Báo cáo hệ thống điện điện tử

Phần tính toán: - Sơ đồ mạch: - PID - Proportional Integral - Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ PID- Proportional Integral Derivative là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển lý thuyết

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

- -BÁO CÁO MÔN HỌC

Chủ đề: Hệ thống điều khiển UAV chữa cháy

Học phần : Kỹ thuật điện-điện tử trên máy bay

Giảng viên : TS Phạm Gia Điền

Sinh viên thực hiện : Phạm Quang Hưng - 20186051

Trần Đức Thắng - 20186074 Nguyễn Văn Thành – 20186075

Nguyễn Tuấn Dũng – 20186037

MỤC LỤC

MỤC LỤC

GIỚI THIỆU………3CHƯƠNG 1: Nguyên lý hoạt động

2 Thông số chi tiết của các bộ phận

CHƯƠNG 3: Tính toán lý thuyết và phần lập trình

GIỚI THIỆU

Theo báo cáo giám sát do Phó Trưởng Đoàn giám sát của Quốc hội, Chủ nhiệm Ủy banQuốc phòng và An ninh cho biết, trung bình mỗi ngày xảy ra 9 vụ cháy, làm chết hoặc bị thương 1 người, thiệt hại khoảng 4,4 tỷ đồng Giai đoạn từ tháng 7/2014 đến tháng

7/2018, cả nước vẫn xảy ra 13.149 vụ cháy, làm chết 346 người, bị thương 823 người; thiệt hại về tài sản ước tính 6.524,8 tỉ đồng và 6.462 ha rừng

Trung bình mỗi năm xảy ra 3.287 vụ cháy, làm chết 87 người, bị thương 206 người, thiệt hại về tài sản trị giá 1.631,2 tỉ đồng và 1.615,5 ha rừng Trung bình mỗi ngày xảy ra

9 vụ cháy, làm chết hoặc bị thương 1 người, thiệt hại về tài sản ước tính 4,4 tỉ đồng và 5,3

ha rừng Địa bàn xảy cháy ở thành thị chiếm 60,11%, ở khu vực nông thôn chiếm

39,89%; cháy tại khu vực nhà dân 5.636 vụ (chiếm 42,86 %), tại cơ sở kinh tế tư nhân 4.861 vụ (chiếm 36,97%) Các vụ cháy có nguyên nhân do sự cố hệ thống, thiết bị điện 6.458 vụ (chiếm 57,27%), do sơ suất trong sử dụng lửa, xăng dầu và khí đốt 3.291 vụ (chiếm 29,18%)

Các nguyên nhân gây cháy phổ biến ở khu vực dân cư là:

- Do chập điện, sự cố máy móc, thiết bị trong các tòa nhà dễ dẫn đến cháy nổ Hiện tượng chập mạch điện không phải là điều hiếm thấy

- Hiện phần lớn các gia đình dùng gas để đun nấu và 1 số hành động bất cẩn như: Không khóa van bình gas sau khi đun, quên tắt bếp gas, … có thể gây ra hỏa hoạn

- Phương án chữa cháy, cứu hộ, cứu nạn công trình được xây dựng không phù hợp với đặc điểm thực tế của tòa nhà; nhiều cơ sở không tổ chức thực tập phương án chữa cháy, cứu nạn định kỳ theo quy định Không phổ biến các biện pháp thoát nạnkhi sự cố xảy ra

- Do nhiều căn hầm thuộc các khu chung cư là nơi lắp đặt các bốt điện, dàn tản nhiệt điều hòa, nếu xảy ra tình trạng chập cháy, hàng trăm chiếc xe máy chứa đầy xăng

sẽ có nguy cơ cháy nổ

- Do các hộ gia đình thường bố trí vật dụng sinh hoạt trên lối thoát nạn như thang bộ,của đi…làm tăng mức độ nguy hiểm khi có cháy xảy ra, làm ảnh hưởng đến công tác tự thoát nạn, cứu nạn và cứu hộ Đồng thời, những vật dụng bén lửa như rèm cửa, đồ gỗ trang trí thường được các hộ gia đình sử dụng

Trong đó nhiệm vụ của các chiến sĩ cảnh sát phòng cháy chữa cháy là rất nặng nề và

ẩn chứa nhiều rủi ro và nguy hiểm trong công tác dập lửa và cứu người Đã có rất nhiều

vụ việc thương tâm xảy ra do các chiến sĩ vì dân mà liều mình cứu người Theo thống kê của Cục Cảnh sát PCCC&CNCH, từ năm 2014 đến nay đã có 7 cán bộ, chiến sĩ cảnh sát PCCC hy sinh, hàng chục người bị thương trong cuộc chiến chống giặc lửa

Chính vì vậy nhóm chúng em đã nghĩ ra ý tưởng để giải quyết 1 phần vấn đề này giúp các chiến sĩ cảnh sát phòng cháy chữa cháy dập tắt các đám cháy dễ dàng hơn

4

CHƯƠNG 1: Nguyên lý hoạt động

1 Mô-men xoắn:

Điều khiển từ xa của thanh điều khiển → Bộ điều khiển chuyến bay trung tâm → Mạch điều khiển tốc độ điện tử (ESC) → Động cơ và cánh quạt → Chuyển động

quadcopter hoặc lơ lửng trên không

1.1 Sơ đồ mômen phản ứng trên mỗi động cơ của máy bay quadcopter, do rôto

quay Các rôto 1 và 3 quay theo một hướng, trong khi các rôto 2 và 4 quay theohướng ngược lại, tạo ra các mômen đối nghịch để điều khiển

1.2 Một quadrotor di chuyển hoặc điều chỉnh độ cao của nó bằng cách áp dụng lực

đẩy bằng nhau cho tất cả bốn cánh quạt

1.3 Một quadrotor điều chỉnh góc nghiêng của nó bằng cách tác động nhiều lực

hơn vào các rôto quay theo một hướng

1.4 Một quadrotor điều chỉnh bước hoặc cuộn của nó bằng cách tác dụng nhiều lực

đẩy hơn vào một rôto (hoặc hai rôto liền kề) và ít lực đẩy hơn đối với rôto đối diện theo đường kính

2 Trạng thái vòng xoáy:

Tất cả các quadcopters đều phải tuân theo khí động học của rotorcraft bình

thường, bao gồm cả trạng thái vòng xoáy

3 Kết cấu cơ khí:

Các thành phần cơ khí chính là thân máy bay hoặc khung, bốn rô-to, và động cơ

Để có hiệu suất tối đa và các thuật toán điều khiển đơn giản nhất, động cơ và cánh quạt phải cách đều nhau

4 Rôto đồng trụ:

Để có nhiều năng lượng hơn và ổn định hơn với trọng lượng giảm, quadcopters có thể sử dụng rôto đồng trục

6

CHƯƠNG 2: Thiết kế và cấu tạo

• Khối lượng: 85g

- Mạch Arduino: Adruino UNO R3

10

- Khung:

• Tấm,thanh carbon: 2m x 2m

• Khối lượng: 1,5kg

- μIMU-IMU: Micro MEMS

• IMU được hiệu chỉnh thu nhỏ với Gps tích hợp

• 9 GPIO, 5 đầu ra Servo và 4 đầu vào tương tự

12

• Phạm vi có thể điều khiển: Pitch: + 40 ° đến -90 °, Yaw: ± 320 °

• Phạm vi cơ học: Pitch ': + 50 ° đến -140 °, Yaw: ± 330 °, Roll: + 90 ° đến -50 °

• Tốc độ điều khiển tối đa: Pitch ': 180 ° / s, Yaw: 180 ° / s

- Module Bluetooth: HC-05

• PCB Kích thước: 37.3mm (Dài) * 15.5mm (rộng)

• Trọng lượng: 3.5g

• Điện áp đầu vào: 3.6V - 6V, cấm vượt quá 7V

• Dây dẫn 6 chân: EN / VCC / GND / RXD / TXD / STATE (Dẫn trạng thái Bluetooth, mức thấp của đầu ra không được kết nối, mức cao của đầu ra saukhi kết nối)

14

• Sơ đồ lắp:

- Bóng chữa cháy: AFO (Auto Fire Off)

- Tay điều khiển: Futaba 10JH 10-Channel Heli T-FHSS Computer Radio System

CHƯƠNG 3: Tính toán số liệu và phần lập trình

1 Phần tính toán:

- Sơ đồ mạch:

- PID - Proportional Integral

- Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ ( PID- Proportional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (lý thuyết điều khiển tự động)|bộ điều khiển]]) tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID là bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất trong các

bộ điều khiển phản hồi Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị "sai số" là hiệu

số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn

- Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôikhi nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết tắt là P, I, và D

- Mô hình cơ bản:

20

2 Phần lập trình:

Flight code của nhóm chúng em được lấy trên MultiWii Ở đây, người ta đã phát triển thuật toán cho drone cùng với rất nhiều các mẫu máy bay khác, bên cạnh đó cũng có rất nhiều các lựa chọn được thiết lập sẵn có, chúng em chỉ cần lựa chọn những gì phù hợp cho việc sử dụng drone

Trong việc thiết lập drone, chúng em sử dụng cảm biến gia tốc MPU6050, cảm biến labàn HMC5883L và cảm biến áp suất MS5611 để có thể biết được các thông số trạng thái của drone và vị trí của drone so với hệ quy chiếu mặt đất

22

Trong phần này, chúng em sẽ không đi quá sâu về mặt thuật toán được đưa ra như thế nào mà chỉ nói khái quát về mặt ý tưởng toán học của họ Các bạn đọc có thể tải flight code theo linh sau đây: Arduino multiwii flight controller (electronoobs.com).

