Báo Cáo Đồ Án II: Thiết Kế và Điều Khiển Drone (ĐH Bách Khoa HN)

• Tác giả: Lê Thiên Tuyến
• Người hướng dẫn: TS. Đào Quý Thịnh
• Trường học: Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Điện – Điện tử
• Đề tài: Thiết Kế Và Điều Khiển Drone
• Loại tài liệu: Báo cáo đồ án
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• PHỤ LỤC
• 1. CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ DRONE
• 1.1. Giới thiệu chung về Drone
• 1.2. Nguyên lý hoạt động của Drone
• 2. CHƯƠNG II. SƠ ĐỒ KẾT NỐI VÀ PHẦN CỨNG
• 2.1. Sơ đồ kết nối của hệ thống
• 2.2. Tay cầm FlySky
• 2.3. Động cơ BLDC, cánh quạt và bộ điều khiển ESC
• 3. CHƯƠNG III. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC
• 3.1. Mô hình động lực học
• 3.2. Công thức Newton - Euler
• 3.3. Công thức Euler - Lagrange
• 4. CHƯƠNG IV. SỬ DỤNG KIT OPEN SOURCE PX4
• 4.1. Tổng quan về PX4 Autopilot
• 4.2. Lắp đặt và kết nối PX4
• 5. CHƯƠNG V. THIẾT KẾ GIAO DIỆN ĐỒ HỌA NGƯỜI DÙNG ĐIỀU KHIỂN DRONE
• 5.1. Tổng quan về QGroundControl – trạm kiểm soát mặt đất
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Thiết Kế Drone và Ứng Dụng Thực Tế Hiện Nay

Drone, hay còn gọi là máy bay không người lái (UAV), đã trở nên phổ biến và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Từ quân sự đến dân sự, từ giải trí đến công nghiệp, drone chứng minh tính linh hoạt và hiệu quả vượt trội. Thiết kế drone bao gồm nhiều yếu tố như vật liệu nhẹ, khả năng bay lâu, tính cơ động cao và hoạt động hiệu quả. Trong quân sự, drone được sử dụng cho tình báo, trinh sát, giám sát, và tấn công. Trong dân dụng, chúng được dùng để vận chuyển hàng hóa, dự báo thời tiết, cứu hộ, nông nghiệp và điện ảnh. Báo cáo đồ án drone thường tập trung vào các khía cạnh kỹ thuật như thiết kế máy bay không người lái, điều khiển máy bay không người lái, lập trình điều khiển drone, và lựa chọn các thành phần như cảm biến drone, pin drone, động cơ drone, và khung drone. Điều quan trọng là phải cân bằng giữa hiệu suất, chi phí, và độ tin cậy khi thiết kế drone. Ví dụ, NASA và các cơ quan thời tiết sử dụng drone để thu thập thông tin khí tượng. Trong cứu hộ, drone giúp phát hiện người gặp nạn trong các tình huống nguy hiểm. Ứng dụng trong nông nghiệp giúp giám sát các trang trại lớn. Trong điện ảnh, drone hỗ trợ ghi lại những cảnh quay trên không. Báo cáo này sẽ đi sâu vào các khía cạnh kỹ thuật của thiết kế và điều khiển drone, từ mô hình động lực học đến việc sử dụng các kit open source như PX4.

1.1. Các Lĩnh Vực Ứng Dụng Đa Dạng Của Drone UAV

Drone đã chứng minh tính hữu ích trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong quân sự, chúng được sử dụng cho các nhiệm vụ trinh sát, giám sát và tấn công, giúp giảm thiểu rủi ro cho con người. Trong dân dụng, drone được sử dụng rộng rãi để vận chuyển hàng hóa, đặc biệt là trong các khu vực khó tiếp cận. Trong nông nghiệp, drone trang bị cảm biến có thể theo dõi sức khỏe cây trồng và tối ưu hóa việc sử dụng phân bón và thuốc trừ sâu. Trong xây dựng, drone có thể được sử dụng để khảo sát địa điểm và theo dõi tiến độ thi công. Theo báo cáo từ Đại học Bách Khoa Hà Nội, drone ngày càng trở nên gần gũi với những ứng dụng thiết thực.

1.2. Giới Thiệu Về Báo Cáo Đồ Án Drone Mục Tiêu và Phạm Vi

Báo cáo đồ án này tập trung vào thiết kế và điều khiển drone, bao gồm việc xây dựng mô hình động lực học, lựa chọn phần cứng phù hợp, và phát triển giao diện điều khiển. Mục tiêu chính là cung cấp một cái nhìn tổng quan về các khía cạnh kỹ thuật quan trọng của thiết kế drone và trình bày các phương pháp điều khiển drone hiệu quả. Phạm vi của báo cáo bao gồm việc tính toán thiết kế drone, phân tích lực drone, khí động học drone, và ổn định drone. Việc sử dụng kit open source PX4 cũng được trình bày chi tiết. Theo lời nói đầu của báo cáo, tác giả gửi lời cảm ơn đến TS. Đào Quý Thịnh vì đã hướng dẫn và cung cấp tài liệu để hoàn thành báo cáo này.

II. Thách Thức Trong Thiết Kế Điều Khiển Drone Bài Toán Cân Bằng

Việc thiết kế và điều khiển drone đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật. Một trong những thách thức lớn nhất là làm thế nào để điều khiển bốn động cơ giúp máy bay có thể cân bằng trên từng trục, kết hợp cân bằng các trục với nhau, triệt tiêu quán tính xoay tròn và điều khiển drone di chuyển ổn định. Yếu tố quan trọng nhất để có thể điều khiển cân bằng và di chuyển đó là giá trị các góc nghiêng đọc từ cảm biến phải chính xác. Ngoài ra, việc lựa chọn phần cứng phù hợp cũng là một thách thức. Pin drone phải đủ mạnh để cung cấp năng lượng cho các động cơ và các thành phần khác trong một khoảng thời gian đủ dài. Động cơ drone phải đủ mạnh để tạo ra lực đẩy cần thiết để nâng drone lên và duy trì ổn định. Khung drone phải đủ nhẹ và chắc chắn để chịu được các lực tác động trong quá trình bay. Theo báo cáo, khi thiết kế drone, cần phải có mạch cân bằng để có thể cân bằng được drone.

2.1. Yêu Cầu Về Cảm Biến Chính Xác và Thuật Toán Điều Khiển Drone

Để điều khiển drone một cách chính xác, cần phải có cảm biến có độ chính xác cao để đo các thông số như gia tốc, vận tốc góc, và vị trí. Các cảm biến phổ biến được sử dụng trong drone bao gồm MPU6050, gia tốc kế, và con quay hồi chuyển. Thuật toán điều khiển phải có khả năng xử lý các tín hiệu từ cảm biến và đưa ra các lệnh điều khiển động cơ phù hợp để duy trì sự ổn định và thực hiện các nhiệm vụ khác nhau. Báo cáo đề xuất sử dụng thuật toán PID kết hợp giữa các công thức Newton-Euler và Euler-Lagrange để lựa chọn thông số điều khiển cân bằng và di chuyển mô hình bay.

2.2. Lựa Chọn Phần Cứng Tối Ưu Động Cơ Drone Pin Drone Khung và ESC

Việc lựa chọn phần cứng phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của drone. Động cơ drone phải có đủ công suất và hiệu suất để tạo ra lực đẩy cần thiết để nâng drone lên và di chuyển. Pin drone phải có đủ dung lượng và tốc độ xả để cung cấp năng lượng cho động cơ trong một khoảng thời gian đủ dài. Khung drone phải đủ nhẹ và chắc chắn để chịu được các lực tác động trong quá trình bay. ESC (Electronic Speed Controller) phải có khả năng điều khiển tốc độ động cơ một cách chính xác và hiệu quả. Báo cáo đề cập đến việc sử dụng động cơ BLDC MT2204 – 2300KV, cánh quạt 6045 (6 inch), pin Lipo, và ESC 12AE.

III. Phương Pháp Xây Dựng Mô Hình Động Lực Học Điều Khiển Drone

Việc xây dựng mô hình động lực học chính xác là rất quan trọng để thiết kế các thuật toán điều khiển drone hiệu quả. Mô hình động lực học mô tả mối quan hệ giữa các lực tác động lên drone và chuyển động của nó. Các phương pháp phổ biến để xây dựng mô hình động lực học bao gồm công thức Newton-Euler và công thức Euler-Lagrange. Sau khi có mô hình động lực học, có thể sử dụng các thuật toán điều khiển như PID, LQR, hoặc MPC để điều khiển drone. Theo báo cáo, mô hình bay hoạt động dựa trên nguyên lý cân bằng góc nghiêng của từng cặp động cơ đặt đối diện nhau.

3.1. Sử Dụng Công Thức Newton Euler và Euler Lagrange Trong Mô Hình Hóa Drone

Công thức Newton-Euler và Euler-Lagrange là hai phương pháp phổ biến để xây dựng mô hình động lực học của drone. Công thức Newton-Euler dựa trên các định luật chuyển động của Newton và các định luật quay của Euler. Công thức Euler-Lagrange dựa trên nguyên lý tác dụng tối thiểu của Lagrange. Cả hai phương pháp đều có thể được sử dụng để mô tả chuyển động của drone, nhưng công thức Euler-Lagrange thường được sử dụng khi hệ thống có nhiều bậc tự do. Báo cáo trình bày chi tiết việc áp dụng cả hai công thức này để xây dựng mô hình động lực học drone.

3.2. Các Thuật Toán Điều Khiển Drone PID LQR và Ứng Dụng Thực Tế

Sau khi có mô hình động lực học, có thể sử dụng các thuật toán điều khiển để điều khiển drone. Thuật toán PID (Proportional-Integral-Derivative) là một thuật toán điều khiển cổ điển và phổ biến. Thuật toán LQR (Linear Quadratic Regulator) là một thuật toán điều khiển tối ưu hóa dựa trên mô hình tuyến tính hóa của hệ thống. Thuật toán MPC (Model Predictive Control) là một thuật toán điều khiển dự đoán dựa trên mô hình của hệ thống và các ràng buộc. Báo cáo tập trung vào việc sử dụng thuật toán PID để điều khiển drone.

IV. Hướng Dẫn Sử Dụng Kit Open Source PX4 Autopilot Cho Drone Project

PX4 là một phần mềm điều khiển chuyến bay mã nguồn mở phổ biến được sử dụng cho máy bay không người lái và các phương tiện không người lái khác. PX4 cung cấp một bộ công cụ linh hoạt cho các nhà phát triển máy bay không người lái để chia sẻ công nghệ nhằm tạo ra các giải pháp phù hợp cho các ứng dụng máy bay không người lái. PX4 có tính mô-đun cao và có thể mở rộng cả về phần cứng và phần mềm. Nó sử dụng kiến trúc dựa trên cổng, cho phép các nhà phát triển thêm các thành phần mà không làm mất đi độ bền hoặc hiệu suất. Theo báo cáo, PX4 là một phần cốt lõi của nền tảng máy bay không người lái rộng lớn hơn bao gồm trạm mặt đất QGroundControl, Pixhawk firmware và MAVSDK.

4.1. Cài Đặt và Kết Nối PX4 Autopilot Với Phần Cứng Drone

Để sử dụng PX4, cần phải cài đặt phần mềm trên bộ điều khiển chuyến bay (ví dụ: Pixhawk) và kết nối nó với các thành phần khác của drone, chẳng hạn như động cơ, cảm biến, và pin. Cần phải đảm bảo rằng các kết nối được thực hiện đúng cách và các thông số được cấu hình chính xác. Báo cáo hướng dẫn chi tiết cách cài đặt và kết nối PX4 với các thành phần của drone, bao gồm cả việc sử dụng các miếng đệm xốp giảm rung cho Pixhawk.

4.2. Lập Trình và Điều Khiển Drone Với MAVSDK và QGroundControl

MAVSDK là một thư viện phát triển phần mềm (SDK) cung cấp các API để giao tiếp với PX4 thông qua giao thức MAVLink. QGroundControl là một trạm kiểm soát mặt đất (GCS) cho phép người dùng theo dõi và điều khiển drone từ xa. Có thể sử dụng MAVSDK để viết các chương trình điều khiển drone tùy chỉnh và QGroundControl để cấu hình, theo dõi, và điều khiển drone. Báo cáo trình bày ví dụ về việc sử dụng MAVSDK-Python để gửi lệnh takeoff và di chuyển drone theo hệ tọa độ North-East-Down.

V. Thiết Kế 3D Drone và Xây Dựng Giao Diện Điều Khiển GUI Tiện Lợi

Để tạo ra một drone hoàn chỉnh, việc thiết kế 3D là một bước quan trọng, cho phép hình dung và tối ưu hóa hình dạng, kích thước, và vị trí của các thành phần. Sau đó, xây dựng một giao diện người dùng đồ họa (GUI) trực quan và dễ sử dụng giúp người dùng điều khiển drone một cách hiệu quả. Theo báo cáo, thư viện tkinter được sử dụng để thiết kế GUI với ngôn ngữ python.

5.1. Sử Dụng Phần Mềm Thiết Kế 3D Drone Các Công Cụ và Kỹ Thuật

Có nhiều phần mềm thiết kế 3D khác nhau có thể được sử dụng để thiết kế drone, chẳng hạn như SolidWorks, AutoCAD, và Fusion 360. Việc lựa chọn phần mềm phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của dự án và kinh nghiệm của người thiết kế. Các kỹ thuật thiết kế 3D quan trọng bao gồm tạo mô hình, lắp ráp, và phân tích độ bền. Báo cáo không đi sâu vào chi tiết về phần mềm thiết kế 3D, nhưng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc thiết kế khung quadcopter để đảm bảo sự chắc chắn, tính đối xứng, và phân bố khối lượng đều.

5.2. Phát Triển GUI Điều Khiển Drone Bằng Tkinter Trong Python

Tkinter là một thư viện GUI tiêu chuẩn cho Python, cung cấp các công cụ để tạo các ứng dụng GUI một cách nhanh chóng và dễ dàng. Có thể sử dụng Tkinter để tạo các nút bấm, hộp văn bản, và các thành phần giao diện khác để điều khiển drone. Việc sử dụng async/await giúp giao diện không bị treo khi thực hiện các tác vụ không đồng bộ. Báo cáo trình bày một giao diện GUI được thiết kế bằng Tkinter, bao gồm các chức năng như kết nối PX4, arm/disarm động cơ, thay đổi chế độ bay, cất cánh, hạ cánh, và điều khiển tọa độ.

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Tiềm Năng Ứng Dụng và Drone Simulation

Thiết kế và điều khiển drone là một lĩnh vực đầy tiềm năng với nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của drone, phát triển các thuật toán điều khiển tiên tiến hơn, và mở rộng các ứng dụng của drone. Việc sử dụng mô phỏng drone cũng là một hướng phát triển quan trọng để thử nghiệm và đánh giá các thiết kế và thuật toán điều khiển mới. Báo cáo đã đi sâu vào mô phỏng jmavsim.

6.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu và Ứng Dụng Thực Tế Trong Tương Lai

Báo cáo đã trình bày các khía cạnh kỹ thuật quan trọng của thiết kế và điều khiển drone, từ mô hình động lực học đến việc sử dụng kit open source PX4 và phát triển GUI điều khiển. Các kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để thiết kế và điều khiển drone cho các ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như vận chuyển hàng hóa, giám sát môi trường, và tìm kiếm cứu nạn. Trong tương lai, drone có thể được sử dụng rộng rãi hơn trong các lĩnh vực như nông nghiệp thông minh, xây dựng tự động, và giao thông đô thị.

6.2. Đề Xuất Các Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Về UAV Control và Drone Dynamics

Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các thuật toán điều khiển tiên tiến hơn, chẳng hạn như điều khiển thích nghi, điều khiển học máy, và điều khiển dựa trên thị giác. Việc nghiên cứu động lực học drone phức tạp hơn cũng là một hướng đi quan trọng để hiểu rõ hơn về hành vi của drone trong các điều kiện khác nhau. Ngoài ra, việc phát triển các phương pháp mô phỏng drone chính xác hơn cũng là một ưu tiên để giảm thiểu chi phí và rủi ro trong quá trình thiết kế và điều khiển drone.