Khóa Luận Về Thiết Kế và Chế Tạo Mô Hình Quadrocopter Để Thu Thập Không Ảnh

Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình quadrocopter để thu thập không ảnh, vận dụng lý thuyết vào thực tế, đề xuất giải pháp cụ thể cho vấn đề .

• Tác giả: Nguyễn Hiếu Nghĩa
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Thanh Bình
• Trường học: Viện Kỹ Thuật Hutech
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật
• Đề tài: Thiết Kế và Chế Tạo Quadrocopter Để Thu Thập Không Ảnh
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ĐỒ ÁN/ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
• NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN ĐỒ ÁN/ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• ABSTRACT
• TÓM TẮT BÁO CÁO
• MỤC LỤC
• DANH MỤC HÌNH BẢNG
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Khái niệm về Quadcopter ?
• 1.2. Sự khác nhau giữa Helicopter và Quadcopter
• 1.3. Nguyên lý hoạt đông của Quadcopter
• 1.4. Công nghệ điều khiển
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ
• 2.1. Thiết kế khung máy bay
• 2.2. Ảnh thực tế của Fram Quadcopter
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
• 3.1. Thiết kế hệ thống điều khiển
• 3.1. Tay điều khiển – Tx (Transmitter) – Máy phát sóng
• 3.2. Rx(Receiver) - Mạch nhận sóng
• 3.2. Mạch trung tâm
• 3.1. Mạch Arduino Uno V3
• 3.2. Cảm biến 3 trục L3G4200D
• 3.3. Động cơ và ESC
• 3.2. ESC(Electronic Speed Controller) - Bộ điều tốc
• 3.1. Sự khác biệt giữa Pin Lithium Ion (Li-Ion) và pin Lithium Polymer (LiPo)
• 3.3. Từ viết tắt trị số của Motor
• 3.4. Dung lượng
• 4. CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ LỰA CHỌN LINH KIỆN
• 4.1. Tính toán lựa chọn Motor
• 4.2. Tính toán lựa chọn ESC
• 4.3. Tính toán lựa chọn Pin
• 5. CHƯƠNG 5: THU THẬP KHÔNG ẢNH
• 5.1. Camera hành trình – Sjcam 4000 Wifi 1080p Full HD
• 5.2. Kết nối điện thoại với camera thể thao SJCam SJ4000
• 6. CHƯƠNG 6: ĐỀ XUẤT HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. Sử dụng hệ thống hiện thị FPV
• 6.2. Phương thức hoạt động
• 6.3. Các thiết bị chính
• 6.2. Định vị GPS
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN
• 7.2. Đề xuất
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG

Tóm tắt

I. Tổng quan về Thiết Kế và Chế Tạo Quadrocopter Để Thu Thập Không Ảnh

Quadrocopter, hay còn gọi là máy bay không người lái bốn cánh quạt, đã trở thành một công cụ quan trọng trong việc thu thập không ảnh. Thiết kế quadrocopter không chỉ đơn thuần là việc lắp ráp các linh kiện mà còn yêu cầu sự hiểu biết sâu sắc về nguyên lý hoạt động, công nghệ điều khiển và ứng dụng thực tiễn. Bài viết này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về quy trình thiết kế và chế tạo quadrocopter, từ khái niệm cơ bản đến các ứng dụng trong thực tế.

1.1. Khái niệm về Quadrocopter và Ứng dụng của nó

Quadrocopter là một loại máy bay không người lái được nâng bởi bốn cánh quạt. Nó có khả năng bay ổn định và linh hoạt, phù hợp cho nhiều ứng dụng như giám sát, khảo sát địa hình và thu thập dữ liệu không ảnh. Sự phát triển của công nghệ UAV đã mở ra nhiều cơ hội mới cho quadrocopter trong các lĩnh vực khác nhau.

1.2. Lịch sử phát triển của Quadrocopter

Quadrocopter đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển từ những năm 1920 đến nay. Ban đầu, nó được xem như một giải pháp cho các vấn đề bay thẳng đứng. Tuy nhiên, với sự tiến bộ của công nghệ, quadrocopter đã trở thành một thiết bị phổ biến trong lĩnh vực không gian và nghiên cứu.

II. Vấn đề và Thách thức trong Thiết Kế Quadrocopter

Mặc dù quadrocopter mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc thiết kế và chế tạo chúng cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như độ ổn định, khả năng điều khiển và hiệu suất bay là những yếu tố quan trọng cần được xem xét. Bài viết này sẽ phân tích các thách thức chính trong thiết kế quadrocopter.

2.1. Độ ổn định và Khả năng điều khiển

Độ ổn định của quadrocopter phụ thuộc vào thiết kế khung và hệ thống điều khiển. Việc sử dụng cảm biến quán tính như gyro và accelerometer là cần thiết để duy trì thăng bằng. Nếu không có hệ thống điều khiển tốt, quadrocopter sẽ khó khăn trong việc bay ổn định.

2.2. Hiệu suất bay và Thời gian bay

Thời gian bay của quadrocopter phụ thuộc vào nhiều yếu tố như trọng lượng, loại pin và thiết kế động cơ. Việc tối ưu hóa hiệu suất bay là một thách thức lớn, đặc biệt khi cần thu thập dữ liệu trong thời gian dài.

III. Phương pháp Thiết Kế Quadrocopter Hiệu Quả

Để thiết kế một quadrocopter hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp khoa học và công nghệ hiện đại. Bài viết này sẽ trình bày các bước thiết kế từ khung máy bay đến hệ thống điều khiển.

3.1. Thiết kế Khung Quadrocopter

Khung quadrocopter cần được thiết kế sao cho nhẹ và bền. Việc lựa chọn vật liệu như carbon hoặc nhôm có thể giúp giảm trọng lượng mà vẫn đảm bảo độ bền. Thiết kế khung cũng cần đảm bảo tính đối xứng để duy trì sự ổn định trong quá trình bay.

3.2. Lựa chọn Động cơ và Hệ thống Điều khiển

Động cơ là phần quan trọng quyết định khả năng bay của quadrocopter. Việc lựa chọn động cơ phù hợp với trọng lượng và mục đích sử dụng là rất cần thiết. Hệ thống điều khiển cũng cần được lập trình chính xác để đảm bảo quadrocopter hoạt động hiệu quả.

IV. Ứng dụng Thực Tiễn của Quadrocopter trong Nông Nghiệp

Quadrocopter đã được áp dụng rộng rãi trong nông nghiệp, giúp thu thập dữ liệu và giám sát mùa màng. Bài viết này sẽ khám phá các ứng dụng thực tiễn của quadrocopter trong lĩnh vực nông nghiệp.

4.1. Giám sát Mùa màng và Đánh giá Tình trạng Đất

Quadrocopter có thể được trang bị camera để giám sát mùa màng và đánh giá tình trạng đất. Việc thu thập dữ liệu từ trên cao giúp nông dân có cái nhìn tổng quan về tình hình cây trồng và đất đai.

4.2. Phun Thuốc và Phân Bón Tự Động

Sử dụng quadrocopter để phun thuốc và phân bón tự động giúp tiết kiệm thời gian và công sức. Công nghệ này không chỉ nâng cao hiệu quả mà còn giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.

V. Kết luận và Tương lai của Quadrocopter

Quadrocopter đang ngày càng trở nên phổ biến và có nhiều tiềm năng trong tương lai. Bài viết này sẽ tóm tắt những điểm chính và dự đoán xu hướng phát triển của quadrocopter trong các lĩnh vực khác nhau.

5.1. Xu hướng Phát triển Công nghệ Quadrocopter

Công nghệ quadrocopter đang phát triển nhanh chóng với nhiều cải tiến về hiệu suất và tính năng. Các nghiên cứu mới sẽ tiếp tục mở ra nhiều ứng dụng mới cho quadrocopter trong tương lai.

5.2. Tác động đến Ngành Công nghiệp và Xã hội

Quadrocopter không chỉ ảnh hưởng đến ngành công nghiệp mà còn có tác động lớn đến xã hội. Việc sử dụng quadrocopter trong các lĩnh vực như cứu hộ, giám sát môi trường sẽ góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BM04/QT05/ĐT-KT Viện Kỹ thuật Hutech BẢN NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ĐỒ ÁN/ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP (GVHD nộp Bản nhận xét này về Văn phòng Viện) 1. Họ và tên sinh viên/ nhóm sinh viên được giao đề tài (sĩ số trong nhóm……): (1). Tổng quát về ĐA/KLTN: Số trang:. Số chương:.

Số bảng số liệu:. Số hình vẽ:. Số tài liệu tham khảo:. Phần mềm tính toán:.

