luận văn tự dộng hóa máy bay tự động

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC MÁY BAY TỰ ĐỘNG Sinh viên thực hiện Nguyễn Duy Khánh MSSV: 1101006 Lê Văn Tươi MSSV: 1101075 Cán bộ hướng dẫn TS, GV Lương Vinh Quốc Danh Cần Thơ, 05-2014 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN  ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… CẦN THƠ, NGÀY …. THÁNG …. NĂM 2014 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 1 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN  ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… CẦN THƠ, NGÀY …. THÁNG …. NĂM 2014 CÁN BỘ PHẢN BIỆN SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 2 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN  ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… CẦN THƠ, NGÀY …. THÁNG …. NĂM 2014 CÁN BỘ PHẢN BIỆN SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 3 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh 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 SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 4 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh LỜI CẢM ƠN Đầu tiên chúng em xin gởi lời cảm ơn chân thành đến thầy Lương Vinh Quốc Danh đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, chỉnh sửa những sai sót để chúng em có thể hoàn thành đề tài luận văn tốt nghiệp. Bên cạnh đó, chúng em xin gởi lời cảm ơn đến quý thầy cô trong Bộ môn Điện tử viễn thông đã tận tình giảng dạy và tạo điều kiện thuận lợi để chúng em thực hiện đề tài. 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. SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 5 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh 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: 3.1 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ........................................................27 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 3.4.2 Sơ đồ khối của hệ thống ở trạm thu ....................................................62 3.4.3 Lưu đồ giải thuật .................................................................................62 SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 6 Luận văn tốt nghiệp 3.4.4 CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh 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 SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 7 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT ADC Analog to Digital Converter CPU Central Processing Unit DAC Digital to Analog Converter DLPF Digital Low Pass Filter ESC Electronic Speed Controller I2C Inter-Integrated Circuit GPS Global Position System RAM Random Access Memory RF Radio Frequency RISC Reduced Instruction Set Computer RX Receiver RSSI Received Signal Strength Indicator UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) UAV Unmanned Aerial Vehicles UBEC Ultimate Battery Eliminator Circuit TI Texas Instrument TX Transmitter SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 8 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh 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 SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 9 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh 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 3.35: Luồng dữ liệu khi TUSB3410 hoạt động ..............................................50 Hình 3.36: Các khối và chức năng của board Raspberry Pi ....................................51 SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 10 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh 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 SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 11 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh TÓM TẮT Trong vài năm gần đây, máy bay không người lái (Unmanned Aerial Vehicles - UAVs) 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 management. 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. Ở Việt Nam, việc sử dụng các máy bay không người lái chủ yếu nằm ở lĩnh vực giải trí, chưa có nhiều nghiên cứu phát triển để đưa những chiếc máy bay mô hình SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 12 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh 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 SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 13 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh 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 SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 14 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh 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 SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 15 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh Hình 2.3: Hệ thống định vị GPS toàn cầu Hệ thống GPS bao gồm 24 vệ tinh địa tĩnh, trong đó có 03 vệ tinh dành cho dự phòng, trong tương lai Mỹ sẽ tiếp tục phóng thêm 04 vệ tinh GPS nữa lên quỹ đạo để bảo đảm dự phòng 1:3 cho toàn bộ hệ thống. Vệ tinh GPS bay theo sáu quỹ đạo, mỗi quỹ đạo có 04 vệ tinh, mặt phẳng quỹ đạo bay nghiêng 55o so với mặt phẳng xích đạo trái đất và các góc xuân phân của quỹ đạo lệch nhau số lần nguyên của 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 phép đo khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu. SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 16 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh 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: d=V.Δt Trong đó V: Là vận tốc lan truyền sóng điện từ và được tính bằng tốc độ ánh sáng. Δt: Là thời gian sóng điện từ đi từ máy phát đến máy thu. Tuy nhiên qua cách tính trên ta mới xác định được vị trí của máy thu trong không gian, để biết được vị trí của máy thu so với mặt đất chúng ta cần phải sử dụng các thông tin khác. SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 17 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh 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 WGS84 (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 SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 18 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh 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 SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 19 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh 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…. SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 20 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh • 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. Housing Seismic Mass 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 xo mà ta có thể xác định được lực tác dụng. Theo công thức của Định luật II Newton về chuyển động F = m.a Trong đó: m là khối lượng của vật F là lực tác dụng vào vật SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 21 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh a là gia tốc của vật đó Lực do lò xo gây ra tuân theo định luật Hooke: F = -kx Trong đó: F là lực do lò xo gây ra k là độ cứng của lò xo x là độ biến dạng hay độ dời so với vị trí ban đầu Lúc đó gia tốc sẽ được xác định như sau a = F/m = -kx/m Khi ta chọn khối lượng vật thể và độ cứng của lò xo xác định thì có thể dễ dàng tính được gia tốc do lực tác động . Các cảm biến hiện đại thường sử dụng hệ thống vi cơ điện (micro elctromechanism systems), các cảm biến sử dụng công nghệ này sẽ nhỏ gọn, ít sinh nhiệt khi hoạt động và có thể tích hợp nhiều cảm biến bên trong để có thể đo đạc trên nhiều trục khác nhau. Ngoài ra, dòng cảm biến MEMS có khoảng đo đạc rất rộng, lên đến hàng ngàn lần gia tốc trọng trường g. 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 không gian. SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 22 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh 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. 2.5 BỘ LỌC KALMAN Năm 1960 R.E. Kalman xuất bản một bài báo nổi tiếng mô tả về một giải pháp đệ quy để giải quyết vấn đề bộ lọc tuyến tính dữ liệu rời rạc. Kể từ đó, do có những ưu điểm lớn trong tính toán, bộ lọc Kalman là một chủ đề nhận được ngày càng nhiều nghiên cứu và ứng dụng, đặc biệt trong các hệ thống định vị, dẫn đường. Bộ lọc Kalman giải quyết vấn đề sau: trạng thái dự đoán của quá trình thời gian rời rạc được mô tả theo phương trình sai phân tuyến tính: xk  Ax k 1  Bu k 1  wk 1 (2.1) SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 23 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh Với trạng thái đo lường z   n zk  Hxk 1  vk 1 (2.2) Biến ngẫu nhiên w(k) và v(k) biểu diễn nhiễu đo lường và nhiễu quá trình. Chúng được coi là độc lập và là nhiễu Gauss có phân bố chuẩn: P(W))~N(0,Q) (2.3) P(R)~N(0,R) Trong thực tế, ma trận hiệp phương sai nhiễu quá trình Q và ma trận hiệp phương sai nhiễu đo lường R phải thay đổi theo thời gian hoặc bước đo lường, tuy nhiên chúng ta có thể coi chúng là hằng số. 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.  Chúng ta định nghĩa x k  là trạng thái tiền nghiệm ở thời điểm thứ k, x k là trạng thái hậu nghiệm tại thời điểm thứ k và cho ra giá trị đo zk. Chúng ta có thể định nghĩa các lỗi tiền ước lượng và lỗi hậu ước lượng như sau:  ek  x k  x k (2.4)  ek  x k  x k (2.5) Ma trận hiệp phương sai lỗi ước lượng tiền nghiệm: T P   E[ek ek ] (2.6) Ma trận hiệp phương sai lỗi ước lượng hậu nghiệm: Pk  E[ek ek ] T (2.7) Xuất phát từ phương trình cho bộ lọc Kalman, chúng ta đi tìm ra một phương trình tính toán trạng thái hậu nghiệm như là một tổ hợp tuyến tính của trạng thái tiền  nghiệm và sự khác nhau giữa giá trị đo thực tế zk và giá trị tiên đoán x k được chỉ trong phương trình sau.    x k  x k  K (zk  H x k ) (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 nhất với nhau. SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 24 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh 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: Pk H T K k  P H ( HP H  R)   T HPk H  R  k T  k 1 T (2.9) Quan sát phương trình (2.9), chúng ta thấy rằng, khi ma trận hiệp phương sai lỗi đo lường R tiến tới 0 thì hệ số khuếch đại K được xác định như sau: 1 lim k  H k  pk 0 Trường hợp khác, khi hiệp phương sai lỗi tiền ước lượng tiến tới 0 thì: lim k k  0 p k 0 Khi hiệp phương sai lỗi đo lường R tiến đến 0 thì giá trị zk là chính xác hơn, trong  khi giá trị tiên đoán x k lại kém chính xác. Trường hợp ngược lại, khi giá trị hiệp phương sai lỗi đo lường tiền nghiệm Pk tiến tới 0, giá trị zk là kém chính xác  trong khi đó giá trị tiên đoán x k lại đạt độ chính xác hơn. Các phương trình trong bộ lọc Kalman chia thành hai nhóm: các phương trình cập nhật thời gian và các phương trình cập nhật đo. 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 SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 25 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh Các phương trình cập nhật thời gian của bộ lọc Kalman rời rạc   x k  A x k 1  Bu k 1 Pk  APk 1 AT  Q Các phương trình cập nhật đo lường của bộ lọc Kalman rời rạc: K k  Pk H T ( HPk H T  R) 1    x  x k  K k (zk  H x k ) Pk  ( I  K k H ) Pk Hình 2.9: Sơ đồ thực hiện thuật toán Kalman SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 26 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh 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 Biến trở, Công tắc ADC Mã hóa PPM/PCM Điều chếKhuếch đại Anten phát Hình 3.2: Sơ đồ khối bộ phát sóng JR Propo X-3810 có 8 kênh điều khiển, gồm 4 kênh cơ bản: Roll-Aileron, PitchElevator, Yaw-Rudder, Throttle-Công suất động cơ (kênh ga). SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 27 CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh Rud Ale Ale Ele Thr Rud Ele Thr Luận văn tốt nghiệp 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. Anten thu Khuếch đại-Giải điều chế Giải mã PPM/PCM Xung PWM 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 lượng pin(mAh) và điện thế cung cấp (volt). Trên pin lion thường có thông số C để SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 28 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh 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 SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 29 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh 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 SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 30 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh 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 SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 31 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh 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). SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 32 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh 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 SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 33 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh 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 Chân PIN 1 PIN 2 PIN 3 PIN 4 Tên GND UART TX UART RX VCC Chức năng Chân nối đất Chân truyền UART Chân nhận UART Chân nguồn ** 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 ty. SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 34 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh 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 SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 35 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh 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 SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 36 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh 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 $ GP Chuỗi tin data thông Byte kiểm tra Kết thúc bản tin * 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. SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 37 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh 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) SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 38 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh Hình 3.24: Sơ đồ nguyên lý của module MPU 6050 Bảng 3.3: Chức năng các chân của module MPU 6050 Chân PIN 1 PIN 2 PIN 3 PIN 4 PIN 5 PIN 6 PIN 7 PIN 8 Tên VCC GND INT SCL SDA DA0 ASCL ASDA Chức năng Chân nguồn 3.3V Chân Mass Chân Interrupt Serial Clock Serial Data Chọn địa chỉ I2C (0x68 hoặc 0x69) Auxilary Serial Clock Auxilary Serial Data Bảng 3.4: Các thanh ghi cơ bản thiết lập hoạt động của MPU 6050 Địa chỉ (Hex) Tên thanh ghi Chức năng 0x19 SMPLRT_DIV Thiết lập hệ số chia tính tốc độ lấy mẫu 0x1A CONFIG Cài đặt bộ lọc hạ thông, đồng bộ dữ liệu 0x1B GYRO_CONFIG Thiết lập tốc độ lấy mẫu cho con quay hồi chuyển 0x1C ACCEL_CONFIG Thiết lập tốc độ lấy mẫu cho cảm biến gia tốc 0x6B PWR_MGMT_1 Khởi động cảm biến 0x75 WHO_I_AM Kiểm tra kết nối với cảm biến **Thiết lập cấu hình cảm biến hoạt động: -Thiết lập thanh ghi PWR_MGMT_1 (địa chỉ 0x6B): Thanh ghi này cho phép người dùng cấu hình chế độ nguồn và xung clock của cảm biến. Nó cũng hỗ trợ bit Reset thiết bị hoặc khóa hoạt động của cảm biến nhiệt độ. SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 39 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh Hình 3.25: Cấu trúc thanh ghi PWR_MGMT_1 Bit DEVICE_RESET: khi bit này có giá trị là 1, tất cả các thanh ghi sẽ đưa về trạng thái mặc định ban đầu, bit sẽ tự động chuyển giá trị 0 khi quá trình reset kết thúc. Bit SLEEP: Khi thiết lập bit này lên 1, cảm biến sẽ vào chế độ ngủ Bit CYCLE: khi thiết lập bit này lên 1 và khóa chế độ SLEEP, cảm biến sẽ thay đổi liên tục giữa 2 trạng thái ngủ và thức để đọc dữ liệu. Bit TEMP_DIS khi thiết lập bit này lên 1, cảm biến nhiệt độ sẽ bị khóa. Bit CLKSEL: dùng để lựa chọn nguồn xung clock cho cảm biến Bảng 3.5: Nguồn xung clock cho con quay hồi chuyển CLKSEL 0 1 2 3 4 5 6 7 Clock Source Internal 8MHz oscillator PLL with X axis gyroscope reference PLL with Y axis gyroscope reference PLL with Z axis gyroscope reference PLL with external 32.768kHz reference PLL with external 19.2MHz reference Reserved Stops the clock and keeps the timing generator in reset Ta sẽ ghi giá trị 0x08 vào thanh ghi PWR_MGMT_1 nhằm khóa cảm biến nhiệt độ khi module hoạt động và đưa cảm biến vào chế độ hoạt động liên tục. Thiết lập thanh ghi CONFIG (địa chỉ 0x1A) Thanh ghi CONFIG dùng để cấu hình chân đồng bộ khung mở rộng (external Frame Sychronization) và bộ lọc hạ thông số cho cảm biến gia tốc và con quay hồi chuyển. Hình 3.26: Cấu trúc thanh ghi CONFIG Bit EXT_SYNC_SET: thiết lập lấy mẫu chân FSYNC theo bảng Bit DLPF_CFG: dùng để thiết lập bộ lọc hạ thông số theo bảng SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 40 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh Bảng 3.6: Bảng tham chiếu đồng bộ mở rộng EXT_SYNC_SET FSYNC Bit Location 0 Input disabled 1 TEMP_OUT_L[0] 2 GYRO_XOUT_L[0] 3 GYRO_YOUT_L[0] 4 GYRO_ZOUT_L[0] 5 ACCEL_XOUT_L[0] 6 ACCEL_YOUT_L[0] 7 ACCEL_ZOUT_L[0] Bảng 3.7: Trị số bộ lọc hạ thông số DLPF_CFG Accelerometer Gyroscope (Fs = 1kHz) Bandwidth Delay Bandwidth Delay Fs (Hz) (ms) (Hz) (ms) (kHz) 0 260 0 256 0.98 8 1 184 2.0 188 1.9 1 2 94 3.0 98 2.8 1 3 44 4.9 42 4.8 1 4 21 8.5 20 8.3 1 5 10 13.8 10 13.4 1 6 5 19.0 5 18.6 1 7 RESERVED RESERVED 8 Sử dụng bộ lọc hạ thông 42Hz cho cảm biến gia tốc và con quay hồi chuyển Ghi giá trị 0x03 vào thanh ghi CONFIG Thiết lập thanh ghi SMPLRT_DIV (địa chỉ 0x19): Thanh ghi này chứa thông số cho bộ chia dùng để thiết lập tốc độ lấy mẫu dựa vào tốc độ ngõ ra của con quay hồi chuyển của MPU-6050. Tốc độ ngõ ra của cảm biến được xác định bằng công thức sau: Sample Rate = Gyroscope Output Rate / (1 + SMPLRT_DIV) Hình 3.27: Cấu trúc thanh ghi SMPLRT_DIV Để thiết lập tốc độ lấy mẫu của MPU-6050 là 100Hz thì ta cần chọn SMPLRT_DIV = 9. Vậy ghi giá trị 0x09 vào thanh ghi SMPLRT_DIV. SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 41 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh Thanh ghi GYRO_CONFIG: Thanh ghi này cho phép kích hoạt quá trình tự kiểm và cấu hình khoảng đo đạc của con quay hồi chuyển. Quá trình tự kiểm tra sẽ cho phép người dùng kiểm tra phần cơ khí cũng như phần điện của con quay hồi chuyển. Tự kiểm tra trên mỗi trục có thể được kích hoạt bằng việc điều khiển các bit XG_ST, YG_ST và ZG_ST trong thanh ghi. Quá trình tự kiểm tra của mỗi trục có thể hoạt động độc lập hoặc cùng một lúc, kết quả của tự kiểm tra được xác định như sau: Đáp ứng quá trình tự kiểm tra = giá trị đo đạc khi tự kiểm tra được cho phép - giá trị đo đạc khi tự kiểm tra không được cho phép Hình 3.28: Cấu trúc thanh ghi GYRO_CONFIG Bit XG_ST: khi nhận giá trị 1, cho phép tự kiểm tra trục x Bit YG_ST: khi nhận giá trị 1, cho phép tự kiểm tra trục y Bit ZG_ST : khi nhận giá trị 1, cho phép tự kiểm tra trục z Bit FS_SEL: lựa chọn khoảng đo đạc cho con quay hồi chuyển Bảng 3.8: Các khoảng đo đạc của con quay hồi chuyển FS_SEL Full Scale Range 0 ± 250 °/s 1 ± 500 °/s 2 ± 1000 °/s 3 ± 2000 °/s Đối với thanh ghi này, ta không cần quá trình tự kiểm tra, chỉ cần thiết lập khoảng đo đạc cho con quay hồi chuyển là 1000 độ/sGhi giá trị 0x10 vào thanh ghi GYRO_CONFIG Thanh ghi ACCEL_CONFIG: Thanh ghi này cho phép kích hoạt quá trình tự kiểm và cấu hình khoảng đo đạc của cảm biến gia tốc. Quá trình tự kiểm tra sẽ cho phép người dùng kiểm tra phần cơ khí cũng như phần điện của cảm biến gia tốc. Tự kiểm tra trên mỗi trục có thể được kích hoạt bằng việc điều khiển các bit XA_ST, YA_ST và ZA_ST trong thanh ghi. Quá trình tự kiểm tra của mỗi trục có thể hoạt động độc lập hoặc cùng một lúc, kết quả của tự kiểm tra được xác định như sau: SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 42 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh Đáp ứng quá trình tự kiểm tra = giá trị đo đạc khi tự kiểm tra được cho phép - giá trị đo đạc khi tự kiểm tra không được cho phép Hình 3.29: Cấu trúc thanh ghi ACCEL_CONFIG Bit XA_ST: khi nhận giá trị 1, cho phép tự kiểm tra trục x Bit YA_ST: khi nhận giá trị 1, cho phép tự kiểm tra trục y Bit ZA_ST : khi nhận giá trị 1, cho phép tự kiểm tra trục z Bit AFS_SEL: lựa chọn khoảng đo đạc cho cảm biến gia tốc Bảng 3.9: Các khoảng đo đạc của gia tốc kế AFS_SEL Full Scale Range 0 ± 2g 1 ± 4g 2 ± 8g 3 ± 16g Đối với thanh ghi này, ta không cần quá trình tự kiểm tra, chỉ cần thiết lập khoảng đo đạc cho cảm biến gia tốc là 2 g/s. Ghi giá trị 0x00 vào thanh ghi ACCEL_CONFIG **Đọc giá trị từ cảm biến MPU-6050 Cảm biến sau khi đo đạc với tần số lấy mẫu đã thiết lập sẽ lưu các giá trị vào thanh ghi 8 bit. Do bộ ADC của cảm biến có 16 bit nên dữ liệu gia tốc và vận tố gốc mỗi trục sẽ được chứa trong 2 thanh ghi: 1 thanh ghi chứa dữ liệu 8 bit cao và 1 thanh ghi chứa dữ liệu 8 bit thấp. Để có được dữ liệu thì ta phải ghép các bit ở thanh ghi chứa dữ liệu mức cao và thanh ghi chứa dữ liệu mức thấp. SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 43 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh Bảng 3.4: Các thanh ghi chứa dữ liệu của cảm biến Addr Addr Register Name Hex (Dec.) 3B 59 ACCEL_XOUT_H ACCEL_XOUT[15:8] 3C 60 ACCEL_XOUT_L ACCEL_XOUT[7:0] 3D 61 ACCEL_YOUT_H ACCEL_YOUT[15:8] 3E 62 ACCEL_YOUT_L ACCEL_YOUT[7:0] 3F 63 ACCEL_ZOUT_H ACCEL_ZOUT[15:8] 40 43 44 45 46 47 48 64 67 68 69 70 71 72 ACCEL_ZOUT_L GYRO_XOUT_H GYRO_XOUT_L GYRO_YOUT_H GYRO_YOUT_L GYRO_ZOUT_H GYRO_ZOUT_L ACCEL_ZOUT[7:0] GYRO_XOUT[15:8] GYRO_XOUT[7:0] GYRO_YOUT[15:8] GYRO_YOUT[7:0] GYRO_ZOUT[15:8] GYRO_ZOUT[7:0] 3.2.3 Module RF HM-TRP-433MHz HM-TRP là module truyền nhận dữ liệu bán song công, sử dụng điều chế FSK ở dãy tần 434 MHz. Module có kích thước nhỏ, công suất ngõ ra lớn , độ nhạy cao, khoảng cách truyền nhận xa và dễ dàng kết nối với vi điều khiển qua chuẩn giao tiếp UART. Hình 3.30: Module RF HM-TRP 433 Mhz SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 44 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh Các đặc tính của module: -Nguồn điện: 2.6 -3.6V -Điều chế FSK, 2 đường bán song công, có khả năng chống nhiễu liên kênh -Dãy tần hoạt động: 433 MHz -Công suất ngõ ra cực đại: 1000 mW (20 dBm), có thể điều chỉnh công suất trong dãy 1 – 20 dBm -Độ nhạy -117 dBm -Dòng điện tiêu thụ: 100mA với công suất phát 20 dBm 40 mA với công suất phát là 14 dBm 25 mA với chế độ thu 1 uA ở chế độ ngủ -Chuẩn giao tiếp: UART, hỗ trợ tốc độ baud 1200 bps – 115200 bps -Tốc độ truyền dữ liệu : 1.2kbps – 115.2 kbps, có thể điều chỉnh thông qua phần mềm -Có chức năng RSSI, đọc cường độ tín hiệu thu -Khoảng cách truyền nhận: 1km Hình 3.31: Sơ đồ mạch module RF HM-TRP 433 Mhz Bảng 3.5: chức năng các chân của module HM-TRP 433 PIN Chức năng VCC Chân nguồn (2.6 – 3.6V) DTX Chân truyền dữ liệu GND Chân mass DRX Chân nhận dữ liệu CONFIG Dùng để thiết lập chế độ hoạt động hoặc chế độ thiết lập ENABLE Dùng để chọn chế độ hoạt động bình thường hoặc chế độ ngủ TEST Không kết nối ANT Kết nối với anten trở kháng 50 Ohm SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 45 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh Thiết lập các thông số để module hoạt động Việc thiết lập cấu hình hoạt động của module thông qua tập lệnh nhà sản xuất cung cấp. Để có thể thiết lập cấu hình hoạt động cho module, cần phải đưa chân ENABLE và CONFIG xuống mức thấp; kết nối module với máy tính thông qua mạch USB to COM. 1/ Reset module: Chức năng: đưa các thông số về giá trị mặc định Cấu trúc lệnh：AA FA F0 2/ Đọc cấu hình Chức năng: đọc lên toàn bộ cấu hình của module Cấu trúc lệnh：AA FA E1 3/ Thiết lập tần số hoạt động: Chức năng: thiết lập lại tần số hoạt động cho module, tần số thiết lập phải nằm trong dãy tần qui định theo từng loại module. Dãy tần của các dòng module: HM-TRP-433: 414000000-454000000Hz HM-TRP-470: 450000000-490000000Hz HM-TRP-868: 849000000-889000000Hz HM-TRP-915: 895000000-935000000Hz Giá trị mặc định: HM-TRP-433: 434 Mhz HM-TRP-470: 470 Mhz HM-TRP-868: 869 Mhz HM-TRP-915: 915 Mhz Cấu trúc lệnh: AA FA D2 [tần số hoạt động] 4 bytes (đơn vị Hz) Ví dụ: AA FA D2 36 89 CA C0 thiết lập tần số 915MHz AA FA D2 19 DE 50 80, thiết lập tần số 434MHz 4/ Thiết lập tốc độ truyền nhận Chức năng: thiết lập tốc độ truyền nhận không dây giữa 2 module Cấu trúc lệnh: : AA FA C3 [tốc độ truyền nhận]4 byte，(đơn vị : bps) Khoảng thiết lập cho phép: 1200-115200 bps Giá trị mặc định: 9600 kps Ví dụ: AA FA C3 00 00 25 80, thiết lập tốc độ truyền nhận là 9600bps AA FA C3 00 00 96 00, thiết lập tốc độ truyền nhận là 38400bps 5/Thiết lập băng thông Chức năng: thiết lập băng thông truyền nhận dữ liệu giữa 2 module Cấu trúc lệnh: AA FA B4 [độ rộng băng thông] 2 bytes，(đơn vị: KHz) Khoảng thiết lập cho phép: 30 - 620KHz Giá trị mặc định: 105 Khz SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 46 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh Ví dụ: AA FA B4 00 69, thiết lập băng thông là 105KHz AA FA B4 01 2C, thiết lập băng thông là 300KHz 6/ Thiết lập độ chia tần Chức năng: thiết lập khoảng cách tần số giữa 2 sóng mang trong điều chế FSK Cấu trúc lệnh: AA FA A5 [khoảng cách tần số] 1 byte，(đơn vị :KHz ) Khoảng thiết lập cho phép: 10-160KHz Giá trị mặc định: 35 Khz Ví dụ: AA FA A5 23, set up modulation frequency as 35KHz AA FA A5 32, set up modulation frequency as 50KHz 7/Thiết lập công suất phát: Chức năng: thiết lập công suất phát cho module Cấu trúc lệnh: AA FA 96 [mức công suất phát]1 byte Khoảng thiết lập cho phép: (1 – 7)mức tương ứng (1 – 20) dBm Giá trị mặc định: +20 dBm Bảng 3.6: Các mức công suất phát của module HM-TRP 433 Mức công suất phát tín hiệu Công suất phát tín hiệu 7 +20 dBm 6 +17 dBm 5 +14 dBm 4 +11 dBm 3 +8 dBm 2 +5 dBm 1 +2 dBm 0 +1 dBm Ví dụ: AA FA 96 07, thiết lập công suất mức 7 (+20 dBm) AA FA 96 03, thiết lập công suất mức 3 (+8 dBm) 8/Thiết lập tốc độ truyền nhận UART Chức năng: thiết lập tốc độ baud cho truyền nhận UART Cấu trúc lệnh: AA FA 1E [tốc độ UART]4 byte (đơn vị: bps) Khoảng thiết lập cho phép: 1200-115200 bps Giá trị mặc định: 9600 kps Ví dụ: AA FA 1E 00 00 25 80, thiết lập tốc độ baud là 9600bps AA FA 1E 00 00 96 00, thiết lập tốc độ baud là 38400bps SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 47 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh 9/ Đọc mức cường độ tín hiệu Chức năng: đọc mức cường độ tín hiệu của tín hiệu thu được Cấu trúc lệnh: AA FA 78 Khoảng giá trị trả về: 0-255 Hình 3.32: Biểu đồ quan hệ giữa RSSI và công suất ngõ vào Ngoài thiết lập bằng tập lệnh như trên, ta có thể thiết lập bằng phần mềm HM-TRP Setting GUI. Chỉ cần lựa chọn cổng COM và tốc độ Baud phù hợp, ta có thể thiết lập các thông số mong muốn hoặc đưa module trở về các giá trị mặc định ban đầu. Hình 3.33: Giao diện phần mềm HM-TRP Setting GUI SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 48 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh 3.2.4 Vi điều khiển MSP430F5418A, MSP430G2553 MSP430F5418A thuộc dòng vi điều khiển mới được sản xuất và cung cấp bởi công ty Texas Instrument. Là dòng vi điều khiển siêu tiết kiệm năng lượng với các tính năng ưu việt, Vi điều khiển MSP430F5417A thích hợp trong các ứng dụng đo lường, điều khiển và các ứng dụng khác. Không những thế MSP430F5418A còn được tích hợp nhiều moudle ngoại vi như: Real Time Clock, bộ biến đổi ADC và DAC, thuật toán khuếch đại Op-Amp… MSP430F5418A có kiến trúc kiểu RISC 16bit và được thiết kế theo CPU MSP430X Một số tính năng đặc trưng của MSP430F5418A bao gồm: -Nguồn cho vi điều khiển: 1.8v – 3.6v -Hoạt động ổn định với công suất tiêu thụ cực thấp: Chế độ hoạt động (Active Mode): 400uA ở 1Mhz, 2.2V Chế độ nghỉ (Standby Mode): 1.3 uA Chế độ tắt duy trì RAM (Off Mode): 0.22uA -Có năm chế độ tiết kiệm nguồn, đây là thuận lợi khá lớn cho các ứng dụng với yêu cầu tiết kiệm năng lượng cao. -Thời gian khởi động lại từ Standby Mode thấp hơn 6us -CPU thiết kế theo kiến trúc RISC 16 bit -Tích hợp ba kênh DAM (Data Memory Access) -Bộ chuyển đôi ADC 12 bit, có thể sử dụng điện thế tham chiếu nội -Tích hợp hai kênh chuyển đổi DAC 12 bit -Ba bộ Timer 16 bit -Hỗ trợ dao động nội lên đến 25 Mhz và thạch anh lên đến 32 Mhz -Hỗ trợ 2 chuẩn truyền thông: +Serial Communication Interface (USART): UART và SPI +Universal Serical Communication Interface (USCI): UART(có chế độ tự động nhận tốc độ baud ), có bộ mã hóa và giải mã tín hiệu đồng ngoại IrDA, SPI, I2C -Tích hợp bộ Basic Timer với tính năng đồng hồ thời gian thực -Kích thước bộ nhớ: 128KB flash, 16KB SRAM Sơ đồ khối chức năng trong vi điều khiển MSP430F54118A được mô tả trong hình SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 49 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh Hình 3.34: Sơ đồ các khối chức năng của MSP430F5418A 3.2.5 TUSB3410 TUSB3410 là linh kiện hỗ trợ cầu kết nối giữa cổng USB và cổng truyền nhận nối tiếp UART. Nó chứa đầy đủ các thành phần để giao tiếp với máy tính chủ sử dụng đường truyền USB. TUSB3410 chứa một lõi vi điều khiển dòng 8052 với 16 KB RAM có thể nạp được từ máy chủ hoặc thông qua bộ nhớ mở rộng bằng đường truyền I2C. Ngoài ra nó còn chứa 10 KB bộ nhớ Rom cho phép MCU thiết lập cổng USB lúc khởi động. Các chức năng như lệnh giải mã USB, thiết lập UART và báo lỗi được quản lí bởi phần mềm của MCU bên trong và dưới sự kiểm soát của máy chủ. Hình 3.35: Luồng dữ liệu khi TUSB3410 hoạt động Các đặc tính cơ bản của TUSB3410: -Nguồn hoạt động: 3.3V -Hoạt động với thạch anh ở tần số 12 Mhz -Tương thích hoàn toàn với chuẩn USB 2.0: +Tốc độ lên đến 12 Mbit +Hỗ trợ 2 chế độ nguồn: Bus-powered mode và Self-powered mode -Hỗ trợ tốc độ Baud từ 50 đến 921.6 Kbaud SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 50 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh 3.2.6 Module Raspberry và Raspi Cam Raspberry Pi là board mạch lập trình nhúng được tổ chức Raspberry Pi nước Anh phát triền nhằm thúc đẩy việc giảng dạy khoa học máy tính Board Raspberry Pi có board SoC BCM2835, vi xử lí ARM1176JZF-S tốc độ xử lí 700Mhz, có lõi đồ họa và bộ nhớ RAM 256MB (Ver.A) và (512 Ver.B). Bộ nhớ chương trình được lưu trong thẻ nhớ SD. Hình 3.36: Các khối và chức năng của board Raspberry Pi Module Raspberry Pi Camera được thiết kế để kết nối trực tiếp thông qua chuẩn CSI với KIT Raspberry Pi. Module có thể chụp ảnh với độ phân giải 5Mp, quay phim chuẩn 1080p HD với tốc độ khung hình 30fps nhờ vào cảm biến Omnivision 5647. Một số đặc tính của module Raspbery Pi Camera -Tương thích hoàn toàn với mode A và mode b của KIT Raspberry Pi -Độ phân giải chụp ảnh: 2592x1944 -Hỗ trợ quay video: +Chuẩn video 1080p tốc độ khung hình 30fps +Chuẩn video 720p tốc độ khung hình 60fps +Chuẩn video 640x480 tốc độ khung hình 90fps -Kết nối trực tiếp với KIT Raspberry Pi, chế độ Plug and Play SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 51 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh Hình 3.37: Module Raspberry Pi Camera Version 1.3 3.3 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG PHẦN CỨNG 3.3.1 Khối nguồn step down 3.3V, 5.0V Nguồn xung step down là một mạch điện chuyển đổi điện áp linh hoạt (có thể điều chỉnh tăng hoặc giảm mức điện áp DC ngõ ra), nhỏ gọn với ưu điểm nổi bật: hiệu suất cao (có thể đạt trên 85%), tuổi thọ dài, dòng điện ngõ ra lớn (lên đến vài chục ampere), khoảng dao động điện thế ngõ vào lớn (lên đến vài chuc volt). Mạch cơ bản của nguồn step down (mạch điều chỉnh giảm áp) bao gồm: cuộn cảm, diode, tụ điện, mạch khuếch đại lỗi và mạch điều khiển chuyển đổi. Hình 3.38: Sơ đồ cơ bản của nguồn step down SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 52 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh Hình 3.39: Giản đồ nguyên lý hoạt động của nguồn step down Nhóm sử dụng IC LM2576 của Texas Instrument để thiết kế bộ nguồn step down, sơ đồ nguyên lý của mạch được tham khảo từ datasheet của nhà sản xuất. Hình 3.40: Nguyên lý khối nguồn step down 5V-3A sử dụng LM2576 Một số đặc tính của nguồn step down sử dung LM2576 - Nguồn cung cấp DC (Vin): 7V-40V - Dao động nội (LM2576): 52 kHz - Đặc tính ngõ ra: 5.0V-3A (LM2576-5.0), 3.3V-3A (LM2576-3.3) - Hiệu suất ở điều kiện Vin =12V, Iload 3A: 75% (LM2576-3.3),77% ( LM2576-5.0) SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 53 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh Hình 