Phạm vi nghiên cứu:Thiết kế sơ đồ mạch điện, bộ điều khiển PID cho quadcopterQuadcopter bay được trong môi trường không có nhiễu mạnh như gió toQuadcopter được điều khiển thông qua bộ điều khiển RF MC6C cũng như tự động cân bằngGửi những dữ liệu như góc quay yaw, pitch, roll hiện tại của quadcopter, xung cấp cho từng động cơ, vị trí GPS của quadcopter lên máy chủXây dựng giao diện máy chủ thân thiện với người dùngGiới hạn đề tài:Quadcopter tuy bay được nhưng vẫn bị trôiMặc dù đọc được GPS nhưng vẫn chưa chính xác nếu ở trong một không gian nhỏGửi được thông tin lên máy chủ nhưng chưa nhận được thông tin từ máy chủ gửi về
Trang 1ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN -⸙∆⸙ -
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI: GIÁM SÁT HỆ THỐNG QUADCOPTER
BẰNG IOT
GVHD: Đặng Xuân Ba SVTH: Nguyễn Tâm Điền MSSV: 15151129
Trang 2ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
Tp HCM, ngày 30 tháng 6 năm 2019
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Nguyễn Tâm Điền MSSV: 15151129
Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Hệ đào tạo: Đại học chính quy
- Tìm hiểu về bộ điều khiển PID
- Tìm hiểu về công nghệ IoT và web server
- Xây dựng mô hình quadcopter
- Thiết kế bộ điều khiển PID cho mô hình quadcopter
- Xây dựng web server và lập trình nhận dữ liệu từ quadcopter, hiển thị lêngiao diện người dùng
III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 22/3/2019
IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/6/2019
V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Đặng Xuân Ba
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN
Trang 3ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
1 Tìm hiểu sơ lược hệ thống, tìm hiểu cơ sở lý
thuyết, tài liệu, lựa chọn thiết bị.
2 Mua và lắp ráp mô hình thực tế
- MPU6050, đọc các thông số qua giao thức I2C
- Cách băm xung điều khiển ESC
- Cách đọc tín hiệu từ bộ vô tuyến MC6C
4 Tính toán cơ sở lý thuyết mô hình động lực học
6 - 10 Cho quadcopter bay thử và dò PID để quadcopter
- Cách gửi dữ liệu từ A9G thông qua GPRS lên server
13 Xây dựng server, xây dựng giao diện, lập trình
code để nhận dữ liệu từ client là quadcopter, lập trình để vẽ đồ thị hiển thị dữ liệu từ database nhận từ quadcopter
14 Test chạy dữ liệu thật, phân tích đánh giá độ ổn
định dựa trên dữ liệu thật
15 Hoàn thiện và viết báo cáo
Trang 4ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
TP Hồ Chí Minh, ngày 2 tháng 7 năm 2019
Giáo viên hướng dẫn
TS Đặng Xuân Ba
Trang 5ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
TP Hồ Chí Minh, ngày 5 tháng 7 năm 2019
Giáo viên hướng dẫn
TS Nguyễn Văn Thái
Trang 6ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
Tp HCM, ngày 30 tháng 6 năm 2019
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam kết đề tài này là do tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó vàkhông sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó
Người thực hiện đề tài
Nguyễn Tâm Điền
Trang 7Bên cạnh đó, em cũng xin cảm ơn sâu sắc đến các thầy cô khoa Điện – Điện
tử nói chung và thầy cô bộ môn Tự Động Điều Khiển nói riêng đã giúp đỡ chúng
em các kiến thức liên quan đến đề tài cũng như các kiến thức cơ bản mà thầy cô đãtruyền đạt trong suốt quá trình học tập tại trường
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điềukiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành
đồ án tốt nghiệp
Em xin chân thành cảm ơn!
Người thực hiện đề tài
Nguyễn Tâm Điền
Trang 8ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
MỤC LỤC
Trang bìa i
Nhiệm vụ đồ án ii
Lịch trình iii
Nhận xét của giáo viên hướng dẫn iv
Nhận xét của giáo viên phản biện v
Lời cam đoan vi
Lời cảm ơn vii
Mục lục viii
Liệt kê hình xi
Liệt kê bảng xiii
Tóm tắt xiv
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 2
1.1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 2
1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 5
1.2 MỤC TIÊU 7
1.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 8
1.4 BỐ CỤC 8
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10
2.1 LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN QUADCOPTER 11
2.2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA QUADCOPTER 17
2.2.1 Mô hình động học 17
2.2.2 Mô hình động lực học 22
2.3 LÝ THUYẾT BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 23
2.3.1 Khâu tỉ lệ P 23
Trang 9ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
2.3.2 Khâu tích phân I 24
2.3.3 Khâu vi phân D 24
2.4 LÝ THUYẾT XÂY DỰNG WEB SEVRER 25
2.4.1 Khái niệm về web server 25
2.4.2 Giao thức TCP giữa client và server 26
CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 27
3.1 YÊU CẦU HỆ THỐNG 28
3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 28
3.2.1 Phần cứng của hệ thống 28
3.2.1.1 Arduino Nano 28
3.2.1.2 Arduino Mega Mini 30
3.2.1.3 Khung quadcopter F450 31
3.2.1.4 Cảm biến MPU6050 32
3.2.1.5 ESC Sky walker 4S Lipo 40A 32
3.2.1.6 Động cơ Emax 1000KV 34
3.2.1.7 Mạch GSM GPRS GPS BDS A9G 36
3.2.1.8 Bộ điều khiển MC6C 38
3.2.1.9 Máy tính cá nhân 39
3.2.1.10 Kết nối các phần cứng 40
3.2.2 Thiết kế bộ điều khiển PID cho quadcopter 41
3.2.3.1 Xây dựng web server 43
3.2.3.1.1 Phần mềm XAMPP 43
Trang 10ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG 46
4.1 GIỚI THIỆU 47
4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG 47
4.2.1 Lắp ráp quadcopter 47
4.2.2 Xây dựng phần mềm 52
4.2.3 Xây dựng webserver trên máy tính cá nhân 54
CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 58
5.1 KẾT QUẢ BAY QUADCOPTER 59
5.2 KẾT QUẢ XÂY DỰNG WEB SERVER 60
CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 62
6.1 KẾT LUẬN 63
6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO 64
PHU LỤC 65
Trang 11ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
LIỆT KÊ HÌNH Hình Trang
Hình 1.1.1.1: AEE F50 3
Hình 1.1.1.2: Sci.Aeo cyperQuad 4
Hình 1.1.1.3: AEE F100 5
Hình 1.1.2.1: Quadcopter do kỹ sư Lê Công Danh và nhóm chế tạo 6
Hình 1.1.2.2: Một quadcopter do câu lạc bộ drone chế tạo 7
Hình 2.1.1: Các hướng chuyển động của Quadcopter 11
Hình 2.1.2: Quadcopter bay lên 12
Hình 2.1.3: Quadcopter hạ xuống 13
Hình 2.1.4: Quadcopter bay sang trái 14
Hình 2.1.5: Quadcopter bay sang phải 15
Hình 2.1.6: Quadcopter bay về phía trước 16
Hình 2.1.7: Quadcopter bay về phía sau 17
Hình 2.2.1.1: Hệ quy chiếu E và B 18
Hình 2.2.2.1: Các lực và moment tác dụng lên quadcopter 22
Hình 2.3.1 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID 23
Hình 2.3.1.1: Vị trí của web server trong một hệ thống mạng 25
Hình 2.3.2.1: Giao thức TCP 26
Hình 3.2.1.1.1: Arduino Nano 28
Hình 3.2.1.2.1: Arduino Mega Mini 30
Hình 3.2.1.3.1: Khung quadcopter F450 31
Hình 3.2.1.4.1: Cảm biến MPU6050 32
Hình 3.2.1.5.1: ESC Sky walker 4S Lipo 40A 33
Hình 3.2.1.5.2: Xung PPM 34
Hình 3.2.1.6.1: Động cơ Emax 1000KV 35
Hình 3.2.1.6.2: Cánh quạt gắn với động cơ Emax 1000KV 35
Hình 3.2.1.7.1: Mạch GSM GPRS GPS BDS A9G 36
Trang 12ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Hình 3.2.1.10.1: Sơ đồ kết nối phần cứng 40
Hình 3.2.1.10.2: Sơ đồ kết nối phần cứng và gử dữ liệu lên máy chủ 41
Hình 3.2.2.1: Sơ đồ khối bộ điểu khiển PID trong quadcopter 41
Hình 3.2.2.2: Sơ đồ khối cụ thể bộ điểu khiển PID trong quadcopter 42
Hình 3.2.3.1.1.1: Giao diện điều khiển của XAMPP 43
Hình 3.2.3.1.2.1: Giao diện Sublime 44
Hình 3.2.3.1.3.1: Giao diện phần mềm python IDLE 45
Hình 4.2.1.1: Vị trí MPU trên quadcopter 48
Hình 4.2.1.2: Arduino Mega Mini trên quadcopter 49
Hình 4.2.1.3: Arduino Nano trên quadcopter 50
Hình 4.2.1.4: Board mạch A9G trên quadcopter 51
Hình 4.2.2: Lưu đồ giải thuật của Arduino Nano 52
Hình 4.2.2.1: Trang chủ 55
Hình 4.2.2.2: Trang thành viên 55
Hình 4.2.2.3: Trang giới thiệu về hệ thống 56
Hình 4.2.2.4: Trang giám sát hệ thống 56
Hình 4.2.2.5: Trang bản đồ 57
Hình 5.1.1: Quadcopter bay trong phòng cùng với người điều khiển 59
Hình 5.1.2: Biểu đồ góc Roll thu thập được khi bay 59
Hình 5.1.3: Biểu đồ góc Pitch thu thập được khi bay 60
Hình 5.1.4: Biểu đồ góc Yaw thu thập được khi bay 60
Hình 5.2.1: Một trang web trên web server 61
Trang 14ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
TÓM TẮT
Việc sử dụng máy bay không người lái để khám phá những vùng đất mới,những vùng đất nguy hiểm mà con người không đến được là điều rất cần thiết đểtìm hiểu môi trường tự nhiên Ngoài ra, việc cho máy bay không người lái bay lêncao để quay những thước phim hay quan sát những hình ảnh từ trên cao là rất cầnthiết trong nhiều lĩnh vực như điện ảnh, cứu hoả,… là rất cần thiết Nhận thấy được
tầm quan trọng của nó, em quyết định thực hiện đề tài “Giám sát hệ thống
quadcopter bằng IoT” Ngoài việc xây dựng hệ thống quadcopter, nội dung đề tài
này còn nghiên cứu về IoT, từ đó kết hợp việc lấy dữ liệu từ quadcopter gửi vềmáy chủ sau đó truy xuất ra giao diện người dùng
Trong đề tài này, Arduino Nano sẽ được dùng là vi điều khiển chính cho hệthống quadcopter Arduino Nano sẽ có nhiệm vụ đọc các giá trị cảm biến cũng nhưtín hiệu điều khiển để điểu khiển quadcopter Arduino Mega Mini được sử dụng là
vi điều khiển thứ 2, lấy dữ liệu từ Nano, sau đó giao tiếp với Board mạch A9G rồigửi lên máy chủ thông qua GPRS Xây dựng máy chủ trên chiếc máy tính cá nhân,với phần cứng hợp lý để máy chủ hoạt động ổn định Dùng ngôn ngữ html vàjavascript để thiết kế giao diện trực quan, thân thiện, gần gũi và dễ sử dụng Ngônngữ python được sử dụng để xây dựng thuật toán lấy dữ liệu từ quadcopter và lữutrữ vào database
Trang 15CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
Trang 16Quadcopter là một hệ thống điều khiển tự động có ổn định không cao, đòihỏi người thiết kế phải thiết kế một bộ điều khiển chuẩn xác, tính toán tốt mới cóthể làm cho hệ thống ổn định được.
Cách mạng công nghiệp 4.0 đang diễn ra ở nước ta, phát triển trên 3 trụ cộtchính: trí tuệ nhân tạo; Internet of thing (IoT); robot, 3D, Bigdata Để theo đuổicách mạng công nghiệp 4.0, em quyết định ứng dụng công nghệ IoT vào sản phẩmcủa mình để giám sát, theo dõi độ ổn định và hoạt động của hệ thống
Trước đó đã có những công trình nghiên cứu và chế tạo quadcoter, chẳnghạn như đồ án tốt nghiệp của anh Nguyễn Hải Đăng Tâm và anh Nguyễn Lê NhậtThắng ngành cơ điện tử của trường Đại học Sư phạm kỹ thuật đã nghiên cứu vàchế tạo thành công chiếc quadcoter bay tương đối ổn định, tuy nhiên trong đề tài
ấy không giám sát trực tiếp khi quadcopter bay, đó là lý do em muốn ứng dụng IoTvào đề tài để có thể vừa cho quadcopter bay mà vẫn có thể giám sát hệ thống
Việc giám sát trực tiếp cho chúng ta một kết quả trực quan, ngoài việc quansát bằng mắt khi quadcopter đang bay cũng có thể giúp chúng ta có những số liệu
cụ thể về việc cân bằng của quadcopter khi ở trên không như thế nào
1.1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Quadcopter là một hệ thống máy bay không người lái được rất nhiều người
sữ dụng với nhiều mục đích khác nhau, ví dụ như: do thám, quay nhưng thướcphim từ trên cao,… Đứng trước tình hình quadcopter được yêu chuộng, đã có
Trang 17CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
nhiều hãng sản xuất đã nỗ lực nghiên cứu và phát triển thành công những sản phẩmquadcopter của riêng mình và có những điểm mạnh của riêng minh Sau đây lànhững ví dụ điển hình:
a AEE F50
Hình 1.1.1.1: AEE F50
AEE F50 là một quadcopter được sử dụng chủ yếu bởi cảnh sát hoặc các tổchức tương tự phục vụ cho việc cứu hộ và khảo sát Chiếc quadcopter này có khảnăng bay ở chế độ tự động trong 40 phút ở độ cao 900m và tốc độ 17.7km/h AEEF50 có thể theo dõi các cuộc biểu tình hoặc xác định và ngăn ngừa các cuộc hoảhoạn
Các thông số cơ bản của AEE F50:
- Thời gian bay tối đa: 40 phút
- Tốc độ tối đa: 22m/s
Trang 18Hình 1.1.1.2: Sci.Aeo cyperQuad
Các thông số cơ bản của Sci.Aeo cyberQuad
- Thời gian bay tối đa: 25 phút
Trang 19CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Hình 1.1.1.3: AEE F100
Các thông số cơ bản của AEE F100:
- Thời gian bay tối đa: 70 phút
- Tối độ bay tối đa: 100km/h
- Độ cao bay tối đa: 1500m
1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
a Quadcopter do nhóm kỹ sư Lê Công Danh nghiên cứu
“Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình máy bay lên thẳng bốn chong chóng có khả năng tự cân bằng và di chuyển trong nhà” chính là tên công trình đã
được kỹ sư Lê Công Danh – giảng viên trường đại học Giao thông vận tải TPHCMthực hiện
Trang 20CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Hình 1.1.2.1: Quadcopter do kỹ sư Lê Công Danh và nhóm chế tạo
Chiếc quadcopter này sử dụng chất liệu là nhôm và sợi carbon để bảo đảm
độ nhẹ và tính đàn hồi tốt Thiết kế đơn giản nhưng có mạch điều khiển phức tạp
để có thể giúp những người chưa từng điều khiển quadcopter vẫn có thể điều khiểnđược
Trang 21CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
b Quadcopter do các câu lạc bộ drone chế tạo
Hình 1.1.2.2: Một quadcopter do câu lạc bộ drone chế tạo
Việc chế tạo một máy bay không người lái như quadcopter đối với nhiềungười như là một thú vui Do vậy các câu lạc bộ về drone được thành lập, nhữngthành viên trong câu lạc bộ này luôn tìm tòi, nghiên cứu về chế tạo ra các máy baykhông người lái của riêng minh Tuy nhiên, do chỉ sử dụng những kiến thức đơngiản và những linh kiện có sẵn ngoài thị trường, những chiếc quadcopter này đa sốchỉ mang tính chất bay được và có độ ổn định không cao
Mục tiêu:
- Nghiên cứu động lực học của quadcopter
Trang 22CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
- Gửi dữ liệu về góc quay, xung cấp cho từng động cơ, vị trí quadcopter lênmáy chủ, lưu vào cơ sở dữ liệu
- Phân tích, vẽ đồ thị các thông số từ cơ sở dữ liệu lên giao diện người dùng
1.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
Phạm vi nghiên cứu:
- Thiết kế sơ đồ mạch điện, bộ điều khiển PID cho quadcopter
- Quadcopter bay được trong môi trường không có nhiễu mạnh như gió to
- Quadcopter được điều khiển thông qua bộ điều khiển RF MC6C cũng như
- Quadcopter tuy bay được nhưng vẫn bị trôi
- Mặc dù đọc được GPS nhưng vẫn chưa chính xác nếu ở trong một khônggian nhỏ
- Gửi được thông tin lên máy chủ nhưng chưa nhận được thông tin từ máychủ gửi về
Đồ án được chia thành 6 chương, mỗi chương trình bày lần lượt từ tổngquan đến chi tiết công việc lựa chọn phần cứng, xây dựng đến thi công mô hình.Chi tiết như sau:
- Chương 1: Tổng quan – Giới thiệu về lý do chọn đề tài, mục tiêu và giới
hạn đề tài
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết – Trình bày tổng thể về nền tảng và cơ sở lý
thuyết
Trang 23CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
- Chương 3: Tính toán và thiết kế – Trình bày yêu cầu của hệ thống, lựa
chọn phần cứng, phần mềm và ngôn ngữ để lập trình hệ thống cũng nhưweb server
- Chương 4: Thi công hệ thống – Trình bày hệ thống sau khi thi công và
máy chủ sau khi xây dựng
- Chương 5: Kết quả thực hiện – Trình bày kết quả mà đề tài đã thực hiện
được
- Chương 6: Kết luận và hướng phát triển – Trình bày các mặt hạn chế và
các mặt đạt được, hướng phát triển của đề tài
Trang 24CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Trang 25CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Quadcopter là một hệ thống bay sử dụng 4 cánh quạt lắp đều xung quanh đểnâng hạ, rẻ trái phải, lên xuống hay tiến về phía trước, lui về phía sau Việc điềukhiển tốc độ từng động cơ lắp với cánh quạt sẽ điều khiển được toàn bộquadcopter
Hình 2.1.1: Các hướng chuyển động của Quadcopter
Bốn động cơ với cánh quạt được lắp đặt cân bằng với 4 góc của Quadcopter.Các cặp cánh đối diện quay cùng chiều nhau và ngược chiều với các cánh bêncạnh Trong điều kiện lý tưởng (không có nhiễu), quadcopter muốn nâng hay hạ
Trang 26CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
tốc độ cặp cánh phía trước, tăng tốc độ cặp cánh phía sau, quadcopter sẽ tiến lêntrên Muốn quadcopter lui xuống, ta phải tăng tốc độ cặp cách phía trước, giảm cặpcánh phía sau, quadcopter sẽ lui xuống Muốn quadcopter bay sang trái, ta phảigiảm tốc độ cặp cánh bên trái, tăng tốc độ cặp cánh bên phải Muốn quadcopterbay sang phải, ta phải tăng tốc độ cặp cánh bên trai, giảm tốc độ cặp cánh bên phải.Trong khi đó, góc yaw được điều khiển khi ta thay đổi tốc độ của cặp cánh đốidiện so với cặp cánh bên cạnh, sao cho tổng lực của 4 cánh vẫn không đổi để vẫngiữ độ cao của quadcopter Như vậy, việc điều khiển quadcopter chính là điềukhiển tốc độ các động cơ gắn với cánh quạt
Các chế độ điều khiển cụ thể như sau:
Trang 27CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Hình 2.1.3: Quadcopter hạ xuống
c) Bay sang trái
Hai cặp cánh bên trái sẽ giảm tốc độ và hai cặp cánh bên phải sẽ tăng tốc độ,tốc độ cặp cánh bên trái giảm và tốc độ cặp cánh bên phải tăng phải bằng nhau đểgiữ nguyên độ cao của quadcopter
Trang 28CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Hình 2.1.4: Quadcopter bay sang trái
d) Bay sang phải
Hai cặp cánh bên phải sẽ giảm tốc độ và hai cặp cánh bên trái sẽ tăng tốc độ,tốc độ cặp cánh bên phải giảm và tốc độ cặp cánh bên trái tăng phải bằng nhau đểgiữ nguyên độ cao của quadcopter
Trang 29CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Hình 2.1.5: Quadcopter bay sang phải
e) Bay về phía trước
Hai cặp cánh phía trước sẽ giảm tốc độ và hai cặp cánh phía sau sẽ tăng tốc
độ, tốc độ cặp cánh phía trước giảm và tốc độ cặp cánh phía sau tăng phải bằngnhau để giữ nguyên độ cao của quadcopter
Trang 30CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Hình 2.1.6: Quadcopter bay về phía trước
f) Bay về phía sau
Hai cặp cánh phía sau sẽ giảm tốc độ và hai cặp cánh phía trước sẽ tăng tốc
độ, tốc độ cặp cánh phía sau giảm và tốc độ cặp cánh phía trước tăng phải bằngnhau để giữ nguyên độ cao của quadcopter
Trang 31CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Hình 2.1.7: Quadcopter bay về phía sau
g) Quay sang trái hoặc phải
Hai cặp cánh đối diện sẽ tăng tốc, hai cánh còn lại sẽ giảm tốc, phụ thuộcvào hướng quay của cặp cánh tăng tốc, quadcopter sẽ quay theo hướng đó Tốc độhai cặp cánh tăng và tốc độ hai cặp cánh giảm phải bằng nhau để giữ nguyên độcao của quadcopter
2.2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA QUADCOPTER
Việc tính toán các mô hình toán học của quadcopter chính là cơ sở để xâydựng một mô hình quadcopter hoạt động ổn định nhất
2.2.1 Mô hình động học
Đối với mô hình quadcopter – một hệ thống có các chuyển động với 6 bậc tự
do cần 2 hệ quy chiếu:
- Hệ quy chiếu E: hệ quy chiếu quán tính Trái đất
- Hệ quy chiếu B: hệ quy chiếu gắn với khung quadcopter
Trang 32CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Hình 2.2.1.1: Hệ quy chiếu E và B
- OB : gốc toạ độ với hệ quy chiếu B
- XB : trục hướng về phía trước của quadcopter
- YB : trục hướng qua trái của quadcopter
- ZB : trục hướng lên trên quadcopter
Các vector trong hệ quy chiếu B được định nghĩa như sau:
Vector I-E [m] (vector vị trí dài) được xác định từ OE đến OB :
I−E
Trang 33CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Vector ϕE [rad] (vector vị trí góc) biểu diễn góc xoay của hệ trục B đối với
hệ trục tham chiếu E bằng 3 góc Euler roll, pitch, yaw:
Vector vị trí tổng quát ξ bao gồm vector vị trí I-E và vector góc ϕE:
ξ=[I−E
Các vector trong hệ quy chiếu E được định nghĩa như sau:
Vector VB [m/s] (vector vận tốc dài):
Trang 34CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Xoay quanh trục y1 một góc θ(pitch): R (θ , y )=[ C θ 0 S θ
Trang 35CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Ma trận tổng quát J ϕ=[ R ϕ 03 x3
03 x3 là một ma trận có kích thước 3x3 với tất cả các thông số bằng 0
Mốt quan hệ giữa các vector trong hệ quy chiếu E và hệ quy chiếu B:
- Phương trình liên hệ giữa 2 vector vị trí ξ trong hệ quy chiếu E và vectorvận tốc v trong hệ quy chiếu B là:
Trang 36CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.2.2 Mô hình động lực học
Hình 2.2.2.1: Các lực và moment tác dụng lên quadcopter
Phương trình chuyển động của vật chuyển động tính tiến theo định luật 2newton:
- m[kg] : khối lượng của quadcopter
- F E[N] : vector lực trong hệ quy chiếu E
- ´Γ E[m/s2] : vector gia tốc dài trong hệ quy chiếu E
- V´B[m/s2] : vector gia tốc dài trong hệ quy chiếu B
Các thành phần chuyển động xoay của vật thể theo định luật 2 Newton:
I ´ϕ E=τ E
Trong đó:
Trang 37CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
- I[Nms2] : ma trận quán trính trong hệ quy chiếu B
- ´ϕ E[Rad/s2] : vector gia tốc góc trong hệ quy chiếu E
- ω´B[Ras/s2] : vector gia tốc góc trong hệ quy chiếu B
Từ (2.16) và (2.17), ta được phương trình động lực học tổng quát cho các vậtthể chuyển động 6 bậc tự do:
FB và τB là lực tác dụng và moment gây ra chuyển động cho quadcopter
2.3 LÝ THUYẾT BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
Bộ điều khiển PID là một bộ điều khiển với cơ chế phản hồi vòng điều khiểnđược sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp Bộ điều khiểnPID sẽ tính toán sai số từ đầu vào thực tế so với giá trị đặt mong muốn sau đó điềukhiển đầu ra Bộ điều khiển PID được chia thành ba khâu: khâu tỉ lệ, khâu tíchphân và khâu vi phân
Hình 2.3.1 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID
2.3.1 Khâu tỉ lệ P
Trang 38CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Đầu ra khâu tỉ lệ được biểu diễn theo hàm sau:
Khâu tích phân I phụ thuộc vào tích luỹ các sai số trong quá khứ
Đầu ra của khâu tích phân được biểu diễn theo hàm sau:
- Out : thừa số tích phân đầu ra
- KI : độ lợi khâu tích phân
- Out : thừa số vi phân đầu ra
- KD : độ lợi khâu vi phân
- e : sai số
Trang 39CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Khâu vi phân sẽ giảm tốc độ thay đổi của đầu ra, từ đó có thể giảm độ vọt
lố, tăng tính ổn định của hệ thống Tuy nhiên, khâu vi phân rất nhạy với nhiễu, vớinhiễu hoặc độ lợi khâu vi phân đủ lớn có thể làm cho cả hệ thống mất ổn định
2.4.1 Khái niệm về web server
Web server là một máy chủ lắng nghe tất cả những yêu cầu từ client Khinhận được một yêu cầu từ phía client, nó sẽ xử lý những yêu cầu đó và trả về mộtvài dữ liệu chứa các trang được định dạng với dạng văn bản hoặc hình ảnh Trìnhduyệt web chính là một trong những công cụ để lấy những dữ liệu đó và hiển thịlên thành một giao diện tiện dụng cho người dùng
Web server có thể là phần cứng, nhưng cũng có thể là phần mềm Webserver là nơi lưu trữ tất cả các dữ liệu và thuật toán để khi được đưa ra yêu cầu từphía client, webserver sẽ đáp ứng những yêu cầu đó Yêu cầu của webserver làluôn luôn phải hoạt động để luôn lắng nghe được những yêu cầu từ client
Trang 40CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giao diện của web server (front-end) có thể được lập trình với nhiều ngônngữ, nhưng chủ yếu là ba ngôn ngữ chính: HTML, CSS, và JavaScript Front-end
có nhiệm vụ truy xuất các dữ liệu từ cơ sở dữ liệu (database) để xử lý và hiển thịlên giao diện cho người dùng
Tất cả các dữ liệu được lưu trữ trên máy chủ và thông qua một ứng dụng, đógọi là back-end Back-end chính là cơ sở để duy trì cho front-end có thể hoạt độngđược
2.4.2 Giao thức TCP giữa client và server
Giao thức TCP (Transmission Control Protocol – Giao thức điều khiểntruyền vật) là một trong những giao thức cốt lõi của bộ giao thức TCP/IP Giaothức TCP giúp các máy chủ có thể kết nối với nhau thông qua các địa chỉ IP, qua
đó các máy chủ có thể truyền gói tin và trao đổi dữ liệu Giao thức này đảm bảochuyển giao dữ liệu từ nơi giao đến nơi nhận một cách đáng tin cậy và đúng thứ tự
Ngoài việc các máy chủ giao tiếp với nhau qua giao thức TCP, TCP còn làgiao thức giúp máy chủ có thể giao tiếp với client Qua đó, máy chủ có thể gửi dữliệu hoặc truyền dữ liệu đến client, nhận yêu cầu và đáp ứng yêu cầu với client đó
Để kết nối giao thức TCP, máy chủ và client cần phải biết địa chỉ IP của nhau hoặcchỉ một trong hai biết được địa chỉ IP của đối phương
Hình 2.3.2.1: Giao thức TCP
Người nhận có thể là server hoặc cũng có thể là client, tương tự, người gửi
có thể là client cũng có thể là server