- THIẾT KẾ QUADROTOR ĐỂ THU THẬP KHÔNG ẢNH. - Quadrotor, thu thập không ảnh. - Bài báo này trình bày tổng quát quá trình thiết kế mô hình máy bay trực thăng bốn cánh quạt (quadrotor) cỡ nhỏ có giá đỡ cho máy ảnh kỹ thuật số để thu thập không ảnh. - Do bản chất máy bay này có mô hình đơn giản, vấn đề đặc biệt quan tâm trong nghiên cứu này là cái nhìn tổng quan về một mô hình máy bay trực thăng bốn cánh quạt hoàn chỉnh dựa trên nền phần mạch điều khiển bay ổn định và thông dụng trên thị trường, các giải pháp thu thập không ảnh để nhanh chóng triển khai ứng dụng thu thập không ảnh cho máy bay. - Ba mô hình thiết kế thực nghiệm cho khung máy bay và mô hình thiết kế giá đỡ camera được đề xuất và đánh giá. - Các giải pháp thu thập ảnh với máy ảnh kỹ thuật số cũng đã được giới thiệu. - Kết quả ban đầu cho thấy máy bay trực thăng bốn cánh quạt đã có thể thu thập không ảnh như yêu cầu đặt ra, mở ra nhiều hướng phát triển ứng dụng thu thập không ảnh một cách tự động. - Máy bay trực thăng bốn cánh quạt (quadrotor) là một trong số các phương tiện bay không người. - mặt điều khiển tự động, nhiều nghiên cứu đã mô hình hóa và đề xuất nhiều giải thuật điều khiển khác nhau cho loại máy bay này (Castillo and Dzul, 2004. - Về mặt ứng dụng, máy bay cũng được tích hợp hệ thống định vị GPS (Rawashdeh et al., 2009) để có thể hoạt động một cách tự động trong khoảng không gian rộng. - Loại máy bay bốn cánh quạt này đã được nhiều công ty phát triển và đưa ra thành sản phẩm thương mại không chỉ phục vụ cho ngành công nghiệp giải trí mà còn phục vụ cho việc thực tập, nghiên cứu. - Trong thời gian gần đây, việc nghiên cứu và ứng dụng máy bay trực thăng bốn cánh quạt trong nước bắt đầu được quan tâm. - Năm 2011, mô hình động lực học của loại máy bay được giới thiệu và mở đầu cho hướng nghiên cứu này tại các học viện và trường đại học trong cả nước (Hiệp et al., 2011). - Một số đề tài nghiên cứu khoa học trong sinh viên đã được triển khai để thiết kế các mô hình máy bay này (Tâm, 2012). - Gần đây nhất, hệ thống điều khiển, thu thập và xử lý thông tin của loại máy bay này được nghiên cứu và xây dựng cho các ứng dụng trong lĩnh vực nhà thông minh và quân sự (Thọ et al., 2012). - Tuy nhiên, vấn đề thiết kế máy bay bốn cánh quạt cỡ nhỏ để thu thập không ảnh vẫn chưa được thực hiện. - Vì vậy, việc thiết kế mô hình máy bay trực thăng bốn cánh quạt cỡ nhỏ để thu thập không ảnh là bước đầu tiên để đưa loại máy bay này vào thực tế ứng dụng, tiến tới làm chủ công nghệ thiết kế máy bay không người lái để thu thập không ảnh với khả năng tự định vị phục vụ cho nhiều lĩnh vực khoa học và xã hội như bảo vệ tài nguyên rừng, các công tác cứu hộ, an ninh quốc phòng,.... - Bài báo này giới thiệu cái nhìn tổng quan về quy trình thiết kế máy bay trực thăng bốn cánh quạt cỡ nhỏ (kích thước hai động cơ cùng trục. - <550 mm) từ thiết kế cơ khí đến lựa chọn phần cứng và phần mềm điều khiển, lựa chọn và thiết kế giải pháp thu thập ảnh hướng tới phát triển ứng dụng loại máy bay không người lái này trong lĩnh vực thu thập không ảnh. - Yếu tố chống rung cho board mạch điều khiển và giải pháp thu thập không ảnh bằng máy ảnh kỹ thuật số được đặc biệt quan tâm để giúp máy bay trực thăng bốn cánh quạt bay được ổn định và dễ dàng phục vụ trong việc thu thập không ảnh trong khi bay.. - Nội dung còn lại của bài viết được tóm lượt như sau: Phần 2 giới thiệu và thiết kế cơ khí cho máy bay trực