Đồ án Thiết kế và điều khiển trực thăng bốn cánh

Luận Văn Group hỗ trợ viết luận văn thạc sĩ,chuyên đề,khóa luận tốt nghiệp, báo cáo thực tập,
Assignment, Essay
Zalo/Sdt 0967 538 624/ 0886 091 915 Website:lamluanvan.net
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 2
_____________
ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - MÁY TÍNH
HỆ CHÍNH QUY
NIÊN KHÓA: 2013-2018
Đề tài:
THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN TRỰC THĂNG
BỐN CÁNH
Mã số đề tài: 18- N13DCDT013
Sinh viên thực hiện: NGUYỄN TIẾN ĐẠT
MSSV: N13DCDT013
Lớp: D13CQKD01-N
Giáo viên hướng dẫn: TS. NGUYỄN TẤT BẢO THIỆN

Assignment, Essay
TP.HCM – THÁNG 12/2017i

Assignment, Essay
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 2
_____________
ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ– MÁY TÍNH
HỆ CHÍNH QUY
NIÊN KHÓA: 2013-2018
Đề tài:
THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN TRỰC THĂNG
BỐN CÁNH
Mã số đề tài: 18- N13DCDT013
NỘI DUNG:
- CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
- CHƯƠNG II: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
- CHƯƠNG III: THIẾT KẾ MÔ HÌNH
- CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN
Sinh viên thực hiện: NGUYỄN TIẾN ĐẠT
MSSV: N13DCDT013
Lớp: D13CQKD01-N
Giáo viên hướng dẫn: TS. NGUYỄN TẤT BẢO THIỆN

Assignment, Essay
ii

Luận Văn Group hỗ trợ viết luận văn thạc sĩ,chuyên đề,khóa luận tốt nghiệp, báo cáo thực
tập, Assignment, Essay
LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, em xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Tất Bảo Thiện –
người đã hết sức tạo điều kiện và tận tình hướng dẫn, góp ý, động viên em trong suốt
quá trình thực hiện đồ án này.
Xin chân thành cảm ơn đến tất cả quý thầy cô thuộc Khoa Điện- Điện tử, những
người đã trang bị cho chúng em những kiến thức cơ bản, cũng như đã nhiệt tình hướng
dẫn giúp đỡ chúng em trong suốt khóa học vừa qua.
Cũng qua đây, em xin gửi lời cảm ơn chân thành của mình đến gia đình, bạn bè-
những người đã động viên, quan tâm hết mực và tạo điều kiện thuận lợi cho em trong
suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp này.
Em xin chân thành cảm ơn!
iii

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU................................................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN.................................................................................................................. 2
1.1. Giới thiệu về trực thăng bốn cánh............................................................................................ 2
1.1.1. Lịch sử về trực thăng bốn cánh ....................................................................................... 2
1.1.2. Trực thăng bốn cánh là gì?................................................................................................ 4
1.1.3. Cấu tạo của trực thăng bốn cánh..................................................................................... 5
1.2. Giới thiệu về arduino................................................................................................................... 6
CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG .............................................................................. 11
2.1. Lý thuyết về hoạt động của quadcopter.............................................................................. 11
2.2. Điều khiển hoạt động của motor brushless và ESC....................................................... 12
2.3. Hoạt động của TX Devo 7 và RX 701 ................................................................................ 17
2.3.1. Cấu tạo của TX Devo 7..................................................................................................... 17
2.3.2. Cấu tạo của Rx701.............................................................................................................. 18
2.3.3. Cách kết nối Tx- Devo7 với Rx701............................................................................. 19
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH............................................................................................ 21
3.1. Các linh kiện phù hợp................................................................................................................. 21
3.1.1. Khung mô hình..................................................................................................................... 21
3.1.2. Động cơ và cánh quạt ........................................................................................................ 21
3.1.3. Bộ điều tốc ESC................................................................................................................... 23
3.1.4. Pin............................................................................................................................................... 24
3.2. Sơ đồ tổng quát.............................................................................................................................. 26
3.3. Sơ đồ nguyên lý............................................................................................................................. 27
3.4. Bộ điều khiển PID........................................................................................................................ 28
3.5. Sơ đồ giải thuật.............................................................................................................................. 30
3.6. Code.................................................................................................................................................... 31
3.7. Mô hình đã thi công..................................................................................................................... 43
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN.................................................................................................................... 44
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................................... 45
iv

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Chiếc máy bay đầu tiên năm 1907..................................................................................... 2
Hình 1.2: Chiếc trực thăng của Etienne Oemichen......................................................................... 3
Hình 1.3: Trực thăng của ông Convertawings .................................................................................. 4
Hình 1.4: Trực thăng bốn cánh ................................................................................................................ 5
Hình 1.5: Cấu tạo của board Arduino Uno R3.................................................................................. 7
Hình 2.1: Hoạt động của quadcopter.................................................................................................. 11
Hình 2.2: Quadcopter quay quanh trục Z......................................................................................... 12
Hình 2.3: Động cơ BLDC inrunner .................................................................................................... 13
Hình 2.4: Động cơ BLDC outrunner.................................................................................................. 14
Hình 2.5: Sơ đồ đấu dây động cơ BLDC và ESC......................................................................... 14
Hình 2.6: Tín hiệu PWM điều khiển đưa vào ESC...................................................................... 15
Hình 2.7: Sơ đồ chuỗi xung.................................................................................................................... 16
Hình 2.8: Sơ đồ mạch điện ESC dùng phương pháp cảm ứng BEMF................................ 16
Hình 2.9: Các nút điều khiển của Devo 7 ........................................................................................ 18
Hình 2.10: Cấu tạo của Rx701.............................................................................................................. 19
Hình 2.11: Các bước kết nối máy phát với máy thu.................................................................... 20
Hình 3.1: Khung của quadcopter ......................................................................................................... 21
Hình 3.2: Motor A2212 1000KV......................................................................................................... 22
Hình 3.3: Hai cặp cánh quạt................................................................................................................... 23
Hình 3.4: ESC Simok 30A...................................................................................................................... 23
Hình 3.5: Pin Lipo 2200mah.................................................................................................................. 24
Hình 3.6: Bộ thu và phát sóng............................................................................................................... 25
Hình 3.7: Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống quadcopter......................................................... 26
Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý...................................................................................................................... 27
Hình 3.9: Công thức tính điện áp đầu vào ....................................................................................... 28
Hình 3.10: Sơ đồ điều khiển PID ở quadcopter............................................................................. 28
Hình 3.11: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID........................................................................................ 29
Hình 3.12: Sơ đồ giải thuật..................................................................................................................... 30
Hình 3.13: Quadcopter đã thi công xong.......................................................................................... 43
v

LỜI MỞ ĐẦU
LỜI MỞ ĐẦU
Trong vài thập kỷ qua, các loại máy bay không người lái trên quy mô nhỏ đã
được sử dụng cho nhiều ứng dụng. Nhu cầu máy bay với tính cơ động lớn hơn và khả
năng lơ lửng đã dẫn tới sự gia tăng nghiên cứu quadcopter. Quadcopters là công cụ
hữu ích cho các nhà nghiên cứu trường đại học kiểm tra và đánh giá các ý tưởng mới
trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm lý thuyết điều khiển chuyến bay, điều hướng,
các hệ thống thời gian thực và robot.
Dưới sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Tất Bảo Thiện, em quyết định thực hiện
đề tài:” Thiết kế và điều khiển trực thăng bốn cánh”.
Sau thời gian nỗ lực nghiên cứu, được sự chỉ dẫn nhiệt tình của thầy Nguyễn
Tất Bảo Thiện, en đã hoàn thành đề tài đã chọn. Dưới đây là bài báo cáo kết quả
nghiên cứu của em. Tuy đã nỗ lực hết sức nhưng trong quá trình thực hiện đề tài, do
trình độ hiểu biết còn hạn chế nên đề tài còn nhiều thiếu sót, kính mong các thầy cô
giáo và các bạn sinh viên đóng góp kiến chỉnh sửa và hướng phát triển tiếp theo để đồ
án hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Nguyễn Tất Bảo Thiện, các thầy cô
giáo trong khoa Điện - Điện tử và các bạn đã giúp đỡ tận tình trong thời gian học tập
và thực hiện đồ án tốt nghiệp này.
T.p Hồ Chí Minh, ngày 4 tháng 12 năm 2017
Người làm đồ án
Sinh viên: Nguyễn Tiến Đạt

