THIẾT KẾ MÁY BAY TRỰC THĂNG MÔ HÌNH 4 CÁNH QUẠT ĐỂ THU THẬP KHÔNG ẢNH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG THIẾT KẾ MÁY BAY TRỰC THĂNG MÔ HÌNH 4 CÁNH QUẠT ĐỂ THU THẬP KHÔNG ẢNH Mã số: T2

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

THIẾT KẾ MÁY BAY TRỰC THĂNG MÔ HÌNH

4 CÁNH QUẠT ĐỂ THU THẬP KHÔNG ẢNH

Mã số: T2013-16

Chủ nhiệm đề tài: TS NGUYỄN CHÁNH NGHIỆM

Cần Thơ, 12/2013

Trang 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

THIẾT KẾ MÁY BAY TRỰC THĂNG MÔ HÌNH

4 CÁNH QUẠT ĐỂ THU THẬP KHÔNG ẢNH

Trang 4

THÀNH VIÊN THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

STT Họ và tên Đơn vị công tác

1 Nguyễn Chánh Nghiệm Bộ môn Tự động hóa – Khoa Công Nghệ

2 Nguyễn Thanh Nhã Bộ môn Tự động hóa – Khoa Công Nghệ

3 Trần Nhựt Thanh Bộ môn Tự động hóa – Khoa Công Nghệ

4 Cao Hoàng Tiến Bộ môn Công nghệ Nông thôn – Khoa Phát triển

STT Tên đơn vị Họ và tên người đại diện đơn vị

1 Bộ môn Tự động hóa, Khoa

Công Nghệ, Đại học Cần Thơ

TS Võ Minh Trí, Trưởng Bộ môn

Trang 6

i

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU v

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii

TÓM TẮT ix

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU xi

PHẦN MỞ ĐẦU 1

1 Tổng quan tình hình nghiên cứu 1

2 Tính cấp thiết của đề tài 2

3 Mục tiêu 3

4 Phương pháp nghiên cứu 3

5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

6 Nội dung nghiên cứu 4

PHẦN KẾT QUẢ 5

CHƯƠNG 1: THIẾT KẾ MÔ HÌNH 7

1.1 Thiết kế khung cho quadrotor 7

1.1.1 Các thiết kế đề xuất 7

1.1.2 Ưu nhược điểm của các thiết kế đề xuất 9

1.2 Thiết kế giá đỡ cho camera 10

1.3 Giải pháp chống rung động 11

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 13

2.1 Động cơ một chiều không chổi than 13

2.2 Cánh quạt 14

2.3 Bộ điều tốc động cơ 16

2.4 Pin lipo 18

2.5 Bộ điều khiển từ xa 19

2.6 Bo mạch điều khiển trung tâm 22

2.6.1 Nguồn điện 22

2.6.2 Các ngõ vào ra 24

2.6.3 Các cảm biến tích hợp trên bo mạch APM 2.5 26

2.7 Phần mềm mission planner 28

2.7.1 Kết nối với board mạch APM 29

2.7.2 Các chế độ bay 31

2.8 Phần mềm điều khiển camera 38

2.8.1 Cài đặt phần firmware CHDK thích hợp cho loại máy ảnh Canon được hỗ trợ 38

2.8.2 Viết chương trình script cho máy ảnh 41

2.8.3 Chuẩn bị dây kết nối máy ảnh với bo mạch APM 44

2.8.4 Thiết lập cấu hình trên Mision Planner 44

Trang 7

Báo cáo tổng kết đề tài NCKH 2013 Đại học Cần Thơ

ii

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 47

3.1 Kết quả 47

3.1.1 Kiểm tra độ rung động của quadrotor 47

3.1.2 Thu thập ảnh sử dụng máy ảnh kỹ thuật số Canon 48

3.2 Thảo luận 48

PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 49

1 Kết luận: 51

2 Kiến nghị: 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

PHỤ LỤC BẢN VẼ THIẾT KẾ QUADROTOR 57

THUYẾT MINH ĐỀ TÀI 69

DANH SÁCH HƯỚNG DẪN LUẬN VĂN ĐẠI HỌC 75

BIÊN NHẬN NỘP NỘP BÀI BÁO 77

Trang 8

iii

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 (a) Mô hình CAD của thiết kế 1 (b) Mô hình thực tế 7

Hình 1.2 (a) Mô hình CAD của thiết kế 2 (b) Mô hình thực tế 8

Hình 1.3 Kẹp nhựa trong (a) mô hình CAD và (b) mô hình thực tế của thiết kế 2 8

Hình 1.4 Mô hình thực tế của quadrotor với thiết kế 3 9

Hình 1.5 Mô hình CAD của giá đỡ máy ảnh 10

Hình 1.6 Mặt trước (a) và mặt sau (b) của giá đỡ máy ảnh 11

Hình 1.7 Tấm cao su chống rung do động cơ 11

Hình 1.8 Dây curoa dùng cách ly rung động với mạch điều khiển 12

Hình 1.9 Nhựa cao su dùng cách ly rung động lên mạch điều khiển 12

Hình 1.10 Mạch điều khiển đã được chống rung động 12

Hình 2.1 Động cơ HiModel A2212/13T 13

Hình 2.2 Sải cánh X và góc pitch Y của cánh quạt 15

Hình 2.3 Cánh quạt FC 10x4.5” 15

Hình 2.4 Bố trí chiều quay của các động cơ 16

Hình 2.5 Điện áp cấp cho ba pha của động cơ BLDC 16

Hình 2.6 Tầng công suất của ESC [15 17

Hình 2.7 ESC HW30A 17

Hình 2.8 Pin Li-Po Wild Scorpion 2800mAh, 35C 19

Hình 2.9 Bộ điều khiển SkyFly 6 kênh 20

Hình 2.10 Bộ phát tín hiệu điều khiển SkyFly FS CT6B và chức năng các kênh 21

Hình 2.11 Bộ thu tín hiệu điều khiển SkyFly FS R6B 21

Hình 2.12 Mạch APM 2.5 và sơ đồ nguồn điện cung cấp 23

Hình 2.13 Cấp nguồn cho bo mạch APM 2.5 sử dụng mô-đun nguồn 3DR 23

Hình 2.14 Các cổng kết nối của bo APM 2.5 24

Hình 2.15 Thiết lập các ngõ vào tín hiệu điều khiển từ xa theo dạng (a) biến điệu độ rộng xung PWM và dạng biến điệu vị trí xung PPM 25

Hình 2.16 Kết nối mô-đun GPS tích hợp cảm biến từ trường với bo APM 25

Hình 2.17 Kết nối tín hiệu điều khiển động cơ cho ESC của quadrotor 26

Hình 2.18 Các chức năng của cổng Analog của bo mạch APM 2.5 27

Hình 2.19 Cảm biến con quay hồi chuyển và gia tốc kế 3 trục MPU 6000 27

Hình 2.20 Cảm biến áp suất khí quyển MS5611-10BA 27

Hình 2.21 La bàn số (HMC5883L-TR) 28

Hình 2.22 Giao diện phần mềm Mission Planner 28

Hình 2.23 Cổng kết nối USB của bo mạch APM 29

Hình 2.24 Kết nối bo mạch APM với phần mềm Mission Planner 29

Hình 2.25 Chọn phần mềm cho bo mạch APM 30

Hình 2.26 Kết nối thành công với Mavlink 30

Hình 2.27 Thiết lập hành trình bay với phần mềm Mission Planner 31

Hình 2.28 Thiết lập các chế độ bay cho APM bằng phần mềm Mission Planner 31

Hình 2.29 Chế độ bay Alt Hold 32

Hình 2.30 Chế độ bay Loiter 33

Hình 2.31 Chế độ bay RTL 34

Hình 2.32 Chế độ bay Auto 35

Hình 2.33 Chế độ bay Circle 36

Hình 2.34 Chế độ bay Position 37

Hình 2.35 Chế độ bay Guided 38

Hình 2.36 Phần mềm STICK tự động tìm phiên bản CHDK phù hợp cho Canon Powershot A550 39

Trang 9

iv

Hình 2.37 Quá trình tải CHDK vào bộ nhớ máy: (a) Chọn Firm Update (b) Thực hiện update

firmware 40

Hình 2.38 Main Menu của CHDK 41

Hình 2.39 Cho phép điều khiển máy ảnh qua cổng USB 41

Hình 2.40 Chương trình script dùng điều khiển chụp ảnh 42

Hình 2.41 Menu chính sau khi cho phép điều khiển từ xa 42

Hình 2.42 Script menu 43

Hình 2.43 Chọn thực thi script “E38_APM.BAS” 43

Hình 2.44 Script “E38_APM.BAS” đã được thực thi 43

Hình 2.45 Cấu hình kiểu tín hiệu cho ngõ A9 của APM: Kiểu Relay (ON/OFF) 44

Hình 2.46 Định nghĩa tín hiệu cho ngõ ra A9 của APM là dùng để kích hoạt camera 45

Hình 3.1 Dữ liệu gia tốc theo trục X, Y, Z trước khi thực hiện giảm rung động 47

Hình 3.2 Dữ liệu gia tốc theo trục X, Y, Z sau khi thực hiện giảm rung động 47

Hình 3.3 Ảnh chụp từ quadrotor: (a) Khoa Công Nghệ và (b) Thư viện Khoa Công Nghệ, Đại học Cần Thơ 48

Trang 10

v

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Khối lượng của các thiết kế đề xuất 9

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của động cơ HiModel A2212/13T 14

Bảng 2.2 Thông số về sức nâng của động cơ HiModel A2212/13T 14

Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật của ESC HW30A 18

Bảng 1.4 Thông số kỹ thuật của Pin LiPo Wild Scorpion 2800mAh 35C 19

Bảng 2.5 Thông số kỹ thuật của bộ phát SkyFly FS CT6B 21

Bảng 2.6 Thông số kỹ thuật của bộ thu SkyFly FS R6B 22

Bảng 2.7 Điện áp yêu cầu khi sử dụng 1 nguồn cấp điện 23

Bảng 2.8 Điện áp yêu cầu khi sử dụng 2 nguồn cấp điện riêng biệt 23

Trang 12

vii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Thuật ngữ viết tắt Diễn giải

BLDC Brushless DC motor

ESC Electronic Speed Control

Li-Po Lithium polymer

AMP ArduPilot Mega

GPS Global Positioning System

CHDK Canon Hack Development Kit

Trang 14

ix

TÓM TẮT

Đề tài “Thiết kế máy bay trực thăng mô hình 4 cánh quạt để thu thập không ảnh” trình bày tổng quát quá trình thiết kế máy bay trực thăng bốn cánh quạt (quadrotor)

cỡ nhỏ có giá đỡ cho máy ảnh kỹ thuật số để thu thập không ảnh Do bản chất quadrotor

có mô hình đơn giản, quadrotor được thiết kế dựa trên các mô hình phổ biến Vấn đề đặc biệt quan tâm là cái nhìn tổng quan về một mô hình quadrotor hoàn chỉnh và các giải pháp thu thập không ảnh dựa trên nền phần mạch điều khiển bay ổn định thông dụng trên thị trường để nhanh chóng triển khai ứng dụng thu thập không ảnh cho quadrotor Ba mô hình thiết kế thực nghiệm cho khung quadrotor và mô hình thiết kế giá đỡ camera được

đề xuất và phân tích Vấn đề chống rung cho các mạch cảm biến được quan tâm và các giải pháp được đề xuất Các giải pháp thu thập ảnh với máy ảnh kỹ thuật số cũng đã được giới thiệu Kết quả ban đầu cho thấy quadrotor đã có thể thu thập không ảnh như yêu cầu đặt ra, mở ra nhiều hướng phát triển ứng dụng quadrotor trong việc thu thập không ảnh một cách tự động Qua quá trình thiết kế, một số điểm hạn chế của mô hình được ghi nhận và các hướng khắc phục được đề ra

ABSTRACT

This research work entitled “Quadrotor design for capturing aerial images” presents a general design process of a small unmaned aerial vehicle called quadrotor for aerial imaging Since quadrotors are simple in design, the proposed quadrotor is designed based on popular quadrotor models The main concern is the general design process concept of a complete quadrotor model and methods of aerial imaging based on stable and popular flight control boards available on the market to put quadrotors into aerial imaging applications Three designs for quadrotor frames and one camera gimbal have been proposed and analized Vibration damping for sensor circuits is tackled and vibration damping methods are proposed Different approaches to aerial image capture have also been introduced Preliminary results showed that the designed quadrotor could

be used to capture aerial images and could be promising for potential aerial imaging applications Limitations of the current quadrotor design have been noted and solutions have also been proposed

Trang 16

xi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

Đơn vị: Khoa Công Nghệ

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Thiết kế máy bay trực thăng mô hình 4 cánh quạt để thu thập không ảnh

- Mã số: T2013-16

- Chủ nhiệm: TS Nguyễn Chánh Nghiệm

- Cơ quan: Khoa Công Nghệ, Trường Đại học Cần Thơ

- Thời gian thực hiện: Từ ngày 01 tháng 04 năm 2013 đến ngày 31 tháng 12 năm

2013

2 Mục tiêu:

- Thiết kế mô hình máy bay trực thăng 4 cánh quạt

- Tích hợp camera để thu thập dữ liệu không ảnh

3 Tính mới và sáng tạo:

- Đây là nghiên cứu đầu tiên về thiết kế hoàn chỉnh một máy bay trực thăng mô hình để phục vụ cho việc thu thập không ảnh tại Đại học Cần Thơ, mở ra nhiều hướng ứng dụng trong khu vực và phục vụ tích cực cho đào tạo

4 Kết quả nghiên cứu:

- Đã thiết kế mô hình máy bay 4 cánh quạt

- Đã nghiên cứu nghi thức giao tiếp giữa thiết bị điều khiển bằng tay với mạch điều khiển máy bay

- Đã nghiên cứu các mạch điều tốc cho máy bay 4 cánh quạt

- Đã nghiên cứu cách tích hợp camera vào máy bay

- Đã xây dựng chương trình giao tiếp camera với mạch điều khiển máy bay

- Đã xây dựng chương trình thu thập và truyền dữ liệu ảnh

- Đã hướng dẫn 02 đề tài luận văn tốt nghiệp đại học

- Đã viết báo cáo khoa học bao gồm báo cáo tổng kết đề tài và gửi bài báo cho Tạp chí Khoa học Đại học Cần Thơ

5 Sản phẩm:

- 01 bản thiết kế mô hình máy bay 4 cánh quạt có tích hợp camera

- 01 chương trình giao tiếp camera với mạch điều khiển

- 01 chương trình thu thập và truyền dữ liệu ảnh

- 02 LVTN đại học

- 01 bài báo gửi cho tạp chí khoa học có mã số ISSN

Trang 17

xii

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:

- Hiệu quả kinh tế - xã hội: Ứng dụng máy bay để quan sát từ trên không hiện trạng tài nguyên thiên nhiên như giám sát cảnh báo cháy rừng, phát hiện lâm tặc, theo dõi tốc độ “trọc hóa” các khu rừng, v.v

- Hiệu quả an ninh - quốc phòng: Ứng dụng trong lĩnh vực cứu nạn như tìm người thất lạc trong rừng, trong các trận bão, lũ quét, v.v Thực hiện trinh thám trong công tác quốc phòng

- Hiệu quả đào tạo: Mở ra hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực điều khiển tự động tại trường Đại học Cần Thơ Nâng cao chất lượng đào tạo ngành Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa, ngành Kỹ thuật Cơ điện tử thông qua việc thiết kế các mô hình bay, xây dựng và áp dụng các giải thuật điều khiển tự động cho các loại máy bay không người lái

- Hiệu quả khoa học: Cung cấp giải pháp thu thập ảnh trên không, hỗ trợ thu thập

dữ liệu trong các lĩnh vực nghiên cứu bảo vệ môi trường, tài nguyên thiên nhiên

Ngày 24 tháng 12 năm 2013 Xác nhận của Trường Đại học Cần Thơ

(ký, họ và tên, đóng dấu) Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên)

Nguyễn Chánh Nghiệm

Trang 18

Coordinator: Dr Nguyen Chanh Nghiem

Implementing institution: College of Engineering Technology, Can Tho University

Duration: from April 1st

, 2013 to December 31st

, 2013

2 Objective(s):

- To design a quadrotor

- To integrate a camera on the quadrotor for capturing aerial

3 Creativeness and innovativeness:

- This is an initiative research on designing a complete quadrotor for capturing aerial images in Can Tho University, which is potential for various applications in the region and can be effectively used for used for a multitude of educational purposes

4 Research results:

- A quadrotor design

- Study on communication protocol between quadrotor central processing unit and remote controller

- Study on Electronic Speed Controller

- Study on integrating a digital compact camera into the quadrotor

- Study and develop an interface protocol between a digital compact camera and quadrotor central processing unit

- Develope image acquisition protocol

- Supervised 02 bachelor theses

- Project report and submission of 01 ISSN journal paper

Trang 19

xiv

- 02 Bachelor theses

- 01 ISSN journal paper submission

6 Effects, technology transfer means and applicability:

- Socio-economics effect: Supervisory and monitoring of natural resources by analyzing aerial images captured by the quadrotor such as monitoring and early warning of forest fire, surveillance of illegal logging, deforestation monitoring, etc

- Public safety and national defense effect: Search and rescue of victims of tropical

cyclones or floods, detective missions

- Educational effect: Initiate a new research theme in automation and control in Can Tho University, promote Mechatronics education with design of unmanned aerial vehicles (UAV) and development and implementation of various control algorithms for these UAV models

- Scientific effect: Provide another approach in aerial image capture, data acquisition for studies on environmental and natural resources conservation

Trang 20

1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

Máy bay trực thăng 4 cánh quạt (quadrotor) là một trong số các phương tiện bay không người lái đã được nghiên cứu và phát triển từ lâu vì có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh đặc biệt là lĩnh vực cứu hộ ở những môi trường nguy hiểm Về mặt điều khiển tự động, nhiều nghiên cứu đã mô hình hóa và đề xuất nhiều giải thuật điều khiển khác nhau cho loại máy bay này [1-3] Về mặt ứng dụng, máy bay cũng được tích hợp hệ thống định vị GPS [4] để có thể hoạt động một cách tự động trong khoảng không gian rộng Loại máy bay 4 cánh quạt này đã được nhiều công ty phát triển và đưa ra thành sản phẩm thương mại không chỉ những phục vụ cho ngành công nghiệp giải trí mà còn phục vụ cho việc thực tập, nghiên cứu dưới dạng những

bộ thí nghiệm [5-7]

Trang 21

2

Trong thời gian gần đây, việc nghiên cứu và ứng dụng máy bay trực thăng 4 cánh quạt trong nước bắt đầu được quan tâm Năm 2011, mô hình động lực học của loại máy bay được giới thiệu và mở đầu cho hướng nghiên cứu này tại các học viện và trường đại học trong cả nước [8] Một số đề tài nghiên cứu khoa học trong sinh viên đã được triển khai để thiết kế các

mô hình máy bay này [9] Gần đây nhất, hệ thống điều khiển, thu thập và xử lý thông tin của loại máy bay này được nghiên cứu và xây dựng cho các ứng dụng trong lĩnh vực nhà thông minh và quân sự [10] Tuy nhiên, vấn đề thiết kế máy bay 4 cánh quạt để thu thập không ảnh vẫn chưa được thực hiện Vì vậy, đề xuất thiết kế máy bay trực thăng mô hình 4 cánh quạt để thu thập không ảnh là bước đầu tiên để đưa loại máy bay này vào thực tế ứng dụng, tiến tới làm chủ công nghệ thiết kế máy bay không người lái để thu thập không ảnh với khả năng tự định vị phục vụ cho nhiều lĩnh vực khoa học và xã hội như bảo vệ tài nguyên rừng, các công tác cứu

hộ, an ninh quốc phòng, v.v

2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Việc sử dụng máy bay trực thăng để giám sát và bảo vệ các nguồn tài nguyên như tài nguyên rừng, động vật hoang dã mang lại hiệu quả kinh tế cao Trong công tác cứu hộ, máy bay trực thăng đóng vai trò quan trọng trong việc tìm kiếm các nạn nhân trong các trận lũ quét, sau những cơn mưa bão Tuy nhiên, chi phí sử dụng, bảo trì cao và đòi hỏi thời gian huấn luyện phi công lâu dài

Để giảm thiểu chi phí trên, việc sử dụng máy bay dạng mô hình 4 cánh quạt có thiết kế nhỏ gọn đang thu hút nhiều sự quan tâm Loại máy bay này có thể được điều khiển từ xa thông qua thiết bị điều khiển bằng tay Để có thể ứng dụng máy bay này thật hiệu quả trong nhiều lĩnh vực như giám sát và bảo vệ các nguồn tài nguyên và môi trường, an ninh quốc phòng, máy bay cần phải có khả năng thu thập được không ảnh tại những vị trí mong muốn

Chính vì vậy, nhu cầu cấp thiết đặt ra là nghiên cứu thiết kế máy bay trực thăng 4 cánh quạt với khả năng thu thập ảnh Điều này được hiểu như là thiết kế máy bay 4 cánh quạt, tích hợp camera để thu thập không ảnh, xây dựng phần mềm giao tiếp giữa các thiết bị, bước đầu trong việc tiến tới tích hợp thiết bị định vị GPS và xây dựng chương trình điều khiển bay tự động theo hành trình định trước Đề tài hứa hẹn mang lại nhiều ứng dụng khả thi và hiệu quả trong nhiều lĩnh vực và mở ra hướng nghiên cứu mới cho chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa cũng như chuyên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử trong việc điều khiển máy bay không người lái

Trang 22

3

Đề tài được thực hiện sẽ mang lại những hiệu quả sau:

- Hiệu quả kinh tế - xã hội: Ứng dụng máy bay để quan sát từ trên không hiện trạng tài nguyên thiên nhiên như giám sát cảnh báo cháy rừng, phát hiện lâm tặc, theo dõi tốc độ

“trọc hóa” các khu rừng, v.v

- Hiệu quả an ninh - quốc phòng: Ứng dụng trong lĩnh vực cứu nạn như tìm người thất lạc trong rừng, trong các trận bão, lũ quét, v.v Thực hiện trinh thám trong công tác quốc phòng

- Hiệu quả đào tạo: Mở ra hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực điều khiển tự động tại trường Đại học Cần Thơ Nâng cao chất lượng đào tạo ngành Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa, ngành Kỹ thuật Cơ điện tử thông qua việc thiết kế các mô hình bay, xây dựng

và áp dụng các giải thuật điều khiển tự động cho các loại máy bay không người lái

- Hiệu quả khoa học: Cung cấp giải pháp thu thập ảnh trên không, hỗ trợ thu thập dữ liệu trong các lĩnh vực nghiên cứu bảo vệ môi trường, tài nguyên thiên nhiên

3 MỤC TIÊU

- Thiết kế mô hình máy bay trực thăng 4 cánh quạt

- Tích hợp camera để thu thập dữ liệu không ảnh

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp tổng hợp tài liệu:

- Tìm hiểu các thành phần mạch điện, cơ điện cơ bản của quadrotor như động cơ, mạch điều tốc động cơ, cánh quạt, pin, v.v

- Chọn lựa các thông số phù hợp cho các thành phần cơ bản của quadrotor

Phương pháp thực nghiệm:

- Thiết kế thử nghiệm phần cơ khí bao gồm phần khung quadrotor và giá đỡ camera

- Sử dụng các loại vật liệu khác nhau trong quá trình gia công phần cơ khí của quadrotor

- Sử dụng máy ảnh kỹ thuật số để thu thập không ảnh

- Viết một số chương trình giao tiếp, thiết lập cấu hình cho chương trình điều khiển quadrotor

5 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đề tài tập trung nghiên cứu thiết kế một máy bay trực thăng mô hình 04 cánh quạt có khả năng thu thập không ảnh Vì thế, đề tài không nhấn mạnh đến phần mô hình hóa để từ đó đưa

Trang 23

4

ra bộ thông số tối ưu cho phần thiết kế cơ khí mà chỉ thiết kế thử nghiệm dựa vào các mô hình máy bay trực thăng 04 cánh quạt phổ biến với kích thước quadrotor trong khoảng 500x500mm

6 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Các nội dung nghiên cứu mà đề tài hướng đến gồm:

- Thiết kế mô hình máy bay 4 cánh quạt

- Nghiên cứu nghi thức giao tiếp giữa thiết bị điều khiển bằng tay với mạch điều khiển máy bay

- Nghiên cứu các mạch điều tốc cho máy bay 4 cánh quạt

- Nghiên cứu cách tích hợp camera vào máy bay

- Xây dựng chương trình giao tiếp camera với mạch điều khiển máy bay

- Xây dựng chương trình thu thập và truyền dữ liệu ảnh

- Hướng dẫn 02 đề tài luận văn tốt nghiệp đại học

- Viết báo cáo khoa học bao gồm báo cáo tổng kết đề tài và bài báo gửi tạp chí trong nước

có mã số ISSN

Trang 24

5

PHẦN KẾT QUẢ

Trang 25

Trang 26

7

CHƯƠNG 1: THIẾT KẾ MÔ HÌNH

1.1 THIẾT KẾ KHUNG CHO QUADROTOR

Quadrotor là một dạng máy bay trực thăng mà khả năng cất cánh nhờ vào lực nâng của bốn động cơ được đặt đối xứng qua tâm của máy bay và được bố trí trên cùng một mặt phẳng Vì vậy, khung quadrotor gồm hai thành phần cơ bản: Bốn cánh tay cho quadrotor với một động cơ được gắn ở mỗi đầu cánh tay và phần kết nối với đầu không gắn động cơ của bốn cánh tay Để đảm bảo lực nâng đồng đều, dễ điều khiển và khai thác hiệu quả cả bốn động cơ, quadrotor cần được thiết kế sao cho trọng tâm của quadrotor nằm gần tâm Vì vậy, các cánh tay của quadrotor thường được thiết kế giống nhau và được bố trí đối xứng qua tâm của quadrotor Ngoài yêu cầu

về tính đối xứng, khung quadrotor cần phải nhẹ để giảm thiểu tiêu hao năng lượng khi bay nhưng phải đủ cứng chắc để có thể tải được các thiết bị điều khiển

1.1.1 Các thiết kế đề xuất

Từ những yêu cầu trên, ba thiết kế khung cơ khí phụ thuộc vào hai loại vật liệu khác nhau

đã được đề xuất thử nghiệm như sau:

1.1.1.1 Thiết kế 1

Trong thiết kế này, khung của quadrotor được gia công bằng vật liệu nhôm phổ biến trên thị trường Mỗi cánh tay quadrotor được gia công bằng thanh vật liệu hợp kim nhôm có kích thước 12x20x230mm Động cơ được lắp trực tiếp lên cánh tay quadrotor Phần kết nối cánh tay quadrotor là một bảng mạch in có kích thước 110x110x3mm Phần kết nối khá bền và chịu lực tương đối tốt vì lớp đồng trên bảng mạch in được giữ lại có tác dụng làm giảm độ dẻo nhưng lại tăng độ cứng cho bảng mạch Với thiết kế này khoảng cách giữa 2 động cơ đặt đối xứng nhau là 460mm Mô hình CAD của thiết kế này và mô hình thực tế được thể hiện ở Hình 1.1

Hình 1.1 (a) Mô hình CAD của thiết kế 1 (b) Mô hình thực tế

Trang 27

8

1.1.1.2 Thiết kế 2

Trong thiết kế này, vật liệu nhựa gia cường bằng sợi carbon (sau đây gọi tắt là vật liệu sợi carbon) được sử dụng để chế tạo cánh tay quadrotor và phần kết nối Mỗi cánh quadrotor được tạo thành bằng các ống vật liệu sợi carbon có kích thước 14OD x 16ID x 250mm Phần kết nối

có dạng như Hình 1.2a với khoảng cách giữa 2 đầu kết nối với từng cặp động cơ đối xứng nhau

là 20mm Do cánh tay quadrotor có dạng ống, hai kẹp nhựa và một bản sợi carbon được sử dụng để làm đế gắn động cơ lên cánh tay quadrotor (Hình 1.3) Hai kẹp nhựa loại này cũng được sử dụng để liên kết cánh tay quadrotor với phần kết nối ở giữa quadrotor Với thiết kế này khoảng cách giữa 2 động cơ đặt đối xứng nhau là 504mm

Hình 1.3 Kẹp nhựa trong (a) mô hình CAD và (b) mô hình thực tế của thiết kế 2

Với việc sử dụng vật liệu sợi carbon, thiết kế này cũng có ưu điểm là gọn nhẹ, và có độ bền cao hơn đối với các chấn động trong quá trình bay thử nghiệm so với thiết kế 1 Tuy nhiên, chi phí cho nguyên vật liệu và quá trình gia công cao

Trang 28

9

1.1.1.3 Thiết kế 3

Thiết kế này hoàn toàn giống với thiết kế 2 nhưng vật liệu sử dụng để gia công cánh tay quadrotor là hợp kim nhôm thông dụng trên thị trường Hình 1.4 là mô hình thực tế của quadrotor với thiết kế này

Ưu điểm của thiết kế này là vật liệu nhẹ, chi phí thấp, thời gian gia công nhanh Tuy nhiên, thiết kế này có độ bền không cao bằng thiết kế 2 khi chịu tác động va đập mạnh

Hình 1.4 Mô hình thực tế của quadrotor với thiết kế 3

1.1.2 Ưu nhược điểm của các thiết kế đề xuất

Khối lượng khung quadrotor của các thiết đề xuất được liệt kê ở Bảng 1.1 Quadrotor với thiết kế 1 có khối lượng nhỏ nhất nhưng lại có độ bền cơ học kém, dễ biến dạng khi chịu chấn động mạnh Thiết kế 2 và thiết kế 3 có khối lượng tương đương vì lượng vật liệu sử dụng làm cánh tay quadrotor (vật liệu sợi carbon trong thiết kế 2 và hợp kim nhôm trong thiết kế 3) không nhiều và khối lượng riêng của các vật liệu gần bằng nhau

Bảng 1.1 Khối lượng của các thiết kế đề xuất

Thông số Khung hoàn chỉnh (gram) Kẹp nhựa sử dụng (gram) Tổng khối lượng (gram)

Trang 29

10

động mạnh lúc quadrotor va chạm vật cản hay tiếp đất Nhược điểm của thiết kế này là sử dụng mỗi cánh tay cần 02 kẹp nhựa để làm đế gắn động cơ và 02 kẹp nhựa để liên kết với phần kết nối Mỗi kẹp nhựa có khối lượng 20 gram nên làm tăng tổng khối lượng của khung quadrotor 1.2 THIẾT KẾ GIÁ ĐỠ CHO CAMERA

Để tiết kiệm chi phí, đề tài sử dụng loại máy ảnh kỹ thuật số thông dụng để quay phim hay thu thập không ảnh khi quadrotor đang bay Một giá đỡ cho camera cần được thiết kể để gắn với phần kết nối của quadrotor Để việc thu thập dữ liệu không ảnh được tốt, giá đỡ cho caemra cần được thiết kế gọn nhẹ, chắc chắn, và có thể điều khiển giữ ổn định camera Trong quá trình hoạt động, quadrotor có thể thay đổi góc pitch (góc nghiêng theo phương trước-sau) và góc roll (góc nghiêng theo phương trái-phải) để định hướng và giữ cân bằng dẫn đến thay đổi góc và hướng của máy ảnh Vì vậy, giá đỡ cho camera cần được thiết kế có ít nhất hai trục tự do để điều khiển giữ ổn định máy ảnh theo góc pitch và góc roll

Hình 1.5 là mô hình CAD của giá đỡ máy ảnh Hai động cơ DC servo được sử dụng để giữ

ổn định góc pitch và roll của máy ảnh (Hình 1.6) Giá đỡ của máy ảnh được thiết kế bằng vật liệu sợi carbon Phần ghép nối với các động cơ DC servo và đế gắn máy ảnh được xẻ rãnh để

có thể điều chỉnh sao cho trọng tâm của quadrotor sau khi lắp máy ảnh nằm gần trục thẳng đứng của quadrotor nhất Mô hình thực tế có khối lượng là 210 gram bao gồm khối lượng của hai động cơ servo Towerpro MG996R (Khối lượng 55 gram/động cơ)

Chi tiết được xẻ rãnh

Hình 1.5 Mô hình CAD của giá đỡ máy ảnh

Trang 30

11

Động cơ DC servo giữ ổn định góc roll

Động cơ DC servo giữ ổn định góc pitch

Thay vì gắn mạch cảm biến trực tiếp lên một tấm giá đỡ, mạch cảm biến được treo vào bốn thanh trụ trên giá đỡ bằng dây curoa (Hình 1.8) để giúp cách ly rung động Tấm giá đỡ này được nối với phần kết nối của quadrotor thông qua các ống nhựa hình trụ để tiếp tục làm giảm rung động từ thân quadrotor truyền lên mạch cảm biến (Hình 1.9)

Hình 1.7 Tấm cao su chống rung do động cơ

Trang 31

12

Hình 1.8 Dây curoa dùng cách ly rung động với mạch điều khiển

Hình 1.9 Nhựa cao su dùng cách ly rung động lên mạch điều khiển

Hình 1.10 Mạch điều khiển đã được chống rung động

Trang 32

13

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

2.1 ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN

Động cơ một chiều không chổi than (brushless DC motor hay BLDC) là một loại động cơ thuộc nhóm động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu được cấp nguồn điện 3 pha để tạo từ trường quay thông qua bộ nghịch lưu từ nguồn điện DC Loại động cơ này có kích thước nhỏ, có hiệu suất cao, và có thể vận hành ở tốc độ cao [11]

Các thông số kỹ thuật chính cần quan tâm khi chọn động cơ BLDC bao gồm:

- Thông số KV là vòng quay của động cơ trên 1 Volt ở chế độ không tải

- Dòng không tải Io (A): Cường độ dòng điện khi động cơ chạy không tải với tốc độ lớn nhất Thông số này càng lớn thì khả năng tải của động cơ càng lớn và công suất tiêu hao càng lớn

- Running current (A): Dòng điện hoạt động liên tục của động cơ, đảm bảo động cơ an toàn khi hoạt động trong phạm vi dòng điện này

- Max current (A): dòng điện tối đa mà động cơ có thể chịu được Khi hoạt động quá dòng này, động cơ sẽ bị nóng và có thể hư

- Thrust (gram): Khả năng nâng tải của động cơ

Động cơ được sử dụng cho quadrotor là loại HiModel A2212-13T (Hình 2.1) với các thông

số kỹ thuật được cho trong Bảng 2.1

Hình 2.1 Động cơ HiModel A2212/13T [12]

Trang 33

14

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của động cơ HiModel A2212/13T [12]

Dòng điện với hiệu suất cực đại 4-10A (>75%)

Bảng 2.2 Thông số về sức nâng của động cơ HiModel A2212/13T [12]

HiModel Static Thrust Real Test Report Voltage Prop Current(A) Typical Current(A) Peak Thrust(g) Typical Thrust(g) Max RPM/V Resistance(Ω) Internal

11.1V

GWS Direct Drive 9x4.7

0.137

Sức nâng của loại động cơ này được cho ở Bảng 2.2 Do nguồn pin sử dụng cho quadrotor

là pin LIPO 3 cell và cánh quạt sử dụng là loại FC 10x4.5” nên sức nâng tối đa của động cơ nằm vào khoảng 730 đến dưới 915 gram

- Góc nghiêng: là bước tiến của cánh quạt khi cánh quạt quay 1 vòng như Hình 2.2 Góc pitch càng lớn thì lực đẩy càng lớn, do đó để tăng lực đẩy của cánh quạt cần chọn thông số này cũng như sải cánh phải lớn

Trang 34

Để triệt tiêu mô men xoắn của các động cơ sinh ra trong quá trình hoạt động cần cho hai động cơ đối diện quay cùng chiều và ngược chiều với động cơ bên cạnh Cánh quạt loại thuận hay nghịch chiều kim đồng hồ được chọn dựa vào chiều quay của động cơ như Hình 2.4

Hình 2.2 Sải cánh X và góc pitch Y của cánh quạt [13]

Hình 2.3 Cánh quạt FC 10x4.5” [14]

Trang 35

Để quay động cơ BLDC, các cuộn dây ở stator được cấp điện theo một tuần tự nhất định (Hình 2.5) Điều này đòi hỏi phải biết vị trí rotor để biết cuộn dây nào cần được cấp nguồn Thông thường sức điện động cảm ứng từ motor hoặc tín hiệu từ cảm biến Hall đặt ở stator được sử dụng để xác định vị trí rotor [11] Tốc độ của động cơ được thay đổi bằng cách thay đổi độ rộng xung (PWM) cấp cho các transitor ở tầng mạch công suất (Hình 2.6) [16]

Hình 2.5 Điện áp cấp cho ba pha của động cơ BLDC [15]

Trang 36

Trang 37

Các thông số quan trọng để chọn pin Li-Po gồm:

- Dung lượng pin (mAh) là đại lượng đặc trưng cho thời gian cấp dòng của pin Loại pin có dung lượng lớn có khả năng cấp dòng trong thời gian dài hơn nhưng khối lượng pin lớn hơn Ví dụ: Loại pin có dung lượng 2800mAh về mặt lý thuyết có thể cấp dòng 2800mA trong vòng một giờ

- Khả năng cấp dòng liên tục (C) được tính bằng bội số với dung lượng pin Ví dụ: Loại pin có dung lượng 1000mAh, 30C sẽ có thể cấp dòng tối đa 1000mA x 30 = 30000mA Pin có hệ số C lớn sẽ có tuổi thọ cao hơn Ví dụ: Loại pin 30C sẽ có tuổi thọ cao hơn pin 20C khi cùng cấp dòng xả 20C [18]

- Số cell (S) ghép nối tiếp của pin, đặc trưng cho điện thế pin có thể cung cấp Thông thường, mỗi 1 cell có điện áp 3.7V Các cell có thể được ghép nối tiếp để tăng điện thế cần cung cấp hoặc có thể được ghép song song để tăng dung lượng pin Li-Po Ví dụ: Pin LiPo 3S có điện thế là 3.7V x 3 = 11.1V

Thông thường pin cần phải được sạc khi điện thế mỗi cell giảm xuống 3.2V Điện thế của cell khi sạc đầy điện thường là 4.2V Vì vậy không sạc pin khi cell vượt quá 4.2V [18] Để sạc pin Li-Po, cần phải sử dụng một mạch sạc tốt để giảm độ chênh lệch áp giữa các cell và chọn được cường độ dòng sạc nhằm giữ được tuổi thọ sử dụng pin Thông thường dòng sạc thường nằm trong giới hạn 1C và dòng sạc thường chọn không quá 1A

Do động cơ sử dụng cho quadrotor có dòng hoạt động liên tục nhỏ hơn 10A và dòng cực đại 12A Nguồn điện cần cần có khả năng cấp dòng ít nhất là 40A và cấp dòng lớn tức thời là 48A Trong mô hình này, 2 viên pin Li-Po Wild Scorpion 2800mAh, 35C được chọn (Hình 2.8) Thông số kỹ thuật của pin được liệt kê ở Bảng 2.4 Dung lượng pin 2800mAh cho

Trang 38

19

phép cấp nguồn cho 4 động cơ hoạt động liên tục với dòng 10A (theo lý thuyết) trong thời gian (2800mAh x 2) / 40A = 0.14 h hay 8.6 phút

Hình 2.8 Pin Li-Po Wild Scorpion 2800mAh, 35C [19]

Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật của Pin LiPo Wild Scorpion 2800mAh 35C [19]

Kích thước 24mm x 34mm x 116mm

Mỗi bộ điều khiển có một số lượng kênh nhất định trong đó một số kênh điều khiển được cài đặt sẵn cho những mục đích điểu khiển cần thiết như ga (throttle), điều khiển góc roll, pitch, yaw Một số kênh còn lại có thể được dùng để chuyển chế độ bay hay các mục đích khác như chụp ảnh, điều khiển góc nghiêng cho máy ảnh gắn trên máy bay, v.v Một số bộ điều khiển khác như DX8 (Spektrum) [20] còn có chức năng telemetry (kiểm tra, giám sát từ xa) hiển thị

Trang 39

20

lên màn hình LCD thông tin cảm biến như nhiệt độ, điện thế của pin, chất lượng tín hiệu điều khiển, tốc độ động cơ

Đề tài sử dụng bộ điều khiển SkyFly 6 kênh (Hình 2.9) để đáp ứng các yêu cầu điều khiển

từ xa cơ bản gồm điều khiển ga (throttle), điều khiển góc roll, pitch, yaw; và chọn chế độ bay (Hình 2.10) Một kênh điều khiển còn dư có thể được dùng để điều khiển máy ảnh kỹ thuật số dùng để thu thập không ảnh trong khi quadrotor hoạt động trên không

Bộ điều khiển gồm một bộ phát tín hiệu SkyFly FS CT6B (Hình 2.10) và một bộ thu tín hiệu điều khiển vô tuyến SkyFly FS R6B (Hình 2.11) Thông số của bộ phát và bộ thu tín hiệu điều khiển được liệt kê ở Bảng 2.4 và Bảng 2.5

Hình 2.9 Bộ điều khiển SkyFly 6 kênh [21]

Trang 40

21

Hình 2.10 Bộ phát tín hiệu điều khiển SkyFly FS CT6B và chức năng các kênh [21]

Hình 2.11 Bộ thu tín hiệu điều khiển SkyFly FS R6B [21]

Bảng 2.5 Thông số kỹ thuật của bộ phát SkyFly FS CT6B [21]

Định dạng
Số trang	96
Dung lượng	6,87 MB