Đồ án tốt nghiệp cơ khí: Thiết kế và chế tạo mô hình Quadrocopter để thu thập không gian ảnh

Đồ án tốt nghiệp cơ khí tập trung thiết kế và chế tạo mô hình quadrocopter nhằm thu thập dữ liệu không gian ảnh hiệu quả và chính xác.

• Tác giả: Vũ Tuấn A
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Anh A
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ khí
• Đề tài: Thiết kế và chế tạo mô hình Quadrocopter để thu thập không gian ảnh
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
• 1.1. Tìm hiểu về máy bay không người lái UAV (Unmanned Aerial Vehicle)
• 1.2. Giới thiệu loại máy bay không người lái 4 cánh quạt Quadcopter
• 1.3. Kết cấu cơ khí và nguyên lý hoạt động của Quadcopter
• 1.4. Động cơ sử dụng trong Quadcopter
• 1.5. Mạch điều khiển tốc độ điện tử ESCs (Electronic speed control circuits)
• 1.6. Định vị GPS trong điều khiển Quadcopter
• 1.7. Bộ điều khiển từ xa
• 1.8. Board mạch điều khiển trung tâm
• 1.9. Thiết kế cánh quạt
• 1.10. Cấu tạo của Quadcopter
• 1.11. Bộ phận cơ khí
• 1.12. Thiết bị và bộ phận thực hiện bay
• 1.13. Thiết bị điều khiển
• 1.14. Cảm biến và thiết bị định hướng
• 1.15. Thiết bị ghi và truyền dẫn hình ảnh

Tóm tắt

I. Tổng quan về Quadrocopter và ứng dụng

Quadrocopter là một loại mô hình bay không người lái sử dụng bốn cánh quạt để nâng và điều khiển. Đây là một trong những công nghệ bay tiên tiến, được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như cứu hộ, giám sát, nông nghiệp và giải trí. Đồ án tốt nghiệp cơ khí này tập trung vào việc thiết kế và chế tạo một mô hình Quadrocopter có khả năng thu thập không gian ảnh, phục vụ cho mục đích nghiên cứu và thực tiễn.

1.1. Vai trò của Quadrocopter

Quadrocopter đóng vai trò quan trọng trong việc thay thế các phương tiện bay truyền thống nhờ khả năng hoạt động tự động và điều khiển từ xa. Hệ thống điều khiển và cảm biến hình ảnh tích hợp giúp Quadrocopter thực hiện các nhiệm vụ phức tạp như giám sát, cứu hộ và thu thập dữ liệu không gian.

1.2. Phân loại và cấu tạo

Quadrocopter thuộc nhóm robot bay đa cánh quạt, với cấu tạo gồm khung chữ thập, bốn động cơ và cánh quạt. Kỹ thuật cơ khí được áp dụng để thiết kế khung nhẹ và chắc chắn, đảm bảo hiệu suất bay tối ưu.

II. Thiết kế và chế tạo Quadrocopter

Quá trình thiết kế Quadrocopter bao gồm việc lựa chọn vật liệu, tính toán khí động học và tích hợp các hệ thống điều khiển. Chế tạo Quadrocopter đòi hỏi sự kết hợp giữa tự động hóa và kỹ thuật cơ khí để tạo ra một mô hình hoạt động ổn định và hiệu quả.

2.1. Khung và động cơ

Khung Quadrocopter thường được làm từ sợi carbon để giảm trọng lượng. Động cơ không chổi than (BLDC) được sử dụng để đảm bảo hiệu suất cao và độ bền. Cảm biến hình ảnh và hệ thống điều khiển được tích hợp để điều chỉnh tốc độ và hướng bay.

2.2. Hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển bao gồm bộ điều khiển tốc độ điện tử (ESC) và bộ điều khiển bay (FC). Các cảm biến như gia tốc kế và con quay hồi chuyển giúp ổn định và điều hướng Quadrocopter trong không gian.

III. Ứng dụng và giá trị thực tiễn

Quadrocopter được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như thu thập không gian ảnh, giám sát môi trường và cứu hộ. Nghiên cứu Quadrocopter trong đồ án tốt nghiệp cơ khí không chỉ mang lại kiến thức chuyên sâu mà còn mở ra cơ hội phát triển các giải pháp công nghệ mới.

