LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VẬN TỐC VÀ VỊ TRÍ CHO QUADCOPTER SỬ DỤNG CẢM BIẾN OPTICAL FLOW

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MƠN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

NGUYỄN ĐÌNH THƠNG

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VẬN TỐC VÀ VỊ TRÍ CHO
QUADCOPTER SỬ DỤNG CẢM BIẾN OPTICAL FLOW

KỸ SƯ NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA


Note:
Some pages (forewords, thesis overview,...) was removed from the original
version, the main content is kept the same.


MỤC LỤC
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HỒ CHÍ MINH ........................................................... 1
MỤC LỤC ............................................................................................................................................... 3
DANH MỤC HÌNH VẼ ....................................................................................................................... 7
DANH MỤC BẢNG .......................................................................................................................... 10
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................................................... 11
TÓM TẮT LUẬN VĂN ....................................................................................................................... 1
MỞ ĐẦU ................................................................................................................................................. 2
Chương 1. Giới thiệu .....................................................................................................................4
1.1. Giới thiệu chung về UAV và quadcopter ................................................................4
1.2. Tình hình nghiên cứu về UAV .....................................................................................5

1.3. Mục tiêu và nội dung của luận văn ...........................................................................8
1.3.1.

Lý do chọn đề tài ..................................................................................................8

1.3.2.

Tính thiết thực của đề tài luận văn ..............................................................9

1.3.2.1. Bộ điều khiển .................................................................................................... 9
1.3.2.2. Điều khiển quadcopter bằng Optical Flow ..........................................9
1.3.3.

Mục tiêu và nội dung ....................................................................................... 10

Chương 2. Hệ thống cảm biến và phần cứng................................................................... 11
2.1. Sơ đồ kết nối của hệ thống ........................................................................................ 11
2.2. Phần cứng ......................................................................................................................... 12
2.2.1.

Pin Lipo ................................................................................................................. 12

2.2.2.

Động cơ BLDC ..................................................................................................... 14

2.2.3.

Bộ điều khiển ESC ............................................................................................. 15

2.2.4.

Cánh quạt.............................................................................................................. 15

2.2.5.

Tay cầm DEVO7 ................................................................................................. 16

2.2.6.

Đọc tín hiệu PPM ............................................................................................... 17

2.2.7.

Khung quadcopter ............................................................................................ 18

2.3. Hệ thống cảm biến ........................................................................................................ 19
2.3.1.

Cảm biến vận tốc góc và gia tốc MPU6050. ........................................... 19

2.3.2.

Cảm biến từ trường HMC5883 ................................................................... 21

2.3.3.

Cảm biến độ cao dùng sóng siêu âm HC-SR04 ..................................... 21

2.3.4.

Cảm biến Optical Flow PX4FLOW ............................................................. 22

2.3.4.1. Giới thiệu và thông số kỹ thuật của PX4FLOW ............................... 22
2.3.4.2. Calib cảm biến của px4flow ..................................................................... 25
2.3.4.3. Giải thuật xử lý giữ liệu của px4flow ................................................... 25
2.4. Mạch Altium..................................................................................................................... 27
2.4.1.

Sơ đồ mạch Schematics .................................................................................. 28

2.4.2.

Sơ đồ mạch PCB ................................................................................................. 29

Chương 3. Cơ sở lý thuyết ....................................................................................................... 32
3.1. Lập trình vi điều khiển ARM .................................................................................... 32
3.1.1.

Bo mạch STM32F407 Discovery vi điều khiển 32 bits ARM Cortex

M4

33

3.1.2.

Lập trình trên vi điều khiển ARM Cortex M4 ....................................... 34

3.1.2.1. Thư viện lập trình ........................................................................................ 34
3.1.2.2. Hệ thống ngắt trên vi điều khiển ARM Cortex M4 ......................... 35
3.1.2.3. Giao tiếp I2C ................................................................................................... 39
3.2. Đơn vị ước lượng trạng thái ..................................................................................... 41


3.2.1.

Quy ước hệ trục tọa độ ................................................................................... 42

3.2.2.

Quaternion ........................................................................................................... 43

3.2.2.1. Đại số về quaternion ................................................................................... 44
3.2.2.2. Phương trình động học dưới dạng quaternion............................... 47
3.2.3.

Giải thuật Mahony Filter ................................................................................ 48

3.2.4.

