Nghiên cứu ứng dụng Gamepad điều khiển từ xa và thiết kế mạch điều khiển cho mô hình máy bay 4 cánh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CƠ KHÍ
o0o


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ CƠ ĐIỆN TỬ


ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG GAMEPAD ĐIỀU KHIỂN
TỪ XA VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHO
MÔ HÌNH MÁY BAY 4 CÁNH


SVTH: ĐỖ XUÂN HOÀI
MSSV: 51130386
LỚP: 51CKCD
GVHD: Th.S VŨ THĂNG LONG



Khánh Hòa, tháng 07 năm 2013
Trang 2
MỤC LỤC
KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT 7
DANH MỤC CÁC BẢNG 13
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH MÁY BAY 4 CÁNH (QUADROTOR)
14

1.1. TỔNG QUAN VỀ MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI 15
1.2. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA MÁY BAY QUADROTOR 18
1.3. MỤC TIÊU VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 23
1.3.1. Mục tiêu 23
1.3.2. Giới hạn đề tài 23
1.4. YÊU CẦU HỆ THỐNG 24
1.4.1. Yêu cầu kết cấu cơ khí 24
1.4.2. Yêu cầu hệ thống điều khiển 24
CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 25
2.1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26
2.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 27
2.2.1. Cơ sở lý thuyết điều khiển quadrotor 27
2.2.2. Cảm biến gia tốc và cảm biến vận tốc góc 30
2.2.2.1. Con quay hồi chuyển 30
a. Giới thiệu về con quay hồi chuyển 30
b. Đặc điểm của con quay hồi chuyển 31
2.2.2.2. Cảm biến gia tốc 32
2.2.2.3. Cảm biến gia tốc và vận tốc góc trong MPU6050 32
a. Giới thiệu cảm biến MPU6050 32
b. Tính năng của cảm biến MPU6050 33
c. Chiều hướng của cảm biến 34
d. Thông tin ứng dụng của MPU6050 35
e. Sơ đồ chân cảm biến 36
f. Sơ đồ mạch để MPU6050 hoạt động 36
2.2.2.4. Xác định góc nghiêng từ cảm biến MPU6050 37
2.2.2.5. Giao tiếp với MPU6050 bằng I2C 39
2.2.2.6. Đọc dữ liệu từ cảm biến và hiển thị LCD 42
2.2.3. Hệ thống điều khiển từ xa 44
2.2.3.1. Giới thiệu chung 44
2.2.3.2. Mã hóa, giải mã giữ liệu trong truyền thông RF 46

2.2.3.3. Một số phương pháp điều chế tín hiệu xung 48
a. Điều chế và giải điều chế biên độ xung PAM (pulse amplitude modulation)
48
b. Điều chế và giải điều chế PWM/PPM 51
Trang 3
2.2.3.4. Gamepad điều khiển từ xa 55
a. Tổng quan về Gamepad 55
b. Tx (Transmitter) máy phát sóng và Rx (Receiver) máy thu sóng 57
c. Cài đặt các thông số của bộ điều khiển từ xa trước khi sử dụng 58
d. Hiển thị giá trị các kênh của bộ thu đã qua xử lý bằng LCD 62
2.2.4. Motor Brusless, Electric speed controller (ESC) và cánh quạt 65
2.2.4.1. Motor Brusless và cánh quạt 65
a. Motor Brusless 65
b. Cánh quạt 69
2.2.4.2. ESC 70
2.2.4.3. Điều khiển động cơ một chiều không chổi than 72
2.2.4.4. Pin 73
2.2.5. Thiết kế, chế tạo phần cơ khí 74
2.2.5.1. Cơ sở lý thuyết 74
2.2.5.2. Vật liệu và các dụng cụ liên quan 74
2.2.5.3. Tiến hành thiết kế, chế tạo 76
2.2.6. Thiết kế, chế tạo phần điều khiển 77
2.2.6.1. Cơ sở lý thuyết 77
a. AVR 77
b. Điện trở 77
c. Tụ điện 78
2.2.6.2. Thiết kế 79
a. Mạch thử nghiệm hiển thị các thông số của cảm biến và điêu khiển từ xa 79
b. Mạch điều khiển 80
2.2.6.3. Chế tạo 83

a. Vẽ mạch in 83
b. In mạch lên mạch đồng 83
c. Hàn linh kiện và kiểm tra mạch 83
d. Bảo vệ mạch 84
e. Lắp ráp các mạch lên khung 84
f. Sản phẩm thực tế 85
2.2.6.4. Giải thuật đo lường và điều khiển 86
a. Nhận và xử lý tín hiệu từ bộ điều khiển từ xa 86
b. Đọc tín hiệu từ cảm biến MPU6050 88
c. Giải thuật PID 89
d. Chương trình chính 90
CHƯƠNG 3 THỬ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 91
3.1. KIỂM TRA TRƯỚC KHI BAY 92
3.1.1. Kiểm tra trước khi đưa vào hoạt động 92
3.1.1.1. Kiểm tra nguồn 92
3.1.1.2. Kiểm tra bộ điều khiển từ xa 93
Trang 4
3.1.1.3. Kiểm tra cảm biến 94
3.1.1.4. Kiểm tra ESC và động cơ 94
3.1.1.5. Kiểm tra phần cơ khí 94
3.1.2. Cài đặt các thông số 94
3.2. QUÁ TRÌNH HOÀN THIỆN CÁC THIẾT KẾ CHO MÔ HÌNH QUADROTOR
…………………………………………………………………………………95
3.2.1. Thiết kế 1 95
3.2.2. Thiết kế 2 97
3.2.3. Thiết kế 3 98
3.2.4. Mô hình hoạt động của thiết kế 3 99
3.2.4.1. Thử nghiệm lần 1 99
3.2.4.2. Thử nghiệm lần 2 100
3.2.4.3. Thử nghiệm lần 3 102

3.3. BẢNG THÔNG SỐ SAU KHI CHẠY THỬ HỆ THỐNG 103
CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 104
4.1. KẾT LUẬN 105
4.1.1. Kết quả đạt được 105
4.1.2. Kết quả chưa đạt được 105
4.2. ĐỀ XUẤT 105
4.2.1. Đề xuất phần cứng 105
4.2.2. Đề xuất phần mềm 105
4.2.3. Đề xuất cả hệ thống 105
TÀI LIỆU THAM KHẢO 106
PHỤ LỤC 107
Trang 5
LỜI NÓI ĐẦU



Trong công cuộc đổi mới đất nước, với mục tiêu chiến lược Công nghiệp hóa - hiện
đại hóa, đưa nền kinh tế phát triển với tốc độ cao nhằm sánh vai cùng với các quốc gia
phát triển trên thế giới, trong đó lĩnh vực tự động hóa đóng vai trò rất quan trọng.
Ngày nay với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến, thế giới đã và đang
ngày một thay đổi văn minh và hiện đại hơn. Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo
ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như độ chính xác cao, tốc độ
nhanh, gọn nhẹ, đó cũng là những yếu tố rất cần thiết góp phần cho hoạt động của con
người đạt hiệu quả cao. Nó đang trở thành một nghành khoa học đa nhiệm vụ và chủ
chốt.
Cơ điện tử là một trong những lĩnh vực mới, đây là nghành có sự hội tụ và đúc kết
của ba chuyên nghành là cơ khí chính xác, tin học và điện tử tư duy hệ thống trong
thiết kế mà sản phẩm cuối cùng của nó là một hệ thống tự động hóa góp phần giải
phóng sức lao động của con người.
Đối với sinh viên Cơ điện tử để làm quen được với các hệ thống máy móc, công

nghệ bên ngoài thì quá trình học lý thuyết đi kèm với thực tế là hết sức cần thiết.
Với lòng đam mê, sự yêu thích và với sự mong muốn tạo ra được một sản phẩm
thay thế con người tiếp cận với những vùng nguy hiểm và độc hại, phục vụ cho con
người trong những công việc mà con người không thể đáp ứng được như quan sát núi
lửa, kiểm tra môi trường, gieo trồng, phun thuốc trừ sâu nông nghiệp em quyết định
chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng Gamepad điều khiển từ xa và thiết kế mạch
điều khiển cho mô hình máy bay 4 cánh ” làm đề tài nghiên cứu.
Nội dung để tài gồm 4 chương:
Chương I: Tổng quan máy bay 4 cánh (quadrotor).
Chương II: Nội dung nghiên cứu.
Chương III: Thử nghiệm và đánh giá kết quả.
Chương IV: Kết luận – hướng phát triển đề tài.
Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong nhà trường, các thầy cô trong khoa
Trang 6
Cơ khí đã tận tình giúp đỡ chúng em trong suốt những năm qua, thầy cô đã trang bị
cho chúng em những kiến thức quý báu để làm hành trang bước vào đời.
Em xin chân thành cảm ơn thầy ThS. Vũ Thăng Long cùng các thầy cô trong bộ
môn Cơ điện tử – Khoa Cơ khí – ĐH Nha Trang, cùng toàn thể các bạn lớp 51CKCD
đã hướng dẫn tận tình và đóng góp những ý kiến quý báu trong suốt quá trình thực
hiện đề tài để cuối cùng em đã hoàn thành đề tài trong thời gian đặt ra.
Vì kiến thức còn hạn chế nên trong quá trình thực hiện không khỏi mắc phải những
sai sót, đề tài còn nhiều hạn chế, mọi lời nhận xét, góp ý hoặc bổ sung nhằm hoàn
thiện đề tài của các thầy, các bạn là điều vô cùng quý giá đối với em. Xin chân thành
cám ơn!
Khánh Hòa, tháng 7 năm 2012
Sinh viên
ĐỖ XUÂN HOÀI

