xây dựng mô hình quadcopter thu thập không gian ảnh

● Ngoài ra, các nghiên cÿu vß đßng lāc hßc, thiÁt kÁ và đißu khián đã đóng góp quan trßng vào viác đánh hình và t¿o nßn tÁng cho các nghiên cÿu tiÁp theo vß quadcopter trong nhißu lĩnh v

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HOÁ

XÂY DỰNG MÔ HÌNH QUADCOPTER THU THẬP KHÔNG GIAN ẢNH

GVHD:NGUYỄN TRẦN MINH NGUYỆT SVTH: THÁI VĂN THANH HOÀNG

PHẠM TUẤN KIỆT

S K L 0 1 3 2 8 3

đồ án

KHOA ĐIÆN – ĐIÆN TĂ

đồ án

năm 2024

BÀN CAM K¾T VÀ XÁC NHÂN K¾T QUÀ KIÂM TRA Đ¾O

VN

I Thông tin chung

1 Tên sÁn ph¿m hßc thuÃt: Xây dāng mô hình Quadcopter thu thÃp không gian Ánh 2 Lo¿i hình sÁn ph¿m hßc thuÃt (Báo cáo nghiên cÿu khoa hßc sinh viên/khóa luÃn tãt nghiáp/luÃn vn th¿c sĩ/luÃn án tiÁn sĩ): Khóa luÃn tãt nghiáp

2 Mã sã sÁn ph¿m hßc thuÃt (nÁu có): 3 Thông tin tác giÁ (ghi tất cÁ tác giÁ căa sÁn ph¿m)

Stt Hã và tên MSSV/MSHV (Chă nhiám/thành viên/tác giÁ Vai trò

chính/đång tác giÁ&) 1 Thái Vn Thanh Hoàng 20151479 Tác giÁ chính

4 Thông tin giÁng viên h°áng dÁn Hß và tên: Nguyßn Trần Minh Nguyát MSCB: Khoa: Đián – Đián tử

II K¿t quÁ kiÃm tra đ¿o vn Ngày náp sÁn ph¿m Ngày kiÃm tra đ¿o vn % trùng lặp toàn nái dung % trùng lặp cao nhÃt tā 1 nguén

L°u ý: % trùng lặp nêu å bÁng trên không tính % trùng lặp căa danh māc tài liáu tham khÁo

III Cam k¿t

Nhóm tác giÁ sÁn ph¿m hßc thuÃt và giÁng viên h°áng dÁn cam kÁt rằng: 1 Nßi dung trong sÁn ph¿m hßc thuÃt nêu trên không vi ph¿m đ¿o đÿc và liêm chính

khoa hßc 2 KÁt quÁ % trùng lặp nêu t¿i māc II là hoàn toàn chính xác và trung thāc 3 Bằng viác ký xác nhÃn vào mÁu này, nhóm tác giÁ và giÁng viên h°áng dÁn cam kÁt

cháu hoàn toàn trách nhiám có liên quan đÁn sÁn ph¿m hßc thuÃt nói trên

Xác nhÃn căa đ¿i diÇn nhóm tác giÁ Xác nhÃn căa giÁng viên h°ãng dÁn

đồ án

Tp HCM, ngày 20 tháng 6 năm 2024

NHIÆM VĀ Đè ÁN TæT NGHIÆP

Hã và tên sinh viên 1 : Thái Vn Thanh Hoàng MSSV: 20151479 Hã và tên sinh viên 2 : Ph¿m Tuấn Kiát MSSV: 20151501 Chuyên ngành : Công nghá Kỹ thuÃt Đißu khián và Tā đßng hóa

HÇ đào t¿o : Đ¿i hßc chính quy

I Tên đÁ tài: Xây dāng mô hình Quadcopter đá thu thÃp không gian Ánh II NhiÇm vā 1 Các sã liáu ban đầu: (ghi những thông số, tập tài liệu tín hiệu, hình ảnh,…)

Giảng viên hướng dẫn Bộ môn tự động điều khiển

đồ án

Tp HCM, ngày 20 tháng 6 năm 2024

LàCH TRÌNH THĀC HIÆN Đè ÁN TæT NGHIÆP

Hã tên sinh viên 1: Thái Vn Thanh Hoàng MSSV: 20151479 Hã tên sinh viên 2: Ph¿m Tuấn Kiát MSSV: 20151501 Tên đÁ tài: Xây dāng mô hình Quadcopter thu thÃp không gian Ánh

Tu ần N ội dung Xác nh GVHD ận

1 Tìm hiáu đß tài 2-3 Tìm hiáu c¢ så lý thuyÁt căa há thãng

4 Xây dāng c¢ så lý thuyÁt căa há thãng 5-6 Tính toán, mô pháng, thiÁt kÁ há thông 6-7 Thi công phần cÿng há thãng 7-9 Xây dāng phần mßn há thãng 10-12 Kiám tra thāc kiám và tinh chßnh thông sã 13-15 ViÁt luÃn vn

16 Hoàn thián há thãng

Giảng viên hướng dẫn

đồ án

Tp HCM, ngày 20 tháng 6 năm 2024

PHI¾U NHÂN XÉT CĂA GIÀNG VIÊN H¯âNG DÀN

Hã tên sinh viên 1 : Thái Vn Thanh Hoàng MSSV: 20151479 Hã tên sinh viên 2 : Ph¿m Tuấn Kiát MSSV: 20151501 Chuyên ngành : Công nghá Kỹ thuÃt Đißu khián và Tā đßng hóa

Tên đÁ tài : Xây dāng mô hình Quadcopter thu thÃp không gian Ánh

Hã và tên GVHD : ThS Nguyßn Trần Minh Nguyát NHÂN XÉT

Nhận xét về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên:

&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&

Nhận xét về kết quả thực hiện ĐATN:

&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&

Những ưu điểm của ĐATN:

&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&

Những khuyết điểm của ĐATN:

&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&

Đánh giá lo¿i: &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& ĐiÃm: &&&&&&& (Bằng chÿ: &&&&&& )

K¿t luÃn: □ Đ°ÿc phép bÁo vá □ Không đ°ÿc phép bÁo vá

Giảng viên hướng dẫn

đồ án

Tp HCM, ngày 20 tháng 6 năm 2024

PHI¾U NHÂN XÉT CĂA GIÀNG VIÊN PHÀN BIÆN

Hã tên sinh viên : Thái Vn Thanh Hoàng MSSV: 20151479

Ph¿m Tuấn Kiát 20151501 Chuyên ngành : Công nghá Kỹ thuÃt Đißu khián và Tā đßng hóa

Tên đÁ tài : Xây dāng mô hình Quadcopter thu thÃp không gian Ánh

GiÁng viên h°ãng dÁn : ThS Nguyßn Trần Minh Nguyát

GiÁng viên phÁn biÇn: NHÂN XÉT

Nhận xét chung về nội dung đề tài:

&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&

Ý kiến kết luận (Ghi rõ nội dung cần bổ sung, điều chỉnh):

&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&

ĐÁ nghá: □Đ°ÿc bÁo vá □Bç sung đá đ°ÿc bÁo vá □Không đ°ÿc bÁo vá ĐiÃm: &&&&&& (Bằng chÿ: &&&&&&&&)

Câu hỏi phản biện:

&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&

Giảng viên phản biện

đồ án

Tp HCM, ngày 20 tháng 6 năm 2024

LäI CAM ĐOAN

Chúng em xin cam đoan rằng đå án này đ°ÿc thāc hián và hoàn thành mßt cách trung thāc và minh b¿ch Mßi kÁt quÁ và sã liáu trong đå án đßu là kÁt quÁ tā quá trình nghiên cÿu căa nhóm d°ái sā hỗ trÿ và h°áng dÁn căa giÁng viên Chúng em không sao chép hay đ¿o nhái tā bất kỳ đß tài hay công trình nghiên cÿu nào khác Nhÿng kiÁn thÿc và tài liáu tham khÁo sử dāng trong đå án đã đ°ÿc trích dÁn đầy đă và ghi rõ nguån gãc trong phần tài liáu tham khÁo

NÁu có bất kỳ sai ph¿m nào, chúng em xin hoàn toàn cháu trách nhiám tr°ác nhà tr°ãng

Người thực hiện đề tài

Thái Vn Thanh Hoàng Ph¿m Tuấn Kiát

đồ án

Chí Minh, chúng em đã nhÃn đ°ÿc sā hỗ trÿ và t¿o đißu kián tā Ban giám hiáu nhà tr°ãng và Bß môn Tā đßng đißu khián, cùng vái sā h°áng dÁn tÃn tình căa các Thầy Cô Chúng em xin chân thành cÁm ¢n tất cÁ Quý Thầy Cô đã truyßn đ¿t kiÁn thÿc và kinh nghiám quý báu, giúp chúng em tā tin b°ác vào cußc sãng

Đá hoàn thành đå án tãt nghiáp, chúng em đã trÁi qua nhißu khó khn, nh°ng chính nhÿng thử thách đó đã trå thành đßng lāc đá chúng em cã gÅng Chúng em xin gửi lãi cÁm ¢n chân thành đÁn cô Nguyßn Trần Minh Nguyát, ng°ãi đã trāc tiÁp h°áng dÁn chúng em Cô không chß truyßn đ¿t kiÁn thÿc và kinh nghiám mà còn giúp đỡ chúng em rất nhißu trong viác đánh h°áng đß tài và tìm nguån hỗ trÿ Sā tÃn tình, chu đáo và nhÅc nhå căa cô trong suãt quá trình thāc hián đå án đã giúp chúng em hoàn thành công viác mßt cách tãt nhất Mßt lần nÿa, chúng em xin gửi lãi cÁm ¢n sâu sÅc đÁn cô

Chúng em cũng xin cÁm ¢n các thành viên trong gia đình đã luôn đßng viên và t¿o đißu kián tãt nhất vß vÃt chất và tinh thần đá chúng em hoàn thành quá trình hßc tÃp t¿i tr°ãng Bên c¿nh đó, chúng em xin cÁm ¢n nhÿng ng°ãi b¿n đã cùng làm chung đå án, hỗ trÿ lÁn nhau khi gặp khó khn và đ°a ra nhÿng lãi khuyên bç ích

Cuãi cùng, chúng em xin chúc các Thầy, Cô sÿc kháe, h¿nh phúc và thành công

trong sā nghiáp <trång ng°ãi= căa mình

Người thực hiện đề tài

Thái Vn Thanh Hoàng Ph¿m Tuấn Kiát

đồ án

BÀN CAM KÀT VÀ XÁC NHÂN KÀT QUÀ KIàM TRA Đ¾O VN ii

NHIàM VĀ Đä ÁN TâT NGHIàP iii

LàCH TRÌNH THĀC HIàN Đä ÁN TâT NGHIàP iv

PHIÀU NHÂN XÉT CĂA GIÀNG VIÊN H¯àNG DÀN v

PHIÀU NHÂN XÉT CĂA GIÀNG VIÊN PHÀN BIàN vi

LâI CAM ĐOAN vii

2.3.2 Gia tãc kÁ - Accelerometer 21

2.4 Giao thÿc I2C 22

2.5 Bß lßc bù - Complementary Filter 24

2.6 Lý thuyÁt vß bß đißu khián PID 26

CH¯¡NG 3 TÍNH TOÁN, MÔ PHàNG VÀ THIÀT KÀ Hà THâNG 32

3.1 Yêu cầu đißu khián 32

3.2 Tính toán há thãng 33

3.2.1 Tính toán lāa chßn motor 33

3.2.2 Tính toán lāa chßn ESC 34

3.2.3 Tính toán lāa chßn nguån cấp 36

3.2.4 Lāa chßn thông sã PID 36

4.2.1 S¢ đå khãi bß đißu khián 62

4.2.2 L°u đå đißu khián 63

CH¯¡NG 5 KÀT QUÀ - ĐÁNH GIÁ – NHÂN XÉT 72

5.1 KÁt quÁ 72

5.2 Đánh giá 75

5.3 NhÃn xét 75

đồ án

6.2 H°áng phát trián 77 TÀI LIàU THAM KHÀO 78

đồ án

Hình 2 2 Chuyán đßng Roll 5

Hình 2 3 Chuyán đßng Pitch 5

Hình 2 4 Chuyán đßng Yaw 5

Hình 2 5 Há thãng tßa đß cã đánh ċĊāĀ 6

Hình 2 6 Khung tßa đß tham chiÁu và Quadcopter 7

Hình 2 7 Các thành phần chuyán đßng căa Quadcopter theo trāc tßa đß 7

Hình 2 8 Các há quy chiÁu căa Quadcopter 8

Hình 2 9 Mô hình cánh qu¿t trong thuyÁt đßng l°ÿng 14

Hình 2 10 ThuyÁt c¢ bÁn vß cánh qu¿t 16

Hình 2 11 Há thãng IMU 19

Hình 2 12 Con quay håi chuyán – Gyroscope 20

Hình 2 13 Chß sã đß nghiêng căa Accelerometer 21

Hình 2 14 Góc xoay theo các trāc căa Accelerometer 22

Hình 2 15 Giao thÿc I2C giÿa các thiÁt bá 23

Hình 2 16 Tín hiáu căa SCLvà SDA khi bÅt đầu giao thÿc 23

Hình 2 17 Bß lßc bù c¢ bÁn 25

Hình 2 18 So sánh góc quay roll theo trāc x, giÿa kÁt quÁ do cÁm biÁn gia tãc (màu đá) và kÁt quÁ căa bß lßc bù (màu đen) 25

Hình 2 19 S¢ đå khãi bß đißu khián PID 26

Hình 2 20 Đå thá đáp ÿng căa ćĆ theo thãi gian 28

Hình 2 21 Đå thá đáp ÿng căa ćÿ theo thãi gian 29

Hình 2 22 Đå thá đáp ÿng căa ćĂ theo thãi gian 30

Hình 3 2 Khãi motor căa há thãng trên Matlab 38

Hình 3 3 Khãi tính toán gia tãc góc trên Matlab 39

Hình 3 4 Khãi tính toán gia tãc tuyÁn tính trên Matlab 40

đồ án

Hình 3 6 Mô hình hóa căa toàn há thãng Quadcopter trên Matlab 42

Hình 3 7 Bß đißu khián PID trên Matlab 42

Hình 3 13 Đßng c¢ DC không chçi than XXD A2212/13T – 1000KV 46

Hình 3 14 S¢ đå chân đßng c¢ không chçi than 47

Hình 3 20 S¢ đå khãi cÁm biÁn MPU-6050 52

Hình 3 21 S¢ đå chân căa cÁm biÁn MPU 53

Hình 3 22 Pin Lipo ShangYi 2200mAh 45C 3s 54

Hình 3 23 Bß tay đißu khián FLYSKY i6X 2.4GHz AFHDS Transmitter + iA6B Receiver 55

Hình 4 6 L°u đå ch°¢ng trình setup và ch°¢ng trình con setup cÁm biÁn 63

Hình 4 7 L°u đå khåi t¿o tay đißu khián và cÁm biÁn 65

Hình 4 8 L°u đå ch°¢ng trình bay cân bằng bằng PID và ch°¢ng trình đßc dÿ liáu MPU-6050 67

Hình 4 9 L°u đå ch°¢ng trình ngÅt 70

Hình 5 1 Góc xoay quanh trāc Roll 45 đß 72

Hình 5 2 Góc xoay quanh trāc Pitch -45 đß 72

BÁng 3 2 Thông sã kỹ thuÃt đßng c¢ không chçi than 46

BÁng 3 3 S¢ đå chân đßng c¢ không chçi than 47

BÁng 3 4Thông sã kỹ thuÃt ESC Emax 48

BÁng 3 5 Thông sã kỹ thuÃt vi đißu khián Arduino Uno R3 49

BÁng 3 6 Thông sã kỹ thuÃt cÁm biÁn MPU-6050 52

BÁng 3 7 S¢ đå chân cÁm biÁn MPU-6050 53

BÁng 3 8 Thông sã kỹ thuÃt Pin Lipo ShangYi 54

BÁng 3 9 Thông sã kỹ thuÃt căa bß tay cầm Rx – Tx 55

BÁng 3 10 Thông sã kỹ thuÃt khung F450 57

BÁng 3 11 Thông sã kỹ thuÃt cánh 1045 CCW CW 58

BÁng 3 12 Thông sã kỹ thuÃt Camera 4K Sports Ultra HD 58

đồ án

PID: Proportional-Integral-Derivative IC (Integrated Circuit)

IMU: Inertial Measurement Unit I2C: Inter-Integrated Circuit SDA: Serial Data

SCL: Serial Clock RF: Radio Frequency PWM: Pulse Width Modulation

đồ án

pháng há vái bß đißu khián PID trên phần mßm Matlab Simulink cùng vái các sã liáu nhóm đã đo đ¿t đ°ÿc tā mô hình thāc tÁ Tā kÁt quÁ mô pháng đó, thông sã bß đißu khián PID đ°ÿc áp dāng vào thāc tÁ và tinh chßnh đá sao cho há thãng đ¿t đ°ÿc chất l°ÿng çn đánh và tãt nhất khi ho¿t đßng Kèm theo đó, nhóm có tích hÿp thêm camera giám sát, ghi l¿i quá trình Quadcopter ho¿t đßng, bay trên không trung, sau đó truyßn tín hiáu, hình Ánh vß qua app căa thiÁt bá đá ng°ãi dùng có thá theo dõi hoặc khÁo sát nhÿng vùng đất, khu vāc khó mà con ng°ãi có thá tiÁp cÃn đÁn Đißu này hián nay cũng đã đ°ÿc đ°a vào áp dāng trong thāc tißn nhißu trong cußc sãng th°ãng ngày

KÁt quÁ thāc nghiám cho thấy Quadcopter có thá giÿ vá trí trong mßt khoÁng thãi gian çn đánh Chÿng minh bß đißu khián đã đ°ÿc thiÁt kÁ thành công và tháa yêu cầu đặt ra ban đầu

đồ án

CH¯¡NG 1 TêNG QUAN 1.1 Đặt vÃn đÁ

Trong thãi đ¿i công nghiáp hóa và hián đ¿i hóa, sā bùng nç căa khoa hßc và công nghá đã thúc đ¿y nßn kinh tÁ phát trián nhanh chóng và cÁi thián đãi sãng con ng°ãi Các thiÁt bá máy móc công nghiáp, công trình nghiên cÿu khoa hßc và tā đßng hóa đã đ°ÿc ÿng dāng rßng rãi nhằm tng nng suất và hiáu quÁ lao đßng trong nhißu lĩnh vāc nh° giao thông, xây dāng, sÁn xuất công nghiáp, thiÁt bá y tÁ, và quân sā

Ngoài các ÿng dāng trên mặt đất, con ng°ãi còn nghiên cÿu các ÿng dāng trong không gian Cā thá, các thiÁt bá bay đ°ÿc chÁ t¿o đá di chuyán vào nhÿng đáa hình nguy hiám mà con ng°ãi không thá tiÁp cÃn, thu thÃp dÿ liáu tā camera và gửi vß trung tâm giám sát Đặc biát, nhißu quãc gia đã áp dāng công nghá này trong nông nghiáp đá tng nng suất và chất l°ÿng sÁn ph¿m Trong lĩnh vāc quân sā, thiÁt bá bay đ°ÿc sử dāng cho māc đích do thám, giám sát māc tiêu, và v¿ bÁn đå

Tất cÁ nhÿng đißu trên đã khẳng đánh rằng, máy bay không ng°ãi lái đã trå thành trung tâm trong các chÿc nng căa doanh nghiáp và tç chÿc chính phă Chúng đem l¿i hiáu quÁ cao, nng suất làm viác tng, khãi l°ÿng cũng nh° chi phí sÁn xuất phần nào đ°ÿc giÁm bát Viác áp dāng công nghá máy bay không ng°ãi lái đã chuyán tā giai đo¿n mãt sang giai đo¿n xu h°áng lán khá nhanh vì con ng°ãi đã dần bÅt đầu nhÃn ra đ°ÿc tißm nng, ph¿m vi và quy mô căa chúng trên ph¿m vi toàn cầu

Vì thÁ, mà đã có rất nhißu nghiên cÿu đãi vái máy bay không ng°ãi lái vái các ÿng dāng khác nhau đ°ÿc thāc hián cÁ trong và ngoài n°ác

Các kết quả nghiên cứu ngoài nước:

● Tài liáu [1] đß xuất mßt bß đißu khián håi tiÁp mái trên quadcopter đá đißu khián çn đánh đß cao theo cấp sã nhân khi quadcopter cất và h¿ cánh Hay là thiÁt kÁ bß đißu khián PID theo ph°¢ng pháp LQR sử dāng mô hình tuyÁn tính UAV quadcopter [2]

● ThiÁt kÁ và đißu khián mô hình quadcopter cỡ lán nhằm mang đ°ÿc các vÃt nặng [3] ThiÁt kÁ bß đißu khián PID cho quadcopter nh°ng không đ°a ra ph°¢ng pháp xác đánh thông sã PID [4] [5]

● Nm 2011, Daniel Mellinger and Vijay Kumar đã phát trián mßt thuÃt toán cho phép t¿o ra các quỹ đ¿o tãi °u theo thãi gian thāc thông qua chuỗi các vá trí 3 chißu, đång thãi đÁm bÁo viác đi qua an toàn các hành lang đ°ÿc chß đánh và tháa mãn các ràng bußc vß vÃn tãc, gia tãc và đầu vào [6]

đồ án

● Ngoài ra, các nghiên cÿu vß đßng lāc hßc, thiÁt kÁ và đißu khián đã đóng góp quan trßng vào viác đánh hình và t¿o nßn tÁng cho các nghiên cÿu tiÁp theo vß quadcopter trong nhißu lĩnh vāc Tài liáu [7] đß cÃp đÁn viác sử dāng camera trên quadcopter đá trích xuất và phân tích các đ°ãng vißn trāc quan căa môi tr°ãng xung quanh, tā đó đißu khián quadcopter di chuyán trong môi tr°ãng này Bên c¿nh đó, m¿ng thần kinh nhân t¿o cũng đ°ÿc áp dāng đá tinh chßnh thông sã cho bß đißu khián PI, giúp cân bằng quadcopter [8]

Các kết quả nghiên cứu trong nước:

● Bß đißu khián bám quỹ đ¿o ph°¢ng tián bay không ng°ãi lái cho UAV quadcopter theo nguyên lý đißu khián tr°ÿt kÁt hÿp bß quan sát tr¿ng thái High-Gain [9], thiÁt kÁ bß đißu khián tr°ÿt kÁt hÿp vái PID đá đißu khián đß cao và tr¿ng thái căa UAV quadcopter [10] Tuy nhiên, 2 bß trên thu đ°ÿc kÁt quÁ khá phÿc t¿p và viác trián khai cài đặt các bß đißu khián này trên thiÁt bá phần cÿng cũng gặp nhißu khó khn

● Tài liáu [11] trình bày bß đißu khián mã lai tā chßnh cho UAV vái tÁi trßng ngoài, tham sã bất đánh Các kÁt quÁ thāc nghiám đißu khián thãi gian thāc vái thiÁt bá AR-drone 2.0 trên Matlab cho thấy bß đißu khián đß xuất có cÁi thián đß çn đánh căa há thãng

Thông qua viác tìm hiáu các nghiên cÿu trên, nhóm chúng em nhÃn thấy có rất nhißu vấn đß vß viác thiÁt kÁ và đißu khián çn đánh cho quadcopter Vì thÁ mà nhóm đã quyÁt đánh chßn đß tài <Xây dāng mô hình Quadcopter thu thÃp không gian Ánh=

Bß đißu khián PID đ°ÿc thiÁt kÁ chß đá çn đánh quadcopter trong các đißu kián bay đ¢n giÁn và trong môi tr°ãng không có nhißu nhißu đßng m¿nh nh° gió lán hoặc các yÁu tã môi tr°ãng khác

Các thử nghiám và kiám tra chß đ°ÿc thāc hián trong mßt không gian h¿n chÁ nh° phòng thí nghiám hoặc khu vāc ngoài trãi có kiám soát Đß tài không bao gåm các thử nghiám trong các đißu kián môi tr°ãng khÅc nghiát

Camera đ°ÿc tích hÿp đá thu thÃp hình Ánh không gian xung quanh nh°ng không đ°ÿc sử dāng đá thāc hián các thuÃt toán xử lý Ánh phÿc t¿p hay đißu khián quadcopter dāa trên nhÃn d¿ng hình Ánh Camera chß đóng vai trò nh° mßt công cā bç trÿ cho viác quan sát và không Ánh h°ång trāc tiÁp đÁn quá trình đißu khián cân bằng

1.4 Bç cāc nái dung

Chương 1 Tổng quan: Ch°¢ng này s¿ trình bày vấn đß dÁn nhÃp, lý do chßn đß

tài, māc tiêu và nßi dung nghiên cÿu Ngoài ra, ch°¢ng này cũng s¿ đß cÃp đÁn các giái

h¿n thông sã và bã cāc căa đå án

Chương 2 Cơ sở lý thuyết: Trình bày c¢ så lý thuyÁt vß đßng lāc hßc, bß đo

l°ãng quán tính, giao thÿc truyßn thông, bß lßc bù và giÁi thuÃt đißu khián

Chương 3 Tính toán và thiết kế hệ thống: Trình bày vß yêu cầu đißu khián, tính

toán các thông sã, mô pháng và thiÁt kÁ há thãng

Chương 4 Thi công hệ thống: Trình bày nßi dung thi công phần cÿng và phần

mßm há thãng

Chương 5 Kết quả - Đánh giá - Nhận xét Chương 6 Kết luận và hướng phát triển

đồ án

CH¯¡NG 2 C¡ Sæ LÝ THUY¾T 2.1 Tëng quan vÁ Quadcopter

Quadcopter là mßt mô hình bay hay thiÁt bá bay không ng°ãi lái còn gßi là UAVs (Unmanned Aerial Vehicles) gåm 4 đßng c¢ Bãn cánh qu¿t đ°ÿc gÅn trên 4 đßng c¢ giúp t¿o lāc nâng cho phép quadcopter bay lên khi cánh qu¿t quay Các cặp cánh qu¿t phía tr°ác (Front) và phía sau (Back) quay ng°ÿc chißu kim đång hå, trong khi cặp cánh bên phÁi (Right) và bên trái (Left) quay thuÃn chißu kim đång hå đá cân bằng moment xoÅn đ°ÿc t¿o ra båi các cánh qu¿t trên khung Khi Quadcopter cất và h¿ cánh (Throttle Up/Down), cÁ bãn cánh qu¿t phÁi t¿o ra cùng mßt lāc đ¿y bằng nhau

Góc xoay (Roll) đ°ÿc đißu khián bằng cách thay đçi tãc đß giÿa cánh bên phÁi và bên trái, sao cho tçng lāc đ¿y sinh ra båi hai cánh này vÁn giÿ nguyên T°¢ng tā, góc nghiêng (Pitch) đ°ÿc đißu khián bằng cách thay đçi tãc đß căa hai cánh phía tr°ác và phía sau, mà vÁn duy trì tçng lāc đ¿y

Góc lách (Yaw) đ°ÿc đißu khián bằng cách thay đçi tãc đß căa cặp cánh phÁi - trái so vái tãc đß căa cặp cánh tr°ác - sau, trong khi tçng lāc đ¿y căa cÁ bãn cánh qu¿t vÁn không thay đçi đá Quadcopter giÿ đ°ÿc đß cao D°ái đây là mô tÁ tçng quan vß các mô hình chuyán đßng căa mßt Quadcopter c¢ bÁn

Hình 2 1 Chuyển động Throttle

đồ án

Hình 2 2 Chuyển động Roll

Hình 2 3 Chuyển động Pitch

Hình 2 4 Chuyển động Yaw

đồ án

2.2 Mô hình toán hãc căa Quadcopter 2.2.1 Khái niÇm c¢ bÁn

Quadcopter là máy bay đ°ÿc t¿o thành tā bãn đßng c¢, giÿ bÁng đián tử å giÿa và các đßng c¢ å 4 cāc Tr°ác khi mô tÁ mô hình toán hßc căa quadcopter, chúng ta nên xem xét s¢ qua tßa đß tham chiÁu sử dāng Vß c¢ bÁn, quadcopter có thá sử dāng hai há quy chiÁu:

● Há tßa đß cã đánh ● Há tßa đß không cã đánh (mobile) các vector căa há tßa đß chß theo các h°áng

North (BÅc), East (Đông) và Down (chß vào trung tâm căa Trái Đất)

Hình 2 5 Hệ thống tọa độ cố định ċĂĀÿVá trí và góc nghiêng căa quadcopter đ°ÿc đißu khián đÁn các giá trá mong muãn bằng cách thay đçi tãc đß căa bãn đßng c¢ Các lāc và moment tác đßng lên quadcopter có thá ká đÁn nh° lāc đ¿y do quay rotor, các moment quay quanh các trāc gây ra båi sā chênh lách lāc đ¿y căa bãn rotor, trßng lāc

Bã trí 4 đßng c¢ theo chißu ng°ÿc chißu kim đång hå bÅt đầu tā Front Cách bã trí đßng c¢ và mãi quan há giÿa khung quadcopter vái há tßa đß đ°ÿc thá hián trên hình

đồ án

Hình 2 6 Khung tọa độ tham chiếu và Quadcopter

Chuyán đßng trong không gian căa Quadcopter là chuyán đßng 6 bÃc tā do Chúng bao gåm 3 thành phần chuyán đßng tánh tiÁn và 3 thành phần chuyán đßng quay quanh các trāc Viác đißu khián chuyán đßng sáu bÃc tā do có thá đ°ÿc thāc hián bằng cách đißu chßnh tãc đß quay căa các đßng c¢ khác nhau Các thành phần chuyán đßng căa Quadcopter đ°ÿc thá hián trên hình 2.7

Hình 2 7 Các thành phần chuyển động của Quadcopter theo trục tọa độ

2.2.2 Mô hình đáng hãc căa Quadcopter

▪ Phân tích đáng lāc hãc

Nguyên lý ho¿t đßng chính căa mô hình này dāa trên sā chuyán đßng căa các dòng khí do cánh qu¿t t¿o ra Khi các dòng khí di chuyán xuãng d°ái, lāc đ¿y đ°ÿc t¿o ra s¿ làm cho Quadcopter bay lên Sā đißu chßnh vÃn tãc căa tāng đßng c¢ s¿ thay đçi h°áng bay căa Quadcopter Đá mô tÁ các chuyán đßng căa mßt khung 6 bÃc tā do, cần

đồ án

sử dāng hai há quy chiÁu, các biÁn §, θ, Ψ (các góc roll - pitch – yaw là góc Euler giÿa há quy chiÁu vÃt thá và há quy chiÁu mặt đất)

Hình 2 8 Các hệ quy chiếu của Quadcopter

Trong đó: - ăý là há quy chiÁu khung Quadcopter - ăþ là há quy chiÁu quán tính Trái Đất Vect¢ vá trí và vÃn tãc theo há quy chiÁu Oxyz đ°ÿc mô tÁ nh° sau:

Ď = (Ď, ď, Đ)�㕇 ÿĄĂ Ď′ = (Ď′, ď′, Đ′)�㕇 (2.1) T°¢ng tā vái các vect¢ căa các góc roll, pitch, yaw theo há quy chiÁu góc là:

�㔃 = (�㗷, �㔃, �㗹)�㕇 ÿĄĂ �㔃′ = (�㗷′, �㔃′, �㗹′)�㕇 (2.2) Lāc đ¿y và moment t¿o ra båi cánh qu¿t có đß lán tß lá thuÃn vái bình ph°¢ng căa tãc đß quay căa cánh qu¿t Ta có há ph°¢ng trình:

{ Ā1 = Ā (Ā12+ Ā22+ Ā32+ Ā42) = Ă1+ Ă2+ Ă3 + Ă4

Ā2 = Ĉ Ā (Ā222 Ā42) = ÿþĀ3 = Ĉ Ā (Ā122 Ā32) = ÿÿĀ4 = Ă (Ā22+ Ā422 Ā12+ Ā32) = ÿĀ

(2.3)

đồ án

Trong đó: - Ā1, Ā2, Ā3, Ā4 lần l°ÿt là tãc đß quay căa cánh qu¿t thÿ 1 đÁn cánh qu¿t

thÿ 4 t°¢ng ÿng vái cánh qu¿t tr°ác (front), cánh qu¿t trái (left), cánh qu¿t sau (back), cánh qu¿t phÁi (right)

- b và g t°¢ng ÿng vái há sã nâng và há sã moment căa cánh qu¿t - L là đß dài cánh tay đòn tā vá trí trßng tâm Qaudcopter đÁn mỗi đßng c¢ - Ă1, Ă2, Ă3, Ă4 lần l°ÿt là lāc nâng t¿o båi 4 cánh qu¿t

- ÿþ là moment nằm trên trāc xA gÅn vái Quadcopter, gây ra båi góc nghiêng Roll �㔙

- ÿÿ là moment nằm trên trāc yA gÅn vái Quadcopter, gây ra båi góc ngóc Pitch �㔃

- ÿĀ là moment nằm trên trāc zA gÅn vái Quadcopter, gây ra båi góc h°áng Yaw ÿ

Đá phân tích đßng lāc hßc căa Quadcopter, ta xem nó nh° mßt vÃt rÅn cÿng chuyán đßng tā do trong không gian Tā đó phân tích chuyán đßng căa Quadcopter ra thành 2 phần là chuyán đßng tánh tiÁn và chuyán đßng qu¿y Chuyán đßng tánh tiÁn do các thành phần lāc kéo và lāc nâng gây ra, còn chuyán đßng quay quanh trāc căa nó do các moment gây ra

Vái chuyán đßng tánh tiÁn, áp dāng đánh luÃt biÁn thiên đßng l°ÿng ta đ°ÿc:

Ăč⃗ ĂĊ =

ă ĂČ ĂĊ = ă (ÿ + Ω⃗⃗ × Č ) = Ă (2.4) Ta quy °ác:

- u là vÃn tãc tánh tiÁn trên trāc xA gÅn vái Quadcopter - v là vÃn tãc tánh tiÁn trên trāc yA gÅn vái Quadcopter - w là vÃn tãc tánh tiÁn trên trāc zA gÅn vái Quadcopter - p là vecto tãc đß góc nghiêng nằm trên xA gÅn vái Quadcopter - q là vecto tãc đß góc nghiêng nằm trên yA gÅn vái Quadcopter - r là vecto tãc đß góc nghiêng nằm trên zA gÅn vái Quadcopter - �㔙 là vecto tãc đß góc nghiêng

- �㔃 là vecto tãc đß góc ngóc

đồ án

- ÿ là vecto tãc đß góc h°áng - x là tßa đß căa Quadcopter trên trāc xB căa há trāc quán tính gÅn vái mặt

đất - y là tßa đß căa Quadcopter trên trāc yB căa há trāc quán tính gÅn vái mặt

đất - z là tßa đß căa Quadcopter trên trāc zB căa há trāc quán tính gÅn vái mặt

đất Ta có:

ÿ = [ċČ

Ω⃗⃗ × Č = [ÿĎ Āď āĐĆ ć Ĉ

ċ Č č] = ÿĎ⃗⃗⃗ (ćč 2 ĈČ) 2 Āď⃗⃗⃗ (Ćč 2 Ĉċ) + āĐ⃗⃗⃗⃗ (ĆČ 2 ćċ) (2.6) Tā đó suy ra:

ÿ = [ċČč] = [

2(ćč 2 ĈČ)Ćč 2 Ĉċ2(ĆČ 2 ćċ)] + [

Ăþ1ă Ăÿ

Do đó chß khÁo sát Ánh h°ång căa moment lāc đißu khián T lên chuyán đßng góc căa Quadcopter

đồ án

Quadcopter có hình d¿ng đãi xÿng, nên s¿ có đ°ÿc tenxo moment quán tính có d¿ng nh° sau:

Ć = [ĆĎĎ0 Ćďď0 00

Mãi quan há giÿa J và T nh° sau:

ÿ⃗ = Ć Ā⃗⃗ (2.10) Vái:

Ā⃗⃗ = [ĆćĈ] =

[ÿĎĆĎĎ

ÿďĆďď

ÿĐĆĐĐ]

Qua 3 phép quay ta có đ°ÿc 3 ma trÃn quay t°¢ng ÿng d°ái đây:

Ď(�㔙,þ) = [10 āąĉ�㔙0 ĉÿĄ�㔙0

0 2ĉÿĄ�㔙 āąĉ�㔙] (2.12) Ď(�㔃,ÿ) = [āąĉ�㔃 0 2ĉÿĄ�㔃0 1 0

ĉÿĄ�㔃 0 āąĉ�㔃 ] (2.13) Ď(�㔓,Ā) = [2ĉÿĄÿ āąĉÿ 0āąĉÿ ĉÿĄÿ 0

đồ án

Nhân 3 ma trÃn trên l¿i vái nhau, ta đ°ÿc sā đánh h°áng Quadcopter đ°ÿc biáu thá båi 3 góc Euler qua ma trÃn xoay d°ái đây:

Ď = Ď(�㔙,þ) Ď(�㔃,ÿ) Ď(�㔓,Ā) (2.15) Ď = [ĉÿĄ�㔙ĉÿĄ�㔃āąĉÿ 2 āąĉ�㔙ĉÿĄÿ ĉÿĄ�㔙ĉÿĄ�㔃ĉÿĄÿ 2 āąĉ�㔙āąĉÿ ĉÿĄ�㔙āąĉ�㔃āąĉ�㔃āąĉÿ āąĉ�㔃ĉÿĄÿ 2ĉÿĄ�㔃

āąĉ�㔙ĉÿĄ�㔃āąĉÿ + ĉÿĄ�㔙ĉÿĄÿ āąĉ�㔙ĉÿĄ�㔃ĉÿĄÿ 2 ĉÿĄ�㔙āąĉÿ āąĉ�㔙āąĉ�㔃] (2.16) Ta có đ°ÿc tãc đß tánh tiÁn ā⃗ căa quadcopter trong há tßa đß quán tính là:

Ď [ĎďĐ] = [

ċČ

⟹ Ď21 [ċČ

č] = Ď

�㕇 [ċČč] = [

ĎďĐ] (2.18) Viác phân tích tãc đß góc Ā⃗⃗ căa quadcopter trong tßa đß quán tính thì khác so vái tãc đß tánh tiÁn Vì vecto ÿ nằm bên trong trāc Đý1 thußc há trāc ăý1, vecto �㔃 nằm trên trāc ďý2 thußc há trāc ăý2 và vecto �㔙 thußc há trāc ăý Do đó ta có há thÿc:

[ĆćĈ] = [

�㔙00] + Ď(�㔙,þ) [

0�㔃0] + Ď(�㔙,þ) Ď(�㔃,ÿ) [

00ÿ] (2.19) ⟹ [Ćć

Ĉ] = [

1 0 2ĉÿĄ�㔃0 āąĉ�㔙 ĉÿĄ�㔙āąĉ�㔃0 2ĉÿĄ�㔙 āąĉ�㔙āąĉ�㔃] [

�㔙�㔃ÿ] (2.20) ⟹ [�㔙�㔃

ÿ] = [

1 ĉÿĄ�㔙ĊÿĄ�㔃 āąĉ�㔙ĊÿĄ�㔃0 āąĉ�㔙 2ĉÿĄ�㔙0 ĉÿĄ�㔙āąĉ�㔃 āąĉ�㔙āąĉ�㔃 ] [

ĆćĈ] (2.21)

▪ Tính ch Ãt phi tuy¿n căa đáng hãc Quadcopter

[ĎďĐ] = Ď

�㕇 [ċČ

[ċČč] = [

2(ćč 2 ĈČ)Ćč 2 Ĉċ2(ĆČ 2 ćċ)] + [

Ăþ1ă Ăÿ

ĂĀ

đồ án

] = [1 ĉÿĄ�㔙ĊÿĄ�㔃 āąĉ�㔙ĊÿĄ�㔃0 āąĉ�㔙 2ĉÿĄ�㔙0 ĉÿĄ�㔙āąĉ�㔃 āąĉ�㔙āąĉ�㔃 ] [

ĆćĈ] (2.24)

[ĆćĈ] =

[ÿĎĆĎĎ

ÿďĆďď

ÿĐĆĐĐ]

(2.25)

Xét ngo¿i lāc Ă tác dāng lên Quadcopter chß có 2 lāc c¢ bÁn: - Lāc đ¿y căa 4 cánh qu¿t đßng c¢, kí hiáu là Ă⃗⃗⃗ có ph°¢ng trùng vái trāc Ā

Oz - Trßng lāc ăý luôn vuông góc vái mặt phẳng ngang Tā đó ta có thá tách Ă thành 2 phần råi sao đó chiÁu lên há trāc gÅn Qaudcopter, ta đ°ÿc nh° sau:

[ĂĂþÿĂĀ

] = [ 002ĂĀ] + Ď [

00

⟹ [ĂĂþÿĂĀ

] = [ăý āąĉ�㔃 ĉÿĄ�㔙2ăý ĉÿĄ�㔃ăý āąĉ�㔃 āąĉ�㔙] + [

01ă 0

{ Ď = (āąĉ�㔙ĉÿĄ�㔃āąĉÿ + ĉÿĄ�㔙ĉÿĄÿ).ċă1

ď = (āąĉ�㔙ĉÿĄ�㔃āąĉÿ + ĉÿĄ�㔙āąĉÿ).ċă1Đ = 2ý + (āąĉ�㔙āąĉ�㔃).ċă1�㔙 = �㔃ÿ (ąÿą2 ąĀ

þ ) 2Ćą�㕅

þ�㔃ý(ċ) +ąĈ

þċ2�㔃 = �㔙ÿ (ąĀ 2 ąþ

ąÿ ) 2Ć�㕅

ąÿ�㔙ý(ċ) + Ĉ

ąÿċ3ÿ = �㔙�㔃 (ąþ2 ąą ÿ

GiÁ thuyÁt: - âng thông l°ÿng không khí qua đĩa qu¿t đ°ÿc xem nh° không có t°¢ng

tác vái môi tr°ãng bên ngoài - Đĩa qu¿t có vô sã cánh qu¿t - Đß dày căa đĩa là vô cùng nhá - VÃn tãc theo ph°¢ng đÿng căa không khí qua đĩa là liên tāc - Không khí å đây là khí lý t°ång, không bá nén

Hình 2 9 Mô hình cánh qu ạt trong thuyết động lượng

đồ án

Vái các thông sã sau: - TMT(N) là lāc đ¿y căa cánh qu¿t h°áng lên - ā2∞(ă/ĉ) là vÃn tãc cÃn trên

- ā1(ă/ĉ) là vÃn tãc tác đßng trāc tiÁp phía trên đĩa - ā2(ă/ĉ) là vÃn tãc tác đßng trāc tiÁp phía d°ái đĩa - ā+∞(ă/ĉ) là vÃn tãc cÃn d°ái

- Č2∞(Čÿ) là áp suất cÃn trên - Č1(Čÿ) là áp suất tác đßng trāc tiÁp phía trên đĩa - Č2(Čÿ) là áp suất tác đßng trāc tiÁp phía d°ái đĩa - Č+∞(Čÿ) là áp suất cÃn d°ái

Lāc đ¿y cung cấp båi cánh qu¿t đ°ÿc t¿o ra båi tỷ lá vái hiáu căa 2 áp lāc trên d°ái đĩa (Č1và Č2)

ÿā�㕇 = ý (Č12Č2) (2.29) ÿā�㕇 = ăý (ā2∞2 ā+∞) = Āýýā1(ā2∞2 ā+∞) (2.30) Trong đó:

- ý (ă2) là dián tích đĩa cánh qu¿t - ăý (āý/ĉ) là đß thay đçi căa khãi l°ÿng không khí qua đĩa - Āý (āý/ă3) là mÃt đß không khí

Theo giÁ thuyÁt vÃn tãc không khí phía trên đĩa ā1 bằng vái vÃn tãc bên d°ái đĩa là ā2 nên có thá viÁt l¿i ph°¢ng trình Bernoulli giÿa -∞ vái phần 1 và giÿa phần 2 vái +∞:

Č2+12Āýā22 = Č+∞ +12Āýā+∞2 (2.31) SÅp xÁp l¿i và xem nh° Č+∞ = Č2∞, ta đ°ÿc:

Suy ra ph°¢ng trình căa lāc đ¿y là:

ÿā�㕇 = 2Āýýā12 (2.34) Mà lāc đ¿y ÿā�㕇 = Ă�㕃 =ÿā4 (là trßng l°ÿng đ°ÿc mang båi 1 cánh qu¿t)

Suy ra vÃn tãc dòng khí cho mỗi cánh qu¿t là:

āā = :2ĀĂ�㕃

Āý (ă

2.2.4 Lý thuy ¿t phÅn tă vÁ cánh qu¿t

ThuyÁt đßng l°ÿng đß cÃp å trên đã cung cấp nhÿng thông tin quan trßng vß ho¿t đßng căa mßt cánh qu¿t, tuy nhiên ch°a trình bày vß tāng chi tiÁt cā thá

Hình 2 10 Thuy ết cơ bản về cánh quạt

Do đó lāc khí đßng hßc và moment xoÅn trên mßt cánh qu¿t đ°ÿc xác đánh bằng cách sử dāng lý thuyÁt c¢ bÁn vß cánh qu¿t kÁt hÿp vái mßt sã khái niám đßng l°ÿng Vái ph°¢ng pháp này, lāc và moment xoÅn đ°ÿc tính toán bằng cách lấy tích phân riêng l¿ tāng lāc tác đßng lên mßt thành phần nhá trên toàn bß cánh qu¿t Hình 2.10 biáu dißn mặt cÅt căa cánh qu¿t

Trong đó: - �㔃ā (ĈÿĂ) là góc hÿp giÿa đ°ãng ngang vái đ°ãng chia cánh qu¿t

đồ án

- �㗼 (ĈÿĂ) là góc hÿp båi đ°ãng chia cánh qu¿t vái vector vÃn tãc dòng khí cāc bß ā�㕇

- ā�㕇 (ă/ĉ) là vector tçng căa 2 vector āĀ (ă/ĉ) (vÃn tãc theo ph°¢ng ngang) và ā�㕉 (ă/ĉ) (vÃn tãc theo ph°¢ng đÿng)

- �㔙ā (ĈÿĂ) là góc tấn l°u l°ÿng dòng khí vào - ĂĀþĀ�㕇 (Ċ/ă) là vi phân căa lāc kéo

- ĂĈþĀ�㕇 (Ċ/ă) là vi phân căa lāc nâng - ĂĂþĀ�㕇 (Ċ/ă) (vector tçng căa ĂĀþĀ�㕇 và ĂĈþĀ�㕇) là vi phân căa lāc khí

đßng hßc ĂĂþĀ�㕇 cũng đ°ÿc chia làm 2 thành phần gåm vi phân khí đßng hßc theo ph°¢ng đÿng ĂÿþĀ�㕇 (Ċ/ă) và ph°¢ng ngang ĂĄþĀ�㕇 (Ċ/ă) Vector vÃn tãc ā�㕉 là do sā chuyán đßng căa dòng khí cánh qu¿t

Vector vÃn tãc āĀ là do vÃn tãc góc căa l°ỡi cánh qu¿t

ā�㕉 = āā = Ā�㕃Ď�㕃�㔆 (2.37) āĀ = Ā�㕃Ĉ = Ā�㕃Ď�㕃 Ĉ

ÿĀ = ÿ�㗼 = ÿ(�㔃ā2 �㔙ā) (2.40) Đß xoÅn căa cánh qu¿t đ°ÿc giÁ đánh là thay đçi tuyÁn tính trên toàn vòng tròn cánh qu¿t Vì vÃy mô hình gåm hai hằng sã zero góc tấn �㔃āā (ĈÿĂ) và góc xoÅn căa góc tấn �㔃āāý Ta có ph°¢ng trình sau:

�㔃ā = �㔃āā 2 �㔃āāý Ĉ

đồ án

H¢n nÿa, vÃn tãc góc căa cánh qu¿t lán h¢n nhißu so vái tçng l°u l°ÿng dòng khí qua cánh qu¿t Đãi vái góc nhá ta đánh nghĩa xấp xß góc dòng:

ĂÿþĀ�㕇 = ĂĈþĀ�㕇āąĉ�㔙 2 ĂĀþĀ�㕇ĉÿĄ�㔙

Lāc nâng ÿþĀ�㕇 (Ċ) là kÁt quÁ cuãi cùng đ°ÿc tìm thấy bằng cách lấy tích phân ĂÿþĀ�㕇 trên toàn cánh qu¿t Hằng sã Ċþ là sã cánh căa cánh qu¿t, vái Ċþ = 2 (cánh qu¿t có 2 cánh)

ÿþĀ�㕇 = Ċþ∫ ĂÿþĀ�㕇

ĂĈ�㕅�㕃0 ĂĈ = ĊþĀýÿāĀ�㕃2Ď�㕃3(�㔃6āā 2�㔃āāý8 2�㔆4) (2.45)

Vi phân theo lāc ph°¢ng ngang ĂĄþĀ�㕇 có thá đ°ÿc đ¢n giÁn khi xấp xß bằng không vái góc �㔙ā nhá, khi đó:

ĂĄþĀ�㕇 = ĂĀþĀ�㕇āąĉ�㔙ā + ĂĈþĀ�㕇ĉÿĄ�㔙ā

0= ĊþĀýāĀ�㕃2Ď�㕃4(ÿ8ÿ+ ÿ�㔆�㔃6āā 2�㔃āāý8 2�㔆4) (2.47) Theo ký hiáu lāc nâng:

đồ án

2.2.5 Hình dáng khí đáng hãc

Đá có lāc nâng khí đßng hßc, thiÁt dián vÃt thá (cánh) phÁi không đãi xÿng qua trāc chính và đ°ãng biên căa mặt trên phÁi lán h¢n căa mặt d°ái Các vÃt thá có hình d¿ng thiÁt dián nh° vÃy đ°ÿc gßi là có hình d¿ng khí đßng hßc Khi không khí chÁy qua hình khí đßng này, s¿ t¿o ra lāc nâng khí đßng hßc và đång thãi xuất hián lāc cÁn Hình khí đßng hßc có hiáu ÿng lāc nâng cao và lāc cÁn ít th°ãng đ°ÿc coi là có hiáu suất khí đßng hßc cao

Đß chênh lách áp suất phā thußc vào hình d¿ng thiÁt dián căa cánh, góc tấn (góc chÁy căa không khí t°¢ng đãi vái vÃt khí đßng) và vÃn tãc dòng chÁy Khi vÃn tãc dòng chÁy đ¿t đÁn mßt mÿc nhất đánh, chênh lách áp suất s¿ đă đá v°ÿt qua trßng lāc và vÃt thá có thá bay lên đ°ÿc

2.3 IMU – Bá đo l°ång quán tính

Đ¢n vá đo l°ãng quán tính là mßt thiÁt bá đián tử đ°ÿc sử dāng đá đo và cung cấp các giá trá vÃn tãc, h°áng, gia tãc trßng tr°ãng căa mßt ph°¢ng tián chuyán đßng, ví dā nh° máy bay IMU (Inertial Measurement Unit) sử dāng sā kÁt hÿp giÿa các cÁm biÁn gia tãc và cÁm biÁn giro

IMU ho¿t đßng bằng cách xác đánh giá trá hián t¿i căa gia tãc bằng cách sử dāng mßt hoặc nhißu cÁm biÁn gia tãc Nó cũng phát hián các thay đçi căa các góc quay nh° roll, pitch và yaw thông qua viác sử dāng mßt hoặc nhißu cÁm biÁn gyro

Hình 2 11 Hệ thống IMU

Nh°ÿc điám c¢ bÁn nhất căa IMU trong viác đánh vá là sā lỗi tích lũy Há thãng liên tāc tích hÿp các thay đçi đ°ÿc phát hián vào vá trí đã tính toán tr°ác đó, do đó bất kỳ sai sã nào trong quá trình đo l°ãng, dù nhá, cũng s¿ dần dần tích lũy Đißu này có

đồ án

thá dÁn đÁn sā sai lách trong các đ¿i l°ÿng tính toán, hoặc sā chênh lách ngày càng tng giÿa giá trá vá trí mà há thãng tính toán và giá trá thāc tÁ căa thiÁt bá

Cấu trúc căa IMU thông th°ãng bao gåm mßt khãi vái 3 cÁm biÁn gia tãc và 3 cÁm biÁn gyro

2.3.1 Gyroscope ▪ Khái ni Çm

Con quay håi chuyán (gyroscope) là mßt thiÁt bá đ°ÿc sử dāng đá đo đ¿c hoặc duy trì ph°¢ng h°áng, dāa trên nguyên lý bÁo toàn mô men đßng l°ÿng Thāc chất, con quay c¢ hßc là mßt bánh xe hoặc đĩa quay có các trāc quay tā do theo mßi h°áng

Hình 2 12 Con quay h ồi chuyển – Gyroscope

Khi mßt vÃt xoay quanh mßt trāc, chúng s¿ có vÃn tãc góc Mßt bánh xe quay có thá đ°ÿc đo bằng tãc đß vòng/giây (RPS) hoặc đß/giây (°/s) H°áng quay căa bánh xe cũng rất quan trßng, theo chißu kim đång hå quanh trāc, hoặc là ng°ÿc chißu kim đång hå Con quay håi chuyán th°ãng đ°ÿc sử dāng đá đo thông sã å các vÃt không quay å tãc đß rất nhanh

▪ X ă lý tính hiÇu tā Gyro

Do con quay håi chuyán có thá bá Ánh h°ång båi hián t°ÿng trôi dài h¿n, do đó cần phÁi xác đánh há sã trôi căa cÁm biÁn bằng cách đá cÁm biÁn yên lặng khi khåi đßng ch°¢ng trình và lấy mÁu các giá trá căa con quay håi chuyán, sau đó tính trung bình căa chúng

Viác bù offset đ°ÿc xác đánh bằng:

Ā = ĀĀāý2 ĀāĀĀĀÿā (2.49) Dÿ liáu ra căa con quay håi chuyán là vÃn tãc góc nên đá xác đánh góc quay ta phÁi tích phân theo thãi gian

đồ án

[ÿ(Ċ)�㔃(Ċ)�㔙(Ċ)] = [

ÿ(Ċ 2 1)�㔃(Ċ 2 1)�㔙(Ċ 2 1)] +

[�㗿ÿ

�㗿Ċ�㗿�㔃�㗿Ċ�㗿�㔙

�㗿Ċ ] ΔĊ (2.50)

2.3.2 Gia tçc k¿ - Accelerometer

▪ Khái niÇm

Accelerometer là mßt lo¿i cÁm biÁn đ°ÿc sử dāng đá đo gia tãc và th°ãng đ°ÿc tích hÿp trên các thiÁt bá đián tử, chẳng h¿n nh° đián tho¿i thông minh, máy tính bÁng, máy ch¢i game, thiÁt bá y tÁ và các thiÁt bá di đßng khác

CÁm biÁn gia tãc sử dāng các cấu trúc c¢ hßc hay đián tử đá đo lāc tác đßng lên thiÁt bá theo các trāc khác nhau, bao gåm cÁ trāc x, y, z Khi tác đßng nhẹ nào đó xuất hián lên thiÁt bá, tiÁn trình bên trong s¿ t¿o ra mßt đián áp t°¢ng ÿng, giúp đo l°ãng h°áng và tãc đß căa chuyán đßng Dÿ liáu đ°ÿc thu thÃp båi cÁm biÁn gia tãc này có thá đ°ÿc sử dāng đá đo vÃn tãc, vá trí, đánh h°áng và phát hián rung đßng, nháp tim, tÃp thá dāc, đÁm b°ác,

Hình 2 13 Ch ỉ số độ nghiêng của Accelerometer

▪ Xă lý tín hiÇu tā Accelerometer

Đá xác đánh các offset trôi căa cÁm biÁn, khi khåi ch¿y ban đầu ta s¿ lấy trung bình căa vài trm mÁu giá trá khi đặt cÁm biÁn nằm yên

Tìm góc nghiêng pitch và roll tā cÁm biÁn gia tãc:

đồ án

Hình 2 14 Góc xoay theo các tr ục của Accelerometer

Do cấu t¿o cÁm biÁn gia tãc nh¿y vái nhÿng va ch¿m nhá nên tr°ác khi tính toán ta cần xử lý bằng bß lßc thông thấp đá giÁm thiáu Ánh h°ång

ď(ā) = �㗼 ď(ā 2 1) + (1 2 �㗼) Ď(ā) (2.51)

Vái:

�㗼 = ă2 �㕇�㔏+�㕇�㕠�㕠 (2.52) Sau khi lßc xong, ta đ°a các giá trá vào đá tìm góc nghiêng pitch và roll căa há thãng:

ĆÿĊā/ = arctan

(

ýþ:ýÿ2+ ýĀ2)

(2.53)

ĈąĂĂ = arctan

(

ýÿ:ýþ2+ ýĀ2)

(2.54)

2.4 Giao th ÿc I2C ▪ Khái ni Çm

I2C hay IIC (Inter-Integrated Circuit) là mßt giao thÿc giao tiÁp nãi tiÁp đång bß, đ°ÿc phát trián båi Philips Semiconductors, đ°ÿc sử dāng đá truyßn nhÃn dÿ liáu giÿa các IC (Integrated Circuit) vái nhau chß sử dāng hai đ°ãng truyßn tín hiáu

đồ án