Tweet
Thiết kế chế tạo khí cụ bay QuadRotor (phần 1)
1 GIỚI THIỆU
Theo từ điển chuyên ngành trong lĩnh vực quân sự, máy bay không người lái – UAV(Unmanned Arial Vehicle) – là một phương tiện hàng không có gắn động cơ nhưng không mang người lái, sử dụng các lực khí động học để di chuyển, có thể bay tự động hoặc thông qua bộ điều khiển từ xa, có thể mang vũ khí chiến đấu hoặc các thiết bị điện tử khác. Các phương tiện bay theo quỹ đạo, bán quỹ đạo như vệ tinh nhân tạo, các tên lửa hành trình, tên lửa tìm nhiệt không được coi là một vật bay không người lái.
Các UAV được biết đến bởi khả năng thực hiện các nhiệm vụ liên quan đến các thiết bị quân sự. Sau khi chiến tranh lạnh kết thúc, hàng loạt các nước như Mỹ, Tây Âu, Úc, Israel, Trung Quốc, Nga đã đầu tư hàng triệu đô-la cho các công trình nghiên cứu và phát triển UAV. Các loại UAV phục vụ cho các nhiệm vụ quân sự khác nhau được thiết kế và đưa vào thực tế. Ngoài các thiết kế dành cho quân sự, các ứng dụng cho các lĩnh vực khác cũng được quan tâm như quan sát núi lửa, điều tra môi trường, bảo dưỡng thiết bị, gieo trồng, phun thuốc trừ sâu trong nông nghiệp… Ngày càng có nhiều các ứng dụng thương mại được phát triển với UAV.
Ngày nay, một số lượng lớn UAV được phát triển dựa trên các nhiệm vụ yêu cầu. Thông qua số lượng các UAV đang được sử dụng cho thấy không thể phủ nhận khả năng của các phương tiên bay lên thẳng bởi tính tiện dụng và linh hoạt trong phạm vi hoạt động hẹp. Phương tiện bay lên thẳng có thể bay trong các khu vực thấp hơn so với mặt nước biển, có thể lượn và cung cấp chi tiết các thông tin về khu vực đó thông qua các trạm điều khiển.
Các cấu hình khác nhau của phương tiện bay lên thẳng như các loại máy bay trực thăng, quạt ống, cánh nghiêng, quadrotor đều đã được phát triển từ lâu. Mỗi loại cấu hình nêu trên đều có những ưu-nhược điểm nhất định.
Quadrotor một phương tiện bay dạng UAV được trang bị 4 động cơ có gắn cánh quạt ở 4 góc một khung hình chữ thập, hoạt động dựa vào các nguyên lý khí động học.
Nhiệm vụ của đề tài là thiết kế một loại thiết bị bay lên thẳng dạng quadrotor có khả năng tự cân bằng, hoạt động trong phòng thí nghiệm và được điều khiển từ xa.
2 TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ BAY DẠNG QUADROTOR
2.1. Lịch sử phát triển quadrotor
Chiếc quadrotor đầu tiên trên thế giới ra đời năm 1907 do 2 anh em nhà khoa học người Pháp Charles Richet và Charlaes Breguet chế tạo. Nó được mang tên là “Breguet – Richet Gyroplane No 1”. Yêu cầu được đưa ra là nó có thể cất cánh khỏi mặt đất với 1 phi công. Một động cơ 8 xi- lanh được sử dụng để quay 4 cánh quạt. Mỗi cánh quạt có 4 bản cánh. Hệ thống dây đai và pu-li được gắn lên nhằm truyền động từ động cơ cho các cánh. Bộ khung của chiếc quadrotor này làm từ các ống thép. Tổng trọng lượng của nó vào khoảng 500kg. Lần bay thử nghiệm đầu tiên diễn ra tại Douai- Pháp vào năm 1907. Nó đã có thể nâng cao khỏi mặt đất 1,5 m.
Hình 2.1 Breguet- Richet Gyroplane No 1
Đến năm 1920, Etienne Oemichen, đã chế tạo một chiếc quadrotor với 8 cánh quạt linh hoạt nhằm điều khiển và tạo lực đẩy. Ban đầu, nó được gắn thêm một khí cầu để nâng và giữ ổn định cho cỗ máy này. Năm 1924, Oemichen đã thành công khi cho chiếc quadrotor bay mà không cần sự trợ giúp của khí cầu. Sau đó, nó không bao giờ được sử dụng nữa .
