(Đồ án tốt nghiệp) thiết kế và thi công mô hình máy bay quadcopter

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THƠNG THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH MÁY BAY QUADCOPTER GVHD: ThS.NGUYỄN ĐÌNH PHÚ SVTH: LƯƠNG QUỐC ÂN MSSV: 12141009 SVTH: PHAN NGỌC TƯỜNG MSSV: 12141719 SKL004488 Tp Hồ Chí Minh, tháng 01/2017 BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MƠN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MƠ HÌNH MÁY BAY QUADCOPTER GVHD: ThS.Nguyễn Đình Phú SVTH1: Lương Quốc Ân SVTH2: Phan Ngọc Tường MSSV1: 12141009 MSSV2: 12141719 Tp Hồ Chí Minh – 01/2017 BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH MÁY BAY QUADCOPTER GVHD : ThS Nguyễn Đình Phú SVTH1: Lương Quốc Ân SVTH2: Phan Ngọc Tường MSSV: 12141009 MSSV: 12141719 Tp Hồ Chí Minh – 01/2017 i TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC Tp HCM, ngày 13 tháng năm 2017 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Chuyên ngành: Hệ đào tạo: Khóa: Lương Quốc Ân Phan Ngọc Tường Công nghệ kỹ thuật điện tử truyền thơng Đại học quy 2012 I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH MÁY BAY QUADCOPTER II NHIỆM VỤ Các số liệu ban đầu: (ghi thơng số, tập tài liệu tín hiệu, hình ảnh,…) Nội dung thực hiện:  Trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý chọn đề tài, mục tiêu, nôi dung nghiên cứu, giới hạn thông số bố cục đồ án  Trình bày sở lý thuyết linh kiện, lý thuyết động học, động lực học, điện tử bản,  Thiết kế mạch nguyên lý, mạch trung tâm cho robot, nghiên cứu tính tốn thuật tốn PID, kalman,  Trình bày kết thực được, nhận xét robot hoàn chỉnh hay chưa, cần cải tiến vấn đề gì?  Đưa kết luận, trình bày hướng phát triển ứng dụng robot III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 10/10/2016 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 13/01/2017 V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS.Nguyễn Đình Phú CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP ii TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC Tp.HCM, ngày 13 tháng 01 năm 2017 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Lương Quốc Ân Lớp: 12141DT1A Họ tên sinh viên 2: Phan Ngọc Tường Lớp: 12141DT1A Tên đề tài: Thiết kế thi cơng mơ hình máy bay Quadcopter Tuần/ngày Tuần Tuần Tuần Tuần Tuần Tuần Tuần Tuần Tuần Tuần 10 Tuần 11 GV HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) iii LỜI CAM ĐOAN Đề tài tự thực dựa vào số tài liệu trước khơng chép từ tài liệu hay cơng trình có trước Người thực đề tài Lương Quốc Ân & Phan Ngọc Tường iv LỜI CẢM ƠN Trên thực tế khơng có thành cơng mà không gắn liền với hỗ trợ, giúp đỡ dù hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp người khác Suốt thời gian từ bắt đầu học tập giảng đường đại học đến nay, em nhận nhiều quan tâm, giúp đỡ q Thầy Cơ, gia đình bạn bè Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý Thầy Cô Khoa Điện Điện Tử – Trường Đại Học sư phạm kỹ thuật với tri thức tâm huyết để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em suốt thời gian học tập trường Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Đình Phú tận tâm hướng dẫn chúng em qua buổi nói chuyện, thầy dạy chúng em hướng đắn để hồn thành đồ án Nếu khơng có lời hướng dẫn, dạy bảo thầy em nghĩ đồ án em khó hồn thiện Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn thầy Em gửi lời đồng cảm ơn đến bạn lớp 12141DT1 chia sẻ trao đổi kiến thức kinh nghiệm quý báu thời gian thực đề tài Cảm ơn đến cha mẹ,… Xin chân thành cảm ơn! Người thực đề tài Lương Quốc Ân & Phan Ngọc Tường v MỤC LỤC Trang bìa i Nhiệm vụ đồ án ii Lịch trình iii Cam đoan iv Lời cảm ơn v Mục lục vi Liệt kê hình vẽ ix Liệt kê bảng vẽ …………………………………………………………………… xi Tóm tắt xii CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu 1.3 Nội dung nghiên cứu 1.4 Giới hạn 1.5 Bố cục CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lý thuyết bay, điều khiển quadcopter 2.2 Động học phương trình tốn học 2.2.1 Lý thuyết điều khiển quadcopter 2.2.2 Lý thuyết chuyển động quadcopter mơ hình động lực học .6 2.2.3 Mơ hình tính tốn khí động lực học 2.2.4 Tính tốn thơng số chế tạo 2.3 Lý thuyết điều khiển PID 2.3.1 Khâu tỉ lệ 10 2.3.2 Khâu tích phân 11 2.3.3 Khâu vi phân 12 2.3.4 Xây dựng thuật toán điều khiển 12 2.4 Lưu đồ điều khiển cất cánh, hạ cánh, tới lùi, trái phải 13 2.4.1 Lưu đồ điều khiển cất cánh, hạ cánh 13 vi 2.4.2 Lưu đồ điều khiển tiến lùi 14 2.4.3 Lưu đồ điều khiển trái phải 15 2.5 Giới thiệu linh kiện 17 2.5.1 Động DC không chổi than (BRUSHLESS DC MOTOR) 17 2.5.1.1 Giới thiệu chung 17 2.5.1.2 Cấu tạo 18 2.5.1.3 Nguyên lý hoạt động điều khiển động 18 2.5.1.4 Một số loại động dùng quadcopter 21 2.5.2 Bộ điều tốc – ESC( Electronic speed controler) 23 2.5.2.1 Giới thiệu chung 23 2.5.2.2 Cấu tạo kết nối ESC 23 2.5.3 Cảm biến cân Gyroscape L3G4200D 24 2.5.3.1 Giới thiệu 24 2.5.3.2 Cấu tạo chi tiết 26 2.5.4 Board điều khiển – Board Arduino Uno 26 2.5.4.1 Giới thiệu chung 26 2.5.4.2 Cấu tạo 27 2.5.5 Nguồn cấp (Pin Li-po) 28 2.5.5.1 Giới thiệu chung 28 2.5.5.2 Dung lượng pin 29 2.5.6 Cánh quạt 30 2.5.7 Bộ RX – TX tay cầm Flysky I6 30 2.5.7.1 Giới thiệu chung 30 2.5.7.2 Thông số kỹ thuật 31 CHƯƠNG TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 3.1 GIỚI THIỆU 3.2 Tính tốn thiết kế hệ thống 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 3.2.2 Tính tốn thiết kế mạch 3.2.3 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch CHƯƠNG THI CÔNG HỆ THỐNG 4.1 Giới thiệu 4.2 Thi công hệ thống 4.2.1 Lắp ráp 4.2.2 Lập trình kiểm tra hệ thống 4.3 Lập trình hệ thống 4.3.1 Lưu đồ giải thuật 4.3.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển 4.3.3 Setup tay cầm 4.4 Hướng dẫn sử dụng, thao tác 4.4.1 Hướng dẫn sử dụng 4.4.2 Quy trình thao tác CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 5.1 Lắp ráp thi công phần cứng máy bay 5.2 Cảm biến gyro L3G4200D 5.3 Bộ điều khiển TX-RX 5.4 Kết nối ESC với arduino 5.5 Điều chỉnh thông số PID 5.6 Board arduino va phần mềm IDE CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận 6.1 Kết đạt hạn chế 6.1.2 Nhận xét đánh giá 6.2 Hướng phát triển TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Chương KẾT QUẢ-NHẬN XÉT-ĐÁNH GIÁ 5.1 LẮP RÁP VÀ THI CÔNG PHẦN CỨNG MÁY BAY Hình 5.1: Mơ hình máy bay hồn chỉnh Phần khung máy bay nhóm lắp ráp hồn chỉnh, vặn ốc cố định chắn, tránh trường hợp bị rơi không chặt làm độ ổn định bay Kết nối hàn dây cắm chắn, có ống bọc ly dây tín hiệu để giảm thiểu chạm, chập 5.2 CẢM BIẾN GYRO L3G4200D Nhóm nghiên cứu tìm hiểu nguyên lý hoạt động, sở lý thuyết, cách kết nối với board Arduino cảm biến cân Gyro L3G4200D BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Dựa số liệu thực nghiệm hiển thị máy tính Xử lý số liệu cảm biến Gyro, bảng hiển thị số liệu góc ROLL, PITCH, YAW chụp từ hình máy tính: Hình 5.2: Quadcopter góc nghiêng BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Hình 5.3: Số liệu góc Roll, Pitch, Yaw nghiêng Hình 5.4: Quadcopter góc Roll 45 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Hình 5.5: Số liệu góc Roll, Pitch, Yaw nghiêng trục Roll 45 Hình 5.6: Quadcopter góc Pitch 45 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Hình 5.7: Số liệu góc Roll, Pitch, Yaw nghiêng trục Pitch 45 5.3 BỘ ĐIỀU KHIỂN TX – RX Nhóm nghiên cứu sử dụng tay cầm Flysky i6 Hiểu nguyên lý hoạt động cách kết nối RX với board Arduino, cách sử dụng tay cầm Flysky i6 (TX) Lập trình điều khiển kiểm tra kết nối nhận tín hiệu tay cầm điều khiển RX máy bay Dưới hình ảnh vị trí cần gạt tay cầm số liệu đối chiếu: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Hình 5.8: Kênh (Gas) tay cầm vị trí thấp Kết hiển thị máy tính: Hình 5.9: Giá trị hiển thị kênh gas vị trí thấp BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Hình 5.10: Kênh (Gas) tay cầm vị trí cao Hình 5.11: Giá trị hiển thị kênh gas vị trí cao Hình 5.12: Kênh tay cầm vị trí cao BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Kết hiển thị máy tính: Hình 5.13: Giá trị hiển thị kênh kênh vị trí cao Hình 5.14: Kênh tay cầm vị trí cao BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Kết hiển thị máy tính: Hình 5.15: Giá trị hiển thị kênh kênh vị trí cao Kết giá trị kênh gần theo yêu cầu Trong khoảng giá trị từ 1000-2000 Có sai số lượng ít: giá trị nhỏ 1000 đo khoảng 1016, giá trị lớn 2000 đo khoảng 1992 Nguyên nhân: cấu tạo cần gạt, gạt qua khơng thể đạt giá trị mong muốn 5.4 KẾT NỐI ESC VỚI ARDUINO: Nhóm hiểu nguyên lý hoạt động ESC động BLDC Kết nối ESC với động Arduino Ngoài ra, gạt cần điều khiển tay cầm động nhận tín hiệu điều khiển tay cầm 5.5 ĐIỀU CHỈNH CÁC THÔNG SỐ PID: Hiểu giải thuật PID, dựa vào thực nghiệm nhóm tìm thơng số Kp, Ki, Kd để đáp ứng cho hệ thống Phương pháp nhóm làm: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ - Chọn Kp trước: thử điều khiển P với đối tượng thật, điều chỉnh Kp cho thời gian đáp ứng đủ nhanh, chấp nhận overshot nhỏ Thêm thành phần D để loại overshot, tăng Kd từ từ, thử nghiệm chọn giá trị thích hợp Steady state error xuất - Thêm thành phần I để giảm steady state error Tăng Ki từ bé đến lớn để giảm steady state error đồng thời không overshot xuất trở lại 5.6 BOARD ARDUINO VÀ PHẦN MỀM IDE: Tìm hiểu phần cứng, cấu tạo, chức sử dụng chân board Arduino Cài đặt sử dụng tốt phần mềm IDE để lập trình nạp chương trình cho board arduino BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 KẾT LUẬN 6.1.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ HẠN CHẾ Những kết mà nhóm đạt sau nghiên cứu so với kiến nghị ban đầu:  Tìm hiểu nguyên lý cân bằng, nghiên cứu động học, động lực học, động lực học thiết bị bay dạng quadcopter  Xây dựng mô hình thực tế  Kết nối cảm biến phận máy bay bốn cánh  Sử dụng tay cầm điều điều khiển kết nối với robot bay cánh  Xây dựng thuật toán điều khiển phương pháp cân cho robot bay cánh (Quadcopter)  Thi cơng hồn thiện điều khiển mơ hình robot bay cánh Quadcopter  Lập trình board Arduino Ngồi kết đạt nhóm có số nhiệm vụ chưa hồn thành:  Dù cố gắng nhóm chưa thể hiểu tường tận phương trình động học, động lực học  Do nhóm sử dụng phương pháp thủ cơng, dựa vào thực nghiệm để tìm thông số điều khiển PID, nên việc đáp ứng cân hệ thống chưa thật ổn định  Việc sử dụng tay cầm module điều khiển để ứng dụng, chưa thiết kế điều khiển 6.1.2 NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ Khung máy bay kết nối ốc vít xiết chặt chắn Các tín hiệu mạch điều khiển nhóm tiến hành hàn kết nối với arduino BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Sau thời gian thực đề tài nhóm hồn thành mơ hình bay thực tế Kết nối cảm biến thu thập liệu từ cảm biến máy tính Ngồi ra, kết nối tay cầm điều khiển với mơ hình bay, liệu thu thập gần đúng, có sai số so với lý thuyết Nguyên nhân tín hiệu tay cầm dạng nên xảy sai số Các nghiên cứu đạt tốt so với yêu cầu Nhưng còn hệ thống điều khiển PID chưa ổn định, nhóm tiến hành xác định thông số Ki, Kp, Kd dựa vào phương pháp thủ công thực nghiệm Việc sử dụng tay cầm điều khiển khó người chưa tiếp xúc với tay cầm 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Mơ hình bay cần cải tiến điều khiển PID Sử dụng số phương pháp khác để tìm thơng số điều khiển PID mang lại tính ổn định cao Có thể thiết kế thêm chức thả thực phẩm cứu trợ cho đồng bào bị lũ lụt cách thêm động có dây ròng rọc Khi tới vị trí xác định máy bay đứng n vị trí thả thực phẩm xuống Thêm cảm biến siêu âm để nhận biết khoảng cách máy bay Ứng dụng: đưa tín hiệu điều khiển tự động cất cánh lên tới độ cao 5m đứng yên không trung, tương tự với độ cao mong muốn khác Có thể gắn thêm camera dùng để quay phim chụp ảnh truyền liệu máy tính thơng qua module wifi bluetooth BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU THAM KHẢO Sách tham khảo [1] Samir Bouabdallah “Design and Control of Quadrotors with application to autonomous ying.” PhD thesis, EPFL, 2007 [2] Tommaso Bresciani " Modelling, Identification and Control of a Quadrotor Helicopter." Department of Automatic Control, Lund University October 2008 ISSN 0280-5316 [3] Pounds, Paul, Robert Mahony, and Peter Corke "Modelling and control of a quadrotor robot." Proceedings Australasian Conference on Robotics and Automation 2006 Australian Robotics and Automation Association Inc., 2006 [4] Ankur Mohan “Using the MPU6050 for Quadcopter Orientation Control” December 4, 2014 at 7:04am in Sensors & IMUs [5] “THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH MÁY BAY-QUADROCOPTER” SV Lâm Ngọc Tâm – Đại học Đà Nẵng – 2012 [6]Loc4atnt “Động chiều không chổi than – Brushless DC Motor” 21:30 Thursday, 28, July, 2016 [7] ksp “Arduino UNO R3 gì?” 17:09, Thứ năm, 22 Tháng 5, 2014 [8] Joop Brokking “Your Multicopter Flight Controller - 3D (YMFC-3D)” 2015 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP PHỤ LỤC PHỤ LỤC ĐƯA VÀO DATASHEET TOÁN HỌC CƠ BẢN LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI ĐOẠN CODE CHƯƠNG TRÌNH CON BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP ... AFHDS BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP CHƯƠNG TÍNH TỐN VÀ THI? ??T KẾ Chương TÍNH TỐN VÀ THI? ??T KẾ 3.1 GIỚI THI? ??U Quadcopter mơ hình bay hay thi? ??t bị bay khơng người lái Ngun lý hoạt động mơ hình hoạt... TỐN VÀ THI? ??T KẾ 3.1 GIỚI THI? ??U 3.2 Tính tốn thi? ??t kế hệ thống 3.2.1 Thi? ??t kế sơ đồ khối hệ thống 3.2.2 Tính toán thi? ??t kế mạch 3.2.3 Sơ đồ ngun lý tồn mạch CHƯƠNG THI. .. KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: THI? ??T KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH MÁY BAY QUADCOPTER GVHD: ThS.Nguyễn