29
- Điện áp ngõ vào: 7 ~12 V.
- Điện áp ngõ vào (giới hạn): 6 ~ 20V. - Dòng DC trên mổi chân I/O: 40mA. - Bộ nhớ Flash: 32 KB.
- SRAM: 2KB. - EEFROM: 1KB.
Các board Arduino Uno h ng sử dụng chíp chuyển ổi FTDI USB sang chuẩn nối tiếp thay vào ó các tính năng của Atmega328 ƣợc lập trình nhƣ 1 bộ chuyển ổi USB sang chuẩn nối tiếp.
Chức năng của 1 số chân trên it:
- Chân giao tiếp nối tiếp: 0 Rx, 1 Tx, truyền nhận dữ liệu nối tiếp TTL. - Chân cho phép ngắt ngoài: 2 và 3.
- Chân PWM: 3, 5, 6, 9, 10, và 11. Cung cấp ầu ra PWM 8 bit. - Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (Mosi), 12 (miso), 13 (SCK). - Chân giao tiếp I2C: Chân A4-SDA và Chân A5-SCL.
- Chân reset: cho phép thiết lập lại vi iều khiển.
3.3 Bộ điều tốc – ESC (Electronic speed controler) 3.3.1 Giới thiệu chung
ESC là một mạch iện với chức năng là thay ổi tốc ộ ộng cơ iện. ESC hoạt ộng nhƣ một biến tần biến ổi iện áp một chiều thành iện áp xoay chiều có tần số thay ổi ƣợc cung cấp cho ộng cơ.
ESC chuyển từ iện áp DC 1 pha thành iện áp DC 3 pha lệch nhau 1200 với một chu ì phụ thuộc vào tần số xung ích, ộ rộng xung của mỗi pha sẽ ƣợc iều khiển bởi xung PWM.
Nhƣ vậy tƣơng ứng khi ta cấp xung PWM với ộ rộng xung nhỏ thì iện áp trung bình ở ngõ ra ESC sẽ nhỏ và hi cấp xung PWM với ộ rộng xung lớn thì iện áp trung bình ở ngõ ra ESC sẽ lớn
30
3.3.2 Cấu tạo
Cấu tạo của ESC gồm khối iều khiển và hối c ng suất. Khối iều khiển là một vi iều khiển tạo ra xung iều khiển khối c ng suất. Khối c ng suất gồm các transistor hoặc FET c ng suất ể nghịch lƣu 3 pha. Để tăng dòng ngõ ra bằng cách lắp song song các transistor hoặc FET.
3.4 Pin Lipo 3.4.1 Giới thiệu 3.4.1 Giới thiệu
Pin Lipo có tên ầy ủ là pin lithium polymer, pin Lipo thƣờng sử dụng 6 7 chữ số ặt tên, tƣơng ứng với ộ dày, chiều rộng, chiều cao, thể hiện nhƣ PL6567100 ộ dày 65mm, chiều rộng 67mm, chiều cao 100mm, trong ó PL là polymer.
Hình 3.8 : ESC Skywalker 40A.
31
Pin lithium - polymer sử dụng quy trình sản xuất bao bì nhiều lớp, vì vậy thay ổi ích thƣớc rất linh hoạt và thuận tiện, tƣơng ối nhiều chủng loại. Liên quan ến các loại pin trƣớc ây ều là pin dạng hóa học với năng lƣợng cao, ích thƣớc nhỏ, trọng lƣợng nhẹ. Hơn hẳn các loại pin hác, pin LiPo có hả năng lƣu trữ dòng iện lớn và hả năng 1 lƣợng dòng iện lớn trong 1 thời gian ngắn, phù hợp cho việc iều khiển nhiều ộng cơ liên tục .
3.4.2 Tính dung lƣợng pin
Dung lƣợng pin là miliampe giờ (mAh). Nó có nghĩa là dung lƣợng pin ể duy trì trong một giờ.
Ví dụ: rằng pin 1000 mAh có thể duy trì 1000 mAh (1 Amp) xả một giờ. Tuy nhiên, việc xả pin là h ng tuyến tính. Vì vậy, h ng thể nói rằng pin có thể ƣợc duy trì ở mức 500 mA trong 2 giờ. Tuy nhiên, pin hi ở dòng iện lƣu nhỏ thời gian xả của pin bao giờ cũng lớn hơn thời gian xả của pin có dịng iện lƣu lớn.
Cho nên chúng ta có thể tính tốn thời gian xả của pin trong các trƣờng hợp pin có dịng iện lƣu hác nhau. Nói chung, ích thƣớc của pin càng lớn, thì lƣu trữ ƣợc càng nhiều dung lƣợng hơn và nhƣ vậy sẽ làm tăng trọng lƣợng của máy bay, vì vậy việc lựa chọn pin phù hợp cho các loại máy bay và ộng cơ phải ƣợc nghiên cứu k càng.
32
3.5 Động cơ Servo
3.5.1 Giới thiệu động cơ Servo
Động cơ servo là ộng cơ ƣợc thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vịng ín. Tín hiệu ra của ộng cơ ƣợc nối với một mạch iều khiển. Khi ộng cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ ƣợc hồi tiếp về mạch iều khiển này. Nếu có bầt kỳ lý do nào ngăn cản chuyển ộng quay của ộng cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chƣa ạt ƣợc vị trí mong muốn. Mạch iều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho ộng cơ ạt ƣợc iểm chính xác.
3.5.2 Cấu tạo động cơ servo
1. Động cơ. 2. Bảng mạch.
3. Dây dƣơng (Red). 4. Dây tín hiệu (vàng hoặc trắng). 5. Dây mass (Blac ). 6. Chiết áp.
7. Đầu ra trục/ bánh răng 8. Bánh xe. Hình 3.11 : Động cơ servo
33
9. Vỏ Servo. 10. Chip iều khiển.
3.5.3 Hoạt động
Trục của ộng cơ servo ƣợc ịnh vị nhờ vào thuật gọi là iều biến ộ rộng xung (PWM). Trong hệ thống này, servo là áp ứng của một dãy các xung số ổn ịnh.
Cụ thể hơn, mạch iều khiển là áp ứng của một tín hiệu số có các xung biến ổi từ 1 2 ms. Các xung này ƣợc gởi i 50 lần/giây. Chú ý rằng h ng phải số xung trong một giây iều khiển servo mà là chiều dài của các xung. Servo òi hỏi khoảng 30 60 xung/giây, áp ứng tần số trong khoảng 30 60 Hz.
Nếu số này qua thấp, ộ chính xác và c ng suất ể duy trì servo sẽ giảm. Với ộ dài xung 1 ms, servo ƣợc iều khiển quay theo một chiều (giả sử là chiều im ồng hồ nhƣ dƣới).
Với ộ dài xung 2ms, servo quay theo chiều ngƣợc lại. K thuật này còn ƣợc gọi là tỉ lệ số chuyển ộng của servo tỉ lệ với tín hiệu số iều khiển. C ng suất cung cấp cho ộng cơ bên trong servo cũng tỉ lệ với ộ lệch giữa vị trí hiện
34
tại của trục ra với vị trí nó cần ến. Nếu servo ở gần vị trí ích, ộng cơ ƣợc truyền ộng với tốc ộ thấp.
Điều này ảm bảo rằng ộng cơ h ng vƣợt quá iểm ịnh ến. Nhƣng nếu servo ở xa vị trí ích nó sẽ ƣợc truyền ộng với vận tốc tối a ể ến ích càng nhanh càng tốt. Khi trục ra ến vị trí mong muốn, ộng cơ giảm tốc. Q trình tƣởng chừng nhƣ phức tạp này diễn ra trong khoảng thời gian rất ngắn, một servo trung bình có thể quay 60 trong vng ẳ ẵ giõy.
Vì ộ dài xung có thể thay ổi tùy theo hãng chế tạo nên ta phải chọn servo và máy thu v tuyến thuộc cùng một hãng ể ảm bảo sự tƣơng thích. Đối với robot, ta phải làm một vài thí nghiệm ể xác ịnh ộ dài xung tối ƣu.
