Thiết kế và thi công máy bay giám sát ba cánh quạt truyền phát dữ liệu về máy tính

Ngày nay trong các lĩnh vực dân dụng, quân sự hay khoa học vũ trụ con người dần thay thế các phương tiện bay có người lái bằng các thiết bị bay không người lái với các tính năng ưu việc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY BAY GIÁM SÁT

BA CÁNH QUẠT TRUYỀN PHÁT DỮ LIỆU VỀ MÁY TÍNH

GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM SVTH: NGUYỄN NGỌC QUỐC DUY MSSV: 11142214

SVTH: NGUYỄN QUỐC ĐẠT MSSV: 11141363

S K L 0 0 3 8 8 6

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUÂ T TH NH PHỐ HỒ CH MINH KHOA Đ O TẠO CHẤT LƯ N CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Khoá : 11 Nga nh : CNKT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔN

Tp Hồ Minh, tháng 7 năm 2015

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY BAY GIÁM SÁT

BA CÁNH QUẠT TRUYỀN PHÁT DỮ LIỆU

VỀ MÁY TÍNH

GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM

SVTH : N UYỄN N ỌC QUỐC DUY MSSV : 11142214

SVTH : N UYỄN QUỐC ĐẠT MSSV : 11141363

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

***

Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 7 năm 2015

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN NGỌC QUỐC DUY MSSV: 11142214

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN QUỐC ĐẠT MSSV: 11141363

Ngành: CNKT- Điện tử truyền thông Lớp: 11141CLDT1

Giảng viên hướng dẫn: TS NGUYỄN MINH TÂM ĐT:

Nga y nhận đề tài: 03/03/2015 Ngày nộp đề tài: 27/07/2015

1 Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY BAY GIÁM SÁT BA CÁNH QUẠT TRUYỀN PHÁT DỮ LIỆU VỀ MÁY TÍNH

2 Các số liệu, tài liệu ban đâ u:

- Các kiến thức về lập trình arduino cơ bản, lập trình C, C#

- Kiến thức về hoạt động và điều khiển các module liên quan

3 Nội dung thực hiện đề tài:

- Thiết kế thi công mô hình bay cho máy bay ba cánh quạt

- Thực hiện giải thuật điều khiển, truyền nhận song RF để điều khiển cho máy bay hoạt động ( cất cánh, tự cân bằng và điều khiển theo ý muốn của người điều khiển)

- Thực hiện phần cứng và phần mềm khối thu thập và truyền dữ liệu về máy

tính

4 Sản phẩm: Thiết kế và thi công thành công máy bay ba cánh quạt có thể điều

khiển bằng song RF và thu thập dữ liệu truyền về máy tính

TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

*******

PHIÊ U NH N XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ và tên sinh viên: NGUYỄN NGỌC QUỐC DUY MSSV:11142214 Họ và tên sinh viên: NGUYỄN QUỐC ĐẠT MSSV:11141363 Ngành: CNKT Điện tử - Truyền thông Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY BAY GIÁM SÁT BA CÁNH QUẠT TRUYỀN PHÁT DỮ LIỆU VỀ MÁY TÍNH Họ và tên giáo viên hướng dẫn: TS NGUYỄN MÌNH TÂM NH N XÉT 1 Về nội dung đề tài và khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

5 Đánh giá loại:

6 Điểm:………(Bằng chữ: ……… )

Giáo viên hướng dẫn

(Ký & Ghi rõ họ tên)

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

*******

PHIÊ U NH N XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ và tên sinh viên: NGUYỄN NGỌC QUỐC DUY MSSV: 11142214 Họ và tên sinh viên: NGUYỄN QUỐC ĐẠT MSSV: 11141363 Ngành: CNKT Điện tử - Truyền thông Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY BAY GIÁM SÁT BA CÁNH QUẠT TRUYỀN PHÁT DỮ LIỆU VỀ MÁY TÍNH Họ và tên giáo viên phản biện :………

NH N XÉT 1 Về nội dung đề tài và khối lƣợng thực hiện:

2 Ƣu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

5 Đánh giá loại:

6 Điểm:………(Bằng chữ: ……… )

Giáo viên phản biện

(Ký & Ghi rõ họ tên)

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Thầy trưởng ngành họp mặt sinh viên đủ điều kiện làm

đồ án tốt nghiệp, phổ biến quy chế và phân công giáo viên hướng dẫn Cho thời gian hạn nộp tên đề tài về khoa

Tuần 2 Chọn đề tài phù hợp với khả năng của nhóm, sau đó

gặp giáo viên hướng dẫn để thảo luận về tài thực hiện

Tuần 3

Sau khi quyết định chọn đề tài, sinh viên nghiên cứu các hướng thực hiện đề tài, cũng như tham khảo các nguồn tài liệu liên quan đến đề tài thực hiện

Tuần 4

sơ về đề tài cũng như các yêu cầu cần thực hiện đối với

đề tài cho giáo viên, từ đó tham khảo ý kiến giáo viên

về các công việc và quy trình cần thực hiện đối với đề tài đã chọn

Giáo viên giao nhiệm vụ tiếp theo: tìm kiếm thêm tài liệu, từ đó tìm hiểu nguyên lý bay và cách điều khiển cân bằng

Tuần 6

Sinh viên báo cáo tiến độ với giao viên hướng dẫn

Sinh viên và giáo viên thảo luận về các linh kiện cần dùng cho đề tài, tìm hiểu các dòng vi điều khiển và lựu chọn vi điều khiển sẽ sử dụng (lựa chọn board Arduino)

Tuần 8,9

và chuyển đổi về góc cần dùng (Yaw, pitch, roll)

Nghiên cứu và đưa ra một mô hình khung cơ bản cho máy bay, và tiến hành mua các thiết bị còn lại (động

cơ, esc,…)

Nghiên cứu sử dụng và kiểm tra hoạt động của thiết bị

Tiến hành cho khởi động thử mô hình khi chưa lắp cảm biến

Tuần 10 Sinh viên hoàn thiện phần đọc cảm biến, xây dựng 1

mô hình khung mới hoàn chỉnh

Tuần 11

Sinh viên nghiên cứu giải thuật điều khiển, động lực học Áp dụng giải thuật vào điều khiển cân bằng cho một góc (góc roll) và đồng thời nghiên cứu RF

Bắt tay vào việc xây dựng cuốn báo cáo và nộp đề cương chi tiết cho thầy trưởng ngành theo lịch hẹn

Xây dựng tay điều khiển bằng RF

Tiến hành viết báo cáo theo đề cương chi tiết đã định sẵn

Hoàn thiện, chỉnh sửa cuốn báo cáo

Tiếp tục chỉnh sửa để hoàn thiện mô hình

GV HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ họ tên)

