Quadcopter là một dạng máy bay mô hình có thiết kế cơ khí đơn giản Nó bay lên được nhờ lực nâng của bốn cánh quạt đặt trên bốn đỉnh của hình chữ nhật Mô hình được xây dựng phải thỏa mãn cả 2 yếu tố là nhẹ và chắc chắn Những chuyển động của mô hình được đo đạc thông qua một bộ cảm biến gồm con quay hồi chuyển gia tốc kế áp suất không khí và GPS Global Positioning System Những dữ liệu này được đưa về vi xử lý thực hiện thuật toán điều khiển PID Proportional Integral Derivative cho 4 động cơ thông qua phương pháp điều chế độ rộng xung PWM Pulse width modulation Mô hình có khả năng vận chuyển hàng hóa lên đến 1kg mà vẫn đảm bảo tính ổn định
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: Ths.Trần Quang Khải THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH BAY QUADCOPTER CÓ KHẢ NĂNG VẬN CHUYỂN HÀNG HÓA Tên sinh viên: Lương Văn Hồng Khoa Cơ khí Đại học Đà Nẵng, Trường Đại học Bách khoa Việt Nam Tháng 11, năm 2019 SVTH: Lương Văn Hoàng Lớp: 15CDT2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: Ths.Trần Quang Khải TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tóm tắt: Quadcopter dạng máy bay mơ hình có thiết kế khí đơn giản Nó bay lên nhờ lực nâng bốn cánh quạt đặt bốn đỉnh hình chữ nhật Mơ hình xây dựng phải thỏa mãn yếu tố nhẹ chắn Những chuyển động mơ hình đo đạc thơng qua cảm biến gồm quay hồi chuyển, gia tốc kế, áp suất khơng khí GPS (Global Positioning System) Những liệu đưa vi xử lý thực thuật toán điều khiển PID (Proportional Integral Derivative) cho động thông qua phương pháp điều chế độ rộng xung PWM (Pulse-width modulation) Mơ hình có khả vận chuyển hàng hóa lên đến 1kg mà đảm bảo tính ổn định Abstract: Quadcopter is an aircraft model with a simple mechanical design It is lifted by four rotors on a cross-shaped frame We succeeded in building a Quadcopter with stiff and lightweight structure Our Quadcopter’s in-flight dynamics was measured via a 3-axis gyroscope, 3-axis accelerometer, barormeter and GPS sensor A microprocessor took these sensors’ inputs and performed PID control algorithm on the four motors by varying PWM signals sent to each of the motors The aircraft model capable of transporting goods up to 1kg while ensuring stability SVTH: Lương Văn Hoàng Lớp: 15CDT2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: Ths.Trần Quang Khải LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan ngoại trừ phần ghi rõ tham khảo báo cáo này, tất thông tin số liệu hồn thành tơi cơng việc chưa trình bày tài liệu khác Sinh viên thực hiện: Lương Văn Hoàng SVTH: Lương Văn Hoàng Lớp: 15CDT2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: Ths.Trần Quang Khải LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn trân trọng sâu sắc đến thầy Trần Quang Khải – người tạo điều kiện tận tình hướng dẫn, góp ý, động viên em suốt tình nghiên cứu thực đồ án Xin chân thành cảm ơn đến tất quý thầy cô thuộc khoa Cơ Khí, Bộ mơn Cơ điện tử trường Đại học Bách khoa Đà nẵng, người trang bị cho em kiến thức bản, nhiệt tình hướng dẫn giúp đỡ em suốt khóa học vừa qua Đặc biệt, em xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến Công ty Cổ phần Giải Pháp Kỹ Thuật Ý Tưởng tạo nhiều điệu kiện thuân lợi cho em nhờ vào quan tâm, hướng dẫn tận tình anh chị kỹ sư cơng ty giúp