Nghiên cứu ứng dụng khí cụ bay tự động vào công tác quan trắc phục vụ quản lý môi trường

ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÁO CÁO NGHIỆM THU (Đã chỉnh sửa theo góp ý của hội đồng nghiệm thu ngày 22/01/2010) NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KHÍ CỤ BAY TỰ ĐỘNG VÀO CÔNG TÁC QUAN TRẮC PHỤC VỤ QUẢN LÝ VÀ BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: HUỲNH VĂN KIỂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH THÁNG 02/ 2010 i TÓM TẮT NỘI DUNG NGHIÊN CỨU (Theo đề cương đã duyệt) Đề tài "Nghiên cứu ứng dụng khí cụ bay tự động vào công tác quan trắc phục vụ quản lý và bảo vệ môi trường" được thiết lập nhằm nghiên cứu, thiết kế và chế tạo khí cụ bay tự động, mang được các thiết bị chuyên dụng như máy ảnh, máy quay video, bay tự động theo lộ trình lập sẵn phục vụ cho công tác quản lí môi trường, tài nguyên thiên nhiên. Để thực hi ện được đề tài này, cần hoàn thành một khối lượng công việc khá lớn. Do đó chúng tôi chia ra làm hai giai đoạn. Trong giai đoạn 1: thiết kế & chế tạo máy bay sao cho ổn định, điều khiển tốt & có khả năng mang tải; thiết kế & chế tạo các mạch điện cảm biến để thu thập dữ liệu bay; nhận dạng mô hình toán học của máy bay từ dữ liệu bay; xây dựng giải thu ật điều khiển bay tự động và mô phỏng trên máy tính; viết chương trình phần mềm cho trạm mặt đất; kiểm tra khả năng chụp ảnh trên không. Trong giai đoạn 2, phần hiệu chỉnh các hệ thống máy bay và bay tự động sẽ được hoàn tất. Trong dự án này chúng tôi chỉ thực hiện giai đoạn 1. Giai đoạn 2 sẽ được thực hiện trong dự án khác. Dự án này bao gồm các nội dung nghiên cứ u như sau: 1. Phân tích nhu cầu sử dụng khí cụ bay tự động (UAV) trong công việc quan trắc, phục vụ cho quản lý và bảo vệ môi trường Tp HCM a. Nghiên cứu tổng quan về nhu cầu quan trắc phục vụ quản lý và bảo vệ môi trường Tp.HCM. b. Phân tích để lựa chọn lọai máy bay (MB), thông số thiết kế cần thiết cho MB. c. Xác định kích thước và thông số của MB dùng trong nghiên cứu thử nghiệm. d. Nghiên cứu – thiết kế tích hợp hệ thống chụp ảnh giám sát môi trường. 2. Thiết kế, chế tạo MB a. Thiết kế MB. b. Chế tạo MB. c. Bay thử nghiệm, đánh giá chất lượng của MB thiết kế, chế tạo, kiểm tra, hiệu chỉnh. 3. Xác định các thông số ổn định và điều khiển của MB (nhận dạng hệ thống) a. Xây dựng mô hình toán cho MB với các thông số ổn định và điều khiển. b. Xây dựng chương trình tính ngược (giải thuật, chương trình) các thông số ổn định và điều khiển (stability & control derivatives) từ dữ liệu bay thử nghiệm c. Mô phỏng và kiểm nghiệm chương trình tính trên máy tính bằng phần mềm MATLAB. Nhận dạng hệ thống từ dữ liệu bay thử nghiệm. 4. Xây dựng chương trình điề u khiển tự động MB (giai đoạn bay bằng) a. Xác định các yêu cầu bay tự động, chất lượng bay (flying qualities). b. Phân tích đặc điểm, tính năng của hệ thống tự ổn định của máy bay. c. Xây dựng giải thuật điều khiển và dẫn đường. d. Viết chương trình điều khiển tự động bay cho MB. e. Mô phỏng, kiểm nghiệm và hiệu chỉ nh chương trình điểu khiển tự động bay trên máy tính bằng phần mềm MATLAB. 5. Thiết kế, chế tạo các thiết bị điện tử cần thiết của máy bay, lập trình phần mềm theo dõi hoạt động bay a. Thiết kế các mạch điện tử thu thập dữ liệu từ các thiết bị cảm biến, và mạch điều khiển các cơ cấ u chấp hành servo. b. Xây dựng chương trình phần mềm cho trạm điều khiển mặt đất. Trạm mặt đất giúp cho người điều khiển có thể theo dõi tín hiệu camera, các trạng thái của máy bay trong quá trình bay thử, đánh giá được chất lượng của chương trình điều khiển tự động và can thiệp vào điều khiển, nhiệm vụ của máy bay khi cần thiết. c. Nghiên cứu truyền dữ liệu giữa MB & trạm mặt đất ii Bố cục của báo cáo nghiệm thu được trình bày dưới dạng các chương, một số chương đã được báo cáo tại các hội nghị Cơ Điện Tử Toàn Quốc 2008 - Đà Nẵng, HN Cơ Học Toàn Quốc 2009 - Hà Nội, The 2009 International Forum on Strategic Technologies (IFOST2009) - TP.Hồ Chí Minh, Tạp Chí Tin Học & Điều Khiển Chương 1: Tổng quan về đề tài Chương 2: Thiết kế và chế tạo máy bay KATA Chương 3: Thiết k ế hệ thống cảm biến đo lường trên máy bay KATA Chương 4: Phân tích & lọc các dữ liệu thu được từ hệ thống cảm biến Chương 5: Nhận dạng hệ thống máy bay từ dữ liệu bay thử nghiệm Chương 6: Thiết kế giải thuật điều khiển bay tự động cho máy bay KATA Chương 7: Thiết kế phần mềm cho trạm điều khiển mặ t đất Chương 8: Nghiên cứu ứng dụng camea quan trắc cho UAV Chương 9: Thử nghiệm truyền nhận tín hiệu camera giữa máy bay & trạm mặt đất Trong đó chương 1 sẽ giới thiệu sơ lược về khí cụ bay tự động (UAV), ý nghĩa khoa học & khả năng ứng dụng. Từ việc tìm hiểu nhu cầu quan trắc của Viện Tài Nguyên & Môi Trường Tp.HCM, những chuyến đi khảo sát thực tế , nhóm nghiên cứu đưa ra một số bài toán quan trắc môi trường ở Tp.HCM & phân tích khả năng giải quyết bài toán của nhóm nghiên cứu. Phạm vi, đối tượng & nội dung nghiên cứu của đề tài cũng được xác định rõ ràng. Máy bay là một trong những đối tượng nghiên cứu chính của MB, đòi hỏi phải mang được tải (máy chụp ảnh, thiết bị đo nhiệt độ, áp suất không khí ), bay ổn định và tầm bay đủ lớn để chụp ảnh trên một phạm vi rộng, có khả năng điều khiển tốt để thực hiện các thao tác trên không cũng như bay tự động theo quỹ đạo cho trước. Do vậy cần phải có một thiết kế tốt cho máy bay. Chương 2 trình bày các yêu cầu kỹ thuật đối với MB KATA, qui trình thiết kế & chế tạo, các đặc tính ổn định & điều khiển của MB, các bản vẽ 2D & 3D, các bảng thông s ố kỹ thuật & kết quả bay thử nghiệm. Để có thể điều khiển MB bay tự động thì các thông số trạng thái của MB cần được xác định. Chương 3 trình bày thiết kế hệ thống cảm biến (phân tích thiết kế, lựa chọn cảm biến, thiết kế chi tiết) đo lường các thông số trạng thái của MB KATA bao gồm các cảm biến đo: vị trí (GPS), gia tốc, vận tốc góc, tốc độ gió, độ cao, từ trường (la bàn số), góc lệch của các bề mặt điều khiển. Hệ thống cảm biến trên MB KATA thỏa mãn các yêu cầu cung cấp đầy đủ các tín hiệu đo thích hợp cho hệ thống điều khiển trung tâm, cung cấp dữ liệu bay thử nghiệm đủ để nhận dạng hệ thống MB, thỏa mãn yêu cầu về tổng trọng lượng và kích thước phù hợp với kh ả năng tải của MB, chi phí thấp. Mặc dù hệ thống cảm biến đã sử dụng các mạch lọc và mạch khếch đại analog bằng hardware, song các mạch lọc này chỉ loại được nhiễu ở một dải tần số nhất định. Do vậy, các dữ liệu đo được từ hệ thống cảm biến trước khi đưa vào sử dụng cần được lọc b ằng phần mềm: lọc thông thấp, lọc thông cao, lọc Kalman. Các góc Euler của MB (Pitch, Roll, Yaw) không thể đo trực tiếp mà phải ước lượng từ các đại lượng đo lường quán tính IMU (a x , a y , a z , p, q, r) kết hợp với la bàn số và GPS. Thuật toán lọc Kalman được dùng để ước lượng những góc Euler này. Những phân tích & lọc dữ liệu thu được từ hệ thống cảm biến được trình bày trong chương 4. Các kết quả lọc dữ liệu thu được từ mô phỏng Matlab, thí nghiệm trên bàn xoay 3 trục, bay thử