Bộ lọc thông thấp .............................................................................................. 51

3.2.4.1. Giải thuật bộ lọc bù ...................................................................................... 52
3.2.4.2. Giải thuật bộ lọc trung bình ( moving averaging filter ) ............. 52
3.3. Xây dựng phương trình tốn và động lực học. ................................................. 54
3.3.1.

Mơ hình động cơ và cánh quạt. ................................................................... 54

3.3.1.1. Hệ thống động cơ, cánh quạt và ESC. .................................................. 54
3.3.1.2. Mối liên hệ giữa tốc độ động cơ và xung PWM. .............................. 55
3.3.1.3. Mối liên hệ giữa tốc độ động cơ và lực tạo ra. ................................. 55
3.3.1.4. Mối liên hệ giữa tốc độ động cơ và điện áp cấp cho động cơ.... 56
3.3.2.

Phương tình động lực học của quadcopter. .......................................... 56

3.3.3.

Phương trình động lực học vật rắn........................................................... 58

3.3.4.

Phương trình tuyến tính hóa quanh điểm làm việc .......................... 60

Chương 4. Thiết kế bộ điều khiển ........................................................................................ 60
4.1. Lý thuyết bộ điều khiển PID ..................................................................................... 60
4.1.1.

Bộ điều khiển PID tổng quát ........................................................................ 60

4.1.2.

Bộ điều khiển cascade PID ............................................................................ 61

4.2. Áp dụng bộ điều khiển cho hệ thống quadcopter ........................................... 62
4.2.1.

Bộ điều khiển góc roll pitch yaw ................................................................ 62

4.2.1.1. Bộ điều khiển góc roll, pitch, yaw ......................................................... 62


4.2.1.2. Áp dụng thuật toán điều khiển roll, pitch, yaw ............................... 62
4.2.2.

Bộ điều khiển độ cao ....................................................................................... 65

4.2.2.1. Chế độ tự động cất cánh và xác định thrust hover. ....................... 65
4.2.2.2. Thiết kế bộ điều khiển giữ độ cao ......................................................... 65
4.2.3.

Bộ điều khiển vận tốc và vị trí bằng Optical Flow .............................. 67

4.2.3.1. Chuyển đổi vị trí giữa Reference Frame và Body Frame............ 67
4.2.3.2. Bộ điều khiển vận tốc ................................................................................. 70
4.2.3.3. Bộ điều khiển giữ vị trí .............................................................................. 72
Chương 5. Kết quả của hệ thống và hướng phát triển đề tài ................................... 73
5.1. Kết quả và chất lượng của hệ thống ...................................................................... 73
5.1.1.

Hệ thống quadcopter được xây dựng ...................................................... 73

5.1.2.

Kết quả cân bằng roll pitch yaw ................................................................. 75

5.1.3.

Kết quả giữ độ cao ............................................................................................ 77

5.1.4.

Kết quả giữ vận tốc và vị trí dùng Optical Flow .................................. 77

5.2. Hướng phát triển của đề tài. ..................................................................................... 79
5.2.1.

Sử dụng RTOS ..................................................................................................... 80

5.2.2.

Áp dụng bộ lọc Extended Kalman Filter và GPS .................................. 80

5.2.3.

Tích hợp máy tính nhúng .............................................................................. 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................................. 82


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hı̀nh 1.1.1 Máy bay phản lực chiến đấu Sukhoi Su-57 ..................................................... 4
Hı̀nh 1.1.2 Quadcopter sử dụng mạch bay DJI Naza ..........................................................5
Hı̀nh 1.2.1 Mạch điều khiển Pixhawk 4, đều có thể sử dụng firmware của
Ardupilot hoặc PX4 .......................................................................................................................... 6
Hı̀nh 1.2.2 Ứng dụng Drone để phục vụ cho nông nghiệp của khoa Kỹ thuật
hàng không Đại học bách khoa TP HCM ................................................................................. 7

Hı̀nh 1.2.3 Drone quay phim và chụp hình DJI Phantom ................................................ 7
Hı̀nh 1.2.4 Luận văn hệ thống định vị trong nhà với độ chính xác 2cm của sinh
viên Bách Khoa HCM ....................................................................................................................... 8
Hı̀nh 1.3.1 Hệ thống quadcopter có tích hợp GPS ..............................................................9
Hı̀nh 2.1.1 Thành phần phần cứng đầy đủ của hệ thống .............................................. 11
Hı̀nh 2.1.2 Sơ đồ kết nối và giao tiếp các thành phần chính của quadcopter...... 12
Hı̀nh 2.2.1 Pin Phantom LiPo .................................................................................................... 13
Hı̀nh 2.2.2 Đồ thị điện áp và thời gian thể hiện đặc tuyến xả của pin LiPo 6C ... 14
Hı̀nh 2.2.3 Động cơ BLDC ........................................................................................................... 14
Hı̀nh 2.2.4 Bộ điều khiển ESC cho động cơ BLDC ............................................................ 15
Hı̀nh 2.2.5 Cánh quạt cho quadcopter .................................................................................. 16
Hı̀nh 2.2.6 Bộ điều khiển DEVO 7 ........................................................................................... 16
Hı̀nh 2.2.7 Bộ chuyển đổi cho RX DEVO7 PWM to PPM ............................................... 17
Hı̀nh 2.2.8 Sơ đồ tín hiệu xung PPM ...................................................................................... 18
Hı̀nh 2.2.9 Khung quadcopter S500 Carbon Fiber Arms .............................................. 19
Hı̀nh 2.3.1 Cảm biến MPU6050 ................................................................................................ 20
Hı̀nh 2.3.2 Cảm biến từ trường HMC5883 .......................................................................... 21
Hı̀nh 2.3.3 Giãn đồ đọc khoảng cách từ cảm biến sóng siêu âm HC-SR04 ............ 22
Hı̀nh 2.3.4 Cảm biến px4flow.................................................................................................... 23
Hı̀nh 2.3.5 Damping foam cho px4flow ................................................................................ 23
Hı̀nh 2.3.6 Đồ thị kết quả calib px4flow trên trục y........................................................ 25


Hı̀nh 2.3.7 Hình mình hoạ sự thay đổi góc roll, pitch ảnh hưởng lên flow nhận
được ..................................................................................................................................................... 26
Hı̀nh 2.3.8 Sự ảnh hưởng của độ cao tới độ dịch chuyển thực tế ............................. 27
Hı̀nh 2.4.1 Mạch Schematics ..................................................................................................... 28
Hı̀nh 2.4.2 PCB lớp bottom ........................................................................................................ 29
Hı̀nh 2.4.3 PCB lớp top................................................................................................................. 30
Hı̀nh 2.4.4 Cả hai lớp .................................................................................................................... 31

Hı̀nh 2.4.5 Lớp bottom mạch PCB đã gia công thực tế .................................................. 32
Hı̀nh 3.1.1 Mạch phát triển STM32F4 Discovery ............................................................. 33
Hı̀nh 3.1.2 Mơ hình của hệ thống firmware dùng thư viện CMSIS trên nền vi
điều khiển ARM-Cortex M4 ....................................................................................................... 34
Hı̀nh 3.1.3 Các thư viện hỗ trợ lập trình chip STM32 và mức trừu tượng tương
ứng........................................................................................................................................................ 35
Hı̀nh 3.1.4 Sơ đồ khối NVIC minh họa ngắt GPIO trên vi điều khiểm ARM Cortex
M4 ......................................................................................................................................................... 36
Hı̀nh 3.1.5 Một phần của bảng vector ngắt chip STM32F407VG .............................. 37
Hı̀nh 3.1.6 Chế độ chọn nhóm ngắt NVIC ............................................................................ 38
Hı̀nh 3.1.7 Mơ hình kết nối phần cứng giao tiếp I2C ...................................................... 39
Hı̀nh 3.1.8 Giãn đồ đọc dữ liệu px4flow dùng I2C ........................................................... 40
Hı̀nh 3.2.1 Quy ước hệ tọa độ BF và EF ................................................................................ 42
Hı̀nh 3.2.2 Quy ước chiều và góc xoay .................................................................................. 43
Hı̀nh 3.2.3 Minh họa phép xoay dùng đại số quaternion ............................................. 46
Hı̀nh 3.2.4 Lưu đồ giải thuật Mahony Filter ....................................................................... 49
Hı̀nh 3.2.5 Đồ thị đáp ứng miền tần số của bộ lọc thông thấp ................................... 51
Hı̀nh 3.3.1 Hệ thống điều khiển động cơ BLDC ................................................................ 54
Hı̀nh 3.3.2 Quy ước số thứ tự và chiều quay của động cơ ........................................... 58
Hı̀nh 4.1.1 Sơ đồ tổng quát bộ điều khiển cascade PID................................................. 61
Hı̀nh 4.2.1 Sơ đồ bộ điều khiển góc roll, pitch, yaw ........................................................ 62
Hı̀nh 4.2.2 Sơ đồ bộ điều khiển PID độ cao ........................................................................ 66