Trang 7
KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT
Viết tắt Tiếng Anh Ý nghĩa

Quadrotor Máy bay 4 động cơ
PWM Pulse Width Modulation Phương pháp điều biến
độ rộng xung
PPM Pulse Position Modulation Phương pháp điều biến vị
trí xung
ESC Electric Speed Controller Bộ điều tốc
BLDC
Brushless DC
Dộng cơ điện một chiều
không chổi than
Gyro Gyroscope Vận tốc góc
TCNTx

Thanh ghi chứa giá trị
đếm của bộ định thời x

Receiver Bộ nhận sóng
Servo Bộ chuyển đổi xung
PWM thành chuyển động
cơ học với vị trí tương
ứng độ rộng xung
Falling Cạnh xuống của tín hiệu
Rising Cạnh lên của tín hiệu
Toggle Sự thay đổi mức logic từ
0 lên 1 hoặc từ 1 xuống 0

Trang 8
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Phân loại vật thể bay 15
Hình 1.2. Máy bay trực thăng 16
Hình 1.3. Khả năng chuyển hướng của máy bay trực thăng 17
Hình 1.4. Máy bay Quadrotor 17
Hình 1.5. Khả năng chuyển hướng của máy bay Quadrotor 18
Hình 1.6. Breguet- Richet Gyroplane No 1 18
Hình 1.7. Quadrotor của Etienne Oemichen 19
Hình 1.8. Bạch tuộc bay 19
Hình 1.9. Convertawings Model A 20
Hình 1.10. Draganflyer 20
Hình 1.11. Quattrocopter 21
Hình 1.12. X4- flyer Mark II 21
Hình 1.13. STARMAC 22
Hình 1.14. Quadrotor made in SPKT 23
Hình 2.1. Sơ đồ điều khiển của Quadrotor 27
Hình 2.2. Lực đẩy và moment trên quadrotor 27
Hình 2.3. Bay lên cao hoặc hạ xuống thấp 28
Hình 2.4. Quay ngược chiều kim đồng hồ 28
Hình 2.5. Di chuyển sang trái 29
Hình 2.6. Di chuyển ra sau và tiến về trước 29
Hình 2.7. Bay ổn định tại chỗ 30
Hình 2.8. Con quay hồi chuyển 31
Hình 2.9. Cảm biến MPU6050 33
Hình 2.10. Chiều của vận tốc góc và gia tốc góc của MPU6050 34
Hình 2.11. Sơ đồ khối của MPU6050 35
Hình 2.12. Sơ đồ chân MPU6050 36
Trang 9

Hình 2.13. Sơ đồ mạch nguyên lý để MPU6050 hoạt động 36
Hình 2.14. Xác định góc nghiêng và vận tốc góc theo gia tốc và vận tốc góc 37
Hình 2.15. Xác định góc nghiêng và vận tốc góc riêng biệt theo vận tốc góc 37
Hình 2.16. Cách tính góc nghiêng từ gia tốc 38
Hình 2.17. Mô tả cách xác định góc nghiêng khi kết hợp gia tốc và vận tốc góc 38
Hình 2.18. Kết nối giữa Master và các Slave 39
Hình 2.19. Trạng thái lấy mẫu một bit dữ liệu trên SDA 39
Hình 2.20. Tín hiệu xung SCL và SDA 40
Hình 2.21. Đọc byte đơn 41
Hình 2.22. Đọc nhiều byte 41
Hình 2.23. Truyền byte đơn 41
Hình 2.24. Truyền nhiều byte 41
Hình 2.25. Cảm biến nằm trên mặt phẳng ngang và mặt phẳng đứng 42
Hình 2.26. Cảm biến nghiêng theo trục X 43
Hình 2.27. Cảm biến nghiêng theo trục Y 43
Hình 2.28. Sơ đồ truyền thông 44
Hình 2.29. Điều chế AM 47
Hình 2.30. Điều chế FM 47
Hình 2.31. Lấy mẫu tự nhiên và lấy mẫu bằng 48
Hình 2.32. Điều chế theo phương pháp lấy mẫu tự nhiên 48
Hình 2.33. Điều chế lấy mẫu bằng 49
Hình 2.34. Lấy mẫu bằng 49
Hình 2.35. Quá trình khôi phục lại tín hiệu tương tự 50
Hình 2.36. Sơ đồ giải điều chế tín hiệu PAM 51
Hình 2.37. Tín hiệu PAM/PWM/PPM 52
Hình 2.38. Sơ đồ khối bộ điều chế PWM 52
Hình 2.39. Các dạng sóng của bộ điều chế PWM/PPM 53
Trang 10
Hình 2.40. Sơ đồ khối bộ điều chế PPM 53
Hình 2.41. Bộ giải điều chế PWM 54

