Thiết kế và chế tạo mô hình quadcopter để thu thập không ảnh

Trái ngược với trực thăng bạn thường thấy với với chỉ một bộ rotor cánh quạt được định hướng theo chiều dọc còn quadcopter thì theo chiều ngang Hình 1.1: Quadcopter Quadcopter thường sử

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH QUADROCOPTER

ĐỂ THU THẬP KHÔNG ẢNH

Ngành : Kỹ thuật Cơ - Điện tử

Chuyên ngành: Cơ Điện Tử

Giảng viên hướng dẫn : ThS Nguyễn Thanh Bình

Sinh viên thực hiện :

Nguyễn Hiếu Nghĩa 1311030137 Nguyễn Trung Tuấn 1311030239

TP Hồ Chí Minh, 2017

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH QUADROCOPTER

ĐỂ THU THẬP KHÔNG ẢNH

Ngành : Kỹ thuật Cơ - Điện tử

Chuyên ngành: Cơ Điện Tử

Giảng viên hướng dẫn : ThS Nguyễn Thanh Bình

Sinh viên thực hiện :

Nguyễn Hiếu Nghĩa 1311030137 Nguyễn Trung Tuấn 1311030137

TP Hồ Chí Minh, 2017

ĐỒ ÁN/ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

(GVHD nộp Bản nhận xét này về Văn phòng Viện)

1 Họ và tên sinh viên/ nhóm sinh viên được giao đề tài (sĩ số trong nhóm……):

(1) MSSV: ……… Lớp:

(2) MSSV: ……… Lớp:

(3) MSSV: ……… Lớp:

Ngành :

Chuyên ngành :

2 Tên đề tài:

3 Tổng quát về ĐA/KLTN: Số trang: Số chương:

Số bảng số liệu: Số hình vẽ:

Số tài liệu tham khảo: Phần mềm tính toán:

Số bản vẽ kèm theo: Hình thức bản vẽ:

Hiện vật (sản phẩm) kèm theo:

4 Nhận xét: a) Về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên:

b) Những kết quả đạt được của ĐA/KLTN:

c) Những hạn chế của ĐA/KLTN:

5 Đề nghị: Được bảo vệ (hoặc nộp ĐA/KLTN để chấm)  Không được bảo vệ  TP HCM, ngày … tháng … năm ………

Giảng viên hướng dẫn

(Ký và ghi rõ họ tên)

ĐỒ ÁN/ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

(GVPB nộp Bản nhận xét này về Văn phòng Viện)

1 Họ và tên sinh viên/ nhóm sinh viên được giao đề tài (sĩ số trong nhóm……):

(1) MSSV: ……… Lớp:

(2) MSSV: ……… Lớp:

(3) MSSV: ……… Lớp:

2 Tên đề tài:

3 Nhận xét: a) Những kết quả đạt được của ĐA/KLTN:

b) Những hạn chế của ĐA/KLTN:

4 Đề nghị: Được bảo vệ  Bổ sung thêm để bảo vệ  Không được bảo vệ  5 Các câu hỏi sinh viên cần trả lời trước Hội đồng: (1)

(2)

(3)

TP HCM, ngày … tháng … năm ………

Giảng viên phản biện

(Ký và ghi rõ họ tên)

Chúng em xin cam đoan các kết quả thực nghiệm đạt được trong đồ án này

do chúng em tự tìm hiểu phân tích một cách trung thực và khách quan nhất Các kết quả này chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác Nếu phát hiện bất kỳ sự gian lận nào chúng em xin hoàn toàn chịu trách nhiêm về nội dung đồ án mình

Tp Hồ Chí Minh,ngày tháng năm

Sinh Viên Thực Hiện

Nguyễn Hiếu Nghĩa Nguyễn Trung Tuấn

Trước tiên chúng em xin được gửi lời cảm ơn trân trọng và sâu sắc đến thầy

ThS Nguyễn Thanh Bình, giảng viên VIỆN KỸ THUẬT HUTECH - người đã

hết sức tạo điều kiện và tận tính hướng dẫn, góp ý, chỉ bảo động viên chúng em trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện đồ án này

Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng góp

ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè

Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô trường ĐẠI HỌC CÔNG

NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH đã dạy dỗ cho em kiến thức về các môn đại cương

cũng như các môn chuyên ngành, giúp em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành khoá luận tốt nghiệp

