Trong bài viết này, một phương pháp mới được phát triển, bao gồm hai nhiệm vụ chính, cho các hệ thống hạ cánh tự động dựa trên kỹ thuật thị giác máy và được thực hiện bởi một quadcopter: (1) Một thuật toán dựa trên thị giác máy để phát hiện và dự đóa n chuyển động tương lai của đối tượng sử dụng bộ lọc Kalman; (2) Thuật toán điều khiển PID để quadcopter tự cân bằng và hạ cánh trên một mục tiêu xác định.
Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 Kỷ yếu khoa học THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH MÁY BAY KHƠNG NGƯỜI LÁI TỰ ĐỘNG ĐÁP CÁNH TRÊN MỤC TIÊU XÁC ĐỊNH Trần Lê Anh*, Lê Tuấn Thông Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh *Tác giả liên lạc: tranleanh.nt@gmail.com TĨM TẮT Trong suốt q trình bay tự hành, hạ cánh tự động đối tượng định quy trình nguy hiểm đầy thử thách nhất, đòi hỏi nghiên cứu nâng cao phương pháp phần cứng phần mềm Trong báo này, phương pháp phát triển, bao gồm hai nhiệm vụ chính, cho hệ thống hạ cánh tự động dựa kỹ thuật thị giác máy thực quadcopter: (1) Một thuật tóa n dựa thị giác máy để phát dự đóa n chuyển động tương lai đối tượng sử dụng lọc Kalman; (2) Thuật tóa n điều khiển PID để quadcopter tự cân hạ cánh mục tiêu xác định Nhiệm vụ thực nhờ vào hai thành phần thiết yếu: cảm biến gia tốc quay hồi chuyển Tuy nhiên, cảm biến dễ bị nhiễu lực truyền động hệ thống, chẳng hạn độ rung động Do đó, nghiên cứu sử dụng lọc bù để lấy kết tốt từ hai cảm biến Các thí nghiệm thực tế mơ hình quadcopter thực để xác nhận tính hiệu phương pháp đề xuất cho kết 80% số lần đáp cánh trúng đích Từ khóa: Hạ cánh tự động, quadcopter, điều khiển PID DESIGN AND IMPLEMENT A QUADCOPTER MODEL AUTONOMOUS LANDING ON A STATIONARY TARGET Tran Le Anh*, Le Tuan Thong Ho Chi Minh City University of Technology and Education *Corresponding Author: tranleanh.nt@gmail.com ABSTRACT During autonomous flight procedure, autonomous landing on a specified object is one of the most dangerous and challenging processes, requiring an advanced study in both hardware and software approaches In this paper, a new methodology is developed, including two major tasks, for vision-based autonomous landing systems executed by a quadcopter: (1) a vision-based algorithm is used to detect and predict an object’s future motion using Kalman Filter; (2) PID algorithm is implemented in a quadcopter platform to autonomously balance and land this one on a stationary target This autonomous task is obtained by two essential components: Accelerometer and gyroscope However, the sensors are susceptible to noise caused by driving forces in the system, such as the vibration of the motors Therefore, we also investigate a use of complementary filter to make the outcome from two sensors as best as possible Real quadcopter experiments have been implemented in door to validate the effectiveness of the proposed method and demonstrated that there were out of 10 times of correctly landing Keywords: Autonomous landing, quadcopter, PID controller 509 Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 TỔNG QUAN Một thiết bị bay không