Bài 3 : tìm hiểu phần cứng drone esp32

Thương hiệu: (Đang cập nhật ...) Loại: (Đang cập nhật ...)

Liên hệ

Mô tả :

Bài 3: Tìm hiểu phần cứng Drone ESP32 – ESP32, MPU6050 và 4 Motor Trong Bài 1, chúng ta đã tìm hiểu tổng quan về hệ thống Drone Mini ESP32.Trong Bài 2, chúng ta phân tích tay cầm điều khiển ESP32, joystick và cách tạo dữ liệu điều khiển. Đến Bài 3, chúng ta bắt đầu đi vào phần quan trọng nhất của...

Chi tiết sản phẩm
Thẻ tags

Bài 3: Tìm hiểu phần cứng Drone ESP32 – ESP32, MPU6050 và 4 Motor

Trong Bài 1, chúng ta đã tìm hiểu tổng quan về hệ thống Drone Mini ESP32.
Trong Bài 2, chúng ta phân tích tay cầm điều khiển ESP32, joystick và cách tạo dữ liệu điều khiển.

Đến Bài 3, chúng ta bắt đầu đi vào phần quan trọng nhất của chiếc Drone:

Bo mạch Drone ESP32 – cảm biến MPU6050 – mạch điều khiển động cơ – 4 Motor – cánh quạt.

Mục tiêu của bài học là giúp người học nhìn vào một bo mạch Drone và hiểu được từng khối phần cứng đang làm nhiệm vụ gì, thay vì chỉ lắp ráp và sử dụng theo hướng dẫn.

1. Tổng quan phần cứng Drone Mini ESP32

Drone trong khóa học LINHKIEN1993 sử dụng cấu hình quadcopter 4 động cơ.

Toàn bộ hệ thống có thể chia thành các khối chính:

                 DRONE ESP32
                     │
        ┌────────────┼────────────┐
        │            │            │
        ↓            ↓            ↓
      ESP32        MPU6050      Nguồn
        │            │
        │            │
        └──────┬─────┘
               ↓
        Xử lý điều khiển
               ↓
       Mạch điều khiển Motor
               ↓
      ┌────┬────┬────┬────┐
      ↓    ↓    ↓    ↓
     M1   M2   M3   M4
      ↓    ↓    ↓    ↓
     Cánh quạt / Propeller

Mỗi khối đảm nhận một nhiệm vụ khác nhau.

ESP32: bộ xử lý trung tâm.
MPU6050: cảm biến chuyển động.
Mạch công suất/điều khiển: điều khiển dòng điện đến motor.
4 Motor: tạo lực nâng và mô-men điều khiển.
Cánh quạt: chuyển chuyển động quay thành lực đẩy.
Pin: cung cấp năng lượng cho hệ thống.

2. ESP32 – Bộ não của Drone

Thành phần dễ nhận biết nhất trên bo mạch là module ESP32.

ESP32 đóng vai trò là bộ điều khiển trung tâm của Drone.

Nó có nhiệm vụ:

Nhận dữ liệu từ tay cầm.
Nhận dữ liệu từ MPU6050.
Xử lý các tín hiệu điều khiển.
Tính toán giá trị điều khiển cho motor.
Điều khiển các ngõ ra dành cho motor.
Giao tiếp không dây với tay cầm thông qua ESP-NOW.
Thực hiện các thuật toán điều khiển được lập trình trong firmware.

Có thể hình dung:

              ESP32
                │
       ┌────────┼────────┐
       ↓        ↓        ↓
    ESP-NOW   MPU6050   Motor
       │        │        │
       ↓        ↓        ↓
   Tay cầm    Góc      M1-M4

ESP32 chính là thành phần kết nối tất cả các khối của Drone lại với nhau.

3. ESP32 nhận lệnh từ tay cầm như thế nào?

Ở bài 2, chúng ta đã biết tay cầm có hai joystick.

Khi người dùng di chuyển joystick, ESP32 trên tay cầm sẽ đọc tín hiệu và tạo thành dữ liệu điều khiển.

Dữ liệu được truyền đến Drone:

Joystick
   ↓
ESP32 Tay cầm
   ↓
ESP-NOW
   ↓
ESP32 Drone

Ví dụ về mặt logic, dữ liệu có thể gồm:

Throttle
Roll
Pitch
Yaw
Button

ESP32 trên Drone nhận các giá trị này và sử dụng chúng để tính toán lệnh điều khiển motor.

Đây chính là lý do chúng ta phải hiểu ESP-NOW ở Bài 5.

4. MPU6050 – Cảm biến chuyển động của Drone

Một Drone không thể chỉ nhận lệnh từ tay cầm.

Nó còn phải biết:

Drone hiện đang nghiêng bao nhiêu? Đang quay như thế nào?

Để thực hiện việc này, hệ thống sử dụng cảm biến MPU6050.

MPU6050 tích hợp hai loại cảm biến chính:

Accelerometer – cảm biến gia tốc
Gyroscope – cảm biến con quay hồi chuyển

Nhờ đó, hệ thống có thể thu thập thông tin về chuyển động của Drone.

5. Accelerometer hoạt động như thế nào?

Accelerometer giúp đo gia tốc theo các trục:

Khi Drone thay đổi tư thế hoặc chuyển động, dữ liệu từ accelerometer cũng thay đổi.

ESP32 có thể đọc dữ liệu này thông qua giao tiếp cảm biến và sử dụng nó cho thuật toán điều khiển.

6. Gyroscope dùng để làm gì?

Gyroscope đo tốc độ quay quanh các trục.

Drone có ba chuyển động góc cơ bản:

Roll

Nghiêng sang trái/phải.

Pitch

Nghiêng về phía trước/sau.

Yaw

Xoay quanh trục đứng.

Có thể hình dung:

                 YAW
                  ↻

        ROLL  ←  DRONE  →  ROLL

                  ↑
                PITCH
                  ↓

Trong hệ thống điều khiển Drone, ba đại lượng này cực kỳ quan trọng.

7. Tại sao Drone cần MPU6050?

Giả sử người điều khiển muốn Drone bay thẳng.

Nếu Drone bị nghiêng sang phải do tác động bên ngoài, hệ thống phải phát hiện được trạng thái đó.

Quá trình có thể diễn ra:

Drone bị nghiêng
       ↓
MPU6050 phát hiện
       ↓
ESP32 đọc dữ liệu
       ↓
Thuật toán điều khiển
       ↓
Điều chỉnh tốc độ Motor
       ↓
Drone phản hồi

Đây là nền tảng của hệ thống Flight Control.

Ở những bài nâng cao hơn, chúng ta sẽ tìm hiểu thêm về Motor Mixing và PID.

8. Giao tiếp MPU6050 với ESP32

MPU6050 thường được giao tiếp với vi điều khiển thông qua I²C.

Về nguyên lý:

I²C sử dụng hai đường tín hiệu chính:

SDA – dữ liệu
SCL – xung clock

Ngoài ra cần:

Tuy nhiên, khi triển khai trên bo mạch Drone LINHKIEN1993, học viên nên căn cứ vào schematic và PCB thực tế để xác định chính xác chân kết nối của phiên bản board đang sử dụng.

Đây là nguyên tắc rất quan trọng khi học điện tử:

Không nên lấy pinout của một module MPU6050 khác rồi áp dụng máy móc cho một PCB cụ thể.

9. Bốn Motor – hệ thống tạo lực nâng

Drone Mini sử dụng 4 motor.

Có thể ký hiệu:

             M1
              ↑

       M2             M3

              ↓
             M4

Tùy cách đánh số trong firmware, thứ tự M1–M4 có thể được quy định khác nhau. Vì vậy, trước khi lập trình điều khiển, cần xác định đúng motor mapping của bo mạch.

Mỗi motor có nhiệm vụ tạo lực đẩy.

Tổng lực từ bốn motor giúp Drone:

Cất cánh.
Hạ xuống.
Giữ độ cao.
Nghiêng.
Xoay.
Di chuyển theo hướng mong muốn.

10. Tại sao 4 motor phải phối hợp với nhau?

Đây là một trong những kiến thức quan trọng nhất khi học Drone.

Giả sử muốn Drone tăng độ cao:

M1 ↑
M2 ↑
M3 ↑
M4 ↑

Cả bốn motor tăng tốc → lực nâng tăng → Drone có xu hướng bay lên.

Nhưng nếu muốn Drone nghiêng sang phải, không thể chỉ tăng cả bốn motor.

Hệ thống phải thay đổi tốc độ các motor theo một quy luật phù hợp.

Ví dụ về nguyên lý:

Motor bên trái  ↑ tốc độ
Motor bên phải  ↓ tương đối

          ↓

Drone tạo mô-men nghiêng

Đây chính là khái niệm Motor Mixing.

11. Motor Mixing là gì?

Motor Mixing là quá trình chuyển các lệnh:

Throttle
Roll
Pitch
Yaw

thành giá trị điều khiển riêng cho:

M1
M2
M3
M4

Có thể hình dung:

          THROTTLE
              │
              ↓
ROLL ─────→ MOTOR MIXING ←──── YAW
              ↑
              │
            PITCH
              │
              ↓
       ┌──────┼──────┐
       ↓      ↓      ↓
      M1     M2     M3     M4

Đây là phần mà học viên sẽ được tìm hiểu sâu hơn ở Bài 7.

12. Cánh quạt và chiều quay

Motor quay nhưng bản thân motor không trực tiếp tạo lực nâng hiệu quả nếu không có cánh quạt phù hợp.

Cánh quạt được thiết kế để tạo lực đẩy khi quay.

Drone 4 motor thường sử dụng sự phối hợp giữa các cánh quay theo những chiều khác nhau.

Điều này giúp hệ thống kiểm soát mô-men xoắn và thực hiện chuyển động Yaw.

Vì vậy, khi lắp cánh, cần chú ý:

Đúng vị trí.
Đúng loại cánh.
Đúng chiều.
Đúng hướng quay của motor.

Lắp sai cánh có thể khiến motor vẫn quay nhưng Drone không tạo được lực nâng đúng như thiết kế.

13. Mạch điều khiển Motor

ESP32 là vi điều khiển nhưng không nên hiểu rằng GPIO của ESP32 có thể trực tiếp cấp công suất cho các motor của Drone.

Giữa ESP32 và motor cần có mạch công suất/driver phù hợp.

Sơ đồ khối:

ESP32
  │
  │ Tín hiệu điều khiển
  ↓
Motor Driver / Power Stage
  │
  │ Dòng công suất
  ↓
Motor

Đây là nguyên tắc cơ bản trong thiết kế điện tử:

Vi điều khiển tạo tín hiệu điều khiển, tầng công suất đảm nhiệm phần năng lượng cho tải.

Với Drone, tầng công suất phải đáp ứng được dòng điện mà motor yêu cầu.

14. Nguồn cấp cho Drone

Nguồn là một phần cực kỳ quan trọng.

Drone cần cung cấp năng lượng cho:

ESP32.
MPU6050.
Mạch điều khiển motor.
4 motor.
Các mạch phụ trợ khác.

Trong khi đó, motor có thể tạo ra những thay đổi dòng điện khá nhanh khi tốc độ thay đổi.

Vì vậy, thiết kế nguồn cần quan tâm đến:

Điện áp hoạt động.
Dòng tải.
Khả năng cung cấp dòng.
Sụt áp.
Đường nguồn trên PCB.
GND.
Đầu nối pin.

Không nên thay đổi loại pin hoặc điện áp cấp cho Drone nếu chưa xác nhận thông số phù hợp với thiết kế.

15. PCB Drone – tại sao PCB có hình dạng đặc biệt?

Một điểm thú vị của Drone Mini LINHKIEN1993 là PCB không chỉ đơn thuần là một bo mạch hình chữ nhật.

PCB được thiết kế theo hình dạng khung Drone.

Điều này giúp tích hợp:

Cơ khí + điện tử

trên cùng một hệ thống.

Có thể hiểu:

PCB
├── Mạch điện
├── ESP32
├── MPU6050
├── Motor
├── Nguồn
└── Kết cấu khung

Đây là một ví dụ rất trực quan về PCB tích hợp cơ khí.

Đối với sinh viên điện – điện tử, đây là một cách tiếp cận rất tốt để hiểu rằng PCB hiện đại không chỉ là nơi “gắn linh kiện”.

16. Nhìn PCB dưới góc độ kỹ sư

Khi quan sát PCB Drone, hãy tập thói quen chia bo mạch thành từng khối.

