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

Đề tài: Ứng dụng Flycam khảo sát địa hình khí tượng dựa vào arduino ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Độc lập – Tự – 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 Cơng Vĩnh Lớp : 15DL3 Nghành: Cơ khí động lực Khóa: 2015 – 2018 Bộ mơn: Cơng 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 khí tượng - Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI  Xác định cách xác địa hình khảo sát  Tránh rủi ro tai nạn - PHƯƠNG PHÁP VÀ KHẢ NĂNG TRIỂN KHAI ĐỀ TÀI  Đề tài nghiên cứu phát triển dựa mơ hình thực tế SVTH: Minh, Q, Lịch, Uy, Vĩnh Đề tài: Ứng dụng Flycam khảo sát địa hình khí tượng dựa vào arduino KẾ HOẠCH THỰC HIỆN STT Nội dung công việc Dự kiến thời Từ thời gian Đến thời gian gian Nhận đề tài tuần 10/01/2018 11/01/2018 Phân công công việc tuần 12/01/2018 19/01/2018 Tìm hiểu nghiên cứu tuần 22/01/2018 09/02/2018 Tìm hiểu video cách tuần 01/03/2018 08/03/2018 lắp ráp lập trình mạch mơ hình Lắp ráp lập trình tuần 09/03/2108 23/03/2018 Thử nghiệm mơ hình tháng 24/03/2018 24/05/2018 Thiết kế vẽ tháng 24/03/2018 24/04/2018 Soạn thảo thuyết minh tháng 25/04/2018 25/05/2018 Hoàn thiện thuyết tuần 26/05/2018 10/06/2018 ngày 10/06/2018 13/06/2018 minh, đưa vẽ mơ hình Hồn thành mơ hình 10 Thử nghiệm kiểm tra sai sót Đà Nẵng, ngày Cán hướng dẫn tháng năm 2018 Sinh viên (Ký ghi rõ họ tên) SVTH: Minh, Quý, Lịch, Uy, Vĩnh Đề tài: Ứng dụng Flycam khảo sát địa hình khí tượng dựa vào arduino MỤC LỤC CÁC QUY ƯỚC VÀ HẰNG SỐ LIÊN QUAN I.CÁC QUY ƯỚC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUADROCOPTER 1.1 GIỚI THIỆU VỀ QUADROCOPTER 1.2 CÔNG DỤNG: 1.2.1 Theo dõi dịch sốt rét Đông Nam Á: 1.2.3 Giải trí trò đua quadcopter 10 1.2.4 Về kết cấu khí nguyên lý hoạt động 10 1.2.5 Lịch sử phát triến máy bay Quadrocopter 13 1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Ở NƯỚC NGỒI 15 1.3.1 Tình hình nghiên cứu nước 19 1.4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 22 1.4.1 Phương pháp phương tiện nghiên cứu 23 CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT QUADROCOPTER 24 2.1 LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN QUADROCOPTER 24 2.2 GỐC TỌA ĐỘ ĐẶT LẠI TÂM QUADROCOPTER 25 2.3 MƠ HÌNH TỐN CỦA QUADROCOPTER 27 2.3.1 Động học 27 2.3.2 Động lực học 30 CHƯƠNG : XÂYDỰNG MƠ HÌNH QUADROCOPTER 32 3.1 SƠ ĐỒ TỔNG THỂ CỦA HỆ THỐNG 32 3.2 LÊN KẾ HOẠCH 33 3.2.1 Vẽ phác thảo mơ hình theo 33 3.2.2 tính tốn độ bền: 35 CHƯƠNG 4: KẾT CẤU CÁC CHI TIẾT 38 4.1 CÁC CHI TIẾT CẤU TẠO 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 SVTH: Minh, Quý, Lịch, Uy, Vĩnh Đề tài: Ứng dụng Flycam khảo sát địa hình khí tượng dựa vào arduino 4.2 ĐI DÂY SETUP MẠCH NAZA 46 4.2.1 Sơ đồ mạch naza 46 4.2.2 Setup mạch naza 47 CHƯƠNG 5: Ý TƯỞNG KHẢO SÁT KHÍ TƯỢNG BẰNG ADUINO 51 5.1 TÌNH TRẠNG MƠI TRƯỜNG VÀ KHÍ TƯỢNG HIỆN NAY 51 5.2 GIỚI THIỆU VỀ ARDIUNO 52 5.3 THÔNG SỐ KỸ THUẬT 52 5.3.1 Mạch cảm biến