người lái (UAV), thường gọi Drone, máy bay khơng có phi cơng trực tiếp ngồi lái máy bay Có nhiều mức độ khác chuyến bay tự lái: kiểm sóa t người kiểm sóa t máy tính máy bay Do linh hoạt kiểm sóa t, hệ thống UAV có ứng dụng rộng rãi cơng nghiệp, xã hội quân sự, chẳng hạn hoạt động tìm kiếm cứu hộ, theo dõi đối tượng, vận chuyển sản phẩm, hàng hóa Quadcopter loại UAV với bốn động cơ, có ưu điểm so với loại UAV khác kết cấu khí đơn giản, khả di chuyển linh hoạt khơng gian hẹp với kích thước nhỏ gọn dễ dàng sản xuất Thị giác máy tính bao gồm lý thuyết kỹ thuật nhằm tạo hệ thống nhân tạo để thu thập xử lý hình ảnh sở liệu đa chiều máy ảnh Sự kết hợp thị giác máy tính công nghệ kỹ thuật khác tạo nhiều ứng dụng khoa học, quân nhiều ứng dụng khác Ngày nay, chuyên gia đề xuất phương pháp để giải vấn đề giao thơng, đáng ý kể đến việc theo dõi tội phạm hỗ trợ nạn nhân tai nạn giao thông Một phương pháp tiềm đề xuất báo sử dụng UAV robot hỗ trợ đường bị hạn chế khơng gian so với phương tiện mặt đất Mặt khác, vấn đề khó khăn UAV hạ cánh an toàn Hiện tại, nghiên cứu việc hạ cánh tự động cho UAV tiến hành giới Mục đích phép UAV có khả hạ cánh tàu xe tải, trường hợp lốc xóa y thảm Kỷ yếu khoa học họa khác Bài báo trình bày giải pháp hạ cánh tự động dựa thị giác máy cho phép quadcopter tự động hạ cánh mục tiêu cố định Quá trình chia thành phần: - phát vị trí, - dự đóa n vị trí - hạ cánh tự động Trong phần đầu tiên, hình ảnh thu thập máy ảnh sau xử lý máy tính Raspberry Pi Model B sử dụng không gian màu HSV, phương pháp lấy ngưỡng để phát tọa độ X-Y mục tiêu mặt phẳng ảnh 2D Sau đó, áp dụng lọc Kalman để dự đóa n tọa độ X'-Y mục tiêu phần thứ hai Trong phần cuối cùng, giá trị tọa độ X'Y’ chuyển thành tín hiệu điện điều khiển động để hạ cánh Ngoài ra, cân quadcopter đảm bảo cách sử dụng điều khiển PID VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Vật liệu S500 Quadcopter Frame Kit ngày sử dụng nhiều nghiên cứu chi phí thấp, cứng cáp dễ lắp ráp Hệ thống bao gồm vi điều khiển Arduino Uno, điều tốc (ESC), động không chổi than, cảm biến siêu âm HC-HR04, cảm biến MPU6050 bậc: quay hồi chuyển trục cảm biến gia tốc trục, máy tính Raspberry Pi Model B, camera 5.0 MP với độ phân giải tối đa 720p độ phân giải 640x480 với 30 khung hình/giây gắn thân quadcopter để quan sát, pin 3800mAh cho thời lượng bay liên tục từ 10 đến 15 phút Các quadcopter đạt tốc độ khoảng m/s hoạt động tốt nhà trời Khi bắt đầu, quadcopter cất cánh điều khiển từ xa, gồm hai thành 510 Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 phần: máy phát sóng Devo thu RX-701 với kênh tần số 2,4 GHz Các chuyến bay hoạt động điều khiển người máy Kỷ yếu khoa học ảnh quan sát mục tiêu tầm nhìn Hình mơ tả phần cứng gồm mơ hình bay bãi đáp sử dụng nghiên cứu Hình Mơ hình mục tiêu sử dụng nghiên cứu biến gia tốc MPU 6050 Phương pháp nghiên cứu Bộ điều khiển PID thuật tóa n điều Ngoài ra, phần cứng này, khiển phổ biến sử dụng cảm biến siêu âm sử dụng để nhiều ứng dụng để tối ưu hóa hệ trì độ cao quadcopter khơng thống cách tự động Một điều gian Trong trường hợp này, tín hiệu khiển PID có