SVTH: NGUYỄN TIẾN ĐẠT LỚP: D13CQKT01-N 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về trực thăng bốn cánh
1.1.1. Lịch sử về trực thăng bốn cánh
- Chiếc trực thăng bốn cánh đầu tiên được ra đời vào năm 1907 do hai anh em nhà
khoa học người Pháp Louis và Jacques Breguet cùng giáo sư Charles Richet hợp tác
chế tạo ra. Chiếc trực thăng bốn cánh này có thể nâng khỏi mặt đất 1,5 mét, được sử
dụng động cơ 8 xy-lanh để quay 4 cánh quạt. Mỗi cánh quạt có 4 bản cánh, hệ thống
dây đai và buzzi được gắn lên nhằm truyển động từ động cơ cho các cánh quạt. Bộ
khung của chiếc trực thăng bốn cánh được làm từ các ống thép. Tổng trọng lượng của
chếc trực thăng này khoảng 575 kg.
Hình 1.1: Chiếc máy bay đầu tiên năm 1907
- Vào ngày 11 tháng 11 năm 1922, Etienne Oemichen đã chế tạo bay chiếc
"Oehmichen No.2", một chiếc máy bay trực thăng cải tiến gồm những trục quay nằm
ngang nhỏ xoay theo hướng ngược lại từ những cánh quạt lớn tạo ra chiếc máy bay
trực thăng đáng tin cậy đầu tiên có khả năng chở một người. Công việc này sau đó đã
dẫn tới sự phát triển của cánh quạt đuôi. Vào ngày 14 tháng 4 1923, ông đã phá vỡ kỷ
lục tồn tại đối với chuyến bay trực thăng với một chuyến bay 360m [2]
và 525 mét.

Hình 1.2: Chiếc trực thăng của Etienne Oemichen
- Cùng năm 1922 tiến sĩ George de Bothezat và Ivan Jerome đã thành công khi
thiết kế chiếc trực thăng bốn cánh khổng lồ để phục vụ cho quân đội Mỹ. Chiếc trực
thăng này được đặt tên là “Bạch tuộc bay- Flying Octopus”. Mặc dù phát minh của
ông đã được ca ngợi là trực thăng thành công đầu tiên nhưng dự án này bị hủy bỏ do
khả năng bay còn thấp, phức tạp và giá thành cao.
- Mãi đến năm 1956, Convertawings đã làm sống lại thiết kế trực thăng 4 cánh.
Bốn cánh quạt của chiếc trực thăng này được gắn két theo từng cặp trên 2 thanh nối
song song, cơ chế kiểm soát vô cùng cùng đơn giản bằng cách thay đổi lực đẩy giữa
các cánh quạt. Máy bay có ba bánh đáp với hai bánh sau và một bánh trước có thể
xoay được. Năng lượng được cung cấp bởi hai động cơ, truyển động tới hệ thống cánh
quạt bằng dây đại chữ V. Chuyến bay được thực hiện vào tháng 3 năm 1956 và thành
công. Tuy nhiên dự án này sớm bị chấm dứt do thiếu đơn đặt hàng cho các phiên bản
thương mại hoặc quân sự.

Hình 1.3: Trực thăng của ông Convertawings
- Từ đó các cấu hình của máy bay quadcopter không còn được sự chú ý như
trước. Mãi cho đến mấy năm gần đây, quadcopter được quan tâm trở lại vì có khả năng
ứng dụng rất lớn trong lĩnh vực thiết bị bay mô hình.
1.1.2. Trực thăng bốn cánh là gì?
- Trực thăng bốn cánh (hay còn được gọi là quadcopter hay quadrocopter) là máy
bay có 4 cánh được nằm trong cùng một mặt phẳng và đối xứng với nhau qua tâm của
máy bay. Nhờ có bốn cánh nên máy bay dễ điều khiển và có khả năng giữ được thăng
bằng tốt hơn, các cánh quạt được hướng theo chiều dọc còn qquadcopter thì hướng
theo chiều ngang. Quadcopter thường sử dụng hai cặp cánh quạt tương đương nhau;
Hai cánh thuận chiều kim đồng hồ và hai cánh ngược chiều kim đồng hồ. Sử dụng độc
lập tốc độ của mỗi rotor để điều khiển. Bằng cách thay đổi tốc độ của mỗi rotor, có thể
tạo ra một lực đẩy mong muốn. Xác định vị trí trung tâm của lực đẩy cả hai bên và
theo chiều dọc. Quadcopter khác với trực thăng thông thường trong việc sử dụng các
cánh quạt có thể thay đổi độ cao của dao động khi chúng di chuyển quanh trục rotor.

Hình 1.4: Trực thăng bốn cánh
1.1.3. Cấu tạo của trực thăng bốn cánh
- Về cơ bản, quacopter có các bộ phận chính sau:
+ Bộ phát sóng Devo 7 và thu sóng Rx701: Để điều khiển cho quacopter cần phải
có bộ phát sóng và nhận sóng. Bộ phát sóng(TX- Transmitter) có nhiệm vụ mã hóa vị
trí của các cần điều khiển (stick) thành một dãy các tín hiệu điện (singal) và phát tín
hiệu này ra không gian.. bộ điều khiển này về lý thuyết là khi không có vật cản nó có
khả năng điều khiển trong bán kính 1km các cần điều khiển gồm có qua trái, qua phải,
lên, xuống, xoay trái máy bay, xoay phải máy bay, tự cân bằng...Bộ thu sóng (RX-
Receiver) có chức năng nhận sóng radio từ Tx và giải mã các tín hiệu thành tín hiệu
điều khiển cho từng servo.
+ Bộ khung sườn: bộ khung này được thiết kế sao cho 4 góc là hoàn toàn cân đối
cả về khối lượng và kích thước, vị trị bắt ốc để máy bay được cân bằng, động cơ được
đặt ở bốn góc này phải hoạt động đồng bộ, khi ta lắp ráp khung sườn cần phải đảm bảo
tính đối xứng của nó.
+ Động cơ DC không chổi than-BLDC (Brushless Dc motor): Trong lĩnh vực máy
bay mô hình động cơ thường được sử dụng loại động cơ không chổi than để truyền
động cho cánh quạt. Brushles Dc motor là một dạng động cơ đồng bộ tuy nhiên động

