Nghiên ứu thiết kế hệ thống điều khiển trên thiết bị bay không người lái uav

52 Trang 7 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮTTỪ VIẾT TẮTNGHĨA TIẾNG ANHNGHĨA TIẾNG VIỆTGCS Ground Control Station Trạm điều khiển mặt đấtGPS Global Positioning System Hệ thống định

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - PHẠM NGỌC KHÁNH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THNG ĐIỀU KHIỂN TRÊN THIẾT BỊ BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI UAV LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội – năm 2017 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057204867401000000 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - PHẠM NGỌC KHÁNH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THNG ĐIỀU KHIỂN TRÊN THIẾT BỊ BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI UAV LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS BÙI ĐĂNG THẢNH Hà Nội – năm 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ khoa học: “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị bay không người lái UAV” tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo TS Bùi Đăng Thảnh Các số liệu kết hoàn toàn với thực tế Để hoàn thành luận văn này, sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép tơi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Tác giả luận văn Phạm Ngọc Khánh MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ v DANH MỤC BẢNG BIỂU viii Chương TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI (UAVUnmanned Aerial Vehicle) 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Lịch sử phát triển 1.1.2 Phân loại UAV 1.1.3 Vai trò khả ứng dụng 1.2 Cấu trúc hệ thống UAV 1.2.1 Bộ xử lý trung tâm 1.2.2 Hệ thống cảm biến 1.2.3 Hệ thống Radar 1.2.4 Hệ thống Camera giám sát 1.2.5 Hệ thống dù, túi khí 10 1.2.6 Hệ thống tiết sáng hồng ngoại 10 1.2.7 Hệ thống định vị 10 1.2.8 Hệ thống Servo .13 1.2.9 Máy thu lệnh điều khiển 13 1.2.10 Hệ thống truyền liệu 15 1.2.11 Trạm điều khiển mặt đất (GCS - Ground Control Station) 15 1.2.12 Hệ thống bám sát (Auto tracking) 15 1.2.13 Bệ phóng 15 1.2.14 Thiết bị hỗ trợ 16 1.3 Giới thiệu UAV cánh 16 1.3.1 Cấu tạo máy bay cánh bng 16 1.3.2 Nguyên lý hoạt động máy bay cánh bng 17 1.4 Kết luận chương 22 CHƯƠNG TÌM HIỂU VỀ MÁY BAY CÁNH BNG D-96, KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC MÁY BAY D-96 23 2.1 Tng quan máy bay D-96 .23 2.1.1 Thân máy bay 23 2.1.2 Cánh máy bay 24 2.1.3 Đuôi máy bay 28 2.1.4 Các cánh lái điều khiển 30 2.1.5 Càng máy bay 31 2.1.6 Thiết bị động lực .32 2.1.7 Hệ thống nhiên liệu 33 2.2 Khảo sát động học động lực học máy bay D-96 34 2.3 Kết luận chương 38 Chương THIẾT KẾ HỆ THNG ĐIỀU KHIỂN TRÊN THIẾT BỊ BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI 39 3.1 Cơ sở thiết kế phương án thiết kế 39 3.1.1 Cơ sở thiết kế 39 3.1.2 Phương án thiết kế 39 3.2 Thiết kế phần cứng .40 3.2.1 Vi điều khiểntrung tâm 41 3.2.2 Thiết bị định vị vệ tinh 42 3.2.3 Con quay hồi chuyển vi .44 3.2.4 Modem thu RF 47 3.2.5 Cơ cấu chấp hành (Động Servo) 47 3.2.6 Khối giao tiếp liệu với máy tính 48 3.2.7 Khối giao tiếp với động Servo 49 3.2.8 Khối điều khiển mở rộng 49 3.2.9 Khối nguồn 50 3.3 Thiết kế phần mềm điều khiển 52 3.2.1 Lý thuyết chung thuật toán PID số .52 ii 3.2.2 Lưu đồ thuật toán chương trnh điều khiển .58 3.4 Kết luận chương 67 Chương KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 68 4.1 Th nghiệm phng th nghiệm 68 4.1.1 Phương pháp tiến hành 68 4.1.2 Kết thử nghiệm 73 4.2 Th nghiệm việc kiểm tra bay thực tế .80 iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT TỪ VIẾT NGHĨA TIẾNG ANH NGHĨA TIẾNG VIỆT TẮT GCS Ground Control Station Trạm điều khiển mặt đất GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu IMU Inertial Measurement Unit Hệ thống đo lường quán tính IO Input/Output Cổng tín hiệu vào MBKNL Máy bay khơng người lái RC Radio Controlled Bộ điều khiển qua sóng radio RF Radio Frequency Tần số sóng radio Received Signal Strength Chỉ thị cường độ tín hiệu nhận Indicator Unmanned Aerial Vehicle Phương tiện bay không người lái RSSI UAV iv DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hnh 1.1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống UAV Hnh 1.2: Cấu tạo máy bay cánh bng D-96 18 Hnh 1.3: Động máy nổ 19 Hnh 1.4: Động điện 19 Hnh 1.5: Cánh lái đuôi Elevator 20 Hnh 1.6: Nguyên lý hoạt động cánh lái đuôi 20 Hnh 1.7: Rudder: kênh cánh lái đuôi đứng 20 Hnh 1.8: Nguyên lý kênh cánh lái đuôi đứng 21 Hnh 1.9: Cánh li ệng Aileron 21 Hnh 2.1: Thân máy bay D-96 24 Hnh 2.2: Profil Naca 2412 v ới thông số hnh học: độ dày tương đối ctb = 12%, độ cong tương đối f tb =2% 24 Hnh 2.3: Đồ thị hệ số lực nâng Cl theo góc α 25 Hnh 2.4: Đồ thị hệ số lực cản C d theo góc α 25 Hnh 2.5: Đồ thị hệ số mơ men dọc Cm theo góc α 25 Hnh 2.6: Đồ thị hệ số chất lượng khí động C l/Cd theo góc α 26 Hnh 2.7: Profil Naca 0006 với thông số hnh học: độ dày tương đối c tb= 6%, độ cong tương đối f tb =0% 26 Hnh 2.8: Đồ thị hệ số lực nâng C l theo góc α 26 Hnh 2.9: Đồ thị hệ số lực nâng C d theo góc α .27 Hnh 2.10: Đồ thị hệ số mơ men dọc C m theo góc α 27 Hnh 2.11: Đồ thị hệ số chất lượng khí động C l/Cd theo góc α 27 Hnh 2.12: Cánh máy bay D-96 28 Hnh 2.13: Đuôi máy bay 29 Hnh 2.14: Càng trư ớc 31 Hnh 2.15: Càng sau 32 Hnh 2.16: Động Zenoah 26 CC 33 Hnh 2.17: Cánh qu ạt máy bay D-96 33 Hnh 2.18: Hệ thống nhiên liệu 34 Hnh 2.19: Hệ trục tọa độ máy bay 35 Hnh 3.1: Sơ đồ chức hệ thống điều khiển UAV 40 Hnh 3.2: Sơ đồ nguyên lý khối vi xử lý trung tâm 42 v Hnh 3.3: Module GPS FGPMMOPA6H 43 Hnh 3.4: Sơ đồ nguyên lý GPS 43 Hnh 3.5: Hệ trục thân PTBKNL 44 Hnh 3.6: Cảm biến gia tốc MPU-6000 (a), sơ đồ chân (b) cấu trúc cảm biến (c) 45 Hnh 3.7: Sơ đồ nguyên lý cảm biến MPU-6000 46 Hnh 3.8: Modem thu RF R617FS 47 Hnh 3.9: Động Servo, đòn bẩy mô hnh điều khiển qua điều biến độ rộng xung PWM 48 Hnh 3.10: Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp với máy tính 48 Hnh 3.11: Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp với động Servo 49 Hnh 3.12: Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp mở rộng 50 Hnh 3.13: Sơ đồ nguyên lý khối khối nguồn 50 Hnh 3.14: Pin máy bay 51 Hnh 3.15: Sơ đồ khối điều khiển PID 53 Hnh 3.16: Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị K p (K i Kd hng số) 53 Hnh 3.17: Đồ thị PV theo thời gian, tương ứng với giá trị Ki (Kp Kd không đổi) 54 Hnh 3.18: Đồ thị PV theo thời gian, với giá trị K d (K p Ki không đổi) 55 Hnh 3.19: Xấp xỉ đạo hàm biến sai số e 56 Hnh 3.20: Xấp xỉ tích phân biến sai số e 57 Hnh 3.21: Vòng điều khiển cân bng theo trục Roll 58 Hnh 3.22: Vòng điều khiển cân bng theo trục Pitch 58 Hnh 3.23: Lưu đồ thuật tốn 59 Hnh 3.24: Lưu đồ thuật toán sử dụng giải thuật PID để đưa UAV vị trí cân bng 61 Hnh 3.25: Lưu đồ thuật toán chỉnh định hệ số PID bng phương pháp thực nghiệm 62 Hnh 3.26: Bộ lọc bù 63 Hnh 3.27: Cơng th ức tính góc nghiêng từ gia tốc góc theo trục 64 Hnh 3.28: Lưu đồ thuật toán đ ọc giá trị cảm biến sử dụng lọc bù 65 Hnh 3.29: Lưu đồ thuật toán th ực hàm 66 Hnh 4.1: Sơ đồ kết nối hệ thống mô phng 68 vi Hnh 4.2: Cấu hnh cổng UDP phần mềm X-Plane kết nối với phần mềm trạm điều khiển 69 Hnh 4.3: Lựa chọn tốc độ truyền liệu tham số phần mềm X-Plane xuất sang phần mềm trạm điều khiển 70 Hnh 4.4: Cấu hnh phần mềm trạm điều khiển chế độ mô phng kết nối với phần mềm mô phng X-Plane 71 Hnh 4.5: Chu trnh kiểm tra khí động máy bay mạch điều khiển trung tâm 72 Hnh 4.6: Chức điều chỉnh hệ số PID phần mềm trạm điều khiển 74 Hnh 4.7: Giao diện phần mềm trạm điều khiển máy bay chế độ tự động cân bng 75 Hnh 4.8: Điều chỉnh hệ số PID phần mềm trạm điều khiển 75 Hnh 4.9: Máy bay D-96 chuẩn bị cất cánh đường băng giao diện mô phng phần mềm X-Plane 76 Hnh 4.10: Máy bay D-96 bay giao di ện mô phng phần mềm X-Plane .76 Hnh 4.11: Đường bay má y bay D-96 giao diện mô phng phần mềm XPlane 77 Hnh 4.12: Đồ thị đáp ứng điều khiển hai kênh Roll Pitch giao diện phần mềm trạm điều khiển 78 Hnh 4.13: Đồ thị đáp ứng điều khiển kênh Roll 79 Hnh 4.14: Đồ thị đáp ứng điều khiển kênh Pitch 79 Hnh 4.15: Quá trnh bay thử nghiệm theo file Log chế độ bay tự động 80 Hnh 4.16: Đáp ứng điều khiển kênh Roll kênh Pitch chế độ bay tự động cân bng 81 vii