Ngày nay, máy bay không người lái đã trở thành một phần không thể thiếu trong đời sống hiện đại, từ các hoạt động giải trí cá nhân đến các ứng dụng công nghiệp, quân sự và nghiên cứu khoa học. Một trong những yếu tố làm nên sự kỳ diệu của drone là khả năng chuyển đổi tín hiệu từ tay điều khiển của người dùng thành các động tác chính xác như bay lượn, quay vòng, tăng tốc hoặc hạ cánh. Bài viết này sẽ khám phá chi tiết hành trình tín hiệu đi từ tay điều khiển đến động cơ thông qua các khối phần cứng chính trong hệ thống của một chiếc drone.

Bộ điều khiển từ xa (Remote controller)

Hình 1. Cấu trúc một bộ điều khiển từ xa của drone

Mọi hành trình tín hiệu trong drone đều bắt đầu từ bộ điều khiển từ xa (remote controller) – thiết bị mà người dùng trực tiếp thao tác. Bộ điều khiển này thường có thiết kế đơn giản với các cần gạt (sticks), nút bấm và đôi khi là màn hình hiển thị. Khi người dùng di chuyển cần gạt hoặc nhấn nút, một tín hiệu được tạo ra dưới dạng sóng vô tuyến (RF – Radio Frequency). Sóng vô tuyến này mang theo dữ liệu như lệnh tăng tốc, giảm tốc, thay đổi hướng bay hoặc kích hoạt các chức năng đặc biệt như chụp ảnh, quay video. Tần số sóng vô tuyến phổ biến cho các bộ điều khiển drone là 2.4GHz hoặc 5.8GHz. Các tần số này được chọn vì chúng ít bị nhiễu và có khả năng truyền tín hiệu ổn định trong khoảng cách xa, thường từ vài trăm mét đến vài kilomet tùy thuộc vào loại drone. Một số bộ điều khiển cao cấp còn tích hợp công nghệ truyền tín hiệu số (digital transmission), giúp tín hiệu rõ ràng hơn và giảm thiểu độ trễ (latency).

Bộ thu tín hiệu (Receiver)

Bộ thu tín hiệu thường được gắn trên thân drone, tín hiệu từ bộ điều khiển sau khi được truyền đi sẽ được nhận bởi bộ thu tín hiện. Bộ thu này đóng vai trò là nơi giao tiếp giữa người điều khiển và hệ thống phần cứng của drone. Khi tín hiệu đến, bộ thu sẽ giải mã các thông điệp ẩn chứa trong sóng vô tuyến, sau đó chuyển đổi chúng thành dạng tín hiệu điện có thể hiểu được bởi các thành phần khác trong drone. Chất lượng của bộ thu tín hiệu quyết định rất lớn đến hiệu suất hoạt động của drone. Nếu tín hiệu bị nhiễu hoặc giải mã không chính xác, drone có thể phản ứng chậm hoặc thậm chí không thực hiện đúng lệnh. Để đảm bảo độ tin cậy, các bộ thu tín hiệu hiện đại thường sử dụng công nghệ FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) để cho phép chuyển đổi liên tục giữa các tần số để tránh nhiễu.

Bộ điều khiển bay (Controller)

Sau khi tín hiệu được giải mã bởi bộ thu, các lệnh sẽ được chuyển đến hệ thống điều khiển bay được coi là bộ não của drone. Đây là nơi các tín hiệu được xử lý, phân tích và thực thi thành hành động cụ thể. Hệ thống điều khiển bay sử dụng một loạt các cảm biến để đảm bảo drone có thể thực hiện lệnh một cách chính xác và ổn định. Các cảm biến này bao gồm:

• Con quay hồi chuyển (gyroscope): Đo lường và duy trì góc nghiêng của drone.
• Máy đo gia tốc (accelerometer): Phát hiện tốc độ và hướng di chuyển.
• GPS: Định vị vị trí của drone trong không gian và hỗ trợ điều hướng.
• Máy đo áp suất (barometer): Xác định độ cao của drone so với mặt đất.

