Bài toán đặt ra, mô hình bay Quadcopter cân bằng theo các góc, nghĩa là Roll = Pitch = Yaw = 0. Để làm được điều này đầu vào của hệ thống là các góc quay, chúng kiểm soát sai số của các góc hiện tại, từ đó điều chỉnh lại tốc độ động cơ hay lực nâng của 4 cánh quạt sao cho sai số các góc tiến dần về 0.
Bộ điều khiển PID được đặt tên theo 3 khâu hiệu chỉnh là khâu tỉ lệ, khâu tích phân và khâu vi phân được sử dụng trong hệ thống vòng kín này:
( ) ( ) ( ) ( ) 0 t P I D de t u t K e t K e t dt K dt = + + (2.41)
30
Mô phỏng hệ thống vòng kín trên Matlab Simulink
Hình 2.18 Mô hình điều khiển vòng kín sử dụng thư viện Aerospace Blockset
Kết quả mô phỏng:
31
Hình 2.20 Kết quả mô phỏng hệ điều khiển vòng kín với góc ban đầu (0;1.5;0)
32
CHƯƠNG 3 . TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH
QUADCOPTER 3.1. Tính toán, thiết kế hệ thống cơ khí
3.1.1.Quy trình tính toán và thiết kế hệ thống cơ khí
- Xác định yêu cầu kĩ thuật
- Xác định nguyên lý hoạt động và chế độ bay.
- Lập sơ đồ hoạt động chung của toàn máy, chọn ra các loại, công suất phù hợp với sơ đồ hoạt động.
- Tính công suất cần thiết, lựa chọn động cơ phù hợp cho hệ thống bay. - Tính toán động học, mô phỏng hệ thống, khả năng đáp ứng của hệ thống. - Chỉnh sửa, hiệu chỉnh lại sản phẩm.
- Lập tài liệu thiết kế.
3.1.2.Thông số tổng thể
Máy bay trực thăng bốn cánh quạt (Quadcopter) cỡ nhỏ là một loại máy bay không người lái phổ biến. Gồm 4 cánh tay (arm) với một động cơ (motor) đặt ở đầu mỗi cánh tay được liên kết với nhau qua “phần khung”. Các cánh tay được đặt đối xứng với nhau qua tâm. Thiết kế máy bay trực thăng bốn cánh quạt bắt đầu từ việc mô hình hoá sau đó tính toán kích thước máy bay, lực nâng đề xuất phù hợp. Tuy nhiên, thiết kế Quadcopter chủ yếu tập trung đến tính đối xứng, trọng tâm và khối lượng của mô hình. Vì vậy, bài báo cáo trình bày giải pháp thiết kế thực nghiệm dựa vào kích thước các mô hình máy bay trực thăng bốn cánh quạt phổ biến.
Thiết kế thứ nhất, vật liệu dạng hợp kim nhôm được sử dung để làm cánh tay máy bay và vật liệu bảng mạch in phủ lớp đồng được sử dụng để tăng độ cứng của phần kết nối. Thiết kế này có khối lương nhẹ nhất nhưng lại có độ bền cơ học kém trước những chấn động hay va chạm mạnh của máy bay với vật cản hoặc khi hạ cánh.
33
Hình 3.1 Thiết kế khung hợp kim nhôm
Thiết kế thứ hai, loại bỏ bản mạch in bên trên và thay vào bằng vật liệu nhựa mica để tối ưu hoá trọng lượng của máy bay. Góp phần thay đổi độ bền máy bay, loại bỏ cánh tay bằng vật liệu nhôm, thay vào đó bằng thanh ống carbon 3K 16mm, giúp cải thiện đáng kể độ bền máy bay. Tuy nhiên cánh tay máy bay có hình dạng trụ tròn nên khá khó để giữ cố định motor bên trên.
Hình 3.2 Ống carbon
Thiết kế thứ ba sử dụng vật liệu nhựa có độ bền cao hơn thiết kế 1 và thiết kế 2 vì sử dụng vật liệu nhựa sợi cacbon. Bảng mạch điện được thiết kế chi tiết hơn ở thiết kế 1và thiết kế2, gồm 2 bảng mạch trên và dưới, để tạo thêm không gian lắp đặt các chi tiết.Vì sử dụng vật liệu nhựa cacbon độ bền cao, nên thiết kế 3 có chi phí khá cao so với thiết kế 1 và thiết kế 2. Bù lại sẽ có sự linh hoạt trong thiết kế, tối ưu hóa quá lắp đặt.
34
Hình 3.3 Cánh tay máy bay
Hình 3.4 Khung kết nối
Thông số kỹ thuật:
Trọng lượng khung 282g
Chiều dài cơ sở chéo 450mm
Trọng lượng cất cánh 800g ~ 1600g Đặc điểm của khung:
35
- Dây ESC và pin có thể được đi ngầm, đảm bảo tính an toàn và dễ dàng kết nối.
- Cung cấp nhiều không gian cho các bộ phận điện khác.
Hình 3.5 Thiết kế hoàn thiện khung máy bay
3.1.3.Tính toán thông số chế tạo
3.1.3.1 . Động cơ không chổi than (Brushless DC) Động cơ không chổi than 2212 có thông số kĩ thuật:
▪ Đường kính thân 12mm
▪ Chiều cao thân: 22mm
▪ Số vòng quay 1000kv = 1000 RPM/V.
▪ Điện áp khoảng 6-14.8v.
▪ Dòng điện chịu tải đến 35A.
Đây là động cơ ba pha không chổi than Brushless DC motor có tốc độ cao, momen lớn, khối lượng nhỏ, quán tính thấp vì vậy rất phù hợp để nâng máy bay cỡ nhỏ.
36 3.1.3.2 . Bộ điều khiển tốc độ (ESC)
Bộ điều tốc Sienwinny ESC 30A ngoài chức năng thay đổi dòng cho động cơ thì ESC nhận tín hiệu điều biến độ rộng xung PWM 50Hz từ bộ điều khiển và thay đổi độ rộng xung từ 1-2ms xác định RPM của động cơ.
Hình 3.7 Hình Bộ điều tốc 30A
3.1.3.3 . Pin năng lượng
Pin lipo 3cell 2200mAh 30C có dòng xả tối đa 2.2A×30C = 66 A đủ để cấp cho 4 động cơ hoạt động tốt trong khoảng 15 phút
Hình 3.8 Pin lipo Shang Yi 2200mah
3.1.3.4 . Cánh quạt
Để phù hợp với kích thước khung và đảm bảo lực nâng cho máy bay cần lựa chọn độ dài cánh không quá 450
√2 = 318 mm và chiều quay thích hợp.
37
3.2. Tính toán, thiết kế hệ thống điều khiển
3.2.1.Các thành phần hệ thống điều khiển
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