BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC
SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO
CHẤT LƯỢNG CAO

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO
MÁY BAY 4 CÁNH QUADROCOPTER

GVHD: PGS.TS NGUYỄN TRƯỜNG THỊNH
SVTH: NGUYỄN HỮU CHỈNH
MSSV: 11146219
SVTH: ĐẶNG HỒI PHONG
MSSV: 11146202

SKL004076

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2015


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO
BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO
MÁY BAY 4 CÁNH QUADROCOPTER
GVHD: PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh

SVTH: Nguyễn Hữu Chỉnh – 11146219
Đặng Hoài Phong – 11146202

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2015


---o0o---

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Nguyễn Hữu Chỉ nh
Đặng Hoài Phong
Lớp 11146clc

Họ và tên:

MSSV: 11146219
MSSV: 11146202
Ngành Cơ điện tử

1.1.TÊN ĐỒ ÁN

NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO
MÁY BAY 4 CÁNH QUADROCOPTER
1.2.NHIỆM VỤ:
-

Thiết kế và xây dựng cơ khí máy bay Quadrocopter với các thiết bị tự tạo hoặc có sẵn.

-


Tìm hiểu lý thuyết và nguyên lý tổng quát về Quadrocopter.

-

Tìm hiểu thuật tốn PID, ngơn ngữ C++ và nền tảng ARM Cortex.

-

Thiết kế mạch thu thập và xử lí tín hiệu từ cảm biến giúp máy bay có thể tự giữ thằng bằng.

-

Thiết kế và chế tạo tay điều khiển từ xa.

1.

Ngày giao nhiệm vụ đề tài: 01/03/2015

2.

Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 01/07/2015

3.

Họ và tên giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh

4.

Họ và tên giáo viên phản biện:


Nội dung và yêu cầu đồ án tốt nghiệp đã thông qua bộ môn.
Ngày…tháng…năm 2015
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN:
Người duyệt (chấm sơ bộ): ...................
Đơn vị: ..................................................
Ngày bảo vệ: .........................................
Điểm tổng kết: ......................................
Nơi lưu trữ dự án ..................................
2


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
----***---

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Họ và tên sinh viên: Nguyễn Hữu Chỉnh
Họ và tên sinh viên: Đặng Hồi Phong
Ngành: Cơng nghệ kỹ thuật Cơ điện tử
Tên đề tài: NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MÁY BAY 4 CÁNH

QUADROCOPTER
Họ và tên giáo viên hướng dẫn: PSG.TS Nguyễn Trường Thịnh
NHẬN XÉT
1.


Về nội dung đề tài và khối lượng thực hiện:

......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................

2.

Ưu điểm:

......................................................................................................................................
......................................................................................................................................

3.

Khuyết điểm:

......................................................................................................................................
......................................................................................................................................

4.

Đề nghị cho bảo vệ hay không?

......................................................................................................................................

5.

Đánh giá loại:


......................................................................................................................................

6. Điểm: ....................... (Bằng chữ: .......................................................................... )
thán
g
Giáo viên hướng dẫn

Tp. Hồ Chí Minh, ngày

năm 2015


3


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
----***---

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Họ và tên sinh viên: Nguyễn Hữu Chỉnh
Họ và tên sinh viên: Đặng Hồi Phong
Ngành: Cơng nghệ kỹ thuật Cơ điện tử
Tên đề tài: NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MÁY BAY

QUADROCOPTER
Họ và tên giáo viên phản biện: PGS.TS Đỗ Thành Trung
NHẬN XÉT
1.


Về nội dung đề tài và khối lượng thực hiện:

......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................

2.

Ưu điểm:

......................................................................................................................................
......................................................................................................................................

3.

Khuyết điểm:

......................................................................................................................................
......................................................................................................................................

4.

Đề nghị cho bảo vệ hay không?

......................................................................................................................................

5.


Đánh giá loại:

......................................................................................................................................

