luận văn tự dộng hóa máy bay tự động

Vào tháng 2-2013, có ít nhất 50 quốc gia sử dụng máy bay không người lái http://en.wikipedia.org, nó có thể được sử dụng như một công cụ hỗ trợ cho việc tìm kiếm và cứu nạn, UAVs có thể

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

MÁY BAY TỰ ĐỘNG

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN



………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

CẦN THƠ, NGÀY … THÁNG … NĂM 2014

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN



………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

CẦN THƠ, NGÀY … THÁNG … NĂM 2014

CÁN BỘ PHẢN BIỆN

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN



………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

CẦN THƠ, NGÀY … THÁNG … NĂM 2014

CÁN BỘ PHẢN BIỆN

LỜI CAM ĐOAN

Máy bay tự động với khả năng mang theo camera và bay theo quỹ đạo định trước là một hệ thống được ứng dụng nhiều trong những năm gần đây Tuy nhiên, đây vẫn là đề tài khá mới mẻ ở Việt Nam, nhóm thực hiện nhận thấy đây là một đề tài có tính thực tiễn cao, có thể ứng dụng vào nhiều mục đích nên quyết định nghiên cứu xây dựng một hệ thống máy bay tự động cơ bản Hệ thống có khả năng

tự hành trên không trung, quan sát được quĩ đạo chuyển động của máy bay và có thể chụp ảnh trong quá trình hoạt động

Nhóm thực hiện đề tài xin cam đoan rằng: những nội dung trình bày trong quyển báo cáo luận văn này không phải là bản sao chép từ bất kì công trình nào đã

có trước đó Nếu không đúng sự thật, nhóm thực hiện đề tài xin chịu mọi trách nhiệm trước nhà trường

Cần Thơ, ngày … tháng 05 năm 2014

Sinh viên thực hiện

Lê Văn Tươi Nguyễn Duy Khánh

Nhóm thực hiện xin gửi lời cám ơn đến anh Trần Thanh Duy, thành viên câu lạc bộ RC Cần Thơ đã hỗ trợ nhóm hoàn thành mô hình máy bay và hướng dẫn

kĩ thuật điều khiển máy bay

Nhóm thực hiện gửi lời cám ơn anh Đoàn Phương Bình đã giúp đỡ nhóm hoàn thiện phần mềm điều khiển hệ thống trên vi điều khiển MSP430

Nhóm thực hiện gửi lời cám ơn anh Tống Tấn Hiếu đã hỗ trợ nhóm trong việc xây dựng phần mềm hiển thị bản đồ số

Nhóm thực hiện gửi lời cám ơn anh Đặng Vũ Minh Dũng đã có những góp

ý giúp nhóm hoàn thiện đề tài

Cuối cùng chúng em xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến gia đình đã ủng hộ, lo lắng về vật chất và tinh thần Xin gửi lời cám ơn đến tất cả bạn bè đã giúp đỡ, động viên nhóm trong thời gian thực hiện đề tài tốt nghiệp này

MỤC LỤC

KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT 8

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 12

1.1 Đặt vấn đề 12

1.2 Lịch sử giải quyết vấn đề 13

1.3 Phạm vi đề tài 13

1.4 Phương pháp thưc hiện 13

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 15

2.1 Sơ lược về mô hình khí động học 15

2.2 Hệ thống định vị gps 15

2.3 Cảm biến gia tốc 21

2.4 Con quay hồi chuyển 23

2.5 Bộ lọc kalman 23

CHƯƠNG 3: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 27

3.1 Máy bay mô hình sky surfer 27

3.1.1 Các phụ kiện của Sky surfer 27

3.1.2 Nguyên lý hoạt động-điều khiển máy bay 31

3.2 Giới thiệu các module 33

3.2.1 Module GPS u-blox neo 6M 33

3.2.2 Module cảm biến gia tốc MPU6050 38

3.2.3 Module RF HM-TRP-433MHz 44

3.2.4 Vi điều khiển MSP430F5418A, MSP430G2553 49

3.2.5 TUSB3410 50

3.2.6 Module Raspberry và Raspi Cam 51

3.3 Thiết kế và thi công phần cứng 52

3.3.1 Khối nguồn step down 3.3V, 5.0V 52

3.3.2 Board mạch giao tiếp với PC chuẩn USB 54

3.3.3 Board mạch điều khiển máy bay, chọn chế đọ bay 55

3.3.4 Board mạch xử lý trung tâm 57

3.4 Nghiên cứu giải thuật và xây dựng phần mềm 57

3.4.1 Sơ đồ khối của hệ thống trên máy bay 57

3.4.4 Phần mềm hiển thị bản đồ số 69

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ HẠN CHẾ CỦA ĐỀ TÀI 73

4.1 Kết quả đạt được 73

4.2 Những hạn chế của đề tài 76

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 76

KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1: Sơ đồ chân của module Ublox NEO-6M 34

Bảng 3.2: Cấu trúc đoạn tin trong bản tin NMEA 37

Bảng 3.3: Chức năng các chân của module MPU 6050 39

Bảng 3.4: Các thanh ghi cơ bản thiết lập hoạt động của MPU 6050 39

Bảng 3.5: Nguồn xung clock cho con quay hồi chuyển 40

Bảng 3.6: Bảng tham chiếu đồng bộ mở rộng 41

Bảng 3.7: Trị số bộ lọc hạ thông số 41

Bảng 3.8: Các khoảng đo đạc của con quay hồi chuyển 42

Bảng 3.4: Các thanh ghi chứa dữ liệu của cảm biến 44

Bảng 3.5: chức năng các chân của module HM-TRP 433 45

Bảng 3.6: Các mức công suất phát của module HM-TRP 433 47

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hinh 2.1: Dòng không khí và lực nâng cánh máy bay 15