Ví dụ:

┌───────────────────────────────┐
│           ESP32               │
│                               │
│     ┌───────────────┐         │
│     │   MPU6050     │         │
│     └───────────────┘         │
│                               │
│  Power      Control      Power│
│                               │
│ M1     M2       M3       M4   │
└───────────────────────────────┘

Sau đó đặt câu hỏi:

Nguồn đi từ đâu?
ESP32 nhận nguồn qua đâu?
MPU6050 giao tiếp với ESP32 bằng gì?
Motor nhận tín hiệu điều khiển ở đâu?
Đường công suất chạy như thế nào?
GND được bố trí ra sao?
Các linh kiện công suất nằm ở đâu?

Đây chính là cách phân tích một PCB trong thực tế.

17. Từ tay cầm đến Motor

Sau khi học xong Bài 2 và Bài 3, chúng ta đã có thể nhìn thấy toàn bộ chuỗi điều khiển:

         TAY CẦM
            │
        Joystick
            ↓
       ESP32 TX
            │
         ESP-NOW
            │
            ↓
       ESP32 DRONE
          ↙    ↘
     MPU6050   Control
          ↘    ↙
       Motor Mixing
            ↓
      ┌─────┼─────┐
      ↓     ↓     ↓
     M1    M2    M3    M4
      ↓     ↓     ↓     ↓
           CÁNH QUẠT
                ↓
              BAY

Đây chính là kiến trúc tổng thể mà chúng ta sẽ từng bước lập trình trong các bài tiếp theo.

18. Thực hành Bài 3

Sau khi đọc bài, học viên nên thực hiện các bước sau.

Thực hành 1: Xác định ESP32

Quan sát bo mạch và xác định vị trí module ESP32.

Thực hành 2: Xác định MPU6050

Tìm vị trí cảm biến trên PCB và đối chiếu với schematic của board.

Thực hành 3: Xác định 4 motor

Đánh dấu:

M1 = ?
M2 = ?
M3 = ?
M4 = ?

Không tự giả định thứ tự nếu chưa đối chiếu firmware/schematic.

Thực hành 4: Xác định đường kết nối

Tìm hiểu:

ESP32 → MPU6050
ESP32 → Motor Control
Battery → Power

Thực hành 5: Kiểm tra cánh quạt

Xác định loại cánh và hướng lắp trước khi vận hành motor.

19. Những điều cần nhớ trước khi chuyển sang Bài 4

Sau Bài 3, học viên cần hiểu ít nhất 5 vấn đề:

1. ESP32 là bộ xử lý trung tâm.

2. MPU6050 cung cấp dữ liệu chuyển động cho hệ thống.

3. Bốn motor tạo lực nâng và mô-men điều khiển Drone.

4. ESP32 không trực tiếp cung cấp công suất lớn cho motor; cần tầng công suất phù hợp.

5. Tốc độ 4 motor phải được phối hợp để thực hiện Throttle, Roll, Pitch và Yaw.

20. Kết luận

Drone Mini ESP32 là một hệ thống tích hợp nhiều kiến thức kỹ thuật:

ESP32 + MPU6050 + Motor Control + Power + PCB + Firmware + Wireless Communication

Trong đó:

ESP32
  ↓
Xử lý

MPU6050
  ↓
Cảm nhận chuyển động

Motor Driver
  ↓
Điều khiển công suất

4 Motor
  ↓
Tạo lực nâng

Cánh quạt
  ↓
Tạo lực đẩy

Tất cả phối hợp
  ↓
DRONE BAY

Điểm quan trọng của khóa học STEM Drone ESP32 là học viên không chỉ biết “Drone bay như thế nào”, mà từng bước hiểu được tại sao Drone bay, phần cứng nào tạo ra chuyển động và firmware điều khiển hệ thống ra sao.

Ở Bài 4, chúng ta sẽ bắt đầu chuyển sang phần thực hành lập trình:

Bài 4: Lập trình ESP32 + điều khiển Motor

Từ đây, học viên sẽ bắt đầu đưa chương trình vào ESP32 và tìm hiểu cách điều khiển từng motor, kiểm tra tín hiệu, tốc độ và chuẩn bị nền tảng cho hệ thống điều khiển 4 motor của Drone.