.31Hình 3.0.13 đo mạch cân bằng và gps theo trục xyz...31Hình 3.0.14 chọn đúng tay điều khiển đang sử dụng...32Hình 3.0.15 Điều chỉnh chế đọ bay cho ổn định tính cân bằng cho người lái..
Nội dung nghiên cứu của đề tài
Các vấn đề chính của đề tài:
- Tìm hiểu nguyên lý điều khiển, nghiên cứu động học, động lực học, khí động và mô hình toán thiết bị bay dạng Quadrocopter Tính toán, và chế tạo mô hình cơ khí.
- Thiết kế hệ thống điều khiển.
- Xây dựng thuật toán điều khiển.
- Do điều kiện hạn chế về kinh phí, thời gian thực hiện ngắn và khả năng kiến thức trong lĩnh vực còn hạn hẹp nên đề tài được giới hạn trong các điều kiện như sau:
O Nghiên cứu chế tạo mô hình Quadrocopter loại công suất nhỏ sử dụng động cơ không chổi than và bộ điều tốc ESC giao thức PWM. o Xử lý tín hiệu các cảm biến quán tính (gyroscope và accelerometer) để đưa vào điều khiển Quadrocopter tự cân bằng, chưa cần quan tâm Đển điều khiển hướng bay của mô hình.
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
Giới thiệu chung
Máy bay không người lái (UAV) là loại máy bay có thể được điều khiển từ xa thông qua hệ thống điều khiển dưới mặt đất hoặc hoàn toàn tự động bằng hệ thống máy tính gắn trên máy bay.
Trong số các máy bay không người lái, Quadrocopter là loại máy bay có khả năng cất hạ cánh thẳng đứng mà không cần đường băng Bộ phận tạo ra lực đẩy và đồng thời cũng làm nhiệm vụ cân bằng cho máy bay là bốn động cơ Toàn bộ các chuyển động 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 các cánh quạt Do đó, so với các loại máy bay UAV khác, Quadrocopter có kết cấu cơ khí đơn giản hơn Điều này đồng nghĩa với kết cấu của máy bay có độ tin cậy cao, do đó việc 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 đương với các máy bay khác có kích thước cồng kềnh hơn do sử dụng cánh quạt có kích thước lớn hơn Điều này là ưu thế cho phép Quadrocopter hoạt động trong các môi trường chật hẹp và nhiều vật cản như trong thành phố, ở các nơi không có quá nhiều không gian cho việc cất hạ cánh.
Bên cạnh các ưu điểm, một trong số các hạn chế của Quadrocopter là hiệu suất lực đẩy 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 với cánh quạt có đường kính lớn Tuy vây, trong tương lai, việc chế tạo máy bay bằng các vật liệu mới có khối lượng nhẹ, sẽ đóng góp đáng kể vào việc nâng cao hiệu suất tiêu thụ năng lượng của máy bay.
Quadrocopter đã và đang cho thấy sự hữu ích trong muôn vàn các ứng dụng trong cuộc 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 kiếm cứu hộ sau thảm họa, cứu hỏa,…), đặc biệt trong thành phố, nơi mà nguy cơ tắc nghẽn giao thông đường bộ luôn có khả năng làm chậm trễ việc tiếp cận bằng các phương tiện cứu hộ đường bộ Bên cạnh đó là rất nhiều ứng dụng trong việc vận chuyển hàng hóa, hay thậm chí cả trong quân sự (trinh sát, do thám, )
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 đối với những dự án có quy mô lớn, khi mà sử dụng phương pháp bản đồ địa hình 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 vấn đề khó nhằn của cơ quan nhà nước khi hỗ trợ cung cấp dữ liệu bổ trợ trong việc xây dựng bản đồ địa lý của các vùng địa hình phức tạp mà con người khó tiếp cận. Ngoài ra, một số loại Quadrocopter có tích hợp hệ thống quét laser như LIDAR có tác dụng hỗ trợ rất hiệu quả cho quá trình xây dựng bản đồ địa hình, nhất là Mô hình 3D số khu vực khảo sát.
Hình 1.0.1 DJI Phantom 4 RTK khảo sát địa hình , đất đai
- Ứng dụng của Quadrocopter trong Nông nghiệp o Ứng dụng của Quadrocopter vào nông nghiệp trong những năm gần đây không còn xa lạ nữa Những loại thiết bị bay không người lái được thiết kế 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 và các công việc yêu cầu tính chính xác cao nhằm nâng cao chất lượng mùa vụ như: gieo hạt, thụ phấn cho hoa… o Bên cạnh đó, những loại Quadrocopter được gắn thêm camera kỹ thuật số còn giúp nhà nông quan sát tổng quát cánh đồng của mình và thu thập đa dạng dữ liệu hình ảnh/ video về cây trồng Từ những thông tin thu thập được sẽ giúp người nông dân phân tích về tình trạng cây trồng và đưa ra cách chăm sóc hợp lý và quảng bá hình ảnh trang trại khi ứng dụng công nghệ kỹ thuật cao vào gieo trồng.