Tp Hồ Chí Minh,ngày tháng năm

Sinh Viên Thực Hiện

Nguyễn Hiếu Nghĩa Nguyễn Trung Tuấn

lifted by four rotors on a cross- shaped frame

We succeeded in building a Quadrocopter with stiff and lightweight structure Our Quadrocopter’s in-fight dynamics was measured via an IMU (Inertial Measurement Unit) which equipped with a dual- axis gyroscope and three axis tilt- sensor A microcontroller took these sensor’s inputs and performed PID control algorithm on the four motors by varying PWM signals sent to each of the motors

Mô hình được xây dựng thoả mãn cả 2 yếu tố là nhẹ và chắc chắn Những chuyển động của mô hình được đo đạc thông qua bộ IMU (Intertial Measurement Unit, còn gọi là bộ đo lường quán tính) bao gồm một con quay hồi chuyển hai trục và cảm biên độ nghiêng ba trục và đưa về vi điều khiên thực hiện thuật toán điều khiển PID cho 4 động cơ thông qua phương pháp điều khiển chế độ rộng xung PWM

Trang bìa phụ

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn ··· I

Nhận xét của giáo viên phản biện ··· II

Lời cam đoan ··· III

1.2 Sự khác nhau giữa Helicopter và Quadcopter ··· 3

1.3 Nguyên lý hoạt đông của Quadcopter ··· 3

1.4 Công nghệ điều khiển ··· 5

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ 2.1 Thiết kế khung máy bay ··· 6

2.1.1 Thiết kế 1 (Bản vẽ CAD) ··· 7

2.1.2 Thiết kế 2 ··· 8

2.1.3 Thiết kế 3 (Bản vẽ Solid Works) ··· 12

2.2 Ảnh thực tế của Fram Quadcopter··· 14

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 3.1 Thiết kế hệ thống điều khiển ··· 17

3.1.1 Tay điều khiển – Tx (Transmitter) – Máy phát sóng ··· 17

3.1.2 Rx(Receiver) - Mạch nhận sóng ··· 21

3.1.3 Servo ··· 25

3.2 Mạch trung tâm ··· 26

3.2.1 Mạch Arduino Uno V3 ··· 26

3.2.2 Cảm biến 3 trục L3G4200D ··· 30

3.3.2 ESC(Electronic Speed Controller) - Bộ điều tốc ··· 34

3.4 Nguồn – Pin ··· 35

3.4.1 Sự khác biệt giữa Pin Lithium Ion (Li-Ion) và pin Lithium Polymer (LiPo) ··· 36

3.4.2 Điện áp ··· 38

3.4.3 Từ viết tắt trị số của Motor ··· 39

3.4.4 Dung lượng ··· 39

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ LỰA CHỌN LINH KIỆN 4.1 Tính toán lựa chọn Motor ··· 41

4.2 Tính toán lựa chọn ESC ··· 42

4.3 Tính toán lựa chọn Pin ··· 43

CHƯƠNG 5: THU THẬP KHÔNG ẢNH 5.1 Camera hành trình – Sjcam 4000 Wifi 1080p Full HD ··· 45

