CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA PHỐI TRÍ CÁNH QUẠT TỚI LỰC ĐẨY
3.1 Xây dựng bộ thí nghiệm đo lực đẩy
3.1.2. Thiết kế, chế tạo bộ thí nghiệm
Các thiết bị sử dụng trong bộ thí nghiệm:
Động cơ
Bộ điểu tốc (ESC)
Pin Lipo Tiger Power
Bộ phát tín hiệu (Transmitter)
Bộ thu tín hiệu (Receiver)
Thiết bị đo tốc độ quay cánh quạt
Thiết bị cảm biến lực (Loadcell)
Mạch chuyển đổi lực Loadcell HX711
Board mạch Arduino Uno R3 3.1.2.1a Động cơ
Động cơ A2212-1000kv là động cơ không có chổi quét đƣợc lắp thiết bị điện mà không cần dùng chổi than chì. Loại động cơ này có hiệu suất cao 70 – 80%, tạo ra ít tiếng ồn và tải được dòng điện lớn hơn, có kích thước, khối lượng nhỏ hơn so với động cơ có chổi quét cùng công suất.
Động cơ không chổi than thích hợp cho các UAV vì hợp lý cả hai yêu cầu là giá cả và hiệu suất. Trên thế giới hiện nay, các UAV chủ yếu sử dụng loại động cơ này.
34 Hình 23: Động cơ
Bảng 1: Thông số kĩ thuật động cơ A2212-1000kv
Thông số Giá trị
Pin 2S-3S
Khối lƣợng 48g
Lực lớn nhất 800g
3.1.2.1b Bộ điều tốc (ESC)
Hình 24: Sơ đồ nguyên lý bộ điều tốc (ESC)
ESC xác định tốc độ điều khiển dựa vào độ rộng xung PWM (Pulse Wildth Modulation) từ đó thay đổi hiệu điện thế và thay đổi tốc độ. Độ rộng xung từ 1ms đến 2ms quy chuẩn theo động cơ RC, tần số điều khiển là 50Hz.
35 Hình 25: Đồ thị xung PWM
Gọi t1 là thời gian có xung trong 1 chu kỳ, T0 là chu kỳ Umax là điện áp nguồn một chiều ta có:
U = Umax.(t1/ T0)= Umax.D0
Với D0= t1/T0 là hệ số điều chỉnh, và trên thực tế để thay đổi tốc độ ta sẽ thay đổi D0.
Ví dụ :
U= Umax. D0= 12.20% = 2,4(V) (với D0= 20%) U = Umax. D0= 12.40% = 4,8(V) (với D0= 40%) U = Umax. D0 = 12.90% = 10,8(V) (với D0 =90%) 3.1.2.1c Pin Lipo Tiger Power
Pin Lipo cung cấp điện áp trực tiếp cho động cơ T-Motor và ESC thông qua BEC.
Hình 26: Pin Lipo Tiger Power
36 Bảng 2: Thông số kỹ thuật pin Lipo
Điện áp 11,1V
Dung lƣợng 2200mAh
Tốc độ xả tối đa 35C
3.1.2.1d Bộ phát tín hiệu (Transmitter)
Bộ phát tín hiệu hay còn gọi là Transmitter (Tx) là bộ phát tín hiệu, có nhiệm vụ mã hóa các vị trí của các cần điều khiển thành một dãy các tín hiệu điện từ và phát tín hiệu này ra không gian với sự hỗ trợ của một ăng-ten, giống nhƣ các thiết bị nhƣ đài phát, truyền hình và các thiết bị viễn thông khác.
Hình 27: Bộ phát tín hiệu (bộ điều khiển) 3.1.2.1e Bộ thu tín hiệu (Receiver)
Bộ thu tín hiệu hay còn gọi là Receiver (Rx) có chức năng nhận tín hiệu sóng radio từ máy phát sóng Tx và giải mã các tín hiệu đó thành tín hiệu điều khiển cho servo, ESC… Mỗi bộ thu tín hiệu chỉ phù hợp với một bộ phát tín hiệu riêng biệt.