Hình 2.42. Bộ giải điều chế PPM 54
Hình 2.43. Các dạng xung tín hiệu 55
Hình 2.44. Bộ điều khiển từ xa 56
Hình 2.45. Rx (bộ thu tín hiệu) 56
Hình 2.46. Đầu ra của máy thu sóng 56
Hình 2.47. Giao diện chương trình T6config 59
Hình 2.48. Chọn comport 59
Hình 2.49. Thiết lập độ rộng của các kênh 59
Hình 2.50. Chỉnh các cần gạt tinh chỉnh của các kênh 60
Hình 2.51. Chọn vị trí của các kênh 60
Hình 2.52. Chọn mô hình máy bay 61
Hình 2.53. Thiết lập đồ thị kênh ga 61
Hình 2.54. Chỉnh công tắc đóng mở các kênh 61
Hình 2.55. Giá trị của kênh CH1 khi ở vị trí giữa 62
Hình 2.56. Kênh CH1 ở vị trí bên trái 62
Hình 2.57. Kênh CH1 ở vị trí bên phải 63
Hình 2.58. Kênh CH2 ở vị trí giữa 63
Hình 2.59. Kênh CH2 ở vị trí phía trước 63
Hình 2.60. Kênh CH2 ở vị trí phía dưới 64
Hình 2.61. Kênh CH3 ở vị trí thấp nhất 64
Hình 2.62. Kênh CH3 ở vị trí cao nhất 64
Hình 2.63. Động cơ BLDC inrunner 66
Hình 2.64. Động cơ BLDC outrunner 66
Hình 2.65. Tín hiệu PWM điều khiển đưa vào ESC 66
Hình 2.66. Các dạng sức điện động của động cơ một chiều không chổi thang 67
Trang 11
Hình 2.67. Mô hình động cơ một chiều không chổi than 68
Hình 2.68. Motor Brusless 68
Hình 2.69. Cánh Quạt 69
Hình 2.70. ESC Mystery cloud 40A 71

Hình 2.71. Sơ đồ nguyên lý ESC Mystery cloud 40A 71
Hình 2.72. Quá trình kích đóng 6 bước 73
Hình 2.73. Pin lipo 2.2Ah dòng xả 35C tương đương 77A 74
Hình 2.74. Kết nối 2 thanh nhôm theo hình dấu cộng 76
Hình 2.75. Lắp động cơ, cánh quạt và chân lên khung 76
Hình 2.76. Tổng quát hệ thống cơ khí 76
Hình 2.77. Điện trở ngoài thực tế 77
Hình 2.78. Kí hiệu điện trở 77
Hình 2.79. Tụ điện ngoài thực tế 78
Hình 2.80. Mạch thử nghiệm 79
Hình 2.81. Mạch Layout của mạch thử nghiệm 79
Hình 2.82. Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển atmega128 80
Hình 2.83. Sơ đồ mạch in khối vi điều khiển atmega128 81
Hình 2.84. Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị LCD 81
Hình 2.85. Sơ đồ mạch in khối hiển thị LCD 82
Hình 2.86. Sơ đồ nguyên lý các chân nối cảm biến 82
Hình 2.87. Mạch in trên Layout 83
Hình 2.88. Hàn linh kiện vào mạch 83
Hình 2.89. Kiểm tra mạch 84
Hình 2.90. Lắp mạch lên khung 84
Hình 2.91. Mạch vi điều khiển 85
Hình 2.92. Chân máy bay quadrotor 85
Hình 2.93. Động cơ được lắp lên khung 85
Trang 12
Hình 2.94. Hệ thống mô hình 86
Hình 2.95. Sơ đồ tổng quát 86
Hình 2.96. Tín hiệu PWM 87
Hình 2.97. Lưu đồ trình phục vụ ngắt thay đổi trạng thái tại 1 kênh bất kỳ 87
Hình 2.98. Lưu đồ đọc số liệu từ cảm biến MPU6050 88
Hình 2.99. Lưu đồ giải tuật PID 89

