Thiết kế và thi công mô hình bay quadcopter

 28 Tạp chí Khoa học Lạc Hồng Số 04 
Journal of Science of Lac Hong University
Vol. 4 (12/2015), pp. 28-32
Tạp chí Khoa học Lạc Hồng
Số 4 (12/2015), trang 28-32
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH BAY QUADCOPTER 
Design and construction of Quadcopter
Nguyễn Hùng Thái Sơn1, Võ Nguyên Phúc2
1thaison.vn1092@gmail.com, 2nguyenphucdd111@gmail.com
Khoa Cơ Điện - Điện Tử Trường Đại học Lạc Hồng, Đồng Nai, Việt Nam
Đến tòa soạn 14/12/2014; Chấp nhận đăng: 15/2/2015
Tm tt. Quadcopter là loại máy bay hoạt động nhờ lực nâng tạo ra từ 4 động cơ được bố trí ở bốn gc, khả năng di chuyển c 
nhiều ưu điểm như: di chuyển đa hướng, giữ thăng bằng tại chỗ, c thể triển khai trên mọi địa hình, cất cánh và hạ cánh theo 
trục đứng. Quadcopter được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như giải trí, cứu hộ, quân sự và dân dụng, v.v. Bộ lọc DMP 
(Digital Motion Processor) được sử dụng để kết hợp giá trị đo của cảm biến gia tốc và con quay hồi chuyển giúp giá trị nhận 
được c độ chính xác cao và ổn định hơn. Thuật toán PID dùng để điều khiển cân bằng và di chuyển của máy bay. Sử dụng phần 
mềm LabVIEW để thu thập dữ liệu, so sánh và đánh giá kết quả của thuật toán cân bằng và di chuyển. Kết quả thực nghiệm cho 
thấy giá trị gc nghiêng của máy bay qua bộ lọc DMP c độ ổn định cao, ít sai số hơn so với các bộ lọc khác. Máy bay c khả
năng cân bằng và di chuyển linh hoạt trên không trong phạm vi 75m, thời gian hoạt động liên tục khoảng 15 phút.
Từ khoá: Mô hình bay Quadcopter; Cảm biến góc nghiêng; Bộ lọc DMP
Abstract: A quadcopter operates based on forces from four motors, which are located at each corner. A quadcopter has many 
advanced functions, including ommidirectional movement, ability to balance itself, deployment in any terrain, as operations, as 
well as military civilian application. The value of an angle is more accurate and stable when the DMP filter incorporates 
measured values of the acceleration and gyroscope sensor. This work attempts to control the balance and movement of 
quadcopter by using PID algorithm. By using LabView software, data are collected, followed by a comparision and evaluation of 
the results of the balance and stability and fewer errors than other filters. Plane can balance itself and move flexibly within a 
scope of 75m, as well as operate continuously for about 15 minutes.
Keywords: Model flying Quadcopter; IMU sensors; Filters DMP
1. ĐĂT VẤN ĐỀ 
Quadcopter hiện nay được sử dụng khá phổ biến trong 
lĩnh vực giải trí để cung cấp thêm góc quan sát từ trên cao 
như trong các môn thi đấu thể thao hoặc được sử dụng để
di chuyển bám theo đối tượng trong cảnh quay hành động. 
Ngoài ra, Quadcopter còn được sử dụng trong lĩnh vực 
quân sự như dùng để do thám, cứu hộ, như quan sát và 
phán đoán hướng di chuyển của các vụ cháy rừng và trong 
lĩnh vực vận chuyển bưu kiện có khối lượng nhỏ trong 
phạm vi gần do ưu điểm về tính linh hoạt, chi phí chế tạo 
và vận hành thấp hơn so với các loại máy bay khác.
Mô hình bay hoạt động dựa trên nguyên lý cân bằng góc 
nghiêng của từng cặp động cơ đặt đối diện nhau. Vấn đề
đặt ra là làm thế nào để điều khiển bốn động cơ giúp cho 
máy bay có thể cân bằng từng trục, kết hợp cân bằng các 
trục với nhau, triệt tiêu quán tính xoay tròn và điều khiển 
Quadcopter di chuyển ổn định. 