Số bản vẽ kèm theo:. Hình thức bản vẽ:. Hiện vật (sản phẩm) kèm theo:. Nhận xét: a) Về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên:.

b) Những kết quả đạt được của ĐA/KLTN:. c) Những hạn chế của ĐA/KLTN:. Đề nghị: Được bảo vệ (hoặc nộp ĐA/KLTN để chấm)  Không được bảo vệ  TP. HCM, ngày … tháng … năm ……….

Giảng viên hướng dẫn (Ký và ghi rõ họ tên) Ghi chú: Đính kèm Phiếu chấm điểm ĐA/KLTN. I BM05/QT05/ĐT-KT Viện kỹ thuật Hutech BẢN NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN ĐỒ ÁN/ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP (GVPB nộp Bản nhận xét này về Văn phòng Viện) 1. Họ và tên sinh viên/ nhóm sinh viên được giao đề tài (sĩ số trong nhóm……): (1). Nhận xét: a) Những kết quả đạt được của ĐA/KLTN:.

b) Những hạn chế của ĐA/KLTN:. Đề nghị: Được bảo vệ  Bổ sung thêm để bảo vệ  Không được bảo vệ  5. Các câu hỏi sinh viên cần trả lời trước Hội đồng: (1). HCM, ngày … tháng … năm ……….

Giảng viên phản biện (Ký và ghi rõ họ tên) Ghi chú: Đính kèm Phiếu chấm điểm ĐA/KLTN. II LỜI CAM ĐOAN Chúng em xin cam đoan các kết quả thực nghiệm đạt được trong đồ án này do chúng em tự tìm hiểu phân tích một cách trung thực và khách quan nhất. Các kết quả này chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác. Nếu phát hiện bất kỳ sự gian lận nào chúng em xin hoàn toàn chịu trách nhiêm về nội dung đồ án mình.

Hồ Chí Minh,ngày. Sinh Viên Thực Hiện Nguyễn Hiếu Nghĩa Nguyễn Trung Tuấn III LỜI CẢM ƠN Trước tiên chúng em xin được gửi lời cảm ơn trân trọng và sâu sắc đến thầy ThS. Nguyễn Thanh Bình, giảng viên VIỆN KỸ THUẬT HUTECH - người đã hết sức tạo điều kiện và tận tính hướng dẫn, góp ý, chỉ bảo động viên chúng em trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện đồ án này. Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè.

Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô trường ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINH đã dạy dỗ cho em kiến thức về các môn đại cương cũng như các môn chuyên ngành, giúp em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập. Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành khoá luận tốt nghiệp. Hồ Chí Minh,ngày.

Sinh Viên Thực Hiện Nguyễn Hiếu Nghĩa Nguyễn Trung Tuấn IV ABSTRACT A Quadrocopter, aslo called a Quadrocopter Helicopter, is an aircraft that is lifted by four rotors on a cross- shaped frame. We succeeded in building a Quadrocopter with stiff and lightweight structure. Our Quadrocopter’s in-fight dynamics was measured via an IMU (Inertial Measurement Unit) which equipped with a dual- axis gyroscope and three axis tilt- sensor. A microcontroller took these sensor’s inputs and performed PID control algorithm on the four motors by varying PWM signals sent to each of the motors.

