ứng dụng flycam khảo sát địa hình và khí tượng dựa vào mạch arduino

Về kết cấu cơ khí và nguyên lý hoạt động So với loại mô hình trực thăng thông thường có kết cấu cơ khí rất phức tạp và nhiều chi tiết nhỏ gia công tinh xảo, thì Quadrocopter đơn giản hơ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Độc lập – Tự do – Hạnh phúc -o0o - -o0o -

ĐỀ CƯƠNG

ĐỒ ÁN TỔNG HỢP ĐỘNG LỰC TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG FLYCAM KHẢO SÁT ĐỊA HÌNH VÀ KHÍ

TƯỢNG DỰA VÀO MẠCH ARDUINO Sinh viên thực hiện: Trần Công Minh

Trương Công Quý Dương Trung Lịch

Trần Na Uy

Trương Công Vĩnh

Lớp : 15DL3

Nghành: Cơ khí động lực Khóa: 2015 – 2018

Bộ môn: Công nghệ kỹ thuật ô tô – Khoa Cơ Khí

Giảng viên hướng dẫn: ThS Hoàng Thắng

Ngày nhận đề tài: 10/01/2018 Ngày bảo vệ:…./…./2018 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

- MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

 Khảo sát khu vực và khí tượng

- Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI

 Xác định một cách chính xác địa hình khảo sát

 Tránh rủi ro tai nạn

- PHƯƠNG PHÁP VÀ KHẢ NĂNG TRIỂN KHAI ĐỀ TÀI

 Đề tài được nghiên cứu và phát triển dựa trên mô hình thực tế

2 Phân công công việc 1 tuần 12/01/2018 19/01/2018

3 Tìm hiểu nghiên cứu 3 tuần 22/01/2018 09/02/2018

8 Soạn thảo thuyết minh 1 tháng 25/04/2018 25/05/2018

9 Hoàn thiện bản thuyết

minh, đưa ra bản vẽ mô

(Ký và ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC

CÁC QUY ƯỚC VÀ HẰNG SỐ LIÊN QUAN 6

I.CÁCQUYƯỚC 6

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUADROCOPTER 9

1.1.GIỚITHIỆUVỀQUADROCOPTER 9

1.2.CÔNGDỤNG: 9

1.2.1 Theo dõi dịch sốt rét tại Đông Nam Á: 9

1.2.3 Giải trí bằng trò đua quadcopter 10

1.2.4 Về kết cấu cơ khí và nguyên lý hoạt động 10

1.2.5 Lịch sử phát triến của máy bay Quadrocopter 13

1.3.TÌNHHÌNHNGHIÊNCỨUỞNƯỚCNGOÀI 15

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 19

1.4.NỘIDUNGNGHIÊNCỨUCỦAĐỀTÀI 22

1.4.1 Phương pháp và phương tiện nghiên cứu 23

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT QUADROCOPTER 24

2.1.LÝTHUYẾTĐIỀUKHIỂNQUADROCOPTER 24

2.2.GỐCTỌAĐỘĐẶTLẠITÂMQUADROCOPTER 25

2.3.MÔHÌNHTOÁNCỦAQUADROCOPTER 27

2.3.1 Động học 27

2.3.2 Động lực học 30

CHƯƠNG 3 : XÂYDỰNG MÔ HÌNH QUADROCOPTER 32

3.1.SƠĐỒTỔNGTHỂCỦAHỆTHỐNG 32

3.2. LÊNKẾHOẠCH 33

3.2.1 Vẽ phác thảo mô hình theo bản chính 33

3.2.2 về tính toán độ bền: 35

CHƯƠNG 4: KẾT CẤU CÁC CHI TIẾT 38

4.1.CÁCCHITIẾTCẤUTẠO 38

4.1.1 Khung in 3D 38

4.1.2 Motor 39

4.1.3 Mạch naza (GPS) 39

4.1.4 Bộ điều khiển devo7 40

4.1.5 Pin lipo 3S 41

4.1.6 Bộ điều tốc ESC 42

4.1.7 Gimbal TL2D01 43

4.1.8.Camera 45

4.2.ĐIDÂYSETUPMẠCHNAZA 46

4.2.1 Sơ đồ đi đây mạch naza 46

4.2.2 Setup mạch naza 47

CHƯƠNG 5: Ý TƯỞNG KHẢO SÁT KHÍ TƯỢNG BẰNG ADUINO 51

5.1.TÌNHTRẠNGMÔITRƯỜNGVÀKHÍTƯỢNGHIỆNNAY 51

5.2.GIỚITHIỆUVỀARDIUNO 52

5.3.THÔNGSỐKỸTHUẬT 52

5.3.1 Mạch cảm biến và lập trình 52

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN 54

6.1.NHỮNGKẾTQUẢĐẠTĐƯỢC 54

6.2.NHỮNGKẾTQUẢCHƯAĐẠTĐƯỢCVÀBIỆNPHÁPKHẮCPHỤC 55

6.3NHỮNGKẾTQUẢ ĐẠTĐƯỢCVÀCHƯAĐẠTĐƯỢCCỦAÝTƯỞNG ARDUINO 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

LỜI NÓI ÐẦU

Trường Đại học sư phạm kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng là một trong những cơ sở đào tạo về ô tô trong nước ta Hiện nay, trường đã mở rộng nghành nghề và không không ngừng nâng cao chất lượng Là một sinh viên nghành Công nghệ Kỹ thuật ô tô, trong thời gian đào tạo và rèn luyện nhóm đã học hỏi nhiều kiến thức với nhu cầu tiềm kiếm một phương pháp giúp cho việc khảo sát địa hình và khí tượng bằng ứng dụng flycam

Đề tài “QUADROCOPTER” Được môn đồ án kết cấu nghành Công nghệ Kỹ thuật ô tô Trường Đại học sư phạm kỹ thuật giao cho nhóm em thực hiện đã giúp nhóm nâng cao trình độ kiến thức chuyên môn và giúp tiết kiệm thời gian và nâng năng suất lao động của người thợ

Sau một quá trình làm việc cùng cả nhóm cùng sự hướng dẫn tận tụy của thầy đến nay nhóm đã cơ bản hoàn thành nội dung Nhưng do thời gian và kiến thức có hạn nên không tránh được những sai sót Nhóm rất mong được sự đóng góp của thầy và các bạn

Sau cùng chúng em xin chân thành cảm ơn thầy cô nghành động lực đã tận tình giúp đỡ đặc biệt chúng em xin cảm ơn thầy Hoàng Thắng đã tận tâm hướng dẫn chúng

em

CÁC QUY ƯỚC VÀ HẰNG SỐ LIÊN QUAN I.CÁC QUY ƯỚC

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ QUADROCOPTER 1.1 GIỚI THIỆU VỀ QUADROCOPTER

Ô tô, máy kéo là phượng tiện sản xuất và kinh doanh trong sinh hoạt, không thể thiếu được trong đời sống hiện nay Cùng với sự tiến bộ chung của khoa học Ngành ô

tô cũng có những bước phát triển mới với những thành quả quan trọng Những biến đổi mà đòi hỏi phải có những nhận thức mới sâu rộng, những vấn đề đó có liên quan đến công nghệ ô tô Tuy vậy muốn tiếp thu những kiến thức mới này thì phải nắm vững những kiến thức cơ bản nhất Những kiến thức này sẽ làm nền tản cho bước phát triẻn tiếp theo Vì vậy đồ án kết cấu và tính toán ô tô là một bước cũng cố và phát triển những hiểu biết cơ bản có từ những môn học có liên quan Lần đầu tiên làm quen với việc tính toán thiết kế nên có rất nhiều khó khăn phức tạp Với những nhận thức còn hạn chế về nhiều mặt nên quá trình làm đồ án em còn vướng phải những thiếu sót, rất mong sự quan tâm giúp đỡ của các thầy trong bộ môn Để hoàn thành đồ án này em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy HOÀNG THẮNG các thầy

trong bộ môn và các bạn trong lớp

1.2 CÔNG DỤNG:

Quadrocopter xâm nhập thị trường tiêu dùng Tuy nhiên, năm nay cũng đã chứng kiến những ý tưởng khai thác lợi thế của loại phương tiện này nhằm phục vụ cho cuộc sống Sử dụng để chuyển phát hàng hóa là một trong số những ý tưởng đang được nhiều ông lớn như Google, Amazon đầu tư Tuy nhiên, công nghệ không chỉ dừng lại ở đây mà thậm chí còn mở ra những ứng dụng mới không ngờ tới

