.6 mơ phỏng hệ thống điều khiển

6.2. Setup phần mềm điều khiển UAV

UAV được giám sát và điều khiển thông qua trạm điều khiển mặt đất GCS( Group Control Station) Cho phép thiết lập hành trình bay cho UAV giám sát các thông số: Tốc độ, độ cao, các giá trị của cảm biến và hành trình bay của UAV.

UAV kết nối với trạm điều khiển mặt đất thông qua 1 bộ thu phát dữ liệu Radio 900 Mhz, các dữ liệu và gói lệnh điều khiển được gửi thông qua giao thức chung MAVLink(MAVLink Micro Air Vehicle Communication Protocol) giữa UAV và trạm điều khiển mặt đất.

Phần mềm điều khiển cho phép thay đổi các chế độ bay của UAV bao gồm: điều khiển bằng tay, bay tự đợng theo hành trình, chế đợ bay ởn định, chế đợ khôi phục cho phép quay về sân bay khi mất tín hiệu điều khiển, ngồi ra phần mềm cịn cho phép lưu trữ các thông số trong suốt chuyến bay cho phép phân tích đáp ứng và độ ổn định của hệ thống.

6.2.1. Các đầu vào Input:

Hệ thống APM có 8 kênh tín hiệu PWM đầu vào: - ROLL/AILERON: điều khiển roll của máy bay.

- PITCH/ELEVERTOR: điều khiển góc pitch của máy bay. - THROTTLE: điều khiển tốc độ động cơ chính.

- YAW/RUDDER: điều khiển góc yaw của máy bay. - AUX1(OPTIONAL): kênh chọn mode 1.

- AUX2(OPTIONAL): kênh chọn mode 2. - AUX3(OPTIONAL): kênh chọn mode 3. - AUX4(OPTIONAL): kênh chọn mode4.

Trong hệ thống sử dụng mode 4 chọn chế độ bay cho bộ điều khiển thông qua kênh của tay điều khiển.

Hình 6.8 Sơ đồ kết nối với bộ Recever Fysky

Các chân cắm tín hiệu của đầu vào bao gồm:

- Chân tín hiệu điều khiển.

- Chân cấp nguồn +5V của main . - Chân nối mass của main.

Hình 6.9 Sơ đồ chân kết nối tín hiệu điều khiển

Hệ thống đầu ra tín hiệu PWM

• ROLL/AILERON :điều khiển roll của máy bay.

• PITCH/ELEVERTOR: điều khiển góc pitch của máy bay. • THROTTLE: điều khiển tốc đợ đợng cơ chính kết nối ESC. • YAW/RUDDER: điều khiển góc yaw của máy bay.

• Chân ra servo chờ 1. • Chân ra servo chờ 2. • Chân ra servo chờ 3. • Chân ra servo chờ 4.

Tín hiệu điều khiển đầu ra kết nối với main APM thông qua cáp 3 dây :

o Dây tín hiệu PWM đầu ra. o Dây cấp nguồn +Vcc. o Dây nối chung mass.

Main APM có 1 header 2 cho phép lựa chọn nguồn cấp cho tín hiệu đầu ra, khi cắm jumper vào header 2 tín hiệu đầu ra sử dụng trực tiếp nguồn +5v của main APM dòng tải tối đa là 500mA cung cấp cho các servo. Trong đề tài sử dụng nguồn cấp ngồi Vcc thơng qua UBEC của ESC đợng cơ cung cấp nguồn cho servo.

Tín hiệu ra cấp servo camera:

Hình 6.11 Tín hiệu ra cấp servo camera

Đối với servo roll và servo pitch của camera được kết nối với chân cắm 10 và 11 trên main APM, khi kết nối ta chỉ sử dụng chân tín hiệu khơng kết nối chung nguồn với 2 chân cịn lại của cởng.

Chân cấp tín hiệu cịi chip và led tín hiệu A5, A6, A7 trên main.

Giao tiếp module định vị GPS LEA-6H U-blox

Hình 6.13 Module LEA-6H U-blox

Đặc tính kỹ thuật:

+ U-blox mô-đun LEA-6H. + Tốc độ cập nhật 5 Hz.

+ Pin sạc lithium 3V (pin dự phòng). + Khả năng chống nhiễu cao.