3.1. Thu thập không gian ảnh

Quadrocopter được trang bị cảm biến hình ảnh và hệ thống định vị GPS để thu thập dữ liệu không gian với độ chính xác cao. Ứng dụng này đặc biệt hữu ích trong lĩnh vực khảo sát địa hình và giám sát môi trường.

3.2. Giá trị thực tiễn

Ứng dụng Quadrocopter trong thực tế giúp giảm thiểu rủi ro và chi phí trong các nhiệm vụ nguy hiểm. Đồ án này góp phần thúc đẩy sự phát triển của công nghệ bay và tự động hóa trong ngành cơ khí.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các lĩnh vực dân dụng, quân sự và khoa học vũ trụ, các phương tiện bay không người lái (Unmanned Aerial Vehicle - UAV) ngày càng được ứng dụng rộng rãi nhằm thay thế phương tiện bay có người lái. UAV sở hữu khả năng hoạt động tự động hoặc điều khiển từ xa tại những môi trường nguy hiểm, khó tiếp cận, phục vụ nhiều mục đích như trinh sát an ninh, cứu hộ cứu nạn, vận tải logistics, nông nghiệp (gieo trồng, phun thuốc trừ sâu) và thu thập dữ liệu không gian ảnh.

Đề tài đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo mô hình Quadrocopter để thu thập không gian ảnh" do nhóm sinh viên Vũ Tuấn A, Hà Mạnh B, Nguyễn Ngọc C thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Anh A tại Viện Cơ khí – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội (năm 2021). Nghiên cứu giải quyết bài toán tích hợp liên ngành bao gồm thiết kế cơ khí, động lực học, khí động học, mạch điều khiển nhúng, truyền nhận tín hiệu và xử lý ảnh trên không gian.

Các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được xác định cụ thể:

1. Tổng quan hóa lý thuyết về các dòng phương tiện bay không người lái, phân loại UAV và cấu trúc máy bay 4 cánh quạt (Quadcopter).
2. Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các cụm phần cứng: khung vỏ, động cơ không chổi than (BLDC), mạch điều tốc (ESC), cánh quạt, nguồn pin LiPo, cảm biến quán tính và đo đạc môi trường.
3. Khảo sát cấu trúc phần cứng bo mạch điều khiển bay Pixhawk 1, hệ điều hành/firmware APM Copter và phần mềm trạm điều khiển mặt đất (Ground Control Station - GCS).
4. Thiết kế sơ đồ đấu nối tích hợp hệ thống điều khiển bay, module định vị GPS/Compass, hệ thống truyền dữ liệu từ xa (Telemetry), bộ thu phát sóng vô tuyến (RC Transmitter/Receiver) và cụm chống rung Gimbal kèm Camera FPV thu thập hình ảnh.
5. Phân tích nguyên lý động lực học điều khiển các chuyển động cơ bản (Roll, Pitch, Yaw, Throttle) và cơ chế vận hành từ xa.

• Đối tượng nghiên cứu: Mô hình máy bay không người lái 4 cánh quạt (Quadcopter) tích hợp mạch điều khiển Pixhawk và cụm thiết bị thu thập hình ảnh.
• Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế cấu hình phần cứng, tích hợp giao tiếp điện tử, cấu hình điều khiển bay và truyền dữ liệu mặt đất trong điều kiện thử nghiệm kỹ thuật mô hình.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết cơ học bay, kỹ thuật điều khiển tự động và điện tử hàng không:

• Khung lý thuyết động lực học Quadcopter: Nguyên lý cân bằng mômen quay ngược chiều của các cặp cánh quạt đối xứng để triệt tiêu mômen xoắn dư thừa; các giải thuật điều khiển mô hình hóa chuyển động nhiều bậc tự do (tham chiếu các nghiên cứu của Castillo & Dzul 2004; Hoffmann et al. 2007; Yasir Amir & Abbas 2011; Hiệp et al. 2011).
• Lý thuyết cảm biến đo lường quán tính và môi trường:
  • Hiệu ứng Coriolis ứng dụng trong con quay hồi chuyển vi cơ điện tử (MEMS Gyroscope) để đo vận tốc góc.
  • Cảm biến gia tốc điện dung biến thiên (Silicon Comb Capacitive Accelerometer) xác định gia tốc tuyến tính 3 trục.
  • Hiệu ứng áp điện (Piezoelectric effect) của tinh thể thạch anh/gốm titanat bari (X-tal) cắt góc 45° ứng dụng trong cảm biến áp suất khí quyển đo độ cao tuyệt đối.
  • Nguyên lý cảm ứng điện từ và dòng điện xoáy trong cảm biến từ/la bàn số.
• Phương pháp nghiên cứu:
  • Phương pháp phân tích - tổng hợp kỹ thuật: Thu thập tài liệu, phân loại các dòng UAV theo tầm bay, tải trọng và kết cấu cơ học; chuẩn hóa tiêu chuẩn mở phần cứng điều khiển bay Pixhawk.
  • Phương pháp thiết kế và tích hợp hệ thống: Lập sơ đồ phân phối điện áp, sơ đồ kết nối chân tín hiệu (PinOuts) giữa khối điều khiển trung tâm và các module chấp hành/cảm biến ngoại vi.
  • Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng cấu hình: Đấu nối phần cứng theo chuẩn UART, I2C, SPI, CAN, PPM Sum; kiểm tra phản hồi của mạch công suất ESC và động cơ BLDC theo lệnh điều khiển RC.
• Nguồn dữ liệu và tài liệu: Tài liệu kỹ thuật mở từ nền tảng ArduPilot, PX4 Autopilot, tài liệu phân loại UAV của các tổ chức hàng không (FAA, NATO) và các công bố khoa học trong lĩnh vực UAV đa cánh quạt.

---

Thiết kế và tích hợp hệ thống kỹ thuật

Đồ án tập trung vào việc thiết kế cấu hình phần cứng và sơ đồ kết nối toàn diện cho hệ thống Quadcopter sử dụng bo mạch điều khiển trung tâm Pixhawk 1.

1. Kiến trúc phần cứng trung tâm (Pixhawk 1)

Bo mạch Pixhawk 1 đóng vai trò là khối xử lý trung tâm, tích hợp hệ thống vi xử lý kép và cụm cảm biến đo lường quán tính (IMU) tiên tiến:

Thành phần	Thông số kỹ thuật chi tiết
SoC điều khiển chính	STM32F427 (ARM Cortex-M4 32-bit, xung nhịp 180 MHz, bộ xử lý số thực FPU đơn, 256 KB SRAM L1)
SoC dự phòng an toàn (Failsafe)	STM32F100 (ARM Cortex-M3 32-bit, xung nhịp 24 MHz, 8 KB SRAM)
Cảm biến con quay hồi chuyển	ST Micro L3GD20H (16-bit)
Cảm biến gia tốc & Từ kế	ST Micro LSM303D (14-bit)
Cảm biến quán tính tích hợp	Invensense MPU 6000 (Gia tốc kế và Con quay hồi chuyển 3 trục)
Cảm biến áp suất khí quyển / độ cao	MEAS MS5611
Module định vị vệ tinh ngoài	Module GPS U-Blox 6 / U-Blox 7/8 tích hợp la bàn số ngoài
Giao tiếp mở rộng	5x UART, 2x CAN, I2C, SPI, 2x ADC (3.3V và 6.6V), MicroUSB
Hệ thống cảnh báo & an toàn	Còi Piezo công suất cao đa tông, nút nhấn an toàn (Safety Switch), LED đa màu, thẻ MicroSD

2. Sơ đồ kết nối và giao tiếp ngoại vi

Quy trình ghép nối giữa Pixhawk và các khối chấp hành, phụ trợ được quy định chi tiết:

• Khối nguồn và phân phối điện (Power Module & PDB): Module nguồn nhận điện áp từ khối pin LiPo qua đầu nối chuẩn XT60, hạ áp xuống mức 4.4V – 5V cấp cho cổng Power trên Pixhawk bằng cáp 6 dây (truyền tín hiệu dòng và áp), đồng thời cấp nguồn động lực trực tiếp cho mạch điều tốc ESC.
• Mạch điều khiển tốc độ (ESC 4-in-1) và Động cơ BLDC: Mạch Foxracer 35A ESC nhận tín hiệu điều khiển độ rộng xung từ 4 kênh ngõ ra chính (Main Outputs 1–4) trên Pixhawk. 3 dây pha của từng động cơ nối với ESC qua đầu nối dạng bắp chuối (bullet connector 3.5 mm), cho phép đổi chiều quay bằng cách đảo chéo 2 dây pha bất kỳ.
• Khối nhận tín hiệu vô tuyến (RC Receiver & PPM Encoder): Bộ thu nhận sóng 2.4 GHz chuyển đổi các kênh PWM đơn lẻ sang chuẩn PPM Sum thông qua bộ mã hóa PPM Encoder (sử dụng 3 dây: Nguồn, Mass, Tín hiệu), giúp giảm thiểu số lượng dây dẫn kết nối vào cổng RC của Pixhawk.
• Hệ thống truyền thông dữ liệu tầm xa (Telemetry): Module Telemetry truyền nhận 2 chiều ở dải tần 433 MHz hoặc 915 MHz, kết nối vào cổng Telem 1 hoặc Telem 2 qua cáp DF13 6 chân (chân 1: VCC +5V, chân 2: TX, chân 3: RX, chân 6: GND), liên kết với phần mềm Mission Planner trên máy tính thông qua cáp MicroUSB.
• Khối định vị GPS và La bàn: Module GPS kết nối cổng GPS port, trong khi la bàn ngoài kết nối song song qua cổng I2C port bằng giắc DF13.
• Hệ thống thu thập hình ảnh và Gimbal: Camera FPV chống trễ truyền tín hiệu video analog về bộ phát hình VTX tần số 5.8 GHz. Cụm chống rung Gimbal 3 trục (động cơ BLDC/Servo) được điều khiển bởi Gimbal Controller, liên lạc với Pixhawk qua chuẩn UART nối tiếp.

---

Nội dung chính theo từng phần của đồ án

1. Tổng quan về phương tiện bay không người lái (UAV) và cấu trúc Quadcopter

Nội dung hệ thống hóa toàn bộ bức tranh công nghệ UAV trên thế giới:

• Phân loại theo chức năng: UAV chiến đấu (UCAV), mục tiêu - mồi nhử, trinh sát chiến trường, logistics vận chuyển, nghiên cứu phát triển (R&D) và UAV dân dụng/thương mại (nông nghiệp, trắc địa, quay chụp không gian ảnh).
• Phân loại theo độ cao và tầm hoạt động:
  • Cầm tay (Hand-held): Độ cao 600 m, bán kính 2 km.
  • Tầm gần (Close): Độ cao 1.500 m, bán kính 10 km.
  • Loại chuẩn NATO: Độ cao 3.000 m, bán kính 50 km.
  • Chiến thuật cao (Tactical): Độ cao 5,5 km, bán kính 160 km.
  • Tầm trung, thời gian bay dài (MALE): Độ cao 9 km, bán kính trên 200 km.
  • Tầm cao, thời gian bay dài (HALE): Độ cao trên 9,1 km.
  • Dòng siêu thanh (High-speed / Hypersonic): Tốc độ Mach 1–5 hoặc Mach 5+, trần bay 15,2 km, tầm hoạt động trên 200 km; cùng các cấp độ quỹ đạo (Orbital LEO Mach 25+) và chuyển tiếp Trái Đất - Mặt Trăng (CIS Lunar).
• Phân loại theo kết cấu: Tricopter (3 cánh), Quadcopter (4 cánh), Hexacopter (6 cánh), Octocopter (8 cánh), Spyder, V-Tail, khung dạng X4/X8, Y3/Y6. Kích cỡ khung đo theo khoảng cách chéo tối đa giữa hai động cơ (ví dụ: khung 450 mm).
• Mức độ hoàn thiện thương mại: RTF (Ready-to-fly - bay ngay), ARTF/ARF (Almost-ready-to-fly - thiếu bộ thu phát RC), BNF (Bind-And-Fly - tích hợp sẵn bộ thu RX, chỉ cần gán kênh phát TX).
• Các cấp độ tự chủ (Autonomy): Đòi hỏi tích hợp 5 công nghệ cốt lõi: Hợp nhất dữ liệu cảm biến (Sensor Fusion), Liên lạc phối hợp (Communication), Lập lịch trình tránh vật cản (Path Planning), Phân bổ nhiệm vụ tối ưu và Chiến lược phối hợp phân tán.