lập trình 52 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN 54 6.1.NHỮNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 54 6.2 NHỮNG KẾT QUẢ CHƯA ĐẠT ĐƯỢC VÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC 55 6.3 NHỮNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ CHƯA ĐẠT ĐƯỢC CỦA Ý TƯỞNG ARDUINO 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 SVTH: Minh, Quý, Lịch, Uy, Vĩnh Đề tài: Ứng dụng Flycam khảo sát địa hình khí tượng dựa vào arduino LỜI NÓI ÐẦU Trường Đại học sư phạm kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng sở đào tạo ô tô nước ta Hiện nay, trường mở rộng nghành nghề không không ngừng nâng cao chất lượng Là sinh viên nghành Công nghệ Kỹ thuật ô tô, thời gian đào tạo rèn luyện nhóm học hỏi nhiều kiến thức với nhu cầu tiềm kiếm phương pháp giúp cho việc khảo sát địa hình khí tượng 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 giúp nhóm nâng cao trình độ kiến thức chuyên môn giúp tiết kiệm thời gian nâng suất lao động người thợ Sau q trình làm việc nhóm hướng dẫn tận tụy thầy đến nhóm hoàn thành nội dung Nhưng thời gian kiến thức có hạn nên khơng tránh sai sót Nhóm mong đóng góp thầy bạn Sau chúng em xin chân thành cảm ơn thầy cô nghành động lực tận tình giúp đỡ đặc biệt chúng em xin cảm ơn thầy Hoàng Thắng tận tâm hướng dẫn chúng em SVTH: Minh, Quý, Lịch, Uy, Vĩnh Đề tài: Ứng dụng Flycam khảo sát địa hình khí tượng dựa vào arduino CÁC QUY ƯỚC VÀ HẰNG SỐ LIÊN QUAN I.CÁC QUY ƯỚC SVTH: Minh, Quý, Lịch, Uy, Vĩnh Đề tài: Ứng dụng Flycam khảo sát địa hình khí tượng dựa vào arduino SVTH: Minh, Quý, Lịch, Uy, Vĩnh Đề tài: Ứng dụng Flycam khảo sát địa hình khí tượng dựa vào arduino SVTH: Minh, Q, Lịch, Uy, Vĩnh Đề tài: Ứng dụng Flycam khảo sát địa hình khí tượng dựa vào arduino Chương 1: TỔNG QUAN VỀ QUADROCOPTER 1.1 GIỚI THIỆU VỀ QUADROCOPTER Ô tô, máy kéo phượng tiện sản xuất kinh doanh sinh hoạt, thiếu đời sống Cùng với tiến chung khoa học Ngành tơ có bước phát triển với thành quan trọng Những biến đổi mà đòi hỏi phải có nhận thức sâu rộng, vấn đề có liên quan đến công nghệ ô tô Tuy muốn tiếp thu kiến thức phải nắm vững kiến thức Những kiến thức làm tản cho bước phát triẻn Vì đồ án kết cấu tính tốn tơ bước cố phát triển hiểu biết có từ mơn học có liên quan Lần làm quen với việc tính tốn thiết kế nên có nhiều khó khăn phức tạp Với nhận thức hạn chế nhiều mặt nên q trình làm đồ án em vướng phải thiếu sót, mong quan tâm giúp đỡ thầy mơn Để hồn thành đồ án em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn tận tình thầy HỒNG THẮNG thầy mơn bạn lớp 1.2 CƠNG DỤNG: Quadrocopter xâm nhập thị trường tiêu dùng Tuy nhiên, năm chứng kiến ý tưởng khai thác lợi loại phương tiện nhằm phục vụ cho sống Sử dụng để chuyển phát hàng hóa số ý tưởng nhiều ông lớn Google, Amazon đầu tư Tuy nhiên, công nghệ khơng dừng lại mà chí mở ứng dụng khơng ngờ tới 1.2.1 Theo dõi dịch sốt rét Đông Nam Á: Hình 1.1 Theo dõi dịch sốt rét Đơng Nam Á SVTH: Minh, Quý, Lịch, Uy, Vĩnh Đề tài: Ứng dụng Flycam khảo sát địa hình khí tượng dựa vào arduino 1.2.2 Phân phát dược phẩm đến đảo xa xơi Hình 1.2 Phân phát dược phẩm đến đảo xa xơi 1.2.3 Giải trí trò đua quadcopter Hình 1.3 Giải trí trò đua quadcopter 1.2.4 Về kết cấu khí nguyên lý hoạt động So với loại mơ hình trực thăng thơng thường có kết cấu khí phức tạp nhiều chi tiết nhỏ gia cơng tinh xảo, Quadrocopter đơn giản nhiều, loại gồm motor điện gắn cánh quạt đặt bốn góc hình vng, trực thăng mơ hình thơng thường bao gồm hệ thống đĩa xoay (swashplate), rotor head cần (arm rod) để thay đổi góc (pitch) cánh quạt thơng qua servo nhỏ SVTH: Minh, Quý, Lịch, Uy, Vĩnh 10 Đề tài: Ứng dụng Flycam khảo sát địa hình khí tượng dựa vào arduino PWM Tần số: 8k / 16k Chế độ máy bay trực thăng: Off / 5sec / 15sec ( khởi động trễ) 4.1.7 Gimbal TL2D01 Hình 4.7 Gimbal Tarot t2-2d hai tự ổn định cho GOPRO hero3/hero4 PTZ camera kích thước trọng lượng tùy biến, hội nhập tarot loạt tất cao cấp tảng công nghệ Cấu trúc thông qua nhựa kỹ thuật kết hợp, mang lại ổn định trọng lượng nhẹ mạnh nhất, điều kiện cực môi trường khắc nghiệt, xác khóa máy ảnh để giữ ổn định cao đầu ra, kinh nghiệm cuối cơng nghiệp cấp tinh tế hình ảnh, lựa chọn tốt chuyên nghiệp phim ảnh truyền hình nhiếp ảnh người đam mê không Tarot t2-2d hai tự ổn định PTZ sử dụng PTZ tiên tiến thuật toán điều khiển, xây dựng độc lập IMU điều khiển xác PTZ thái độ, tích hợp máy ảnh với servo mơ-đun ổ đĩa Sức mạnh đường tín hiệu tất khéo léo nhúng cấu trúc tảng Sân trục tốc độ điều khiển, tốc độ quay số tiền tương ứng rocker sân trục, lớn số lượng xoay tốc độ nhanh a.Tarot t2-2d: Hỗ trợ máy tính giao diện hoạt động thiết lập Xây dựng- IMU mô-đun Tarot đặc biệt PTZ servo ổ đĩa mô-đun Av đầu giao diện Đầu vào rộng phạm vi hỗ trợ Hỗ trợ thông thường/s-bus nhận/DSM nhận SVTH: Minh, Quý, Lịch, Uy, Vĩnh 43 Đề tài: Ứng dụng Flycam khảo sát địa hình khí tượng dựa vào arduino b Thiết bị ngoại vi: Hỗ trợ máy ảnh loại: GOPRO hero3/hero4 kích thước trọng lượng máy ảnh Năng lượng đầu vào: 2s~6s pin lipo c Cơ khí/điện đặc điểm: Góc điều khiển xác:- 0,02 deg Tối đa kiểm sốt tốc độ: Cán hướng( nghiêng): 200 ~/s Sân hướng( nghiêng) tại:-120 deg đến +15 deg Làm việc hành: 30mA( @25v) 50ma( @12v) Khóa rotor tại: 350mA( @25v) 700mA( @12v) Nhiệt độ làm việc:-20 độ c độ c ~50 Trọng lượng: 109g Kích thước: 99mm* 95mm* 105.6mm d Phần mềm yêu cầu cài đặt: Cửa sổ xp; Vista Windows; Windows 7; 8( 32 64 bit); cửa sổ; e Thông số kỹ thuật Hai trục không chổi than pan* PTZ module điều khiển* Chảo tổng thể với chân máy đầu thể kết nối dòng x 5V đầu ra, nhận video dòng x Usb mơ-đun* Các chuyến bay Cáp điều khiển* Đóng gói hộp* SVTH: Minh, Quý, Lịch, Uy, Vĩnh 44 Đề tài: Ứng dụng Flycam khảo sát địa hình khí tượng dựa vào arduino 4.1.8.Camera Hình: 4.8 Camera 4K Ultra HD EKEN a.Thông số kỹ thuật sản phẩm Camera Hành Trình 4K Ultra HD Wifi: Video : 4K (3840 * 2160) 25fps 2K (2560 * 1440) 30fps 1920 * 1080 60fps 1280 * 720 60fps Định dạng video: MP4 Hỗ trợ wifi : Có Video Mode Recording: Vòng Recording Độ phân giải : 16M/12M/8M/5M/2M Định dạng ảnh: JPEG Burst : ảnh giây Xem lại video : Có Chế độ chụp: Độc thân Shot / Hẹn / chụp liên tục Time Lapse: 2s, 3s, 5s, 10s 20s, 30s, 60 Góc quay : 170 độ Hệ điều hành hỗ trợ : Windows xp//Win7/Win /Mac os Không thấm nước: Lên đến 3m Màn hình: 2-inch LTPS LCD SVTH: Minh, Quý, Lịch, Uy, Vĩnh 45 Đề tài: Ứng dụng Flycam khảo sát địa hình khí tượng dựa vào arduino Dung lượng Pin: 1050mAh với thời gian quay 1,5 Input Audio: Microphone Đầu âm thanh: Loa HDMI Output : Có USB Interfac: USB 2.0, Pin USB Lưu Trữ: Đến 64GB Loại Pin: Sử dụng pin sạc với nguồn điện 3,7V 900mAh Trọng lượng : Dài x Rộng x Cao = 29.8*59.2*41mm 4.2 ĐI DÂY SETUP MẠCH NAZA 4.2.1 Sơ đồ mạch naza Hình 4.9 sơ đồ dây SVTH: Minh, Quý, Lịch, Uy, Vĩnh 46 Đề tài: Ứng dụng Flycam khảo sát địa hình khí tượng dựa vào arduino 4.2.2 Setup mạch naza Hình 4.10 kiểm tra tay điều khiển Hình 4.11 chon hướng cánh quạt flycam SVTH: Minh, Quý, Lịch, Uy, Vĩnh 47 Đề tài: Ứng dụng Flycam khảo sát địa hình khí tượng dựa vào arduino Hình 4.12 đo mạch cân gps theo trục xyz Hình 4.13 chọn tay điều khiển sử dụng SVTH: Minh, Quý, Lịch, Uy, Vĩnh 48 Đề tài: Ứng dụng Flycam khảo sát địa hình khí tượng dựa vào arduino Hình 3.14 điều chỉnh chế đọ bay cho ổn định tính cân cho người lái Hình 4.15 cài đặt máy bay tín hiệu quay trở lại vị trí xuất phát SVTH: Minh, Quý, Lịch, Uy, Vĩnh 49 Đề tài: Ứng dụng Flycam khảo sát địa hình khí tượng dựa vào arduino Hình 4.16 chọn loại pin sử dụng máy bay SVTH: Minh, Quý, Lịch, Uy, Vĩnh 50 Đề tài: Ứng dụng Flycam khảo sát địa hình khí tượng dựa vào arduino Chương 5: Ý TƯỞNG KHẢO SÁT KHÍ TƯỢNG BẰNG ADUINO 5.1 TÌNH TRẠNG MƠI TRƯỜNG VÀ KHÍ TƯỢNG HIỆN NAY Biến đổi khí hậu ngun nhân đâu ? câu hỏi mà người quan tâm Do giới ngày phát triển với việc ngày tự động hóa nhiều xí nghiệp áp dụng, phương tiện giao thông ngày sử dụng rộng rãi để đáp ứng cho nhu cầu xã hội kéo theo phát triển ngày có nhiều khí thải thải vào bầu khí ( phần lớn khí ).Đó nguyên nhân gây biến đổi khí hậu Hình 5.1 Băng tan biến đổi khí hậu Dựa vào mạch aduino vài cảm biến xác định độ ẩm khơng khí q cao hay q thấp mạch aduino cảm biến thông báo số liệu cho người để dự đốn thời tiết nhằm kịp thời phòng tránh nguy hiểm khơng đáng có Hình 5.2 Mạch Ardiuno SVTH: Minh, Quý, Lịch, Uy, Vĩnh 51 Đề tài: Ứng dụng Flycam khảo sát địa hình khí tượng dựa vào arduino 5.2 GIỚI THIỆU VỀ ARDIUNO Arduino board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng ứng dụng tương tác với với môi trường thuận lợi Phần cứng bao gồm board mạch nguồn mở thiết kế tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, ARM Atmel 32bit Những Model trang bị gồm cổng giao tiếp USB, chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác Được giới thiệu vào năm 2005, Những nhà thiết kế Arduino cố gắng mang đến phương thức dễ dàng, khơng tốn cho người u thích, sinh viên giới chuyên nghiệp để tạo thiết bị có khả tương tác với mơi trường thông qua cảm biến cấu chấp hành Những ví dụ phổ biến cho người yêu thích bắt đầu bao gồm robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ phát chuyển động Đi với mơi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy máy tính cá nhân thơng thường cho phép người dùng viết chương trình cho Aduino ngơn ngữ C C++ Hình 5.3 Ardiuno 5.3 THÔNG SỐ KỸ THUẬT 5.3.1 Mạch cảm biến SVTH: Minh, Quý, Lịch, Uy, Vĩnh lập trình 52 Đề tài: Ứng dụng Flycam khảo sát địa hình khí tượng dựa vào arduino Hình 5.4 mạch ardiuno cảm biến Bảng 5.1 Cách đấu dây Arduino MQ2 A0 Aout VCC 5V GND GND 5.3.2 Mạch cảm biến độ ẩm Hình 5.5 mạch ardiuno cảm biến độ ẩm Bảng 5.2 Cách đấu dây Cảm biến độ ẩm đất Arduino UNO Vcc 5V GND GND D0 A0 A0 SVTH: Minh, Quý, Lịch, Uy, Vĩnh 53 Đề tài: Ứng dụng Flycam khảo sát địa hình khí tượng dựa vào arduino Chương 6: KẾT LUẬN 6.1.NHỮNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC Với mục tiêu đề tài đặt ra, qua trình thực hiện, nghiên cứu đạt kết sau: Về nghiên cứu lý thuyết: Đã có nghiên cứu nắm bắt cách tổng thể nguyên lý hoạt động, nguyên lý điều khiển, lý thuyết tổng quan động học, động lực học, khí động học mơ hình tốn thiết bị bay dạng Quadrocopter Về thiết kể khí: Thiết kế hồn chỉnh mơ hình khí phần mềm chun dụng Tiến hành mơ tính tốn ứng suất chuyển vị để đảm bảo độ bền, khả chịu moment xoắn, moment uốn Chế tạo mơ hình gia cơng đạt độ xác kích thước tối ưu khối lượng (1365g), tận dụng nguồn thiết bị vật liệu sẵn có thị trường Mơ hình đảm bảo u cầu kỹ thuật thẩm mỹ Về thiết kể điều khiển: Mạch điều khiển thiết kế phần mềm chun dụng , chương trình điều khiển mơ tính tốn trước thực Mạch có khả mở rộng kết nối thêm nhiều module khác Chương trình điều khiển viết hoàn chỉnh linh hoạt, cho phép điều khiển mơ hình Quadrocopter cất cánh, hạ cánh, quay trái, quay phải di chuyển theo hướng trước, sau, trái, phải Bộ điều khiển từ xa dùng truyền thông UART với mã điều khiển mở, dễ thay đổi, có khả mở rộng phát triển tốt lên ứng dụng điều khiển - giám sát có u cầu cao Xử lý tốt tín hiệu thu từ cảm biến quán tính IMU (gồm accelerometer gyroscope), áp dụng thành cơng lọc thuật tốn Kalman, khắc phục tốt vấn đề nhiễu, lấy kết đo gần với giá trị thực phục vụ cho việc điều khiển cân Áp dụng hiệu chỉnh PID, điều khiển phối hợp tốc độ động BLDC đạt kết đáp ứng cân tốt SVTH: Minh, Quý, Lịch, Uy, Vĩnh 54 Đề tài: Ứng dụng Flycam khảo sát địa hình khí tượng dựa vào arduino Chương trình kiểm tra giám sát trạng thái phần mem LabVIEW giao diện trực quan, sinh động, có khả mở rộng tính giám sát, thu nhận thêm hình ảnh, Hình 6.1 bay ổn định cân tốt 6.2 NHỮNG KẾT QUẢ CHƯA ĐẠT ĐƯỢC VÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC Bên cạnh kết đạt được, đề tài tồn tại, hạn che cần phải khắc phục: Phần khung nhìn chung nặng, cần giảm xuống khoảng E1.2I