Đồ án: Thiết kế và chế tạo Quadrocopter thu thập không gian ảnh - ĐH Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế & chế tạo quadrocopter thu thập không gian ảnh. Tìm hiểu quy trình, công nghệ, ứng dụng thực tế của mô hình.

• 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. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về máy bay không người lái UAV (Unmanned Aerial Vehicle)
• 1.1.1. Vai trò
• 1.1.2. Phân loại
• 1.1.2.1. Theo vai trò
• 1.1.2.2. Theo độ cao
• 1.1.2.3. Theo chủng loại, thiết kế
• 1.1.3. Khái niệm
• 1.1.4. Mức độ độc lập của UAV
• 1.2. Máy bay không người lái 4 cánh quạt Quadcopter
• 1.2.1. Các bộ phận chính của Quadcopter
• 1.2.1.1. Frame (Khung)
• 1.2.1.2. Motor (Rotor)
• 1.2.1.3. Propeller
• 1.2.1.4. ESC (Electronic Speed Controls)
• 1.2.1.5. Flight Controller (FC)
• 1.2.1.6. Radio Transmitter And Receiver
• 1.2.1.7. Battery và Battery Charger
• 1.2.1.8. PDB (Power Distribution Board)
• 1.2.1.9. FPV Camera
• 1.2.1.10. Gimbal
• 1.2.1.11. Gimbal Controller
• 1.2.1.12. Video Transmitter (VTX)
• 1.2.1.13. FPV Antenna
• 1.2.1.14. Transmitter (Remote Control)
• 1.2.2. Định vị GPS sử dụng trong Quadcopter
• 1.2.3. Các cảm biến sử dụng trong bộ điều khiển bay (Flight Controller)
• 1.2.3.1. Cảm biến gia tốc
• 1.2.3.2. Cảm biến con quay hồi chuyển

Tóm tắt

I. Khám phá Quadcopter Công nghệ đột phá thu thập không gian ảnh

Trong kỷ nguyên số hóa, nhu cầu về dữ liệu hình ảnh chất lượng cao từ góc nhìn trên không ngày càng tăng. Máy bay không người lái tự chế, đặc biệt là Quadcopter, đã nổi lên như một giải pháp vượt trội, thay thế hiệu quả các phương tiện bay truyền thống. Các thiết bị này sở hữu khả năng hoạt động linh hoạt, tự động hoặc điều khiển từ xa, cho phép tiếp cận những khu vực khó khăn mà con người không thể. Từ chụp ảnh từ trên cao cho đến quay phim flycam chuyên nghiệp, công nghệ drone đang mở ra kỷ nguyên mới cho việc thu thập không gian ảnh. Sự phát triển không ngừng của drone DIY đã tạo điều kiện cho các cá nhân và tổ chức tự mình thiết kế Quadcopter theo nhu cầu cụ thể. Mục tiêu không chỉ dừng lại ở giải trí mà còn vươn xa tới các lĩnh vực như cứu hộ, giám sát, nông nghiệp, và đặc biệt là chụp ảnh khảo sát địa hình, cung cấp dữ liệu giá trị cho nhiều ngành nghề.

1.1. Máy bay không người lái UAV Sự phát triển và vai trò đa dạng

UAV (Unmanned Aerial Vehicle) là thuật ngữ chung chỉ các phương tiện bay hoạt động không cần phi công trong buồng lái, thường được điều khiển từ xa hoặc tự động. Lịch sử phát triển UAV bắt đầu từ những năm 1950, chủ yếu phục vụ mục đích quân sự. Tuy nhiên, theo thời gian, các công nghệ drone này đã được đa dạng hóa và phát triển mạnh mẽ cho các ứng dụng dân dụng. Hiện nay, UAV được phân loại dựa trên vai trò (chiến đấu, trinh sát, logistics, nghiên cứu & phát triển, dân dụng/thương mại), độ cao (Hand-held, Close, Tactical, MALE, HALE) và thiết kế (Multirotor, Hexacopter, Octocopter, Quadcopter). Trong lĩnh vực dân dụng, các loại drone như Quadcopter đang đóng vai trò quan trọng trong chụp ảnh trên không và thu thập dữ liệu, mở ra nhiều cơ hội mới cho các ngành công nghiệp.