nghiệm cũng được trình bày trong chương này. Phần giới thiệu về IMU, lọc Kalman được trình bày chi tiết trong phụ lục A. Để phân tích và thiế t kế hệ thống điều khiển tự động cho MB cần phải hiểu rõ đặc tính động lực học của MB-được mô hình hóa dưới dạng hệ thống phương trình cơ học bay. Trong chương 5, mô hình này chứa các tham số ổn định và điều khiển của MB được ước iii lượng từ dữ liệu bay thử nghiệm bằng 2 phương pháp nhận dạng phổ biến trong hàng không là Equation Error và Maximum Likelihood. Các tín hiệu cung cấp cho quá trình bay thử nghiệm là xung vuông 3-2-1-1 và tín hiệu thử tối ưu (được thiết kế bằng phương pháp quy hoạch động Bellman). Cấu trúc của mô hình toán được xác định bằng phương pháp SWR. Bộ thống số MB ước lượng được cũng mô tả gần với đáp ứng động lự c học của MB khi bay thử nghiệm. Mô hình toán học này có thể được dùng làm căn cứ đánh giá đặc tính động lực học & điều khiển của MB khi thiết kế bộ điều khiển bay tự động cho MB KATA. Sau khi nhận dạng được hệ thống MB, cụ thế là bộ thông số ổn định và điều khiển của MB, giải thuật điều khiển bay tự động cho MB KATA đượ c thiết kế & trình bày trong chương 6. Bộ điều khiển bay tự động gồm có 2 mode chính: mode dọc trục, mode ngang/hướng. Điều khiển logic mờ điều khiển hướng của MB, giúp MB bám quỹ đạo cho trước dưới dạng điểm-điểm. Điều khiển PI duy trì độ cao và vận tốc của MB khi bay tự động. Giải thuật di truyền đa mục tiêu được sử dụng để thiết kế tối ưu bộ điều khiển mờ. Các mục tiêu này bao gồm cực tiểu hóa sai số bám điểm, độ thay đổi góc nghiêng cánh, độ thay đổi bề mặt điều khiển, cực đại hóa thời gian bay bằng. Bộ điều khiển bay tự động được mô phỏng trên MATLAB và AeroSim cho thấy MB ổn định trong điều kiện không /có nhiễu động do gió. Một số phân tích về hệ th ống điều khiển bay tự động thường gặp ở MB được trình bày trong phụ lục B. Chương 7 trình bày vai trò của trạm mặt đất đối với họat động của UAV, các yêu cầu cho việc xây dựng chương trình ở mức độ hiển thị thông số của UAV, phân tích, thiết kế và xây dựng phần mềm cho trạm điều khiển mặt đất, các nghiên cứu về giao tiếp giữa phầ n cứng với máy tính, cổng nối tiếp RS232, giao thức của thông điệp, xử lý dữ liệu, thiết kế cấu trúc các thành phần của chương trình, mô hình ứng xử, hiển thị trực quan dữ liệu bay, thiết kế đồ họa giao diện. Các yêu cầu cụ thể đặt ra đối với chương trình phần mềm của trạm: khả năng thu nhận, xử lý dữ liệu từ UAV g ửi về; khả năng theo dõi các trạng thái thực của UAV (cao độ, góc nghiêng, vận tốc,….); khả năng theo dõi, xác định vị trí của UAV, khả năng lưu trữ dữ liệu; khả năng trình diễn, mô phỏng lại quá trình bay. Kết quả kiểm nghiệm phần mềm khi tích hợp với phần cứng (MB, trạm mặt đất) cũng được trình bày trong chương này Nghiên cứu ứng dụng camera quan trắc cho UAV được trình bày trong chương 8 bao gồ m: tổng quan về việc ứng dụng hệ thống camera cho UAV, phân tích lựa chọn camera cho UAV, đánh giá khả năng mang camera quan trắc của MB KATA, kết luận và một số kiến nghị. Chương 9 trình bày thử nghiệm việc truyền tín hiệu camera giữa MB KATA và trạm mặt đất. Giới thiệu về hệ thống camera quan trắc trên MB KATA. Thiết lập truyền nhận dữ liệu hình ảnh giữa MB và trạm mặt đất. M ột số kết quả hình ảnh camera thu được khi MB KATA bay thử nghiệm. Đánh giá kết quả và một số kiến nghị Phần kết luận của báo cáo nghiệm thu tóm tắt lại các công việc mà nhóm nghiên cứu đã hoàn thành, các kết quả & sản phẩm đạt được, một số kiến