Cùng với cuộc cách mạng công nghệ bùng nổ, drone dân dụng đang được đón chào khắp nơi. Trước đây, ngoài ứng dụng chuyên biệt trong quân sự, drone dân dụng chủ yếu được biết nhiều dưới dạng gắn camera (thường gọi flycam) cho mục đích quay phim, chụp ảnh từ trên không. Nhưng ngày nay drone đã phát triển vượt bậc, thâm nhập sâu rộng vào cuộc sống, từ thú chơi tiêu khiển hấp dẫn những người đam mê chinh phục bầu trời, cho đến bay phục vụ công việc của các tổ chức, doanh nghiệp, người dùng cá nhân và dĩ nhiên không thể thiếu là thực hiện những nhiệm vụ đặc biệt trong quân sự.

Định nghĩa

Drone (hay còn gọi là UAV – Unmanned Aerial Vehicle) là các phương tiện bay (máy bay) không người lái. Drone được điều khiển từ xa và không có sự hiện diện của con người ở bên trong buồng lái. Phương tiện này bao gồm nhiều loại với kích thước, hình dạng và đảm nhiệm những vai trò khác nhau (Theo Cục quản lý hàng không liên bang Mỹ (FAA)).

Drone được cấu tạo bởi các thành phần chính bao gồm: bộ động cơ, vi xử lý trung tâm, cánh quạt, giá đỡ, nguồn cấp năng lượng (pin). Drone có thiết kế bằng các vật liệu nhẹ để có thể bay lâu trên không. Các đặc tính chủ yếu như: tiện dụng, tính cơ động cao, thiết thực, hoạt động hiệu quả.

Người vận hành có thể điều khiển drone bằng bộ điều khiển từ xa hoặc/và lập trình sẵn theo lộ trình, tọa độ dựa trên GPS. Các dòng drone hiện đại hầu hết đều được trang bị mô đun GPS nên luôn định vị được đang bay ở đâu. Bộ điều khiển drone gồm có hai cần điều khiển và ăng-ten có thể gấp gọn, thường sử dụng sóng radio tần số 2,4GHz. Một số dòng drone sử dụng bộ điều khiển có sự kết hợp cả tín hiệu 2,4GHz và Wi-Fi, hình dáng trông giống tay cầm điều khiển máy chơi game hoặc chúng có thể dựa trên ứng dụng điều khiển chạy trên điện thoại thông minh hay máy tính bảng.

Sơ đồ drone( máy bay không người lái)

Sơ đồ máy bay không người lái là bản thiết kế chi tiết phác thảo các kết nối điện và các thành phần cần thiết cho hệ thống điện tử của máy bay không người lái. Nó đóng vai trò như một bản hướng dẫn dành cho các nhà thiết kế, kỹ sư và nhà sản xuất, nhằm đảm bảo rằng các thành phần quan trọng—như động cơ, cảm biến, pin và bộ điều khiển bay—được kết nối chính xác để thiết bị bay không người lái đạt hiệu suất tối ưu. Sơ đồ này không chỉ thể hiện các kết nối mà còn chỉ rõ yêu cầu về nguồn điện và luồng tín hiệu, cung cấp thông tin cơ bản cần thiết cho quá trình sản xuất mạch in (PCB).

Trong quá trình sản xuất PCB, một sơ đồ máy bay không người lái được thiết kế tốt đóng vai trò là nền tảng khởi đầu để phát triển bảng mạch in (PCB), nhằm cung cấp năng lượng cho các hệ thống điện tử của máy bay không người lái. Đây là xương sống của một máy bay không người lái đáng tin cậy và hiệu quả, đảm bảo rằng mỗi thành phần hoạt động hài hòa.

Sơ đồ máy bay không người lái thường bao gồm một số thành phần thiết yếu:

• Quản lý cung cấp điện: Đảm bảo máy bay không người lái hoạt động hiệu quả và an toàn, phân bổ nguồn điện đến từng bộ phận dựa trên nhu cầu của nó.
• Kết nối cảm biến:Bao gồm các thành phần thiết yếu như GPS, camera và cảm biến siêu âm, rất quan trọng cho việc điều hướng, chụp ảnh và tránh chướng ngại vật.
• Hệ thống truyền thông: Bao gồm Wi-Fi or Mạch RF để liên lạc giữa máy bay không người lái và bộ điều khiển từ xa hoặc trạm mặt đất, đảm bảo truyền dữ liệu liền mạch.
• Mạch điều khiển động cơ: Điều chỉnh tốc độ và chuyển động của máy bay không người lái, cho phép kiểm soát chính xác các thao tác bay.

Khi phát triển máy bay không người lái, một sơ đồ thiết kế tốt đóng vai trò then chốt, giúp đảm bảo rằng thiết kế PCB đáp ứng được các tiêu chuẩn về hiệu suất, đồng thời duy trì chức năng và độ tin cậy cần thiết cho các ứng dụng UAV đòi hỏi hiệu năng cao.. Bằng cách hợp tác với các nhà sản xuất PCB giàu kinh nghiệm, bạn có thể tin tưởng rằng sơ đồ máy bay không người lái của bạn sẽ chuyển thành PCB chất lượng cao hoạt động liền mạch trong thực tế.