Hình 2.2 Quadrotor của Etienne Oemichen
Trong năm 1922, Georges de Bothezat và Ivan Jerome thành công khi thiết kế chiếc quadrotor khổng lồ phục vụ cho quân đội Mỹ. Cỗ máy này đã được điều khiển bằng cách thay đổi đơn lẻ hoặc cùng lúc các góc xoắn của cánh quạt. Ngoài ra nó còn được gắn thêm 4 cánh quạt loại nhỏ để trợ giúp điều khiển. Chiếc quadrotor này được đặt tên là ”Bạch tuộc bay”. Những dự án này bị hủy bỏ ngay lập tức vì khả năng bay thấp, giá thành cao.
Từ đó, các cấu hình của quadrotor không còn được chú ý như trước. Cho đến những năm 1980, quadrotor lại được quan tâm trở lại với kết cấu đơn giản, khả năng mang tải cao và giá thành thấp.
Chiếc Draganflyer của hãng sáng chế Draganfly, là một trong những chiếc quadrotor thương mại điều khiển bằng sóng radio rất nổi tiếng. Nó được trang bị một bảng mạch điều khiển vị trí. Draganflyer có thể rất dễ dàng bay so với một chiếc trực thăng thông thường. Khung của nó làm bằng ống sợi các-bon có trọng lượng nhẹ nhưng đủ bền. Draganflyer sử dụng 3 cảm biến góc Gyro để giữ thăng bằng. Ngày nay, rất nhiều nhà nghiên cứu sử dụng Draganflyer như một phương tiện cơ bản phục vụ cho các công việc nghiên cứu.
Chiếc quattrocopter [7] cũng là một trong những chiếc quadrotor siêu nhỏ đáng được quan tâm của cơ quan hàng không vũ trụ châu Âu. Nó có trọng lượng khá nhỏ(0.5kg), có khả năng mang một camera và các cảm biến khác. Quattrocopter là chiếc quadrotor thương mại duy nhất được thiết kế cho hệ thống công nghiệp và các ứng dụng quốc phòng. Một bảng mạch điều khiển có tên hệ thông tự lái hàng không siêu nhỏ, bao gồm 6 cảm biến, hệ thống định vị GPS, cảm biến dữ liệu áp suất không khí và một vi điều khiển. Quattrocopter được thể hiện
Chiếc X4 flyer Mark II [8], như trong hình 1.8, được thiết kế và chế tạo tại Đại học Quốc gia úc nhằm cho sinh viên tìm hiểu các vấn đề về lực đẩy và sự cân bằng. Nó được thiết kế như một ứng dụng trong nhà.
Một nhóm nghiên cứu tại đại học Stanford với hệ thống kiểm tra tĩnh cho quá trình điều khiển đa trạm(STARMAC), đã sử dụng quadrotor như một thiết bị cơ bản để nghiên cứu thuật toán điều khiển đa trạm nhằm loại bỏ các yếu tố vật lí không có ích. Một hệ thống điều khiển PID đã được phát triển cho quá trình điều khiển vị trí bằng vòng lặp. Các thiết bị giao tiếp và điều khiển động cơ hoạt động qua 2 vi điều khiển PIC. Mạch cảm biến bao gồm một khối IMU có chức năng đưa ra 9 trạng thái của hệ thống( nghiêng, lật, xoay, 3 vận tốc góc và gia tốc góc theo 3 trục XYZ), một bộ thu tín hiệu định vị toàn cầu GPS và một cảm biế siêu âm. Thuật toán lọc Kalman được đưa vào nhằm phối hợp tín hiệu từ các cảm biến. Ngoài ra nó còn được trang bị bộ thu phát không dây Bluetooth cho quá trình trao đổi thông tin giữa quadrotor và trạm mặt đất. Trạm mặt đất bao gồm một máy tính xách tay chạy chương trình Labview nhằm kết nối trực tiếp quadrotor với hệ thống 4 máy tính có nhiệm vụ phân tích và đưa ra hướng bay cho mỗi chiếc quadrotor.
2.2. Cấu tạo quadrotor
Các bộ thành phần cơ bản của quadrotor là:
- Hệ thống cơ khí và và truyền động.
- Hệ thống điều khiển.
- Hệ thống cảm biến.
- Hệ thống truyền thông.
2.2.1. Hệ thống cơ khí và truyền động
Hệ thống cơ khí và truyền động bao gồm hệ thống khung, động cơ và ESC.
Khung của quadrotor phải được thiết kế với yêu cầu nhỏ gọn nhưng phải thỏa mãn được độ bền, chịu được mô men uốn cao để dễ dàng cho việc điều khiển.
Trong quadrotor thường sử dụng động cơ không chổi than để truyền động cho cánh quạt vì loại động cơ này có tốc độ cao và không có chổi than nên không bị mòn cổ góp và không bị phóng tia lửa điện gây tổn hao năng lượng.
Trên thị trường có nhiều loại động cơ không chổi than với công suất và lực nâng tối đa khác nhau. Động cơ EMAX BL2215/20 có sức nâng tối đa 800g, có thể đạt được tốc độ 12000 vòng /phút rất phù hợp với yêu cầu của bài toán là nâng được khoảng 1kg.
Loại động cơ này hoạt động dưới điện áp 11.1v, điều đặc biệt là stato (vỏ bên ngoài gắn các nam châm vĩnh cửu) quay tròn theo trục động cơ còn roto mang các cuộn dây đứng yên.
Có 3 dây điều khiển động cơ và được quấn thành 9 cuộn xen kẽ trong roto. Việc điều khiển động cơ dựa trên việc cấp xung cho các cuộn dây (tương tự như động cơ bước). Để đảo chiều động cơ ta chỉ cần thay đổi vị trí cho 2 trong 3 dây điều khiển.
Bảng thông số động cơ
Bảng 2.2 Các thông số cơ bản của động cơ
STT Thông số Giá trị
1 Vận tốc 12000[vòng/ phút]
2 Hiệu điện thế hiệu dụng 12V
3 Dòng điện cực đại 18A
Động cơ một chiều không chổi than có ưu điểm tốc độ cao hơn, bền hơn so với động cơ một chiều có chổi than. Ngày nay, động cơ không chổi than 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 quay cao, xe đạp điên, xe máy điện…
Theo từ điển chuyên ngành trong lĩnh vực quân sự, máy bay không người lái – UAV(Unmanned Arial Vehicle) – là một phương tiện hàng không có gắn động cơ nhưng không mang người lái, sử dụng các lực khí động học để di chuyển, có thể bay tự động hoặc thông qua bộ điều khiển từ xa, có thể mang vũ khí chiến đấu hoặc các thiết bị điện tử khác. Các phương tiện bay theo quỹ đạo, bán quỹ đạo như vệ tinh nhân tạo, các tên lửa hành trình, tên lửa tìm nhiệt không được coi là một vật bay không người lái.
Các UAV được biết đến bởi khả năng thực hiện các nhiệm vụ liên quan đến các thiết bị quân sự. Sau khi chiến tranh lạnh kết thúc, hàng loạt các nước như Mỹ, Tây Âu, Úc, Israel, Trung Quốc, Nga đã đầu tư hàng triệu đô-la cho các công trình nghiên cứu và phát triển UAV. Các loại UAV phục vụ cho các nhiệm vụ quân sự khác nhau được thiết kế và đưa vào thực tế. Ngoài các thiết kế dành cho quân sự, các ứng dụng cho các lĩnh vực khác cũng được quan tâm như quan sát núi lửa, điều tra môi trường, bảo dưỡng thiết bị, gieo trồng, phun thuốc trừ sâu trong nông nghiệp… Ngày càng có nhiều các ứng dụng thương mại được phát triển với UAV.
Ngày nay, một số lượng lớn UAV được phát triển dựa trên các nhiệm vụ yêu cầu. Thông qua số lượng các UAV đang được sử dụng cho thấy không thể phủ nhận khả năng của các phương tiên bay lên thẳng bởi tính tiện dụng và linh hoạt trong phạm vi hoạt động hẹp. Phương tiện bay lên thẳng có thể bay trong các khu vực thấp hơn so với mặt nước biển, có thể lượn và cung cấp chi tiết các thông tin về khu vực đó thông qua các trạm điều khiển.
Các cấu hình khác nhau của phương tiện bay lên thẳng như các loại máy bay trực thăng, quạt ống, cánh nghiêng, quadrotor đều đã được phát triển từ lâu. Mỗi loại cấu hình nêu trên đều có những ưu-nhược điểm nhất định.
Quadrotor một phương tiện bay dạng UAV được trang bị 4 động cơ có gắn cánh quạt ở 4 góc một khung hình chữ thập, hoạt động dựa vào các nguyên lý khí động học.
Nhiệm vụ của đề tài là thiết kế một loại thiết bị bay lên thẳng dạng quadrotor có khả năng tự cân bằng, hoạt động trong phòng thí nghiệm và được điều khiển từ xa.
2 TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ BAY DẠNG QUADROTOR
2.1. Lịch sử phát triển quadrotor
Chiếc quadrotor đầu tiên trên thế giới ra đời năm 1907 do 2 anh em nhà khoa học người Pháp Charles Richet và Charlaes Breguet chế tạo. Nó được mang tên là “Breguet – Richet Gyroplane No 1”. Yêu cầu được đưa ra là nó có thể cất cánh khỏi mặt đất với 1 phi công. Một động cơ 8 xi- lanh được sử dụng để quay 4 cánh quạt. Mỗi cánh quạt có 4 bản cánh. Hệ thống dây đai và pu-li được gắn lên nhằm truyền động từ động cơ cho các cánh. Bộ khung của chiếc quadrotor này làm từ các ống thép. Tổng trọng lượng của nó vào khoảng 500kg. Lần bay thử nghiệm đầu tiên diễn ra tại Douai- Pháp vào năm 1907. Nó đã có thể nâng cao khỏi mặt đất 1,5 m.
Hình 2.1 Breguet- Richet Gyroplane No 1
Đến năm 1920, Etienne Oemichen, đã chế tạo một chiếc quadrotor với 8 cánh quạt linh hoạt nhằm điều khiển và tạo lực đẩy. Ban đầu, nó được gắn thêm một khí cầu để nâng và giữ ổn định cho cỗ máy này. Năm 1924, Oemichen đã thành công khi cho chiếc quadrotor bay mà không cần sự trợ giúp của khí cầu. Sau đó, nó không bao giờ được sử dụng nữa .
Hình 2.2 Quadrotor của Etienne Oemichen
Trong năm 1922, Georges de Bothezat và Ivan Jerome thành công khi thiết kế chiếc quadrotor khổng lồ phục vụ cho quân đội Mỹ. Cỗ máy này đã được điều khiển bằng cách thay đổi đơn lẻ hoặc cùng lúc các góc xoắn của cánh quạt. Ngoài ra nó còn được gắn thêm 4 cánh quạt loại nhỏ để trợ giúp điều khiển. Chiếc quadrotor này được đặt tên là ”Bạch tuộc bay”. Những dự án này bị hủy bỏ ngay lập tức vì khả năng bay thấp, giá thành cao.
Từ đó, các cấu hình của quadrotor không còn được chú ý như trước. Cho đến những năm 1980, quadrotor lại được quan tâm trở lại với kết cấu đơn giản, khả năng mang tải cao và giá thành thấp.
Chiếc Draganflyer của hãng sáng chế Draganfly, là một trong những chiếc quadrotor thương mại điều khiển bằng sóng radio rất nổi tiếng. Nó được trang bị một bảng mạch điều khiển vị trí. Draganflyer có thể rất dễ dàng bay so với một chiếc trực thăng thông thường. Khung của nó làm bằng ống sợi các-bon có trọng lượng nhẹ nhưng đủ bền. Draganflyer sử dụng 3 cảm biến góc Gyro để giữ thăng bằng. Ngày nay, rất nhiều nhà nghiên cứu sử dụng Draganflyer như một phương tiện cơ bản phục vụ cho các công việc nghiên cứu.
Chiếc quattrocopter [7] cũng là một trong những chiếc quadrotor siêu nhỏ đáng được quan tâm của cơ quan hàng không vũ trụ châu Âu. Nó có trọng lượng khá nhỏ(0.5kg), có khả năng mang một camera và các cảm biến khác. Quattrocopter là chiếc quadrotor thương mại duy nhất được thiết kế cho hệ thống công nghiệp và các ứng dụng quốc phòng. Một bảng mạch điều khiển có tên hệ thông tự lái hàng không siêu nhỏ, bao gồm 6 cảm biến, hệ thống định vị GPS, cảm biến dữ liệu áp suất không khí và một vi điều khiển. Quattrocopter được thể hiện
Chiếc X4 flyer Mark II [8], như trong hình 1.8, được thiết kế và chế tạo tại Đại học Quốc gia úc nhằm cho sinh viên tìm hiểu các vấn đề về lực đẩy và sự cân bằng. Nó được thiết kế như một ứng dụng trong nhà.
Một nhóm nghiên cứu tại đại học Stanford với hệ thống kiểm tra tĩnh cho quá trình điều khiển đa trạm(STARMAC), đã sử dụng quadrotor như một thiết bị cơ bản để nghiên cứu thuật toán điều khiển đa trạm nhằm loại bỏ các yếu tố vật lí không có ích. Một hệ thống điều khiển PID đã được phát triển cho quá trình điều khiển vị trí bằng vòng lặp. Các thiết bị giao tiếp và điều khiển động cơ hoạt động qua 2 vi điều khiển PIC. Mạch cảm biến bao gồm một khối IMU có chức năng đưa ra 9 trạng thái của hệ thống( nghiêng, lật, xoay, 3 vận tốc góc và gia tốc góc theo 3 trục XYZ), một bộ thu tín hiệu định vị toàn cầu GPS và một cảm biế siêu âm. Thuật toán lọc Kalman được đưa vào nhằm phối hợp tín hiệu từ các cảm biến. Ngoài ra nó còn được trang bị bộ thu phát không dây Bluetooth cho quá trình trao đổi thông tin giữa quadrotor và trạm mặt đất. Trạm mặt đất bao gồm một máy tính xách tay chạy chương trình Labview nhằm kết nối trực tiếp quadrotor với hệ thống 4 máy tính có nhiệm vụ phân tích và đưa ra hướng bay cho mỗi chiếc quadrotor.
2.2. Cấu tạo quadrotor
Các bộ thành phần cơ bản của quadrotor là:
- Hệ thống cơ khí và và truyền động.
- Hệ thống điều khiển.
- Hệ thống cảm biến.
- Hệ thống truyền thông.
2.2.1. Hệ thống cơ khí và truyền động
Hệ thống cơ khí và truyền động bao gồm hệ thống khung, động cơ và ESC.
Khung của quadrotor phải được thiết kế với yêu cầu nhỏ gọn nhưng phải thỏa mãn được độ bền, chịu được mô men uốn cao để dễ dàng cho việc điều khiển.
Trong quadrotor thường sử dụng động cơ không chổi than để truyền động cho cánh quạt vì loại động cơ này có tốc độ cao và không có chổi than nên không bị mòn cổ góp và không bị phóng tia lửa điện gây tổn hao năng lượng.
Trên thị trường có nhiều loại động cơ không chổi than với công suất và lực nâng tối đa khác nhau. Động cơ EMAX BL2215/20 có sức nâng tối đa 800g, có thể đạt được tốc độ 12000 vòng /phút rất phù hợp với yêu cầu của bài toán là nâng được khoảng 1kg.
Loại động cơ này hoạt động dưới điện áp 11.1v, điều đặc biệt là stato (vỏ bên ngoài gắn các nam châm vĩnh cửu) quay tròn theo trục động cơ còn roto mang các cuộn dây đứng yên.
Có 3 dây điều khiển động cơ và được quấn thành 9 cuộn xen kẽ trong roto. Việc điều khiển động cơ dựa trên việc cấp xung cho các cuộn dây (tương tự như động cơ bước). Để đảo chiều động cơ ta chỉ cần thay đổi vị trí cho 2 trong 3 dây điều khiển.
Bảng thông số động cơ
Bảng 2.2 Các thông số cơ bản của động cơ
STT Thông số Giá trị
1 Vận tốc 12000[vòng/ phút]
2 Hiệu điện thế hiệu dụng 12V
3 Dòng điện cực đại 18A
Động cơ một chiều không chổi than có ưu điểm tốc độ cao hơn, bền hơn so với động cơ một chiều có chổi than. Ngày nay, động cơ không chổi than 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 quay cao, xe đạp điên, xe máy điện…
Attached Files