thăng bốn cánh quạt. - Các thiết bị điện, mạch điều khiển được giới thiệu ở phần 3.. - Các tính năng của phần mềm trên máy tính dùng để giao tiếp với board mạch điều khiển sẽ được trình bày ở phần 4. - 2 THIẾT KẾ CƠ KHÍ 2.1 Thiết kế khung máy bay. - Máy bay trực thăng bốn cánh quạt (quadrotor) cỡ nhỏ là một loại máy bay không người lái phổ biến gồm 4 cánh tay với một động cơ đặt ở đầu mỗi cánh tay được liên kết với nhau qua “phần kết nối”. - Thiết kế máy bay trực thăng bốn cánh quạt có thể bắt đầu từ việc mô hình hóa sau đó tính toán kích thước các cánh tay máy bay, lực nâng đề xuất có phù hợp hay không (Hiệp et al., 2011. - Tuy nhiên, thiết kế máy bay trực thăng bốn cánh quạt chủ yếu tập trung đến tính đối xứng, trọng tâm và khối lượng của mô hình. - Vì vậy, bài báo trình bày giải pháp thiết kế thực nghiệm dựa vào kích thước các mô hình máy bay trực thăng bốn cánh quạt phổ biến. - Thông số kỹ thuật của ba thiết kế được đề xuất với kích thước và vật liệu gia công khác nhau cho khung của máy bay trực thăng bốn cánh quạt được liệt kê ở Bảng 1. - Khối lượng của khung máy bay với từng thiết kế được liệt kê ở Bảng 2.. - Các thiết kế thử nghiệm có kích thước gần giống nhau. - Ở thiết kế 1, vật liệu dạng thanh hợp kim nhôm được sử dụng để gia công cánh tay và vật liệu bảng mạch in vẫn còn phủ lớp đồng được sử dụng để tăng độ cứng của phần kết nối. - Thiết kế này có khối lượng nhẹ nhất nhưng lại có độ bền cơ học kém trước những chấn động hay va chạm mạnh của máy bay với vật cản. - Thiết kế 2 và thiết kế 3 sử dụng vật liệu có dạng ống nên cánh tay máy bay với các thiết kế này có độ bền cao hơn so với thiết kế 1 qua quá trình thử nghiệm. - Thiết kế 2 có độ bền cao hơn thiết kế 3 nhưng có chi phí cao hơn vì sử dụng vật liệu nhựa sợi cacbon. - Mô hình CAD và thực tế của các thiết kế được thể hiện ở Hình 1 và Hình 2.. - Khối lượng của thiết kế 2 và thiết kế 3 tương đương nhau vì lượng vật liệu sử dụng để gia công cánh tay máy bay không nhiều và có khối lượng tương đương. - Thiết kế 2 và thiết kế 3 có độ bền cao nhưng lại có khối lượng lớn hơn nhiều so với thiết kế 1 do mỗi cánh tay máy bay sử dụng 02 kẹp nhựa (khối lượng 20 gram) để gắn động cơ với cánh tay máy bay và 02 kẹp nhựa để liên kết phần cánh tay với phần kết nối của máy bay (Hình 3).. - Bảng 1: Các thiết kế đề xuất thử nghiệm. - Thiết kế Phần cánh tay Phần kết nối. - 2 Vật liệu nhựa sợi carbon 14OD x 16ID x 250 Vật liệu nhựa sợi carbon 120x120x3 3 Hợp kim nhôm 14OD x 16ID x 250 Vật liệu sợi carbon 120x120x3 Bảng 2: Khối lượng máy bay trực thăng bốn cánh quạt của từng thiết kế. - Thiết kế Khung hoàn chỉnh (gram) Kẹp nhựa sử dụng (gram) Tổng khối lượng (gram). - Hình 1: Mô hình CAD của (a) thiết kế 1 và (b) hai thiết kế còn lại. - Hình 2: Mô hình thực tế của (a) thiết kế 1, (b) thiết kế 2, và (c) thiết kế 3. - Hình 3: Kẹp nhựa sử dụng trong thiết kế 2 và thiết kế 3. - 2.2 Thiết kế giá đỡ máy ảnh. - Thông thường có hai giải pháp để thu thập không ảnh. - Giải pháp thứ hai là lắp lên máy bay máy ảnh kỹ thuật số và điều khiển trực tiếp bằng tác động cơ học lên nút ấn để thu thập ảnh theo yêu cầu, có thể liên tục thu thập ảnh từ lúc trước khi bay hoặc điều khiển trực tiếp thông qua việc lập trình cho máy ảnh và bo mạch điều khiển. - Trong hai giải pháp này, giải pháp thứ hai dễ thực hiện, có chi phí thấp và cho chất lượng ảnh tương đối tốt so với chi phí đầu tư nhưng đòi hỏi phải thiết kế riêng giá đỡ máy ảnh vì vậy làm tăng khối lượng của máy bay. - Bài báo này giới thiệu giải pháp thứ hai để thu thập không ảnh vì những ưu điểm của nó.. - Để việc thu thập dữ liệu không ảnh được tốt,. - giá đỡ cho máy ảnh cần được thiết kế gọn nhẹ, chắc chắn, và có thể điều khiển giữ ổn định máy ảnh. - Trong quá trình hoạt động, máy bay trực thăng bốn cánh quạt có thể thay đổi góc pitch (góc nghiêng theo phương trước-sau) và góc roll (góc nghiêng theo phương trái-phải) để định hướng và giữ cân bằng dẫn đến thay đổi góc và hướng chụp ảnh. - Vì vậy, cần thiết kế giá đỡ máy ảnh có ít nhất hai trục tự do để điều khiển giữ ổn định máy ảnh theo góc pitch và góc roll.. - Giá đỡ của máy ảnh được thiết kế bằng vật liệu sợi carbon. - Phần ghép nối với các động cơ DC servo và đế gắn máy ảnh được xẻ rãnh để có thể điều chỉnh sao cho trọng tâm của máy bay sau khi lắp máy ảnh nằm gần trục thẳng đứng của máy bay trực thăng bốn cánh quạt nhất. - Rung động tạo ra trên máy bay sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác của một số loại cảm biến đo quán tính trên mạch điều khiển gây khó khăn cho quá trình điều khiển bay, ảnh hưởng đến chất lượng không ảnh thu thập. - Nguồn rung động chủ yếu là bốn động cơ của máy bay vì vậy cần tìm biện pháp cách ly, giảm thiểu rung động này truyền đến các mạch cảm biến được tích hợp trong mạch điều khiển trung tâm của máy bay. - hiện bằng cách: 1) Lót các tấm cao su phía trong kẹp nhựa của đế gắn động cơ nhằm làm giảm các rung động truyền từ động cơ lên cánh tay của máy bay và truyền lên giá đỡ của mạch cảm biến (Hình 5a). - 2) Nối giá đỡ mạch cảm biến với phần kết nối của máy bay thông qua các lớp nhựa giảm chấn hình trụ để tiếp tục làm giảm rung động từ thân máy bay truyền lên mạch cảm biến (Hình 5b). - (b) Nhựa cao su dùng cách ly rung động lên mạch điều khiển. - (c) Dây curoa dùng cách ly rung động với mạch điều khiển. - (d) Mạch điều khiển đã được chống. - 3.1 Mạch điều khiển APM. - Bo mạch điều khiển trung tâm được sử dụng trong đề tài là bo APM 2.5 (ArduPilot Mega 2.5).. - Đây là một hệ thống lái tự động mã nguồn mở cho phép người dùng có thể điều khiển nhiều loại thiết bị bay với khả năng định vị dùng GPS (Global Positioning System). - để điều khiển nhiều loại máy bay mô hình. - camera để thu thập không ảnh, hỗ trợ giám sát bay và lưu trữ dữ liệu về quá trình bay (“Common- APM 2.5 and 2.6 Overview | ArduCopter”, n.d.).. - Bo mạch APM 2.5 có 8 tín hiệu điều khiển động cơ và được thiết lập theo thứ tự định trước tùy vào cấu hình và số cánh quạt của máy bay nhiều cánh quạt (multicopter hay multirotor) (Hình 7). - Ngoài ra, APM 2.5 còn hỗ trợ tín hiệu điều khiển động cơ servo để chống rung cho giá đỡ máy ảnh nhằm nâng cao chất lượng không ảnh thu thập.. - Phiên bản firmware 3.0 của APM hỗ trợ 14 chế độ bay để người điều khiển lựa chọn trong đó chế độ Stabilize (giữ thăng bằng), Alt Hold (giữ độ cao), Loiter (giữ vị trí 3D), Auto (bay theo hành trình), RTL (tự trở về vị trí ban đầu) là các chế độ bay thường sử dụng nhất.. - Hình 7: Thứ tự kết nối dây tín hiệu điều khiển động cơ cho quadrotor (“Connecting Your RC Input and Motors | ArduCopter”, n.d.). - ESC HW30A được sử dụng để điều khiển động cơ HiModel A2212/13T vì có thể cấp dòng tối đa đến 30A cho động cơ (có dòng cực đại 12A và dòng hoạt động liên tục nhỏ hơn 10A) và phù hợp với loại pin 3S được sử dụng để cấp nguồn cho quadrotor.. - Máy bay trực thăng bốn cánh quạt tiêu thụ nhiều năng lượng nên nguồn điện cung cấp cho máy bay phải có hiệu suất cao, có dòng xả lớn nhưng trọng lượng phải nhỏ để giảm tải cho máy bay. - Nguồn điện thường sử dụng cho máy bay trực thăng bốn cánh quạt là pin Li-Po (Lithium Polymer) vì đáp ứng được các yêu cầu trên.. - Do động cơ sử dụng cho máy bay có dòng hoạt động liên tục nhỏ hơn 10A và dòng cực đại 12A.. - 3.5 Bộ điều khiển từ xa. - Bộ điều khiển từ xa gồm một thiết bị phát tín hiệu điều khiển bay thông qua sóng radio từ người điều khiển đến bộ thu tín hiệu gắn trên máy bay cần điều khiển. - Tín hiệu điều khiển này còn được dùng để đưa máy bay từ chế độ chờ sang chế độ sẵn sàng bay theo quy trình an toàn bay của bộ điều khiển bay.. - Đề tài sử dụng bộ điều khiển SkyFly 6 kênh để đáp ứng các yêu cầu điều khiển từ xa cơ bản gồm điều khiển ga (throttle), điều khiển góc roll, pitch, yaw. - Một kênh điều khiển còn dư có thể được dùng để điều khiển máy ảnh kỹ thuật số dùng để thu thập không ảnh trong khi máy bay hoạt động trên không.. - lưu trữ dữ liệu cảm biến khi bay, hiệu chỉnh ESC, hiệu chỉnh tín hiệu điều khiển radio,.... - 5.1 Kiểm tra độ rung động của máy bay trực thăng bốn cánh quạt. - Thí nghiệm này nhằm kiểm tra độ rung động của máy bay trực thăng bốn cánh quạt.. - Máy bay được cho bay ở chế độ Stabilize (“AC_MeasuringVibration | ArduCopter”, n.d.).. - Để mạch điều khiển có thể thu thập được thông tin quán tính chính xác cần thiết cho việc giữ vị trí 3D và điều khiển được tốt, rung động tối đa phải nhỏ hơn 0,3G trên trục X và Y, và nhỏ hơn 0,5G trên trục Z (“Advanced Vibration Control | ArduCopter” n.d. - Hình 10: Dữ liệu gia tốc theo trục X, Y, Z sau khi thực hiện giảm rung động 5.2 Thu thập ảnh sử dụng máy ảnh kỹ. - Việc thu thập không ảnh có thể được thực hiện bằng cách sử dụng những bo mạch camera được APM hỗ trợ (“Parts - Video/OSD - 3DRobotics. - 11), và thiết lập cấu hình trên Mision Planner để sử dụng tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển từ xa yêu cầu chụp ảnh tại vị trí mong muốn (“Common- Camera Gimbal | ArduCopter” n.d.).. - Bài báo đã đề xuất thiết kế máy bay trực thăng bốn cánh quạt (quadrotor) có khả năng thu thập được không ảnh. - Khung máy bay được thiết kế chắc chắn với thiết kế 2 và thiết kế 3. - Máy bay có thể được đưa vào sử dụng để thu thập không ảnh. - Qua quá trình thiết kế và ghi nhận những hạn chế của mô hình hiện tại, một số hướng khắc phục và hướng phát triển máy bay trực thăng bốn cánh quạt được đề xuất như sau:. - Điều chỉnh thiết kế khung máy bay trực thăng bốn cánh quạt, đặc biệt ở các khớp nối để giảm trọng lượng máy bay.. - Thiết kế đế gắn máy ảnh chịu lực từ hai bên để giảm rung động cho cả giá đỡ.. - Sử dụng động cơ có hiệu suất cao hơn để giảm năng lượng tiêu thụ và sử dụng pin Li-Po có dung lượng cao hơn để tăng thời gian hoạt động của máy bay.. - Tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng công nghệ GPS để có thể giúp máy bay bay chính xác theo chương trình định trước.. - Tích hợp thiết bị truyền hình ảnh trực tiếp về máy tính khi máy bay đang hoạt động để tăng khả năng ứng dụng của máy bay.. - “Mô hình hóa động lực học Quadrotor.” Kỷ yếu Hội nghị toàn quốc lần 1 về Điều khiển và Tự động hóa (VCCA . - “Thiết kế và chế tạo mô hình máy bay quadrotor.” Kỷ yếu Hội nghị Sinh viên nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 - Đại học Đà Nẵng, 1–7.