Hı̀nh 4.2.3 Hệ tọa độ phương x-y quadcopter ................................................................... 68
Hı̀nh 4.2.4 Chuyển đổi vận tốc từ BF sang RF ................................................................... 69
Hı̀nh 4.2.5 Chuyển đổi tọa độ vị trí từ RF sang BF .......................................................... 70
Hı̀nh 4.2.6 Sơ đồ bộ điều khiển vận tốc ................................................................................ 70
Hı̀nh 4.2.7 Sơ đồ bộ điều khiển vị trí ..................................................................................... 72
Hı̀nh 5.1.1 Hệ thống quadcopter được thiết kế ................................................................ 73

Hı̀nh 5.1.2 Mặt dưới của quadcopter .................................................................................... 74
Hı̀nh 5.1.3 Hệ thống quadcopter đang hoạt động trên không ................................... 75
Hı̀nh 5.1.4 Kết quả điều khiển góc roll, pitch..................................................................... 76
Hı̀nh 5.1.5 Kết quả điều khiển tốc độ góc ............................................................................ 76
Hı̀nh 5.1.6 Kết quả giữ độ cao dùng cảm biến siêu âm.................................................. 77
Hı̀nh 5.1.7 Kết quả giữ vị trí với px4flow ............................................................................ 79
Hı̀nh 5.1.8 Kết quả điều khiển giữ vị trí với px4flow theo thời gian ....................... 79
Hı̀nh 5.2.1 Mơ hình tích hợp máy tính nhúng Odroid trên bộ điều khiển bay
Pixhawk .............................................................................................................................................. 81


DANH MỤC BẢNG
Bả ng 2.1 Các dữ liệu của px4flow i2c integral frame..................................................... 25
Bả ng 5.1 Bảng thông số bộ điều khiển roll, pitch, yaw ................................................. 76
Bả ng 5.2 Bảng thông số bộ điều khiển độ cao ................................................................... 77
Bả ng 5.3 Bảng thông số bộ điều khiển vận tốc và vị trí ................................................ 78


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
ARM: Acorn RISC Machine, dòng vi điều khiển của ARM Holdings
BF: Body Frame, hệ tọa độ gắn với vật
BLDC: Brushless DC Electric Motor, động cơ một chiều không chổi than
CMSIS: Cortex Microcontroller Software Interface Standard
DCM: Direction Cosine Matrix
EF: Earth Frame, hệ tọa độ gắn với mặt đất
ESC: Electronics Speed Controller, bộ điều khiển tốc độ điện tử
I2C: Inter-Integrated Circuit
INS: Indoor Navigation System, hệ thống định vị trong nhà
NVIC: Nested Vector Interrupt Controller, bộ quản lý ngắt lồng nhau
PID: Proportional Integral Derivative, khâu tỷ lệ - tích phân – vi phân

PPM: Pulse Position Modulation, điều chế xung theo vị trí
PWM: Pulse Width Modulation, điều chế xung theo độ rộng
RF: Reference Frame, hệ tọa độ tham chiếu
RTOS: Real Time Operating System, hệ điều hành thời gian thực
UAV: Unmanned Aerial Vehicle, phương tiện bay không người lái


KÝ HIỆU TOÁN HỌC VÀ CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ
𝜙, 𝜃, 𝜓 theo thứ tự là roll, pitch, yaw.
𝑠 = s𝛼 = sin(𝛼), 𝑐 = c𝛼 = cos(𝛼), 𝑡 = t𝛼 = tan(𝛼)
×: tích có hướng
torque: moment xoắn
thrust: lực gây nên chuyển động theo các phương tịnh tiến
𝑅 : ma trận chuyển từ hệ tọa độ A sang hệ tọa độ B
g: gia tốc trọng trường tại nơi hoạt động
m: khối lượng của vật