Hình 2.100. Lưu đồ chương trình chính 90
Hình 3.1. Kiểm tra Pin 92
Hình 3.2. Pin trên bộ điều khiển từ xa 93
Hình 3.3. Kiểm tra bộ điều khiển từ xa và bộ thu 93
Hình 3.4. Đặt kênh ga CH3 và cần gạt tinh chỉnh kênh CH3 94
Hình 3.5. Đặt cần gạt tinh chỉnh kênh CH1, CH2 95
Hình 3.6. Thiết kế 1 95
Hình 3.7. Chân quadrotr bị cong 96
Hình 3.8. Thiết kế 2 97
Hình 3.9. Thiết kế 3 98
Hình 3.10. Thử nghiệm lần 1 99
Hình 3.11. Thu hẹp khoảng cách giữa các cặp động cơ 100
Hình 3.12. Quadrotor chao đảo 100
Hình 3.13. Quadrotor lật úp 101
Hình 3.14. Hạ thấp mặt phẳng lắp pin so với mặt phẳng chứa 4 động cơ 101
Hình 3.15. Quadrotor chao đảo trên không 102



Trang 13

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Sự khác nhau của thông số cánh 69
Bảng 2.2. bảng trị số điện trở 78
Bảng 3.1. Ưu nhược điểm của thiết kế 1 96
Bảng 3.2. Ưu, nhược điểm của thiết kế 2 97
Bảng 3.3. Ưu, điểm và nhược điểm của thiết kế 3 98
Bảng 3.4. Thông số khi bay mô hình quadrotor được điều khiển theo góc 103
Bảng 3.5. Thông số khi bay mô hình quadrotor được điều khiển theo vận tốc góc 103
Trang 14

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH
MÁY BAY 4 CÁNH
(QUADROTOR)
Trang 15
1.1. TỔNG QUAN VỀ MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI
Lĩnh vực điều khiển từ xa bằng sóng radio là lĩnh vực phụ trợ đang phát triển
nhanh trên toàn thế giới, tuy nhiên ở Việt Nam ứng dụng chính vẫn là phục vụ nhu
cầu giải trí, ít quan tâm đến nhu cầu ứng dụng vào thực tiễn xã hội. Các hệ thống
điều khiển từ xa ở các nước phát triển đã vượt tầm giải trí và phát triển mạnh mẻ. Do
đó nhu cầu nghiên cứu ứng dụng lĩnh vực này là cần thiết và kết quả có thể triển khai
vào nhiều lĩnh vực khác có liên quan.
Máy bay không người lái là một trong những lĩnh vực ứng dụng điều khiển từ xa
và mang lại nhiều lợi ích cho con người.
Người ta có thể phân loại vật thể bay ra thành các loại như sau:

Hình 1.1. Phân loại vật thể bay
Theo từ điển chuyên ngành trong lĩnh vực quân sự, máy bay không người lái
UAV (Unmanned Arial Vehicle) là một phương tiện hàng không có gắn động cơ
nhưng không mang người lái, sử dụng các lực khí động học để di chuyển, có thể bay
thông qua bộ điều khiển từ xa, có thể mang vũ khí chiến đấu hoặc các thiết bị điện tử
khác.
Máy bay
trực thăng
Quadrotor
Bóng bay
Không gắn
động cơ
Có gắn
động cơ
Không gắn
động cơ
Có gắn
động cơ
Máy bay
cánh quạt
Mô phỏng
loài chim
Máy bay
cánh bằng
Tàu
lượn