khả kiểm sóa t hệ thời gian echo từ cảm biến siêu âm thống để đáp ứng tiêu chuẩn chất đưa trở lại điều khiển PID lượng thời gian đáp ứng nhanh Cuối cùng, phản hồi góc nghiêng giảm độ vọt lố cho hệ thống tín hiệu thời gian echo cho Trong điều khiển PID cho cân điều khiển PID Hệ thống cuối quadcopter Tín hiệu phản hồi cấu trúc Hình giá trị góc nghiêng tính từ cảm Hình Sơ đồ khối điều khiển PID quadcopter Phát vùng màu Nhiệm vụ phát đối tượng Một ảnh chụp từ máy ảnh nghiên cứu thực định dạng dạng hình ảnh màu ngơn ngữ Python thư viện RGB Tuy nhiên, lĩnh vực xử lý OpenCV ảnh, không gian màu chuyển Khi màu sắc xác định HSV, sang HSV lợi ích định phương pháp lấy ngưỡng sử dụng HSV khơng gian màu để chuyển đổi hình ảnh thành định thường sử dụng chỉnh sửa dạng nhị phân Sau đó, hàm tìm hình ảnh, phân tích hình ảnh thị giác kiếm đường biên thực để máy tính Khơng gian màu dựa giới hạn vị trí đích Vị trí ba tham số để mơ tả màu sắc: Hue định nghĩa trung tâm (H), Saturation (S) Value (V) vùng giới hạn 511 Giải thưởng Sinh viên nghiên cứu khoa học Euréka lần 20 năm 2018 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Các thí nghiệm thực phịng thí nghiệm, đáp cánh từ độ Kỷ yếu khoa học cao khác với độ cao từ 100cm đến 150cm so với mục tiêu Hình Mơ vị trí đáp KẾT LUẬN Sau nhiều nỗ lực nghiên cứu phát triển, thiết kế lắp ráp thành cơng mơ hình quadcopter hồn chỉnh Bên cạnh đó, phương pháp hạ cánh tự động dựa thị giác máy tính với tảng phần cứng quadcopter trình bày báo Các thí nghiệm thực nhà nhiều lần độ cao khác Trong thời gian thử nghiệm, có nhiều vấn đề mà phải đối mặt, đặc biệt phần hạ cánh Sau cải thiện thuật tóa n hạ cánh tinh chỉnh mã nguồn, quadcopter hoạt động với kết tốt Kết thí nghiệm chứng minh quadcopter có khả tự động hạ cánh mục tiêu cố định tốt với độ xác khoảng 80% cách sử dụng camera đơn gắn vào phía dưới, có nghĩa có số 10 lần quadcopter đáp thành công mục tiêu TÀI LIỆU THAM KHẢO ĐÀO VĂN HIỆP, TRẦN XUÂN DIỆU, PHÙNG THẾ KIÊN Modeling of Quadrotor dynamics In Vietnam Conference of Control and Automation 2011 (VCCA 2011), Ha Noi, Nov 25-26, 2011 POUNDS, PAUL, ROBERT MAHONY, AND PETER CORKE Modelling and control of a quadrotorr robot In Proceedings Australasian Conference on Robotics and Automation 2006, Australian Robotics and Automation Association Inc., 2006 TOMMASO BRESCIANI Modelling, Identification and Control of a Quadrotor Helicopter Department of Automatic Control, Lund University, October 2008, ISSN 0280-5316 512 ... Một thi? ??t bị bay không người lái (UAV), thường gọi Drone, máy bay khơng có phi cơng trực tiếp ngồi lái máy bay Có nhiều mức độ khác chuyến bay tự lái: kiểm sóa t người kiểm sóa t máy tính máy bay. .. pháp hạ cánh tự động dựa thị giác máy cho phép quadcopter tự động hạ cánh mục tiêu cố định Quá trình chia thành phần: - phát vị trí, - dự đóa n vị trí - hạ cánh tự động Trong phần đầu tiên, hình. .. phần hạ cánh Sau cải thi? ??n thuật tóa n hạ cánh tinh chỉnh mã nguồn, quadcopter hoạt động với kết tốt Kết thí nghiệm chứng minh quadcopter có khả tự động hạ cánh mục tiêu cố định tốt với độ xác khoảng