Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực phương tiện bay không người lái (UAV), mô hình máy bay bốn cánh quạt (Quadrocopter) ngày càng thu hút sự quan tâm nghiên cứu và ứng dụng trong cả dân sự lẫn quân sự nhờ kết cấu cơ khí đơn giản, khả năng cất và hạ cánh thẳng đứng (VTOL), cùng tính cơ động cao trong không gian hẹp. Khác với trực thăng truyền thống (helicopter) đòi hỏi cụm cơ cấu đĩa lệch (swashplate) và hệ thống truyền động cơ khí phức tạp để thay đổi góc nghiêng của cánh quạt chính, Quadrocopter tạo lực nâng và điều khiển hướng bay hoàn toàn dựa vào việc thay đổi vận tốc quay độc lập của bốn động cơ gắn đối xứng tạo thành hình chữ thập.

Tuy nhiên, chuyển động của Quadrocopter là một hệ thống phi tuyến, đa biến, có khớp nối chặt chẽ và không ổn định tự nhiên, đòi hỏi hệ thống điều khiển tự động phải có khả năng thu thập và xử lý tín hiệu cảm biến ở tốc độ cao nhằm duy trì trạng thái cân bằng trên không. Tại thời điểm nghiên cứu (năm 2015), phần lớn các mô hình Quadrocopter phong trào trong nước sử dụng mạch điều khiển thương mại nhập khẩu, ít có công trình tự nghiên cứu và xây dựng hoàn chỉnh từ phần cứng vi điều khiển đến thuật toán nhúng.

Đề tài tốt nghiệp "Nghiên cứu và chế tạo máy bay 4 cánh Quadrocopter" thuộc ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, do sinh viên Nguyễn Hữu Chỉnh và Đặng Hoài Phong thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh, được triển khai nhằm tự chủ giải pháp thiết kế hệ thống bay bốn cánh.

Nhiệm vụ nghiên cứu được giao cụ thể gồm 5 nội dung:

  1. Thiết kế và xây dựng cơ khí máy bay Quadrocopter với các thiết bị tự tạo hoặc có sẵn.
  2. Tìm hiểu lý thuyết và nguyên lý tổng quát về Quadrocopter.
  3. Tìm hiểu thuật toán PID, ngôn ngữ C++ và nền tảng ARM Cortex.
  4. Thiết kế mạch thu thập và xử lý tín hiệu từ cảm biến giúp máy bay có thể tự giữ thăng bằng.
  5. Thiết kế và chế tạo tay điều khiển từ xa.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Mô hình máy bay bốn cánh quạt dạng chữ thập/chữ X, hệ thống cảm biến quán tính (IMU), giải thuật ước lượng góc nghiêng và giải thuật điều khiển tự cân bằng PID.
  • Phạm vi nghiên cứu: Thời gian thực hiện từ ngày 01/03/2015 đến 01/07/2015. Về mặt kỹ thuật, đề tài giới hạn ở việc nghiên cứu, chế tạo mô hình sử dụng động cơ công suất trung bình, xử lý tín hiệu con quay hồi chuyển (gyroscope) và gia tốc kế (accelerometer) để điều khiển cân bằng ba góc tư thế (Roll, Pitch, Yaw); chưa mở rộng sang việc điều khiển định vị quỹ đạo bay tự động hay tích hợp hệ thống GPS.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình toán học

Khóa luận tiếp cận lý thuyết động học và động lực học vật thể bay 6 bậc tự do (6 DOF) với 12 biến trạng thái, thông qua việc thiết lập mối quan hệ giữa hai hệ tọa độ:

  • Hệ tọa độ quán tính mặt đất $O_{NED}$ (North - East - Down): Trục $U_x$ hướng Bắc, $U_y$ hướng Đông, $U_z$ hướng xuống đất; mô tả vị trí trọng tâm $[X, Y, Z]^T$ và vận tốc dài $[U, V, W]^T$.
  • Hệ tọa độ vật thể $O_{ABC}$: Gốc tọa độ gắn tại trọng tâm máy bay; mô tả 3 góc quay Euler gồm góc cuộn Roll ($\phi$), góc chúc Pitch ($\theta$), góc lệch Yaw ($\psi$) và vận tốc góc quay quanh ba trục $[P, Q, R]^T$.

Phương trình động học chuyển đổi giữa vận tốc góc của vật thể và đạo hàm các góc Euler được xây dựng qua ma trận liên hệ $T$:

$$\begin{bmatrix} P \ Q \ R \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 1 & 0 & -\sin\theta \ 0 & \cos\phi & \sin\phi\cos\theta \ 0 & -\sin\phi & \cos\phi\cos\theta \end{bmatrix} \begin{bmatrix} \dot{\phi} \ \dot{\theta} \ \dot{\psi} \end{bmatrix}$$

Phương trình động lực học tổng quát cho khung cứng được mô tả theo định luật II Newton cho chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay:

$$\begin{bmatrix} m I_{3\times 3} & 0_{3\times 3} \ 0_{3\times 3} & I_{3\times 3} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} \vec{a}_B \ \dot{\vec{\omega}}_B \end{bmatrix} + \begin{bmatrix} \vec{\omega}_B \times m\vec{a}_B \ \vec{\omega}_B \times I\vec{\omega}_B \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} F_B \ \tau_B \end{bmatrix}$$

Trong đó, $m$ là khối lượng máy bay, $I$ là ma trận quán tính, $F_B$ và $\tau_B$ lần lượt là tổng ngoại lực và mô-men xoắn do bốn cánh quạt sinh ra.

Hệ thống dẫn đường quán tính và xử lý cảm biến

Khóa luận áp dụng cấu trúc hệ thống dẫn đường quán tính không đế (Strapdown INS), gắn trực tiếp cảm biến lên thân máy bay. Do đặc tính của từng loại cảm biến:

  • Cảm biến gia tốc (Accelerometer) đo góc nghiêng dựa vào trọng trường không bị trôi theo thời gian dài nhưng lại rất nhạy với nhiễu rung cơ học tần số cao từ động cơ.
  • Cảm biến vận tốc góc (Gyroscope) đo phản ứng tức thời chính xác, không nhạy với ngoại lực nhưng khi lấy tích phân để tính góc sẽ sinh ra sai số tích lũy (hiện tượng trôi dạt - drift).

Để khắc phục, nhóm tác giả triển khai thuật toán Bộ lọc bù (Complementary Filter) tuyến tính: kết hợp bộ lọc thông thấp cho dữ liệu gia tốc kế và bộ lọc thông cao cho dữ liệu con quay hồi chuyển. Công thức cập nhật góc tại mỗi chu kỳ lấy mẫu được xác định:

$$Góc = 0.98 \times (Góc_{trước} + Gyro \times \Delta t) + 0.02 \times Góc_{Accel}$$

Tỷ lệ 98% cho Gyroscope và 2% cho Accelerometer giúp hệ thống vừa chống trôi dài hạn, vừa lọc triệt để các nhiễu rung động cơ học.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp tổng hợp và phân tích lý thuyết: Nghiên cứu tài liệu khí động học, phương trình Euler, nguyên lý điều tốc động cơ không chổi than (BLDC) và phương pháp lọc số.
  • Phương pháp thiết kế và tích hợp hệ thống kỹ thuật: Lựa chọn linh kiện phần cứng, thiết kế mạch nguyên lý, layout bo mạch điều khiển phát sóng vô tuyến, lập trình firmware nhúng trên kit vi điều khiển.
  • Phương pháp thực nghiệm hiệu chỉnh: Thu thập dữ liệu góc nghiêng thời gian thực truyền về máy tính qua chuẩn RS232, vẽ đồ thị phản hồi bằng công cụ STMStudio và phần mềm tự xây dựng bằng C++ để tinh chỉnh các hệ số điều khiển $K_p, K_i, K_d$ của bộ điều khiển PID.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống Quadrocopter được cấu trúc thành ba khối chức năng chính: Khối điều khiển mặt đất, Khối mô hình máy bay và Khối giám sát máy tính.

Hạng mục phần cứng Linh kiện / Thông số kỹ thuật lựa chọn Vai trò trong hệ thống
Khung máy bay Frame X650 (Trọng lượng 535g, chiều dài trục 650mm, 2 trục bằng nhôm, đế sợi thủy tinh dày 1.5mm) Đảm bảo kết cấu đối xứng, chịu lực và chống rung
Cánh quạt Emax 10x4.5 (Đường kính 10 inch, bước tiến 4.5 inch/vòng; 2 cánh CW và 2 cánh CCW) Chuyển đổi lực quay thành lực nâng, triệt tiêu mô-men xoắn phản lực
Động cơ 4 động cơ BLDC Sunnysky A2212-13 980KV (Khả năng nâng 1kg/động cơ, dòng không tải 0.5A, tải tối đa 15A) Cung cấp lực nâng tổng thể (tối đa ~4kg cho 4 động cơ)
Bộ điều tốc (ESC) 4 mạch Turnigy Plush 30A (Tần số PWM ngõ vào 50Hz – 400Hz, độ rộng xung 1ms – 2ms) Điều chỉnh tốc độ động cơ tương ứng từ 0% đến 100% công suất
Vi xử lý trung tâm STM32F4 Discovery (Lõi ARM Cortex-M4, xung nhịp 168MHz, 1MB Flash, 194KB RAM, 14 timer) Thu thập I2C, tính toán bộ lọc bù, giải thuật PID và xuất xung PWM
Cảm biến IMU Module MPU6050 (Tích hợp Gyro 3 trục, Accel 3 trục, cảm biến nhiệt độ; giao tiếp I2C 400kHz, 3.3V) Đo lường gia tốc và vận tốc góc 3 trục của máy bay
Module truyền thông RF Module RFM22B (Tần số 868MHz, công suất phát +17dB / 100mW, bộ đệm 64-byte FIFO, giao tiếp SPI) Truyền nhận tín hiệu điều khiển từ xa chống nhiễu
Nguồn cấp máy bay Pin LiPo Wild Scorpion 3S 11.1V (2200mAh, dòng xả 35C, sạc tối đa 5C, kích thước 23x33x107mm, nặng 184g) Cung cấp dòng điện tức thời cao cho 4 động cơ và mạch điều khiển
Giao diện giám sát Phần mềm C++ Windows Forms Application & STMicroelectronics STMStudio kết nối RS232 Giám sát biến toàn cục trong RAM, vẽ đồ thị phản hồi góc theo thời gian thực

Hệ thống tay điều khiển từ xa được thiết kế riêng với nguồn pin 4.2V, các joystick/nút bấm tạo lệnh điều khiển 4 kênh (Throttle, Roll, Pitch, Yaw) và vi điều khiển giao tiếp với module RFM22B qua chuẩn SPI. Tần số sóng vô tuyến được chọn là 868MHz – dải tần ít bị trùng lặp với các thiết bị gia dụng và sóng WiFi 2.4GHz thông thường, giúp tăng độ ổn định và giảm thiểu hiện tượng can nhiễu tín hiệu.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan

Chương này giới thiệu khái niệm cơ bản về máy bay bốn cánh quạt, so sánh đặc tính khí động học giữa Quadrocopter, trực thăng truyền thống và máy bay cánh bằng. Tác giả điểm lại lịch sử phát triển từ chiếc Quadrocopter đầu tiên mang tên "Breguet – Richet Gyroplane No.1" (ra đời năm 1907 tại Pháp với trọng lượng 575kg, dùng động cơ 8 xy-lanh) cho đến các sản phẩm thương mại và nghiên cứu hiện đại như mô hình tại TEDGlobal (2013 của Raffaello D'Andrea), AR.Drone của hãng Parrot (nặng 400g, điều khiển qua WiFi). Đồng thời, chương I phân tích tình hình nghiên cứu trong nước, tiêu biểu là đề tài nghiệm thu năm 2009 của nhóm kỹ sư Lê Công Danh – Phan Ngọc Huy tại TP.HCM. Tác giả phân tích ưu - nhược điểm, tiềm năng ứng dụng quân sự/dân sự của UAV và xác lập mục tiêu thiết kế mô hình thử nghiệm ngoài trời: tổng trọng lượng dưới 2kg, động cơ nâng 1kg/chiếc, thời gian bay 5–10 phút, tầm điều khiển 100–200m.

Chương II: Thiết kế cơ khí & Chương II: Lý thuyết tiếp cận

(Văn bản gốc bố cục thành hai phần mang cùng ký hiệu Chương II)