5.2 Kết nối điện thoại với camera thể thao SJCam SJ4000 ··· 48

6.1.1 FPV là gì ? ··· 53

6.1.2 Phương thức hoạt động ··· 53

6.1.3 Các thiết bị chính ··· 53

6.2 Định vị GPS ··· 54

CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN 7.1 Kết luận ··· 59

7.2 Đề xuất ··· 59

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Quadcopter ··· 1

Hình 1.2: Quadcopter ··· 2

Hình 1.3: Helicopter ··· 3

Hình 1.4: Nguyên lý hoạt đông của Quadcopter ··· 4

Hình 2.1: Frame quadcopter ··· 6

Hình 2.2: Bản vẽ “Thiết kế 1” ··· 7

Hình 2.3: Hình tổng quát frame “Thiết kế 1” ··· 8

Hình 2.4:Kích thước mạch điện “Thiết kế 1” ··· 8

Hình 2.5: Carbon 3K 16mm ··· 9

Hình 2.6: Carbon 3K 16mm ··· 9

Hình 2.7: Aluminium Clamp Spyer 260 - Kẹp ống 16mm ··· 10

Hình 2.8: Aluminium Clamp Spyer 260 - Kẹp ống 16mm ··· 10

Hình 2.9: Aluminium Clamp Spyer 260 - Kẹp ống 16mm ··· 11

Hình 2.10: Thiết kế 2 ··· 12

Hình 2.11: Mô phỏng 3D Arm(cánh tay) – Tổng quát ··· 12

Hình 2.12: Mô phỏng 3D Arm(Cánh tay) – Mặt bên ··· 13

Hình 2.13: Mô phỏng 3D Arm(Cánh tay) – Mặt trên ··· 13

Hình 2.14: Kích thước Arm(cánh tay) ··· 13

Hình 2.15: Mô phỏng 3D Bản điện··· 14

Hình 2.16: Thiết kế 2 ··· 14

Hình 2.17: Thiết kế 3 ··· 15

Hình 2.18: Thiết kế 3 ··· 16

Hình 3.1: Bộ thu – phát sóng Radiolink AT10 ··· 20

Hình 3.2: Mạch thu sóng RadioLink R6D II – Rx (Receiver) ··· 23

Hình 3.3: Mạch RadioLink R6D II ··· 25

Hình 3.4: Mạch Arduino Uno V3 ··· 26

Hình 3.5: Lập trình cho Arduino ··· 30

Hình 3.6: Cảm biến 3 trục Gyroscape L3G4200D ··· 31

Hình 3.7: Chổi than các loại ··· 32

Hình 3.8: Cấu tạo Motor Brushless và Motor Brush ··· 32

Hình 3.9: Motor Brushless Emax RS2205- 2300 Racing Edition ··· 33

Hình 3.10 : Kích thước Motor Emax RS2205 – 2300Kv Racing Edition ··· 33

Hình 3.11 : Bộ điều tốc ESC Emax BLHeli ··· 35

Hình 3.12 : Pin Li-ion ··· 37

Hình 3.13: Pin Lipo (Lithium polymer) ··· 38

Hình 5.1: Camera hành trình – Sjcam SJ 4000 Wifi ··· 45

Hình 5.2: Độ rộng ống kính ··· 46

Hình 5.3: Nhiều lựa chọn về độ phân giải ··· 46

Hình 5.4: Màn hình hiển thị LCD 1.5” ··· 47

Hình 5.5: Kích thước SJCam Sj4000 Wifi ··· 48

Hình 5.6: Các phím chức năng chính của SJCam SJ4000 Wifi ··· 48

Hình 5.7: Tải ứng dụng SJCAM Zone từ App Store(IOS) và Play Store(Android) ··· 49

Hình 5.8: Kích hoạt Wifi cho SJCam SJ4000 Wifi ··· 50

Hình 5.9: Thông số cấu hình đặt sẵn Wifi ··· 51

Hình 5.10: Kết nối camera với điện thoại thông qua app SJCAM Zone ··· 52

Hình 6.1: Hệ thống FPV ··· 53

Hình 6.2: GPS ··· 54

Hình 6.3: Ví dụ minh hoạ ··· 55

Hình 6.3: Ví dụ minh hoạ ··· 56

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật Thiết kế 2 ··· 15

Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật F450 ··· 16

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật RadioLink AT10 10 channel ··· 21

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật Receiver RX R6DII ··· 24

Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật Arduino Uno R3 ··· 27

Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật Cảm biến 3 trục Gyroscape L3G4200D ··· 31

Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật : Motor Brushless Emax RS2205- 2300 Racing Edition ··· 34

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Khái niệm về Quadcopter ?

