CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu - Giới thiệu chung các loại UAV 1.2 Vấn đề và mục tiêu - Trình bày vấn đề cần giải quyết và giải pháp đưa ra - Nêu ra mục tiêu chính của nghiên cứu CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG UAV 2.1 Cấu hình hệ thống - Giới thiệu các hệ thống: + Hệ thống cơ khí + Hệ thống điện + Hệ thống điều khiển + Phần mềm 2.2 Hệ thống cơ khí 5 - Trình bày rõ hơn về hệ thống cơ khí 2.3 Hệ thống cơ khí - Trình bày rõ hơn về hệ thống điện 2.4 Hệ thống điều khiển UAV - Nêu ra phần mềm điều khiển và trình bày cấu trúc và các thành phần của hệ thống điều khiển 2.5 Kết nối hệ thống - Đưa ra kết nối 3 hệ thống trên CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHỤ TRỢ CHO UAV III.1 Yêu cầu - Nêu chức năng và mục tiêu của hệ thống phụ trợ của UAV III.2 Thiết kế hệ thống cơ khí phụ trợ - Nêu quy trình, phương án để thiết kế cuối cùng đưa ra bản mẫu thiết kế cho 2 hệ thống phụ trợ của UAV CHƯƠNG 4: TÌNH TOÁN MÔ PHỎNG ĐỘ BỀN CỦA HỆ THỐNG PHỤ TRỢ SỬ DỤNG ABAQUS IV.1 Phần mềm sử dụng - Giới thiệu chung về phần mềm sử dụng và nêu ra các phần chính sử dụng trong đồ án IV.2 Quy trình và cách thức mô phỏng - Đưa ra quy trình, cách thức mô phỏng để đưa ra kết quả mô phỏng được IV.3 Kết quả và đánh giá - Đưa ra kết quả mô phỏng từ đó đánh giá khả năng hoạt động của các thiết bị phụ trở được thiết kế CHƯƠNG 5: CHẾ TẠO LẮP RÁP VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG PHỤ TRỢ CHO UAV - In 3D và lắp ráp vào hệ thống UAV - Đưa ra hình ảnh khi đã lắp ráp lại - Đánh giá sơ lược hệ thống UAV mới sau khi được lắp thêm các thiết bị phụ trợ CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN - Đưa ra kết luận - Đưa ra một số hướng phát triển mới trong tương lai 6 CHƯƠNG II. HỆ THỐNG UAV 2.1 Cấu hình hệ thống 2.1 Hệ thống cơ khí: - Khung máy : Khung xương chính, chịu lực và bảo vệ các thành phần khác. - Cánh quạt : Tạo lực đẩy cho UAV để bay lên và điều khiển hướng. - Động cơ : Chuyển động cánh quạt, điều chỉnh tốc độ quay để điều khiển UAV.
- Hệ thống hạ cánh: Chân hấp thụ va chạm khi hạ cánh 2.2 Hệ thống điện: - Pin: Cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống UAV. - ESC : Điều chỉnh tốc độ động cơ dựa trên lệnh từ bộ điều khiển trung tâm. - BEC (Battery Elimination Circuit): giảm điện áp từ pin xuống mức điện áp phù hợp để cung cấp cho các thành phần điện tử nhạy cảm - PDB (Power Distribution Board): là bảng phân phối nguồn điện từ pin đến các thành phần khác - Bộ phân phối nguồn: Phân phối nguồn điện từ pin đến các thành phần khác. - Đèn LED và hệ thống cảnh báo: Cung cấp thông tin về trạng thái hoạt động hoặc giúp dễ nhận biết UAV trong đêm.3 Hệ thống điều khiển: - Bộ điều khiển bay (PX4): Bộ não của UAV, xử lý dữ liệu từ các cảm biến và ra lệnh cho các động cơ để duy trì ổn định và điều khiển chuyển động của UAV.
- Cảm biến IMU (Inertial Measurement Unit): Bao gồm gia tốc kế và con quay hồi chuyển, dùng để đo lường góc nghiêng và gia tốc của UAV. - GPS Module: Cung cấp thông tin vị trí địa lý, hỗ trợ định vị và dẫn đường. - Máy thu tín hiệu : Nhận lệnh từ bộ điều khiển từ xa của người vận hành. - Antenna: Giúp truyền và nhận tín hiệu từ bộ điều khiển từ xa.4 Phần mềm: - Phần mềm điều khiển mặt đất (Qgroundcontrol Software): Giao diện giúp người vận hành kiểm soát và giám sát UAV từ xa, cung cấp các chức năng như lập trình lộ trình bay, giám sát thời gian thực, v.
- Firmware: Phần mềm nhúng trong bộ điều khiển bay, chịu trách nhiệm xử lý các lệnh và dữ liệu cảm biến. - Phần mềm truyền thông: Hỗ trợ việc truyền tải dữ liệu giữa UAV và thiết bị điều khiển mặt đất, như video trực tiếp hoặc thông tin cảm biến.2 Hệ thống cơ khí 2.1 Khung máy: - Khung máy là xương sống của UAV, chịu lực và là nơi gắn kết các thành phần khác như động cơ, pin, cánh quạt, và các thiết bị điện tử. Khung máy phải đủ cứng cáp để chịu được trọng lượng và lực tác động trong quá trình bay, nhưng cũng cần nhẹ để giảm thiểu tiêu thụ năng lượng.2 Cánh quạt: - Cánh quạt tạo lực đẩy, giúp UAV bay lên, hạ xuống, hoặc duy trì độ cao. Số lượng cánh quạt có thể từ 2 (đối với trực thăng) đến 4, 6, 8 hoặc nhiều hơn (đối với quadcopter, hexacopter, octocopter) tùy thuộc vào thiết kế UAV.
Tốc độ quay và góc nghiêng của cánh quạt điều chỉnh hướng bay và tốc độ của UAV.3 Động cơ: - Động cơ quay cánh quạt với tốc độ cao, biến năng lượng điện thành động năng để tạo lực đẩy. Có hai loại động cơ chính: động cơ không chổi than (brushless) và động cơ có chổi than (brushed). Động cơ không chổi than thường được sử dụng trong UAV nhờ độ bền cao và hiệu suất tốt hơn.4 Hệ thống hạ cánh: - Hệ thống hạ cánh bao gồm các chân hoặc bộ phận hấp thụ va chạm, giúp bảo vệ UAV và các thiết bị trên máy khi hạ cánh. Nó cần phải chắc chắn để chịu được trọng lượng của UAV và bảo vệ các thành phần nhạy cảm như camera hoặc gimbal khi tiếp đất.3 Hệ thống điện 2.1 Pin/Battery: - Pin cung cấp năng lượng điện cho toàn bộ hệ thống UAV, bao gồm động cơ, hệ thống điều khiển, và các cảm biến.
Dung lượng pin (thường được đo bằng milliampere-giờ - mAh) quyết định thời gian bay của UAV. Các loại pin phổ biến nhất được sử dụng là pin LiPo (Lithium Polymer) do có trọng lượng nhẹ và khả năng cung cấp dòng điện cao.2 ESC (Electronic Speed Controller): - ESC là bộ điều khiển tốc độ động cơ, nhận tín hiệu từ bộ điều khiển bay và điều chỉnh dòng điện đến động cơ để thay đổi tốc độ quay của cánh quạt. ESC đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì ổn định bay và điều khiển hướng di chuyển của UAV.3 Bộ phân phối nguồn (Power Distribution Board - PDB): - PDB là bảng phân phối nguồn điện từ pin đến các thành phần khác như ESC, bộ điều khiển bay, và các hệ thống phụ trợ khác. Nó giúp đảm bảo rằng mọi thành phần của UAV đều nhận được nguồn điện cần thiết và bảo vệ hệ thống khỏi quá tải hoặc ngắn mạch.4 BEC (Battery Elimination Circuit): - BEC là một bộ phận của ESC hoặc một thiết bị riêng biệt, có nhiệm vụ giảm điện áp từ pin xuống mức điện áp phù hợp để cung cấp cho các thành phần điện tử nhạy cảm như bộ điều khiển bay, cảm biến, hoặc bộ thu tín hiệu.