3.41: Sơ đồ layout của mạch nguồn stepdown 3.3.2 Board mạch giao tiếp với PC chuẩn USB Mạch giao tiếp với PC là một thành phần quan trọng của trạm thu thực hiện nhiệm vụ truyền dữ liệu thu được từ module RF (chuẩn UART) đến PC (chuẩn USB) và ngược lại từ PC đến module RF. Nhóm sử dụng chip TUSB3410 của hãng Texas Instrument để thực hiện board mạch. Sơ đồ nguyên lý được xây dựng dựa trên datasheet của nhà sản xuất. Hình 3.42: Sơ đồ nguyên lý board giao tiếp với PC Các thông số của board mạch: - Nguồn hoạt động 5V, từ cổng USB - Phù hợp với cổng USB 2.0, tốc độ truyền dữ liệu USB lên đến 12Mbps - Hỗ trợ tốc độ buad 50-921.6 k baud - Khung truyền dữ liệu: 5/6/7/8 bit SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 54 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh Hình 3.43: Sơ đồ layout của mạch giao tiếp PC ở trạm thu 3.3.3 Board mạch điều khiển máy bay, chọn chế đọ bay *Nhiệm vụ của board: - Kiểm tra tín hiệu kênh Gear từ reciever để chọn chế độ bay tự động (autopilot) hay điều khiển bằng tay (manual). - Điều chế độ rộng xung PWM để điều khiển máy bay (kênh aileron, elevator, rudder và kênh throttle). - Nếu ở chế độ manual thì máy bay sẽ được điều khiển dựa vào độ rộng xung PWM được nhận trực tiếp từ reciever. Ngược lại, ở chế độ autopilot thì board mạch sẽ điều chế xung PWM tương ứng với dữ liệu nhận được từ board mạch xử lý trung tâm (mục 3.3.4) thông qua chuẩn kết nối UART. *Ý tưởng thực hiện: - Dùng 2 vi điều khiển MSP430G2553, MSP430G2553(1) nhận tín hiệu từ kênh Gear và chọn chế độ autopilot hay manual, MSP430G2553(2) nhận dữ liệu từ board xử lý trung tâm và điều chế độ rộng xung PWM - Dùng IC chuyển áp 3.3V-5.0V của Texas Instrument 74LVC4245 để chuyển đổi mức logic giữa reciever (5.0V) và vi điều khiển MSP430G2553 (3.3V). - Dùng đa hợp TS3A24157 để chọn tín hiệu PWM từ reciever hay từ vi điều khiển MSP430G2553(2). - Dùng optocoupler để cách điện giữa vi điều khiển và động cơ servo, đồng thời đảm bảo đủ cồng suất cung cấp cho servo. SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 55 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh Hình 3.44: Sơ đồ nguyên lý board mạch điều khiển máy bay Hình 3.45: Sơ đồ layout của mạch điều khiển máy bay SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 56 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh 3.3.4 Board mạch xử lý trung tâm Board thực hiện nhiệm vụ kết nối các module RF, GPS và module MPU6050 thành một hệ thống , tính toán và xử lý số liệu đồng thời truyền dữ liệu về độ rộng xung của PWM xuống board điều khiển. Hình 3.46: Sơ đồ nguyên lý board mạch xử lý trung tâm Hình 3.47: Sơ đồ layout của board xử lý trung tâm 3.4 NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT VÀ XÂY DỰNG PHẦN MỀM 3.4.1 Sơ đồ khối của hệ thống trên máy bay SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 57 Luận văn tốt nghiệp RF module CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh GPS module MPU6050 Pin Li-po Nguồn Step-down Vi điều khiển trung tâm MSP430F5418A ESC Vcc 3.3 V Vcc 5 V GND Board Raspbery Pi MSP430G2553 (1) MSP430G2553 (2) Cầu phân điện áp Elevator servo OPTO 4N35 Multiplexers TS3A24157 74LVC4245 Receiver Ailerons servo Rudder servo ESC Hình 3.48: Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống trên máy bay SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 58 Motor Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh **Khối vi điều khiển trung tâm MSP430F5418A Khi được cấp nguồn, vi điều khiển sẽ tiến hành kiểm tra việc kết nối với cảm biến MPU-6050 để đảm bảo sẽ đọc được giá trị từ cảm biến, nếu không nhận diện được cảm biến trên đườg truyền I2C, vi điều khiển sẽ liên tục gửi thông báo về trạm mặt đất thông qua module RF để cảnh báo người dùng. Khi quá trình kiểm tra kết nối với cảm biến hoàn tất, vi điều khiển tiếp tục thiết lập cấu hình hoạt động cho cảm biến và tiến hành đọc giá trị gia tốc và vận tốc góc và chạy thuật toán lọc Kalman để xác định chính xác góc nghiêng của máy bay. Việc sử dụng bộ lọc Kalman lọc dữ liệu góc nghiêng từ cảm biến sẽ được tiến hành liên tục nhằm tránh trường hợp đáp ứng ban đầu của bộ lọc chưa ổn định, sinh ra sai lệch đang kể. Khi có tín hiệu xác định trạng thái hoạt động của hệ thống là chế độ tự động thì dữ liệu góc nghiêng sẽ được xử lí và truyền xuống vi điều khiển MSP430G2553 thứ hai thông qua giao thức UART với tốc độ baud là 9600 bps. Khi có bản dữ liệu GPS truyền về theo chuẩn truyền UART tốc độ baud 9600bps, vi điều khiển trung tâm sẽ lọc lấy thông tin kinh độ, vĩ độ và vận tốc hiện tại của máy bay. Sau đó sẽ truyền về trạm mặt đất thông qua mode RF HM-TRP. **Vi điều khiển MSP430G2533 thứ nhất: Do hệ thống sử dụng một kênh trong bộ truyền (Transmiter) JR Propo làm tín hiệu điều khiển xác định trạng thái máy bay hoạt động là tự động hay điều khiển tay. Nhóm dùng một vi điều khiển hoạt động độc lập để xác định trạng thái hệ thống, nhằm tránh trường hợp vi điều khiển bị lỗi dẫn đến treo hệ thống và không lấy lại quyền điều khiển từ mặt đất. Kênh điều khiển là kênh Gear trên bộ thu, khi hoạt động luôn tạo ra xung vuông có tần số 50 Hz và sẽ thay đổi độ rộng xung tùy theo nấc điều khiển trên bộ phát. Dựa vào kết quả đo đạc bằng Ocsiloscope tại phòng thí nghiệm Viễn thông, độ rộng xung của chân điều khiển tại nấc ON là 1,9 ms và nấc OFF là 0,8 ms. Vi điều khiển MSP430G2533 này sẽ tiến hành xác định độ rộng xung ở kênh điều khiển, từ đó so sánh với khoảng độ rộng xung đo đạc được và xác định chế độ hoạt động của máy bay. Sau đó xuất thông báo cho khối điều khiển trung tâm và khối đa hợp bằng mức logic. **Vi điều khiển MSP430G2553 thứ 2: Máy bay mô hình được điều khiển thông qua các servo ở hai cánh trước Ailerons, cánh đuôi ngang Elevator, cánh đuôi đứng Rudder và bộ ESC. Vì vậy khi hệ thống chuyển sang chế độ tự động, phải có một vi điều khiển nhận chuỗi dữ liệu góc quay của các servo từ vi điều khiển trung tâm thông qua giao thức UART. Trong chuỗi dữ liệu truyền xuống để điều chế xung PWM phải có một dạng khung truyền nhất định để giảm bớt các trường hợp nhiễu ảnh hưởng khi truyền. SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 59 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh Bảng 3.7: Cấu trúc khung truyền dữ liệu giữa MSP430F5418A và MSP430G2553(2) Start 0x0D Data 0x0A Data[1] Data[2] Data[3] Data[4] Cấu trúc khung truyền dữ liệu từ vi điều khiển trung tâm gồm có tín hiệu Start là chuỗi 2 byte 0x0A và 0x0D, tiếp theo đó là 4 bytes dữ liệu theo thứ tự sau: Byte 1: phần trăm tốc độ kênh ga (throttle), điều khiển tốc độ quay động cơ Byte 2 : góc quay servo cánh đuôi đứng Rudder Byte 3: góc quay servo cánh đuôi ngang Aileron Byte 4 : góc quay servo cánh trước Elevator Sau khi nhận được chuỗi dữ liệu từ vi điều khiển trung tâm, vi điều khiển MSP430G2553 thứ hai tiến hành kiểm tra chuỗi thông tin nhận được với cấu trúc đã định sẵn, cập nhật độ rộng xung và điều chế xung PWM 50Hz. **Khối truyền nhận FR HM-TRP 433 Khi vi điều khiển trung tâm có được dữ liệu kinh độ vĩ độ từ module GPS, chuỗi này sẽ được truyền từ module HM-TRP 433 đặt trên máy bay về module HM-TRP 433 đặt tại mặt đất để làm nguồn dữ liệu hiển thị bản đồ số. Hai module HM-TRP 433 truyền nhận tín hiệu qua kênh truyền RF, để đảm bảo tính ổn định của tín hiệu truyền nhận và dễ dàng trong việc xác định chuỗi thông tin của trạm mặt đất, ta phải định dạng khung truyền nhận tín hiệu theo một khung truyền đã thống nhất giữa nơi phát và nơi nhận. Bảng 3.8: Cấu trúc khung truyền dữ liệu thông tin GPS từ máy bay Start Chuỗi dữ liệu 0x0D 0x0A ,,,,,, Tín hiệu Start gồm hai Byte là 0x0D và 0x0A và chuỗi dữ liệu là một đoạn được sao chép trong đoạn tin GPRMC. **Module GPS Module GPS Ublox NEO 6M có nhiệm vụ thu nhận tín hiệu GPS từ vệ tinh, xử lí và xuất ra chuỗi dữ liệu theo chuẩn bản tin NMEA. Bản tin này sẽ được truyền về vi điều khiển trung tâm qua giao thức UART, tốc độ baud 9600 bps để lọc lấy dữ liệu cần thiết và truyền về trạm mặt đất. Vi điều khiển trung tâm liên tục nhận bản tin này từ module GPS với tần số 1Hz và dựa vào cấu trúc bản tin để xác định bản tin GPRMC, lọc thông tin kinh độ, vĩ độ và vận tốc. SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 60 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh **Khối cảm biến MPU-6050 Cảm biến MPU-6050 tích hợp bao gồm: 1 cảm biến gia tốc 3 trục và 1 con quay hồi chuyển 3 trục. Khi hệ thống hoạt động, cảm biến sẽ đo đạc gia tốc trọng trường chiếu lên 3 trục của cảm biến gia tốc và tốc độ góc của 3 trục thông qua con quay hồi chuyển. Dữ liệu này sẽ được vi điều khiển trung tâm lấy về thông qua chuẩn kết nối I2C với tốc độ khoảng 100 Kbps. Theo thiết lập ban đầu của hệ thống, cảm biến hoạt động có cấu hình như sau: -Khoảng đo lường gia tốc: ± 2 g -Khoảng đo lường vận tốc góc: ± 500 độ/s -Tần số lấy mẫu: 100 Hz -Tần số cắt bộ lọc hạ thông số: 42 Hz **Khối đa hợp TS3A24157 Đa hợp TS3A24157 có chức năng lựa chọn nguồn xung PWM đưa vào các servo để điều khiển hướng cho máy bay. Khối đa hợp bao gồm 2 IC đa hợp TS3A24157, có ngõ điều khiển nối với MSP430G2553 thứ nhất, xung PWM từ bộ thu và MSP430G2553 thứ hai là các kênh ngõ vào. Khi trạng thái hệ thống được xác định là điều khiển bằng tay, khối đa hợp chỉ cho phép xung PWM của 4 kênh ngõ ra bộ điều khiển đi qua và ngược lại, 4 kênh xung PWM từ vi điều khiển MSP430G2553 thứ 2 chỉ được đi qua khi hệ thống trong trạng thái tự động. **Khối Pin Ly-po và nguồn Step-down Nguồn cung cấp cho hệ thống đóng vai trò rất quan trọng đối với hoạt động của hệ thống. Các linh kiện của hệ thống chủ yếu là sản phẩm của Texas Instrument, do đó ngưỡng hoạt động đều trong khoảng 3V – 3.6V. Đồng thời, nguồn cung cấp phải có khả năng cấp dòng điện tương đố lớn vì hệ thống có cơ cấu chấp hành là 4 servo với dòng tiêu thụ trung bình mỗi servo là 200 mA và phải có hiệu suất chuyển đổi điện áp cao để nâng cao thời gian hoạt động của hệ thống. Do đó nhóm sử dụng loại nguồn Step-dowm dùng IC LM2576 để có chuẩn điện áp ngõ ra phù hợp và hiệu suất chuyển đổi điện áp cao (xấp xỉ 80%). Ngoài ra, pin Ly-po còn cung cấp nguồn cho ESC để điều khiển tốc độ động cơ. **Khối chuyển đổi điện áp 74LVC4245 Khối có chức năng là chuyển đổi điện áp ngõ ra bộ thu từ 5.0V xuống 3.3V để có thể hoạt động với đa hợp. **Khối Opto 4N35 Khối có chức năng cách điện giữa các servo và ngõ ra đa hợp. Khối sẽ giúp bảo vệ mạch điều khiển khi có servo gặp vấn đề trong cơ cấu chuyển động, có thể sinh ra dòng tiêu thụ lớn. SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 61 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh **Board Raspbery Pi Khối dùng để chụp ảnh và lưu vào bộ nhớ USB với chu kỳ định trước. 3.4.2 Sơ đồ khối của hệ thống ở trạm thu MODULE RF UART - USB PC Hiện thị bản đồ số Hình 3.49: Sơ đồ khối của hệ thống ở trạm thu -Module RF HM-TRP tại mặt đất có nhiệm vụ nhận dữ liệu từ module RF đăt trên máy bay và truyền thông tin điều khiển động cơ khi máy bay ở trạng thái tự động. -Khối USB to UART sẽ cho phép truyền nhận dữ liệu giữa module RF-TRP và phần mềm hiển thị bản đồ số trên PC. -Phần mềm hiển thị bản đồ số được viết trên nền tảng C#, có chức năng nhận chuỗi thông tin vị trí và vận tốc của máy bay truyền về bằng đường truyền RF. Sau khi nhận được chuỗi dữ liệu, phần mềm tiến hành lọc lấy kinh độ, vĩ độ, vận tốc và hiển thị tọa độ này lên bản đồ Google Map. Ngoài ra, phần mềm cho phép gửi dữ liệu điều chỉnh tốc độ động cơ máy bay. 3.4.3 Lưu đồ giải thuật **Lưu đồ giải thuật của vi điều khiển trung tâm MSP430F5418A SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 62 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh Begin Thiết lập dao động DCO Thiết lập UART A0 và UART A1 Thiết lập Timer Thiết lập ngõ vào ra Ngắt Timer A0 Kiểm tra kết nối với cảm biến MPU6050 Dem_timer ++ Cấu hình cảm biến MPU 6050 Đọc cảm biến End Lọc Kalman S Có dữ liệu truyền lên? Đ Thay đổi kênh ga và rudder Chế độ tự động? S Đ Gửi dữ liệu dùng kênh truyền UART A0 Hình 3.50: Lưu đồ giải thuật của board xử lý trung tâm MSP430F5418A SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 63 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh Giải thích lưu đồ: Khi khởi động, vi điều khiển sẽ thiết lập xung clock DCO hoạt động là 16777216 Hz, cấu hình 2 kênh UART A0 và A1 có tốc độ baud 9600 bps, thiết lập bộ định thời Timer với chu kì 0.1 ms dùng cho bộ lọc Kalman và thiết lập ngõ vào xác định trạng thái hệ thống (điều khiển tay/tự động). Sau khi hoàn tất các thiết lập, vi điều khiển trung tâm tiến hành kiểm tra việc kết nối I2C với cảm biến MPU-6050. Quá trình kiểm tra sẽ được tiến hành theo sơ đồ sau: Check = read_slave(0x75) Gửi cảnh báo S Check==0x6 8 Break Hình 3.51: Lưu đồ giải thuật kiểm tra kết nối MPU6050 Toàn bộ quá trình kiểm tra được đặt trong vòng lặp while vô tận. Biến check được gán giá trị của thanh ghi WHO_AM_I có địa chỉ là 0x75 trong cảm biến MPU6050. Nếu biến check có giá trị là địa chỉ I2C của cảm biến (0x68) thì việc kết nối với giữa vi điều khiển và cảm biến thành công và thoát khỏi vòng lặp while thực hiện công việc kế tiếp. Sau khi thông qua phần kiểm tra kết nối với cảm biến, vi điều khiển trung tâm sẽ đọc giá trị giá tốc và vận tốc góc từ các thanh ghi của cảm biến và thực hiện quá trình lọc Kalman để xác định chính xác góc Pitch và Roll của máy bay. Dữ liệu sau khi lọc sẽ được dùng để điều khiển các servo điều chính hướng của máy bay. Trong quá trình hoạt động, nếu có dữ liệu về phần trăm công suất động cơ và góc quay của Rudder truyền lên từ trạm mặt đất, vi điều khiển sẽ thực hiện thay đổi giá trị truyền đi của kênh ga và rudder. Thông qua xác định mức logic tại Port 1.4, vi điều khiển trung tâm sẽ xác định trạng thái của hệ thống (tự động/điều khiển). Nếu mức logic là 1 thì hệ thống ở trạng thái điều khiển bằng tay, vi điều khiển trung tâm sẽ không gửi dữ liệu điều khiển máy bay đến MSP430G2553(2), và ngược lại, khi mức logic là mức 0 thì vi điều khiển trung tâm sẽ gửi 4 byte dữ liệu về góc quay của các servo và phần trăm công suất của động cơ thông qua chuẩn giao tiếp UART A1. Toàn bộ quá trình đọc dữ liệu, lọc Kalman, xác định trạng thái hệ thống và thay đổi kênh ga, rudder được đặt trong vòng lặp vô hạn, đảm bảo hoạt động liên tục của máy bay. SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 64 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh **Giải thuật lọc thông tin kinh độ, vĩ độ từ bản tin GPS Ngắt UART A0 S UCA0RXBUF==R Đ Gps_flag = 1 Count_nhan = 0 Gps_flag ==1 UCA0RXBUF==’* ’ S Đ Gps_flag = 0 Count_nhan = 0 Xác định vị trí dấy phẩy (,) trong chuỗi nhận Lấy trạng thái bản tin Trạng thái == ‘V’ Đ S Gửi “No data” qua UART A0 Copy chuỗi dữ liệu Truyền qua UART A0 temp[count_nhan] = UCA0RXBUF; count_nhan++; END Hình 3.52: Lưu đồ giải thuật lọc thông tin từ bản tin NMEA SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 65 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh Giải thích lưu đồ: Việc nhận bản tin NMEA từ module GPS và lọc lấy thông tin về kinh độ, vĩ độ và vận tốc của máy bay được thực hiện trong chương trình ngắt nhận UART A0. Theo cấu hình được thiết lập cho module GPS, mỗi giây module sẽ xuất ra một bản tin định dạng NMEA chứa các thông tin mà module thu được từ tín hiệu GPS thông qua kênh truyền UART có tốc độ baud 9600 bps. Ta chỉ cần lọc đoạn tin GPRMC là có đủ thông tin cơ bản về kinh độ, vĩ độ và vận tốc của máy bay. Trong chuỗi kí tự mà module GPS truyền về, nếu vi điều khiển trung tâm nhận được kí tự ‘R’ thì sẽ bắt đầu cho phép nhận chuỗi bằng cách cho biến gps_flag nhận giá trị là 1. Quá trình nhận chuỗi sẽ kết thúc khi kí tự nhận được là dấu “*”. Lúc này, đoạn tin RMC đã được lưu trữ trong biến tạm, sẵn sàng để trích xuất dữ liệu và các biến nhận (gps_flag và count_nhan) sẽ được reset về 0. Trong bản tin theo chuẩn NMEA, các phần thông tin được cách nhau bởi dấu phẩy (,), do đó bằng cách xác định được vị trí các dấu phẩy nằm trong chuỗi nhận được, so sánh với cấu trúc bản tin chuẩn, ta có thể lấy được dữ liệu mong muốn trong đoạn tin. Sau khi nhận được đoạn tin RMC, ta tiến hành kiểm tra Byte dữ liệu giữa dấu phẩy thứ hai và dấu phẩy thứ ba, nếu là chữ ‘V’ có nghĩa là trong chuỗi nhận được vẫn chưa có thông tin do module GPS chưa thu đủ số lượng tín hiệu vệ tinh cần thiết. Vi điều khiển trung tâm sẽ truyền chuỗi “No data” thông qua kênh truyền UART A0 Khi Byte dữ liệu này là ‘A’ thì trong chuỗi nhận được đã chứa thông tin kinh độ, vĩ độ và vận tốc. Ta sẽ copy chuỗi dữ liệu từ dấy phẩy thứ nhất đến dấu phẩy thứ 8, đoạn này sẽ chứa thông tin về giờ UTC, kinh độ, vĩ độ và vận tốc theo đơn vị knot/s. Chuỗi này sẽ được truyền đến module RF thông qua kênh truyền UART A0. SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 66 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh **Lưu đồ giải thuật nhận thông tin điều khiển từ trạm mặt đất Ngắt UART A1 S UCA1RXBUF==0x0D Đ Flag2 = 1 S Flag2 == 1 Đ S Dem ==4 Đ flag2=0; dem2=0; rt_array[dem2] = UCA1RXBUF dem2++ End Hình 3.53: Lưu đồ giải thuật nhận thông tin điều khiển từ trạm mặt đất Quá trình nhận chuỗi dữ liệu từ trạm mặt đất được vi điều khiển trung tâm thực hiện trong chương trình ngắt nhận UART A1. Dữ liệu nhận được sẽ điều khiển tốc độ động cơ và góc quay của rudder Khi có chuỗi nhận từ module RF, vi điều khiển tâm sẽ kiểm tra từng byte trong chuỗi nhận được. Nếu gặp byte 0x0D, quá trình nhận được bắt đầu. Các byte tiếp theo sẽ lần lượt được lưu vào mảng. Khi đã lưu được 4 byte vào mảng, quá trình nhận sẽ kết thúc, các biến nhận (flag2 và dem) sẽ được reset về 0. **Lưu đô giải thuật xác định trạng thái hệ thống SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 67 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh Ngắt Port 2 S Ngắt cạnh lên Đ Ngắt Timer A0 Dem_timer = 0 Dem_timer ++ Ngắt cạnh xuống Đ S S Data=dem_timer Dem_timer = 0 Dem_timer >11000 Đ 15[...]... Danh 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... Trang 31 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh 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... 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... Lê Văn Tươi Trang 26 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc Danh 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. .. 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... 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) SVTH: Nguyễn Duy Khánh - Lê Văn Tươi Trang 32 Luận văn tốt nghiệp CBHD: T.S Lương Vinh Quốc... 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... 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... 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... 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 ... thống máy bay tự động Hệ thống có khả tự hành không trung, quan sát quĩ đạo chuyển động máy bay chụp ảnh trình hoạt động Nhóm thực đề tài xin cam đoan rằng: nội dung trình bày báo cáo luận văn. .. khí lực nâng cánh máy bay Khi máy bay chuyển động không khí, chịu ảnh hưởng lực nâng không khí, lực cản không khí, lực đầy động cơ, trọng lực Hình 2.2: Các lực tác động lên máy bay 2.2 HỆ THỐNG... elevator làm máy bay nâng lên, cho phép máy bay tăng độ cao hạ elevator làm máy bay hạ độ cao Hình 3.15: Điều khiển độ cao máy bay thông qua Elevator Thay đổi kênh ga (Throt): tốc độ động đươc điều