BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ
THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG

THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH
MÁY BAY QUADCOPTER

GVHD: ThS.NGUYỄN ĐÌNH PHÚ
SVTH: LƯƠNG QUỐC ÂN
MSSV: 12141009
SVTH: PHAN NGỌC TƯỜNG
MSSV: 12141719

SKL004488

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01/2017


BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP
---------------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MƠ
HÌNH MÁY BAY QUADCOPTER

GVHD: ThS.Nguyễn Đình Phú
SVTH1: Lương Quốc Ân
SVTH2: Phan Ngọc Tường
MSSV1: 12141009
MSSV2: 12141719

Tp. Hồ Chí Minh – 01/2017


BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP
---------------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THƠNG
ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ
HÌNH MÁY BAY QUADCOPTER
GVHD : ThS. Nguyễn Đình Phú
SVTH1: Lương Quốc Ân
SVTH2: Phan Ngọc Tường
MSSV: 12141009
MSSV: 12141719


Tp. Hồ Chí Minh – 01/2017
i


TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT
TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

Tp. HCM, ngày 13 tháng 1 năm 2017

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:

Chuyên ngành:
Hệ đào tạo:
Khóa:

Lương Quốc Ân
Phan Ngọc Tường
Công nghệ kỹ thuật điện tử truyền thông
Đại học chính quy
2012

I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH MÁY BAY
QUADCOPTER
II. NHIỆM VỤ

1. Các số liệu ban đầu:
(ghi những thơng số, tập tài liệu tín hiệu, hình ảnh,…) ...............................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
2.
Nội dung thực hiện:
 Trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nôi dung nghiên cứu,
các giới hạn thông số và bố cục đồ án.
 Trình bày cơ sở lý thuyết về các linh kiện, lý thuyết động học, động lực học, điện
tử cơ bản,...
 Thiết kế mạch nguyên lý, mạch trung tâm cho robot, và nghiên cứu tính tốn các
thuật tốn PID, kalman,...
 Trình bày kết quả thực hiện được, nhận xét robot đã hoàn chỉnh hay chưa, cần
cải tiến vấn đề gì?
 Đưa ra kết luận, trình bày hướng phát triển và ứng dụng của robot.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
10/10/2016
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 13/01/2017
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS.Nguyễn Đình Phú.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

ii


TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT
TP. HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

Tp.HCM, ngày 13 tháng 01 năm 2017

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: Lương Quốc Ân .................................................................................
Lớp: 12141DT1A ..........................................................
Họ tên sinh viên 2: Phan Ngọc Tường ..............................................................................
Lớp: 12141DT1A ..........................................................
Tên đề tài: Thiết kế và thi công mơ hình máy bay Quadcopter ........................................
...........................................................................................................................................
Tuần/ngày
Tuần 1
Tuần 2

Tuần 3
Tuần 4
Tuần 5
Tuần 6
Tuần 7
Tuần 8
Tuần 9
Tuần 10
Tuần 11
GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)


iii


LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này là do tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và khơng sao chép
từ tài liệu hay cơng trình đã có trước đó.

Người thực hiện đề tài
Lương Quốc Ân & Phan Ngọc Tường

iv


LỜI CẢM ƠN
Trên thực tế khơng có sự thành cơng nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ,
giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác. Suốt thời gian từ khi
bắt đầu học tập ở giảng đường đại học đến nay, em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm,
giúp đỡ của q Thầy Cơ, gia đình và bạn bè.
Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý Thầy Cô ở Khoa Điện Điện Tử
– Trường Đại Học sư phạm kỹ thuật đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền
đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học tập tại trường.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Đình Phú đã tận tâm hướng dẫn chúng
em qua những buổi nói chuyện, thầy đã chỉ dạy chúng em ra hướng đi đúng đắn nhất để
hồn thành đồ án này. Nếu khơng có những lời hướng dẫn, dạy bảo của thầy thì em nghĩ
đồ án này của em rất khó có thể hoàn thiện được. Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn
thầy.
Em cũng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn lớp 12141DT1 đã chia sẻ trao đổi kiến
thức cũng như những kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài.
Cảm ơn đến cha mẹ,…

Xin chân thành cảm ơn!