Điều này giúp bảo vệ các thiết bị này khỏi bị hỏng do điện áp quá cao.5 Cáp kết nối và dây điện: - Các cáp kết nối và dây điện trong UAV đóng vai trò dẫn điện giữa các thành phần như pin, ESC, động cơ, và các hệ thống điều khiển khác. Dây điện cần được chọn với độ dày phù hợp để chịu được dòng điện mà không gây tổn thất năng lượng hoặc sinh nhiệt quá mức.6 Antenna: - Antenna là bộ phận thu và phát tín hiệu, giúp UAV giao tiếp với bộ điều khiển từ xa hoặc hệ thống điều khiển mặt đất. Antenna phải 9 được cấp nguồn điện để hoạt động và đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì kết nối tín hiệu giữa UAV và người điều khiển.7 Module sạc: - Module sạc là thiết bị ngoài, được sử dụng để sạc lại pin của UAV. Một module sạc thông minh có thể điều chỉnh dòng sạc, bảo vệ pin khỏi quá nhiệt, quá tải, hoặc sạc quá mức, kéo dài tuổi thọ pin và đảm bảo an toàn khi sử dụng.4 Hệ thống phần mềm điều khiển UAV 2.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển UAV bằng phần mềm QGroundControl: Sơ đồ hệ thống điều khiển: 10 2.2 Các thành phần trong hệ thống điều khiển UAV với QGroundControl: - QGroundControl (Phần mềm điều khiển mặt đất): + Đây là phần mềm chính mà bạn sử dụng trên máy tính, máy tính bảng hoặc điện thoại thông minh.
QGroundControl cung cấp giao diện đồ họa để lập trình lộ trình bay, giám sát các thông số của UAV như tốc độ, độ cao, vị trí, và tình trạng pin. 11 Bạn cũng có thể điều chỉnh các thiết lập của UAV và nhận dữ liệu thời gian thực từ UAV. - Bộ điều khiển từ xa (Remote Controller): + Đây là thiết bị cầm tay truyền thống với cần điều khiển (joysticks) và các nút bấm để điều khiển UAV theo cách thủ công. Bộ điều khiển này giao tiếp với máy thu tín hiệu trên UAV để gửi các lệnh điều khiển như thay đổi độ cao, hướng bay, hoặc kích hoạt các chế độ bay đặc biệt.
- Máy thu tín hiệu (Receiver on UAV): Máy thu tín hiệu nằm trên UAV, nhận tín hiệu từ bộ điều khiển từ xa và chuyển tiếp chúng tới bộ điều khiển bay. Máy thu này cũng có thể nhận tín hiệu từ QGroundControl thông qua kết nối không dây (như Wi-Fi hoặc RF) khi điều khiển UAV ở chế độ tự động hoặc bán tự động. - Bộ điều khiển bay (Flight Controller): Bộ điều khiển bay là bộ não của UAV, xử lý các tín hiệu từ máy thu tín hiệu, cảm biến (như GPS, IMU) và các lệnh từ QGroundControl để điều khiển động cơ và cánh quạt, đảm bảo UAV duy trì ổn định và thực hiện các lệnh điều khiển chính xác. - Telemetry Module: Telemetry Module là thiết bị kết nối không dây (như radio, Wi-Fi) giữa UAV và QGroundControl.
Nó truyền tải dữ liệu từ UAV về máy tính điều khiển, bao gồm thông tin về vị trí, tốc độ, độ cao, và tình trạng hệ thống. Đồng thời, nó cũng gửi các lệnh từ QGroundControl tới UAV.3 Sử dụng điều khiển UAV với QGroundControl: - Lập trình lộ trình bay tự động: Bạn có thể sử dụng QGroundControl để lập trình lộ trình bay tự động bằng cách đặt các điểm waypoint trên bản đồ. UAV sẽ tự động bay theo lộ trình này mà không cần sự can thiệp thủ công. - Điều khiển thủ công: Khi cần thiết, bạn có thể chuyển sang chế độ điều khiển thủ công bằng bộ điều khiển từ xa, sử dụng các cần điều khiển để điều chỉnh hướng bay, độ cao và tốc độ của UAV.