Yếu tố quan trọng nhất để có thể điều khiển cân bằng và 
di chuyển đó là giá trị các góc nghiêng đọc từ cảm biến
phải chính xác. Bộ lọc DMP (Digital Motion Processor)
được sử dụng để đảm bảo độ chính xác và ổn định dữ liệu 
góc nghiêng. Thuật toán PID được xây dựng kết hợp giữa 
phương pháp Ziegler – Nichols và kinh nghiệm thực tế để
lựa chọn thông số điều khiển cân bằng và di chuyển mô 
hình bay.
2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ THUẬT TOÁN ĐIỀU 
KHIỂN 
2.1Nguyên lý hoạt động của Quadcopter 
2.1.1 Nguyên lý cân bằng 
Máy bay Quadcopter có dạng chữ thập hay dấu cộng với 
bốn động cơ đặt ở bốn góc. Hai trục chéo của máy bay 
được đặt theo hai trục X, Y của hệ trục tọa độ Descartes. 
Mỗi động cơ kết hợp với cánh quạt trong Quadcopter sẽ tạo 
ra một lực đẩy và moment xoắn nhất định, bốn cánh quạt 
được chia thành hai nhóm có chiều quay ngược nhau, hai 
cánh đối diện nhau quay cùng chiều. Kết quả là moment 
xoắn bị triệt tiêu nếu 4 cánh quạt đều có cùng một vận tốc 
góc, do đó có thể làm cho máy bay không bị xoay tròn khi 
bay. Để cân bằng mô hình thì các động cơ phải được điều 
khiển sao cho mô hình có góc lệch so với trục chuẩn trong 
phạm vi cho phép. Các hệ trục tọa độ của Quadcopter thể
hiện trong Hình số 1.
Hình 1. Hệ trục tọa độ của Quadcopter
2.1.2 Nguyên lý di chuyển 
Để điều khiển mô hình bay Quadcopter, có hai phương 
pháp đó là điều khiển theo kiểu chữ X và điều khiển theo 
kiểu chữ thập hay còn gọi là điều khiển theo kiểu dấu cộng. 
Phương pháp điều khiển theo dạng chữ X được sử dụng 
trong đề điều khiển hướng bay của mô hình, bởi vì việc 
Thiết kế và thi công mô hình bay Quadcopter
 29 Tạp chí Khoa học Lạc Hồng Số 04 
thay đổi hướng được thực hiện bởi hai động cơ, vì vậy khả
năng đáp ứng và tính linh hoạt cao hơn so với việc thay đổi 
tốc độ bằng một động cơ theo kiểu dấu cộng. Việc thay đổi 
tốc độ quay của các động cơ vừa làm cho mô hình cân 
bằng, vừa dùng để điều khiển mô hình di chuyển. Hướng di 
chuyển được minh họa ở Hình 2.
Hướng của máy bay khi di chuyển được điều khiển bởi 
hai động cơ, tùy theo hướng di chuyển mà các động cơ này 
thay đổi tốc độ để tạo ra góc nghiêng so với trục cân bằng. 
Như hình 2, hướng di chuyển của máy bay được thể hiện 
qua sự thay đổi tốc độ của các động cơ. Ví dụ: Để máy bay 
di chuyển hướng tới thì động cơ 1,2 sẽ giữ nguyên hoặc 
giảm tốc độ còn cặp động cơ 3,4 sẽ quay nhanh hơn. Tương 
tự với các hướng di chuyển khác thì việc thay đổi tốc độ
quay tương ứng sẽ giúp máy bay di chuyển cũng như xoay 
tròn hoặc thay đổi độ cao.
Hình 2. Nguyên lý di chuyển của mô hình Quadcopter
2.1.3 Nguyên lý điều khiển động cơ ba pha không 
chổi than 
Mỗi một 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.
2.1.4 Bộ lọc DMP 
Đối với các loại cảm biến vi cơ điện tử (MEMS) rất dễ bị
toán xử lý trực tiếp trên chip IMU-6050 giúp giải phóng tài 
nguyên của bộ vi điều khiển trung tâm [1].
