báo cáo đồ án ii đề tài thiết kế và điều khiển drone

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.68 MB, 41 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘITRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

------BÁO CÁO ĐỒ ÁN II

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN DRONE

Sinh viên thực hiện: Lê Thiên Tuyến – 20192165Giảng viên hướng dẫn: TS. Đào Quý Thịnh

Hà Nội, 3/2023

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

LỜI NÓI ĐẦU

Drone (UAV – Unmanned Aerial Vehicle) là các loại phương tiện bay hay máy bay khơng người lái, máy bay có điều khiển từ xa và khơng có sự hiện diệncủa con người ở bên trong buồng lái. Drone có thể bao gồm nhiều loại với kích thước, hình dạng và đảm nhiệm nhiều vai trị khác nhau.

Drone có thiết kế bằng các vật liệu nhẹ để có thể bay lâu trên khơng. Các đặctính chủ yếu như: tiện dụng, tính cơ động cao, thiết thực, hoạt động hiệu quả.

Drone hay máy bay khơng người lái nói chung ngày càng trở nên gần gũi vớinhững ứng dụng thiết thực.Trong lĩnh vực quân sự, Drone được sử dụng chomục đích tình báo, trinh sát và giám sát: tìm kiếm thông tin chiến thuật trênchiến trường, thực hiện các nhiệm vụ tấn cơng trong các tình huống rủi ro cao,phát sóng hình ảnh hoặc video trực tiếp về căn cứ hoặc làm mục tiêu cho mặt đấthoặc trên không hệ thống vũ khí. Ngồi ra, nó cũng đóng vai trị như một phịngthí nghiệm cho các cơng nghệ UAV mới.

Trong dân dụng và thương mại, có thể được sử dụng trong việc vận chuyểnhàng hóa được giao – nhận. Dự báo thời tiết, thu thập thơng tin khí tượng (đượcsử dụng bởi NASA và cơ quan thời tiết Hoa Kỳ). Trong công tác cứu hộ: giúpphát hiện những người trong tình huống nguy hiểm như lở đất, lũ lụt, hỏa hoạn,động đất để truyền trực tiếp các tài liệu cần thiết. Trong nơng nghiệp, loại UAVvừa có chức năng bay khơng người lái để chụp ảnh vừa có các cảm biến khác đểquan sát môi trường, đây là ứng dụng của UAV trong nông nghiệp để giám sátcác trang trại lớn. Ứng dụng trong lĩnh vực điện ảnh – truyền hình hỗ trợ truyềntải hình ảnh trực tiếp và giúp ghi lại những cảnh khó trên khơng. Ngồi ra, UAVcịn giải trí cho những người đam mê chinh phục bầu trời bằng máy bay điềukhiển từ xa để thỏa mãn thú vui và mang lại cảm giác trải nghiệm như thật trênkhông trung.

Em xin gửi lời cảm ơn đến TS. Đào Q Thịnh, bộ mơn Tự Động Hóa Cơng Nghiệp, Trường Điện - Điện tử, Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã hướng dẫn, cung cấp tài liệu và tạo điều kiện hết mức để em hoàn thành báo cáo này. Đồ án của em có thể khơng tránh khỏi những thiếu xót. Em mong được thầy chỉ bảo thêm để giúp em hoànthiện hơn nữa.