Hình 2.2: Các lực tác động lên máy bay 15

Hình 2.3: Hệ thống định vị GPS toàn cầu 16

Hình 2.4: Nguyên tắc hoạt động cơ bản hệ thống GPS 17

Hình 2.5: Cấu trúc hệ thống GPS 19

Hình 2.6: Cấu tạo cơ bản của gia tốc kế 21

Hình 2.7: Cấu tạo cơ khí con quay hồi chuyển 23

Hình 2.8: Thuật toán bộ lọc Kalman 25

Hình 2.9: Sơ đồ thực hiện thuật toán Kalman 26

Hình 3.1: Máy bay mô hình Sky surfer 27

Hình 3.2: Sơ đồ khối bộ phát sóng 27

Hình 3.3: Bộ phát JR Propo X3810 28

Hình 3.5: Bộ thu JR NER-549X 9 kênh 28

Hình 3.6: Pin lion 29

Hình 3.7: Motor brushless Himodel A2212/2700 Kv 29

Hình 3.8: Sơ đồ khối của ESC 30

Hình 3.9: ESC HIMODEL 70A 30

Hình 3.10: Độ rộng xung của tín hiệu PWM và góc quay của động cơ servo 31

Hình 3.11: Động cơ servo Towerpro 9g SG90 Sub Micro 31

Hình 3.12: Các thành phần cơ bản điều khiển máy bay 32

Hình 3.13: Điều khiển máy bay nghiêng sang trái bằng Aileron 32

Hình 3.14: Điều khiển hướng rẽ của máy bay bằng Rudder 33

Hình 3.15: Điều khiển độ cao của máy bay thông qua Elevator 33

Hình 3.16: Module Ublox Neo 6M 33

Hình 3.17: Sơ đồ nguyên lý module GPS 34

Hình 3.18: Giao diện chương trình U-blox center 35

Hình 3.19: Giao diện cấu hình của chương trình U-blox center 35

Hình 3.20: Thiết lập tốc độ baud cho kết nối UART và chuẩn bản tin đầu ra 36

Hình 3.21: Thiết lập tốc độ cập nhật dữ liệu 36

Hình 3.22: Lưu cấu hình vào EPPROM 37

Hình 3.23: Module MPU6050 38

Hình 3.24: Sơ đồ nguyên lý của module MPU 6050 39

Hình 3.25: Cấu trúc thanh ghi PWR_MGMT_1 40

Hình 3.26: Cấu trúc thanh ghi CONFIG 40

Hình 3.27: Cấu trúc thanh ghi SMPLRT_DIV 41

Hình 3.28: Cấu trúc thanh ghi GYRO_CONFIG 42

Hình 3.29: Cấu trúc thanh ghi ACCEL_CONFIG 43

Hình 3.30: Module RF HM-TRP 433 Mhz 44

Hình 3.31: Sơ đồ mạch module RF HM-TRP 433 Mhz 45

Hình 3.32: Biểu đồ quan hệ giữa RSSI và công suất ngõ vào 48

Hình 3.33: Giao diện phần mềm HM-TRP Setting GUI 48

Hình 3.34: Sơ đồ các khối chức năng của MSP430F5418A 50

Hình 3.38: Sơ đồ cơ bản của nguồn step down 52

Hình 3.39: Giản đồ nguyên lý hoạt động của nguồn step down 53

Hình 3.40: Nguyên lý khối nguồn step down 5V-3A sử dụng LM2576 53

Hình 3.41: Sơ đồ layout của mạch nguồn stepdown 54

Hình 3.42: Sơ đồ nguyên lý board giao tiếp với PC 54

Hình 3.43: Sơ đồ layout của mạch giao tiếp PC ở trạm thu 55

Hình 3.44: Sơ đồ nguyên lý board mạch điều khiển máy bay 56

Hình 3.45: Sơ đồ layout của mạch điều khiển máy bay 56

Hình 3.46: Sơ đồ nguyên lý board mạch xử lý trung tâm 57

Hình 3.47: Sơ đồ layout của board xử lý trung tâm 57

Hình 3.48: Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống trên máy bay 58

Hình 3.49: Sơ đồ khối của hệ thống ở trạm thu 62

Hình 3.50: Lưu đồ giải thuật của board xử lý trung tâm MSP430F5418A 63

Hình 3.51: Lưu đồ giải thuật kiểm tra kết nối MPU6050 64

Hình 3.52: Lưu đồ giải thuật lọc thông tin từ bản tin NMEA 65

Hình 3.53: Lưu đồ giải thuật nhận thông tin điều khiển từ trạm mặt đất 67

Hình 3.54: Lưu đồ giải thuật xác định trạng thái hoạt động của hệ thống 68

Hình 3.55: Giao diện phần mềm hiển thị bản đồ số 69

Hình 3.56: Cửa sổ hiển thị và truyền nhận dữ liệu của phần mềm 70

Hình 3.57: Lưu đồ giải thuật phần mềm hiển thị bản đồ số 71

Hình 4.1: Board điều khiển hệ thống 73

Hình 4.2: Tổng quát hệ thống trên máy bay 74

Hình 4.3: Hệ thống tại mặt đất 74

Hình 4.4: Quĩ đạo bay thực nghiệm tại khu Nam Long ngày 14/03/2014 75

Hình 4.5: Ảnh chụp từ máy bay tại khu Nam Long ngày 14/03/2014 75

TÓM TẮT

đã được ứng dụng để phục vụ sản xuất nông nghiệp và quản lý rừng So với máy bay có người lái, UAVs có thể hoạt động hiệu quả hơn trên vùng diện tích nhỏ ở cao độ thấp để thực hiện các chức năng chụp ảnh, và thu thập dữ liệu với độ chính xác cao Tuy nhiên, một trong những yếu tố cản trở việc ứng dụng rộng rãi công nghệ này là chi phí đầu tư cho hệ thống khá cao Mục tiêu của nghiên cứu này nhằm thiết kế hệ thống điều khiển cho máy bay không người lái hướng đến việc phục vụ các hoạt động sản xuất nông nghiệp và giám sát rừng với chi phí đầu tư thấp Để tăng tính khả thi của giải pháp, một máy bay điều khiển từ xa bằng sóng vô tuyến Sky Surfer thuộc dòng Glider với sải cánh 1.4 m được sử dụng trong nghiên cứu này Kết quả bước đầu, máy bay có khả năng tự hoạt động và bay theo một hành trình được xác định trước sau khi cất cánh và đạt độ cao mong muốn Máy bay có thể được trang bị 01 camera với độ phân giải 5 Mpixels, bay ở

độ cao từ 30 đến 40 m với vận tốc trung bình khoảng 60 Km/h Ngoài ra, tọa độ GPS của máy bay được cập nhật liên tục và hiển thị trên màn hình máy tính đặt ở mặt đất Kết quả của đề tài có triển vọng ứng dụng trong việc chụp ảnh phân tích tình trạng phát triển của đồng lúa, vườn cây và quản lý rừng có diện tích vừa và nhỏ

Từ khóa: hệ thống bay tự động, bản đồ số, bảo vệ rừng

ABSTRACT

The Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have been developed and applied for use in agriculture and forestry applications Compared with piloted aircraft, an UAV can operate more effectively on small crop fields at lower altitudes than regular aircrafts to perform specific tasks with higher precision However, the high cost of systems is one of the main factors limiting their practical implementations The purpose of this study is to design a low-cost UAV for farming management and forest surveillance For its feasibility, a radio-controlled glider having wingspan of 1.4 meters, namely Sky Surfer, has been employed in this work As the very first results, the aircraft can automatically operate on a pre-programed flight plan after taking off and reaching certain altitudes The designed aircraft, equipped with a 5-Mpixel camera, can fly at a height of 30 to 40 meters at an average speed of 60 Km/h In addition, aircraft’s GPS coordinates can be continuously updated and displayed on a ground station The results of this study are expected to be suitable for image analysis and acquisition of small crop fields and forest

Key word: UAVs, digital map, forest protection.

