Nghiên cứu điều khiển chuyến động cùa quadcopter trong không gian theo tọa độ GPS

KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Só 06/2022 Nghiên cứu điều khiển chuyển động quadcopter không gian theo tọa độ GPS ■ TS NGUYỄN VĂN TIẾN Trường Đại học Hàng hải Việt Nam TĨM TẮT: Quadcoptor cịn gọi drone, thiết bị bay không người lái Trong vài năm trở lại đây, máy bay không người lái trở thành xu hướng xây dựng hấp dẫn Vi trí thuận lợi khơng khả thu thập liệu chúng khiến chúng trở thành cơng cụ mang lại nhũng lợi ích bao gồm từ an toàn chỗ đến giám sát từ xa Bài báo nghiên cứu đưa phương án điều khiển xác vị trí thiết bị bay cánh quạt không gian, đồng thời nghiên cứu loại cảm biến phù hợp để xây dựng mơ hình vật lý kiểm tra lại lý thuyết nghiên cứu Mơ hình vật lý thiết bị bay có khả tiếp cận mục tiêu theo tọa độ GPS, thời thu thập thơng tin hình ảnh mục tiêu gửi vể trung tâm theo thời gian thực TỬ KHĨA: Thiết bị bay khơng người lái, quadcopter, ESP32, PPM, GPS ABSTRACT: Quadcoptor also known as drone, this is an unmanned aerial vehicle Over the past few years drones have become one of the hottest construction trends Their vantage point in the air and their data collection capabilities make them a viable tool, offering benefits that range from on-site safety to remote monitoring The research paper a plan to accurately control the position of quadcopter and receiver sensors to build a physical model The physical model of the quadcopter has the ability to approach the target according to GPS coordinates and collect target image information and send it to the center in real time KEYWORDS: UAV, quadcopter ESP32, PPM, GPS thiết bị bay tiếp cận mơi trường nguy hại với người hóa chất, nhiệt độ cao, khói Thiết bị lắp đặt tàu cứu hộ, giúp cho công tác cứu hộ triển khai hiệu Nội dung báo bao góm:Đềxuất cấu trúc phần cứng thiết bị bay không người lái; Xây dựng phần mềm điểu khiển kết nối để thu nhận hình ảnh từ với quadcopter theo thời gian thực CẤỤ TRÚC THIẾT BỊ BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI Tự ĐỘNG TIẾP CẬN MỤC TIÊU THEO TỌA ĐỘ GPS 2.1 Thơng số mơ hình quadcopter Quadcopter dạng máy bay sử dụng lực quay động để tạo dịng khí đẩy xuống, qua xuất lực nâng khiến máy bay bay lên Khơng giống dịng máy bay cánh bằng, loại máy bay phản lực sử dụng độ nghiêng cánh để tạo lực nâng Quadcopter phổ biến loại có động cơ, cách điểu chỉnh lực quay motor, quadcopter lộn nhào di chuyển linh động Đối tượng nghiên cứu báo sử dụng khung quadcopter Hình 2.1, sau triển khai thêm thành phần điểu khiển cảm biến phép điều khiển quadcopter tiếp cận thu thập thơng tin hình ảnh mục tiêu Quadcopter bao gồm động cơ, kết hợp với điểu khiển nguồn pin để cung cấp lượng Chiều dài sở quadcopter 250 mm, trọng lượng 560 g [3] Các động sử dụng loại khơng chổi than tốc độ quay 25.000 vịng/phút tạo lực nâng 0,5 kg động hoạt động công suất tối đa Nguồn lượng quadcopter lấy từ pin có dụng lượng 2.500 mAh Để giảm trọng lượng quadcopter loại pin sử dụng Li-Po 1.ĐẶTVẤNĐÉ Với hệ thống đường thủy, hàng năm có hàng nghìn vụ ta nạn, cô' xảy ra, gây thiệt hại vể kinh tế người Trong cố việc triển khai phương án cứu hộ đóng vai trị quan trọng việc giảm thiểu thiệt hại vể người Các phương án cứu hộ muốn hiệu cap có số liệu vể trường, thiết bị bay khơng người lái có nhiệm vụ thu thập hình ảnh, số liệu điêu kiện mơi trường cẩn thiết Các thiết bị bay có tốc độ cao triển khai tự động đến tọa độ GPS (Global Po ĩitioni ng System), nơi xảy cố, rút ngắn thộri gian triển khai phương án cứu nạn [1, 2] Ngoài ra, Hình 2.1: Hình ảnh kit quadcopter 155 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Só 06/2022 2.2 Mơ hình đề xuất thiết bị bay không người lái tự động tiếp cận mục tiêu Mơ hình hệ thống bao gổm: trung tâm điểu khiển, thu nhận tín hiệu điểu khiển ghép nối cảm biến, thiết bị bay quadcopter 2.2.2 Cấu trúc thu nhận tín hiệu điều khiển ghép nối cảm biến Bộ thu nhận tín hiệu điểu khiển bao gồm: mô-đun wifi kết nối tới trung tâm điều khiển; cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11; cảm biến đo chất lượng khơng khí MQ135, cảm biến GPS NEO-6M; mơ-đun PCA9685 tạo tín hiệu đặt Roll, Pitch, Yaw dạng PPM (Pulse Position Modulation) cho quadcopter Lệnh đặt quỹ đạo từ máy tính gửi đến thu nhận tín hiệu thơng qua router wifi, tín hiệu đặt bao gồm Roll, Pitch, Yaw Tín hiệu Yaw xoay xoay đẩu quadcopter sang phải trái Đó chuyển động để quay quadcopter Pitch chuyển động quadcopter vê phía trước phía sau Roll tín hiệu làm cho bay quadcopter sang bên, sang trái phải Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc thiết bị bay không người lái tự động tiếp cận mục tiêu Quadcopter điều khiển mạch điểu khiển cân giúp quadcopter cất cánh, hạ cánh cách cân ổn định [4, 5], Trên quadcopter lắp cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm) mơ-đun thu nhận hình ảnh để thu thập thông số môi trường Các liệu cảm biến hình ảnh thu nhận gửi trung tâm điểu khiển qua kết nối wifi (Wireless Fidelity) Bộ router wifi đóng vai trị tạo kết nối trung tâm điều khiển quadcopter vào mạng, gói liệu (data packs) trung tâm điểu khiển quadcopter trao đổi qua lại 2.2.1 Cấu trúc trung tâm điểu khiển Cấu trúc trung tâm điều khiển Hình 2.3 Hình 2.4: cấu trúc thu nhận tín hiệu điều khiển Máy tính Router Wi-Fi TP-Link Hình 2.3: Trung tâm điều khiển Trung tâm điều khiển bao gồm máy tính điều khiển cài đặt phần mềm để điểu khiển thu nhận thơng tin hình ảnh, thơng số chất lượng khơng khí (nhiệt độ, độ ẩm ) mục tiêu thơng qua qua wifi Máy tính điểu khiển kết nối tới mô-đun wifi quadcopter thông qua router wifi, thông qua router wifi để gửi tín hiệu lệnh điểu khiển từ máy tính tới cho quadcopter Khi có tín hiệu cứu nạn từ mục tiêu, máy tính tính tốn quỹ đạo để tiếp cận mục tiêu sau gửi lệnh cất cánh tới quadcopter Trong trình bay, tọa độ quadcopter liên tục gửi máy tính Chương trình máy tính tính tốn quỹ đạo bay quadcopter so sánh với quỹ đạo tính tốn để hiệu chỉnh quỹ đạo quadcopter Khi tiếp cận mục tiêu, quadcopter chụp ảnh đo đạc thơng số mơi trường rối gửi máy tính 156 Bộ thu GPS liên tục xác định tọa độ GPS quadcopter sau 1s sau gửi vể trung tâm điểu khiển phục vụ giám sát điểu khiển quỹ đạo quadcopter 2.2.3 Mô-đun thu nhận hình ảnh Mơ-đun thu nhận hình ảnh Hình 2.5, mơ-đun phát triển tảng vi điểu khiển trung tâm ESP32 SoC với cộng nghệ wifi kiến trúc ARM nay, kết hợp với camera OV2640 sử dụng ứng dụng truyền hình ảnh, xử lý hình ảnh qua wifi ESP32-CAM Hình 2.5: Mơ-đun thu nhận hình ánh ESP32-CAM 2.2.4 Cấu trúc điều kiển bay quadcopter Mạch điều khiển quadcopter bao gồm: mạch cân bằng, điểu tốc điện tử ESC động khơng chổi than (Hình 2.6) KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Só 06/2022 THIẾT KÊ PHẨN MỀM ĐIỂU KHIỂN Trên Hình 3.1 lị giao diện chương trình máy tính trung tâm điểu khiển Khi có tín hiệu cứu nạn gửi đến, tọa độ vị trí mục tiêu chương trình thu nhận tính tốn quỹ đạo di chuyển đến mục tiêu, sau gửi lệnh cất cánh đến quadcopter.Trong q trình bay, quadcopter tự xác định vị trí thơng qua mơ-đun GPS liên tục gửi vị trí vể trung tâm điều khiển Khi đến mục tiêu, môđun thu nhận hình ảnh quan sát mục tiêu gửi phần mềm Ngồi ra, thơng số nhiệt độ, độ ẩm phần mềm thu thập hiển thị lên giao diện làm để người vận hành đưa phương án cứu nạn phù hợp Hình 2.6: cấu trúc điều kiển bay quadcopter Trên quadcopter thường có cánh quạt động cơthường sửdụng loại không chổi than (Brushless DC) Chúng bao gồm stator, trục chính, cố định có dây đóng quấn xung quanh Khi dịng điện chạy qua cuộn tiây, tạo từ tính tương tác với nam châm roto, àm cho roto quay Để làm cho động Brushless quay, cần phải cấp dịng qua cuộn dây với thời gian ahải xác Khơng giống động có chổi than, íộng brushless động ba pha - dây nên cần JỘ điểu tốc độ điện tử ESC (Electronic Speed Controller) để phụ trách việc Khơng có ESC, động khơng thể quay Mạch cân hệ thống nhỏ làm nhiệm vụ chuyển tín hiệu điểu khiển từ thu nhận tín hiệu C lều khiển thành tín hiệu điều khiển động tương ứng rong mạch cân thường có cảm biến gyro để đo góc rghiêng quadcopter kết hợp với tín hiệu vị trí đặt C ược đưa qua vịng lặp PID để tìm cách điểu chỉnh dộng tối ưu đưa tới ESC để làm cho quadcopter c tuyển động theo quỹ đạo đặt Mơ hình quadcopter tự động tiếp cận mục tiêu theo GPS sau thiết kế hồn chỉnh Hình 2.7 Hình 3.1: Giao diện chuung trình điều khiển thu thập liệu cảm biến KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM MƠ HÌNH VẬT LÝ Để đánh giá hoạt động máy bay môi trường thực tế, báo thực nghiệm mô hình vật lý quadcopter Để cài đặt thơng số điểu khiển PID vào mạch điểu khiển bay, cần sử dụng phần mểm CleanFlight với tham số điều khiển sau: IZ _n O1 IZ n /r LZ n o IZ n zrr ^PiRoll, PITCH) ' rXl(ROLL,PITCH)= rXD(ROLL,PITCH)=U'°' rr>(YAW)= '° K|(YAW)=0;45 Phần mềm điều khiển cài đặt chế độ tự động, tốc độ bay trung bình, độ cao - m, tọa độ mục tiêu thử nghiệm với kinh độ - vĩ độ (20,837335;! 