Các yêu cầu cần thiết khi thiết kế hệ thống điều khiển: - Tốc độ xử lí nhanh, chính xác.
- Khả năng xử lí tín hiệu tốt, loại bỏ tối đa nhiễu xuất hiện trong quá trình điều khiển.
- Tính ổn định và độ bền cao.
Mô hình tổng quan Quadrocopter gồm 3 khối (Hình 5):
• Khối điều khiển có bộ phát sóng RF để điều khiển ở tần số 2.4GHz, • Pin Lipo 11.1V
• Khối xử lý và xuất tín hiệu gồm cảm biến vận tốc quay, cảm biến gia tốc, bộ thu sóng RF, bộ chip xử lý, bộ điều tốc ESC và động cơ.
• Khối giao tiếp máy tính qua RS232.
Mô hình bay Quadrocopter cần có 1 bộ xử lý tín hiệu nhạy để có thể làm cho mô hình có thể tự điều chỉnh cân bằng, các mô đun được thể hiện tổng quát ở Hình.
38 3.2.1.1 . Máy thu phát sóng
Máy phát có nhiệm vụ mã hóa vị trí của các cần điều khiển thành một dãy các tín hiệu điện (signal) và phát tín hiệu này ra không gian.
Tay điều khiển sẽ gồm có các kênh, các lệnh. Tùy vào mục đích sử dụng mà số kênh điều khiển có thể từ 1 đến 4 hay nhiều hơn nữa. Thông dụng một tay điều khiển có từ 2 đến 14 kênh.
Sóng điều khiển của các tay điều khiển thường sử dụng sóng radio để truyền tín hiệu ra không gian, tần số của sóng được xác định bởi thạch anh (crystal). Sóng radio đơn thuần chỉ là sóng mang (sóng tải), một công cụ truyền dẫn, do đó để có truyền tín hiệu đến máy thu (Reciver), sóng radio cần phải được điều chế (modulation) trước khi phát đi.
Có 2 dạng điều chế là AM và FM.
+ AM (amplitude modulation) điều biên: là tín hiệu được điều chế vào sóng mang dưới dạng thay đồi biên độ của sóng mang.
+ FM (frequency modulation) điều tần: là tín hiệu được điều chế vào sóng mang dưới dạng thay đổi tần số sóng mang. Tất cả các máy phát dùng cơ chế mã hóa PCM đều dùng sóng mang là FM.
+ Sóng FM nếu so sánh với sóng AM thì có khả năng chống nhiễu cao hơn hẳn. Với AM thì các thiết bị điện thông dụng đều là nguồn gây nhiễu cho sóng AM, trong khi đó với FM thì các nguồn này không thể gây nhiễu trừ trường hợp các thiết bị đó có tần số gần hoặc bằng với tần số mà ta đang dùng.
- Radio spectrum:
Cũng là một loại sóng radio nhưng dùng tần số 2.4G và dùng kỹ thuật tương tự như các thiết bị Wifi của máy tính để tự điều chỉnh tần số. Do đó về lý thuyết Spectrum không bị trùng tần số như AM hay FM thông thường.
Nhiệm vụ của tay điều khiển là phát tín hiệu điều khiển trên 4 kênh chính yếu là throttle, yaw, pitch, roll đến board trung tâm để điều khiển mô hình máy bay theo ý muốn.
39
Về vấn đề chuẩn giao tiếp, chọn kỹ thuật vô tuyến trái phổ (Spread Spectrum) tần số FM 2.4 GHz vốn thông dụng trong lĩnh vực mô hình điều khiển này vì những lý do về kinh tế, kinh nghiệm sử dụng, khả năng ứng dụng, mở rộng và phát triển sau này của đề tài.
