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

BÁO CÁO MÔN HỌC
Chủ đề: Hệ thống điều khiển UAV chữa cháy
Học phần

:

Kỹ thuật điện-điện tử trên máy bay

Lớp

:

124535

Giảng viên

:

TS. Phạm Gia Điền

Sinh viên thực hiện

:

Phạm Quang Hưng - 20186051
Trần Đức Thắng - 20186074
Nguyễn Văn Thành – 20186075

Nguyễn Tuấn Dũng – 20186037

Hà Nội, 2021


MỤC LỤC
MỤC LỤC
GIỚI THIỆU………………………………………………………………………………3
CHƯƠNG 1: Nguyên lý hoạt động
1.

Mô-men xoắn

2.

Trạng thái vịng xốy

3.

Kết cấu cơ khí

4.

Rơto đồng trục……………………………………………………………..6

CHƯƠNG 2: Thiết kế và cấu tạo
1.

Lựa chọn các bộ phận cơ bản


2.

Thông số chi tiết của các bộ phận

CHƯƠNG 3: Tính tốn lý thuyết và phần lập trình
1.

Phần tính tốn

2.

Phần lập trình

KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO

2


GIỚI THIỆU
Theo báo cáo giám sát do Phó Trưởng Đồn giám sát của Quốc hội, Chủ nhiệm Ủy ban
Quốc phòng và An ninh cho biết, trung bình mỗi ngày xảy ra 9 vụ cháy, làm chết hoặc bị
thương 1 người, thiệt hại khoảng 4,4 tỷ đồng. Giai đoạn từ tháng 7/2014 đến tháng
7/2018, cả nước vẫn xảy ra 13.149 vụ cháy, làm chết 346 người, bị thương 823 người;
thiệt hại về tài sản ước tính 6.524,8 tỉ đồng và 6.462 ha rừng.
Trung bình mỗi năm xảy ra 3.287 vụ cháy, làm chết 87 người, bị thương 206 người,
thiệt hại về tài sản trị giá 1.631,2 tỉ đồng và 1.615,5 ha rừng. Trung bình mỗi ngày xảy ra
9 vụ cháy, làm chết hoặc bị thương 1 người, thiệt hại về tài sản ước tính 4,4 tỉ đồng và 5,3
ha rừng. Địa bàn xảy cháy ở thành thị chiếm 60,11%, ở khu vực nông thôn chiếm
39,89%; cháy tại khu vực nhà dân 5.636 vụ (chiếm 42,86 %), tại cơ sở kinh tế tư nhân

4.861 vụ (chiếm 36,97%). Các vụ cháy có nguyên nhân do sự cố hệ thống, thiết bị điện
6.458 vụ (chiếm 57,27%), do sơ suất trong sử dụng lửa, xăng dầu và khí đốt 3.291 vụ
(chiếm 29,18%).
Các nguyên nhân gây cháy phổ biến ở khu vực dân cư là:
-

-

-

Do chập điện, sự cố máy móc, thiết bị trong các tịa nhà dễ dẫn đến cháy nổ. Hiện
tượng chập mạch điện không phải là điều hiếm thấy.
Hiện phần lớn các gia đình dùng gas để đun nấu và 1 số hành động bất cẩn như:
Khơng khóa van bình gas sau khi đun, quên tắt bếp gas, … có thể gây ra hỏa hoạn.
Phương án chữa cháy, cứu hộ, cứu nạn công trình được xây dựng khơng phù hợp
với đặc điểm thực tế của tịa nhà; nhiều cơ sở khơng tổ chức thực tập phương án
chữa cháy, cứu nạn định kỳ theo quy định. Khơng phổ biến các biện pháp thốt nạn
khi sự cố xảy ra.
Do nhiều căn hầm thuộc các khu chung cư là nơi lắp đặt các bốt điện, dàn tản nhiệt
điều hịa, nếu xảy ra tình trạng chập cháy, hàng trăm chiếc xe máy chứa đầy xăng
sẽ có nguy cơ cháy nổ.
Do các hộ gia đình thường bố trí vật dụng sinh hoạt trên lối thoát nạn như thang bộ,
của đi…làm tăng mức độ nguy hiểm khi có cháy xảy ra, làm ảnh hưởng đến cơng
tác tự thốt nạn, cứu nạn và cứu hộ. Đồng thời, những vật dụng bén lửa như rèm
cửa, đồ gỗ... trang trí thường được các hộ gia đình sử dụng.

3


Trong đó nhiệm vụ của các chiến sĩ cảnh sát phòng cháy chữa cháy là rất nặng nề và

ẩn chứa nhiều rủi ro và nguy hiểm trong công tác dập lửa và cứu người. Đã có rất nhiều
vụ việc thương tâm xảy ra do các chiến sĩ vì dân mà liều mình cứu người. Theo thống kê
của Cục Cảnh sát PCCC&CNCH, từ năm 2014 đến nay đã có 7 cán bộ, chiến sĩ cảnh sát
PCCC hy sinh, hàng chục người bị thương trong cuộc chiến chống giặc lửa.
Chính vì vậy nhóm chúng em đã nghĩ ra ý tưởng để giải quyết 1 phần vấn đề này giúp
các chiến sĩ cảnh sát phòng cháy chữa cháy dập tắt các đám cháy dễ dàng hơn.

4


CHƯƠNG 1: Nguyên lý hoạt động
1. Mô-men xoắn:
Điều khiển từ xa của thanh điều khiển → Bộ điều khiển chuyến bay trung tâm →
Mạch điều khiển tốc độ điện tử (ESC) → Động cơ và cánh quạt → Chuyển động
quadcopter hoặc lơ lửng trên không.
1.1. Sơ đồ mômen phản ứng trên mỗi động cơ của máy bay quadcopter, do rôto
quay. Các rôto 1 và 3 quay theo một hướng, trong khi các rôto 2 và 4 quay theo
hướng ngược lại, tạo ra các mômen đối nghịch để điều khiển.

1.2.

Một quadrotor di chuyển hoặc điều chỉnh độ cao của nó bằng cách áp dụng lực
đẩy bằng nhau cho tất cả bốn cánh quạt.

1.3.

Một quadrotor điều chỉnh góc nghiêng của nó bằng cách tác động nhiều lực
hơn vào các rôto quay theo một hướng.

5



1.4.

Một quadrotor điều chỉnh bước hoặc cuộn của nó bằng cách tác dụng nhiều lực
đẩy hơn vào một rôto (hoặc hai rơto liền kề) và ít lực đẩy hơn đối với rơto đối
diện theo đường kính.

2. Trạng thái vịng xốy:
Tất cả các quadcopters đều phải tuân theo khí động học của rotorcraft bình
thường, bao gồm cả trạng thái vịng xốy.
3. Kết cấu cơ khí:
Các thành phần cơ khí chính là thân máy bay hoặc khung, bốn rô-to, và động cơ.
Để có hiệu suất tối đa và các thuật tốn điều khiển đơn giản nhất, động cơ và cánh
quạt phải cách đều nhau.
4. Rơto đồng trụ:
Để có nhiều năng lượng hơn và ổn định hơn với trọng lượng giảm, quadcopters có
thể sử dụng rôto đồng trục.

6


CHƯƠNG 2: Thiết kế và cấu tạo
1. Liệt kê các bộ phận:
Trong drone bọn em thiết kế sẽ bao gồm 8 bộ phận chính:
-

Động cơ
Pin
Cánh quạt

ESCs
Khung
Súng bắn
Mạch Arduino
Bom chữa cháy
μIMU
Module Bluetooth
Camera
Tay điều khiển

2. Thông số các bộ phận:
- Động cơ: XRoto 8120 với công suất là 100kV và trọng lượng 645g

7


-

Pin:
* Trọng lượng: 5,5kg
* Dung lượng: 23000mAh
* Điện áp: 44,4V
* Kích thước: 207*91*150mm

8


-

Cánh quạt:

• Kích thước: 29*11 inch
• Khối lượng: 180g

-

ESCs: XRoto PRO Hv 80A FOC V3
9


• Khối lượng: 85g

-

Mạch Arduino: Adruino UNO R3

10


-

Khung:
• Tấm,thanh carbon: 2m x 2m
• Khối lượng: 1,5kg

11


-

μIMU-IMU: Micro MEMS

• IMU được hiệu chỉnh thu nhỏ với Gps tích hợp.
• 9 GPIO, 5 đầu ra Servo và 4 đầu vào tương tự

12


-

Camera: Tờn:
ã Zenmuse Z30
ã Kớch thc: 152 ì 137 ì 61 mm
• Trọng lượng: 556 g
• Zoom quang học 30x và zoom kỹ thuật số 6x cho tổng độ phóng đại lên đến
180x
• Phạm vi rung động góc: ± 0,01 °
• Gắn kết có thể tháo rời:
• Phạm vi có thể điều khiển: Pitch: + 40 ° đến -90 °, Yaw: ± 320 °
• Phạm vi cơ học: Pitch ': + 50 ° đến -140 °, Yaw: ± 330 °, Roll: + 90 ° đến
-50 °
• Tốc độ điều khiển tối đa: Pitch ': 180 ° / s, Yaw: 180 ° / s

13


-

Module Bluetooth: HC-05
• PCB Kích thước: 37.3mm (Dài) * 15.5mm (rộng)
• Trọng lượng: 3.5g
• Điện áp đầu vào: 3.6V - 6V, cấm vượt quá 7V

• Dây dẫn 6 chân: EN / VCC / GND / RXD / TXD / STATE (Dẫn trạng thái
Bluetooth, mức thấp của đầu ra không được kết nối, mức cao của đầu ra sau
khi kết nối)

14


• Sơ đồ lắp:

15


-

Bóng chữa cháy: AFO (Auto Fire Off)
• Phạm vi chữa cháy: 3m3
• Loại cháy áp dụng:A,B,C
• Dung tích: 1,3 Kg
• Vỏ đựng: Chai nhựa
• Kich thước:18x18x18 cm
• Độ Ph:8.7+-0.6 20*C
• Tỷ trọng:1.16+-0.06 20*C
• Thời hạn sử dụng:05 năm

16


-

Tay điều khiển: Futaba 10JH 10-Channel Heli T-FHSS Computer Radio

System
17


18


CHƯƠNG 3: Tính tốn số liệu và phần lập trình
1. Phần tính tốn:
- Sơ đồ mạch:

-

-

PID - Proportional Integral
Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ ( PID- Proportional Integral Derivative) là
một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (lý thuyết điều khiển tự động)|bộ điều
khiển]]) tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công
nghiệp – bộ điều khiển PID là bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất trong các
bộ điều khiển phản hồi. Bộ điều khiển PID sẽ tính tốn giá trị "sai số" là hiệu
số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn
Giải thuật tính tốn bộ điều khiển PID bao gồm 3 thơng số riêng biệt, do đó đơi
khi nó cịn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo
hàm, viết tắt là P, I, và D

19


-


Mơ hình cơ bản:

20


21


2. Phần lập trình:
Flight code của nhóm chúng em được lấy trên MultiWii. Ở đây, người ta đã phát triển
thuật toán cho drone cùng với rất nhiều các mẫu máy bay khác, bên cạnh đó cũng có rất
nhiều các lựa chọn được thiết lập sẵn có, chúng em chỉ cần lựa chọn những gì phù hợp
cho việc sử dụng drone.
Trong việc thiết lập drone, chúng em sử dụng cảm biến gia tốc MPU6050, cảm biến la
bàn HMC5883L và cảm biến áp suất MS5611 để có thể biết được các thơng số trạng thái
của drone và vị trí của drone so với hệ quy chiếu mặt đất.

22


Trong phần này, chúng em sẽ không đi quá sâu về mặt thuật toán được đưa ra như thế
nào mà chỉ nói khái qt về mặt ý tưởng tốn học của họ. Các bạn đọc có thể tải flight
code theo linh sau đây: Arduino multiwii flight controller (electronoobs.com).

Chúng em sử dụng cảm biến gia tốc MPU6050, cảm biến la bàn HMC5883L và cảm
biến áp suất MS5611. Tuy nhiên về phương thức làm việc của drone chỉ là phun thuốc trừ
sâu nên thơng số về mặt độ cao có thể dùng loại cảm biến siêu âm để có độ chính xác cao
hơn.
Tiếp đến, ta sang option config.h để lựa chọn loại máy bay và các cảm biến sử dụng.


23


Sang option config.h, ta chỉnh phần comment //#define QUADX sang
#define QUADX để lựa chọn model phù hợp với thuật toán đã được lập trình
sẵn.

Ở mục comment //#defind GY_86, ta chỉnh sang #defind GY_86 để lựa
chọn các cảm biến đang có để sử dụng, bao gồm MPU6050, HMC5883L và
MS5611.
Các thuật toán được sử dụng ở đây được viết trong môi trường có nhiễu
động nhỏ, từ các thơng số về góc và vận tốc góc theo các phương ROLL, PITCH
và YAW ở thờigian t của MPU6050, người ta sẽ tìm được trạng thái ở khoảng
thời gian ngay sau đó. Cùng với các phương trình động lực trong cơ học
Newton được xây dựng thì họ cũng sẽ tìm được gia tốc góc, quỹ đạo bay, … từ
đó kết hợp với cảm biến la bàn HMC5883L để tìm ra vị trí từ phương trình quỹ
đạo bay so với một điểm trên mặt đất. Còn cảm biến MS5611 đơn giản chỉ tìm ra
áp suất tại vị trí của nó thì sẽ tìm được khoảng cách hiện tại của nó so với mặt
đất. Dưới đây là các phương trình động học và động lực học có thể được sử dụng
để tìm cấc thơng số trạng thái của drone.

24


Tiếp đến, ta kết nối các cảm biến và sau đó upload phần code trong arduino
đã được thiết lập, mở phần mềm MultiWiiConf.exe, màn hình hiển thị ra giao
diện của phần mềm này.

25