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

PHỤ LỤC

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ DRONE ... 4

I.1.Giới thiệu chung về Drone ... 4

I.2.Nguyên lý hoạt động của Drone ... 4

CHƯƠNG II. SƠ ĐỒ KẾT NỐI VÀ PHẦN CỨNG ... 6

II.1.Sơ đồ kết nối của hệ thống ... 6

II.2.Phần cứng ... 6

II.2.1. Khung quadcopter ... 6

II.2.2. Pin Lipo ... 6

II.2.3. Tay cầm FlySky ... 6

II.2.4. Động cơ BLDC, cánh quạt và bộ điều khiển ESC ... 7

CHƯƠNG III. XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC ... 15

III.1. Mơ hình động lực học ... 15

III.2. Công thức Newton - Euler ... 17

III.3. Công thức Euler - Lagrange ... 17

CHƯƠNG IV. SỬ DỤNG KIT OPEN SOURCE PX4 ... 19

IV.1. Tổng quan về PX4 Autopilot ... 19

V.4.Điều khiển Drone với giao diện người dùng (GUI). ... 34

TÀI LIỆU THAM KHẢO ... 39

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ DRONE

I.1. Giới thiệu chung về Drone

Drone hay Quadcopter hiện nay được sử dụng khá phổ biến trong lĩnh vực giải trí để cung cấp thêm góc quan sát từ trên cao như trong các môn thi đấu thể thao hoặc được sử dụng để di chuyển bám theo đối tượng trong cảnh quay hành động.Ngồi ra, Drone cịn được sử dụng trong lĩnh vực quân sự như dùng để do thám, cứu hộ, như quan sát và phán đoán hướng di chuyển của các vụ cháy rừng và trong lĩnh vực vận chuyển bưu kiện có khối lượng nhỏ trong phạm vi gần do ưu điểm về tính linh hoạt, chi phí chế tạo và vận hành thấp hơn so với các loại máy bay khác.

Mơ hình bay hoạt động dựa trên ngun lý cân bằng góc nghiêng của từng cặp động cơ đặt đối diện nhau. Vấn đề đặt ra là làm thế nào để điều khiển bốn độngcơ giúp cho máy bay có thể cân bằng từng trục, kết hợp cân bằng các trục với nhau, triệt tiêu qn tính xoay trịn và điều khiển Drone di chuyển ổn định.Yếu tố quan trọng nhất để có thể điều khiển cân bằng và di chuyển đó là giá trị các góc nghiêng đọc từ cảm biến phải chính xác. Khi thiết kế drone, cần phải cómạch cân bằng để có thể cân bằng được drone. Ở đây, ta có thể dùng cảm biến GY-521 6DOF IMU MPU6050 để đo gia tốc, vận tốc, định hướng, độ dịch chuyển và nhiều thông số liên quan đến chuyển động khác của vật thể.Thuật toán PID được xây dựng kết hợp giữa các công thức NEWTON – EULER , EULER - LAGRANGE và kinh nghiệm thực tế để lựa chọn thông số điều khiểncân bằng và di chuyển mơ hình bay.

I.2. Ngun lý hoạt động của Drone

Các cánh quạt quay sẽ tạo ra một lực đẩy và momen xoắn. Để drone có thể baylên, tổng hợp lực đẩy phải lớn hơn trọng lực của vật.

Cặp cánh quạt 1-2 quay theo chiều kim đồng hồ, cặp cánh quạt 3-4 quay ngượcchiều kim đồng hồ (hoặc ngược lại) nhằm cân bằng momen xoắn tạo ra bởi cáccánh quạt trên khung.

Có 4 chiều chuyển động của drone có thể điều khiển được: roll, pitch, yawvà thrust

Khi drone cất cánh hoặc hạ cánh (take off/landing), 4 cánh quạt cần phải tạo ramột lực đẩy bằng nhau, khi đó tổng lực đẩy F song song với trục z (Hình 1)

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

CHƯƠNG II. SƠ ĐỒ KẾT NỐI VÀ PHẦN CỨNG

II.1. Sơ đồ kết nối của hệ thống

II.2. Phần cứng

II.2.1. Khung quadcopter

Khung cơ khí quadcopter là phần thiết kế quan trọng để đảm bảo sự chắc chắn, tính đối xứng để đảm bảo momen quán tính phân bố đều, khối lượng không quánặng.

II.2.2. Pin Lipo

Được sử dụng phổ biến cho các robot điều khiển từ xa. Đặc điểm nổi trội củapin Lipo như: pin có thể sạc, năng lượng dự trữ lớn,…

II.2.3. Tay cầm FlySky

FlySky là bộ truyền nhận sóng từ xa để có thể điều khiển quadcopter, tay cầm cókhoảng cách xa và kết nối giao tiếp được đảm bảo tin cậy

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

II.2.4. Động cơ BLDC, cánh quạt và bộ điều khiển ESC

Động cơ và cánh

Động cơ được sử dụng là động cơ BLDC MT2204 – 2300KV. Động cơ BLDCđi kèm định mức KV, nghĩa là động cơ sẽ quay ở tốc độ RPM nhất định nếu tacung cấp điện áp V cho động cơ khi không tải

RPM = KV * V

Với động cơ trên, ta nên dùng cánh 6045 (6 inch), 2 cặp cánh thuận nghịch.

Bộ điều khiển động cơ ESC

Ở đây ta dùng 12AE ESC. Để điều khiển tốc độ động cơ, ta cần cấp xung PPMvới tần số 50/60Hz. Động cơ hoạt động trong khoảng 1ms – 2ms với 1ms thì động cơ dừng, 2ms thì động cơ quay tốc độ lớn nhất.