Quadcopter là tiền thân của Máy Bay Trực Thăng hiện đại với nhiều rotor

bay với bốn cánh quạt Trái ngược với trực thăng bạn thường thấy với với chỉ một

bộ rotor (cánh quạt được định hướng theo chiều dọc còn quadcopter thì theo chiều ngang)

Hình 1.1: Quadcopter Quadcopter thường sử dụng hai cặp cánh quạt tương đương nhau Hai cánh thuận chiều kim đồng hồ và hai cánh ngược chiều kim đồng hồ Sử dụng độc lập tốc

độ của mỗi rotor để điều khiển Bằng cách thay đổi tốc độ của mỗi rotor, có thể tạo

ra một lực đẩy mong muốn Xác định vị trí trung tâm của lực đẩy cả hai bên và theo chiều dọc

Quadcopter khác với trực thăng thông thường trong việc sử dụng các cánh quạt có thể thay đổi độ cao của dao động khi chúng di chuyển quanh trục rotor Trong những ngày đầu, quadcopter đã được xem như là giải pháp cho một số vấn đề trong việc bay thẳng đứng Các vấn đề kiểm soát lực xoắn có thể được loại bỏ bằng cách xoay vòng và dễ dàng bằng cách làm các cánh quạt ngắn Một số thiết kế có người lái xuất hiện vào những năm 1920 và 1930 Những chiếc này nằm trong số

những chiếc cất cánh và hạ cánh thẳng đứng không thành công trong những ngày đầu tiên do độ ổn định kém và quyền kiểm soát bị giới hạn Vì thế, tính khả thi trong các mẫu đầu tiên bị đánh giá rất thấp và đòi hỏi mẫu thứ hai phải có quá nhiều công việc thí điểm

Hình 1.2: Quadrocopter Vào cuối những năm 2000, những tiến bộ về thiết bị điện tử cho phép sản xuất các bộ điều khiển từ xa giá rẻ, gia tốc (IMU), hệ thống định vị toàn cầu và máy ảnh Điều này dẫn đến sự gia tăng nhanh chóng của các quadcopter tiêu dùng nhỏ,

rẻ tiền cùng với các thiết kế nhiều rotor khác Thiết kế của quadcopter cũng xuất hiện nhiều hơn trong những nghiên cứu thiết bị không người lái trên không (UAV) Với kích thước nhỏ gọn và tính cơ động của chúng, những quadcopter này có thể bay trong nhà hoặc ngoài trời

Ưu điểm của quadcopter là ở kích thước nhỏ, rẻ hơn và bền hơn máy bay trực thăng thông thường do sự đơn giản về mặt cơ khí của chúng Lưỡi cánh nhỏ là một thuận lợi vì chúng có ít động năng hơn, giảm khả năng gây thiệt hại Đối với các quadcopter quy mô nhỏ, điều này làm tạo sự tương tác chặt chẽ cho thiết bị an toàn hơn Nó cũng quadcopter được bảo vệ kèm theo các cánh quạt, tiếp tục giảm khả năng gây thiệt hại Tuy nhiên, khi kích thước tăng, quadcopter có những bất lợi

lớn hơn trực thăng thông thường Ta bắt buộc phải tăng kích thước lưỡi cánh làm tăng đà của chúng Điều này có nghĩa là sự thay đổi trong tốc độ lưỡi dài, ảnh hưởng tiêu cực đến sự kiểm soát Đồng thời, tăng kích thước lưỡi để tăng độ hiệu quả nhiều năng lượng hơn để bay Do đó, độ hiệu quả ngày càng gia tăng với chi phí Trực thăng không gặp phải vấn đề này, khi tăng kích thước của rotor không ảnh hưởng đáng kể đến khả năng điều khiển

1.2 Sự khác nhau giữa Helicopter và Quadcopter

Trực thăng thông thường (Helicopter) và trực thang bốn chong chóng (QuadCopter) được xếp vào loại máy bay có khả năng cất cánh và hạ cánh thẳng đứng hay còn gọi là VTOL (Vertical Take Off and Lading), cả hai loại này đều có khả năng di chuyển theo 6 hướng (lên-xuống, trước-sau, trái-phải), khả năng đứng yên tại chỗ(hover) mà máy bay cánh bằng không có

Hình 1.3: Helicopter

1.3 Nguyên lý hoạt đông của Quadrocopter

Đối với Quadrocopter, kết cấu chỉ gồm 4 motor điện giống nhau có lắp cánh quạt được đặt ở 4 góc hình vuông và cánh quạt có thể gắn trực tiếp hay thông qua truyền động bánh rang, 4 motor này được chia ra làm 2 cặp: trước-sau, trái-phải

Chiều quay của 2 motor trong mỗi cặp là giống nhau, nhưng chiều quay của cặp trước-sau và trái-phải là ngược nhau Ví dụ: cặp trước-sau quay cùng chiều kim