TS Nguyễn Minh Tâm



Đề tài “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY BAY GIÁM SÁT BA CÁNH QUẠT TRUYỀN PHÁT DỮ LIỆU VỀ MÁY TÍNH” là một đề tài mới mẽ và khó với sinh viên chuyên ngành điện tử công nghiệp, đề tài yêu cầu sinh viên có kiến thức cơ bản về cơ khí, khí động học, động lực học và các kiến thức chuyên môn về điện tử, tuy nhiên với sự nổ lực và quyết tâm thì sau một khoảng thời gian ngắn nhóm cũng đã hoàn thành xong đề tài Kết quả đạt được tuy chưa thực sự trọn vẹn hoàn hảo nhưng có thể coi là một thành công của cả nhóm Với một khối lượng công việc phải hoàn thành lớn thì cần yêu cầu một sự cố gắng không nhỏ từ bản thân mỗi thành viên của nhóm nhưng sự cố gắng không thì không thể mang lại hẳn một kết quả như vậy trong một khoảng thời gian ngắn cho phép Chính vì thế nhóm

đã phải trao dồi, học hỏi thêm các kiến thức mới để bổ sung vào lượng kiến thức đã được đào tạo ở trường để có thể thực hiện đề tài như mong muốn Do là sinh viên của ngành điện tử công nghiệp nên các kiến thức liên quan đến tự động cân bằng cũng như các giải thuật điều khiển không được tốt Vì vậy, đối với nhóm, vai trò của giáo viên hướng dẫn là vô cùng quan trọng, là một giáo viên chuyên ngành điện

tự động, thầy Nguyễn Minh Tâm đã rất tận tình chỉ bảo nhóm về những kiến thức còn hạn chế, những yêu cầu để có thể hoàn thành được đề tài Song song đó, thầy còn cùng nhóm nghiên cứu đưa ra các giải pháp, các hướng hợp lý để giải quyết các vấn đề phát sinh trong lúc thực hiện Trong quá trình thực hiện đề tài, không ít lần nhóm đã phát sinh mâu thuẫn, những ý kiến trái chiều nhau, điều này thực sự ảnh hưởng rất lớn đến thời gian cũng như chất lượng của đề tài Và chính thầy đã là người đứng ra giải quyết các vấn đề riêng đó một cách đầy tinh tế và tình cảm, đem lại cho cả nhóm niềm tin lẫn nhau để có thể tiếp tục Không chỉ dừng lại ở đó, chính thầy là người vực dậy tinh thần của nhóm, khuyến khích động viên trong lúc nhóm nản chí sau những lần thất bại để từ đó hoàn thành tốt nhiệm vụ của đề tài Nhóm chúng em xin vô cùng cảm ơn thầy Nguyễn Minh Tâm

Kiến thức không chỉ ngày một ngày hai hay có thể truyền đạt từ một người duy nhất Trong xuyên suốt bốn năm học tại ngôi trường này đã giúp chúng em có thể tích lũy một lượng kiến thức nhất định, nó không chỉ giup chúng em có một nền tản vững chắc khi ra trường và còn là một hành trang không nhỏ trên con đường đời phía trước Vì vậy, chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa đã tận tình giảng dạy, mang hết tấm lòng và tri thức có được để truyền dạy cho chúng

em, giúp chúng em một phần không nhỏ để hoàn thành đề tài này

nhiều trăn trở Với đề tài này thì chi phí để có thể hoàn thiện đề tài cũng khá lớn, không những thế vì lần đầu tiên tiếp xúc với các thiết bị còn lạ lẵm, và với nên kinh nghiệm chưa có, vì vậy sự hư hỏng thiết bị là không thể tránh khỏi, đây là lý dó làm chi phí phát sinh tăng thêm.Nhưng nhờ sự động viên, ủng hộ kinh phí từ gia đình

đã giúp nhóm vượt qua Chính vì vậy, nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, đã tin tưởng quan tâm lo lắng và hổ trợ hết mình cho nhóm thực hiện tốt đề tài

Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 7 năm 2015

Nhóm thực hiện

Nguyễn Ngọc Quốc Duy – Nguyễn Quốc Đạt

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

PHIÊ U NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii

PHIÊ U NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iv

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP vi

LỜI CẢM ƠN x

DANH MỤC CÁC TỪ VI T TẮT xvii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xviii

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIÊ U ĐỒ xix

Chương 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu tình hình nghiên cứu hiện nay 1

1.2 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.3 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu 2