3.6 Cánh quạt
Cánh quạt dùng cho Tricopter là loại tốc ộ thấp. Ngoài loại cánh tractor th ng dụng (còn gọi là cánh CCW, counter cloc wise), Tricopter cần có cánh pusher (cịn gọi là cánh CW, cloc wise) quay theo chiều nghịch lại ể triệt tiêu các momen xoắn sinh ra.
Cánh EPP1045 ƣợc sử dụng rất phổ biến trong các m hình multicopter. Tuy nhiên, ây h ng phải là loại cánh tốt nhất. Cánh APC và cánh Graupner có ộ cứng, ộ bền và ộ ổn ịnh cao hơn là lựa chọn thích hợp cho các m hình có khối lƣợng trên 1 g.
35
3.7 Tay điều khiển FlySky
T ÔNG SỐ KĨ T UẬT
- Loại iều hiển: 6 ênh
- Loại m hình: Glider / Heli / máy bay RF Range: 2.40 - 2.48 GHz - Băng th ng: 500 Hz
- Kích thƣớc: 174 x 89 x 190 mm - Hệ thống 2.4 GHz: AFHDS 2A - Khoảng cách iều hiển: 300 - 600 m - Phạm vi iều hiển: 300 - 600 m - Chiều dài anten: 26mm
- Trọng lƣơng: 6.4 G - Nguồn : 6V 1.5AA * 4
- Kích thƣớc: 40.4x21.1x7.35mm - Màu : en
- Stick Model: Model 2 (Left Throttle) - Hệ thống 2.4GHz: AFHDS 2A và AFHDS
36
C ƢƠNG 4 : THI T K 4.1 Yêu cầu hệ thống:
- Tricopter có 3 cánh quạt và 1 ộng cơ servo u i.Vì vậy cần 4 ngõ ra PWM ể iều khiển.
- Board iều khiển arduino phải có trên 4 ngõ ra PWM.
- Ƣớc lƣợng tổng khối lƣợng tricopter khoảng 1kg. Gọi Fnâng là lực nâng
của 1 ộng cơ, Mtricopter là trọng lƣợng của tricopter, vì vậy:
Fnâng x 3 > Mtricopter (4.1)
Fnâng >
= (kg) (4.2) - Động cơ phải có lực nâng iều kiện trên. Để ảm báo tricopter dễ dàng
thoát trọng lực, chọn ộng cơ có Fnâng = 1 (kg).
∑ = 3 (kg) (4.3)
- ESC phải cung cấp ủ dòng cho ộng cơ, gọi Idcmax là dòng iện lớn nhất mà một ộng cơ tiêu thụ, ImaxESC là dịng iện lớn nhất mà ESC có thể cung cấp cho ộng cơ ể ảm bao ộng cơ hoạt ộng úng c ng suất mong muốn và ESC h ng bị hỏng, vì vậy phải thỏa:
ImaxESC > Idcmax (4.4) - Pin phải cung cấp ủ cho tricopter bay liên tục 4 phút. Gọi Ipinmax là dòng
xả lớn nhất của pin, Iservo là dòng iện cung cấp cho ộng cơ servo, Icontrol là tổng tất cả các dòng iện cung cấp cho board iều khiển và cảm biến. Ta có c ng thức sau:
Ipinmax > (Idcmax x 3 ) + Iservo + Icontrol (4.5) - Động cơ servo phải có lực giữ góc thỏa yêu cầu:
F giữ góc > Fnâng (4.6)
- Khung sƣờn phải làm từ vật liệu nhẹ nhƣng vẫn ảm bảo ộ chắc chắn ặc biệt giá thành thấp.
37 Hệ thống ƣợc thiết kế nhƣ sau: Khối điều khiển trung tâm Cảm biến cân bằng Động cơ brushless DC Khối điều khiển động cơ (ESC) Mạch thu nhận tín hiệu
Tay điều khiển phát tín hiệu
38
4.2 Sơ đồ kết nối phần cứng.
Với yêu cầu hệ thống và sơ ồ khối nhƣ trên ta có ƣợc sơ ồ kết nối phần
cứng nhƣ sau : Hình 4.2 : Sơ ồ kết nối phần cứng VCC GND _ + servo DC3 DC1 DC2 ESC1 ESC2 ESC3 MPU-6050
39 11.8V 5V 5V 5V SERVO
40
4.3 Thiết kế khung nhôm
Khung cơ hí của tricopter ƣợc thiết kế sao cho tổng khối lƣợng là nhỏ nhất, cân bằng về trọng tâm. Các cánh sử dụng thanh nh m hình chữ nhật (1x2cm), dày 1.5mm, rỗng giúp m hình nhẹ hơn và cứng cáp hơn.
Chiều dài mỗi thanh tay trái, phải 15 cm, thanh u i dài 17 cm và các thanh ƣợc ặt lệch nhau 1 góc 1200 và ƣợc thiết kế nhƣ nhƣ vẽ: 1200 1 7 c m y X Hình 4.4 : Khung nh m tricopter
41
4.4 Lựa chọn linh kiện
Theo thiết kế hung nh m có trọng lƣợng 500g, ƣớc chừng tổng trọng lƣợng toàn máy bay tricopter sau hi hoàn thành hoảng 1200g. Qua phân tích nên lựa chọn các loại linh kiện sau:
4.4.1 Chọn động cơ
- Động cơ h ng chổi than: Emax MT2216 810KV - Điện áp hoạt ộng 10V 12V. - Tốc ộ quay 810 vòng/phút/V. - Số cặp cực: 10. - Đáp ứng hiệu quả: 85 %. - Dịng có tải: 14 25 A. - Dòng h ng tải: 1.5 A. - Kích thƣớc: 27.5x30 mm.
+ Lực nâng tối a với cánh 10x45: 1 g.
+ Trọng lƣợng: 50g.
Hình 4.5 : Động cơ h ng chổi than Emax 810kv
42
4.4.2 Lựa chọn ESC (electric speed controller)
+ ESC sky walker 40A.
+ Điện áp hoạt ng: 10V 14V. + Dòng ịnh mức: 40A. + Dịng ỉnh: 55A / 10s. + Kích thƣớc (L x W x H): 68 x 25 x 8mm. + Hỗ trợ ngõ ra áp 5V dòng 2A. + Trọng lƣợng: 35g. 4.4.3 Chọn pin
+ Vì ộng cơ và ESC có iện áp ịnh mức hoạt ộng là 10 12 V nên ta lựa chọn pin Lipo 3cell với iện áp mỗi cell là 3.7V. Vậy iện áp lúc 3cell là 11.1V, lúc sạc ầy là 12.8V. Dòng xả Ipinmax = 45A.
+ Vì chi phí ầu tƣ giới hạn nên lựa chọn pin có dung lƣợng vừa phải. Chọn pin có dung lƣợng 2200mAh.
Hình 4.6: ESC skywalker 40A
43
4.4.4 Cảm biến cân bằng MPU 6050
MPU-6050 là cảm biến của hãng InvenSense. MPU-6050 là một trong những giải pháp cảm biến chuyển ộng ầu tiên trên thế giới có tới 6 trục cảm biến tích hợp trong một chíp duy nhất (mở rộng tới 9) và một bộ xử lý chuyển ộng số ƣợc tích hợp bên trong, giúp cho việc lấy dữ liệu từ cảm biến trở nên dễ dàng .
MPU-6050 sử dụng c ng nghệ ộc quyền MotionFusion của InvenSense có thể chạy trên các thiết bị di ộng, tay iều khiển,...
+ Nguồn cấp: 2.375 3.46V. + Giao diện nối tiếp hỗ trợ: I2C.
Trong Tricopter hệ thống cảm biến là rất quan trọng. Nó cho hệ thống biết ƣợc góc nghiêng và vận tốc, gia tốc hiện tại của Tri-rotor. Yêu cầu của cảm biến là có ộ áp ứng nhanh ể hệ thống có thể kịp thời iều chỉnh ể có thể cân bằng.