đồng hồ thì cặp trái-phải quay ngược chiều kim đồng hồ Và cánh quạt dung trong quadcopter phải là 2 loại ngược nhau, một loại quay cùng chiều và một loại ngược chiều kim đồng hồ Thông thường dùng loại có góc tấn cố đinh ( fixed pitch)

Mục đích của việc này là để triệt tiêu moment xoắn do từng cặp gây ra Tuy nhiên, ngoài khả năng tạo moment triệt tiêu nhau, 4 motor này khi quay đều tạo lực nâng cho máy bay Đây chính là ưu điểm lơn của quadcopter

Nguyên lý hoạt đông của loại quadcopter này cũng rất đơn giản:

Hình 1.4: Nguyên lý hoạt đông của Quadcopter Trước-sau: để đi về bên trước, motor phía trước giảm tốc so với motor sau và ngược lại để đi về phía sau, motor sau giảm tốc so với motor trước

Trái-phải: để đi về bên trái, motor trái giảm tốc so với motor phải và ngược lại để đi về bên phải, motor phải giảm tốc so với motor trái

Lên-xuống: tăng tốc hay giảm tốc đồng thời 4 motor sẽ làm tăng lực nâng hay giảm lực nâng để bay lên bay xuống

Xoay: muốn xoay cùng chiều kim đồng hồ thì cặp motor quay cùng chiều kim đồng hồ (ví dụ trước-sau) sẽ quay chậm hơn cặp motor quay ngược chiều kim đồng hồ(ví dụ trái-phải) Ngược lại , muốn xoay ngược chiều kim đồng hồ thì cặp motor quay ngược chiều kim đồng hồ (trái-phải) sẽ quay chậm hơn cặp motor quay cùng chiều kim đồng hồ(trước-sau)

1.4 Công nghệ điều khiển

Xét về mặt này thì quadcopter đòi hỏi hệ thống mạch điều khiển phức tạp hơn vì phải sử dụng các cảm biến quán tính như gyro (gyroscope) và gia tốc (accelero-meter) để tính toán được góc nghiêng và vận tốc quay theo ba trục để giữ thăng bằng, nếu không sẽ không thể nào điều khiển được Tuỳ theo hệ thống mạch điều khiển tốt tới mức nào sẽ quyết định tới khả năng điều khiển quadcopter dễ hay khó

Nhưng khi đã được thiết kế tốt, một người chưa từng điều khiển qua lần nào cũng có thể điều khiển được quadcopter một cách dễ dàng, theo như nguyên lý hoạt động đã đề cập tới ở trên thì quadcopter thực chất chỉ là điều khiển tốc độ của 4 motor để có được chuyển động mong muốn

Đối với Helcopter, việc điều khiển bao gồm nhiều yếu tố, điều khiển các servo để thay đổi góc tấn của quạt chính, thay đổi tốc độ cánh quạt chính, thay đổi tốc độ hoặc góc tấn của cánh quạt đuôi để dễ bẻ lái, thay đổi mặt phẳng quay của cánh quạt chính Loại này rất khó điều khiển, cần phải có nhiều kỹ năng và kinh nghiệm Để có thể điều khiển được mô hình loại này, người điều khiển phải mất một thời gian khá lâu để làm quen, và thường phải tập lái trên các phần mềm mô phòng được mới đủ tự tin cầm lái Nếu không, rớt máy bay là một điều rất dễ xảy

ra

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ

2.1 Thiết kế khung máy bay

Hình 2.1: Frame quadcopter Máy bay trực thăng bốn cánh quạt (quadcopter) cỡ nhỏ là một loại máy bay không người lái phổ biến Gồm 4 cánh tay (arm) với một động cơ (motor) đặt ở đầu mỗi cánh tay được liên kết với nhau qua “phần kết nối” Các cánh tay được đặt đối xứng với nau qua tâm Thiết kế máy bay trực thăng bốn cánh quạt có thể bắt đầu từ việc mô hình hoá sau đó tính toán kích thước các cánh tay máy bay, lưc nâng đề xuất phù hợp hay không Tuy nhiên, thiết kế máy bay trực thăng bốn cánh quạt chủ yếu tập trung đến tính đối xưng, trọng tâm và khối lượng của mô hình.Vì vậy, bài báo cáo trình bày giải pháp thiết kế thực nghiệm dựa vào kích thước các mô hình máy bay trực thăng bốn cánh quạt phổ biến

Ở thiết kế 1, vật liệu dạng hợp kim nhôm được sử dung để gia công cánh tay

và vật liệu bảng mạch in vẫn còn phủ lớp đồng được sử dụng để tăng độ cứng của phần kết nối Thiết kế này có khối lương nhẹ nhất nhưng lại có độ bền cơ học kém trước những chấn động hay va chạm mạnh của máy bay với vật cản

Thiết kế 2, tối ưu hoá của thiết kế 1, loại bỏ bản mạch in bên trên vì không cần thiết, thay vào bằng vật liệu nhựa mica để tối ưu hoá trọng lượng của máy bay.Góp phần thay đổi độ bền máy bay, loại bỏ cánh tay bằng vật liệu nhôm, thay vào đó bằng thanh ống carbon 3K 16mm, giúp cải thiện đáng kể độ bền máy bay

Thiết kế 3 sử dụng vật liệu nhựa có độ bền cao hơn thiết kế 1 và thiết kế 2 vì

sử dụng vật liệu nhựa sợi cacbon Bảng mạch điện được thiết kế chi tiết hơn ở thiết

kế 1và thiết kế, gồm 2 bảng mạch trên và dưới, để tạo thêm không gian lắp đặt các chi tiết.Vì sử dụng vật liệu nhựa cacbon độ bền cao, nên thiết kế 3 có chi phí khá cao so với thiết kế 1 và thiết kế 2

2.1.1 Thiết kế 1 (Bản vẽ CAD)

Hình 2.2: Bản vẽ “Thiết kế 1”

Hình tổng quát frame “Thiết kế 1”

Hình 2.3: Frame “Thiết kế 1”

Kích thước mạch điện “Thiết kế 1”

Hình 2.4: Mạch điện “Thiết kế 1”

2.1.2 Thiết kế 2

Hình 2.5: Carbon 3K 16mm

Hình 2.6: Carbon 3K 16mm

Hình 2.7: Aluminium Clamp Spyer 260 - Kẹp ống 16mm

Hình 2.8: Aluminium Clamp Spyer 260 - Kẹp ống 16mm

Hình 2.9: Aluminium Clamp Spyer 260 - Kẹp ống 16mm

Hình 2.10: Thiết kế 2

2.1.3 Thiết kế 3 (Bản vẽ Solid Works)

Hình 2.11: Mô phỏng 3D Arm(cánh tay) – Tổng quát

Hình 2.12: Mô phỏng 3D Arm(Cánh tay) – Mặt bên

Hình 2.13: Mô phỏng 3D Arm(Cánh tay) – Mặt trên

Hình 2.14: Kích thước Arm(cánh tay)

Hình 2.15: Mô phỏng 3D Bản điện

2.2 Ảnh thực tế của Fram Quadrocopter

Hình 2.16: Thiết kế 2

Thông số kỹ thuật:

Khung Trọng lƣợng 152g

Chiều dài cơ sở chéo 600mm

Trọng lƣợng cất cánh 800g ~ 1600g

Pin đƣợc khuyến nghị 3S ~ 4S LiPo

Motor khuyến nghị 22 x 15mm hoặc 22 x 12mm (Kích thước Stator)

Khuyến nghị ESC 30A OPTO

Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật Thiết kế 2

Hình 2.17: Thiết kế 3

Hình 2.18: Thiết kế 3 Tính năng, đặc điểm:

- Làm cho dây ESCs và pin an toàn hơn và dễ dàng kết nối hơn

- Tối ưu thiết kế khung: Cung cấp nhiều không gian lắp ráp cho các hệ thống tự động

- Khung màu khác nhau: Màu đỏ và trắng

Thông số kỹ thuật:

Khung Trọng lƣợng 282g

Chiều dài cơ sở chéo 450mm

Trọng lƣợng cất cánh 800g ~ 1600g

Pin đƣợc khuyến nghị 3S ~ 4S LiPo

Motor khuyến nghị 22 x 15mm hoặc 22 x 12mm (Kích thước Stator)