6. Điểm: ....................... (Bằng chữ: .......................................................................... )
thán
g
Giáo viên phản biện

Tp. Hồ Chí Minh, ngày

năm 2015


4


LỜI CÁM ƠN



Lời đầu tiên chúng em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại Học Sư
Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cho sinh viên chúng em có một
mơi trường học tập thoải mái về cơ sở hạ tầng cũng như cơ sở vật chất.
Em cảm ơn các thầy cô trong khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao đã giúp chúng em mở
mang những kiến thức chuyên nghành và là nền tảng cho công việc của chúng em sau khi ra
trường. Và đặc biệt là những hiểu biết về các phương pháp tính tốn trong mạch điện, thuật
tốn trong lập trình, giao thức kết nối và giám sát hệ thống đang thực hiện trong nhà trường
và các hệ thống công nghiệp sau này.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Trường Thịnh đã hướng dẫn tận tình để

chúng em có thể hồn thành đồ án này đúng thời gian. Hi vọng thông qua những hiểu biết và
tìm hiểu của chúng em có thể giúp các bạn hiểu và nắm rõ hơn về mô hình máy bay 4 cánh
quadcopter.
Em cũng xin chân thành cám ơn bố mẹ, anh chị, những người bạn đã hết lòng quan
tâm, giúp đỡ, động viên và tạo điều kiện thuận lợi để chúng em có thể hồn thành đồ án này
một cách tốt đẹp.
Đồ án được thực hiện trong khoảng thời gian 4 tháng. Bước đầu đi vào thực tế, tìm
hiểu kiến thức của em cịn hạn chế và cịn nhiều bỡ ngỡ. Do vậy, khơng tránh khỏi những
thiếu sót là điều chắc chắn, em rất mong nhận đượcnhững ý kiến đóng góp q báu của q
Thầy Cơ, các anh chị khóa trước và các bạn cùng lớp để em có thể rút kinh nghiệm và hồn
thiện sản phẩm của mình hơn. Và em cũng rất mong muốn nhận được những ý tưởng thú vị
từ quý Thầy cô và các bạn để chúng em có thể cải tiến sản phẩm thành một thiết bị có ích
hơn trong cuộc sống cũng như làm được nhiều việc hơn nữa.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 1 tháng 7 năm 2015
Nhóm thực hiện
Nguyễn Hữu Chỉnh
Đặng Hoài Phong

5


TÓM TẮT BÁO CÁO

Mục tiêu của đề tài là thiết kế mơ hình quadrocopter sử dụng cảm biến IMU (Inertial
Measurement Unit) 6DOF ( 3 trục con quay hồi chuyển và 3 trục gia tốc) để giúp máy bay tự
giữ thăng bằng trên không. Không giống như helicopter, quadcopter sử dụng 4 động cơ
brushless (động cơ không chổi than) được lắp đối xứng với nhau tạo thành một khung hình
chữ thập, dễ dành di chuyển mọi hướng trong không gian và có khả năng đứng n một chỗ
trên khơng mà cơ khí lại dễ dàng chế tạo.

Trong q trình thiết kế, đã tìm hiểu về cách điều khiển tốc độ động cơ brushless
(BLDC) bằng cách điều chỉnh độ rộng xung PWM qua một bộ ESC (Electronic Speed
Controller). Đã tìm hiểu về cách đọc dữ liệu từ Gyroscope (con quay hồi chuyển) và
Accelerometer (gia tốc), cách tính tốn và kết hợp dữ liệu để tính ra 3 góc lệch của cảm biến
theo 3 trục là roll, pitch, yaw. Sử dụng bộ lọc bù (Complementary Filter) để chống nhiễu do
rung động khi brushless hoạt động.
Thiết kế và chế tạo tay điều khiển từ xa sử dụng module RFM22B. Tìm hiểu phương
thức giao tiếp (SPI), cách truyền và phát dữ liệu. Module truyền nhận giao tiếp với nhau
thơng qua sóng RF có tần số 868Mhz là một tần số không phổ biến trong đời sống, giúp tín
hiệu rất khó bị ảnh hưởng bởi nhiễu làm sai q trình điều khiển.
Sử dụng thuật tốn PID, lấy tín hiệu hồi tiếp từ IMU, kết hợp với các thơng số Kp, Ki,
Kd đã đặt trước tính tốn giá trị PWM cho mỗi động cơ, giúp quadrocopter có thể tự cân
bằng trên không.

