Tổng quan v`ềmô hình hệ thống máy bay không ngươi lái UAV
Hình 2. 1. Tổng quan v`êmô hình hệ thống máy bay không người lái 4 cánh quạt của đềtài.
Sinh viên thực hiện: Ngô Đăng Hùng Người hướng dẫn: TS. Phạm Thanh Phong Trần Lê Đức An
Tr The Phong
25
Sơ đ ồkhối tổng quát của mô hình hệ thống
Hình 2. 2. Sơ đ`ôkhối tổng quát của mô hình hệ thống máy bay không người lái 4 cánh quạt trong đềtài.
Lựa chọn các thiết bị linh kiện được sử dụng trong mô hình hệ thống Để thiết kế mô hình hệ thống Máy bay không người lái 4 cánh quạt ở hình 2.1, các tính toán và tính chọn các thiết bị linh kiện phù hợp cho hệ thống UAV sẽ được trình bày ở các mục tiếp theo.
Tính toán các thông số ph3®n động lực cho ph3n cứng UAV L3
Các công thức và phương pháp tính toán các thông số phần động lực ở mục này được tham khảo tài liệu ẽ!Šè, Việc tớnh toỏn khớ động học mụ tả cỏc tỏc động khi quay của cỏnh quạt trong không khí với các thông số:
Tyr (N): là lực đẩy của cánh quạt, hướng lên.
A (m?): là diện tích cánh quạt.
Pa = (kgim? ): là mật độ không khí.
Sinh viên thực hiện: Ngô Đăng Hùng Người hướng dẫn: TS. Phạm Thanh Phong 26
Ta có phương trình của lực đẩy theo công thức:
Tyr = 2. p4-A. Vi (N) Do lure day Tyr = W, ="
Vận tốc dòng khí cho moiacd PAGAL Rg mang bởi I cánh quạt).
W, P
= /
Vì và o,.am s) Tinh toán thông số chế tạo:
Tổng khối lượng UAV dự tính xây dựng (bao g Gm tổng trọng lượng ph thân và các thiết bị khác): m = 1,7 kg.
Đường kính cánh quạt dự tính (chọn loại cánh 2 lá 10inch): D = 10 inch = 0,254 m.
Mật độ không khí trong đi`âi kiện nhiệt độ ở 25°C và áp suất không khí tại mặt đất khoảng 1atm: ứx = 1.249 (kg).
Diện tích mỗi cánh quai:
A= =m 47> 71 DY 0250 _ 0.05067 4 7% (m*) (m2 Lực nâng của mỗi canh quat:
mg > mg 17x98
Tur = W, = 4 DO Tyr =2. @a.A. Vĩ = 4 = 4 = 4,165 (N)
Tu đó ta tính được tổng lực nâng của 4 cánh quạt:
Tyr = 4T = 4W, = 4x 20AAVỆ = mg = 17x98 = 16.66 (N)
Suy ra vận tốc dòng khí của mỗi cánh quạt:
WwW T 4,165
Vi = v 2.04.4” P =v 2.04.4 > Ÿ 2x 1249 Mr =v x 0050672 = 5,74 S4 m5) (m/
Theo tính toán trên để nâng Quadrocopter khỏi mặt đất ta tính chọn như sau:
Để đảm bảo Quadrocopter có thể chuyển động được thì khoảng cách giữa 2 động cơ
trên cùng 1 trục phải đủ dài: I ~ “ha
Lựa chọn ph khung cho rẫy bay
Để đảm bảo quá trình hoạt động cho UAV như các thông số tính toán v`êph ần động lực học nêu trên thì ta tiến hành chọn ph n khung máy bay phù hợp với các tiêu chí v`ê đi âi kiện hoạt động cũng như tiêu chí v`êtrọong lượng của UAV dự tính đặt ra ban đ`ầi.
Để lựa chọn phn khung tương thích với các đi âu kiện trên, thì nhóm đã sử dụng Bộ khung Quadcopter S520, là bộ khung phù hợp với tính chất và yêu câi ban đần được đê ra cia d Gdn.
Sinh viên thực hiện: Ngô Đăng Hùng Người hướng dẫn: TS. Phạm Thanh Phong 27 Trần Lê Đức An
Tr The Phong
Hình 2. 3. Bản vẽ và các thông số kích thước của Bộ khung Quadcopter S520 !"41, Bộ khung Quadcopter S520 là một dạng khung sườn (Frame) được thiết kế để lắp ráp và tạo thành một chiếc máy bay không ngươi lái (UAV) loại Quadcopter. Bộ khung có phần cứng để gắn tương ứng cho 4 cánh quạt, được lắp đặt ở các vị trí đối xứng để tạo ra sức nâng và kiểm soát bay. Khung S520 được làm từ các sợi carbon Và nhựa composife để cung cấp độ b`ầi và đông thời giảm trọng lượng. Dưới đây là bảng thông số kỹ thuật của Bộ khung Quadcopter S520.
Bảng 2. 1. Bảng thông số kỹ thuật Bộ khung Quadcopter $520 !"41,
Thông số Giá trị
Chỉ Gi dai co sé’ 520mm
Chi cao chân máy 250mm
Cánh quạt có thể sử dụng tối đa 13 inch Khoảng cách của bảng trung tâm trên và dưới 19mm
Trọng lượng 503gram
Lựa chọn khối di@u khién trung tam
ĐiẦầi đầi tiên cơ sở cho việc xây dựng nên một mô hình hệ thống Máy bay không ngươi lái 4 cánh quạt thì trước hết cẦn phải lựa chọn một bộ đi `âi khiển đóng vai trò là đi não cho mô hình hệ thống. Nó có nhiệm vụ chính là đi `âi khiển hoạt động và chuyến bay của thiết bị, cũng như thực hiện các chức năng tự động hóa nhất định mà người đi ôi khiển đã cài đặt.
Qua các quá trình tìm hiểu, phân tích và chọn lọc thì nhóm đã quyết định sử dụng Bộ đi `âi khiển chuyến bay tự động Pixhawk 2.4.8 có vai trò là bộ đi `âi khiển bay trung tâm cho mô hình hệ thống.
Sinh viên thực hiện: Ngô Đăng Hùng Người hướng dẫn: TS. Phạm Thanh Phong 28
Hình 2. 4. Mạch đi âi khiển chuyến bay tự động Pixhawk 2.4.8 "51, Lý do mà nhóm có thể chọn bộ đi âi khiển Pixhawk 2.4.8 thay vì các bộ đi âi khiển khỏc trờn thị trưởng cú thể bao ứ Gm cỏc yếu tố sau:
Hiệu suất và ổn định: Pixhawk 2.4.8 có hiệu suất cao và ổn định trong việc đi ân khiển các thiết bị bay tự động mà nó đem lại. Có thể đã có những đánh giá tích cực v`ề độ tin cậy và hiệu suất của nó từ cộng đ ng người sử dụng.
Hỗ trợ và cộng d ng người dùng lớn: Pixhawk có một cộng đ ng người dùng lớn, nơi có sẵn nhỉ `âi tài liệu hướng dẫn, thông tin hỗ trợ và sự chia sẻ kinh nghiệm từ người dùng khác. Đi `âi này có thể giúp người dùng dễ dàng tìm kiếm giải pháp cho các vấn đê hoặc hỗ trợ khi gặp khó khăn.
Đa Dạng Chức Năng: Cac firmware khác nhau có thể cung cấp các tính năng và chức năng khác nhau, từ đi`âi khiển cơ bản đến tính năng tự động hóa phức tạp hơn, cung cấp nhỉ `âi lựa chọn cho người dùng.
Đa dạng kết nối và tính linh hoạt: Pixhawk 2.4.8 thường có nhi âi cổng kết nối và giao diện để tích hợp với các linh kiện ngoại vi khác như cảm biến, GPS, camera, hoặc các thiết bị khác. Đi âi này tạo ra tính linh hoạt cho việc mở rộng và tùy chỉnh hệ thống theo nhu cẦi cụ thể của người sử dụng.
Chi Phi Tổng Thể và Nhu C?ầi Cụ Thể: Giá thành của Pixhawk 2.4.8 so với các phiên bản cao hơn thì phù hợp cho việc học tập và nghiên cứu, tuy có độ chênh lệch v`ề mức giá so với các phiên bản cao cấp hơn nhưng Pixhawk 2.4.8 vẫn đảm bảo được những tiêu chí cơ bản của một bộ đi lâi khiển chuyến bay.
Tính tương thích và tích hợp: Pixhawk thưởng tương thích với nhí ôu loại cảm biến, module GPS, các phụ kiện đi 'âi khiển và thiết bị bay tự động khác. Đi`âi này làm cho việc tích hợp và kết nối các thành ph khác nhau trở nên dễ dàng hơn.
Tổng quan
Là tiêu chuẩn phần cứng dành cho máy bay không người lái mã ngu ân mở (hardware standard for open source autopilots).
Sinh viên thực hiện: Ngô Đăng Hùng Người hướng dẫn: TS. Phạm Thanh Phong 29 Trần Lê Đức An
Tr The Phong
Theo cách hiểu đơn giản, nó là bộ não của thiết bị bay không người lái (UAV). Thông thường nó đ`êcập đến ph ân cứng của thiết bị bay hay bộ đi lân khiển bay (flight controller).
Sử dụng đi vào là các cảm biến, bộ đi `âi khiển này có thể gửi dữ liệu đ ân ra đến các
thiết bị của drone như ESC, servos, gimbals (chống rung)...
Có thể mua riêng lẻ và kết hợp Pixhawk với các loại drone và Remote Control khác nhau.
Các thông số kỹ thuật !"5)
Tất cả các thông số kỹ thuật liên quan v`ềBộ đi `âi khiển chuyến bay tự động Pixhawk 2.4.8 được tham khảo tài liệu ẽ'5è). Dưới đõy là cỏc bảng thụng số kỹ thuật của Bộ đi ầi khiển chuyến bay tự động Pixhawk 2.4.8.
Bảng 2. 2. Bảng thông số kỹ thuật các đặc điểm chính của Bộ đi lâi khiển.
- += OA ND OF WN = an)
Dac diém chinh Lõi ARM Cortex M4 32 bit với FPU RAM 168 MHz/256 KB/Dén flash 2 MB Bộ đồng xử lý an toàn 32-bit
Wifi: ESP8266 external
GPS: U-Blox 7/8 (Hobbyking ) / U-Blox 6 (Robot 3D) Lưu lượng quang: Đơn vị lưu lượng PX4
Đi vào cung cấp điện dự phòng và chuyển đổi dự phòng tự động Công tấc an toàn bên ngoài
Đèn LED chính nhi âi màu
Chỉ báo âm thanh piezo công suất cao, đa tông
Thẻ nhớ microSD để ghi nhật ký tốc độ cao trong thời gian dài
Bang 2. 3. Bảng thông số kỹ thuật của các Cảm biến (Sensor).
+> mm =
Cảm biến
Gia tốc kế / Con quay h'ổ chuyển 3 trục Invensense MPU 6000 Con quay hổ chuyển ST Micro 16-bit
Gia tốc ké/la ban ST Micro 14-bit (tu ké) Cảm biến áp suất MEAS
Bảng 2. 4. Bảng thông số kỹ thuật của Cổng kết nối (Connectivity).
Bộ xử lý
5x UART (cổng nối tiếp), một cổng công suất cao, 2 cổng với đi â khiển lu ng HW
Ngô Đăng Hùng Người hướng dẫn: TS. Phạm Thanh Phong 30
ON ODO
2x CAN (một với bộ thu phát 3,3V bên trong, một trên đẦầi nối mỏ rộng)
DA vao tuong thich voi vé tinh Spektrum DSM / DSM2 / DSM X®
Da vao va da ra tương thich Futaba $.BUS, Da vao tín hiệu PPM Sum
Da vao RSSI (PWM hoac dién ap) I2C, SPI
Dai vao ADC 33 va 6,6V
Cổng microUSB nội bộ và mở rộng cổng microUSB bên ngoài
Bảng 2. 5. Bảng thông số kỹ thuật của Hệ thống ngu Ân và điện áp.
ND Oh WM =
Hệ thống ngu Ân và điện áp Céng suat day servo max 10V va 10A+
Tất cả các đẦầi ra ngoại vi được bảo vệ quá dòng
Tất cả các đẦầi vào được bảo vệ khỏi tác động tử tĩnh điện (ESD) Power module input : 4.8 - 5.4V
Power module input : 4.8 - 5.4V Servo rail input : 4.8 - 5.4V USB power input : 4.8 - 5.4V
Hình 2. 5. Hệ thống các cổng kết nối trên mạch bo đi `âi khiển chuyến bay tự động
Sinh viên thực hiện:
Pixhawk 2.4.8 ủ°I,
Ngô Đăng Hùng Người hướng dẫn: TS. Phạm Thanh Phong Trần Lê Đức An
Tr The Phong
31
Các cảm biến sử dụng trong bộ đi `â1 khiển bay a) Cảm biến gia tốc kế (Accelerometer)
Hình 2. 6. Cảm biến gia tốc kế (Accelerometer) ['8l,
Cảm biến gia tốc dùng để nhận diện các thay đổi v`ˆhướng/góc độ của máy dựa trên dữ liệu thu được.
L1 Nguyên lý hoạt động
Đây là một mô hình cảm biến gia tốc căn bản. Khoang chứa hình trụ này được gắn li vào vật thể mà bạn cẦn đo gia tốc còn quả là vật có thể di chuyển một chỉ âi bên trong khoang chứa. Khi bạn di chuyển khoang chứa, quả bóng cũng sẽ di chuyển bên trong khoang chứa, khiến lò xo co hoặc dãn ra. Dựa vào độ co dãn của lò xo bạn có thể đoán biết được lực và gia tốc của chuyển động. Nếu sử dụng 3 cảm biến gia tốc đơn giản phía trên đặt trên 3 chỉ êi x y z bạn có thể dễ dàng đo được chuyển động của vật thể trong không gian.
O Cau tao
Hình 2. 7. Cấu tạo của cảm biến gia tốc kế (Accelerometer) |", Vật thể chuyển động được đo đạc trong cảm biến sẽ là chiếc “lược thưa” màu xanh nhạt trong hình vẽ. Khoang chứa chính là toàn bộ khoảng màu trắng, còn “quả bóng” là vật thể màu xanh nhạt có hình hơi giống chiếc lược. Lò xo trong cảm biến sẽ là lớp Silicon di dọc chiếc lược thưa này. Nếu bạn đo được chuyển động của lop silicon doc này, bạn có thể đo được chuyển động của cảm biến. Ta cùng nhìn vào một góc của cảm biến. Tại đây, bạn có thể thấy rằng, một đi chân của chiếc lược trung tâm và 2 chân được gắn trên khoang chưa là 3 pha của một tụ điện biến thiên. Do đó, khi bộ chiếc lược trung tâm chuyển động, dòng điện sẽ được sản sinh. Bằng cách nhận diện các dòng điện này, chúng ta có thể nhận diện được chuyển động của cảm biến. Khi đo độ mạnh yếu của dòng điện, ta có thể đo mức độ chuyển động của cảm biến.