2. Cấu tạo chi tiết các thành phần cơ khí, động lực và cảm biến

Phần này đi sâu vào chi tiết vật lý và nguyên lý vận hành của từng phân hệ:

• Khung vỏ (Frame): Sử dụng vật liệu sợi carbon hoặc composite sợi thủy tinh G10 có độ cứng vững cao, trọng lượng nhẹ và tối ưu giá thành. Đi kèm là các phụ kiện giảm chấn cao su bảo vệ mạch trung tâm và vòng bảo vệ cánh quạt (Propeller Guard).
• Động cơ BLDC: Động cơ không chổi than đồng bộ nam châm vĩnh cửu 3 pha, điều khiển qua biến tần nghịch lưu điện tử. Đặc trưng bởi chỉ số kV (vòng/phút trên mỗi Volt điện áp); động cơ có kV thấp sinh mômen xoắn lớn kéo cánh quạt kích thước lớn, ngược lại kV cao cho tốc độ vòng quay lớn.
• Cánh quạt (Propellers): Được bố trí thành 2 cặp quay ngược chiều nhau (cặp trước - sau quay ngược chiều kim đồng hồ CCW, cặp trái - phải quay thuận chiều kim đồng hồ CW) nhằm triệt tiêu hoàn toàn mômen phản lực quay thân máy bay.
• Cảm biến tích hợp: Phân tích nguyên lý vật lý của gia tốc kế lược silicon 3 trục (đo lực quán tính), con quay hồi chuyển MEMS (đo vận tốc góc theo lực Coriolis), cảm biến áp điện đo áp suất tĩnh suy ra độ cao tuyệt đối, và cảm biến từ trường định vị góc phương vị theo từ trường Trái Đất.

3. Phần cứng điều khiển Pixhawk 1, firmware APM Copter và trạm mặt đất GCS

• Phần cứng Pixhawk 1: Đóng vai trò máy tính nhúng kiểm soát bay tự động mã nguồn mở (Open-source Autopilot). Phân chia chức năng rõ ràng giữa chip xử lý thuật toán bay chính STM32F427 và chip an toàn dự phòng độc lập STM32F100.
• Firmware APM Copter: Mã nguồn phần mềm điều khiển nhúng thực thi các thuật toán vòng lặp PID kín, ổn định góc nghiêng, giữ độ cao và định tuyến bay tự động theo tọa độ GPS định sẵn.
• Phần mềm GCS (Mission Planner): Giao diện giám sát trạm mặt đất hiển thị đầy đủ tham số viễn trắc (độ cao, điện áp pin, vận tốc, tọa độ bản đồ số GIS), cho phép thiết lập hải trình bay tự động thông qua giao thức truyền dữ liệu MAVLink.

4. Sơ đồ kết nối phần cứng và nguyên lý điều khiển hoạt động bay

• Nguyên lý động lực học 4 bậc tự do cơ bản:
  • Chuyển động Lên/Xuống (Throttle): Tăng hoặc giảm đồng thời tốc độ quay của cả 4 động cơ để tăng hoặc giảm tổng lực nâng khí động học vượt qua hoặc nhỏ hơn trọng lực.
  • Chuyển động Tiến/Lùi (Pitch): Giảm tốc độ động cơ phía trước và tăng tốc độ động cơ phía sau (hoặc ngược lại) để tạo góc nghiêng trục dọc thân máy bay.
  • Chuyển động Sang Trái/Phải (Roll): Giảm tốc độ động cơ bên trái và tăng tốc độ động cơ bên phải (hoặc ngược lại) để làm nghiêng thân máy bay theo trục ngang.
  • Chuyển động Xoay Thân (Yaw): Tăng tốc độ cặp động cơ quay cùng chiều và giảm tốc độ cặp động cơ quay ngược chiều, làm mất cân bằng mômen xoắn giúp máy bay xoay tròn tại chỗ theo hướng mong muốn.
• Nguyên lý điều khiển qua tay cầm Radio Transmitter (Mode 2): Cần điều khiển bên trái đảm nhiệm lệnh Throttle (nâng hạ ga) và Yaw (xoay hướng mũi); cần điều khiển bên phải đảm nhiệm lệnh Pitch (chúi/ngửa) và Roll (nghiêng cánh).
• Hệ thống ổn định hình ảnh Gimbal 3 trục: Sử dụng 3 động cơ không chổi than kiểm soát các trục Pan (Yaw - quay quét ngang), Roll (cuộn ngang cân bằng đường chân trời) và Pitch (gập góc nghiêng lên xuống) nhằm triệt tiêu dao động cơ học từ khung thân truyền tới camera.

---

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật đạt được

• Hoàn thiện sơ đồ thiết kế kiến trúc hệ thống và tích hợp liên kết toàn diện cho mô hình Quadcopter thu thập dữ liệu ảnh trên nền tảng vi điều khiển Pixhawk 1.
• Xây dựng sơ đồ phân phối năng lượng và cấu hình kết nối chuẩn xác cho toàn bộ hệ thống chân cắm (PinOuts) bao gồm: cổng nguồn Power Module (4.4V), các cổng nối tiếp Telem 1/2, cổng định vị GPS/I2C, bus tín hiệu PPM Sum, cùng các đường tín hiệu điều khiển ESC 4-in-1.
• Tích hợp thành công cấu hình hệ thống truyền dẫn hình ảnh FPV dải tần 5.8 GHz kết hợp cơ chế ổn định góc quay 3 trục (Gimbal Controller) giao tiếp với vi điều khiển qua chuẩn truyền thông nối tiếp UART.
• Thiết lập giải pháp điều khiển linh hoạt song song: Điều khiển thủ công trực tiếp thông qua sóng Radio 2.4 GHz (khoảng cách hiệu dụng xấp xỉ 1 km) và giám sát tham số viễn trắc/hải trình tự động từ xa thông qua trạm điều khiển mặt đất GCS Mission Planner (dải tần Telemetry 433/915 MHz).

2. Đóng góp kỹ thuật tự nêu của đồ án

• Hệ thống hóa đầy đủ cơ sở lý thuyết, phân loại chi tiết các dòng UAV và cung cấp tài liệu hướng dẫn kỹ thuật rõ ràng về việc cấu hình, đấu nối phần cứng máy bay 4 cánh quạt sử dụng hệ điều khiển mở Pixhawk.
• Đề xuất giải pháp tối ưu hóa dây dẫn và khối lượng thiết bị bằng việc ứng dụng mạch mã hóa tín hiệu PPM Sum (thay thế bó dây PWM truyền thống), sử dụng mạch điều tốc tích hợp ESC 4-in-1 và vật liệu khung chịu lực sợi thủy tinh G10/carbon.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế kỹ thuật:
  • Đề tài tập trung chủ yếu vào việc tích hợp phần cứng, sơ đồ ghép nối điện tử và tổng quan nguyên lý hoạt động; chưa can thiệp sâu vào việc lập trình tối ưu hóa thuật toán điều khiển thích nghi hoặc tự viết thuật toán cân bằng bay mới từ tầng mã nguồn thấp mà chủ yếu dựa trên firmware APM Copter có sẵn.
  • Tầm hoạt động của bộ điều khiển cầm tay còn bị giới hạn ở khoảng cách xấp xỉ 1 km trong điều kiện tiêu chuẩn, phụ thuộc vào công suất phát, độ nhạy đầu thu và phẩm chất của ăng-ten.
  • Hệ thống thu nhận hình ảnh sử dụng camera FPV độ trễ thấp phục vụ quan sát thời gian thực nhưng độ phân giải chưa cao cho các tác vụ đo đạc trắc địa chuyên dụng.
• Hướng phát triển:
  • Nghiên cứu tích hợp các thuật toán xử lý ảnh chuyên sâu trực tiếp trên máy bay nhằm nhận diện và bám mục tiêu tự động.
  • Nâng cấp module truyền thông tầm xa và mở rộng dung lượng pin LiPo để kéo dài thời gian hoạt động thu thập dữ liệu không gian ảnh.

---

Giá trị tham khảo

Bản thuyết minh đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

• Đối tượng thụ hưởng: Sinh viên các ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử, Kỹ thuật Hàng không, Tự động hóa, Điện tử Viễn thông và các kỹ sư thực hiện nghiên cứu, chế tạo mô hình thiết bị bay không người lái dạng đa cánh quạt (Multirotor).
• Nội dung tham khảo giá trị nhất:
  • Bảng tra cứu thông số kỹ thuật, cấu hình vi điều khiển kép STM32F427/STM32F100 và hệ thống chân cắm PinOuts chi tiết của bo mạch Pixhawk 1.
  • Sơ đồ nguyên lý kết nối trực quan giữa Flight Controller với module nguồn, bộ mã hóa PPM Sum, mạch điều tốc ESC 4-in-1, module Telemetry, GPS/La bàn ngoài và Gimbal Controller.
  • Phương pháp phân tích nguyên lý động lực học điều khiển bay của Quadcopter thông qua sự phối hợp biến thiên tốc độ quay của 4 động cơ BLDC.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Bo mạch điều khiển bay Pixhawk 1 sử dụng cấu trúc vi điều khiển và cảm biến nào?
Pixhawk 1 sử dụng hệ vi xử lý kép bao gồm chip chính STM32F427 (ARM Cortex-M4 32-bit, xung nhịp 180 MHz, bộ xử lý số thực FPU đơn, 256 KB SRAM L1) xử lý thuật toán bay và chip an toàn dự phòng STM32F100 (ARM Cortex-M3 32-bit, xung nhịp 24 MHz, 8 KB SRAM). Cụm cảm biến tích hợp bao gồm: con quay hồi chuyển 16-bit ST Micro L3GD20H, gia tốc kế/từ kế 14-bit ST Micro LSM303D, cảm biến gia tốc/con quay 3 trục Invensense MPU 6000 và áp kế MEAS MS5611.