Hình 1.0.2 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 vận chuyển hàng hóa đã phát triển ở nhiều khu vực trên thế giới Nó giúp đơn vị giao nhận tiết kiệm được thời gian và đảm bảo an toàn cho cả người giao và người nhận, đặc biệt trong khoảng thời gian có dịch bệnh Covid 19 diễn ra
Hình 1.0.3 Sử dụng Drone để vận chuyển hàng hóa
Lịch sử phát triển Quadrocopter
Vào năm 1907, chiếc Gyroplane No.1 được chế tạo bởi anh em nhà Breguet, đặt dấu mốc cho sự ra đời chiếc trực thăng đầu tiên và cũng là chiếc Quadrocopter đầu tiên trên thế giới Do khả năng ổn định chưa thực sự tốt, nó chỉ có thể bay gần mặt đất và phải được giữ bằng dây trong khi bay.
Vào năm 1920, Etienne Oehmichen đã thử nghiệm thành công nhiều lần chiếc Oehmichen No.2 do ống thiết kế và chế tạo Chiếc máy bay có khả năng ổn định khá tốt và 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 de Bothezat đã bay thử nghiệm nhiều lần thành công Tuy nhiên, do chi phí chế tạo đắt đỏ và không gây được nhiều sự chú ý, dự án đã bị hủy bỏ.
Vài thập kỉ sau đó, tiếp nối sau những thành công của những kĩ sư tiên phong, những nhà thiết kế, những kĩ sư bấy giờ đã tìm thấy niềm cảm hứng và quay trở lại với ý tưởng về mô hình chiếc máy bay bốn cánh quạt Với sự hiểu biết sâu sắc hơn về hệ thống điều khiển, 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 dòng máy bay cỡ lớn phục vụ trong cả dân sự và quân sự Chiếc máy bay gồm hai động cơ dẫn động bốn rotor thông qua bộ truyền đai Trong năm 1956, với việc bay thử nghiệm thành 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 Tuy nhiên, cũng vì lí do kinh phí, dự án đã bị ngừng lại.
Trong năm 1958, chiếc Curtiss-Wright VZ-7 được thiết kế bởi công tyCurtiss- Wright theo đơn đặt hang của quân đội Mỹ Chiếc máy bay được đánh giá có khả năng di chuyển linh hoạt và dễ điều khiển Tuy nhiên, do không đáp ứng được một số tiêu chuẩn 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 X-19 diễn ra Mẫu thiết kế sử dụng bốn động cơ cánh quạt phản lực, được thiết kế để xoay hướng khi máy bay chuyển qua lại giữa chế độ cất/hạ cánh thẳng đứng và chế độ bay bằng Do chất lượng hệ thống điều khiển còn hạn chế, chiếc X-19 đã không thể thực hiện được thao tác này Đồng thời, chiếc máy bay khó điều khiển trong quá trình bay treo bởi các ảnh hưởng của hiệu ứng mặt đất chưa được tính đến. Trong chuyến bay đầu tiên vào năm 1966, chiếc Bell X-22 đã lập tức đạt được thành công trong việc chuyển từ chế độ bay treo sang bay bằng Chiếc máy bay sử dụng các động cơ đặt trong ống Tuy nhiên, tốc độ của máy bay khi bay bằng bị ảnh hưởng bởi lực cản sinh ra do đường kính lớn của các ống, dẫn đến tốc độ của máy bay thấp.
Tổng quan về phần mềm LabView
a.Giới thiệu phần mềm Labview.
LabVIEW (viết tắt của nhóm từ Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) là một phần mềm máy tính được phát triển bởi công ty National Instruments, Hoa kỳ LabVIEW được biết đến như là một n gôn n g ữ l ập trình với khái niệm hoàn toàn khác so với các ngôn ngữ lập trình truyền thống như n gôn ngữ C , Pas c a l Bằng cách diễn đạt cú pháp thông qua các hình ảnh trực quan trong môi trường soạn thảo, LabVIEW đã được gọi với tên khác là lập trình G (viết tắt của Graphical, nghĩa là đồ họa)
Hình 1.0.11 Logo Labview b Labview là gì ?
Ngôn ngữ lưu đồ đồ họa của Labview hấp dẫn các kỹ sư và nhà khoa học trên toàn thế giới như một phương pháp trực giác hơn trong việc tự động hóa các hệ thống đo lường và điều khiển Ngôn ngữ lưu đồ kết hợp với I/O gắn liền và điều khiển giao diện người sử dụng tương tác cùng đèn chỉ báo làm cho Labview trở thành một lựa chọn lý tưởng cho kĩ sư và nhà khoa học.
Hình 1.0.12 Biểu tượng phần mềm Labview c Chức năng của Labview:
LabVIEW được dùng nhiều trong các phòng thí nghiệm, lĩnh vực khoa học kỹ thuật như tự động hóa, điều khiển, điện tử, cơ điện tử, hàng không, hóa sinh, điện tử y sinh,… Hiện tại ngoài phiên bản LabVIEW cho các hệ điều hành Windows, Linux, Hãng NI đã phát triển các mô-đun LabVIEW cho máy hỗ trợ cá nhân (PDA) Các chức năng chính của LabVIEW có thể tóm tắt như sau:
- Thu thập tín hiệu từ các thiết bị bên ngoài như cảm biến nhiệt độ, hình ảnh từ webcam, vận tốc của động cơ,…
- Mô phỏng và xử lý các tín hiệu thu nhận được để phục vụ các mục đích nghiên cứu hay mục đích của hệ thống mà người lập trình mong muốn
- Xây dựng các giao diện người dùng một cách nhanh chóng và thẩm mỹ hơn nhiều so với các ngôn ngữ khác như Visual Basic, Matlab,
- Cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển như PID, Logic mờ (Fuzzy Logic), một cách nhanh chóng thông qua các chức năng tích hợp sẵn trong LabVIEW.
- Cho phép kết hợp với nhiều ngôn ngữ lập trình truyền thống như C, C++,…
Hình 1.0.13 Một chương trình được viết bằng labview
Hình 1.0.14 Tạo chương trình mới trong phần mềm d Mở phần mềm tạo chương trình mới.
Hình 1.0.15 Cửa sổ tạo chương trình
Hình 1.0.16 Tạo một dự án mới
Hình 1.0.17 Chọn file VI để mở chương trình viết code
- Sau đó sẽ hiện ra 2 cửa sổ như hình bên dưới:
Hình 1.0.18 Cửa sổ giao diện và cửa sổ viết code
- Kích chuột phải vào cửa sổ trên sẽ ra thanh công cụ lập trình của labview
Hình 1.0.19 Thanh công cụ của Labview
LÝ THUYẾT QUADROCOPTER
Lý thuyết điều khiển Quadrocopter
Hình 2.0.20 Định nghĩa các hướng chuyển động của Quadrocopter
Cặp cánh quạt phía trước (front) và phía sau (back) quay ngược chiều kim đồng hồ, trong khi đó cặp cánh bên phải (right) và bên trái (left) lại quay thuận chiều kim đồng hồ nhằm cân bang moment xoắn được tạo ra bởi các cánh quạt trên khung Cả 4 cánh phải sinh ra một lực đẩy bằng nhau khi Quadrocopter cất cánh và hạ cánh (throttle up/down) Góc xoay (roll) được điều khiển bằng cách thay đổi tốc độ giữa cánh bên phải và bên trái sao cho vẫn giữ nguyên tổng lực đẩy sinh ra bởi cặp cánh này Tương tự như vậy, góc nghiêng (pitch) được điều khiển bằng thay đổi tốc độ của 2 cánh phía trước và phía sau mà vẫn giữ nguyên tổng lực đẩy Trong khi đó, góc lệch (yaw) được điều khiển nhờ vào sự thay đổi tốc độ của cặp cánh phải - trái so với tốc độ của cặp cánh trước - sau mà tổng lực đẩy 4 cánh vẫn không đổi để Quadrocopter giữ được độ cao
Như vậy, việc điều khiển bay của Quadrocopter là việc điều khiển tốc độ quay của các cánh quạt So sánh với máy bay trực thăng, việc di chuyển phụ thuộc vào góc lệch giữa mặt phang cánh, mặt phang quay so với trục quay của cánh, phải có một cơ cấu cơ khí để thay đổi góc lệch này Cơ cấu cơ khí này có kết cấu khá phức tạp, dẫn Đển các sai số cơ khí trong quá trình điều khiển.Việc điều khiển tốc độ các cặp motor của Quadrocopter thì đơn giản và chính xác hơn Đây là một ưu điểm lớn của Quadrocopter.
Cơ sở lý thuyết mô hình bay Quadrocopter
- Hover: Quadrocopter bay lơ lửng trong không trung Ở trạng thái này, tất cả các cánh quạt quay cùng một tốc độ không đổi
- Throttle: Quadrocopter sẽ bay lên hoặc hạ xuống theo phương thẳng đứng. Để bay lên, tốc độ của 4 cánh quạt tăng lên, hạ xuống thì cả 4 cánh cùng giảm tốc, khi đó sẽ tạo ra một hợp lực dọc trục đứng làm Quadrocopter bay lên hoặc bay xuống
-Roll: Quadrocopter bay sang phải hoặc sang trái Để bay sang phải (hoặc sang trái) ta giữ nguyên tốc độ của 2 cánh quạt trước và sau, tăng (hoặc giảm) tốc độ của cánh quạt bên trái và giảm (hoặc tăng) tốc độ cánh quạt bên phải Từ đó tạo ra moment xoắn quanh trục Xb làm cho tổng lực nâng của 4 cánh quạt không còn nằm theo phương thẳng đứng mà tồn tại thành phần lực hướng theo phương chuyển động
-Pitch: Quadrocopter bay tới trước hoặc bay lùi về sau Tuơng tự như Roll, 2 cánh quạt trái và phải giữ nguyên tốc độ bằng nhau Để bay tới (hoặc bay lui) điều khiển tăng (hoặc giảm) tốc độ của cánh quạt sau và giảm (hoặc tăng) tốc độ cánh quạt truớc, tạo ta moment xoắn quanh trục Yb
-Yaw: Quadrocopter quay quanh trục zb Điều khiển tốc độ các cánh quạt theo cách sau: tốc độ 2 cánh đối diện thì bằng nhau, nhưng khác với tốc độ 2 cánh đối diện còn lại Để Quadrocopter quay quanh trục Zb theo chiều nguợc kim đồng hồ, ta giảm tốc độ cặp cánh quạt có chiều quay nguợc kim đồng hồ (chiều muốn quay) và tăng tốc độ cặp cánh quạt quay thuận chiều kim đồng hồ Để quay quanh trục Zb theo chiều thuận kim đồng hồ, ta làm nguợc lại cách trên
Mô hình toán học của Quadrocopter
a.Động học Động học là một ngành của cơ học mô tả các chuyển động của đối tuợng mà không cần xem xét các nguyên nhân gây ra chuyển động (lực và moment) Để mô tả các chuyển động của một khung cứng 6 bậc tự do cần 2 hệ quy chiếu:
Hình 2.0.26 Hệ quy chiếu E và B
Hệ quy chiếu E: là hệ quy chiếu quán tính Trái đất, dùng để xác định vector vị trí dài r E [m] và vector vị trí góc © E [rad] của Quadrocopter
Hệ quy chiếu B: là hệ quy chiếu gắn với khung Quadrocopter, dùng để xác định 4 vector: vận tốc dài V B [m/s], vận tốc [rad/s], lực F B [N], vàmoment xoắn X B
OE: gốc tọa độ của hệ trục quán tính Trái đất. xE: trục hướng về phía Bắc yE: trục hướng về phía Tây. zE: trục vuông góc với mặt phang (xE,yE) và hướng lên.
OB: gốc tọa độ của hệ trục gắn với khung Quadrocopter xB: trục hướng về trước của Quadrocopter yB: trục hướng qua trái của Quadrocopter zB: trục vuông góc với mặt phang khung mô hình và hướng lên
Hai vector được định nghĩa trong hệ trục E:
Vector vị trí dài r E [m] được xác định từ OE đến OB : r E =[X Y Z] T
Vector lực F B [N] và vector moment xoắn B [Nm] sẽ được tìm trong phần Động lực học thông qua định luật 2 Newton Để xác định mối liên hệ giữa các vector nhằm mô tả chuyển động của đối tượng cần định nghĩa 2 ma trận: ma trận quay R Θ , ma trận chuyển vị T Θ và ma trận tổng quát
Ma trận quay R Θ có được bằng cách nhân 3 ma trận quay cơ bản quanh 3 trục:
Trong 2 phương trình trên và những phương trình sau đây, các ký hiệu này được sử dụng với ý nghĩa: CK= cos k, SK = sin k, tK = tan k.
Xoay quanh trục ZE một góc Ψ (yaw):
Xoay quanh trục y1 một góc θ (pitch):
Xoay quanh trục X2 một góc φ (roll):
Ký hiệu O 3 x 3 thể hiện một ma trận kích thuớc 3x3 có tất cả thông số bằng 0 Phương trình liên hệ giữa các -vector trong hệ trục E - và hệ trục B:
Phuơng trình liên hệ giửa 2 vector vị trí hệ trong hệ trục E và vector vận tốc V trong hệ trục B thông qua ma trận tổng quát J Θ : ζ´=J Θ ν
Phuơng trình mối quan hệ giữa vận tốc trong khung tham chiếu B với E:
Phuơng trình mối quan hệ giữa vận tốc góc trong khung tham chiếu B với E thông qua ma trận chuyển vị : Θ´ E =T Θ ω B b Động lực học Động lực học là một ngành của cơ học nghiên cứu những tác động của lực và moment trên một vật hay hệ vật đang chuyển động Phần này nhiệm vụ chính là tìm phuơng trình của lực và moment gây ra chuyển động của Quadrocopter.
Hình 2.0.27 Các lực và moment tác dụng lên Quadrocopter
Theo định luật 2 Newton, ta có phuơng trình chuyển động của vật thể chuyển động tịnh tiến: m.Γ ´ E =F E
Trong đó: m [kg] khối lượng của Quadrocopter.
F E [N] vector lực trong hệ trục E. Γ´ E [m/s 2 ¿ vector gia tốc dài trong hệ trục E
V´ B [m/s 2 ]vector gia tốc xét theo hệ trục B
R´ Θ Đạo hàm ma trận xoay
XÂY DỰNG MÔ HÌNH QUADROCOPTER
Cấu tạo
- Là khung xương của thiết bị, nơi gắn các thành phần khác, thông thường làm bằng sợi cacbon để giảm khối lượng
- Kích thước khung sẽ quyết định đến việc lựa chọn kích thước động cơ, từ đó xác định bộ điều khiển tốc độ ESC
Khung F450 quadcopter máy bay 4 cánh KIT F450: Khung làm máy bay
4 cánh quadcopter với kích thước dài nhất 450 cm Máy bay có khả năng mở rộng và và lắp thêm một số thiết bị khác …
Chiều dài: 17.7in / 450 cm Trọng lượng: 272 g
- Motor 2208 hoặc Motor 2212 800KV ~ 1100kv brushless x 4
- Pin 1800 mAh ~ 3600 mAh 3S LiPo pin x 1
- Cánh 1045 hoặc 8045 x 2 cặp thuận nghịch. b Motor
- Tốc độ động cơ được đánh giá là kV
- Động cơ kV thấp hơn sẽ tạo ra nhiều momen xoắn hơn và kV cao hơn sẽ quay nhanh hơn
- Trong lĩnh vực máy bay mô hình thường sử dụng động cơ không chổi than (brushless DC motor hay BLDC) để truyền động cho cánh quạt là loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu được cấp nguồn điện 3 pha để tạo từ trường quay thông qua bộ nghịch lưu từ nguồn điện DC.
- Loại động cơ này có nhiều ưu điểm: tốc độ cao, moment lớn, độ bền cao, có thể tăng tốc và giảm tốc trong thời gian ngắn, vận hành nhẹ nhàng(dao động của momen nhỏ) thậm chí ở tốc độ thấp (để đạt được điều khiển vị trí một cách chính xác), không bị mòn cổ góp và không phóng tia lửa điện gây tổn hao năng lượng như động cơ một chiều thông thường.
- Cấu tạo của động cơ không chổi than (viết tắt là BLDC):
Hình 3.0.29 Cấu tạo động cơ không chổi than
Motor brushless 2212 1000KV XXD: Là động cơ không chổi than có số vòng quay (không tải) là 1000 ngàn vòng mỗi V Sử dụng cho mô hình máy bay cánh bằng hay 4 cánh (quadcopter).
- Nhãn hiệu: XXD Motor Brushless
- Motor brushless 2212 1000KV XXD c Propeller
- Ảnh hưởng lớn đến tốc độ bay, tải trọng, tốc độ điều khiển
- Cánh quạt dài hơn có lực nâng mạnh hơn ở tốc độ RPM thấp hơn cánh quạt ngắn hơn, nhưng mất nhiều thời gian để tăng tốc và giảm tốc
- Hầu hết các chân propeller của Quadcopter đều giống nhau
- Bề rộng cánh: khoảng 27mm
- Độ dày đế trung tâm: 8MM
- [Trung tâm lỗ ngược bề mặt khẩu độ]: 9MM
- [Nhóm vòng biến đổi]: x 6 (2 nhóm), vòng 3MM, 3.3MM, 4mm, 5mm, 6mm, 7.8mm
- Trọng lượng: khoảng 9.3g (cái) d ESC(Electronic Speed Controls)
- Bộ điều khiển tốc độ điện tử là một thành phần thiết yếu của Quadcopter hiện đại dùng để điều khiển tốc độ của động cơ BLDC.
- Tầng công suất của mạch điều tốc gồm các transistor công suất được sử dụng như bộ nghịch lưu để tạo điện áp 3 pha cho động cơ BLDC Tốc độ của động cơ thay đổi bằng cách thay đổi độ rộng xung cấp cho các transistor công suất
- ESC thông thường được phân loại dựa vào dòng điện tối đa mà ESC có thể cấp cho động cơ BLDC và nguồn điện DC cấp cho ESC hay động cơ BLDC.
- Thông thường ESC đi kèm với mạch khử pin, cho phép các bộ phận điều khiển và thu phát bay kết nối với ESC thay vì trực tiếp với pin
Tên: ESC Hobbywing SkyWalker-40A Ubec 2-4S
Skywalkera là dòng ESC dành cho động cơ không chổi than được sản xuất bởi công ty chuyên về ESC Hobbywing với giá bán cực kỳ thấp Giống như các sản phẩm hobbywing khác, skywalker ESC này sử dụng các thành phần chính hãng chất lượng cao Quá trình sản xuất được giám sát chặt chẽ nên nó có chất lượng tốt và nhiều chức năng.
- Công suất đầu ra: liên tục Hiện tại 40A, burst hiện tại 55A (không ít hơn
- Đầu vào: 2-4 Li-Po hoặc 2-9 pin NiHH
- Đầu ra BEC: 5V @ 3A (mô hình tuyến tính)
- Tốc độ động cơ tối đa: 210000 PRM (2 cực), 70000 RPM (6 cực), 35000 RPM (12 cực)
- Trọng lượng: 46g (kể cả tản nhiệt)
- Có thể lập trình bằng Thẻ Chương trình Hobbywing hoặc bằng Thanh Điều khiển
- Thiết lập - Điện áp thấp Cutoff Soft / Hard
- Cài đặt - Chế độ khởi động Bình thường / Chậm / Chậm
- Thiết lập - Thời gian Thấp / Trung / Cao
- Bảo vệ điện áp cao
- Không có tín hiệu tắt bảo vệ
- Hướng dẫn sử dụng tiếng Anh
Hình 3.0.32 ESC Hobbywing SkyWalker-40A Ubec 2-4S e Pin
- Nguồn cung cấp năng lượng cho Quadcopter, điển hình là pin LiPo -
Sử dụng đơn vị C – dung lượng có thể xả, thông thường là 20C.
- Là thành phần nặng nhất, đặt vào pin lớn hơn chưa chắc đã bay lâu hơn
Hình 3.0.34 Mạch cân bằng Naza M lite f Mạch Naza M lite
Mạch cân bằng Naza M lite là loại mạch cân bằng phổ thông tốt bậc nhất hiện nay với nhiều tính năng nổi trội như giữ vị trí, giữ độ cao, bảo vệ nguồn yếu, tự quay về, Mạch cân bằng Naza có thể dùng được cho nhiều cấu hình máy bay như , Quadrocopter, hexa, delta.
- Sản phẩm mạch cân bằng Naza M Lite là sản phẩm giúp ổn định và cân bằng khi chơi các loại máy bay như Quadcopter, Hexacopter, Mạch cân bằng Naza M Lite được nghiên cứu và phát triển bởi DJI
- Với thiết kế All – in – one sẽ giúp cho bạn đơn giản hóa khi lắp đặt, tiết kiệm không gian bay và giảm trọng lượng của máy bay.
- Module GPS với chức năng ổn định vị trí chính xác sẽ giúp nâng cao hiệu suất chụp ảnh trên không.
- Có sẵn module GPS: tăng khả năng cân bằng của máy bay.
- Chế độ bảo vệ khi điện áp đang ở mức thấp.
- Có khả năng hỗ trợ lên đến 6 loại Multirotor.
- Thuật toán được xây dựng ở mức ổn định cao.
- Kiểm soát định hướng thông minh (IOC).
- Chức năng điều khiển bằng tay và tự điều khiển.
- Chống rung ổn định bằng Gimbal.
- Chế độ điều khiển nhiều cách bay, chuyển mạch thông minh.
- Chế độ điều khiển khi bị mất tín hiệu kết nối từ tay cầm đến máy bay.
- Hỗ trợ nhiều loại tín hiệu tay điều khiển: Futaba S-bus, PPM.
- Tăng khoảng cách điều khiển.
❖ Các chân điều khiển trên mạch cân bằng Naza M lite
- Chân A: dùng để điều hướng máy bay ( trái/phải ).
- Chân E: dùng để kiểm soát độ cao máy bay ( cao/thấp).
- Chân T: dùng để điều khiển cần ga.
- Chân R: dùng để ổn định máy bay ( trong điều kiện thời tiết bất
- Chân U: dùng để chuyển chế độ bay.
- Chân X1: dùng để ổn định máy bay ( chống rung).
- Chân X2: dùng khi kết nối với D-Bus.
- Chân X3: dùng để điều khiển nguồn, theo dõi điện áp ( Kết nối
- Chân LED: Kênh kết nối với remote led báo trạng thái bay.
- Chân EXP: Kênh kết nối với GPS
- Chân M1: điều khiển động cơ 1.
- Chân M2: điều khiển động cơ 2.
- Chân M3: điều khiển động cơ 3.
- Chân M4: điều khiển động cơ 4.
- Chân M5: điều khiển động cơ 5.
- Chân M6: điều khiển động cơ 6.
- Hỗ trợ nhiều loại rotor: Quad – rotor I4, X4, Hex – rotor I6, X6,IY6, Y6.
- Tần số ESC đầu ra: 400Hz.
- Kênh phát đề nghị: PCM hoặc tối thiểu 4 kênh với tần số 2,4GHz.
- Điện áp làm việc: Bo mạch Naza M Lite: 4,8V – 5,5V.
- Đầu vào VU: 7,2V – 26V (nên sử dụng pin 2S~ 6S).
- Phần mềm hỗ trợ trên các hệ điều hành: Window XP/7/8/10.
❖ Bộ Naza M lite bao gồm :
- Mạch cân bằng Naza M lite x1
- Băng keo 3M cho từng thành phần g Càng đáp
Một phụ kiện không thể thiếu dành cho Quadcopter F450, đó chính là càng đáp 4 chân Quadcopter F450 Giúp bạn hạ cánh dễ dàng và êm ái hơn Hạn chế va đập mạnh có thể ảnh hưởng tới bộ linh kiện bên trên máy bay
Với chất liệu nhựa siêu bền, chống va đập và gãy vỡ Những chuyến bay của bạn sẽ trở nên êm ái hơn bao giờ hết Đặc biệt khi bạn lắp camera cho Quadcopter thì đây là phụ kiện không thể thiếu.
- Đối với loại: F450 F550 RC Quadrocopter
Hình 3.9 Tay điều khiển FS I6 Hình 3.0.36 Bộ điều kiển Hình 3.0.9 Bộ điều khiển
Hình 3.0.35 Bộ càng đáp h Bộ điều khiển
Bộ điều khiển từ xa gồm một thiết bị phát tín hiệu điều khiển bay thông qua kênh radio từ người điều khiển đến bộ thu tín hiệu gắn trên máy bay cần điều khiển Tín hiệu điều khiển này còn được dùng để đưa máy bay từ chế độ chờ sang chế độ sẵn sàng bay theo quy trình an toàn bay của bộ điều khiển bay
- Thông số kỹ thuật TX FS-I6:
• RF Power: Ít Hơn 20dBm 2.4 ghz
• Cảnh Báo Điện Áp thấp: ít hơn 4.2 V
- Thông Số Kỹ Thuật của RX FS-iA6B :
Hình 3.0.11 Sơ đồ đi dây Hình 3.0.37 Sơ đồ đi dây
• RF power: ít hơn 20dBm
Đi dây setup mạch Naza
a Sơ đồ đi dây mạch Naza m Lite b Setup mạch Naza m lite
Hình 3.0.38 Kiểm tra tay điều khiển
Hình 3.0.39 chọn hướng cánh quạt của flycamchọn hướng cánh quạt của flycam
Hình 3.0.40 đo mạch cân bằng và gps theo trục xyz
Hình 3.0.41 chọn đúng tay điều khiển đang sử dụng
Hình 3.0.42 Điều chỉnh chế đọ bay cho ổn định tính cân bằng cho người lái
Hình 3.0.43 cài đặt máy bay mất tín hiệu quay trở lại vị trí xuất phát
Hình 3.0.44 chọn loại pin đang sử dụng trên máy bay
Sơ đồ tổng thể của hệ thống
Hình 3.0.45 Sơ đồ tổng thể của hệ thống
Hệ thống nhìn chung sẽ có 3 khối thành phần chính:
- Khối điều khiển: gồm các thành phần nhu pin 9 Volt cung cấp năng luợng, các tay joystick điều khiển 4 kênh throttle - roll - pitch - yaw, vi điều khiển và bộ phát tín hiệu bằng sóng RF.
- Khối mô hình Quadrocopter với bộ thu RF, vi điều khiển chính, các cảm biến quán tính IMU, các bộ điều tốc ESC và động cơ BLDC, pin Lithium Polymer làm nguồn nuôi chung.
- Khối giám sát: gồm có cổng giao tiếp RS232 kết nối với máy tính Chức năng thu thập dữ liệu, hiển thị và xử lý thông tin của khối mô hình trong quá trình tiến hành thực nghiệm
Lên kế hoạch
Hình 3.0.46 Thiết kế dùng cấu hình chong chóng đẩy (pusher propeller) Ở thiết kế đầu tiên, mô hình sử dụng quạt 3 cánh và adapter giữ cánh kiểu bó trục Do các cánh quạt lắp vào trục động cơ là dựa vào lực ép và ma sát, nếu bắt động cơ vào khung theo cách thông thuờng, cánh quạt nằm bên trên động cơ, thì khi động cơ quay nhanh, lực đẩy và moment xoắn sinh ra có xu huớng làm cho các cánh quạt này trượt ra khỏi trục, có nguy cơ phá vỡ tính ổn định và gây hư hại cho mô hình Vì vậy bắt buộc phải bắt động cơ theo cách ngược lại, mang cấu hình chong chóng đẩy, các cánh quạt nằm bên dưới để đảm bảo cho tính ổn định và an toàn của mô hình.
Sau một khoảng thời gian bay thử nghiệm, nhận thấy với thiết kế này, trọng tâm của mô hình ở quá cao, nằm trên cả mặt phang lực nâng các cánh quạt Như vậy thì một khi bị lệch khỏi vị trí cân bằng, mô hình sẽ có xu hướng lật nhào để đưa trọng tâm về vị trí cân bằng bền Thiết kế kiểu chong chóng đẩy tỏ ra không còn phù hợp, nó làm mất độ ổn định, mô hình sẽ khó điều khiển hơn Bản thiết kế thứ hai chuyển sang cấu hình chong chóng kéo đã đem lại độ ổn định tốt hơn, dù có lệch khỏi vị trí cân bằng thì trọng tâm của mô hình sẽ tự kéo nó trở lại
Hình 3.0.47 Thiết kế cấu hình chong chóng kéo (tractor propeller
Tuy vậy, thiết kế này vẫn còn tiềm ẩn nhiều nguy cơ khi các cánh quạt không được lắp một cách chắc chắn lên trục động cơ.
Hơn nữa, các động cơ BLDC khi quay có độ rung, board điều khiển trung tâm gắn cứng lên mô hình sẽ truyền toàn bộ rung động này lên cảm biến, gây ra nhiễu rất lớn trong tín hiệu thu nhận. Áp dụng những thay đổi lên thiết kế thứ ba, mô hình Quadrocopter hiện tại đã thỏa mãn đầy đủ những yêu cầu đặt ra:
Trọng tâm thấp để nâng cao độ ổn định Các cánh quạt bắt “mềm” lên trục động cơ prop saver với nhiều uu điểm: không bị truợt trên trục nhu adapter cũ, cánh ít bị hu hại do sự cố hay va đập, cánh quạt khi quay cũng ít rung hơn, v.v…
Board điều khiển trung tâm đuợc đặt trên 4 vòng nhựa đã giảm đuợc đáng kể rung động tác động lên cảm biến, tín hiệu thu nhận nhờ đó đã chính xác hơn.
Hình 3.0.48 Thiết kế hoàn chỉnh
Hình 3.0.49 Mô hình máy bay Quadrocopter thực tế Ở thiết kế sau cùng trên mô hình thực tế, được thiết kế bằng nhựa cứng có hiệu quả nhẹ và chống rung rất cao.
Hình 4.0.51 Thiết lập các Control trên Front Panel
LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN MÁY BAY KHÔNG
Thiết lập các Control trên Front Panel
Sử dụng Numeric Control và Numeric Indicator để thiết lập các giá trị đầu vào và hiển thị đầu ra cho 4 chế độ: Tiến Lùi – Trái Phải – Quay - Ga
Tạo 1 Combo Box và add đầy đủ tất cả các chế độ điều khiển hoạt động máy bay vào Combo Box:
Tạo nút nhấn điều khiển các chế độ bằng Radio Buttons:
Hình 4.0.53 Radio Buttons Điều này giúp dễ dàng điều khiển các hoạt động của máy bay trên màn hình hơn.
Sơ đồ khối trên Block Diagram
Sử dụng Case Structure để xử lý tất cả các chế độ của máy bay và Sử dụng Numeric Constant và Local Variable để đưa các giá trị điện áp của Tiến – Lùi - Trái Phải – Quay – Ga - SWD – SWC cho tương ứng cho từng chế độ.
Hình 4.0.54 Chế độ Khởi động
Hình 4.0.55 Chế độ Bay lên
Hình 4.0.61 Chế độ Hạ xuống
Tổng quan tất cả các chế độ:
Hình 4.0.62 Tổng quan tất cả các chế độ
Sử dụng Case Structure để thiết lập các nút ấn Radio Buttons cho tất cả 9 chế độ
Hình 4.0.64 Kết nối với bộ điều khiển
Toàn bộ sơ đồ khối trên Block Diagram
Hình 4.0.65 Toàn bộ sơ đồ khối trên Block Diagram
KẾT LUẬN
NHỮNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
Với các mục tiêu đề tài đã đặt ra, qua quá trình thực hiện, nghiên cứu đã đạt được những kết quả như sau:
❖ Về nghiên cứu lý thuyết: Đã có sự nghiên cứu và nắm bắt một cách tổng thể về nguyên lý hoạt động, nguyên lý điều khiển, lý thuyết tổng quan về động học, động lực học, và mô hình toán của thiết bị bay dạng Quadrocopter.
❖ Về thiết kể cơ khí:
Tận dụng được nguồn thiết bị và vật liệu sẵn có trên thị trường Mô hình đảm bảo được các yêu cầu về kỹ thuật và thẩm mỹ Tính chọn thiết bị phù hợp với Quadrocopter
❖ Về thiết kể điều khiển:
Chương trình điều khiển được viết khá hoàn chỉnh và linh hoạt, cho phép điều khiển mô hình Quadrocopter cất cánh, hạ cánh, quay trái, quay phải và di chuyển theo các hướng trước, sau, trái, phải.
Bộ điều khiển từ xa dùng truyền thông UART với mã điều khiển mở, dễ thay đổi, có khả năng mở rộng và phát triển tốt lên các ứng dụng điều khiển - giám sát có yêu cầu cao hơn.
Xử lý tốt tín hiệu thu được từ cảm biến quán tính IMU (gồm accelerometer và gyroscope), khắc phục tốt vấn đề nhiễu, lấy được kết quả đo rất gần với giá trị thực phục vụ cho việc điều khiển cân bằng.
Chương trình kiểm tra giám sát trạng thái bằng phần mem LabVIEW giao diện trực quan, sinh động, có khả năng mở rộng tính năng giám sát, thu nhận thêm hình ảnh.
Hình 5.0.66 bay ổn định, cân bằng tốt
NHỮNG KẾT QUẢ CHƯA ĐẠT ĐƯỢC VÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC 46 3 NHỮNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ CHƯA ĐẠT ĐƯỢC CỦA Ý TƯỞNG SỬ DỤNG LABVIEW
Bên cạnh những kết quả đạt được, đề tài vẫn còn những tồn tại, hạn chế cần phải khắc phục:
- Phần khung nhìn chung vẫn còn khá nặng, cần được giảm xuống khoảng 1.2kg.
- Phần tính toán còn nhiều hạn chế do kiến thức còn nhiều hạn hẹp
- Những phần mềm thiết kế hay mô phỏng khá phức tạp cũng như thời gian nghiên cứu không cho phép nên còn nhiều hạn chế
3 NHỮNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ CHƯA ĐẠT ĐƯỢC CỦA Ý TƯỞNG SỬ DỤNG LABVIEW a Những kết quả đạt được:
Chúng em nghĩ ý tưởng này trong tương lai có thể giúp ích được cuộc sống của con người trong bối cảnh chúng ta vừa trải qua đợt Covid 19 Ứng dụng này có thể giúp ta vận chuyển hàng hoá , khảo sát địa hình … nên nó rất có tiềm năng phát triển hơn nữa b Kết quả chưa đạt được Ý tưởng chỉ nghiên cứu ở dạng quy mô nhỏ chưa được nghiên cứu ở quy mô lớn nên rất nhiều lý do ảnh hưởng tới sự phổ biến của ý tưởng này.