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Giới thiệu một số chủ đề quan trọng trong việc thiết kế hệ thống lập trình bằng
vi điều khiển STM32. Luận văn tập trung vào việc nghiên cứu thiết kế và điều
khiển UAV quadcopter, xây dựng mô hình tốn để hiểu rõ ngun lý hoạt động
và các thành phần có ảnh hưởng đến việc điều khiển quadcopter, giới thiệu bộ
điều khiển PID và cascade PID, sử dụng thuật tốn điều khiển PID, trong đó
phần trọng tâm là sử dụng cảm biến PX4FLOW để điều khiển vận tốc vị trí hai
phương ngang. Cuối cùng trình bày kết quả chất lượng của hệ thống
quadcopter đã thiết kế bằng các số liệu thực tế, hướng phát triển của đề tài.
Luận văn được chia thành 8 chương, ở mỗi đầu chương đều có tóm tắt cụ thể
về nội dung tương ứng.
Chương 1. Giới thiệu:

Chương 2. Hệ thống cảm biến và phần cứng
Chương 3. Cơ sở lý thuyết
Chương 4. Thiết kế bộ điều khiển
Chương 5. Kết quả của hệ thống và hướng phát triển đề tài

1


MỞ ĐẦU
Lời đầu tiên em xin cảm ơn tất cả các quý thầy cô đã dạy và hướng dẫn
em trong suốt 4 năm học đã qua. Quá trình học tập tại trường Đại học Bách
Khoa Tp Hồ Chính Minh đã cung cấp cho em rất nhiều kiến thức bổ ích quý giá
để tạo thành nền tảng vững chắc cho em trong cuộc sống và sự nghiệp sau này.
Trường Đại Học Bách Khoa là một môi trường tốt để học tập và phát
triển, nơi mà ta có thể gặp những con người sáng tạo, tài giỏi và ai cũng có phần
nào đó để mình cần học hỏi để hồn thiện bản thân hơn, điều đó làm cho em
cảm thấy may mắn khi được học tập và rèn luyện tại ngôi trường này.
Luận văn này là cơ hội cho em tổng hợp lại tất cả những kiến thức của
mình đã học được và khả năng nghiên cứu giải quyết vấn đề em đã đạt được
trong quá trình học để giải quyết vấn đề. Em xin chân thành cảm ơn thầy
Huỳnh Thái Hoàng đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn em trong quá trình làm Đề
cương và nay là Luận văn. Thầy đã rất nhiệt tình giúp đỡ và chỉ bảo em trong
việc định hướng con đường đi đúng đắn và cách giải quyết các vấn đề khó khăn
gặp phải, cách làm việc có kế hoạch thích hợp. Và đồng thời em cũng xin cảm
ơn thầy Ngơ Đình Trí đã hỗ trợ về thiết bị và kiến thức cho em. Bên cạnh đó em
cũng xin cảm ơn sự giúp đỡ của các người bạn em trong ngôi trường Bách Khoa
trong cả 4 năm học sát cánh cùng nhau và trưởng thành hơn trong môi trường
học tập tại Đại học Bách Khoa.
Em cũng xin dành lời cảm ơn này cho gia đình, bạn bè và thầy cô luôn ở
bên và hỗ trợ em trong cuộc sống và quá trình học tập tại trường.

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2018
Nguyễn Đình Thơng

2


3


Chương 1. Giới thiệu
Giới thiệu chung về UAV quadcopter và tình hình phát triển của đề tài hiện nay,
cũng như trình bày về ý nghĩa, nội dung và mục tiêu của luận văn thực hiện.
1.1. Giới thiệu chung về UAV và quadcopter

Hı̀nh 1.1.1 Máy bay phản lực chiến đấu Sukhoi Su-57
Việc nghiên cứu để thiết kế và điều khiển chính xác các hệ thống máy bay luôn
là một lĩnh vực được chú trọng trong ngành nghiên cứu robot và hàng khơng,
bởi các hệ thống máy bay nói chung được áp dụng rộng rãi trong các lĩnh vực
dân dụng, quân sự hay khoa học vũ trụ. Đặc biệt đối với thiết bị bay khơng
người lái (UAV), bởi các tính năng ưu việt của nó như: có khả năng hoạt động tự
động hoặc được điều khiển từ xa, khả năng hoạt động ở những nơi mà con
người khó tiếp cận trong một số lĩnh vực như quan sát núi lửa, quan trắc môi
trường, gieo trồng, phun thuốc trừ sâu nông nghiệp…
Quadcopter được sử dụng rất rộng rãi và tương lai sẽ được ứng dụng rất nhiều
trong các ứng dụng khác như: cứu hộ, vận chuyển hàng hóa, quay camera hành
trình, khảo sát địa hình,…

