Nghiên cứu ứng dụng cảm biến góc và thiết kế hệ thống chấp hành 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

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CẢM BIẾN GÓC VÀ
THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHẤP HÀNH CHO
MÔ HÌNH MÁY BAY 4 CÁNH

SVTH: NGUYỄN NHƯ CHIẾN
MSSV: 51130128
LỚP:

51CKCD

GVHD: Th.S VŨ THĂNG LONG

Khánh Hòa, tháng 07 năm 2013


Ket-noi.com kho tai MỤC
lieu
mien phi
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 2


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 3


Ket-noi.com
kho tai lieu mien phi

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 4

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 cảm biến góc và thiết kế hệ thống chấp hành
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 5


Ket-noi.com
kho tai lieu mien phi
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
NGUYỄN NHƯ CHIẾN

Trang 6


KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT
Viết tắt

PWM

Tiếng Anh

Ý nghĩa

Quadrotor

Máy bay 4 động cơ

Pulse Width Modulation

Phương pháp điều biến
độ rộng xung

PPM

Pulse Position Modulation

Phương pháp điều biến vị
trí xung

ESC
BLDC

Electric Speed Controller
Brushless DC

Bộ điều tốc
Dộng cơ điện một chiều
không chổi than

Gyro

Gyroscope

TCNTx

Vận tốc góc
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 7


Ket-noi.com kho DANH
tai MỤC
lieu
mien phi
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 8


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 9


Ket-noi.com
kho tai lieu mien phi
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 10


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 11


Ket-noi.com
kho tai lieu mien phi
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 12


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 13


Ket-noi.com kho tai lieu mien phi

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH
MÁY BAY 4 CÁNH
(QUADROTOR)

Trang 14


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:
Vật thể bay

Nhẹ hơn
không khí

Nặng hơn
không khí

Không gắn
động cơ

Có gắn
động cơ

Bóng bay

Máy bay
cánh quạt

Máy bay
trực thăng

Có gắn
động cơ

Mô phỏng
loài chim

Không gắn
động cơ

Máy bay
cánh bằng

Tàu
lượn

Quadrotor

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.
Trang 15


Ket-noi.com
kho tai lieu mien phi
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 dưỡng 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 360o tại chỗ và
đứng yên trên không.
Trang 16


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.

- Tiến, lùi.
- Quẹo trái, phải.
- Bay ngang sang trái, phải.
- Tăng, giảm độ cao.
- Quay 360 tại chổ.
- Đứng yên một chổ trên
không.

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.
Trang 17

Ket-noi.com
kho tai lieu mien phi
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 18


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 19


Ket-noi.com
kho tai lieu mien phi
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 20


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 21


Ket-noi.com
kho tai lieu mien phi

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 22


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 23


Ket-noi.com
kho tai lieu mien phi
- 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 24


CHƯƠNG 2

PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG
NGHIÊN CỨU

Trang 25