Nghiên cứu khảo sát ổn định máy bay không người lái nhiều chong chóng mang

TRẤN HOÀNG LINH BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN HOÀNG LINH KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGHIÊN CỨU, KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH MÁY BAY KHƠNG NGƯỜI LÁI NHIỀU CHONG CHĨNG MANG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC CLC2017A HÀ NỘI – 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN HOÀNG LINH NGHIÊN CỨU, KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH MÁY BAY KHƠNG NGƯỜI LÁI NHIỀU CHONG CHĨNG MANG Chun ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS LÊ THỊ TUYẾT NHUNG HÀ NỘI – 2018 i CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Trần Hoàng Linh Đề tài luận văn: Nghiên cứu, khảo sát ổn định máy bay khơng người lái nhiều chong chóng mang Chun ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực Mã số HV: CAC17002 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 30/10/2018 với nội dung sau: - Đổi tên Chương 7: Kết thảo luận - Sửa chữa lỗi tả, đánh số lại cơng thức - Trích dẫn tài liệu tham khảo - Trình bày lại đồ thị Ngày 03 tháng 12 năm 2018 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG i LỜI CAM ĐOAN Tôi – Trần Hoàng Linh, học viên lớp Cao học Kỹ thuật Cơ khí Động lực khóa CLC2017A Trường Đại học Bách khoa Hà Nội – cam kết luận văn công trình nghiên cứu thân tơi hướng dẫn TS Lê Thị Tuyết Nhung – Viện Cơ khí Động lực – Đại học Bách khoa Hà Nội Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn xin chịu trách nhiệm nghiên cứu Hà Nội, ngày 30 tháng 10 năm 2018 Tác giả Trần Hoàng Linh ii Xác nhận giáo viên hướng dẫn mức độ hoàn thành luận văn tốt nghiệp cho phép bảo vệ: …………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Giảng viên hướng dẫn TS Lê Thị Tuyết Nhung iii TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU, KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI NHIỀU CHONG CHĨNG MANG Tóm tắt: Thực nghiệm có vai trò quan trọng việc nghiện cứu phát triển UAV Những thiết bị thường chế tạo linh kiện tốn Do đó, phương pháp mô bay UAV áp dụng nhằm mục đích giảm thiểu chi phí rủi ro q trình thực nghiệm Dữ liệu bay có từ q trình bay thực tế hay bay mơ đánh giá chất lượng thông qua số tiêu chuẩn Dữ liệu việc đánh giá giúp điều chỉnh thông số bay mạch điều khiển cho phù hợp với phần cứng tăng tính ổn định hệ thống Phạm vi luận văn tốt nghiệp tìm hiểu phương pháp mô UAV phần mềm X-plane, trình bày bước thực trình kết nối với phần mềm để thực chuyến bay ảo khảo sát tính ổn định mẫu Quadcopter từ liệu bay thu Từ khóa: UAV: Unmanned Aerial Vehicle (máy bay không người lái), Drone (máy bay không người lái có nhiều motor gắn với chong chóng mang), Multicopter (máy bay khơng người lái dạng nhiều chong chóng mang) STUDY THE STABILITY OF MULTICOPTER UNMANNED AERIAL VEHICLE Abstract: Experiment plays a critical role in research and development of UAV These type of vehicle ordinarily is made of expensive components Therefore, flying simulation method is applied in order to reduce risk and cost in experimenting process Data recorded from real or simulating experiment flight is evaluated by certain standards Evaluating data helps adjust flight control parameters corresponding to hardware configuration as well as improve stability of the system In this project, we study the method of UAV simullation on X-Plane software, step by step from software – hardware connection to evaluating the stability of a Quardcopter from flight data Keywords:.UAV (Unmanned Aerial Vehicle), Drone, Multicopter iv MỤC LỤC TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN .iv DANH MỤC HÌNH ẢNH .v DANH MỤC BẢNG vi LỜI MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Sơ lược UAV .3 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Phân loại .3 1.1.3 Ứng dụng 1.2 Giới thiệu phần mềm X-Plane 10 1.2.1 Phần mềm X-Plane 10 1.2.1 Module Plane Maker - X-Plane 10 11 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 13 2.1 Các hệ quy chiếu sử dụng nghiên cứu Quadcopter 13 2.2 Động lực học Quadcopter 13 2.2.1 Hệ tọa độ 13 2.2.2 Motor 14 2.2.3 Lực tác dụng .15 2.2.4 Mô men 16 2.2.5 Phương trình chuyển động .18 2.2.6 Bộ điều khiển ổn định bay 19 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG KHẢO SÁT 23 3.1 Hệ thống phần mềm .23 3.1.1 X-Plane 10 23 3.1.2 Phần mềm Mission Planner 23 3.2 Hệ thống phần cứng .24 3.2.1 Mạch điều khiển APM .24 vii 3.2.2 TX, RX, jump kết nối .26 3.3 Sơ đồ kết nối hệ thống 26 CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ MỘT MẪU QUADCOPTER TRÊN PLANE MAKER 28 4.1 Tìm hiểu thơng số chi tiết mẫu Quadcopter .28 4.1.1 Các phận mẫu Quadcopter 28 4.1.2 Thông số tải trọng 28 4.1.2 Thông số động .28 4.1.3 Thông số cánh quạt 29 4.1.4 Thông số khung Quadcopter 30 4.2 Thiết kế Plane Maker .31 4.2.1 Thiết kế thân .31 4.2.2 Thiết kế tay arm .31 4.2.3 Thiết kế động cánh quạt: 32 4.2.4 Thiết kế đáp .35 4.3 Hoàn thiện mẫu máy bay .35 CHƯƠNG V: KHẢO SÁT VÀ THU THẬP DỮ LIỆU BAY 38 5.1 Quy trình khảo sát 38 5.1.1 Cài đặt Mission Planner 38 5.1.2 Cài đặt X-Plane 10 39 5.1.3 Tiến hành khảo sát 40 5.1.4 Điều chỉnh hệ số PID .43 5.2 Xử lí kết 44 CHƯƠNG VI: CÁC TIÊU CHUẨN ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG BAY .47 6.1 Tiêu chuẩn đánh giá ổn định khí 47 6.2 Tiêu chuẩn đánh giá ổn định dao động theo phương 47 6.3 Tiêu chuẩn đánh giá độ xác la bàn .49 6.4 Tiêu chuẩn đánh giá độ xác tín hiệu GPS 50 6.5 Tiêu chuẩn đánh giá độ ổn định thiết bị điện 50 CHƯƠNG VII: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 52 vii 7.1 Đánh giá theo tiêu chuẩn đánh giá ổn định khí 52 7.2 Đánh giá theo tiêu chuẩn ổn định dao động theo ba phương 54 7.2.1 Đánh giá máy bay bay mô theo tiêu chuẩn ổn định dao động theo phương 54 7.2.2 Đánh giá máy bay bay thực tế theo tiêu chuẩn ổn định dao động theo phương .58 7.3 Đánh giá theo tiêu chuẩn độ xác la bàn 61 7.4 Đánh giá theo tiêu chuẩn độ xác tín hiệu GPS 62 7.5 Đánh giá theo tiêu chuẩn độ ổn định thiết bị điện .62 KẾT LUẬN .65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: UAV dạng nhiều chong chóng mang (multicopters) .4 Hình 2: UAV dạng cánh .4 Hình 3: UAV đĩa bay Hình 4: UAV trinh sát Tipchak Nga .6 Hình 5: UAV công CH-5 (Trung Quốc) .6 Hình 6: Ứng dụng UAV Supercam quan sát bảo vệ rừng Hình 7: Ứng dụng UAV quay phim Hình 8: UAV giao hàng hãng Amazon Hình 9: UAV cứu hộ Octocopter Lifeguard RTS Lab Hình 10: Cockpit Boeing 777 .9 Hình 11: Một mẫu tàu vũ trụ .10 Hình 12: Khung cảnh sân bay phần mềm 10 Hình 13: Hệ quy chiếu sử dụng cho Quadcopter 13 Hình 14: Giao diện khởi chạy X-Plane 10 23 Hình 15: Giao diện phần mềm Mission Planner .24 Hình 16: Mạch điều khiển APM 2.8 24 Hình 17: Mạch điều khiển APM số module kết nói động multirotor 25 Hình 18: Vị trí cổng kết nối bo mạch APM 2.8 26 Hình 19: Tay khiển FlySky FS-TH9X 2.4G .26 Hình 20: Động SUNNYSKY V2216-11 KV800 29 Hình 21: Cánh quạt 1045 29 Hình 22: 3D model khung quadcopter 30 Hình 23: Khung Quadcopter .30 Hình 24: Tay arm Q450 31 Hình 25: Thơng số thiết kế thân mẫu Quadcopter Q450 31 Hình 26: Thơng số tay arm mẫu Quadcopter 32 Hình 27: Thông số động cánh quạt mẫu Q450 33 Hình 28: Thơng số cánh quạt 34 Hình 29: Thơng số vỏ động 34 ix Chương 7: Kết thảo luận CHƯƠNG VII: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 7.1 Đánh giá theo tiêu chuẩn đánh giá ổn định khí Đồ thị 6: Đồ thị liệu cần thiết để đánh giá ổn định khí q trình bay Đánh giá độ ổn định khí thiết bị bay hành trình bay có đầy đủ chế độ mạch điều khiển: - Stabilize: bay ổn định có điều khiển Alt Hold: bay giữ độ cao RTL (Return-to-Launch): bay tự động vị trí Home Point Auto: bay tự động theo quỹ đạo Xét đồ thị hai thông số độ cao mong muốn (CTUN.Dalt) độ cao thực tế (CTUN.Alt) đo Accelerometer Barometer Đồ thị 7: Đồ thị CTUN.Dalt CTUN.Alt Hai đường biếu thị góc độ cao mong muốn (CTUN.Dalt) màu đỏ độ cao thực tế (CTUN.Alt) màu xanh sát Các giá trị cực đại, cực tiểu trung bình giống (Min -1; Max 14; Mean 10) Điều chứng tỏ máy bay đáp ứng tốt u cầu bay Khơng có tách hai đường có nghĩa từ đồ thị độ cao, khơng có dấu hiệu máy bay gặp lỗi khí 52 Chương 7: Kết thảo luận Xét đồ thị hai thơng số góc Roll mong muốn (ATT.DesRoll) góc Roll thực tế (ATT.Roll) Đồ thị 8: Đồ thị ATT.DesRoll ATT.Roll Hai đường góc Roll mong muốn (ATT.DesRoll) màu đỏ góc Roll thực tế (ATT.Roll) màu xanh giống Giá trị trung bình hai đường (Mean -1) Có thể kết luận máy bay đáp ứng tốt yêu cầu bay từ đồ thị góc Roll, khơng có dấu hiệu máy bay gặp lỗi khí 53 Chương 7: Kết thảo luận Xét đồ thị hai thơng số góc Pitch mong muốn (ATT.DesPitch) góc Pitch thực tế (ATT Pitch) Đồ thị 9: Đồ thị ATT.Des Pitch ATT Pitch Hai đường góc Pitch mong muốn (ATT.Des Pitch) màu đỏ góc Pitch thực tế (ATT Pitch) màu xanh có hình dạng giống Giá trị trung bình hai đường (Mean 0) Có thể kết luận máy bay đáp ứng tốt yêu cầu bay từ đồ thị góc Pitch, khơng có dấu hiệu máy bay gặp lỗi khí Từ đồ thị trên, ta kết luận máy bay đáp ứng tốt yêu cầu bay đáp ứng tiêu chuẩn đánh giá khí 7.2 Đánh giá theo tiêu chuẩn ổn định dao động theo ba phương 7.2.1 Đánh giá máy bay bay mô theo tiêu chuẩn ổn định dao động theo phương 7.2.1.1 Điều chỉnh hệ số PID máy bay q trình bay mơ Trước bay, giá trị PID phần mềm Mission Planner đặt cho mạch giá trị mặc định chung cho loại Quadcopter Thông số KV động trọng lượng mẫu Quadcopter khác Vậy nên để máy bay hoạt động ổn định, cần điều chỉnh hệ số cho phù hợp 54 Chương 7: Kết thảo luận Để điều chỉnh hệ số PID, cho máy bay bay mô X-plane Sau cất cánh, điều khiển máy bay chế độ AltHold (Giữ độ cao) Sau đó, chuyển từ chế độ AltHold sang chế độ “Autotune” Ở chế độ này, mạch tự điều chỉnh thông số PID để máy bay hoạt động ổn định Sau 15 phút, lây liệu mạch để phân tích Hệ số PID ban đầu mạch: Hình 49: Hệ số PID trước điều chỉnh PID 55 Chương 7: Kết thảo luận Hệ số PID mạch sau tiến hành điều chỉnh thông số PID chế độ “AutoTune” Hình 50: Hệ số PID trước điều chỉnh PID 7.2.1.2 Đánh giá máy bay bay mô theo tiêu chuẩn ổn định dao động theo phương Xét đồ thị giá trị gia tốc theo ba phương (AccX, AccY AccZ) chưa điều chỉnh hệ số PID: Đồ thị 10: Đồ thị giá trị gia tốc theo ba phương chưa điều chỉnh hệ số PID - - Gia tốc theo phương x (AccX) y (AccY) dao động khoảng từ 10.6m/s2 đến 10.7m/s2 (nằm khoảng từ -3 m/s2 đến m/s2 theo tiêu chuẩn) Gia tốc theo phương z (AccZ) dao động khoảng từ -50.2 m/s2 đến 20.3m/s2 (nằm khoảng từ -15 m/s2 đến -5 m/s2 theo tiêu chuẩn) Dựa theo tiêu chuẩn ổn định dao động theo ba phương xét với thông số gia tốc, máy bay hoạt động không ổn định trước điều chỉnh hệ số PID Xét đồ thị giá trị gia tốc theo ba phương (AccX, AccY AccZ) điều chỉnh hệ số PID chế độ AutoTune 15 phút: 56 Chương 7: Kết thảo luận Đồ thị 11: Đồ thị giá trị gia tốc theo ba phương sau điều chỉnh hệ số PID - - Gia tốc theo phương x (AccX) y (AccY) dao động khoảng từ 2.2m/s2 đến 2.3m/s2 (nằm khoảng từ -3 m/s2 đến m/s2 theo tiêu chuẩn) Gia tốc theo phương z (AccZ) dao động khoảng từ -14.7 m/s2 đến 4.5m/s2 (nằm khoảng từ -15 m/s2 đến -5 m/s2 theo tiêu chuẩn) Xuất đoạn đường AccZ nằm khoảng tiêu chuẩn ổn định máy bay chuyển chế độ bay Những đoạn đồ thị xuất hệ số PID điều chỉnh nhiều lần qua nhiều lần bay Dựa theo tiêu chuẩn ổn định dao động theo ba phương xét với thơng số gia tốc, đánh giá máy bay hoạt động ổn định sau điều chỉnh hệ số PID Xét đồ thị giá trị độ lệch chuẩn gia tốc theo ba phương (VibeX, VibeY VibeZ) trước điều chỉnh thông số PID: Đồ thị 12: Đồ thị độ lệch chuẩn gia tốc theo ba phương trước điều chỉnh PID - Độ lệch chuẩn theo phương x (VibeX) nhỏ 82m/s/s (lớn 60 m/s/s theo tiêu chuẩn) Độ lệch chuẩn theo phương y (VibeY) nhỏ 75 m/s/s (lớn 60 m/s/s theo tiêu chuẩn) Độ lệch chuẩn theo phương z (VibeZ) nhỏ 52m/s/s (nhỏ 60 m/s/s theo tiêu chuẩn) Dựa theo tiêu chuẩn ổn định dao động theo ba phương xét với thông số giá trị độ lệch chuẩn gia tốc, đánh giá máy bay hoạt động không ổn định trước điều chỉnh hệ số PID Xét đồ thị giá trị độ lệch chuẩn gia tốc theo ba phương (VibeX, VibeY VibeZ) sau điều chỉnh thông số PID: 57 Chương 7: Kết thảo luận Đồ thị 13: Đồ thị độ lệch chuẩn gia tốc theo ba phương sau điều chỉnh PID - Độ lệch chuẩn theo phương x (VibeX) nhỏ 29 m/s/s (nhỏ 60 m/s/s theo tiêu chuẩn) Độ lệch chuẩn theo phương y (VibeY) nhỏ 32 m/s/s (nhỏ 60 m/s/s theo tiêu chuẩn) Độ lệch chuẩn theo phương z (VibeZ) nhỏ 32 m/s/s (nhỏ 60 m/s/s theo tiêu chuẩn) Dựa theo tiêu chuẩn ổn định dao động theo ba phương xét với thông số giá trị độ lệch chuẩn gia tốc, đánh giá máy bay hoạt động ổn định sau điều chỉnh hệ số PID Sau tiến hành điều chỉnh hệ số PID X-plane thu liệu bay lần thứ nhất, tiếp tục thực q trình điều chỉnh cho lần bay mơ trước thực q trình ngồi thực tế Điều chỉnh hệ số PID mơ hình Quadcopter X-plane giúp tiết kiệm thời gian pin dùng để điều chỉnh hệ số PID thực tế Mặc dù vậy, trình điều chỉnh hệ số PID ngồi thực tế cần thiết hệ số PID có từ q trình mơ khơng hồn tồn xác máy bay bay thực tế 7.2.2 Đánh giá máy bay bay thực tế theo tiêu chuẩn ổn định dao động theo phương Đồ thị 14: Đồ thị gia tốc theo ba phương hành trình bay thực tế với đủ chế độ bay Đánh giá độ ổn định dao đơng theo ba phương thiết bị bay hành trình bay có chế độ bay giữ vị trí (PosHold) Các thơng số lấy phân tích gồm ba 58 Chương 7: Kết thảo luận giá trị gia tốc theo ba phương (AccX, AccY AccZ) ba giá trị độ lệch chuẩn gia tốc (Vibe) theo phương (VibeX, VibeY VibeZ) Máy bay cất cánh phút phút 8, hạ cánh phút phút 14 Tại thời điểm này, ta thấy có thay đổi mạnh giá trị gia tốc theo ba phương 59 Chương 7: Kết thảo luận Xét đồ thị giá trị gia tốc theo ba phương (AccX, AccY AccZ) Đồ thị 15: Đồ thị gia tốc theo ba phương chế độ PosHold - Gia tốc theo phương x (AccX) dao động khoảng từ -0.9m/s2 đến 1.1m/s2 (nằm khoảng từ -3 m/s2 đến m/s2 theo tiêu chuẩn) Gia tốc theo phương y (AccY) dao động khoảng từ -1.5 m/s2 đến 0.5 m/s2 (nằm khoảng từ -3 m/s2 đến m/s2 theo tiêu chuẩn) Gia tốc theo phương z (AccZ) dao động khoảng từ -10.6 m/s2 đến -9.0 m/s2 (nằm khoảng từ -15 m/s2 đến -5 m/s2 theo tiêu chuẩn) Dựa theo tiêu chuẩn ổn định dao động theo ba phương xét với thông số gia tốc, máy bay hoạt động ổn định 60 Chương 7: Kết thảo luận Xét đồ thị giá trị độ lệch chuẩn gia tốc theo ba phương (VibeX, VibeY, VibeZ) Đồ thị 16: Đồ thị độ lệch chuẩn gia tốc theo ba phương chế độ PosHold - Độ lệch chuẩn theo phương x (VibeX) nhỏ 10.7 m/s/s (nhỏ 60 m/s/s theo tiêu chuẩn) Độ lệch chuẩn theo phương y (VibeY) nhỏ 14.3 m/s/s (nhỏ 60 m/s/s theo tiêu chuẩn) Độ lệch chuẩn theo phương x (VibeX) nhỏ 17.6 m/s/s (nhỏ 60 m/s/s theo tiêu chuẩn) Dựa theo tiêu chuẩn ổn định dao động theo ba phương xét với thông số giá trị độ lệch chuẩn gia tốc, máy bay hoạt động ổn định 7.3 Đánh giá theo tiêu chuẩn độ xác la bàn Đánh giá độ xác la bàn thiết bị bay hành trình bay tự điều khiển tay Xét độ biến động cường độ từ trường mà mạch đo tăng ga Các thông số lấy phân tích gồm giá trị cường độ từ trường trung bình (MAG) giá trị ga Chanel điều khiển (CTUN.ThO R) Giá trị cường độ từ trường trung bình tính bậc hai tổng bình phương ba giá trị cường độ từ trường theo ba phương: MAG = √𝑀𝑎𝑔𝑋 + 𝑀𝑎𝑔𝑌 + 𝑀𝑎𝑔𝑍 Đồ thị 17: Đồ thị ga cường độ từ trường Trong đồ thị, cường độ từ trường (đường đỏ) chấp nhận Mag dao động ga tăng dao động không 20% (62% đến 77%), 30% Có thể kết luận la bàn hoạt động tốt 61 Chương 7: Kết thảo luận 7.4 Đánh giá theo tiêu chuẩn độ xác tín hiệu GPS Đánh giá độ xác tín hiệu GPS thiết bị bay hành trình bay có đầy đủ chế độ mạch điều khiển: Stabilize, Alt Hold, RTL (Returnto-Launch) Auto Các thơng số lấy phân tích gồm thông số số lượng vệ tinh (NSats) thơng số đặc trưng cho giảm độ xác theo phương ngang (Hdop-Horizontal dilution of precision) Đồ thị 18: Đồ thị NSats Hdop Số lượng vệ tinh (đường xanh) nằm khoảng từ 11 đến 16 (trên tiêu chuẩn vệ tinh) Máy bay có số lượng vệ tinh cần thiết để đảm bảo có tín hiệu GPS xác Thơng số Hdop dao động từ 0.66 đến 1.1 (