4

Hı̀nh 1.1.2 Quadcopter sử dụng mạch bay DJI Naza
Quadcopter thuộc họ multi-copter và được coi là dạng multi-copter phổ biến
nhất, nó gồm có bốn cánh chong chóng, ưu điểm của UAV multi-copter so với
các hệ thống bay khác như máy bay trực thăng hay máy bay cánh bằng đó là dễ
điều khiển, tính ổn định cao, khả năng giữ vị trí đứng n trong khơng gian tốt,
và khả năng cất cánh và đáp theo phương thẳng đứng (Vertical Take Off and
Landing).
1.2. Tình hình nghiên cứu về UAV
Dự án mã nguồn mở lớn hàng đầu về robot UAV hiện nay là: Ardupilot, PX4,
inav, paparazzi,… được xây dựng bởi những chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực
robot, linux, phần mềm, mô phỏng.

5


Hı̀nh 1.2.1 Mạch điều khiển Pixhawk 4, đều có thể sử dụng firmware của
Ardupilot hoặc PX4
Điểm đặc biệt của các dự án mã nguồn mở đó là chúng ta có thể truy cập vào
mã nguồn của nó, từ đó có thể tham khảo và học hỏi những kiến thức để xây
dựng lên hệ thống riêng của mình.
Hiện nay, người ta tập trung vào xây dựng các ứng dụng của quadcopter vào
thực tế giúp ích cho cuộc sống. Ví dụ như các sinh viên, thầy cô trong trường
Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh đã có một số thành cơng trong lĩnh vực chế
tạo và ứng dụng các thiết bị bay. Ví dụ như các giải thuật và hệ thống điều khiển
cân bằng quadcopter/hexacopter, thiết kế cơ khí và cơng suất để cho nó có thể
chịu tải trọng lớn và thời gian hoạt động tốt. Một số ví dụ như:

6

Hı̀nh 1.2.2 Ứng dụng Drone để phục vụ cho nông nghiệp của khoa Kỹ thuật
hàng không Đại học bách khoa TP HCM

Hı̀nh 1.2.3 Drone quay phim và chụp hình DJI Phantom

7


Hı̀nh 1.2.4 Luận văn hệ thống định vị trong nhà với độ chính xác 2cm của sinh
viên Bách Khoa HCM
1.3. Mục tiêu và nội dung của luận văn
1.3.1. Lý do chọn đề tài
Đề tài nghiên cứu và chế tạo mô hình máy bay quadcopter là một đề tài địi 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 và lập trình vi điều khiển, xử lý cảm biến và áp
dụng các giải thuật điều khiển, giao tiếp máy tính và truyền nhận tín hiệu, xử lý
nhiễu… Nên đây là một đề tài có nhiều thử thách.
Khối lượng kiến thức khá nhiều do đó việc hiểu hồn toàn hệ thống và điều
khiển tất cả các thành phần là rất khó, nên trong luận văn này sẽ tận dụng một
vài kết quả nghiên cứu để có thể định tính về vài yếu tố ảnh hưởng tới hệ
thống, và cũng sử dụng một số giả thiết cho việc đơn giản hóa bài tốn điều
khiển.
Bộ điều khiển vận tốc và vị trí bằng Optical Flow là một đề tài hiện nay ở Việt
Nam chưa có nhiều người nghiên cứu, đa phần là chỉ sử dụng bộ điều khiển có
sẵn tích hợp Optical Flow với phần mềm của các hãng. Do vậy nội dung đề tài
có tính mới mẻ khi tích hợp giữa việc tự thiết kế bộ điều khiển trên STM32, và

8

một cảm biến mới cho những ưu điểm nhất định cho việc điều khiển 3 góc và 3
trục của quadcopter.
1.3.2. Tính thiết thực của đề tài luận văn
1.3.2.1. Bộ điều khiển
Tuy hiện nay có rất nhiều bộ điều khiển sẵn có, có đầy đủ nhiều chức năng như
Pixhawk hay là PX4, việc tự thiết kế bộ điều khiển sẽ giúp hiểu hơn về giải
thuật điều khiển, cách áp dụng các giải thuật điều khiển, bộ lọc, đơn vị tính tốn
cảm biến trên vi xử lý, phân tích thiết kế chương trình để hệ thống hoạt động
đúng, cách giải quyết các vấn đề nảy sinh trong quá trình làm.
Điều khiển động học và động lực học quadcopter là bước đầu tiên để có thể
phát triển một hệ thống ứng dụng vào các nhiệm vụ cụ thể mà có ý nghĩa thực
tiễn tận dụng lợi thế của loại robot bay trên không, như đã giới thiệu một vài
thành tựu ở (1.2)
1.3.2.2. Điều khiển quadcopter bằng Optical Flow

Hı̀nh 1.3.1 Hệ thống quadcopter có tích hợp GPS

9


Hiện nay thiết bị định vị phổ biến nhất là GPS và hệ thống định vị trong nhà
(INS), tuy nhiên hệ thống GPS và INS cho kết quả giá trị vị trí và vận tốc ở một
khoảng sai số khá lớn (≥ 3𝑚) và ở các khu vực bị che chắn bởi cây cối, tịa nhà
trong nhà, có thể một lúc chỉ nhận được 4,5 vệ tinh hoặc không nhận được thì
giá trị hệ thống GPS khơng thể sử dụng.
Khắc phục những hạn chế của hệ thống GPS và INS, Optical Flow được dùng để
đo chính xác vận tốc của quadcopter.
Các hệ thống được đặt cố định để định vị quadcopter, như hệ thống POXYZ, hệ
thống xác định vị trí bằng VICON cần phải được lắp đặt, cài đặt mới có thể sử

dụng, và chỉ hoạt động trong mơi trường khơng gian nhất định, đây chính là
nhược điểm mà hệ thống giữ vị trí bằng Optical Flow sẽ khắc phục.
1.3.3. Mục tiêu và nội dung
Áp dụng các giải thuật xử lý dữ liệu cảm biến, xây dựng phương trình động học
và động lực học cho quadcopter, từ đó thiết kế bộ điều khiển cho quadcopter
trên nền vi điều khiển ARM trên board STM32F407VG. Xây dựng hệ thống
quadcopter hoàn chỉnh, giữa phần cứng, phần điện điện tử, giao tiếp cảm biến
và phần mềm, tiếp theo xây dựng các phương trình tốn cho quadcopter, xử lý
dữ liệu cảm biến bằng các thuật tốn phù hợp trên vi điều khiển, từ đó thiết kế
các bộ điều khiển thích hợp cho hệ. Bay quadcopter thực tế và thu thập dữ liệu,
đánh giá chất lượng hệ thống từ đó áp dụng các kiến thức để hiệu chỉnh đạt
được kết quả mong muốn.
Mục tiêu kết quả: hiểu được bản chất chuyển động của quadcopter, điều khiển
hệ quadcopter cân bằng ổn định, giữ được độ cao và vị trí 2 phương ngang x,y.

10


Chương 2. Hệ thống cảm biến và phần cứng
Chương này sơ lược thành phần phần cứng và giới thiệu các cảm biến được sử
dụng, sơ đồ kết nối và giao tiếp được sử dụng tương ứng. Ngồi ra cịn trình
bày về đặc tính cần chú ý của cảm biến.
2.1. Sơ đồ kết nối của hệ thống

Hı̀nh 2.1.1 Thành phần phần cứng đầy đủ của hệ thống

11


Hı̀nh 2.1.2 Sơ đồ kết nối và giao tiếp các thành phần chính của quadcopter

Dưới đây sẽ trình bày cụ thể về hệ thống phần cứng và cảm biến được mô tả
bằng hai sơ đồ ở trên được dùng cho mơ hình quadcopter trong luận văn.
2.2. Phần cứng
2.2.1. Pin Lipo
Được sử dụng phổ biến cho các robot điều khiển từ xa. Đặc điểm nổi trội của
pin Lipo để nó được ứng dùng nhiều trong hệ thống là:
+ Pin có thể sạc.
+ Năng lượng dự trữ lớn so với các loại pin khác có khối lượng gần bằng nhau.
+ Dịng xả lớn.

12


Hı̀nh 2.2.1 Pin Phantom LiPo
Pin Phamtom là loại pin Lipo 4 cells, dung lượng 4480mAh, điện áp cung cấp từ
[14.5𝑉 → 16.8𝑉]

13