Thiết kế và chế tạo mô hình quadcopter để thu thập không ảnh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH QUADROCOPTER ĐỂ THU THẬP KHÔNG ẢNH Ngành : Kỹ thuật Cơ - Điện tử Chuyên ngành: Cơ Điện Tử Giảng viên hướng dẫn : ThS Nguyễn Thanh Bình Lớp : 13DCT01 Sinh viên thực : Nguyễn Hiếu Nghĩa 1311030137 Nguyễn Trung Tuấn 1311030239 TP Hồ Chí Minh, 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH QUADROCOPTER ĐỂ THU THẬP KHƠNG ẢNH Ngành : Kỹ thuật Cơ - Điện tử Chuyên ngành: Cơ Điện Tử Giảng viên hướng dẫn : ThS Nguyễn Thanh Bình Lớp : 13DCT01 Sinh viên thực : Nguyễn Hiếu Nghĩa 1311030137 Nguyễn Trung Tuấn 1311030137 TP Hồ Chí Minh, 2017 BM04/QT05/ĐT-KT Viện Kỹ thuật Hutech BẢN NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ĐỒ ÁN/ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP (GVHD nộp Bản nhận xét Văn phòng Viện) Họ tên sinh viên/ nhóm sinh viên giao đề tài (sĩ số nhóm……): (1) MSSV: ………………… Lớp: (2) MSSV: ………………… Lớp: (3) MSSV: ………………… Lớp: Ngành : Chuyên ngành : Tên đề tài: Tổng quát ĐA/KLTN: Số trang: Số chương: Số bảng số liệu: Số hình vẽ: Số tài liệu tham khảo: Phần mềm tính tốn: Số vẽ kèm theo: Hình thức vẽ: Hiện vật (sản phẩm) kèm theo: Nhận xét: a) Về tinh thần, thái độ làm việc sinh viên: b) Những kết đạt ĐA/KLTN: c) Những hạn chế ĐA/KLTN: Đề nghị: Được bảo vệ (hoặc nộp ĐA/KLTN để chấm)  Không bảo vệ  TP HCM, ngày … tháng … năm ……… Giảng viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) Ghi chú: Đính kèm Phiếu chấm điểm ĐA/KLTN I BM05/QT05/ĐT-KT Viện kỹ thuật Hutech BẢN NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN ĐỒ ÁN/ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP (GVPB nộp Bản nhận xét Văn phòng Viện) Họ tên sinh viên/ nhóm sinh viên giao đề tài (sĩ số nhóm……): (1) MSSV: ………………… Lớp: (2) MSSV: ………………… Lớp: (3) MSSV: ………………… Lớp: Tên đề tài: Nhận xét: a) Những kết đạt ĐA/KLTN: b) Những hạn chế ĐA/KLTN: Đề nghị: Được bảo vệ  Bổ sung thêm để bảo vệ  Không bảo vệ  Các câu hỏi sinh viên cần trả lời trước Hội đồng: (1) (2) (3) TP HCM, ngày … tháng … năm ……… Giảng viên phản biện (Ký ghi rõ họ tên) Ghi chú: Đính kèm Phiếu chấm điểm ĐA/KLTN II LỜI CAM ĐOAN Chúng em xin cam đoan kết thực nghiệm đạt đồ án chúng em tự tìm hiểu phân tích cách trung thực khách quan Các kết chưa công bố nghiên cứu khác Nếu phát gian lận chúng em xin hoàn toàn chịu trách nhiêm nội dung đồ án Tp Hồ Chí Minh,ngày tháng năm Sinh Viên Thực Hiện Nguyễn Hiếu Nghĩa Nguyễn Trung Tuấn III LỜI CẢM ƠN Trước tiên chúng em xin gửi lời cảm ơn trân trọng sâu sắc đến thầy ThS Nguyễn Thanh Bình, giảng viên VIỆN KỸ THUẬT HUTECH - người tạo điều kiện tận tính hướng dẫn, góp ý, bảo động viên chúng em suốt trình nghiên cứu thực đồ án Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em nhận nhiều giúp đỡ, đóng góp ý kiến bảo nhiệt tình thầy cơ, gia đình bạn bè Em xin chân thành cảm ơn thầy cô trường ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH dạy dỗ cho em kiến thức môn đại cương mơn chun ngành, giúp em có sở lý thuyết vững vàng tạo điều kiện giúp đỡ em suốt trình học tập Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình bạn bè, tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em suốt trình học tập hồn thành khố luận tốt nghiệp Tp Hồ Chí Minh,ngày tháng năm Sinh Viên Thực Hiện Nguyễn Hiếu Nghĩa Nguyễn Trung Tuấn IV ABSTRACT A Quadrocopter, aslo called a Quadrocopter Helicopter, is an aircraft that is lifted by four rotors on a cross- shaped frame We succeeded in building a Quadrocopter with stiff and lightweight structure Our Quadrocopter’s in-fight dynamics was measured via an IMU (Inertial Measurement Unit) which equipped with a dual- axis gyroscope and three axis tiltsensor A microcontroller took these sensor’s inputs and performed PID control algorithm on the four motors by varying PWM signals sent to each of the motors VI TÓM TẮT BÁO CÁO Quadrocopter, gọi Quadotor Helicopter, dạng máy bay lên thẳng nâng bốn cánh quạt đặt khung chữ thập Mơ hình xây dựng thoả mãn yếu tố nhẹ chắn Những chuyển động mơ hình đo đạc thơng qua IMU (Intertial Measurement Unit, cịn gọi đo lường quán tính) bao gồm quay hồi chuyển hai trục cảm biên độ nghiêng ba trục đưa vi điều khiên thực thuật toán điều khiển PID cho động thông qua phương pháp điều khiển chế độ rộng xung PWM V MỤC LỤC Trang bìa cứng Trang bìa phụ Nhận xét giáo viên hƣớng dẫn ··················································· I Nhận xét giáo viên phản biện ···················································· II Lời cam đoan ············································································· III Lời cảm ơn ················································································ IV Abstract ··················································································· V Tóm tắt báo cáo ·········································································· VI Mục lục ···················································································· VII Danh mục hình bảng···································································· VIII VII CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Khái niệm Quadcopter ? ·························································· 1.2 Sự khác Helicopter Quadcopter ··································· 1.3 Nguyên lý hoạt đông Quadcopter ············································· 1.4 Công nghệ điều khiển ································································· CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ 2.1 Thiết kế khung máy bay ······························································ 2.1.1 Thiết kế (Bản vẽ CAD) ··················································· 2.1.2 Thiết kế 2······································································ 2.1.3 Thiết kế (Bản vẽ Solid Works) ········································· 12 2.2 Ảnh thực tế Fram Quadcopter················································· 14 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 3.1 Thiết kế hệ thống điều khiển ························································ 17 3.1.1 Tay điều khiển – Tx (Transmitter) – Máy phát sóng ················ 17 3.1.2 Rx(Receiver) - Mạch nhận sóng ·········································· 21 3.1.3 Servo ··········································································· 25 3.2 Mạch trung tâm ········································································ 26 3.2.1 Mạch Arduino Uno V3 ····················································· 26 3.2.2 Cảm biến trục L3G4200D ··············································· 30 VII ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS Nguyễn Thanh Bình Hình 5.2: Độ rộng ống kính Với nhiều độ phân giải hình ảnh khác cho nhiều lựa chọn hoàn cảnh 12M (4000x3000) 8M (3264x2448) 5M (2560x1920) 3M (2048x1536) 2M Wide (1920x1080) 1.2M (1280x960) VGA (640x480) Hình 5.3: Nhiều lựa chọn độ phân giải Trang 46 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS Nguyễn Thanh Bình Sjcam SJ4000 Wifi tích hợp sẵn hàn hình LCD 1.5" giúp người dùng dễ dàng quan sát trực tiếp hình ảnh thu thao tác với menu cài đặt điều khiển dễ dàng với chức Tự động hẹn giờ: OFF / giây / giây / 10 giây / 30 giây / 60 giây Chụp liên tục (Rate Burst): OFF / P / s / P / s / 10 P / s / 10P / 2s Auto Shooting: OFF / giây / giây / 10 giây / 30 giây / 60 giây giúp bạn chụp ảnh, quay video cách đơn giản, hiệu Hình 5.4: Màn hình hiển thị LCD 1.5” Với kích thước nhỏ 29x59x41mm (gopro 21x59x41mm), SJ4000 WI-Fi dày gopro chút nên dễ dàng gá lắp vào Gimbal Gopro mà khơng phải điều chỉnh nhiều Trang 47 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS Nguyễn Thanh Bình Hình 5.5: Kích thước SJCam Sj4000 Wifi Tính camera hành trình: SJ4000 WI-Fi có chế độ CAR MODE, sử dụng làm camera hành trình tơ Với chức này, bật khóa điện, camera tự động bật chuyển trạng thái ghi hình tự động.Motion Detection chế độ ghi hình có thay đổi, xe đỗ khơng có chuyển động phía trước, camera tạm dừng ghi giúp giảm dung lượng file dễ dàng tìm kiếm chuyển động Hình 5.6: Các phím chức SJCam SJ4000 Wifi 5.2 Kết nối điện thoại với camera thể thao SJCam SJ4000 Trang 48 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS Nguyễn Thanh Bình Bước 1: Trên điện thoại chọn kho ứng dụng “CH-Play” điện thoại chạy hệ điều hành Android “App Store” dành cho Iphone.(Thao tác thực kết nối smartphone chạy hệ điều hành Android SJCAM 4000 wifi) Đánh từ khóa “sjcam zone” vào tìm kiếm Sau chọn phần mềm SJCAM Zone hình: Hình 5.7: Tải ứng dụng SJCAM Zone từ App Store(IOS) Play Store(Android) Bước 2: Mở ứng dụng chọn “CÀI ĐẶT” điện thoại bạn Bước 3: Trên SJCAM nhấn nút Wi-Fi lần Trang 49 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS Nguyễn Thanh Bình Hình 5.8: Kích hoạt Wifi cho SJCam SJ4000 Wifi Chờ khoảng 5s thấy hình SJCAM hiển thị tên Wi-Fi mật hình: Trang 50 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS Nguyễn Thanh Bình Hình 5.9: Thơng số cấu hình đặt sẵn Wifi Bước 4: Trên điện thoại mở cài đặt Wi-Fi, lúc bạn thấy tên camera đa SJCAM Bước 5: Mở phần mềm SJCAM Zone vừa cài đặt xong nhấn vào biểu tượng kết nối thiết vị dòng chữ : “CONNECT CAMERA” chờ vài giây Trang 51 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS Nguyễn Thanh Bình Hình 5.10: Kết nối camera với điện thoại thông qua app SJCAM Zone Trang 52 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS Nguyễn Thanh Bình CHƢƠNG 6: ĐỀ XUẤT HƢỚNG PHÁT TRIỀN 6.1 Sử dụng hệ thống thị FPV FPV - First Person View Hình 6.1: Hệ thống FPV 6.1.1 FPV ? Người điều khiển mơ hình RC nhìn hinh ảnh bên ngồi qua camera gắn mơ hình, tương tự người điều khiển phương tiện ngồi bên ( pilot, lái xe ) Có nhiệm vụ truyền hình ảnh từ thiết bị RC đến thu sóng đặt mặt đất, giúp người điều khiển có nhìn tổng qt cao thơng qua hình hiển thị 6.1.2 Phƣơng thức hoạt động Những hình ảnh từ camera gắn model truyền qua sóng vơ tuyến tới monitor (kính mắt(Gogle-Fatshark), laptop ) 6.1.3 Các thiết bị Camera - Bộ radio thu-phát - Nguồn - Monitor - Thu lại hình ảnh, âm (lắp thêm) CameraCCD (hobbyking ) hay tốt GoProHD ( < 400> USD ) Bộ radio Thu- Phát với công suất 500- 700mW bán kinh hoạt động khoảng 800m Trang 53 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS Nguyễn Thanh Bình Bộ nguồn: dùng chung với nguồn mơ hình cho phát, cịn phần nhận dùng chung với nguồn xe Với Lipo 800mAh 3S camera hoạt động khoảng giờđồnghồ Monitor: laptop, TV với đưòng AV in tốt Gogle-Fatshark 6.2 Định vị GPS Hệ thống định vị tồn cầu GPS gì? Nhắc đến hệ thống định vị tồn cầu đa số nghĩ đến GPS, AGPS GLONASS Vậy GPS, A-GPS GLONASS gì? Tại lại dùng phổ biến thế? Hình 6.2: GPS GPS gì? GPS viết tắt "global positioning system" (hệ thống định vị toàn cầu), thực chất mạng lưới bao gồm 27 vệ tinh quay xung quanh trái đất Trong số 27 vệ tinh này, 24 vệ tinh hoạt động, vệ tinh cịn lại đóng vai trò dự phòng trường hợp số 24 vệ tinh bị hư hỏng Dựa vào cách đặt vệ tinh này, đứng mặt đất, bạn nhìn vệ tinh bầu trời thời điểm Trang 54 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS Nguyễn Thanh Bình GPS cho phép người giới sử dụng số chức GPS miễn phí Nên bạn sử dụng đinh vị thiết bị thu GPS để xác định vị trí cách xác hồn tồn miễn phí Cơ chế hoạt động GPS gì? Các vệ tinh GPS bay hai vòng ngày theo quỹ đạo tính tốn xác liên tục phát tín hiệu có thơng tin xuống Trái Đất Các máy thu GPS nhận tín hiệu giải mã phép tính lượng giác, qua tính tốn hiển thị vị trí người dùng Thiết bị smartphone (Android, Windows Phone, iOS) bạn đầu thu GPS, thu liệu từ vệ tinh GPS bầu trời Dữ liệu gì? Nói cách đơn giản, vệ tinh cho bạn biết khoảng cách xác từ vị trí bạn đến vệ tinh điểm trái đất Cơ chế hoạt động GPS đơn giản, bạn tưởng tượng sau Trên đồ có điểm cố định A, B, C Dữ liệu GPS cho bạn biết khoảng cách từ điểm A, B, C đến nơi bạn đứng 1, 3km, 2km Hình 6.3: Ví dụ minh hoạ Sau bạn vẽ vịng trịn có tâm A, B, C với bán kính 1km, 3km 2km Trang 55 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS Nguyễn Thanh Bình Hình 6.4: Ví dụ minh hoạ Vị trí giao ba vịng trịn vị trí bạn Thiết bị smartphone phải nhận tín hiệu ba vệ tinh vị trí hai chiều để theo dõi chuyển động bạn Khi nhận tín hiệu bốn vệ tinh, máy cho vị trí ba chiều Một vị trí bạn tính thiết bị smartphone (Android, Windows Phone, iOS) tính thơng tin khác, tốc độ di chuyển, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, khoảng cách đích đến nhiều thứ khác Để đưa vị trí xác, nhiều thiết bị GPS kết nối tới vệ tinh Đó lý đơi để tìm vị trí xác bạn, hệ thống GPS lại nhiều thời gian tới Đó lý đơi bạn bị sóng GPS: thiết bị di động bạn kết nối tới vệ tinh, song vệ tinh không đủ A-GPS (Assisted GPS) gì? A-GPS (Assisted GPS) phiên nâng cấp GPS, hệ thống hỗ trợ cải thiện đáng kể hiệu suất định vị vị trí bạn nhanh so với định vị vệ tinh thông thường A-GPS sử dụng rộng rãi thiết bị smartphone (Android, Windows Phone, iOS), A-GPS sử dụng Wifi liệu di động 3G để lấy thông tin nhanh từ liệu máy chủ A-GPS hỗ trợ, nhờ mà Trang 56 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS Nguyễn Thanh Bình điện thoại bạn định vị dù nhà mà không cần phải ngồi nơi thơng thống để định vị GPS thơng thường GLONASS gì? GLONASS (Globalnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema) hệ thống định vị vệ tinh Nga phát triển có chức tương tự GPS dùng để xác định vị trí, iPhone nhiều thiết bị Android (honor 4c, Sony Z5 Dual, ) sử dụng GLONASS GPS để đảm bảo xác tối đa Nếu bạn khu vực nhiều mây che phủ bị bao quanh tòa nhà cao tầng, thiết bị bạn sử dụng GLONASS kết hợp với GPS Điều cho phép thiết bị xác định vệ tinh tổng số 55 vệ tinh toàn cầu (các vệ tinh GLONASS GPS), làm tăng độ xác việc định vị Tuy nhiên, GLONASS thường kích hoạt tín hiệu GPS yếu để tiết kiệm pin cho thiết bị GLONASS GPS khác nhƣ nào? Có số khác biệt GLONASS GPS Đầu tiên, GLONASS có vệ tinh GPS có 32 vệ tinh quay quanh trái đất quỹ đạo bay Trong đó, GLONASS có 24 vệ tinh với quỹ đạo bay Điều có nghĩa GONASS có nhiều vệ tinh theo quỹ đạo GPS làm giảm độ xác việc định vị Tuy vậy, khác biệt lớn GPS GLONASS cách thức liên lạc với thiết bị nhận Với GPS, vệ tinh sử dụng tần số vơ tuyến có mã khác để liên lạc Còn với GLONASS, vệ tinh có mã lại sử dụng tần số khác Điều cho phép vệ tinh liên lạc với quỹ đạo bay GLONASS c định vị ác GPS Độ xác GLONASS tương đương với GPS Nhưng điều lúc Đầu kỷ 21, GLONASS bị hỏng khiến hệ thống hoạt động khơng xác Điều khiến Roscosmos (Cơ quan vũ trụ Nga) đặt mục tiêu đưa GLONASS tiệm cận với GPS độ xác tin cậy vào năm 2011 Trang 57 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS Nguyễn Thanh Bình Cuối năm 2011, GLONASS đạt mục tiêu đề Nó chứng tỏ đạt độ xác mơi trường tối ưu (khơng có mây, tịa nhà cao tầng can nhiễu vơ tuyến) tới 2,8 mét Kết GPS chút mức hoàn toàn chấp nhận với sử dụng thương mại lẫn quốc phòng Tuy vậy, độ xác GLONASS cịn tùy thuộc vào nơi bạn sử dụng Nó đưa kết định vị xác Bán cầu Bắc so với Bán cầu Nam khu vực tập trung nhiều trạm mặt đất Trang 58 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS Nguyễn Thanh Bình CHƢƠNG 7: KẾT LUẬN 7.1 Kết luận Bài báo cáo đề xuất thiết kế máy bay trực thăng bốn cánh quạt (Quadrocopter) có khả thu thập không ảnh Khung máy bay thiết kế chắn với thiết kế thiết kế Giá đỡ máy ảnh gọn nhẹ dễ bị rung động Các động mạch điều tốc hoạt động tốt với khả chịu dòng hợp lý Máy bay đưa vào sử dụng để thu thập không ảnh, nhiên độ ổn định chưa cao thời gian bay ngắn 7.2 Đề xuất Qua trình thiết kế ghi nhận hạn chế mơ hình tại, số hướng khắc phục hướng phát triển máy bay trực thăng bốn cánh quạt đề xuất sau: - Điều chỉnh thiết kế khung máy bay trực thăng bốn cánh quạt, đặc biệt khớp nối để giảm trọng lượng máy bay - Thiết kế găn máy ảnh chịu lực từ hai bên giảm rung động cho gía đỡ - Sử dụng động có hiệu suất cao hhơn để giảm lượng tiêu thụ sử dụng pin Li-po có dung lương cao để tăng thời gian hoạt động máy bay - Tiếp tục nghiên cứu sử dụng cơng nghệ GPS để giúp máy bay bay xác theo chương trình định trước - Tích hợp thiết bị truyền hình ảnh trực tiếp máy tính máy bay hoạt động để tăng khả ứng dụng máy bay Trang 59 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS Nguyễn Thanh Bình TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Paul Pounds, Robert Mahony, Peter Corke, 7/2010, Modelling and Control of a Quad-Rotor Robot, Australian National University, Canberra, Australia CSIROICT Centre [2] RC Group,Quadrocopter And Tricopter Info Mega Link Index, 12/2010 [3] Diễn đàn Đại học SPKT URL https://spkt.net [4] Thư viện đồ hoạ Grabcad URL https://grabcad.com/library [5] Diễn đàn mơ hình RC URL http://www.clbmohinh.com/forum/ [6] Website mã nguồn Github URL https://github.com [7] Kênh Youtube Joop Brokking URL https://www.youtube.com/channel/UCpJ5uKSLxP84TXQtwiRNm1g [8] Cộng đồng Arduino Việt Nam URL http://arduino.vn/ [9] Diễn đàn mơ hình RC URL http://mohinh.club Trang 60 ... máy bay Thiết kế sử dụng vật liệu nhựa có độ bền cao thiết kế thiết kế sử dụng vật liệu nhựa sợi cacbon Bảng mạch điện thiết kế chi tiết thiết kế 1và thiết kế, gồm bảng mạch dưới, để tạo thêm...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH QUADROCOPTER ĐỂ THU THẬP KHÔNG ẢNH Ngành : Kỹ thu? ??t Cơ - Điện tử Chuyên... nên thiết kế có chi phí cao so với thiết kế thiết kế 2.1.1 Thiết kế (Bản vẽ CAD) Hình 2.2: Bản vẽ ? ?Thiết kế 1” Trang ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS Nguyễn Thanh Bình Hình tổng quát frame ? ?Thiết kế