1.2. Quadcopter Kiến trúc cơ bản và tiềm năng nhiếp ảnh không gian

Quadcopter, hay còn gọi là Quadrotor Helicopter, là dạng máy bay thẳng được nâng bởi bốn cánh quạt đặt trên một khung chữ thập. Theo tài liệu nghiên cứu, "mô hình được xây dựng thỏa mãn cả 2 yếu tố là nhẹ và chắc chắn". Đây là loại UAV được nghiên cứu và phát triển rộng rãi nhờ tính ứng dụng cao, đặc biệt trong các môi trường nguy hiểm hoặc cần thu thập dữ liệu không gian ảnh. Với bốn động cơ/cánh quạt và bốn tay đỡ, Quadcopter dễ dàng đạt được sự ổn định và linh hoạt trong bay, là lựa chọn lý tưởng cho việc gắn camera cho drone và gimbal chống rung. Tiềm năng của Quadcopter trong nhiếp ảnh không gian là vô hạn, từ việc tạo ra những bức ảnh nghệ thuật độc đáo đến việc cung cấp dữ liệu chính xác cho các mục đích khoa học và kinh tế.

II. Vượt qua thách thức Thiết kế Quadcopter chụp ảnh chất lượng cao

Việc thiết kế Quadcopter không chỉ là lắp ghép các bộ phận mà còn là một quá trình phức tạp đòi hỏi sự hiểu biết sâu rộng về nhiều lĩnh vực như cơ khí, động lực học, khí động học, mạch điều khiển, và xử lý tín hiệu. Đặc biệt, để thu thập không gian ảnh với chất lượng cao, các yếu tố về ổn định bay, khả năng mang tải và tối ưu hóa hệ thống camera là cực kỳ quan trọng. Các nhà nghiên cứu và người đam mê drone DIY thường đối mặt với thách thức trong việc cân bằng hiệu suất và chi phí, cũng như đảm bảo tính an toàn và tuân thủ quy định bay drone. Một trong những mục tiêu chính là tạo ra máy bay không người lái tự chế có khả năng hoạt động ổn định trong nhiều điều kiện môi trường, đồng thời mang lại hình ảnh và video sắc nét, mượt mà.

2.1. Phân tích yêu cầu kỹ thuật Từ thiết kế cơ khí đến hệ thống điều khiển

Để thiết kế Quadcopter hiệu quả, việc phân tích yêu cầu kỹ thuật là bước khởi đầu. Điều này bao gồm việc lựa chọn linh kiện drone phù hợp như khung (thường là khung quadcopter carbon để giảm khối lượng), động cơ brushless, cánh quạt drone, pin drone LiPo, và các bộ phận điện tử như ESC drone và bộ điều khiển bay (Flight Controller). "Đề tài nghiên cứu và chế tạo mô hình máy bay Quadcopter đòi hỏi kiến thức tổng hợp của rất nhiều lĩnh vực như là thiết kế cơ khí, động lực học, khí động học, mạch điều khiển, giao tiếp máy tính, truyền nhận tín hiệu, xử lý nhiễu", theo tài liệu gốc. Bên cạnh đó, việc tích hợp cảm biến GPS drone và các cảm biến IMU (Gia tốc kế, Con quay hồi chuyển) là cần thiết để đạt được khả năng định vị drone chính xác và bay ổn định, hỗ trợ tối đa cho việc chụp ảnh từ trên cao.

2.2. Đảm bảo hiệu suất bay Độ ổn định và thời lượng hoạt động

Hiệu suất bay là yếu tố then chốt cho mọi Quadcopter chụp ảnh. Độ ổn định bay bị ảnh hưởng trực tiếp bởi chất lượng của các linh kiện drone, thiết kế khung, và đặc biệt là khả năng hiệu chỉnh PID drone của bộ điều khiển bay. Việc tối ưu hóa PID giúp hệ thống điều khiển drone phản ứng chính xác với các lệnh và duy trì vị trí ổn định. Ngoài ra, thời lượng hoạt động là một thách thức lớn. Lựa chọn pin drone LiPo có dung lượng và dòng xả phù hợp, cùng với việc tối ưu hóa trọng lượng tổng thể và hiệu suất động cơ, có thể kéo dài thời gian bay. Các nhà thiết kế cũng cần xem xét các yếu tố khí động học và phân bố trọng tâm (CG) để đảm bảo Quadcopter có thể bay lâu và ổn định, đặc biệt khi mang theo camera cho drone và gimbal chống rung.

III. Hướng dẫn lắp ráp Quadcopter Lựa chọn linh kiện nền tảng chuẩn SEO

Quá trình cách lắp ráp Quadcopter đòi hỏi sự tỉ mỉ và hiểu biết về từng linh kiện drone. Việc lựa chọn các bộ phận chất lượng cao không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất bay mà còn quyết định đến chất lượng không gian ảnh thu thập được. Một Quadcopter được thiết kế tốt bắt đầu từ việc chọn đúng khung, động cơ, cánh quạt và hệ thống điện tử. Các thành phần này phải tương thích với nhau để tạo nên một máy bay không người lái tự chế hoạt động ổn định và bền bỉ. Việc tìm kiếm các linh kiện drone giá rẻ nhưng vẫn đảm bảo chất lượng là một thách thức đối với nhiều người làm drone DIY. Tuy nhiên, ưu tiên chất lượng ở các bộ phận cốt lõi sẽ mang lại lợi ích lâu dài về hiệu suất và độ tin cậy.

3.1. Khung động cơ và cánh quạt Yếu tố quyết định sức nâng và độ bền

Khung là xương sống của Quadcopter, nơi gắn tất cả các thành phần khác. "Thông thường làm bằng sợi cacbon để giảm khối lượng", tài liệu gốc chỉ ra ưu điểm của khung quadcopter carbon. Kích thước khung sẽ ảnh hưởng đến việc lựa chọn động cơ và ESC drone. Động cơ brushless là loại động cơ phổ biến nhất do hiệu suất cao, momen lớn và độ bền vượt trội. Tốc độ động cơ được đánh giá bằng kV, với kV thấp hơn cho momen xoắn mạnh hơn và kV cao hơn cho tốc độ quay nhanh hơn. Cánh quạt drone cũng đóng vai trò quan trọng; cánh dài hơn tạo lực nâng mạnh hơn nhưng tăng giảm tốc chậm hơn. Việc kết hợp đúng kích thước cánh quạt với động cơ phù hợp là cần thiết để đạt được sức nâng và độ bền mong muốn cho Quadcopter chụp ảnh.

3.2. Hệ thống điện tử ESC pin LiPo và PDB tối ưu hiệu quả

ESC drone (Electronic Speed Controls) là bộ điều khiển tốc độ điện tử, có nhiệm vụ điều khiển tốc độ của động cơ brushless. "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". Pin drone LiPo (Lithium Polymer) là nguồn cung cấp năng lượng chính, được lựa chọn dựa trên dung lượng (mAh) và dòng xả (C). Mặc dù là thành phần nặng nhất, pin chất lượng tốt đảm bảo thời lượng bay. PDB (Power Distribution Board) thường kết nối nguồn pin và phân phối điện cho các thành phần khác ở mức điện áp yêu cầu. Ngày nay, nhiều Flight Controller đã tích hợp chức năng PDB. Việc tối ưu hóa hệ thống điện tử này là cực kỳ quan trọng để đảm bảo Quadcopter hoạt động hiệu quả và cung cấp đủ năng lượng cho camera cho drone và các hệ thống khác khi chụp ảnh từ trên cao.

IV. Tối ưu hệ thống điều khiển Nâng tầm Quadcopter thu thập ảnh

Để Quadcopter thu thập không gian ảnh đạt chất lượng cao, hệ thống điều khiển drone phải được tối ưu hóa một cách toàn diện. Đây là "bộ não" của thiết bị, nơi xử lý mọi thông tin từ cảm biến và lệnh từ người điều khiển để thực hiện các chuyển động bay chính xác. Sự kết hợp giữa bộ điều khiển bay thông minh, các cảm biến định vị tiên tiến và hệ thống camera/gimbal chuyên dụng là chìa khóa để tạo ra những bức ảnh từ trên cao ổn định và sắc nét. Ngoài ra, khả năng truyền hình ảnh FPV và điều khiển từ xa qua các phần mềm điều khiển bay cũng góp phần nâng cao trải nghiệm và hiệu quả sử dụng. Việc lựa chọn và cấu hình đúng các thành phần này là bước quan trọng trong cách lắp ráp Quadcopter chuyên nghiệp.

4.1. Bộ điều khiển bay FC và cảm biến Nền tảng điều hướng chính xác

Bộ điều khiển bay (Flight Controller - FC) là trái tim của hệ thống điều khiển drone, "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 cảm biến tích hợp như gia tốc kế, con quay hồi chuyển, cảm biến áp suất/độ cao và cảm biến GPS drone cung cấp dữ liệu quan trọng cho FC. GPS cho phép định vị drone với độ chính xác cao, "sai số chỉ vài mét", hỗ trợ các chế độ bay tự động theo lộ trình định trước. Việc lập trình drone và hiệu chỉnh PID drone thông qua FC là cần thiết để đạt được độ ổn định bay tối ưu, đặc biệt khi chụp ảnh khảo sát địa hình đòi hỏi sự chính xác cao về vị trí và góc quay.

4.2. Camera và Gimbal Bí quyết chụp ảnh từ trên cao sắc nét ổn định

Để thu thập không gian ảnh chất lượng, camera cho drone và gimbal chống rung là hai thành phần không thể thiếu. Camera FPV (First Person View) cung cấp cái nhìn trực tiếp từ drone, hỗ trợ điều khiển bay. Đối với nhiếp ảnh, các loại camera chuyên dụng với độ phân giải cao được ưu tiên. "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 hai loại gimbal chính: cơ học và điện tử (2 trục hoặc 3 trục). Gimbal điện tử 3 trục là lựa chọn phổ biến cho flycam chuyên nghiệp nhờ khả năng ổn định vượt trội, giúp chụp ảnh từ trên cao và quay phim flycam không bị rung lắc, ngay cả khi Quadcopter di chuyển nhanh hoặc chịu tác động của gió.

4.3. Kết nối và điều khiển Transmitter Receiver và GCS hiện đại

Khả năng điều khiển Quadcopter được thực hiện thông qua bộ điều khiển từ xa (Transmitter) và bộ thu tín hiệu (Receiver) gắn trên drone. Transmitter gửi tín hiệu qua kênh radio đến Receiver, sau đó truyền đến Flight Controller. Một Transmitter với 8 kênh hoặc hơn cho phép điều khiển nhiều tính năng, bao gồm cả gimbal chống rung. Ngoài ra, trạm điều khiển mặt đất (Ground Control Station - GCS) như Mission Planner là một phần mềm điều khiển bay mạnh mẽ, cho phép tương tác 'point-click' với phần cứng, lập kịch bản bay và mô phỏng. GCS kết nối với Quadcopter qua Telemetry Radio (thường ở tần số 915MHz hoặc 433Mhz), cung cấp khả năng điều khiển từ xa, hiển thị thông số và trạng thái bay đầy đủ, giúp người điều khiển quản lý chuyến bay hiệu quả và an toàn, đặc biệt khi thực hiện các nhiệm vụ thu thập không gian ảnh phức tạp.

V. Ứng dụng đột phá của Thiết kế Quadcopter trong không gian ảnh

Sự phát triển của công nghệ drone và khả năng thiết kế Quadcopter linh hoạt đã mở ra vô vàn ứng dụng thực tiễn, vượt xa mục đích giải trí đơn thuần. Khả năng thu thập không gian ảnh từ nhiều góc độ và độ cao khác nhau mang lại giá trị to lớn cho nhiều ngành nghề. Từ việc chụp ảnh khảo sát địa hình cho các dự án xây dựng, quản lý đất đai, đến giám sát môi trường và nông nghiệp thông minh, Quadcopter đang dần trở thành công cụ không thể thiếu. Các flycam chuyên nghiệp hiện đại, dù là thương mại hay máy bay không người lái tự chế, đều đóng góp vào việc thu thập dữ liệu chính xác và kịp thời, tối ưu hóa quy trình và giảm thiểu rủi ro cho con người.

5.1. Khảo sát giám sát và cứu hộ Tận dụng ưu thế góc nhìn từ trên cao

Trong lĩnh vực khảo sát và giám sát, Quadcopter được sử dụng rộng rãi để chụp ảnh khảo sát địa hình, lập bản đồ 3D, kiểm tra cơ sở hạ tầng (cầu, đường, tòa nhà cao tầng). Khả năng định vị drone chính xác nhờ cảm biến GPS drone cho phép thu thập dữ liệu với độ chi tiết cao, phục vụ cho quy hoạch đô thị, quản lý rừng và đánh giá thiệt hại thiên tai. Trong các nhiệm vụ cứu hộ, Quadcopter có thể nhanh chóng tiếp cận những khu vực nguy hiểm hoặc khó khăn, cung cấp hình ảnh trực tiếp về tình hình hiện trường, giúp các đội cứu hộ đưa ra quyết định kịp thời. "Máy bay không người lái bốn cánh quạt (Quadcopter) là một trong số các phương tiện bay không người lái đã được nghiên cứu và phát triển từ lâu vì có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đặc biệt là lĩnh vực cứu hộ ở những môi trường nguy hiểm."