em hồn thành đồ án Xin chân thành cảm ơn SVTH: Lương Văn Hoàng Lớp: 15CDT2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: Ths.Trần Quang Khải MỤC LỤC CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 12 1.1 Tổng quan quadcopter 12 1.1.1 Khái niệm Helicopter: .12 1.1.2 Khái niệm Quadcopter: 14 1.1.3 Lịch sử phát triển 14 1.2 Lý lựa chọn đề tài 18 1.2.1 Ứng dụng thực tiễn .18 1.2.2 Tính cần thiết đề tài 19 1.3 Cách thức thực 20 1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu .20 1.3.2 Phạm vi đồ án 21 1.3.3 Phương pháp nghiên cứu .21 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ MÁY 22 2.1 Lý thuyết tiếp cận 22 2.1.1 Các hệ tọa độ chuyển đổi hệ tọa độ 22 2.1.2 Các hướng chuyển động quay 24 2.2 Nguyên lý điều khiển 25 2.3 Mô hình tốn học quadcopter 30 2.3.1 Phân tích động học 30 2.3.2 Phân tích động lực học 31 2.3.3 Phân tích khí động học 38 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 46 3.1 Xác định yêu cầu cho cấu chấp hành 46 3.2 Mơ hình hóa hệ thống 47 SVTH: Lương Văn Hoàng Lớp: 15CDT2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: Ths.Trần Quang Khải 3.2.1 Waypoint: 47 3.2.2 Quadcopter: 48 3.3 Mơ hình hệ thống điều khiển 50 3.3.1 Mơ hình thuật tốn tổng quan 50 3.3.2 Luồng thuật toán điều khiển ổn định tự cân 51 3.3.3 Luồng thuật toán điều khiển ổn định độ cao .52 3.3.4 Luồng thuật tốn điều khiển ổn định vị trí 54 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH 55 4.1 Lựa chọn cảm biến 55 4.1.1 Cảm biến gyro-Accel MPU6050 55 4.1.2 Cảm biến từ kế HMC5883L 60 4.1.3 Cảm biến áp suất khí MS5611 65 4.1.4 Cảm biến định vị GPS 72 4.1.5 Bộ thu tín hiệu RF 76 4.2 Tính chọn cấu chấp hành 78 4.3 Thiết kế mạch nguyên lý 84 4.4 Lựa chọn khung khí 85 4.5 Thiết kế thuật toán 86 4.5.1 Sơ đồ thuật tốn chương trình setup 86 4.5.2 Sơ đồ thuật tốn chương trình vịng lặp PID .86 4.5.3 Sơ đồ thuật tốn chương trình xử lý ổn định độ cao .88 4.5.4 Sơ đồ thuật tốn chương trình xử lý ổn định vị trí 88 4.5.5 Sơ đồ thuật toán chương trình xử lý tự động cất, hạ cánh 89 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN THÊM CỦA ĐỀ TÀI 90 5.1 Kết luận 90 SVTH: Lương Văn Hoàng Lớp: 15CDT2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CƠ ĐIỆN TỬ 5.2 GVHD: Ths.Trần Quang Khải Phương hướng phát triển thêm đề tài 94 SVTH: Lương Văn Hoàng Lớp: 15CDT2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: Ths.Trần Quang Khải DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 - Helicopter 12 Hình 1.2 - Cụm swashplate cấu cánh Helicopter 13 Hình 1.3 - Cụm cánh quạt đuôi helicopter 13 Hình 1.4 - Quadcopter giới Louis Jacques Breguet 15 HÌnh 1.5 - Quadcopter chế tạo Etienne Oemichen 15 HÌnh 1.6 - Quadcopter thiết kế Convertawings năm 1956 17 Hình 1.7 - Những quadcopter đại ngày 17 Hình 2.1 - Hệ tọa độ tồn cục Hình 2.2 Hệ tọa độ cục 22 Hình 2.2 – Hệ tọa độ cục 23 Hình 2.3 - Chuyển động Yaw 24 Hình 2.4 - Chuyển động Pitch 24 Hình 2.5 - Chuyển động Roll 25 Hình 2.6 - Định nghĩa hướng chuyển động Quadcopter 25 Hình 2.7 - Hover 27 Hình 2.8 - Throttle 27 Hình 2.9 - Roll 28 Hình 2.10 - Pitch 29 Hình 2.11 - Yaw 30 Hình 2.12 - Mơ hình cánh quạt thuyết động lượng 39 SVTH: Lương Văn Hoàng Lớp: 15CDT2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: Ths.Trần Quang Khải Hình 2.13 - Biểu diễn mặt cắt cánh quạt 42 Hình 2.14 - Hình dáng khí động học cánh 45 Hình 3.1 - Sơ đồ hệ thống Waypoint 47 Hình 3.2 - Sơ đồ khối Quadcopter 48 Hình 3.3 - Sơ đồ nguyên lý tổng quát 50 Hình 3.4 - Sơ đồ nguyên lý ổn định thăng 52 Hình 3.5 - Sơ đồ nguyên lý ổn định độ cao 53 Hình 3.6 - Sơ đồ nguyên lý điều khiển ổn định vị trí 54 Hình 4.1 - Chuyển động xoay theo trục 58 Hình 4.2 - Đáp ứng lọc trung bình 59 Hình 4.3 - Module cảm biến HMC5883L 60 Hình 4.4 - Biểu diễn từ trường trái đất góc phương vị 61 Hình 4.5 - Sơ đồ chân module HMC5883L 62 Hình 4.6 - Module cảm biến áp suất khơng khí MS5611 65 Hình 4.7 - Sơ đồ khối thành phần bên MS5611 67 Hình 4.8 - Lưu đồ hiệu chỉnh giá trị áp suất MS5611 69 Hình 4.9 - Lưu đồ hiệu chỉnh giá trị nhiệt độ MS5611 70 Hình 4.10 - Module cảm biến GPS 72 Hình 4.11 - Giao thức Tx Rx 77 Hình 4.12 - Giản đồ xung PPM giải mã tín hiệu 78 SVTH: Lương Văn Hoàng Lớp: 15CDT2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: Ths.Trần Quang Khải Hình 4.13 - Động BLDC inrunner 80 Hình 4.14 - Động BLDC outrunner 80 Hình 4.15 - Sơ đồ đấu dây động BLDC ESC 80 Hình 4.16 - Tín hiệu PWM điều khiển đưa vào ESC 81 Hình 4.17 - Nguyên lý tạo dòng pha 82 Hình 4.18 - Sơ đồ chuỗi xung 83 Hình 4.19 - Hình chiếu phối cảnh 3D Quadcopter 86 Hình 5.1 - Sản phẩm thực tế 91 Hình 5.2 – Sản phẩm thực tế 92 SVTH: Lương Văn Hoàng 10 Lớp: 15CDT2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: Ths.Trần Quang Khải Hình 4.16 Tín hiệu PWM điều khiển đưa vào ESC SVTH: Lương Văn Hoàng 81 Lớp: 15CDT2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: Ths.Trần Quang Khải Hình 4.17 Ngun lý tạo dịng pha Để tạo từ trường quay pha với nam châm rotor, ESC phải ln biết vị trí nam châm vĩnh cửu vận tốc Có cách để làm điều này: Cách thứ nhất: sử dụng cảm biến để nhận biết vị trí rotor (cảm biến Hall) SVTH: Lương Văn Hoàng 82 Lớp: 15CDT2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: Ths.Trần Quang Khải Cách thứ hai: cảm ứng pha xung ddienj từ trường phản hồi ( xung BEMFBack ElectroMagnetic Field pulses) Cả hai cách có ưu nhược điểm riêng, nhiên hầu hết hệ thống động chiều không chổi than sử dụng cho mơ hình bay dùng phương pháp cảm ứng xung Back EMF Hình 4.18 Sơ đồ chuỗi xung Ta thấy rằng, thời điểm ln ln có pha dẫn điện Khi rotor quay, cuộn dây nam châm điện cịn lại chưa có điện tương tác với từ trường nam châm vĩnh cửu phát sinh lượng giống máy phát điện ESC nhận biết xung điện phát sinh xung điện phản hồi Điều khiển vận tốc động chiều không chổi than phương pháp cảm ứng dựa phát thời điêm pha khoảng thời gian xung điện phát sinh xung điện phản hồi Mục đích tính thời điểm mà SVTH: Lương Văn Hoàng 83 Lớp: 15CDT2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: Ths.Trần Quang Khải cuộn dây nam châm điện khơng có điện từ trường nam châm vĩnh cửu chưa làm cuộn dây phát điện Đó điểm nằm khoảng xung xung điện phát sinh xung điện phản hồi, lúc ESC biết ví trí nam châm vĩnh cửu sử dụng thông tin để cấp điện cho nam châm điện lúc tạo nên từ trường quay cho cặp nam châm vĩnh cửu nam châm điện đối diện đẩy hút để động quay Nếu ta cần nam châm rotor quay nhanh hơn, ta tăng lực từ trường Bằng cách tăng độ rộng xung (PWM), từ tường mạnh làm moment xoắn tăng, rotor quay nhanh Esc tăng tần số cấp xung điện cho nam châm điện để đáp ứng thời điểm với tăng tốc rotor Do ESC phải tăng độ lớn từ trường trước tăng tần số xung 4.3 Thiết kế mạch nguyên lý Tham khảo sơ đồ nguyên lý mạch theo vẽ A0 • Khối mạch nguồn: nguồn cung cấp cho động sử dụng trực tiếp điện áp từ PINLIPO Mạch điều điều khiển sử dụng nguồn cung cấp từ ESC với mức điện áp 5V sau chuyển mức điện áp thành 3.3V đầu IC nguồn AMS1117 • Khối điều khiển trung tâm: sử dụng vi điều khiển STM32F407VET6 có xung nhịp lên đến 168 Mhz, giao tiếp với khối cảm biến qua giao thức UART, SPI, I2C • Khối cảm biến GPS: giao tiếp với vi điều khiển thông qua giao tiếp UART với baund rate 57600 trạng thái hoạt động • Khối cảm biến theo dõi chuyển động: bao gồm gồm cảm biến MPU6050, HMC5883L MS5611 giao tiếp với khối điều khiển trung tâm thông qua chuẩn giao tiếp I2C Trong đó, HMC5338L slave cho MPU6050 • Khối thu tín hiệu: tín hiệu xung PPM receiver truyền qua vi điều khiển thông qua chân ngắt ngồi • Khối thơng báo, cảnh báo: bao gồm Buzzer LED RGB Tín hiệu xuất thơng qua chân output SVTH: Lương Văn Hoàng 84 Lớp: 15CDT2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: Ths.Trần Quang Khải • Khối cấu chấp hành: nhận tín hiệu từ kênh ouput capture timer có bên STM32F407VET6 • Khối đọc điện áp Pin: Đọc giá trị điện áp dương từ nguồn cung cấp pin LIPO thông qua chuyển đổi ADC 4.4 Lựa chọn khung khí Máy bay trực thăng bốn cánh quạt Quadcopter bao gồm cánh tay với động đặt đầu cánh tay liên kết với qua “phần kết nối” Các cánh tay phải đặt đối xứng với qua tâm Thiết kế máy bay trực thăng bốn cánh quạt chủ yếu tập trung đến tính đối xứng, trọng tâm khối lượng mơ hình Vật liệu sử dụng làm khung quadcopter thường sử dụng là: • Carbon Fiber: Một vật liệu phổ biến cho khung quadcopter carbon fiber Nó thường nhẹ, cứng có chi phí cao Những tính chất vật lý vật liệu hồn tồn phù hợp với tiêu chí máy bay mơ hình Nhược điểm carbon firber có khả làm suy giảm tín hiệu RF Do đó, cần lưu ý đặt vị trí anten hợp lý để tín hiệu thu tốt • Gỗ: sử dụng gỗ để làm khung quadcopter dễ dàng việc gia cơng, chi phí thấp, sử dụng loại keo để kết nối phận lại với đảm bảo chắn Một ưu điểm gỗ khả chống rung tuyệt vời Nhưng bù lại yếu tố độ cứng khơng cao dễ gãy • Nhơm: vật liệu sử dụng rộng rãi, dễ dàng gia công vật liệu carbon lại truyền rung động tốt Độ bền học học nhôm thấp, đặc biệt dễ bị uốn cong có va đập • Nhựa & PVC: sử dụng nhựa giúp giảm chi phí chế tạo khung, có khả chống rung tương đối tốt bù lại dễ gãy va đập Có thể sử dụng cơng nghệ in 3D để tạo hình dạng, chi tiết phù hợp Dựa tiêu chí chi phí, độ cứng khả chống rung Em định sử dụng vật liệu nhựa PVC, có kích thước 450x450mm, bán sẵn thị trường Nhờ SVTH: Lương Văn Hoàng 85 Lớp: 15CDT2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: Ths.Trần Quang Khải giảm thời gian, công sức thiết kế đảm bảo chất lượng Quadcopter phạm vi ứng dụng, thí nghiệm đề tài Hình 4.19 Hình chiếu phối cảnh 3D Quadcopter 4.5 Thiết kế thuật toán 4.5.1 Sơ đồ thuật tốn chương trình setup Chương trình setup thiết lập ngoại vi vi điều khiển hổ trợ cho việc giao tiếp với cảm biến cấu chấp hành Khi có lỗi q trình này, chương trình dừng lại báo lỗi cho người sử dụng biết Chú ý: Quadcopter phải đặt cố định mặt đất lúc setup Do q trình này, cơng việc hiệu chỉnh cảm biến xảy ra, ảnh hướng nhiều đến việc thiết lập khởi tạo giá trị ban đầu 4.5.2 Sơ đồ thuật tốn chương trình vịng lặp PID SVTH: Lương Văn Hoàng 86 Lớp: 15CDT2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: Ths.Trần Quang Khải Đây chương trình suốt q trình hoạt động Quadcopter Trong đoạn chương trình thực nhiệm vụ sau đây: • Cài đặt hiệu chỉnh thơng số PID, offset góc đo giá trị la bàn số • Thu thập xử lý liệu từ cảm biến để thu giá trị có độ tin cậy, ổn định • Áp dụng thuật toán điều khiển (thuật toán điều khiển PID) để đạt giá trị mong muốn điều khiển động • Thơng báo lỗi gửi liệu xuống mặt đất Chú ý: o stateMachine trạng thái máy Trong đó: - Giá trị trạng thái ngưng hoạt động Trong trạng thái này, ta thiết lập thơng số Quadcopter cách thao tác joystick theo cách định sẵn - Giá trị trạng thái chuẩn bị cất cánh - giá trị trạng thái hoạt động Quadcopter Chế độ hoạt động thiết lập thông qua tùy chọn người điều khiển cách sử dụng cần gạt vị trí ứng với chế độ hoạt động o Dưới mô tả thao tác nút nhấn tương ứng với chế độ thiết lập: - Thao tác 1: Được sử dụng để hiệu chỉnh la bàn số Để vào hiệu chỉnh này, joystick bên trái gạt sang vị trí góc bên phải, joystick bên phải gạt sang vị trí góc bên phải - Thao tác 2: Được sử dụng để hiệu chỉnh mặt phẳng Để vào hiệu chỉnh này, joystick bên trái gạt sang vị trí góc bên trái, joystick bên phải gạt sang vị trí góc bên trái - Thao tác 3: Được sử dụng để setup trực tiếp thông số điều khiển PID Để vào chế độ này, cần gạt GEAR phải gạt lên xuống SVTH: Lương Văn Hoàng 87 Lớp: 15CDT2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: Ths.Trần Quang Khải lần liên tiếp,với thời gian lần gạt không nhỏ giây Trong đó: ▪ Thiết lập thơng số PID tự cân bằng: joystick bên trái kéo xuống mức thấp ▪ Thiết lập thông số PID ổn định độ cao: joystick bên trái kéo sang mức ▪ Thiết lập thơng số PID ổn định vị trí: joystick bên trái kéo lên mức cao - Thao tác 4: Được sử dụng kích hoạt chế độ heading lock Để vào chế độ này, cần gạt GEAR phải bật sang mức - Thao tác 5: Được sử dụng để kích hoạt chế độ bay (ổn định độ cao) Để vào chế độ này, cần gạt AUX phải bật sang mức - Thao tác 6: Được sử dụng để kích hoạt chế độ bay (ổn định vị trí) Để vào chế độ này, cần gạt AUX phải bật sang mức 4.5.3 Sơ đồ thuật tốn chương trình xử lý ổn định độ cao Đây chương trình thuật toán bao gồm bước đọc giá trị từ cảm biến, hiệu chuẩn giá trị đọc theo thông số cung cấp nhà sản xuất áp dụng lọc nhằm ổn định giá trị cảm biến Cuối thực thi thuật toán PID lên giá trị setpoint thiết lập người điều khiển Chú ý: cảm biến MS5611 có tần số giá trị đầu sau 9ms Trong đó, thời gian vịng lặp PID 4ms Vì cần đến vòng lặp (4 x = 12ms) để xử lý Mỗi vòng lặp xử lý yêu cầu cụ thể dựa giá trị biến đếm Ở chế độ này, giá trị độ cao cần ổn định lấy mẫu liên tục theo vòng lặp 4.5.4 Sơ đồ thuật tốn chương trình xử lý ổn định vị trí Chương trình bao gồm việc đọc xử lý liệu GPS Sử dụng điều khiển PD để ổn định vị trí cách xuất giá trị điều khiển theo chiều xoay Roll, Pitch Chú ý, Q cần bay nơi thống đãng, khơng bay nhà nơi bị che chắn kín SVTH: Lương Văn Hồng 88 Lớp: 15CDT2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: Ths.Trần Quang Khải Để tín hiệu GPS thu ổn định Nếu khoảng thời gian mà khơng thu tín hiệu GPS nữa, Quadcopter tự động chuyển sang chế độ 4.5.5 Sơ đồ thuật tốn chương trình xử lý tự động cất, hạ cánh Thuật toán giúp người dùng dễ dàng việc khởi động Quadcopter Tại vị trí mặt đất, Quadcopter cần cấp lực đẩy lớn để nhấc lên khơng Chương trình bao gồm chế độ cất/hạ cánh tay tự động Ở chế độ tự động, Quadcopter bay lơ lửng lên khoảng độ cao tầm 2,2 m SVTH: Lương Văn Hoàng 89 Lớp: 15CDT2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: Ths.Trần Quang Khải CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN THÊM CỦA ĐỀ TÀI 5.1 Kết luận Với mục tiêu đặt Qua trình thiết kế, chế tạo, em đạt kết sau: ❖ Về nghiên cứu lý thuyết: Nắm bắt tổng thể nguyên lý hoạt động, nguyên lý điều khiển, phân tích đặc tính động học, động lực học khí động học, mơ hình tốn học Quadcopter Mơ hình thiết kế tối ưu dựa lý thuyết sở Quadcopter ❖ Về thiết kế khí: Thiết kế mơ hình 3D phần mềm solildWork Phân tích đặc tính loại vật liệu đưa lựa chọn đảm bảo độ bền, khả chịu moment xoắn, moment uốn Qua trình vận hành, Quadcopter nâng tổng khối lượng 2.5kg (bao gồm thân quadcopter hàng hóa) Mơ hình đảm bảo yêu cầu kỹ thuật tính thẩm mỹ ❖ Về thiết kế điện tử: Xây dựng mơ hình tổng quan với linh kiện lựa chọn tối ưu dựa kinh phí cơng nghệ có Bộ điều khiển sử dụng kiến trúc ARM 32 bit với khả xử lý mạnh mẽ, đáp ứng u cầu tính tốn cao thực tế Mạch thiết kế thẩm mỹ, độ bền cao không bị nhiễu chạy Sử dụng phối hợp nhiều loại giao thức nối tiếp phổ biến UART, I2C, SPI Ngồi ra, mạch cịn có khả mở rộng cho ứng dụng sau ❖ Về thiết kế điều khiển: • Chương trình điều khiển chỉnh sửa, tính tốn kiểm nghiệm trước thực Mạch có khả mở rộng kết nối thêm nhiều module khác SVTH: Lương Văn Hoàng 90 Lớp: 15CDT2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: Ths.Trần Quang Khải • Chương trình điều khiển viết hồn chỉnh linh hoạt, cho phép điều khiển mơ hình quadcopter cất cánh, hạ cánh tự động, quay trái, quay phải di chuyển theo hướng trước, sau, trái, phải Thuật tốn ổn định vị trí độ cao hoạt động tốt, dễ dàng sử dụng cho người làm quen việc điều khiển Quadcopter • Bộ điều khiển từ xa dùng sóng RF 2.4 Ghz có độ ổn định cao có phạm vi phủ sóng ổn định lên đến 1km Tượng tự tín hiệu giám sát đưa trung tâm điều khiển mặt đất thơng qua sóng RF 433 Mhz, giúp người điều khiển kiểm sốt Quadcopter từ xa Giao diện kiểm tra giám sát phần mềm viết tảng WPF, có giao diện trực quan, sinh động, có khả mở rộng thêm nhiều tính thu nhận thêm hình ảnh, video định vị thiết bị google map • Xử lý tốt tín hiệu thu từ cảm biến quán tính IMU, áp dụng tốt lọc bù thuật tốn tối ưu cho cảm biến Do 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 • Quadcoper xác định phương hướng dựa vào cảm biến la bàn số Giúp người điều khiển không bị phương hướng ❖ Hình ảnh sản phẩm: SVTH: Lương Văn Hoàng 91 Lớp: 15CDT2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: Ths.Trần Quang Khải Hình 5.1 Sản phẩm thực tế SVTH: Lương Văn Hoàng 92 Lớp: 15CDT2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: Ths.Trần Quang Khải Hình 5.2 Sản phẩm thực tế ❖ Những kết cần đạt biện pháp khắc phục: Bên cạnh kết đạt được, đề tài tồn hạn chế cần phải khắc phục như: • Phần khung nhìn chung cịn nặng, cần giảm xuống khoảng 0.5kg để tăng khối lượng chịu tải cho mơ hình Có thể thay vật liệu nhựa sử dụng cacbon ống, carbon để giảm khối lượng • Động cánh quạt chưa đạt động tốt nhất, hoạt động cịn gây nhiều rung động mơ hình Để cải thiện vấn đề này, cần thay động dùng loại động khác có chất lượng tốt đảm bảo độ đồng trục lắp cánh quạt vào động SVTH: Lương Văn Hoàng 93 Lớp: 15CDT2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: Ths.Trần Quang Khải • Tín hiệu áp suất khơng khí thu từ cảm biến MS5611 có độ phân giải chưa cao, nên cịn xảy dao động theo phương thẳng đứng (tầm 10cm) Cần thay loại cảm biến đo độ cao xác Lidar hay quang cảm biến (optical flow) • Quacopter chưa trang bị vòng chắn cánh quạt Cho nên dễ gây nguy hiểm cho người xung quanh 5.2 Phương hướng phát triển thêm đề tài Tích hợp thêm cảm biến khác giúp Quadcopter hoạt động tốt như: Sử dụng cảm biến đo độ cao có độ xác cao Lidar, optical flow Lắp thêm camera quay phim chụp ảnh gửi máy tính theo đường truyền wifi ứng dụng thám Bổ sung thêm số tính nâng cao Return To Home để Quadcopter tự động quay vị trí thiết lập trước mà cần đến thao tác người điều khiển Hiện giới áp dụng nhiều mơ hình Quadcopter vận chuyển hàng hóa, thuốc men đề xuất xây dựng phát triển thành phố thông minh Singapore Vì việc nghiên cứu để hồn thiên thương mại hóa loại sản phẩm hướng phát triển tốt SVTH: Lương Văn Hoàng 94 Lớp: 15CDT2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: Ths.Trần Quang Khải TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] https://www.instructables.com/id/Arduino-Self-Balancing-Robot-1/ [2] https://en.wikipedia.org/wiki/Quadcopter [3] http://socialledge.com/sjsu/index.php/F13:_Quadcopter [4] https://www.droneomega.com/what-is-a-quadcopter/ [5] https://store.invensense.com/datasheets/invensense/MPU6050_DataSheet_V3%204.pdf [6] https://mechasolution.vn/Blog/bai-21-cam-bien-gia-toc-goc-nghieng-mpu6050 [7] http://www.pieter-jan.com/node/7 [8] https://lastminuteengineers.com/nrf24l01-arduino-wireless-communication/ [9] https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/how-to-improve-theaccuracy-of-inclination-measurement-using-an-accelerometer.html [10] Đồ án nghiên cứu chế tạo mơ hình bay Quadcopter Nguyễn Hải Đăng Tâm Nguyễn Lê Nhật Thắng [11] https://vi.wikipedia.org/wiki/Ph%C6%B0%C6%A1ng_ti%E1%BB%87n_bay_kh% C3%B4ng_ng%C6%B0%E1%BB%9Di_l%C3%A1i [12] Đồ án : “nghiên cứu thiết bị bay khơng người lái, chế tạo mơ hình có điều khiển từ xa” Nguyễn mạnh [13] https://bkaii.com.vn/tin-tuc/452-tim-hieu-ve-may-bay-khong-nguoi-lai-uav-haydrone [14] https://dantri.com.vn/suc-manh-so/amazon-gioi-thieu-may-bay-khong-nguoi-laithe-he-moi-de-van-chuyen-hang-hoa-2015120109240156.html SVTH: Lương Văn Hoàng 95 Lớp: 15CDT2 ... nghiên cứu Thiết kế, chế tạo mơ hình máy bay khơng người lái có khả vận chuyển đảm bảo u cầu sau: • Đảm bảo tính ổn định, tin cậy an toàn giới hạn cho phép • Có khả vận chuyển hàng hóa lên đến... định lựa chọn đề tài ? ?thiết kế chế tạo mơ hình bay Quadcopter có khả vận chuyển? ??để tự thiết kế, xây dựng mơ hình điều khiển tự động từ kiến thức, tảng lý thuyết học ứng dụng vào thực tế Cũng nắm... 15 HÌnh 1.5 - Quadcopter chế tạo Etienne Oemichen 15 HÌnh 1.6 - Quadcopter thiết kế Convertawings năm 1956 17 Hình 1.7 - Những quadcopter đại ngày 17 Hình 2.1 - Hệ tọa độ tồn cục Hình