CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 LỊCH SỬ HÌNH THÀNH Máy bay không người lái là gì? Máy bay không người lái thuộc một loại phương tiện bay được gọi là UAV (Máy bay không người lái). Các thiết bị này có thể bay lên không trung mà không cần có người điều khiển. Tính năng này làm cho máy bay không người lái trở thành robot. Bao gồm cả quadcopter và máy bay, máy bay không người lái có kế hoạch bay được điều khiển bằng phần mềm được tích hợp vào hệ thống của chúng.
Các hệ thống này hoạt động với GPS để hướng dẫn và theo dõi chuyển động của chúng. Hiện tại, tuỳ theo ứng dụng mà phân thành các loại : - Máy bay không người lái nông nghiệp - Máy bay không người lái giao hàng - Phương tiện bay siêu nhỏ (micro) - Máy bay đa cánh quạt - Máy bay không người lái chở người - Máy bay không người lái 4 cánh được ứng dụng phổ biến trong nghiên cứu, chụp ảnh, quay phim,… - Máy bay chiến đấu không người lái, UAV vũ trang Trong đồ án tốt nghiệp này, nhóm đã lựa chọn nghiên cứu quadcopter. Lịch sử hình thành: Trong Thế chiến 2, thành viên quân đội Hoa Kỳ Reginald Denny đã chế tạo chiếc máy bay điều khiển từ xa đầu tiên với tên gọi Radioplane OQ-2. Đây được đánh dấu là sản phẩm UAV được sản xuất hàng loạt đầu tiên ở Mỹ và thế giới.
Máy bay không người lái quân sự đã được sử dụng kể từ Thế chiến II như một phương tiện tiêu diệt kẻ thù rất hiệu quả. Máy bay không người lái thương mại đã xuất hiện khoảng chưa đầy 15 năm và thực sự mở rộng kể từ năm 2006 khi DJI dẫn đầu ngành được thành lập ở Trung Quốc. Chiếc máy bay được sản xuất hàng loạt đầu tiên là ý tưởng của Reginald Denny, một diễn viên nổi tiếng của Hollywood. Anh theo đuổi sở thích của mình với máy bay 1 không người lái điều khiển từ xa và thành lập Công ty Reginald Denny.
Công ty này đã sản xuất chiếc máy bay vô tuyến mà ông đã cải tiến cho quân đội Mỹ trong Thế chiến 2. Quân đội Mỹ đã thử nghiệm các máy bay không người lái này và chế tạo nhiều loại ngư lôi trên không. Quân đội Hoa Kỳ đã sử dụng những chiếc máy bay này làm mục tiêu bay không người lái trong Chiến tranh Lạnh. Các máy bay không người lái này cũng có khả năng thu thập dữ liệu hoạt động bằng sóng vô tuyến.
Quadcopters đầu tiên Quadcopters là một trong những máy bay VTOL (Cất cánh và hạ cánh thẳng đứng) đầu tiên. Các máy bay trực thăng trước đó sử dụng cánh quạt đuôi để đối trọng với mô-men xoắn được tạo ra bởi một cánh quạt chính. Điều này không hiệu quả và lãng phí. Để giải quyết các vấn đề mà các phi công trực thăng gặp phải khi thực hiện các chuyến bay thẳng đứng, các kỹ sư đã phát triển máy bay quadcopters.
Chiếc máy bay quadcopter đầu tiên là Omnichen 2. Nó được phát minh bởi Etienne Omnichen vào năm 1920. Chiếc máy bay này đã bay một quãng đường kỷ lục 360 mét và thực hiện hơn 1000 chuyến bay thành công. Chiếc quadcopter Convertawings Model A xuất hiện vào năm 1956.
Chiếc quadcopter này được thiết kế bởi Tiến sĩ George E. Mẫu máy bay chuyển đổi Một chiếc quadcopter đầu tiên sử dụng động cơ đẩy để điều khiển ngáp, ném và lăn của máy bay. Năm 1958, Công ty Curtis Wright đã phát triển Curtis Wright V27. Công nghệ đã tiên tiến vượt bậc và máy bay không người lái.
Trong mười năm qua, các công ty như Heli-Max, Blade, Walker, Parrot và DJI đã sản xuất máy bay không người lái siêu nhỏ và nano sử dụng công nghệ máy tính cập nhật để chụp ảnh trên không và điều khiển chuyến bay.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Hiện nay ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa đã rất phát triển con người có thể tạo ra được những loại máy móc thiết bị rất hiện đại và hầu như mọi việc sản xuất từ tay chân của con người ngày xưa thì ngày nay mọi công việc sản xuất, chế tạo đều có thể chuyển sang tự động. Nếu máy móc hiện đại và được tự động hóa thi nó sẽ giúp 2 cho chúng ta có được các sản phẩm đạt độ chính xác cao, giúp tăng số lượng trong sản xuất và rất nhiều trong các lĩnh vực khác nữa. Quadcopter hay còn gọi là Drone: là một thiết bị UAV (Unmaned Aerial Vihecle - thiết bị không người lái). Quadcopter là một thiết bị điều khiển tự động từ xa, hiện nay quadcopter được sử dụng rộng rãi và phổ biến ở các nước phát triển, quadcopter được coi như một công cụ để con người sử dụng trong các trường hợp như: quay các clip có góc quay khó trên không, chụp ảnh, dựa vào khả năng điều khiển từ xa của con người nên em đã suy nghĩ và em đang sử sụng tính năng bay của quadcopter để dùng trong một số trường hợp cứu hộ đơn giản.
Quadcopter hiện nay được sử dụng khá phổ biến trong lĩnh vực giải trí để cung cấp thêm góc quan sát từ trên cao như trong các môn thi đấu thể thao hoặc được sử dụng để di chuyển bám theo đối tượng trong cảnh quay hành động. Ngoài ra, Quadcopter còn được sử dụng trong lĩnh vực quân sự như dùng để do thám, cứu hộ, như quan sát và phán đoán hướng di chuyển của các vụ cháy rừng và trong lĩnh vực vận chuyển bưu kiện có khối lượng nhỏ trong phạm vi gần do ưu điểm về tính linh hoạt, chi phí chế tạo và vận hành thấp hơn so với các loại máy bay khác. Mô hình bay hoạt động dựa trên nguyên lý cân bằng góc nghiêng của từng cặp động cơ đặt đối diện nhau. Vấn đề đặt ra là làm thế nào để điều khiển bốn động cơ giúp cho máy bay có thể cân bằng từng trục, kết hợp cân bằng các trục với nhau, triệt tiêu quán tính xoay tròn và điều khiển Quadcopter 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. Thuật toán PID được xây dựng kết hợp giữa phương pháp Ziegler – Nichols và kinh nghiệm thực tế để lựa chọn thông số điều khiển cân bằng và di chuyển mô hình bay 1.3 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI • Nghiên cứu phương trình động học, động lực học • Xây dựng mô hình hoàn chỉnh của Quadcopter • Tính toán thiết kế mạch điều khiển • Xây dựng thuật toán điều khiển và phương pháp cân bằng cho Quadcopter 3 • Điều khiển bay ổn định, điều chỉnh được hướng bay, kiểm soát được tốc độ bay của Quadcopter 1.4 PHƯƠNG PHÁP, PHẠM VI, GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU * Phương pháp nghiên cứu: - Vận dụng những kiến thức đã được học ở trường lớp để áp dụng tính toán trong đề tài nghiên cứu - Tìm hiểu tham khảo những thông tin từ những bài báo trên internet * Phạm vi, giới hạn nghiên cứu: - Quadcopter 4 cánh hình chữ X - Sử dụng vi điều khiển là Arduino UNO để điều khiển - Sử dụng cảm biến MPU-6050 để do góc nghiêng - Sử dụng bộ điều khiển PID để cân bằng góc nghiêng 4 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 LÝ THUYẾT BAY, ĐIỀU KHIỂN CỦA QUADCOPTER Quadcopter là thiết bị bay hay mô hình bay không người lái còn gọi là UAVs (Unmanned Aerial Vehicles). Quadcopter gồm 4 động cơ chính và 4 ESC để điều khiển bay. Bốn cánh quạt được gắn trên 4 rotors giúp tạo lực nâng cho phép quadcopter bay lên khi cánh quạt quay theo 1 chiều xác định.
Các chế độ bay cho quadcopter: • Bay lên trên (cất cánh) • Bay xuống dưới(hạ cánh) • Bay sang phải (rẽ phải) • Bay sang trái (rẽ trái) • Bay về phía trước • Bay về phía sau • Xoay tròn Hai động cơ chéo nhau thì quay cùng chiều quay, hai động cơ cạnh nhau thì quay ngược chiều quay. Để quadcopter có thể bay lên ta tăng đều tốc độ quay của 4 động cơ nhằm tăng lực nâng của chúng theo phương thẳng đứng (trục Z), như vậy để hạ cánh ta chỉ cần giảm điều tốc độ quay của 4 động cơ nhằm giảm lực nâng theo phương thẳng đứng. 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. 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.
Điều khiển quadcopter quay quanh nó chính (Yaw- control) là thay đổi hướng của quadcopter, điều này giúp quadcopter có thể tự xoay quanh trục Z và thay đổi hướng đầu đuôi của quadcopter. 1 Chiều quay của động cơ 2.2 ĐỘNG HỌC VÀ PHƯƠNG TRÌNH TOÁN HỌC 2.1 Khái niệm về 6 bậc tự do và hệ quy chiếu Đối với một vật thể cứng trong không gian 3-D, có thể mô tả vị trí của tất cả các điểm trên Drone với 6 tọa độ. Ba tọa độ đầu tiên là các tọa độ (x,y,z) biểu diễn cho khoảng cách của tâm khối Drone theo ba hướng tương ứng với ba trục độ của không gian 3-D. Bước đầu, sẽ giả định một mô hình như sau: bề mặt của Trái đất là phẳng và lực hấp dẫn là không đổi.
Với trọng lực không đổi, tâm khối cũng sẽ tương đương với trọng tâm (G), vì vậy chúng ta sẽ coi các thuật ngữ này là có thể thay thế cho nhau. Ba tọa độ biểu diễn cho hướng của Drone bằng ba góc ( ϕ , θ ,ψ ). Nếu chúng ta biết tất cả 6 tọa độ thì chúng ta có thể xác định vị trí của tâm khối G từ (x,y,z) và sau đó từ ( ϕ , θ ,ψ ) để xác định hướng hoặc trạng thái của Drone so với trọng tâm G. Ba thành phần vectơ vị trí ( ϕ , θ ,ψ ) là giá trị tọa độ trong không gian 3-D với các trục tương ứng được căn chỉnh theo hướng Bắc, Đông và độ cao (trục dọc hướng về tâm trái đất).
Nhưng ba tọa độ mô tả trạng thái của Drone khó quan sát một cách trực quan. Có nhiều cách để biểu diễn tính định hướng của Drone, nhưng hai cách phổ biến nhất là góc Euler và Quaternion. Góc Euler là đơn giản nhất để hiểu cũng như hiểu sâu hơn về hệ thống khi phân tích chuyển động của nó và là phương pháp sử dụng để lập 6 phương trình chuyển động của Drone.