1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

1.6 Phương ph áp Nghiên cứu 2

1.7 Bố cục của Đồ án 2

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUY T 4

2.1 Nguyên lý điều khiển bay và phương trình động lực học 4

2.2 Phương trình toán cân bằng tri-rotor 6

2.3 Sơ lược về thiết bị đo quán tính IMU sensor 10

2.3.1 Giới thiệu về IMU 10

2.3.2 Gia tốc kế (Accelerometer) 11

2.3.2.1 Giới thiệu 11

2.3.2.2 Xử lý tín hiệu từ Gia tốc kế (Accelerometer) 13

2.3.3 Con quay hồi chuyển 14

2.3.3.1 Giới thiệu 14

2.3.3.1.1 Gyro cơ 15

2.3.3.1.2 Gyro quang (Optical gyro) 16

2.3.3.1.3 Gyro rung (Vibrating gyro) 19

2.3.3.2 Xử lý tín hiệu từ con quay hồi chuyển 20

2.4 Phương pháp tọa độ Quaternion 21

2.4.2 Phương pháp tọa độ Quaternion ứng dụng trong đề tài 22

2.5 Bộ điều kiển PID (Proportional Integral Derivative) 24

2.5.1 Giới thiệu bộ điều khiển PID 24

2.5.2.1 Khâu tỉ lệ 25

2.5.2.2 Khâu tích phân 27

2.5.2.3 Khâu vi phân 28

2.5.3 Phương pháp dò hệ số PID 29

CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU LINH KIỆN VÀ MODULE 32

3.1 Động cơ DC không chuổi than (Brushless DC motor ) 32

3.1.1 Giới thiệu 32

3.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 34

3.1.2.1 Cấu tạo 34

3.1.2.1 Nguyên lý hoạt động và nguyên lý điều khiển động cơ 36

3.2 Bộ điều khiển tốc độ động cơ ESC 40

3.2.1 Giới thiệu 40

3.2.2 Cấu tạo và cách thức vận hành 40

3.2.2.1 Cấu tạo 40

3.2.2.2 Cách thức vận hành 41

3.3 Board Arduino Uno 41

3.3.1 Giới thiệu 41

3.3.2 Cấu tạo và chức năng 43

3.3.2.1 Cấu tạo 43

3.3.2.2 Chức năng 44

3.4 Arduino Nano 44

3.4.1 Giới thiệu: 44

3.4.2 Cấu tạo và chức năng 46

3.4.2.1 Cấu tạo 46

3.4.2.2 Chức năng 46

3.5 Arduino Mega 2560 R3 47

3.5.1 Giới thiệu 47

3.5.2 Cấu tạo và chức năng 48

3.5.2.1 Cấu tạo 48

3.6 Mô đun IMU DOF-10 gy-86 51

3.6.1 Giới thiệu 51

3.6.2 Cấu tạo 52

3.6.2.2 Cảm biến gia tốc và góc quay MPU6050 52

3.6.2.2 Cảm biến từ trường HMC5883 53

3.6.2.3 Cảm biến độ cao MS5611 54

3.7 Động cơ servo 55

3.7.1 Giới thiệu 55

3.7.2 Cấu tạo 56

3.7.3 Cách thức hoạt động và phương pháp điều khiển 57

3.7.3.1 Cách thức hoạt động 57

3.7.3.2 Phương pháp điều khiển 58

3.8 Module truyền/ nhận sóng radio nRF24L01 59

3.8.1 Giới thiệu 59

3.8.2 Đặc tính và hoạt động 59

3.8.2.1 Đặc tính 59

3.8.2.2 Hoạt động 61

3.8.2.2.1 Cấu hình địa chỉ truyền nhận 61

3.8.2.2.2 Khung truyền dữ liệu 61

3.8.2.2.3 Kênh truyền và địa chỉ nhận 61

3.8.2.2.4 Cấu hình tốc độ truyền công suất phát 62

3.8.2.2.5 Mã CRC, truyền nhận 62

3.8.2.2.6 Cách gửi dữ liệu 63

3.8.2.2.7 Cách nhận dữ liệu 63

3.9 Module Wifi CC3000 64

3.9.1 Giới thiệu 64

3.9.2 Đặc tính và hoạt động 64

3.9.2.1 Đặc tính 64

3.9.2.2 Hoạt động 66

3.10 Cảm biến nhiệt độ, áp suất BMP180 66

3.10.1 Giới thiệu 66

3.10.2 Hoạt động 67

3.11 Pin Lipo 69

3.11.1 Giới thiệu 69

3.11.2 Lựa chọn Pin phù hợp 70

3.11.2.1 Dung lượng pin 70

3.11.2.1 Cách lựa chọn Pin 70

Chương 4: THI T K MÔ HÌNH BAY VÀ XÂY DỰNG PHẦN MỀM VÀ GIẢI THUẬT PID 73

4.1 Xây dựng phần cứng 73

4.1.1 Xây dựng khung máy bay 73

4.1.1.1 Ý tưởng và thực nghiệm 73

4.1.1.2 Giải pháp 73

4.1.2 Sơ đồ khối phần cứng máy bay 75

4.1.3 Sơ đồ mạch điều khiển và tay cầm 76

4.1.3.1 Mạch điều khiển 76

4.1.3.2 Sơ đồ mạch tay cầm 79

4.1.4 Sơ đồ mạch in mạch điều khiển và tay cầm 81

4.1.4.1 Mạch điều khiển 81

4.1.4.2 Mạch tay cầm điều khiển 81

4.1.5 Lắp đặt phần cứng tricopter 82

4.2 Thiết kế phần mềm 83

4.2.1 Giới thiệu phần mềm lập trình C# (micosoft visual studio) 83

4.2.2 Xây dựng phần mềm C# giao tiếp với board arduino, hiệu chỉnh hệ số 83

4.3 Xây dựng phần mềm hiển thị dữ liệu trên webrowser với intelliJ IDEA 84

4.4 Xây dựng giải thuật điều khiển PD cho máy bay 86

4.4 Lưu đồ giải thuật chương trình arduino uno R3 điều khiển máy bay 88

CHƯƠNG 5: TỔNG HỢP, PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ K T QUẢ THỰC TIỄN 92

5.1 Kết quả giả của giải thuật PD theo theo các phương X,Y,Z 92

5.1.1 Kết quả cân cân bằng góc pitch 92

5.1.2 Kết quả cân bằng theo góc roll 94

5.1.3 Kết quả cân bằng theo góc yaw 95

5.2 Kết quả thử nghiệm điều khiển bay thực tế 95 5.3 Kết quả quá trình truyền dữ liệu từ tricopter về máy tính thông qua websever

5.4 Đánh giá kết quả thu được 96

6.2 Ưu điểm và hạn chế 97

6.3 Kết luận 97

6.4 Hướng phát triển 98

T I LIỆU THAM KHẢO 99

PHỤ LỤC 100

UAVs: Unmanned Aerial Vehicles

IMU: Inertial Measurement Unit

MEMS: Micro Electromechanical Systems

RLG: Ring Laser Gyro

DMP: Digital Motion Processor

PID: Proportional Integral Derivative

BLDC: Brushles DC Motor

BEMF: Back ElectroMagnetic Field phulses

ESC: Electric Speed Control

USB: Universal Serial Bus

PWM: Pulse-Width Modulation

UART:Universal Asynchronous Receiver/Transmitter

DOF: Degree Of Freedom

ADC: Anolog to Digital Converter

DSP: Digital Motion Processor

AMR: Anisotropic Magneto-Resistive

RC: Radio-Controlled

PGA: Programmable Gain Amplifier

SCK: Serial Clock

MISO: Master Input Slave Output

MOSI: Master Ouput Slave Input

SS: Slave Select

Lipo: Lithium Polymer

Bảng 2.1 - Các phương pháp điều chỉnh hệ số PID ……….30

Bảng 2.2 - Tác động của việc tăng một thông số độc lập trong phương pháp điều chỉnh thủ công ……… 31

Bảng 3.1 - Một số BLDC khác thường được sử dụng trong các máy bay mô hình.33 Bảng 3.2 - Bảng trạng thái mạch điều khiển BLDC đơn giản ……….38

Bảng 3.3 – Một vài thông số Arduino Uno ……… 42

Bảng 3.4 – Các thông số Arduino Nano ……… 45

Bảng 3.5 – Các thông số Arduino Mega 2560 ……….48

Bảng 3.6 – 4 cổng serial trên Arduino Mega 2560 ……… 50

Bảng 3.7 – 6 ngắt ngoài trên Arduino Mega 2560 ……… 50

Bảng 3.8 - Bảng các giá trị cấu hình tốc độ phát ………63

Bảng 3.9 - Mã CRC truyền nhận ……… 63

Bảng 3.10 – 11 word của EPROM ……… 70

Hình 2.1 – Điều khiển bay lên, hạ xuống của tricopter……….……4

Hình 2.2 – Điều khiển bay rẽ trái phải (Rol-control) của tricopter….……… 5

Hình 2.3 – Điều khiển bay về phía trước hay về phía sau (Pitch-control) của tricopter……….……… 5

Hình 2.4 - Điều khiển tricopter quay quanh nó chính (Yaw-control) của tricopter 6

Hình 2.5 – Cấu trúc của một UAV Tri-rotor với các trục và góc điều khiển 7

H nh 2 6 - C c góc aw itch và o trong h thống đ nh v qu n tính………….11

H nh 2 7 - Cấu tạo gia tốc con c 12

Hình 2.8 - Tính toán góc góc nghiêng (tilt) từ accelerometer 13

Hình 2.9 - Mô hình cấu tạo con quay hồi chuyển 14

Hình 2.10 - Hình ảnh một gyro cơ ……… 15

H nh 2 11 - Cấu tạo của gyro v ng aser 17

H nh 2 12 - Gyro v ng aser th c t 18

H nh 2 13 - C c thành ph n cơ ản của Gyro c p quang 19

H nh 2 14 - Gyro c p quang th c t 19

Hình 2.15 – Ví dụ về phép quay một góc 1200 quanh trục v = i + j ……… 22

Hình 2.16 – Sơ đồ khối PID 25

Hình 2.17 – Đồ th đ p ứng theo 3 giá tr K p ( K i và K d là hằng số) 26

Hình 2.18 - Đồ th đ p ứng theo 3 giá tr K i ( K p và K d là hằng số) 28

Hình 2.19 - Đồ th đ p ứng theo 3 giá tr K d ( K p và K i là hằng số) 29

Hình 3.1 - Động cơ SunnyS y 2212-13 kv980 32

Hình 3.2 – Cấu tạo của Động cơ DC hông chổi than 35

Hình 3.3 - Cấu tạo của Stator động cơ 35

Hình 3.4 – S phân chia các c c trong rotor động cơ 36

Hình 3.5 – Ha sensor được g n trên Stator của BLDC 36

Hình 3.6 – Sơ đồ nguyên lý mạch l c.…………,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,……… 36