Vật thể bay
Nhẹ hơn
không khí
Nặng hơn
không khí
Trang 16
Các UAV được biết đến bởi khả năng thực hiện các nhiệm vụ liên quan đến các
thiết bị quân sự. Sau khi chiến tranh lạnh kết thúc, hàng loạt các nước như Mỹ, Tây
Âu, Úc, Israel, Trung Quốc, Nga đã đầu tư hàng triệu đô-la cho các công trình
nghiên cứu và phát triển UAV. Các loại UAV phục vụ cho các nhiệm vụ quân sự
khác nhau được thiết kế và đưa vào thực tế. Ngoài các thiết kế dành cho quân sự, các
ứng dụng cho các lĩnh vực khác cũng được quan tâm như quan sát núi lửa, điều tra
môi trường, bảo dư
ỡng thiết bị, gieo trồng, phun thuốc trừ sâu trong nông nghiệp.
Ngày nay, một số lượng lớn UAV được phát triển dựa trên các nhiệm vụ yêu cầu.
Thông qua số lượng các UAV đang được sử dụng cho thấy không thể phủ nhận khả
năng của các phương tiên bay lên thẳng bởi tính tiện dụng và linh hoạt trong phạm vi
hoạt động hẹp. Phương tiện bay lên thẳng có thể bay trong các khu vực thấp hơn so
với mặt nước biển, có thể lượn và cung cấp chi tiết các thông tin về khu vực đó
thông qua các trạm điều khiển.
Các cấu hình khác nhau của phương tiện bay lên thẳng như các loại máy bay trực
thăng, quạt ống, cánh thẳng, quadrotor đều đã được phát triển từ lâu. Mỗi loại cấu
hình nêu trên đều có những ưu-nhược điểm nhất định.
Lấy ví dụ như máy bay trực thăng:

Hình 1.2. Máy bay trực thăng
Thứ nhất, máy bay trực thăng có thể bay ổn định và tốc độ cao mặc dù kích thước
của nó cực kỳ nhỏ gọn, chỉ nhỉnh hơn kích cỡ của một chiếc xe hơi. Thứ hai, không
những biết bay mà nó còn có thể bay cực kỳ siêu đẳng mà nhiều loại máy bay thông
thường khác không làm được, ví dụ như bay lùi, bay ngang, quay đầu 360

o
tại chỗ và
đứng yên trên không.
Trang 17

Chính khả năng bay theo mọi hướng, mọi góc độ như thế mà cho đến nay, người
ta luôn xem trực thăng là chiếc máy bay có độ linh hoạt cao trong các loại máy bay
và do đó, trực thăng cũng có cách điều khiển phức tạp nhất.

Hình 1.3. Khả năng chuyển hướng của máy bay trực thăng
Máy bay 4 động cơ (quadrotor) là loại máy bay cất và hạ cánh thẳng đứng
(VTOL – Vertical Take Off and Landing) hoạt động nhờ 4 động cơ đẩy sử dụng
cánh quạt, trong đó 4 động cơ được đặt cố định và đối xứng xung quanh bộ khung.

Hình 1.4. Máy bay quadrotor
Thiết kế này đơn giản hơn so với các loại máy bay lên thẳng khác do không có
bộ phận chuyển động nào khác ngoài các rotor chính. Có 1 cặp cánh quạt quay thuận
chiều kim đồng hồ và 1 cặp quay ngược chiều kim đồng hồ, các motor thuận và
nghịch đặt xen kẽ nhằm tạo khả năng triệt tiêu moment xoắn của nhau.
- Tiến, lùi.
- Quẹo trái, phải.
- Bay ngang sang trái, phải.
- Tăng, giảm độ cao.
- Quay 360 tại chổ.
- Đứng yên một chổ trên
không.
Trang 18
Với việc điều khiển sự thay đổi tốc độ 4 động cơ, quadrotor có khả năng bay
theo mọi hướng (lên, xuống, tới, lui, sang trái, sang phải, quay trái, quay phải ).

Hình 1.5. Khả năng chuyển hướng của máy bay quadrotor
Quadrotor ngoài khả năng bay theo mọi hướng, mọi góc độ như máy bay trực
thăng, nó còn có thể bay gần các chướng ngại vật hơn so với các máy bay trực thăng
cánh đơn, mà không xảy ra sự va chạm cho cánh quạt.
1.2. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA MÁY BAY QUADROTOR
Chiếc quadrotor đầu tiên trên thế giới ra đời năm 1907 do 2 anh em nhà khoa học
người Pháp Charles Richet và Charlaes Breguet chế tạo. Nó được mang tên là
“Breguet – Richet Gyroplane No 1”.

Hình 1.6. Breguet- Richet Gyroplane No 1
Yêu cầu được đưa ra là nó có khả năng cất cánh khỏi mặt đất với 1 phi công. Một
động cơ 8 xi-lanh được sử dụng để quay 4 cánh quạt. Mỗi cánh quạt có 4 bản cánh.
Hệ thống dây đai và pu-li được gắn lên nhằm truyền động từ động cơ cho các cánh.
Trang 19
Bộ khung của chiếc quadrotor này làm từ các ống thép. Lần bay thử nghiệm đầu tiên
diễn ra tại Douai-Pháp vào năm 1907. Nó đã có thể nâng cao khỏi mặt đất 1,5 m.
Đến năm 1920, Etienne Oemichen, đã chế tạo một chiếc quadrotor với 8 cánh
quạt linh hoạt nhằm điều khiển và tạo lực đẩy. Ban đầu, nó được gắn thêm một khí
cầu để nâng và giữ ổn định cho cỗ máy này. Năm 1924, Oemichen đã thành công khi
cho chiếc quadrotor bay mà không cần sự trợ giúp của khí cầu.

Hình 1.7. Quadrotor của Etienne Oemichen
Trong năm 1922, Georges de Bothezat và Ivan Jerome thành công khi thiết kế
chiếc quadrotor khổng lồ phục vụ cho quân đội Mỹ. Cỗ máy này đã được điều khiển
bằng cách thay đổi đơn lẻ hoặc cùng lúc các góc xoắn của cánh quạt.

Hình 1.8. Bạch tuộc bay
Ngoài ra nó còn được gắn thêm 4 cánh quạt loại nhỏ để trợ giúp điều khiển.
Chiếc quadrotor này được đặt tên là “Bạch tuộc bay”. Nhưng dự án này bị hủy bỏ
ngay lập tức vì khả năng bay thấp, giá thành cao.

Trang 20
Đến năm 1956, Convertawings lần nữa làm sống lại thiết kế trực thăng 4 cánh
quạt và đã được thử nghiệm năm 1922 bởi Oemichen tại Pháp và G. de Bothezat tại
Mỹ. Bốn cánh quạt của chiếc trực thăng này được gắn kết theo từng cặp trên 2 thanh
nối song song.

Hình 1.9. Convertawings Model A
Cơ chế kiểm soát vô cùng đơn giản bằng cách thay đổi lực đẩy giữa các cánh
quạt, năng lượng được cung cấp bởi hai động cơ, truyền động tới hệ thống cánh quạt
bằng dây đai chử V. Máy bay có ba bánh đáp, hai bánh sau và một bánh trước có thể
xoay được. Chuyến bay được thực hiện thành công vào tháng 3 năm 1959 tại Mỹ.
Tuy nhiên, dự án này đã sớm bị chấm dứt do không nhận được đơn đặt hàng.

Hình 1.10. Draganflyer
Chiếc Draganflyer của hãng sáng chế Draganfly, là một trong những chiếc
quadrotor thương mại điều khiển bằng sóng radio rất nổi tiếng. Nó được trang bị một
bảng mạch điều khiển vị trí. Draganflyer có thể rất dễ dàng bay hơn so với một chiếc
trực thăng thông thường, khung của nó làm bằng ống sợi các-bon có trọng lượng nhẹ
nhưng đủ bền. Draganflyer sử dụng 3 cảm biến góc Gyro để giữ thăng bằng. Ngày
Trang 21
nay, rất nhiều nhà nghiên cứu sử dụng Draganflyer như một phương tiện cơ bản phục
vụ cho các công việc nghiên cứu.
Chiếc Quattrocopter cũng là một trong những chiếc quadrotor siêu nhỏ đáng
được quan tâm của cơ quan hàng không vũ trụ châu Âu. Nó có trọng lượng khá nhỏ
(0.5kg), có khả năng mang một camera và các cảm biến khác.

Hình 1.11. Quattrocopter
Quattrocopter là chiếc quadrotor thương mại duy nhất được thiết kế cho hệ thống
công nghiệp và các ứng dụng quốc phòng. Một bảng mạch điều khiển có tên hệ
thông tự lái hàng không siêu nhỏ, bao gồm 6 cảm biến, hệ thống định vị GPS, cảm

biến dữ liệu áp suất không khí và một vi điều khiển.

Hình 1.12. X4- flyer Mark II
Chiếc X4 flyer Mark II được thiết kế và chế tạo tại Đại học Quốc gia Úc nhằm
giúp sinh viên tìm hiểu các vấn đề về lực đẩy và sự cân bằng. Nó được thiết kế như
một ứng dụng trong nhà.
Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Stanford với hệ thống kiểm tra tĩnh cho quá
trình điều khiển đa trạm (STARMAC), đã sử dụng quadrotor như một thiết bị cơ bản
Trang 22
để nghiên cứu thuật toán điều khiển đa trạm nhằm loại bỏ các yếu tố vật lí không có
ích. Một hệ thống điều khiển PID đã được phát triển cho quá trình điều khiển vị trí
bằng vòng lặp. Các thiết bị giao tiếp và điều khiển động cơ hoạt động qua 2 vi điều
khiển PIC. Mạch cảm biến bao gồm một khối IMU có chức năng đưa ra 9 trạng thái
của hệ thống (nghiêng, lật, xoay, 3 vận tốc góc và gia tốc góc theo 3 trục XYZ), một
bộ thu tín hiệu định vị toàn cầu GPS và một cảm biến siêu âm.

Hình 1.13. STARMAC
Thuật toán lọc Kalman được đưa vào nhằm phối hợp tín hiệu từ các cảm biến.
Ngoài ra nó còn được trang bị bộ thu phát không dây Bluetooth cho quá trình trao
đổi thông tin giữa quadrotor và trạm mặt đất. Trạm mặt đất bao gồm một máy tính
xách tay chạy chương trình Labview nhằm kết nối trực tiếp quadrotor với hệ thống 4
máy tính có nhiệm vụ phân tích và đưa ra hướng bay cho mỗi chiếc quadrotor.
Scott D. Hanford đã cố gắng chế tạo một hệ thống kiểm tra trạng thái tĩnh giá rẻ
cho quadrotor. Hệ thống bao gồm các gyro tương tự, một accelerometer và vi điều
khiển PIC. Một bộ điều khiển tỷ lệ tích phân được thiết kế cho quá trình điều khiển
trạng thái ổn định.
Và đặc biệt, J. Dunfied đã xây dựng bộ điều khiển trí tuệ nhân tạo. Quá trình
nghiên cứu bao gồm dữ liệu dạy tổng quát khi bay cho quadrotor, cập nhật dữ liệu
cho hệ thống bằng Matlab trên máy tính. Bộ điều khiển trí tuệ nhân tạo sử dụng vi
điều khiển Motorola MC68HC912DG128 và thiết lập cấu trúc điều khiển trong vi

điều khiển. Hai cảm biến nghiêng, một la bàn và 3 gyro được sử dụng để cung cấp
dữ liệu dạy và phản hồi cho bộ điều khiển. J. Dunfied còn chỉ ra những vấn đề tiềm
ẩn trong quá trình tạo ra dữ liệu dạy có giá trị, tốc độ xử lí của vi điều khiển và tốc
Trang 23
độ trao đổi dữ liêu như giới hạn của dải lấy mẫu từ cảm biến và các tín hiệu điều
khiển.
Tại Việt Nam, mô hình máy bay quadrotor cũng được giới trẻ quan tâm và nghiên
cứu nhưng rất ít tài liệu thông kê cụ thể.
Vào năm 2011 nhóm sinh viên trường Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh đã chế
tạo loại máy bay có tên “ Quadrotor made in SPKT “

Hình 1.14. Quadrotor made in SPKT
1.3. MỤC TIÊU VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI
1.3.1. Mục tiêu
- Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển và hệ thống chấp hành cho mô hình máy bay
quadrotor.
- Tập trung vào bài toán điều khiển cân bằng thông qua việc điều khiển sự thay đổi
tốc độ 4 động cơ.
1.3.2. Giới hạn đề tài
- Nghiên cứu loại quadrotor 4 cánh quạt công suất nhỏ sử dụng động cơ không chổi
than.
- Sử dụng các cảm biến gia tốc, vận tốc góc và điều khiển từ xa để điều khiển
quadrotor.
Trang 24
- Thời gian bay trong khoảng 2 - 5 phút.
- Cho phép hoạt động trong phòng thí nghiệm và ngoài trời trong điều kiện không có
gió.
- Điều khiển từ xa trong bán kính 50m.
- Lực nâng tối đa của máy bay là 1,5kg.
1.4. YÊU CẦU HỆ THỐNG

1.4.1. Yêu cầu kết cấu cơ khí
- Hệ thống cơ khí đóng vai trò vô cùng quan trọng trong việc làm tăng khả năng hoạt
động ổn định của máy bay, đặc biệt là đối với các loại máy bay quadrotor yêu cầu
cơ bản nhất cho phần hệ thống cơ khí là độ cứng vững, cân đối và trọng tâm nằm
chính giữa thân quadrotor.
- Khối lượng của hệ thống cơ khí không được vượt quá 1,5kg.
- Hệ thống cơ khí phải là một khối liền.
1.4.2. Yêu cầu hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển phải đáp ứng nhanh do đó đòi hỏi vi điều khiển hoạt động
mạnh mẻ, có tốc độ xử lý nhanh, có khả năng ghép nối với nhiều thiết bị như RF,
cảm biến vận tốc góc và gia tốc, và có thể tích hợp thêm các thiết bị khác.
Do có độ rung lớn trong quá trình bay nên quadrotor đòi hỏi một hệ thống điều
khiển vị trí ổn định.
Trang 25










CHƯƠNG 2
PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG
NGHIÊN CỨU