6


ABSTRACT

The aim of project is to design Quadrocopter using IMU (Inertial Measurement Unit)
sensor 6DOF (gyroscope and accelerometer). It helps Quadrocopter keep the balance in midair. It is different from Helicopter when Quarocopter uses 4 brushless motors (BLDC). The
motors are assembled symmetry to each other to become a cross frame. It will make the
Quadrocopter easy to move in all directions and able stand still balance in midair.
During the design process, we find out that BLDC can control by adjusting pulse
of PWM through ESC (Electronic Speed Controller). We learned how to read the data
from Gyroscope and Accelerometer, how to combine all the data and parameter to
calculate the error angle from three sensors according three axes roll, pitch, yaw. We also
use Complementary filter to against noise due to vibration when BLDC is running.
We learn communication method call as SPI how it transmit and receive the data. We
use module RFM22B for portable remote controller. The module communication to each

other through RF (Radio Frequency) which have f = 868Mhz. The RF is an uncommon
frequency in daily life so it will have less noise control.
Use PID algorithm to get the feedback signals from IMU. Combining the Kp, Ki,
Kd parameter that have a default setting to calculate PWM value for each motors. It will
help Quadrocopter auto balance in midair.

7


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP..........................................................................................................2
PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN............................................................................... 3
PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN.................................................................................. 4
LỜI CÁM ƠN.................................................................................................................................................. 5
TÓM TẮT BÁO CÁO..................................................................................................................................... 6
ABSTRACT..................................................................................................................................................... 7
MỤC LỤC........................................................................................................................................................ 8
DANH MỤC HÌNH....................................................................................................................................... 11
DANH MỤC BẢNG...................................................................................................................................... 13
CÁC QUY ƯỚC VÀ CÁC HẰNG SỐ LIÊN QUAN.................................................................................. 14
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN......................................................................................................................... 15
1.1 Khái niệm............................................................................................................................................. 15
1.2 Lịch sử Quadrocopter......................................................................................................................... 15
1.3 Tình hình nghiên cứu ở nước ngồi................................................................................................... 17
1.4 Tình hình nghiên cứu trong nước....................................................................................................... 18
1.5 Ưu nhược điểm.................................................................................................................................... 19
1.5.1 Ưu điểm....................................................................................................................................19
1.5.2 Nhược điểm..............................................................................................................................20
1.6 Ứng dụng............................................................................................................................................. 20
1.7 Nội dung nghiên cứu của đề tài.......................................................................................................... 20

1.8 Phương pháp và phương tiện nghiên cứu.......................................................................................... 21
1.9 Mục tiêu............................................................................................................................................... 21
CHƯƠNG II: THIẾT KẾ CƠ KHÍ............................................................................................................. 22
2.1 Khung Quadrocopter.......................................................................................................................... 22
2.2 Cánh Quadrocopter............................................................................................................................ 23
CHƯƠNG II: LÝ THUYẾT TIẾP CẬN...................................................................................................... 25
2.1 Lý thuyết điều khiển Quadrocopter................................................................................................... 25
2.2 Mơ hình toán học Quadrocopter........................................................................................................ 29
2.2.1 Động học...................................................................................................................................30
2.2.1 Động lực học.............................................................................................................................32

8


2.3 Hệ thống dẫn đường quán tính INS ..............................................................................................
2.3.1 Khái niệm .............................................................................................................................
2.3.2 Phân loại hệ thống dẫn đường quán tính ...............................................................................
2.3.3
2.4

Các sai số hay gặp trong hệ thống INS ................

Các tính tốn xử lý dữ liệu sơ bộ từ cảm biến ................................................