Người thực hiện đề tài
Lương Quốc Ân & Phan Ngọc Tường

v


MỤC LỤC
Trang bìa...................................................................................................................................................... i
Nhiệm vụ đồ án........................................................................................................................................ ii
Lịch trình................................................................................................................................................... iii
Cam đoan................................................................................................................................................... iv
Lời cảm ơn.................................................................................................................................................. v
Mục lục....................................................................................................................................................... vi
Liệt kê hình vẽ......................................................................................................................................... ix
Liệt kê bảng vẽ …………………………………………………………………… xi
Tóm tắt...................................................................................................................................................... xii

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN....................................................................................................... 1
1.1. Đặt vấn đề..................................................................................................................................... 1
1.2. Mục tiêu......................................................................................................................................... 2
1.3. Nội dung nghiên cứu................................................................................................................. 2
1.4. Giới hạn......................................................................................................................................... 2
1.5. Bố cục............................................................................................................................................. 3

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT....................................................................................... 4
2.1 Lý thuyết bay, điều khiển của quadcopter......................................................................... 4
2.2 Động học và phương trình tốn học.................................................................................... 5
2.2.1 Lý thuyết điều khiển quadcopter....................................................................................... 5

2.2.2 Lý thuyết chuyển động của quadcopter và mơ hình động lực học.......................6
2.2.3 Mơ hình tính tốn khí động lực học................................................................................. 8
2.2.4 Tính tốn các thơng số chế tạo........................................................................................... 8
2.3 Lý thuyết bộ điều khiển PID.................................................................................................. 9
2.3.1 Khâu tỉ lệ................................................................................................................................. 10
2.3.2 Khâu tích phân...................................................................................................................... 11
2.3.3 Khâu vi phân.......................................................................................................................... 12
2.3.4 Xây dựng thuật toán điều khiển...................................................................................... 12
2.4 Lưu đồ điều khiển cất cánh, hạ cánh, tới lùi, trái phải............................................... 13
2.4.1 Lưu đồ điều khiển cất cánh, hạ cánh............................................................................. 13
vi


2.4.2 Lưu đồ điều khiển tiến lùi................................................................................................. 14
2.4.3 Lưu đồ điều khiển trái phải............................................................................................... 15
2.5 Giới thiệu linh kiện.................................................................................................................. 17
2.5.1 Động cơ DC không chổi than (BRUSHLESS DC MOTOR)..............................17
2.5.1.1 Giới thiệu chung................................................................................................................ 17
2.5.1.2 Cấu tạo.................................................................................................................................. 18
2.5.1.3 Nguyên lý hoạt động và điều khiển động cơ.......................................................... 18
2.5.1.4 Một số loại động cơ dùng trong quadcopter........................................................... 21
2.5.2 Bộ điều tốc – ESC( Electronic speed controler)....................................................... 23
2.5.2.1 Giới thiệu chung................................................................................................................ 23
2.5.2.2 Cấu tạo và kết nối ESC.................................................................................................. 23
2.5.3 Cảm biến cân bằng Gyroscape L3G4200D................................................................ 24
2.5.3.1 Giới thiệu............................................................................................................................. 24
2.5.3.2 Cấu tạo chi tiết................................................................................................................... 26
2.5.4 Board điều khiển – Board Arduino Uno...................................................................... 26
2.5.4.1 Giới thiệu chung................................................................................................................ 26
2.5.4.2 Cấu tạo.................................................................................................................................. 27

2.5.5 Nguồn cấp (Pin Li-po)........................................................................................................ 28
2.5.5.1 Giới thiệu chung................................................................................................................ 28
2.5.5.2 Dung lượng pin.................................................................................................................. 29
2.5.6 Cánh quạt................................................................................................................................. 30
2.5.7 Bộ RX – TX và tay cầm Flysky I6................................................................................ 30
2.5.7.1 Giới thiệu chung................................................................................................................ 30
2.5.7.2 Thông số kỹ thuật............................................................................................................. 31

CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ. ................................................
3.1

GIỚI THIỆU ............................................................