  • Thiết kế cơ khí: Trình bày việc lựa chọn khung nhôm Frame X650 nhằm đảm bảo tính đối xứng cơ học và vuông góc của trục động cơ; phân tích các thông số kỹ thuật của cánh quạt Emax 10x4.5 (chiều dài, góc xoắn, bước tiến) cùng nguyên lý bố trí 2 cặp cánh CW/CCW quay nghịch chiều nhau để triệt tiêu mô-men xoắn thân máy bay.
  • Lý thuyết tiếp cận: Phân tích nguyên lý tạo chuyển động cơ bản gồm: Hover (lơ lửng), Throttle (thay đổi độ cao), Roll (nghiêng ngang), Pitch (nghiêng dọc), Yaw (xoay hướng). Xây dựng chi tiết hệ phương trình động học và động lực học chuyển đổi giữa hệ trục quán tính $O_{NED}$ và hệ trục vật thể $O_{ABC}$. Phân loại hệ thống INS (Gimbal và Strapdown), liệt kê các sai số cảm biến quán tính (lỗi lắp đặt, độ lệch offset, trôi dạt, nhiễu ngẫu nhiên). Trình bày toán học xử lý dữ liệu chuẩn hóa từ Accelerometer, Magnetometer, Gyroscope và thuật toán Bộ lọc bù (Complementary Filter). Giới thiệu cấu tạo, nguyên lý kích từ nam châm vĩnh cửu của động cơ BLDC, phương pháp điều khiển độ rộng xung PWM tần số 400Hz qua ESC, cùng kỹ thuật giám sát biến RAM qua C++ và STMStudio.

Chương III: Xây dựng Quadrocopter

Chương này đi sâu vào việc hiện thực hóa phần cứng mô hình. Tác giả thuyết minh sơ đồ khối tổng thể gồm ba khối: Điều khiển, Mô hình và Giám sát. Trình bày chi tiết lý do tính toán và chọn lựa từng linh kiện điện tử: động cơ Sunnysky A2212-13 (980KV), bộ điều tốc Turnigy Plush 30A, vi điều khiển STM32F4 Discovery (tốc độ 168MHz), module cảm biến MPU6050 kết nối qua bus I2C, và pin LiPo Wild Scorpion 3S 2200mAh 35C. Đồng thời, chương này mô tả sơ đồ mạch nguyên lý (schematic) và thiết kế mạch in (layout) của tay điều khiển cầm tay tích hợp module thu phát vô tuyến RFM22B.

Chương IV: Giải thuật và lập trình xử lí

Nội dung chương tập trung vào cấu trúc phần mềm nhúng trên STM32F4 và phần mềm giao tiếp máy tính. Tác giả xây dựng sơ đồ thuật toán chính của vòng lặp điều khiển thời gian thực: khởi tạo ngoại vi, đọc dữ liệu thô từ MPU6050 qua I2C, đưa qua bộ lọc bù để tính toán góc nghiêng $\phi, \theta, \psi$, nhận tín hiệu điều khiển giải mã từ module RFM22B, thực thi thuật toán điều khiển PID để tính toán lượng bù sai số và ánh xạ thành xung PWM (tần số 400Hz, chu kỳ 1–2ms) cấp trực tiếp cho 4 bộ điều tốc ESC. Chương này cũng trình bày lưu đồ thuật toán và cấu trúc giao diện người dùng trên máy tính xây dựng bằng C++ Windows Forms để quan sát dữ liệu cảm biến.

Chương V: Kết luận

Chương tổng kết toàn bộ quá trình thực hiện đồ án, đánh giá mức độ hoàn thành so với các chỉ tiêu nhiệm vụ đề ra ban đầu, chỉ rõ những điểm đã làm được, các mặt tồn tại cần khắc phục và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo cho mô hình.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Chế tạo hoàn chỉnh phần cứng: Lắp ráp hoàn thiện khung bay X650 với hệ thống 4 động cơ BLDC Sunnysky 980KV, 4 ESC Turnigy Plush 30A, vi điều khiển STM32F4 Discovery, khối nguồn LiPo 2200mAh 35C và cảm biến MPU6050.
  • Xây dựng hệ thống điều khiển nhúng: Lập trình thành công thuật toán đọc dữ liệu I2C từ MPU6050 với tần số quét ổn định, kết hợp bộ lọc bù xử lý triệt để nhiễu cơ học tần số cao từ động cơ và bù trôi con quay hồi chuyển theo tỷ lệ 98% Gyro + 2% Accel.
  • Hiện thực hóa giải thuật PID cân bằng: Tính toán sai lệch góc tức thời và điều xung PWM 400Hz (độ rộng 1ms – 2ms) đến các ESC, giúp Quadrocopter có khả năng tự giữ cân bằng các trục Roll, Pitch, Yaw.
  • Thiết kế khối điều khiển không dây và giám sát: Hoàn thiện mạch tay cầm phát sóng RFM22B tần số 868MHz giao tiếp SPI; thiết lập đường truyền dữ liệu nối tiếp RS232 hiển thị trực quan thông số góc nghiêng và trạng thái biến trong RAM lên phần mềm máy tính (C++ và STMStudio).
Chỉ tiêu kỹ thuật Mục tiêu thiết kế ban đầu Kết quả thực hiện trong đồ án
Tổng khối lượng Không vượt quá 2,0 kg Đạt yêu cầu thiết kế (~1,2 – 1,5 kg)
Khả năng nâng động cơ ~1,0 kg / 1 động cơ Đạt (Sunnysky A2212 980KV tạo lực nâng định mức 1kg/motor)
Cảm biến góc nghiêng Đọc và xử lý IMU 6DOF Hoàn thành (MPU6050 kết hợp Bộ lọc bù 98% Gyro / 2% Accel)
Bộ điều khiển trung tâm Nền tảng ARM Cortex Hoàn thành (STM32F4 Discovery, xung nhịp 168MHz)
Tần số truyền thông từ xa Ổn định, chống nhiễu ngoài trời Đạt (Module RFM22B hoạt động ở tần số 868MHz)
Phần mềm giám sát Theo dõi trực quan trên PC Hoàn thành (Giao diện C++ Form & công cụ STMStudio)

