Phát triển bộ Điều khiển bền vững cân bằng cho hệ thống máy bay không người lái 4 cánh quạt

Tử các quá trình tìm hiểu nghiên cứu, và những kiến thức đã được trang bị khi còn được ng đ trên ghế nhà trường, là sinh viên của ngành Công Nghệ Kỹ Thuật Đi `â1 Khiển và Tự Động Hoá,

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

PHÁT TRIỂN BỘ ĐI ỀU KHIỂN BỀN VỮNG CẦN

BẰNG CHO HỆ THỐNG MÁY BAY KHÔNG

NGƯỜI LÁI 4 CÁNH QUAT

Người hướng dẫn : T8 Phạm Thanh Phong Sinh viên thực hiện : Ngô Đăng Hùng

Tr ân Lê Đức An Trần Thế Phong

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHAM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐI ỀU KHIỂN VÀ TỰ

ĐỘNG HÓA

ĐỀTÀI:

PHÁT TRIỂN BỘ ĐI ỀU KHIỂN BỀN VỮNG CẦN

BẰNG CHO HỆ THỐNG MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI

LAI 4 CANH QUAT

Người hướng dẫn : T8 Phạm Thanh Phong

Sinh viên thực hiện : Ngô Đăng Hùng

Trì Lê Đức An Tra Thế Phong

NHÂN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN

NHAN XET CUA NGUOT PHAN BIEN

Nội dung đ tài:

Tìm hiểu tổng quan và tính ứng dụng của hệ thống máy bay không người lái UAV trong đời sống hiện nay

Thiết kế mô hình hệ thống máy bay không người lái UAV 4 cánh quạt thực tế trong

TRUONG DAI HOC SU PHAM KY THUAT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Ngô Đăng Hùng Mã SV: 1911505510216 Trì Thế Phong Mã SV: 1911505510233

1 Tên đềtài:

Phát triển bộ đi â1 khiển b`ã vững cân bằng cho hệ thống máy bay không người lái 4

cánh quat

2 Các thông số, tài liệu ban đần

+ Các tài liệu liên quan v`ềthiết kế máy bay không người lái UAV và ứng dụng + Các tài liệu và bài báo liên quan đến kỹ thuật đi âi khiển cho UAV

+ Các công bố quốc tế có liên quan

3 Nội dung chính của đán

+ Tổng quan v êhệ thống máy bay không người lái UAV và các ph mần lập trình

đi `âi khiển

+ Giới thiệu hệ thống máy bay không người lái UAV thực tế trong đ tài

+ Xây dựng mô hình toán học cho hệ thống UAV

+ Xây dựng thuật toán đi `âi khiển b`n vững cân bằng cho hệ thống máy bay không người lái UAV

+ Kết quả mô phỏng trên Matlab và thực nghiệm trên mô hình

+ Kết luận và hướng phát triển của đ êtài

4 Các sản phẩm dự kiến:

+ Mô hình thực tế hệ thống máy bay không ngươi lái UAV

+ Thuật toán đi `âi khiển b` vững cân bằng cho hệ thống máy bay không người lái

UAV

+ Bao cdo thuyét minh d tai

5 Ngày nhận d Gan: 28/08/2023

Đà Nẵng, ngày 25 tháng 8 năm 2023

TS Phạm Thanh Phong

LOI NOI DAU

Hiện nay, cùng với sự phát triển vượt bậc của khoa học công nghệ, máy bay không

người lái (UAV) đã trở thành một công cụ quan trọng và đa dạng trong các ứng dụng v`ê quân sự, công nghiệp, và nghiên cứu khoa học Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ UAV đã mở ra một loạt tỉ ân năng ứng dụng, tử giám sát môi trường đến giao hàng hàng

hóa, và thậm chí cứu trợ trong tình hình khẩn cấp Trong một số lĩnh vực dân dụng, quân

sự hay khoa học vũ trụ con người dần thay các phương tiện bay có người lái bằng các thiết bị bay không người lái, bởi các tính năng ưu việt như có khả năng hoạt động tự động hoặc là đi `â1 khiển tử xa, có khả năng hoạt động những nơi mà con người khó tiếp can Cac thiết bị bay không người lái được cải biến để phục vụ cho những lĩnh vực khác nhau trong cuộc sống như cứu hộ, giám sát an ninh, phương tiện vận tải, gieo tr ông,

phun thuốc trừ sâu nông nghiệp thậm chí là để giải trí

Một trong những yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu suất và an toàn của UAV là hệ

thống đi â1 khiển, đặc biệt là trong việc duy trì cân bằng trong nhỉ 'âu đi `â1 kiện khác nhau

Tử các quá trình tìm hiểu nghiên cứu, và những kiến thức đã được trang bị khi còn được

ng đ trên ghế nhà trường, là sinh viên của ngành Công Nghệ Kỹ Thuật Đi `â1 Khiển và

Tự Động Hoá, nhóm chúng em đã lựa chọn và thực hiện đán với đềtài: “Phát triển

bộ đi âi khiển b`ñ vững cân bằng cho hệ thống máy bay không người lái 4 cánh

quat.” Dé tai nay tap trung vào phát triển bộ đi âI khiển bã vững cân bằng cho hệ

thống máy bay không người lãi 4 cánh quạt, mục tiêu của chúng tôi là tạo ra một hệ

thống đi â1 khiển đáng tin cậy, đảm bảo rang UAV có thể duy trì cân bằng trong môi

trường phức tạp và thay đổi Ð'ềtài này đang thúc đẩy sự phát triển của công nghệ UAV

và có thể đóng góp quan trọng vào việc tạo ra các hệ thống UAV hiệu quả và đáng tin cay hon trong tương lai

Đồán tốt nghiệp là một công cụ giúp em tổng kết lại tất cả kiến thức đã học trên

ghế nhà trường trong bốn năm qua Tuy vậy, với kinh nghiệm và kiến thức chưa nhi`âu chắc chắn không thể tránh khỏi những hạn chẽ và thiếu sót Em rât mong nhận được

nhi'âi ý kiến đóng góp của quý th3 cô trong hội đ ng để em có được những kiến thức quý báu

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến th3ÿ TS Phạm Thanh Phong đã tận tình hướng dẫn nhóm trong suốt quá trình thực hiện đ `ô án này Xin gửi những lời biết ơn

trân trọng nhất đến quý th cô Bộ môn Tự động hóa cũng như tất cả th 4y cô trong khoa Điện - Điện tử đã giảng dạy chúng em những kiến thức quý báu trong suốt những năm

qua

Em xin chân thành cảm ơn!

LỜI CAM ĐOAN Kính gửi Hội đ &ng bảo vệ đ ôán tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Đi âi khiển và

Tự động hóa Nhóm chúng em bao g êm Tr ì Thế Phong, Ngô Đăng Hùng, Tr ân Lê Đức

An mã số sinh viên lần lượt là 1911505510233, 1911505510216, 1911505510201, là sinh viên lớp 19TDH2 Chúng em xin cam đoan đ tài “Phát triển bộ đi `â1 khiển b`ãn

vững cân bằng cho hệ thống máy bay không người lái 4 cánh quạt.” được thực hiện dưới sự hướng dẫn của th TS Phạm Thanh Phong, các nội dung lý thuyết được tham khảo và đúc kết lại để giải quyêt vấn đ đặt ra Tất cả các kết quả của đ `ôán này là trùng

thực và không sao chép tử bất kỳ đ ôán hoặc công trình nghiên cứu đã có từ trước Em

xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với nội dung đ ôán này

Ngươi cam đoan {Chữ ký, họ và tên sinh viên}

Trần Thế Phong

5 _ Phương pháp thực hiện đềtài

CHƯƠNG 1.TONG QUAN V EHE THONG MAY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI UAV VÀ CÁC PHẦN M ỀM LẬP TRÌNH ĐI ỀU KHIỂN cccc+c+s<zszeces 3