2.4.1

Xử lý dữ liệu từ cảm biến trọng trường (acceller

2.4.2


Xử lý dữ liệu từ cảm biến từ trường .................

2.4.3

Xử lý dữ liệu tử cảm biến vận tốc góc (Gyro) .....

2.5

Bộ lọc bù ........................................................................................................

2.6

Động cơ không chổi than BLDC ....................................................................

2.6.1

Giới thiệu chung ...............................................

2.6.2

Cấu tạo .............................................................

2.6.3 Phương pháp điều khiển động cơ .........................................................................................
2.5

Giám sát và điều khiển bằng máy tính sử dụng C++ và STMStudio .............

2.5.1 Giới thiệu chung về C++ và STMStudio ...................................................................................
2.5.2 Cách xây dựng một giao diện người dùng ..............................................................................
CHƯƠNG III: XÂY DỰNG QUADROCOPTER................................................................................

3.1

Mục tiêu thiết kế ............................................................................................

3.2

Sơ đồ khối tổng thể của hệ thống ...................................................................

3.3

Thiết kế phần điện cho Quadrocopter ...........................................................

3.3.1 Motor ...................................................................................................................................
3.3.2

Bộ điều tốc (ESC) ...............................................

3.3.3

Vi xử lí trung tâm ..............................................

3.3.4 Cảm biến MPU6050 ..............................................................................................................
3.3.5

Battery ..............................................................

3.3.6 Moudule RFM22B .................................................................................................................
CHƯƠNG IV: GIẢI THUẬT VÀ LẬP TRÌNH XỬ LÍ .......................................................................
4.1


Sơ đồ khối điều khiển trên quadcopter ..........................................................

4.2

Chương trình giao tiếp với controller bằng máy tính ....................................

4.3

Giải thuật điều khiển .....................................................................................

4.3.1

Giải thuật chính .................................................

4.3.2

Giải thuật điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID

CHƯƠNG V: KẾT LUẬN...................................................................................................................

9


5.1 Những kết quả đạt được..................................................................................................................... 62
5.2 Những kết quả chưa đạt và biện pháp khắc phục............................................................................. 63
5.3 Hướng phát triển của đề tài................................................................................................................ 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................................................64

10



DANH MỤC HÌNH
Hình 1 Phân loại vật thể bay........................................................................................................................ 15
Hình 2 Breguet – Richet Gyroplane No.1.................................................................................................... 16
Hình 3 Quadcopter của TEDGlobal............................................................................................................ 17
Hình 4 AR.Drone của hãng Parrot............................................................................................................... 17
Hình 5 Mơ hình máy bay nghiệm thu tại Sở Khoa học – Cơng nghệ........................................................ 18
Hình 6 Mơ hình quadcopter tại câu lạc bộ mơ hình................................................................................... 19
Hình 7 Fram X650......................................................................................................................................... 22
Hình 8 Các loại cánh quạt............................................................................................................................ 23
Hình 9 Thơng số A – chiều dài cánh quạt.................................................................................................... 23
Hình 10 Thơng số B – góc xốy đều nhau của mỗi bên cánh quạt............................................................. 23
Hình 11 Cánh Emax 10x4.5.......................................................................................................................... 24
Hình 12 Định nghĩa các hướng chuyển động của Quadrocopter............................................................... 25
Hình 13 Hover............................................................................................................................................... 26
Hình 14 Throttle............................................................................................................................................ 26
Hình 15 Roll................................................................................................................................................... 27
Hình 16 Pitch................................................................................................................................................. 27
Hình 17 Yaw................................................................................................................................................... 28
Hình 18 Các hướng di chuyển khác nhau của Quadrocopter.................................................................... 28
Hình 19 Hệ tọa độ quán tính và hệ tọa độ vật thể....................................................................................... 29
Hình 20 Các các lực và moment tác dụng lên Quadrocopter..................................................................... 32
Hình 21 Trục tọa độ của hệ thống INS......................................................................................................... 33
Hình 22 Hệ thống kiểu Gimbal.................................................................................................................... 34
Hình 23 Tính tốn góc góc nghiêng từ accelerometer................................................................................. 36
Hình 24 Tính tốn góc xoay (Yaw) từ magnetomter................................................................................... 37
Hình 25 Bộ lọc bù ( Complementary Filter)................................................................................................ 40
Hình 26 BLDC Sunnysky A2212 980kv....................................................................................................... 41
Hình 27 Cấu tạo của động cơ BLDC............................................................................................................ 41
Hình 28 Điều khiển BLDC bằng cách điều xung PWM............................................................................. 42

Hình 29 Sơ đồ khối tổng thể của hệ thống................................................................................................... 44
Hình 30 Sunnysky A2212-13 980KV............................................................................................................ 45
Hình 31 Thơng số động cơ Sunnysky A2212-13.......................................................................................... 45
Hình 32 ESC Turnigy Plush 30A.................................................................................................................. 46
Hình 33 STM32F4 Discovery....................................................................................................................... 47
Hình 34 MPU6050......................................................................................................................................... 48
Hình 35 Sơ đồ kết nối MPU6050 với vi điều khiển..................................................................................... 48
Hình 36 Pin LiPo Wild Scorpion 2200 mah, 35C........................................................................................ 49
Hình 37 Sơ đồ khối tay điều khiển............................................................................................................... 50
Hình 38 Schematic of Controller.................................................................................................................. 52
Hình 39 Layout of Controller....................................................................................................................... 52
Hình 40 Sơ đồ điều khiển Quadrocopter..................................................................................................... 53
Hình 41 Sơ đồ khối........................................................................................................................................ 54

11


Hình 42 Sơ đồ khối điều khiển trên quadcopter......................................................................................... 55
Hình 43 Giao diện giao tiếp bằng C++......................................................................................................... 55
Hình 44 Sơ đồ khối điều khiển quadcopter từ máy tính............................................................................. 56
Hình 45 Giải thuật chính điều khiển Quadrocopter................................................................................... 57
Hình 46 Diagram block of PID..................................................................................................................... 58
Hình 47 Cấu trúc hệ điều khiển................................................................................................................... 59
Hình 48 Sơ đồ tín hiệu điều khiển PID hiện tại........................................................................................... 59
Hình 49 Sơ đồ khối thuật tốn điều khiển động cơ..................................................................................... 60
Hình 50 Mơ hình Quadcopter trong đồ án.................................................................................................. 61

12



DANH MỤC BẢNG
Bảng 1 Lỗi gây ra bởi cảm biến quán tính.................................................................................................. 35

13


CÁC QUY ƯỚC VÀ CÁC HẰNG SỐ LIÊN QUAN
Roll : góc xoay quanh trục x
Pitch : góc xoay quanh trục x
Yaw : góc xoay quanh truc z
ɸ: giá trị của góc Roll
θ: giá trị của góc Pitch
Ψ: giá trị của góc yaw

P:

vận tốc góc quay quanh trục x của vật thể

Q:

vận tốc góc quay quanh trục y của vật thể

R:

vận tốc góc quay quanh trục z của vật thể

M: khối lượng của Quarocopter
FE: vector lực trong hệ trục E
⃗⃗⃗ : vector gia tốc dài trong hệ trục E


⃗⃗⃗ : vector gia tốc dài trong hệ trục B

I: ma trận quán tính trong hệ trục B
⃗̈

: vector gia tốc góc trong hệ trục E

:vector gia tốc góc trong hệ trục B

14


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1 Khái niệm
Quadrocopter là một máy bay có khả năng bay được trên khơng với bất kì hướng nào
do lực nâng được cung cấp bởi bốn cánh quạt gắn đối xứng quanh trục tạo thành hình chữ
thập. Nó là một phương tiện hồn tồn khác so với may bay trực thăng (helicopter), chủ yếu
do cách kiểm soát về góc nghiêng và hướng di chuyển của mỗi loại. Helicopter có thể thay
đổi góc của bản thân cánh quạt trung tâm bằng cách truyền động cịn quadrocopter thì
khơng. Vì thế việc thiết kế Quadrocopter đơn giản hơn rất nhiều so với helicopter.
Hiện nay, Quadrocopter được nghiên cứu rộng rãi trong các lĩnh vực: quân sự, giao
thông vận tải, phương tiện bay khơng người lái (UAV) và giải trí. Quadrocopter có lợi thế
hơn so với máy bay cánh bằng vì nó có thể di chuyển đa hướng trong khơng trung, có khả
năng cất cánh và hạ cánh theo phương thẳng đứng, việc di chuyển một cách linh hoạt này là
một lợi thế rất lớn đối với những mơ hình máy bay giúp nó có thể di chuyển vào những
khoảng khơng gian chật hẹp và an toàn hơn so với người sử dụng.
1.2 Lịch sử Quadrocopter
Có thể phân loại vật thể bay ra thành các loại như sau:

Hình 1 Phân loại vật thể bay

15


Chiếc Quadrocopter đầu tiên trên thế giới do anh em người Pháp Louis và Jacques Breguet
cùng giáo sư Charles Richet cho ra đời vào năm 1907. Nó được mang tên là “Breguet –
Richet Gyroplane No.1” như hình 2 bên dưới. Yêu cầu đưa ra là nó có thể cất cánh khỏi mặt
đất với một phi công. Một động cơ 8 xy-lanh được sử dụng để quay 4 cánh quạt. Mỗi cách
có 4 bản cánh. Hệ thống dây đai và pu-li được gắn lên nhằm truyền động từ động cơ sang
các cánh. Bộ khung của Quadrocopter này làm từ các ống thép. Tổng trọng lượng của nó vào
khoảng 575Kg. Lần bay thử nghiệm đầu tiên diễn ra tại Douai – Pháp vào năm 1907, nó đã
có thể nâng cao khỏi mặt đất 1.5m.

Hình 2 Breguet – Richet Gyroplane No.1
/>
16


1.3 Tình hình nghiên cứu ở nước ngồi
Vì tính chất đơn giản trong kết cấu cơ khí, linh động trong việc điều khiển cũng
như khả năng ứng dụng thực tế cao, mơ hình quadcopter đã và đang được nhiều hãng trên
thế giới nghiên cứu và phát triển trở thành sản phẩm thương mại.
Dưới đây là một số sản phẩm điển hình:
Sản phẩm của phịng thí nghiệm TEDGlobal

Hình 3 Quadcopter của TEDGlobal
/>w=900&h= 562

Gần đây, vào tháng 6 năm 2013, Raffaello D'Andrea đã trình diễn quadcopters bay
của mình. Chiếc quadcopter này có khả năng suy nghĩ như một “vận động viên”. Nó có khả
năng đánh chính xác quả bong được ném ra, giữ thăng bằng ly nước để trên nó, thực hiện

các động tác nhào lộn… Có thể nói đây là một trong những bước tiến rất lớn trong việc
nghiên cứu và phát triển quadcopter.
Sản phẩm AR.Drone của hãng Parrot

Hình 4 AR.Drone của hãng Parrot
17


AR.Drone là sản phẩm chạy trên iPhone với mục đích giải trí. Sản phẩm này sử dụng
pin Lion có khả năng bay 15 phút, nó được làm từ sợi Carbon và xốp với kích thước và khối
lượng rất nhỏ ( AR.Drone chỉ nặng 400g). AR,Drone được trang bị 2 camera, kết nối và
được điều khiển trực tiếp từ điện thoại qua sóng wifi. Những hình ảnh thu được từ camera sẽ
hiển thị trực tiếp trên điện thoại giúp người dùng điều khiển dễ dàng và an toàn hơn.
AR.Drone được bán với giá 299USD tại Mỹ.
1.4 Tình hình nghiên cứu trong nước
Mơ hình quadcopter do nhóm kỹ sư Lê Cơng Danh thực hiện
Ngày 1/12/2009 sở Khoa học – Công nghệ thành phố Hồ Chí Minh đã nghiệm thu
cơng trình “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mơ hình máy bay lên thẳng bốn chong chóng có
khả năng tự di cân bằng và di chuyển trong nhà” như hình 5 bên dưới, do kỹ sư Lê Cơng
Danh, giảng viên Khoa cơ khí, trường Đại học giao thông vận tải thành phố Hồ Chí Minh
làm chủ nhiệm, kỹ sư Phan Ngọc Huy là người nghiên cứu chính. Để đảm bảo độ nhẹ của
mơ hình, nhóm nghiên cứu đã sử dụng vật liệu là nhôm và sợi Carbon để chế tạo khung máy
bay. So với các máy bay mơ hình đang bán trên thị trường, sản phẩm này có mạch điều
khiển phức tạp hơn, giúp người sử dụng dễ dàng điều khiển hơn, người chưa sử dụng bao
giờ cũng có thể điều khiển được.

Hình 5 Mơ hình máy bay nghiệm thu tại Sở Khoa học – Công nghệ
/>18



Chế tạo quadcopter tại các câu lạc bộ mơ hình
Trong năm 2010 đến nay, từ thành công của kỹ sư Phạm Ngọc Huy ở trên, việc chế
tạo quadcopter đã trở thành trào lưu lớn trong các nhóm chơi máy bay mơ hình. Kết quả là
nhiều mơ hình quadcopter đã bay lên từ đam mê của những người chế tạo. Tuy nhiên, những
mơ hình này thường được mua sẵn cả phần mạch điều khiển, ít người tự xây dựng và chế tạo
phần điều khiển này.

Hình 6 Mơ hình quadcopter tại câu lạc bộ mơ hình
/>1.5 Ưu nhược điểm
1.5.1 Ưu điểm


Khả năng lơ lửng trên khơng ở tầm thấp.



Cơ khí đơn giản, không cần bộ truyền động như helicopter.



Di chuyển dễ dàng ở những địa hình gặp nhiều chướng ngại.

 Khả năng di chuyển cực kì cơ động, có thể tới, lui, trái, phải một cách dễ
dàng.


Khả năng cất cánh và hạ cánh theo phương thẳng đứng.
19



1.5.2 Nhược điểm


Sử dụng nhiều động cơ nên tốn nhiều năng lượng



Tốc độ di chuyển tương đối chậm



Lập trình điều khiển phức tạp

1.6 Ứng dụng
Trong những năm gần đây, đặc biệt là do những tiến bộ trong hệ thống điện, năng
lượng ắc quy, thiết bị truyền động và những board điều khiển tích hợp nhỏ hơn, một số
nghiên cứu phát triển phương tiện di chuyển trên không không người lái (UAV) như
quadcopter đã được thực hiện, không chỉ ở các trường đại học và các tổ chức nghiên cứu để
phát triển các ứng dụng dân sự mà còn phục vụ cho mục đích quân sự.
Mặt khác, việc tích hợp camera và hệ thống định vị tồn cầu (GPS) thì việc tự động di
chuyển đến một nơi đã được lập trình sẵn là điều khơng khó. Điều này phù hợp với nhu cầu
và xu thế hiện nay, tương lai chúng ta đang hướng một ngành cơng nghiệp robot hồn thiện
và giúp cho cuộc sống của con người thuận tiện và năng suất hơn.
Về mặt công nghệ, Quadrocopter là một bước đệm quan trọng để phát triển và thay
thế các phương tiện di chuyển trên không hiện nay khi việc thiết kế cơ khí của máy bay là
khá phức tạp.

1.7 Nội dung nghiên cứu của đề tài
Quadrocopter là một đề tài khó, đòi hỏi kiến thức ở nhiều lĩnh vực như: thiết kế cơ
khí, thiết bị bay, khí động học, động lực học, xử lí tín hiệu số, mạch điện tử, vi điều khiển,

giao tiếp máy tính, truyền thơng vơ tuyến, lập trình điều khiển, lập trình giao diện v.v… Do
đó, địi hỏi mỗi thanh viên trong nhóm phải nổ lực hết mình để có thể hồn thành được đề
tài.
Các vấn đề chính của đề tài:


Tìm hiểu ngun lý điều khiển, nghiên cứu động học, động lực học và mơ

hình tốn của Quadrocopter.
20




Lắp ráp cơ khí



Thiết kế hệ thống điều khiển



Xây dựng thuật toán điều khiển

Do điều kiện hạn chế về kinh phí, thời gian thực hiện ngắn và khả năng kiến
thức trong lĩnh vực còn hạn hẹp nên đề tài được giới hạn trong các điều kiện sau:


Nghiên cứu và chế tạo mơ hình Quadrocopter sử dụng loại động cơ cơng


suất trung bình và bộ điều tốc ESC


Xử lí tín hiệu các cảm biến gyroscope và accelerometer để điều

khiển Quadrocopter cân bằng, chưa quan tâm đến điều khiển hướng bay
của mô hình.
1.8 Phương pháp và phương tiện nghiên cứu
Về phương pháp nghiên cứu:





Tìm hiểu các tài liệu và thiết kế hiện có trong và ngồi nước.



Tiến hành thiết kế cơ khí, chọn khung, động cơ và cánh cho máy bay.



Tiến hành thiết kế hệ thống điện và phần mềm điều khiển.

Tiến hành thực nghiệm, đo đạc, vẽ đồ thị, phân tích và hiệu chỉnh cân bằng.

Về phương tiện nghiên cứu:


Sử dụng board STM32F4 Discovery làm mạch điều khiển




Truyền tín hiệu điều khiển bằng sóng RF thơng qua module RFM22B



Giám sát từ máy tính dùng phần mềm STMStudio, C++.

1.9 Mục tiêu
Mục tiêu quan trọng nhất của thiết kế là phải xây dựng một Quadrocopter đáp ứng
đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật và phù hợp với nhu cầu sử dụng. Ở đây, nhóm sẽ xác định
nhiệm vụ là xây dựng một mẫu thử nghiệm Quadrocopter phù hợp cho việc bay ngồi trời.
Thơng số kỹ thuật cho mơ hình Quadrocopter của nhóm là:


Tổng khối lượng khơng được vượt q 2 kg.



Motor có khả năng nâng được khoảng 1 kg/ 1 motor.



Khả năng bay ngoài trời từ 5 – 10 phút.



Khoảng cách điều khiển từ 100 – 200 mét outdoor
21



CHƯƠNG II: THIẾT KẾ CƠ KHÍ
2.1 Khung Quadrocopter
Do điều kiện hạn chế về kinh phí, thời gian thực hiện ngắn và khả năng kiến thức trong
lĩnh vực cơ khí cịn hạn hẹp nên nhóm đã quyết định mua khung có sẵn (Hình 7) để có thời
gian tập trung vào phần điều khiển.
Yêu cầu chung của thiết bị là phải nhẹ và đảm bảo chịu ứng suất, sức căng tốt nên
nhóm quyết định sử dụng vật liệu là nhôm để chế tạo
Yêu cầu thứ hai là trục quay của các cánh quạt phải thật sự vng góc với mặt phẳng
khung chữ thập để không gây ra các sai số so với mơ hình tốn đã xây dựng
Để Quadrocopter đạt được sự ổn định và dễ canh chỉnh trong quá trình thực nghiệm thì sự
đối xứng của Quadrocopter là thực sự cần thiết. Vì thế nhóm đã sử dụng Frame X650 có:


Trọng lương : 535g



Vật liệu 2 trục : nhôm



Chiều mỗi trục : 650 mm



Vật liệu đế trung tâm: sợi thủy tinh dày 1.5mm

Hình 7 Fram X650

/>22