(Đồ án tốt nghiệp) nghiên cứu và chế tạo máy bay 4 cánh quadrocopter

TỔNG QUAN

Khái niệm

Quadrocopter là một loại máy bay có khả năng bay ở mọi hướng nhờ vào bốn cánh quạt được gắn đối xứng, tạo thành hình chữ thập Khác với trực thăng, quadrocopter không thay đổi góc cánh quạt trung tâm mà sử dụng các cánh quạt để điều khiển hướng di chuyển và góc nghiêng Điều này khiến cho thiết kế của quadrocopter đơn giản hơn rất nhiều so với trực thăng.

Quadrocopter hiện đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như quân sự, giao thông vận tải, UAV và giải trí So với máy bay cánh bằng, quadrocopter có lợi thế vượt trội với khả năng di chuyển đa hướng và cất cánh, hạ cánh thẳng đứng Điều này mang lại sự linh hoạt cao, cho phép quadrocopter hoạt động hiệu quả trong những không gian chật hẹp và đảm bảo an toàn cho người sử dụng.

Lịch sử Quadrocopter

Có thể phân loại vật thể bay ra thành các loại như sau:

Hình 1 Phân loại vật thể bay

Chiếc Quadrocopter đầu tiên trên thế giới, mang tên “Breguet – Richet Gyroplane No.1”, được phát minh bởi anh em Louis và Jacques Breguet cùng giáo sư Charles Richet vào năm 1907 Thiết kế yêu cầu chiếc máy bay có khả năng cất cánh với một phi công, sử dụng động cơ 8 xy-lanh để quay 4 cánh quạt, mỗi cánh quạt có 4 bản cánh Hệ thống dây đai và pu-li được lắp đặt để truyền động từ động cơ đến các cánh quạt Khung của Quadrocopter được làm từ ống thép, với tổng trọng lượng khoảng 575Kg Lần bay thử nghiệm đầu tiên diễn ra tại Douai, Pháp, vào năm 1907, chiếc máy bay đã thành công trong việc nâng cao khỏi mặt đất 1.5m.

Hình 2 Breguet – Richet Gyroplane No.1 http://www.intechopen.com/source/html/6587/media/image1.jpeg

Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

Với cấu trúc cơ khí đơn giản và khả năng điều khiển linh hoạt, mô hình quadcopter đang được nhiều công ty trên toàn cầu nghiên cứu và phát triển để trở thành sản phẩm thương mại có ứng dụng thực tế cao.

Dưới đây là một số sản phẩm điển hình:

Sản phẩm của phòng thí nghiệm TEDGlobal

Gần đây, vào tháng 6 năm 2013, Raffaello D'Andrea đã giới thiệu một chiếc quadcopter tiên tiến tại TEDGlobal Chiếc quadcopter này không chỉ bay mà còn có khả năng suy nghĩ và hành động như một vận động viên Nó có thể đánh chính xác quả bóng được ném ra, giữ thăng bằng một ly nước trên thân, và thực hiện các động tác nhào lộn ấn tượng Đây là một bước tiến lớn trong nghiên cứu và phát triển công nghệ quadcopter.

Sản phẩm AR.Drone của hãng Parrot

Hình 4 AR.Drone của hãng Parrot

AR.Drone là một sản phẩm giải trí chạy trên iPhone, sử dụng pin Lion cho thời gian bay lên đến 15 phút Với thiết kế nhỏ gọn, trọng lượng chỉ 400g và vật liệu từ sợi Carbon cùng xốp, AR.Drone dễ dàng di chuyển Sản phẩm được trang bị 2 camera và có khả năng kết nối, điều khiển trực tiếp từ điện thoại qua sóng wifi Hình ảnh từ camera sẽ hiển thị trực tiếp trên điện thoại, giúp người dùng điều khiển một cách dễ dàng và an toàn hơn.

AR.Drone được bán với giá 299USD tại Mỹ.

Tình hình nghiên cứu trong nước

Mô hình quadcopter do nhóm kỹ sư Lê Công Danh thực hiện

Vào ngày 1/12/2009, Sở Khoa học – Công nghệ TP Hồ Chí Minh đã nghiệm thu công trình "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình máy bay lên thẳng bốn chong chóng có khả năng tự di cân bằng và di chuyển trong nhà", do kỹ sư Lê Công Danh, giảng viên Khoa Cơ khí, Trường Đại học Giao thông Vận tải TP Hồ Chí Minh làm chủ nhiệm, cùng với kỹ sư Phan Ngọc Huy là người nghiên cứu chính Nhằm đảm bảo độ nhẹ cho mô hình, nhóm nghiên cứu đã sử dụng vật liệu nhôm và sợi carbon để chế tạo khung máy bay Sản phẩm này có mạch điều khiển phức tạp hơn so với các máy bay mô hình hiện có trên thị trường, giúp người sử dụng dễ dàng điều khiển, kể cả những người chưa từng sử dụng trước đây.

Hình 5 Mô hình máy bay nghiệm thu tại Sở Khoa học – Công nghệ http://www.mt.gov.vn/m/tin-tuc/1000/33639/che-tao-mo-hinh-may-bay-len-thang.aspx

Chế tạo quadcopter tại các câu lạc bộ mô hình

Kể từ năm 2010, thành công của kỹ sư Phạm Ngọc Huy đã thúc đẩy trào lưu chế tạo quadcopter trong cộng đồng người chơi máy bay mô hình Nhiều mô hình quadcopter ra đời từ niềm đam mê của những người chế tạo, nhưng phần lớn đều được mua sẵn với mạch điều khiển, ít ai tự tay xây dựng và thiết kế phần điều khiển này.

Hình 6 Mô hình quadcopter tại câu lạc bộ mô hình http://www.clbmohinh.com/

Ưu nhược điểm

 Khả năng lơ lửng trên không ở tầm thấp.

 Cơ khí đơn giản, không cần bộ truyền động như helicopter.

 Di chuyển dễ dàng ở những địa hình gặp nhiều chướng ngại.

 Khả năng di chuyển cực kì cơ động, có thể tới, lui, trái, phải một cách dễ dàng.

 Khả năng cất cánh và hạ cánh theo phương thẳng đứng.

 Sử dụng nhiều động cơ nên tốn nhiều năng lượng

 Tốc độ di chuyển tương đối chậm

 Lập trình điều khiển phức tạp

Ứng dụng

Trong những năm gần đây, sự phát triển của hệ thống điện, năng lượng ắc quy, thiết bị truyền động và các board điều khiển tích hợp nhỏ hơn đã thúc đẩy nghiên cứu về phương tiện di chuyển trên không không người lái (UAV) như quadcopter Các nghiên cứu này không chỉ diễn ra tại các trường đại học và tổ chức nghiên cứu nhằm phát triển ứng dụng dân sự mà còn phục vụ cho mục đích quân sự.

Việc kết hợp camera với hệ thống định vị GPS giúp cho việc di chuyển tự động đến các vị trí đã được lập trình trở nên dễ dàng Điều này đáp ứng nhu cầu và xu hướng hiện tại, hướng tới một ngành công nghiệp robot phát triển, mang lại sự tiện lợi và nâng cao năng suất cho cuộc sống con người.

Quadrocopter đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển công nghệ di chuyển trên không, giúp đơn giản hóa thiết kế cơ khí phức tạp của máy bay hiện tại.

Nội dung nghiên cứu của đề tài

Quadrocopter là một đề tài phức tạp, yêu cầu kiến thức đa dạng về thiết kế cơ khí, thiết bị bay, khí động học, động lực học, xử lý tín hiệu số, mạch điện tử, vi điều khiển, giao tiếp máy tính, truyền thông vô tuyến và lập trình Mỗi thành viên trong nhóm cần nỗ lực hết mình để hoàn thành đề tài này.

Các vấn đề chính của đề tài:

 Tìm hiểu nguyên lý điều khiển, nghiên cứu động học, động lực học và mô hình toán của Quadrocopter.

 Thiết kế hệ thống điều khiển

 Xây dựng thuật toán điều khiển

Do hạn chế về kinh phí và thời gian thực hiện ngắn, cùng với kiến thức còn hạn chế trong lĩnh vực này, đề tài sẽ được giới hạn trong các điều kiện cụ thể.

 Nghiên cứu và chế tạo mô hình Quadrocopter sử dụng loại động cơ công suất trung bình và bộ điều tốc ESC

 Xử lí tín hiệu các cảm biến gyroscope và accelerometer để điều khiển Quadrocopter cân bằng, chưa quan tâm đến điều khiển hướng bay của mô hình.

Phương pháp và phương tiện nghiên cứu

Về phương pháp nghiên cứu:

 Tìm hiểu các tài liệu và thiết kế hiện có trong và ngoài nước.

 Tiến hành thiết kế cơ khí, chọn khung, động cơ và cánh cho máy bay.

 Tiến hành thiết kế hệ thống điện và phần mềm điều khiển.

 Tiến hành thực nghiệm, đo đạc, vẽ đồ thị, phân tích và hiệu chỉnh cân bằng.

Về phương tiện nghiên cứu:

 Sử dụng board STM32F4 Discovery làm mạch điều khiển

 Truyền tín hiệu điều khiển bằng sóng RF thông qua module RFM22B

 Giám sát từ máy tính dùng phần mềm STMStudio, C++.

Mục tiêu

Mục tiêu chính trong thiết kế là phát triển một Quadrocopter đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn kỹ thuật và nhu cầu sử dụng Nhóm sẽ tập trung vào việc xây dựng một mẫu thử nghiệm Quadrocopter lý tưởng cho bay ngoài trời Các thông số kỹ thuật cho mô hình Quadrocopter của nhóm sẽ được xác định rõ ràng.

 Tổng khối lượng không được vượt quá 2 kg.

 Motor có khả năng nâng được khoảng 1 kg/ 1 motor.

 Khả năng bay ngoài trời từ 5 – 10 phút.

 Khoảng cách điều khiển từ 100 – 200 mét outdoor

THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Khung Quadrocopter

Do hạn chế về kinh phí, thời gian thực hiện ngắn và kiến thức trong lĩnh vực cơ khí còn hạn chế, nhóm đã quyết định mua khung có sẵn để tập trung vào việc phát triển phần điều khiển.

Thiết bị cần phải nhẹ và có khả năng chịu ứng suất, sức căng tốt, vì vậy nhóm đã quyết định sử dụng nhôm làm vật liệu chế tạo.

Để đảm bảo Quadrocopter hoạt động ổn định và dễ dàng điều chỉnh trong quá trình thực nghiệm, yêu cầu thứ hai là trục quay của các cánh quạt phải vuông góc với mặt phẳng khung chữ thập, nhằm tránh sai số so với mô hình toán đã xây dựng Sự đối xứng của Quadrocopter là yếu tố quan trọng, vì vậy nhóm đã lựa chọn sử dụng khung X650.

 Vật liệu đế trung tâm: sợi thủy tinh dày 1.5mm

Hình 7 Fram X650 http://www.luanairmodels.com/

Cánh Quadrocopter

Cánh quạt là thành phần thiết yếu của mô hình Quadcopter, chuyển đổi lực quay từ động cơ thành lực nâng Có nhiều loại cánh quạt với kích thước và hình dạng đa dạng, được làm từ các vật liệu như gỗ, sợi carbon và nhựa Độ bền và giá thành của cánh quạt phụ thuộc vào loại vật liệu sử dụng Mỗi loại động cơ thường đi kèm với các chuẩn cánh quạt riêng biệt để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.

Hình 8 Các loại cánh quạt

Việc lựa chọn cánh quạt phù hợp với động cơ là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động Cánh quạt được định nghĩa bằng thông số kỹ thuật A x B tính theo đơn vị inch, trong đó A là chiều dài cánh quạt và B là chu kỳ góc xoáy đều nhau của mỗi bên cánh Ví dụ về thông số cánh quạt có thể là 10x5, 10x6, hay 11x7.

Hình 9 Thông số A – chiều dài cánh quạt

Hình 10 Thông số B – góc xoáy đều nhau của mỗi bên cánh quạt

Cánh quạt sử dụng cho Quadcopter là loại tốc độ thấp, bao gồm cả cánh tractor (cánh CCW) và cánh CW (quay theo chiều kim đồng hồ) để cân bằng các momen xoắn Bốn cánh quạt được chia thành hai cặp, với mỗi cặp có chiều quay khác nhau, trong đó hai cánh quạt đối diện sẽ quay cùng chiều.

Khi mua động cơ, việc chọn cánh quạt phù hợp với thông số kỹ thuật do nhà sản xuất cung cấp là rất quan trọng Nếu không chọn đúng loại cánh quạt, có thể dẫn đến hai vấn đề nghiêm trọng.

- Nếu cánh chọn to hơn cánh nhà sản xuất yêu cầu sẽ làm motor quay chậm, dòng tải lớn (nếu lơn quá có thể cháy motor) => lực nâng yếu.

- Nếu cánh chọn nhỏ hơn cánh nhà sản xuất yêu cầu sẽ làm motor không đạt được lực nâng cao nhất của motor.

Vì thế cánh quạt mà nhóm chọn sẽ là loại cánh Emax 10x4.5

- 10: đường kính cánh quạt (inch).

- 4.5: quãng đường tiến của cánh quạt khi quay được 1 vòng (inch).

Chú ý: phải cân chỉnh lại trọng tâm cánh cho thật cân bằng trước khi lắp vào động cơ để giảm rung.

LÝ THUYẾT TIẾP CẬN

Lý thuyết điều khiển Quadrocopter

Hình 12 Định nghĩa các hướng chuyển động của Quadrocopter

Cặp cánh quạt phía trước và phía sau quay ngược chiều kim đồng hồ, trong khi cặp cánh bên phải và bên trái quay thuận chiều kim đồng hồ, nhằm cân bằng moment xoắn trên khung Khi Quadrocopter cất cánh và hạ cánh, cả bốn cánh phải tạo ra lực đẩy bằng nhau Góc nghiêng (roll) được điều khiển bằng cách thay đổi tốc độ giữa cánh bên phải và bên trái, trong khi góc nghiêng (pitch) được điều chỉnh thông qua tốc độ của hai cánh phía trước và phía sau Để điều khiển góc lệch yaw, tốc độ của cặp cánh phải – trái được thay đổi so với tốc độ của cặp cánh trước – sau, mà không làm thay đổi tổng lực đẩy, giúp Quadrocopter duy trì độ cao.

Quadrocopter là việc điều khiển tốc độ quay của các cánh quạt.

Quadrocopter có khả năng bay lơ lửng trong không trung, được gọi là trạng thái hover Trong trạng thái này, tất cả các cánh quạt của quadrocopter quay với tốc độ không đổi, đảm bảo sự ổn định và kiểm soát trong quá trình bay.

Throttle là chức năng giúp quadcopter bay lên hoặc hạ xuống theo phương thẳng đứng Khi muốn bay lên, tốc độ của 4 cánh quạt sẽ được tăng lên, trong khi để hạ xuống, tốc độ của cả 4 cánh quạt sẽ giảm Sự thay đổi này tạo ra lực theo phương thẳng đứng, giúp quadcopter điều chỉnh độ cao một cách hiệu quả.

Để điều khiển quadrocopter bay sang phải hoặc sang trái, cần giữ tốc độ của hai cánh quạt trước và sau không đổi, đồng thời điều chỉnh tốc độ của cánh quạt bên trái và bên phải Cụ thể, để bay sang phải, ta tăng tốc độ cánh quạt bên trái và giảm tốc độ cánh quạt bên phải, tạo ra moment xoắn quanh trục X Kết quả là tổng lực nâng của bốn cánh quạt không còn thẳng đứng mà có thành phần lực hướng theo phương chuyển động.

Pitch là chức năng điều khiển quadrocopter bay tới hoặc lùi Để thực hiện điều này, 2 cánh quạt trái và phải giữ tốc độ bằng nhau Khi muốn bay tới, cần tăng tốc độ của cánh quạt sau và giảm tốc độ cánh quạt trước, tạo ra moment xoắn quanh trục Y.

Quadrocopter có khả năng quay quanh trục Z b thông qua việc điều khiển tốc độ của các cánh quạt Cụ thể, tốc độ của hai cánh quạt đối diện sẽ bằng nhau, nhưng khác với tốc độ của hai cánh quạt đối diện còn lại Để thực hiện việc quay ngược chiều kim đồng hồ, cần giảm tốc độ của cặp cánh quạt quay ngược chiều kim đồng hồ và tăng tốc độ của cặp cánh quạt quay cùng chiều kim đồng hồ Ngược lại, để quay cùng chiều kim đồng hồ, ta chỉ cần thực hiện các bước này theo chiều ngược lại.

Hình 18 Các hướng di chuyển khác nhau của Quadrocopter

Mô hình toán học Quadrocopter

Để viết phương trình cho các động thái phức tạp của máy bay, trước tiên cần xác định hệ tọa độ sử dụng Có hai hệ tọa độ chính: hệ tọa độ trái đất và hệ tọa độ vật thể Hệ tọa độ trái đất, được xem như một hệ tham chiếu quán tính, được gọi là hệ ONED (North-East-Down), với hai trục ux và uy hướng về phía bắc và đông.

Để mô tả vị trí và hướng của một quadcopter, cần gắn lên nó một hệ tọa độ vật thể, với gốc tọa độ nằm ở trọng tâm của vật thể Hệ vật thể này có trục OABC, trong đó trục uz hướng xuống mặt đất, giúp xác định chính xác các hướng Bắc và Đông.

Hình 19 Hệ tọa độ quán tính và hệ tọa độ vật thể

Trong lý thuyết điều khiển, việc nhận biết chuyển động của một vật thể yêu cầu phải xác định rõ trạng thái của nó Quadcopter được mô tả với 6 trạng thái cụ thể trong hệ tọa độ OABC.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá ba góc Euler (Roll – Pitch – Yaw) và vận tốc góc quanh các trục x, y, z (P Q R), cùng với sáu trạng thái chưa biết trong hệ tọa độ ONED, bao gồm vị trí trọng tâm [X Y Z] và vận tốc góc tương ứng [U V W] Quadcopter có tổng cộng 12 trạng thái để mô tả 6 bậc tự do (DOF) Nhiệm vụ của chúng ta là phát triển các phương trình chuyển đổi từ hệ tọa độ vật thể sang hệ tọa độ quán tính bằng cách áp dụng một ma trận xoay (R’(ɸ), R’(θ), R’(Ψ)), nhằm thực hiện việc xoay hệ tọa độ vật thể quanh từng trục của hệ tọa độ quán tính.

Gọi vector là vị trí gốc tọa độ của hệ vật thể đối với hệ quán tính:

Nếu ta lấy được từng thành phần của vector hệ vật thể so với hệ quán tính:

Vận tốc ν ’ của Quadrocopter trong hệ quán tính:

Suy ra vận tốc trong hê vật thể:

 (sin  cos cos cosW cos

Vị trí [X Y Z] của Quadrocopter được xác định so với hệ quán tính thông qua việc tính tích phân từ kết quả (2.5) Để thực hiện tích phân này, cần phải biết ba góc Euler [θ ɸ Ψ], trong khi đó các góc Euler lại phụ thuộc vào vận tốc góc của vật thể [P Q R].

Chú ý, góc Euler được tạo thành từ ba phép quay kế

(2.6) tiếp: Roll, Pitch và Yaw.

Trong đó: T là ma trận liên hệ giữa vận tốc góc ⃗ và mức độ thay đổi của các góc Euler.

2.2.1 Động lực học Động lực học là một ngành cơ học nghiên cứu những tác động của lực và moment trên một vật hay hệ vật đang chuyển động

Hình 20 Các các lực và moment tác dụng lên Quadrocopter http://www.udn.vn/

Theo định luật 2 Newton, ta có phương trình chuyển động của vật thể chuyển động tịnh tiến:

[Kg] khối lượng của Quarocopter

[N] vector lực trong hệ trục E

[m/s 2 ] vector gia tốc dài trong hệ trục E [m/s 2 ] vector gia tốc dài trong hệ trục B

[-] đạo hàm ma trận xoay

Các thành phần chuyển động xoay của vật thể tuân theo định luật 2 Newton:

I [Nms 2 ] ma trận quán tính trong hệ trục B

⃗̈ [rad/s 2] vector gia tốc góc trong hệ trục E

[rad/s 2 ] vector gia tốc góc trong hệ trục B

Kết hợp 2 phương trình (2.11) và (2.12), ta được phương trình động lực học tổng quát cho tất cả các khung cứng 6 bậc tự do:

3×3 là ma trận đơn vị, kích thước 3x3

F B và τ B (lực tác dụng và moment xoắn) đặc trưng cho nguyên nhân gây ra chuyển động của Quadrocopter.

2.3 Hệ thống dẫn đường quán tính INS

INS, viết tắt của Hệ thống dẫn đường quán tính (Inertial Navigation System), là công nghệ sử dụng cảm biến vận tốc góc và gia tốc để ước lượng vị trí và vận tốc của các vật thể bay.

Hình 21 Trục tọa độ của hệ thống INS

Phần cốt lõi của hệ thống dẫn đường quán tính (INS) là đơn vị đo quán tính (IMU), bao gồm cảm biến Gyro một trục hoặc ba trục, giúp xác định vận tốc góc nghiêng (Roll), góc chúc (Pitch) và góc hướng (Yaw) trong hệ tọa độ của vật thể bay Bên cạnh cảm biến Gyro, hệ thống còn có thể tích hợp cảm biến gia tốc để đo gia tốc theo ba trục trong hệ tọa độ của vật thể bay.

2.3.2 Phân loại hệ thống dẫn đường quán tính

Có hai loại hệ thống dẫn đường quán tính:

Kiểu thứ nhất – có đế (Gimbal):

Cảm biến Gyro và gia tốc được lắp đặt trên một đế ổn định, được treo trong khung ba bậc tự do Đế này chuyển động độc lập với phương tiện mang, trong khi ba trục tọa độ của nó luôn song song với hệ tọa độ dẫn đường Cảm biến Gyro trên đế đo sai lệch góc so với hệ tọa độ dẫn đường, và đầu ra của nó tạo ra lực moment tác động lên trục cac-dang, giúp duy trì sự ổn định cho đế.

Hệ thống kiểu Gimbal có độ chính xác cao nhờ vào việc sử dụng các cảm biến chính xác và không gắn trực tiếp với vật thể, giúp tín hiệu đo không bị nhiễu Tuy nhiên, nhược điểm của hệ thống này là yêu cầu thiết bị đo phức tạp và đắt tiền, cùng với khối lượng lớn khiến việc hiệu chỉnh và thử nghiệm cục bộ trở nên khó khăn.

Kiểu thứ hai – không đế (Strapdown):

Hệ thống dẫn đường quán tính kiểu thứ hai – không đế (Strapdown) được sử dụng phổ biến nhờ vào việc gắn trực tiếp các cảm biến Gyro và gia tốc lên vật thể, khiến cho các trục cảm biến thay đổi theo hướng chuyển động Cảm biến Gyro xác định tốc độ góc quay của hệ tọa độ liên kết với hệ tọa độ dẫn đường, tuy nhiên, do gắn trực tiếp, các số liệu đo được có sai số lớn hơn so với hệ thống dẫn đường quán tính kiểu đầu tiên Để cải thiện độ chính xác trong việc xác định vị trí và vận tốc của vật thể bay, giá trị đo được có thể được hiệu chỉnh dựa trên vận tốc quay của trái đất.

2.3.3 Các sai số hay gặp trong hệ thống INS

Trong các hệ thống INS, có nhiều loại sai số chủ yếu do cảm biến quán tính gây ra Bảng 2.1 trình bày một số lỗi do cảm biến gia tốc và Gyro tạo ra.

Bảng 1 Lỗi gây ra bởi cảm biến quán tính

2.4 Các tính toán xử lý dữ liệu sơ bộ từ cảm biến

Trong các tính toán dưới đây ta điều giả sử rằng vật gắn thiết bị có tọa độ tuyệt đối là

X b ’Y b ’Z b ’ , trong khi tọa độ của cảm biến ( tọa độ tương đối) là X b Y b Z b :

Mối quan hệ giữa hệ trục tọa độ tuyệt đối và hệ trục tọa độ tương đối được xác định thông qua ma trận chuyển đổi R T xyz, theo công thức 3.4.

 si n cos sin cos cos

2.4.1 Xử lý dữ liệu từ cảm biến trọng trường (accellerometer)

Hình 23 Tính toán góc góc nghiêng từ accelerometer

 Tử accelerometer ta có thể xác định được góc nghiêng của hệ thống bằng cách xác định góc Roll và Pitch.

 Trong hệ tọa độ tương đối X b Y b Z b , ta có các giá trị trong trường hợp cảm biến đặt vuông góc với phương của trọng lực như sau:

Nhưng trong hệ trục tọa độ tuyệt đối ta sẽ đo được các giá trị là Ax, Ay , A z , các giá trị này đã được chuẩn hóa ( normalize).

Thay vào phương trình 3.7 ta được

sin 0 cos sin   0   cos cos1

Từ đây ta có thể suy ra là :

Nếu biểu thức này không thỏa thì cảm biến là không tuyến tính hoặc có sai số trong việc calib.

2.4.2 Xử lý dữ liệu từ cảm biến từ trường

Hình 24 Tính toán góc xoay (Yaw) từ magnetomter

Để xác định góc xoay theo phương ngang (Yaw), chúng ta sử dụng cảm biến từ trường sau khi đã xác định được góc nghiêng nhờ vào cảm biến accelerometer Cách thức thực hiện sẽ được trình bày chi tiết trong phần tiếp theo.

Gọi Mx, My, Mz là các thành phần của vector cường độ từ trường B trên các trục tọa độ tương đối, trong khi M'x, M'y, M'z đại diện cho các giá trị đo được trong hệ tọa độ tuyệt đối.

 Trong hệ tọa độ tuyệt đối thì rõ ràng Yaw sẽ được tính như sau:

 Nếu thiết bị nghiêng theo các góc Roll và Pitch thì ta quy về hệ tọ độ tuyệt đối như sau:

 Thay các công thức 3.2 và 3.3 vào 3.9 ta được các kết quả:

 M’ y = M x sinΦsinθ + M y cosΦ - M z sinΦcosθ

 M’ z = M x cosΦsinθ + M y sinΦ - M z cosΦcosθ

 Công thức 3.8 có các trường hợp như sau:

 Yaw = Ψ = arctan( M’y /M’x) ( nếu Mx >0 và My>0

 Chú ý rằng tương tự như trường hợp cảm biến gia tốc ta cũng có

M’x, M’y, M’z cũng được chuẩn hóa, nghĩa là

Nếu điều này không thỏa nghĩa là đã có nhiều từ các nguồn từ trương khác

2.4.3 Xử lý dữ liệu tử cảm biến vận tốc góc (Gyro)

Việc tính toán số liệu từ cảm biến Gyro khá phức tạp do dữ liệu đầu ra là vận tốc góc Để xác định góc quay chính xác, chúng ta cần thực hiện tích phân theo thời gian.

 Các phương trình dùng để tính vận tốc thay đồi( vi phân) góc Euler từ Gyro

Với Ψ, θ, Φ lần lượt là góc Euler tại thời điểm lấy mẫu trước đó (t-1) Góc Euler tại thời điểm hiện tại được xác định như sau:

Những kết quả đạt được

Với những mục tiêu đề tài đã đặt ra, qua quá trình thực hiện, nhóm đã đạt được những kết quả sau như sau:

 Nghiên cứu một cách tổng thể về nguyên lý và lý thuyết tổng quan nhất về Quadrocopter.

 Nghiên cứu dòng vi điều khiển ARM 32-bit (STM32F4 Discovery).

 Nghiên cứu cách đọc và xử lí tín hiệu từ cảm biến MPU6050.

 Nghiêng cứu thuật toán và chọn thông số cho bộ điều khiển PID dùng để cân bằng Quadrocopter.

 Tìm hiểu và thiết kế giao diện điều khiển trên C++.

 Tìm hiểu về brushless và các điều khiển BLDC qua bộ điều tốc ESC.

 Tìm hiểu nguyên lý của bộ thu phát RFM22B sử dụng giao thức SPI.

 Lắp ráp và thiết kế thêm một số chi tiếp để hoàn thiện khung của Quadrocopter.

 Thiết kế mạch điều khiển bằng phần mềm Orcad.

 Thiết kế tay điều khiển từ xa.

 Xử lí và điều khiển

 Xử lí tín hiệu cảm biến MPU6050 đưa về thông qua bộ lọc bù, sau đó đưa qua bộ điều khiển PID để điều chỉnh tốc độ động cơ.

 Điều khiển được động cơ brushless bằng ESC với tần số 400Hz.

 Qua quá trình bay thử nghiệm, đã thành công trong việc cất cánh nhưng vẫn còn khó để giữ thăng bằng và di chuyển.

Thiết kế giao diện C++ cho phép giao tiếp dữ liệu với máy tính qua board PL2303, giúp vẽ đồ thị và quan sát Người dùng có thể điều chỉnh các thông số PID, throttle và set angle từ máy tính thông qua kết nối dây hoặc truyền không dây RFM22B Dữ liệu được lưu trữ để phục vụ cho việc quan sát và đánh giá.

Sử dụng phần mềm STMStudio để quan sát các biến của Quadrocopter một cách dễ dàng và cũng có thể vẽ được đồ thị.

Những kết quả chưa đạt và biện pháp khắc phục

Chưa ổn định, khoảng cách chưa đạt được như mong muốn -> Sẽ kiểm tra, hiệu chỉnh và nâng cấp module RF có công suất lớn hơn.

 PID controller Đáp ứng chưa tốt, còn dao động quanh vị trí cân bằng -> Sẽ hiệu chỉnh lại các thông số PID để tìm được đáp ứng tốt nhất.

Quadcopter có khả năng di chuyển tới, lui, trái, phải, nhưng việc điều khiển bằng tay gặp khó khăn do hệ thống chưa áp dụng góc Yaw để cân bằng, dẫn đến hiện tượng máy bay quay quanh trục Z khi cất cánh Để cải thiện khả năng điều khiển, cần tích hợp thêm góc Yaw vào hệ thống Bên cạnh đó, việc sử dụng cảm biến áp suất để xác định độ cao cho Quadcopter cũng rất cần thiết.

Hướng phát triển của đề tài

 Tích hợp camera quay phim và chụp ảnh gửi về mặt đất nhằm ứng dụng thăm dò trên không.

Quadrocopter được trang bị hệ thống định vị toàn cầu GPS, cho phép nó tự di chuyển trong không gian mà không cần sự điều khiển của con người Sau khi tự cân bằng, thiết bị có khả năng đến những địa điểm đã được lập trình sẵn một cách chính xác và hiệu quả.

 Áp dụng công nghệ xử lí ảnh để Quadcopter có thể tracking một vật nào đó.

Hiện nay, Việt Nam đang phát triển mô hình công nghệ cao Quadrocopter, mở ra cơ hội nghiên cứu và thương mại hóa sản phẩm này, hứa hẹn mang lại tiềm năng phát triển mạnh mẽ.