Khi tín hiệu từ tay điều khiển đến, hệ thống điều khiển bay sẽ phối hợp với các cảm biến để tính toán cách thực hiện lệnh. Ví dụ, nếu người dùng điều khiển drone xoay sang trái, hệ thống điều khiển bay sẽ xác định cần giảm tốc độ một số cánh quạt và tăng tốc độ ở các cánh quạt khác để tạo ra sự thay đổi về hướng.

Bộ điều khiển tốc độ điện từ (Electronic Speed Controller - ESC)

Sau khi hệ thống điều khiển bay xử lý tín hiệu và quyết định cách thực hiện lệnh, các tín hiệu này sẽ được truyền đến bộ điều khiển tốc độ điện tử. ESC là bộ phận chịu trách nhiệm điều chỉnh tốc độ quay của động cơ, đồng thời chuyển đổi tín hiệu từ hệ thống điều khiển bay thành dòng điện phù hợp với động cơ. Mỗi động cơ trên drone thường được kết nối với một ESC riêng biệt. Khi ESC nhận lệnh từ hệ thống điều khiển bay, nó sẽ điều chỉnh lượng điện năng cung cấp cho động cơ, từ đó kiểm soát tốc độ quay của cánh quạt. Ví dụ, nếu bạn muốn drone bay lên cao, ESC sẽ tăng tốc độ quay của tất cả các động cơ để tạo ra lực nâng lớn hơn. Ngược lại, nếu bạn muốn drone hạ cánh, ESC sẽ giảm tốc độ quay của động cơ để giảm lực nâng. ESC không chỉ là cầu nối giữa hệ thống điều khiển bay và động cơ mà còn là một thành phần quan trọng giúp drone hoạt động mượt mà và ổn định.

Động cơ và cánh quạt

Sau khi tín hiệu được truyền qua ESC, bước cuối cùng trong hành trình tín hiệu là đi đến động cơ và cánh quạt. Đây là nơi tín hiệu được chuyển đổi thành chuyển động cơ học thực tế, tạo ra lực nâng, lực đẩy và thay đổi hướng bay của drone. Động cơ của drone có hai loại chính: động cơ không chổi than (brushless motors) và động cơ chổi than (brushed motors). Trong đó, động cơ không chổi than được sử dụng phổ biến hơn nhờ hiệu suất cao, độ bền tốt và khả năng hoạt động ổn định trong thời gian dài. Khi động cơ quay, cánh quạt được gắn trực tiếp vào động cơ sẽ tạo ra lực nâng hoặc lực đẩy, tùy thuộc vào tốc độ quay và thiết kế của cánh quạt. Cánh quạt cũng đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi lực từ động cơ thành chuyển động thực tế của drone. Kích thước, hình dáng và chất liệu của cánh quạt sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất bay của drone. Các drone tốc độ cao thường sử dụng cánh quạt nhỏ và nhẹ, trong khi các drone vận chuyển hoặc chụp ảnh trên không sử dụng cánh quạt lớn để tạo lực nâng mạnh hơn.

Kết luận

Hành trình tín hiệu từ tay điều khiển đến động cơ trong một chiếc drone là một quá trình phức tạp, đòi hỏi sự phối hợp nhịp nhàng giữa nhiều thành phần phần cứng. Từ việc truyền tín hiệu qua sóng vô tuyến, giải mã tại bộ thu, xử lý tại hệ thống điều khiển bay, đến việc điều chỉnh tốc độ động cơ qua ESC và tạo ra chuyển động của cánh quạt, mỗi bước đều đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo drone hoạt động chính xác và ổn định. Hiểu rõ hành trình này không chỉ giúp người dùng khai thác tối đa tiềm năng của drone mà còn mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Với sự tiến bộ không ngừng của công nghệ, chúng ta có thể kỳ vọng vào những cải tiến vượt bậc, đưa máy bay không người lái tiến xa hơn trong tương lai.

‍