Với đề tài này, nhóm sử dụng modul thu phát sóng NRF24L01. Như có thể
được suy luận từ tên của nó là một thiết bị liên lạc không dây sử dụng tần số vô tuyến hoặc RF với khả năng hoạt động ở 2,4Ghz - 2,5 Ghz. Cụ thể, dải tần mà bạn có thể sử dụng là từ 2.400 Mhz đến 2.525Mhz. Với khả năng lựa chọn giữa 125 kênh với khoảng cách 1Mhz giữa chúng. Tuy nhiên không nên dùng tần số 2.4Ghz vì nó dùng chung với các thiết kết nối wifi, chúng ta nên ưu tiên sử dụng từ 2.501Mhz trở đi.
Hình 3.11 Modul NRF24L01 Thông số kỹ thuật: Điện áp hoạt động 1,9 ~ 3,6VDC Tần số thu phát 2.4 ~ 2.5 Ghz Tốc độ truyền dữ liệu 250kbps đến 2Mbps Số kênh thu phát 6
Khoảng cách truyền dẫn trung bình ~100m
Kích thước 15 x 29mm
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật NRF24L01
Có chức năng nhận sóng Radio từ tay điều khiển và giải mã tín hiệu cho bộ điều khiển.
40
Tùy theo từng nhu cầu dùng khác nhau nên đặc điểm lựa chọn Rx có một số thông số như sau:
- Tần số phải cùng tần số với máy phát. - Số kênh phụ thuộc vào nhu cầu sử dụng.
Với đề tài này, do nhu cầu không cần quá nhiều kênh kết nối, nhóm sử dụng ngay Modul NRF24L01 để làm bộ thu sóng phù hợp với tín hiệu của bộ phát tránh xảy ra xung đột.
3.2.1.2 . Mạch điều khiển trung tâm
Nhắc tới lập trình, ta thường nhớ tới ngay dòng mạch Arduino của công ty Smart Projects. Hiện nay dòng mạch này đã phát triển ra rất nhiều phiên bản và thế hệ, có thể kể đến như Arduino Uno, Nano, Mega, …Với kích thước nhỏ gọn, Arduino nano luôn là sự lựa chọn phù hợp cho các thiết bị không có quá nhiều không gian.
Hình 3.12 Mạch Arduino Nano
Thông số kỹ thuật của Arduino Nano:
Arduino Nano Thông số kỹ thuật
Số chân analog I/O 8
Cấu trúc AVR
Tốc độ xung 16 MHz
Dòng tiêu thụ I/O 40mA
Số chân Digital I/O 22
41
Bộ nhớ Flash 32 KB of which 2 KB used by Bootloader
Điện áp ngõ vào (7-12) Volts
Vi điều khiển ATmega328P
Điện áp hoạt động 5V
Kích thước bo mạch 18 x 45 mm
Nguồn tiêu thụ 19mA
Ngõ ra PWM 6
SRAM 2KB
Cân nặng 7 gms
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật Arduino Nano
Chức năng của các chân
STT Tên Pin Kiểu Chức năng 1 D1 / TX I / O
Ngõ vào/ra số
Chân TX-truyền dữ liệu 2 D0 / RX I / O Ngõ vào/ra số
Chân Rx-nhận dữ liệu
3 RESET Đầu vào Chân reset, hoạt động ở mức thấp 4 GND Nguồn Chân nối mass
5 D2 I / O Ngõ vào/ra digital 6 D3 I / O Ngõ vào/ra digital 7 D4 I / O Ngõ vào/ra digital 8 D5 I / O Ngõ vào/ra digital 9 D6 I / O Ngõ vào/ra digital
42
10 D7 I / O Ngõ vào/ra digital 11 D8 I / O Ngõ vào/ra digital 12 D9 I / O Ngõ vào/ra digital 13 D10 I / O Ngõ vào/ra digital 14 D11 I / O Ngõ vào/ra digital 15 D12 I / O Ngõ vào/ra digital 16 D13 I / O Ngõ vào/ra digital 17 3V3 Đầu ra Đầu ra 3.3V (từ FTDI) 18 AREF Đầu vào Tham chiếu ADC
19 A0 Đầu vào Kênh đầu vào tương tự kênh 0 20 A1 Đầu vào Kênh đầu vào tương tự kênh 1 21 A2 Đầu vào Kênh đầu vào tương tự kênh 2 22 A3 Đầu vào Kênh đầu vào tương tự kênh 3 23 A4 Đầu vào Kênh đầu vào tương tự kênh 4 24 A5 Đầu vào Kênh đầu vào tương tự kênh 5 25 A6 Đầu vào Kênh đầu vào tương tự kênh 6 26 A7 Đầu vào Kênh đầu vào tương tự kênh 7 27 + 5V Đầu ra hoặc
đầu vào
+ Đầu ra 5V (từ bộ điều chỉnh On-board) hoặc + 5V (đầu vào từ nguồn điện bên ngoài)
28 RESET Đầu vào Chân đặt lại, hoạt động ở mức thấp 29 GND Nguồn Chân nối mass
30 VIN Nguồn Chân nối với nguồn vào
43
Chân ICSP
Tên pin Arduino Nano ICSP Kiểu Chức năng
MISO Đầu vào hoặc đầu ra Master In Slave Out
Vcc Đầu ra Cấp nguồn
SCK Đầu ra Tạo xung cho
MOSI Đầu ra hoặc đầu vào Master Out Slave In
RST Đầu vào Đặt lại
GND Nguồn Chân nối dất
Bảng 3.4 Chức năng chân ICSP
Lập trình cho Arduino
Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng ngôn riêng. Ngôn ngữ này dựa trên ngôn ngữ Wiring được viết cho phần cứng nói chung. Và Wiring lại là một biến thể của C/C++. Một số người gọi nó là Wiring, một số khác thì gọi là C hay C/C++. Riêng mình thì gọi nó là “ngôn ngữ Arduino”, và đội ngũ phát triển Arduino cũng gọi như vậy. Ngôn ngữ Arduino bắt nguồn từ C/C++ phổ biến hiện nay do đó rất dễ học, dễ hiểu.
Để lập trình cũng như gửi lệnh và nhận tín hiệu từ mạch Arduino, nhóm phát triển dự án này đã cũng cấp đến cho người dùng một môi trường lập trình Arduino được gọi là Arduino IDE (Intergrated Development Environment) như hình dưới đây.
44
Hình 3.13 Giao diện Arduino IDE
3.2.1.3 . Cảm biến 3 trục MPU 6050
45
MPU-6050 là cảm biến của hãng InvenSense. MPU-6050 là một trong những giải pháp cảm biến chuyển động đầu tiên trên thế giới có tới 6 (mở rộng tới 9) trục cảm biến tích hợp trong 1 chip duy nhất.
MPU-6050 sử dụng công nghệ độc quyền MotionFusion của InvenSense có thể chạy trên các thiết bị di động, tay điều khiển… Nó được điều hành ra một nguồn cung cấp 3.3V/5V, và giao tiếp thông qua I2C với tốc độ tối đa 400kHz. Chip này cũng có sẵn trong một gói SPI được gọi là MPU6000 cho tốc độ giao tiếp lên tới 10Mbs.
Thông số chuyển động:
• Có thể lựa chọn + -2/4 / 8 / 16g phạm vi gia tốc.
• Có thể lựa chọn + -250 / 500/1000/2000 độ /s phạm vi con quay hồi chuyển 16 bit đầu ra.
• Con quay nhạy cảm của gia tốc tuyến tính 0.1 độ / s
• Tiếng ồn thấp trên cả hai kết quả đầu ra, xem thông số kỹ thuật.
• Tỷ lệ sản lượng dữ liệu lên đến 1000Hz, mặc dù được xây dựng bằng kỹ thuật số thấp vượt qua bộ lọc có tần số góc tối đa là 256Hz.
• Con quay hồi chuyển 3 trục. • Cảm biến gia tốc 3 chiều.
Một tính năng của chip này là bộ xử lý chuyển động kỹ thuật số trên máy bay (DMP). Trong lý thuyết này có thể được sử dụng để sản xuất trực tiếp các góc Euler, quaternions, hoặc một hướng cosin ma trận, và thậm chí thực hiện lọc cùng với việc tích hợp dữ liệu từ một la bàn I2C bên ngoài.
MPU-6050 có thể kết hợp với cảm biến từ trường (bên ngoài) để tạo thành bộ cảm biến 9 góc đầy đủ thông qua giao tiếp I2C.
Hơn nữa, MPU-6050 có sẵn bộ đệm dữ liệu 1024 byte cho phép vi điều khiển phát lệnh cho cảm biến, và nhận về dữ liệu sau khi MPU-6050 tính toán xong.
46 Chức năng các chân MPU 6050:
STT Tên chân Chức năng
1 VCC Điện áp vào 5/3.3V
2 GND Nối đất 0V
3 SCL Chân SCl trong giao tiếp I2C
4 SDA Chân SDA trong giao tiếp I2C
5 XDA Chân dữ liệu
6 XCL Chân xung
7 ADO Bit0 của địa chỉ I2C
8 INT Chân ngắt
Bảng 3.5 Chức năng chân MPU 6050
3.2.1.4 . Động cơ – Motor
Động cơ điện là thiết bị chuyển hóa năng lượng điện năng thành động năng. Có 2 loại động cơ điện chính phân loại theo cấu tạo:
+ Động cơ có chổi than (Brush).
+ Động cơ không chổi than (Brushless).
Động cơ có chổi than thường có độ bền kém hơn so với động cơ không chổi than do trong quá trình hoạt động, chổi than sẽ tiếp xúc liên tục với cổ góp gây ra hao mòn dẫn đến giảm hiệu suất.
Với các thiết bị cần hiệu năng và độ bên cao như Quadcopter nên sử dụng động cơ không chổi than (Brushless) vì ít hao phí do ma sát trong quá trình sử dụng.
47
Hình 3.15 Cấu tạo Động cơ không chổi than và có chổi than
Trong đồ án này, chúng ta sử dụng motor Brushless Himodel XXD 2212 – 1000KV
Tính năng, đặc điểm:
1) Nam châm Neodyum cường độ cao N52.
2) Tấm làm lạnh hoạt động giảm nhiệt độ động cơ. 3) Vòng bi Nhật Bản. 4) Khóa kép Khóa CW / CCW. Thông số kỹ thuật: Kích thước 22 x 12mm RPM/V 1000 Hiệu suất 80%
Hiệu suất dong tối đa 4 – 10A
Công suất 12A/60s
Dòng không tải 18.5A
Số cell pin sử dụng 2 – 3s Lithium Polime
Đường kính trục Φ 3.17mm
Trọng lượng 60g
48
Hình 3.16 Động cơ không chổi than 2212 – 1000Kv
Hình 3.17 Kích thước của động cơ không chổi than
3.2.1.5 . Bộ điều tốc - ESC (Electronic Speed Controller)
ESC hay bộ điều tốc là thiết bị mạch điện giúp phân bố tăng hay giảm điện áp cho động cơ: điện tăng động cơ sẽ quay mạnh và ngược lại. Những loại mô hình thường dùng bộ điều tốc chính là những mô hình điện như: xe, máy bay, tàu, ....
Nhóm sử dụng ESC BLHeli 30A vàng cho hiệu suất ổn định với các loại động cơ không chổi than dưới 1400Kv.
49
Hình 3.18 Bộ điều tốc ESC 30A
3.2.1.6 . Nguồn – Pin
Để vận hành một hệ thống ổn định cần có nguồn năng lượng ổn định đặc biệt với những thiết bị cần dòng xả lớn và ổn định như máy bay hay ô tô điện. Pin LiPo là một giải pháp khiến cho trào lưu chơi mô hình chạy điện trở lên nở rộ.
Pin LiPo có ba đặc điểm chính làm giúp vượt qua các loại pin sạc thông thường khác như NiCad hoặc NiMH:
• Pin LiPo có kích thước nhỏ hơn, khối lượng nhẹ hơn và có nhiều hình dạng khác nhau.
• Pin LiPo dung lượng cao hơn so với các loại pin khác cùng kích thước. • Dòng xả cao và ổn định.
Bên cạnh những ưu điểm trên, pin LiPo cũng có một vài nhược điểm như: • Giá thành đắt hơn so với NiCad và NiMH.
• Tuổi thọ thấp chỉ khoảng 300 ~ 400 lần sạc xả (NiMH ≈ 1000 lần sạc) • Dễ cháy, phát nổ khi chịu tác động ngoại lực lớn.
• Yêu cầu chăm sóc bảo quản tốt hơn các loại pin khác để đảm bảo tuổi thọ.
Điện áp sử dụng:
Không giống như Pin NiCad & NiMH thông thường cell pin có điện áp 1,2 volt cho mỗi cell hoặc viên pin, cell pin LiPo có điện áp 3,7 volt cho mỗi cell. Lợi ích ở đây là vài cell pin có thể tạo thành 1 gói pin có nhiều cell hoặc trong 1 vài trường hợp dùng cho các máy bay siêu nhỏ với 1 cell 3.7 volt.
50
Ngoài các loại pin cho dòng thiết bị nhỏ chạy điện, các gói pin Lipo có ít nhất 2 hoặc nhiều cell mắc nối tiếp để cung cấp 1 điện áp cao hơn. Với những mô hình RC cỡ lớn, số cell pin có thể là 6 cell hoặc thậm trí nhiều hơn nữa. Dưới đây là danh sách điện áp các gói pin RC LiPo mà người chơi sẽ sử dụng.
• 3.7 volt battery = 1 cell x 3.7 volts (1S) • 7.4 volt battery = 2 cells x 3.7 volts (2S) • 11.1 volt battery = 3 cells x 3.7 volts (3S) • 14.8 volt battery = 4 cells x 3.7 volts (4S) • 18.5 volt battery = 5 cells x 3.7 volts (5S) • 22.2 volt battery = 6 cells x 3.7 volts (6S) • 29.6 volt battery = 8 cells x 3.7 volts (8S) • 37.0 volt battery = 10 cells x 3.7 volts (10S) • 44.4 volt battery = 12 cells x 3.7 volts (12S)
Đó là điện áp cần biết cho mỗi loại mô hình RC hoặc cụ thể hơn, điều khiển tốc độ môtơ kết hợp với điện áp yêu cầu để hoạt động chính xác/RPM. Con số này được viết hoa trong mọi trường hợp, sự thay đổi điện áp đồng nghĩa với việc thay đổi RPM và cũng yêu cầu thay đổi bánh răng và cũng như mô tơ có trị số Kv cao hoặc thấp.
Dung lượng pin:
Dung lượng thể hiện có bao nhiêu năng lượng lưu trữ trong gói pin, và nó được thể hiện qua chỉ số mAh. Ví dụ, một viên pin LiPo có trị số 1000mAh sẽ được xả hoàn toàn trong một giờ với dòng tải 1000 milliamp trên nó. Vẫn cùng viên pin này với dòng tải 500mAh thì dùng được khoảng 2 giờ, nhưng nếu tăng dòng tải lên 15,000 miliamp (15amps) thì thời gian để tiêu hao pin sẽ chỉ được khoảng 4 phút.
Như bạn thấy, với mô hình hiện nay rất có thuận lợi khi dùng các gói pin có dung lượng lớn như tầm 2000mAh. Với những gói pin dung lượng lớn mà sử dụng dòng 15 amp này thì sẽ cho gấp đôi thời gian bay khoảng 8 phút cho đến khi pin được xả (dùng) hết.
51