Hình 3.7 – ESC Simon Series 20A sử dụng trong đề tài 40

Hình 3.8 – Sơ đồ mạch ESC 41

Hình 3.9 – Hình ảnh board Arduino Uno 42

Hình 3.10 – Cấu tạo ngoài của Arduino Uno 43

Hình 3.12 – Cấu tạo ngoài của Arduino Nano ………46 Hình 3.13 – Các ứng dụng ti n lợi mang tính nhỏ gọn của Arduino Nano ……….47 Hình 3.14 - Hình ảnh th c t của board Arduino Mega 2560 ………47 Hình 3.15 – Cấu tạo Arduino Mega2560……….… 49 Hình 3.16 - Máy in 3D Makerbot - Hình 3.17 – o ot xe điều khiển ………51 Hình 3.18- IMU 10 bậc t do (10 DOF) DOF-10 gy-86 ……….52 Hình 3.19 – Sơ đồ tổng quát MPU6050 ……… 53 Hình 3.20 - Sơ đồ tổng quát HCM5883 54 Hình 3.21– Sơ đồ tổng quát của MS5611 55 Hình 3.22 - Động cơ Servo Tower ro MG996 56 Hình 3.23- Cấu tạo động cơ Servo 57 Hình 3.24 – Giản đồ xung kích Servo 58 Hình 3.25 - Module truyền/ nhận sóng radio nRF24L01 59 Hình 3.26 – Sơ đồ khối tổng quát của nRF24L01 60 Hình 3.27 - Module Wifi CC3000 64 Hình 3.28 – Sơ đồ khối tổng qu t CC3000 và cơ ch lien k t giữa Slave và Host MCU 65 Hình 3.29 - Cảm bi n nhi t độ, áp suất BMP180 67 Hình 3.31 – Một số loại Pin lipo 70 Hình 4.1 - Khung máy bay HJ550 74 Hình 4.2 – Sơ đồ ph n cứng máy bay 75 Hình 4.3 – Sơ đồ khối tr c quan ph n cứng máy bay 77

Hinh 4.3 - Giao ti p module RF + MPU6050 + bi n trở điều tốc ESC 77 Hình 4.5 - Giao ti p với các ESC và cấp nguồn cho c c oard điều khiển 77 Hình 4.6 - Giao ti p với board arduino R3 78 Hình 4.7 - Giao ti p với board arduino mega 256 78 Hình 4.8 - Board cảm bi n giao ti p với arduino mega256 79 Hình 4.9 - Giao ti p với module RF với arduino dumelivo (atmega328) và bi n trở chỉnh ga và led báo hi u nhận tín hi u từ nút nhấn 80 Hình 4.10 - Các nút nhấn điều khiển máy bay 80 Hình 4.11 - Top coper mạch điều khiển 81 Hình 4.12 - Bottom face mạch điều khiển 81

Hình 4.15 - G n các thi t b ph n cứng của tricopter lên khung ………83 Hình 4.16- Ph n cứng xử lý trung tâm trên tricopter……… 83 Hình 4.17 – Mạch tay c m điều khiển ……….…84 Hình 4.18 - Giao di n ph n mềm C# dùng để dò h số PID 84 Hình 4.19 - Ph n mềm intellil IDEA 85 Hình 4.20 - Giao di n ph n mềm thu thập dữ li u trên Webrowser 85 Hình 4.21 - Sơ đồ bộ điều khiển PD tricopter 86 Hình 4.22 - Lưu đồ điều khiển tổng quát tricopter 88 Hình 4.23 - Lưu đồ quá trình kiểm tra k t nối với tay c m điều khiển 90 Hình 4.24 - Lưu đồ quá trình t động đ p và cân ằng 90 Hình 5.1- Góc pitch khi không sử dụng bộ điều khiển PID 92 Hình 5.2 - Góc pitch khi sử dụng bộ điều khiển với kp=0.8 92 Hình 5.3- Góc pitch với kp=1 và kd =0 93 Hình 5.4 - Góc pitch với kp =0.8 và kd =1.2 93 Hình 5.5 - Góc pitch với h số kd = 1.5 và kd = 5.2 94 Hình 5.6 - Góc roll với h số kp = 1.53 và kd = 4.2 94 Hình 5.7 - Góc yaw với kp = 0.66 và kd = 2.37 956 Hình 5.8 - Dữ li u được cập nhật về giao di n chương tr nh trên we rowser cốc cốc……….97

Chương 1: TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu tình hình nghiên cứu hiện nay

Trong cuộc sống hiện nay với sự phát triển không ngừng và vô cùng mạnh mẽ của các ngành công nghiệp điện tử thì con người có xu hướng tự động hóa công việc, thay thế con người bằng các robot tự động Điều này đã được kiểm chứng bằng việc ngày càng nhiều robot được nghiên cứu phát triển ra đời, hổ trợ đắc lực cho con người trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đòi hỏi sự tỉ mỉ, khéo léo cũng như khả năng hoạt động linh hoạt ở những điều kiện khắc nghiệt mà bản thân con người không thể làm việc Đặc biệt trong lĩnh vực công nghiệp, việc thay thế con người bằng robot đóng vai trò vô cùng quan trọng, nó giúp nền công nghiệp ngày càng phát triển với năng suất cao và chất lượng tốt Chính sự phát triển mạnh mẽ này đã giúp con người chinh phục được bầu trời và vũ trụ với sự phát triển của các thiết bị

có thể bay được trên không

Ngày nay trong các lĩnh vực dân dụng, quân sự hay khoa học vũ trụ con người dần thay thế các phương tiện bay có người lái bằng các thiết bị bay không người lái với các tính năng ưu việc như có thể hoạt động một cách tự động, có thể hoạt động thay con người ở nhưng nơi nguy hiểm mà con người không thể đặt chân tới, chúng có thể giúp con người làm các công việc như giám sát núi lửa, cháy rừng, giám sát an ninh khu vực, trong hoạt động sản xuất nông nghiệp có thể sử dụng để phun thuốc trừ sâu hại… Và các thiệt bị bay không người lái này cũng được xem là một loại vũ khí đặc biệt mà trong quân đội đã và đang được các nước chế tạo, đưa vào sử dụng với mục đích chính là thăm dò, do thăm tình hình hay vẽ bản đồ…