Cấu tạo

Khung

Đây được hiểu là phần chính của một chiếc drone, tạo nên cấu trúc và hình dạng của drone. Thông thường thì phần khung này được làm bằng những vật liệu nhẹ như hợp kim và nhựa cứng.

Cánh quạt

Bộ phận không thể thiếu của drone chính là cánh quạt. Cánh quạt được gắn trên động cơ để tạo ra lực nâng và đẩy. Thường thì drone có ít nhất hai cặp cánh quạt (một cặp trên và một cặp dưới) nhằm tạo sự cân bằng trong suốt quá trình bay.

Động cơ

Drone thường sử dụng động cơ điện hoặc động cơ đốt trong để tạo ra lực đẩy, và các động cơ này được nối với cánh quạt để tạo ra lực nâng cho thiết bị bay.. Hầu hết drone dân dụng sử dụng động cơ điện để nâng cao hiệu suất và khả năng kiểm soát.

Pin và nguồn năng lượng

Drone thường sử dụng pin lithium-ion hoặc nguồn năng lượng khác như pin lipo nhằm cấp điện cho động cơ và các hệ thống điều khiển điện tử khác. Thời lượng bay của drone sẽ phụ thuộc vào dung lượng và hiệu suất của pin.

Bộ điều khiển

Drone được điều khiển từ xa thông qua một hệ thống điều khiển hoặc có thể tự động hoạt động qua hệ thống tự động điều khiển. Bộ điều khiển này giúp người điều khiển có thể điều chỉnh các thông số như tốc độ, hướng bay, độ cao,...

Cảm biến và hệ thống điều hướng

Các thiết bị drone được trang bị hệ thống cảm biến như: Cảm biến áp suất, con quay hồi chuyển, cảm biến khoảng cách để đo và giữ vị trí - độ cao trong không gian. Các cảm biến này giúp drone duy trì sự ổn định và thực hiện các chức năng định vị GPS, tránh vật cản.

Hệ thống camera và sensor

Một số drone sẽ được trang bị máy ảnh hoặc camera để chụp ảnh và ghi video từ không gian. Ngoài ra, các drone công nghiệp có thể được trang bị các sensor và công nghệ như hồng ngoại, lidar để thực hiện các nhiệm vụ như khảo sát địa hình hay ghi lại dữ liệu chi tiết.

Nguyên lý hoạt động của drone (quadcopter)

Nguyên lý hoạt động của quadcopter dựa trên bốn nền tảng như sau:

• Nguyên lý cân bằng.
• Nguyên lý di chuyển
• Nguyên lý điều khiển động cơ ba pha không chổi than.
• Bộ lọc DMP

1. Nguyên lý cân bằng

Máy bay Quadcopter có dạng hình chữ thập hay dấu cộng được trang bị bốn động cơ ở bốn góc. Hai trục chéo của máy bay được đặt theo hai trục X và Y của hệ trục tọa độ Descartes. Mỗi động cơ kết hợp với cánh quạt sẽ tạo ra một lực đẩy và moment xoắn nhất định, bốn cánh quạt được chia thành 2 nhóm có chiều quay ngược nhau, hai cánh đối diện quay cùng chiều. Điều này giúp moment xoắn bị triệt tiêu nếu 4 cánh quạt cùng một vận tốc.

2. Nguyên lý duy chuyển

Điều khiển mô hình bay Quadcopter chúng ta có hai phương pháp là kiểu hình chữ X và chữ thập (dấu cộng). Phương pháp điều khiển dạng chữ X được sử dụng trong điều khiển hướng bay của mô hình, bởi vì thay đổi hướng được thực hiện bởi hai động cơ. Việc thay đổi tốc độ bay của động cơ vừa làm cho mô hình cân bằng, vừa dùng để điều khiển mô hình di chuyển.

Nguyên lý điều hướng Quadcopter

3. Nguyên lý điều khiển động cơ ba pha không chổi than

Mỗi động cơ ba pha không chổi than được điều khiển thông qua một bộ ESC (Electronic Speed Control) riêng biệt. ESC thay đổi tốc độ quay của động cơ dựa vào độ rộng xung của tín hiệu PWM (Pulse-width modulation)từ mạch điều khiển chính. Độ rộng xung điều khiển tốc độ động cơ giới hạn trong khoảng 1-2 ms và tần số điều khiển là 50Hz.

4. Bộ lọc DMP

Đối với các loại cảm biến vi cơ điện tử (MEMS), việc tích hợp khả năng xử lý trực tiếp trên chip IMU-6050 giúp giải phóng tài nguyên của bộ vi điều khiển trung tâm.

Bộ lọc sẽ tính toán cho ra các giá trị trong hệ tọa độ Quaternions sau đó chuyển sang góc Euler theo công thức:

để thu được các giá trị Yaw (trục Z), Pitch (trục Y), Roll (trục X) mong muốn.