Microsoft Word luáº�n vÄ n quadcopter Repaired Nhận xét của giáo viên hướng dẫn ̀ Cần Thơ, ngày tháng năm 2019 ThS Đường Khánh Sơn Nhận xét của giáo viên phản biện Cần Thơ, ngày tháng năm 2019 i LỜI C[.]
Nhận xét giáo viên hướng dẫn ` Cần Thơ, ngày…tháng…năm 2019 ThS: Đường Khánh Sơn Nhận xét giáo viên phản biện Cần Thơ, ngày…tháng…năm 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn thầy Đường Khánh Sơn Các số liệu kết thu thân trực dõi, thu thập với thái độ hoàn toàn khách quan trung thực, tài liệu trích dẫn điều liệt kê đầy đủ, khơng chép tài liệu mà khơng có trích dẫn Tác giả luận văn Từ Đặng Thanh Hạc i LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn trân trọng sâu sắc đến thầy Đường Khánh Sơn - người tạo điều kiện tận tình hướng dẫn, góp ý, động viên em suốt trình nghiên cứu thực đồ án Xin chân thành cảm ơn đến tất q thầy thuộc Khoa Kỹ thuật khí, Bộ môn Cơ điện tử trường Đại học Kỹ thuật – công nghệ Cần Thơ người trang bị cho chúng em kiến thức bản, nhiệt tình hướng dẫn giúp đỡ chúng em suốt khóa học vừa qua Và sau cùng, xin cảm ơn, chia sẻ niềm vui với gia đình, người thân, tập thể lớp Cơ điện tử khóa - người bên quan tâm giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để học tập, nghiên cứu hoàn thành đồ án tốt nghiệp Cần Thơ, ngày…tháng…năm 2019 Từ Đặng Thanh Hạc ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH ẢNH .vii CHỮ VIẾT TẮT x DANH SÁCH KÍ HIỆU xi MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Khái quát quadcopter 1.2 Lịch sử hình thành 1.3 Tình hình nghiên cứu nước ngồi 1.4 Tình hình nghiên cứu nước 1.4.1 Mơ hình sinh viên sư phạm kỹ thuật Tp.HCM 1.4.2 Mơ hình sinh viên đại học bách khoa Đà Nẵng 1.4.3 Ở câu lạc mơ hình 1.5 Nội dung nghiên cứu 10 CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG 11 2.1 Đặt giả thuyết 11 2.2 Mơ hình động học 11 2.3 Mơ hình động lực 14 2.3.1 Phương trình chuyển động quay 14 2.3.1.1 Ma trận quán tính 15 iii 2.3.1.2 Moment quay 15 2.3.1.3 Moment chuyển động quadcopter 15 2.3.2 2.4 Phương trình chuyển động tịnh tiến 19 Hiệu ứng khí động học 20 2.4.1 Lực kéo 20 2.4.2 Moment kéo 20 2.5 Động lực cánh quạt 21 2.6 Mơ hình khơng gian trạng thái 23 2.6.1 Vector trạng thái x 23 2.6.2 Điều khiển Vector đầu vào U 23 2.6.3 Phương trình chuyển động quay 25 2.6.4 Phương trình chuyển động tịnh tiến 26 2.6.5 Phương trình khơng gian trạng thái tổng hợp 27 CHƯƠNG 3.1 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO QUADCOPTER 29 Điều khiển hệ thống 29 3.1.1 Điều khiển độ cao 29 3.1.2 Điều khiển độ cao hướng 29 3.1.3 Điều khiển vị trí 30 3.2 Bộ điều khiển PID 32 3.2.1 Điều khiển độ cao 32 3.2.2 Bộ điều khiển độ cao hướng 33 3.2.2.1 Điều khiển góc roll 33 3.2.2.2 Điều khiển góc pitch 34 iv 3.2.2.3 Điều khiển góc yaw 34 3.2.2.4 Điều khiển vị trí 35 CHƯƠNG THIẾT KẾ QUADCOPTER 36 4.1 Thiết kế khung quadcopter 36 4.2 Các linh kiện sử dụng 37 4.2.1 Khung 37 4.2.2 Cánh quạt 38 4.2.3 Nguồn sử dụng 39 4.2.4 Động sử dụng 40 4.2.5 Cảm biến quay hồi chuyển cảm biến gia tốc 42 4.2.6 Bộ điều khiển 43 4.2.7 Bộ điều khiển RC Devo 44 4.2.8 Bộ điều tốc ESC (Electronic Speed Controller) 45 Hình 4.13 Bộ điều tốc ESC 30A simonk 46 4.3 Giao tiếp I2C (Inter intergrated circuit) 46 4.4 Lập trình arduino 47 4.4.1 Sơ đồ nguyên lý 47 4.4.2 Sơ đồ kết nối 48 4.4.4 Tính tốn góc xử lý tín hiệu 50 4.4.4.1 Tính góc 50 4.4.4.2 Xử lý tín hiệu 50 4.4.5 Lập trình 50 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 51 v 5.1 Kết 51 5.1.1 Mô Matlab Simulink 51 5.1.2 Giá trị nhận từ cảm biến 60 5.1.3 Mơ hình thực tế 63 5.2 Đánh giá 66 Kết đạt 67 Kết chưa đạt 67 Hướng phát triển 67 Ứng dụng 67 PHỤ LỤC A 68 PHỤ LỤC B 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 99 vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Máy bay phản lực Breguet-Richet (1907) Hình 1.2 Oehmichen số (1920) Hình 1.3 Máy bay trực thăng de Bothezat (1922) Hình 1.4 Convertawings Model A Quadrotor (1956) Hình 1.5 Curtiss - Wright VZ-7 (1958) Hình 1.6 Máy bay PHANTOM PRO hãng DJI Hình 1.7 Máy bay MAVIC hãng DJI Hình 1.8 Mơ hình quadcopter sinh viên sư phạm kỹ thuật Tp.HCM Hình 1.9 Mơ hình quadcopter sinh viên đại học bách khoa Đà Nẵng Hình 1.10 Mơ hình câu lạc 10 Hình 2.1 Khung tham chiếu 12 Hình 2.2 Lực moment quadcopter 17 Hình 2.3 Sơ đồ động DC không chổi than 21 Hình 3.1 Sơ đồ điều khiển độ cao 29 Hình 3.2 Sơ đồ điều khiển độ cao mục tiêu 30 Hình 3.3 Sơ đồ điều khiển (hoàn chỉnh) 32 Hình 3.4 Bộ điều khiển PID 32 Hình 4.1 Cánh tay khung quadcopter 36 Hình 4.2 Thân quadcopter 36 Hình 4.3 Thân (bên trái) đáp (bên phải) quadcopter 37 Hình 4.4 Khung quadcopter hồng chỉnh 37 Hình 4.5 Khung quadcopter 38 Hình 4.6 Cánh quạt 10x45 39 Hình 4.7 Pin Lithium polymer 11.1v 40 Hình 4.9 BLDC MT2216-810KV 42 Hình 4.10 Cảm biến MPU-6050 43 Hình 4.11 Arduino nano 44 vii Hình 4.12 Bộ phát TX (bên trái) thu RX (bên phải) Devo 45 Hình 4.13 Bộ điều tốc ESC 30A simonk 46 Hình 4.14 Sơ đồ nguyên lý quadcopter 47 Hình 4.15 Sơ đồ kết nối 48 Hình 4.16 Lưu đồ giải thuật 49 Hình 5.1 Thơng số quadcopter 51 Hình 5.2 Mơ hình hóa quadcopter Matlab Simulink 52 Hình 5.3 Khối Translational Equation 52 Hình 5.4 Khối Rotational Equation 53 Hình 5.5 Khối Motor calibration 54 Hình 5.6 Khối Attitude and Heading Control 55 Hình 5.7 Khối Position controller 56 Hình 5.8 Khối Calculation controller 56 Hình 5.9 Khối INPUT 57 Hình 5.10 Vị trí x mong muốn x đầu 57 Hình 5.11 Vị trí y mong muốn y đầu 58 Hình 5.12 Vị trí z mong muốn z đầu 58 Hình 5.13 Giá trị phi mong muốn phi đầu 59 Hình 5.14 Giá trị theta mong muốn theta đầu 59 Hình 5.15 Giá trị psi mong muốn psi đầu 60 Hình 5.16 Ngõ góc phi, theta psi 60 Hình 5.17 Xử lý tín hiệu góc roll pith sử dụng lọc bổ xung 61 Hình 5.18 Xử lý tín hiệu góc roll pith sử dụng lọc bổ xung phóng to 61 Hình 5.19 Tín hiệu gyro trục x trước sau 62 Hình 5.20 Tín hiệu gyro trục y trước sau 62 Hình 5.21 Tín hiệu gyro trục z trước sau 63 Hình 5.22 Tín hiệu xung PWM động 63 Hình 5.23 Bộ phận điều khiển quadcopter 64 viii CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO QUADCOPTER Bộ điều khiển PID phát triển để kiểm soát độ cao quadcopter Nó tạo đầu vào điều khiển U chịu trách nhiệm độ cao cho quadcopter theo phương trình (3.31) Luật kiểm sốt dẫn xuất sau: (3.10) U = (g − z̈ )m U = (g + (k (z − z ) + k z −̇ ż + k ∫(z − z )dt))m (3.11) Với: k : Khâu tỉ lệ k : Khâu tích phân k : Khâu vi phân z : Giá trị mong muốn z: Giá trị đầu 3.2.2 Bộ điều khiển độ cao hướng 3.2.2.1 Điều khiển góc roll Bộ điều khiển PID phát triển để điều khiển góc roll quadcopter Luật điều khiển dẫn xuất tạo U đầu vào điều khiển góc cao độ sau: U = k (ϕ − ϕ) + k ϕ̇ − ϕ̇ + k ∫(ϕ − ϕ)dt (3.12) Với: k : Khâu tỉ lệ k : Khâu tích phân k : Khâu vy phân Từ Đặng Thanh Hạc 33 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO QUADCOPTER ϕ : Giá trị roll mong muốn ϕ: Giá trị roll đầu 3.2.2.2 Điều khiển góc pitch Bộ điều khiển PID phát triển để điều khiển góc pitch quadcopter Luật điều khiển dẫn xuất tạo U đầu vào điều khiển góc cao độ sau: U = k (θ − θ) + k θ̇ − θ̇ + k ∫(θ − θ)dt (3.13) Với: k : Khâu tỉ lệ k : Khâu tích phân k : Khâu vi phân θ : Giá trị pitch mong muốn θ: Giá trị pitch đầu 3.2.2.3 Điều khiển góc yaw Bộ điều khiển PID phát triển để điều khiển góc yaw quadcopter luật điều khiển dẫn xuất tạo U đầu vào điều khiển góc cao độ sau: U = k (ψ − ψ) + k ψ̇ − ψ̇ + k ∫(ψ − ψ)dt (3.14) Với: k : Khâu tỉ lệ k : Khâu tích phân k : Khâu vi phân Từ Đặng Thanh Hạc 34 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO QUADCOPTER ψ : Giá trị yaw mong muốn ψ: Giá trị yaw đầu 3.2.2.4 Điều khiển vị trí Sau có điều khiển ổn định độ cao quadcopter, điều khiển vị trí đưa vào.Bộ điều khiển PID sử dụng để tính tốn gia tốc mong muốn ẍ ÿ ẍ = k (x − x) + k (ẋ − ẋ ) + k ∫(x − x)dt (3.15) ÿ = k (y − y) + k (ẏ − ẏ ) + k ∫(y − y)dt (3.16) Với: k : Khâu tỉ lệ k : Khâu tích phân k : Khâu vi phân x : Giá trị mong muốn x y : Giá trị mong muốn y Từ Đặng Thanh Hạc 35 CHƯƠNG THIẾT KẾ QUADCOPTER CHƯƠNG THIẾT KẾ QUADCOPTER 4.1 Thiết kế khung quadcopter Sử dụng phần mềm solidwork để thiết kế: Hình 4.1 Cánh tay khung quadcopter Hình 4.2 Thân quadcopter Từ Đặng Thanh Hạc 36 CHƯƠNG THIẾT KẾ QUADCOPTER Hình 4.3 Thân (bên trái) đáp (bên phải) quadcopter Hình 4.4 Khung quadcopter hồng chỉnh 4.2 Các linh kiện sử dụng 4.2.1 Khung Quadcopter kích thước 450mm với thông số kỹ thuật: - trọng lượng: 282 gram - Đường kính 450mm Từ Đặng Thanh Hạc 37 CHƯƠNG THIẾT KẾ QUADCOPTER - Trọng lượng nâng 800 ~ 1200g Hình 4.5 Khung quadcopter 4.2.2 Cánh quạt Cánh quạt sử dụng 10x45 Thông số kỹ thuật: - Vật liệu: nhựa nylon - Đường kính cánh quạt: 25.4cm - Moment xoắn 11,43 cm Từ Đặng Thanh Hạc 38 CHƯƠNG THIẾT KẾ QUADCOPTER Hình 4.6 Cánh quạt 10x45 4.2.3 Nguồn sử dụng Sử dụng pin Lithium polymer với thơng số kỹ thuật: - Kích thước: 20*44*138mm - Trọng lượng: 225 gram - Nguồn điện: 11.1V - Dung lượng: 2800mAh - Dòng xả: 35C Từ Đặng Thanh Hạc 39 CHƯƠNG THIẾT KẾ QUADCOPTER Hình 4.7 Pin Lithium polymer 11.1v 4.2.4 Động sử dụng Động sử dụng động không chổi than với ưu điểm sau: - Tỷ lệ công suất/khối lượng máy điện cao - Tỷ lệ momen/qn tính lớn (có thể tăng tốc nhanh) - Vận hành nhẹ nhàng (dao động momen nhỏ) chí tốc độ thấp (để đạt điều khiển vị trí cách xác) - Mơmen điều khiển vị trí khơng - Vận hành tốc độ cao - Có thể tăng tốc giảm tốc thời gian ngắn - Hiệu suất cao - Kết cấu gọn Với mơ hình ta sử dụng động không chổi than Emax với thông số sau - Loại động cơ: MT2616 - KV: 810KV - khung: 12N14P Từ Đặng Thanh Hạc 40 CHƯƠNG THIẾT KẾ QUADCOPTER - Trục: 4mm - Đường kính: 28mm - Chiều dài: 42mm - Loại pin sử dụng: 3-4S - Lực đẩy tối đa: 950g - Khối lượng: 62g Hình 4.8 Mối liên hệ động cánh quạt Từ Đặng Thanh Hạc 41 CHƯƠNG THIẾT KẾ QUADCOPTER Hình 4.9 BLDC MT2216-810KV 4.2.5 Cảm biến quay hồi chuyển cảm biến gia tốc Cảm biến sử dụng GY-521 6DOF IMU MPU6050 với thông tin kỹ thuật: - Điện áp sử dụng: 3~5VDC - Điện áp giao tiếp: 3~5VDC - Chuẩn giao tiếp: I2C - Giá trị Gyroscopes khoảng: +/- 250 500 1000 2000 degree/sec - Giá trị Acceleration khoảng: +/- 2g, +/- 4g, +/- 8g, +/- 16g Từ Đặng Thanh Hạc 42 CHƯƠNG THIẾT KẾ QUADCOPTER Hình 4.10 Cảm biến MPU-6050 4.2.6 Bộ điều khiển Bộ điều khiển ta sử dụng vi điều khiển ATmega328p tích hợp arduino nano với thơng số kỹ thuật: - IC chính: ATmega328P-AU - IC nạp giao tiếp UART: CH340 - Điện áp cấp: 5VDC cổng USB 6-9VDC chân Raw - Mức điện áp giao tiếp GPIO: TTL 5VDC - Dòng GPIO: 40mA - Số chân Digital: 14 chân, có chân PWM - Số chân Digital: 14 chân, có chân PWM - Số chân Analog: chân (hơn Arduino Uno chân) - Flash Memory: 32KB (2KB Bootloader) - SRAM: 2KB - EEPROM: 1KB - Clock Speed: 16Mhz Từ Đặng Thanh Hạc 43 CHƯƠNG THIẾT KẾ QUADCOPTER Hình 4.11 Arduino nano 4.2.7 Bộ điều khiển RC Devo Bộ điều khiển RC sử dụng Devo với khả truyền xa ổn định Thông số kỹ thuật phát TX Devo 7: - Bộ mã hóa: Hệ thống máy vi tính ARM - Tần số: 2.4 GHz (DSSS) - Công suất đầu ra: -5dBm ~ 20dBm - Pin: Pin khô 1.2VX8 NiCard 1.5VX8 AA - Cống tại: 7017mA Thông số kỹ thuật thu RX701: - Loại: 2.4G kênh - Độ nhạy: -105dBm - Tần số khoảng: ≥4M - Cân nặng: 9g - Kích thước: 38.5 * 28 * 15mm Từ Đặng Thanh Hạc 44 CHƯƠNG THIẾT KẾ QUADCOPTER - Cung cấp lượng: 5V Tải FULL (115 trang): https://bit.ly/3fQM1u2 Dự phịng: fb.com/KhoTaiLieuAZ Hình 4.12 Bộ phát TX (bên trái) thu RX (bên phải) Devo 4.2.8 Bộ điều tốc ESC (Electronic Speed Controller) Thơng số kỹ thuật: - Dịng tại: 30A - Đầu vào pin 2-3s - Dòng tối đa 40A 10s - BEC (Battery Eliminator Circuit): tuyến tính 2A 5V - Kích thước: 52x26x7mm - Trọng lượng: 28g - Tầng số xung PWM hoạt động 1000-2000𝝁𝒔 Từ Đặng Thanh Hạc 45 CHƯƠNG THIẾT KẾ QUADCOPTER Hình 4.13 Bộ điều tốc ESC 30A simonk 4.3 Giao tiếp I2C (Inter intergrated circuit) Cấu tạo nguyên lý hoạt động phương thức giao tiếp i2c I2C sử dụng hai đường truyền tín hiệu: - Tải FULL (115 trang): https://bit.ly/3fQM1u2 Dự phòng: fb.com/KhoTaiLieuAZ Một đường xung nhịp đồng hồ (SCL) Master phát (thông thường 100kHz 400kHz Mức cao 1Mhz 3.4MHz) - Một đường liệu (SDA) theo hướng Có nhiều thiết bị kết nối vào bus I2C, nhiên không xảy chuyện nhầm lẫn thiết bị, thiết bị nhận bởỉ địa với quan hệ chủ/tớ tồn suốt thời gian kết nối Mỗi thiết bị hoạt động thiết bị nhận truyền liệu hay vừa truyền vừa nhận Hoạt động truyền hay nhận cịn tùy thuộc vào việc thiết bị chủ (master) tớ (slave) Một thiết bị hay IC kết nối với bus I2C, địa (duy nhất) để phân biệt, cịn cấu hình thiết bị chủ hay tớ.Tại lại có phân biệt ? Từ Đặng Thanh Hạc 46 CHƯƠNG THIẾT KẾ QUADCOPTER Đó bus I2C quyền điều khiển thuộc thiết bị chủ Thiết bị chủ nắm vai trò tạo xung đồng hồ cho toàn hệ thống, hai thiết bị chủ-tớ giao tiếp thiết bị chủ có nhiệm vụ tạo xung đồng hồ quản lý địa thiết bị tớ suốt trình giao tiếp Thiết bị chủ giữ vai trò chủ động, thiết bị tớ giữ vai trò bị động việc giao tiếp Về lý thuyết lẫn thực tế I²C sử dụng bit để định địa chỉ, bus có tới 2^7 địa tương ứng với 128 thiết bị kết nối, có 112 , 16 địa cịn lại sử dụng vào mục đích riêng Bit cịn lại quy định việc đọc hay ghi liệu (1 write, read) Điểm mạnh I²C hiệu suất đơn giản nó: khối điều khiển trung tâm điều khiển mạng thiết bị mà cần hai lối điều khiển 4.4 Lập trình arduino 4.4.1 Sơ đồ nguyên lý Hình 4.14 Sơ đồ nguyên lý quadcopter Nguyên lý hoạt động: cảm biến quay hồi chuyển đo giá trị gyro từ đưa qua lọc để xử lý nhiễu arduino nhận tính hiệu xử lý đưa vào Từ Đặng Thanh Hạc 47 7001245 ... định vị trí tốt Từ Đặng Thanh Hạc CHƯƠNG TỔNG QUAN Hình 1.10 Mơ hình câu lạc 1.5 Nội dung nghiên cứu Đề tài nghiên cứu chế tạo mơ hình máy bay quadcopter đề tài đòi hỏi kiến thức tổng hợp nhiều... Từ Đặng Thanh Hạc CHƯƠNG TỔNG QUAN Hình 1.6 Máy bay PHANTOM PRO hãng DJI Hình 1.7 Máy bay MAVIC hãng DJI 1.4 Tình hình nghiên cứu nước Trong nước thuật ngữ quadcopter dần quen thuộc với người... Quadrotor (1956) Hình 1.5 Curtiss - Wright VZ-7 (1958) Hình 1.6 Máy bay PHANTOM PRO hãng DJI Hình 1.7 Máy bay MAVIC hãng DJI Hình 1.8 Mơ hình quadcopter sinh viên