Khuyến nghị ESC 30A OPTO

Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật F450

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

3.1 Thiết kế hệ thống điều khiển

Các yêu cầu cần thiết khi thiết kế hệ thống điều khiển:

- Tốc độ xử lý phải nhanh, luôn ở mức cao nhất có thể

- Khả năng xử lý tín hiệu phải tốt, loại bỏ tối đa nhiễu xuất hiện trong quá trình điều khiển

- Tính ổn định và độ bền cao

Theo đó , hệ thống điều khiển trên Quadrocopter sẽ bao gồm các khối với các chức năng nhiệm vụ riêng như sau:

3.1.1 Tay điều khiển – Tx (Transmitter) – Máy phát sóng

Máy phát có nhiệm vụ mã hóa vị trí của các cần điều khiển (stick) thành một dãy các tín hiệu điện (singal) và phát tín hiệu này ra không gian

Tx có một số khái niệm như sau:

-Channel:

Đó là số kênh, số lệnh hay đơn giản nhất là số "servo" mà nó điều khiển được Tùy vào Tx dùng cho mục đích gì mà số kênh có thể từ 1 đến 14 hay nhiều hơn nữa Trong RC thì thông dụng có từ 2 đến 14 kênh

-AM và FM:

Tất cả các Tx đều sử dụng radio để truyền tín hiệu ra không gian, tần số của sóng được xác định bởi thạch anh (crystal) Sóng radio đơn thuần chỉ là sóng mang (carrier frequency), một công cụ truyền dẩn, do đó để có thể truyền tín hiệu đến máy thu (Rx), sóng radio cần phải được điều chế (modulation) trước khi phát đi! Có

+ Sóng FM nếu so sánh với sóng AM thì có khã năng chống nhiểu cao hơn hẵn Với AM thì các thiết bị điện thông dụng đều là nguồn gây nhiểu cho sóng AM, trong khi đó với FM thì các nguồn này không thể gây nhiểu trừ trường hợp các thiết

bị đó có tần số gần hoặc bằng với tần số mà ta đang dùng

- PPM và PCM:

Đây là cơ chế mã hóa tín hiệu trước khi phát ra của Tx

+ PPM vị trí của servo được quyết định bởi thời gian của 2 xung tín hiệu liên tiếp, xét theo hình thức làm việc có thể xem nó thuộc nhóm Analog

+ PCM vị trí max & min của servo được chia ra thành nhiều khoảng nhỏ và được đánh số (VD với PCM1028 thì từ min tới max của servo được chia ra thành

1028 vị trí ) Và tùy theo vị trí của tay điều khiển mà Tx gởi đi 1 con số ứng với vị trí đó

- Module RF:

Với một số máy phát chất lượng cao, phần phát sóng được tách rời và người dùng có thể thay đổi dễ dàng Khi đó với cùng một bộ diều khiển người dùng có thể dùng được ở nhiều băng tầng khác nhau bằng cách thay đổi module cho tần số tương ứng

- Spektrum:

Cũng là một loại sóng radio nhưng dùng tần số 2.4G và dùng kỹ thuật tương

tự như các thiết bị Wifi của máy tính để tự điều chỉnh tần số Do đó về lý thuyết Spektrum không bị trùng tần số như AM hay FM thông thường

Nhiệm vụ của tay điều khiển là phát tín hiệu điều khiển trên 4 kênh chính yếu là throttle, yaw, pitch, roll đến board trung tâm để điều khiển mô hình máy bay theo ý muốn

Về vấn đề chuẩn giao tiếp, chọn kỹ thuật vô tuyến trái phổ (Spread Spectrum) tần số FM 2.4 GHz vốn thông dụng trong lĩnh vực mô hình điều khiển này vì những lý do về kinh tế, kinh nghiệm sử dụng, khả năng ứng dụng, mở rộng

và phát triển sau này của đề tài

Ở đây , đề tài sử dụng bộ thu phát song RadioLink AT10 Radiolink AT10 là một trong các tay điều khiển nhanh nhất hiện nay sử dụng băng tần 2.4GHz ISM (2400MHz ~ 2485MHz), tốc độ phản ứng 3ms hỗ trợ hiển thị menu tiếng Anh, Hoa, với nhiều kiểu mẫu lựa chọn

Receiver có thể kết nối bên ngoài với mô-đun backhaul, người chơi có thể dễ dàng nắm bắt thông tin chuyến bay trên tay điều khiển

Kiểm soát đường bay dài: khoảng cách điều khiển dưới mặt đất là 1.1 km, trên không có thể đạt đến 2 km

Màn hình 3.5 inches, màu sắc trung thực: màn hình 3.5 inches 16 bit, độ phân giải 320*480, màu sắc sống động và trung thực

Chính xác, Logic : nhiều chức năng tự thiết lập và lập trình trọn bộ, đảm bảo mỗi một thiết kế đều có thể tiến hành không BUG một cách chính xác

Độ chính xác cao: cấp số thực 4096, mỗi cấp 0.25 us, đảm bảo Servo không

bi lắc

Thông số khuếch đại DSSS : có thể trong nhiều tạp âm trích xuất được tín hiệu, ngay cả khi gặp phải tình huống bị nhiễu sóng mạnh vẫn có thể xác định một cách hiệu quả, đạt được hiệu ứng giao thoa một cách tốt nhất

Phản ứng cực nhay, chỉ mất 3/1000 giây : từ lúc ra hiệu lênh đến receiver tiếp nhận chỉ mất 3/1000 giây, cho dù có 10 kênh vẫn có thể đạt được tốc độ phản ứng nhanh

Hình 3.1: Bộ thu – phát sóng Radiolink AT10

Kênh băng thông 5.0MHz

Phổ phổ DSSS

Từ chối kênh lân cận > 38dBM

Điện áp hoạt động 8.6 ~ 15V

Dòng hoạt động <95mA

Kiểm soát khoảng cách 800 mét mặt đất

Kênh 10 kênh, 8 ~ 10 kênh được tùy chỉnh

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật RadioLink AT10 10 channel

Mô hình tương thích: Bao gồm tất cả các máy bay trực thăng swap 120 độ và

90 độ, tất cả các cánh cố định và máy lượn, năm mô hình bay;

Mô hình mô phỏng: theo mô hình mô phỏng các hành động máy phát tắt, thay đổi mô hình tiết kiệm năng lượng;

Màn hình: 16 màn hình đầy màu sắc, kích thước 78 x 52mm, 320 * 480 pixel

- Tần số: phải cùng tần số với máy phát

- Số kênh (channel): Tùy vào nhu cầu mà chọn Rx có số kênh tương ứng

- PPM hay PCM:

Đương nhiên 2 loại này có chất lương khác nhau, nhưng khi chọn lựa có một

số lưu ý như sao Các máy dùng chế độ PCM thông thường đều có chế dộ PPM Nhưng những máy phát dùng chế độ PPM chưa chắc có chế độ PCM

- Single Convertion hay Dual Convertion:

Nhằm tăng chất lượng nhận sóng và khã năng kháng nhiểu các mạch thu thường chuyển tần số sóng mang (cao tần) xuống tần số thấp hơn (trung tần) để khuếch dại và giải mã Có 2 phương pháp là

+ Single Convertion: chuyển đổi tần số sóng mang thành tần số 455KHz chỉ qua một lần chuyển đổi

Để dể dàng hình dung có thể xem bài toán sau đây:

Gọi tần số sóng mang là F1 (VD 72.550MHz), tần số định bởi thạch anh Rx là F2 thì ta có

0.455MHz = F1 - F2

Từ đó suy ra F2 = 72.095MHz

Tần số này được định bởi thạch anh Rx

+ Dual Convertion: Cách thức thực hiện cũng giống như Single convertion nhưng có 2 lần chuyển đổi, trong dual convertion tần số được chuyển lần

1 xuống còn 10,7MHz và chyển tiếp một lần nữa thành 455KHz

Để hình dung ta có bài toán sau:

Gọi tần số sóng mang là F1 (VD 72.550MHz), tần số định bởi thạch anh là F2, tần

số định bởi thạch anh có sẵn trong Rx là F3 ta có:

10.7MHz = F1 - F2 từ đó suy ra F2 = 61.85MHz

0.455MHz = F2 - F3 từ đó suy ra F3 = 10.245MHz

Với F2 là tần số quyết định bỡi thạch anh Rx

Ở đây, đi chung với bộ phát sóng Tx RadioLink AT10 là Rx R6DII