VI TÓM TẮT BÁO CÁO Quadrocopter, còn gọi là Quadotor Helicopter, là một dạng máy bay lên thẳng được nâng bởi bốn cánh quạt đặt trên một khung chữ thập. Mô hình được xây dựng thoả mãn cả 2 yếu tố là nhẹ và chắc chắn. Những chuyển động của mô hình được đo đạc thông qua bộ IMU (Intertial Measurement Unit, còn gọi là bộ đo lường quán tính) bao gồm một con quay hồi chuyển hai trục và cảm biên độ nghiêng ba trục và đưa về vi điều khiên thực hiện thuật toán điều khiển PID cho 4 động cơ thông qua phương pháp điều khiển chế độ rộng xung PWM. V MỤC LỤC Trang bìa cứng Trang bìa phụ Nhận xét của giáo viên hƣớng dẫn ··················································· I Nhận xét của giáo viên phản biện ···················································· II Lời cam đoan ············································································· III Lời cảm ơn ················································································ IV Abstract ··················································································· V Tóm tắt báo cáo ·········································································· VI Mục lục ···················································································· VII Danh mục hình bảng···································································· VIII VII CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Khái niệm về Quadcopter ? ·························································· 1 1.2 Sự khác nhau giữa Helicopter và Quadcopter ··································· 3 1.3 Nguyên lý hoạt đông của Quadcopter ············································· 3 1.4 Công nghệ điều khiển ································································· 5 CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ 2.1 Thiết kế khung máy bay ······························································ 6 2.2 Ảnh thực tế của Fram Quadcopter················································· 14 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 3.1 Thiết kế hệ thống điều khiển ························································ 17 3.1 Tay điều khiển – Tx (Transmitter) – Máy phát sóng ················ 17 3.2 Rx(Receiver) - Mạch nhận sóng ·········································· 21 3.2 Mạch trung tâm ········································································ 26 3.1 Mạch Arduino Uno V3 ····················································· 26 3.2 Cảm biến 3 trục L3G4200D ··············································· 30 VII 3.3 Động cơ và ESC ········································································ 31 3.2 ESC(Electronic Speed Controller) - Bộ điều tốc ······················ 34 3.1 Sự khác biệt giữa Pin Lithium Ion (Li-Ion) và pin Lithium Polymer (LiPo) ················································································· 36 3.3 Từ viết tắt trị số của Motor ··············································· 39 3.4 Dung lƣợng ··································································· 39 CHƢƠNG 4: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ LỰA CHỌN LINH KIỆN 4.1 Tính toán lựa chọn Motor ···························································· 41 4.2 Tính toán lựa chọn ESC ······························································ 42 4.3 Tính toán lựa chọn Pin ······························································· 43 CHƢƠNG 5: THU THẬP KHÔNG ẢNH 5.1 Camera hành trình – Sjcam 4000 Wifi 1080p Full HD ························ 45 5.2 Kết nối điện thoại với camera thể thao SJCam SJ4000 ························ 48 VII CHƢƠNG 6: ĐỀ XUẤT HƢỚNG PHÁT TRIỀN 6.1 Sử dụng hệ thống hiện thị FPV ····················································· 53 6.2 Phƣơng thức hoạt động ············································· 53 6.3 Các thiết bị chính ····················································· 53 6.2 Định vị GPS ············································································· 54 CHƢƠNG 7: KẾT LUẬN 7.2 Đề xuất ··················································································· 59 VII DANH MỤC HÌNH Hình 1.4: Nguyên lý hoạt đông của Quadcopter ········································ 4 Hình 2.1: Frame quadcopter ······························································· 6 Hình 2.2: Bản vẽ “Thiết kế 1” ····························································· 7 Hình 2.3: Hình tổng quát frame “Thiết kế 1” ············································ 8 Hình 2.4:Kích thước mạch điện “Thiết kế 1” ············································ 8 Hình 2.5: Carbon 3K 16mm ································································ 9 Hình 2.6: Carbon 3K 16mm ································································ 9 Hình 2.7: Aluminium Clamp Spyer 260 - Kẹp ống 16mm ···························· 10 Hình 2.8: Aluminium Clamp Spyer 260 - Kẹp ống 16mm ···························· 10 Hình 2.9: Aluminium Clamp Spyer 260 - Kẹp ống 16mm ···························· 11 Hình 2.10: Thiết kế 2 ········································································ 12 Hình 2.11: Mô phỏng 3D Arm(cánh tay) – Tổng quát ································· 12 Hình 2.12: Mô phỏng 3D Arm(Cánh tay) – Mặt bên ··································· 13 Hình 2.13: Mô phỏng 3D Arm(Cánh tay) – Mặt trên ··································· 13 Hình 2.14: Kích thước Arm(cánh tay) ···················································· 13 Hình 2.15: Mô phỏng 3D Bản điện························································ 14 Hình 2.16: Thiết kế 2 ········································································ 14 Hình 2.17: Thiết kế 3 ········································································ 15 Hình 2.18: Thiết kế 3 ········································································ 16 Hình 3.1: Bộ thu – phát sóng Radiolink AT10 ·········································· 20 Hình 3.2: Mạch thu sóng RadioLink R6D II – Rx (Receiver) ························· 23 Hình 3.3: Mạch RadioLink R6D II ························································ 25 Hình 3.4: Mạch Arduino Uno V3 ························································· 26 Hình 3.5: Lập trình cho Arduino ·························································· 30 Hình 3.6: Cảm biến 3 trục Gyroscape L3G4200D ······································ 31 VIII Hình 3.7: Chổi than các loại ································································ 32 Hình 3.8: Cấu tạo Motor Brushless và Motor Brush ···································· 32 Hình 3.9: Motor Brushless Emax RS2205- 2300 Racing Edition····················· 33 Hình 3.10 : Kích thước Motor Emax RS2205 – 2300Kv Racing Edition············ 33 Hình 3.11 : Bộ điều tốc ESC Emax BLHeli ············································· 35 Hình 3.12 : Pin Li-ion ······································································· 37 Hình 3.13: Pin Lipo (Lithium polymer) ·················································· 38 Hình 5.1: Camera hành trình – Sjcam SJ 4000 Wifi ···································· 45 Hình 5.2: Độ rộng ống kính ································································ 46 Hình 5.3: Nhiều lựa chọn về độ phân giải ················································ 46 Hình 5.4: Màn hình hiển thị LCD 1.5: Kích thước SJCam Sj4000 Wifi ··············································· 48 Hình 5.6: Các phím chức năng chính của SJCam SJ4000 Wifi ······················· 48 Hình 5.7: Tải ứng dụng SJCAM Zone từ App Store(IOS) và Play Store(Android) ·················································································· 49 Hình 5.8: Kích hoạt Wifi cho SJCam SJ4000 Wifi ····································· 50 Hình 5.9: Thông số cấu hình đặt sẵn Wifi ················································ 51 Hình 5.10: Kết nối camera với điện thoại thông qua app SJCAM Zone ············· 52 Hình 6.1: Hệ thống FPV ···································································· 53 Hình 6.3: Ví dụ minh hoạ ··································································· 55 Hình 6.3: Ví dụ minh hoạ ··································································· 56 VIII DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật Thiết kế 2 ·················································· 15 Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật F450 ························································ 16 Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật RadioLink AT10 10 channel ····························· 21 Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật Receiver RX R6DII ······································· 24 Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật Arduino Uno R3 ··········································· 27 Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật Cảm biến 3 trục Gyroscape L3G4200D ················ 31 Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật : Motor Brushless Emax RS2205- 2300 Racing Edition ······················································································· 34 VIII ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS.

