Một phương tiện bay không người lái (UAVunmanned aerial vehicle) là một máy bay không có phi công trên buồng lái Quadcopter là một dạng của UAV đặc biệt với bốn cánh quạt được bố trí đối xứng trướcsau, phảitrái Về kết cấu, quadcopter có kết cấu cơ khí khá đơn giản, đồng thời trên phương diện động lực nó cũng rất khác so với các loại máy bay thông thường
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - BÁO CÁO CUỐI KỲ KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ TRÊN MÁY BAY Chủ đề: Nghiên cứu hệ thống điều khiển UAV Xây dựng thiết kế hệ thống điều khiển GVHD: TS Phạm Gia Điềm Mã lớp: 124535 Nhóm sinh viên thực hiện: Họ tên Nguyễn Hữu Minh Phạm Hoàng Nam Nguyễn Minh Hiếu Trần Văn Vũ Trần Văn Hoài Lê Tuấn Đạt MSSV 20186062 20186068 20186043 20186082 20186048 20186034 Hà Nội, 7/2021 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC BÁO CÁO CUỐI KỲ KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ TRÊN MÁY BAY Chủ đề: Nghiên cứu hệ thống điều khiển UAV Xây dựng thiết kế hệ thống điều khiển Điểm Nhận xét, đánh giả giảng viên GVHD: TS Phạm Gia Điềm Mã lớp: 124535 Nhóm sinh viên thực Họ tên Nguyễn Hữu Minh Phạm Hoàng Nam Nguyễn Minh Hiếu Trần Văn Hoài Trần Văn Vũ Lê Tuấn Đ MSSV 20186062 20186068 20186043 20186048 20186082 20186048 Hà Nội, 7/2021 Mục Lục I Tổng quan Quadcopter điều khiển Quadcopter Khái niệm .4 Nguyên lý hoạt động Tính tốn khí động học 10 II Hệ thống điều khiển 11 III Linh kiện thông số kỹ thuật 13 Mạch vi điều khiển trung tâm Arduino Uno R3 16 Mạch cảm biến MPU6050 20 Mạch thu phát không dây NRF24L01 21 Khung Quadcopter F450 .22 Bộ điều khiển TX-RX FLYSKY I6 .22 Motor Himodel XXD A2212-1400KV không chổi than .24 Cánh 8045 Carbon 3K 25 ESC điều khiển động không chổi than DC - 16V 30A giắc chuối .2 PIN Li-po .26 IV Bộ điều khiển PID 27 I Tổng quan Quadcopter điều khiển Quadcopter Khái niệm - Một phương tiện bay không người lái (UAV-unmanned aerial vehicle) máy bay khơng có phi cơng buồng lái - Quadcopter dạng UAV đặc biệt với bốn cánh quạt bố trí đối xứng trước-sau, phải-trái - Về kết cấu, quadcopter có kết cấu khí đơn giản, đồng thời phương diện động lực khác so với loại máy bay thơng thường Mơ hình Quadcopter Các lực mơ-men tác dụng lên Quadcopter Hình thể lực mơ-men tác động tên Quadcopter, đó: Ff, Fb Fl Fr lực tạo cánh quạt trước, sau, trái, phải; τf, τb, τl, τr mô-men tạo cánh quạt trước, sau, trái phải - Nguyên lý điều khiển Quadcopter Quadcopter có kết cấu gồm bốn cánh quạt, cánh quạt gắn với động riêng, thông qua điều khiển Trục bốn cánh quạt gắn theo phương song song với nhau, đồng thời tốc độ cánh quạt điều chỉnh thay đổi cách độc lập thông qua điều chỉnh tốc độ động gắn với chúng Việc điều khiển chuyển động Quadcopter hoàn toàn dựa việc điều khiển tốc độ bốn cánh quạt gắn Tùy thuộc vào việc điều chỉnh đồng thời tốc độ động theo cặp tạo lực mô-men khác tác động lên tâm khối Quadcopter cho phép động tự không gian Nguyên lý hoạt động Cặp cánh quạt phía trước phía sau quay ngược chiều kim đồng hồ, cặp cánh bên phải bên trái lại quay thuận chiều kim đồng hồ nhằm cân mô-men xoắn tạo cánh quạt khung Mỗi động điều khiển thông qua ESC riêng biệt ESC thay đổi tốc độ quay động dựa vào độ rộng xung tín hiệu PWM từ mạch điều khiển Độ rộng xung điều khiển tốc độ động giới hạn khoảng 1-2ms tần số điều khiển 50 Hz Chuyển động Quadcopter không gian 6 bậc tự - Nguyên lý cân bằng: Quadcopter bay lơ lửng không trung Ở trạng thái này, tất cánh quạt có tốc độ quay (Ω1=Ω2=Ω3=Ω4) Chuyển động cân - Quadcopter bay lên hạ xuống theo phương thẳng đứng Để bay lên/hạ xuống cánh quạt phải tăng/giảm tốc độ Lúc sinh hợp lực dọc trục theo phương Z : gia tốc theo phương Z ΩH: vận tốc cánh quạt ΔA: lượng tăng/giảm vận tốc cánh quạt Chuyển động lên/xuống - Quadcopter bay nghiêng trái/phải Để bay nghiêng phải (trái), giữ nguyên tốc độ cánh trước sau, tăng (giảm) tốc độ cánh trái giảm (tăng) tốc độ cánh phải : gia tốc theo phương X ΔA, ΔB (ΔA ≈ ΔB): lượng tăng giảm cánh ΩH Chuyển động nghiêng trái/phải - Quadcopter bay tới bay lừi phía sau Để bay tới (lùi), điều khiển tăng (giảm) tốc độc cánh sau giảm (tâng) tốc độ cánh trước : gia tốc theo phương Y ΔA, ΔB (ΔA ≈ ΔB): lượng tăng giảm cánh ΩH Chuyển động lật trước/sau - Quadcopter quay quanh trục Z Điều khiển tốc độ cánh quạt theo cash sau: tốc độ cánh đối diện nhau, khác với tốc độ cánh đối diện lại Để quay quanh trục Z chiều ngược kim đồng đồng, giảm tốc độ cặp cánh có chiều quay ngược chiều kim đồng hồ tăng tốc độ cặp cánh thuận kim đồng hồ Để qudacopter quay theo chiều thuận, ta làm ngược lại cách gia tốc theo phương Z ΔA, ΔB (ΔA ≈ ΔB): lượng tăng giảm cánh ΩH Chuyển động xoay trái/phải Tính tốn khí động học Tổng quan mơ hình 10 Động (motor) Cánh quạt Bộ thu phát tín hiệu TX-RX 14 Arduino Uno R3 MPU 6050 - Các khối 15 Bộ xử lý trung tâm Arduino, qua xung PWM làm quay ESC, ESC xuất giá trị xung làm cho motor quay, làm cho cánh quạt quay Quadcopter bay lên, giá trị hồi tiếp đọc qua cảm biến MPU-6050 Mạch vi điều khiển trung tâm Arduino Uno R3 16 a Các chân lượng - GND: cực âm nguồn điện cấp cho Arduino Uno LED: có LED tích hợp bảng mạch nối vào chân D13 Khi chân có giá trị mức cao (HIGH) LED sáng LED tắt mức thấp (LOW) VIN (Voltage Input): Chân cấp nguồn cho Arduino Uno Nối cực dương nguồn với chân cực âm nguồn với chân GND (điện áp cấp từ 7-12VDC) 17 - 5V: cấp điện áp 5V đầu Dòng điện tối đa chân tối đa 500mA 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu Dòng điện tối đa chân tối đa 50mA IOREF: điệp áp hoạt động vi điều khiển Arduino Uno đọc điện áp chân IOREF Chân IOREF không dùng để làm chân cấp nguồn b Bộ nhớ - Vi điều khiển ATmega328: + 32 KB nhớ Flash: đoạn lệnh laajo trình lưu trữ nhớ Flash vi điều khiển Trong bootloader chiếm 0.5KB + KB cho SRAM: (Static Random Access Memory): lưu giá trị biến khai báo Khai báo nhiều biến tốn nhiều nhớ RAM Khi nguồn liệu SRAM bị 18 + KB cho EEPROM: (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): nơi đọc ghi liệu vào mà không bị liệu nguồn + Mạch dạo động thạch anh 16 MHz: tạo xung clock, giúp cho vi điều khiển hoạt động, thực thi lệnh c Các chân đầu vào đầu - Trên Board Arduino Uno có 14 chân Digital để làm chân đầu vào đầu chúng sử dụng hàm pinMode(), digitalWrite(), digitalRead() Giá trị điện áp chân 5V, dòng chân 20mA bên có điện trở kéo lên 20-50Ω Dịng tối đa chân I/O không vượt 40mA để tránh trường hợp gây hỏng board mạch - Ngoài ra, số chân Digital có chức đặt biệt: + chân Serial: (RX) (TX): để nhận liệu (RX) truyền liệu (TX) TTL Serial + Ngắt ngoài: Chân + Chân PWM: 3, 5, 6, 9, 10 11: cho phép xuất xung PWM với độ phân giải bit hàm analogWrite () + Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK): hỗ trợ giao tiếp SPI thư viện SPI + LED 13: đèn led tích hợp bảng mạch nối vào chân D13 Khi chân có giá trị mức cao (HIGH) LED sáng LED tắt mức thấp (LOW) + chân A4 (SDA) A5 (SCL): hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với thiết bị khác + Arduino Uno R3 có chân Analog từ A0 đến A5, đầu vào cung cấp độ phân giải 10 bit 19 Mạch cảm biến MPU-6050 - MPU-6050 giải pháp cảm biến chuyển động giới có tới trục cảm biến tích hợp chip - MPU-6050 tích hợp trục cảm biến bao gồm: Con quay hồi chuyển trục cảm biến gia tốc chiều - Ngồi ra, MPU-6050 cịn có đơn vị tăng tốc phần cứng chuyên xử lý tín hiệu (DSP) cảm biến thu thập thực tính tốn cần thiết Điều giúp giảm bớt đáng kể phần xử lý tính tốn vi điều khiển, cải thiện tốc độ xử lý cho phản hồi nhanh - Các cảm biến bên MPU-6050 sử dụng chuyển đổi tương tự - số 16-bit cho kết chi tiết góc quay, tọa độ Với 16-bit có 216 = 65536 giá trị cho cảm biến - MPU-6050 kết hợp với cảm biến từ trường (bên ngoài) để tạo thành cảm biến góc đầy đủ thơng qua giao tiếp I2C - Thông số kỹ thuật: + Chip : MPU-6050 tích hợp trục cảm biến (Đo trục góc + trục gia tốc) + Điện áp làm việc: - 5V 20 +Giao tiếp: I²C +Hỗ trợ ADC 16 Bit +Độ phân giải góc (Gyroscope): ±250 ±500 ±1000 ±2000 dps +Độ phân giải gia tốc (Acceleration): ±2 ±4 ±8 ±16g +Kích thước: 20.2 x 15.5mm - Sơ đồ kết nốt cảm biến gia tốc Mạch thu phát không dây NRF24L01 Tần số hoạt động: 2.4~2.525 GHz Điện áp hoạt động thấp: 1.9~3.6VDC Tốc độ truyền liệu cao: 250Kb~2Mbps Khoảng cách tối đa: 100m 21 Khung Quadcopter F450 - Trọng lượng: 283g - Chiều dài đường chéo: 450mm - Trọng lượng cất cánh: 800g ~ 1600g Bộ điều khiển TX-RX FLYSKY I6 Thông số kỹ thuật TX FS-I6: + kênh 22 Phạm Vi RF: 2.40-2.48 GHz Bandwidth 500KHz RF Power: 20dBm 2.4 ghz hệ thống: AFHDS 2A AFHDS Chiều dài ANTEN 26mm*2 (ăng ten kép) Power: V 1.5AA * - Thông số kỹ thuật RX FS-iA6B kênh Phạm vi RF: 2.40-2.48 GHz Bandwidth: 500KHz RF Power: 20dBm RF receiver sensitivity: -105 dBm 2.4 ghz hệ thống: AFHDS 2S Power: 4.0-6.5V Kích thước 40.4x21.2x7.35 mm 23 Motor Himodel XXD A2212-1400KV không chổi than - Hiệu suất tối đa: 78% Dòng tối đa 12A Kích thước: 27,5x30 mm Đường kính trục: 3,17 mm Chiều dài trục 11mm Trọng lượng: 47 g Kích thước cánh quạt: ~ inch (11,1V) Tốc độ: 14700rpm-17360rpm 24 Cánh 8045 Carbon 3K - Kích thước: x 4.5 ” - Trọng lượng: 14 g cặp - Đường kính lỗ: mm 25 ESC điều khiển động không chổi than DC - 16V 30A giắc chuối - Dòng cực đại: 30A Điện áp vào: 5.6V - 16.8V Pin sử dụng: 2-3S Kích Thước: 32 x 24 x Trọng Lượng: ~20g PIN Li-po Công suất: 2200mAh Điện áp: 11.1V / 3S Tỷ lệ xả: 45C Trọng lượng: 189g Kích thước: 168X34X24mm 26 IV Bộ điều khiển PID Sau xác định trạng thái máy bay, cần phải thực điều khiển hệ thống động để ổn định máy bay trạng thái mong muốn Một phương pháp hiệu để thực điều thực điều khiển PID điều khiển tỷ lệ, tích hợp dẫn xuất - Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID- Proportional Integral Derivative) chế phản hồi vòng điều khiển tổng quát; điều khiển sử dụng nhiều điều khiển phản hồi Nó tính tốn giá trị "sai số" hiệu số giá trị đo thông số biến đổi giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển thực giảm tối đa sai số cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào 27 - Tính tốn điều khiển PID bao gồm ba khâu khâu tỉ lệ P, khâu tích phân I khâu vi phân D Giá trị tỉ lệ xác định tác động sai số tại, giá trị tích phân xác định tác động tổng sai số khứ, giá trị vi phân xác định tác động tốc độ biến đổi sai số 28 ... BÁO CÁO CUỐI KỲ KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ TRÊN MÁY BAY Chủ đề: Nghiên cứu hệ thống điều khiển UAV Xây dựng thiết kế hệ thống điều khiển Điểm Nhận xét, đánh giả giảng viên GVHD: TS Phạm Gia Điềm... Bộ điều khiển PID Sau xác định trạng thái máy bay, cần phải thực điều khiển hệ thống động để ổn định máy bay trạng thái mong muốn Một phương pháp hiệu để thực điều thực điều khiển PID điều khiển. .. động điều khiển thông qua ESC riêng biệt ESC thay đổi tốc độ quay động dựa vào độ rộng xung tín hiệu PWM từ mạch điều khiển Độ rộng xung điều khiển tốc độ động giới hạn khoảng 1-2ms tần số điều khiển