1.2.1 Theo dõi dịch sốt rét tại Đông Nam Á:

Hình 1.1 Theo dõi dịch sốt rét tại Đông Nam Á

1.2.2 Phân phát dược phẩm đến các đảo xa xôi

Hình 1.2 Phân phát dược phẩm đến các đảo xa xôi

1.2.3 Giải trí bằng trò đua quadcopter

Hình 1.3 Giải trí bằng trò đua quadcopter

1.2.4 Về kết cấu cơ khí và nguyên lý hoạt động

So với loại mô hình trực thăng thông thường có kết cấu cơ khí rất phức tạp và nhiều chi tiết nhỏ gia công tinh xảo, thì Quadrocopter đơn giản hơn rất nhiều, loại này chỉ gồm 4 motor điện gắn cánh quạt được đặt ở bốn góc của một hình vuông, trong khi trực thăng mô hình thông thường bao gồm hệ thống đĩa xoay (swashplate), rotor head

và các cần (arm rod) để thay đổi góc tấn (pitch) của cánh quạt chính thông qua các servo nhỏ

Hình 1.4 RC Helicopter T-rex 600

Hình 1.5 Cụm swashplate trên cơ cấu cánh của Helicopter

Ngoài ra, trực thăng thông thường còn có hệ thống cánh quạt đuôi để làm triệt tiêu moment do cánh quạt chính gây ra Điều này tiêu tốn đen 25% năng lượng tổng cộng của máy bay Năng lượng này không sinh công để nâng máy bay mà chỉ triệt tiêu moment xoắn, cho nên đây là năng lượng vô ích làm giảm hiệu suất của máy bay Hơn nữa, các hệ thống bánh răng để truyền động từ motor chính sang cánh quạt chính và cánh quạt đuôi cũng rất phức tạp

Hình 1.6 Cụm cánh quạt đuôi của Helicopter

Đối với Quadrocopter, kết cấu chỉ gồm 4 motor điện giống nhau có lắp cánh quạt đuợc đặt ở 4 góc hình vuông và cánh quạt có thể gắn trực tiếp hay thông qua

truyền động bánh răng, 4 motor này đuợc chia ra làm 2 cặp: truớc-sau, trái-phải

Mục đích của việc này là để triệt tiêu moment xoắn do từng cặp gây ra Tuy nhiên, ngoài khả năng tạo moment triệt tiêu nhau, 4 motor này khi quay đều tạo lực nâng cho máy bay, không nhu hệ thống hệ thống đuôi của trực thăng thông thuờng: không tạo đuợc lực nâng mà chỉ nhằm làm triệt tiêu moment của cánh quạt chính Đây

là một uu điểm lớn của Quadrocopter

Ngoài 4 motor và cánh quạt ra thì Quadrocopter không còn một chi tiết chuyển động nào khác cho nên đây là một lợi điểm khi sử dụng và không cần phải thay the các chi tiết này khi bị rớt hay va chạm nhu Helicopter

Một yếu tố rất quan trọng nữa là do đuờng kính cánh quạt của Quadrocopter nhỏ hơn nhiều so với Helicopter cho nên việc bay thử nghiệm hay bay trong nhà cũng dễ dàng và thuận lợi, không gây nguy hiểm tới nguời xung quanh

Nguyên lý hoạt động của loại Quadrocopter này cũng rất đơn giản

Hình 1.8 Nguyên lí hoạt động

Truớc-sau: để đi về bên truớc, motor phía truớc giảm tốc so với motor sau và nguợc lại để đi về phái sau, motor sau giảm tốc so với motor truớc

Trái-phải: để đi về bên trái, motor trái giảm tốc so với motor phải và nguợc lại để

đi về bên phải, motor phải giảm tốc so với motor trái

Lên-xuống: tăng tốc hay giảm tốc đồng thời 4 motor sẽ làm tăng lực nâng hay giảm lực nâng để bay lên hay xuống

Xoay: muốn xoay cùng chiều kim đồng hồ thì cặp motor quay cùng chiều kim đồng hồ (ví dụ truớc-sau) sẽ quay chậm hơn cặp motor quay nguợc chiều kim đồng hồ (ví dụ trái-phải) Nguợc lại muốn xoay nguợc chiều kim đồng hồ thì cặp motor quay nguợc chiều kim đồng hồ (trái-phải) sẽ quay chậm hơn cặp motor quay cùng chiều kim đồng hồ (truớc-sau)

1.2.5 Lịch sử phát triến của máy bay Quadrocopter

Chiếc Quadrocopter đầu tiên trên thế giới ra đời năm 1907 do anh em nhà khoa học nguời Pháp Louis và Jacques Breguet cùng giáo su Charles Richet hợp tác che tạo