cơ BLDC kích từ bằng một loại nam châm vĩnh cửu dán trên rotor và dùng dòng điện
DC ba pha cho dây quấn phần ứng stator.
+ ESC (Electronic Speed Controller): Do động cơ brushless có yêu cầu cao về
nguồn năng lượng cung cấp ( dòng tiêu thụ 20-30-A) nên ta không thể sử dụng nguồn
điện là pin một chiều để cấp nguồn trực tiếp cho động cơ chính vì thế ta phải dùng
thêm bộ điều tốc điện tử. Bộ điều tốc này có chức năng thay đổi dòng điện cấp và nhận
tín hiệu biến độ rộng xung PWM để điều khiển động cơ.
+ Cánh máy bay: đây là bộ phận cực kỳ dễ hư hỏng nếu ta điều khiển không tốt sẽ
làm cho máy bay bị rơi. Cánh máy bay thường làm bằng nhựa hoặc sợi carbon nhưng
nên sử dụng loại cánh máy bay bằng sợi carbon vì nó cực kỳ chuẩn trong thiết kế giúp
cho máy bay cân bằng tốt và độ cứng rất cao sẽ giúp ít hư hỏng khi máy bay rơi.
+ Board điều khiển chính: board này chịu trách nhiệm nhận tín hiệu điều khiển từ
remote, đọc tín hiệu cảm biến cân bằng trên thân nó để điều khiển bốn động cơ ở 4 góc
cho phù hợp, ở đồ án này em dùng board arduino uno r3 để điều khiển và dùng module
cảm biến gia tốc MPU-6050 để kiểm soát cân bằng và định hướng chuyển động
quadcopter.
1.2. Giới thiệu về arduino
- Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với
nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn. Phần cứng bao gồm một board mạch
nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-
bit. Những model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào
analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau.
- Arduino Uno là 1 bo mạch thiết kế với bộ xử lý trung tâm là vi điểu khiển AVR
Atmega328.
- Cấu tạo chính của Arduino Uno bao gồm các phần sau:

Hình 1.5: Cấu tạo của board Arduino Uno R3
+ Cổng USB: đây là loại cổng giao tiếp để ta upload code từ PC lên vi điều khiển.
Đồng thời nó cũng là giao tiếp serial để truyền dữ liệu giữa vi điều khiển và máy tính.
+ Jack nguồn: để chạy Arduino thỉ có thể lấy nguồn từ cổng USB ở trên, nhưng không
phải lúc nào cũng có thể cắm với máy tính được. Lúc đó ta cần một nguồn từ 9V đến
12V.
+ Có 14 chân vào/ra số đánh số thứ tự từ 0 đến 13, ngoài ra có một chân nối đất
GND) và một chân điện áp tham chiếu (AREF). Chúng chỉ có 2 mức điện áp là 0V và
5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA. Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-
up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328 (mặc định thì các điện trở này
không được kết nối).
+ Vi điều khiển AVR: đây là bộ xử lí trung tâm của toàn bo mạch. Với mỗi mẫu
Arduino khác nhau thì con chip là khác nhau, ở con Arduino Uno R3 này thì sử dụng
ATMega328.

+ GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO. Khi bạn dùng
các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với
nhau.
+ 5V: cấp điện áp 5V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.
+ 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.
+ Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, nối cực dương của
nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.
+ IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo ở
chân này. Và dĩ nhiên nó luôn là 5V. Mặc dù vậy bạn không được lấy nguồn 5V từ
chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn.
+ RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với
việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.
+ Arduino UNO Broad có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín
hiệu 10bit (0 → 210
-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V. Với chân AREF
trên board, bạn có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog. Tức
là nếu bạn cấp điện áp 2.5V vào chân này thì bạn có thể dùng các chân analog để đo
điện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit.
+ Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp
I2C/TWI với các thiết bị khác.
+ Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:
• 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive –
RX) dữ liệu TTL Serial. Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2 chân
này. Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính là kết nối Serial không dây. Nếu
không cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết.
• Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ
phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28
-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite().
Nói một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh được điện áp ra ở chân này từ mức 0V
đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác.
• Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Ngoài các chức
năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với
các thiết bị khác.
• LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L). Khi bấm nút
Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu. Nó được nối với chân số 13. Khi
chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng.

+ Các thông số chi tiết của arduino uno r3:
• Vi điều khiển: Atmega328P
• Điện áp hoạt động : 5V
• Điện áp đầu vào (khuyên dùng): 7-12V
• Điện áp đầu vào (giới hạn): 6-20V
• Chân Digital I/O: 14 (6 chân PWM output)
• Chân PWM Digital I/O: 6
• Chân đầu vào Analog: 6
• Dòng sử dụng I/O Pin: 20mA
• Dòng sử dụng 3.3V Pin: 50mA
• Bộ nhớ Flash: 32KB (Atmega328P) với 0.5KB dùng bởi
bootloader
• SRAM: 2KB (Atmega328P)
• EEPROM: 1KB (Atmega328P)
• Clock Speed: 16MHz
• Chiều dài: 68.6mm
• Chiều rộng: 53.4mm
• Trọng lượng: 25gram
- Bộ nhớ sử dụng:
Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn sử dụng trên Arduino uno r3 có:
• 32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ
Flash của vi điều khiển. Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ được dùng
cho bootloader nhưng hiếm khi nào cần quá 20KB bộ nhớ này .
• 2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến khai báo khi
lập trình sẽ lưu ở đây. Khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ RAM. Khi
mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất.
• 1KB cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory):
đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi ta có thể đọc và ghi dữ liệu của mình vào
đây mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu trên SRAM
- Lưu ý:
+ Arduino UNO R3 không có bảo vệ cắm ngược nguồn vào. Do đó ta cần phải hết
sức cẩn thận, kiểm tra các cực âm – dương của nguồn trước khi cấp cho Arduino
UNO. Việc làm chập mạch nguồn vào của Arduino UNO sẽ biến nó thành một miếng
nhựa chặn giấy. Vì vậy nên dùng nguồn từ cổng USB nếu có thể.

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
+ Các chân 3.3V và 5V trên Arduino là các chân dùng để cấp nguồn ra cho các
thiết bị khác, không phải là các chân cấp nguồn vào. Việc cấp nguồn sai vị trí có thể
làm hỏng board. Điều này không được nhà sản xuất khuyến khích.
+ Cấp nguồn ngoài không qua cổng USB cho Arduino UNO với điện áp dưới 6V
có thể làm hỏng board.
+ Cấp điện áp trên 13V vào chân RESET trên board có thể làm hỏng vi điều khiển
ATmega328.
+ Cường độ dòng điện vào/ra ở tất cả các chân Digital và Analog của Arduino
UNO nếu vượt quá 200mA sẽ làm hỏng vi điều khiển.
+ Cấp điệp áp trên 5.5V vào các chân Digital hoặc Analog của Arduino UNO sẽ
làm hỏng vi điều khiển.
+ Cường độ dòng điện qua một chân Digital hoặc Analog bất kì của Arduino UNO
vượt quá 40mA sẽ làm hỏng vi điều khiển. Do đó nếu không dùng để truyền nhận dữ
liệu, ta phải mắc một điện trở hạn dòng.

2.1. Lý thuyết về hoạt động của quadcopter
- Để quadcopter hoạt động được ta phải điều khiển tốc độ quay tương ứng giữa bốn
cánh quạt.
Hình 2.1: Hoạt động của quadcopter
- Cặp M1 và M3 sẽ quay theo chiều kim đồng hồ còn cặp M2 và M4 lại quay theo
ngược chiều kim đồng hồ nhằm cân bằng moment xoắn được tạo bởi các cánh quạt
được gắn trên các motor( 2 cặp cánh quay ngược nhau sẽ tạo ra cặp moment động
lượng đối nghịch triệt tiêu lẫn nhau). Cả 4 motor này sẽ sinh ra một lực đẩy bằng nhau
khi quadcopter cất cánh và hạ cánh.
- Các chuyển động cơ bản của quadcopter:
+ Hover: Quadcopter bay lơ lửng trong không trung. Ở trạng thái này các cánh quạt
quay cùng một tốc độ không đổi.
+ Throttle: Quadcopter sẽ bay lên hoặc hạ xuống theo phương thẳng đứng. Để bay
lên, tốc độ của 4 cánh sẽ cùng tăng lên còn hạ xuống thì 4 cánh quạt sẽ giảm xuống.