Bộ lọc sẽ tính toán cho ra các cá giá trị trong hệ tọa độ
Quaternions sau đó chuyển sang góc Euler theo công thức 
1để thu được các giá trị Yaw (trục Z), Pitch (trục Y), Roll 
(trục X) mong muốn.
Hình 3. Bộ lọc DMP được tích hợp trong cảm biến IMU 6050
3. THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN 
Sơ đồ điều khiển PID được đặt tên theo 3 khâu hiệu 
chỉnh đó là khâu tỉ lệ, khâu tích phân và khâu vi phân, ngõ 
ra điều khiển tốc độ của 4 động cơ là tổng của 3 khâu này.
Ta có:
Output(t) = Pout + Iout + Dout (2)
Trong đó
Pout là thành phần đầu ra khâu tỉ lệ.
Iout là thành phần đầu ra khâu tích phân.
Dout là thành phần đầu ra khâu vi phân.
Vấn đề khó khăn khi sử dụng thuật toán PID để điều 
khiển mô hình là việc lựa chọn các giá trị Kp, Ki, Kd. 
Trong đề tài này, nhóm tác giả sử dụng phương pháp 
Ziegler – Nichols kết hợp với thực nghiệm.
Việc xác định các thông số PID của mô hình máy bay rất 
phức tạp và phải thay đổi liên tục để có thể làm cho máy 
bay đạt được sự cân bằng và ổn định. 
Bảng 1. Phương pháp Ziegler – Nichols
Dạng điều khiển Kp Ki Kd
P 0.50*Ku - -
PI 0.45*Ku 1.2*Kp/Pu -
PID 0.60*Ku 2*Kp/Pu Kp*Pu/8
Trong đó: Ku là độ lợi tới hạn; Pu là thời gian dao động.
3.1Sơ đồ tổng quát 
Chức năng các khối chính trong sơ đồ:
Hình 4. Sơ đồ khối của Quadcopter
+ Khối điều khiển (Arduino Pro Micro) là khối điều khiển 
trung tâm, nhận dữ liệu góc nghiêng, vận tốc góc từ
khối IMU GY 86 sử dụng giao tiếp I2C và dùng ngắt 
ngoài để lấy tín hiệu điều khiển từ khối Receiver. Thực 
hiện giải thuật PID tính toán và xuất tín hiệu điều khiển 
PWM ra 4 khối ESC.
+ Khối cảm biến (IMU GY 86) là khối lấy dữ liệu độ
nghiêng trục (Angle) X, Y, Z và góc (Rate) X, Y, Z 
truyền về khối Arduino Pro Micro theo chuẩn giao tiếp 
I2C.
+ ESC là các khối driver dùng để điều khiển động cơ 3 
pha không chổi than. Khối này nhận tín hiệu PWM từ
Arduino Pro Micro. 
+ Transmitter là khối truyền tín hiệu điều khiển cân bằng 
và di chuyển. Khối truyền tín hiệu đi dưới dạng sóng 
RF (Radio Frequency).
(1)
Nguyễn Hùng Thái Sơn, Võ Nguyên Phúc
 30 Tạp chí Khoa học Lạc Hồng Số 04 
+ Receiver nhận tín hiệu điều khiển hướng từ bộ giải mã 
và gửi tín hiệu về khối Arduino Pro Micro.
3.2 Giải thuật cân bằng 
3.2.1 Cân bằng trục X, Y 
Hình 5. Lưu đồ thuật toán cân bằng trục X
Đầu tiên, bộ xử lí nhận giá trị điều khiển từ bộ điều 
khiển từ xa với giá trị ban đầu từ 1000us – 2000us, sau đó 
so sánh giá trị nhận được với giá trị mẫu là 1500us. 
Nếu giá trị nhận được lớn hơn giá trị mẫu thì bộ xử lí 
thực hiện chế độ cân bằng góc với tần số lẫy mẫu là 50Hz 
và giới hạn góc nghiêng trong khoảng -15 – 15 độ. Sau đó 
tiếp tục thực hiện xử lý giá trị cảm biến thông qua PID góc.
