nối Pixhawk với Switch p) Pixhawk – GPS & Compass - Kết nối chân Module với cổng I2C ( cho cổng MAG) GPS (cho cổng GPS) qua cáp DF13 Vị trí chân tương ứng Pixhawk bảng PinOuts 3.1b Hình 3.22 Cổng kết nối Module GPS and Compass 45 lOMoARcPSD|16911414 q) Telemetry – GCS - Cáp kết nối cổng Micro USB Hình 3.23 Kết nối GCS với Telemetry 3.4 Nguyên lý hoạt động a) Nguyên lý quay Gimbal (3 trục) - Pan (Yaw): Chuyển động ngáp chuyển động từ bên sang bên gimbal/camera sang trái phải Hầu hết gimbal có chuyển động 360 độ - Roll: Góc cuộn xoay gimbal/camera sang trái sang phải - Pitch (Nghiêng): Chuyển động gập lên, gập xuống gimbal/camera 46 lOMoARcPSD|16911414 Hình 3.24 Các trục quay gimbal/camera b) Nguyên lý điều khiển Quadcopter Transmitter - Hệ thống điều khiển radio tạo thành từ thành phần, máy phát (transmitter) người điều khiển cầm máy thu (Receiver) đặt drone - Máy phát đọc đầu vào từ núm điều khiển gửi chúng qua khơng khí đến máy thu gần thời gian thực - Khi máy thu có thơng tin, chuyển thơng tin điều khiển đến điều khiển máy bay FC, làm cho máy bay di chuyển theo yêu cầu người điều khiển - Một máy phát có kênh riêng biệt cho hướng núm điều khiển (stick) kèm số kênh bổ sung cho cơng tắc phụ có tuỳ thuộc vào loại tay cầm điều khiển - Giới hạn phạm vi thường nơi phía thu khơng cịn nghe rõ phía phát nói gì, thường 1km điều kiện bình thường Giới hạn phụ thuộc vào: Công suất đầu máy phát, Độ nhạy máy thu, Chất lượng ăngten hai đầu - Chế độ điều khiển: Có chế độ tuỳ chọn để điều khiển núm điều khiển Các chế độ đại diện cho núm có chức Chế độ sử dụng phổ biến mode 47 lOMoARcPSD|16911414 Hình 3.25 Các mode điều khiển Transmitter - Khi đẩy mạnh núm stick, quadcopter di chuyển mạnh theo điều khiển - Có điều khiển cho quadcopter: Roll, Pitch, Yaw, Throttle Hình 3.26 Mode Điều khiển stick mode quay quadcopter  Roll - Là chuyển động đưa quadcopter sang trái phải, sử dụng cách đẩy núm bên phải máy phát sang trái phải Hình 3.27 Điều khiển roll qua trái phải  Pitch 48 lOMoARcPSD|16911414 - Được thực cách đẩy núm bên phải máy phát trước sau Điều làm nghiêng quad dẫn đến chuyển động tiến lùi quad Hình 3.28 Điều khiển pitch (tiến, lùi)  Yaw - Xoay quad theo chiều kim đồng hồ ngược chiều kim đồng hồ, thực cách đẩy núm bên trái sang trái phải  Throttle (Van tiết lưu) - Cung cấp cho cánh quạt quadcopter đủ công suất để bay lên hạ thấp không cách đẩy núm bên trái trước sau - Khi bay cần điều khiển ga liên tục lưu ý vừa cất cánh không buông ga cách mặt đất vài inch 49 lOMoARcPSD|16911414 Hình 3.29 Điều khiển Throttle (lên, xuống) c) Nguyên lý điều khiển Quadcopter GCS - Quadcopter GCS kết nối qua Telemetry Radio gắn thiết bị để gửi nhận liệu từ hai - Một hệ thống datalink không dây cung cấp liên lạc từ xa với UAV Dữ liệu từ xa, lệnh liệu cảm biến video, hình ảnh phép đo cần phải chuyển UAV GCS Các phương thức liên lạc bao gồm radio tương tự kỹ thuật số thông tin di động, với phạm vi hoạt động kéo dài đến hàng trăm km - Hệ thống Datalink giao tiếp với module điều khiển UAV điều chỉnh cánh quạt, van tiết lưu…Các chức điều khiển GCS tương tự Transmitter có nhiều tuỳ chọn khác hiển thị tất thông số trạng thái Quadcopter Điều giúp cho người điều khiển nắm bắt thông tin chuyến bay cách đầy đủ, tránh cố phát sinh bay 50 ... dây nối để tránh bị rối với dây khác 35 lOMoARcPSD|16911414 Hình 3.6 Sơ đồ kết nối tổng quát phận QuadCopter với Pixhawk 36 lOMoARcPSD|16911414 3.3 Sơ đồ kết nối chi tiết phận Mơ hình khối kết nối... (CACGS) for UAVs c) Theo chủng loại, thiết kế - Drone: Từ đồng nghĩa với UAV, thường dùng để thiết bị bay không người lái dùng cho mục đích qn sự, cịn từ UAV dùng để thiết bị sử dụng cho mục đích giải... cánh quạt phía trước (front) phía sau (back) quay ngược chiều kim đồng hồ, cặp cánh bên phải (right) bên trái (left) lại quay thu? ??n chiều kim đồng hồ nhằm cân moment xoắn tạo cánh quạt khung Hình