06,692979), tọa độ quadcopter (20,836453;! 06,693272) Khi có lệnh cất cánh, quadcopter tự động khởi động đến độ cao khoảng m di chuyển đến tọa độ mục tiêu VỊ trí quadcopter hiển thị phần mềm Khi đến mục tiêu, hình ảnh mục tiêu gửi vể phẩn mềm Một số hình ảnh thử nghiệm nhưtrên Hình 4.1 a) - Mõ hình thử ngiệm Hình 4.1: Thử nghiệm thiết bị bay tự động tiếp cận mục tiêu Hình 2.7: Mơ hình thiết bị bay đuợc chế tạo Kết thực nghiệm cho thấy, thiết bị có khả tự động cất cánh tiếp cận mục tiêu quay trở vể theo thuật toán xây dựng Hình ảnh, nhiệt độ độ ẩm mơi trường thiết bị bay truyền phần mềm điều khiển cách liên tục 157 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Só 06/2022 KẾT LUẬN Bài báo trình bày nghiên cứu thiết kế thiết bị bay không người lái cánh quạt (quadcopter) tự động tiếp cận mục tiêu theo tọa độ GPS phục vụ mục đích cứu nạn Các cảm biến lắp quadcopter để thu thập thông tin vể môi trường gửi vể máy tính điểu khiển trung tâm theo thời gian thực thông qua kết nối wifi Kết nghiên cứu báo thực nghiệm mơ hình vật lý cho kết hoạt động xác Tuy nhiên, công suất thu - phát mô-đun wifi mà mơ hình vật lý sử dụng thấp, phạm vi điều khiển hiệu khoảng 200 m Để nâng cao phạm vi điều khiển sử dụng thu phát wifi tầm xa kết hợp với chuẩn wifi 802.11 ac 802.11 ax Lời cảm ơn: Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Để tài mã số DT21-22.42 Tài liệu tham khảo [1], Gata Krystosik-Gromadzinska (2021), The use of drones in the maritime sector - areas and benefits, Scientific Journals Zeszyty Naukowe of the Maritime University of Szczecin, Digital Object Identifier 10.1109 [2] Aoying in, Sheng gaol, Maritime Buoyage Inspection System Based on an Unmanned Aerial Vehicle and ActiveDisturbance Rejection Control [3] Efe Camel, Erdal Kayacan (2019), Planning Swift Maneuvers of Quadcopter Using Motion Primitives Explored by Reinforcement Learning, American Control Conference (ACC) [4], Nguyễn Hùng Thái Sơn, Võ Nguyên Phúc (2015), Thiết kế thi cơng mơ hình bay quadcopter, Tạp chí Khoa học Lạc Hổng, số [5], Bhavyanth Kondapalli (2018), Development and Future of Drones: Explore heights, Bhavyanth Kondapalli Ngày nhận bài: 12/4/2022 Ngày chấp nhận đăng: 26/5/2022 Người phản biện: TS Đỗ Khắc Tiệp TS Nguyễn Mạnh cường 158 ... K|(YAW)=0;45 Phần mềm điều khiển cài đặt chế độ tự động, tốc độ bay trung bình, độ cao - m, tọa độ mục tiêu thử nghiệm với kinh độ - vĩ độ (20,837335;! 06,692979), tọa độ quadcopter (20,836453;!... (quadcopter) tự động tiếp cận mục tiêu theo tọa độ GPS phục vụ mục đích cứu nạn Các cảm biến lắp quadcopter để thu thập thông tin vể môi trường gửi vể máy tính điểu khiển trung tâm theo thời gian. .. bay không người lái tự động tiếp cận mục tiêu Quadcopter điều khiển mạch điểu khiển cân giúp quadcopter cất cánh, hạ cánh cách cân ổn định [4, 5], Trên quadcopter lắp cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm)