Thiết kế và chế tạo mô hình máy bay quan sát trên không

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH MÁY BAY QUAN SÁT TRÊN KHÔNG NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: THS LÊ HOÀI Sinh viên thực hiện: MSSV: Lớp: Nguyễn Linh Giang 1811030159 18DCTA1 Nguyễn Trần Văn Lâm 1811030047 18DCTA1 Lê Phạm Hoàng Hải 1811030192 18DCTA1 Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2022 MỤC LỤC PHIẾU ĐĂNG KÝ PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT iii ABSTRACT iv MỤC LỤC v DANH MỤC HÌNH ẢNH x DANH MỤC CÁC BẢNG xiv LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG GIỚI THIỆU 1.1 Giới thiệu đề tài 1.2 Lý chọn đề tài .2 1.3 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 1.4 Cách thức thực 1.4.1 Mục tiêu đề tài 1.4.2 Phạm vi đề tài 1.4.3 Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG TỔNG QUAN GIẢI PHÁP 2.1 Tình hình nghiên cứu phát triển ngồi nước 2.1.1 Tình hình nghiên cứu phát triển nước 2.1.2 Tình hình nghiên cứu phát triển nước v 2.2 Phân loại 2.3 Sự khác Helicopter Quadcopter 2.4 Lý thuyết tiếp cận 10 2.4.1 Các hệ tọa độ 10 2.4.2 Các hướng chuyển động quay 11 2.5 Nguyên lý hoạt động 13 2.6 Cấu tạo chung máy bay .15 2.7 Định hướng cất cánh bay 16 2.8 Đưa phương án 17 2.8.1 DJI Mavic Mini 17 2.8.2 Hudsan Zino H177S 19 2.8.3 DJI Spark 20 2.8.4 DJI Mavic Pro 22 2.8.5 DJI Frame 24 2.9 Lựa chọn phương án 25 2.10 Công nghệ điều khiển 25 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT 26 3.1 Thực trạng công ty 26 3.2 Thiết kế hệ thống điều khiển 26 3.2.1 Waypoint 27 3.2.2 Quadcopter 28 3.2.3 Mơ hình hệ thống điều khiển 30 CHƯƠNG QUY TRÌNH THIẾT KẾ 32 4.1 Thiết kế khung máy 32 vi 4.1.1 Chọn vật liệu chế tạo khung 32 4.1.2 Thiết kế kích thước khung máy 34 4.2 Thiết kế hệ thống cánh quạt .37 4.2.1 Nguyên lý cánh quạt 37 4.2.2 Lựa chọn cánh quạt 38 4.2.3 Chọn vật liệu làm cánh 40 4.3 Lựa chọn cấu chấp hành .42 4.3.1 Nguyên lý hoạt động 42 4.3.2 Cấu tạo 42 4.3.3 Phân loại 43 4.3.4 Thông số 44 4.3.5 Lựa chọn động phù hợp 46 4.4 Lựa chọn ESC phù hợp 48 4.4.1 Dịng điện trung bình dịng điện tối đa 48 4.4.2 Hiệu điện sử dụng 48 4.4.3 Chức ESC 49 4.5 Lựa chọn Pin 50 4.5.1 Pin không tái sử dụng 50 4.5.2 Pin tái sử dụng 50 4.5.3 Hiệu điện Pin 51 4.5.4 Dung lượng Pin 51 4.5.5 Dòng xả 51 4.5.6 Trọng lượng Pin 51 4.6 Tiết diện dây dẫn .52 vii 4.7 Mạch trung tâm 52 4.7.1 Mạch Arduino Uno R3 52 4.7.2 Các chân lượng 54 4.7.3 Bộ nhớ 54 4.7.4 Các cổng vào 55 4.7.5 Lập trình cho Arduino 56 4.8 Lựa chọn cảm biến 57 4.8.1 Cảm biến Gyro-Accel MPU6050 57 4.8.2 Cảm biến định vị GPS 60 4.8.3 Cảm biến GSM GPRS Sim800L 61 4.9 Bộ thu phát tín hiệu 63 4.9.1 Tay điều khiển – Tx (Transmitter) – Máy phát sóng 63 4.9.2 Rx (Receiver) – Mạch nhận sóng 66 4.9.3 Giao thức Tx Rx 68 4.10 Thiết kế thuật toán 68 4.10.1 Thuật tốn chương trình setup 68 4.10.2 Sơ đồ thuật toán ổn định cân 69 4.10.3 Chương trình điều khiển 72 4.10.4 Sơ đồ thuật toán lưu đồ giải thuật 73 4.11 Nguyên lý điều khiển .74 CHƯƠNG THI CÔNG 77 5.1 Mô hệ thống máy bay 77 5.1.1 Các bước thực 77 5.1.2 Kết q trình mơ (phụ lục 2) 77 viii 5.2 Thi công 79 5.2.1 Thi công lắp ráp 79 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 89 6.1 Kết luận 89 6.3 Hướng phát triển 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO 91 PHỤ LỤC 92 Phụ lục 1: Tính toán thiết kế hệ thống 92 1.1: Tính tốn hệ thống cánh quạt 92 1.2: Tính tốn lựa chọn cấu chấp hành .95 1.3: Tính toán lựa chọn ESC 97 1.4: Tính tốn lựa chọn Pin 97 1.5: Tính chọn tiết diện dây dẫn 98 1.6: Mô tả hệ thống chuyển động 99 Phụ lục 2: Mô kiểm nghiệm 103 2.1 Tay máy 103 2.2 Khung máy 106 Phụ lục 3: Chương trình hệ thống 109 3.1: Chương trình setup .109 3.2: Chương trình Flight Controller .144 ix DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1 Máy bay trực thăng Helicopter Hình 2.2 Trực thăng cánh Quadcopter .9 Hình 2.3 Hệ tọa độ toàn cục 10 Hình 2.4 Hệ tọa độ cục 11 Hình 2.5 Chuyển động Yaw 12 Hình 2.6 Chuyển động Pitch .12 Hình 2.7 Chuyển động Roll 13 Hình 2.8 Định nghĩa hướng chuyển động máy bay .13 Hình 2.9 Nguyên lý hoạt động máy bay .14 Hình 2.10 DJI Mavic Mini 17 Hình 2.11 Hudsan Zino H177S 19 Hình 2.12 DJI Spark 20 Hình 2.13 DJI Mavic Pro 22 Hình 2.14 DJI Frame 24 Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống Waypoint 27 Hình 3.2 Sơ đồ khối Quadcopter .28 Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý tổng quát 30 Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý 31 Hình 4.1 Khung có chiều dài sở 390mm sử dụng cỡ cánh 220mm .34 Hình 4.2 Khung có chiều dài sở 330mm 36 Hình 4.3 Hình chiếu phối cảnh khung 3D 36 Hình 4.4 Mơ hình lực nâng khí động học 38 Hình 4.5 Chiều quay cánh quạt .38 Hình 4.6 Cánh quạt làm chất liệu Cacbon .40 x Hình 4.7 Cánh quạt làm nhựa plastic .41 Hình 4.8 Cấu tạo động khơng chổi than .43 Hình 4.9 Outer rotor với stator nằm bên rotor nằm bên ngồi 44 Hình 4.10 Inner rotor với rotor nằm bên stator nằm bên 44 Hình 4.11 Động có số KV 980KV 45 Hình 4.12 Động có đường kính 22mm cao 6mm 45 Hình 4.13 Bộ điều tốc ESC BLHeli 49 Hình 4.14 Mạch Arduino Uno R3 .52 Hình 4.15 Lập trình cho Arduino 56 Hình 4.16 Cảm biến Gyro-Accel MPU6050 .57 Hình 4.17 Cảm biến định vị GPS NEO 6MV2 61 Hình 4.18 Module GSM GPRS Sim800L 62 Hình 4.19 Bộ thu – phát sóng TX – RX FS FlySky i6 .66 Hình 4.20 Mạch nhận sóng Receiver (Rx) 67 Hình 4.21 Giao thức Tx Rx 68 Hình 4.22 Sơ đồ nguyên lý ổn định cân 69 Hình 4.23 Trước tăng Ki .71 Hình 4.24 Sau tăng Ki 71 Hình 4.25 Lưu đồ giải thuật 73 Hình 4.26 Độ rộng xung dao động từ 1-2ms tốc độ động V=0 Vmax 74 Hình 4.27 Sơ đồ nguyên lý để điều khiển động DC pha 74 Hình 4.28 Đáp ứng động với độ rộng xung 75 Hình 4.29 Khi xung có độ rộng xung 1ms động mức thấp (Min RPM) 75 Hình 4.30 Khi xung có độ rộng xung 1.5ms động hoạt động mức trung bình (Medium RPM) 76 Hình 4.31 Khi xung có độ rộng xung 2ms động hoạt động mức tối đa (Max RPM) 76 xi Hình 5.1 Tấm thân máy .79 Hình 5.2 Tấm thân máy jack nối pin 80 Hình 5.3 Càng đỡ thân máy 80 Hình 5.4 Tổng quan chi tiết .80 Hình 5.5 Lắp ráp khung máy bay 80 Hình 5.6 Khung máy bay sau lắp 81 Hình 5.7 Động SUNNYSKY X2216 81 Hình 5.8 Bộ điều tốc ESC 81 Hình 5.9 Mạch gia tốc MPU6050 .82 Hình 5.10 Mạch trung tâm Arduino Uno R3 82 Hình 5.11 Receiver RX mạch nhận sóng 82 Hình 5.12 Camera Super HAD CCD 600TVL 83 Hình 5.13 VTX 5801 .83 Hình 5.14 Hàn nguồn ESC 83 Hình 5.15 Hàn jack nối pin .84 Hình 5.16 Hàn nguồn nối dây cho ESC .84 Hình 5.17 Lắp ráp đỡ thân máy 84 Hình 5.18 Hàn xong mối hàn jack pin, ESC lắp cho máy 85 Hình 5.19 Lắp ráp động 85 Hình 5.20 Lắp ráp khung máy 85 Hình 5.21 Nối dây Arduino Uno R3 86 Hình 5.22 Ràng dây điện 86 Hình 5.23 Lắp cánh máy bay 86 Hình 5.24 Nối dây Receiver Rx 87 Hình 5.25 Gắn dây cho Camera 87 Hình 5.26 Đi nguồn cho Camera .87 Hình 5.27 Mơ hình vật lý 88 Hình 5.28 Mơ hình mơ 3D .88 xii Hình 7.1 Kích thước khung máy .92 Hình 7.2 Hệ tọa độ quy chiếu 100 xiii } } else if(last_channel_1 == 1){ changed from to //Input is not high and last_channel_1 = 0; state //Remember current input receiver_input[1] = current_time - timer_1; current_time - timer_1 //Channel is } //Channel 2========================================= if(PINB & B00000010 ){ //Is input high? if(last_channel_2 == 0){ to //Input changed from last_channel_2 = 1; state //Remember current input timer_2 = current_time; current_time //Set timer_2 to } } else if(last_channel_2 == 1){ changed from to //Input is not high and last_channel_2 = 0; state //Remember current input receiver_input[2] = current_time - timer_2; current_time - timer_2 //Channel is } //Channel 3========================================= if(PINB & B00000100 ){ //Is input 10 high? if(last_channel_3 == 0){ to //Input 10 changed from 156 last_channel_3 = 1; state //Remember current input timer_3 = current_time; current_time //Set timer_3 to } } else if(last_channel_3 == 1){ changed from to //Input 10 is not high and last_channel_3 = 0; state //Remember current input receiver_input[3] = current_time - timer_3; current_time - timer_3 //Channel is } //Channel 4========================================= if(PINB & B00001000 ){ //Is input 11 high? if(last_channel_4 == 0){ to //Input 11 changed from last_channel_4 = 1; state //Remember current input timer_4 = current_time; current_time //Set timer_4 to } } else if(last_channel_4 == 1){ changed from to //Input 11 is not high and last_channel_4 = 0; state //Remember current input receiver_input[4] = current_time - timer_4; current_time - timer_4 } 157 //Channel is } ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// ////////////// //Subroutine for reading the gyro ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// ////////////// void gyro_signalen(){ //Read the MPU-6050 if(eeprom_data[31] == 1){ Wire.beginTransmission(gyro_address); communication with the gyro Wire.write(0x3B); 43h and auto increment with every read //Start //Start reading @ register Wire.endTransmission(); //End the transmission Wire.requestFrom(gyro_address,14); from the gyro //Request 14 bytes receiver_input_channel_1 = convert_receiver_channel(1); actual receiver signals for pitch to the standard 1000 - 2000us //Convert the receiver_input_channel_2 = convert_receiver_channel(2); actual receiver signals for roll to the standard 1000 - 2000us //Convert the receiver_input_channel_3 = convert_receiver_channel(3); actual receiver signals for throttle to the standard 1000 - 2000us //Convert the receiver_input_channel_4 = convert_receiver_channel(4); actual receiver signals for yaw to the standard 1000 - 2000us //Convert the while(Wire.available() < 14); are received //Wait until the 14 bytes acc_axis[1] = Wire.read()