37 Hình 28: Bộ thu tín hiệu
3.1.2.1f Thiết bị cảm biến lực (Loadcell)
Cảm biến lực loadcell gồm hai thành phần, thành phần thứ nhất là “Strain Gauge” và thành phần còn lại là “Load”. Strain Gauge là một điện trở đặc biệt chỉ nhỏ bằng móng tay, có điện trở thay đổi khi bị nén hay kéo dãn và đƣợc nuôi bằng một nguồn điện ổn định đƣợc dán lên bề mặt Load. Thanh kim loại này một đầu đƣợc gắn cố định, đầu còn lại tự do và gắn với mặt bàn cân (đĩa cân). Khi ta bỏ một khối lƣợng lên đĩa, thanh kim loại này sẽ bị uốn cong do trọng lƣợng của khối lƣợng cân gây ra.
Khi thanh kim loại bị uốn, điện trở Strain Gauge sẽ bị kéo dãn ra và thay đổi điện trở.
Nhƣ vậy, khi đặt vật cân lên bàn cân, tùy theo khối lƣợng vật mà thanh kim loại sẽ bị uốn đi một lượng tương ứng và lượng này được đo lường qua sự thay đổi điện trở của Strain Gauge kết hợp với nguyên lý mạch cầu Wheatstone sẽ cho ta kết quả.
Hình 29: Cảm biến lực Loadcell
38 Bảng 3: Thông số kỹ thuật của Loadcells
Thông số Giá trị
Tải trọng tối đa 10 kg
Điện áp đầu vào 5-10 VDC (điện áp tối đa 12v) Điện áp biến đổi 2+-0.002(mV/V)
Cấp chính xác OIML R60 C3 Cách tính lực sử dụng cảm biến lực loadcell:
Trong đó N: là lực tác động
k: là hệ số riêng của loadcell (k=5972)
ΔV: hiệu điện thế giữa điện áp lúc tác dụng lực và điện áp khi chƣa tác dụng lực lên Loadcell
3.1.2.1g Board mạch Arduino Uno R3
Arduino là nền tảng thiết bị điện tử mã nguồn mở có thể đƣợc sử dụng để dễ dàng giao tiếp với phần cứng và bộ cảm biến. Arduino bắt đầu ở Ý vào năm 2005. Nó đã mở rộng không ngừng trong những năm qua, với nhiều nhà sản xuất và nhà phân phối trên toàn thế giới. Có rất nhiều loại mạch, bộ công cụ và shield (shield là các module mở rộng để bổ sung tính năng cho Arduino, thường đi với các thư viện lập trình tương ứng) để giúp thực hiện được bất cứ mạch điện tử nào một cách dễ dàng.
Arduino Uno R3 là loại phổ biến và dễ dàng sử dụng nhất trong các dòng Arduino hiện nay, cũng tương thích với nhiều loại Arduino shield nhất.
39 Hình 30 : Board mạch Arduino Uno R3
Bảng 4: Thông số kỹ thuật Board mạch Arduino Uno R3
Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit
Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ đƣợc cấp qua cổng USB)
Tần số hoạt động 16 MHz
Dòng tiêu thụ khoảng 30mA
Điện áp giới hạn 6-20V DC
Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM) Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA
Dòng ra tối đa (5V) 500 mA Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328)
SRAM 2 KB (ATmega328)
EEPROM 1 KB (ATmega328)
40 Lập trình cho Arduino:
Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino đƣợc lập trình bằng ngôn ngữ riêng.
Ngôn ngữ này dựa trên ngôn ngữ Wiring đƣợc viết cho phần cứng nói chung và Wiring là một biến thể của C/C++, do đó rất dễ đọc và dễ hiểu.
Để lập trình cũng nhƣ gửi lệnh và nhận mạch tín hiệu từ Arduino, Arduino đã cung cấp cho người dùng một môt trường lập trình Arduino được gọi là Arduino IDE (Intergrated Development Environment).