Nó đuợc mang tên là “Breguet - Richet Gyroplane No.1” Yêu cầu đuợc đua ra là nó

có thể cất cánh khỏi mặt đất với 1 phi công Một động cơ 8 Xy-lanh đuợc sử dụng để quay 4 cánh quạt Mỗi cánh quạt có 4 bản cánh Hệ thống dây đai và pu-li đuợc gắn lên nhằm truyền động từ động cơ cho các cánh Bộ khung của chiếc Quadrocopter này làm từ các ống thép Tổng trọng luợng của nó vào khoảng 575Kg Lần bay thử nghiệm đầu tiên diễn ra tại Douai- Pháp vào năm 1907, nó đã có thể nâng cao khỏi mặt đất

1.5m

Hình 1.9 Breguet- Richet Gyroplane No.1

Đến năm 1920, Etienne Oemichen, đã chế tạo một chiếc Quadrocopter với 8 cánh quạt linh hoạt nhằm điều khiển và tạo lực đẩy Ban đầu, nó đuợc gắn thêm một khí cầu để nâng và giữ ổn định cho cỗ máy này Năm 1922, Oemichen đã thành công khi cho chiếc Quadrocopter bay mà không cần sự trợ giúp của khí cầu Sau đó, nó không bao giờ đuợc sử dụng nữa

Hình 1.10 Quadrocopter của Etienne Oemichen

Cũng trong năm 1922, tiến sĩ George de Bothezat và Ivan Jerome đã thành công khi thiết ke chiếc Quadrocopter khổng lồ phục vụ cho quân đội Mỹ cỗ máy này đã được điều khiển bằng cách thay đổi đơn lẻ hoặc cùng lúc các góc xoắn của cánh quạt Ngoài ra nó còn được gắn thêm 4 cánh quạt loại nhỏ để trợ giúp điều khiển Chiếc Quadrocopter này được đặt tên là ’’Bạch tuộc bay” Nhưng dự án này bị hủy bỏ ngay

lập tức vì khả năng bay thấp, giá thành cao

Hình 1.11 Bạch tuộc bay

Đến năm 1956, Convertawings lần nữa làm sống lại thiết kế trực thăng 4 cánh quạt đã được thử nghiệm năm 1922 bởi Oemichen tại Pháp và G de Bothezat tại Mỹ Bốn cánh quạt của chiếc trực thăng này được gắn kết theo từng cặp trên 2 thanh nối song song Cơ che kiểm soát vô cùng đơn giản bằng cách thay đổi lực đẩy giữa các cánh quạt Năng lượng được cung cấp bởi hai động cơ, truyền động tới hệ thống cánh quạt bằng dây đai chữ V Máy bay có ba bánh đáp với hai bánh sau và một bánh trước

có thể xoay được Chuyến bay được thực hiện thành công vào tháng 3 năm 1956 tại

Mỹ Tuy nhiên, dự án này đã sớm bị chấm dứt do không nhận được đơn đặt hàng

Hình 1.12 Convertawings Model A

Từ đó, các cấu hình của máy bay Quadrocopter không còn được chú ý như trước Mãi cho đen những năm gần đây, Quadrocopter mới được quan tâm trở lại vì khả năng ứng dụng rất lớn trong lĩnh vực thiết bị bay mô hình [14]

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Ở NƯỚC NGOÀI

Vì tính chất đơn giản trong kết cấu cơ khí và tính linh động trong việc điều khiển cũng nhu tiềm năng ứng dụng rất lớn vào thực te của mô hình loại này mà

Quadrocopter đã và đang đuợc nhiều hãng trên the giới nghiên cứu phát triển trở thành sản phẩm thuơng mại

Sau đây xin đuợc giới thiệu một vài sản phẩm điển hình:

Hình 1.13 Sản phẩm X-Pro của hãng Draganfly Innovations

Các thông số kỹ thuật:

Có thể nâng được tối đa 1360

Được điều khiển bằng bộ vô tuyến 9 kênh FM (PCM)

Khung bằng carbon

Vận hành bằng pin 6000mAh 14.8v

Camera để quan sát chụp không ảnh

Thời gian bay 20 phút

Tuy nhiên việc điều khiển loại máy bay này phụ thuộc nhiều vào kỹ năng của nguời điều khiển và cần thời gian để làm quen vì không có hệ thống tự cân bằng và các cảm biến cần thiết khác

Sảnphẩm MD4-200 của hãng Mỉcrodrone

Hình 1.14 Sản phẩm MD4-200 của hãng Microdrone

Đây là một sản phẩm cực kỳ chuyên nghiệp và nó có tên gọi là VTOL AUMAV (Vertical Take Off and Landing Aut0n0m0us Unmanned Micr0 Aerial Vehicle) hay

máy bay siêu nhỏ tự động cất cánh và hạ cánh thẳng đứng Loại này có hệ thống AAHRS ( Altitude and Attitude and Heading Reference System) hay còn gọi hệ thống tham chiếu độ cao, góc nghiêng và huớng, đuợc trang bị các loại cảm biến gia tốc, gyro, cảm biến từ truờng và nhiệt độ, cảm biến áp suất, cảm biến độ ẩm Ngoài ra còn

có khả năng bay theo lộ trình cài đặt sẵn nhờ trang bị thiết bị định vị toàn cầu GPS MD4-200 đuợc trang bị camera để thực hiện chụp không ảnh, quan sát, theo dõi hay trinh thám trên không Các phụ tùng khác kèm theo bao gồm hộp đựng bộ thu phát tín hiệu video và dữ liệu, máy tính để hiển thị các thông số về tình trạng của máy bay cũng nhu các tín hiệu cảm biến, các góc nghiêng , dữ liệu GPS Khung MD4-200 tất

cả đều làm bang carbon vì the rất nhẹ và chịu va đập rất tốt, ngoài ra do làm bang carbon nên khung của MD4-200 hoạt động nhu một vỏ bọc có khả năng chống các loại nhiễu điện từ

Bằng cách sử dụng motor có số vòng quay tối đa 2000 vòng/phút nên độ ồn rất thấp (< 63dBA @3m) rất thích hợp cho mục đích trinh thám hay quan sát trên không

mà không bị phát hiện Đặc tính an toàn của MD4-200 nhờ khả năng tránh bị rớt và tự động hạ cánh an toàn khi pin gần hết hay là mất tín hiệu vô tuyến điều khiển

Nguồn điện là pin Lipo 14.8V 2300mAh Tùy thuộc vào tải mang theo (tối đa 200g), gió, nhiệt độ mà thời gian bay của MD4-200 có thể lên tới 20 phút Giá $5000

Hình 1.15 Máy tính để hiển thị các thông số về tình trạng của máy bay

Sản phấm của AR.Drone của hãng Parrot

Hình 1.16 Sản phấm của AR.Drone của hãng Parro

Đây là sản phẩm phục vụ mục đích giải trí chạy trên ứng dụng của iPhone

AR.Drone sử dụng pin Li-ion, nếu đuợc sạc đầy thì nó có thể bay trong vòng 15 phút Phần thân của nó rất nhỏ, đuợc làm từ sợi carbon và xốp để giảm trọng luợng (AR.Drone chỉ nặng 400gram)

Chiếc máy bay mô hình này có 2 camera (một đặt phía truớc và một ở bên duới) kết nối trực tiếp với điện thoại iPhone qua sóng wifi Những hình ảnh từ camera trên máy bay sau đó sẽ hiển thị trên màn hình iPhone giúp nguời dùng điều khiển dễ dàng

và an toàn hơn.Ngoài ra, AR.Drone dùng ứng dụng thông tin không gian thực (Augmented Reality) nhờ vậy người điều khiển mới có thể nghiêng iPhone để điều hướng cho nó mà không phải dùng nút bấm

Hình 1.17 Sản phẩm AR.Drone của hãng Parrot

Sảnphẩm của hãng MikroKopter

Hình 1.18 Sản phẩm MK Basicset ME của hãng MikroKopter

Những máy bay nhiều động cơ (multi-rotor) của hãng MikroKopter có độ cứng vững và độ ổn định thuộc vào bậc nhất nhờ sử dụng bộ cân bằng điện tử chuẩn giao tiếp tốc độ cao I2C

Sử dụng động cơ Roxxy và động cơ MK công nghệ độc quyền của MikroKopter vận hành êm, mượt, ít gây nhiễu lên các cảm biến, nâng cao độ ổn định, đồng thời tiêu tốn ít điện năng, kéo dài hơn thời gian thực hiện chuyến bay

Ngoài Quadrocopter, những dòng sản phẩm Hexacopter, Oktocopter (máy bay 6

và 8 động cơ) của hãng có khả năng mang tải rất lớn, lên đen 10Kg, thích hợp cho việc vận chuyển các camera chuyên dụng thực hiện quay không ảnh chất lượng cao

Những sản phẩm này có giá từ 700€ đen 1800€ tùy vào cấu hình

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

a Mô hình Quadrocopter do nhóm của kỹ sư Lê Công Danh thực hiện

Ngày 01/12/2009, công trình “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình máy bay lên thẳng bốn chong chóng có khả năng tự cân bằng và di chuyển trong nhà” do kỹ sư

Lê Công Danh, giảng viên Khoa Cơ khí truờng ĐH Giao thông vận tải TP.HCM làm chủ nhiệm, kỹ su Phạm Ngọc Huy là nguời nghiên cứu chính, đã đuợc nghiệm thu tại

Sở Khoa học - Công nghệ TP.HCM

Hình 1.19 Mô hình máy bay nghiệm thu tại Sở Khoa học - Công nghệ

Để bảo đảm độ nhẹ của mô hình, nhóm nghiên cứu đã sử dụng vật liệu là nhôm

và sợi carbon để che tạo khung máy bay So với các máy bay mô hình đang bán trên thị truờng, sản phẩm này có mạch điện điều khiển phức tạp hơn, giúp nguời sử dụng

dễ dàng điều khiển hơn, nguời chua sử dụng bao giờ cũng có thể điều khiển đuợc Theo PGS-TS Lê Hoài Quốc, Phó Giám đốc Sở Khoa học - Công nghệ TP.HCM, đây là một đề tài khó và với những gì đạt đuợc, tác giả đã hoàn thành mục tiêu đề ra Hiện nay, kết quả nghiên cứu đã đuợc chuyển về cho đơn vị chủ trì là Trung tâm Thiết

kế che tạo thiết bị mới Neptech để tiếp tục hoàn thiện thêm Dự kiến khi đua vào sản xuất, giá bán mỗi mô hình sẽ là $600

Hình 1.20 Một chiếc máy bay 4 động cơ của câu lạc bộ mô hình

b.Chế tạo Quadrocopter tại các câu lạc bộ mô hình

Trong năm 2010, từ thành công của kỹ su Phạm Ngọc Huy ở trên, việc chế tạo Quadrocopter đã trở thành trào luu lớn trong các nhóm chơi máy bay mô hình Kết quả

là nhiều máy bay Quadrocopter đã bay lên thành công từ những nguời dam mê mô hình

Tuy nhiên, do hệ thống cảm biến chỉ dùng gyroscope đo chuyển động theo 3 trục, không có cảm biến gia tốc đo góc nghiêng nên xảy ra hiện tuợng “trôi”, khả năng bay của mô hình tốt hay không vẫn phụ thuộc khá nhiều vào kinh nghiệm của nguời điều khiển

c Nghiên cứu chế tạo Quadrocopter tạỉ các trường Đại học

Hiện tại vẫn chưa có đề tài nào cho mô hình bay lên thành công Cũng giống như

đề tài “chế tạo xe tự cân bằng” ở những năm truớc, trong năm 2018 vừa qua, đề tài

“nghiên cứu che tạo mô hình máy bay lên thẳng Quadrocopter” đã trở thành đề tài nóng, thu hút nhiều sự quan tâm của sinh viên bởi tính mới mẻ và đầy thú vị của nó Nhiều sinh viên năm 3-4, sinh viên sắp ra truờng đã chọn Quadrocopter làm đề tài nghiên cứu, thõa mãn nhu cầu học tập của mình

Tuy nhiên, kết quả của những đồ án này vẫn chua đuợc mỹ mãn Do những khó khăn và hạn che nhu thời gian tiếp xúc, nghiên cứu, tìm hiểu ngắn, thiếu kinh nghiệm trong lĩnh vực thiết bị bay, nên vẫn còn những tồn tại sinh viên chưa

Nhóm sinh viên ngành Cơ điện tử Đại học Công nghiệp Hà Nội đã không khắc phục đuợc vấn đề nhiễu của cảm biến gia tốc, chỉ dùng tín hiệu gyroscope để điều khiển nên mô hình vẫn chưa thể bay cân bằng

Hình 1.21 Robot tự hành kiểu Quadrotor của Học viện Kỹ thuật Quân sự

Robot máy bay của Học viện Kỹ thuật Quân sự có khối luợng khá nặng (gần 2Kg), không dùng bất kỳ cảm biến đo quán tính nào, chỉ dùng tín hiệu điều khiển đơn thuần từ tay điều khiển vô tuyến Tại triển lãm Robocon Techshow 2010, robot đã không cất cánh thành công

Nếu xét ở cấp độ cao hơn, luận văn thạc sĩ hay công ty nghiên cứu theo đơn đặt hàng, thì hiện tại tình hình nghiên cứu trong nuớc đã đạt đuợc những kết quả rất khả quan Nhiều mô hình đã đáp ứng tốt về tính cân bằng và độ ổn định Trong đó, ngoài các cảm biến quán tính (gyro và gia tốc), sử dụng thêm cảm biến hồng ngoại nhận biết đuờng chân trời, cảm biến siêu âm nhận biết độ cao, dùng tín hiệu GPS cho mục đích

tự hành v.v

1.4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Quadrocopter là một đề tài khó, đòi hỏi kiến thức tổng hợp ở nhiều lĩnh vực nhu: cơ khí thiết kế, thiết bị bay, khí động học, động lực học, xử lý tín hiệu số, mạch điện tử, vi điều khiển, giao tiếp máy tính, truyền thông vô tuyến, mô hình hóa, mô phỏng, lập trình điều khiển, lập trình giao diện v.v Do đó, đòi hỏi mỗi thành viên

trong nhóm phải nỗ lực hết mình để có thể hoàn thành đuợc đề tài

Các vấn đề chính của đề tài:

Tìm hiểu nguyên lý điều khiển, nghiên cứu động học, động lực học, khí động và mô hình toán thiết bị bay dạng Quadrocopter

Tính toán, thiết kế và che tạo mô hình cơ khí

Thiết kế hệ thống điều khiển

Xây dựng thuật toán điều khiển

Do điều kiện hạn chế về kinh phí, thời gian thực hiện ngắn và khả năng kiến thức trong lĩnh vực còn hạn hẹp nên đề tài được giới hạn trong các điều kiện như sau:

Nghiên cứu che tạo mô hình Quadrocopter loại công suất nhỏ sử dụng động

cơ không chổi than và bộ điều tốc ESC giao thức PWM

Xử lý tín hiệu các cảm biến quán tính (gyroscope và accelerometer) để đưa vào điều khiển Quadrocopter tự cân bằng, chưa cần quan tâm đen điều khiển hướng bay của mô hình

1.4.1 Phương pháp và phương tiện nghiên cứu

về phương pháp nghiên cứu:

Tìm hiểu các tài liệu và thiết kế hiện có ở trong và ngoài nước

Tính toán thiết kế mô hình hóa và mô phỏng để đánh giá chất lượng hệ thống và loại trừ các lỗi thiết kế

Tiến hành thực nghiệm, đo đạc, vẽ đồ thị, phân tích và hiệu chỉnh cân bằng, về phương tiện nghiên cứu:

Thiết kế mô hình và tính toán độ bền bằng phần mềm Solidworks, lập trình gia công in 3D cho phần khung Quadrocopter

Các trang thiết bị bay từ hỗ trợ của giáo viên hướng dẫn

Sử dụng thiết bị điện tử đo lường lực đẩy của động cơ - cánh quạt

Giám sát từ máy tính dùng phần mềm setup riêng cho mạch

Chương 2: LÝ THUYẾT QUADROCOPTER 2.1 LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN QUADROCOPTER

Hình 2.1 Định nghĩa các hướng chuyển động của Quadrocopter

Cặp cánh quạt phía trước (front) và phía sau (back) quay ngược chiều kim đồng

hồ, trong khi đó cặp cánh bên phải (right) và bên trái (left) lại quay thuận chiều kim đồng hồ nhằm cân bang moment xoắn được tạo ra bởi các cánh quạt trên khung Cả 4

cánh phải sinh ra một lực đẩy bằng nhau khi Quadrocopter cất cánh và hạ cánh

(throttle up/down) Góc xoay (roll) được điều khiển bằng cách thay đổi tốc độ giữa cánh bên phải và bên trái sao cho vẫn giữ nguyên tổng lực đẩy sinh ra bởi cặp cánh này Tương tự như vậy, góc nghiêng (pitch) được điều khiển bằng thay đổi tốc độ của

2 cánh phía trước và phía sau mà vẫn giữ nguyên tổng lực đẩy Trong khi đó, góc lệch (yaw) được điều khiển nhờ vào sự thay đổi tốc độ của cặp cánh phải - trái so với tốc

độ của cặp cánh trước - sau mà tổng lực đẩy 4 cánh vẫn không đổi để Quadrocopter giữ được độ cao

