Đồ Án Phát triển hệ thống điều khiển cho máy bay mô hình Quadcopter

MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, trong một số lĩnh vực dân dụng, quân sự hay khoa học vũ trụ con người dần thay thế các phương tiện bay có người lái bằng các thiết bị bay không người lái, bới các tính năng ưu việt như có khả năng hoạt động tự động hoặc là điều khiển từ xa, có khả năng hoạt động ở những nơi mà con người khó tiếp cận được, ngoài ra còn được ứng dụng rộng rãi trong một số lĩnh vực như quan sát núi lửa, kiếm tra môi trường, phục vụ làm phim
Quadcopter là một loại máy bay mô hình với đặc tính ổn định, dễ dàng điều khiển, đã và đang là một đề tài nóng trong nghiên cứu, chế tạo máy bay không người lái. Với sức hấp dẫn và tính thực tế của vấn đề cùng niềm đam mê với đề tài của bản than nên trong phạm vi đồ án tốt nghiệp của sinh viện ngành Cơ điện tử, được sự hướng dẫn và giúp đỡ của ThS. Hoàng Thế Huynh em quyết định chọn đề tài : “Phát triển hệ thống điều khiển cho máy bay mô hình Quadcopter” làm đồ án tốt nghiệp.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Quadcopter là một đề tài khó, đòi hỏi kiến thức tổng hợp ở nhiều lĩnh vực như: cơ khí thiết kế, thiết bị bay, khí động học, động lực học, xử lý tín hiệu số, mạch điện tử, vi điều khiển, giao tiếp máy tính, truyền thông vô tuyến, mô hình hóa, mô phỏng, lập trình điều khiển, lập trình giao diện. Về ý nghĩa khoa học, hệ thống điều khiển Quadcopter có thể dùng trong các phòng nghiên cứu, thí nghiệm về cảm biến góc nghiêng, hệ thống dẫn đường INS, thí nghiệm về truyền dẫn dữ liệu không dây. Về ý nghĩa thực tế, Quadcopter có ứng dụng rất nhiều trong đời sống như trong quân sự, cảnh báo cháy, camera quan sát, phục vụ trong giải trí, làm phím
Nội dung nghiên cứu của đề tài
Nội dung nghiên cứu trong khuôn khổ đồ án là:
- Tìm hiểu lý thuyết : cơ sở lý thuyết điều khiển Quadcopter, các chuẩn giao tiếp SPI, I2C, hệ thống định vị quán tính INS, lý thuyết điều khiển PID.
- Tính toán, thiết kế hệ thống điều khiển.
- Chế tạo phần cứng
- Xây dựng thuật toán điều khiển và chương trình điều khiển.
- Ghép nối, hoàn thành sản phẩm.

Phương pháp và phương tiện nghiên cứu
Về phương pháp nghiên cứu:
- Tìm hiểu các tài liệu và thiết kế hiện có ở trong và ngoài nước.
- Tìm hiểu và nắm vững cơ sở lý thuyết.
- Tính toán, thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển, tiến hành thực nghiệm đánh giá và hiệu chỉnh hệ thống.
Về phương tiện nghiên cứu:
- Thiết kế mạch nguyên lý và mạch in bằng phần mềm Altium Designer.
- Lập trình vi điều khiển trên phần mềm PICC.

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 3
1.1. Mục tiêu chung 3
1.2. Mục tiêu riêng 3
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 3
1.2.2. Nội dung nghiên cứu của đề tài 10
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11
2.1. Cơ sở lý thuyết và mô hình toán của Quadcopter 11
2.1.1. Lý thuyết điều khiển Quadcopter 11
2.1.2. Cơ sở lý thuyết mô hình bay Quadcopter 12
2.2. Hệ thống dẫn đường quán tính INS 15
2.2.1. Khái niệm 15
2.2.2. Phân loại hệ thống dẫn đường quán tính 15
2.2.3. Các sai số hay gặp trong hệ thống INS 17
2.3. Bộ điều khiển PID 17
2.3.1. Hệ thống điều khiển vòng kín cơ bản 17
2.3.2. Thuật toán PID kinh điển 18
2.3.3. Giải thuật PID số 20
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO QUADCOPTER 22
3.1. Sơ đồ khối của hệ thống 22
3.2. Tính toán, chọn khung và động cơ cho máy bay 23
3.3. Thiết kế hệ thống điều khiển 25
3.4. Xây dựng chương trình điều khiển 37
3.4.1. Chương trình khối tay điều khiển 37
3.4.2. Chương trình khối giao tiếp máy tính 38
3.4.3. Chương trình khối điều khiển trung tâm 39
CHƯƠNG 4. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 43
4.1. Hình ảnh phần cứng của cả hệ thống 43
4.2. Thử nghiệm khối giao tiếp máy tính 43
4.3. Hệ thống thử nghiệm khả năng thăng bằng của Quadcopter 45
4.4. Thử nghiệm bộ điều khiển PID 46
KẾT LUẬN 47
PHỤ LỤC 48
TÀI LIỆU THAM KHẢO 60