3.2

Tính tốn và thiết kế hệ thống .................................

3.2.1

Thiết kế sơ đồ khối hệ thống .............

3.2.2

Tính tốn và thiết kế mạch ................

3.2.3

Sơ đồ ngun lý của tồn mạch ........

CHƯƠNG 4. THI CƠNG HỆ THỐNG ......................................................



4.1

Giới thiệu. .........................................................................................

4.2

Thi cơng hệ thống ...............................................................................

4.2.1

Lắp ráp ........................................................................

4.2.2

Lập trình kiểm tra hệ thống .........................................

4.3

Lập trình hệ thống ..............................................................................

4.3.1

Lưu đồ giải thuật .........................................................

4.3.2

Phần mềm lập trình cho vi điều khiển ........................


4.3.3

Setup tay cầm. .............................................................

4.4

Hướng dẫn sử dụng, thao tác ..............................................................

4.4.1

Hướng dẫn sử dụng .....................................................

4.4.2

Quy trình thao tác ........................................................

CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ .................................

5.1 Lắp ráp và thi công phần cứng máy bay ......................................

5.2 Cảm biến gyro L3G4200D ..........................................................

5.3 Bộ điều khiển TX-RX...................................................................

5.4 Kết nối ESC với arduino...............................................................

5.5 Điều chỉnh các thông số PID .......................................................

5.6 Board arduino va phần mềm IDE ................................................


CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. ...........................
6.1

Kết luận . .......................................................................................

6.1

Kết quả đạt được và hạn chế .........................................................

6.1.2 Nhận xét và đánh giá .......................................................................................
6.2

Hướng phát triển ..........................................................................

TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

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


LIỆT KÊ HÌNH VẼ
Hình

Trang

Hình 2.1: Chiều quay của động cơ.................................................................................................... 5
Hình 2.2: Chuyển động cơ bản của quadcopter........................................................................... 6
Hình 2.3: Mơ hình momen quay........................................................................................................ 7
Hình 2.4: Hệ quy chiếu A và B với chiều dài l và tổng moment quay................................ 8
Hình 2.5: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID........................................................................................ 9

Hình 2.6: Đồ thị đáp ứng Kp............................................................................................................... 10
Hình 2.7: Đồ thị đáp ứng Ki................................................................................................................ 11
Hình 2.8: Đồ thị đáp ứng Kd............................................................................................................... 12
Hình 2.9: Sơ đồ khối hệ điều khiển cân bằng............................................................................... 12
Hình 2.10: Tín hiệu điều khiển hồn chỉnh................................................................................... 13
Hình 2.11: Sơ đồ khối điều khiển cất cánh.................................................................................... 14
Hình 2.12: Sơ đồ khối điều khiển tiến lùi...................................................................................... 15
Hình 2.13: Sơ đồ khối điều khiển trái phải.................................................................................... 16
Hình 2.14: Động cơ khơng chổi than DC....................................................................................... 17
Hình 2.15: Sơ đồ đấu dây động cơ BLDc và ESC...................................................................... 19
Hình 2.16 Nguyên tắc điều khiển truyền thống động cơ BLDC........................................... 19
Hình 2.17: Trình tự cấp điện cho các cuộn dây............................................................................ 20
Hình 2.18: Một mạch điều khiển BLDC đơn giản...................................................................... 20
Hình 2.19: Động cơ A2212 1000Kv............................................................................................. 22
Hình 2.20: Động cơ max cf2822 1200kv outrunner................................................................... 22
Hình 2.21: ESC- 30A............................................................................................................................. 23
Hình 2.22: Sơ đồ kết nối ESC- 30A với pin, động cơ BLDC và Arduino...............24
Hình 2.23: Cảm biến L3G4200D Gyro........................................................................................... 25
Hình 2.24: Board Arduino Uno.......................................................................................................... 26
Hình 2.25: Cấu tạo Board Arduino Uno......................................................................................... 27
Hình 2.26: Một số loại pin Lipo......................................................................................................... 29
Hình 2.27: Cánh quạt EPP1045......................................................................................................... 30
Hình 2.28: Bộ tay điều khiển 6 kênh Fly Sky I6......................................................................... 31
Hình 3.1: Sơ đồ khối bộ điều khiển.................................................................................................. 32
Hình 3.2: Sơ đồ khối bộ điều khiển trung tâm............................................................................. 33
Hình 3.3: Sơ đồ kết nối cảm biến Gyro L3G4200D................................................................... 34
ix


Hình 3.4: Mạch chia áp......................................................................................................................... 35

Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý tồn mạch............................................................................................. 36
Hình 4.1: Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển................................................................ 43
Hình 4.2: Giao diện Arduino IDE..................................................................................................... 44
Hình 5.1: Mơ hình máy bay hồn chỉnh..................................................................................... 54
0

Hình 5.2: Quadcopter khi góc nghiêng là 0 ................................................................................. 55
Hình 5.3: Số liệu các góc Roll, Pitch, Yaw khi nghiêng 0

0
..................................................... 56

0

Hình 5.4: Quadcopter khi góc Roll là 45 ...................................................................................... 56
Hình 5.5: Số liệu các góc Roll, Pitch, Yaw khi nghiêng trục Roll 45

0
................................ 57

0

Hình 5.6: Quadcopter khi góc Pitch là 45 .................................................................................... 57
0

Hình 5.7: Số liệu các góc Roll, Pitch, Yaw khi nghiêng trục Pitch 45 ..............................58
Hình 5.8: Kênh 3 (Gas) của tay cầm ở vị trí thấp nhất....................................................... 59
Hình 5.9: Giá trị hiển thị của 4 kênh khi gas ở vị trí thấp nhất............................................. 59
Hình 5.10: Kênh 3 (Gas) của tay cầm ở vị trí cao nhất............................................................. 60
Hình 5.11: Giá trị hiển thị của 4 kênh khi gas ở vị trí cao nhất............................................. 60

Hình 5.12: Kênh 2 của tay cầm ở vị trí cao nhất......................................................................... 60
Hình 5.13: Giá trị hiển thị của 4 kênh khi kênh 2 ở vị trí cao nhất...................................... 61
Hình 5.14: Kênh 1 của tay cầm ở vị trí cao nhất......................................................................... 61
Hình 5.15: Giá trị hiển thị của 4 kênh khi kênh 1 ở vị trí cao nhất...................................... 62


