Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Nghiên cứu ứng dụng cảm biến góc và thiết kế hệ thống chấp hành cho mô hình máy ...

Tài liệu Nghiên cứu ứng dụng cảm biến góc và thiết kế hệ thống chấp hành cho mô hình máy bay 4 cánh

.PDF
120
410
70

Mô tả:

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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan