Nghiên cứu ứng dụng cảm biến gia tốc và xây dựng chương trình điều khiển cho mô hình máy bay 4 cánh

Với lòng đam mê, sự yêu thích và với sự mong muốn tạo ra được một sản phẩm thay thế con người tiếp cận với những vùng nguy hiểm và độc hại, phục vụ cho con người trong những công việc mà

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

KHOA CƠ KHÍ

o0o

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ CƠ ĐIỆN TỬ

LỚP: 51CKCD GVHD: Th.S VŨ THĂNG LONG

MỤC LỤC

KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT 7

DANH MỤC CÁC BẢNG 13

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH MÁY BAY 4 CÁNH(QUADROTOR) 14

1.1 TỔNG QUAN VỀ MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI 15

1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA MÁY BAY QUADROTOR 18

1.3 MỤC TIÊU VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 23

1.3.1 Mục tiêu 23

1.3.2 Giới hạn đề tài 23

1.4 YÊU CẦU HỆ THỐNG 24

1.4.1 Yêu cầu kết cấu cơ khí 24

1.4.2 Yêu cầu hệ thống điều khiển 24

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 25

2.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26

2.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 27

2.2.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển quadrotor 27

2.2.2 Cảm biến gia tốc và cảm biến vận tốc góc 30

2.2.2.1 Con quay hồi chuyển 30

a Giới thiệu về con quay hồi chuyển 30

b Đặc điểm của con quay hồi chuyển 31

2.2.2.2 Cảm biến gia tốc 32

2.2.2.3 Cảm biến gia tốc và vận tốc góc trong MPU6050 32

a Giới thiệu cảm biến MPU6050 32

b Tính năng của cảm biến MPU6050 33

c Chiều hướng của cảm biến 34

d Thông tin ứng dụng của MPU6050 35

e Sơ đồ chân cảm biến 36

f Sơ đồ mạch để MPU6050 hoạt động 36

2.2.2.4 Xác định góc nghiêng từ cảm biến MPU6050 37

2.2.2.5 Giao tiếp với MPU6050 bằng I2C 39

2.2.2.6 Đọc dữ liệu từ cảm biến và hiển thị LCD 42

2.2.3 Hệ thống điều khiển từ xa 44

2.2.3.1 Giới thiệu chung 44

2.2.3.2 Mã hóa, giải mã giữ liệu trong truyền thông RF 46

2.2.3.3 Một số phương pháp điều chế tín hiệu xung 48

a Điều chế và giải điều chế biên độ xung PAM (pulse amplitude modulation)

48

b Điều chế và giải điều chế PWM/PPM 51

2.2.3.4 Gamepad điều khiển từ xa 55

a Tổng quan về Gamepad 55

b Tx (Transmitter) máy phát sóng và Rx (Receiver) máy thu sóng 57

c Cài đặt các thông số của bộ điều khiển từ xa trước khi sử dụng 58

d Hiển thị giá trị các kênh của bộ thu đã qua xử lý bằng LCD 62

2.2.4 Motor Brusless, Electric speed controller (ESC) và cánh quạt 65

2.2.4.1 Motor Brusless và cánh quạt 65

a Motor Brusless 65

b Cánh quạt 69

2.2.4.2 ESC 70

2.2.4.3 Điều khiển động cơ một chiều không chổi than 72

2.2.4.4 Pin 73

2.2.5 Thiết kế, chế tạo phần cơ khí 74

2.2.5.1 Cơ sở lý thuyết 74

2.2.5.2 Vật liệu và các dụng cụ liên quan 74

2.2.5.3 Tiến hành thiết kế, chế tạo 76

2.2.6 Thiết kế, chế tạo phần điều khiển 77

2.2.6.1 Cơ sở lý thuyết 77

a AVR 77

b Điện trở 77

c Tụ điện 78

2.2.6.2 Thiết kế 79

a Mạch thử nghiệm hiển thị các thông số của cảm biến và điêu khiển từ xa 79

b Mạch điều khiển 80

2.2.6.3 Chế tạo 83

a Vẽ mạch in 83

b In mạch lên mạch đồng 83

c Hàn linh kiện và kiểm tra mạch 83

d Bảo vệ mạch 84

e Lắp ráp các mạch lên khung 84

f Sản phẩm thực tế 85

2.2.6.4 Giải thuật đo lường và điều khiển 86

a Nhận và xử lý tín hiệu từ bộ điều khiển từ xa 86

b Đọc tín hiệu từ cảm biến MPU6050 88

c Giải thuật PID 89

d Chương trình chính 90

CHƯƠNG 3 THỬ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 91

3.1 KIỂM TRA TRƯỚC KHI BAY 92

3.1.1 Kiểm tra trước khi đưa vào hoạt động 92

3.1.1.1 Kiểm tra nguồn 92

3.1.1.2 Kiểm tra bộ điều khiển từ xa 93

3.1.1.3 Kiểm tra cảm biến 94

3.1.1.4 Kiểm tra ESC và động cơ 94

3.1.1.5 Kiểm tra phần cơ khí 94

3.1.2 Cài đặt các thông số 94

3.2 QUÁ TRÌNH HOÀN THIỆN CÁC THIẾT KẾ CHO MÔ HÌNH QUADROTOR 95

3.2.1 Thiết kế 1 95

3.2.2 Thiết kế 2 97

3.2.3 Thiết kế 3 98

3.2.4 Mô hình hoạt động của thiết kế 3 99

3.2.4.1 Thử nghiệm lần 1 99

3.2.4.2 Thử nghiệm lần 2 100

3.2.4.3 Thử nghiệm lần 3 102

3.3 BẢNG THÔNG SỐ SAU KHI CHẠY THỬ HỆ THỐNG 103

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 104

4.1 KẾT LUẬN 105

4.1.1 Kết quả đạt được 105

4.1.2 Kết quả chưa đạt được 105

4.2 ĐỀ XUẤT 105

4.2.1 Đề xuất phần cứng 105

4.2.2 Đề xuất phần mềm 105

4.2.3 Đề xuất cả hệ thống 105

TÀI LIỆU THAM KHẢO 106

PHỤ LỤC 107

LỜI NÓI ĐẦU -

-

Trong công cuộc đổi mới đất nước, với mục tiêu chiến lược Công nghiệp hóa - hiện đại hóa, đưa nền kinh tế phát triển với tốc độ cao nhằm sánh vai cùng với các quốc gia phát triển trên thế giới, trong đó lĩnh vực tự động hóa đóng vai trò rất quan trọng Ngày nay với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến, thế giới đã và đang ngày một thay đổi văn minh và hiện đại hơn Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo

ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như độ chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ, đó cũng là những yếu tố rất cần thiết góp phần cho hoạt động của con người đạt hiệu quả cao Nó đang trở thành một nghành khoa học đa nhiệm vụ và chủ chốt