5.2. Nhiếp ảnh và quay phim chuyên nghiệp Nâng tầm trải nghiệm thị giác

Đối với ngành nhiếp ảnh và quay phim, Quadcopter chụp ảnh đã cách mạng hóa cách chúng ta tạo ra nội dung hình ảnh. Flycam chuyên nghiệp với camera cho drone chất lượng cao và gimbal chống rung cho phép các nhà làm phim và nhiếp ảnh gia ghi lại những khung hình độc đáo từ trên cao, tạo ra các cảnh quay động và ấn tượng mà trước đây rất khó hoặc tốn kém để thực hiện. Từ quay phim đám cưới, sự kiện, quảng cáo cho đến sản xuất phim điện ảnh, Quadcopter mang lại góc nhìn mới mẻ và nâng tầm trải nghiệm thị giác. Khả năng truyền hình ảnh FPV cũng hỗ trợ người điều khiển dễ dàng căn chỉnh khung hình và góc quay theo thời gian thực, đảm bảo mỗi cảnh quay đều đạt được chất lượng tối ưu.

VI. Kết luận và Tương lai phát triển Thiết kế Quadcopter thu thập ảnh

Việc thiết kế Quadcopter cho mục đích thu thập không gian ảnh là một lĩnh vực đầy tiềm năng, đòi hỏi sự kết hợp hài hòa giữa kiến thức kỹ thuật và sự sáng tạo. Từ việc lựa chọn linh kiện drone phù hợp, cách lắp ráp Quadcopter chính xác, đến việc tối ưu hóa hệ thống điều khiển drone và tích hợp camera cho drone cùng gimbal chống rung, mỗi bước đều đóng góp vào chất lượng cuối cùng của sản phẩm. Công nghệ drone không ngừng phát triển, mang lại những giải pháp ngày càng tiên tiến hơn, từ máy bay không người lái tự chế cho người mới bắt đầu đến flycam chuyên nghiệp cho các ứng dụng phức tạp. Tương lai của Quadcopter chụp ảnh hứa hẹn sẽ chứng kiến nhiều đột phá hơn nữa, đặc biệt trong các lĩnh vực tự động hóa và tích hợp AI.

6.1. Tổng kết những điểm cốt lõi trong thiết kế và vận hành Quadcopter

Để thành công trong việc thiết kế Quadcopter thu thập ảnh, cần tập trung vào các yếu tố cốt lõi: một khung vững chắc nhưng nhẹ (khung quadcopter carbon), động cơ brushless hiệu suất cao kết hợp ESC drone tương thích, pin drone LiPo tối ưu cho thời gian bay dài, và cánh quạt drone phù hợp. Hệ thống điều khiển drone phải bao gồm Flight Controller tiên tiến với khả năng lập trình drone và hiệu chỉnh PID drone linh hoạt, cùng với cảm biến GPS drone để định vị drone chính xác. Đặc biệt, camera cho drone chất lượng cao và gimbal chống rung là không thể thiếu để đảm bảo chất lượng không gian ảnh cuối cùng. Quy trình cách lắp ráp quadcopter cẩn thận và thử nghiệm kỹ lưỡng là cần thiết để đảm bảo an toàn bay drone và hiệu suất tối ưu.

6.2. Triển vọng và hướng nghiên cứu mới cho drone thu thập không gian ảnh

Tương lai của drone thu thập không gian ảnh đang hướng tới sự tự động hóa cao hơn, tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) để phân tích dữ liệu trực tiếp trên thiết bị, và khả năng hoạt động trong các môi trường khắc nghiệt hơn. Nghiên cứu về thiết kế module drone sẽ cho phép tùy biến nhanh chóng và dễ dàng nâng cấp. Việc phát triển các thuật toán lập trình drone thông minh hơn cho phép Quadcopter thực hiện các nhiệm vụ phức tạp như bay theo địa hình, tránh vật cản chủ động và tối ưu hóa đường bay để tiết kiệm năng lượng. Ngoài ra, việc cải thiện công nghệ pin drone LiPo để tăng thời lượng bay và giảm thời gian sạc cũng là một hướng đi quan trọng. Sự phối hợp giữa các máy bay không người lái tự chế (swarm drone) để thu thập dữ liệu đồng bộ cũng là một triển vọng đầy hứa hẹn cho việc chụp ảnh khảo sát địa hình quy mô lớn.

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 download by : skknchat@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 download by : [e-mail] 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 download by : [e-mail] - 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 download by : [e-mail] 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 download by : [e-mail] 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 download by : [e-mail] - 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 download by : [e-mail] 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 download by : [e-mail] 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 download by : [e-mail] 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 download by : [e-mail] - 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. Nếu bạn đo được chuyển động của lớp silicon dọc này, bạn có thể đo được chuyển động của cảm biến.

Ta cùng nhìn vào một góc của cảm biến.