(Đồ án tốt nghiệp) nghiên cứu và chế tạo máy bay 4 cánh quadrocopter

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MÁY BAY CÁNH QUADROCOPTER GVHD: PGS.TS NGUYỄN TRƯỜNG THỊNH SVTH: NGUYỄN HỮU CHỈNH MSSV: 11146219 SVTH: ĐẶNG HOÀI PHONG MSSV: 11146202 SKL004076 Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2015 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MÁY BAY CÁNH QUADROCOPTER GVHD: PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh SVTH: Nguyễn Hữu Chỉnh – 11146219 Đặng Hồi Phong – 11146202 TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2015 -o0o - NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Nguyễn Hữu Chỉ nh Đặng Hoài Phong Lớp 11146clc Họ tên: MSSV: 11146219 MSSV: 11146202 Ngành Cơ điện tử 1.1.TÊN ĐỒ ÁN NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MÁY BAY CÁNH QUADROCOPTER 1.2.NHIỆM VỤ: - Thiết kế xây dựng khí máy bay Quadrocopter với thiết bị tự tạo có sẵn - Tìm hiểu lý thuyết nguyên lý tổng quát Quadrocopter - Tìm hiểu thuật tốn PID, ngơn ngữ C++ tảng ARM Cortex - Thiết kế mạch thu thập xử lí tín hiệu từ cảm biến giúp máy bay tự giữ thằng - Thiết kế chế tạo tay điều khiển từ xa Ngày giao nhiệm vụ đề tài: 01/03/2015 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 01/07/2015 Họ tên giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh Họ tên giáo viên phản biện: Nội dung yêu cầu đồ án tốt nghiệp thông qua môn Ngày…tháng…năm 2015 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN: Người duyệt (chấm sơ bộ): Đơn vị: Ngày bảo vệ: Điểm tổng kết: Nơi lưu trữ dự án CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** - PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên sinh viên: Nguyễn Hữu Chỉnh Họ tên sinh viên: Đặng Hoài Phong Ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử Tên đề tài: NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MÁY BAY CÁNH QUADROCOPTER Họ tên giáo viên hướng dẫn: PSG.TS Nguyễn Trường Thịnh NHẬN XÉT Về nội dung đề tài khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm: (Bằng chữ: ) thán g Giáo viên hướng dẫn Tp Hồ Chí Minh, ngày năm 2015 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** - PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên sinh viên: Nguyễn Hữu Chỉnh Họ tên sinh viên: Đặng Hồi Phong Ngành: Cơng nghệ kỹ thuật Cơ điện tử Tên đề tài: NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MÁY BAY QUADROCOPTER Họ tên giáo viên phản biện: PGS.TS Đỗ Thành Trung NHẬN XÉT Về nội dung đề tài khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm: (Bằng chữ: ) thán g Giáo viên phản biện Tp Hồ Chí Minh, ngày năm 2015 LỜI CÁM ƠN  Lời chúng em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện cho sinh viên chúng em có môi trường học tập thoải mái sở hạ tầng sở vật chất Em cảm ơn thầy cô khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao giúp chúng em mở mang kiến thức chuyên nghành tảng cho công việc chúng em sau trường Và đặc biệt hiểu biết phương pháp tính tốn mạch điện, thuật tốn lập trình, giao thức kết nối giám sát hệ thống thực nhà trường hệ thống công nghiệp sau Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Trường Thịnh hướng dẫn tận tình để chúng em hồn thành đồ án thời gian Hi vọng thông qua hiểu biết tìm hiểu chúng em giúp bạn hiểu nắm rõ mơ hình máy bay cánh quadcopter Em xin chân thành cám ơn bố mẹ, anh chị, người bạn hết lòng quan tâm, giúp đỡ, động viên tạo điều kiện thuận lợi để chúng em hồn thành đồ án cách tốt đẹp Đồ án thực khoảng thời gian tháng Bước đầu vào thực tế, tìm hiểu kiến thức em hạn chế nhiều bỡ ngỡ Do vậy, khơng tránh khỏi thiếu sót điều chắn, em mong nhận đượcnhững ý kiến đóng góp q báu q Thầy Cơ, anh chị khóa trước bạn lớp để em rút kinh nghiệm hồn thiện sản phẩm Và em mong muốn nhận ý tưởng thú vị từ quý Thầy bạn để chúng em cải tiến sản phẩm thành thiết bị có ích sống làm nhiều việc Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2015 Nhóm thực Nguyễn Hữu Chỉnh Đặng Hồi Phong TÓM TẮT BÁO CÁO  Mục tiêu đề tài thiết kế mơ hình quadrocopter sử dụng cảm biến IMU (Inertial Measurement Unit) 6DOF ( trục quay hồi chuyển trục gia tốc) để giúp máy bay tự giữ thăng không Không giống helicopter, quadcopter sử dụng động brushless (động không chổi than) lắp đối xứng với tạo thành khung hình chữ thập, dễ dành di chuyển hướng khơng gian có khả đứng n chỗ khơng mà khí lại dễ dàng chế tạo Trong trình thiết kế, tìm hiểu cách điều khiển tốc độ động brushless (BLDC) cách điều chỉnh độ rộng xung PWM qua ESC (Electronic Speed Controller) Đã tìm hiểu cách đọc liệu từ Gyroscope (con quay hồi chuyển) Accelerometer (gia tốc), cách tính tốn kết hợp liệu để tính góc lệch cảm biến theo trục roll, pitch, yaw Sử dụng lọc bù (Complementary Filter) để chống nhiễu rung động brushless hoạt động Thiết kế chế tạo tay điều khiển từ xa sử dụng module RFM22B Tìm hiểu phương thức giao tiếp (SPI), cách truyền phát liệu Module truyền nhận giao tiếp với thơng qua sóng RF có tần số 868Mhz tần số khơng phổ biến đời sống, giúp tín hiệu khó bị ảnh hưởng nhiễu làm sai q trình điều khiển Sử dụng thuật tốn PID, lấy tín hiệu hồi tiếp từ IMU, kết hợp với thơng số Kp, Ki, Kd đặt trước tính tốn giá trị PWM cho động cơ, giúp quadrocopter tự cân không ABSTRACT  The aim of project is to design Quadrocopter using IMU (Inertial Measurement Unit) sensor 6DOF (gyroscope and accelerometer) It helps Quadrocopter keep the balance in midair It is different from Helicopter when Quarocopter uses brushless motors (BLDC) The motors are assembled symmetry to each other to become a cross frame It will make the Quadrocopter easy to move in all directions and able stand still balance in midair During the design process, we find out that BLDC can control by adjusting pulse of PWM through ESC (Electronic Speed Controller) We learned how to read the data from Gyroscope and Accelerometer, how to combine all the data and parameter to calculate the error angle from three sensors according three axes roll, pitch, yaw We also use Complementary filter to against noise due to vibration when BLDC is running We learn communication method call as SPI how it transmit and receive the data We use module RFM22B for portable remote controller The module communication to each other through RF (Radio Frequency) which have f = 868Mhz The RF is an uncommon frequency in daily life so it will have less noise control Use PID algorithm to get the feedback signals from IMU Combining the Kp, Ki, Kd parameter that have a default setting to calculate PWM value for each motors It will help Quadrocopter auto balance in midair  Ultra low power shutdown mode  Digital RSSI  Wake-up timer  Auto-frequency calibration (AFC)  Power-on-reset (POR)  Antenna diversity and TR switch control  Configurable packet handler  Preamble detector  TX and RX 64 byte FIFOs  Low battery detector  Temperature sensor and 8-bit ADC  –40 to +85 °C temperature range  Integrated voltage regulators Frequency hopping capability On-chip crystal tuning Demention: 16mm x 16mm (0.63in x0.63in) 51 Hình 38 Schematic of Controller Hình 39 Layout of Controller 52 CHƯƠNG IV: GIẢI THUẬT VÀ LẬP TRÌNH XỬ LÍ 4.1 Sơ đồ khối điều khiển quadcopter Hình 40 Sơ đồ điều khiển Quadrocopter 53 Hình 41 Sơ đồ khối Mạch điều khiển trung tâm có chức nhiệm vụ sau:  Nhận tín hiệu điều khiển từ tay điều khiển, từ tính tốn góc nghiêng điều khiển để đưa vào điều khiển PID  Đọc liệu Gyro gia tốc từ cảm biến MPU6050, tính tốn để đưa góc nghiêng mơ hình thời điểm  Tính tốn đầu điều khiển PID, từ xuất tín hiệu PWM để điều khiển động thơng qua ESC  Truyền liệu khối giao tiếp máy tính để giám sát, hiển thị 54 Hình 42 Sơ đồ khối điều khiển quadcopter 4.2 Chương trình giao tiếp với controller máy tính Ta sử dụng C++ để thiết kế giao diện giao tiếp với controller (STM32F4 Discovery) Để xây dựng giao diện người dùng ta sử dụng Windows Form Application Trong có thành phần để giúp người dùng giao tiếp dễ dàng thân thiện như: text box, button, lable, combo box, serial port… Hình 43 Giao diện giao tiếp C++ 55 Hình 44 Sơ đồ khối điều khiển quadcopter từ máy tính 56 4.3 Giải thuật điều khiển 4.3.1 Giải thuật Hình 45 Giải thuật điều khiển Quadrocopter 57 4.3.2 Giải thuật điều khiển sử dụng điều khiển PID PID cách viết tắc từ Propotional (tỉ lệ), Integral (tích phân), Derivative (đạo hàm) giải thuật điều khiển dùng nhiều ứng dụng điều khiển tự động với yêu cầu xác (accurate), nhanh (fast response), ổn định (small overshot) Hình 46 Diagram block of PID Khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân cộng lại với để tính tốn đầu điều khiển PID Định nghĩa u(t) đầu điều khiển, biểu thức cuối giải thuật PID là: Trong thơng số điều chỉnh là: Độ lợi tỉ lệ (Kp): giá trị lớn đáp ứng nhanh sai số lớn, bù khâu tỉ lệ lớn Một giá gị độ lợi tỉ lệ lớn dấn đến trình ổn định dao động Độ lợi tích phân (Ki): giá trị lớn kéo theo sai số ổn định bị khử nhanh Đổi lại độ vọt lố lớn: sai số âm tích phân suốt đáp ứng độ phải triệt tiêu tích phân sai số dương trước tiến tới trạng thái ổn định Độ lợi vi phân (Kd): giá trị lớn giảm độ vọt lố, lại làm chậm đáp ứng độ dẫn đến ổn định khuếch đại nhiễu tín hiệu phép vi phân sai số 58 Hình 47 Cấu trúc hệ điều khiển Hình 48 Sơ đồ tín hiệu điều khiển PID Theo đó, thơng số PID (Kp, Ki, Kd) hiệu chỉnh tín hiệu PWM cấp vào động dựa vào sai lệch góc thực (actual angle) góc đặt (set angle) Ở đây, góc đặt pitch, roll cho 59 Khi muốn Quadrocopter di chuyển (left, right, back, front) ta việc thay đổi góc đặt theo ý muốn, quadcopter bám theo góc đặt làm di chuyển không trung Trong hệ điều khiển cân bằng, điều khiển PID có chức tính toán xung PWM để điều khiển tốc độ động qua điều tốc ESC dựa vào sai số góc nghiêng mong muốn góc nghiêng thực tế Trong hệ này, xung PWM điều khiển động trước động sau tính tốn vào sai lệch góc pitch( sai lệch theo trục x), xung PWM điều khiển động trái động phải tính tốn sai lệch góc roll ( sai lệch theo trục y) Sơ đồ thuật tốn điều khiển động trình bày Hình 49 Sơ đồ khối thuật tốn điều khiển động Đầu PID lượng cần tăng (hoặc giảm) tín hiệu PWM để hệ thống cân vị trí mong muốn Như vậy, muốn hệ thống cân bằng, động trước động sau phải tăng giảm lượng đầu PID theo trục X, động trái động phải phải tăng giảm lượng đầu PID theo trục Y Điều khiển ghép tầng 60 Một ưu điểm đặc trưng điều khiển PID hai điều khiển PID sử dụng để đạt kết động học tốt Đây gọi điều khiển PID ghép tầng Trong điều khiển ghép tầng, có hai PID xếp với PID điều khiển điểm đặt Một điều khiển làm việc điều khiển vịng ngồi, điều khiển thơng số vật lý chính, mức chất lỏng vận tốc Bộ điều khiển làm việc điều khiển vòng trong, đọc đầu điều khiển vịng ngồi điểm đặt, thường thơng số điều khiển, tốc độ chảy gia tốc thay đổi nhanh Người ta chứng minh toán học tần số làm việc điều khiển tăng số thời gian đối tượng giảm việc sử dụng điều khiển PID ghép tầng Trong mơ hình quadcopter mà đề tài thực hiện, để quad ổn định q trình bay cần phải nhận phản hồi từ cảm biến IMU tính góc Euler làm đầu vào mơ hình thuật tốn PID, giá trị cần đạt giá trị đọc từ transmitter chuyển đơn vị góc để PID, kết hợp với điều khiển ghép tầng để kết tốt Hình 50 Mơ hình Quadcopter đồ án 61 CHƯƠNG V: KẾT LUẬN 5.1 Những kết đạt Với mục tiêu đề tài đặt ra, qua trình thực hiện, nhóm đạt kết sau sau:  Lý thuyết  Nghiên cứu cách tổng thể nguyên lý lý thuyết tổng quan Quadrocopter  Nghiên cứu dòng vi điều khiển ARM 32-bit (STM32F4 Discovery)  Nghiên cứu cách đọc xử lí tín hiệu từ cảm biến MPU6050  Nghiêng cứu thuật tốn chọn thơng số cho điều khiển PID dùng để cân Quadrocopter   Tìm hiểu thiết kế giao diện điều khiển C++  Tìm hiểu brushless điều khiển BLDC qua điều tốc ESC  Tìm hiểu nguyên lý thu phát RFM22B sử dụng giao thức SPI Thiết kế  Lắp ráp thiết kế thêm số chi tiếp để hoàn thiện khung Quadrocopter   Thiết kế mạch điều khiển phần mềm Orcad  Thiết kế tay điều khiển từ xa Xử lí điều khiển  Xử lí tín hiệu cảm biến MPU6050 đưa thông qua lọc bù, sau đưa qua điều khiển PID để điều chỉnh tốc độ động   Điều khiển động brushless ESC với tần số 400Hz  Qua q trình bay thử nghiệm, thành cơng việc cất cánh cịn khó để giữ thăng di chuyển Quan sát Thiết kế giao diện C++ giao tiếp liệu với máy tính thông qua board pl2303 để vẽ đồ thị quan sát Có thể điều chỉnh thơng số PID, throttle, set angle từ máy tính thơng qua dây nối từ máy tính truyền khơng dây RFM22B Lưu liệu để quan sát đánh giá Sử dụng phần mềm STMStudio để quan sát biến Quadrocopter cách dễ dàng vẽ đồ thị 62 5.2 Những kết chưa đạt biện pháp khắc phục  Điều khiển từ xa Chưa ổn định, khoảng cách chưa đạt mong muốn -> Sẽ kiểm tra, hiệu chỉnh nâng cấp module RF có cơng suất lớn  PID controller Đáp ứng chưa tốt, cịn dao động quanh vị trí cân -> Sẽ hiệu chỉnh lại thơng số PID để tìm đáp ứng tốt  Khả di chuyển Có thể di chuyển tới, lui, trái, phải khó để điểu khiển tay hệ thống chưa sử dụng góc Yaw để cân Quadrocopter làm cho cất cánh máy bay bị quay quanh trục Z -> Sẽ sử dụng thêm góc Yaw để hệ thống hồn thiện Ngoài sử dụng cảm biến áp suất để xác định độ cao cho Quadcopter môt điều cần thiết 5.3 Hướng phát triển đề tài  Tích hợp camera quay phim chụp ảnh gửi mặt đất nhằm ứng dụng thăm dò khơng  Tích hợp hệ thống định vị tồn cầu GPS Sau Quadrocopter tự cân tự di chuyển không gian mà không cần người điều khiển đến nơi lập trình sẵn  Áp dụng cơng nghệ xử lí ảnh để Quadcopter tracking vật Hiện Việt Nam bắt đầu phát triển loại mơ hình cơng nghệ cao dạng Quadrocopter, việc nghiên cứu thương mại hóa sản phẩm hướng phát triển tốt 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Lê Công Danh, “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mơ hình máy bay lên thẳng bốn chong chóng có khả tự di chuyển nhà”, tp.HCM, 10/2009 [2] Nguyễn Quang Huy, “Hệ thống dẫn đường quán tính”, tạp chí khoa học công nghệ hàng hải số 23, 8/2010 [3] Nguyễn Hải Đăng Tâm, Nguyễn Lê Nhật Thắng, “Nghiên cứu chế tạo mơ hình máy bay Quadrocopter”, TP.HCM, 1/2011 [4] Lâm Ngọc Tâm, “Thiết kế chế tạo mơ hình bay Quadcopter”, hội nghị sinh viên nghiên cứu khoa học lần thứ 8, Đà Nẵng, 10/2012 [5] Trần Đức Tân, Huỳnh Hữu Tuệ, “Định vị dẫn đường kỉ 21”, Đại học công nghệ, ĐHQG Hà Nội Tiếng Anh [6] Hemant L Jadhav, “Application of mechatronics in design and control of a quad – copter flying robot for aerial surveillance”, Excel Journal of Engineering Technology and Management Science (An International Multidisciplinary Journal), January - June 2013-14 [7] Sherryl H Stovall, Basic Inertial Navigation, Naval Air Warfare Center Weapons Division [8] Tommaso Bresciani, Modelling, Identification and Control of a Quadrotor Helicopter, Lund University, Sweden, 10/2008 Website [9] www.icviet.vn [10] www.clbmohinh.com 64 ... TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MÁY BAY CÁNH QUADROCOPTER GVHD: PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh SVTH: Nguyễn Hữu Chỉnh – 11 146 219 Đặng Hoài... ĐỒ ÁN NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MÁY BAY CÁNH QUADROCOPTER 1.2.NHIỆM VỤ: - Thiết kế xây dựng khí máy bay Quadrocopter với thiết bị tự tạo có sẵn - Tìm hiểu lý thuyết ngun lý tổng qt Quadrocopter -... Nếu cánh chọn nhỏ cánh nhà sản xuất yêu cầu làm motor không đạt lực nâng cao motor Vì cánh quạt mà nhóm chọn loại cánh Emax 10x4.5 - 10: đường kính cánh quạt (inch) - 4. 5: quãng đường tiến cánh