Phương pháp nghiên cứu dựa trên việc nghiên cứu lý thuyết, kế thừa những tính toán, tài liệu có sẵn và được kiểm tra bằng thực nghiệm.
* Nghiên cứu lý thuyết :
- Nghiên cứu các tài liệu trong và ngoài nước về mô hình quatrotor. - Tìm hiểm nguyên lý cân bằng về mô hình quatrotor.
- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của động cơ, cánh quạt, cảm biến và điều khiển xa. * Phương pháp kế thừa :
- Kế thừa thiết kế khung đã có sẵn.
- Kế thừa tính toán khí động lực học, nguyên lý cân bằng và các tài liệu liên quan đến mô hình quadrotor.
* Phương pháp thực nghiệm :
- Chế tạo mô hình tổ hợp bao gồm: mô hình cơ khí, mô hình điều khiển, tích hợp hệ thống cảm biến.
- Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển và viết chương trình điều khiển theo hệ thống cơ khí của máy bay quadrotor.
- Thực nghiệm, kiểm tra và hoàn thiện hệ thống để đảm bảo: Phần cơ khí có hoạt động ổn định, êm, độ cứng vững cao, đảm bảo độ chính xác cao, linh hoạt trong quá trình sửa chữa lắp ráp khi hư hỏng; Mạch điều khiển hoạt động ổn định và đồng nhất với phần cơ khí; Để có phương án khắc phục. Tìm các thông số của chương trình điều khiển (Thông số điều khiển động cơ, thông số độ lệch của cảm biến trên các trục…)
Cụ thể các bước được tiến hành như sau:
Bước 1: Tìm hiểu mô hình quadrotor.
Bước 2: Tìm hiểu cảm biến, điều khiển từ xa, động cơ, cánh quạt, ESC phù hợp
với mô hình quadrotor.
Bước 3: Thiết kế mạch vi điều khiển thử nghiệm.
Bước 4: Đọc tín hiệu cảm biến và điều khiển từ xa hiển thị thông số ra LCD bằng
mạch vi điều khiển thử nghiệm.
Bước 5: Tính toán các thông số và điều khiển động cơ BLDC thông qua bộ ESC
bằng mạch thử nghiệm.
Bước 6: Thiết kế mạch điều khiển cho mô hình quadrotor. Bước 7: Thiết kế, chế tạo hệ thống cơ khí.
Bước 8: Lắp đặt hệ thống cơ khí, mạch điều khiển và cảm biến. Bước 9: Xây dựng giải thuật và điều khiển mô hình quadrotor.
Bước 10: Thực nghiệm và lấy thông số điều khiển mô hình quadrotor. 2.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
2.2.1. Cơ sở lý thuyết điều khiển quadrotor
Hình 2.1. Sơ đồ điều khiển của Quadrotor
Cặp cánh quạt phía trước và phía sau quay thuận chiều kim đồng hồ, trong khi đó cặp cánh bên phải và bên trái lại quay ngược chiều kim đồng hồ nhằm cân bằng moment xoay được tạo ra bởi các cánh quạt trên khung. Cả 4 cánh sinh ra một lực đẩy bằng nhau khi cất cánh nếu quay ở cùng một tốc độ. 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.
Hình 2.2. Lực đẩy và moment trên quadrotor
Tương tự như vậy, 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 động cơ.
Quadrotor được điều khiển bằng cách chỉ thay đổi tốc độ động cơ mà không phải phụ thuộc vào các kết cấu cơ khí phức tạp, phù hợp hơn cho các ứng dụng của UAV mini. Bốn bậc tự do là nghiêng, lật, xoay và lực đẩy có thể khử ghép lẫn nhau để tạo ra một sự chênh lệch nhỏ trong quá trình bay lượn.
Các chế độ bay của quadrotor : + Cất cánh và hạ cánh:
Hình 2.3. Bay lên cao hoặc hạ xuống thấp
Để quadrotor có thể cất cánh, tốc độ của 4 động cơ sẽ được tăng lên đến khi tổng lực nâng được tạo ra từ 4 cánh quạt lớn hơn trọng lực, tổng lực nâng càng lớn thì quadrotor càng bay lên cao. Và khi tốc độ của 4 động cơ giảm xuống làm cho tổng lực nâng được tạo ra từ 4 cánh quạt giảm dần, khi đó quadrotor sẽ hạ dần độ cao.
+ Quay trái và phải:
Hình 2.4. Quay ngược chiều kim đồng hồ
Khi tốc độ của cặp động cơ quay thuận chiều kim đồng hồ (Động cơ 1 và 3) lớn hơn tốc độ của cặp động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ (Động cơ 2 và 4), quadrotor sẽ có xu hướng quay tại chỗ qua trái. Ngược lại, Khi tốc độ của cặp động cơ quay thuận chiều kim đồng hồ (Động cơ 1 và 3) nhỏ hơn tốc độ của cặp động cơ
quay ngược chiều kim đồng hồ (Động cơ 2 và 4), quadrotor có xu hướng quay tại chỗ qua phải.
+ Di chuyển trái và phải:
Hình 2.5. Di chuyển sang trái
Nếu tốc độ của cặp động cơ quay cùng chiều kim đồng hồ được giữ nguyên, tăng tốc động cơ 2, đồng thời giảm tốc động cơ 4, quadrotor sẽ di chuyển sang trái. Quá trình di chuyển sang phải diễn ra ngược lại, nếu tốc độ của cặp động cơ quay cùng chiều kim đồng hồ được giữ nguyên, tăng tốc động cơ 4, đồng thời giảm tốc động cơ 2, quadrotor sẽ di chuyển sang phải.
+ Di chuyển lùi ra sau và tiến về trước:
Hình 2.6. Di chuyển ra sau và tiến về trước
Nếu tốc độ của cặp động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ được giữ nguyên, tăng tốc động cơ 1 (Động cơ quay cùng chiều kim đồng hồ), đồng thời giảm tốc động cơ 3 (Động cơ quay cùng chiều kim đồng hồ), quadrotor sẽ di chuyển lùi ra sau. Quá trình di chuyển tiến về phía trước diễn ra ngược lại, nếu tốc độ của cặp động cơ quay
ngược chiều kim đồng hồ được giữ nguyên, tăng tốc động cơ 3, đồng thời giảm tốc động cơ 1, quadrotor sẽ di chuyển tiến về phía trước.
+ Chế độ ổn định tại chỗ:
Hình 2.7. Bay ổn định tại chỗ
Để quadrotor có thể ổn định tại chỗ, tốc độ của 4 động cơ sẽ quay ổn đinh sao cho tổng lực nâng được tạo ra từ lực nâng của 4 cánh quạt bằng với trọng lực.
Qua đó chúng ta có thể thấy việc điều khiển bay của quadrotor là việc điều khiển tốc độ quay của các động cơ. So sánh với máy bay trực thăng, việc di chuyển của máy bay trực thăng phụ thuộc vào góc lệch giữa mặt phẳng cánh và mặt đất, phải có một cơ cấu cơ khí để thay đổi góc lệch này. Cơ cấu cơ khí này có kết cấu phức tạp nhằm đáp ứng độ chính xác. Điều này dẫn đến các sai số cơ khí trong quá trình điều khiển bay. Việc điều khiển tốc độ các cặp động cơ của quadrotor sẽ đơn giản và chính xác hơn. Đây là một ưu điểm của quadrotor.
2.2.2. Cảm biến gia tốc và cảm biến vận tốc góc
2.2.2.1. Con quay hồi chuyển
a. Giới thiệu về con quay hồi chuyển
Thuật ngữ gyroscope tức con quay hồi chuyển xuất hiện từ giữa thế kỉ XIX. Những lý thuyết ban đầu về con quay hồi chuyển được áp dụng để giải thích về chuyển động của một vật thể quay như Trái đất. Con quay hồi 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 nhiều hay ít tùy thuộc vào moment xoắn bên ngoài hơn là liên quan đến con quay có vận tốc cao mà không cần moment động lượng lớn. Vì momen 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 so với bất kỳ chuyển động nào của vật thể mà nó tựa lên.
Hình 2.8. Con quay hồi chuyển
Cũng có những con quay dựa trên các nguyên tắc vận hành như trên: Con quay MEMS vi mạch được tìm thấy trên các thiết bị sử dụng điện, laser vòng trạng thái rắn, con quay sợi quang học, và con quay lượng tử siêu nhạy.
b. Đặc điểm của con quay hồi chuyển
Con quay hồi chuyển (Gyroscope) hoạt động dựa trên nguyên lý bảo toàn moment của một vật thể chuyển động quay khi tổng các lực tác dụng lên vật triệt tiêu.
Đối với cấu tạo dạng đĩa tròn ta có thể tính được moment quán tính của đĩa trong hệ tọa độ đặt tại tâm đĩa và các trục quanh tương ứng với các trục quay của gimbal. Lưu ý là trong cấu tạo của gyro cơ, trọng tâm của đĩa xoay phải trùng với trọng tâm của hệ gyro gimbal.
Trong quá trình hoạt động, nếu như trạng thái của hệ thống thay đổi, thì các gimbal có thể chuyển động quay quanh trục, nhưng mà đĩa gyro vẫn giữ nguyên phương hướng của trục quay, và giữ trạng thái ổn định trong không gian quán tính. Còn góc quay của các gimbal có thể đo được bằng các thiết bị đo góc gắn liền với trục quay của gimbal, các thiết bị này được gọi bằng thuật ngữ pickoff.
Số lượng gimbal trong cấu tạo của gyro quy định số bậc tự do chuyển động quay của gyro. Ví dụ như gyro có hai bậc tự do thì có cấu tạo gồm có hai gimbal. Nếu trục quay của một gyro hai bậc tự do là thẳng đứng thì nó được gọi là gyro thẳng đứng (vertical gyro), còn nếu như trục quay nằm trong mặt phẳng nằm ngang thì gọi là gyro định hướng (directional gyro), còn một gyro có trục quay không theo một
phương cụ thể nào thì gọi là gyro tự do (free gyro). Sự ổn định trong không gian ba chiều đòi hỏi một gyro thẳng đứng và một gyro định hướng, hoặc là hai gyro tự do. Một loại gyro cơ có tầm ứng dụng rộng rãi là gyro một bậc tự do, tức là cấu tạo chỉ gồm một gimbal quay quanh trục mà thôi, loại gyro này thường được gọi là intergrating rate gyro.
Gyro cơ là loại gyro truyền thống, có độ chính xác cao, và được ứng dụng nhiều trong hệ thống dẫn đường của tên lửa hay tàu ngầm. Gyro cơ có chức năng chủ yếu là ổn định phương hướng chuyển động của hệ thống. Gyro cơ chủ yếu được sử dụng trong hệ gimbaled INS bởi vì kết cấu cơ khí rất phù hợp. Hầu hết các hệ thống INS đều sử dụng kết hợp ba cảm biến gyro loại rate intergrating một bậc tự do để ổn định phương hướng trong không gian.
2.2.2.2. Cảm biến gia tốc
Cảm biến gia tốc thường được ứng dụng trong việc xác định gia tốc trọng trường. Tùy theo số trục của cảm biến mà tín hiệu đọc về sẽ là hình chiếu của gia tốc trọng trường trên từng trục tọa độ tương ứng.
Gia tốc trọng trường tại một điểm là không thay đổi do đó khi cảm biến quay thì các trục tọa độ cũng quay theo, khi đó hình chiếu của gia tốc trọng trường lên các trục tọa độ cũng thay đổi. Từ đó ta có thể xác định được góc nghiêng của cảm biến và góc mà cảm biến đã quay đi so với vị trí trước đó.
Giá trị đọc về của các cảm biến gia tốc thường tính theo đơn vị “g” là đơn vị của gia tốc trọng trường. Khi tính toán góc nghiêng chia cho nhau sẽ mất đi đơn vị “g”, vì vậy kết quả đo góc không phụ thuộc vào gia tốc trọng trường.
2.2.2.3. Cảm biến gia tốc và vận tốc góc trong MPU6050 a. Giới thiệu cảm biến MPU6050 a. Giới thiệu cảm biến MPU6050
MPU6050 là cảm biến phát hiện, xử lý chuyển động đầu tiên trên thế giới được tích hợp bộ cảm biến 6 trục và thuộc sở hữu của MotionFusion™. Cảm biến này được sử dụng vào những thiết bị cầm tay, ứng dụng trong máy tính bảng, và các thiết bị tiêu dùng khác. MPU6050 được nhúng con quay hồi chuyển 3 trục vi cơ điện tử (MEMS), một cảm biến gia tốc MEMS 3 trục và một bộ xử lý tín hiệu số với giao tiếp I2C.
MPU6050 có 3 bộ ADC 16 bit để chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số các kết quả ngõ ra của con quay hồi chuyển và 3 bộ ADC để chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số các kết quả ngõ ra của gia tốc. Để theo dõi chính xác cả chuyển động nhanh và chậm, con quay hồi chuyển có thể lập trình với các mức đo ±2500, ±5000, ±10000 và ±20000/ sec (dps) và một gia tốc có thể lập trình với các mức đo ±2g, ±4g, ±8g và ±16g.
