Đồ án HCMUTE: Thiết kế và thi công máy bay giám sát ba cánh quạt

• Tác giả: Nguyễn Ngọc Quốc Duy
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Minh Tâm
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông
• Đề tài: Thiết Kế Và Thi Công Máy Bay Giám Sát Ba Cánh Quạt Truyền Phát Dữ Liệu Về Máy Tính
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

• NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• PHIÊU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
• PHIÊU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
• LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
• DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu tình hình nghiên cứu hiện nay
• 1.2. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.3. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.4. Nhiệm vụ nghiên cứu
• 1.5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.6. Phương pháp nghiên cứu
• 1.7. Bố cục của Đồ án
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Nguyên lý điều khiển bay và phương trình động lực học
• 2.2. Phương trình toán cân bằng tri-rotor
• 2.3. Sơ lược về thiết bị đo quán tính IMU sensor
• 2.4. Giới thiệu về IMU. Gia tốc kế (Accelerometer)
• 2.5. Xử lý tín hiệu từ Gia tốc kế (Accelerometer)
• 2.6. Con quay hồi chuyển
• 2.7. Xử lý tín hiệu từ con quay hồi chuyển
• 2.8. Phương pháp tọa độ Quaternion
• 2.9. Giới thiệu sơ lược về cách sử dụng Quaternion trong phép quay
• 2.10. Phương pháp tọa độ Quaternion ứng dụng trong đề tài. Bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative)
• 2.11. Giới thiệu bộ điều khiển PID
• 2.12. Khâu tỉ lệ. Khâu tích phân
• 2.13. Khâu vi phân
• 2.14. Phương pháp dò hệ số PID
• 3. CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU LINH KIỆN VÀ MODULE
• 3.1. Động cơ DC không chổi than (Brushless DC motor)
• 3.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
• 3.3. Nguyên lý hoạt động và nguyên lý điều khiển động cơ
• 3.4. Bộ điều khiển tốc độ động cơ ESC
• 3.5. Cấu tạo và cách thức vận hành
• 3.6. Cách thức vận hành
• 3.7. Board Arduino Uno
• 3.8. Cấu tạo và chức năng
• 3.9. Mô đun IMU DOF-10 gy-86
• 3.10. Cảm biến gia tốc và góc quay MPU6050
• 3.11. Cảm biến từ trường HMC5883
• 3.12. Cảm biến độ cao MS5611
• 3.13. Cách thức hoạt động và phương pháp điều khiển
• 3.14. Cách thức hoạt động
• 3.15. Phương pháp điều khiển
• 3.16. Module truyền/ nhận sóng radio nRF24L01. Đặc tính và hoạt động
• 3.17. Cấu hình địa chỉ truyền nhận
• 3.18. Khung truyền dữ liệu
• 3.19. Kênh truyền và địa chỉ nhận
• 3.20. Cấu hình tốc độ truyền công suất phát
• 3.21. Mã CRC, truyền nhận
• 3.22. Cách gửi dữ liệu
• 3.23. Cách nhận dữ liệu
• 3.24. Module Wifi CC3000
• 3.25. Đặc tính và hoạt động
• 3.26. Cảm biến nhiệt độ, áp suất BMP180
• 3.27. Lựa chọn Pin phù hợp
• 3.28. Dung lượng pin
• 3.29. Cách lựa chọn Pin
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MÔ HÌNH BAY VÀ XÂY DỰNG PHẦN MỀM VÀ GIẢI THUẬT PID
• 4.1. Xây dựng phần cứng
• 4.2. Xây dựng khung máy bay
• 4.3. Ý tưởng và thực nghiệm
• 4.4. Sơ đồ khối phần cứng máy bay
• 4.5. Sơ đồ mạch điều khiển và tay cầm
• 4.6. Mạch điều khiển
• 4.7. Sơ đồ mạch tay cầm
• 4.8. Sơ đồ mạch in mạch điều khiển và tay cầm
• 4.9. Mạch điều khiển
• 4.10. Mạch tay cầm điều khiển
• 4.11. Lắp đặt phần cứng tricopter
• 4.12. Thiết kế phần mềm
• 4.13. Giới thiệu phần mềm lập trình C# (Microsoft Visual Studio)
• 4.14. Xây dựng phần mềm C# giao tiếp với board Arduino, hiệu chỉnh hệ số
• 4.15. Xây dựng phần mềm hiển thị dữ liệu trên web browser với IntelliJ IDEA
• 4.16. Xây dựng giải thuật điều khiển PD cho máy bay
• 4.17. Lưu đồ giải thuật chương trình Arduino Uno điều khiển máy bay
• 5. CHƯƠNG 5: TỔNG HỢP, PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC TIỄN
• 5.1. Kết quả giả của giải thuật PD theo các phương X,Y,Z
• 5.2. Kết quả cân bằng góc pitch
• 5.3. Kết quả cân bằng theo góc roll
• 5.4. Kết quả cân bằng theo góc yaw
• 5.5. Kết quả thử nghiệm điều khiển bay thực tế
• 5.6. Kết quả quá trình truyền dữ liệu từ tricopter về máy tính thông qua webserver
• 5.7. Đánh giá kết quả thu được
• 5.8. Ưu điểm và hạn chế
• 5.9. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Thiết kế máy bay giám sát

Đồ án tốt nghiệp tập trung vào thiết kế máy bay giám sát ba cánh quạt, một UAV giám sát (Salient LSI Keyword), cụ thể là thiết kế UAV (Salient LSI Keyword) tại HCMUTE (Salient Entity). Đây là một dự án nghiên cứu (Semantic LSI Keyword) trong lĩnh vực công nghệ hàng không (Semantic LSI Keyword), kết hợp kiến thức điện tử hàng không (Close Entity) và điều khiển tự động. Thiết kế máy bay không người lái (Salient LSI Keyword) này đặt mục tiêu tạo ra một hệ thống có khả năng giám sát từ trên không, thu thập và truyền dữ liệu về máy tính. Sinh viên đã nghiên cứu và áp dụng các giải thuật điều khiển (Semantic LSI Keyword), bao gồm bộ điều khiển PID (Semantic LSI Keyword), để đảm bảo sự ổn định và khả năng điều khiển chính xác của máy bay. Đồ án cũng đề cập đến việc thiết kế phần cứng và thiết kế phần mềm (Semantic LSI Keyword), bao gồm lập trình Arduino, C# và xử lý ảnh, nhằm đảm bảo khả năng hoạt động hiệu quả của toàn hệ thống.

1.1. Máy bay giám sát ba cánh quạt

Việc lựa chọn thiết kế máy bay ba cánh quạt (Salient LSI Keyword) hay rotorcraft (Semantic LSI Keyword) được xem xét kỹ lưỡng. Thiết kế này mang lại khả năng cơ động cao và dễ điều khiển hơn so với các loại máy bay khác. Đồ án trình bày chi tiết quá trình thiết kế 3D máy bay (Semantic LSI Keyword) và mô phỏng máy bay (Semantic LSI Keyword), cùng với quá trình chọn lựa các linh kiện phù hợp như động cơ, ESC, cảm biến IMU (Semantic Entity), module truyền nhận dữ liệu (ví dụ: nRF24L01 hoặc CC3000). Quá trình lựa chọn dựa trên các yếu tố như hiệu suất, độ tin cậy, kích thước và trọng lượng. Thiết kế cơ khí (Close Entity) được thực hiện để đảm bảo tính ổn định và khả năng chịu lực của máy bay trong quá trình hoạt động. Mục tiêu là tạo ra một cấu trúc nhẹ nhưng đủ mạnh mẽ để đáp ứng yêu cầu bay và giám sát. Việc lắp đặt phần cứng (Semantic LSI Keyword) được thực hiện cẩn thận, đảm bảo sự kết nối và hoạt động chính xác của tất cả các thành phần.

1.2. Hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu

Hệ thống giám sát được thiết kế để thu thập dữ liệu từ các cảm biến trên máy bay. Dữ liệu này bao gồm thông tin về vị trí, độ cao, hướng, tốc độ và các thông số khác cần thiết cho quá trình giám sát. Đồ án nhấn mạnh đến việc thu thập dữ liệu (Semantic LSI Keyword) và xử lý ảnh (Semantic LSI Keyword), cũng như việc truyền dữ liệu không dây về máy tính mặt đất. Phần mềm điều khiển (Salient LSI Keyword) được phát triển để xử lý dữ liệu thu thập được và hiển thị trên giao diện người dùng. Đây là một phần quan trọng của hệ thống, cho phép người dùng theo dõi máy bay và dữ liệu giám sát trong thời gian thực. Máy bay giám sát thời gian thực (Semantic LSI Keyword) là mục tiêu chính. Sự lựa chọn công nghệ truyền dẫn không dây, ví dụ, sử dụng module Wifi CC3000 hay module truyền/nhận sóng radio nRF24L01, phụ thuộc vào phạm vi giám sát, tốc độ truyền dữ liệu và độ tin cậy mong muốn.

1.3. Ứng dụng của máy bay giám sát

Đồ án đề cập đến một số ứng dụng drone (Semantic LSI Keyword) của máy bay giám sát tự động (Salient LSI Keyword) này, bao gồm giám sát từ trên không, quản lý giao thông, quản lý nông nghiệp, khảo sát địa hình, và giám sát môi trường. Ứng dụng máy bay không người lái trong nông nghiệp (Semantic LSI Keyword) có thể bao gồm phun thuốc, giám sát mùa màng. Ứng dụng máy bay không người lái trong xây dựng (Semantic LSI Keyword) có thể bao gồm khảo sát hiện trường, giám sát tiến độ. Ứng dụng máy bay không người lái trong an ninh (Semantic LSI Keyword) có thể bao gồm giám sát biên giới, tuần tra an ninh. Các ứng dụng drone này nhấn mạnh tính thực tiễn và tiềm năng ứng dụng rộng rãi của sản phẩm nghiên cứu. Khả năng mở rộng và tích hợp thêm các cảm biến khác cho phép hệ thống đáp ứng nhiều nhiệm vụ giám sát khác nhau.