Giá trị sau khi xử lý trong PID góc sẽ được lấy để làm giá 
trị đầu vào của PID cân bằng di chuyển. 
Nếu giá trị nhận được nhỏ hơn giá trị mẫu thì bộ xử lý 
thực hiện chế độ cân bằng di chuyển, làm cho các giá trị
góc nghiêng giống như trục chuẩn. Với tần số lấy mẫu là 
400Hz. Sau khi xử lý thì giá trị đầu ra được đưa vào PID 
Rate để thực hiện việc cân bằng cho mô hình.
Giá trị sau khi xử lý bằng giải thuật PID Rate sẽ được 
kết hợp với giá trị điều khiển tốc độ từ bộ điều khiển từ xa 
để làm thay đổi tốc độ của động cơ.
Cách lựa chọn thông số Kp, Ki, Kd:Đặt máy bay ở chế
độ Mode Rate (chế độ cân bằng di chuyển)sau đó thực hiện 
bước điều chỉnh các thông số Kp, Ki, Kd:
+ Bước 1: Tăng 50% giá trị điều khiển tốc độ
(AUX>1500us). Bước 2: Tăng Kp cho tới khi xuất hiện 
dao động. Sau đó giảm 10% giá trị Kp vừa tìm được.
+ Bước 3: Tăng Kd cho tới khi xuất hiện dao động. Sau đó 
trừ 20% giá trị Kd vừa tìm được.
+ Bước 4: Lặp lại bước 1 với những giá trị thay đổi nhỏ
cho đến khi xuất hiện dao động.
+ Bước 5: Tăng Ki cho đến khi máy bay ổn định.
+ Bước 6: Tinh chỉnh các thông số để mô hình đáp ứng tốt 
khi có sự ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài như gió.
Việc cân bằng trục Y được thực hiện tương tự như với 
trục X.
Các thông số Kp, Ki, Kd được lựa chọn bằng cách kết 
hợp phương pháp thực nghiệm và Ziegler – Nichols. Các 
thông số thực nghiệm được xác định theo giá trị được lựa 
chọn bằng phương pháp Ziegler – Nichols sao cho giá trị
thực nghiệm là các giá trị gần bằng với giá trị được chọn từ
phương pháp Ziegler – Nichols.
3.2.2 Cân bằng trục Z 
Hình 6. Lưu đồ thuật toán điều khiển cân bằng trục Z
Hình 7. Giải thuật điều khiển cân bằng và di chuyển
Dựa trên nền tảng của thuật toán điều khiển PID, giải 
thuật cân bằng và di chuyển trên mô hình Quadcopter được 
xây dựng theo lưu đồ như trong Hình 7.
Sử dụng ngắt ngoài đọc dữ liệu từ bộ thu với giá trị từ
1000-2000, sau đó lấy tỉ lệ theo công thức 3:
(−)∗(−)
(−)
+ � (3)
Với X là giá trị đặt Roll, Pitch, Yaw, Throttle (tốc độ). 
Các giá trị góc Roll, Pitch được lấy mẫu với tần số 50Hz và 
giá trị Gyro_Aver X, Y, Z ở tần số 400Hz. PID Angle có 
nhiệm vụ cân bằng xung quanh góc 00. PID Rate giúp cho 
máy bay di chuyển với góc đặt từ bộ điều khiển từ xa 
Quadcopter.
Thiết kế và thi công mô hình bay Quadcopter
 31 Tạp chí Khoa học Lạc Hồng Số 04 
4. KẾT QUẢ 
+ Điều khiển được động cơ ba pha không chổi than thông 
qua ESC bằng giải thuật PID.
+ Thực hiện cân bằng trên mỗi trục và kết hợp cân bằng 
các trục với nhau.
+ Giao tiếp và điều khiển di chuyển trên mô hình thực tế.
+ Mô hình có thể cân bằng và di chuyển trong phạm vi 
75m và có thể hoạt động liên tục trong vòng 15 phút.
