(Đồ án tốt nghiệp) thiết kế và chế tạo mô hình bay quadcopter có khả năng vận chuyển hàng hóa

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 ... 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...ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: Ths.Trần Quang Khải TĨM 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