mở đầu cho hướng nghiên cứu này tại các học viện và trường đại học trong cả nước (Hiệp et al. 10 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.1 Các bộ phận chính của Quadcopter Hình 2. Các bộ phận của 1 Quadcopter a) Frame (Khung) - Là khung xương của thiết bị, nơi gắn các thành phần khác, thông thường làm bằng sợi cacbon để giảm khối lượng - Kích thước khung sẽ quyết định đến việc lựa chọn kích thước động cơ, từ đó xác định bộ điều khiển tốc độ ESC b) Motor (Rotor) - Tốc độ động cơ được đánh giá là kV - Động cơ kV thấp hơn sẽ tạo ra nhiều momen xoắn hơn và kV cao hơn sẽ quay nhanh hơn - Trong lĩnh vực máy bay mô hình thường sử dụng động cơ không chổi than (brushless DC motor hay BLDC) để truyền động cho cánh quạt là 11 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu được cấp nguồn điện 3 pha để tạo từ trường quay thông qua bộ nghịch lưu từ nguồn điện DC. - Loại động cơ này có nhiều ưu điểm: tốc độ cao, moment lớn, độ bền cao, có thể tăng tốc và giảm tốc trong thời gian ngắn, vận hành nhẹ nhàng(dao động của momen nhỏ) thậm chí ở tốc độ thấp (để đạt được điều khiển vị trí một cách chính xác), không bị mòn cổ góp và không phóng tia lửa điện gây tổn hao năng lượng như động cơ một chiều thông thường.
- Cấu tạo của động cơ không chổi than (viết tắt là BLDC): 1. Nam châm vĩnh cửu 3. Vòng bi (Bạc đạn) Hình 2. Cấu tạo của động cơ không chổi than c) Propeller - Ảnh hưởng lớn đến tốc độ bay, tải trọng, tốc độ điều khiển - Cánh quạt dài hơn có lực nâng mạnh hơn ở tốc độ RPM thấp hơn cánh quạt ngắn hơn, nhưng mất nhiều thời gian để tăng tốc và giảm tốc - Hầu hết các chân propeller của Quadcopter đều giống nhau Nguyên lý quay của cánh quạt - Quadcopter là loại máy bay không người lái được thiết kế đơn giản, loại này chỉ gồm 4 motor điện giống nhau có gắn cánh quạt được đặt ở bốn góc của một hình vuông và cánh quạt có thể gắn trực tiếp hay thông qua truyền động bánh răng, 4 motor này được chia ra làm 2 cặp: trước (front) – sau (back), trái (left) - phải (right).
12 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 - Chiều quay của 2 motor trong mỗi cặp là giống nhau, nhưng chiều quay của cặp trước – sau và trái – phải là ngược nhau. Cặp cánh quạt phía trước (front) và phía sau (back) quay ngược chiều kim đồng hồ, trong khi đó cặp cánh bên phải (right) và bên trái (left) lại quay thuận chiều kim đồng hồ nhằm cân bằng moment xoắn được tạo ra bởi các cánh quạt trên khung. Hoạt động quay của 4 cánh quạt của Quadcopter Trước – sau: Để đi về phía trước, motor phía trước giảm tốc so với motor sau và ngược lại để đi về phía sau, motor sau giảm tốc so với motor trước. Trái – phải: Để đi về bên trái, motor trái giảm tốc so với motor phải và ngược lại để đi về bên phải, motor phải giảm tốc so với motor trái.
Lên – xuống: Tăng tốc hay giảm tốc độ đồng thời của 4 motor sẽ làm hon lực nâng hay giảm lực nâng để bay lên hoặc hạ xuống. 13 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 Xoay: Muốn xoay cùng chiều kim đồng hồ thì cặp motor quay cùng chiều kim đồng hồ (trước – sau) sẽ quay chậm hơn cặp motor quay ngược chiều kim đồng hồ (trái – phải) và ngược muốn xoay ngược chiều kim đồng hồ thì cặp motor quay ngược chiều kim đồng hồ (trái – phải) sẽ quay chậm hơn cặp motor quay cùng chiều kim đồng hồ (trước – sau). - Sau đây sẽ mô tả cụ thể hơn các chuyển động bay cơ bản của Quadcopter: Hình 2. Nguyên lý bay của Quadcopter dựa trên hoạt động của propellers d) ESC (Electronic Speed Controls) - Bộ điều khiển tốc độ điện tử là một thành phần thiết yếu của Quadcopter hiện đại dùng để điều khiển tốc độ của động cơ BLDC.
- Tầng công suất của mạch điều tốc gồm các transistor công suất được sử dụng như bộ nghịch lưu để tạo điện áp 3 pha cho động cơ BLDC. Tốc độ 14 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 của động cơ thay đổi bằng cách thay đổi độ rộng xung cấp cho các transistor công suất - ESC thông thường được phân loại dựa vào dòng điện tối đa mà ESC có thể cấp cho động cơ BLDC và nguồn điện DC cấp cho ESC hay động cơ BLDC. - Thông thường ESC đi kèm với mạch khử pin, cho phép các bộ phận điều khiển và thu phát bay kết nối với ESC thay vì trực tiếp với pin e) Flight Controller (FC) Hình 2. Một mạch Điều khiển bay - Là bộ não của Quadcopter, điều khiển tốc độ động cơ máy bay bằng các cảm biến trên board mạch và diễn giải các tín hiệu mà bộ thu phát gửi để hướng dẫn bay cho Quadcopter.
- Các ESC được nối với FC để thực hiện lệnh lên động cơ - Có nhiều tuỳ chọn cho FC, có thể hoặc không thể tuỳ chỉnh f) Radio Transmitter And Receiver - Nhận tín hiệu từ máy phát (Remote Control) đưa đến Flight Controller - Cần tối thiểu 4 kênh để điều khiển Quadcopter di chuyển 15 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 - Có thể thêm kênh để điều khiển cho phụ kiện như gimbal … g) Battery và Battery Charger Hình 2. - Nguồn cung cấp năng lượng cho Quadcopter, điển hình là pin LiPo - Sử dụng đơn vị C – dung lượng có thể xả, thông thường là 20C. - Là thành phần nặng nhất, đặt vào pin lớn hơn chưa chắc đã bay lâu hơn h) PDB (Power Distribution Board) - Thường là nơi kết nối nguồn pin - Phân phối điện cho các thành phần ở mức điện áp mà chúng yêu cầu - Ngày nay, FC, ESC và các thành phần khác có thể cung cấp chức năng thay thế cho PDB i) FPV Camera - Cho phép nhìn thấy ảnh từ trên máy bay - Không có chất lượng cao, được thiết kế Wide Dynamic Range và độ trễ thấp - Kết nối với bộ phát Video VTX, thông qua Flight Controller sau đó hiển thị lên màn hình OSD 16 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 j) Gimbal - Gimbal là một thiết bị có khả năng chống rung cho máy ảnh, máy quay hoặc điện thoại khi di chuyển nhằm đem lại những đoạn video ổn định, mượt mà hơn. - Có 2 loại Gimbal là gimbal chống rung điện tử và gimbal chống rung cơ học ( hay còn gọi là glidecam hoặc steadicam).
Trong đó, gimbal điện tử được sử dụng phổ biến hơn hiệu năng vượt trội hơn so với loại cơ học. - Gimbal điện tử thường được chia làm 2 loại là chống rung 2 trục và chống rung 3 trục. Càng nhiều trục chống rung thì càng tốt và càng đắt tiền. k) Gimbal Controller - Là bộ điều khiển quay các trục của Gimbal để đổi góc quay của Camera gắn trên Gimbal.
- Sử dụng Transmitter thông qua Flight Controller để gửi tín hiệu đến Gimbal Controller từ đó quay máy quay theo yêu cầu người điều khiển. l) Video Transmitter (VTX) - Kết nối với FPV Camera để truyền video đến màn hình FPV (OSD), hầu hết sử dụng tần số 5.8 GHz - Có thể cung cấp đầu ra 5v để cấp nguồn cho FPV Camera m) FPV Antenna - Là anten truyền tín hiệu của VTX n) Transmitter (Remote Control) - Bộ điều khiển từ xa gồm một thiết bị phát tín hiệu điều khiển bay thông qua kênh radio từ người điều khiển đến bộ thu tín hiệu gắn trên máy bay 17 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 cần điều khiển. Tín hiệu điều khiển này còn được dùng để đưa máy bay từ chế độ chờ sang chế độ sẵn sàng bay theo quy trình an toàn bay của bộ điều khiển bay.2 Định vị GPS sử dụng trong Quadcopter Hệ thống định vị toàn cầu Golbal Positioning System GPS sử dụng một bộ phận tín hiệu trực tiếp, tín hiệu này được phát ra từ vệ tinh đang bay trên quỹ đạo để xác định các yếu tố như địa điểm, tốc độ và thời gian,…Hệ thống GPS có độ chính xác hơn rất nhiều so với những phương pháp định vị khác với sai số chỉ vài mét. Nhờ sự phát triển tiến bộ vượt bậc của khoa học công nghệ trong thời gian gần đây, chúng ta đã có thể thu nhỏ các vi mạch tích hợp lại để giảm giá thành của hệ thống GPS, giúp nó trở nên phổ biến, sử dụng trong nhiều lĩnh vực định vị xe cộ, điện thoại,…nó còn được sử dụng trong cả lĩnh vực máy bay mô hình.
Với độ chính xác cao của công nghệ GPS ngày càng nâng cao việc ứng dụng công nghệ này lên máy bay mô hình ngày càng phát triển. Một chiếc máy bay có thể gắn thiết bị GPS có thể xác định tọa độ, hành trình của nó và báo về trung tâm điều khiển. Thậm chí thiết bị này còn có khả năng tự động điều khiển máy bay theo lộ trình đã định trước trên phần mềm máy tính và bản đồ số GIS. Ngoài ra việc ứng dụng cảm biến IMU (Inertial Measurement Unit) lên thiết bị GPS cho phép nâng độ chính xác của GPS lên rất cao.3 Các cảm biến sử dụng trong bộ điều khiển bay (Flight Controller) 18 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 a)Cảm biến gia tốc Hình 2.
Cấu tạo Cảm biến gia tốc - Cảm biến gia tốc dùng để nhận diện các thay đổi về hướng/góc độ của máy dựa trên dữ liệu thu được Nguyên lý hoạt động của cảm biến gia tốc - Đây là một mô hình cảm biến gia tốc căn bản. Khoang chứa hình trụ này được gắn liền vào vật thể mà bạn cần đo gia tốc còn quả là vật có thể di chuyển một chiều bên trong khoang chứa. Khi bạn di chuyển khoang chứa, quả bóng cũng sẽ di chuyển bên trong khoang chứa, khiến lò xo co hoặc dãn ra. Dựa vào độ co dãn của lò xo bạn có thể đoán biết được lực và gia tốc của chuyển động.
Nếu sử dụng 3 cảm biến gia tốc đơn giản phía trên đặt trên 3 chiều x y z bạn có thể dễ dàng đo được chuyển động của vật thể trong không gian Cấu tạo Hình 2.6 Cấu tạo của cảm biến gia tốc 19 Downloaded by Nguynhavy Ha Vy (Ntkphuong205@gmail.com) lOMoARcPSD|16911414 - Vật thể chuyển động được đo đạc trong cảm biến sẽ là chiếc “lược thưa” màu xanh nhạt trong hình vẽ. Khoang chứa chính là toàn bộ khoảng màu trắng, còn “quả bóng” là vật thể màu xanh nhạt có hình hơi giống chiếc lược. Lò xo trong cảm biến sẽ là lớp silicon đi dọc chiếc lược thưa này.