Như vậy, việc điều khiển bay của Quadrocopter là việc điều khiển tốc độ quay của các cánh quạt So sánh với máy bay trực thăng, việc di chuyển phụ thuộc vào góc lệch giữa mặt phang cánh, mặt phang quay so với trục quay của cánh, phải có một cơ cấu cơ khí để thay đổi góc lệch này Cơ cấu cơ khí này có kết cấu khá phức tạp, dẫn đen các sai số cơ khí trong quá trình điều khiển Việc điều khiển tốc độ các cặp motor

của Quadrocopter thì đơn giản và chính xác hơn Đây là một ưu điểm lớn của Quadrocopter

Sau đây sẽ mô tả cụ thể hơn các chuyển động bay cơ bản của Quadrocopter:

2.2 GỐC TỌA ĐỘ ĐẶT LẠI TÂM QUADROCOPTER

a.Hover: Quadrocopter bay lơ lửng trong không trung Ở trạng thái này, tất cả

các cánh quạt quay cùng một tốc độ không đổi (Q| = Q2 = Q3 = Q4 = QH

Hình 2.2 Hover b.Throttle: Quadrocopter sẽ bay lên hoặc hạ xuống theo phương thẳng đứng Để

bay lên, tốc độ của 4 cánh quạt tăng lên, hạ xuống thì cả 4 cánh cùng giảm tốc, khi đó

sẽ tạo ra một hợp lực dọc trục đứng làm Quadrocopter bay lên hoặc bay xuống

Hình2.3 Throttle c.Roll: Quadrocopter bay sang phải hoặc sang trái Đe bay sang phải (hoặc sang

trái) ta giữ nguyên tốc độ của 2 cánh quạt trước và sau, tăng (hoặc giảm) tốc độ của cánh quạt bên trái và giảm (hoặc tăng) tốc độ cánh quạt bên phải Từ đó tạo ra moment xoắn quanh trục Xb làm cho tổng lực nâng của 4 cánh quạt không còn nằm theo phương thẳng đứng mà tồn tại thành phần lực hướng theo phương chuyển động

Hinh2.4 Roll

d Pitch: Quadrocopter bay tới truớc hoặc bay lui vê sau Tuơng tự nhu Roll, 2

cánh quạt trái và phải giữ nguyên tốc độ bằng nhau Đe bay tới (hoặc bay lui) điều khiển tăng (hoặc giảm) tốc độ của cánh quạt sau và giảm (hoặc tăng) tốc độ cánh quạt truớc, tạo ta moment xoắn quanh trục Yb

Hình2.5 Pitch

e Yaw: Quadrocopter quay quanh trục zb Điều khiển tốc độ các cánh quạt theo cách sau: tốc độ 2 cánh đối diện thì bằng nhau, nhung khác với tốc độ 2 cánh đối diện còn lại Đe Quadrocopter quay quanh trục Zb theo chiều nguợc kim đồng hồ, ta giảm tốc độ cặp cánh quạt có chiều quay nguợc kim đồng hồ (chiều muốn quay) và tăng tốc

độ cặp cánh quạt quay thuận chiều kim đồng hồ Đe quay quanh trục Zb theo chiều thuận kim đồng hồ, ta làm nguợc lại cách trên

Hệ quy chiếu E: là hệ quy chiếu quán tính Trái đất, dùng để xác định vector vị trí

dài r E [m] và vector vị trí góc © E [rad] của Quadrocopter

Hệ quy chiếu B: là hệ quy chiếu gắn với khung Quadrocopter, dùng để xác định 4

vector: vận tốc dài V B [m/s], vận tốc [rad/s], lực F B [N], vàmoment xoắn X B [Nm]

của Quadrocopter

Trong đó:

OE: gốc tọa độ của hệ trục quán tính Trái đất

xE: trục hướng về phía Bắc

yE: trục hướng về phía Tây

zE: trục vuông góc với mặt phang (xE,yE) và hướng lên

OB: gốc tọa độ của hệ trục gắn với khung Quadrocopter

xB: trục hướng về trước của Quadrocopter

yB: trục hướng qua trái của Quadrocopter

zB: trục vuông góc với mặt phang khung mô hình và hướng lên

Hai vector được định nghĩa trong hệ trục E:

Vector vị trí dài rE [m] được xác định từ OE đến OB :

Ma trận quay có được bằng cách nhân 3 ma trận quay cơ bản quanh 3 trục:

= R( , ) (Ɵ, ) ( , ) =

Trong 2 phương trình trên và những phương trình sau đây, các ký hiệu này được

sử dụng với ý nghĩa: = cos k, = sin k, = tan k