Hình 2.9. Cảm biến MPU6050
Linh hoạt trong việc cấp nguồn, MPU6050 hoạt động với điện áp VDD từ 2.37V đến 3.46V. Ngoài ra MPU6050 cung cấp một chân điện áp tham chiếu VLOGIC, dùng trong thiết lập mức logic của giao tiếp I2C. Điện áp VLOGIC có thể là 1.8V±5% hoặc VDD.
b. Tính năng của cảm biến MPU6050
Cảm biến tốc độ góc ba trục trong MPU6050 có các tính năng sau:
- Cảm biến tốc độ góc (gyroscope) với ngõ ra là tín hiệu số. Người dùng có thể lập trình chọn các mức đo ±2500, ±5000, ±10000 và ±20000/giây (dps)..
- Tích hợp ADC 16 bit cho phép lấy mẫu đồng thời các con quay hồi chuyển.
- Hiệu chỉnh độ nhạy.
Các tính năng của cảm biến gia tốc 3 trục trong MPU6050:
- Cảm biến gia tốc ba trục ngõ ra là tín hiệu số có thể lập trình các mức đo ±2g, ±4g, ±8g và ±16g.
- Tích hợp ADC 16 bit cho phép lấy mẫu đồng thời các con quay hồi chuyển.
Một số tính năng bổ sung trong MPU6050:
- Kết hợp chuyển động 6 trục bởi bộ xử lý chuyển động số tích hợp trên chip.
- Bus I2C để đọc dữ liệu từ các cảm biến bên ngoài.
- Dòng tiêu thụ 3.9mA khi tất cả chuyển động 6 trục.
Xử lý chuyển động.
- Xử lý chuyển động 3D .
- Thu thập dữ liệu từ những con quay hồi chuyển và gia tốc trong khi đồng bộ dữ liệu lấy mẫu tại một mức đo do người dùng định nghĩa.
- Bộ đệm FIFO 1024 Byte tích hợp trên MUP6050 giúp tiết kiệm điện năng bằng cách cho phép bộ vi xử lý đọc dữ liệu cảm biến trong sự truyền loạt và sau đó vào chế độ công suất thấp như MPU thu thập nhiều dữ liệu hơn.
Bộ dao động
- Tùy chọn xung đồng hồ bên ngoài là 32.768kHz hoặc 19.2MHz.
c. Chiều hướng của cảm biến
Hình 2.10. Chiều của vận tốc góc và gia tốc góc của MPU6050 Khi ta đặt cảm biến vào quadrotor cần phải chính xác về vị trì đặt, chiều và hướng trên quadrotor.
d. Thông tin ứng dụng của MPU6050
Hình 2.11. Sơ đồ khối của MPU6050
Cảm biến vận tốc góc trong MPU6050: MPU6050 có ba con quay hồi chuyển
MEMS độc lập, phát hiện chuyển động xoay của ba trục X, Y, Z. Khi gyros được luân chuyển về bất kì trục nào, hiệu ứng Coriolis gây ra một sự rung động được phát hiện bởi một pickoff điện dung. Tín hiệu kết quả được khuếch đại, giải điều chế và lọc để tạo ra một điện áp tỉ lệ với tốc độ góc. Điện áp này được bộ ADC 16bit trên chip lấy mẫu mỗi trục. Giai đo của các bộ cảm biến con quay hồi chuyển có thể lập trình đến ±250, ±500, ±1000, or ±2000 độ/giây. Tốc độ lấy mẫu của bộ ADC có thể lập trình đến 8000 mẫu/giây, và người dùng có thể lập trình lựa chọn các bộ lọc thông thấp cho phép 1 loạt các tần số cắt.
Cảm biến gia tốc 3 trục kiểm tra riêng biệt cho mỗi trục: Gia tốc dọc theo
mỗi trục gây ra sự dịch chuyển trên mỗi trục tương ứng, và cảm biến điện dung phát hiện các chuyển vị khác biệt. Khi thiết bị được đặt trên một bề mặt bằng phẳng, nó sẽ cho kết quả 0g trên trục X và trục Y, trục z sẽ là 1g. Mỗi cảm biến sử dụng một bộ ADC để chuyển đổi kết quả thành tín hiệu số. Các cảm biến có giai đo có thể lập trình thay đổi ±2g, ±4g, ±8g, or ±16g.
e. Sơđồ chân cảm biến
Hình 2.12. Sơ đồ chân MPU6050 Chức năng của một số chân trong MPU6050:
* Chân 23 (SCL/SCLK) : Xung Clock của truyền thông nối tiếp I2C (SDA) hoặc SPI (SDI).
* Chân 24 (SDA/SDI) :