TĨM TẮT
Hiện nay trong thời đại cơng nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước, với sự bùng nổ
và phát triển nhanh chóng của khoa học cơng nghệ làm cho nền kinh tế phát triển nhanh
chóng và đời sống con người cũng được cải thiện. Các thiết bị máy móc cơng nghiệp, các
cơng trình nghiên cứu khoa học và tự động hóa đã được ứng dụng rộng rãi nhằm tăng
năng suất, hiệu quả lao động trong rất nhiều các lĩnh vực như: giao thông, xây dựng, sản
xuất công nghiệp, thiết bị y tế, quân sự,
Ngoài những ứng dụng nêu trên, không chỉ dừng lại với ứng dụng trên mặt đất mà
con người còn nghiên cứu những ứng dụng trên không nhiều hơn. Cụ thể là nghiên cứu ra
các thiết bị, vật thể bay nhằm mục đích chinh phục khơng trung và vũ trụ. Với việc chế
tạo ra các thiết bị bay có khả năng di chuyển vào những địa hình nguy hiểm (như hang
động, vực sâu) mà con người không thể đặt chân tới được; thu thập, giám sát gửi dữ liệu
từ camera về máy tính.
Với mong muốn nghiên cứu những mơ hình máy bay điều khiển có thể giúp ích
cho con người như phun thuốc trừ sâu hay vận chuyển những đồ đạc cứu trợ đồng bào bị
lũ lụt mà phương tiện đường bộ khơng tới được.
Mục đích của đồ án này sẽ nghiên cứu, thiết kế và thi cơng mơ hình máy bay
Quadcopter bao gồm những vấn đề như sau:
 Chương 1. Tổng Quan: Trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục
tiêu, nôi dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án.
 Chương 2. Cơ Sở Lý Thuyết: Trình bày cơ sở lý thuyết về các linh kiện, lý
thuyết động học, động lực học, điện tử cơ bản...
 Chương 3. Thiết Kế và Tính Tốn: Thiết kế mạch ngun lý, mạch trung tâm cho
robot, và tính tốn các thuật tốn PID...

 Chương 4. Thi cơng hệ thống: Lắp ráp phần cứng và xây dựng phần mềm, vẽ lưu
đồ giải thuật và hướng dẫn sử dụng.
 Chương 5. Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá: Trình bày kết quả thực hiện được,
nhận xét robot đã hoàn chỉnh hay chưa, cần cải tiến vấn đề nào.
 Chương 6. Kết Luận và Hướng Phát Triển: Đưa ra kết luận, trình bày hướng phát
triển và ứng dụng của robot.
xii


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1.

ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong thời đại cơng nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước, với sự bùng nổ và phát

triển nhanh chóng của khoa học công nghệ làm cho nền kinh tế phát triển nhanh chóng
và đời sống con người cũng được cải thiện. Các thiết bị máy móc cơng nghiệp, các
cơng trình nghiên cứu khoa học và tự động hóa đã được ứng dụng rộng rãi nhằm tăng
năng suất, hiệu quả lao động trong rất nhiều các lĩnh vực như: giao thông, xây dựng,
sản xuất cơng nghiệp, thiết bị y tế, qn sự,.....
Ngồi những ứng dụng nêu trên, không chỉ dừng lại với ứng dụng trên mặt đất
mà con người còn nghiên cứu những ứng dụng trên không nhiều hơn. Cụ thể là nghiên
cứu ra các thiết bị, vật thể bay nhằm mục đích chinh phục khơng trung và vũ trụ. Với
việc chế tạo ra các thiết bị bay có khả năng di chuyển vào những địa hình nguy hiểm
(như hang động, vực sâu) mà con người không thể đặt chân tới được; thu thập, giám
sát gửi dữ liệu từ camera về máy tính.
Đặc biệt, nhiều quốc gia trên thế giới còn ứng dụng các vật thể bay này trong
nông nghiệp để phun thuốc trừ sâu. Trong lĩnh vực quân sự, đã tạo ra được máy bay

khơng người lái với mục đích: do thám, thám hiểm, vẽ bản đồ, ...
Với mục đích muốn được giúp đỡ, cứu trợ những đồng bào vùng lũ lụt. Nhóm đã
quyết định nghiên cứu và chế tạo “Robot bay 4 cánh” có thể bay ổn định và mong
muốn vận chuyển được lương thực, thực phẩm ở những nơi bị lũ lụt khơng có phương
tiện di chuyển.
NHỮNG VẤN ĐỀ CỦA NHỮNG NGHIÊN CỨU TRƯỚC:
Tìm hiểu được cách lập trình trên board Arduino.
Tìm hiểu được nguyên lý bay và nguyên lý điều khiển quadcopter.
Xây dựng được mơ hình giải thuật điều khiển.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Giải quyết được vấn đề cân bằng cho phép mơ hình cất cánh và bay trên
khơng nhưng cân bằng chưa thật sự tốt, mức độ dao động vẫn còn, độ ổn định chưa
đạt.
Nhóm cải thiện và phát triển thêm: Cân bằng thêm về vị trí trong khơng gian điều
này sẽ giúp cho mơ hình có thể đứng n tại một điểm trong khơng gian. Nếu có đủ
thời gian sẽ nghiên cứu thêm việc sử dụng camera truyền hình ảnh trực tiếp về máy
tính và định vị GPS.