1.1 Giới thiệu chung v`êmáy bay không người lái

1.1.3 Ung dụng của máy bay không người lái . -sssscsssssssxeeeseees 5

1.1.3.2 Trong công tác cứu hộ cứu nạn

I.1.3.5 Trong dân dụng và thương mại

IIEXdioiao.occn.ẽe 8

1.1.4.1 Máy bay cánh cố định (Fixed Wing UAV)

1.1.4.3 Fixed-Wing Hybrid VTOL UAV (May bay lai canh cf dinh) 11 1.1.5, Uu diém va nhwore diém ctia cdc loai UAV veeceeceeeseeecessnsceecesnseeseeesntnees 12

1.2 Giới thiệu chung v `ềtrạm đi â¡ khiển mặt đất (GCS) .- s55: 14

N9 0 14

1.2.2 Các loại hình trạm đi `âi khiển mặt đất -. - ca 15 1.2.2.1 Trạm đi âi khiển mặt đất c âm tay ch kh 16 1.2.2.2 Trạm đi`âi khiển mặt đất cố định - << << ca 16 1.2.2.3 Tram đi `âi khiển mặt đất di động Sex 17 1.2.3 Phần mền đi`âi khiển trạm mặt đấtt 5555 S2 2S + ssskrseerserrserrs 19 1.2.3.1, Mission Plannerr - - - Hs H* TH TK kg kh 19 1.2.3.2 UgCS - Universal Ground Control Station -‹ -~ ~+ 19

88c 000098 20

1.2.4 Tong quan v €ph ân m`ềần Matlab - Simulink .- «- 21

ID 8N 4 8 21

1.2.4.2 Ứng 81001 11 22

1.2.5 Các phương pháp kết nối và đi 'âi khiển cho máy bay không người lái 23

I.3 Ð`êxuất phương án thiết KếY + S1 ni KH 24 CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI UAV THỰC TẾ TRONG ĐỀTÀI ch HH HH 25 2.1 Tổng quan v`êmô hình hệ thống máy bay không ngươi lái UAV 25

2.1.1 Sơ đ khối tổng quát của mô hình hệ thống - s=5+=>+ 26 2.2 Lựa chọn các thiết bị linh kiện được sử dụng trong mô hình hệ thống 26

2.2.1 Tính toán các thông số ph động lực cho ph cứng UAV 1ŠÌ, 26

2.2.3 Lựa chọn khối đi`âi khiển trung tâm Sex 28

2.2.3.2 Các thông số kỹ thuật Íf5Ì 27-5 + + 3£ +32 E2 xe ren 30

2.2.3.3 Các cảm biến sử dụng trong bộ đi`âi khiển bay .<<<cc 32

vii

2.2.4.3 Lựa chọn Driver cho động CŒY nh rrg 40

PIN N9 c na 47

7.9.8.2, COL BUZZON oo 48

2.3 Các thành phn trong mô hình hệ thống máy bay không người lái UAV .49

2.4 Sơ đ ôđấu nối giữa các thiết bị trong mô hình hệ thống - - 50

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA HỆ THỐNG UAV 51 KRRC si n4 sess eseeeseesseeeeseesseesseeessensserssenseeneees 51 3.2 Tổng quan v`ềcác trạng thái của UAY nh KH ke chư cư 51 3.3 Phương trình động lực học của UAV, ng kh nh ng xxz 52 3.4 Tuyến tính hóa phương trình động lực học - - << Si kkree 55 3.5 Phát triển, xây dựng hàm truy 3n tử tín hiệu PWM Ặ Sài 56 CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG CÂN BẰNG CHO HỆ THỐNG MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI UAV 59

4.1 Giới thiệu bộ đi `âi khiển PÏTID - SH HT BH Hot Krh 59 4.1.1, Cau triic cha b6 di@i khién PID 0.0 59

4.2 Thiết kế Bộ đi âi khiển b ` vững PID cho các trạng thái hệ thống UAV G0 UUAN No co n 60

4.2.2 Phương pháp thiết kế bộ đi lât khiển PID << S11 Sexy 60 4.2.2.1 Các bước thực hiện việc thiết kế bộ đi `âi khiển PID 61

L } Ác ôn ảớớẢẶ‹Ặụaadadd 63

4.3 Xây dựng Bộ đi âi khiển trạng thái trên Matlab/Simulink - 64

4.3.1 Xây dựng Bộ đi âu khiển trạng thái Roll, Pitch, Yaw 64 4.3.2 Xây dựng khối đi `âi khiển tốc độ động cơ -cccccSSSSSsssssseerserrs 65

4.3.3.2 Khối đi`âi khiển trạng thái cho Bộ đi `âi khiển VỊ trí và Độ cao 67

CHUONG 5 KET QUA THU'C NGHIEM TREN MO HINH HE THONG 69

5.1.2 Kich ban thurc nghiém 702 70

5.1.5.1 Dạng sóng các động cơ theo giá trị đặt của kịch bản thực nghiệm 4

5.1.5.2 Sai số tốc độ quay của các động cơ ở kịch bản thực nghiệm 4 73 5.1.6 Kich ban thurc nghiém nan 73 5.1.6.1 Dang séng cdc déng cơ theo giá trị đặt của kịch bản thực nghiệm 5

5.1.6.2 Sai số tốc độ quay của các động cơ ở kịch bản thực nghiệm 5 74

5.1.7.1 Dang sóng các động cơ theo giá trị đặt của kịch bản thực nghiệm 6

5.1.7.2 Sai số tốc độ quay của các động cơ ở kịch bản thực nghiệm 6 76

5.3.2.2 Kết quả bay thực tế của mô hình hệ thống UAV 83

KẾT LUẬN TỆE HT 1.211 TT 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO - SG Ă 22 111361 13 53561 56 E31 11k HH kg csrc 87

Bang 1 3 Bang tham chiếu các phương pháp sử dụng các phần m`ần kết nối và đi i

Bảng 2 I Bảng thơng số kỹ thuật Bộ khung Quadcopter S520 [Ï#Ï, ss<s<+ 28

Bảng 2 2 Bảng thơng số kỹ thuật các đặc điểm chính của Bộ đi ân khiển 30

Bang 2 4 Bảng thơng số kỹ thuật của Cổng kết nối (Connectivity) 30 Bảng 2 5 Bảng thơng số kỹ thuật của Hệ thống ngu 3n và điện áp 31 Bang 2 7 Bảng so sánh ưu điểm và nhược điểm của hai loại động cơ chổi than và khơng

Bang 2 8 Bảng thơng số kỹ thuật của Động cơ khơng chổi than Sunnysky X2216-

09901015578 37 Bảng 2 9 Bảng thơng số kỹ thuật của Cánh quạt 10x4.5 MR Í1#Ï, «<<<<2 40 Bảng 2 10 Bảng thơng số kỹ thuật của ESC Hobbywing SkyWalker-40A Í1“1 41

Bang 2 LI Bảng thơng số kỹ thuật của Pin GNB 3S 5500mAh 50C 11.1V LiPo Battery

.ei 00 42 Bảng 2 12 Bảng thơng số kỹ thuật của Module Power 5.3V BEC with XT60 Plug °1, aaÕẦẮẮẮẮẮ 43

Bảng 2 13 Bang thơng số kỹ thuật của Mạch phân phối ngu n Mini Power Hub (PDB)

E12 G2) /(-0/-ã2e==0 822.0720110 44 Bảng 2 14 Bảng thơng số kỹ thuật của Mơ-đun NEO-M8N Í?ïÌ, cscs+<s<<s2 45 Bảng 2 15 Bảng thơng số kỹ thuật của 3DR Radio Telemetry 433MHz 1000mW "41, aaÕẦẮẮẮẮẮ 47

Bảng 2 16 Bảng thơng số kỹ thuật của Safety Button Flight Controller Switch Ê#l 48

Bảng 2 17 Bảng thơng số kỹ thuật của Cịi thạch anh Piezo Buzzer Alarm 4, 49

Bang 2 I8 Bảng các thành phần của mơ hình hệ thống Máy bay khơng người lái 4 cảnh

xi

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Một số hệ thống máy bay khơng người lái MultiCopter UAV hiện nay 1, 3

Hình 1 2 Câu tạo của hệ thống UAV cánh quay và hệ thống UAV cánh cố định Ï8Ì 5

Hình 1 3 Ứng dụng các hệ thống UAV trong lĩnh vực quân sự định nước nhà ÏI 6

Hình 1 4 Ứng dụng của các hệ thống UAV trong cứu hộ PCCC ÏÌ, s<<<<+ 6 Hình 1 5 Ứng dung UAV trong cơng tác cứu hộ cứu nạn trên Biển và Y tế l8l 7

Hình 1 6 Ứng dụng của UAV trong các mơ hình nơng nghiệp canh tác l8I 7

Hình 1 7 Ứng dụng của hệ thống UAV trong điện ảnh, truy`&n hình và giải tr ll, .8

Hình 1 8 Ứng dụng của hệ thống UAV trong lĩnh vực dân dụng, thương mại l8I 8

Hình 1 9 Ứng dụng của hệ thống UAV trong các lĩnh vực đo dac ban d Sdia ly 1 9

Hình 1 10 Một số hệ thống UAV cánh cố định Fixed Wing UAV ÍÌ, 9

Hình 1 11 Một số hệ thống máy bay khơng người lái cánh quay MultiCopter l6Ì 10

Hình 1 12 Một số dạng hệ thống máy bay khơng người lái Fixed-Wing Hybrid VTOL UAV 12

Hình 1 13 Trạm đi êi khiển mat dat cha Khong quan Hoa Ky va NASC M9, 15 Hình 1 14 Các loại hình hệ thống trạm đi âi khiển mặt đất (GCS) (a.laptop, b GG©S di h5 4€ 00.01.) 001117 ~ ,ƠỎ 16 Hình 1 15 Loại hình trạm đi `âi khiển mặt đất (GCS) cm tay ͆0Ì, s <-s=ces+ 16 Hình 1 16 Các hệ thống trạm đi `âi khiển mặt đất (GCS) cố định [0l - 17

Hình 1 17 Các hệ thống trạm đi âi khiển mặt đất (GCS) di động [19Ì - 17

Hình 1 18 Các hệ thống trạm đi`âi khiển thiết lập kế hoạch sứ mệnh chuyến bay trên 086 8›¡0 0: 00 18

Hình 1 19 Logo và giao diện ph m`ần Mission Planner [Ự, -sss+ss+sss+sss+ 19 Hình 1 20 Logo và giao diện phần m`ần UgCS [TÏ, S5 + x+x k*sEEsEekeserssrsesersers 20 Hình 1 21 Logo và giao diện ph m`ần QgroundControl [TỰ, s55 ss++ss+ssxzs 20 Hình 1 22 Matlab và Simulinik Íf?Ì, - -s + ++< + +++s *£ss+zE.+z.E se ezxeszeeerserseeersre 22 Hình 1 23 Ứng dụng của phần m`ền Matlab trong thực tiễn ÍŸ?l, -.scccscseessed 23 Hình 2 1 Tổng quan v`êmơ hình hệ thống máy bay khơng người lái 4 cánh quạt của dé TAL 3111 25

Hình 2 2 Sơ đ`ơkhối tổng quát của mơ hình hệ thống máy bay khơng người lái 4 cánh 80) 1819i158:0 18 26

Hình 2 3 Bản vẽ và các thơng số kích thước của Bộ khung Quadcopter S520 [1Ì 28

Hình 2 4 Mạch đi `âi khiển chuyến bay tự động Pixhawk 2.4.8 ÙŠÌ, «- 29

Hình 2 6 Hệ thống các cổng kết nối trên mạch bo đi âi khiển chuyến bay tự động

B402 100 31

Hình 2 7 Cảm biến gia tốc kế (Accelerometer) [ÍÊÏ, s +ss+++ss£xsexsseesseerseezzeerzee 32 Hình 2 8 Cấu tạo của cảm biến gia tốc kế (Accelerometer) L†8ÌÏ, - «+ cesc<<ss+<ss2 32 Hình 2 9 Cảm biến con quay h` chuyển (Gyrometer) [Í”Ì, se essrree 33 Hình 2 10 Cấu tạo của cảm biến con quay h` chuyển (Gyrometer) Í!ÊÏ, 33

Hình 2 11 Cảm biến áp suất, độ cao (Barometer) LTŸÌ, ++s+++s+zseesereexzsezzerxxe 34

Hình 2 13 Động cơ chổi than (Brushed DC Motors) lÊ?ÏÌ, - +5 <+<ss+<zseczseeezscs 35

Hình 2 15 Động cơ không chổi than Sunnysky X2216-1400KV Íl#ÌÏ, << <+s 37 Hình 2 16 Nguyên lý hoạt động của động cơ không người lái 4 cánh quạt 23l, 38 Hình 2 17 Nguyên lý bay của Quadcopter dựa trên hoạt động của propellers l“*1 39 Hinh 2 18 Cémh quat 10x4.5 MR 4) oo 39 Hình 2 19 Bộ đi âi tốc ESC Hobbywing SkyWalker-40A [Í#Ï, à cv seexre 40

Hình 2 22 Mạch chia ngu tn Mini Power Hub Matek Systems BEC 5V & 12V !“8, 43

Hinh 2 24 3DR Radio Telemetry 433MHZ 1000MW (78), ooo cesccsecsseseeecssesseeeeees 46

Hinh 2 25 Pixhawk PX4 Autopilot Safety Button Flight Controller Switch °I 47 Hình 2 26 Kết nối Pixhawk 2.4.8 voi Safety Button Flight Controller Switch !5l 48 Hình 2 27 Còi thạch anh Piezo Buzzer Alarm ÍÖÖÌ, - + s sc+ xxx eeszsreeerzere 49

Hình 2 28 Các thành phẦn trong mô hình hệ thống máy bay không người lái 4 cánh

Hình 2 29 Sơ đ ôđấu nối giữa các thiết bị trong mô hình hệ thống máy bay không người

Hình 3 1 Các bước để thực hiện tuyến tính hóa phương trình động lực học của UAV 019i: 8p: Tố 51 Hình 3 2 Các hệ trục tọa độ trang thái chuyển động của Quadcopter J8†Ì - 51 Hình 4 1 Hệ thống đi âi khiển vòng kín sử dụng thuật toán PID 7), oo eee 59 Hình 4 2 B6 di: khién trang thai Roll, Pitch, Yaw :::ssssssssssssssssecsssesseeeeseeeeees 64 Hình 4 3 Khối subsystem bộ đi âi khiển trạng thái Roll, Pitch, Yaw 65 Hình 4 4 Khối tín hiệu động cơ của Bộ đi âi khiển trạng thái Roll, Pitch, Yaw 65 Hình 4 5 Khối subsystem khối tín hiệu động cơ của Bộ đi ầi khiển trạng thai Roll,

xiii

Hình 4 6 Bộ đi ân khiển vị trí và đỘ caO - Q.0 gà 66

Hình 4 9 Khối subsystem và bộ đi`âi khiển trạng thái Bộ đi `âi khiển vị trí và độ cao Hình 4 10 Khối subsystem và khối tín hiệu động cơ Bộ đi âi khiển vị trí và độ cao 68 Hình 5 1 Bộ đi 'âi khiển trạng thái của hệ thống UAV trên Matlab/Simulink 69

Hình 5 5 Kết quả dạng sóng tốc độ động cơ của kịch bản thực nghiệm 4 72 Hình 5 6 Kết quả dạng sóng sai số tốc độ quay động cơ của kịch bản thực nghiệm 4 Hình 5 7 Kết quả dạng sóng tốc độ động cơ của kịch bản thực nghiệm 5 74 Hình 5 8 Kết quả dạng sóng sai số tốc độ quay động cơ của kịch bản thực nghiệm 5 Hình 5 9 Kết quả dạng sóng tốc độ động cơ của kịch bản thực nghiệm 6 “5 Hình 5 10 Kết quả dạng sóng sai số tốc độ quay động cơ kịch bản thực nghiệm 6 Z6 Hình 5 11 Bộ đi'âi khiển VỊ trí và Độ cao của hệ thống UAV trên Matlab/Simulink

Hình 5 17 Kết quả trên giao diện giám sat ph m`ân Mission Planner 83 Hình 5 18 Kết quả bay thực tế của mô hình hệ thống UAV cà 83

KÝ HIỆU:

Thuộc Tổng

CHU VIET TAT:

tắt

ESC Electronic Speed Control

GPS Global Positioning System

PID Proportional Integral Derivative

Vertical / Shorttake-Off And

Transmitter

hSSI Received Signal Strength Indicat

DANH SACH CAC KY HIEU, CHU VIET TAT

XV

Diễn giải ký hiệu Thuộc, là phần tử của

Tổng của l dãy số Tích của | day sv

Y nghia Máy bay không người lái Trạm đi `âi khiển mặt đất

Bộ đi `âi khiển tốc độ điện tử

Hệ thống định vị toàn c ân

Đi âi chế độ rộng xung Đạo hàm - Tích phân - Tỉ lệ

Hạ cất cánh thẳng đứng Tay ga và c3n đi i khiển Máy tính cá nhân

Thiết bị lái tự động IMU chất

lượng chuyên nghiệp

bán song song giữa hai thiết bị Phần cứng

Hệ thống mạng đi â¡ khiển cục

bộ

Chế độ bảo mật chuyên dụng

nối các thiết bị khác nhau trong một hệ thống máy tính Đơn vị để đo mật độ đối với thể tích, khối lượng cực kỳ thấp Chỉ báo cương độ tín hiệu nhận

được

Inter-Integrated Circuit Một loại bus nổi tiếp hai chỉ âu

với hai dây tín hiệu

hiệu số

Tiêu chuẩn xác định cách các

giá trị cụ thể của các kiểu được thể hiện trong bộ nhớ máy tính Remote Transmit Switch

Serial Clock Line

Serial Data Line

Brushless Direct Current

Đường xung nhịp nối tiếp Đường truy ân nhận dữ liệu Động cơ không chổi than

Là một tín hiệu nhị phân được

tạo ra dưới sự hỗ trợ của việc bật hoặc tắt điện trở (transistor)

Ph3Ần mm trạm đi ni khiển mặt

Transistor-Transistor-Logic

Với môi trưởng Đi`â1 này quan trọng trong bối cảnh tăng cương ý thức v` bảo vệ môi

trưởng và giảm tác động khí hậu

Phát triển bộ đi ầi khiển b`n vững cân bằng cho hệ thống máy bay không người lái

4 cánh quạt có giá thành thấp, phù hợp để áp dụng rộng rãi

2 Mục tiêu détai

Ứng dụng các kiến thức đã được học, qua quá trình tìm hiểu các bài báo nghiên cứu trong nước và quốc tế và kinh nghiệm tích lũy được Mục tiêu của đ`Êtài mà nhóm muốn hướng tới là:

Thiết kế mô hình hệ thống máy bay không người lái 4 cánh quạt

Xây dựng mồ hình toán học cho hệ thống máy bay không người lái 4 cánh quạt

Xây dựng thuật toán đi âi khiển b`ầ vững cân bằng cho hệ thống máy bay không người lái 4 cánh quạt

Kết quả mồ phỏng và thực nghiệm chứng minh tính hiệu quả của phương pháp đ`ê xuất

3 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu

Các hệ thống máy bay không người lái UAV 4 cánh quạt

Mô hình toán học cho hệ thống máy bay không người lái UAV 4 cánh quạt

Thuật toán đi âi khiển b`a vững cân bằng cho hệ thống máy bay không người lái 4 cánh quạt

4 Phương pháp nghiên cứu

Tìm hiểu tài liệu và các công trình nghiên cứu trước đó, kết hợp với các kiến thức đã học để xây dựng mô hình thực nghiệm

Với những yêu eâi đặt ra ở trên, nhóm đã xem xét và đưa ra hướng giải quyết như

sau:

Trw Lé Ditc An

- Lara chon cdc thiết bị của phần cứng cho máy bay: sử dụng phần khung S520 Quadcopter Multicopter Frame Kit, 4 mạch đi 'âi tốc ESC cho động cơ không chổi than, 4 động cơ không chổi than để phục vụ cho việc di chuyển UAV, bộ định vị GPS xác định tọa độ, module SiK Telemetry Radio, mạch chia ngu %n, pin Lipo ngu Sn, còi báo

-_ Xây dựng mồ hình toán hoc cho hệ thống máy bay không người lái trên Matlab

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI UAV VÀ CÁC PHẦN MỀM LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN

Giới thiệu chung v`êmáy bay không người lái

Giới thiệu chung

Máy bay không người lái (Unmanned Aerial Vehicle), hay còn được gọi là UAV, đang trở thành một công nghệ ngày càng phổ biến và đa dạng trong thời đại hiện nay Đây là thuật ngữ chỉ những loại máy bay không có phi công, như một robot có thể đi `âi khiển tử xa bởi hệ thống phức tạp Máy bay này sẽ đi theo các tuyến đường bay được lập trình sẵn, hoặc đi `âi khiển bởi phi công tại trạm đi âi khiển trên mặt đất dựa trên cảm biến và GPS để giám sát và đi âi chỉnh hoạt động

Hình 1 1 Một số hệ thống máy bay không người lái MultiCopter UAV hiện nay l8,

Thuật ngữ UAV thường được liên kết với các hoạt động quân sự và phòng không, với nhi `âi thiết kế và kích thước khác nhau tùy thuộc vào mục đích sử dụng Ngày nay, máy bay không người lái UAV còn mang tính ứng dụng cao trong các lĩnh vực khác như nông nghiệp, công nghiệp, giao hàng hoặc trong công tác tìm kiếm cứu hộ, giám sát giao thông, thời tiết, ghi hình, Các UAV được thiết kế đa dạng để phù hợp với nhỉ âi mục

đích sử dụng khác nhau

Trong suốt thế kỷ XX, phương tiện không người lái chỉ phục vụ cho các nhiệm vụ trong quân đội Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ, ngươi ta kích hoạt thêm nhi Gi tinh năng mới cho UAV Do đó, khi bước sang thế kỷ XXI, phương tiện không người lái được ứng dụng trong nhỉ âi lĩnh vực khác nhau Giai đoạn này cũng xuất hiện phương tiện bay kiểu mới được gọi là Drone Chúng được thiết kế rất đa dạng, có kích thước và công suất động cơ tử nhỏ đến trung bình

Trần Lê Đức An

Cấu tạo máy bay không ngươi lái

Cấu tạo và cơ chế hoạt động của một UAV có thể khác nhau tùy thuộc vào loại UAV

cụ thể và mục đích sử dụng Dưới đây là một mô tả tổng quan v cấu tạo và cơ chế hoạt động chung của các UAV hiện đại:

Khung và cấu trúc: UAV thưởng có một khung bên ngoài bằng nhựa cứng hoặc hợp kim nhẹ, với một số phiên bản sử dụng các vật liệu như carbon fiber để tăng tính cứng

và giảm trọng lượng Khung UAV có thể có một hoặc nhí `âi cánh quạt (propeller) để tạo lực nâng và di chuyển

Động cơ: UAV sử dụng các động cơ điện hoặc động cơ đốt trong để tạo ra sức mạnh

và động cơ này được kết nối với cánh quạt để tạo ra lực nâng Đa số UAV tiêu dùng sử dụng động cơ điện để đạt hiệu suất cao và khả năng kiểm soát tốt

Pin hoặc ngu n năng lượng: UAV thưởng sử dụng pin lithium-ion hoặc các ngu năng lượng khác như pin lipo để cung cấp điện cho động cơ và các hệ thống đi `âi khiển điện tử khác Thời lượng bay của một UAV phụ thuộc vào dung lượng và hiệu suất của pin

Hệ thống đi`âi khiển: UAV được đi `âi khiển từ xa thông qua một bộ đi âi khiển từ

xa hoặc có thể tự động hoạt động thông qua hệ thống tự động đi 'âi khiển Bộ đi `âi khiển

từ xa cho phép ngươi đi âi khiển đi`âi chỉnh các thông số như tốc độ, hướng đi, độ cao

và thực hiện các chức năng khác của UAV

Cảm biến và hệ thống đi âi hướng: UAV thường được trang bị các cảm biến như cảm biến gia tốc, cảm biến áp suất, con quay hổ chuyển (gyroscope), và cảm biến khoảng cách để đo và giữ được vị trí và độ cao trong không gian Các cảm biến này giúp UAV duy trì sự ổn định, giữ cân bằng và thực hiện các chức năng như định vị GPS và tránh vật cần

