(Đồ án tốt nghiệp) thiết kế và thi công máy bay bốn cánh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MÁY BAY BỐN CÁNH GVHD : NGUYỄN MINH TÂM SVTH : LÊ MINH HÀO MSSV : 14151030 SVTH : PHẠM MINH TRÍ MSSV : 14151135 SKL006582 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2018 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO -*** *** - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY BAY BỐN CÁNH SVTH : LÊ MINH HÀO PHẠM MINH TRÍ KHĨA : 2014-2018 NGÀNH : CNKT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG NĂM 2018 CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2018 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Lê Minh Hào 14151030 Phạm Minh Trí 14151135 Lớp: 14151CLC Ngành: CNKT Điều khiển Tự động hóa Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Minh Tâm Ngày nhận đề tài: Ngày nộp đề tài: Tên đề tài: Thiết kế thi công máy bay bốn cánh Nội dung thực đề tài: - Tìm hiểu phương trình động học, động lực học, khí động học quadcopter - Nghiên cứu nguyên lý hoạt động cảm biến góc nghiêng MCU, truyền nhân tín hiệu qua thu phát sóng - Thiết kế chế tạo mơ hình quadcopter Sản phẩm: - Mơ hình quadcopter bay ổn định điều khiển thơng qua tay cầm Devo TRƯỞNG NGÀNH TS Lê Mỹ Hà GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TS Nguyễn Minh Tâm i CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên sinh viên: Lê Minh Hào 14151030 Phạm Minh Trí 14151135 Lớp: 14151CLC Ngành: CNKT Điều khiển Tự động hóa Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Minh Tâm Tên đề tài: Thiết kế thi công máy bay bốn cánh 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: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2018 Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) ii CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên sinh viên: Lê Minh Hào 14151030 Phạm Minh Trí 14151135 Lớp: 14151CLC Ngành: CNKT Điều khiển Tự động hóa Giảng viên phản biện: TS Nguyễn Văn Thái Tên đề tài: Thiết kế thi công máy bay bốn cánh 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: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2018 Giáo viên phản biện (Ký & ghi rõ họ tên) iii LỜI CẢM ƠN Trong trình thực đồ án tốt nghiệp, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy TS Nguyễn Minh Tâm nhiệt tình giúp đỡ, động viên tạo điều kiện tốt cho chúng em suốt thời gian thực đồ án Chúng em xin cảm ơn quý Thầy Cô khoa Đào tạo chất lượng cao trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Cảm ơn từ kiến thức Thầy Cô truyền đạt, thêm nhiều đóng góp ý kiến, tạo điều kiện giúp đỡ giúp đỡ chúng em có thắc mắc liên quan đến đề tài Xin cám ơn tập thể lớp 14151CLC, bạn có ý kiến đóng góp thiết thực giúp đỡ q trình thiết kế thi công đề tài Chúng em xin cảm ơn! iv TĨM TẮT Trong quy mơ đồ án, chúng em xin trình bày sở lý thuyết ngun lý hoạt động mơ hình máy bay Quadcopter – dạng máy bay lên thẳng nâng bốn cánh quạt đặt khung chữ thập Hoạt động dựa nguyên lý khí động học Mơ hình thiết kế thi cơng dựa q trình tính tốn kết cấu khí, cân động học kết hợp giao tiếp cảm biến để máy bay cân với điều khiển từ xa v MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP PHIẾUNHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN PHIẾUNHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN LỜI CẢM ƠN TÓM TẮT MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC HÌNH ẢNH CHƯƠNG TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1Tổng quan 1.2Mục tiêu đề tài 1.3Phạm vi đề tài CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1Sơ lược cấu tạo Quadcopter 2.2Sơ lược nguyên lý bay Quadcopter 2.3Lý thuyết điều khiển Quadcopter 2.4Cơ sở lý thuyết mơ hình bay quadcopter 2.4.1 Nghiên cứu lý thuyết chuy động lực học máy bay 2.4.2 Mơ hình tính tốn khí độn 2.4.3 Tính tốn thơng số chế tạo 2.5 Lý thuyết hệ thống IMU 2.5.1 Lý thuyết hệ thống IMU 2.5.2 Một số phương pháp xác đ 2.5.3 Phương pháp Quaternion 2.5.4 Chuyển đổi hệ tr 2.6 Cảm biến MPU 2.6.1 Cảm biến Gyro 2.6.2 Cảm biến gia tốc (Acceler CHƯƠNG THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 3.1 u cầu mơ hình máy bay cánh 3.2 Giới thiệu linh kiện phần cứng 3.2.1 Khung thân mơ hình 3.2.2 Động DC khơng chổi th 3.2.3 Bộ điều tốc – ESC (Electro 3.2.4 Cảm biến góc nghiêng MP 3.2.5 Board điều khiển – Board 3.2.6 Nguồn cấp (Pin Lipo) 3.2.7 Cánh quạt 3.2.8 Tay điều khiển RF Devo 3.3 Xây dựng mơ hình thực tế CHƯƠNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 4.1 Giải thuật cân 4.2 Lý thuyết điều khiển PID vi 4.2.1Bộ điều khiển PID 4.2.2Khâu tỷ lệ (độ lợi) 4.2.3Khâu tích phân 4.2.4Khâu vi phân 4.2.5Cách hiệu chỉnh PID 4.3Lý thuyết đánh giá chất lượng điều khiển 4.4Giải thuật điều khiển CHƯƠNG KẾT LUẬN 5.1Kết đạt 5.2Hạn chế đề tài 5.3Hướng phát triển đề tài TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC (Code arduino) vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Bảng tính tốn góc Euler từ ma trận xoay 15 Bảng 3.1 Bảng điều khiển trạng thái động BLDC đơn giả 27 viii PHỤ LỤC (Code arduino) #include //Thu vien I2C #include //Thu vien EEPROM /* * Bo dieu khien PID: Cho goc ROW PITCH YAW float pid_p_gain_roll = 1.55; //Hệ số Kp float pid_i_gain_roll = 0.003; //3 float pid_d_gain_roll = 10.0; int pid_max_roll = 300; //Gía trị lớn nhỏ nhất(saturation), gọi ngưỡng float pid_p_gain_pitch = pid_p_gain_roll; float pid_i_gain_pitch = pid_i_gain_roll; float pid_d_gain_pitch = pid_d_gain_roll; int pid_max_pitch = pid_max_roll; float pid_p_gain_yaw = 3; float pid_i_gain_yaw = 0.005; float pid_d_gain_yaw = 0.0; int pid_max_yaw = 300; boolean auto_level = true; /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// /* * Khai báo biến : biến kênh điều khiển */ /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// byte last_channel_1, last_channel_2, last_channel_3, last_channel_4; byte eeprom_data[36]; byte highByte, lowByte; volatile int receiver_input_channel_1, receiver_input_channel_2, receiver_input_channel_3, receiver_input_channel_4; int counter_channel_1, counter_channel_2, counter_channel_3, counter_channel_4, loop_counter; int esc_1, esc_2, esc_3, esc_4; int throttle, battery_voltage; int cal_int, start, gyro_address; int receiver_input[5]; int temperature; int acc_axis[4], gyro_axis[4]; float roll_level_adjust, pitch_level_adjust; long acc_x, acc_y, acc_z, acc_total_vector; unsigned long timer_channel_1, timer_channel_2, timer_channel_3, timer_channel_4, esc_timer, esc_loop_timer; 46 unsigned long timer_1, timer_2, timer_3, timer_4, current_time; unsigned long loop_timer; double gyro_pitch, gyro_roll, gyro_yaw; double gyro_axis_cal[4]; float pid_error_temp; float pid_i_mem_roll, pid_roll_setpoint, gyro_roll_input, pid_output_roll, pid_last_roll_d_error; float pid_i_mem_pitch, pid_pitch_setpoint, gyro_pitch_input, pid_output_pitch, pid_last_pitch_d_error; float pid_i_mem_yaw, pid_yaw_setpoint, gyro_yaw_input, pid_output_yaw, pid_last_yaw_d_error; float angle_roll_acc, angle_pitch_acc, angle_pitch, angle_roll; boolean gyro_angles_set; int bu = 0;//100 /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// //Cài đặt : I2C, calib MPU6050, cài đặt ngắt /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// void setup(){ Serial.begin(250000); //Copy the EEPROM data for fast access data for(start = 0; start 1050){ //Do not yaw when turning off the motors if(receiver_input_channel_4 > 1508)pid_yaw_setpoint = (receiver_input_channel_4 - 1508)/3.0; else if(receiver_input_channel_4 < 1492)pid_yaw_setpoint = (receiver_input_channel_4 - 1492)/3.0; } 50 calculate_pid(); //Tính tốn điều khiển PID //Bộ lọc bù để lọc liệu //0.09853 = 0.08 * 1.2317 battery_voltage = battery_voltage * 0.92 + (analogRead(0) + 65) * 0.09853; if(battery_voltage < 1000 && battery_voltage > 600)digitalWrite(12, HIGH); throttle = receiver_input_channel_3; if (start == 2){ if (throttle > 1800) throttle = 1800; esc_1 = bu + throttle - pid_output_pitch + pid_output_roll - pid_output_yaw; esc_2 = throttle + pid_output_pitch + pid_output_roll + pid_output_yaw; esc_3 = throttle + pid_output_pitch - pid_output_roll - pid_output_yaw; esc_4 = bu + throttle - pid_output_pitch - pid_output_roll + pid_output_yaw; if (battery_voltage < 1240 && battery_voltage > 800){ setup tín hiệu phụ thuộc vafod diện áp //Kiểm tra tín hiệu điện áp esc_1 += esc_1 * ((1240 - battery_voltage)/(float)3500); esc_2 += esc_2 * ((1240 - battery_voltage)/(float)3500); esc_3 += esc_3 * ((1240 - battery_voltage)/(float)3500); esc_4 += esc_4 * ((1240 - battery_voltage)/(float)3500); } if (esc_1 < 1100) esc_1 = 1100; //Giữ động quay tốc độ ban đầu if (esc_2 < 1100) esc_2 = 1100; if (esc_3 < 1100) esc_3 = 1100; if (esc_4 < 1100) esc_4 = 1100; if(esc_1 > 2000)esc_1 = 2000; // giới hạn ngưỡng để điều khiển đông if(esc_2 > 2000)esc_2 = 2000; if(esc_3 > 2000)esc_3 = 2000; if(esc_4 > 2000)esc_4 = 2000; } else{ esc_1 = 1000; esc_2 = 1000; esc_3 = 1000; esc_4 = 1000; } if(micros() - loop_timer > 4050)digitalWrite(12, HIGH); // bật tắt led để kiểm tra // cài đặt điều khiển 250Hz Tức 4000us while(micros() - loop_timer < 4000); loop_timer = micros(); 51 PORTD |= B11110000; timer_channel_1 = esc_1 + loop_timer; timer_channel_2 = esc_2 + loop_timer; timer_channel_3 = esc_3 + loop_timer; timer_channel_4 = esc_4 + loop_timer; gyro_signalen(); while(PORTD >= 16){ esc_loop_timer = micros(); if(timer_channel_1