+ Lựa chọn bộ lọc DMP dựa vào giá trị cảm biến được 
phân tích và đánh giá trên phần mềm LabVIEW.
Hình 8. So sánh tốc độ đáp ứng của 2 bộ lọc DMP và Kalman
Hình 9. Biểu đồ cân bằng trục X tự điều chỉnh khi có tác
động ngoại lực
Hình 10. Biểu đồ cân bằng di chuyển trục X
+ Việc cân bằng trục được xử lý dựa trên giá trị góc 
nghiêng nhận được từ cảm biến IMU, giá trị này có sai lệch 
so với giá trị chuẩn từ bộ điều khiển nằm trong phạm vi 
cho phép bằng phương pháp sử dụng bộ lọc DMP (Hình 
10). Thiết kế và hoàn thiện mô hình Quadcopter. (Hình 11).
Hướng phát triển
- Tiếp tục tìm hiểu, xử lý, và điều khiển bay cân bằng ổn 
định cho Quadcopter.
Hình 11. Mô hình máy bay Quadcopter đã hoàn thiện
Hình 12. Mô hình máy bay Quadcopter cân bằng trên không
- Tích hợp camera quay phim và chụp ảnh gửi về máy 
tính.
- Tích hợp hệ thống định vị toàn cầu GPS để Quadcopter 
có thể tự bay theo lộ trình mong muốn mà không cần 
phụ thuộc quá nhiều vào người điều khiển. Tích hợp 
camera Kinect để điều khiển máy bay thông qua cử chỉ.
5. LỜI CẢM ƠN 
Để hoàn thành đề tài “Thiết kế và thi công mô hình bay 
Quadcopter” nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp 
đỡ tận tình của quý thầy, cô trong Khoa Cơ điện – Điện tử, 
Trường Đại học Lạc Hồng. Nhóm chúng em xin gửi lời 
cảm ơn chân thành đến thầy Lê Hoàng Anh đã tin tưởng 
giao đề tài và tận tình hướng dẫn để nhóm tác giả có thể
hoàn thành tốt đề tài của mình.
6. TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Nguyễn Cao Tuyển, “Điều khiển cân bằng trên mô 
hình bay Quadcopter”, Trường Đại học Lạc Hồng, 
2013.
[2] InvenSense, Inc, “IMU-6000 and IMU-6050 Register 
Map and Descriptions Revision 4.0”, 1197 Borregas 
Ave, Sunnyvale, CA 94089 U.S.A, tr. 1-47, 
03/09/2012, www.invensense.com.
Động cơ
Bộ xử lý
BỘ LỌC THÔ
BỘ LỌC KAMAL
BỘ LỌC DMP
Nguyễn Hùng Thái Sơn, Võ Nguyên Phúc
 32 Tạp chí Khoa học Lạc Hồng Số 04 
[3] Carreira, Tiago Gomes, "Quadcopter Automatic 
Landing on a Docking Station”, 2013.
[4]. Anders Friis Sørensen, “Autonomous Control of a 
Miniature Quadcopter Following Fast Trajectories”, 
2010.
[5] Tanvi Shama, Akshay Soni, “PROJECT REPORT –
UART”, 2009.
[6]. R. Clavel, “Design and control of quadrotors with 
application to autonomous flying”, 2007.
[7] Øyvind Magnussen and Kjell Eivind Skjønhaug, 
“Modeling, Design and Experimental Study for a 
Quadcopter System Construction”, University of 
Agder, 2011.
[8] Lâm Ngọc Tâm, “Thiết kế và chế tạo mô hình máy 
bay-quadrocopter”, Báo cáo Hội nghị Sinh viên 
Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng, 
2012. 
TIỂU SỬ TÁC GIẢ 
Nguyễn Hùng Thái Sơn
Năm sinh 1992 tại Long Thành, Đồng Nai. Sinh viên năm thứ 4, chuyên ngành Điện – Điện tử, Trường Đại học Lạc 
Hồng.
Võ Nguyên Phúc
Sinh năm 1992 tại Tuy Phước, Bình Định. Sinh viên năm 4, chuyên ngành Điện – Điện tử, Trường Đại học Lạc Hồng.