Cơ điện tử là một trong những lĩnh vực mới, đây là nghành có sự hội tụ và đúc kết của ba chuyên nghành là cơ khí chính xác, tin học và điện tử tư duy hệ thống trong thiết kế mà sản phẩm cuối cùng của nó là một hệ thống tự động hóa góp phần giải phóng sức lao động của con người

Đối với sinh viên Cơ điện tử để làm quen được với các hệ thống máy móc, công nghệ bên ngoài thì quá trình học lý thuyết đi kèm với thực tế là hết sức cần thiết

Với lòng đam mê, sự yêu thích và với sự mong muốn tạo ra được một sản phẩm thay thế con người tiếp cận với những vùng nguy hiểm và độc hại, phục vụ cho con người trong những công việc mà con người không thể đáp ứng được như quan sát núi lửa, kiểm tra môi trường, gieo trồng, phun thuốc trừ sâu nông nghiệp em quyết định

chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng cảm biến gia tốc và xây dựng chương trình

điều khiển cho mô hình máy bay 4 cánh ” làm đề tài nghiên cứu

Nội dung để tài gồm 4 chương:

Chương I: Tổng quan máy bay 4 cánh (quadrotor)

Chương II: Nội dung nghiên cứu

Chương III: Thử nghiệm và đánh giá kết quả

Chương IV: Kết luận – hướng phát triển đề tài

Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong nhà trường, các thầy cô trong khoa

Cơ khí đã tận tình giúp đỡ chúng em trong suốt những năm qua, thầy cô đã trang bị cho chúng em những kiến thức quý báu để làm hành trang bước vào đời

Em xin chân thành cảm ơn thầy ThS Vũ Thăng Long cùng các thầy cô trong bộ môn Cơ điện tử – Khoa Cơ khí – ĐH Nha Trang, cùng toàn thể các bạn lớp 51CKCD

đã hướng dẫn tận tình và đóng góp những ý kiến quý báu trong suốt quá trình thực hiện đề tài để cuối cùng em đã hoàn thành đề tài trong thời gian đặt ra

Vì kiến thức còn hạn chế nên trong quá trình thực hiện không khỏi mắc phải những sai sót, đề tài còn nhiều hạn chế, mọi lời nhận xét, góp ý hoặc bổ sung nhằm hoàn thiện đề tài của các thầy, các bạn là điều vô cùng quý giá đối với em Xin chân thành cám ơn!

Khánh Hòa, tháng 7 năm 2012 Sinh viên

PHẠM HẢI HỌC

KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT

PWM Pulse Width Modulation Phương pháp điều biến

độ rộng xung

PPM Pulse Position Modulation Phương pháp điều biến vị

trí xung

ESC Electric Speed Controller Bộ điều tốc

không chổi than

Falling Cạnh xuống của tín hiệu

Toggle Sự thay đổi mức logic từ

0 lên 1 hoặc từ 1 xuống 0

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Phân loại vật thể bay 15

Hình 1.2 Máy bay trực thăng 16

Hình 1.3 Khả năng chuyển hướng của máy bay trực thăng 17

Hình 1.4 Máy bay Quadrotor 17

Hình 1.5 Khả năng chuyển hướng của máy bay Quadrotor 18

Hình 1.6 Breguet- Richet Gyroplane No 1 18

Hình 1.7 Quadrotor của Etienne Oemichen 19

Hình 1.8 Bạch tuộc bay 19

Hình 1.9 Convertawings Model A 20

Hình 1.10 Draganflyer 20

Hình 1.11 Quattrocopter 21

Hình 1.12 X4- flyer Mark II 21

Hình 1.13 STARMAC 22

Hình 1.14 Quadrotor made in SPKT 23

Hình 2.1 Sơ đồ điều khiển của Quadrotor 27

Hình 2.2 Lực đẩy và moment trên quadrotor 27

Hình 2.3 Bay lên cao hoặc hạ xuống thấp 28

Hình 2.4 Quay ngược chiều kim đồng hồ 28

Hình 2.5 Di chuyển sang trái 29

Hình 2.6 Di chuyển ra sau và tiến về trước 29

Hình 2.7 Bay ổn định tại chỗ 30

Hình 2.8 Con quay hồi chuyển 31

Hình 2.9 Cảm biến MPU6050 33

Hình 2.10 Chiều của vận tốc góc và gia tốc góc của MPU6050 34

Hình 2.11 Sơ đồ khối của MPU6050 35

Hình 2.12 Sơ đồ chân MPU6050 36

Hình 2.13 Sơ đồ mạch nguyên lý để MPU6050 hoạt động 36

Hình 2.14 Xác định góc nghiêng và vận tốc góc theo gia tốc và vận tốc góc 37

Hình 2.15 Xác định góc nghiêng và vận tốc góc riêng biệt theo vận tốc góc 37

Hình 2.16 Cách tính góc nghiêng từ gia tốc 38

Hình 2.17 Mô tả cách xác định góc nghiêng khi kết hợp gia tốc và vận tốc góc 38

Hình 2.18 Kết nối giữa Master và các Slave 39

Hình 2.19 Trạng thái lấy mẫu một bit dữ liệu trên SDA 39

Hình 2.20 Tín hiệu xung SCL và SDA 40

Hình 2.21 Đọc byte đơn 41

Hình 2.22 Đọc nhiều byte 41

Hình 2.23 Truyền byte đơn 41

Hình 2.24 Truyền nhiều byte 41

Hình 2.25 Cảm biến nằm trên mặt phẳng ngang và mặt phẳng đứng 42

Hình 2.26 Cảm biến nghiêng theo trục X 43

Hình 2.27 Cảm biến nghiêng theo trục Y 43

Hình 2.28 Sơ đồ truyền thông 44

Hình 2.29 Điều chế AM 47

Hình 2.30 Điều chế FM 47

Hình 2.31 Lấy mẫu tự nhiên và lấy mẫu bằng 48

Hình 2.32 Điều chế theo phương pháp lấy mẫu tự nhiên 48

Hình 2.33 Điều chế lấy mẫu bằng 49

Hình 2.34 Lấy mẫu bằng 49

Hình 2.35 Quá trình khôi phục lại tín hiệu tương tự 50

Hình 2.36 Sơ đồ giải điều chế tín hiệu PAM 51

Hình 2.37 Tín hiệu PAM/PWM/PPM 52

Hình 2.38 Sơ đồ khối bộ điều chế PWM 52

Hình 2.39 Các dạng sóng của bộ điều chế PWM/PPM 53

Hình 2.40 Sơ đồ khối bộ điều chế PPM 53

Hình 2.41 Bộ giải điều chế PWM 54

Hình 2.42 Bộ giải điều chế PPM 54

Hình 2.43 Các dạng xung tín hiệu 55

Hình 2.44 Bộ điều khiển từ xa 56

Hình 2.45 Rx (bộ thu tín hiệu) 56

Hình 2.46 Đầu ra của máy thu sóng 56

Hình 2.47 Giao diện chương trình T6config 59

Hình 2.48 Chọn comport 59

Hình 2.49 Thiết lập độ rộng của các kênh 59

Hình 2.50 Chỉnh các cần gạt tinh chỉnh của các kênh 60

Hình 2.51 Chọn vị trí của các kênh 60

Hình 2.52 Chọn mô hình máy bay 61

Hình 2.53 Thiết lập đồ thị kênh ga 61

Hình 2.54 Chỉnh công tắc đóng mở các kênh 61

Hình 2.55 Giá trị của kênh CH1 khi ở vị trí giữa 62

Hình 2.56 Kênh CH1 ở vị trí bên trái 62

Hình 2.57 Kênh CH1 ở vị trí bên phải 63

Hình 2.58 Kênh CH2 ở vị trí giữa 63

Hình 2.59 Kênh CH2 ở vị trí phía trước 63

Hình 2.60 Kênh CH2 ở vị trí phía dưới 64

Hình 2.61 Kênh CH3 ở vị trí thấp nhất 64

Hình 2.62 Kênh CH3 ở vị trí cao nhất 64

Hình 2.63 Động cơ BLDC inrunner 66

Hình 2.64 Động cơ BLDC outrunner 66

Hình 2.65 Tín hiệu PWM điều khiển đưa vào ESC 66

Hình 2.66 Các dạng sức điện động của động cơ một chiều không chổi thang 67

Hình 2.67 Mô hình động cơ một chiều không chổi than 68

Hình 2.68 Motor Brusless 68

Hình 2.69 Cánh Quạt 69

Hình 2.70 ESC Mystery cloud 40A 71

Hình 2.71 Sơ đồ nguyên lý ESC Mystery cloud 40A 71

Hình 2.72 Quá trình kích đóng 6 bước 73

Hình 2.73 Pin lipo 2.2Ah dòng xả 35C tương đương 77A 74

Hình 2.74 Kết nối 2 thanh nhôm theo hình dấu cộng 76

Hình 2.75 Lắp động cơ, cánh quạt và chân lên khung 76

Hình 2.76 Tổng quát hệ thống cơ khí 76

Hình 2.77 Điện trở ngoài thực tế 77

Hình 2.78 Kí hiệu điện trở 77

Hình 2.79 Tụ điện ngoài thực tế 78

Hình 2.80 Mạch thử nghiệm 79

Hình 2.81 Mạch Layout của mạch thử nghiệm 79

Hình 2.82 Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển atmega128 80

Hình 2.83 Sơ đồ mạch in khối vi điều khiển atmega128 81

Hình 2.84 Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị LCD 81

Hình 2.85 Sơ đồ mạch in khối hiển thị LCD 82

Hình 2.86 Sơ đồ nguyên lý các chân nối cảm biến 82

Hình 2.87 Mạch in trên Layout 83

Hình 2.88 Hàn linh kiện vào mạch 83

Hình 2.89 Kiểm tra mạch 84

Hình 2.90 Lắp mạch lên khung 84

Hình 2.91 Mạch vi điều khiển 85

Hình 2.92 Chân máy bay quadrotor 85

Hình 2.93 Động cơ được lắp lên khung 85

Hình 2.94 Hệ thống mô hình 86

Hình 2.95 Sơ đồ tổng quát 86

Hình 2.96 Tín hiệu PWM 87

Hình 2.97 Lưu đồ trình phục vụ ngắt thay đổi trạng thái tại 1 kênh bất kỳ 87

Hình 2.98 Lưu đồ đọc số liệu từ cảm biến MPU6050 88

Hình 2.99 Lưu đồ giải tuật PID 89

Hình 2.100 Lưu đồ chương trình chính 90

Hình 3.1 Kiểm tra Pin 92

Hình 3.2 Pin trên bộ điều khiển từ xa 93

Hình 3.3 Kiểm tra bộ điều khiển từ xa và bộ thu 93

Hình 3.4 Đặt kênh ga CH3 và cần gạt tinh chỉnh kênh CH3 94

Hình 3.5 Đặt cần gạt tinh chỉnh kênh CH1, CH2 95

Hình 3.6 Thiết kế 1 95

Hình 3.7 Chân quadrotr bị cong 96

Hình 3.8 Thiết kế 2 97

Hình 3.9 Thiết kế 3 98

Hình 3.10 Thử nghiệm lần 1 99

Hình 3.11 Thu hẹp khoảng cách giữa các cặp động cơ 100

Hình 3.12 Quadrotor chao đảo 100

Hình 3.13 Quadrotor lật úp 101

Hình 3.14 Hạ thấp mặt phẳng lắp pin so với mặt phẳng chứa 4 động cơ 101

Hình 3.15 Quadrotor chao đảo trên không 102

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Sự khác nhau của thông số cánh 69

Bảng 2.2 bảng trị số điện trở 78

Bảng 3.1 Ưu nhược điểm của thiết kế 1 96

Bảng 3.2 Ưu, nhược điểm của thiết kế 2 97

Bảng 3.3 Ưu, điểm và nhược điểm của thiết kế 3 98

Bảng 3.4 Thông số khi bay mô hình quadrotor được điều khiển theo góc 103

Bảng 3.5 Thông số khi bay mô hình quadrotor được điều khiển theo vận tốc góc 103

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH

MÁY BAY 4 CÁNH (QUADROTOR)

1.1 TỔNG QUAN VỀ MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI

Lĩnh vực điều khiển từ xa bằng sóng radio là lĩnh vực phụ trợ đang phát triển nhanh trên toàn thế giới, tuy nhiên ở Việt Nam ứng dụng chính vẫn là phục vụ nhu cầu giải trí, ít quan tâm đến nhu cầu ứng dụng vào thực tiễn xã hội Các hệ thống điều khiển từ xa ở các nước phát triển đã vượt tầm giải trí và phát triển mạnh mẻ Do

đó nhu cầu nghiên cứu ứng dụng lĩnh vực này là cần thiết và kết quả có thể triển khai vào nhiều lĩnh vực khác có liên quan

Máy bay không người lái là một trong những lĩnh vực ứng dụng điều khiển từ xa

và mang lại nhiều lợi ích cho con người

Người ta có thể phân loại vật thể bay ra thành các loại như sau:

Hình 1.1 Phân loại vật thể bay Theo từ điển chuyên ngành trong lĩnh vực quân sự, máy bay không người lái UAV (Unmanned Arial Vehicle) là một phương tiện hàng không có gắn động cơ nhưng không mang người lái, sử dụng các lực khí động học để di chuyển, có thể bay thông qua bộ điều khiển từ xa, có thể mang vũ khí chiến đấu hoặc các thiết bị điện tử khác

Máy bay trực thăng

Quadrotor Bóng bay

Không gắn

động cơ

Có gắn động cơ

Không gắn động cơ

Có gắn động cơ

Máy bay cánh quạt

Mô phỏng loài chim

Máy bay cánh bằng

Tàu lượn

Vật thể bay

Nhẹ hơn không khí

Nặng hơn không khí

Các UAV được biết đến bởi khả năng thực hiện các nhiệm vụ liên quan đến các

thiết bị quân sự Sau khi chiến tranh lạnh kết thúc, hàng loạt các nước như Mỹ, Tây

Âu, Úc, Israel, Trung Quốc, Nga đã đầu tư hàng triệu đô-la cho các công trình

nghiên cứu và phát triển UAV Các loại UAV phục vụ cho các nhiệm vụ quân sự

khác nhau được thiết kế và đưa vào thực tế Ngoài các thiết kế dành cho quân sự, các

ứng dụng cho các lĩnh vực khác cũng được quan tâm như quan sát núi lửa, điều tra

môi trường, bảo dưỡng thiết bị, gieo trồng, phun thuốc trừ sâu trong nông nghiệp Ngày nay, một số lượng lớn UAV được phát triển dựa trên các nhiệm vụ yêu cầu

Thông qua số lượng các UAV đang được sử dụng cho thấy không thể phủ nhận khả

năng của các phương tiên bay lên thẳng bởi tính tiện dụng và linh hoạt trong phạm vi

hoạt động hẹp Phương tiện bay lên thẳng có thể bay trong các khu vực thấp hơn so

với mặt nước biển, có thể lượn và cung cấp chi tiết các thông tin về khu vực đó

thông qua các trạm điều khiển

Các cấu hình khác nhau của phương tiện bay lên thẳng như các loại máy bay trực

thăng, quạt ống, cánh thẳng, quadrotor đều đã được phát triển từ lâu Mỗi loại cấu

hình nêu trên đều có những ưu-nhược điểm nhất định

Lấy ví dụ như máy bay trực thăng:

Hình 1.2 Máy bay trực thăng Thứ nhất, máy bay trực thăng có thể bay ổn định và tốc độ cao mặc dù kích thước

của nó cực kỳ nhỏ gọn, chỉ nhỉnh hơn kích cỡ của một chiếc xe hơi Thứ hai, không

những biết bay mà nó còn có thể bay cực kỳ siêu đẳng mà nhiều loại máy bay thông

thường khác không làm được, ví dụ như bay lùi, bay ngang, quay đầu 360o tại chỗ và

đứng yên trên không

Chính khả năng bay theo mọi hướng, mọi góc độ như thế mà cho đến nay, người

ta luôn xem trực thăng là chiếc máy bay có độ linh hoạt cao trong các loại máy bay

và do đó, trực thăng cũng có cách điều khiển phức tạp nhất

Hình 1.3 Khả năng chuyển hướng của máy bay trực thăng

Máy bay 4 động cơ (quadrotor) là loại máy bay cất và hạ cánh thẳng đứng (VTOL – Vertical Take Off and Landing) hoạt động nhờ 4 động cơ đẩy sử dụng cánh quạt, trong đó 4 động cơ được đặt cố định và đối xứng xung quanh bộ khung

Hình 1.4 Máy bay quadrotor Thiết kế này đơn giản hơn so với các loại máy bay lên thẳng khác do không có

bộ phận chuyển động nào khác ngoài các rotor chính Có 1 cặp cánh quạt quay thuận chiều kim đồng hồ và 1 cặp quay ngược chiều kim đồng hồ, các motor thuận và nghịch đặt xen kẽ nhằm tạo khả năng triệt tiêu moment xoắn của nhau

- Tiến, lùi

- Quẹo trái, phải

- Bay ngang sang trái, phải

- Tăng, giảm độ cao

- Quay 360 tại chổ

- Đứng yên một chổ trên không

Với việc điều khiển sự thay đổi tốc độ 4 động cơ, quadrotor có khả năng bay theo mọi hướng (lên, xuống, tới, lui, sang trái, sang phải, quay trái, quay phải )

Hình 1.5 Khả năng chuyển hướng của máy bay quadrotor Quadrotor ngoài khả năng bay theo mọi hướng, mọi góc độ như máy bay trực thăng, nó còn có thể bay gần các chướng ngại vật hơn so với các máy bay trực thăng cánh đơn, mà không xảy ra sự va chạm cho cánh quạt

1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA MÁY BAY QUADROTOR

Chiếc quadrotor đầu tiên trên thế giới ra đời năm 1907 do 2 anh em nhà khoa học người Pháp Charles Richet và Charlaes Breguet chế tạo Nó được mang tên là

“Breguet – Richet Gyroplane No 1”

Hình 1.6 Breguet- Richet Gyroplane No 1 Yêu cầu được đưa ra là nó có khả năng cất cánh khỏi mặt đất với 1 phi công Một động cơ 8 xi-lanh được sử dụng để quay 4 cánh quạt Mỗi cánh quạt có 4 bản cánh

Hệ thống dây đai và pu-li được gắn lên nhằm truyền động từ động cơ cho các cánh

Bộ khung của chiếc quadrotor này làm từ các ống thép Lần bay thử nghiệm đầu tiên diễn ra tại Douai-Pháp vào năm 1907 Nó đã có thể nâng cao khỏi mặt đất 1,5 m Đến năm 1920, Etienne Oemichen, đã chế tạo một chiếc quadrotor với 8 cánh quạt linh hoạt nhằm điều khiển và tạo lực đẩy Ban đầu, nó được gắn thêm một khí cầu để nâng và giữ ổn định cho cỗ máy này Năm 1924, Oemichen đã thành công khi cho chiếc quadrotor bay mà không cần sự trợ giúp của khí cầu

Hình 1.7 Quadrotor của Etienne Oemichen Trong năm 1922, Georges de Bothezat và Ivan Jerome thành công khi thiết kế chiếc quadrotor khổng lồ phục vụ cho quân đội Mỹ Cỗ máy này đã được điều khiển bằng cách thay đổi đơn lẻ hoặc cùng lúc các góc xoắn của cánh quạt

Hình 1.8 Bạch tuộc bay Ngoài ra nó còn được gắn thêm 4 cánh quạt loại nhỏ để trợ giúp điều khiển Chiếc quadrotor này được đặt tên là “Bạch tuộc bay” Nhưng dự án này bị hủy bỏ ngay lập tức vì khả năng bay thấp, giá thành cao

Đến năm 1956, Convertawings lần nữa làm sống lại thiết kế trực thăng 4 cánh quạt và đã được thử nghiệm năm 1922 bởi Oemichen tại Pháp và G de Bothezat tại

Mỹ Bốn cánh quạt của chiếc trực thăng này được gắn kết theo từng cặp trên 2 thanh nối song song

Hình 1.9 Convertawings Model A

Cơ chế kiểm soát vô cùng đơn giản bằng cách thay đổi lực đẩy giữa các cánh quạt, năng lượng được cung cấp bởi hai động cơ, truyền động tới hệ thống cánh quạt bằng dây đai chử V Máy bay có ba bánh đáp, hai bánh sau và một bánh trước có thể xoay được Chuyến bay được thực hiện thành công vào tháng 3 năm 1959 tại Mỹ Tuy nhiên, dự án này đã sớm bị chấm dứt do không nhận được đơn đặt hàng

Hình 1.10 Draganflyer Chiếc Draganflyer của hãng sáng chế Draganfly, là một trong những chiếc quadrotor thương mại điều khiển bằng sóng radio rất nổi tiếng Nó được trang bị một bảng mạch điều khiển vị trí Draganflyer có thể rất dễ dàng bay hơn so với một chiếc trực thăng thông thường, khung của nó làm bằng ống sợi các-bon có trọng lượng nhẹ nhưng đủ bền Draganflyer sử dụng 3 cảm biến góc Gyro để giữ thăng bằng Ngày

nay, rất nhiều nhà nghiên cứu sử dụng Draganflyer như một phương tiện cơ bản phục

vụ cho các công việc nghiên cứu

Chiếc Quattrocopter cũng là một trong những chiếc quadrotor siêu nhỏ đáng được quan tâm của cơ quan hàng không vũ trụ châu Âu Nó có trọng lượng khá nhỏ (0.5kg), có khả năng mang một camera và các cảm biến khác

Hình 1.11 Quattrocopter Quattrocopter là chiếc quadrotor thương mại duy nhất được thiết kế cho hệ thống công nghiệp và các ứng dụng quốc phòng Một bảng mạch điều khiển có tên hệ thông tự lái hàng không siêu nhỏ, bao gồm 6 cảm biến, hệ thống định vị GPS, cảm biến dữ liệu áp suất không khí và một vi điều khiển

Hình 1.12 X4- flyer Mark II Chiếc X4 flyer Mark II được thiết kế và chế tạo tại Đại học Quốc gia Úc nhằm giúp sinh viên tìm hiểu các vấn đề về lực đẩy và sự cân bằng Nó được thiết kế như một ứng dụng trong nhà

Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Stanford với hệ thống kiểm tra tĩnh cho quá trình điều khiển đa trạm (STARMAC), đã sử dụng quadrotor như một thiết bị cơ bản

để nghiên cứu thuật toán điều khiển đa trạm nhằm loại bỏ các yếu tố vật lí không có ích Một hệ thống điều khiển PID đã được phát triển cho quá trình điều khiển vị trí bằng vòng lặp Các thiết bị giao tiếp và điều khiển động cơ hoạt động qua 2 vi điều khiển PIC Mạch cảm biến bao gồm một khối IMU có chức năng đưa ra 9 trạng thái của hệ thống (nghiêng, lật, xoay, 3 vận tốc góc và gia tốc góc theo 3 trục XYZ), một

bộ thu tín hiệu định vị toàn cầu GPS và một cảm biến siêu âm

Hình 1.13 STARMAC Thuật toán lọc Kalman được đưa vào nhằm phối hợp tín hiệu từ các cảm biến Ngoài ra nó còn được trang bị bộ thu phát không dây Bluetooth cho quá trình trao đổi thông tin giữa quadrotor và trạm mặt đất Trạm mặt đất bao gồm một máy tính xách tay chạy chương trình Labview nhằm kết nối trực tiếp quadrotor với hệ thống 4 máy tính có nhiệm vụ phân tích và đưa ra hướng bay cho mỗi chiếc quadrotor

Scott D Hanford đã cố gắng chế tạo một hệ thống kiểm tra trạng thái tĩnh giá rẻ cho quadrotor Hệ thống bao gồm các gyro tương tự, một accelerometer và vi điều khiển PIC Một bộ điều khiển tỷ lệ tích phân được thiết kế cho quá trình điều khiển trạng thái ổn định

Và đặc biệt, J Dunfied đã xây dựng bộ điều khiển trí tuệ nhân tạo Quá trình nghiên cứu bao gồm dữ liệu dạy tổng quát khi bay cho quadrotor, cập nhật dữ liệu cho hệ thống bằng Matlab trên máy tính Bộ điều khiển trí tuệ nhân tạo sử dụng vi điều khiển Motorola MC68HC912DG128 và thiết lập cấu trúc điều khiển trong vi điều khiển Hai cảm biến nghiêng, một la bàn và 3 gyro được sử dụng để cung cấp

dữ liệu dạy và phản hồi cho bộ điều khiển J Dunfied còn chỉ ra những vấn đề tiềm

ẩn trong quá trình tạo ra dữ liệu dạy có giá trị, tốc độ xử lí của vi điều khiển và tốc

độ trao đổi dữ liêu như giới hạn của dải lấy mẫu từ cảm biến và các tín hiệu điều khiển

Tại Việt Nam, mô hình máy bay quadrotor cũng được giới trẻ quan tâm và nghiên cứu nhưng rất ít tài liệu thông kê cụ thể

Vào năm 2011 nhóm sinh viên trường Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh đã chế tạo loại máy bay có tên “ Quadrotor made in SPKT “

- Thời gian bay trong khoảng 2 - 5 phút

- Cho phép hoạt động trong phòng thí nghiệm và ngoài trời trong điều kiện không có gió

- Điều khiển từ xa trong bán kính 50m

- Lực nâng tối đa của máy bay là 1,5kg

1.4 YÊU CẦU HỆ THỐNG

1.4.1 Yêu cầu kết cấu cơ khí

- Hệ thống cơ khí đóng vai trò vô cùng quan trọng trong việc làm tăng khả năng hoạt động ổn định của máy bay, đặc biệt là đối với các loại máy bay quadrotor yêu cầu

cơ bản nhất cho phần hệ thống cơ khí là độ cứng vững, cân đối và trọng tâm nằm chính giữa thân quadrotor

- Khối lượng của hệ thống cơ khí không được vượt quá 1,5kg

- Hệ thống cơ khí phải là một khối liền

1.4.2 Yêu cầu hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển phải đáp ứng nhanh do đó đòi hỏi vi điều khiển hoạt động mạnh mẻ, có tốc độ xử lý nhanh, có khả năng ghép nối với nhiều thiết bị như RF, cảm biến vận tốc góc và gia tốc, và có thể tích hợp thêm các thiết bị khác

Do có độ rung lớn trong quá trình bay nên quadrotor đòi hỏi một hệ thống điều khiển vị trí ổn định

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG

NGHIÊN CỨU

2.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp nghiên cứu dựa trên việc nghiên cứu lý thuyết, kế thừa những tính toán, tài liệu có sẵn và được kiểm tra bằng thực nghiệm

* Nghiên cứu lý thuyết :

- Nghiên cứu các tài liệu trong và ngoài nước về mô hình quatrotor

- Tìm hiểm nguyên lý cân bằng về mô hình quatrotor

- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của động cơ, cánh quạt, cảm biến và điều khiển xa

* Phương pháp kế thừa :

- Kế thừa thiết kế khung đã có sẵn

- Kế thừa tính toán khí động lực học, nguyên lý cân bằng và các tài liệu liên quan đến mô hình quadrotor

* Phương pháp thực nghiệm :

- Chế tạo mô hình tổ hợp bao gồm: mô hình cơ khí, mô hình điều khiển, tích hợp hệ thống cảm biến

- Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển và viết chương trình điều khiển theo hệ thống

cơ khí của máy bay quadrotor

- Thực nghiệm, kiểm tra và hoàn thiện hệ thống để đảm bảo: Phần cơ khí có hoạt động ổn định, êm, độ cứng vững cao, đảm bảo độ chính xác cao, linh hoạt trong quá trình sửa chữa lắp ráp khi hư hỏng; Mạch điều khiển hoạt động ổn định và đồng nhất với phần cơ khí; Để có phương án khắc phục Tìm các thông số của chương trình điều khiển (Thông số điều khiển động cơ, thông số độ lệch của cảm biến trên các trục…)

Cụ thể các bước được tiến hành như sau:

Bước 1: Tìm hiểu mô hình quadrotor

Bước 2: Tìm hiểu cảm biến, điều khiển từ xa, động cơ, cánh quạt, ESC phù hợp

với mô hình quadrotor

Bước 3: Thiết kế mạch vi điều khiển thử nghiệm

Bước 4: Đọc tín hiệu cảm biến và điều khiển từ xa hiển thị thông số ra LCD bằng

mạch vi điều khiển thử nghiệm

Bước 5: Tính toán các thông số và điều khiển động cơ BLDC thông qua bộ ESC

bằng mạch thử nghiệm

Bước 6: Thiết kế mạch điều khiển cho mô hình quadrotor

Bước 7: Thiết kế, chế tạo hệ thống cơ khí

Bước 8: Lắp đặt hệ thống cơ khí, mạch điều khiển và cảm biến

Bước 9: Xây dựng giải thuật và điều khiển mô hình quadrotor

Bước 10: Thực nghiệm và lấy thông số điều khiển mô hình quadrotor

2.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

2.2.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển quadrotor

Hình 2.1 Sơ đồ điều khiển của Quadrotor Cặp cánh quạt phía trước và phía sau quay thuận chiều kim đồng hồ, trong khi đó cặp cánh bên phải và bên trái lại quay ngược chiều kim đồng hồ nhằm cân bằng moment xoay được tạo ra bởi các cánh quạt trên khung Cả 4 cánh sinh ra một lực đẩy bằng nhau khi cất cánh nếu quay ở cùng một tốc độ Góc nghiêng được điều khiển khi thay đổi mối quan hệ về tốc độ giữa cánh bên phải và bên trái sao cho giữ nguyên tổng lực đẩy sinh ra bởi cặp cánh này

Hình 2.2 Lực đẩy và moment trên quadrotor Tương tự như vậy, góc lật cũng được điều khiển bởi mối quan hệ giữa 2 tốc độ của 2 cánh phía trước và phía sau Góc xoay lại được thay đổi nhờ vào sự thay đổi vận tốc của cánh bên phải và bên trái liên quan tới tốc độ của cặp cánh phía trước và phía sau Khi đó, tổng lực đẩy sinh ra bởi các cặp cánh được giữ không đổi Độ cao của quadrotor thay đổi khi tăng hoặc giảm đồng thời tốc độ của các động cơ

Quadrotor được điều khiển bằng cách chỉ thay đổi tốc độ động cơ mà không phải phụ thuộc vào các kết cấu cơ khí phức tạp, phù hợp hơn cho các ứng dụng của UAV mini Bốn bậc tự do là nghiêng, lật, xoay và lực đẩy có thể khử ghép lẫn nhau để tạo ra một

sự chênh lệch nhỏ trong quá trình bay lượn

Các chế độ bay của quadrotor :

+ Cất cánh và hạ cánh:

Hình 2.3 Bay lên cao hoặc hạ xuống thấp

Để quadrotor có thể cất cánh, tốc độ của 4 động cơ sẽ được tăng lên đến khi tổng lực nâng được tạo ra từ 4 cánh quạt lớn hơn trọng lực, tổng lực nâng càng lớn thì quadrotor càng bay lên cao Và khi tốc độ của 4 động cơ giảm xuống làm cho tổng lực nâng được tạo ra từ 4 cánh quạt giảm dần, khi đó quadrotor sẽ hạ dần độ cao

+ Quay trái và phải:

Hình 2.4 Quay ngược chiều kim đồng hồ Khi tốc độ của cặp động cơ quay thuận chiều kim đồng hồ (Động cơ 1 và 3) lớn hơn tốc độ của cặp động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ (Động cơ 2 và 4), quadrotor sẽ có xu hướng quay tại chỗ qua trái Ngược lại, Khi tốc độ của cặp động

cơ quay thuận chiều kim đồng hồ (Động cơ 1 và 3) nhỏ hơn tốc độ của cặp động cơ

quay ngược chiều kim đồng hồ (Động cơ 2 và 4), quadrotor có xu hướng quay tại chỗ qua phải

+ Di chuyển trái và phải:

Hình 2.5 Di chuyển sang trái Nếu tốc độ của cặp động cơ quay cùng chiều kim đồng hồ được giữ nguyên, tăng tốc động cơ 2, đồng thời giảm tốc động cơ 4, quadrotor sẽ di chuyển sang trái Quá trình di chuyển sang phải diễn ra ngược lại, nếu tốc độ của cặp động cơ quay cùng chiều kim đồng hồ được giữ nguyên, tăng tốc động cơ 4, đồng thời giảm tốc động cơ

2, quadrotor sẽ di chuyển sang phải

+ Di chuyển lùi ra sau và tiến về trước:

Hình 2.6 Di chuyển ra sau và tiến về trước Nếu tốc độ của cặp động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ được giữ nguyên, tăng tốc động cơ 1 (Động cơ quay cùng chiều kim đồng hồ), đồng thời giảm tốc động

cơ 3 (Động cơ quay cùng chiều kim đồng hồ), quadrotor sẽ di chuyển lùi ra sau Quá trình di chuyển tiến về phía trước diễn ra ngược lại, nếu tốc độ của cặp động cơ quay

ngược chiều kim đồng hồ được giữ nguyên, tăng tốc động cơ 3, đồng thời giảm tốc động cơ 1, quadrotor sẽ di chuyển tiến về phía trước

2.2.2 Cảm biến gia tốc và cảm biến vận tốc góc

a Giới thiệu về con quay hồi chuyển

Thuật ngữ gyroscope tức con quay hồi chuyển xuất hiện từ giữa thế kỉ XIX Những lý thuyết ban đầu về con quay hồi chuyển được áp dụng để giải thích về chuyển động của một vật thể quay như Trái đất Con quay hồi chuyển là một thiết bị dùng để đo đạc hoặc duy trì phương hướng, dựa trên các nguyên tắc bảo toàn mô men động lượng Thực chất, con quay cơ học là một bánh xe hay đĩa quay với các trục quay tự do theo mọi hướng Phương hướng này thay đổi nhiều hay ít tùy thuộc vào moment xoắn bên ngoài hơn là liên quan đến con quay có vận tốc cao mà không cần moment động lượng lớn Vì momen xoắn được tối thiểu hóa bởi việc gắn kết

thiết bị trong các khớp vạn năng (gimbal), hướng của nó duy trì gần như cố định so với bất kỳ chuyển động nào của vật thể mà nó tựa lên

Hình 2.8 Con quay hồi chuyển Cũng có những con quay dựa trên các nguyên tắc vận hành như trên: Con quay MEMS vi mạch được tìm thấy trên các thiết bị sử dụng điện, laser vòng trạng thái rắn, con quay sợi quang học, và con quay lượng tử siêu nhạy

Con quay hồi chuyển (Gyroscope) hoạt động dựa trên nguyên lý bảo toàn moment của một vật thể chuyển động quay khi tổng các lực tác dụng lên vật triệt tiêu

Đối với cấu tạo dạng đĩa tròn ta có thể tính được moment quán tính của đĩa trong

hệ tọa độ đặt tại tâm đĩa và các trục quanh tương ứng với các trục quay của gimbal Lưu ý là trong cấu tạo của gyro cơ, trọng tâm của đĩa xoay phải trùng với trọng tâm của hệ gyro gimbal

Trong quá trình hoạt động, nếu như trạng thái của hệ thống thay đổi, thì các gimbal có thể chuyển động quay quanh trục, nhưng mà đĩa gyro vẫn giữ nguyên phương hướng của trục quay, và giữ trạng thái ổn định trong không gian quán tính Còn góc quay của các gimbal có thể đo được bằng các thiết bị đo góc gắn liền với trục quay của gimbal, các thiết bị này được gọi bằng thuật ngữ pickoff

Số lượng gimbal trong cấu tạo của gyro quy định số bậc tự do chuyển động quay của gyro Ví dụ như gyro có hai bậc tự do thì có cấu tạo gồm có hai gimbal Nếu trục quay của một gyro hai bậc tự do là thẳng đứng thì nó được gọi là gyro thẳng đứng (vertical gyro), còn nếu như trục quay nằm trong mặt phẳng nằm ngang thì gọi là gyro định hướng (directional gyro), còn một gyro có trục quay không theo một

phương cụ thể nào thì gọi là gyro tự do (free gyro) Sự ổn định trong không gian ba chiều đòi hỏi một gyro thẳng đứng và một gyro định hướng, hoặc là hai gyro tự do Một loại gyro cơ có tầm ứng dụng rộng rãi là gyro một bậc tự do, tức là cấu tạo chỉ gồm một gimbal quay quanh trục mà thôi, loại gyro này thường được gọi là intergrating rate gyro

Gyro cơ là loại gyro truyền thống, có độ chính xác cao, và được ứng dụng nhiều trong hệ thống dẫn đường của tên lửa hay tàu ngầm Gyro cơ có chức năng chủ yếu là

ổn định phương hướng chuyển động của hệ thống Gyro cơ chủ yếu được sử dụng trong hệ gimbaled INS bởi vì kết cấu cơ khí rất phù hợp Hầu hết các hệ thống INS đều sử dụng kết hợp ba cảm biến gyro loại rate intergrating một bậc tự do để ổn định phương hướng trong không gian

2.2.2.2 Cảm biến gia tốc

Cảm biến gia tốc thường được ứng dụng trong việc xác định gia tốc trọng trường Tùy theo số trục của cảm biến mà tín hiệu đọc về sẽ là hình chiếu của gia tốc trọng trường trên từng trục tọa độ tương ứng

Gia tốc trọng trường tại một điểm là không thay đổi do đó khi cảm biến quay thì các trục tọa độ cũng quay theo, khi đó hình chiếu của gia tốc trọng trường lên các trục tọa độ cũng thay đổi Từ đó ta có thể xác định được góc nghiêng của cảm biến và góc mà cảm biến đã quay đi so với vị trí trước đó

Giá trị đọc về của các cảm biến gia tốc thường tính theo đơn vị “g” là đơn vị của gia tốc trọng trường Khi tính toán góc nghiêng chia cho nhau sẽ mất đi đơn vị “g”,

vì vậy kết quả đo góc không phụ thuộc vào gia tốc trọng trường

MPU6050 là cảm biến phát hiện, xử lý chuyển động đầu tiên trên thế giới được tích hợp bộ cảm biến 6 trục và thuộc sở hữu của MotionFusion™ Cảm biến này được sử dụng vào những thiết bị cầm tay, ứng dụng trong máy tính bảng, và các thiết

bị tiêu dùng khác MPU6050 được nhúng con quay hồi chuyển 3 trục vi cơ điện tử (MEMS), một cảm biến gia tốc MEMS 3 trục và một bộ xử lý tín hiệu số với giao tiếp I2C

MPU6050 có 3 bộ ADC 16 bit để chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số các kết quả ngõ ra của con quay hồi chuyển và 3 bộ ADC để chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số các kết quả ngõ ra của gia tốc Để theo dõi chính xác cả chuyển động nhanh và chậm, con quay hồi chuyển có thể lập trình với các mức đo ±2500,

±5000, ±10000 và ±20000/ sec (dps) và một gia tốc có thể lập trình với các mức đo

±2g, ±4g, ±8g và ±16g

Hình 2.9 Cảm biến MPU6050 Linh hoạt trong việc cấp nguồn, MPU6050 hoạt động với điện áp VDD từ 2.37V đến 3.46V Ngoài ra MPU6050 cung cấp một chân điện áp tham chiếu VLOGIC, dùng trong thiết lập mức logic của giao tiếp I2C Điện áp VLOGIC có thể là 1.8V±5% hoặc VDD

Cảm biến tốc độ góc ba trục trong MPU6050 có các tính năng sau:

- Cảm biến tốc độ góc (gyroscope) với ngõ ra là tín hiệu số Người dùng có thể lập trình chọn các mức đo ±2500, ±5000, ±10000 và ±20000/giây (dps)

- Tích hợp ADC 16 bit cho phép lấy mẫu đồng thời các con quay hồi chuyển

- Hiệu chỉnh độ nhạy

Các tính năng của cảm biến gia tốc 3 trục trong MPU6050:

- Cảm biến gia tốc ba trục ngõ ra là tín hiệu số có thể lập trình các mức đo ±2g,

±4g, ±8g và ±16g

- Tích hợp ADC 16 bit cho phép lấy mẫu đồng thời các con quay hồi chuyển

- Phát hiện phương hướng và truyền tín hiệu

Một số tính năng bổ sung trong MPU6050:

- Kết hợp chuyển động 6 trục bởi bộ xử lý chuyển động số tích hợp trên chip

- Bus I2C để đọc dữ liệu từ các cảm biến bên ngoài

- Dòng tiêu thụ 3.9mA khi tất cả chuyển động 6 trục

Bộ dao động

- Tùy chọn xung đồng hồ bên ngoài là 32.768kHz hoặc 19.2MHz

Hình 2.10 Chiều của vận tốc góc và gia tốc góc của MPU6050

Khi ta đặt cảm biến vào quadrotor cần phải chính xác về vị trì đặt, chiều và

hướng trên quadrotor

d Thông tin ứng dụng của MPU6050

Hình 2.11 Sơ đồ khối của MPU6050

Cảm biến vận tốc góc trong MPU6050: MPU6050 có ba con quay hồi chuyển

MEMS độc lập, phát hiện chuyển động xoay của ba trục X, Y, Z Khi gyros được luân chuyển về bất kì trục nào, hiệu ứng Coriolis gây ra một sự rung động được phát hiện bởi một pickoff điện dung Tín hiệu kết quả được khuếch đại, giải điều chế và lọc để tạo ra một điện áp tỉ lệ với tốc độ góc Điện áp này được bộ ADC 16bit trên chip lấy mẫu mỗi trục Giai đo của các bộ cảm biến con quay hồi chuyển có thể lập trình đến ±250, ±500, ±1000, or ±2000 độ/giây Tốc độ lấy mẫu của bộ ADC có thể lập trình đến 8000 mẫu/giây, và người dùng có thể lập trình lựa chọn các bộ lọc thông thấp cho phép 1 loạt các tần số cắt

Cảm biến gia tốc 3 trục kiểm tra riêng biệt cho mỗi trục: Gia tốc dọc theo

mỗi trục gây ra sự dịch chuyển trên mỗi trục tương ứng, và cảm biến điện dung phát hiện các chuyển vị khác biệt Khi thiết bị được đặt trên một bề mặt bằng phẳng, nó sẽ cho kết quả 0g trên trục X và trục Y, trục z sẽ là 1g Mỗi cảm biến sử dụng một bộ ADC để chuyển đổi kết quả thành tín hiệu số Các cảm biến có giai đo có thể lập trình thay đổi ±2g, ±4g, ±8g, or ±16g

e Sơ đồ chân cảm biến

Hình 2.12 Sơ đồ chân MPU6050 Chức năng của một số chân trong MPU6050:

* Chân 23 (SCL/SCLK) : Xung Clock của truyền thông nối tiếp I2C (SDA) hoặc SPI (SDI)

* Chân 24 (SDA/SDI) :

+ Dữ liệu truyền thông nối tiếp kiểu I2C (SDA)

+ Dữ liệu truyền thông nối tiếp kiểu SPI (SDI)

Hình 2.13 Sơ đồ mạch nguyên lý để MPU6050 hoạt động

2.2.2.4 Xác định góc nghiêng từ cảm biến MPU6050

Hai giá trị quan trọng cần đọc từ cảm biến MPU6050 là gia tốc và vận tốc góc Theo cách đơn giản từ gia tốc ta tính được góc nghiêng tương ứng và từ vận tốc góc chúng ta xác định được tốc độ thay đổi của góc nghiêng (hình 2.13) thậm chí góc nghiêng được tính từ vận tốc góc (hình 2.10) theo công thức:

Nghĩa là chúng ta có thể tính được góc nghiêng từ cả hai giá trị gia tốc và vận tốc góc

Hình 2.14 Xác định góc nghiêng và vận tốc góc theo gia tốc và vận tốc góc

không di chuyển, còn gia tốc là gia tốc tĩnh, duy trì giá trị khi cảm biến ở một vị trí nào đó

mô hình tự cần bằng thì điều này rất dễ nhận thấy, góc nghiêng thu được bị sai lệch rất lớn do dao động của máy bay Góc nghiêng thu được có sai số rất lớn khi chỉ đơn

thuần tính góc nghiêng từ những dữ liệu đọc được từ cảm biến Do đó, cần áp dụng một giải thuật tối ưu để tính toán góc nghiêng được chính xác

2.2.2.5 Giao tiếp với MPU6050 bằng I 2

C

I2C là một loại bus giao tiếp ngoại vi được phát triển bới hãng Philips, thường được sử dụng để điều khiển nhiều thiết bị điều khiển khác được bố trí trong các khối mạch tương đối xa nhau I2C là giao tiếp nối tiếp thực hiện trên hai đường dây: Clock (SCL) và Data (SDA) giữa Master và Slave

Hình 2.18 Kết nối giữa Master và các Slave

+ Master: Là chip khởi động quá trình truyền nhận, phát đi địa chỉ của thiết bị cần

giao tiếp và tạo xung giữ nhịp trên đường SCL

+ Slave: Là chip có một địa chỉ cố định, được gọi bởi Master và phục vụ yêu cầu từ

Master

+ SDA - Serial Data: Là đường dữ liệu nối tiếp, tất cả các thông tin về địa chỉ hay

dữ liệu đều được truyền trên đường này theo thứ tự từng bit một

+ SCL - Serial Clock: Là đường giữ nhịp nối tiếp I2C là chuẩn truyền thông nối tiếp đồng bộ, cần có 1 đường tạo xung giữ nhịp cho quá trình truyền/nhận, cứ mỗi xung trên đường giữ nhịp SCL, một bit dữ liệu trên đường SDA sẽ được lấy mẫu (sample)

Hình 2.19 Trạng thái lấy mẫu một bit dữ liệu trên SDA

Dữ liệu nối tiếp trên đường SDA được lấy mẫu khi đường SCL ở mức cao trong một chu kỳ giữ nhịp, vì thế đường SDA không được đổi trạng thái khi SCL ở mức

cao (trừ Start và Stop condition) Chân SDA có thể được đổi trạng thái khi SCL ở mức thấp

+ Các tín hiệu Start và Stop:

SDA = SCL = HIGH: Bus I2C ở trạng thái “Free” sẵn sàng cho một giao tiếp

Điều kiện Start: SDA ↓ và SCL = HIGH

Điều kiện Stop: SDA ↑ và SCL = HIGH

Cả hai điều kiện Star và Stop đều được tạo ra bởi Master Sau tín hiệu Start, bus I2C

ở trạng thái “busy” thực hiện tác vụ truy xuất nối tiếp Sau Stop bus I2C ở trạng thái

“free” cho lần kế tiếp

+ Định dạng dữ liệu truyền:

Dữ liệu được truyền trên bus I2C theo từng bit tại mỗi cạnh lên của xung Clock (SCL)

Hình 2.20 Tín hiệu xung SCL và SDA

Sự thay đổi bit dữ liệu trên SDA xảy ra khi SCL đang ở mức thấp số lượng byte

có thể truyền trong một lần tùy ý, tối đa là 128 bytes Bit MSB sẻ được truyền trước Sau 8 xung clock 8 bit dữ liệu đã được truyền đi, thiết bị nhận sẽ khéo SDA xuống mức thấp tương ứng với một bit ACK sẽ tiếp tục thực hiện quá trình truyền hoặc kết thúc

+ Định dạng địa chỉ thiết bị:

Mỗi thiết bị ngoại vi tham gia vào bus I2C đều có địa chỉ duy nhất, có độ dài là 7 bit như vậy trên một bus I2C ta có thể phân biệt tối đa 128 thiết bị Byte đầu tiên được gửi từ master sẻ bao gồm 7 bit chỉ và bit thứ 8 gọi là bit R/W

Bit R/W = 0 : Ghi dữ liệu từ Master vào Slave

Bit R/W = 1 : Đọc dữ liệu từ Slave