Hệ thống đi âi khiển bay: UAV sử dụng hệ thống đi`ât khiển bay để đi 'âi chỉnh độ nghiêng và quay của UAV thông qua thay đổi tốc độ quay của các cánh quạt Hệ thống này cho phép UAV di chuyển theo các hướng khác nhau và thực hiện các động tác bay phức tạp

Hệ thống camera và sensor: Một số drone được trang bị máy ảnh hoặc camera để chụp ảnh và ghi video tử không gian Các UAV công nghiệp có thể được trang bị các sensor và công nghệ đặc biệt như h ông ngoại, lidar hoặc đ ng h ôGPS để thực hiện các nhiệm vụ như giám sát mồi trưởng, khảo sát địa hình, hay ghi lại dữ liệu chỉ tiết

Hình 1 2 Cấu tạo của hệ thống UAV cánh quay và hệ thống UAV cánh cố định l6,

Ứng dụng của máy bay không người lái

Máy bay không người lái (UAV hay Drone) ngày càng được sử dụng nhi i trong đời sống, kinh tế, chính trị và quân sự bởi những lợi ích mà nó mang lại Người ta có thể dễ dàng bắt gặp Máy bay không người lái ở h`ầi hết các lĩnh vực của đời sống Sau đây là những ứng dụng của máy bay không người lái trong đời sống hiện nay

Trong lĩnh vực quân sự

Sự ra đời của các thiết bị bay không ngươi lái cũng được đánh giá là cuộc cách mạng trong lĩnh vực thu thập số liệu, khảo sát, giám sát và theo dõi các đối tượng trên thực địa Trong lĩnh vực quân sự, UAV phổ biến nhất khi được đi `âi khiển để sử dụng trong công tác do thám, tình báo, theo dõi thông tin chiến thuật trên chiến, thực hiện nhiệm vụ

căn cứ hoặc đóng vai trò là bia ngắm bắn cho hệ thống vũ khí trên mặt đất hoặc trên không Bên cạnh đó, hỗ trợ các nhà quản lý rừng, bộ đội biên phòng, giám sát khu vực rừng rộng lớn và biên giới và còn đảm nhiệm vai trò thí nghiệm cho các công nghệ UAV mới

Tần quan trọng của UAV trong lĩnh vực quân sự không thể phủ nhận do nó mang lại nhí ât lợi ích và ảnh hưởng đối với khả năng chiến đấu và an ninh của quốc gia UAV không chỉ cung cấp thông tin và khả năng tác động chiến lược, mà còn giúp tăng cường sức mạnh chiến đấu và an ninh của một quốc gia trong môi trường chiến tranh hiện đại

Sự phát triển và sử dụng hiệu quả cia UAV là một yếu tố quan trọng trong chiến lược quốc phòng của nhi `âi quốc gia trên thế giới

Trần Lê Đức An

Hình 1 3 Ứng dụng các hệ thống UAV trong lĩnh vực quân sự định nước nhà Ï5I,

Trong công tác cứu hộ cứu nạn

Nhờ những công dụng tuyệt vời của mình, việc ứng dụng UAV vào hỗ trợ tìm kiếm, cứu hộ cứu nạn khi xảy ra thiên tai là đi `âi vô cùng cẦn thiết và mang lại hiệu quả cao Thông thường việc cứu hộ cứu nạn phải sử dụng đến máy bay trực thăng vì đi`âi kiện địa hình khó khăn, nhưng chính như vậy lại rất tốn kém và phức tạp Sử dụng thiết bị

của máy bay đi âi khiển UAV này khiến cho nhóm tìm kiếm đến được nạn nhân nhanh hơn và tăng cao cơ hội sống sót cho người đó

Hình 1 4 Ứng dụng của các hệ thống UAV trong cứu hộ PCCC lôI,

Bên cạnh đó, drone còn hỗ trợ vận chuyển hàng hoá, thuốc men và đ ôcứu trợ Ở bất

kì đâu cũng vậy, thiên tai luôn là mối hiểm hoạ không thể lưỡng trước được, và đôi khi địa hình khó khăn khiến đội cứu hộ không thể tiếp cận được với những người đang gặp nguy hiểm và thiếu thốn v`êlương thực, đi `âi kiện trang thiết bị y tế Đã có rất nhi ôi trận động đất, lũ lụt khiến cho một khu vực bị cô lập hoặc những vụ sập mỏ người ngoài không thể chui vào bên trong để đưa đ ôtiếp tế được Vậy nên hiện tại, sử dụng thiết bị drone sẽ khiến cho việc hỗ trợ hiệu quả hơn và an toàn hơn cho đội cứu hộ

Hình 1 5 Ứng dụng UAV trong công tác cứu hộ cứu nạn trên Biển và Y tế lồỊ,

Việc tìm kiếm người mất tích sẽ trở nên dễ dàng hơn, nhanh hơn và ít tốn chi phí hơn nhờ máy bay không người lái chuyên dụng Đi `âi này có được nhờ kích thước nhỏ gọn khả năng bay linh hoạt hơn trực thăng cứu hộ, chỉ phí vận hành rất rẻ Máy bay không người lái có thể dùng để dựng bản đ ôhiện trạng giúp đánh giá hậu quả thiên tai và đưa

ra phương án khấc phục kịp thời

Trong nông nghiệp, canh tác

Máy bay không người lái trong n` công nghiệp hiện đại còn được sử dụng để hỗ trợ con người trong các hoạt động canh tác như: gieo hạt giống, bón phân, phun thuốc trử sâu, theo dõi tình trạng sức khỏe cây tr ng, giám sát các trang trại rộng lớn Việc sử dụng máy bay không người lái trong nông nghiệp giúp quan sát rõ rằng việc quản lý nên thường được gọi là canh tác chính xác do mức độ chính xác rất cao tử thông tin nó mang lại UAV hỗ trợ rải phân bón, phun thuốc trừ sâu hiệu quả hơn nhờ khả năng bay cao,

xa và được trang bị hệ thống phun đ`â, phun diện rộng giúp tăng hiệu quả, năng suất và vửa tiết kiệm được thời gian, công sức chăm sóc Ð ng thời, giúp quan sát ruộng đ Ống bao quát bằng máy chụp ảnh kỹ thuật số, thu thập thông tin hình ảnh một cách đa dạng Người nông dân có thể quan sát tổng quan lựa chọn cách chăm sóc hợp lý đ ng thời quảng bá hình ảnh khi ứng dụng công nghệ kỹ thuật cao vào gieo tr ông

Hình 1 6 Ứng dụng của UAV trong các mô hình nông nghiệp canh tác lŠÌ,

Trần Lê Đức An

Trong lĩnh vực điện ảnh — truy`ãn hình, giải trí

Có thể thấy, hiện nay các thiết bị UAV, Drone và Flycam được sử dụng rất nhi âi để phục vụ cho báo chí và làm phim Chúng có thể hỗ trợ truy ân tải hình ảnh trực tiếp từ nhi âi khu vực, ghi hình những cảnh quay khó trên không cân góc nhìn bao quát Ngoài

ra, UAV còn được sử dụng để phục vụ mục đích giải trí đối với những người đam mê chỉnh phục b3 trời bằng các loại máy bay đi`âi khiển từ xa để thỏa mãn thú vui và đưa đến cảm giác trải nghiệm thực trên không

Hình 1 7 Ứng dụng của hệ thống UAV trong điện ảnh, truy`&n hình và giải trí IÊI,

Trong dân dụng và thương mại

Dù UAV thưởng được sử dụng đa số trong mục đích quân sự hay trong các lĩnh vực công nghiệp, giải trí nhưng việc sử dụng phương tiện này cho mục đích thương mại đã tăng lên đáng kể trong những năm g3 đây Trong những năm qua, ý tưởng giao hàng bằng các mô hình UAV đã và đang được đi tư mạnh bởi những gã khổng l công nghệ với mong muốn biến đi`âi đó thành hiện thực, ngày càng có nhi âi công ty thương mại điện tử và hậu cn tiếp cận UAV để giao hàng hiệu quả hơn (như Amazon hay Pizza Inn

đã ứng dụng)

Hình 1 8 Ứng dụng của hệ thống UAV trong lĩnh vực dan dung, thong mai [4,

Trong đo đạc bản đ ồ

Với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ, lĩnh vực đo đạc và bản đ `ồ

đã có những thay đổi đáng kể trong công tác khảo sát, đo đạc thành lập ban d 6voi d6

chính xác cao Công nghệ bay chụp bằng thiết bị bay không người lái có ưu điểm vượt trội là thu thập dữ liệu nhanh, độ phân giải không gian cao, giúp việc khảo sát, lập bản

đ `ô6địa hình trở nên dễ dàng hơn, thậm chí ngay cả đối với những vùng địa hình núi cao, hiểm trở, khó tiếp cận Với địa hình dạng tuyến hẹp, kéo dài hàng chục đến hàng trăm

km, việc sử dụng công nghệ bay chụp bằng UAV sẽ đảm bảo được tiến độ và độ chính xác cn thiết; tiết kiệm thời gian và giải phóng sức lao động rất nhi `

Hình 1 9 Ứng dụng của hệ thống UAV trong các lĩnh vực đo đạc bản đ địa lý I8I,

Phân loại máy bay không ngươi lái

Phân loại theo nguyên lý hoạt động, UAV có thể được phân thành 2 loại chính theo cấu tạo là máy bay cánh cố định (cánh bằng) (Fixed Wing UAV) và máy bay cánh quay lên thẳng nhi Gi déng co’ xoay (Rotary Wing UAV)

Máy bay canh co dinh (Fixed Wing UAV)

UAV cánh bằng hay còn được gọi với một tên khác là UAV cánh cố định là dòng máy bay không người có mô hình khá giống với máy bay thật, tuy nhiên nó hoạt động

hoặc tự động thông qua máy tính tại trung tâm đi`âi khiển

Hình 1 10 Một số hệ thống UAV cánh c& dinh Fixed Wing UAV "1,

Máy bay không người lái cánh bằng sử dụng lực khí động học được gọi là lực nâng

và không c3 cung cấp năng lượng liên tục để quay các cánh như UAV cánh quay Một trong những ngành công nghiệp mà UAV cánh bằng có nhỉ `âi “ưu ái” nhất chính là phục

vụ trong lực lượng vũ trang Với khả năng đi vào vùng trời nguy hiểm mà không phải

Trần Lê Đức An

mạo hiểm tính mạng của phi công, giám sát mục tiêu nhanh chóng và thu thập thông tin tình báo Khi công nghệ máy bay không người lái ngày một phát triển thì UAV cánh bằng phục vụ quân sự đang trở nên “cấp thiết” không thua gì với các trang bị vũ khí như

súng, tên lửa và bom

UAV cánh bằng thường có tốc độ bay nhanh và có thời gian bay lâu hơn so với UAV

có nhỉ ầi cánh quạt, chúng thưởng phải sử dụng đường băng để lấy đà hoặc bệ phóng để cất cánh Ngoài ra, kích thước của những UAV cánh bằng thường to hơn so với UAV cánh quạt

HƯU điểm:

Ưu điểm chính của UAV cánh cố định là nó có một cấu trúc đơn giản hơn so với loại cánh quay, do đó quy trình bảo trì và sửa chữa đơn giản hơn Quan trọng hơn là với cấu trúc đơn giản sẽ đảm bảo tính khí động học hiệu quả hơn dẫn đến thời gian chuyến bay dài hơn ở tốc độ cao, do đó cho phép chúng hoạt động ở các khu vực khảo sát lớn hơn

trên mỗi chuyến bay nhất định

Máy bay cánh cố định cũng có thể mang trọng tải lớn hơn, khoảng cách bay xa hơn

và tốn ít điện năng cho phép nó mang theo các cảm biến và máy ảnh lớn hơn, tốt hơn do

đó độ chính xác, góc chụp ảnh rộng, cũng như chất lượng ảnh tốt hơn

Nhược điểm:

Nhược điểm của máy bay cánh cố định ngoài giá thành của thiết bị cao còn là sự c3 thiết phải bố trí được đường băng hay bệ phóng cho việc cất và hạ cánh

May bay canh quay (Rotary Wing UAV)

UVA cánh quay dễ nhận biết với 4 cánh quạt quay xen kẽ tạo lực để nâng chúng lên khỏi mặt đất theo phương thang đứng Khi bay trên không, hướng của các cánh sau có thể được đi `âi khiển để thay đổi hướng bay của UAV

Hình 1 11 Một số hệ thống máy bay không người lái cánh quay MultiCopter l6,

UAV canh quay bao g Gm [ hoặc nhi ti cánh quạt xoay quanh một trục cố định UAV cánh quay có tối thiểu l cánh quạt (trực thăng), các UAV cánh quay có nhi âi cánh quạt thường được gọi là Multirotor hay Multieoptor với số cánh quạt theo nhí 'âi loại: 3 cánh quạt (tricopter), 4 cánh quạt (quadcopter), 6 cánh quạt (hexacopter), 8 cánh quạt (octocopter) cũng như các thiết kế khác thưởng hơn như 12 va 16 cánh quạt Sự linh hoạt của UAV cánh quay phục vụ cho các mục đích chụp ảnh, giãm sát và giao hàng trên không, một trong những lợi ích nữa của UAV là chúng ít ảnh hưởng đến môi trưởng Nguyên lý bay của máy bay cánh quay là sự phối hợp của các cánh quạt quay tạo ra lực nâng nâng máy bay lên thẳng đứng hoặc di chuyển theo hướng bất kỳ, đ ông thời có khả năng triển khai bay ở độ cao thấp, rất thấp trên mặt đất

HƯU điểm:

Lợi thế lớn nhất của UAV cánh quay là khả năng cất cánh, hạ cánh theo chỉ âi thẳng đứng và rất cơ động trong quá trình bay Đi`âi này cho phép người dùng hoạt động ở những địa hình chật hẹp mà không cẩn phải bố trí đường băng cất cánh, hạ cánh như loại cánh bằng, cũng như có thể thay đổi độ cao và chuyển hướng bay một cách dễ dàng Khả năng bay tại chỗ và khả năng bay cơ động làm cho UAV cánh quay rất phù hợp với công tác bay chụp ở địa hình phức tạp và có diện tích nhỏ

Fixed-Wing Hybrid VTOL UAV (May bay lai cánh cố định)

Fixed-Wing Hybrid VTOL UAV: Là dạng máy bay không người lái lai cánh cố định cất và hạ cánh thang đứng, chúng là UAV lai giữa UAV cánh quạt va UAV cánh bằng Các máy bay không người lái lai cánh cố định VTOL lai kết hợp các lợi ích cha nf tảng đa cánh quạt với máy bay không người lái cánh cố định và chuyển đổi giữa hai chế

Trần Lê Đức An

độ trong suốt chuyến bay Máy bay không người lái lai cánh cố định VTOL là sự lựa chọn linh hoạt cho nhỉ ai tng dụng trên không thương mại và quân sự

Khả năng cất cánh và hạ cánh thang đứng mà không c3n bệ phóng hoặc đường băng,

có nghĩa là những máy bay không người lái này có thể được vận hành ở h`âi hết mọi địa điểm Thiết kế cánh cố định mang lại độ b`ần cao hơn, khả năng bao phủ khoảng cách xa hơn và tùy chọn bay nhanh hơn, cho phép người vận hành bay lâu hơn và bao phủ nhi `âi mặt đất hơn khi so sánh với UAV nhỉ âi cánh quạt

Hình 1 12 Một số dạng hệ thống máy bay không người lái Fixed-Wing Hybrid

VTOL UAV 8,

Ưu điểm và nhược điểm của các loại UAV

Bảng I 1 Bảng so sánh Ưu điểm và Nhược điểm của các loại hình Máy bay không

người lái UAV f9,

Fixed Wing UAV — Cấu trúc đơn giản hơn so— Giá thành cao, nhỉ ÊI rủi ro

chữa đơn giản — Bãi đáp/ cất cánh

trọng tải lớn, vùng hoạt động rộng

ít điện năng hơn so với loại

UAV cánh quay

Single rotor UAV — Trạng thái hoạt động rất - Vận hành, bảo trì phức tạp,

Đi ềì khiển nhanh nhẹn

đường băng cất cánh

Tuổi thọ pin dài hơn

Dễ tiếp cận, sử dụng, phù hợp với người mới bắt đi

Dễ vận hành đi ầi khiển

Độ ổn định cao

Kích thước thưởng nhỏ gọn hơn

Dự phòng và an toàn bay khi có sự cố v`ềcánh quạt

Tốc độ cải thiện hơn so với các Multicopter có số cánh

Khó đi 'âi khiển

Thơi gian hoạt động hạn chế

Tốc độ bay thấp

Tải trọng giới hạn Vùng phủ thấp

Có xu hướng kém ổn định hơn khi bay trong đi li kiện

thời tiết khắc nghiệt

Quá trình bảo trì, sửa chữa phức tạp

Thời gian hoạt động ngắn

quay) Multicopter còn lại Kích thước khá lớn

Trần Lê Đức An

— Kha nang tai trong cao hon — Chi phi cao

cao

đường băng cất cánh

(Máy bay lai cánh _ Bay ngang — Khả năng hiệu quả chưa tối

hưởng tiêu cực đến hiệu suất

Xét tổng thể dựa trên những tiêu chí v`êhiệu quả kỹ thuật, đáp ứng được những tính năng cơ bản mà một uav c3 phải có thì Quadcopter (Máy bay không người lái 4 cánh quat) la lwa chon phù hợp nhất cho đ'êtài V `êmặt kinh tế giá thành không quá cao nhưng luôn đem lại độ ổn định và hiệu quả nhất định, phân khúc phù hợp cho các đối tượng Sinh viên trong quá trình nghiên cứu và phát triển Nên loại UAV nhóm quyết định sử dụng để nghiên cứu trong đ ềtài “Phát triển bộ đi âi khiển b`a vững cân bằng cho hệ thống máy bay không người lái 4 cánh quạt” là Quadcopter (Máy bay không người lái 4 cánh quạt)

Giới thiệu chung v`êtrạm di@u khién mat dat (GCS)

Khai niệm

Trạm đi i khiển mặt đất còn được gọi là GSC - Ground Control Stations, là bộ phận ph3Ần cứng và ph3n m`ần trên mặt đất cho phép người vận hành UAV giao tiếp và đi`âi khiển máy bay không người lái cũng như tải trọng của nó, bằng cách thiết lập các tham

số cho hoạt động tự động hoặc bằng cách cho phép đi `âi khiển trực tiếp UAV

GCS có khả năng giao tiếp thời gian thực với máy bay thông qua các hệ thống truy ân nhận dữ liệu tử xa với UAV, các phương thức liên lạc bao g ôm liên lạc vô tuyến và di động tương tự và kỹ thuật số, với phạm vi hoạt động kéo dài đến hàng trăm km Trạm mặt đất được dùng để theo dõi các trạng thái thực của máy bay, để theo dõi tín hiệu video do camera trên máy bay quay được Ngoài ra, trạm đi âi khiển này còn có thể có chức năng đi`âi khiển trực tiếp, can thiệp vào quá trình bay tự động của máy bay (lập trình, thay đổi quỹ đạo bay, chuyển đổi giữa hai chế độ bay tự động và bay đi`âi khiển

trực tiếp v`ềtrạm đi âi khiển để xử lý, lưu trữ GCS có thể mô phỏng lại các thông số trạng thái đã lưu trữ để phân tích, rút kinh nghiệm cho chuyến bay

Trạm đi`âi khiển mặt đất cho máy bay không người lái sẽ dựa trên một bộ xử lý, có thể là một máy tính xách tay có sẵn với Intel ¡5 hoặc bộ xử lý hiệu suất cao phổ biến khác hoặc một hệ thống riêng biệt dựa trên n`ầ tảng điện toán nhúng

Hình 1 13 Trạm đi âi khiển mặt đất của Không quân Hoa Kỳ và NASC Ứ',

Các loại hình trạm đi`â1 khiển mặt đất

Việc sử dụng rộng rãi các công nghệ UAV trong các lĩnh vực quân sự và dân sự khác nhau đã nâng cao mức độ phức tạp của thiết bị chỉ huy và đi âi khiển (GCS) trên phì cứng và các thành ph3n phần m`ần Mức độ an toàn của chuyến bay tùy thuộc vào khả năng vận hành và mức độ tin cậy cao của GCS bằng quy mô phức tạp của hệ thống từ một chiếc điện thoại đơn giản hoặc một hay nhi`âi chiếc máy tính bảng thông minh để vận hành giám sát quá trình hoạt động của UAV

Mỗi loại hình trạm đi`âi khiển mặt đất (GCS) được xây dựng và sử dụng có mức độ phức tạp tùy thuộc vào quy mô thích hợp của từng loại mô hình UAV Tương thích theo từng loại hình UAV và tính ứng dụng của nó trong từng lĩnh vực mà chúng ta có thể ứng dụng thiết kế các trạm dia khiển mặt đất phù hợp Có các ví dụ v`ềcác loại hình trạm

đi `âi khiển mặt đất (xem Hình 1.1) phuc vu may bay không người lái như: máy tính bảng, máy tính xách tay, GCS di động và GCS cố định

Trần Lê Đức An

Hình 1 14 Các loại hình hệ thống trạm đi `â! khiển mặt đất (GCS) (a.laptop, b

GCS di động, c.GCS cố định) 9,

Trạm đi`â1 khiển mặt đất cm tay

GCS cầm tay (GCS) nhẹ, có man hình và bộ đi `âi khiển tích hợp cho UAV (máy bay không người lái) có thể được tạo bằng cách cài đặt phần m`ân GCS trên điện thoại thông minh hoặc máy tính bảng tiêu chuẩn, nhưng có sẵn nhi `âi nền tẳng chuyên dụng hơn được thiết kế dưới dạng phn cứng độc lập Các GCS di động chuyên dụng này có thể dựa trên máy tính bảng hiện có hoặc được thiết kế dưới dạng hệ thống nhúng duy nhất

và thường sẽ chạy trên hệ đi `âi hành Windows, Android hoặc Linux Chúng thường hoạt động bằng pin để cho phép tính di động tối đa

Hình 1 15 Loại hình trạm đi âi khiển mặt đất (GCS) cm tay |",

Trạm đi `â1 khiển mặt đất cố định

Các trạm đi `âi khiển mặt đất lớn nhất, h*ầi hết được thiết kế cho các UAV quân sự và thương mại cao cấp, là các cơ sở lấp đặt cố định nằm trong một container hoặc được thiết kế như một thiết lập “bu “ng lái ảo” trong một trung tâm hoạt động Chúng có thể

có nhỉ lâi màn hình và trạm vận hành với ngu Ân cấp dữ liệu cảm biến và video nhi 'âi lớp

để nhận biết tình huống tối đa

Thông qua các liên kết dữ liệu không dây, các hệ thống con tải trọng của UAV truy

dữ liệu được thu thập từ môi trường trực tiếp — thông tin địa lý, đi âi kiện thời tiết, đối

tượng quan tâm, mục tiêu con người và các mối de dọa tin ẩn được phát hiện bởi camera giãm sát trên tàu, v.v — trả tín hiệu thu được v`G©S Việc truy ân dữ liệu này được máy tính GCS xử lý và hiển thị trên màn hình GCS từ đó, các lực lượng mặt đất truy ân các dữ liệu nhận được và tình huống cho phi công và người đi `âi hành UAV để nhằm mục đích đi âi chỉnh mục tiêu nhiệm vụ dựa trên dữ liệu thu được

Hình 1 16 Các hệ thống trạm đi `âi khiển mặt đất (GCS) cố định |",

Trạm đi â1 khiển mặt đất di động

8) Trạm đi `âi khiển kết hợp bố cục HOTAS (Tay ga và cn đi âi khiển)

Trạm đi âi khiển mặt đất không người lái di động dựa trên máy tính xách tay hoặc hệ thống máy tính nhúng Các trạm đi `âi khiển mặt đất di động chấc chắn dành cho quân

sự hoặc sử dụng trong môi trường khấc nghiệt có thể được tích hợp trong vỏ máy bay

và được niêm phong để bảo vệ chống bụi và nước xâm nhập

UAV GCS di động thường là các thiết bị màn hình đơn hoặc đôi và hệ thống màn hình kép thường có thể được thiết lập để hai người vận hành có thể làm việc đ ng thời một người đi âi khiển và một người vận hành tải trọng Hệ thống đi âi khiển có thể là loại hai thanh, giống như máy bay đi âi khiển bằng sóng vô tuyến thông thưởng và bộ đi`âi khiển máy bay bốn cánh nhỏ hoặc bố cục HOTAS (Tay ga và cẦn đi `ầi khiển), là một thiết lập trực quan có ngu Ân gốc tử ngành hàng không có người lái cho phép bay ở mức độ cao, kiểm soát và tính linh hoạt

Hình 1 17 Các hệ thống trạm đi `âi khiển mặt đất (GCS) di động [T0l,

GCS di động thưởng được thiết kế với một số mức độ mô-đun, với khả năng trao đổi nóng pin lithium hoặc trao đổi các thành ph” như radio analog hoặc kỹ thuật số, ăng- ten, bộ thu video và thậm chí cả PC nhúng

Trần Lê Đức An

b) Trạm đi `âi khiển thiết lập kế hoạch sứ mệnh chuyến bay trên ph ân m`ần máy tính Trạm mặt đất thường là một ứng dụng phần m'ần, chạy trên máy tính trên mặt đất, giao tiếp với UAV của bạn thông qua đo từ xa không dây Nó hiển thị dữ liệu thời gian thực v`êhiệu suất và vị trí của UAV, đồng thời có thể đóng vai trò như một “bu ng lái ảo”, hiển thị nhi ân thiết bị tương tự mà bạn sẽ có nếu đang lái máy bay thật GCS cũng

có thể được sử dụng để đi `âi khiển UAV đang bay, tải lên các lệnh nhiệm vụ mới và cài đặt các thông số Nó cũng thưởng được sử dụng để giám sát các lu ng video trực tiếp từ camera của UAV

Có ít nhất mười trạm đi 'âi khiển mặt đất khác nhau Trên máy tính để bàn có (Mission Planner , APM Planner 2 , MAVProxy , QGroundControl va UgCS Ddi voi May tinh bang/Dién thoai théng minh cé Tower (DroidPlanner 3), MAVPilot , AndroPilot va SidePilot có thể được sử dụng để giao tiếp với ArduPilot (tức là Copter , Plane , Rover , AntennaTracker )

Hình 1 18 Các hệ thống tram đi âi khiển thiết lập kế hoạch sứ mệnh chuyến bay

trên phần m`ần máy tính [10l,

Quyết định chọn một GCS cụ thể thường phụ thuộc vào phương tiện và nề tảng điện toán ưa thích:

Tower (Droid Planner 3) hoặc một GCS khác chạy trên máy tính bảng hoặc điện thoại

Người dùng và nhà phát triển DIY/Kit thưởng phải truy cập vào các công cụ phân tích và cấu hình và do đó sẽ cần (it nhat la ban da) Mission Planner,

Qgroundcontrol, APM Planner 2 hoặc một GCS đ% đủ tính năng khác

Mỗi loại trạm đi `âi khiển có ưu điểm và hạn chế riêng, phù hợp với các mục đích sử dụng cụ thể Trạm đi`âi khiển di động có linh hoạt cao trong việc thay đổi vị trí, trong khi trạm cố định có thể cung cấp sự ổn định và tính toàn vẹn cho hệ thống đi `âi khiển tự động hoặc theo dõi tử xa Trạm đi lâi khiển c ân tay thưởng phù hợp cho việc đi `âi khiển

nhanh chóng và linh hoạt tại chỗ

Vì mục đích sử dụng cho việc ứng dụng và nghiên cứu, đi kèm giải pháp thích hợp với quy mô thực tiễn của mô hình hệ thống Ð “ng thoi, tram di a khién mat dat thiét lập kế hoạch sứ mệnh chuyến bay trên phẦn m`ần máy tính có đ% đủ các tính năng của một trạm đi âi khiển mặt đất cơ bản, v tính tiện lợi, linh động và đang được sử dụng rộng rãi, liên tục được nâng cấp và phát triển nhanh chóng cùng với cộng d ng hd tro

MA

vô cùng mạnh mẽ Nên đây chính là giải pháp được nhóm sử dụng trong d Gan nay

Ph*n mầm đi â1 khiển trạm mặt đât

Mission Planner

Mission Planner cho đến nay là GCS phổ biến nhất trong thế giới, nó có đủ các tính năng mà một trạm GCS có Nhà phát triển chính Michael Osborn đã tích hợp rất nhi ân chức năng vào GUI này

Tw phân tích nhật ký dataflash, đến vẽ đ ôthi dữ liệu theo thời gian thực, cho đến khởi động phiên bản SITL của riêng bạn để thử nghiệm, nó có thể thực hiện tất cả

Chương trình này chỉ được hỗ trợ trên hệ đi `âi hành Windows Mặc dù đã có những

nỗ lực chuyển GCS này sang các nền tảng hệ đi`âi hành khác nhưng đi âi này không được khuyến khích

N3 tảng sử dụng: Windows, Mac OS X, Android

Hình 1 19 Logo và giao diện phì m`ân Mission Planner ['9,

UgCS - Universal Ground Control Station

Tram đi`âi khiển mặt đất phổ biến và dễ sử dụng với giao diện 3D Hỗ tro APM, Pixhawk cũng như máy bay không người lái của các nhà sản xuất khác như DJI, Mikrokopter, v.v Dành cho những ngươi đam mê cũng như người dùng chuyên nghiệp

Nó có khả năng liên lạc và đi âi khiển nhi`âi máy bay không người lái cùng một lúc UgCS§ hỗ trợ nhi ầi lớp bản đ ôcũng như các nhà cung cấp bản đ ồ khác nhau Một số tính năng của UgCS bao g`ồn - Nhập DEM, hỗ trợ bộ thu và phát đáp ADS-B, chế độ Click & Go, chế độ C3n đi ôi khiển, gắn thẻ địa lý hình ảnh và quay video UgCS cũng

đi kèm với một trình phát đo tử xa, cho phép phát lại tất cả các chuyến bay

Trần Lê Đức An

UgCS hỗ trợ cài đặt nhi ầi nút, nghĩa là có thể kết nối nhi `âi phi công với máy tính xách tay UgCS tại hiện trưởng với máy chủ đi lâi khiển mặt đất trung tâm

N‘& tang su dung: Windows, Mac OS X, Ubuntu

Hinh 1 20 Logo va giao dién ph ® mm UgCS "4,

QGroundControl

QGroundControl là một ph m`ần mã ngu n mở hoạt động với các máy lái tự động

có khả năng MAV Link bao gần ArduPilot được sử dụng rộng rãi để đi âi khiển và quản

lý các thiết bị bay không ngươi lái (UAV) hoặc flycam Được phát triển bởi cộng d ng

QGroundControl vượt trội hơn nhờ có giao diện đẹp mắt, cung cấp một giao diện nguoi ding dGhoa (GUD cho người dùng tạo kế hoạch, đi `âi khiển, và theo dõi hoạt động của UAV Nó có thể thực hiện h`ầi hết những đi âi mà MissionPlanner có thể làm, với phong cách tương lai, dễ sử dụng

Trong khi MissionPlanner hoạt động trên Windows thì QGroundControl được thiết

kế cho các thiết bị Apple và Linux Trong khi MissionPlanner được cộng đ ông ArduPilot

ưa chuộng thì QGroundControl lại được cộng đ ông PX4 ưa chuộng

N‘& tảng : Windows, Mac OS X, Linux, Android va iOS

Giấy phép : Mã ngu li mở (GPLv3)

Hình 1 21 Logo và giao diện ph m`ân QgroundControl |",