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Hệ thống máy bay không người lái đã trở nên quen thuộc và được phát triển ở nhiều ứng dụng khác nhau như hệ thống giao hàng tự động của Amazon sử dụng Multirotor, dự án phủ sóng Internet của Facebook, Đây là xu thế chung khi khoa học công nghệ ngày càng phát triển và nhu cầu cuộc sống của con người ngày càng được nâng cao

vào các ứng dụng thực tế Từ nhận định đó, nhóm thực hiện muốn nghiên cứu và xây dựng hệ thống máy bay không người lái cơ bản để có thể nắm đươc tổng quan toàn hệ thống và làm nền tảng cơ sở phát triển thành các ứng dụng về sau

1.2 LỊCH SỬ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

Khái niệm về máy bay không người lái đã được đề cập vào giữa những năm 1800,

và nó được dùng chủ yếu cho mục đích quân sự Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, UAVs cũng không ngừng đổi mới Vào tháng 2-2013, có ít nhất 50 quốc gia sử dụng máy bay không người lái (http://en.wikipedia.org), nó có thể được sử dụng như một công cụ hỗ trợ cho việc tìm kiếm và cứu nạn, UAVs có thể giúp tìm kiếm các nạn nhân mất tích trong vùng hoang dã, mắc kẹt trong tòa nhà bị sập, trôi dạt trên biển, phục vụ cho công tác kiểm lâm, hoạt động sản xuất nông nghiệp…

Ở Việt Nam cũng có nhiều đề tài nghiên cứu về UAVs: luận văn “Nghiên cứu giải thuật điều khiển mô hình máy bay bốn động cơ” của sinh viên Trần Trung Tín-Đại học Cần Thơ, project FW-1 của nhóm Freedom wings - Đại học FPT, Hai đề tài trên sử dụng vi điều khiển Atmega với lợi thế tốc độ xử lý nhanh 16 Mhz, nhiều chương trình mã nguồn mở thuận lợi cho việc lập trình, tuy nhiên tiêu thụ nhiều năng lượng Nhóm thực hiện sử dụng dòng vi điều khiển MSP430 của Texas Instrument với nhiều chế độ tiết kiệm năng lượng thích hợp cho các ứng dụng dùng pin, đồng thời tọa độ của máy bay được hiện thị trực tiếp trên màn hình máy tính ở trạm thu, đây cũng là một nét nổi bật của đề tài

1.3 PHẠM VI ĐỀ TÀI

Máy bay tự động đặt ra mục tiêu là có khả năng bay theo tọa độ GPS với cao độ thấp xác định trước, để thu thập dữ liệu phục vụ cho việc sản xuất nông nghiệp, quản lý rừng một cách có hiệu quả Với yêu cầu trên thì về cơ bản máy bay cần có khả năng tự cân bằng, rẽ theo tọa độ GPS, truyền dữ liệu về trạm thu ở mặt đất

Do thời gian và kinh phí thực hiện có hạn nên nhóm chỉ nghiên cứu và trình bày chủ yếu về hoạt động cơ bản của hệ thống máy bay không người lái Trong đó chủ yếu tính năng tự giữ cân bằng của máy bay, đây là một tính năng cơ bản và rất quan trọng của máy bay không người lái Bên cạnh đó thì tọa GPS tức thời của máy bay cũng được cập nhật liên tục và hiển thị lên bản đồ số ở trạm thu

Phạm vi nghiên cứu của nhóm:

- Cải tiến, thiết kế hệ thống điều khiển để máy bay mô hình Sky Surfer có khả năng tự hoạt động

- Máy bay sau khi cải tiến có khả năng tự giữ cân bằng trên không trung

- Có khả năng mang theo camera chụp ảnh

1.4 PHƯƠNG PHÁP THƯC HIỆN

Để giải quyết bài toán nêu trên, nhóm thực hiện chọn máy bay điều khiển từ xa Sky Surfer thuộc dòng Glider với sải cánh 1.4 m để nghiên cứu, dòng vi điều khiển MSP430 của Texas Instruments làm bộ xử lý trung tâm, U-blox 6 GPS module để thu tọa độ GPS, cảm biến MPU6050 để giữ cân bằng và tọa độ của máy bay được

truyền về trạm thông qua module RF HM-TRP Tiến trình được chia thành các giai đoạn cụ thể như sau:

- Nghiên cứu nguyên lý hoạt động, cách thức điều khiển của tàu lượn Sky Surfer, hoàn chỉnh máy bay mô hình

- Nghiên cứu MSP430G2553, MSP430F5418A, các module RF, GPS, cảm MPU6050

- Nghiên cứu bộ lọc Kalman và giải thuật để tàu lượn Sky Suffer tự giữ cân bằng

- Nghiên cứu về cách hiển thị dữ liệu lên bản đồ số

- Thiết kế và thi công board mạch điều khiển trung tâm cho máy bay, mạch nguồn và mạch giao tiếp với PC ở trạm thu

- Kết nối các module, board mạch thành hệ thống hoàn chỉnh, tiến hành thử nghiệm và cải tiến hệ thống

- Lắp ráp hệ thống trên máy bay Sky surfer, bay thử nghiệm và cân chỉnh

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 SƠ LƯỢC VỀ MÔ HÌNH KHÍ ĐỘNG HỌC

Máy bay bay lên được nhờ lực nâng khí đông lực học hay còn gọi là lực nâng Joukowski, lực này sẽ thắng trọng lực và nâng máy bay lên khỏi mặt đất Đây là kết quả của sự chênh lệch áp suất không khí tại mặt trên và mặt dưới của vật thể khi dòng khí chuyển động chạy bao quanh vật thể, ở đây ta xét đến là cánh máy bay Để có lực nâng của không khí thì thiết diện của vật thể phải không đối xứng qua trục chính và đường biên của mặt trên phải lớn hơn mặt dưới

Hinh 2.1: Dòng không khí và lực nâng cánh máy bay Khi máy bay chuyển động trong không khí, sẽ chịu ảnh hưởng của lực nâng không khí, lực cản của không khí, lực đầy của động cơ, trọng lực

Hình 2.2: Các lực tác động lên máy bay

2.2 HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ GPS

** Sơ lược hệ thống định vị GPS

60o Vệ tinh GPS bay quanh trái đất với quỹ đạo tròn, có tâm trùng với tâm của trái đất với bán kính 26.500km và quay hết một vòng quanh trái đất trong nửa ngày thiên văn (tương đương 11,96 giờ)

Tất cả các vệ tinh GPS thế hệ I (Block I) bắt đầu được phóng lên quỹ đạo từ những năm 1978 đến nay không còn hoạt động nữa Đến năm 1985 Mỹ bắt đầu phóng vệ tinh GPS thế hệ II (Block II) bằng phi thuyền con thoi và tên lửa đẩy Delta II Các thông số chính của vệ tinh thế hệ thứ II như sau:

- Khối lượng trên quỹ đạo: 930Kg

- Đường kính: 5,1m

- Tốc độ bay: 4km/s

- Tần số sóng mang downlink băng L1: 1575,42MHz; băng L2: 1227,6MHz

- Tần số sóng mang uplink 1783,74MHz

- Đồng hồ: 02 đồng hồ nguyên tử Cesium; 02 đồng hồ nguyên tử Rubidium

- Thời gian hoạt động trên quỹ đạo: 7-8 năm

** Nguyên lý hoạt động cơ bản hệ thống GPS

Về lý thuyết một máy thu GPS tại bất cứ một địa điểm nào trên trái đất và trong mọi điều kiện thời tiết đều có thể “nhìn thấy” ít nhất 3 vệ tinh GPS và khi phát hiện được vệ tinh thứ tư là hoàn toàn có thể xác định được vị trí của mình nhờ các

Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất 2 ngày một lần theo một quĩ đạo rất chính xác và phát tín hiệu thông tin xuống Trái Đất Các máy thu GPS nhận thông tin này và bằng phép toán lượng giác, sẽ tính toán được vị trí của người dùng Về bản chất, máy thu GPS so sánh độ trễ thời gian tín hiệu phát đi từ các vệ tinh với thời gian nhận được Sai lệch về thời gian này sẽ cho biết khoảng cách từ máy thu đến các vệ tinh là bao xa Với nhiều khoảng cách như vậy, máy thu sẽ tính toán được vị trí người dùng Thông thường, cần tối thiểu 3 tín hiệu vệ tinh để có thể xác định vị trí máy thu, và càng thu được nhiều tín hiệu từ các vệ tinh khác nhau thì kết quả tính toán sẽ càng chính xác

Hình 2.4: Nguyên tắc hoạt động cơ bản hệ thống GPS Dựa trên cơ sở hình học, nếu ta biết được khoảng cách và toạ độ của ít nhất 4 điểm đến 1 điểm bất kỳ thì vị trí của điểm đó có thể xác định được một cách chính xác Giả sử rằng khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh thứ nhất là d1, điều ấy có nghĩa là máy thu nằm ở đâu đó trên mặt cầu có tâm là vệ tinh thứ nhất và bán kính mặt cầu

đó là d1 Tương tự nếu ta biết khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh thứ 2 là d2 thì vị trí máy thu được xác định nằm trên đường tròn giao tiếp của hai mặt cầu Nếu biết được khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh thứ 3 thì ta có thể xác định được vị trí máy thu là một trong hai giao điểm của của đường tròn trên với mặt cầu thứ 3 Trong hai giao điểm đó có một giao điểm được loại bỏ bằng phương pháp nội suy Tuy nhiên nếu ta lại biết được khoảng cách từ máy thu đến một vệ tinh thứ 4 thì ta

có thể hoàn toàn xác định chính xác vị trí của máy thu

Để xác định khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh ta sử dụng công thức sau:

Các vệ tinh GPS được đặt trên quỹ đạo rất chính xác và bay quanh trái đất một vòng trong 11giờ 58 phút nghĩa là các vệ tinh GPS bay qua các trạm kiểm soát 2 lần trong một ngày Các trạm kiểm soát được trang bị các thiết bị để tính toán chính xác tốc độ, vị trí, độ cao của các vệ tinh và truyền trở lại vệ tinh các thông tin đó Khi một vệ tinh đi qua trạm kiểm soát thì bất kỳ sự thay đổi nào trên quỹ đạo cũng có thể xác định được Những nguyên nhân đó chính là sức hút của mặt trời, mặt trăng, áp suất bức xạ mặt trời vv Vệ tinh sẽ truyền các thông tin về vị trí của nó đối với tâm trái đất đến các máy thu GPS (cùng với các tín hiệu về thời gian) Các máy thu GPS sẽ sử dụng các thông tin này vào trong tính toán để xác định vị trí, toạ độ của nó theo các kinh độ và vĩ độ của trái đất Mô hình toán học của trái đất được dùng trong hệ thống GPS được gọi là hệ trắc địa toàn cầu WGS-

84 (World Geodetic System 1984)

** Cấu trúc của hệ thống GPS toàn cầu:

Hệ thống GPS bao gồm ba thành phần: Trạm không gian (Space Segment), trung tâm điều khiển (Control Segment) và máy thu tín hiệu GPS (User Segment)

-Trạm không gian:

Trạm không gian bao gồm 24 vệ tinh nhân tạo liên tục phát tín hiệu quảng bá khắp toàn cầu và được ví như trái tim của toàn hệ thống Các vệ tinh được cấp nguồn hoạt động bởi các tấm pin mặt trời và được thiết kế để hoạt động trong vòng gần 8 năm Nếu các tấm pin mặt trời bị hỏng thì vệ tinh sẽ hoạt động nhờ các ắc quy dự phòng được gắn sẵn trên vệ tinh Ngoài ra trên vệ tinh còn có một hệ thống tên lửa nhỏ để hiệu chỉnh quỹ đạo bay của vệ tinh Mỹ đã phóng vệ tinh GPS đầu tiên vào những năm 1978 và tiếp tục hoàn thiện việc phóng 24 vệ tinh lên quỹ đạo vào năm

1994

-Trung tâm điều khiển:

Gồm có 4 trạm thu tín hiệu phát đi từ vệ tinh (Monitor Station) và một trạm chủ (Master Control) để phát tín hiệu lên vệ tinh Bốn trạm thu được đặt ở các địa điểm khác nhau trên khắp thế giới: Một được đặt tại đảo Hawaii, một trên đảo Kwajalein (Thái Bình Dương); một được đặt trên đảo Diego Garcia (Ấn Độ Dương) và một trạm được đặt ở đảo Ascension (Đại Tây Dương)

Trạm chủ được đặt tại trại Falcon của Không Lực Hoa Kỳ tại Bang Colorado Bốn trạm thu tín hiệu có nhiệm vụ thu tín hiệu chứa thông tin về quỹ đạo và thời gian từ

vệ tinh gửi về sau đó gửi nhưng thông tin này cho trạm chủ Trạm chủ sẽ hiệu chỉnh những thông tin nhận được và gửi lại những thông tin đã được hiệu chỉnh lên

vệ tinh để điều chỉnh quỹ đạo bay và đồng bộ thời gian cho các vệ tinh cùng với thông tin về sự suy hao đường truyền

-Máy thu GPS:

Đây là thành phần cuối cùng trong hệ thống GPS Vì tín hiệu từ vệ tinh GPS được phát quảng bá trên toàn bộ trái đất nên số lượng máy thu GPS là không giới hạn Máy thu GPS sẽ thu các tín hiệu mang thông tin về cự ly, thời gian, trễ truyền sóng được phát xuống từ 4 vệ tinh để xác định vị trí cũng như tốc độ của mình

Hình 2.5: Cấu trúc hệ thống GPS

** Tín hiệu GPS:

Mỗi vệ tinh GPS thế hệ II đều có mang theo hai loại đồng hồ nguyên tử để đưa thông tin thời gian vào trong tín hiệu phát Vệ tinh GPS sử dụng tín hiệu đường xuống băng L và được chia thành hai băng con đó là L1 và L2 với tần số sóng mang tương ứng là f1=1575,42MHz và f2=1227,6MHz Với tần số cơ sở

f0=1,023MHz, người ta tạo ra các tần số sóng mang bằng các bộ nhân tần:

f1=1540f0; f2=1200f0

Tín hiệu L1 từ mỗi vệ tinh sử dụng khoá dịch pha nhị phân (BPSK - Binary Phase Shift Keying) được điều chế bởi hai mã giải tạp ngẫu nhiên PRN Thành phần đồng pha được gọi là “mã kém” hay mã C/A (Coarse/Acquistion Code) được dùng cho mục đích dân sự Thành phần trực pha (dịch pha 90o) được gọi là “mã chính xác” hay mã P (Precision Code) được sử dụng trong quân đội Mỹ và các nước đồng minh với Mỹ Tín hiệu băng L2 cũng là tín hiệu BPSK được điều chế bằng

mã P

Khi biết mã giả tạp ngẫu nhiên PRN, chúng ta có thể độc lập truy nhập đến những tín hiệu từ nhiều vệ tinh GPS trong cùng một tần số sóng mang Tín hiệu được truyền bởi mỗi về tinh GPS sẽ được tách ở mỗi máy thu bằng cách tạo mã PRN tương ứng Sau đó ghép hoặc tương quan hoá mã PRN này với tín hiệu thu được từ

vệ tinh, chúng ta sẽ có được thông tin dẫn đường Tất cả các mã PRN đều đã được biết từ trước, nó được tạo hoặc lưu trong máy thu GPS

** Độ chính xác hệ thống

Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ đã sử dụng rào chắn SA (Selective Availability) nhằm làm giảm độ chính xác của những người sử dụng máy thu GPS phi quân sự Đây là rào

chắn được xây dựng bằng sự kết hợp của các phương thức điều chế, các cấu hình khác nhau và chia GPS thành 3 cấp dịch vụ với độ chính xác khác nhau: dịch vụ định vị chính xác (PPS - Precise Positioning Service), dịch vụ định vị chuẩn không rào chắn( SPS without SA - Standard Positioning Service without SA) và dịch vụ định vị chuẩn có rào chắn (SPS with SA)

PPS là dịch vụ có độ chính xác cao nhất Dịch vụ này chỉ được cung cấp cho quân đội Mỹ và quân đội các nước đồng minh thân cận của Mỹ Dịch vụ này có khả năng truy nhập mã P và được dỡ bỏ tất cả các rào chắn SA Các dịch vụ định vị chuẩn SPS có độ chính xác thấp hơn và chỉ truy nhập tới mã C/A ở băng tần L1 Những yếu tố có thể làm giảm tín hiệu GPS và vì thế ảnh hưởng tới chính xác bao gồm:

• Giữ chậm của tầng đối lưu và tầng ion – Tín hiệu vệ tinh bị chậm đi khi xuyên qua tầng khí quyển

• Tín hiệu đi nhiều đường – Điều này xảy ra khi tín hiệu phản xạ từ nhà hay các đối tượng khác trước khi tới máy thu

• Lỗi đồng hồ máy thu – Đồng hồ có trong máy thu không chính xác như đồng hồ nguyên tử trên các vệ tinh GPS

• Lỗi quỹ đạo – Cũng được biết như lỗi thiên văn, do vệ tinh thông báo

vị trí không chính xác

• Số lượng vệ tinh nhìn thấy – Càng nhiều quả vệ tinh được máy thu GPS nhìn thấy thì càng chính xác Nhà cao tầng, địa hình, nhiễu loạn điện tử hoặc đôi khi thậm chí tán lá dầy có thể chặn thu nhận tín hiệu, gây lỗi định vị hoặc không định vị được Nói chung máy thu GPS không làm việc trong nhà, dưới nước hoặc dưới đất

• Che khuất về hình học – Điều này liên quan tới vị trí tương đối của các vệ tinh ở thời điểm bất kì Phân bố vệ tinh lí tưởng là khi các quả vệ tinh ở vị trí tạo các góc rộng với nhau Phân bố xấu xảy ra khi các quả vệ tinh ở trên một đường thẳng hoặc cụm thành nhóm

** Ứng dụng hệ thống GPS

Quản lý và điều hành xe

1 Giám sát quản lý vận tải, theo dõi vị trí, tốc độ, hướng di chuyển,…

2 Giám sát mại vụ, giám sát vận tải hành khách,

3 Chống trộm cho ứng dụng thuê xe tự lái, theo dõi lộ trình của đoàn xe

4 Liên lạc, theo dõi định vị cho các ứng dụng giao hàng GPS có nhiều ứng dụng mạnh mẽ trong quản lý xe ô tô, đặc biệt là các loại xe như: Xe taxi, xe tải, xe công trình, xe bus, xe khách, xe tự lái Với nhiều tính năng như:

• Giám sát lộ trình đường đi của phương tiện theo thời gian thực: vận tốc, hướng di chuyển và trạng thái tắt/mở máy, quá tốc độ của xe…

• Xác định vị trí xe chính xác ở từng góc đường ( vị trí xe được thể hiện nháp nháy trên bản đồ), xác định vận tốc và thời gian xe dừng hay đang chạy, biết được lộ trình hiện tại xe đang đi (real time)

• Lưu trữ lộ trình từng xe và hiển thị lại lộ trình của từng xe trên cùng một màn hình

• Xem lại lộ trình xe theo thời gian và vận tốc tùy chọn

• Quản lý theo dõi một hay nhiều xe tại mỗi thời điểm

• Báo cáo cước phí và tổng số km của từng xe (ngày/tháng)

• Cảnh báo khi xe vượt quá tốc độ, vượt ra khỏi vùng giới hạn

• Chức năng chống trộm

Khảo sát trắc địa, môi trường

Ngoài ra, rất nhiều thiêt bị được ứng dụng công nghệ định vị GPS đem lại lợi ích lớn lao cho cuộc sống con người như các máy định vị cầm tay, các máy điện thoại

có ứng dụng định vị, phục vụ công tác tìm kiếm cứu nạn v.v

2.3 CẢM BIẾN GIA TỐC

Cảm biến gia tốc là thiết bị có khả năng đo đạc độ rung, sự dịch chuyển của vật thể, cấu trúc Lực gây ra bởi sự rung lắc hay dịch chuyển sẽ tác động vào khối vật thể nằm bên trong cảm biến, điều này sẽ sản sinh một lượng điện tích tỉ lệ thuận với lực tác dụng vào cảm biến

Hình 2.6: Cấu tạo cơ bản của gia tốc kế

Về nguyên tắc, gia tốc kế có cấu trúc là một vật nặng gắn vào một lò xo dao động tắt dần Khi có ngoại lực tác dụng vào gia tốc kế, sẽ làm vật nặng dịch chuyển đến

vị trí cân bằng của ngoại lực và lực do lò xo gây nên Dựa vào lực đàn hồi của lò

elctro-Các đặc tính của cảm biến gia tốc:

-Khoảng động (dynamic range): là giá trị biên âm hoặc dương lớn nhất mà cảm biến có thể đo đạc dược mà không làm biến dạng hoặc cắt tín hiệu ngõ ra

-Tần số đáp ứng (frequency response): là tần số tín hiệu ngõ ra của cảm biến, được xác định bởi đặc tính của vật liệu và có độ lệch xác định +- 5%

-g 1g: là giá trị gia tốc dựa vào giá trị gia tốc trọng trường g của Trái Đất: 32.2 ft/s2, 386in/s2 hoặc 9.81 m/s2

-Độ nhạy (Sensitivity): là tác động nhỏ nhất cảm biến có khả năng phát hiện được -Độ nhạy nhiệt độ (temperature sensitivity): độ thay đổi tín hiệu ngõ ra khi nhiệt

độ cảm biến tăng lên 1 độ

-Khoảng nhiệt độ hoạt động (temperature range): giới hạn mà cảm biến có thể hoạt động được

Các ứng dụng của cảm biến gia tốc trong đời sống:

-Kĩ thuật: dùng để đo đạc gia tốc phương tiện nhằm đánh giá tổng thể hoạt động của phương tiện và đáp ứng Thông tin này có thể dùng để hiệu chỉnh hệ thống khi cần thiết

-Xây dựng: Cảm biến gia ốc được dùng để theo dõi chuyển động và rung lắc của các cấu trúc như tòa nhà cao tầng, cầu treo,…

-Y học: cảm biến gia tốc được sử dụng trong các thiết bị liên quan đến sức khỏe con người: máy phát hiện té ngã, máy đêm bước chân,…

-Dẫn đường: cảm biến gia tốc được sử dụng trong các khối dẫn đường quán tính INS( Inertial Navigation system) xác định vị trí, vận tốc, quĩ đạo của vật thể trong

2.4 CON QUAY HỒI CHUYỂN

Con quay hồi chuyển là thiết bị đo đạc hoặc duy trì phương hướng, dựa trên nguyên lí bảo toàn động lượng

Hình 2.7: Cấu tạo cơ khí con quay hồi chuyển

Về mặt cơ khí, con quay hồi chuyển là một đĩa tròn xoay quanh trục quay tự do theo mọi hướng Phương hướng này thay đổi nhiều hay ít tùy thuộc vào mô men xoắn bên ngoài hơn là liên quan đến con quay có vận tốc cao bên trong Vì mô men 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 bất kể so với bất kỳ chuyển động nào của vật thể mà nó tựa lên

Các ứng dụng của con quay như các hệ định vị quán tính nơi mà la bàn từ không thể hoạt động được hay không đạt đủ độ chính xác, hay đối với sự ổn định của các thiết bị bay như máy bay trực thăng được điều khiển bằng tín hiệu radio hoặc máy bay không người lái Do có độ chính xác cao, con quay cũng được dùng để định hướng trong khai thác mỏ hầm lò

Ngoài ra, con quay hồi chuyển kết hợp với cảm biến gia tốc có thể xác định được vật thể có chuyển động hay không dùng để điều khiển tắt mở các thiết bị nhằm tiết kiệm điện năng

Với trạng thái đo lường z  n

Ma trận A(nxn) trong phương trình sai phân (2.1) là ma trận chuyển trạng thái từ thời điểm quá khứ (k-1) sang thời điểm hiện tại (k) Chú ý rằng, trong thực tế A có thể thay đổi theo từng bước quá trình, tuy nhiên chúng ta cũng có thể giả sử nó là hằng số Ma trận B (nx1) là ma trận điều khiển đầu vào Ma trận H(mxn) trong phương trình (2.2) là ma trận đo lường

k e e E



k

x được chỉ trong phương trình sau

) (

(2.8) Giá trị trong công thức (2.8) được gọi là giá trị sai khác giữa giá trị tiên đoán và giá trị thực tế zk đo được Giá trị này bằng 0 nghĩa là hai giá trị hoàn toàn đồng

Ma trận K (mxn) trong phương trình (2.8) gọi là hệ số khuếch đại Kalman nhằm mục đích tối thiểu hoá hiệp phương sai lỗi hậu ước lượng (2.7)

Độ khuếch đại Kalman có thể được xác định bởi phương trình sau:

R H HP

H P R

H HP

Các phương trình cập nhật thời gian có nhiệm vụ dự đoán trước trạng thái hiện tại

và hiệp phương sai lỗi ước lượng cho thời điểm tiếp theo Các phương trình cập nhật đo có nhiệm vụ phản hồi, kết hợp chặt chẽ giá trị đo mới vào giá trị tiền ước lượng để thu được kết quả chính xác ở giá trị hậu ước lượng

Phương trình cập nhật thời gian còn gọi là là phương trình tiên đoán, trong khi phương trình cập nhật đo lường có thể coi như phương trình của bộ sửa sai

Hình 2.8: Thuật toán bộ lọc Kalman

Các phương trình cập nhật thời gian của bộ lọc Kalman rời rạc

CHƯƠNG 3: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

3.1 MÁY BAY MÔ HÌNH SKY SURFER

Máy bay cánh bằng Sky surfer thuộc loại tàu lượn, có khả năng lướt gió khi tắt động cơ, thích hợp cho các ứng dụng có thời gian bay lâu

Với các thống số như sau:

- Vật liệu: Epo

- Sải cánh: 1400 mm

- Chiều dài 925 mm

- Tổng khối lượng bay (theo lý thuyết) 650 gr

- Động cơ: motor không chổi than

Hình 3.1: Máy bay mô hình Sky surfer

3.1.1 Các phụ kiện của Sky surfer

Bộ phát sóng JR Propo X-3810

Bộ phát sóng (transmitter) hay còn gọi là tay điều khiển có nhiệm vụ là chuyển tín hiệu điều khiển của người dùng thông qua các núm, cần điều khiển (biến trở, công tắc) Sau đó tín hiệu điều khiển được mã hóa, điều chế, khuếch đại công suất và truyền đi trong không gian ở tần số sóng mang 72 Mhz

Điều chế- Khuếch đại

Anten phát

Hình 3.3: Bộ phát JR Propo X3810

Bộ thu sóng-Reciever

Nhiêm vụ của bộ thu là chuyển tín hiệu nhận được từ bộ phát thành các kênh điều khiển riêng biệt

HÌNH 3.4: SƠ ĐỒ KHỐI BỘ THU

Xung PWM từ bộ thu được đưa đến các thiết bị chấp hành (servo, ESC, ) Các kênh được định nghĩa và đánh số thứ tự theo vị trí trong xung PWM Các xung PWM có chu kỳ khoảng 20ms, độ rộng xung từ 1ms(0%) đến 2ms(100%)

Hình 3.5: Bộ thu JR NER-549X 9 kênh

Pin Lion

Pin sử dụng trong các máy bay mô hình có nhiều loại như nimh, nicad…Nhưng phổ biến nhất là pin lypo (lithium polymer), pin lion (lithium ion) với đặc điểm nổi bật là dòng xả cao (vài chục ampere đến hàng trăm ampere), trọng lượng nhẹ Điện

áp mỗi cell của pin lion là 3.7V, điện áp ngưỡng dưới mỗi cell là 3.3V, nếu xả pin dưới ngưỡng cho phép sẽ gây hư hại cho pin Điện áp khi nạp đầy là 4.2V mỗi cell, sạc quá áp có thể gây cháy nổ pin nên pin lion thường được sạc bằng các mạch sạc chuyên dụng Thông số quan trọng của pin là dòng xả cho phép (Ampere), dung

Giải mã PPM/PCM

Xung PWM

chỉ dòng xả của pin Khi đem nhân giá trị C với dung lượng pin sẽ được dòng xả thực tế của pin [4]

Pin nhóm sử dụng trong đề tài là pin Lion-3cell mắc nối tiếp với các thông số: điện thế 11.1 V, dung lượng 2200mAh, 25C, dòng xả thực tế 55000mAh

Hình 3.6: Pin lion

Motor

Motor sử dụng trong máy bay mô hình là motor một chiều, không chổi than, không cảm biến vị trí (sensorless ) có công suất và hiệu suất cao, tuổi thọ dài thích hợp cho máy bay mô hình trọng lượng nhẹ Motor sử dụng thuộc dạng motor đồng bộ nam châm vĩnh cửu (rotor quay cùng tốc độ với từ trường quay) Các thông số cơ bản của động cơ DC không chổi than trong lĩnh vực máy bay mô hình:

- Rps/V (KV) số vòng quay trong 1 phút khi điện áp tăng 1 volt

- Công suất của động cơ và dòng tiêu thụ

Việc lựa chọn các thông số của động cơ cần phù hợp với thiết kế của máy bay (khối lượng, diện tích hai mặt sải cánh,cánh quạt,…) để động cơ hoạt động tốt và

ổn định tránh trường hợp động cơ nóng quá mức gây ra cháy nổ

Nhóm sử dụng motor Himodel A2212, là động cơ không chổi than, không sensor với các thông số:

- Lực kéo cực đại: 800gr, RPS/V: 2700KV, Số cực: 10

- Số cell của pin nguồn: 2-3 Li-Poly/ 5-7 Ni-Mh/Ni-Cd

- Hiệu suất lớn nhất 75%, dòng điện hiệu suất lớn nhất (14A-25A) >72%

- Dòng điện khi không tải 1.5A/10V

- Cánh quạt: 7x5E

Hình 3.7: Motor brushless Himodel A2212/2700 Kv

Bộ điều tốc-Electric speed controller (ESC)

Bộ điều tốc có nhiệm vụ điều khiển công suất cấp cho động cơ, tham chiếu công suất cung cấp cho động cơ dựa vào độ rộng xung PWM do bộ thu tín hiệu cung cấp ESC lấy nguồn trực tiếp từ pin lion, một phần cấp nguồn cho các bộ phận khác như: bộ thu, servo,… hoạt động, một phần biến đổi và cấp cho motor Thông

số đặc trưng của ESC là dòng điện cấp cho motor và tốc độ băm xung PWM của dòng cấp cho motor, thường 8kHz-16kHz tùy vào số cặp cực của motor sử dụng

Hình 3.8: Sơ đồ khối của ESC Nhóm sử dụng ESC HIMODEL 70A với đặc tính kỹ thuật

- Số cell của nguồn nuôi:6 - 20 Ni-Mh/Ni-Cd or 2 - 7 Lipo

- Dòng điện liên tục: 70A (trong môi trường được làm mát)

- Dòng điện lớn nhất 90A/10s

- PWM: 8 Khz/ 16Khz

- Số lượng FET: 18

- Bộ chuyển đổi điện áp: UBEC (Ultimate Battery Eliminator Circuit )

Hình 3.9: ESC HIMODEL 70A Các tính năng của ESC HIMODEL 70A

- Tự động phát hiện số cells, loại pin và đặt điện áp cut-off phù hợp: 6V/9V cho 2 và 3 cell lipo, và 0.8V/cell cho pin Ni-Mh/NiCd

- Bắt đầu an toàn, nó sẽ không khởi động khi ga ở vị trí sai (khác vị trí min)

- Nhiệt độ giới hạn: ESC sẽ ngừng làm việc khi nhiệt độ bề mặt hơn 90 ℃

- Tín hiệu trễ: ESC sẽ dừng lại khi bị mất tín hiệu điều khiển trong hơn 1 s

Servo

Động cơ servo được thiết kế như hệ thống hồi tiếp vòng kín, tín hiệu ra của động

cơ (vận tốc, vị trí ) được nối với một mạch điều khiển thông qua một cơ cấu hồi tiếp Mạch điều khiển sẽ chỉnh sửa những sai lệch (nếu có) để động cơ quay đến vị trí mong muốn một cách chính xác với thời gian ngắn nhất Góc quay của động cơ servo (gọi tắt là servo) có giới hạn, phần lớn servo có thể quay được 1800 hay gần

1800 Góc quay của servo được xác định dựa vào tham chiếu đến độ rộng xung (PWM) được đưa vào mạch điều khiển Xung PWM có tần số khoảng 30Hz-60Hz (thông thường 50Hz) và độ rộng xung từ 1ms-2ms tương ứng với góc quay của servo là 00-1800, chuyển động của servo tỉ lệ với độ rộng xung của tín hiệu PWM

Hình 3.10: Độ rộng xung của tín hiệu PWM và góc quay của động cơ servo Nếu điều khiển servo quay vượt quá giới hạn cơ học của nó, trục của động cơ sẽ đụng các vật cản bên trong dẫn đến bánh răng bị mài mòn, bị rơ hay phá hủy luôn động cơ Các thông số cơ bản của servo: nguồn cung cấp, giới hạn góc quay, moment xoắn, Thành phần cấu tạo cơ bản của servo bao gồm: động cơ, hệ thống bánh răng giảm tốc, mạch điều khiển,

Nhóm sử dụng động cơ servo Towerpro 9g SG90 Sub Micro với thông số như sau:

- Điện thế hoạt động: 4V-6V

- Khối lượng: 9gr

- Moment xoắn 1.5kg.cm ở điện áp 4.8V

- Tốc độ quay (4.8V, không tải): 0.12s/600

Hình 3.11: Động cơ servo Towerpro 9g SG90 Sub Micro

3.1.2 Nguyên lý hoạt động-điều khiển máy bay

Sự chuyển động của máy bay được kiểm soát thông qua việc điều khiển góc của Aileron, Elevator, Rudder và kênh ga Throt để thay đổi góc Roll, Pitch, Yaw và vận tốc của máy bay

Hình 3.12: Các thành phần cơ bản điều khiển máy bay Thay đổi Aileron: các aileron trên mỗi cánh sẽ giúp cánh chuyển động lên xuống (thay đổi góc Roll của máy bay), người lái sẽ điều khiển thông qua các servo đặt ở mỗi cánh Khi muốn máy bay nghiêng sáng trái, ta phải điều khiển aileron trái nâng lên so với mặt trên của cánh một góc alpha nhất định và ailetron phải hạ xuống so với mặt dưới của cánh đúng bằng góc alpha Lúc này, cánh bên trái sẽ hạ xuống và cánh bên phải sẽ được nâng lên do tác động của dòng khí vào aileron trái, phải và máy bay sẽ nghiêng sang trái Điều khiển Aileron theo hướng ngược lại máy bay sẽ nghiêng sang phải

Hình 3.13: Điều khiển máy bay nghiêng sang trái bằng Aileron

Thay đổi Rudder: dùng để điều khiển chuyển động sang trái hoặc sang phải của máy bay Khi Rudder được điều khiển di chuyển sang trái thì do tác động của dòng không khí, mũi máy bay sẽ chuyển sang phải và ngược lại (thay đổi góc Yaw)

Hình 3.14: Điều khiển hướng rẽ của máy bay bằng Rudder

Thay đổi Elevator: Elevator nằm ở đuôi máy bay, dùng để thay đổi độ cao của máy bay Người lái điều khiển nâng elevator sẽ làm máy bay nâng lên, cho phép máy bay tăng độ cao và hạ elevator làm máy bay hạ độ cao

Hình 3.15: Điều khiển độ cao của máy bay thông qua Elevator

Thay đổi kênh ga (Throt): tốc độ của động cơ đươc điều khiển thông qua thay đổi kênh throt, nhằm thay đổi lực kéo tác động lên máy bay, đáp ứng điều kiện khác nhau: tăng/ giảm tốc độ, chuyển hướng, hạ cánh, cất cánh,…Kênh ga sẽ tác động vào độ rộng xung PWM đưa vào ESC (máy bay dùng pin) hoặc tác động servo kéo ga (máy bay dùng động cơ máy nổ)

3.2 GIỚI THIỆU CÁC MODULE

3.2.1 Module GPS u-blox neo 6M

Module Ublox Neo 6M là thiết bị thu tín hiệu từ hệ thống GPS và xác định vị trí người dùng Module sử dụng chip nhận song của hãng Ublox với khả năng nhận tối đa lên đến 50 kênh, module được tích hợp EPPROM và pin giúp lưu dữ liệu thiết lập, ngoài ra còn có anten Ceramic kèm theo để tăng khả năng nhận tín hiệu GPS từ vệ tinh

Hình 3.16: Module Ublox Neo 6M

Một số đặc tính của module:

-Nguồn điện: 3v – 5v, có kèm theo pin cho backup dữ liệu

-Kích thước anten ceramic: :22 x 22mm

-Kích thước module: 23 x 30mm

-Tích hợp EPPROM lưu các thông số thiết lập

-Chuẩn giao tiếp: UART – tốc độ baud mặc định 9600 bps

-Chế độ thu: 50 kênh GPS tần số L1, mã C/A

-Thời gian khởi động: 27s

-Tần số cập nhật tối đa : 5Hz

-Độ chính xác theo phương ngang : 2.5m

Hình 3.17: Sơ đồ nguyên lý module GPS Bảng 3.1: Sơ đồ chân của module Ublox NEO-6M

** Cấu hình bằng phần mềm Ublox Center

Phần mềm Ublox center được hãng sản xuất Ublox phát triển nhằm cho phép người dùng có thể sử dụng module dễ dàng, không cần quan tâm nhiều về cấu trúc

dữ liệu trả về từ module Phần mềm cho phép người dùng thiết lập lại các thông số tốc độ cập nhật, tốc độc baud, kiểu bản tin, cho phù hợp với ứng dụng thực tế Phần mềm Ublox Center có thể download trực tiếp tại trang web chính của công

Hình 3.18: Giao diện chương trình U-blox center

Để tiến hành thiết lập cấu hình cho module, ta cần kết nối module với máy tính thông qua mạch USB to COM

Trên phần mềm, vào thanh Receiver chọn Autobauding để tự động chọn tốc độ baud truyền nhận dữ liệu Tiếp tục chọn mục Port và tìm chọn đúng cổng kết nối với module

Công cụ thiết lập sẽ nằm trong mục View -> Configuration View

Hình 3.19: Giao diện cấu hình của chương trình U-blox center

Hình 3.20: Thiết lập tốc độ baud cho kết nối UART và chuẩn bản tin đầu ra

Hình 3.21: Thiết lập tốc độ cập nhật dữ liệu

Để có module có thể hoạt động ở các thông số thiết lập, ta cần lưu cấu hình này vào EPPROM Khi module được cấp nguồn thì sẽ đọc cấu hình từ đây

Hình 3.22: Lưu cấu hình vào EPPROM Module GPS Ublox NEO 6M có chuẩn dữ liệu đầu ra là NMEA 0183 (National Marine Electronics Association)

Bảng 3.2: Cấu trúc đoạn tin trong bản tin NMEA

Kí tự bắt đầu Tên đoạn tin Chuỗi thông

tin

Byte kiểm tra Kết thúc bản tin

$ GP<….> data *<check sum> <CR><LF>

Các đoạn tin từ module GPS Ublox NEO 6M:

-GPRMC: Bản tin chứa thông tin về vĩ độ, kinh độ và vận tốc theo Knot/s

-GPVTG: Bản tin chứa thông tin về vận tốc theo Km/h và góc so phương Bắc -GPGGA: Bản tin chứa thông tin về vị trí được hiệu chỉnh theo góc tọa độ

-GPGSA: Bản tin chứa thông tin cơ bản về vệ tinh mà module nhận được

-GPGSV: Bản tin chứa thông tin về góc Azimuth, độ cao, tỉ số tín hiệu trên nhiễu của các vệ tinh mà module thu được tín hiệu

-GPGLL: bản tin chứa kinh độ và vĩ độ đã được chỉnh sửa

3.2.2 Module cảm biến gia tốc MPU6050

Cảm biến MPU-6050 là dòng cảm biến chuyển động tích hợp bên trong 3 cảm biến gia tốc và 3 con quay hồi chuyển, cho phép tính toán sự chuyển động của cảm biến hoặc hệ vật được gắn cảm biến Dữ liệu được số hóa thông qua các bộ ADCs và có thể xử lí thông qua bộ xử lí chuyển động (Digital Motion Processor) trước khi đưa vào các thanh ghi MPU-6050 có thể được cài đặt các thông số từ vi điều khiển bên ngoài thông qua giao thức I2C hoặc SPI

Hình 3.23: Module MPU6050 Một số đặc tính của cảm biến MPU-6050 :

Dải điện áp hoạt động : 2.3 - 3.4V

Nhiệt độ hoạt động tốt nhất 25°C

Dải nhiệt hoạt đông:-40 đến +85°C

Chuẩn giao tiếp I2C (Fast mode và Normal mode) hoặc SPI

Khả năng chịu chấn động: 10000g

Khoảng đo lường của cảm biến gia tốc: 2g-4g-8g-16g

Khoảng đo lường của con quay hồi chuyển: 250-500-1000-2000 (Degree/sec)