Đồ án tốt nghiệp đại học Nha Trang: "Thiết kế chế tạo máy bay flycam phục vụ quay phim chụp ảnh", có đính kèm full file bản vẽ, solidwork, code chương trình, file báo cáo, file nguyên lý, hình ảnh.
TỔNG QUAN VỀ FLYCAM
Flycam trên thế giới
Hiện nay trên thế giới có nhiều mẫu Flycam được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực quân sự, dân sự , đời sống khác nhau:
Trong quân sự mẫu Flycam kí hiệu Voisin BN3:
Mẫu máy bay Voisin BN3, được nghiên cứu bởi chính phủ Mỹ và Pháp, chuyên dùng cho tác chiến cự ly gần và giám sát theo dõi địch Với thiết kế bốn cánh, máy bay này đã được cải tiến để giảm thiểu tiếng ồn, đảm bảo an toàn trong quá trình hoạt động Tốc độ bay đạt 95 km/h, với khả năng bay xa lên đến 10 km và thời gian bay kéo dài hơn 60 phút.
Hình 1 - 1: Flycam Viosin BN3 trong quân đội.
Mẫu Flycam kí hiệu Prime Air của Amazon:
Flycam được sử dụng để vận chuyển và giao hàng nhanh chóng, tiện lợi theo nhu cầu của người mua Thiết bị này bay ở độ cao tối đa 120m và có khả năng di chuyển trong phạm vi vài dặm, với thời gian giao hàng tối đa là 30 phút Quá trình kiểm soát máy bay không người lái từ cất cánh đến hạ cánh được thực hiện hoàn toàn tự động.
Hình 1 - 2:Flycam Prime Air vận chuyển hàng hóa.
Flycam Phantom 4 Pro Plus của DJI là một thiết bị chuyên dụng cho việc quay phim và chụp ảnh, với khả năng bay lên tới 70km/h Thiết bị được trang bị cảm biến vật cản có phạm vi 3,5m và hỗ trợ video H.264 4K ở 60fps hoặc H.265 4K với tốc độ 30fps Nhờ vào cảm biến và bộ vi xử lý tiên tiến, Phantom 4 Pro Plus đảm bảo hình ảnh sắc nét và sinh động, mang đến cho người dùng những trải nghiệm tuyệt vời.
Hình 1 - 3:Flycam lái Phantom 4 pro phục vụ quay phim chụp ảnh.
Mẫu Flycam kí hiệu SKYF:
Mẫu Flycam này được thiết kế đặc biệt để kích tim cho những người bị đột quỵ đột ngột, giúp nhanh chóng hỗ trợ trong thời gian chờ đợi sự can thiệp y tế Đây là một sản phẩm Flycam 3 cánh của Mỹ, có khả năng bay với tốc độ tối đa 50 km/h, độ cao lên đến 500m và độ chính xác lên tới 50cm.
Hình 1 - 4:FlycamSKYF dùng kích tim khẩn cấp.
Flycam trong nước
Trong nước ta có một số mẫu Flycam do các bạn sinh viên ở các trường đại học cao đẳng và các viện nghiên trong trong nước chế tạo là:
Mẫu Flycam của bộ môn Kỹ thuật Hàng không và Vũ trụ:
Đại học Bách khoa Hà Nội phát triển một loại drone nhiều cánh quạt tương tự như flycam, với bốn cụm động cơ, mỗi cụm có hai động cơ vận hành hai cánh quạt, cho phép nâng và di chuyển tải trọng lên tới 12 kg Hai cánh quạt trong mỗi cụm động cơ quay ngược chiều nhau để cân bằng phản lực, đảm bảo ổn định cho hệ thống Drone có khả năng bay xa 500 m và thời gian bay từ 15 đến 20 phút cho mỗi lần sạc đầy pin.
Hình 1 - 5:Mẫu Flycam của bộ môn kỹ thuật hàng không.
Máy bay không người lái của Học viện Nông nghiệp Việt Nam là mẫu thiết kế với 6 cánh, phục vụ cho nông nghiệp và nhiều mục đích khác Nó có khả năng nâng 5kg không tải và tải thêm 15kg, phun thuốc cho 1ha chỉ trong 15 phút Thời gian hoạt động liên tục của máy bay đạt từ 45 đến 70 phút, với tốc độ bay hiệu quả 75 km/h ở độ cao từ 200 đến 500m.
Hình 1 - 6:Mẫu máy bay A16 của Học viện nông nghiệp Việt nam.
Nghiên cứu cho thấy Việt Nam hoàn toàn có khả năng chế tạo máy bay không người lái, phục vụ cho sự phát triển kinh tế và bảo vệ an ninh quốc gia.
Một số hãng sản xuất Flycam
Hiện nay trên thị trường có rất nhiều hãng sản xuất Flycam, tuy nhiên chỉ có vài hãng sản xuất nổi bật và được nhiều người sử dụng là:
Có trụ sở tại Trung Quốc, hãng sản xuất Flycam nổi tiếng với các dòng sản phẩm flycam bốn cánh như Phantom 2, Phantom 3 và Phantom 3s.
Phantom 4 Pro và Mavic Pro là hai mẫu drone nổi bật Phantom 4 Pro có tốc độ bay lên đến 72 km/h, độ cao tối đa 6000 m, thời gian bay 30 phút, cho ra hình ảnh 20MP và video 4K ở tốc độ 30p Trong khi đó, Mavic Pro đạt tốc độ 64 km/h ở chế độ bay thể thao, độ cao tối đa 5000 m, thời gian bay khoảng 27 phút, với hình ảnh chất lượng 13.35MP và video 4K ở chất lượng 24p Cả hai drone đều được trang bị chức năng GPS.
Link sản phẩm: https://www.dji.com/
Hình 1 - 7:DJI PHANTOM (bên trái) và MAVIC PRO (bên phải).
Hãng đồ chơi SYMA nổi tiếng tại Trung Quốc với các sản phẩm máy bay điều khiển và flycam, trong đó hai mẫu flycam bốn cánh nổi bật là X8PRO và X8W X8PRO được trang bị pin 7.4V 2000mAh Li-ion, camera wifi 720P có khả năng điều chỉnh góc quay từ bộ điều khiển từ xa với khoảng cách điều khiển lên đến 100 mét Thiết bị này còn có tính năng tự động trở về khi mất sóng hoặc pin yếu, thời gian bay khoảng 10 phút Trong khi đó, X8W cũng sử dụng pin 7.4V 2000mAh Li-on, cho thời gian bay khoảng 12 phút và khoảng cách điều khiển 100 mét, đi kèm camera 0.3MP HD WIFI.
Link sản phẩm: http://www.symatoys.com/
Hình 1 - 8:X8PRO(bên trái) và X8W(bên phải).
JJRC là một trong những nhà sản xuất flycam hàng đầu tại Trung Quốc, nổi bật với các mẫu máy bay không người lái bốn cánh Hai sản phẩm tiêu biểu là H47 và H49 H47 có dung lượng pin 3.7V 500mAh, cho phép bay lên tới 10 phút với camera 2.0Mp 720P HD, khả năng chụp ảnh và quay phim góc rộng, cùng khả năng bay lượn tốt trong khoảng cách 30m Trong khi đó, H49 có dung lượng pin 3.7V 250mAh, thời gian bay khoảng 5 phút và trang bị camera wifi HD với chức năng GPS Tham khảo thêm tại [JJRC](http://www.jjrc.com/).
Hình 1 - 9:H47(bên trái) và H49(bên phải).
Từ những nghiên cứu trong cũng như và ngoài nước ở trên đề tài quyết định chọn và tiến hành thiết kế chế tạo theo mẫu flycam 4 cánh.
PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Phương pháp nghiên cứu
Từ những cơ sở lý thuyết và thực tiễn đã tìm hiểu để tài sẽ được thực hiện với các bước cụ thể sau:
- Nghiên cứu các cơ sở lí thuyết và mô hình thực tế.
- Thiết kế phần khung của Flycam.
- Từ những lí thuyết của phần đệm Arduino viết và hiệu chỉnh thông số PID.
- Thiết kế chế tạo phần mạch điều khiển theo board Arduino.
- Bay thử nghiệm và hiệu chỉnh.
Từ cơ sở trên đề tài được kết cấu từ 4 chương chính:
- Chương 1: Tổng quan về Flycam.
Giới thiệu về mô hình.
Tình hình nghiên cứu trong nước và đánh giá.
- Chương 2: Phương pháp và nội dung nghiên cứu.
- Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thử nghiệm.
- Chương 4: Kết luận và đề xuất.
Một số cơ sở lý thuyết của Flycam
2.2.1 Sơ lược mô hình Flycam.
Hiện nay, flycam được phân loại đa dạng dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau Theo số cánh quạt, flycam có thể có 3, 4 hoặc 6 cánh Về kích thước, chúng được chia thành các loại như micro, mini và lớn Ngoài ra, flycam cũng được phân loại theo nhu cầu sử dụng, bao gồm quay phim, chụp ảnh, đua hoặc vận chuyển hàng hóa Dưới đây là một số loại flycam được phân loại theo các tiêu chí này.
Hình 2 - 1:Mô hình Tricopter. Đây là loại flycam có 3 cánh không phổ biến giống như loại 4 cánh, 6 cánh hay
12 cánh Đặc thù cấu tạo của flycam này sẽ được chia thành 3 nhánh với khoảng cánh
Thiết kế 120 độ không đối xứng yêu cầu động cơ phía sau có khả năng xoay, do đó cần lắp đặt một động cơ servo để điều chỉnh bánh lái, nhằm khắc phục hiện tượng không đồng trục của cánh quạt Trong hệ thống này, động cơ đuôi đảm nhận vai trò điều chỉnh tiến hoặc lùi (pitch-control), trong khi hai động cơ phía trước sẽ kiểm soát chuyển động trái phải (roll-control), giúp điều khiển xoay quanh trục một cách hiệu quả.
Z thì dùng cùng lúc ba động cơ (yaw-control).
Loại này có nhiều kích thước khác nhau tính theo chiều rộng x dài x cao chia làm hai loại mini và lớn:
Một số mẫu tricopter mini: Mẫu Y220 kích thước 180 x 210 x 50mm khối lượng 84g, mẫu XT60 kích thước 200 x 200 x 43mm nặng 100g,…
Một số mẫu tricopter lớn như CX-33 với kích thước 310 x 345 x 83 mm và trọng lượng 164g, hay Tricopter V4 có kích thước 600 x 525 x 160 mm và trọng lượng 198g Trọng lượng của các mẫu tricopter phụ thuộc vào kích thước và vật liệu chế tạo; khung bằng gỗ có giá thành rẻ, trong khi khung bằng sợi carbon có giá cao hơn, và nhựa in 3D là lựa chọn tiện lợi cho người dùng với khả năng in nhiều mẫu mã khác nhau Tuy nhiên, phần lớn các mẫu tricopter hiện nay sử dụng vật liệu sợi carbon Dưới đây là một số ưu điểm và nhược điểm của loại tricopter này.
Bảng 2 - 1:Ưu và nhược điểm của Tricopter. Ưu điểm Nhược điểm
Đẹp và lạ mắt khi chuyển động giống như một chiếc máy bay thật.
Sử dụng ít động cơ và ESC nên có giá thành rẻ tiết kiệm chi phí.
Thiết kế không đối xứng phải gắn một servo ở đuôi khó điều khiển.
- Loại 2: Quadcopter đây là loại flycam có 4 động cơ và cánh quạt.
Mô hình Quadcopter là loại Flycam phổ biến nhất với thiết kế bốn cánh, mỗi cánh tay kết nối với một động cơ, tạo hình dạng giống chữ "X" hoặc dấu "+" đối xứng Nguyên lý hoạt động của Quadcopter dựa vào việc thay đổi tốc độ của bốn cánh quạt, trong đó hai cặp cánh quạt quay ngược chiều nhau để cân bằng moment xoắn Cả bốn cánh cần tạo ra lực đẩy bằng nhau khi cất cánh và hạ cánh Góc xoay (roll) được điều khiển bằng cách điều chỉnh tốc độ giữa cánh bên phải và bên trái, trong khi góc nghiêng (pitch) được kiểm soát bằng tốc độ của hai cánh phía trước và phía sau Góc lệch (yaw) được điều chỉnh thông qua sự thay đổi tốc độ của cặp cánh bên phải và trái so với cặp cánh trước và sau, đảm bảo tổng lực đẩy không đổi để giữ độ cao Mạch cân bằng nhận thông tin từ Receiver qua Transmiter tần số 2,4HZ, sau đó xử lý và điều chỉnh các động cơ để duy trì sự cân bằng và điều chỉnh độ cao, tốc độ theo ý muốn của người điều khiển.
Hình 2 - 3:Các hướng chuyển động của Flycam.
Kích thước của Quadcopter được tính theo chiều rộng x dài x cao, có hai loại chính là mini và loại lớn:
Loại Quadcopter mini: Mẫu DM104S kích thước 82 x 82 x 48mm có khối lượng 101g, mẫu MITU 91 x 91 x 38mm khối lượng 88g,…
Loại Quadcopter lớn: Mẫu F450 kích thước 320 x 320 x 150mm khối lượng 190g, mẫu S500 kích thước 360 x 360 x 130mm khối lượng 230g,…
Khối lượng của Quadcopter phụ thuộc vào vật liệu khung, với giá thành rẻ thường sử dụng gỗ, trong khi khung làm từ sợi carbon có giá cao hơn Nhựa in 3D là lựa chọn phổ biến, cho phép người dùng dễ dàng in nhiều mẫu mã khác nhau Hầu hết các mẫu Quadcopter hiện nay đều có khung làm bằng nhựa in 3D, mang lại nhiều ưu điểm và nhược điểm riêng.
Bảng 2 - 2:Bảng ưu điểm và nhược điểm của Quadcopter. Ưu điểm Nhược điểm
Thiết kê đơn giản cho người mới chơi.
Tương thích hầu hết các loại mạch.
Ít linh kiện đỡ tốn chi phí.
Nếu hư một động cơ quadcopter khó lấy lại cân bằng và bị rớt.
- Loại 3: Hexacopter đây là loại flycam có 6 cánh.
Cánh tay của flycam được kết nối với một động cơ duy nhất, với 6 động cơ bố trí đối xứng tạo thành một vòng kín, giúp tăng cường sự ổn định khi hoạt động Nguyên lý hoạt động tương tự như quadcopter, thông qua việc thay đổi tốc độ các cánh Flycam loại này có kích thước lớn, phạm vi hoạt động rộng và khả năng tải trọng lớn Hầu như không có phiên bản mini, kích thước cơ bản được tính theo đường kính x chiều cao: Mẫu S550 có kích thước 528 x 150mm và khối lượng 780g, trong khi mẫu Tarot 690 có kích thước 680 x 210mm và nặng 700g.
Khối lượng của khung máy bay không người lái phụ thuộc vào vật liệu, với gỗ là lựa chọn tiết kiệm, trong khi sợi carbon có giá thành cao hơn Nhựa in 3D là lựa chọn hợp lý cho người dùng, cho phép in nhiều mẫu mã nhanh chóng và tiện lợi Mẫu Hexacopter thường sử dụng khung bằng sợi carbon, mang lại cả ưu điểm và nhược điểm riêng.
Bảng 2 - 3:Bảng ưu điểm và nhược điểm của Hexacopter. Ưu điểm Nhược điểm
Nhiều động cơ phân lối lực đều.
Mang được tải trọng lớn
Hỏng một hay hai động cơ vẫn có thể bay đáp xuống đất an toàn.
Nhiều động cơ tốn nhiều kinh phí.
- Loại 4: Octocopter như tên gọi thì đây là flycam có 8 cánh.
Octocopter là sự kết hợp hoàn hảo giữa Quadcopter và Hexacopter, với tám cánh tay và tám động cơ gắn cố định, giúp flycam ổn định hơn Cách hoạt động của Octocopter tương tự như Hexacopter và Quadcopter, điều chỉnh tốc độ cánh quạt theo các trục roll, pitch và yaw Loại flycam này thường có kích thước lớn, như mẫu Tarot X8 với kích thước 1050 x 320mm và trọng lượng 2.7kg Khối lượng của Octocopter phụ thuộc vào vật liệu khung, với gỗ là lựa chọn giá rẻ, trong khi carbon fiber cao cấp hơn Nhiều người dùng chọn nhựa in 3D vì tính tiện lợi và khả năng in nhanh nhiều mẫu mã khác nhau Mẫu Octocopter thường sử dụng carbon fiber cho khung vì độ bền và khả năng tải trọng lớn.
Bảng 2 - 4:Bảng ưu và nhược điểm của Octocopter. Ưu điểm Nhược điểm
Dùng nhiều động cơ lớn tốn nhiều kinh phí.
Hư một hoặc hai động cơ vẫn có thể bay hạ cánh an toàn.
Gắn được camre khối lượng lớn phục vụ chuyên nghiệp.
Tốn kém nhiều năng lượng
Kích thước to công kềnh.
2.2.2 Lý thuyết linh kiện Flycam. Để một Flycam có thể hoạt động quay phim chụp ảnh thì cần có các yếu tố quan trọng sau: mạch điều khiển, động cơ, cánh quạt, bộ điều tốc, nguồn, transmitter và receiver, camera. a) Mạch điều khiển:
Bộ não của flycam, hay còn gọi là mạch điều khiển, đóng vai trò quyết định mọi hoạt động của thiết bị Chức năng chính của mạch điều khiển là tiếp nhận thông tin từ receiver, sau đó xử lý và phản hồi lại cho động cơ thực hiện Có nhiều loại mạch điều khiển phổ biến như KK2.1.5 LCD, CC3D và NAZA-M LITE Dù khác nhau, tất cả các mạch đều có những thành phần cơ bản như màn hình LCD để hiển thị thông số cài đặt, cảm biến gyros để xử lý cân bằng, và các chip xử lý tín hiệu như ATMEGA324 hay STM32F4 Ngoài ra, các đầu vào ra của mạch kết nối với động cơ và các kênh tín hiệu như Throttle (ga), Yaw (xoay), Pitch (tiến) và Roll (qua lại) cũng rất quan trọng trong việc điều khiển flycam.
Trong quá trình thiết lập mạch, các phím Up, Down, Enter và Back được sử dụng để điều chỉnh các thông số và quay lại các bước trước đó Mỗi loại mạch điều khiển đều đi kèm với phần mềm thiết lập riêng, hoặc có thể được cấu hình thông qua Tx và Rx, hoặc sử dụng Arduino như trong mạch nạp ISP.
Hình 2 - 6:Mạch điều khiển. b) ESC
Bộ điều tốc điện tử (ESC) là thiết bị quan trọng giúp kiểm soát và điều chỉnh tốc độ của động cơ Nguyên lý hoạt động của ESC bắt đầu khi nhận tín hiệu từ người điều khiển thông qua bộ phát tín hiệu (TX) Tín hiệu này sẽ được truyền vào mạch điều nhận, mã hóa và gửi đến ESC để xử lý Sau khi tiếp nhận tín hiệu, ESC sẽ điều chỉnh và phản hồi bằng cách tạo ra tín hiệu dạng xung PWM (Pulse Width Modulation), từ đó điều chỉnh dòng 3 pha nhằm đạt được tốc độ động cơ mong muốn.
Khi mua ESC, người dùng có thể tùy chỉnh thông số mặc định qua các phương pháp như sử dụng TX và RX, lập trình bằng Arduino như mạch ISP, hoặc dùng phần mềm tương ứng với chip ESC như Silabs và Atmel Chip Silabs thường sử dụng bootloader Blheli, trong khi chip Atmel hỗ trợ cả Blheli và SimonK Để giao tiếp với BLHeli suite, cần thiết lập interface riêng Một số ESC sử dụng chip Silabs bao gồm Little Bee, Emax Lightning, Hobbywing (Xrotor, Platinum, Skywalker), Flycolor, DYS XM, và Aikon, trong khi chip Atmel được tìm thấy ở ZTW Spider Lite, Afro, Rctimer, và DYS SN.
Hình 2 - 7:Sơ đồ ESC. Để phân loại ESC chia làm hai phần: Phần đệm và phần cứng:
Phần đệm được phân loại dựa trên phần mềm nạp Blheli và SimonK Blheli hỗ trợ nhiều giao thức hiện đại như Multishot, Oneshot và Dshot, trong khi SimonK là phần mềm cũ hơn chỉ tương thích với giao thức PWM.
Phần cứng ESC bao gồm hai loại chính là BEC và UBEC, cả hai đều có chức năng cung cấp nguồn điện ổn định 4.8V, 5V hoặc 6V cho các thiết bị như Rx, servo và gyro từ nguồn pin chung (7.2V, 11.1V hoặc cao hơn) BEC thường được tích hợp trong ESC công suất nhỏ, sử dụng linh kiện như 7805 hoặc 1117-05, với công suất từ 1A đến 3A và có thể tỏa nhiệt nhiều khi hoạt động.
Hình 2 - 8:ESC dùng BEC của hãng Emax.
Yêu cầu hệ thống
Thông thường khi chế tạo một Flycam được chia làm hai phần chính và mỗi phần đều có yêu cầu riêng đó là phần cứng và phần đệm.
Yêu cầu phần cứng của đề tài là nghiên cứu chế tạo Flycam quay phim chụp ảnh nên sẽ cần có các yếu tố sau:
- Khung mô hình vững chắc.
- Kích thước mô hình 359*359*13 mm.
- Khối lượng toàn bộ mô hình nhỏ hơn 1 kg.
- Tốc độ bay khoảng 30 - 40 km/h.
- Sử dụng phần mềm Solidwork 2013 để thiết kế khung.
- Sử dụng phần mềm Arduino 1.8.5 để viết chương trình.
- Thiết kế mạch bằng phần mềm Orcad 10.5.
Phương án thiết kế
Chọn linh kiện: Để đáp ứng đúng các yêu cầu của một Flycam của đề tài sẽ thực hiện lựa chọn các linh kiện cần thiết như sau:
Dựa trên yêu cầu về kích thước, khối lượng và độ chắc chắn của Flycam, cùng với việc nghiên cứu các mẫu thiết kế hiện có và phân tích ưu nhược điểm, đề tài quyết định sử dụng nhựa PLA kết hợp với thanh Fiber carbon để chế tạo khung cho mẫu Flycam bốn cánh dạng chữ X Thiết kế này giúp mô hình trở nên gọn nhẹ, dễ dàng thay thế và sửa chữa, từ đó giảm thiểu tối đa thời gian cho người dùng Nhựa PLA được sử dụng để tạo ra các chi tiết như thân chính, giá đặt động cơ, càng đáp và trục gắn thanh Fiber carbon, trong khi thanh Fiber carbon sẽ làm trục để nối giá đặt động cơ với các chi tiết còn lại.
Nhựa PLA (Polylactic axit) là một loại nhựa nhiệt dẻo phân hủy sinh học, được sản xuất từ các nguồn tái tạo như bột ngô, mía, củ sắn và tinh bột khoai tây Với tính năng thân thiện với môi trường, nhựa PLA thường được sử dụng trong công nghệ in 3D, nơi nó được nung nóng và in thành các chi tiết mong muốn Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về ứng dụng của nhựa PLA màu xanh.
Thanh Fiber carbon được cấu tạo chủ yếu từ carbon và nito, mang lại độ đàn hồi và chịu lực cao cùng với khối lượng nhẹ Sản phẩm có nhiều loại và kích thước khác nhau như 6mm, 8mm, 10mm, 15mm, với các dạng ống tròn, hình chữ nhật và tấm Trong đề tài này, loại thanh carbon được sử dụng là dạng ống tròn với đường kính 6mm, nhờ vào thiết kế gọn gàng và tính thẩm mỹ cao, rất phù hợp để làm trục cánh Flycam.
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ sử dụng một số ốc vít và bulong để cố định các chi tiết lại với nhau và với thanh carbon Hình 2 - 30 minh họa cho thanh Fiber carbon, một vật liệu quan trọng trong việc gia cố cấu trúc.
Hình 2 - 31: Ốc vít và bulong.
Để đảm bảo hiệu suất tối ưu cho phần điện của máy bay, cần lựa chọn động cơ và cánh quạt phù hợp, chọn ESC (Electronic Speed Controller) thích hợp, và quyết định loại pin phù hợp với yêu cầu về tốc độ, khoảng cách và thời gian bay.
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ đề cập đến TX, RX và Camera, cùng với động cơ và cánh quạt Dựa trên cơ sở lý thuyết đã trình bày và yêu cầu phần cứng, chúng tôi đã chọn động cơ không chổi than ba pha A2212-1000KV và cánh quạt 10x4.5 của hãng Himodel.
Hình 2 - 32:Động cơ và cánh quạt.
Bảng thông số động cơ :
Bảng 2 - 9:Bảng thông số động cơ.
Loại động cơ Khối lượng (g)
Động cơ A2212-1000KV có lực đẩy 800g cho mỗi động cơ, cho phép mô hình quadcopter bốn động cơ đạt tổng lực nâng 3200g, gấp ba lần khối lượng mô hình, đảm bảo khả năng bay ổn định Tốc độ tối đa của động cơ là 1000 vòng/phút/volt, với điện áp 11.1V, tốc độ đạt 11000kv Khi sử dụng cánh 10x4.5 inch, mô hình có thể di chuyển 4.5 inch (11.43cm) trong trạng thái tự do, tương đương với 1,257km trong 60 phút, tức 75.43km/h Tuy nhiên, do động cơ và ESC không thể hoạt động hết công suất lâu dài, tốc độ thực tế giảm còn 37.71km/h Đề tài cũng sử dụng động cơ servo SG90.
Động cơ RC Servo SG90 là một trong những loại động cơ nhỏ gọn và phổ biến nhất, thường được sử dụng trong các mô hình nhỏ hoặc các cơ cấu kéo nhẹ Với kích thước 23x12.2x29mm và trọng lượng chỉ 9g, SG90 có tốc độ phản ứng nhanh và bánh răng bằng nhựa, phù hợp để điều chỉnh góc quay cho máy ảnh Đặc biệt, động cơ này tích hợp sẵn Driver điều khiển, cho phép điều chỉnh góc quay dễ dàng thông qua phương pháp điều độ rộng xung PWM.
Khi chọn ESC cho động cơ, cần đảm bảo rằng ESC có dòng tối thiểu 20A để phù hợp với khoảng hoạt động của động cơ từ 4A đến 12A Tuy nhiên, trong đề tài này, chúng tôi sẽ chọn ESC 30A với BEC của hãng SimonK, giúp động cơ hoạt động mát hơn ESC này được thiết kế phù hợp với động cơ 1000Kv.
Bảng 2 - 10:Bảng thông số ESC.
Để đáp ứng yêu cầu về thời gian bay 10-15 phút cho Flycam, chúng tôi chọn pin lipo 3S với dung lượng 2200mAh và dòng xả 30C Kích thước của pin là 23 x 33 x 107mm và trọng lượng 183g Để tính toán số dòng và thời gian bay, ta nhân dung lượng pin với số dòng xả: 2200 x 30 = 66000mAh, tương đương 66A Với dòng động cơ là 12A cho 4 động cơ, tổng dòng tiêu thụ là 48A, cho thấy rằng 66A > 48A, đủ để đảm bảo thời gian bay mong muốn.
Để tính thời gian bay, bạn cần chia số dung lượng cho 60 phút và nhân với dòng xả Sau đó, lấy số dung lượng ban đầu chia cho số dung lượng tiêu hao để xác định số phút bay.
2200 / 60 = 36.66, 36.66 x 30 = 1100mAh, 2200 / 1100 = 2 phút dùng tối da công suất tuy nhiên thực tế ta hoạt động không quá 80% bin nên thời gian bay sẽ kéo dài hơn.
ESC Dòng điện liên tục (A)
Sạc pin Lipo: Sử dụng sạc Bmax tiện lợi, an toàn, giá rẻ có hai chế độ sạc pin
2S – 7.4V và 3S – 11.1V và sạc sẽ tự ngắt khi đủ số volt trên các cell pin thích hợp cho các dòng máy bay mô hình dùng pin 2S -3S.
TX và RX: Theo yêu cầu của phần cứng đề tài sẽ chọn TX và RX Flysky
Bộ TX và RX CT6B hoạt động với nguồn 12A tương đương 8 pin AAA, cho phép điều khiển trong khoảng cách từ 300m đến 400m Sản phẩm có 6 kênh điều khiển, đèn báo pin yếu và có thể thiết lập trực tiếp trên TX mà không cần sử dụng máy tính, mang lại sự tiện lợi và dễ dàng cho người dùng Giá thành thấp giúp tiết kiệm chi phí cho người tiêu dùng.
Hình 2 - 37:TX và RX Flysky CT6B.
Dựa trên cơ sở lý thuyết và yêu cầu phần cứng, sau khi nghiên cứu một số board Arduino và các loại mạch cảm biến, đề tài đã quyết định chọn board Arduino Nano V3 kết hợp với cảm biến MPU6050 để thực hiện việc xử lý và điều khiển mô hình.
Arduino Nano là một mạch điều khiển nhỏ gọn, đa chức năng, lý tưởng cho các dự án nhờ vào kích thước nhỏ và tính tiện dụng Với vi điều khiển ATmega328, Arduino Nano cung cấp 14 chân vào/ra số và 8 chân vào tương tự, cùng khả năng xuất xung PWM trên 6 chân, cho tốc độ xử lý lên đến 16 triệu tác vụ mỗi giây Các chân cắm tiện lợi giúp triển khai thí nghiệm nhanh chóng, trong khi khả năng giao tiếp qua các giao thức như SPI, I2C, TWI và Serial cho phép kết nối dễ dàng với cảm biến, máy tính và các vi điều khiển khác Arduino Nano tương thích với các thư viện của Arduino Uno, hỗ trợ lập trình bằng ngôn ngữ C và C++.
Bảng thông số Arduino Nano:
Bảng 2 - 11:Thông số Arduino Nano.
Vi điều khiển ATmega328 (họ 8bit) Điện áp hoạt động 5V – DC
Dòng điện tiêu thụ 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V – DC Điện áp vào giới hạn 6-20V – DC
Số chân Digital I/O 14 (6 chân PWM)
Số chân Analog 8 (độ phân giải 10bit)
Dòng ra tối đa (5V) 500 mA
Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 2KB dùng bootloader
Sơ đồ chân Arduino Nano.
Hình 2 - 38:Sơ đồ chân Arduino Nano.
Cảm biến MPU6050 là thiết bị có khả năng đo 6 bậc tự do, bao gồm một gyroscope 3 trục và một gia tốc kế 3 trục, cho phép xác định các thông số quán tính độc lập như gia tốc và vận tốc góc của máy bay Bên trong cảm biến, vi xử lý thực hiện tính toán và chuyển đổi giá trị đo tương tự sang số, giảm tải công việc cho vi điều khiển Các giá trị tính toán được truyền về vi điều khiển qua giao tiếp I2C.
Kết nối camera với điện thoại
Các bước kết nối Camera với điện thoại tiến hành như sau:
- Bước 1: Mở Camera và bật chế độ wifi.
Hình 2 - 73:Mở Camera và mở wifi.
- Bước 2: Mở ứng dụng Goplus cam.
Hình 2 - 74:Logo và giao diện ứng dụng GoPlus cam khi chưa kết nối.
- Bước 3: Kết nối Camera với điện thoại bằng wifi của Camera.
Hình 2 - 75:Kết nối bằng wifi.
- Bước 4: Mở giao diện sau khi kết nối.
Hình 2 - 76:Giao diện sau khi kết nối.
Cài đặt ESC
Để setup một ESC bằng TX và RX theo mong muốn của người dùng ta thực hiện các bước sau:
Bước 1: Kết nối ba dây của động cơ với 3 dây của ESC.
Hình 2 - 77: Kết nối ESC với động cơ.
Bước 2: Kết nối ba dây âm(-), dương(+), tín hiệu(s) của ESC vào kênh 3 của
Hình 2 - 78:Kết nối dây nguồn và tín hiệu với ESC.
Bước 3: Đẩy cần ga của Transmitter lên cao nhất sau đó cắm nguồn pin lipo với
Hình 2 - 79:Đẩy cần ga lên cao để nhận tín hiệu.
Bước 4: Bật nguồnTransmitter, nghe tiếng bíp bíp tiếp theo đẩy cần ga xuống thấp nhất nghe tiếng bíp bíp bíp bípbípbípbíp là setup xong ESC.
Hình 2 - 80:Đẩy cần ga xuống thấp để nhận tín hiệu.
Thử nghiệm PID
Để thực hiện quá trình thử nghiệm trên cần có một board arduino và cảm biến góc MPU6050, hai ESC hai động cơ và nguồn
Mô hình thử nghiệm tìm thống số PID sử dụng cảm biến PMU6050 giao tiếp với Arduino UNO qua giao thức I2C, với các chân SCL kết nối A5 và SDA kết nối A4 để truyền dữ liệu Nguồn điện được cung cấp bởi pin lipo 11.1V 2200mAh, cấp năng lượng cho ESC, và từ ESC, nguồn sẽ được phân phối cho Arduino Uno để điều khiển mạch.
Hình 2 - 81:Sơ đồ kết nối.
Hình 2 - 82:Mô hình thiết kế.
Hình 2 - 83:Sơ đồ kết nối thực tế.
2.7.2 Phương pháp hiệu chỉnh PID.
Ở quá trình thử nghiệm này đề tại sử dụng phương pháp điều chỉnh thủ công.
- Đầu tiên ta thiết lập thông số Ki = Kd = 0 Sau đó điều chỉnh Kp đến dao động điều hòa.
- Sau đó tăng Kd để nhanh chóng đáp ứng vị trí đặt nếu có nhiễu xảy ra.
- Cuối cùng điều chỉnh Ki đến khi đủ thời gian xử lí.
Bảng 2 - 16:Bảng thông số hiệu chỉnh.
To accommodate the 16-bit data capability of the MPU, we define 16 variables for storage, including `int16_t` for raw acceleration and gyroscope data (Acc_rawX, Acc_rawY, Acc_rawZ, Gyr_rawX, Gyr_rawY, Gyr_rawZ) Additionally, we utilize arrays for storing angles, such as `float Acceleration_angle[2]`, `float Gyro_angle[2]`, and `float Total_angle[2]` We also declare variables for time tracking, including `float elapsedTime`, `time`, and `timePrev`, along with an integer `int i` To facilitate conversions, we set `float rad_to_deg` to 180 divided by pi Finally, we introduce variables for PID control, including `float PID`, `pwmLeft`, `pwmRight`, `error`, and `previous_error`, alongside parameters for proportional, integral, and derivative components (`float pid_p`, `float pid_i`, `float pid_d`).
/////////////////PID CONSTANTS///////////////// double kp=1.55; double ki=0.0038; double kd=0.5; double throttle00; float desired_angle = 0;
- Tính góc bằng phương trình Euler.
Công thức Euler: angleY=atan ( √ Y X 2 +Z 2 ) angleY=atan ( √ Y X 2 +Z 2 )
Acceleration_angle[0] atan((Acc_rawY/16384.0)/sqrt(pow((Acc_rawX/16384.0) ,2) + pow((Acc_rawZ/16384.0),2)))*rad_to_deg;
Acceleration_angle[1] atan(-1*(Acc_rawX/16384.0)/sqrt(pow((Acc_rawY/16384 0),2) + pow((Acc_rawZ/16384.0),2)))*rad_to_deg;
Chương trình điều khiển
Sơ đồ khối điều khiển.
KHỞI ĐỘNG cấp nguồn cho toàn mạch
Chuẩn hóa tín hiệu từ
Kiểm tra điều kiện khởi động
Lấy giá trị của Gyro chuyển sang độ sau đó lấy giá trị của PID
KẾT THÚC ngắt nguồn toàn mạch
Khối khởi động sử dụng pin LiPo 11.1V làm nguồn điện Khi cấp nguồn vào mạch, nguồn điện được chia thành hai nhánh: một nhánh cung cấp năng lượng cho bốn động cơ và bốn bộ điều tốc ESC, trong khi nhánh còn lại cấp nguồn cho vi điều khiển và Gyro.
2.8.2 Khối khởi tạo thống số MPU6050.
MPU6050 giao tiếp với vi điều khiển Atmega328 qua giao thức I2C, vì vậy cần xác định địa chỉ của cảm biến Gyro Chúng ta sẽ lấy địa chỉ và nạp thông số ba trục của Quadcopter vào các biến để xử lý PID.
2.8.3 Khối kiểm tra Receiver. Ở bước này, ta kiểm tra về bộ nhận tín hiệu Ta kiểm tra xem vi xử lý đã nhận tín hiệu hay chưa và cần ga đã về mức thấp nhất để đảm bảo an toàn hay chưa Ta sử dụng một vòng lặp while để thực hiện việc này, và sau mỗi 125 vòng lặp thì đèn Led sẽ thay đổi trạng thái. while(receiver_input_channel_3 < 990 || receiver_input_channel_3 > 1020 || receiver_input_channel_4 < 1400)
{ receiver_input_channel_3 =convert_receiver_channel(3); receiver_input_channel_4 =convert_receiver_channel(4); start ++; PORTD |= B11110000; delayMicroseconds(1000);
} start = 0; //Set start back to 0
2.8.4 Chuẩn hóa tín hiệu từ reciever về 1000us - 2000us. Đây cũng là một khối quan trọng trong lưu đồ giải thuật, ở đây ta phải chuẩn hóa để bốn kênh tín hiệu được thống nhất, đồng bộ với nhau Ở đây ta thực hiện hai bước, bước đầu tiên, ta đã lưu vào eeprom vị trí cao nhất và thấp nhất của các cần điều khiển.
Hình 2 - 85:Đưa hai cần điều khiển về vị trí trung tâm.
In the second step, we compare the current value in the variable 'Actual' against the benchmark variables 'Low', 'High', and 'Center', adjusting the scale to a range of 1000us to 2000us If 'Actual' is less than 'Center', we check if it is below 'Low' and set it to 'Low' if necessary The difference is calculated based on the deviation from 'Center', and the return value is adjusted accordingly, either increasing or decreasing from 1500 based on the 'reverse' flag Conversely, if 'Actual' exceeds 'Center', we ensure it does not surpass 'High', calculate the difference from 'Center', and adjust the return value similarly If 'Actual' equals 'Center', the function simply returns 1500.
2.8.5 Khối lấy giá trị cử Gyro và chuyển vào bộ PID. Ở khối này, ta tiếp tục lấy giá trị hiện tại ba trục Gyro ở thời điểm hiện tại và giá trị này được xử lý thành tốc độ góc: gyro_roll_input = (gyro_roll_input * 0.7) + ((gyro_roll / 65.5) * 0.3); gyro_pitch_input = (gyro_pitch_input * 0.7) +
((gyro_pitch / 65.5) * 0.3); gyro_yaw_input = (gyro_yaw_input * 0.7) + ((gyro_yaw / 65.5) * 0.3);
Sau đó ta chuyển giá trị đã biến đổi này vào bộ PID để tiếp tục tính toán.
2.8.6 Kiểm tra điều khiện khởi động.
Để khởi động máy bay một cách an toàn, cần áp dụng một số thủ thuật điều khiển từ xa Trong dự án này, các cần điều khiển được sử dụng như công tắc để bật và tắt nguồn điện Khi cần ga được hạ xuống vị trí thấp nhất bên trái, cả bốn động cơ sẽ khởi động Cụ thể, khi giá trị của kênh nhận tín hiệu 3 và 4 đều dưới 1050, biến "start" sẽ được đặt thành 1 Nếu "start" đã được kích hoạt và giá trị của kênh 3 vẫn dưới 1050 trong khi kênh 4 vượt qua 1450, "start" sẽ chuyển sang giá trị 2.
Khi hệ thống khởi động với giá trị bắt đầu là hai, quá trình tính toán PID sẽ được kích hoạt Nếu không, hệ thống sẽ tiếp tục lặp lại bước này trong vòng lặp.
2.8.7 Tính toán PID. Đây là một trong những bước cực kỳ quan trọng của đề tài Đầu tiên, ta tìm sai số hiện tại so với giá trị đặt ban đầu ở vị trí cân bằng hoàn toàn. u(t)=Kpe(t)+Kdτ dτ dτte(t)+Ki ∫
0 t e(τ)dττ (2.2) Đó chính là e(t) sai số theo thời gian Nhân nó với hệ số Kp ta đã đặt trước đó, ta được khâu tỉ lệ đầu tiên.
Khâu tích phân là bước tiếp theo trong quy trình, nơi chúng ta tiếp tục tính toán sai số cộng dồn theo thời gian Để tạo thành khâu tích phân, sai số này sẽ được nhân với độ lợi Ki Câu lệnh sử dụng trong quá trình này là: pid_i_mem_roll += pid_i_gain_roll * pid_error_temp.
Tiếp theo, chúng ta tiến hành tính toán khâu vi phân bằng cách sử dụng phép trừ để xác định tốc độ thay đổi của sai số theo thời gian Cụ thể, ta lấy sai số hiện tại trừ đi sai số trước đó và nhân với Kd, tức là độ lợi của khâu vi phân.
Phương trình PID cuối cùng được tính toán bằng cách cộng ba phép tính lại với nhau và lặp lại trong một vòng lặp thời gian để cập nhật liên tục các thay đổi nhỏ Đầu tiên, ta lưu trữ sai số từ lần trước vào biến pid_last_roll_d_error Sai số hiện tại được tính bằng cách trừ điểm đặt pid_pitch_setpoint từ đầu vào gyro_pitch_input Biến pid_i_mem_pitch được cập nhật bằng cách nhân sai số hiện tại với hệ số pid_i_gain_pitch, đồng thời kiểm tra và giới hạn giá trị của nó trong khoảng từ -pid_max_pitch đến pid_max_pitch Cuối cùng, đầu ra pid_output_pitch được tính toán dựa trên sai số hiện tại, giá trị tích lũy và sai số biến thiên, cũng được giới hạn trong khoảng tương tự.
1)pid_output_pitch = pid_max_pitch * -1; pid_last_pitch_d_error = pid_error_temp;
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã tiến hành một số thí nghiệm bên ngoài nhằm xác định gần đúng các thông số độ lợi Kp, Ki và Kd Thí nghiệm được thực hiện bằng cách cố định một nửa khung máy bay và kiểm tra độ ổn định thông qua phương pháp thực nghiệm Phương pháp chi tiết sẽ được trình bày ở phần cuối của đề tài.
2.8.8 Khối cấp xung cho ESC.
ESC điều khiển bốn động cơ bằng cách gửi một tín hiệu dạng ba xung PWM tạo dòng ba pha để điều chỉnh tốc độ.
Flycam hoạt động dựa trên cơ chế điều khiển thông qua việc cấp xung cho ESC Để điều khiển Flycam, cần thiết lập giá trị throttle, với điều kiện nếu throttle lớn hơn 1800 thì sẽ được giới hạn về 1800 Công thức điều khiển ESC được tính toán như sau: esc_1 = throttle - pid_output_pitch + pid_output_roll.
- pid_output_yaw; esc_2 = throttle + pid_output_pitch + pid_output_roll + pid_output_yaw; esc_3 = throttle + pid_output_pitch - pid_output_roll
Đoạn mã pid_output_yaw; esc_4 = throttle - pid_output_pitch - pid_output_roll + pid_output_yaw tạo ra hai cặp động cơ hoạt động với tốc độ đồng nhất, giúp điều khiển máy bay tiến lùi, quay trái, quay phải và xoay ổn định Cụ thể, esc_1 là động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ (CCW) ở phía trước bên phải, esc_2 là động cơ quay cùng chiều kim đồng hồ (CW) ở phía sau bên phải, esc_3 là động cơ CCW ở phía sau bên trái và esc_4 là động cơ CW ở phía trước bên trái.