2. Tại sao trên Quadcopter cần bố trí các cặp cánh quạt quay ngược chiều nhau?
Quadcopter gồm 4 cánh quạt chia làm 2 cặp: cặp trước - sau quay ngược chiều kim đồng hồ (CCW) và cặp trái - phải quay thuận chiều kim đồng hồ (CW). Cách bố trí này giúp triệt tiêu hoàn toàn mômen xoắn (mômen phản lực) sinh ra do lực cản không khí tác dụng lên khung máy bay, giữ cho thân máy bay ổn định và không bị tự xoay tròn quanh trục thẳng đứng khi không có lệnh điều khiển Yaw.

3. Sự khác nhau giữa chuẩn tín hiệu PWM và PPM trong kết nối bộ thu Radio với Pixhawk là gì?
Chuẩn PWM (Pulse Width Modulation) truyền tín hiệu mỗi kênh trên một đường dây dẫn riêng biệt (ví dụ bộ thu 8 kênh cần 8 dây nối vào Flight Controller). Chuẩn PPM (Pulse Position Modulation) xếp chồng tất cả các kênh tín hiệu nối tiếp nhau để truyền toàn bộ dữ liệu qua một dây tín hiệu duy nhất, giúp tối giản hệ thống dây cáp nối giữa Radio Receiver và Pixhawk.

4. Chuyển động lùi (Pitch backward) và xoay thân theo chiều kim đồng hồ (Yaw CW) của Quadcopter được thực hiện như thế nào?

• Để lùi về phía sau: Động cơ phía sau giảm tốc độ quay so với động cơ phía trước, tạo sự chênh lệch lực nâng làm nghiêng thân máy bay về phía sau.
• Để xoay thân theo chiều kim đồng hồ (Yaw CW): Cặp động cơ quay theo chiều kim đồng hồ (trước - sau) giảm tốc độ, đồng thời cặp động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ (trái - phải) tăng tốc độ, tạo ra mômen xoắn dư thừa làm quay thân máy bay theo chiều kim đồng hồ.

5. Hệ thống chống rung Gimbal 3 trục trên mô hình hoạt động theo các trục quay nào?
Gimbal 3 trục vận hành thông qua 3 trục quay độc lập:

• Trục Pan (Yaw): Chuyển động quay quét ngang từ trái sang phải với góc xoay tối đa lên đến 360 độ.
• Trục Roll: Chuyển động cuộn nghiêng sang trái hoặc sang phải nhằm giữ thăng bằng đường chân trời cho camera.
• Trục Pitch: Chuyển động gập góc ngửa lên hoặc chúc xuống của cụm camera.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của nhóm sinh viên Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã hoàn thành việc nghiên cứu tổng quan công nghệ UAV, thiết kế cấu hình và tích hợp toàn diện hệ thống phần cứng cho mô hình Quadcopter thu thập không gian ảnh trên nền tảng Pixhawk 1 và firmware APM Copter. Bản thuyết minh đã chuẩn hóa chi tiết sơ đồ đấu nối điện tử, phân tích rõ ràng cơ chế động lực học bay 4 bậc tự do và tích hợp hoàn chỉnh hệ thống truyền dẫn FPV cùng gimbal chống rung 3 trục. Đây là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thực tiễn cao cho việc nghiên cứu và chế tạo các thiết bị bay không người lái dạng multirotor.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 ([e-mail]) 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 ([e-mail]) 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 ([e-mail]) 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 ([e-mail]) 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 ([e-mail]) 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 ([e-mail]) 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 ([e-mail]) 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 ([e-mail]) 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 ([e-mail]) 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.