Nguyễn Thanh Bình CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Khái niệm về Quadcopter ? Quadcopter là tiền thân của Máy Bay Trực Thăng hiện đại với nhiều rotor bay với bốn cánh quạt. Trái ngược với trực thăng bạn thường thấy với với chỉ một bộ rotor (cánh quạt được định hướng theo chiều dọc còn quadcopter thì theo chiều ngang) Hình 1.1: Quadcopter Quadcopter thường sử dụng hai cặp cánh quạt tương đương nhau. Hai cánh thuận chiều kim đồng hồ và hai cánh ngược chiều kim đồng hồ. Sử dụng độc lập tốc độ của mỗi rotor để điều khiển.

Bằng cách thay đổi tốc độ của mỗi rotor, có thể tạo ra một lực đẩy mong muốn. Xác định vị trí trung tâm của lực đẩy cả hai bên và theo chiều dọc. Quadcopter khác với trực thăng thông thường trong việc sử dụng các cánh quạt có thể thay đổi độ cao của dao động khi chúng di chuyển quanh trục rotor. Trong những ngày đầu, quadcopter đã được xem như là giải pháp cho một số vấn đề trong việc bay thẳng đứng.

Các vấn đề kiểm soát lực xoắn có thể được loại bỏ bằng cách xoay vòng và dễ dàng bằng cách làm các cánh quạt ngắn. Một số thiết kế có người lái xuất hiện vào những năm 1920 và 1930. Những chiếc này nằm trong số Trang 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. Nguyễn Thanh Bình những chiếc cất cánh và hạ cánh thẳng đứng không thành công trong những ngày đầu tiên do độ ổn định kém và quyền kiểm soát bị giới hạn.

Vì thế, tính khả thi trong các mẫu đầu tiên bị đánh giá rất thấp và đòi hỏi mẫu thứ hai phải có quá nhiều công việc thí điểm.2: Quadrocopter Vào cuối những năm 2000, những tiến bộ về thiết bị điện tử cho phép sản xuất các bộ điều khiển từ xa giá rẻ, gia tốc (IMU), hệ thống định vị toàn cầu và máy ảnh.