1.2.

MỤC TIÊU

•

Tìm hiểu ngun lý cân bằng, nghiên cứu động học, động lực học thiết bị bay


dạng quadcopter.
• Xây dựng mơ hình thực tế.
• Tìm hiểu cảm biến và các bộ phận của máy bay bốn cánh.
• Tính tốn thiết kế mạch điều khiển.
• Xây dựng thuật tốn điều khiển và phương pháp cân bằng cho robot bay 4
cánh
(Quadcopter).
• Thi cơng hồn thiện và điều khiển được mơ hình robot bay 4 cánh Quadcopter.
• Linh kiện chính: cảm biến cân bằng L3G4200D, board Arduino UNO, xây
dựng mơ hình mơ phỏng, bộ điều khiển, bộ thu phát sóng RF, động cơ, ESC và một số
linh kiện khác.

1.3.

NỘi DUNG NGHIÊN CỨU
 NỘI DUNG 1: Tìm hiểu đề tài mơ hình robot bay 4 cánh, các tài liệu liên
quan.
 NỘI DUNG 2: Liệt kê danh sách các linh kiện và tìm hiểu nguyên lý hoạt
động của chúng.
 NỘI DUNG 3: Thiết kế, lắp ráp mơ hình robot bay 4 cánh.
 NỘI DUNG 4: Thiết kế, thi công mạch điều khiển trung tâm cho robot.
 NỘI DUNG 5: Lập trình cho mạch điều khiển trung tâm và tay cầm.


BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
 NỘI DUNG 6: Chạy thử mô hình và cân chỉnh hệ thống.
 NỘI DUNG 7: Đánh giá kết quả và viết báo cáo.


1.4.

GIỚI HẠN
 Kích thước của robot bay 4 cánh: dài 50cm, rộng 50cm, cao 10cm.
 Ứng dụng board Arduino thay vì thiết kế mạch điều khiển mới để tiết kiệm
thời gian, đồng thời tìm hiểu về một board mới được sử dụng rộng rãi trên
nhiều lĩnh vực.
 Thiết kế xây dựng được bộ điều khiển cân bằng cho robot bay 4 cánh bằng
giải thuật điều khiển PID.
 Nhúng giải thuật điều khiển vào mô hình thực nghiệm và đánh giá chất lượng
bộ điều khiển.
 Cân bằng thêm về vị trí trong khơng gian giúp mơ hình bay khơng bị trơi, điều
này sẽ giúp cho mơ hình có thể đứng n tại một điểm trong khơng gian.

1.5.

BỐ CỤC
 Chương 1. Tổng Quan: Trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục
tiêu, nôi dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án.
 Chương 2. Cơ Sở Lý Thuyết: Trình bày cơ sở lý thuyết về các linh kiện, lý
thuyết động học, động lực học, điện tử cơ bản...
 Chương 3. Thiết Kế và Tính Tốn: Thiết kế mạch ngun lý, mạch trung tâm
cho robot, và tính tốn các thuật tốn PID...
 Chương 4. Thi cơng hệ thống: Lắp ráp phần cứng và xây dựng phần mềm, vẽ
lưu đồ giải thuật và hướng dẫn sử dụng.
 Chương 5. Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá: Trình bày kết quả thực hiện
được, nhận xét robot đã hoàn chỉnh hay chưa, cần cải tiến vấn đề nào.
 Chương 6. Kết Luận và Hướng Phát Triển: Đưa ra kết luận, trình bày hướng
phát triển và ứng dụng của robot.


BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1

LÝ THUYẾT BAY, ĐIỀU KHIỂN CỦA QUADCOPTER
Quadcopter là thiết bị bay hay mơ hình bay khơng người lái còn gọi là UAVs

(Unmanned Aerial Vehicles). Quadcopter gồm 4 động cơ chính và 4 ESC để điều khiển
bay. Bốn cánh quạt được gắn trên 4 rotors giúp tạo lực nâng cho phép quadcopter bay
lên khi cánh quạt quay theo 1 chiều xác định.
Các chế độ bay chung cho các quadcopter hay multi-copter:
 Bay lên trên (cất cánh).
 Bay xuống dưới(hạ cánh).
 Bay sang phải (rẽ phải).
 Bay sang trái (rẽ trái).
 Bay về phía trước.
 Bay về phía sau.
 Bay theo một số hướng khác tùy ý.
Để quadcopter có thể bay lên ta tăng đều tốc độ quay của 4 động cơ nhằm tăng lực
nâng của chúng theo phương thẳng đứng (trục Z), như vậy để hạ cánh ta chỉ cần giảm
điều tốc độ quay của 4 động cơ nhằm giảm lực nâng theo phương thẳng đứng. Điều
khiển bay về phía trước hay về phía sau (Pitch-control) là điều khiển các lực nâng (lực
kéo) theo phương dọc (trục X) bằng cách tăng thêm một lượng tốc độ quay vào rotor
trải và phải, giảm một lượng ở rotor đuôi hoặc giảm một lượng ở 2 rotor trái và phải,
tăng một lượng ở rotor đuôi. Điều khiển bay rẽ trái phải (Roll-control) là điều khiển

các lực nâng (lực kéo) theo phương ngang (trục Y) bằng cách tăng thêm một lượng vận
tốc quay vào rotor trái và giảm một lượng vào rotor bên phải hoặc tăng rotor phải và
giảm rotor trái. Điều khiển quadcopter quay quanh nó chính (Yaw-control) là thay đổi
hướng của quadcopter, điều này giúp quadcopter có thể tự xoay quanh trục Z và thay
đổi hướng đầu đi của quadcopter.
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.1: Chiều quay của động cơ.

2.2

ĐỘNG HỌC VÀ PHƯƠNG TRÌNH TỐN HỌC

2.2.1 Lý thuyết điều khiển quadcopter
Cặp cánh trái phải quay ngược chiều kim đồng hồ, cặp cánh trước sau quay cùng
chiều kim đồng hồ.

Hình 2.2: Chuyển động cơ bản của quadcopter.

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

[3]

2.2.2 Lý thuyết chuyển động của quadcopter và mơ hình động lực học

Ngun lý hoạt động chính của mơ hình này hoạt động dựa trên sự chuyển động
của các dòng khí do cánh máy bay tạo ra di chuyển xuống dưới làm vật bay lên trên và
sự điều chỉnh vận tốc từng động cơ sẽ làm thay đổi hướng bay của Quadcopter. Để mô
tả các chuyển động của một khung cứng 6 bậc tự do cần 2 hệ quy chiếu.
E1 hệ quy chiếu quán tính Trái Đất
EB hệ quy chiếu khung Quadcopter
Sự định hướng Quadcopter được biểu thị bởi 3 góc Euler qua ma trận xoay R (1)
R=(

∅−

∅+

∅+

−

∅

∅−

∅)

∅

Lực sinh ra của các động cơ: Fi = b. 2, i= 1,2,3,4

4

=∑


=1|

∅

|=∑

4

=1

2

(2)

Phương trình mơ tả gia tốc Quadcopter:
(3)
= ( ) = . (0) - R

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.3: Mơ hình momen quay.
Phương trình quan hệ giữa ma trận qn tính
IR = (Ix,Iy,Iz), moment quay M và moment quay hồi chuyển

Ta có momen quay hồi chuyển phụ thuốc vào các yếu tố vận tốc xoay với u1= T, u2,u3,u4 và vận tốc góc máy bay sẽ được g(u) =


Kết hợp (5) với (3) và (4) ta có phương trình động lực học: (6)
= -(cos ∅ sin cos

= -(cos ∅ sin cos
= g – (cos ∅ cos ).

1

̈

̈̇−
̇

∅=

(

̈

=∅

̈̇ ̇

(

̈

=∅

(


1

+

2

+

3

+

4

(5)


BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.4: Hệ quy chiếu A và B với chiều dài l và tổng moment quay.

2.2.3 Mơ hình tính tốn khí động lực học
Việc tính tốn khí động học mơ tả các 2tác động khi quay của cánh quạt
trong khơng khí. Với các thơng
3
số: (N) là lực đẩy của cánh quạt, hướng lên, S( ) là diện tích của quạt, (kg/ ) là mật độ khơng khí.


Ta có phương trình của lực đẩy:
=2

2
1

(7)

(N)

Do lực đẩy
=
=
Vận tốc dòng khí cho mỗi cánh quạt:
4

(trọng lực được mang bởi một cánh quạt):
1=

√(

)/(2

)

(m/s)

(8)


2.2.4 Tính tốn các thơng số chế tạo
Tổng khối lượng 1.2kg, kích thước 620x620x250mm mật độ khơng khí trong
điều kiện ở 25 độ C và áp suất khơng khí tại mặt đất khoảng 1atm: = 1.249 ⁄ 3
S = (

)= 0.1252=0,049

2

4

2

Ta tính được tổng lực nâng:
′

Suy ra
1

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Theo tính tốn trên để nâng Quadcopter khỏi mặt đất ta tính chọn sau:
⁄√2).

Để đảm bảo Quadcopter có thể chuyển động được thì khoảng cách giữa 2 động cơ trên cùng 1 trục phải đủ dài ≥ (

ℎ


2.3 LÝ THUYẾT BỘ ĐIỀU KHIỂN PID[1]
Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID- Proportional Integral
Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (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 thông số riêng biệt, do đó đơi
khi nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết
tắt là P, I, và D. Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác
định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định tác động của tốc
độ biến đổi sai số.

Hình 2.5: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID.
Sử dụng bộ điều khiển PID không nhất thiết phải gồm đầy đủ 3 khâu, tùy theo hệ
thống ta có thể chỉ cần sử dụng 1 hoặc 2 khâu, hệ số K của khâu còn lại bằng 0 và khi
đó bộ điều khiển PID sẽ được gọi là bộ điều khiển PI, PD, P hoặc I. Bộ điều khiển PI

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
khá phổ biến, do đáp ứng vi phân khá nhạy đối với các nhiễu đo lường, trái lại nếu
thiếu giá trị tích phân có thể khiến hệ thống không đạt được giá trị mong muốn.

2.3.1 Khâu tỉ lệ
Khâu tỉ lệ (đôi khi còn được gọi là độ lợi) làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá
trị sai số hiện tại. Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với
một hằng số Kp, được gọi là độ lợi tỉ lệ.
Pout = Kp*e(t)

Pout: thừa số tỷ lệ đầu ra.
Kp: độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh.
e: sai số.
t: thời gian tức thời (hiện tại).
Độ lợi của khâu tỉ lệ lớn là do thay đổi lớn ở đầu ra mà sai số thay đổi nhỏ. Nếu
độ lợi của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định (xem phần điều chỉnh vòng).
Ngược lại, độ lợi nhỏ là do đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai số đầu vào lớn, và làm
cho bộ điều khiển kém nhạy, hoặc đáp ứng chậm. Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá thấp,
tác động điều khiển có thể sẽ quá bé khi đáp ứng với các nhiễu của hệ thống.

Hình 2.6: Đồ thị đáp ứng Kp.

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP