TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
-------------------

BÁO CÁO CUỐI KỲ KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ TRÊN MÁY BAY
Chủ đề: Nghiên cứu hệ thống điều khiển UAV
Xây dựng và thiết kế hệ thống điều khiển
GVHD: TS. Phạm Gia Điềm
Mã lớp: 124535
Nhóm sinh viên thực hiện:
Họ và tên
Nguyễn Hữu Minh
Phạm Hoàng Nam
Nguyễn Minh Hiếu
Trần Văn Vũ
Trần Văn Hoài
Lê Tuấn Đạt

MSSV
20186062
20186068
20186043
20186082
20186048
20186034
Hà Nội, 7/2021

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
1

------------------BÁO CÁO CUỐI KỲ KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ TRÊN MÁY BAY
Chủ đề: Nghiên cứu hệ thống điều khiển UAV
Xây dựng và thiết kế hệ thống điều khiển
Điểm

Nhận xét, đánh giả của giảng viên

GVHD: TS. Phạm Gia Điềm
Mã lớp: 124535
Nhóm sinh viên thực hiện
Họ và tên
Nguyễn Hữu Minh
Phạm Hoàng Nam
Nguyễn Minh Hiếu
Trần Văn Hoài
Trần Văn Vũ
Lê Tuấn Đ

MSSV
20186062
20186068
20186043
20186048
20186082
20186048
Hà Nội, 7/2021

Mục Lục
I. Tổng quan về Quadcopter và điều khiển Quadcopter...........................4

1. Khái niệm.........................................................................................4
2. Ngun lý hoạt động........................................................................6
3. Tính tốn khí động học..................................................................10
2


II. Hệ thống điều khiển...........................................................................11
III. Linh kiện và thông số kỹ
thuật..........................................................13
1. Mạch vi điều khiển trung tâm Arduino Uno R3............................16
2. Mạch cảm biến MPU6050............................................................20
3. Mạch thu phát không dây NRF24L01...........................................21
4. Khung Quadcopter F450...............................................................22
5. Bộ điều khiển TX-RX FLYSKY I6...............................................22
6. Motor Himodel XXD A2212-1400KV không chổi than...............24
7. Cánh 8045 Carbon 3K...................................................................25
8. ESC điều khiển động cơ không chổi than DC 6 - 16V 30A giắc
chuối...............................................................................................2
6
9. PIN Li-po.......................................................................................26
IV. Bộ điều khiển PID............................................................................27

I. Tổng quan về Quadcopter và điều khiển Quadcopter
1. Khái niệm
- Một phương tiện bay không người lái (UAV-unmanned aerial
vehicle) là một máy bay khơng có phi cơng trên buồng lái
3


- Quadcopter là một dạng của UAV đặc biệt với bốn cánh quạt được

bố trí đối xứng trước-sau, phải-trái
- Về kết cấu, quadcopter có kết cấu cơ khí khá đơn giản, đồng thời
trên phương diện động lực nó cũng rất khác so với các loại máy bay
thơng thường

Mơ hình của 1 Quadcopter

4


Các lực và mơ-men tác dụng lên Quadcopter
Hình trên thể hiện các lực và mơ-men tác động tên Quadcopter,
trong đó: Ff, Fb. Fl. Fr lần lượt là các lực tạo ra bởi các cánh quạt trước,
sau, trái, phải; τf, τb, τl, τr lần lượt là các mô-men tạo ra bởi các cánh quạt
trước, sau, trái và phải
- Nguyên lý điều khiển Quadcopter
Quadcopter có kết cấu gồm bốn cánh quạt, mỗi cánh quạt này gắn
với một động cơ riêng, được thông qua bộ điều khiển. Trục của cả bốn
cánh quạt này đều được gắn theo phương song song với nhau, đồng thời
tốc độ của mỗi cánh quạt này có thể điều chỉnh thay đổi một cách độc
lập thông qua điều chỉnh tốc độ của các động cơ gắn với chúng. Việc
điều khiển chuyển động của Quadcopter hoàn toàn dựa trên việc điều
khiển tốc độ của bốn cánh quạt được gắn trên nó. Tùy thuộc vào việc
điều chỉnh đồng thời tốc độ của các động cơ theo mỗi cặp sẽ tạo ra các
lực và mô-men khác nhau tác động lên tâm khối Quadcopter cho phép
nó có thể cơ động tự do trong không gian

5



2. Nguyên lý hoạt động
Cặp cánh quạt phía trước và phía sau quay ngược chiều kim đồng
hồ, trong khi đó cặp cánh bên phải và bên trái lại quay thuận chiều kim
đồng hồ nhằm cân bằng mô-men xoắn được tạo ra bởi các cánh quạt trên
khung. Mỗi một động cơ được điều khiển thông qua một bộ ESC riêng
biệt. ESC thay đổi tốc độ quay của động cơ dựa vào độ rộng xung tín
hiệu PWM từ mạch điều khiển chính. Độ rộng xung điều khiển tốc độ
động cơ giới hạn trong khoảng 1-2ms và tần số điều khiển là 50 Hz

Chuyển động của Quadcopter trong không gian

6


6 bậc tự do
- Nguyên lý cân bằng: Quadcopter bay lơ lửng trong không trung. Ở
trạng thái này, tất cả cánh quạt có cùng một tốc độ quay
(Ω1=Ω2=Ω3=Ω4)

Chuyển động cân bằng
7


- Quadcopter bay lên hoặc hạ xuống theo phương thẳng đứng. Để bay
lên/hạ xuống thì 4 cánh quạt phải tăng/giảm tốc độ. Lúc đó sẽ sinh ra
1 hợp lực dọc trục theo phương Z.
: gia tốc theo phương Z
ΩH: vận tốc cánh quạt
ΔA: lượng tăng/giảm của vận tốc cánh quạt


Chuyển động lên/xuống
- Quadcopter bay nghiêng trái/phải. Để bay nghiêng phải (trái), giữ
nguyên tốc độ 2 cánh trước và sau, tăng (giảm) tốc độ cánh trái và
giảm (tăng) tốc độ cánh phải
: gia tốc theo phương X
ΔA, ΔB (ΔA ≈ ΔB): lượng tăng hoặc giảm của cánh ΩH

Chuyển động nghiêng trái/phải
8


- Quadcopter sẽ bay tới hoặc bay lừi về phía sau. Để bay tới (lùi), điều
khiển tăng (giảm) tốc độc cánh sau và giảm (tâng) tốc độ cánh trước
: gia tốc theo phương Y
ΔA, ΔB (ΔA ≈ ΔB): lượng tăng hoặc giảm của cánh ΩH

Chuyển động lật trước/sau
- Quadcopter quay quanh trục Z. Điều khiển tốc độ cánh quạt theo
cash sau: tốc độ 2 cánh đối diện bằng nhau, nhưng khác với tốc độ 2
cánh đối diện còn lại. Để quay quanh trục Z chiều ngược kim đồng
đồng, giảm tốc độ cặp cánh có chiều quay ngược chiều kim đồng hồ
và tăng tốc độ cặp cánh thuận kim đồng hồ. Để qudacopter quay theo
chiều thuận, ta làm ngược lại cách trên
gia tốc theo phương Z
ΔA, ΔB (ΔA ≈ ΔB): lượng tăng hoặc giảm của cánh ΩH

9


Chuyển động xoay trái/phải

3. Tính tốn khí động học

Tổng quan mơ hình
10


- Việc tính tốn khí động học mơ tả các tác động khi quay của cánh
quạt trong khơng khí
- Các thông số
+TMT (N) là lực đẩy của cánh quạt, hướng lên
+ S (m2) là diện tích cánh quạt
+ ΡS (kg/m3) là mật độ khơng khí
- Ta có phương trình lực đẩy: TMT = 2 ΡS S VI2 (N)
- Do lực đẩy TMT = Wp = mg/4 (trọng lượng được mang bởi 1 cánh)
- Vận tốc dịng khí cho mỗi cánh quạt là: VI= (m/s)
II. Hệ thống điều khiển

Sơ đồ khối chính của hệ thống
Chức năng của các khối chính trong sơ đồ
11


-

Khối điều khiển trung tâm Arduino Uno: nhận dữ liệu từ cảm biến
MPU-6050 và dùng ngắt ngồi để lấy tín hiệu từ Receiver. Thực hiện
giải thuật PID tính tốn, xuất tín hiệu PWM ra khối cơng suất ESC
Khối cảm biến MPU-6050: lấy dữ liệu độ nghiêng các trục x, y, z
và vận tốc góc truyền về Arduino theo giao tiếp I2C
Khối công suất ESC: dùng để điều khiển chiều Quadcopter và tốc

độ của các động cơ. Khối này nhận tín hiệu PWM từ Arduino Uno
Khối nhận tín hiệu điều khiển RX: nhận tín hiều điều khiển hướng
từ bộ giải mã và gửi về Arduino
Khối phát tín hiệu điều khiển TX: truyền tín hiệu điều khiển cân
bằng và di chuyển. Tín hiệu truyền đi dưới dạng sóng Radio
Khối nguồn: cấp điện cho các khối chính của hệ thống

Sơ đồ nguyên lý mạch
III.Linh kiện và thông số kỹ thuật
12


Khung

Điều khiển tốc độ
ESC

Pin

13


Động cơ (motor)

Cánh quạt

Bộ thu phát tín
hiệu TX-RX

14



Arduino Uno R3

MPU 6050

-

Các khối cơ bản
15


Bộ xử lý trung tâm Arduino, qua xung PWM làm quay ESC, ESC
xuất giá trị xung làm cho motor quay, rồi làm cho cánh quạt quay.
Quadcopter bay lên, giá trị hồi tiếp về sẽ đọc qua cảm biến MPU-6050
1. Mạch vi điều khiển trung tâm Arduino Uno R3

16


a. Các chân năng lượng
-

GND: cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino Uno
LED: có 1 LED được tích hợp trên bảng mạch và được nối vào
chân D13. Khi chân có giá trị mức cao (HIGH) thì LED sẽ sáng và
LED tắt khi ở mức thấp (LOW)
VIN (Voltage Input): Chân này cấp nguồn ngoài cho Arduino Uno.
Nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với
chân GND (điện áp cấp từ 7-12VDC).

17


-

5V: cấp điện áp ra 5V đầu ra. Dòng điện tối đa ở chân này tối đa là
500mA.
3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra. Dòng điện tối đa ở chân này tối đa
là 50mA.
IOREF: điệp áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino Uno và
có thể đọc điện áp trên chân IOREF. Chân IOREF không dùng để
làm chân cấp nguồn.

b. Bộ nhớ
-

Vi điều khiển ATmega328:
+ 32 KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh laajo trình được lưu trữ trong
bộ nhớ Flash của vi điều khiển. Trong đó bootloader chiếm 0.5KB.
+ 2 KB cho SRAM: (Static Random Access Memory): lưu giá trị các
biến khai báo. Khai báo càng nhiều biến thì càng tốn nhiều bộ nhớ
RAM. Khi mất nguồn thì dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất.

18


+ 1 KB cho EEPROM: (Electrically Eraseble Programmable Read
Only Memory): là nơi có thể đọc và ghi dữ liệu vào đây mà không bị
mất dữ liệu khi mất nguồn.
+ Mạch dạo động thạch anh 16 MHz: tạo xung clock, giúp cho vi điều

khiển hoạt động, thực thi lệnh.
c. Các chân đầu vào và đầu ra
- Trên Board Arduino Uno có 14 chân Digital để làm chân đầu vào
và đầu ra và chúng sử dụng các hàm pinMode(), digitalWrite(),
digitalRead(). Giá trị điện áp trên mỗi chân là 5V, dòng trên mỗi chân
là 20mA và bên trong có điện trở kéo lên là 20-50Ω. Dịng tối đa trên
mỗi chân I/O khơng vượt quá 40mA để tránh trường hợp gây hỏng
board mạch.
- Ngoài ra, một số chân Digital có chức năng đặt biệt:
+ 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): để nhận dữ liệu (RX) và truyền dữ
liệu (TX) TTL Serial.
+ Ngắt ngoài: Chân 2 và 3.
+ Chân PWM: 3, 5, 6, 9, 10 và 11: cho phép xuất ra xung PWM với độ
phân giải 8 bit bằng hàm analogWrite ().
+ Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK): hỗ trợ
giao tiếp SPI bằng thư viện SPI.
+ LED 13: 1 đèn led được tích hợp trên bảng mạch và được nối vào
chân D13. Khi chân có giá trị mức cao (HIGH) thì LED sẽ sáng và LED
tắt khi ở mức thấp (LOW).
+ 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL): hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết
bị khác.
+ Arduino Uno R3 có 6 chân Analog từ A0 đến A5, đầu vào cung cấp độ
phân giải là 10 bit.

19


2. Mạch cảm biến MPU-6050

- MPU-6050 là một trong những giải pháp cảm biến chuyển động đầu

tiên trên thế giới có tới 6 trục cảm biến tích hợp trong 1 chip duy
nhất.
- MPU-6050 tích hợp 6 trục cảm biến bao gồm: Con quay hồi chuyển
3 trục và cảm biến gia tốc 3 chiều
- Ngồi ra, MPU-6050 cịn có 1 đơn vị tăng tốc phần cứng chuyên xử
lý tín hiệu (DSP) do cảm biến thu thập và thực hiện các tính toán cần
thiết. Điều này giúp giảm bớt đáng kể phần xử lý tính tốn của vi
điều khiển, cải thiện tốc độ xử lý và cho ra phản hồi nhanh hơn.
- Các cảm biến bên trong MPU-6050 sử dụng bộ chuyển đổi tương tự
- số 16-bit cho ra kết quả chi tiết về góc quay, tọa độ... Với 16-bit sẽ
có 216 = 65536 giá trị cho 1 cảm biến.
- MPU-6050 có thể kết hợp với cảm biến từ trường (bên ngoài) để
tạo thành bộ cảm biến 9 góc đầy đủ thơng qua giao tiếp I2C.
- Thông số kỹ thuật:
+ Chip : MPU-6050 tích hợp 6 trục cảm biến (Đo được 3 trục góc + 3
trục gia tốc)
+ Điện áp làm việc: 3 - 5V
20


+Giao tiếp: I²C
+Hỗ trợ ADC 16 Bit
+Độ phân giải góc (Gyroscope): ±250 ±500 ±1000 ±2000 dps
+Độ phân giải gia tốc (Acceleration): ±2 ±4 ±8 ±16g
+Kích thước: 20.2 x 15.5mm
-

Sơ đồ kết nốt cảm biến gia tốc

3. Mạch thu phát không dây NRF24L01

Tần số hoạt động: 2.4~2.525 GHz
Điện áp hoạt động thấp: 1.9~3.6VDC
Tốc độ truyền dữ liệu cao: 250Kb~2Mbps
Khoảng cách tối đa: 100m

21


4. Khung Quadcopter F450
- Trọng lượng: 283g
- Chiều dài đường chéo: 450mm
- Trọng lượng cất cánh: 800g ~ 1600g

5. Bộ điều khiển TX-RX FLYSKY I6
Thông số kỹ thuật TX FS-I6:
+ 6 kênh
22


Phạm Vi RF: 2.40-2.48 GHz
Bandwidth 500KHz
RF Power: ít hơn 20dBm
2.4 ghz hệ thống: AFHDS 2A và AFHDS
Chiều dài ANTEN 26mm*2 (ăng ten kép)
Power: 6 V 1.5AA * 4
-

Thông số kỹ thuật RX FS-iA6B

6 kênh

Phạm vi RF: 2.40-2.48 GHz
Bandwidth: 500KHz
RF Power: ít hơn 20dBm
RF receiver sensitivity: -105 dBm
2.4 ghz hệ thống: AFHDS 2S
Power: 4.0-6.5V
Kích thước 40.4x21.2x7.35 mm

23


6. Motor Himodel XXD A2212-1400KV không chổi than
-

Hiệu suất tối đa: 78%
Dịng tối đa 12A
Kích thước: 27,5x30 mm
Đường kính trục: 3,17 mm
Chiều dài trục 11mm
Trọng lượng: 47 g
Kích thước cánh quạt: 6 ~ 8 inch (11,1V)
Tốc độ: 14700rpm-17360rpm

24


7. Cánh 8045 Carbon 3K
- Kích thước: 8 x 4.5 ”
- Trọng lượng: 14 g mỗi cặp
- Đường kính lỗ: 5 mm


25