Chúng em sử dụng cảm biến gia tốc MPU6050, cảm biến la bàn HMC5883L và cảm biến áp suất MS5611 Tuy nhiên về phương thức làm việc của drone chỉ là phun thuốc trừsâu nên thông số về mặt độ cao có thể dùng loại cảm biến siêu âm để có độ chính xác caohơn

Tiếp đến, ta sang option config.h để lựa chọn loại máy bay và các cảm biến sử dụng

Sang option config.h, ta chỉnh phần comment //#define QUADX sang

#define QUADX để lựa chọn model phù hợp với thuật toán đã được lập trình sẵn.

Ở mục comment //#defind GY_86, ta chỉnh sang #defind GY_86 để lựa chọn các cảm biến đang có để sử dụng, bao gồm MPU6050, HMC5883L và MS5611.

Các thuật toán được sử dụng ở đây được viết trong môi trường có nhiễu động nhỏ, từ các thông số về góc và vận tốc góc theo các phương ROLL, PITCH

và YAW ở thờigian t của MPU6050, người ta sẽ tìm được trạng thái ở khoảng thời gian ngay sau đó Cùng với các phương trình động lực trong cơ học

Newton được xây dựng thì họ cũng sẽ tìm được gia tốc góc, quỹ đạo bay, … từ

đó kết hợp với cảm biến la bàn HMC5883L để tìm ra vị trí từ phương trình quỹ đạo bay so với một điểm trên mặt đất Còn cảm biến MS5611 đơn giản chỉ tìm ra

áp suất tại vị trí của nó thì sẽ tìm được khoảng cách hiện tại của nó so với mặt đất Dưới đây là các phương trình động học và động lực học có thể được sử dụng

để tìm cấc thông số trạng thái của drone.

24

Tiếp đến, ta kết nối các cảm biến và sau đó upload phần code trong arduino

đã được thiết lập, mở phần mềm MultiWiiConf.exe, màn hình hiển thị ra giao diện của phần mềm này

Giao diện của phần mềm MultiWiiConf.exe

Sau đó, phần mềm Multiwii đã hoạt động hoàn toàn ổn định, các thông số về vận tốc góc, vận tốc tịnh tiến, gia tốc góc, quỹ đạo bay để đưa ra vị trí hiện tại so với mặt đất, đồ thị về các thông số, cảm biến la bàn, …

26

Kết hợp với camera, hoặc lập trình cho quỹ đạo phun thuốc, chúng em về mặt cơ bản đã hoàn thiện được phần đưa ra các thông số của drone.

KẾT LUẬN

Tuy nhóm chưa có một sản phẩm thực tế hay có những thực nghiệm thực tế nhưng dựa trên ý kiến của thầy trong quá trình thuyết trình và diễn giải ý tưởng, bọn em nếu có điều kiện sẽ cố gắng hoàn thiện để có một sản phẩm thực thế nhất định Tuy nhiên, do vốn kiến thức và kinh nghiệm hạn chế nên bài tiểu luận không tránh khỏi những thiếu sót Em

hy vọng sẽ nhận được những nhận xét, đóng góp để bài tiểu luận được hoàn chỉnh hơn.Mặc dù ý tưởng này cũng đã có nhiều bên thực hiện hóa thành công đặc biệt là các công

ty bên Trung Quốc nhưng bọn em mong sẽ có những ý kiến sáng tạo nữa từ mọi người đểgiúp có những bước cải tiến, tạo ra được một sản phẩm được làm từ Việt Nam Mong muốn của nhóm là sản phẩm được các chiến sĩ cảnh sát phòng cháy chữa cháy sử dụng nhằm giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản trong các vụ cháy xảy ra trong tương lai

Em xin cảm ơn thầy và các bạn đã đồng hành cùng bọn em trong quá trình làm về đề tài này

28

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Arduino multiwii flight controller (electronoobs.com)

Arduino Quadcopter - IMU GY-86 MultiWii Configuration (Configuración) - YouTubeQuadcopter UAV Based Pesticide Spraying System