2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Quadrotor
2.1.2. Nguyên lý hoạt động Quadrotor
Cặp cánh phía trước và cặp cánh phía sau quay thuận chiều kim đồng hồ, cặp cánh bên phải và bên trái quay ngược chiều kim đồng hồ nhằm cân bằng moment xoay được tạo ra bởi cánh quạt trên khung. Cả 4 cánh sinh ra một lực đẩy bằng nhau khi cất cánh nếu quay ở cùng một tốc độ.
Hình 2.2. Nguyên lý hoạt động của Quadrotor.
Trang 26
Góc nghiêng được điều khiển khi thay đổi mối quan hệ về tốc độ giữa cánh bên phải và bên trái sao cho giữ nguyên tổng lực đẩy sinh ra bởi cặp cánh này. Tương tự góc lật cũng được điều khiển bởi mối quan hệ giữa 2 tốc độ của 2 cánh phía trước và phía sau. Góc xoay lại được thay đổi nhờ vào sự thay đổi vận tốc của cánh bên phải và bên trái liên quan tới tốc độ của cặp cánh phía trước và phía sau.
Khi đó, tổng lực đẩy sinh ra bởi các cặp cánh được giữ không đổi. Độ cao của Quadrotor thay đổi khi tăng hoặc giảm đồng thời tốc độ của các cánh quạt. Hệ trục tọa độ gắn trên quadrotor như Hình 2.3
Hình 2.3. Hệ trục tọa độ đặt trên Quadrotor.
- Trục x là vector hướng từ motor 3 tới motor 1, góc xoay quanh trục x là góc Roll.
- Trục y là vector hướng từ motor 2 tới motor 4, góc xoay quanh trục y là góc Pitch.
- Trục z là vector vng góc với mặt phẳng (Oxy) và hướng xuống dưới, góc xoay quanh trục z là góc Yaw.
2.1.2.1. Trạng thái lơ lửng (Hover)
Quadrotor ở trạng thái lơ lửng trong không trung khi tất cả các cánh quạt quay cùng một tốc độ không đổi (Ω1 = Ω2 = Ω3 = Ω4 = Ω0). Khi 4 cánh quạt quay với một tốc độ Ω0 thì sẽ cân bằng với trọng lượng của Quadrotor, nên Quadrotor sẽ cân bằng tại một vị trí.
Trang 27
Hình 2.4. Trạng thái lơ lửng (Hover).
2.1.2.2. Trạng thái bay lên xuống ( Throttle )
Quadrotor sẽ bay lên hoặc hạ xuống theo phương thẳng đứng. Để bay lên, tốc độ của 4 cánh quạt tăng lên, hạ xuống thì cả 4 cánh cùng giảm tốc độ, lúc đó sẽ sinh ra một hợp lực dọc trục theo phương z điều khiển Quadrotor bay lên hoặc bay xuống. Khi tốc độ 4 cánh quạt tăng, thì lực nâng trên thân Quadrotor sẽ lớn hơn trọng lượng của Quadrotor, lúc này Quadrotor sẽ di chuyển theo hướng lên trên. Và ngược lại, khi tốc độ 4 cánh quạt cùng giảm nhỏ hơn Ω0 lực nâng Quadrotor sẽ khơng vượt q trọng lượng của Quadrotor, vì thế Quadrotor sẽ bay xuống.
Hình 2.5. Trạng thái bay lên / xuống (Throttle ).
Trong đó: Ω0 : Là vận tốc góc của cánh quạt.
∆: Là lượng tăng hoặc giảm của Ω0 để Quadrotor bay lên hoặc xuống.
Trang 28
2.1.2.3. Trạng thái nghiêng trái / phải ( Roll )
Quadrotor sẽ có thể bay nghiêng bên phải hoặc bên trái. Để bay nghiêng bên phải (bên trái), giữ nguyên tốc độ của 2 cánh quạt trước và sau, tăng (giảm) tốc độ của cánh quạt bên trái và giảm (tăng) tốc độ cánh quạt bên phải. Khi đó moment sinh ra quay quanh trục Xb làm cho tổng lực nâng của các cánh quạt khơng cịn nằm theo phương thẳng đứng mà theo phương chuyển động.
Hình 2.6. Trạng thái nghiêng trái / phải ( Roll ).
2.1.2.4. Trạng thái lật trước / sau ( Pitch )
Quadrotor sẽ bay tới hoặc bay lùi về sau. Tương tự như khi bay nghiêng trái / phải, 2 cánh quạt trái và phải giữ một tốc độ như nhau. Để bay tới (lùi) điều khiển tăng (giảm) tốc độ của cánh quạt sau và giảm (tăng) tốc độ cánh quạt trước, sinh ra moment xoay quay quanh trục Yb.
Hình 2.7. Trạng thái lật trước / sau ( Pitch )
Trang 29
2.1.2.5. Trạng thái xoay qua trái / phải (Yaw)
Quadrotor quay quanh trục Zb. Điều khiển tốc độ cánh quạt theo cách như sau: Tốc độ 2 cánh đối diện thì bằng nhau, nhưng khác với tốc độ 2 cách đối diện còn lại, để Quadrotor quay quanh trục Zb theo chiều ngược kim đồng hồ, ta giảm tốc độ cặp cánh có chiều quay ngược kim đồng hồ (chiều muốn quay) và tăng tốc độ cặp cánh quạt quay thuận chiều kim đồng hồ. Để Quadrotor quay theo chiều thuận ta làm ngược lại cách trên.
Hình 2.8. Trạng thái xoay trái / phải ( Yaw )