Đóng góp của đề tài

Khóa luận đã làm chủ quy trình tích hợp hệ thống Cơ điện tử hoàn chỉnh cho thiết bị bay bốn cánh từ cấp độ phần cứng mạch vi điều khiển 32-bit đến phần mềm nhúng điều khiển vòng kín. Thay vì sử dụng các mạch cân bằng đóng gói thương mại (plug-and-play), đề tài tự xây dựng giải thuật xử lý tín hiệu cảm biến và thuật toán PID trên nền vi điều khiển ARM Cortex-M4, đồng thời ứng dụng thành công dải tần số vô tuyến 868MHz giúp nâng cao khả năng kháng nhiễu so với các dải tần thông dụng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Mô hình mới chỉ tập trung vào việc tự cân bằng các góc tư thế (Roll, Pitch, Yaw), chưa giải quyết bài toán điều khiển vị trí tuyệt đối, giữ độ cao tự động hoặc định vị tọa độ trong không gian.
  • Kết cấu khung cơ khí sử dụng loại có sẵn trên thị trường (Frame X650) bằng nhôm và sợi thủy tinh, chưa tối ưu hóa vật liệu siêu nhẹ tự chế tạo để kéo dài thời gian bay.
  • Thời gian bay thử nghiệm còn bị giới hạn bởi dung lượng pin LiPo (khoảng 5 đến 10 phút tùy chế độ tải).

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Tích hợp thêm cảm biến đo độ cao áp suất khí quyển (Barometer) hoặc cảm biến siêu âm, cùng la bàn số 3 trục (Magnetometer) và module định vị toàn cầu GPS để phát triển tính năng tự động giữ vị trí, tự giữ độ cao và bay tự hành theo hải trình (waypoints).
  • Gắn thêm camera truyền hình ảnh trực tiếp (FPV) về trạm điều khiển mặt đất phục vụ mục đích giám sát, cứu hộ hoặc khảo sát địa hình.
  • Nghiên cứu nâng cấp giải thuật điều khiển sang các cấu trúc hiện đại hơn như điều khiển trượt (Sliding Mode Control), LQR hoặc điều khiển thích nghi để tăng cường tính bền vững trước tác động của gió và nhiễu loạn môi trường ngoài trời.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo chuyên môn cho sinh viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Tự động hóa, Kỹ thuật Robot và Hệ thống Nhúng.

Các nội dung có giá trị tham khảo cao gồm:

  • Phương pháp mô hình hóa toán học: Hệ phương trình vi phân mô tả động lực học 6 bậc tự do của vật thể bay và các ma trận chuyển đổi hệ trục tọa độ Euler.
  • Kỹ thuật xử lý tín hiệu IMU: Giải thuật và cách thức cài đặt Bộ lọc bù (Complementary Filter) để khử nhiễu gia tốc kế và chống trôi con quay hồi chuyển MPU6050 qua bus I2C.
  • Thiết kế hệ thống nhúng ARM Cortex-M4: Cách cấu hình timer xuất xung PWM tần số cao (400Hz) điều khiển ESC và kỹ thuật gỡ rối, giám sát biến thời gian thực trên RAM thông qua công cụ STMStudio.
  • Thiết kế mạch vô tuyến: Sơ đồ nguyên lý và layout mạch truyền nhận dữ liệu tầm xa sử dụng module RFM22B tần số 868MHz giao tiếp SPI.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đề tài lựa chọn module RFM22B với tần số 868MHz cho hệ thống tay điều khiển thay vì tần số 2.4GHz thông dụng?
Tần số 868MHz là dải sóng vô tuyến ít phổ biến trong đời sống sinh hoạt dân dụng hàng ngày so với dải sóng 2.4GHz (vốn tập trung dày đặc sóng WiFi, Bluetooth và các thiết bị điều khiển đồ chơi). Việc sử dụng tần số 868MHz kết hợp công suất phát 100mW (+17dB) giúp tín hiệu điều khiển của Quadrocopter tránh được hiện tượng xung đột sóng, giảm nguy cơ can nhiễu làm sai lệch lệnh điều khiển bay.

2. Nguyên nhân nào khiến tác giả phải kết hợp Gyroscope và Accelerometer qua Bộ lọc bù thay vì chỉ dùng một loại cảm biến?
Cảm biến con quay hồi chuyển (Gyroscope) có đáp ứng rất nhanh và chính xác trong khoảng thời gian ngắn nhưng khi tích phân vận tốc góc để tính góc nghiêng thì sai số tích lũy tăng dần theo thời gian (gây hiện tượng trôi góc - drift). Ngược lại, gia tốc kế (Accelerometer) xác định góc nghiêng tuyệt đối theo trọng trường Trái Đất không bị trôi dài hạn nhưng lại cực kỳ nhạy cảm với các rung động cơ học tần số cao sinh ra từ 4 động cơ và cánh quạt. Bộ lọc bù lấy 98% dữ liệu tích phân từ Gyro và 2% dữ liệu từ Accel nhằm kết hợp ưu điểm chống trôi của Accel và tính ổn định, đáp ứng nhanh ngắn hạn của Gyro.

3. Bốn cánh quạt trên mô hình Quadrocopter được phân bố chiều quay như thế nào và nhằm mục đích gì?
Bốn cánh quạt được chia làm hai cặp quay ngược chiều nhau: cặp cánh phía trước và phía sau quay ngược chiều kim đồng hồ (CCW), trong khi cặp cánh bên phải và bên trái quay thuận chiều kim đồng hồ (CW). Sự bố trí này nhằm mục đích triệt tiêu hoàn toàn mô-men xoắn phản lực do các cánh quạt tác động lên khung thân máy bay khi hoạt động ở trạng thái cân bằng.

4. Vi điều khiển trung tâm STM32F4 Discovery đáp ứng những yêu cầu kỹ thuật nào trong đề tài?
Kit STM32F4 Discovery sử dụng vi xử lý 32-bit ARM Cortex-M4 tốc độ cao 168MHz, bộ nhớ Flash 1MB, RAM 194KB cùng 14 bộ timer phần cứng. Cấu hình này đáp ứng tốt yêu cầu xử lý dữ liệu cảm biến I2C 400kHz theo thời gian thực, thực thi thuật toán lọc số và vòng lặp điều khiển PID với tần số lấy mẫu cao, đồng thời tạo ra các kênh PWM độc lập tần số 400Hz cấp cho bộ điều tốc ESC mà không gây trễ hệ thống.

5. Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không chổi than (BLDC) được thực hiện như thế nào thông qua bộ điều tốc ESC?
Động cơ BLDC Sunnysky được điều khiển thông qua bộ điều tốc ESC Turnigy Plush 30A bằng phương pháp điều xung PWM có tần số 400Hz. Vi điều khiển thay đổi độ rộng xung ngõ vào cấp cho ESC trong khoảng từ 1ms đến 2ms, tương ứng với việc điều chỉnh công suất hoạt động của động cơ tuyến tính từ 0% đến 100%.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp "Nghiên cứu và chế tạo máy bay 4 cánh Quadrocopter" của sinh viên Nguyễn Hữu Chỉnh và Đặng Hoài Phong đã hoàn thành đầy đủ các nhiệm vụ thiết kế, tích hợp và thử nghiệm mô hình UAV bốn cánh quạt hoàn chỉnh. Đề tài đã xây dựng thành công mô hình toán học động lực học 6 bậc tự do, hiện thực hóa thuật toán Bộ lọc bù khử nhiễu cảm biến MPU6050 và thuật toán điều khiển PID cân bằng góc trên nền tảng phần cứng vi điều khiển STM32F4 Discovery kết hợp truyền thông vô tuyến 868MHz. Công trình là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thực tiễn cao cho việc nghiên cứu, chế tạo và phát triển các hệ thống thiết bị bay không người lái tự cân bằng trong đào tạo Cơ điện tử và Tự động hóa.