Sinh viên thực hiện: Ngô Đăng Hùng Người hướng dẫn: TS. Phạm Thanh Phong 32
b) Cảm biến con quay hổ chuyển (Gyrometer)
Con quay hổ chuyển là một thiết bị dùng để đo đạc hoặc duy trì phương hướng, dựa trên các nguyên tắc bảo toàn mô men động lượng. Thực chất, con quay cơ học là một bánh xe hay đĩa quay với các trục quay tự do theo mọi hướng. Phương hướng này thay đổi nhi `âi hay ít tùy thuộc vào mô men xoắn bên ngoài hơn là liên quan đến con quay có vận tốc cao mà không cn mô men động lượng lớn. Vì mô men xoắn được tối thiểu hóa bởi việc gắn kết thiết bị trong các khớp vạn năng (gimbal), hướng của nó duy trì gần như cố định bất kể so với bất kỳ chuyển động nào của vật thể mà nó tựa lên.
L1 Nguyên lý hoạt động
Hình 2. 8. Cảm biến con quay h`ã chuyển (Gyrometer) l1”,
Con quay hổ chuyển là thiết bị dùng để đo hoặc duy trì sự định hướng. Khi đĩa xoay với vận tốc rất cao, sự chuyển hướng theo moment ngoại lực được giảm thiểu giúp gyroscope hầi như duy trì được độ nghiêng của nó. Hiện tượng này được ứng dụng để giám sát độ nghiêng. Gia tốc kế chỉ có thể đoc được gia tốc tuyến tính của thiết bị trong khi con quay h`ử chuyển cú thể nhận biết được hướng của thiết bị, hệ thống cú thể dễ dàng ghi nhận những chuyển động theo cả phương ngang hoặc phương thang đứng. Cảm biến hoạt động dựa trên hiệu ứng Coriolis (Hiệu ứng Coriolis là hiệu ứng xảy ra trong các hệ qui chiếu quay so với các hệ quy chiếu quán tính).
O Cau tao
Hỡnh 2. 9. Cõu tạo của cảm biến con quay h`ọ chuyển (Gyrometer) 8è, Ta chỉ quan sát | loai gyroscope dién hinh 14 mems gyroscope cdc cam biển gyroscope stv dung mét khdi proof mass dao động theo 1 phương được gọi là phương sơ cấp. Khối này đ ng thời bị quay quanh một trục, làm xuất hiện lực coriolis khiến nó có thêm dao động theo phương khác gọi là phương thứ cấp. Trên phương chuyển động thứ Sinh viên thực hiện: Ngô Đăng Hùng Người hướng dẫn: TS. Phạm Thanh Phong 33
Trần Lê Đức An Tr The Phong
cấp này có gắn bản cực tụ điện để nhận biết sự thay đổi điện dung gây bởi chuyển động này, và từ đó là vận tốc xoay.
Cc) Cam biến áp suất, độ cao (Barometer)
Hình 2. 10. Cảm biến áp suất, độ cao (Barometer) l'l,
Cảm biến áp điện là loại cảm biến sử dụng hiệu ứng áp điện để biến đổi áp suất thành điện tích. Cảm biến làm việc trực tiếp với các đại lượng áp suất và biến dạng. Để đo các đại lượng như lực, gia tốc, nhiệt độ.... cẦn đến cơ cấu chuyển đổi sang áp lực lên cảm biến.
L1 Nguyên lý hoạt động
Hiệu ứng áp điện là hiệu ứng thuận nghịch, xảy ra trong một số chất rắn như thạch anh, gốm kỹ thuật... Khi đặt dưới áp lực thì b`êmặt khối chất rắn phát sinh điện tích, và ngược lại nếu tích điện b` mặt thì khối sẽ nén dãn. Hiệu ứng có mức cực đại ở các phương cắt xác định cho mảnh cắt từ tỉnh thể chất rắn đó, và trong nhỉ `âi loại vật liệu thì phương cắt này là góc 45° so với trục chính của tinh thể. Hiệu ứng này được áp dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện và điện tử, như chế các cảm biến điện áp, linh kiện thạch anh để lọc và ổn định tn số, loa áp điện, micro, đi đánh lửa trong bếp ga hay bật lửa,...
Trong kỹ thuật thu phát sóng thưởng dùng mảnh cắt tinh thể gốm titanat bari va gan điện cực nối tới đi ra, tạo ra cảm biến áp điện. Trở kháng ra của đầầi gốm cao, nên phải có tin khuếch dai tai di thu trong cáp. Do hiệu ứng áp điện, các khối gốm được dùng để chế đầi phát sóng, thưởng là phát siêu âm, và được gia công thích hợp cho phát sóng.
d) Cảm biến từ (Magnetometer)
Cảm biến từ là một thiết bị nhận biết đối tượng là vật thể kim loại không tiếp xúc.
L1 Nguyên lý hoạt động
Hình 2. 11. Cảm biến từ (Magnetometer) lZ0l,
Sinh viên thực hiện: Ngô Đăng Hùng Người hướng dẫn: TS. Phạm Thanh Phong 34
Khi được cấp ngu ồn, cuộn dây cảm biến từ sẽ phát ra một trưởng điện từ khỏi b`Êmặt của cảm biến. Trưởng điện từ của cảm biến tử khác nhau theo biên dạng và kích thước, phụ thuộc vào đương kính và cảm biến đó có được bọc giáp hay không được bọc.
- Cảm biến tử có đường kính càng lớn thì sẽ phát ra trường điện tử càng lớn. Khi vật thể kim loại tiến lại đủ gn b`ềmặt của cảm biến từ, bất đầi thâm nhập vào vùng có trường điện từ. Khi hiện tượng này xảy ra, các dòng điện xoáy được sinh ra trên b`êmặt của vật thể kim loại. Nếu vật thể tiến lại gn hơn b`êmặt của cảm biến từ thì dòng điện xoáy sẽ tăng lên và biên độ của tử trưởng sẽ bị giảm đi. Khi biên độ của trường điện từ giảm đến mức nào đó, cảm biến sẽ kích hoạt và hiển thị nó đã phát hiện được mục tiêu.
Lựa chọn khối động cơ Lựa chọn động cơ
a) Động cơ choi than (Brushed DC Motors)
Động cơ chổi than là loại đông cơ sử dụng cổ góp và chổi than để cung cấp dòng điện cho cuộn dây. Loại động cơ này có cuộn dây nằm trên rotor (nằm trên phẦn quay của động cơ). Đây là loại động cơ rất phổ biến hiện nay trên thị trưởng nhở mức giá rẻ, đi ân khiển đơn giản. Nó thưởng được sử dụng trong các máy khoan cân tay, công cụ quay cầm tay, đ`ồchơi...
Hình 2. 12. Động cơ chổi than (Brushed DC Motors) #11, b) Động cơ không chổi than (Brushless DC Motors)
Động cơ không chổi than - Brushless Direct Current (BLDC) là loại động cơ được hoạt động dựa vào từ trưởng vĩnh cữu và cảm biến xác định vị trí, không sử dụng chổi than (bàn chải) giỳp triệt tiờu ma sỏt, giảm tiếng 'ủn cho động cơ mỏy vận hành ờm ỏi, sử dụng tiết kiệm điện.
Nguyên lý hoạt động của động cơ không chổi than là xác định vị trí của rotor (động cơ nam châm vĩnh cửu) để đi âi khiển dòng diện vào cuộn dây stator trong tng, nếu không động cơ không thể thay đổi chi `âi quay và khởi động tự động được.
Chính vì nguyên tắc đi âi khiển dựa vào vị trí rotor như vậy mà động cơ BLDC luôn cẦn có một bộ đi `âi khiển chuyên dụng phối hợp với cảm biến hall để đi lâi khiển.
Sinh viên thực hiện: Ngô Đăng Hùng Người hướng dẫn: TS. Phạm Thanh Phong 35 Trần Lê Đức An
Tr The Phong