Nghiên cứu ứng dụng cảm biến góc và thiết kế hệ thống chấp hành cho mô hình máy bay 4 cánh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA CƠ KHÍ o0o ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CẢM BIẾN GÓC VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHẤP HÀNH CHO MƠ HÌNH MÁY BAY CÁNH SVTH: NGUYỄN NHƯ CHIẾN MSSV: 51130128 LỚP: 51CKCD GVHD: Th.S VŨ THĂNG LONG Khánh Hòa, tháng 07 năm 2013 Ket-noi.com kho tai MỤC lieu mien phi LỤC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT .7 DANH MỤC CÁC BẢNG 13 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH MÁY BAY CÁNH (QUADROTOR) .14 1.1 TỔNG QUAN VỀ MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI .15 1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA MÁY BAY QUADROTOR .18 1.3 MỤC TIÊU VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 23 1.3.1 Mục tiêu 23 1.3.2 Giới hạn đề tài 23 1.4 YÊU CẦU HỆ THỐNG 24 1.4.1 Yêu cầu kết cấu khí 24 1.4.2 Yêu cầu hệ thống điều khiển 24 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 25 2.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26 2.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 27 2.2.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển quadrotor 27 2.2.2 Cảm biến gia tốc cảm biến vận tốc góc 30 2.2.2.1 Con quay hồi chuyển 30 a Giới thiệu quay hồi chuyển 30 b Đặc điểm quay hồi chuyển 31 2.2.2.2 Cảm biến gia tốc 32 2.2.2.3 Cảm biến gia tốc vận tốc góc MPU6050 32 a Giới thiệu cảm biến MPU6050 .32 b Tính cảm biến MPU6050 33 c Chiều hướng cảm biến .34 d Thông tin ứng dụng MPU6050 35 e Sơ đồ chân cảm biến .36 f Sơ đồ mạch để MPU6050 hoạt động 36 2.2.2.4 Xác định góc nghiêng từ cảm biến MPU6050 37 2.2.2.5 Giao tiếp với MPU6050 I2C 39 2.2.2.6 Đọc liệu từ cảm biến hiển thị LCD 42 2.2.3 Hệ thống điều khiển từ xa .44 2.2.3.1 Giới thiệu chung .44 2.2.3.2 Mã hóa, giải mã giữ liệu truyền thông RF .46 2.2.3.3 Một số phương pháp điều chế tín hiệu xung 48 a Điều chế giải điều chế biên độ xung PAM (pulse amplitude modulation) 48 b Điều chế giải điều chế PWM/PPM 51 Trang 2.2.3.4 Gamepad điều khiển từ xa 55 a Tổng quan Gamepad 55 b Tx (Transmitter) máy phát sóng Rx (Receiver) máy thu sóng 57 c Cài đặt thông số điều khiển từ xa trước sử dụng 58 d Hiển thị giá trị kênh thu qua xử lý LCD 62 2.2.4 Motor Brusless, Electric speed controller (ESC) cánh quạt .65 2.2.4.1 Motor Brusless cánh quạt 65 a Motor Brusless .65 b Cánh quạt .69 2.2.4.2 ESC 70 2.2.4.3 Điều khiển động chiều không chổi than 72 2.2.4.4 Pin 73 2.2.5 Thiết kế, chế tạo phần khí 74 2.2.5.1 Cơ sở lý thuyết 74 2.2.5.2 Vật liệu dụng cụ liên quan .74 2.2.5.3 Tiến hành thiết kế, chế tạo 76 2.2.6 Thiết kế, chế tạo phần điều khiển 77 2.2.6.1 Cơ sở lý thuyết 77 a AVR 77 b Điện trở 77 c Tụ điện 78 2.2.6.2 Thiết kế 79 a Mạch thử nghiệm hiển thị thông số cảm biến điêu khiển từ xa 79 b Mạch điều khiển 80 2.2.6.3 Chế tạo 83 a Vẽ mạch in 83 b In mạch lên mạch đồng 83 c Hàn linh kiện kiểm tra mạch 83 d Bảo vệ mạch 84 e Lắp ráp mạch lên khung 84 f Sản phẩm thực tế .85 2.2.6.4 Giải thuật đo lường điều khiển 86 a Nhận xử lý tín hiệu từ điều khiển từ xa .86 b Đọc tín hiệu từ cảm biến MPU6050 .88 c Giải thuật PID 89 d Chương trình 90 CHƯƠNG THỬ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 91 3.1 KIỂM TRA TRƯỚC KHI BAY 92 3.1.1 Kiểm tra trước đưa vào hoạt động 92 3.1.1.1 Kiểm tra nguồn 92 3.1.1.2 Kiểm tra điều khiển từ xa 93 Trang Ket-noi.com kho tai lieu mien phi 3.1.1.3 Kiểm tra cảm biến 94 3.1.1.4 Kiểm tra ESC động 94 3.1.1.5 Kiểm tra phần khí 94 3.1.2 Cài đặt thông số 94 3.2 Q TRÌNH HỒN THIỆN CÁC THIẾT KẾ CHO MƠ HÌNH QUADROTOR .95 3.2.1 Thiết kế .95 3.2.2 Thiết kế .97 3.2.3 Thiết kế .98 3.2.4 Mơ hình hoạt động thiết kế 99 3.2.4.1 Thử nghiệm lần 99 3.2.4.2 Thử nghiệm lần 100 3.2.4.3 Thử nghiệm lần 102 3.3 BẢNG THÔNG SỐ SAU KHI CHẠY THỬ HỆ THỐNG 103 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 104 4.1 KẾT LUẬN 105 4.1.1 Kết đạt 105 4.1.2 Kết chưa đạt 105 4.2 ĐỀ XUẤT 105 4.2.1 Đề xuất phần cứng 105 4.2.2 Đề xuất phần mềm 105 4.2.3 Đề xuất hệ thống .105 TÀI LIỆU THAM KHẢO 106 PHỤ LỤC 107 Trang LỜI NÓI ĐẦU - - Trong công đổi đất nước, với mục tiêu chiến lược Công nghiệp hóa - đại hóa, đưa kinh tế phát triển với tốc độ cao nhằm sánh vai với quốc gia phát triển giới, lĩnh vực tự động hóa đóng vai trò quan trọng Ngày với ứng dụng khoa học kỹ thuật tiên tiến, giới ngày thay đổi văn minh đại Sự phát triển kỹ thuật điện tử tạo hàng loạt thiết bị với đặc điểm bật độ xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ, yếu tố cần thiết góp phần cho hoạt động người đạt hiệu cao Nó trở thành nghành khoa học đa nhiệm vụ chủ chốt Cơ điện tử lĩnh vực mới, nghành có hội tụ đúc kết ba chuyên nghành khí xác, tin học điện tử tư hệ thống thiết kế mà sản phẩm cuối hệ thống tự động hóa góp phần giải phóng sức lao động người Đối với sinh viên Cơ điện tử để làm quen với hệ thống máy móc, cơng nghệ bên ngồi q trình học lý thuyết kèm với thực tế cần thiết Với lòng đam mê, u thích với mong muốn tạo sản phẩm thay người tiếp cận với vùng nguy hiểm độc hại, phục vụ cho người công việc mà người đáp ứng quan sát núi lửa, kiểm tra môi trường, gieo trồng, phun thuốc trừ sâu nông nghiệp em định chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng cảm biến góc thiết kế hệ thống chấp hành cho mơ hình máy bay cánh ” làm đề tài nghiên cứu Nội dung để tài gồm chương: Chương I: Tổng quan máy bay cánh (quadrotor) Chương II: Nội dung nghiên cứu Chương III: Thử nghiệm đánh giá kết Chương IV: Kết luận – hướng phát triển đề tài Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô nhà trường, thầy cô khoa Trang Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Cơ khí tận tình giúp đỡ chúng em suốt năm qua, thầy cô trang bị cho chúng em kiến thức quý báu để làm hành trang bước vào đời Em xin chân thành cảm ơn thầy ThS Vũ Thăng Long thầy cô môn Cơ điện tử – Khoa Cơ khí – ĐH Nha Trang, tồn thể bạn lớp 51CKCD hướng dẫn tận tình đóng góp ý kiến quý báu suốt trình thực đề tài để cuối em hồn thành đề tài thời gian đặt Vì kiến thức hạn chế nên q trình thực khơng khỏi mắc phải sai sót, đề tài nhiều hạn chế, lời nhận xét, góp ý bổ sung nhằm hoàn thiện đề tài thầy, bạn điều vô quý giá em Xin chân thành cám ơn! Khánh Hòa, tháng năm 2012 Sinh viên NGUYỄN NHƯ CHIẾN Trang KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT Viết tắt PWM Tiếng Anh Ý nghĩa Quadrotor Máy bay động Pulse Width Modulation Phương pháp điều biến độ rộng xung PPM Pulse Position Modulation Phương pháp điều biến vị trí xung ESC BLDC Electric Speed Controller Brushless DC Bộ điều tốc Dộng điện chiều không chổi than Gyro Gyroscope TCNTx Vận tốc góc Thanh ghi chứa giá trị đếm định thời x Receiver Bộ nhận sóng Servo Bộ chuyển đổi xung PWM thành chuyển động học với vị trí tương ứng độ rộng xung Falling Cạnh xuống tín hiệu Rising Cạnh lên tín hiệu Toggle Sự thay đổi mức logic từ lên từ xuống Trang Ket-noi.com kho DANH tai MỤC lieu mien phi CÁC HÌNH Hình 1.1 Phân loại vật thể bay 15 Hình 1.2 Máy bay trực thăng 16 Hình 1.3 Khả chuyển hướng máy bay trực thăng 17 Hình 1.4 Máy bay Quadrotor 17 Hình 1.5 Khả chuyển hướng máy bay Quadrotor 18 Hình 1.6 Breguet- Richet Gyroplane No 18 Hình 1.7 Quadrotor Etienne Oemichen 19 Hình 1.8 Bạch tuộc bay 19 Hình 1.9 Convertawings Model A 20 Hình 1.10 Draganflyer 20 Hình 1.11 Quattrocopter .21 Hình 1.12 X4- flyer Mark II 21 Hình 1.13 STARMAC 22 Hình 1.14 Quadrotor made in SPKT 23 Hình 2.1 Sơ đồ điều khiển Quadrotor 27 Hình 2.2 Lực đẩy moment quadrotor .27 Hình 2.3 Bay lên cao hạ xuống thấp 28 Hình 2.4 Quay ngược chiều kim đồng hồ 28 Hình 2.5 Di chuyển sang trái 29 Hình 2.6 Di chuyển sau tiến trước 29 Hình 2.7 Bay ổn định chỗ 30 Hình 2.8 Con quay hồi chuyển .31 Hình 2.9 Cảm biến MPU6050 33 Hình 2.10 Chiều vận tốc góc gia tốc góc MPU6050 34 Hình 2.11 Sơ đồ khối MPU6050 35 Hình 2.12 Sơ đồ chân MPU6050 36 Trang Hình 2.13 Sơ đồ mạch nguyên lý để MPU6050 hoạt động 36 Hình 2.14 Xác định góc nghiêng vận tốc góc theo gia tốc vận tốc góc 37 Hình 2.15 Xác định góc nghiêng vận tốc góc riêng biệt theo vận tốc góc 37 Hình 2.16 Cách tính góc nghiêng từ gia tốc 38 Hình 2.17 Mơ tả cách xác định góc nghiêng kết hợp gia tốc vận tốc góc 38 Hình 2.18 Kết nối Master Slave 39 Hình 2.19 Trạng thái lấy mẫu bit liệu SDA 39 Hình 2.20 Tín hiệu xung SCL SDA .40 Hình 2.21 Đọc byte đơn .41 Hình 2.22 Đọc nhiều byte .41 Hình 2.23 Truyền byte đơn 41 Hình 2.24 Truyền nhiều byte 41 Hình 2.25 Cảm biến nằm mặt phẳng ngang mặt phẳng đứng 42 Hình 2.26 Cảm biến nghiêng theo trục X .43 Hình 2.27 Cảm biến nghiêng theo trục Y .43 Hình 2.28 Sơ đồ truyền thơng 44 Hình 2.29 Điều chế AM .47 Hình 2.30 Điều chế FM 47 Hình 2.31 Lấy mẫu tự nhiên lấy mẫu .48 Hình 2.32 Điều chế theo phương pháp lấy mẫu tự nhiên .48 Hình 2.33 Điều chế lấy mẫu 49 Hình 2.34 Lấy mẫu 49 Hình 2.35 Q trình khơi phục lại tín hiệu tương tự 50 Hình 2.36 Sơ đồ giải điều chế tín hiệu PAM .51 Hình 2.37 Tín hiệu PAM/PWM/PPM 52 Hình 2.38 Sơ đồ khối điều chế PWM 52 Hình 2.39 Các dạng sóng điều chế PWM/PPM 53 Trang Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Hình 2.40 Sơ đồ khối điều chế PPM .53 Hình 2.41 Bộ giải điều chế PWM 54 Hình 2.42 Bộ giải điều chế PPM 54 Hình 2.43 Các dạng xung tín hiệu 55 Hình 2.44 Bộ điều khiển từ xa 56 Hình 2.45 Rx (bộ thu tín hiệu) 56 Hình 2.46 Đầu máy thu sóng .56 Hình 2.47 Giao diện chương trình T6config 59 Hình 2.48 Chọn comport 59 Hình 2.49 Thiết lập độ rộng kênh 59 Hình 2.50 Chỉnh cần gạt tinh chỉnh kênh 60 Hình 2.51 Chọn vị trí kênh 60 Hình 2.52 Chọn mơ hình máy bay 61 Hình 2.53 Thiết lập đồ thị kênh ga .61 Hình 2.54 Chỉnh cơng tắc đóng mở kênh 61 Hình 2.55 Giá trị kênh CH1 vị trí 62 Hình 2.56 Kênh CH1 vị trí bên trái 62 Hình 2.57 Kênh CH1 vị trí bên phải 63 Hình 2.58 Kênh CH2 vị trí 63 Hình 2.59 Kênh CH2 vị trí phía trước .63 Hình 2.60 Kênh CH2 vị trí phía 64 Hình 2.61 Kênh CH3 vị trí thấp 64 Hình 2.62 Kênh CH3 vị trí cao 64 Hình 2.63 Động BLDC inrunner .66 Hình 2.64 Động BLDC outrunner 66 Hình 2.65 Tín hiệu PWM điều khiển đưa vào ESC .66 Hình 2.66 Các dạng sức điện động động chiều không chổi thang .67 Trang 10 Ket-noi.com kho tai lieu mien phi - Gia công xác phần khí để quadrotor hoạt động ổn định TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt [1] Nguyễn Bá Vương, “Giáo trình điện tử bản” - Trường Đại học Nơng lâm Tp Hồ Chí Minh [2] Trần Văn Hùng, “Thiết kế board giao tiếp” - Trường Đại học Nha Trang [3] Đặng Lê Khoa (2009), “Bài giảng Truyền thông không dây” - Trường Đại học KHTN - ĐHQG.Tp.Hồ Chí Minh [4] Ngơ Dun Tập (Hà Nội - 2003), “Kỹ thuật ứng dụng vi điều khiển AVR” Nhà xuất khoa học kỹ thuật [5] Đỗ Thành Duy Lê Đoàn Bắc Đẩu (2013) “Nhiên cứu thiết kế mơ hình xe hai bánh tự cân bằng” - Đại học Cần Thơ [6] Trần Trung Tín (2012), “Nghiên cứu giải thuật điều khiển mơ hình bay động cơ” - Đại Học Cần Thơ [7] Lâm Ngọc Tâm (Đà Nẳng - 2012), “Thiết kế chế tạo mơ hình máy bay quadrotor” - Trường Đại học Bách khoa [8] Mai Tuấn Đạt (2005), “Xe hai bánh tự cân địa hình phẳng” - Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh [9] Nguyễn Hải Đăng Tâm, Nguyễn Lê Nhật Thắng, “Nghiên cứu chế tạo máy bay cánh quạt "Quadrotor made in SPKT" – Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tài liệu tiếng Anh [10] Syed Ali Raza and Wail Gueaieb (2010), “Intelligent Flight Control of an Autonomous Quadrotor” - University of Ottawa, Canada Tài liệu Internet [11] http://playground.arduino.cc/Main/MPU-6050 [12] http://www.clbmohinh.com/forum/D%C3%A0nh-chong%C6%B0%E1%BB%9Di-m%E1%BB%9Bi-b%E1%BA%AFt%C4%91%E1%BA%A7u-f102.aspx [13] http://svptit.vn/@forum/thao-luan-chuyen-nganh-dien-dien-tu/43659-tonghop-kien-thuc-ve-cac-thiet-bi-dien-dung-trong-rc.ptit [14] http://tailieu.vn/xem-tai-lieu/song-am-va-song-fm.543541.html [15] http://4tech.com.vn/forums/showthread.php/2779-Nguy%C3%AAnl%C3%BD-ph%C3%A1t-s%C3%B3ng-AM-FM [16] http://www.clbmohinh.com [17] http://www.hocavr.com/index.php/lectures/ngatngoai [18] http://xommohinh.com/multicopter-f15.html [19] http://spkt.net/threads/nghien-cuu-che-tao-may-bay-4-canh-quatquadrotor-made-in-spkt.12283/ Trang 106 PHỤ LỤC //================= Chương trình Vi điều khiển ================= //= Phần khai báo =============================================== #include #include #include #include #include //============================================================ int ACCEL_XOUT_H, ACCEL_XOUT_L, ACCEL_YOUT_H, ACCEL_YOUT_L, ACCEL_ZOUT_H, ACCEL_ZOUT_L; int GYRO_XOUT_H, GYRO_XOUT_L, GYRO_YOUT_H, GYRO_YOUT_L, GYRO_ZOUT_H, GYRO_ZOUT_L; int ACCEL_X_DATA, ACCEL_Y_DATA, ACCEL_Z_DATA, GYRO_X_DATA, GYRO_Y_DATA, GYRO_Z_DATA ; char Data[10] ; int data_temp, X_ACCEL, Y_ACCEL, Z_ACCEL, X_GYRO, Y_GYRO, Z_GYRO, ACCEL_ANGLE_Y, GYRO_RATE_RADIAN; unsigned int RxChannel1Start, RxChannel2Start, RxChannel3Start; volatile unsigned int RxChannel1, RxChannel2, RxChannel3, RxChannel4; int m, n, CH1, CH2, CH3, f, g, y, o, x, r, q, e, l, j, PID_GX, PID_GY, PID_X_GYRO, PID_Y_GYRO; //============================================================ #define MPU6050_DEFAULT_ADDRESS 0x68 //============================================================ #define MPU6050_RA_CONFIG 0x1A #define MPU6050_RA_SMPLRT_DIV 0x19 Trang 107 Ket-noi.com kho tai lieu0x1Bmien phi #define MPU6050_RA_GYRO_CONFIG #define MPU6050_RA_ACCEL_CONFIG 0x1C #define MPU6050_RA_PWR_MGMT_1 0x6B #define MPU6050_RA_ACCEL_XOUT_H 0x3B #define MPU6050_RA_ACCEL_XOUT_L 0x3C #define MPU6050_RA_ACCEL_YOUT_H 0x3D #define MPU6050_RA_ACCEL_YOUT_L 0x3E #define MPU6050_RA_ACCEL_ZOUT_H 0x3F #define MPU6050_RA_ACCEL_ZOUT_L 0x40 #define MPU6050_RA_GYRO_XOUT_H 0x43 #define MPU6050_RA_GYRO_XOUT_L 0x44 #define MPU6050_RA_GYRO_YOUT_H 0x45 #define MPU6050_RA_GYRO_YOUT_L 0x46 #define MPU6050_RA_GYRO_ZOUT_H 0x47 #define MPU6050_RA_GYRO_ZOUT_L 0x48 //============================================================ // I2C Bus functions #asm equ i2c_port=0x12 ;PORTD equ sda_bit=1 equ scl_bit=0 #endasm #include //============================================================ void khoi_tao(void) { PORTA=0x00; Trang 108 DDRA=0x00; PORTB=0x00; DDRB=0x70; PORTC=0x00; DDRC=0x00; PORTD=0x00; DDRD=0x00; PORTE=0x00; DDRE=0x18; PORTF=0x00; DDRF=0x00; PORTG=0x00; DDRG=0x00; ASSR=0x00; TCCR0=0x6E; TCNT0=0x00; OCR0=0x00; TCCR1A=0xA3; TCCR1B=0x0C; TCNT1H=0x00; TCNT1L=0x00; ICR1H=0x00; ICR1L=0x00; OCR1AH=0x00; OCR1AL=0x00; OCR1BH=0x00; Trang 109 Ket-noi.com kho tai lieu mien phi OCR1BL=0x00; OCR1CH=0x00; OCR1CL=0x00; TCCR2=0x00; TCNT2=0x00; OCR2=0x00; TCCR3A=0xA3; TCCR3B=0x0C; TCNT3H=0x00; TCNT3L=0x00; ICR3H=0x00; ICR3L=0x00; OCR3AH=0x00; OCR3AL=0x00; OCR3BH=0x00; OCR3BL=0x00; OCR3CH=0x00; OCR3CL=0x00; EICRA=0x00; EICRB=0x54; EIMSK=0xE0; EIFR=0xE0; TIMSK=0x00; ETIMSK=0x00; Trang 110 ACSR=0x80; SFIOR=0x00; // I2C Bus initialization i2c_init(); #asm("sei") } //============================================================ //= Đọc Tín hiệu từ Rx ============================================ interrupt [EXT_INT5] void ext_int5_isr(void) { if ( PINE.5) { RxChannel1Start = TCNT1; } else { RxChannel1 = TCNT1 - RxChannel1Start; } } //============================================================ interrupt [EXT_INT6] void ext_int6_isr(void) { if ( PINE.6) { RxChannel2Start = TCNT1; } Trang 111 Ket-noi.com kho tai lieu mien phi else { RxChannel2 = TCNT1 - RxChannel2Start; } } //============================================================ interrupt [EXT_INT7] void ext_int7_isr(void) { if ( PINE.7) { RxChannel3Start = TCNT1; } else { RxChannel3 = TCNT1 - RxChannel3Start; } } //============================================================ void doc_kenh (void) { CH1=RxChannel1%100; CH2=RxChannel2%100; CH3=RxChannel3%100; } //============================================================ //= Đọc cảm biến MPU6050 ======================================== /* read a byte from the EEPROM */ Trang 112 unsigned char READ_REGISTER(unsigned char slave_addr ,unsigned char address) { unsigned char data; i2c_start(); i2c_write(slave_addr