Thiết bị bay không người lái UAV trong dự án này của em sử dụng thiết kể được sử dụng phổ biến nhất hiện nay. Thiết kế này được gọi là Quad X, là kiểu trực thăng có bốn động cơ gắn cánh quạt hướng lên phía trên, các động cơ được đặt theo hình chữ thập và có khoảng cách từ tâm của UAV tới trục động cơ đều bằng nhau. Theo công thức tính toán thiết kế đã được nêu trong tài liệu [20], ta có công thức tính lực đẩy của mỗi động cơ cần có để có thể nâng tải trọng của khối truyền hình ảnh:
𝐿ự𝑐 𝑛â𝑛𝑔 = 𝑇ổ𝑛𝑔 𝑡𝑟ọ𝑛𝑔 𝑙ượ𝑛𝑔×2
𝑆ố 𝑙ượ𝑛𝑔 độ𝑛𝑔 𝑐ơ (15) 3.1.1.1.Động cơ chính
Theo công thức (15) trên để nâng được tổng tải trọng 1200 gam, ta lựa chọn động cơ không chổi than Racestar phiên bản Racing 2212. Động cơ không chổi than có ưu điểm sử dụng các cặp nam châm vĩnh cửu cho rotor quay trục ngoài nên có hiệu suất về mô-men lực và tốc độ quay của động cơ cũng lớn lớn so với loại động cơ DC thông thường.
SVTH: Nguyễn Nhật Anh Lớp: KTDT & THCN K56
HÌNH 3.1. Hình ảnh thực tế và bản vẽ của động cơ. BẢNG 3.1. Số liệu hoạt động của động cơ Racestar.
Tên động cơ KV (rpm/V) Điện áp (V) Loại cánh Dòng tải (A) Lực đẩy (g) Công suất (W) Hiệu suất (g/W) Loại pin Lipo Khối lượng (g) BR2212 980 11.1 8045 8.1 535 80 5.9 2-4S 50 1045 10.6 710 118 6.0 3.1.1.2.Cánh quạt động cơ
Theo dữ liệu trong bảng 3.1 bên trên do nhà sản xuất cung cấp và theo công thức (15) tính ở bên trên, em lựa chọn loại cánh nhựa có kích thước 10 inch, độ nghiêng của cánh quạt là 4.5o độ. Cánh quạt được làm từ vật liệu nhựa APC nên có độ chính xác của thiết kế động học cao, độ bền cao, bề mặt của cánh quạt cũng được làm bóng để giảm ma sát với không khí
HÌNH 3.2. Cánh quạt nhựa 1045.
3.1.1.3. Pin LiPO
Loại pin mà thiết bị bay UAV sử dụng thường là loại pin Lithium Polymer, hay còn được gọi là LiPo, đây là loại pin tuy kích thước nhỏ nhưng lại có dung
SVTH: Nguyễn Nhật Anh Lớp: KTDT & THCN K56
lượng lớn, pin LiPO là công nghệ pin có ưu điểm có tuổi thọ lớn, sạc nhiều lần mà không làm giảm đáng kể tuổi thọ của pin, pin có thể cung cấp dòng xả lớn trong thời gian ngắn với công suất năng lượng cung cấp cho thiết bị rất lớn nên đây là loại pin được sử dụng rất nhiều cho các ứng dụng cần nguồn năng lượng lớn như động cơ điện của máy bay không người lái. Pin Lipo mà em lựa chọn là pin 3S 2400mah của hãng Tattu
HÌNH 3.3. Pin LiPO Tattu 3S 1300mAh. BẢNG 3.2. Thông số của Pin LiPO Tattu 3S.
Loại pin LiPo Khối lượng (g) Dung lượng (mAh) Dòng xả (C) Tốc độ xả (C) Dòng xả tối đa (A) Điện áp (V) Chiều dài (mm) Chiều rộng (mm) Độ dày (mm) TA- 45C- 2300- 3S1P 182.2 2300 45 90 103.5 11.1 105.3 33.14 22.26 3.1.1.4. Bộ điều tốc ESC
Động cơ không chổi than sẽ được điều khiển bởi mạch điều tốc ESC, mô-đun điều tốc ESC nhận tín hiệu từ vi điều khiển và điều xung PPM điều khiển tốc độ động cơ không chổi than. ESC hoạt động bằng cách sử dụng vi điều khiển để điều khiển MOSFET điều đóng mở lần lượt các cổng theo từng pha, tương tự như cách điều khiển động động cơ ba pha dây quấn. Để đổi chiều động cơ ta chỉ việc đổi 2 trong 3 dây điều khiển để đổi chiều quay của động cơ không chổi than.
Loại ESC mà em lựa chọn ở đây là loại ESC Racestar 30A BLHeli-S sử dụng OPTO thay cho MOSFET, Hỗ trợ điều xung rộng 1-2ms, cũng như các chuẩn điều xung khác như Oneshot125 (125-250us), Oneshot42 (41.7-83.3us) và
SVTH: Nguyễn Nhật Anh Lớp: KTDT & THCN K56
Multishot (5-25us). Đặc biệt loại ESC này cho phép điều chỉnh tham số trong mã lập trình của chip điều khiển bằng phần mềm.
HÌNH 3.4. Điều tốc ESC BLHeli-S RacerStar.
Loại ESC này sử dụng chip EFM8BB21F16, tốc độ 48MHz. Sử dụng thuật toán điều khiển BLHeli-S cho phép tạo xung điều khiển đáp ứng ga mượt mà và ít tiếng ồn hơn nhờ việc đồng bộ tín hiệu tốt hơn.
3.1.1.5.Mạch điều khiển bay Pixhawk
Bộ điều khiển bay mà em lựa chọn sẽ là bộ điều khiển Pixhawk sử dụng firmware đã được chỉnh sửa dựa trên mã nguồn mở Ardupilot mà em đã thực hiện được ở đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên 2019.
HÌNH 3.5. Mạch điều khiển bay mã nguồn mở Pixhawk.
• Chip vi xử lý
o 32-bit ARM Cortex M4 core có FPU
o 168 Mhz/256 KB RAM/2 MB Flash
o 32-bit RM Cortex M3 • Cảm biến
o Cảm biến 9 trục MPU6050: đo dữ liệu của con quay theo 3 trục và gia tốc theo 3 trục
o Cảm biến con quay ST Micro 16-bit gyroscope
o Cảm biến ST Micro 14-bit gia tốc và la bàn điện tử
o Cảm biến áp suất MEAS barometer • Nguồn
SVTH: Nguyễn Nhật Anh Lớp: KTDT & THCN K56
o Diode điều khiển lý tưởng có thể chuyển đồi nguồn dự phòng tự động
o Hỗ trợ đường dây cấp nguồn cho Servo với điện áp 7V, chịu được dòng tải lớn
o Các đầu ra được bảo vệ quả tải điện áp, và các đầu vào được bảo vệ khỏi xả tĩnh điện (Electros Static Discharge - ESD).
• Giao tiếp
o 5 cổng UART serial ports, 1cổng hỗ trợ điện áp cao, 2 cổng sử dụng điều khiẻn HW flow
o Giao tiếp vệ tinh Spektrum DSM/DSM2/DSM-X Satellite
o Giao tiếp tín hiệu SBUS theo chuẩn Futaba
o Hỗ trợ tín hiệu điều khiển PPM
o Giao tiếp RSSI
o Các chuẩn giao tiếp I2C, SPI, 2x CAN, USB
o Hỗ trợ đầu vào 3.3V và 6.6V cho bộ ADC • Kích thước
o Khối lượng 38 g (1.3 oz)
o Chiều rộng 50 mm (2.0”)
o Chiều cao 15.5 mm (.6”)
o Chiều dài 81.5 mm (3.2”) 3.1.1.6. Mô-đun định vị toàn cầu
Sử dụng mô-đun định vị toàn cầu GPS M8n. Nó sử dụng chip NEO-M8 có 72 kênh, đây là loại chip định vị có độ nhạy cao có khả năng sửa lỗi đầu tiên (Time To First Fix - TTFF) vởi thời gian dưới 1 giây. Mô-đun hỗ trợ nhiều chuẩn định vị như GPS, GLONASS, Galileo, QZSS, SBAS và Galileo. Với kiến trúc RF triệt tiêu nhiễu của nó làm giảm các hiệu ứng đa đường và đảm bảo hiệu suất tối đa ngay cả trong môi trường gây nhiễu GNSS.
SVTH: Nguyễn Nhật Anh Lớp: KTDT & THCN K56
HÌNH 3.6. Mô-đun định vị toàn cầu GPS M8n
Đặc điểm của mô đun Ublox Neo-M8N GPS (72-kênh): • La bàn số 3 trục HMC5883L
• Độ nhạy định vị 167 dBm • Tốc độ cập nhật định vị 10 Hz • Thời gian khởi động 26s • LNA MAX2659ELT+ • Ăng ten 25 x 25 x 4 mm • Chip LNA và SAW • Pin 3V lithium dự phòng • Ổn áp 3.3V nhiễu thấp
• Cổng UART (TTL) có bảo vệ EMI • Đèn LED thông báo trạng thái • Kích thước: 50mm x 57mm • Độ dài dây cáp: 250mm • Khối lượng: 30g
SVTH: Nguyễn Nhật Anh Lớp: KTDT & THCN K56
Trong các thử nghiệm thực tế mô-đun M8N có thể tìm thấy tới 18 vệ tinh với hệ số hdop là 0,7. Bên trong mô-đun còn tích hợp sẵn la bàn số 3 trục của Honywell HMC5883L.
3.1.1.7. Bộ phận chia nguồn
Một phần quan trọng nữa của thiết bị bay UAV đó là phần mạch cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống. Ở đây em sử dụng mạch cung cấp nguồn trung tâm Mini POWER HUB của hang Matek Systems. Mini POWER HUB đã được thiết kế để cung cấp hiệu suất cao với độ tin cậy cao nhất có thể trong mạch PCB chỉ có kích thước 36 * 36mm và 4 lớp.
Qua hiển thị dạng sóng trong Hình () của hai đầu ra UBEC 5V và 12V khi hoạt động với dòng tải 1A, sử dụng nguồn pin Lipo 6S 24V, có thể thấy mạch chia nguồn HUB của Matek rất tin cậy khi có thể ổn định được điện áp ra với ít nhiễu như vậy.
HÌNH 3.7. Dữ liệu điện sóng mô-đun chia nguồn.
HUB phân phối năng lượng từ pin LiPo cho 4 mạch điều tốc ESC, cũng như cung cấp đầu ra điện một chiều DC được đồng bộ hóa và được điều chỉnh để cấp nguồn cho máy ảnh, servo, máy phát video, đèn LED, v.v. Nguồn pin có thể sử dụng loại pin 3S đến 6S LiPo. HUB cũng có cầu hàn thuận tiện để chọn điện áp khác nhau cho camera và video TX.
SVTH: Nguyễn Nhật Anh Lớp: KTDT & THCN K56
HÌNH 3.8. Mô-đun chia nguồn.
Thông tin chung:
- Dải điện áp đầu vào (hoạt động 3S-6S): 9 - 26VDC - Đầu ra 5V và 12V điều chỉnh được
- LED báo nguồn (5V & 12V đầu ra) - 4 đầu ra ESC
Đầu ra ESC:
- Dòng điện liên tục: 20A mỗi đầu ra
- Dòng điện cực đại (10 giây / phút): 25A mỗi đầu ra Đầu ra BEC 5V:
- Được thiết kế cho RC Receiver, Bộ điều khiển bay, OSD và Servos. - Bộ điều chỉnh buck đồng bộ DC / DC, Hiệu suất lên tới 95%.
- Điện áp: 5.0 +/- 0.1VDC - Dòng điện liên tục: 3A
- Chịu được ngắn mạch (10 giây / phút)
- Đèn LED (biểu thị điện áp nằm trong quy định) Đầu ra BEC 12V:
- Nguồn sử dụng phải là Pin 4S ~ 6S LiPo
- Đầu ra tiêu chuẩn được thiết kế để cung cấp năng lượng cho máy ảnh và máy phát video, v.v.
- Điện áp: 12.0 +/- 0.2VDC - Dòng điện liên tục: 2A
- Dòng điện tối đa: 3A (10 giây / phút) - Chịu được ngắn mạch (10 giây / phút)
SVTH: Nguyễn Nhật Anh Lớp: KTDT & THCN K56
Cầu điện áp CAM & VTX
- Hoạt động 3S. hãy chọn loại máy VCC của VTCC cho máy ảnh 12V & 12V VTX, VCC = Điện áp pin.
- Hoạt động 4 ~ 6S, chọn Máy tính 12 12 tuổi cho máy ảnh 12V & 12V VTX
- Hoạt động 3 ~ 6S, chọn Máy ảnh 5 đời 5 chiều cho máy ảnh 5V - Video truyền qua từ pad CAM CAM pad đến pad VT VTX Các thông tin khác:
- Kích thước: 36 x 36mm - Trọng lượng: 6g
- Khoảng cách lỗ: 30,5mm 3.1.1.8. Webcam
Webcam C170 của hãng Logitech, webcam C170 sử dụng cảm biến VGA 5- megapixel, hỗ trợ quay video chuẩn XVGA với độ phân giải 1024 x 768. Hỗ trợ công nghệ độc quyền của Logitech Fluid Crystal, Công nghệ âm thanh trung thực RightSound, và khả năng khử nhiễu kỹ thuật số.
HÌNH 3.9.Webcam C170 sử dụng để truyền hình ảnh.
Loại lấy nét Cố định
Độ phân giải True 640×480, Interpolated
1.3MP
Góc nhìn 58°
Tiêu cự 2.3 mm
SVTH: Nguyễn Nhật Anh Lớp: KTDT & THCN K56
3.1.1.9. Máy tính nhúng
Dữ liệu hình ảnh từ webcam được truyền vào máy tính nhúng thông qua giao tiếp USB chuẩn 2.0, máy tính nhúng ở đây em sử dụng Raspberry Pi 3 Model B+ chạy hệ điều hành Ubiquity Robotíc ROS, đây là phiên bản Rufus Ubuntu đã được giản lược, và được cài sẵn phần mềm lõi hệ điều hành quản lý tác vụ dành riêng cho robot ROS (Robot Operating System).
HÌNH 3.10. Hình ảnh mặt trước và sau của máy tính nhúng Raspberry Pi.
• SOC: Broadcom BCM2837B0, Cortex-A53 (ARMv8) 64-bit SoC • CPU: 1.4GHz 64-bit quad-core ARM Cortex-A53 CPU
• RAM: 1GB LPDDR2 SDRAM
• WIFI: Dual-band 802.11ac wireless LAN (2.4GHz và 5GHz) và Bluetooth 4.2
• Ethernet: Gigabit Ethernet over USB 2.0 (tốc độ tối đa 300 Mbps). Hỗ trợ kết nối PXE network và khởi động từ USB.
• Có cảm biến nhiệt độ, hỗ trợ giám sát nhiệt độ của chip • Chip xử lý ảnh VideoCore IV 3D.
• Một cổng HDMI hỗ trợ hình ảnh full HD • Một cổng jack cắm 3,5mm
• 4 cổng USB 2.0
• 40 cổng GPIO (bao gồm nguồn, đất, và các chân IO, chân pwm) • Nguồn 5V/2.5A DC
• Hệ điều hành: Linux and Unix • Hỗ trợ thẻ nhớ dung lượng 64Gb
SVTH: Nguyễn Nhật Anh Lớp: KTDT & THCN K56