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

Các thơng số có thể cài đặt cho ESC: Bơi đen là mặc định

• Cài đặt phanh : Có/Khơng• Loại pin: Lipo / NiMH

• Chế độ bảo vệ điện áp thấp: Cắt mềm (giảm dần công suất đầu ra) / Cắt(dừng ngay)

• Ngưỡng bảo vệ điện áp thấp: Thấp/Trung bình/Cao• Chế độ khởi động: Bình thường/Mềm/Siêu mềmCác bước khởi động động cơ:

o Cài đặt phạm vi bướm ga (Chỉ cần cài đặt lần đầu tiên, các lần sau có

thể bỏ qua bước này) (Mỗi khi sử dụng thiết bị khác cần phải cài đặt lại)

1. Kéo bướm ga tới vị trí max2. Kết nối ESC với pin và đợi 2s

3. Tiếng beep-beep được phát ra nghĩa là điểm lớn nhất của phạm vi bướmga đã được xác nhận

4. Kéo bướm ga tới vị trí min, vài tiếng beep sẽ được phát ra để xác nhận số cell pin

5. Tiếng beep dài được phát ra nghĩa là điểm nhỏ nhất của phạm vi bướm gađã được xác nhận

o Điều khiển động cơ

1. Kéo bướm ga tới vị trí min

2. Kết nối ESC với pin và sẽ có giai điệu “123” phát ra để xác nhận đã cung cấp nguồn

3. Vài tiếng beep sẽ được phát ra để xác nhận số cell pin4. Khi hoàn thành, một tiếng beep dài được phát ra5. Điều chỉnh bướm ga để điều chỉnh tốc độ động cơXử lý lỗi và cài đặt các thông số (xem thêm trong Datasheet)

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

II.2.5. Cảm biến MPU6050

Cảm biến góc GY-521 MPU6050 là một cảm biến sáu trục, có chứa một gia tốc

3 trục con quay hồi chuyển 3 trục. Hoạt động với 3.3V và giao tiếp I2C với tốc độ tối đa 400kHz.

THƠNG SỐ KỸ THUẬT

• Điện áp sử dụng: 3~5VDC• Điện áp giao tiếp: 3~5VDC• Chuẩn giao tiếp: I2C

• Giá trị Gyroscopes trong khoảng: +/- 250 500 1000 2000 degree/sec• Giá trị Acceleration trong khoảng: +/- 2g, +/- 4g, +/- 8g, +/- 16g• Chip : MPU-6050

• Giao tiếp: I2C, SPI• Hỗ trợ AD 16 Bit

CHỨC NĂNG CÁC CHÂNVCC 5V/3V3

SCL Chân SCL trong giao tiếp I2C

SDA Chân SDA trong giao tiếp I2C

XDA Chân dữ liệu (kết nối với cảm biến khác)

XCL Chân xung (kết nối với cảm biến khác)

AD0 Bit địa chỉ I2C - Địa chỉ = 0x68 khi AD0 = 0

INT Chân ngắt

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

MPU6050 là một cảm biến có gia tốc kế và con quay hồi chuyển, có thể đo 3 trục tốc độ quay ��, ��, �� (Gyro) (◦/s), 3 trục gia tốc hướng ��, ��, ��

(Accelerometer) (�⁄�2). Khi đặt cảm biến song song với mặt đất, �� = � = � 0, �� = 1� (� ⁄ �2).

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

CÁC THANH GHI CẦN ĐỌC VÀ GHI

Thanh ghi chứa địa chỉ i2c 6 bit của MPU.Giá trị mặc định: 0x68

Thanh ghi cho phép người dùng cấu hình chế độ nguồn và nguồn xung

Thanh ghi chỉ định bộ chia từ tốc độ đầu ra con quay hồi chuyển được sử dụng để tạo ra Tốc độ lấy mẫu cho MPU-60X0.

Sample Rate = Gyroscope Output Rate / (1 + SMPLRT_DIV)

Thanh ghi dùng để cấu hình thang đo cho con quay hồi chuyển.

Các mode:

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

Thanh ghi dùng để cấu hình thang đo cho gia tốc kế.

Thanh ghi này chứa giá trị tốc độ quay 3 trục, mỗi trục gồm 2 thanh ghi High và Low.

Cần chia cho LSB Sensitivity ở bảng bên dưới để tìm tốc độ tương ứng.

Các mode:

Thanh ghi chứa gia tốc 3 trục, mỗi trục gồm 2 thanh ghi High và Low.

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

Cần chia cho LSB Sensitivity ở bảng bên dưới để tìm tốc độ tương ứng

Các mode:

TÍNH TỐN

Các giá trị đo được là các giá trị thô, cần phải thông qua các cơng thức để cóthể tính tốn được góc nghiêng. Để tính góc nghiêng thơng qua gia tốc, ta cóthể sử dụng cơng thức (Hình 1 bên trên):

∅ = ��− 1 ��,��√√

√√ 2 + 2( �,�� �,��)

� = ��− 1 ��,��√√

√√ 2 + 2( �,�� �,��)

√√ 2 + 2�,��,�� = �� −1

Gia tốc kế và con quay hồi chuyển khi hoạt động riêng lẻ mang lại lợi thếmạnh mẽ cho hệ thống định vị; tuy nhiên, cả hai đều có những vùng dữ liệukhơng chắc chắn. Với việc cả hai cảm biến này đều thu thập dữ liệu về cáchiện tượng

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

giống nhau, đó là chuyển động của một đối tượng, ta nên kết hợp giá trị của cả 2 cảm biến để có giá trị chính xác nhất.

Angle = 0.98*(Angle + Gyro_data*dt) + 0.02*(Acceleration_data) Trong đó, dt là thời gian giữa 2 lần đọc dữ liệu cảm biến

Khi để sensor đứng im, các giá trị ��, ��, �� không bằng 0 do nhiễu. Vì vậy,ta cần phải calib giá trị ��, ��, �� bằng cách để sensor đứng im và đọc giá trịhàng trăm lần rồi lấy trung bình. Đó chính là giá trị offset của từng trục. Sauđó, mỗi lần lấy giá trị trả về, ta chỉ cần trừ cho giá trị offset. Có thể calib giatốc nếu cần thiết.

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

CHƯƠNG III. XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC

III.1. Mơ hình động lực học

Để mô tả các chuyển động của drone, ta chọn hệ quy chiếu quán tính xyz (inertial frame) và và hệ quy chiếu gắn với vật (body frame). Đối với hệ quy chiếu gắn với vật, có thể gắn trục x,y trùng với trục của drone hoặc xoay 1 góc45 độ.

Vị trí tuyến tính của drone trong hệ quy chiếu quán tính được biểu diễn qua matrận , góc nghiêng được biểu diễn qua ma trận . Trong ma trận η, góc φ (roll)ξη

xác định chuyển động quay của drone quanh trục x, góc θ (pitch) xác định chuyển động quay quanh trục y và góc ψ (yaw) quanh trục z.

�� = [�] , � = [ ] � , � = [ ]

Ta có ma trận xoay chuyển đổi từ hệ quy chiếu gắn với vật (body frame) sang hệquy chiếu quán tính (inertial frame), đây là ma trận trực giao, do đó R = R-1T

����� = [��

������ −��∅������ + ����

����� � +�������� − � ���]

</div>Trang 16<div class="page_container" data-page="16">

Lực đẩy ở mỗi cánh quạt:

trong đó:k - hằng số đẩyw - tốc độ góc của rotor.

��= ��2

Momen xoắn quanh trục của rotor:

trong đó:b – hằng số kéo

���= ��2 + �� � �

IM – momen quán tính của rotor

Từ đó, rút ra được tổng hợp lực đẩy T và momen xoắn τ (quanh các trục x, y vàBz):

trong đó:

l – khoảng cách từ rotor tới tâm của drone�

�

</div>Trang 17<div class="page_container" data-page="17">

III.2. Công thức Newton - EulerGia tốc dài của drone

Trong hệ quy chiếu quán tính, ta bỏ qua lực ly tâm. Từ công thức trên, ta nhân cả 2 vế với ma trận R để chuyển từ body frame sang inertial frame, đồng thời chia cả 2 vế cho m, ta được ma trận biểu diễn gia tốc của drone theo các trục x, yvà z:

Gia tốc góc của drone

trong đó: Γ – the gyroscopic forces – có thể bỏ qua

Từ cơng thức trên, ta suy ra gia tốc góc của drone thơng qua ma trận ��

III.3. Cơng thức Euler - Lagrange

trong đó

Etrans – Động năng tịnh tiếnErot – Động năng quayEpot – Thế năng của vật

</div>Trang 18<div class="page_container" data-page="18">

Gia tốc dài của drone:

Từ công thức trên suy ra được công thức đã nêu ở cơng thức Newton –Euler:

Gia tốc góc của drone:

Ta có:

Ma trận Jacobian:

Suy ra:

Từ cơng thức Euler – Lagrange, ta có:

Mơ hình động học cho một quadcopter được đưa ra trong công thức:

�

� = (� � + �� � ) � = � � −�

� � + ��

� � =

− ��∅) � = ��−����

�� +��

� � =

����∅

� − ��

</div>Trang 19<div class="page_container" data-page="19">

�� + ��

�� ��

</div>Trang 20<div class="page_container" data-page="20">

CHƯƠNG IV. SỬ DỤNG KIT OPEN SOURCE PX4

IV.1. Tổng quan về PX4 Autopilot

PX4 là một phần mềm điều khiển chuyến bay với mã nguồn mở dành cho máy bay không người lái và các phương tiện không người lái khác. Nhà sản xuấtcung cấp một bộ công cụ linh hoạt cho các nhà phát triển máy bay không người lái để chia sẻ công nghệ nhằm tạo ra các giải pháp phù hợp cho các ứng dụng máy bay không người lái. PX4 cung cấp một tiêu chuẩn để cung cấp ngăn xếp phần mềm và hỗ trợ phần cứng cho máy bay không người lái, cho phép một hệ sinh thái xây dựng và bảo trì phần cứng và phần mềm theo cách có thể mở rộng.

PX4 có tính mơ-đun cao và có thể mở rộng cả về phần cứng và phần mềm. Nó sử dụng kiến trúc dựa trên cổng – có nghĩa là khi các nhà phát triểnthêm các thành phần, hệ thống mở rộng không bị mất đi độ bền hoặc hiệu suất.

PX4 được đồng phát triển với cộng đồng phát triển tồn cầu. Flightstack khơng chỉ đáp ứng nhu cầu của một phịng thí nghiệm hay một cơng ty, mà cịnđược dự định là một bộ cơng cụ chung và được sử dụng và áp dụng rộng rãi trong ngành.

PX4 cung cấp các API và SDK được tối ưu hóa cho các nhà phát triển làm việc với các tích hợp. Tất cả các mơ-đun đều độc lập và có thể dễ dàng trao đổivới một mơ-đun khác mà khơng cần sửa đổi lõi. Các tính năng dễ triển khai và cấu hình lại.

PX4 được thiết kế để kết hợp sâu với thị giác máy tính nhúng cho các khả năng tự chủ . Khung làm giảm rào cản gia nhập cho các nhà phát triển làm việctrên các thuật toán phát hiện chướng ngại vật và nội địa hóa.

PX4 là một phần cốt lõi của nền tảng máy bay không người lái rộng lớn hơnbao gồm trạm mặt đất QGroundControl Pixhawk firmware , và MAVSDK để tích hợp với máy tính đồng hành, máy ảnh và phần cứng khác bằng giao thức MAVLink.

IV.2. Lắp đặt và kết nối PX4

Ở đây chúng ta sử dụng PX4 loại 3DR Pixhawk (Pixhawk wiring).

</div>Trang 21<div class="page_container" data-page="21">

3DR Pixhawk.

Pixhawk nên được gắn trên khung bằng cách sử dụng các miếng đệm xốpgiảm rung Nó phải được đặt ở vị trí càng gần trọng tâm của drone, hướng từ. trên xuống dưới với mũi tên chỉ về phía trước.

Kết nối bộ rung đi kèm và cơng tắc an tồn như minh họa bên dưới (đây lànhững điều bắt buộc).

</div>Trang 22<div class="page_container" data-page="22">

GPS phải được gắn trên khung càng xa các thiết bị điện tử khác càng tốt, vớivạch chỉ hướng hướng về phía trước xe. Gắn GPS vào cổng GPS bằng cáp 6 dâyđược cung cấp trong bộ sản phẩm. Nếu được gắn theo cách này, bạn có thể ngaylập tức tiến hành compass calibration.

Kết nối đầu ra của mô-đun Nguồn (PM) với cổng POWER bằng cáp 6 dây như minh họa. Đầu vào PM sẽ được kết nối với pin LiPo của bạn, trong khi đầura chính sẽ cung cấp cho ESC/động cơ của xe (có thể thơng qua bảng phân phốiđiện).

Mô-đun nguồn cung cấp năng lượng cho bộ điều khiển chuyến bay từ pin vàcũng gửi thông tin về dòng điện và điện áp tương tự được cung cấp qua mô-đun(bao gồm cả nguồn điện cho bộ điều khiển chuyến bay và động cơ, v.v.).

</div>