1.2 T nh c p thi t của ề t i

Đề tài “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY BAY GIÁM SÁT BA CÁNH QUAT TRUYỀN PHÁT DỮ LIỆU VỀ MÁY TÍNH” là một đề tài mới mẽ với sinh viên nghành kỹ thuật điện – điện tử, đề tài yêu cầu sinh viên có kiến thức cơ bản về cơ khí, khí động học, động lực học và các kiến thức chuyên môn về điện tử như lập trình vi xử lý, điều khiển động cơ, truyền nhận sóng radio, đọc hiểu và sử dụng cảm biến, truyền và nhận dữ liệu thông tin qua wifi…

Vì vậy, đề tài sẽ cho chúng ta hiểu hơn kiến thức về nguyên lý bay của mô hình máy bay 3 cánh cũng như một số mô hình bay liên quan về khả năng hoạt động, cách lập trình bay, một số cơ sở lý thuyết cũng như cách điều khiển bay, cách truyền nhận dữ liệu từ máy bay gửi về thông qua module cảm biến được gắn trên máy bay

Điểm mới mẻ của đề tài là khả năng ghi nhận dữ liệu và truyền dữ liệu trực tiếp về laptop thông qua wifi, chính nhờ khả năng này mà việc giám sát, khả năng ứng dụng của đề tài sẽ cao hơn rất nhiều trong đời sống hiện tại

1.3 Mục tiêu nghiên cứu

 Xây dựng một mô hình cơ khí hoàn chỉnh cho mô hình bay 3 cánh

 Tìm hiểu cảm biến cũng như các bộ phận của máy bay 3 cánh

 Tìm hiểu nguyên lý bay và giữ thăng bằng của mô hình bay 3 cánh

 Nghiên cứu và ứng dụng board Arduino vào điêu khiển máy bay, truyền phát

dữ liệu cần thiết

 Thiết kế bộ điều khiển cho máy bay giúp mô hình có thể cất cánh, tự giữ thăng bằng và điều khiển bay theo ý người dùng trên không theo 3 trục x, y,

z

 Thiết kế bộ truyền phát dữ liệu từ cảm biến về laptop thông qua wife

1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu

 Nguyên lý bay của mô hình máy bay 3 cánh về khả năng cân bằng, khả năng hoạt động bay

 Nghiên cứu cách điều khiển, cách lập trình cho máy bay hoạt động, góp phần đưa ra mạch phần cứng phù hợp và tối ưu nhất

 Một số cơ sở lý thuyết về cách truyền nhận dữ liệu từ máy bay gửi về thông qua module wifi được gắn trên máy bay

1.5 Đối tượng v phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng chính là mô hình bay 3 cánh tricopter

- Các đối tượng liên quan: Board Arduino Uno, Board Arduino Mega2560, Board Arduino Nano, cảm biến MPU 6050, bộ thu phát RF, moduel wifi CC3000, cảm biến BMP180 và một vài đối tượng khác

1.6 Phương ph p Nghiên cứu

Nguyên cứu dựa trên các tài liệu tìm kiếm được và các nghiên cứu có sẵn của một số sinh viên hay các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước Ứng dụng các thiết bị

có sẳn để thiết kế một mô hình bay như động cơ, thiết bị điều tốc cho động cơ

(ESC) , board vi xử lý tích hợp, board mạch cảm biến

1.7 Bố cục của Đồ n

 Chương 1 Tổng quan: Giới thiệu tình hình nghiên cứu hiện nay, tính cấp thiết khi thực hiện đề tài, mục tiêu nghiên cứu của đề tài cũng như nêu lên nhiệm vụ nghiên cứu, đồi tượng và phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu đề tài

 Chương 2 Cơ sở lý thuyết: trình bày nguyên lý bay, một số phương trình động học và toán học liên quan Nêu một số cơ sở lý thuyết cơ bản như lý thuyết về góc và xác định góc, vấn đề liên quan đến cảm biến gyro và accelerometer

 Chương 3: Giới thiệu linh kiện: giới thiệu một số linh kiện liên quan cũng như lý thuyết liên quan tới như là động cơ, esc, pin…

 Chương 4 : Giải thuật điều khiển: nói về lý thuyết bộ điều khiển PID, nêu lên mô hình giải thuật điều khiển và xây dựng lưu đồ giải thuật

 Chương 5: Xây dựng mô hình và kết quả thực nghiệm: Xây dựng phần cứng, phần mềm và kết quả thực nghiệm Bao gồm:

 Sơ đồ khối hệ thống, chức năng từng khối và hoạt động

 Đề xuất các phương án lựa chọn mạch (mô đun) cho mỗi khối

 Thiết kế tính toán (xây dựng) phần cứng cho mỗi khối

 Lưu đồ giải thuật, giao diện phần mềm C#, phần mềm lập trình và các kết quả thực nghiệm đồ thị

 Chương 6 Kết luận và hướng phát triển: những kết quả đả đạt được, những hạn chế của đề tài, kết luận chung sau khi hoàn thành đề tài và các hướng phát triển cho đề tài

PHỤ LỤC

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Nguyên lý iều khiển bay v phương trình ộng lực học

Tricopter là một mô hình bay hay thiết bị bay không người lái còn gọi là UAVs (Unmanned Aerial Vehicles) Tricopter có cấu tạo chính bao gồm bộ xử lý trung tâm, 3 động cơ được gắn cánh quạt nằm đối xứng cách nhau 1200 trong không gian phẳng Bộ xử lý trung tâm sẽ nhận tín hiệu từ tay cầm để điều khiển 3 động cơ, trong đó có hai động cơ chính và một động cơ đặc biệt ở phần đuôi để thực hiện nhiệm vụ điều khiển bay

Nguyên lý điều khiển bay của tricopter chính xác là điều khiển tốc độ quay của

ba cánh quạt gắn trên động cơ, chính lực nâng của ba cánh quạt sẽ giúp máy bay hoạt động theo ý muốn:

 Điều khiển bay lên, hạ xuống: Để tricopter có thể bay lên ta tăng lực nâng hay lực kéo của chúng theo một phương thẳng đứng (phương theo trục Z) bằng cách tăng đều tốc độ quay của 3 cánh quạt, như vậy việc giảm đều tốc độ quay của 3 cánh quạt sẽ làm giảm lực nâng theo trục Z làm cho tricopter bay xuống dưới (hạ cánh)

Hình 2.1 – Điều khiển bay lên, hạ xuống của tricopter

 Điều khiển bay rẽ trái phải (Roll-control): Là điều khiển các lực nâng (lực kéo) theo phương ngang (trục Y ) bằng cách tăng thêm một lượng vận tốc

quay vào rotor trái và giảm một lượng vào rotor bên phải hoặc tăng rotor phải

và giảm rotor trái

Hình 2.2 – Điều khiển bay rẽ trái phải (Roll-control) của tricopter

 Điều khiển bay về phía trước hay về phía sau (Pitch-control): Là điều khiển các lực nâng (lực kéo) theo phương dọc (trục X) bằng cách tăng thêm một lượng tốc độ quay vào rotor trải và phải, giảm một lượng ở rotor đuôi hoặc giảm một lượng ở 2 rotor trái và phải, tăng một lượng ở rotor đuôi

Hình 2.3 – Điều hiển ay về phía trước hay về phía sau ( itch-contro ) của

tricopter

 Điều khiển tricopter quay quanh nó chính (Yaw-control): Là thay đổi hướng của tricopter, điều này giúp tricopter có thể tự xoay quanh trục Z và thay đổi hướng đầu đuôi của tricopter, điều khiển này bằng cách thay đổi góc quay của rotor được gắng ở đuôi (servo motor), việc thay đổi góc quay của servo sẽ làm thay đổi phương của lực của rotor đuôi và tạo ra momen xoắn quay quanh trục Z (trọng tâm của tricopter) làm cho tricopter tự quay quanh chính trục của nó, chiều quay của nó sẽ phụ thuộc vào chiều quay của rotor đuôi và góc nghiêng của servo

Hình 2.5 – Cấu trúc của một UAV Tri-rotor với c c trục và góc điều hiển

Hình trên cho thấy cấu trúc của một UAV tri-rotor với những khung sườn và các trục tham chiếu Trong đó rotor 1 và rotor 2 là 2 rotor điều khiển trái phải, rotor

3 là rotor đuôi Rotor 3 quay tương tự 2 rotor còn lại nhưng có thể nghiêng một góc

µ để điều khiển tricopter quay quanh chính nó, góc nghiêng này được thực hiện nhờ việc điều chỉnh servo gắn với rotor 3 Ta xét các hệ trục tọa độ x y z với chiều dương của trục x hướng về phía trước (rotor 1 và rotor 2), chiều dương của trục y hướng về phía phải (rotor 2) và chiều dương của trục z hướng xuống dưới vuông góc với mặt phẳng Oxy Giả sử vector trọng tâm G được xác định ngay chính trọng tâm của tricopter và tổng khối lượng của tricopter là m thì trọng lực P sẽ trùng với véc tơ trọng tâm G và được xác định: P = mg

Chiều dương của ba giá trị góc quay bao gồm góc Roll ( ), góc Pitch ( ) và góc Yaw ( ѱ) được xác định bằng góc quay ngược chiều kim đồng hồ xung quanh các trục tọa độ z, y và z tương ứng Góc nghiêng µ chính là góc hợp bởi hai trục y

và z

Lưu ý: điểm O được đặt tại trọng tâm của tricopter, như trên hình vẽ thì trục tọa

độ Oxyz được dịch một khoảng l2 và ngược chiều trục X

Mô hình động lực học của tricopter xây dựng dựa trên công thức toán học Newton-Euler với 6 bậc tự do ( DOF) và 4 ngõ vào: trong đó 3 ngõ vào là tốc độ của 3 cánh quạt gắn trên động cơ và ngõ vào còn lại là góc nghiêng µ Phương trình

chuyển động phi tuyến của các UAVs thông thường cũng được sử dụng đối với tricopter Các phương trình động học chung của các UAVs:

)

Trong đó:

FX, FY, FZ : Lực theo các phương x,y,z

L,M,N : Momen theo các phương x,y,z

u, v, ω : Vận tốc tịnh tiến theo các phương x, y, z

Ωi là tốc độ quay của các rotor tương ứng

Từ các công thức trên ta có thể xác định cách điều khiển tricopte cân bằng ở trạng thái lơ lững trên không cũng như di chuyển theo ý muốn Giã sử các rotor là giống nhau và các hệ số lý tưởng

 Muốn cho tricopter ở trạng thái lơ lững cân bằng thì ta cần xác định các lực tác động và momen theo các phương x, y, z Khi tricopter ở trạng thái cân bằng thì ta có:

sẽ di chuyển theo nguyên tắc đã được nêu ở phần trên

Khi rotor quay (kèm theo cánh quạt quay) thì nó sẽ tạo ra một lực nâng kéo lên trên theo phương z và đồng thời cũng sinh ra một momen quay quanh trọng tâm của

nó Lực nâng theo phương z giúp cho tricopter có thể bay lên trên không theo phương thẳng đứng (|Fz |>mg, Fx=Fy=0) Lực Fx, Fy làm cho tricopter di chuyển theo phương x, y Momen quay quanh trục z làm tricopter quay quanh chính nó và làm thay đổi góc yaw Momen quay quanh trục x,y làm tricopter quay theo các trục

x, y chính là thay đổi góc roll, pitch

Giả sử các thông số về động cơ và cánh quạt cũng như các yếu tố nhiễu tác động từ bên ngoài coi như là lý tưởng thì thì khi vận tốc quay của các rotor là như nhau sẽ làm Fx, Fy = 0, Fz ≠ 0 giúp tricopter bay lên theo phương thẳng đứng Thay đổi tốc độ quay của rotor 3 hoặc rotor 2 làm thay đổi Fx ,Fy đồng thời momen quay quanh các trục x,y thay đổi và khác 0 làm cho tricopter quay theo các trục x, y sinh

ra các góc roll, pitch Ở trạng thái cân bằng lý tưởng momen do rotor 2 và rotor 1 sinh ra ngược chiều nhau và có giá trị bằng nhau (M = F.l) vậy nên chúng sẽ triệt tiêu lẩn nhau, chiều quay của rotor 3 có thể thuận chiều hoặc ngược chiều kim đồng

hồ khi đó momen quay do rotor 3 sinh ra sẽ khác 0 và làm cho tricopter tự quay quanh trục z (α = 0) Như vậy, để tricopter cân bằng theo trục z tức nó không tự động quay thì Mz = 0 , khi đó rotor 3 (rotor đuôi) cần nghiêng một góc µ và ngược chiều với chiều quay của momen, 1 thành phần Fy nhỏ do rotor 3 sinh ra sẽ triệt tiêu momen quay

Vì lý do chưa xác định được các hệ số ki, kt của các rotor nên không thể xác định cụ thể các lực F và M Vậy nên việc xác định góc nghiêng α sẽ được thực hiện bằng thực nghiệm (µ ~ 4o ) Góc µ phụ thuộc vào rotor và chiều dài l3

2.3 Sơ lược về thi t bị o qu n t nh IMU sensor

2.3.1 Giới thiệu về IMU

IMU ( Inertial Measurement Unit) là một thiết bị điện tử đo và xác định các giá trị vận tốc, phương hướng, gia tốc trọng trường của một phương tiện chuyển động trong không gian ba chiều … IMU sử dụng kết hợp các cảm biến gia tốc (acclerometers), con quay hồi chuyển (gyroscopes) và đôi khi có thêm từ trường (magnetometers), GPS Ngày nay, IMU là một thiết bị không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực như máy bay, tên lửa, tàu thủy, ô tô, robot công nghiệp, mô phỏng chuyển động của con người… Chính vì thị trường IMU trên thế giới rất lớn nên đã có nhiều công ty tham gia nghiên cứu chế tạo IMU với nhiều mức chất lượng và phạm vi ứng dụng khác nhau

IMU là thành phần chính của hệ thống định vị quán tính INS được sử dụng trong hầu hết các máy bay, tàu thủy, tàu ngầm, phi thuyền vũ trụ, các phương tiện vận chuyển đường bộ cũng như là trong robot tự hành Các dữ liệu thu thập được từ các cảm biến trong IMU cho phép máy tính có thể xác định vị trí của phương tiện chuyển động, sử dụng phương pháp tính toán được biết đến dưới tên gọi dead-reckoning

IMU hoạt động bằng cách xác định giá trị hiện tại của gia tốc khi sử dụng một hoặc nhiều cảm biến gia tốc Nó cũng phát hiện những thay đổi của các góc quay như Roll, Pitch và Yaw sử dụng một hoặc nhiều cảm biến gyro

Trong hệ thống định vị, các dữ liệu đo được từ cảm biến sẽ được đưa vào máy tính để tính toán và cho ra vị trí hiện tại dựa trên vận tốc và thời gian

H nh 2.6 - C c góc aw itch và o trong h thống đ nh v qu n tính

Nhược điểm cơ bản nhất của IMU trong việc định vị đó là chúng thường bị lỗi tích lũy Bởi vì hệ thống dẫn đường liên tục thêm vào những thay đổi được phát hiện vào vị trí đã được tính toán trước đó, bất kì một sai số nào trong quá trình đo lường, dù là nhỏ, cũng sẽ được tích lũy dần dần Điều này dẫn đến việc trôi các đại lượng tính toán, hoặc một sự thay đổi khác biệt ngày càng tăng giữa giá trị vị trị mà

hệ thống tính toán và giá trị thực tế của thiết bị

IMU thường chỉ là một thành phần của hệ thống định vị Các hệ thống khác sẽ được sử dụng để làm chính xác các giá trị sai lệch mà IMU mắc phải trong quá trình chuyển động của thiết bị, điển hình như hệ thống định vị GPS, cảm biến lực trọng trường, cảm biến vận tốc bên ngoài (đề bù sự trôi vận tốc), hệ thống đo khí áp để hiệu chỉnh chính xác giá trị cao độ, và một cảm biến la bàn điện tử giúp xác định từ trường

Cấu trúc của IMU thông thường bao gồm một khối với 3 cảm biến gia tốc và 3 cảm biến gyro Các cảm biến gia tốc được đặt sao cho các trục đo của chúng trực giao với nhau Chúng đo gia tốc quán tính, điển hình là gia tốc trọng trường Các cảm biến gyro cũng được đặt trong hệ trực giao tương tự, đo vị trí góc quay có tham chiếu đến những hệ thống phối hợp đã được chọn

Một đơn vị đo lường quán tính có thể được tạo nên bởi nhiều cảm biến khác nhau nhằm đem lại độ chính xác cao cho việc định vị Tuy nhiên, một đơn vị đo lường quán tính cơ bản sẽ bao gồm cảm biến gia tốc ( accellerometer) và cảm biến gyro như đã trình bày ở trên và có thể có cảm biến từ trường( magnetometer)

2.3.2 Gia tốc k (Accelerometer)

2.3.2.1 Giới thiệu

Gia tốc là đại lượng vật lý đặc trưng cho sự thay đổi của vận tốc theo thời gian Gia tốc là đại lượng cơ bản dùng để mô tả chuyển động Giống như vận tốc thì gia tốc là đại lượng hữu hướng (vector)

Một gia tốc kế (Accelerometer) sử dụng quán tính của 1 vật để đo sự thay đổi giữa gia tốc động học trong không gian quán tính so với gia tốc trọng trường Gia tốc kế cho phép ta biết khi nào thiết bị được di chuyển khỏi vị trí ban đầu cũng như

di chuyển như thế nào nhờ vào việc ghi nhận sự thay đổi của gia tốc theo cả phương

và chiều như chúng ta biết thì đơn vị của gia tốc là m/s2 Tuy nhiên đối với các hệ thống đo lường quán tính thì cảm biến gia tốc kế thường có đơn vị là g (g = 9.8 m/s2 là gia tốc trọng trường) Như vậy việc đo gia tốc chính là đo sự thay đổi giữa gia tốc động học trong không gian quán tính so với gia tốc trọng trường

Gia tốc kế dạng con lắc có cấu tạo khá giống như gyro rung, gồm 1 vật nặng (proof mass) được treo bởi 1 lò xo Vật nặng có thể chuyển động dọc theo lò xo Con lắc được đặt vào môi trường giảm chấn để hạn chế ảnh hưởng của rung động Hình sau minh họa cho cấu tạo 1 gia tốc kế con lắc

H nh 2.7 - Cấu tạo gia tốc con c

Nếu như có 1 gia tốc thì lò xo sẽ biến dạng Dựa trên độ biến dạng của lò xo mà

ta có thể tính được gia tốc của hệ thống Đó là nguyên lý hoạt động của gia tốc kế con lắc

Hiện nay, người ta thường dùng gia tốc kế vòng kín, là một loại gia tốc kế có khả năng làm việc tốt hơn hẳn gia tốc kế dạng con lắc và hầu như không có thành phần nào di chuyển, nhờ gắn thêm một cuộn dây bên ngoài proof mass Nguyên lý hoạt động của nó là khi có dịch chuyển nhỏ của proof mass thì sẽ sinh ra 1 dòng

điện trong cuộn dây, tạo một lực điện từ theo chiều ngược lại để khử đi chuyển động Do đó, có thể suy ra được gia tốc chuyển động của hệ thống bằng cách đo dòng điện chạy trong cuộn dây

Với sự phát triển của công nghệ MEMS (microelectromechanical systems) thì các loại gia tốc kế được sản xuất hàng loạt với giá thành thấp và chất lượng khá tốt

2.3.2.2 Xử lý t n hiệu từ Gia tốc k (Accelerometer)

Hình 2.8 - Tính to n góc góc nghiêng (ti t) từ acce erometer

 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 XbYbZb , ta có các giá trị trong trường hợp cảm biến đặt vuông góc với phương của trọng lực như sau:

Xb = Yb =0 và Zb = 1 g ;

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

Lưu ý: các Ax, Ay, Az đã được chuẩn hóa, tức phải thỏa: √

2.3.3 Con quay hồi chuyển

2.3.3.1 Giới thiệu

Thuật ngữ gyroscope tức con quay hồi chuyển xuất hiện từ giữa thế kỉ XIX, và trong những thập niên gần đây nó được sử dụng rộng rãi và được thay thế trên toàn

cầu với từ gyro Đây là một thiết bị đo đạt hoặc di trì phương hướng, dựa trên các

nguyên tắc bảo toàn mô men động lượng.Những lý thuyết ban đầu về con quay hồi chuyển được áp dụng để giải thích về chuyển động của một vật thể quay như Trái đất Và dần dần gyro đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực,

và đặc biệt là trong hệ thống định vị quán tính INS Con quay hồi chuyển có nhiều loại, và chúng cơ bản đều dựa trên con quay hồi chuyển cơ học Đó là một bánh xe hay đĩa quay với các trục quay tự do theo mọi hướng Khi bánh xe quay nó sẽ làm thay đổi mô men xoắn và điều này làm thay đổi phương hướng từ đó con quay hồi chuyển có thể xác định được hướng quay

Hình 2.9 - Mô h nh cấu tạo con quay hồi chuyển

Có thể chia gyro thành 3 loại với nguyên lý hoạt động, cấu tạo và khả năng ứng dụng khác nhau như sau: gyro cơ, gyro quang, và gyro điện Khởi đầu trong sự phát triển là gyro cơ, hoạt động dựa trên nguyên lý con quay hồi chuyển truyền thống Gyro cơ được sử dụng nhiều trong hệ thống gimbaled INS Sau đó là sự ra đời của gyro quang học, và gần đây nhất là sự phát triển của các loại gyro điện ứng dụng bởi công nghệ vi cơ điện tử MEMS (micro-electromechanical systems), gyro quang

và gyro điện ứng dụng nhiều trong strap down INS

2.3.3.1.1 Gyro cơ

Gyro cơ ( hay thường gọi bằng thuật ngữ rotating wheel) hoạt động dựa trên nguyên lý bảo toàn moment của một vật thể chuyển động quay khi tổng các lực tác dụng lên vật triệt tiêu

Cấu tạo cơ bản của một gyro cơ gồm có một đĩa kim loại hình tròn được treo lơ lửng bằng một sợi dây đàn hồi trong một bộ khung Đĩa kim loại được truyền chuyển động quay bằng cách tác động lên sợi dây dàn hồi treo dọc theo trục của bánh xe

Đối với cấu tạo dạng đĩa tròn ta có thể tính được moment quán tính của đĩa trong

hệ tọa độ đặt tại tâm đĩa và các trục quanh tương ứng với các trục quay của gimbal Lưu ý là trong cấu tạo của gyro cơ, trọng tâm của đĩa xoay phải trùng với trọng tâm của hệ gyro gimbal:

phương hướng của trục quay, và giữ trạng thái ổn định trong không gian quán tính Còn góc quay của các gimbal có thể đo được bằng các thiết bị đo góc gắn liền với trục quay của gimbal, các thiết bị này được gọi bằng thuật ngữ pickoff

Số lượng gimbal trong cấu tạo của gyro quy định số bậc tự do chuyển động quay của gyro Ví dụ như gyro có hai bậc tự do thì có cấu tạo gồm có hai gimbal Nếu trục quay của một gyro hai bậc tự do là thẳng đứng thì nó được gọi là gyro thẳng đứng (vertical gyro), còn nếu như trục quay nằm trong mặt phẳng nằm ngang thì gọi

là gyro định hướng (directional gyro), còn một gyro có trục quay không theo một phương cụ thể nào thì gọi là gyro tự do (free gyro) Sự ổn định trong không gian ba chiều đòi hỏi một gyro thẳng đứng và một gyro định hướng, hoặc là hai gyro tự do Một loại gyro cơ có tầm ứng dụng rộng rãi là gyro một bậc tự do, tức là cấu tạo chỉ gồm một gimbal quay quanh trục mà thôi, loại gyro này thường được gọi là intergrating rate gyro

Gyro cơ là loại gyro truyền thống, có độ chính xác cao, và được ứng dụng nhiều trong hệ thống dẫn đường của tên lửa hay tàu ngầm Gyro cơ có chức năng chủ yếu

là ổn định phương hướng chuyển động của hệ thống thống Gyro cơ chủ yếu được

sử dụng trong hệ gimbaled INS bởi vì kết cấu cơ khí rất phù hợp Hầu hết các hệ thống INS đều sử dụng kết hợp ba cảm biến gyro loại rate intergrating một bậc tự

do để ổn định phương hướng trong không gian

2.3.3.1.2 Gyro quang (Optical gyro)

Nguyên lý hoạt động của gyro quang dựa trên hiệu ứng Sagnac,được nhà vật lý học người Pháp Georges Sagnac tìm ra năm 1913, là hiệu ứng giao thoa ánh sáng tương quan với vận tốc quay Hiệu ứng Sagnac được đo bởi một vòng đo giao thoa Một luồng sáng được tách ra thành hai và cho lan truyền trên cùng một quỹ đạo với hai chiều trái ngược nhau, và quỹ đạo đó là một vòng kín, đồng thời cũng là một thiết bị đo giao thoa, gọi là dụng cụ đo giao thoa vòng (ring interferometer) Thiết bị này được gắn lên một giá đỡ có thể quay được Khi giá đỡ quay thì vòng giao thoa

sẽ bị dịch chuyển, dẫn đến vân giao thoa thu được trên màng quan sát sẽ bị dịch chuyển, và độ dịch chuyển của vân tùy thuộc vào độ dịch chuyển hay góc quay của giá đỡ

Cấu tạo của gyro cơ là hết sức phức tạp và gồm nhiều bộ phận chuyển động, còn gyro quang thì có cấu tạo đơn giản hơn và hầu như không có bộ phận nào chuyển động Có hai loại gyro quang được phát triển và ứng dụng rộng rãi trong công nghệ dò đường độ chính xác cao, đó là gyro vòng laser và gyro cáp quang

 Gyro vòng laser (RLG-Ring laser gyro):

Con quay laser vòng (Ring Laser Gyroscope- RLG) được chế tạo lần đầu tiên năm 1963 và bắt đầu đi vào sản xuất thương mại vào cuối những năm 1980 Nó hoạt động cũng dựa trên hiệu ứng Sagnac như con quay sợi quang học, trong đó 2 tia laser cùng bước sóng và đồng pha đi qua một hệ thống gương phản xạ theo 2 chiều ngược nhau và lấy ra ở gương bán phản xạ Nhưng ở đây thay vì cho giao thoa tia ra và đo sự khác biệt trong vân giao thoa như IFOG, người ta đo sự chênh lệch tần số của 2 tia laser (như trong RFOG) Có điều này là do khi RLG quay, tia

đi theo chiều quay sẽ có quãng đường dài hơn nên tần số thấp hơn, tia đi ngược chiều quay có quãng đường ngắn hơn nên tần số cao hơn Đo sự khác biệt này sẽ tính ra được tốc độ quay

Một gyro vòng laser cơ bản có cấu tạo là một rãnh kín có dạng hình học (thường là ba, bốn, hay sáu cạnh) được khoan bên trong một khối thủy tinh Các rãnh này là đường chuyển động của một hỗn hợp khí, như là helium và neon

Các phân tử khí chuyển động phát ra ánh sáng khi bị kích thích bởi điện trường trong rãnh kín Chùm sáng được tách đôi và chuyển động theo hai hướng ngược chiều nhau trong rãnh kín, một chùm sáng chuyển động theo chiều kim đồng

hồ và chùm sáng còn lại chuyển động ngược chiều kim đồng hồ Tại trạng thái cân bằng của khối thủy tinh, thì thời gian di chuyển của hai chùm sáng để đi hết quãng đường là một rãnh kín là như nhau, cho nên hai sóng ánh sáng là cùng pha nhau Còn nếu như khối thủy tinh quay đi một góc trong không gian thi thời gian hai chùm sáng đi hết một rãnh kín không còn như nhau nữa bởi quãng đường đi có sự sai lệch, và sóng ánh sáng cũng bị lệch pha nhau Như thế sẽ làm dịch chuyển vân giao thoa trên thiết bị quan sát

H nh 2.11 - Cấu tạo của gyro v ng aser