Sơ đồ khối tổng quát:
Hình 4.8 : Cảm biến MPU-6050
44
Đây là sơ ồ kết nối tổng quát tất cả các phần của cảm biến bao gồm 3 trục cảm biến mở rộng, cảm biến MPU6050, giao tiếp I2C, các ứng dụng iều khiển .
Cấu tạo chi tiết:
- 3 trục con quay hồi chuyển (3-axis MEMS gyroscope). - 3 trục cảm biến gia tốc (3-axis MEMS accelerometer).
- 1 bộ xử lý chuyển ộng số (DMP- Digital Motion Processor). - 1 bộ nhớ ệm FIFO có giá trị 1024 byte.
Ngồi ra cảm biến MPU-6050 có thế giao tiếp với 1 cảm biến từ trƣờng bên ngoài th ng qua chuẩn giao tiếp I2C.
Cảm biến MPU-6050 sử dụng bộ chuyển ổi tƣơng tự - số (Anolog to Digital Converter - ADC).
4.4.5 Các thành phần khác
- Ngoài ra cịn có:
+ Ốc vít cố ịnh hung nh m.
+ Dây gút cố ịnh ộng cơ và các chi tiết hác. + Dây kết nối tín hiệu giữa các modul.
45
4.5 Thiết kế giải thuật điều khiển
Bộ iều khiển cân bằng của máy bay ba cánh Tricopter bao gồm ba bộ nhỏ theo ba góc roll, pitch và yaw mỗi bộ cơ sở ồ iều khiển nhƣ sau:
Tín hiệu ƣợc hồi tiếp về là các góc yaw, pitch, roll và sự chuyển ộng quanh các trục X,Y,Z (vận tốc chuyển ộng của khung quanh trục x, y, z hoặc vận tốc gốc).
Các hàm truyền K1(s), K2(s) là các hằng số K1, K2. Chúng ta cũng có thể hiểu K1 tƣơng ứng với Kp và K2 tƣơng ứng Kd của bộ iều khiển PID. Vấn ề cần giải quyết là tự ộng cân bằng cho tricopter. Nhƣ vậy, ta xét góc ặt là 0o ối với các góc roll, pitch cịn góc yaw có thể ặt bất ì góc nào. Nhƣ trên hình 3.17 sơ ồ iều khiển gồm 2 vòng hồi tiếp.
Vịng hồi tiếp ngồi: các giá trị hồi tiếp về là các góc yaw, pitch, roll. Chúng sẽ ƣợc so sánh với các góc ặt (0o – vị trí cân bằng) hi ó ta sẽ thu ƣợc sai số, giá trị sai số sẽ ƣợc nhân với 1 hệ số K1 và ta sẽ thu ƣợc thành phân P (thành phần tỉ lệ). Vòng hồi tiếp trong: giá trị hồi tiếp về là sự chuyển ộng của xung quanh các trục x, y, z tƣơng ứng các góc roll, pitch , yaw. Các giá trị hồi tiếp này ƣợc lấy trực tiếp từ cảm biến và chúng cũng sẽ ƣợc nhân với 1 hệ số K2. Khi ó ta thu ƣợc thành phần D (thành phần vi phân).
Tổng hay hiệu của 2 thành phần từ 2 vòng hồi tiếp trên ta sẽ ƣợc các giá trị iều khiển theo các phƣơng ngang, dọc hay các thành phần iều khiển δlat, δlon, δped tƣơng ứng iều khiển các góc roll, pitch, yaw. Các thành phần này
46
sẽ góp phần làm thay ổi vận tốc chuyển ộng của các rotor 1, rotor 2 và rotor 3 từ ó làm thay ổi các góc roll, pitch, yaw và ƣa tricopter về trạng thái cân bằng hoặc chống lại sự mất cân bằng hi có yếu tố tác ộng từ bên ngoài.
Phƣơng pháp iều khiển nhƣ trên gọi là phƣơng pháp iều khiển dạng hồi