+ I2C EEPROM để lưu trữ cấu hình . + LED hiển thị trạng thái.

+ Tương thích giao tiếp với bộ điều khiển ArduPilot Mega. + Giao tiếp qua UART.

+ Kích thước: 38 x 38 x 8,5 mm. + Trọng lượng: 16,8 gram.

+ Đợ chính xác: 2,5 m. + Giới hạn hoạt động: Động lực học: ≤ 4g. Vận tốc: ≤ 500 m/s. Độ cao: ≤ 50000 m.

g

Hình 6.14 sơ đồ mạch điều khiển cân bằng F4V3pro

• Calibration: cân bằng mạch cho máy bay ở 6 trạng thái trên phần mềm.

• Receiver: thiết lập rx nhận diện với phần mềm INAV.

Hình 6.16 thiết lập rx với phần mềm INAV

• Mixed: setup chiều quay servo trong tap mixed của inav và kiểm tra gyro.

• GPS: kết nối gps với inav

Hình 6.18 thiết lập GPS

• Setup các mode bay:

+ Auto launch: hỗ trợ cất cánh. + Angle: chế độ cân bằng. + 3Cruid: chế độ giữ độ cao. + Manu/Acro: chế độ lái tự do. + Failsafe: chế đợ tự đợng go home.

Hình 6.19 thiết lập các mode bay

- Sau khi các thiết lập về phần mềm inav đối với máy bay đã xong ta tiến hành thực hiện kiểm nghiệm và áp dụng vào việc hỗ trợ nông nghiệp (phun thuốc trừ sâu).

CHƯƠNG 7. HỆ THỐNG VÒI PHUN CHO MÁY BAY UAV

7.1. Hệ thống vòi phun

7.1.1.Trang thiết bị

Máy bay cánh bằng và máy bay phun thuốc trừ sâu đều đã được sử dụng trong lĩnh vực nông nghiệp. Trang thiết bị đo và phân phối thuốc trừ sâu trên máy bay phải được đo chính xác lượng thuốc sâu cần dùng và lượng thuốc chuyển đến đối tượng hướng đến. Do vậy trang thiết bị này phải đảm bảo được đợ chính xác.

7.1.2. Hệ thống chất lỏng

Hệ thống chất lỏng bao gồm thùng chứa thuốc trừ sâu, bơm, ống nối, bộ lọc, giàn phun và vịi phun. Những hệ thống này có thể được dẫn động bởi cơ khí, thủy lực hoặc năng lượng từ động cơ.

a) Thùng dầu

Thùng dầu phải có khả năng chống sự rị rỉ và chống sự mịn. Thùng chứa cũng nên có hệ thống cơ khí giúp xả lượng hóa chất trong trường hợp nguy hiểm. Máy bay phải có thùng dầu để đo lượng hóa chất thùng chứa. Ngồi ra, nên được trang bị thêm lỗ thơng khí.

b) Bơm

Hệ thống bơm phải có khả năng đưa lượng lớn chất lỏng trong khoảng 1 khoảng thời gian nhất định.

c) Hệ thống đường ống

Hệ thống đường ống chính nên có đường kính lớn (Khoảng 2 inches) để cấp đủ lượng thể tích chất lỏng lớn và mợt đường kính nhỏ (Khoảng 1 inch) với những vùng diện tích cần lượng thể tích nhỏ.

d) Bộ lọc

Kích thước của bợ lọc và vịi phun sẽ giúp cho vịi phun chống lại sự tắc nghẽn. Bộ lọc thường được đặt giữa thùng chứa và bơm.

e) Giàn phun

Giàn phun được dùng để hỗ trợ cho vòi phun. Khi giàn phun được đặt gần cạnh sau của cánh thì ta cần cân nhắc khoảng cách giữa giàn phun và cánh.

f) Vòi phun

Những vòi phun đặc biệt được sử dụng cho hệ thống này. Những hệ thống này được trang bị ống chống chảy ngược hay van 1 chiều. Điều chỉnh khoảng cách giữa các vòi phun giúp ta điều chỉnh được dải phun thuốc. Vị trí cuối của vịi phun phải được đặt có 1 khoảng cách nhất định với đầu mũi cánh để tránh ảnh hưởng của xoáy đầu mũi cánh, do điều này có thể gây ra sự phân bố không đều giữa các hạt sương phun ra. Bên cạnh

đó thì góc của vòi phun ảnh hưởng tới hướng và tốc độ của kích thước hạt.

7.1.3. Những bước cơ bản xác định lượng thuốc cần phun

1. Xác định mẫu Anh (acres) hệ thống của máy bay sẽ phun trong mỗi phút tại tốc độ và độ cao mà máy bay thực hiện bay.

2. Hiệu chỉnh Gallon, ta sẽ phun mỗi phút cho lượng thể tích được cân nhắc phun.

3. Lựa chọn kích thước và số lượng vòi phun để điều chỉnh lượng dung dịch mỗi phút tại áp suất làm việc của hệ thống.

4. Chạy thử.

5. Xác định lượng hóa chất cần cho vào bình. Ví dụ:

Máy bay có thùng chứa được 300 gallon. Chiều rợng của diện tích cần phun là 50 feet. Máy bay dự kiến bay tại vận tốc 100 mph tại đợ cao 8-10 feet. Hóa chất được dùng theo tỉ lệ 1 pint trên 3 gallon dung dịch phun cho mỗi acre. Áp suất hoạt động là 40 psi.

1. Xác định acres mỗi phút máy bay rải thuốc:

𝐴𝑐𝑟𝑒𝑠 𝑚ỗ𝑖 𝑝ℎú𝑡 =2 𝑥 𝑏ề 𝑟ộ𝑛𝑔 𝑔𝑖à𝑛 𝑝ℎ𝑢𝑛 (𝑓𝑒𝑒𝑡)𝑥 𝑡ố𝑐 độ (𝑚𝑝ℎ)

1000

(3.11)

Bảng 7.1. Mối quan hệ giữa tốc độ và chiều rộng giàn phun

2. Xác định Gallons mỗi phút được yêu cầu:

Từ thông số đã có, ta xác định được lượng gallons mỗi phút (gpm): 3 x 10 = 30 (gallons mỗi phút).

3. Lựa chọn vịi phun:

Thơng thường với máy bay nơng nghiệp, giàn phun có thể chứa được khoảng 40 vòi phun. Giả sử ta chọn 26 vòi phun. Như vậy ta xác định được lượng dung dịch phun ra mỗi phút trên mỗi vòi:

𝐺𝑎𝑙𝑙𝑜𝑛 𝑚ỗ𝑖 𝑣ò𝑖 = 𝐺𝑎𝑙𝑙𝑜𝑛 𝑦ê𝑢 𝑐ầ𝑢 𝑆ố 𝑙ượ𝑛𝑔 𝑣ò𝑖 𝑝ℎ𝑢𝑛 (3.12) Ta được: 30 26= 1.16 𝑔𝑎𝑙𝑙𝑜𝑛 𝑚ỗ𝑖 𝑝ℎú𝑡 𝑡𝑟ê𝑛 𝑚ỗ𝑖 𝑣ò𝑖 𝑝ℎ𝑢𝑛 4. Chạy thử nghiệm.

5. Xác định lượng hóa chất cần vào thùng chứa.

Hóa chất mỗi thùng = acres mỗi thùng x hóa chất được cân nhắc cho mỗi acre

𝐴𝑐𝑟𝑒𝑠 𝑚ỗ𝑖 𝑡ℎù𝑛𝑔 = 𝐺𝑎𝑙𝑙𝑜𝑛𝑠 𝑚ỗ𝑖 𝑡ℎù𝑛𝑔 𝐺𝑎𝑙𝑙𝑜𝑛 𝑚ỗ𝑖 𝑎𝑐𝑟𝑒

(3.13)

Tại ví dụ này, ta được như sau

300 𝑔𝑎𝑙𝑙𝑜𝑛𝑠 𝑚ỗ𝑖 𝑡ℎù𝑛𝑔

3 𝑔𝑎𝑙𝑙𝑜𝑛𝑠 𝑚ỗ𝑖 𝑎𝑐𝑟𝑒 = 100 𝑎𝑐𝑟𝑒𝑠 𝑚ỗ𝑖 𝑡ℎù𝑛𝑔

100 𝑎𝑐𝑟𝑒𝑠 𝑚ỗ𝑖 𝑡ℎù𝑛𝑔 𝑥 1 𝑝𝑖𝑛𝑡 𝑚ỗ𝑖 𝑎𝑐𝑟𝑒 = 100 𝑝𝑖𝑛𝑡𝑠 𝑚ỗ𝑖 𝑡ℎù𝑛𝑔 = 12.5 𝑔𝑎𝑙𝑙𝑜𝑛𝑠

7.1.4. Sơ lược về loại vòi phun

Trong hệ thống vòi phun, đầu phun sẽ tách chất lỏng thành những hạt nhỏ và hình thành lên việc phun. Những đầu phun xác định lượng thể tích tại áp suất hoạt động, tốc độ và khoảng cách. Những đầu phun được lựa chọn tạo ra kích thước hạt lớn nhất và cung cấp đầy đủ diện tích ở tỉ lệ mong muốn và có thể giảm thiểu ảnh hưởng của gió.

a) Các loại vòi phun

Kích thước của hạt là một yếu tố quan trọng bởi vì điều này ảnh hưởng tới cả hiệu suất và tốc đợ phun của thành phần hóa học dung dịch.

Các loại vòi phun thường được sử dụng ở áp suất thấp trong công nghiệp bao gồm: vịi phun loại quạt, loại nón rỗng và những loại khác.

Vòi phun sử dụng quạt:

Đây là loại thường được sử dụng nhất trong nơng nghiệp. Vịi phun loại này tạo ra các hạt theo đường thon lại hoặc theo đường thẳng.

Hình 7.1 Các loại vịi phun cơ bản. b) Vật liệu vòi phun b) Vật liệu vòi phun

Vòi phun được làm từ một vài loại vật liệu. Loại chung nhất là đồng thau, ni lông, thép không gỉ, thép cứng và gốm. Những vịi phun bằng gốm có khả năng chống mịn lớn. Những vịi phun bằng thép thì hoạt đợng trong thời gian lâu hơn và tạo ra những hạt đều nhau hơn so với các loại bằng nylon hay đồng thau.

c) Ảnh hưởng vịi phun tới kích thước hạt

Kích thước hạt phun ra là một những yếu tố quan trọng nhất tới độ dạt của hạt. Do sự khác nhau về kích thước hạt đã đề ra thì mật đợ che phủ tốt là cần thiết cho những loại thuốc trừ sâu cái mà ảnh hưởng tới sâu bệnh hoặc những sinh vật gây bệnh. Kích thước hạt loại tốt tới loại trung bình là mong muốn khi áp dụng những loại thuốc trừ sâu bởi vì chúng thường cung cấp sự che phủ tốt hơn. Tuy nhiên thì những hạt tḥc loại tốt thì khó có thể giữ lại trên mục tiêu mà mình muốn, vì chúng có thể tồn tại trên khơng khí hay dạt ở khoảng cách xa do kích thước của chúng khá nhỏ và nhẹ.

Kích thước hạt loại nhỏ thì có độ dạt lớn hơn so với kích thước hạt loại lớn. Khi bay thì những hạt này ở ở lại trong khơng khí lâu hơn bởi vì chúng rơi chậm hơn và ảnh hưởng bởi gió.

Gió là mợt yếu tố thời tiết quan trọng ảnh hưởng tới đợ dạt. Ngồi ra cịn tồn tại một số vấn đề khác như sự thay đổi nhiệt độ từ mặt đất. Chẳng hạn như lạnh nhất tại mặt đất, trở nên ấm hơn ở độ cao nhất định hoặc trở lên lạnh hơn từ điểm nhả. Những phần tử được nhả trên vùng khí lạnh thì được duy trì lại trong khơng khí.

Thời tiết: Ứng dụng phun thuốc này bị ảnh hưởng chính bởi thời tiết trong khoảng độ cao dưới 1000 feet từ mặt đất. Thời tiết trong vùng diện tích có ảnh hưởng chính tới ứng dụng phun thuốc trừ sâu, bao gồm những vấn đề về đợ dạt.

Hình 7.2 Ảnh hưởng của thời tiết khi phun thuốc

Hệ thống phun không thể tạo ra một cách hoàn toàn kích thước hạt đồng đều nhau. Tuy nhiên, thì chúng sẽ tạo ra dải các kích thước hạt.

Loại vòi phun và áp suất là yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới kích thước hạt. Nói chung, kích thước hạt giảm hay tăng thì theo đợ mở kích thước của vịi phun hoặc áp suất tăng lên.

Kích thước của hạt được đo bằng micrometers, 1 micrometer thì xấp xỉ 1/25.000 inch và thường được đề cập như là 1 micron. Sự dạt của hạt không phải là 1 vấn đề lớn khi những hạt này có đường kính là 200 mircons và lớn hơn. Một nghiên cứu chỉ ra rằng những phần tử hạt đường kính nhỏ hơn 50 microns thì thường sẽ bị giữ hay lơ lửng trong khơng khí hoặc tới khi chúng bay hơi. Do vậy chúng ta nên tránh bởi vì khơng có cách nào điều khiển được những hạt nhỏ như vậy.

VMD: Volume median diameter

Ở áp suất đã cho, vòi phun sẽ tạo ra một dải các kích thước hạt. Tuy nhiên, những nhà sản xuất cố gắng thiết kế những vòi phun này với kích thước hạt ở đầu ra đều nhau. Những vòi phun tốt được dựa trên dải kích thước loại hạt mà nó tạo ra. Những nhà sản xuất có những bảng kích thước hạt và nhãn hiệu thuốc trừ sâu phù hợp cho khách hàng.

Bảng 7.3. Độ che phủ của kích thước các loại hạt

Bảng 7.4. Khoảng cách dịch chuyển của các loại hạt

Những hạt phun ra kích thước nhỏ hơn 100 có sự bốc hơi rất nhanh. Thuốc trừ sâu trong những hạt đó trở nên vô cùng nhỏ, chúng sẽ dịch chuyển lên trong khơng khí và khơng rơi xuống cho tới khi mưa. Những hạt lớn hơn 150 microns giúp giảm thiểu sự bốc hơi hơn so với những hạt nhỏ do thể tích của chúng lớn. Từ những nghiên cứu đó, ta có thể kết luận rằng có 1 sự giảm thiểu nhanh trong sự trơi dạt của các hạt nếu như đường kính hạt vào khoảng 150 microns.

d) Cách bố trí đặt giàn phun

Vị trí vòi phun trên giàn phun cũng ảnh hưởng tới kích thước hạt.

Chúng ta không nên trợn nhiều loại vịi phun với vật liệu, loại, góc hay thể tích phun khác nhau trên mợt giàn phun. Khi có sự trợn các loại vịi thì chúng sẽ tạo ra các những phân phối khơng đều. Các vịi phun phải được đặt thẳng hàng để tránh sự đối lập lẫn nhau và ở một độ cao hợp lý, để vậy thì những vịi phun lân cận dọc theo giàn phun sẽ phun đè lên nhau để hình thành sự che phủ đều. Sự che phủ đều này đạt được khi chúng đè lên nhau từ 50% đến 100%. Để kiểm tra, chúng ta sẽ thử phun nước sạch trên một bề mặt phẳng và quan sát đường của chúng.

Hình 7.3 Cách bố trí vịi phun tối ưu

e) Các kiểu bay

Với diện tích hình chữ nhật, ta sẽ bay song song theo trục dọc của diện tích, điều này sẽ giúp giảm thiểu số lần quay. Nếu xuất hiện gió ngang tại tốc đợ thấp thì điều này sẽ ngăn cản chúng ta bay qua vùng đã bay trước. Để ngăn cản sự dạt, thì ta khơng nên thực hiện bay nếu tốc độ gió tăng vượt quá mức.

Hình 7.5 Thao tác bay khi hướng gió ngang

Nếu vùng diện tích gồ ghề hoặc dốc, thì đường bay nên đi theo đường mép của ngồi của đoạn dốc. Khi vùng diện tích quá dốc thì ta sẽ bay theo đường dốc xuống.

- Đánh dấu đường bay

Đường bay có thể được đánh dấu vĩnh viễn hoặc tạm thời dựa trên độ cao của loại cây mà ta sẽ thực hiện. Phương pháp này vô cùng hữu dụng nếu vùng diện tích đó được thực hiện vài lần trong một mùa. Hai người cầm cờ hiệu có thể giúp phi cơng