+Roll: Quadcopter bay sang phải hoặc sang trái. Để bay sang phải (hoặc sang trái)
ta giữ nguyên tốc độ của 2 cánh quạt trước và sau rồi tăng (hoặc giảm) tốc độ của cánh
quạt bên trái, giảm ( hoặc tăng) tốc độ cánh quạt bên phải.
+ Pitch: Quadcopter bay tới trước hoặc bay lui về sau. Tương tự như roll, 2 cánh
quạt trái và phải giữ nguyên tốc độ bằng nhau. Để bay tới (hoặc lui) điểu khiển tăng (
hoặc giảm) tốc độ của cánh quạt sau và giảm (hoặc tăng) tốc độ cánh quạt trước.
+ Yaw: Điều khiển tốc độ các cánh quạt theo cách sau: tốc độ của 2 cánh đối diện
thì bằng nhau nhưng khác so với tốc độ của 2 cánh còn lại. Để quadcopter quay quanh
trục Z theo chiều kim đồng hồ, ta giảm tốc độ cặp cánh quạt M1- M3 và tăng tốc độ
cặp cánh ngược chiều kim đồng hồ là M2- M4. Để quadcopter quay quanh trục Z theo
chiều ngược kim đồng hồ, ta làm cách ngược lại.
Hình 2.2: Quadcopter quay quanh trục Z
2.2. Điều khiển hoạt động của motor brushless và ESC
- Trực thăng bốn cánh (quadcopter) thường sử dụng động cơ không chổi than
(brushless DC motor) để truyền động cho cánh quạt. Ngoài ra, động cơ này cũng được
ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống như trong các ổ đĩa máy tính,
máy nghe nhạc, các bộ phận máy móc trong công nghiệp cần tốc độ quay cao, xe đạp
điện, xe máy điện…
- Loại động cơ này có nhiều ưu điểm: tốc độ cao, moment lớn, độ bền cao, không bị
mòn cổ góp và không phóng tia lửa điện gây tổn hao năng lượng như động cơ một

chiều thông thường.
- Động cơ một chiều không chổi than (gọi tắt là BLDC) có tên gọi như vậy nhưng
thực chất nó thuộc nhóm động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chứ không phải là động
cơ một chiều. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là nhóm động cơ xoay chiều đồng
bộ, rotor quay cùng tốc độ với từ trường quay, có phần cảm là nam châm vĩnh cửu.
- Dựa vào cách sắp đặt phần quay rotor, động cơ BLDC được chia thành 2 loại là
inrunner và outrunner.
+ Inrunner: trục chính rotor gắn nam châm, cuộn dây stator được quấn ở ngoài, gắn
dính vào vỏ motor
Hình 2.3: Động cơ BLDC inrunner
+ Outrunner: cuộn dây stator nằm ở trong, vỏ ngoài gắn nam châm, trục chính gắn
với vỏ ngoài.

Hình 2.4: Động cơ BLDC outrunner
- Ngoài ra motor brushless còn phân biệt ở core và coreless. Coreless motor nghĩa
là stator chỉ có cuộn dây, không có lõi thép từ. Core motor thì có lõi thép. Về mặt hiệu
suất thì chúng tương đương nhau.
- Việc điều khiển tốc độ động cơ BLDC dựa trên nguyên tắc cấp xung tuần tự cho
các cuộn dây để tạo ra từ trường quay. Để thực hiện công việc này, ta dùng một bộ
điều tốc có tên gọi ESC (Electronic Speed Controller), chức năng như một bộ biến tần
biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều 3 pha có tần số thay đổi được
cung cấp cho động cơ. Để đảo chiều động cơ, ta chỉ cần đổi vị trí 2 trong 3 dây pha.
- Trong kết cấu của động cơ BLDC, nam châm vĩnh cửu được gắn vào rotor tạo
thành các pha sao cho nó quay khi có từ trường quay.
Hình 2.5: Sơ đồ đấu dây động cơ BLDC và ESC

- Trong mô hình máy bay, ESC xác định tốc độ điều khiển dựa vào độ rộng xung
của tín hiệu PWM nhận được. Dạng tín hiệu PWM này được quy chuẩn theo động cơ
RC servo, tức là độ rộng xung trong khoảng 1÷2 ms, và tần số điều khiển là 50Hz.
Hình 2.6: Tín hiệu PWM điều khiển đưa vào ESC
- Để tạo ra từ trường quay cùng pha với nam châm của rotor, ESC phải luôn biết
được vị trí của nam châm vĩnh cửu và vận tốc của nó. Có 2 cách để làm điều này:
+ Cách thứ nhất: Sử dụng cảm biến để nhận biết vị trí của rotor (cảm biến hall).
+ Cách thứ hai: cảm ứng 1 trong 3 pha của xung điện từ trường phản hồi (xung
BEMF – Back ElectroMagnetic Field pulses).
- Cả hai cách đều có ưu nhược điểm riêng, tuy nhiên hầu hết các hệ thống động cơ
một chiều không chổi than sử dụng cho mô hình bay đều dùng phương pháp cảm ứng
xung BEMF.

Hình 2.7: Sơ đồ chuỗi xung
Hình 2.8: Sơ đồ mạch điện ESC dùng phương pháp cảm ứng BEMF
- Ta thấy rằng, trong một thời điểm bất kì luôn luôn chỉ có 2 pha dẫn điện. Khi
rotor quay, cuộn dây của nam châm điện còn lại chưa có điện sẽ tương tác với từ
trường của nam châm vĩnh cửu và phát sinh năng lượng giống như máy phát điện. ESC

nhận biết xung điện phát sinh này và xung điện phản hồi. Điều khiển vận tốc của động
cơ một chiều không chổi than bằng phương pháp cảm ứng dựa trên phát hiện thời điểm
của mỗi pha trong khoảng thời gian giữa xung điện thế phát sinh và xung điện phản
hồi. Mục đích là tìm thời điểm mà cả cuộn dây của nam châm điện không có điện và từ
trường của nam châm vĩnh cửu cũng chưa làm cuộn dây phát điện. Đó là điểm nằm
trong khoảng xung giữa xung điện thế phát sinh và xung điện phản hồi, lúc này ESC
biết được vị trí của mỗi nam châm vĩnh cửu và sử dụng thông tin này để cấp điện cho
nam châm điện đúng lúc tạo nên một từ trường quay sao cho các cặp của nam châm
vĩnh cửu và nam châm điện đối diện hoặc là đẩy nhau hoặc là hút nhau để động cơ
quay.
- Nếu ta cần nam châm ở rotor quay nhanh hơn, ta sẽ tăng lực từ trường. Bằng
cách tăng độ rộng xung (PWM), từ trường sẽ mạnh hơn và làm moment xoắn tăng,
rotor quay nhanh hơn. ESC tăng tần số cấp xung điện cho nam châm điện để đáp ứng
đúng thời điểm cùng với sự tăng tốc của rotor. Do đó ESC phải tăng độ lớn của từ
trường trước rồi tiếp theo tăng tần số xung.
2.3. Hoạt động của TX Devo 7 và RX 701
2.3.1. Cấu tạo của TX Devo 7
- DEVO-7 sử dụng công nghệ DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) 2,4 GHz
và tính năng tự động liên kết ID và phân định ID. Do đó về lý thuyết không bị trùng
tần số như AM hay Fm thông thường.
- Có thể lưu đến 15 kênh Rx khác.
- Thông số kĩ thuật của Devo 7:
+ Bộ mã hóa : hệ thống vi điều khiển ARM.
+ Tần số: 2.4G (các DSSS).
+ Công suất đầu ra: ≤100mW.
+ Tín hiệu kiểm soát khoảng cách : 200 - 400M ( tủy RX).
+ Dòng tiêu thụ :. ≤220mA.
+ Tiêu chuẩn pin : 1.2V * 8 pin nickel-cadmium hoặc một 1.5V * pin 8AA.
+ Đầu ra xung : 900-2100mS (1500mS điểm trung lập).
+ Kích cỡ : 190 * 178 * 67 * mm.
+ Trọng lượng: 652 gram.
- Có 6 phím chức năng trong bảng điều khiển của DEVO-7. Dưới đây là các chi
tiết:
EXT: Phím Reset, Nhấn EXT để thoát khỏi menu chính.
ENT: Khoá xác nhận. Nhấn ENT để truy cập vào hệ thống hoặc chế độ chức năng.

UP: Di chuyển con trỏ đến mục chức năng chuyển tiếp.
DN: Di chuyển con trỏ xuống mục chức năng tiếp theo.
L: Di chuyển con trỏ xuống hoặc tăng giá trị cài đặt.
R: Di chuyển con trỏ lên hoặc giảm giá trị cài đặt.
Hình 2.9: Các nút điều khiển của Devo 7
2.3.2. Cấu tạo của Rx701
- Thông qua công nghệ DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) 2,4 GHz Rx701
có tính năng phản ứng nhanh và chống nhiễu mạnh mẽ.
- Rx701 duy trì tần số và bộ nhớ ID khi thay pin mới ở máy phát được bật.
- Là loại: 2.4GHz có 7 kênh.
- Độ nhạy: - 105dbm.
- Khoảng tần số: ≥ 4M.
- Trọng lượng: 11.6g.
- Kích thước: 43X28X16mm.
- Nó có thể được tùy chỉnh thiết lập như ID cố định và phân công ID tự động.
- Có 2 dây anten dùng để thu sóng.

- 1 đường tín hiệu, trong đường tín hiệu có 7 kênh được kết nối riêng biệt và
không trùng nhau.
- 1 đường VCC 5V những dây trong đường này thông qua với nhau.
- 1 đường GND những dây trong đường này thông qua với nhau.
Hình 2.10: Cấu tạo của Rx701
2.3.3. Cách kết nối Tx- Devo7 với Rx701
- Việc cài đặt này sẽ giúp cho máy phát nhận ID từ máy thu một cách cố định. Khi
ta có tắt máy phát và máy thu ngưng không sử dụng nữa thì lần sau sử dụng máy phát
vẫn nhận được ID từ máy thu mà không cần phải cài đặt lại.
- Dưới đây là phương pháp cài đặt:
+B1: Lắp dây BIND PLUG có sẵn vào đầu ra của BATT trước khi máy thu được
bật, và sau đó cắm điện 5V DC vào đầu ra khác của máy thu. Đèn đỏ của máy thu sẽ
nhấp nháy chậm. Điều này có nghĩa là mã số cố định đã bị hủy. Kéo Dây BIND LPUB
ra khỏi máy thu và bật máy phát.
+B2: Nhấn "ENT" trên bề mặt màn hính chính của máy phát, nó sẽ xuất hiện menu
chính nhấp nháy, nhấn UP hoặc DN, menu "MODEL" nhấp nháy trên màn hình, nhấn
"ENT" để vào menu Model. Nhấn UP hoặc DN, nó xuất hiện nhấp nháy "FIXID"

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH
menu, nhấn "ENT" để vào trạng thái chuyển đổi và chọn. Nhấn R hoặc L, chọn "ON",
nhấn DN để nhập cài đặt ID cố định.
+B3: Nhấn ENT để thay đổi dữ liệu, nhấn R hoặc L để thay đổi dữ liệu; Nhấn DN
để di chuyển dữ liệu tiếp theo. Sau khi thiết lập, nhấn ENT, nó sẽ đi ra "RUN" giao
diện. Nhấn R hoặc L để đổi ON thành YES, nhấn ENT để tạo ID binding, nó sẽ tự
động trở lại menu model sau khi hoàn thành.
Hình 2.11: Các bước kết nối máy phát với máy thu

3.1. Các linh kiện phù hợp
3.1.1. Khung mô hình
- Khung của quadcopter cung cấp cấu trúc vật lý cho toàn bộ máy bay. Nó kết hợp
động cơ với phần còn lại của máy bay và chứa tất cả các thành phần khác. Khung phải
đủ lớn để cho phép tất cả bốn cánh quạt quay mà không va chạm, nhưng không được
quá lớn và quá nặng cho động cơ. Ở đề tài này em dùng khung f450 với phần khớp nối
trung tâm dùng để kết nối với các 4 cánh tay được làm bằng sợi thủy tinh có tích hợp
mạch chia điện giúp tiết kiệm diện tích khi kết nối pin với các chân VCC, GND của
ESC và board arduino. Bốn cánh tay được thiết kế bằng nhựa chịu va đập tốt và dễ
dàng thay thế khi bị hư hỏng. Khung này có khối lượng khoảng 450gram.
Hình 3.1: Khung của quadcopter
3.1.2. Động cơ và cánh quạt
- Trên thị trường có nhiều loại động cơ một chiều không chổi than với công suất
và lực nâng khác nhau. Ở đây em sử dụng loại động cơ A2212 có sức kéo lên tới
800gram

Hình 3.2: Motor A2212 1000KV
- Thông số kỹ thuật của động cơ A2212:
+ Vận tốc: 1000 vòng.vot/phút
+ Dòng điện tối đa: 12A/60s
+ Nặng : 52.7 gram
+ Điện áp hoạt động: 4-10A (>75%)
+ Đường kính vòng trục: 3.2mm
+ Chiều dài 43.5mm với trục
+ Dòng điện tải tự do 2.5A +
Chạy trên pin 2-3 cell Lipo
- Cánh quạt ở đây e dùng loại cánh 10x4.5 inch ABS + sợi thủy tinh với 2 cánh
thông thường (Puller) và 2 cánh đảo ngược (Pusher).

Hình 3.3: Hai cặp cánh quạt
3.1.3. Bộ điều tốc ESC
- Đề động cơ BLDC hoạt động thì cần có bộ điều tốc ESC (Electronic Speed
Controller) biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều 3 pha cung cấp cho
động cơ. ESC có 2 dây nguồn vào được nối với pin Lipo, 3 ngõ vào điều khiển( gồm 1
dây điện áp 5V, 1 dây mass và 1 dây tín hiệu PWM) kết nối với vi điều khiển trên
mạch điện.
Hình 3.4: ESC Simok 30A

- Thông số kỹ thuật của ESC Simok 30A: + Điện áp hoạt động:
5.6 ÷ 16.8V
+ Dòng điện cấp cực đại: 30 ÷ 40A
+ BEC (battery eliminator circuit): 2A/5V
+ Tần số điều khiển pha: 8KHZ
+ Nặng: 28gram
+ Programmable: Có
- Với thông số đã được trình bày ở chương 2 thì chu kì xung yêu cầu đưa vào chân
tín hiệu của ESC là 20ms, độ rộng xung là từ 1.0ms đến 2.0ms.
3.1.4. Pin
- Do Pin Li-Po có khả năng lưu trữ năng Lượng nhiều hơn bất kỳ loại pin nào kể
trên vì thế nhiều người rất ưa chuộng và sử dụng phổ biến trong môn mô hình trực
thăng bốn cánh hiện nay. Pin Li-Po có chất điện phân dạng rắn khác với điện phân
lỏng như hầu hết các loại pin khác. Điều đó có nghĩa nó có trọng lượng nhẹ hơn nhiều
so với các loại pin khác và nhà sản xuất có thể chế tạo pin Li-Po với bất kỳ hình dạng
nào. Ở đây em dùng loại pin 3S-11.1V 40C với dung lượng 2200mah và dòng điện tối
đa cho phép là 8800mA.
Hình 3.5: Pin Lipo 2200mah

3.1.5. Bộ thu và phát sóng
- Như đã nói ở chương 2, em sử dụng bộ phát sóng Devo 7 và thu sóng Rx701
hoạt động trên tần số vô tuyến 2,4 GHz và có 7 kênh.
Hình 3.6: Bộ thu và phát sóng
3.1.6. Board điều khiển chuyến bay
- Bộ điều khiển bay là "bộ não" của quadcopter và thực hiện các hoạt động cần
thiết để giữ cho quadcopter ổn định và kiểm soát được. Nó chấp nhận các lệnh điều
khiển người dùng từ Rx, kết hợp chúng với các giá trị đo từ cảm biến gia tốc và góc
giúp điều khiển tốc độ quay của động cơ một cách thích hợp.
- Đối với hầu hết các quadcopters sở thích, người ta sẽ chọn một bộ điều khiển
máy bay có mục đích thực hiện. Những bảng này thường có các cảm biến tích hợp
chung với board điều khiển cung cấp phần mềm kiểm soát bay tốt. Tuy nhiên, đối với
dự án này, em đã sử dụng một arduino uno làm điều khiển chuyến bay và cảm biến
MPU-6050 dùng để đo góc và gia tốc cho quadcopter.
- MPU-6050 có khả năng đo ở phạm vi:
+ Con quay hồi chuyển: ± 250 500 1000 2000 dps
+ Gia tốc: ± 2 ± 4 ± 8 ± 16g
Hơn nữa, MPU-6050 có sẵn bộ đệm dữ liệu 1024 byte cho phép vi điều khiển phát
lệnh cho cảm biến, và nhận về dữ liệu sau khi MPU-6050 tính toán xong.

3.2. Sơ đồ tổng quát
Hình 3.7: Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống quadcopter
Hệ thống nhìn chung có 2 khối chính:
- Khối điều khiển: Gồm có pin 12V để cấp nguồn cho bộ phát sóng, các tay
joystick trên Devo 7 dùng để điều khiển 4 kênh throttle- roll- pitch-yaw.
- Khối mô hình quadcopter và bộ thu rx701: Bộ thu sóng Rx701, vi điều khiển,
cảm biến MPU-6050, các bộ điều tốc ESC và động cơ BLDC, pin Lithium Polymer
làm nguồn nuôi chung.

3.3. Sơ đồ nguyên lý
Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý
- Để kết nối MPU-6050 với Arduino Uno ta kết nối nhãn pin SDA trên MPU 6050
với pin tương tự của Arduino 4 (SDA) và pin được gắn nhãn SCL trên MPU 6050 đến
pin tương tự của Arduino 5 (SCL).
- Quadcopter được thiết kế cho một pin máy bay 3 cell (lipo). Loại pin này có điện
áp ra tối đa là 12.6V khi sạc đầy.
- Khi arduino được kết nối với máy tính thì diode 1N4001 ngăn không cho nguồn
điện USB đi vào các ESC và motor. Khi được sử dụng bằng pin lipo thả điện áp gây ra
bởi các diode là khoảng 0.6V.
- Các điện trở (R2 và R3 trên schematic) giúp hạn dòng làm cho arduino không bị
cháy. Ngõ vào analog này có thể xử lý điện áp đầu vào tối đa là 5V.

Hình 3.9: Công thức tính điện áp đầu vào
3.4. Bộ điều khiển PID
- Trong điều khiển cân bằng, mô hình máy bay quadcopter thường sử dụng 3 loại
điều khiển là P, PD và PID với giá trị cần hiệu chỉnh là các góc roll, pitch, yaw nhận từ
cảm biến IMU.
- Do đặc điểm điều khiển của mỗi thông số là khác nhau nên hàm hiệu chỉnh PID
tương ứng của chúng cũng có hệ số khác nhau.
Hình 3.10: Sơ đồ điều khiển PID ở quadcopter

- Có 4 phương pháp tìm các thông số PID(Kp, Ki, Kd):
+ Điều chỉnh thủ công: không cần hiểu biết về thuật toán, dựa trên thực nghiệm và
đòi hỏi kinh nghiệm từu người điều chỉnh.
+ Phương pháp Ziegler- Nichols: phương pháp chứng minh, dựa trên thực nghiệm.
Phương pháp này được thực hiện bằng cách thiết lập thông số độ lợi khâu I (tích phân)
và khâu D (vi phân) về không (0,zero).
+ Dùng công cụ phần mềm: điều chỉnh chắc chắn, dựa trên thực nghiệm hoặc trên
tính toán, cho phép mô phỏng trước khi áp dụng thực tế tuy nhiên phương pháp này
đòi hỏi chi phí cao và phải được huấn luyện.
+ Cohen- Coon: xử lý các mô hình tốt, dựa trên tính toán và yêu cầu kĩ năng toán
phải vững, nhược điểm là chỉ tốt đổi với quá trình bậc một.
- Ở đây ta có thể dựa vào nội dung của phương pháp Ziegler-Nichols làm cở sở
để xác định các thông số P, D.Theo đó:
+ Ở khâu P và khâu I, đưa vào giá trị góc đo đạt, so sánh hiệu chỉnh với góc điều
khiển.
+ Ở khâu D, đưa vào giá trị đạo hàm theo thời gian của góc xoay, đây chính là giá
trị của cảm biến gyro nên ta không cần tính toán thêm.
- Hiện tại, do việc thu nhận các thông số trạng thái của mô hình còn chưa tốt, tín
hiệu nhận còn bị tác động nhiều bởi nhiễu nên mô hình vẫn cần sự hỗ trợ từ người
điều khiển để khắc phục các sai lệch.
Hình 3.11: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID

3.5. Sơ đồ giải thuật
Hình 3.12: Sơ đồ giải thuật

3.6. Code
#include <Wire.h>
#include <EEPROM.h>
float pid_p_gain_roll = 1.3;
float pid_i_gain_roll = 0.04;
float pid_d_gain_roll = 18.0;
int pid_max_roll = 400;
float pid_p_gain_pitch = pid_p_gain_roll;
float pid_i_gain_pitch = pid_i_gain_roll;
float pid_d_gain_pitch = pid_d_gain_roll;
int pid_max_pitch = pid_max_roll;
float pid_p_gain_yaw = 4.0;
float pid_i_gain_yaw = 0.02;
float pid_d_gain_yaw = 0.0;
int pid_max_yaw = 400;
boolean auto_level = true;
byte last_channel_1, last_channel_2, last_channel_3, last_channel_4;
byte eeprom_data[36];
byte highByte, lowByte;
volatile int receiver_input_channel_1, receiver_input_channel_2,
receiver_input_channel_3, receiver_input_channel_4;
int counter_channel_1, counter_channel_2, counter_channel_3, counter_channel_4,
loop_counter;
int esc_1, esc_2, esc_3, esc_4;
int throttle, battery_voltage;
int cal_int, start, gyro_address;
int receiver_input[5];
int temperature;
int acc_axis[4], gyro_axis[4];
float roll_level_adjust, pitch_level_adjust;
long acc_x, acc_y, acc_z, acc_total_vector;

unsigned long timer_channel_1, timer_channel_2, timer_channel_3, timer_channel_4,
esc_timer, esc_loop_timer;
unsigned long timer_1, timer_2, timer_3, timer_4,
current_time; unsigned long loop_timer;
double gyro_pitch, gyro_roll, gyro_yaw;
double gyro_axis_cal[4];
float pid_error_temp;
float pid_i_mem_roll, pid_roll_setpoint, gyro_roll_input, pid_output_roll,
pid_last_roll_d_error;
float pid_i_mem_pitch, pid_pitch_setpoint, gyro_pitch_input, pid_output_pitch,
pid_last_pitch_d_error;
float pid_i_mem_yaw, pid_yaw_setpoint, gyro_yaw_input,
pid_output_yaw, pid_last_yaw_d_error;
float angle_roll_acc, angle_pitch_acc, angle_pitch, angle_roll;
boolean gyro_angles_set;
void setup(){
for(start = 0; start <= 35; start++)eeprom_data[start] =
EEPROM.read(start); start = 0;
gyro_address = eeprom_data[32];
Wire.begin();
TWBR = 12;
DDRD |= B11110000;
DDRB |= B00110000;
digitalWrite(12,HIGH);
while(eeprom_data[33] != 'J' || eeprom_data[34] != 'M' || eeprom_data[35]
!= 'B')delay(10);
if(eeprom_data[31] == 2 || eeprom_data[31] ==
3)delay(10); set_gyro_registers();
for (cal_int = 0; cal_int < 1250 ; cal_int
++){ PORTD |= B11110000;
delayMicroseconds(1000);
PORTD &= B00001111;
}
for (cal_int = 0; cal_int < 2000 ; cal_int ++){

if(cal_int % 15 == 0)digitalWrite(12, !digitalRead(12));
gyro_signalen();
gyro_axis_cal[1] += gyro_axis[1];
PORTD |= B11110000;
PORTD &= B00001111;
delay(3);
}
gyro_axis_cal[1] /= 2000;
PCICR |= (1 << PCIE0);
PCMSK0 |= (1 << PCINT0);
while(receiver_input_channel_3<990||receiver_input_channel_3 > 1020||
receiver_input_channel_4 < 1400){
receiver_input_channel_3 = convert_receiver_channel(3);
start ++;
PORTD |= B11110000;
PORTD &= B00001111;
delay(3);
if(start == 125){
digitalWrite(12, !digitalRead(12));
start = 0;
}
}
start = 0;

battery_voltage = (analogRead(0) + 65) * 1.2317;
loop_timer = micros();
digitalWrite(12,LOW);
}
void loop(){
gyro_roll_input = (gyro_roll_input * 0.7) + ((gyro_roll / 65.5) * 0.3);
gyro_pitch_input = (gyro_pitch_input * 0.7) + ((gyro_pitch / 65.5) * 0.3);
gyro_yaw_input = (gyro_yaw_input * 0.7) + ((gyro_yaw / 65.5) * 0.3);
angle_pitch += gyro_pitch * 0.0000611;
angle_roll += gyro_roll * 0.0000611;
angle_pitch -= angle_roll * sin(gyro_yaw * 0.000001066);
angle_roll += angle_pitch * sin(gyro_yaw * 0.000001066);
acc_total_vector = sqrt((acc_x*acc_x)+(acc_y*acc_y)+(acc_z*acc_z));
if(abs(acc_y) < acc_total_vector){
angle_pitch_acc = asin((float)acc_y/acc_total_vector)* 57.296;
}
if(abs(acc_x) < acc_total_vector){
angle_roll_acc = asin((float)acc_x/acc_total_vector)* -57.296;
}
angle_pitch_acc -= 0.0;
angle_roll_acc -= 0.0;
angle_pitch = angle_pitch * 0.9996 + angle_pitch_acc * 0.0004;
angle_roll = angle_roll * 0.9996 + angle_roll_acc * 0.0004;
pitch_level_adjust = angle_pitch * 15;
roll_level_adjust = angle_roll * 15;
if(!auto_level){
pitch_level_adjust = 0;
roll_level_adjust = 0;
}

if(receiver_input_channel_3 < 1050 && receiver_input_channel_4 < 1050)start = 1;
if(start == 1 && receiver_input_channel_3 < 1050 && receiver_input_channel_4 >
1450){
start = 2;
angle_pitch = angle_pitch_acc;
angle_roll = angle_roll_acc;
gyro_angles_set = true;
pid_i_mem_roll = 0;
pid_last_roll_d_error = 0;
pid_i_mem_pitch = 0;
pid_last_pitch_d_error = 0;
pid_i_mem_yaw = 0;
pid_last_yaw_d_error = 0;
}
if(start == 2 && receiver_input_channel_3 < 1050 && receiver_input_channel_4 >
1950)start = 0;
pid_roll_setpoint = 0;
if(receiver_input_channel_1 > 1508)pid_roll_setpoint = receiver_input_channel_1 -
1508;
else if(receiver_input_channel_1 < 1492)pid_roll_setpoint =
receiver_input_channel_1 - 1492;
pid_roll_setpoint -= roll_level_adjust;
pid_roll_setpoint /= 3.0;
pid_pitch_setpoint = 0;
if(receiver_input_channel_2 > 1508)pid_pitch_setpoint = receiver_input_channel_2
- 1508;
else if(receiver_input_channel_2 < 1492)pid_pitch_setpoint =
receiver_input_channel_2 - 1492;
pid_pitch_setpoint -= pitch_level_adjust;
pid_pitch_setpoint /= 3.0;

pid_yaw_setpoint = 0;
if(receiver_input_channel_3 > 1050){
if(receiver_input_channel_4 > 1508)
pid_yaw_setpoint = (receiver_input_channel_4 -
1508)/3.0; else if(receiver_input_channel_4 < 1492)
pid_yaw_setpoint = (receiver_input_channel_4 - 1492)/3.0;
}
calculate_pid();
battery_voltage = battery_voltage * 0.92 + (analogRead(0) + 65) * 0.09853;
if(battery_voltage < 1000 && battery_voltage > 600)digitalWrite(12, HIGH);
throttle = receiver_input_channel_3;
if (start == 2){
if (throttle > 1800) throttle = 1800;
esc_1 = throttle - pid_output_pitch + pid_output_roll - pid_output_yaw;
esc_2 = throttle + pid_output_pitch + pid_output_roll + pid_output_yaw;
esc_3 = throttle + pid_output_pitch - pid_output_roll - pid_output_yaw;
esc_4 = throttle - pid_output_pitch - pid_output_roll + pid_output_yaw;
if (battery_voltage < 1240 && battery_voltage > 800){
esc_1 += esc_1 * ((1240 - battery_voltage)/(float)3500);
}
if (esc_1 < 1100) esc_1 = 1100;
if (esc_2 < 1100) esc_2 = 1100;
if (esc_3 < 1100) esc_3 = 1100;
if (esc_4 < 1100) esc_4 = 1100;
if(esc_1 > 2000)esc_1 = 2000
if(esc_2 > 2000)esc_2 = 2000;
if(esc_3 > 2000)esc_3 = 2000;
if(esc_4 > 2000)esc_4 = 2000;
}

else{
esc_1 = 1000;
esc_2 = 1000;
esc_3 = 1000;
esc_4 = 1000;
}
if(micros() - loop_timer > 4050)digitalWrite(12,
HIGH); while(micros() - loop_timer < 4000);
loop_timer = micros();
PORTD |= B11110000;
timer_channel_1 = esc_1 + loop_timer;
gyro_signalen();
while(PORTD >= 16){
esc_loop_timer = micros();
if(timer_channel_1 <= esc_loop_timer)PORTD &= B11101111;
}
}
ISR(PCINT0_vect){
current_time = micros();
if(PINB & B00000001){
if(last_channel_1 == 0){
last_channel_1 = 1;
timer_1 = current_time;
}
}

else if(last_channel_1 == 1){
last_channel_1 = 0;
receiver_input[1] = current_time - timer_1;
}
if(PINB & B00000010 ){
last_channel_2 = 1;
}
}
last_channel_2 = 0;
}
if(PINB & B00000100 ){
last_channel_3 = 1;
}
}
last_channel_3 = 0;
}
if(PINB & B00001000 ){
last_channel_4 = 1;
}
}
last_channel_4 = 0;
}

}
void gyro_signalen(){
if(eeprom_data[31] == 1){
Wire.beginTransmission(gyro_address);
Wire.write(0x3B);
Wire.endTransmission();
Wire.requestFrom(gyro_address,14);
while(Wire.available() < 14);
acc_axis[1] = Wire.read()<<8|Wire.read();
temperature = Wire.read()<<8|Wire.read();
gyro_axis[1] = Wire.read()<<8|Wire.read();
}
if(cal_int == 2000){
gyro_axis[1] -= gyro_axis_cal[1];
}
gyro_roll = gyro_axis[eeprom_data[28] & 0b00000011];
if(eeprom_data[28] & 0b10000000)gyro_roll *= -1;
gyro_pitch = gyro_axis[eeprom_data[29] & 0b00000011];
if(eeprom_data[29] & 0b10000000)gyro_pitch *= -1;
gyro_yaw = gyro_axis[eeprom_data[30] & 0b00000011];
if(eeprom_data[30] & 0b10000000)gyro_yaw *= -1;
acc_x = acc_axis[eeprom_data[29] & 0b00000011];
if(eeprom_data[29] & 0b10000000)acc_x *= -1;

acc_y = acc_axis[eeprom_data[28] & 0b00000011];
if(eeprom_data[28] & 0b10000000)acc_y *= -1;
acc_z = acc_axis[eeprom_data[30] & 0b00000011];
if(eeprom_data[30] & 0b10000000)acc_z *= -1;
}
void calculate_pid(){
pid_error_temp = gyro_roll_input - pid_roll_setpoint;
pid_i_mem_roll += pid_i_gain_roll * pid_error_temp;
if(pid_i_mem_roll > pid_max_roll)pid_i_mem_roll = pid_max_roll;
else if(pid_i_mem_roll < pid_max_roll * -1)pid_i_mem_roll = pid_max_roll * -1;
pid_output_roll = pid_p_gain_roll * pid_error_temp + pid_i_mem_roll +
pid_d_gain_roll * (pid_error_temp - pid_last_roll_d_error);
if(pid_output_roll > pid_max_roll)pid_output_roll = pid_max_roll;
else if(pid_output_roll < pid_max_roll * -1)pid_output_roll = pid_max_roll * -1;
pid_last_roll_d_error = pid_error_temp;
pid_error_temp = gyro_pitch_input - pid_pitch_setpoint;
pid_i_mem_pitch += pid_i_gain_pitch * pid_error_temp;
if(pid_i_mem_pitch > pid_max_pitch)pid_i_mem_pitch = pid_max_pitch;
else if(pid_i_mem_pitch < pid_max_pitch * -1)pid_i_mem_pitch = pid_max_pitch *
-1;
pid_output_pitch = pid_p_gain_pitch * pid_error_temp + pid_i_mem_pitch +
pid_d_gain_pitch * (pid_error_temp - pid_last_pitch_d_error);
if(pid_output_pitch > pid_max_pitch)pid_output_pitch = pid_max_pitch;
else if(pid_output_pitch < pid_max_pitch * -1)pid_output_pitch = pid_max_pitch * -
1;
pid_last_pitch_d_error = pid_error_temp;
pid_error_temp = gyro_yaw_input - pid_yaw_setpoint;
pid_i_mem_yaw += pid_i_gain_yaw * pid_error_temp;
if(pid_i_mem_yaw > pid_max_yaw)pid_i_mem_yaw = pid_max_yaw;
else if(pid_i_mem_yaw < pid_max_yaw * -1)pid_i_mem_yaw = pid_max_yaw * -1;
pid_output_yaw = pid_p_gain_yaw * pid_error_temp + pid_i_mem_yaw +
pid_d_gain_yaw * (pid_error_temp - pid_last_yaw_d_error);
if(pid_output_yaw > pid_max_yaw)pid_output_yaw = pid_max_yaw;
else if(pid_output_yaw < pid_max_yaw * -1)pid_output_yaw = pid_max_yaw * -1;

pid_last_yaw_d_error = pid_error_temp;
}
int convert_receiver_channel(byte
function){ byte channel, reverse;
int low, center, high, actual;
int difference;
channel = eeprom_data[function + 23] & 0b00000111;
if(eeprom_data[function + 23] & 0b10000000)reverse = 1;
else reverse = 0;
actual = receiver_input[channel];
low = (eeprom_data[channel * 2 + 15] << 8) | eeprom_data[channel * 2 + 14];
center = (eeprom_data[channel * 2 - 1] << 8) | eeprom_data[channel * 2 - 2];
high = (eeprom_data[channel * 2 + 7] << 8) | eeprom_data[channel * 2 + 6];
if(actual < center){
if(actual < low)actual = low;
difference = ((long)(center - actual) * (long)500) / (center - low);
if(reverse == 1)return 1500 + difference; else return 1500 -
difference;
}
else if(actual > center){
if(actual > high)actual = high;
difference = ((long)(actual - center) * (long)500) / (high - center);
if(reverse == 1)return 1500 - difference; else return 1500 +
difference;
}
else return 1500;
}
void set_gyro_registers(){
if(eeprom_data[31] == 1){
Wire.write(0x6B);
Wire.write(0x00);

Wire.write(0x1B);
Wire.write(0x08);
Wire.write(0x1C);
Wire.write(0x10);
Wire.write(0x1B);
Wire.requestFrom(gyro_address, 1);
while(Wire.available() < 1);
if(Wire.read() != 0x08){
digitalWrite(12,HIGH);
while(1)delay(10);
}
Wire.write(0x1A);
Wire.write(0x03);
}
}

3.7. Mô hình đã thi công
Hình 3.13: Quadcopter đã thi công xong

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN
4.1. Ưu điểm
- Ưu điểm của quadcopter là ở kích thước nhỏ, rẻ hơn và bền hơn máy bay trực
thăng thông thường do sự đơn giản về mặt cơ khí của chúng. Lưỡi cánh nhỏ là một
thuận lợi vì chúng có ít động năng hơn, giảm khả năng gây thiệt hạ.
- Xử lý tốt tín hiệu thu được từ cảm biến MPU-6050.
- Khắc phục tốt vấn đề nhiễu.
4.2. Nhược điểm
- Đáp ứng của động cơ còn chậm do bộ diều tốc có tần số cập nhật ở mức thấp 50Hz.
- Tốc độ điều khiển 4 ESC chưa đều vẫn còn sai số giữa 4 động cơ ở cùng 1 tín hiệu
điều khiển.
4.3. Hướng phát triển của đề tài
- Tích hợp thêm cho quadcoter một số các cảm biến khác để hoạt động tốt hơn như:
+ Tích hợp hệ thống định vị GPS để xác định tọa độ bay.
+ La bàn điện tử để xác định phương hướng.
+ Cảm biến siêu âm để xác định độ cao và thăm dò địa hình.
….
- Ngoài ra lắp thêm camera quay phim và chụp ảnh gửi về máy tính theo đường
truyền wifi ứng dụng trong do thám.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
TÀI LIỆU THAM KHẢO
- “Nghiên cứu và chế tạo mô hình máy bay quadrocopter” của sinh viên trường
Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
- http://www.brokking.net/ymfc-al_main.html
- Starlino,12/2010, Guide To using IMU (Accelerometer and Gyroscope Devices) in
Embedded Applications
- Các bài viết trên diễn đàn:
+ http://www.clbmohinh.com/forum/default.aspx
+ http://rchobby365.com/diendan/news.php
Và một số tài liệu trên google.

Đồ án Thiết kế và điều khiển trực thăng bốn cánh

Recommended

Recommended

More Related Content

Similar to Đồ án Thiết kế và điều khiển trực thăng bốn cánh

Similar to Đồ án Thiết kế và điều khiển trực thăng bốn cánh (20)

More from lamluanvan.net Viết thuê luận văn

More from lamluanvan.net Viết thuê luận văn (20)

Đồ án Thiết kế và điều khiển trực thăng bốn cánh