2.1. Cấu tạo mạch điện điều khiển và nguồn cấp
Hình 23: Tổng quan số đồ khối bộ điều khiển
Trang 23 Thành phần mạch điều khiển bao gồm :
Hình 25: Cảm biến gyro MPU6050
Cảm biến gia tốc GY-521 6DOF IMU MPU6050 được sử dụng để đo 6 thông số: 3 trục Góc quay (Gyro), 3 trục gia tốc hướng (Accelerometer), là loại cảm biến gia tốc phổ biến nhất trên thị trường hiện nay.
Trang 24 THÔNG SỐ KỸ THUẬT:
Điện áp hoạt động: 5VDC
Khoảng cách phát hiện: 2cm – 450cm
Độ chính xác: ± 0.2cm - Tín hiệu kích hoạt đầu vào: 10us xung TTL - Kích thước: 43mm x 20mm x 17mm.
Hình 27: Cảm biến áp suất(optional)
Điện áp cung cấp điện: 1.8V ~ 3.6V Kích thước: 3.6mmx3.8x0.93mm Dòng tiêu thụ 5μA ở chế độ tiêu chuẩn
Phạm vi áp suất: 300 ~ 1100hPa (9000 mét đến 500 mét trên mực nước biển) Độ chính xác : Ở chế độ công suất thấp, độ phân giải là 0.06hPa (0.5m) Ở chế
độ tuyến tính cao, độ phân giải là 0,03hPa (0,25m) Giao diện I2C Thời gian phản ứng MSL 1: 7,5ms Không cần có mạch xung nhịp ngoài.
Trang 25 Nhóm chọn vi điều khiển stm32f103c8t6:
Hình 28: Vi điều khiển stm32
Cấu trúc ARM (viết tắt từ tên gốc là Advanced RISC Machine) là một loại cấu trúc vi xử lý 32 bit và 64 bit kiểu RISC được sử dụng rộng rãi trong các thiết kế nhúng. Chúng có đặc điểm tiết kiệm năng lượng, vì vậy các bộ CPU ARM chiếm ưu thế trong các sản phẩm điện tử di động. Các đặc tính của ARM bao gồm:
Cấu trúc nạp / lưu trữ. Hỗ trợ tập lệnh trực giao. Thanh ghi lớn.
Hầu hết các lệnh được thực hiện trong 1 chu kỳ CPU.
Trang 26
Hình 29: Bộ thu phát tín hiệu RF
Bộ Thu phát RF 433MHZ là 1 module , dùng sóng radio để truyền tín hiệu giữa bộ phát (transmitter module) và bộ thu (receiver module).
Bộ thu: Model: MX-05V Điện áp hoạt động: 5V DC Dòng hoạt động: 4mA Tần số thu: 433.92Mhz Kích thước: 30 * 14 * 7 mm Bộ phát: Model: MX-FS-03V
Khoảng cách truyền: 20 - 200m (điện áp cấp càng cao, truyền càng xa) Điện áp cấp: 3.5V - 12V DC
Kích thước: 19 * 19 mm Tốc độ truyền: 4Kb/s Công suất truyền: 10mW Tần số truyền: 433Mhz
Trang 27 Nguồn cấp :
Pin LI- PO có tên đầy đủ là Lithium-Ion Polymer.
Pin Li-Po nhỏ, nhẹ và có thể làm ở mọi hình dáng kích thước.
Pin Li-Po có dung lượng cao có nghĩa là nó chứa được nhiều năng lượng trong một gói pin nhỏ.
Pin Li-Po có dòng xả cao để cung cấp năng lượng liên tục cho thiết bị di động.
Trang 28
2.2. Shematic liên kết nối
Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu, nhóm chúng em đã tìm được Shematic liên kết nối nhằm phục vụ mục đích của đề tài.
Trang 29
2.3. Mô hình mạch pcb
PCB (viết tắt của Printed Circuit Board) là một bảng mạch in nhiều lớp và không dẫn điện, trong đó tất cả các linh kiện điện tử được kết nối với nhau trên bảng mạch và có đế đỡ phía dưới.
Các loại PCB
Có một số loại PCB được sử dụng để làm mạch. Trong số các loại PCB này, tùy theo ứng dụng mà chọn loại PCB phù hợp.
- PCB một lớp - PCB hai lớp - PCB đa lớp
- PCB dẻo (flexible PCB)
- PCB đáy nhôm (aluminium backed PCB) - PCB dẻo - cứng (flex-rigid PCB)
Và sau đây là mạch pcb của nhóm chúng em :
Trang 30
Trang 31
Chương 4 : BỘ ĐIỀU KHIỂN 1. Tổng quan về bộ điều khiển
1.1 . Yêu cầu thực tế
Yêu cầu đặt ra là phải xây dựng một bộ điều khiển có khả năng phản ứng với các thông số trả về từ các cảm biến. Nhóm em chọn xây dựng bộ điều khiển PID với các khâu P, I, D theo mô hình:
Vì các thông số roll, pitch, yaw, thrust đã đã hoàn toàn tách biệt do thiết kế phần cứng cũng như các chế độ hoạt động mong muốn thế nên nhóm em xin chỉ trình bày lý thuyết đều khiển riêng cho thông số thrust(lên quan tới độ cao hiện tại của quadcopter) các thông số còn lại sẽ chọn mốc xác định ban đầu là 0. Để điều khiên các thông số còn lại theo mong muốn ta chỉ việc áp dụng phương pháp tương tự. Từ cách chọn thông số điều khiển thurt nói trên ta có thể nói chúng ta đang điều khiển quadcopter bay lơ lửng tại một độ cao cụ thể.
Trang 32
1.2 . Các vấn đề thực tế và sai số
Có 2 vấn đề xảy ra trong trường hợp điều khiển quadcopter lơ lửng tại một vị trí cụ thể đó là:
- Làm sao để quadcopter đạt được tới độ cao mong muốn - Làm sao để quadcopter lơ lửng tại độ cao đó
Đây là nơi bộ điều khiển PID phát huy tác dụng. Thông số P(Proportional)
Trang 33
Thông số P (khâu tỉ lệ) cho phép chúng giải quyết yếu tố đầu tiên đó là đạt tới độ cao mong muốn. Khi sai lệch lớn thì tích số giữa thông số P và sai lệch cũng sẽ lớn theo dẫn tới quadcopter sẽ tăng tốc, khi sai lệch nhỏ dần thì vận tốc của quadcopter cũng sẽ nhỏ dần khiến cho quadcopter chậm lại khi càng tới nơi. Nhưng khi sai lệch bằng không cũng là lúc quadcopter sẽ ngừng quay dẫn tới quadcopter sẽ rơi, sau đó khi phát hiện sai số thì quadcopter lại tiếp trục tăng tốc và quadcopter sẽ chỉ có thể lơ lửng tại nơi mà tốc độ của động cơ vừa đủ để cân bằng trọng lực chứ không phải là vị trí ta mong muốn, và giữa vị trí đó với vị trí mong muốn luôn luôn có sai lệch mặc cho ta tăng giá trị P lên bao nhiêu chăng nữa. Đây là vấn đê của sai số xác lập mà khâu P không thể giải quyến được đòi hỏi phải có hai khâu I.
Trang 34 Thông số I(Intergral) xử lý sai số xác lập
Sai số xác lập của quadcopter luôn tồn tại nếu ta chỉ sử dụng một bộ điều khiển có P duy nhất, để giải quyết vấn đề đó ta phải sử dụng thêm bộ điều khiển Intergral để xử lý sai số xác lập đó.
Thông bộ PI hoạt động trong trường hợp này như sau:
Khi đạt tới giá trị lơ lửng thông qua bộ P sẽ luôn luôn có sai số xác lập, nhiệm vụ của bộ I là căn cứ vào thông số đó mà gia tăng tốc độ động cơ:
Trang 35
Khi quadcopter bay cao hơn giá trị lơ lửng của nó với độ cao xác lập bởi khâu P. thì mức độ chênh lệch giữa sai số và sai số xác lập sẽ thay đổi, căn cứ vào đây, khâu I sẽ tăng chỉnh giá trị động cơ cho phù hợp để giữ nguyên sai số xác lập ban
đầu
Thông số D(Derivative) xử lý vọt lố và làm mượt
Độ lợi vi phân, 𝑲𝒅
Giá trị càng lớn càng giảm độ vọt lố, nhưng lại làm chậm đáp ứng quá độ và có thể dẫn đến mất ổn định do khuếch đại nhiễu tín hiệu trong phép vi phân sai số.
1.3 . Bài toán điều khiển
Thông qua các trạng thái , chúng ta có thể thấy rằng việc điều khiển bay của quadcopter là việc điều khiển tốc độ quay của các động cơ và để thực hiện điều đó thì bản thân quadcopter phải biết được trạng thái của bản thân nó hiện tại để đưa ra các điều chỉnh cần thiết theo mong muốn của người điều khiển. Để thực hiện được điều đó trên quadcopter được trang bị khác nhau để xác định được trạng thái của chính nó:
1/ Cảm khoảng cách (hỗ trợ xác định độ cao của quadcopter)
2/ Cảm biến áp suất không khí (hỗ trợ xác định độ cao của quadcopter) 3/ Cảm biến IMU (xác định các thông số của gia tốc góc và hướng) 4/ Camera (hỗ trợ xác định vận tốc và các ứng dụng khác)
Trang 36
Chúng ta sẽ tìm hiều chi tiết công dụng của các cảm biến trong phần điện tử. Phần tiếp theo chúng ta sẽ chỉ kết hợp thuật toán và các thông tin cảm biến để giải bài toán điều khiển cho quadcopter.
Về sơ bộ ta có thể hiểu thuật toán điều khiển động cơ sẽ là điều khiển các thông số trạng thái của các biến raw pitch yaw và thrust của từng động cơ để đạt
được tốc độ động cơ thông qua đó đạt được trạng thái mong muốn. Theo các trạng thái của động cơ miêu tả ở trên ta có thể điều khiển tốc độ của mỗi động cơ theo mô hình toán sau:
Bảng thuật toán sơ bộ này có thể giúp chúng ta điều khiển bằng tay một cách khá chính xác được quadcopter. Nhưng trong thưc tế thì điều kiện môi trường sẽ có
Trang 37
rất nhiều nhiễu sinh ra như gió, tác động giữa các cánh quạt với nhau Để quadcopter có khả năng tự điều chỉnh và ổn định hơn ta cần một mô hình toán tôi ưu hơn để quadcopter có thể tự điều chỉnh một cách ổn định.giả sử ta chỉ điều khiển độ cao của quadcopter: ta sẽ sư dụng môt mô hình toán có bộ PID cho Thrust để điêu khển độ cao như sau:
Mô hình này đã tốt hơn mô hình điều khiển trước nhưng chúng ta chỉ điều khiển cho mỗi một thông số đó là thrust nhưng trong thực tế ta có tới 3 thông số cần phải giữ ổn định khác. Thế nên ta cần thiết phải xây dựng thuật toán điều khiển PID cho tất cả các thông số còn lại là Roll, Pitch, Yaw. Thế nên ta có thể xây dựng thuật toán theo mô hình sau:
Thuật toán ta thu đuợc có khả năng thu thập dữ liệu cụ thể cac trạng thái roll, pitch, yaw, thrust từ các cảm biến và xử lý chúng một cach độc lập thông qua các bộ điều khiển PID riêng lẽ cho từng thông số và các thông sô đầu vào mà ta mong muốn. Bộ điêu khiển này tuy đã có khả năng điều khiển khá tốt quadcopter nhưng vẫn còn một sô hạn chế. Đó là khả năng điều chỉnh của nó đối với các nhiễu thiên về vị trí của quadcopter trong không gian theo chiêu ngang dọc học tiến lùi. Cho ví dụ: nếu có các tác động của gió lên Drone, drone sẽ dịch chuyển một hướng bất kì trong bốn hướng nói trên. Chỉ với các thông số PID điều chỉnh các trạng thái roll, pitch, yaw và thrust như trên ta chưa thể điều khiển chính và khử các sai lệch vị trí. Ta cần một bộ điều khiển ưu việt hơn để có thể điều khiển được vị trí của (x, y) trong không gian 3 chiều đê tránh trường hợp quadcopter bị nhiễu mà ngẫu nhiên di chuyển ngang-dọc trước-sau trong không gian dẫn tới va chạm không mong muốn. Tuy nhiên vì lý do kỹ thuậtsử dụng camera xử lý ảnh chưa cho phép nên nhóm chúng em xin chỉ trình bày thuật toán chứ không sử dụng nó mà thay vào đó chỉ sử dụng thuật toán PID cho 4 biến như mục ở trên :
Trang 38
Hình 34: Thuật toán điều khiển
Thông qua thuât toán kể trê ta có thể thấy một cách đầy đủ ta phải thu về đủ 5 feedbacks bao gồm: độ cao hiện tại, Roll, Pitch, Yaw và vị tri (x, y) cụ thể của quadcopter để điều chỉnh 6 bộ PID cần thiết. Nhưng vì khả năng sử dung camera xử lý ảnh của nhóm em còn kém chưa thu về sai lệch vị trí (x, y) trong khôg gian được như đã nói ở trên nên nhóm em sẽ chỉ sử dụng 4 feedbacks gồm 3 từ cảm biến gyro và cảm biến về độ cao của quadcopter để điều chỉnh thông số của 4 bộ PID và bỏ qua nhiễu trên các chiều ngang-dọc và trước-sau.
Theo mô hình trên ta ta có thể rút ra được hảm truyền của bộ điều khiển với đầu vô là các thông số độ cao, roll, pitch, yaw mong muốn (với các trạng thái ban đầu của roll picth yaw đều bằng 0) và đầu ra là tốc độ động cơ như sau:
Để điều khiển được hoạt động của máy bay ta phải điều khiển tỷ lệ tốc độ tương ứng giữa 4 cánh quạt. Cụ thể :
Bộ điều khiển bay của quadcopter gửi thông tin đến động cơ thông qua các thông tin mạch điều khiển tốc độ điện tử (ESC) của chúng trên lực đẩy, RPM, (Vòng quay mỗi Phút) và hướng. Bộ điều khiển máy bay cũng sẽ kết hợp dữ liệu IMU, Gyro và GPS trước khi báo hiệu cho động cơ quadcopter về lực đẩy và tốc độ rotor. Từ đó dẫn động cơ của nó tăng hoặc giảm tốc độ.
Trang 39
Điều khiển từ xa của thanh điều khiển → Bộ điều khiển chuyến bay trung tâm → Mạch điều khiển tốc độ điện tử (ESC) → Động cơ và cánh quạt → Chuyển động quadcopter hoặc lơ lửng trên không.
Mỗi cánh quạt tạo ra cả lực đẩy và mô-men xoắn về tâm quay của nó, cũng như lực kéo đối diện với hướng bay của xe.
Cặp cánh quạt phía trước và phía sau quay ngược chiều kim đồng hồ, trong khi đó cặp cánh bên phải và bên trái lại quay thuận chiều kim đồng hồ nhằm cân bằng moment xoắn được tạo ra bởi các cánh quạt trên khung. Cả 4 cánh phải sinh ra một lực đẩy bằng nhau khi Quadcopter cất cánh và hạ cánh . Góc xoay được điều khiển bằng cách thay đổi tốc độ giữa cánh bên phải và bên trái sao cho vẫn giữ nguyên tổng lực đẩy sinh ra bởi cặp cánh này. Tương tự như vậy, góc nghiêng được điều khiển bằng thay đổi tốc độ của 2 cánh phía trước và phía sau mà vẫn giữ nguyên tổng lực đẩy. Trong khi đó, góc lệch được điều khiển nhờ vào sự thay đổi tốc độ của cặp cánh phải – trái so với tốc độ của cặp cánh trước–sau mà tổng lực đẩy 4 cánh vẫn không đổi để Quadcopter giữ được độ cao.
Các cánh quạt A,C đang di chuyển theo chiều kim đồng hồ trong khi các cánh quạt B,D đang di chuyển ngược chiều kim đồng hồ.
Công thức liên hệ giữa lực nâng F ( vuông góc với mặt phẳng chứa cánh quạt) và vận tốc góc ω của máy bay là :
Trang 40 F = k. ω2
Với k là hằng số phụ thuộc vào môi trường và cấu tạo của cánh máy bay. Bay theo một hướng :
Giữ nguyên tốc độ 2 cánh theo hướng không dịch chuyển. Tăng tốc độ cánh nằm ở gốc vector theo phương dịch chuyển. Giảm tốc độ cánh nằm ở đỉnh vector theo phương dịch chuyển.
Khi chúng ta giữ nguyên tốc độ 2 cánh theo phương không dịch chuyển và tăng, hoặc giảm tốc độ 2 cánh theo phương dịch chuyển. Khi đó chúng ta sẽ tạo cho máy bay một góc nghiêng theo phương dịch chuyển. Chính nhờ góc nghiêng này mà lực nâng của cánh quạt không còn nằm theo phương thẳng đứng và tồn tại thành phần lực hướng theo phương chuyển động.
2. Tổng quan về khối điều khiển
Bộ điều khiển được chia làm 2 phần: - Phần trên Quadcopter
- Phần bên trong bộ điều khiển.
Hình 35 : Sơ đồ khối điều khiển
2.1. Khối điều khiển trên Quadcopter
- Khối điều khiển trên Quadcopter bao gồm các cảm biến để có thể xác định các thông số trạng thái hiện tại của quadcopter, bộ điều khiển pwm cho cả 4 động cơ, và bộ thu phát tín hiệu rf để nhận lệnh từ bộ điều khiển mặt đất cũng như gửi các thông số trạng thái trở về mặt đất:
Trang 41 - Cấu tạo của bộ gồm:
* IMU: đo đạc các thông số gyro, la bàn,…
* Cảm biến khoảng cách và áp suất không khí: để xác định độ cao của quadcopter hiện tại so với mặt đất
* Bộ RF để nhận các thông sô điều khiển từ mặt đất cũng như truyền các thông số trạng tái của quadcopter trở lại trạm mặt đất
* Vi điều khiển stm32 có tác dụng xử lý các thông số đầu vào từ cả các cảm biến lẫn tín hiệu điều khiển từ mặt đất để xuất ra xung pwm để điều khiển 4 động cơ theo mong muốn
2.2. Khối điều khiển trên bộ điều khiển
- Khối điều khiển trên bộ điều khiển mặt đất có tác dụng chuyển các tín hiệu đầu vào từ các nút nhấn, joysticks thành tín hiệu điều khiển để truyền đến quadcopter,