Hình 31: Giao diện ngôn ngữ làm việc Arduino 3.1.2.1h Mạch chuyển đổi lực Loadcell HX711
Mạch chuyển đổi ADC Loadcell HX711, module chuyển đổi analog sang digital 24-bit. HX711 đƣợc thiết kế để chuyển đổi tín hiệu và ứng dụng công nghiệp để giao tiếp trực tiếp với một cảm biến cầu. HX711 độ nhạy cao, khả năng chống nhiễu và độ tin cậy cao.
41 Hình 32: Mạch HX711
Bảng 5: Thông số kỹ thuật HX711 Điện áp hoạt động 2,7 – 5V
Dòng tiêu thụ < 1,5mmA
Tốc độ lấy mẫu 10 – 80 SPS
Độ phân giải 24 bit ADC
Độ phân giải điện áp 40mV
Kích thước 38x21x10 mm
3.1.2.1i Thiết bị đo tốc độ quay cánh quạt
Bộ đo tốc độ quay cánh quạt Tachometer là thiết bị đo cầm tay dùng để đo vòng quay và tốc độ bề mặt. Màn hình hiển thị rộng cho phép dễ dàng đọc kết quả đo.
Máy có chức năng nhớ tự động giá trị min, max, trung bình của các phép đo. Nguyên lý hoạt động của thiết bị dựa trên bản chất của tia laser là một loại song điện từ. Trong khi đo tốc độ quay cánh quạt tia laser với phạm vi chiếu từ 50 đến 500mm sẽ phản xạ với băng dính chỉ thị đƣợc dán trên cánh. Mỗi vòng quay của cánh quạt sẽ đƣợc thiết bị đếm và đƣa ra tốc độ vòng quay (vòng/phút).
42 Hình 33: Bộ đo tốc độ quay cánh quạt Digital Tachometer
Bảng 6: Thông số kĩ thuật của bộ đo tóc độ quay Digital Tachometer
Thông số Giá trị
Model DT-2234C+
Màn hình LCD hiển thị số
Phạm vi 2,5 đến 99.999 RPM
Độ phân giải 0.1 RPM (từ 2,5 đến 999,9 RPM) 1 RPM (hơn 1.000 RPM)
Độ chính xác + / - (0,05% +1 digit)
Khoảng cách đo 50 đến 500mm / 2 đến 20 inch
Kích thước 130x70x29mm
Trọng lƣợng 160g
3.1.2.2. Thiết kế lắp đặt bộ thí nghiệm
Bộ gá thí nghiệm đƣợc thiết kế yêu cầu độ cứng vững, tránh rung lắc khi động cơ hoạt động, ngoài ra phải đảm bảo đƣợc độ đồng tâm của hai cánh quạt. Do đó bộ gá đƣợc thiết kế có thể gá vững chắc hai đầu, động cơ gắn cố định vào cảm biến lực loadcell sao cho trục động cơ vuông góc với mặt đất nhằm mô phỏng đúng quá trình bay khi động cơ hoạt động.
43 Hình 34: Bộ gá cánh đồng phẳng
Hình 35: Bộ gá cánh đồng trục
Dọc theo trục của thanh đƣợc khoan nhiều lỗ để có thể thay đổi khoảng cách giũa cách động cơ và xem xét sự ảnh hưởng của chúng lên nhau trong trường hợp đồng phẳng. Miếng đệm đƣợc thiết kế với chiều dày mỗi miếng 3mm, có thể linh hoạt thêm hoặc bớt nhằm tạo khoảng cách giữa hai động cơ đồng trục, qua đó cho ta đánh giá về ảnh hưởng của khoảng cách và lực nâng giữa hai động cơ đồng trục. Chiều cao từ động cơ tới mặt đất là 1,5m nhằm giảm hiệu ứng mặt đất lên quá trình đo.
Hình 36: Hình ảnh bộ thí nghiệm hai chong chóng đồng trục
44 Board mạch Arduino đƣợc kết nối với cảm biến HX711 và cảm biến lực Loadcell theo sơ đồ sau:
Hình 37:Sơ đồ mắc nối mạch cảm biến Loadcell