nghị & hướng phát triển. iv SUMMARY OF RESEARCH CONTENT Chapter 1: Overview Study This subject presents a history of UAV development, UAV classification (SUAV, MALE, HALE, UCAV), fundamental structure of a UAV, UAV research and development situation in USA, Europe, Asia, Vietnam. It also studies UAV’s scientific significances and applications obviously, such as: natural science (the Earth, air pollution, ocean, hurricane, water-cannon…), agriculture, forestry, search and rescue, environment and natural resource monitoring. From the detailed analysis, the subject shows the necessity of UAV research and application to urban monitoring, environment and natural resource protection, traffic control. Then a proposal of UAV research is described. Chapter 2: Design of KATA Airplane Most of radio-controlled airplanes in the market are used for hobbyists. These kinds of the planes have no or very small payload capacity. They are only designed for aerobatic maneuvers. In the project “Research and Design of Unmanned Air Vehicle to Environment Monitoring for Management and Protection”, the airplane needs to have payload capacity (such as camera, thermometer, barometer…), good stability/performance and short-to- medium range to monitor the environment. Therefore, a specific airplane design is necessary. KATA airplane design is based on the popular airplane design rules of Roskam and the method of estimating R/C model aerodynamics and performance (Leland M. N). KATA airplane is made of composite. It has speed of 85km/s, span of 2.5m, total weight of 12kg, payload of 3kg, range of 6km, endurance of 45minutes, altitude of 600m, 4-cycle engine, 2D and 3D drawings. Analysis of Flight Stability and Control for Unmanned Air Vehicle A process of flight stability and control analysis for KATA unmanned air vehicle is presented. This analysis gives important information of aircraft dynamic behavior, which is useful in the design and analysis of flight automatic control. Static stability and control analysis shows the allowable displacement of the center gravity which is also called as static margin, the magnitude of significant control and stability derivatives representing the static stability and control characteristics, such as: pitch/roll/yaw stiffness, pitch/roll/yaw damping. Dynamic stability is also analyzed to determine which dynamic mode is unstable or slight damping. Aircraft modeling conducts nonlinear equations of motion. These equations are frequently linearized for use in stability and control analysis by small- disturbance theory and Taylor expansion. Then, eigenstructure technique is used to examine the natural frequency and damping ratio of longitudinal modes and lateral modes. This paper also study commonest problems in flight dynamics, that consists of finding the motion when the laws of the forces are given and inverse problem, i.e. the system and the motion are given and the law of forces have to be calculated. Short-term and long-term response to actuator controls are studied in types of frequency response and step response. Finding the control surface laws to achieve desired motions (turn coordination, climbing, glide, pull-up, Dutch-roll mode elimination…) is also solved. Chapter 3: Design of a measurement system for UAV This subject presents a design of a measurement system (design analysis, sensor selection, and detailed design) for UAV that consists: - Inertial Measurement Unit (IMU) - the main component of inertial guidance systems used in UAV. IMU works by sensing motion including the type, rate, and direction of that motion, using a combination of accelerometers and gyroscopes. The data collected from these sensors allows a flight controller to track a UAV's position. v - Airspeed measurement sensor: measures local airstream magnitude and angle with respect to the plane. - Altimeter sensor - Potentiometer sensors: measure deflection angles of control surfaces - Compass sensor: a navigational instrument for determining the direction of the UAV relative to the earth's magnetic poles. Requirements: - Provide exact and sufficient measurement signals form sensors for central process unit. - Meet the payload capacity of UAV - Low cost Chapter 4: Data Analysis & Filtering Athough we used filter circuits, op-amp circuits in hardware of the measurement unit, noises are only ejected from measured data in some frequencies. In order to use these measured data effectively, they must be filtered by softwares such as: low-pass filter, hight-pass filter and Kalman filter. Euler angles (pich, roll, and yaw) can not be measured directly; they are estimated from data of inertial measurement unit; GPS and magnetometer. Extended Kalman Filter is used to do that. Data filtering program is simulated in Matlab software, verified in 3-axis rotation table experiment and flight test data. Chapter 5: Aircraft System Identification from Flight Test Data It is necessary to understand dynamic behaviors of an aircraft when analyzing and designing its flight automatic control system. Therefore, aircraft system identification is implemented to estimate aerodynamic and control derivatives from flight test data. The estimation uses 2 methods: equation error and maximum likelihood method. Aircraft system identification program is written in Matlab language, and then verified in Aerosonde UAV with its true aerodynamic & control derivatives. This subject also presents advantages and disadvantages of each estimation method, flight test input design, optimization Newton-Raphson method. Blockset AeroSim of Matlab is used to simulate the program and the model of airplane with pseudo measurement noises. Design of Optimal Inputs for Aircraft System Identification from Flight Test Optimal inputs for aircraft (A/C) parameter estimation process are designed by using Bellman dynamic programming. When using these optimal inputs, flight test data will be received with richest information. So, the accuracy of estimated A/C parameters will be improved. Cramer-Rao bound is considered as a measurement of these accuracies. A comparison of the results with optimal inputs and conventional inputs is also presented in two estimation methods (Equation Error Method, Maximum Likelihood Method). Another interesting result is that one can design optimal inputs for MIMO system identification. Chapter 6: Design of Fuzzy Logic Controller for UAV using Multi-objective GA Fuzzy logic controllers are ability to model nonlinear relationships of the system. It has stability robustness and performance robustness in the appearance of uncertain process parameters, measurement noises, and environment disturbances. It is easy for code generation. Fuzzy logic algorithms are intuitively easy to understand and allow the user to encapsulate the experience of experts in an efficient manner. This subject presents design of fuzzy logic controller for UAV using multi-objective genetic algorithm for fuzzy parameter tuning. vi UAV tracks a given trajectory (including desired waypoints-WP) in horizontal plane by using the latitude-longitude fuzzy controller to control the heading angle with the assumption that altitude and speed are constant. Heading angle is normally controlled by establishing a certain bank angle and holding that angle until the desired heading change has been achieved. Airspeed and altitude of UAV may be sustained by PI controllers with the control inputs including elevator and throttle. When combined, the controllers satisfy requirements of trajectory tracking in the wind gust condition, limit of servo magnitude/response rate, limit of outputs (bank angle, AOA, pitch angle). Chapter 7: Design of a software for UAV ground control station (GCS) Ground Control Station (GCS), one of the most important parts of Unmanned Aerial Vehicle (UAV) system, is used for controlling, monitoring the operation of the UAV. The operator, technician, can monitor in real-time aircraft’s flight data, such as its positions, status, images, etc. In case of higher requirements, GCS can modify UAV’s mission by sending command message through data link system. First, this subject will introduce more detail about the role of Ground Control Station in UAV system, and requirements for designing the software for GCS to monitor UAV status. Finally, it will present more about design process including analysis, modeling, and implementation the software of GCS. Chapter 8: Study of camera on environment monitoring application for UAV Introduction to camera application in UAV. Analysis of camara selection. Estimation of camara deployment possibility of KATA aircraft. Conclusion. Chapter 9: Experiment on camera data transmitting & receiving between aircraft and ground station Introduction to camera system for monitoring in KATA aircraft. Setup of camera data transmitting and receiving between aircraft and ground station. Some aerial photograph obtained from camera during flight test. Conclusion. vii MỤC LỤC Trang Tóm tắt đề tài/dự án i Mục lục vii Danh sách các chữ viết tắt ix Danh sách bảng x Danh sách hình x Bảng quyết toán xv 1. Tên đề tài/dự án: Chủ nhiệm đề tài/dự án: Cơ quan chủ trì: Thời gian thực hiện: Kinh phí được duyệt: Kinh phí đã cấp: theo TB số: TB-SKHCN ngày / xvi 2. Mục tiêu xvi 3. Nội dung ……………………………………………… xvi 3.1. Nội dung thực hiện xvii 3.2. Sản phẩm xviii NỘI DUNG NGHIÊN CỨU, KẾT QỦA VÀ THẢ O LUẬN I Chương 1: Tổng quan về đề tài 1 1. Sơ lược về khí cụ bay tự động (UAV), ý nghĩa khoa học và khả năng ứng dụng 1 2. Bài toán quan trắc môi trường ở Tp.HCM 13 3. Khả năng giải quyết bài toán quan trắc môi trường của đề tài 18 4. Phạm vi, đối tượng & nội dung nghiên cứu của đề tài 20 II Chương 2: Thiết kế và chế tạo máy bay KATA 22 1. Máy bay KATA và các yêu cầ u kỹ thuật 22 2. Qui trình thiết kế và chế tạo MB 23 3. Đặc tính ổn định và điều khiển của MB KATA 24 4. Kết quả bay thử nghiệm, các bản vẽ, bảng thông số kỹ thuật 30 Phần bổ sung 37 III Chương 3: Thiết kế hệ thống đo lường trên MB KATA 40 1. Các đại lượng đo lường và yêu cầu đối với hế thống đo lường 40 2. Phân tích thiết kế - lựa chọn cảm biến, sơ đố nguyên lý. 40 3. Thiết kế chi tiết 43 viii 4. Thiết kế và thi công bản mạch in 51 5. Kết luận 56 IV Chương 4: Phân tích và lọc các dữ liệu thu được từ hệ thống đo lường trên MB 57 1. Các đại lường đo lường và các phép lọc được sử dụng 57 2. Thiết kế bộ lọc Kalman – giải thuật & chương trình 58 3. Kết quả thí nghiệm trên Matlab, trên bàn xoay 3 trục 61 4. Kết quả lọc dữ liệu bay thử nghiệm – nhậ n xét & hướn phát triển 62 V Chương 5: Nhận dạng hệ thống MB từ dữ liệu bay thử nghiệm 64 1. Vai trò của việc nhận dạng hệ thống MB 64 2. Giải thuật ước lượng các thông số ổn định và điều khiển của MB 64 3. Các kết quả mô phỏng & thực nghiệm 68 4. Nhận xét, kết luận & kiến nghị 79 Phần bổ sung 80 VI Chương 6: Thi ết kế giải thuật điều khiển bay tự động cho MB 81 1. Giải thuật điều khiển bay tự động cho MB KATA – các yêu cầu kỹ thuật 81 2. Các phân tích về hệ thống điều khiển bay tự động cho MB 81 3. Cấu trúc bộ điều khiển bay tự động cho MB KATA 82 4. Kết quả tính toán, mô phỏng & nhận xét 85 5. Kết luận 90 VII Chương 7: Thi ết kế phần mềm cho trạm điều khiển mặt đất 93 1. Vai trò của trạm mặt đất đối với hoạt động của UAV 93 2. Phương pháp thiết kế phần mềm thu thập và hiển thị dữ liệu bay 94 3. Kết quả kiểm nghiệm phần mềm khi tích hợp với phần cứng 105 4. Kết luận & kiến nghị 106 VIII Chương 8: Nghiên cứu ứ ng dụng camera quan trắc cho UAV 107 1. Tổng quan về việc ứng dụng hệ thống camera cho UAV 107 2. Phân tích lựa chọn camera cho UAV 109 3. Đánh giá khả năng mang camera quan trắc của MB KATA 119 4. Kết luận & kiến nghị 122 IX Chương 9: Thử nghiệm truyền tín hiệu camera giữa MB và tram mặt đất 125 1. Hệ thống camera quan trắc trên MB KATA 125 2. Lắp đặt camera & thiết lập truyền dữ liệu hình ảnh 127 ix 3. Thử nghiệm hoạt động của hệ thống camera 128 4. Đánh giá kết quả và một số kiến nghị 131 X KẾT LUẬN 132 XI PHỤ LỤC 136 A. Khối cảm biến quán tính IMU – Bộ lọc Kalman 136 B. Một số hệ thống điều khiển bay tự động thường gặp ở MB 143 C. Các bài báo khoa học tham dự hội nghị, đăng trên tạp chí (trang đầu) 149 DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ADC Bộ chuyển đổi tín hiệu analog sang tín hiệu số (Analog Digital Converter) Cov( ) Hiệp phương sai (Covariance) CPU Đơn vị xử lí trung tâm (Central Processing Unit) DGPS Hệ thống định vị toàn cầu cải chính sai phân (Differential Global Positioning System) DIS Ổn định hóa hình ảnh bằng số (Digital Image Stabilization) DOF Trường độ camera (khoảng cho ảnh rõ nét) EA Giải thuật tiến hóa (Evolutionary Algorithm) EE Phương pháp sai số phương trình (Equation Error) E( ) Kì vọng (Expectation) FIFO Vào đầu tiên, ra đầu tiên (First In First Out) FIR Đáp ứng xung hữu hạn (Finite Impulse Response) FOV Góc mở của ống kính (field of view) GA Giải thuậ t di truyền (Genetic Algorithm) GCS Trạm điều khiển mặt đất (Ground Control Station) GPS Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System) HĐH Hệ điều hành IIR Đáp ứng xung vô hạn (Infinite Impulse Response) IMU Khối đo lường quán tính (Inertial Measurement Unit) INS Hệ thống dẫn đường quán tính (Inertial Navigation System) ISO Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế (International Standards Oganization) MB Máy bay MBMH Máy bay mô hình MEMS Cảm biến dạng vi cơ điện tử ML Phương pháp Maximum Likelihood NED Hệ trục tọa độ Bắc-Đông-H ướng xuống dưới (North-East-Down) NSGA Giải thuật di truyền xếp hạng không bị vượt trội OIS Ổn định hóa hình ảnh bằng quang học (Optical Image Stabilization) PC Máy tính cá nhân (Personal Computer) PID Điều khiển tỉ lệ-tích phân-vi phân (Proportional-Integral-Differential) PP Phương pháp OPAMP Bộ khuếch đại thuật toán RPV Máy bay điều khiển từ xa (Remotely Piloted Vehicle) SWR Phương pháp hồi quy từng bước (Stepwise Regression) (Non-dominated Sorting Genetic Algorithm) [...]... lập nhằm nghiên cứu ứng dụng khí cụ bay tự động, mang được các thiết bị chuyên dụng như máy ảnh, máy quay video, bay tự động theo lộ trình lập sẵn phục vụ cho công tác quản lí môi trường, tài nguyên thiên nhiên Nội dung nghiên cứu: (Theo đề cương đã duyệt) Những nội dung thực hiện TT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Các nội dung, công việc chủ yếu cần được thực hiện Nghiên cứu tổng quan Thiết... được cấp 385 Kinh phí quyết toán 385 Công chất xám Công thuê khoán 154.5 Nguyên, nhiên, vật liệu, dụng cụ, 55.7 phụ tùng, văn phòng phẩm Thiết bị 100.3 Chi khác 74.5 Tiết kiệm 5% xv Trong đó Ngân sách Nguồn khác x x x x x x Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng khí cụ bay tự động vào công tác quan trắc phục vụ quản lý và bảo vệ môi trường Chủ nhiệm đề tài: HUỲNH VĂN KIỂM Cơ quan chủ trì: ĐH Bách Khoa Tp.HCM... − Nghiên cứu ozone tại khí quyển tầng cao (tầng bình lưu); − Nghiên cứu mây và aerosol; − Nghiên cứu ô nhiễm không khí tại tầng khí quyển sát mặt đất (Tropospheric); − Nghiên cứu về bốc hơi nước, quan trắc lượng nước trong khí quyển; − Quan trắc khoa học vùng ven biển; − Quan trắc cháy, lan truyền ô nhiễm; − Quan trắc tỷ lệ oxy, carbonic trong khí quyển; − Cấu trúc, phân bố, sự che phủ thực vật; − Nghiên. .. sát vi vật lý các đám mây; − Khảo sát thời tiết; − Nghiên cứu về hình thành bão, lốc, sét, vòi rồng; − Nghiên cứu vật lý biển, tương tác biển -khí quyển; Tùy theo các ứng dụng mà các nhóm UAV được sử dụng như những nghiên cứu khí quyển tầng cao thì sử dụng các UAV nhóm MALE/HALE; nghiên cứu dòng chảy sông thì có thể sử dụng các UAV thuộc nhóm SUAVs Một số dự án phát triển UAV cho nghiên cứu khoa học... trong một số trương hợp nguy hiểm) Ngoài ra, việc nghiên cứu này cũng góp phần khẳng định khả năng nghiên cứu công nghệ cao tại môi trường Đại học, qua đó tạo thêm niềm tin và động lực thúc đẩy việc nghiên cứu UAV cho các sinh viên thệ hệ kế tiếp 4 Việc nghiên cứu thành công UAV không chỉ được ứng dụng trong lĩnh vực quản lý và bảo vệ tài nguyên, môi trường như đã nêu ở phần trên mà còn được mở rộng... và đúng mức Sau đây là một số ứng dụng của UAV trong nhiều lĩnh vực trên thế giới: • Ứng dụng UAV trong khoa học Ứng dụng trong nghiên cứu khoa học , đặc biệt là khoa học Trái đất giữ một vai trò quan trọng trong các ứng dụng dân sự của UAV Các lĩnh vực nghiên cứu có nhu cầu sử dụng UAV ở mức cao (do tiết kiệm chi phí, an toàn, khả năng quan trắc/ hoạt động kéo dài, áp dụng ở các khu vực khó tiếp cận... máy bay KATA 127 Hình 9.5: Bản đồ khu vực thử nghiệm quan trắc trích từ Google Earth 128 Hình 9.6: Kết quả video thu được từ camera trong qua trình bay thử nghiệm 130 Hình 9.7: Hình ảnh thu được trong bước đầu thử nghiệm hệ thống camera quan trắc 131 Hình 9.8: Hình ảnh mong muốn đạt được của quá trình phát triển đề tài nghiên cứu 131 xiv QUYẾT TOÁN KINH PHÍ Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng khí cụ bay tự động. .. để bay tự động 3 80 600 6 45 2.5 13 tốt có Ta có thể thực hiện việc quan trắc môi trường của khu vực được chọn là huyện Cần Giờ với các thông số cơ bản sau: Quĩ Đạo Máy bay sẽ được bay theo theo một bản đồ hình 19 Trần bay Máy bay có thể đạt được trần bay tối đa là 200 m, tuy nhiên trần bay này có thể thay đổi phụ thuộc vào độ phân giải hoặc độ quét của camera Thời gian bay Thời gian bay phụ thuộc vào. .. - lâm nghiệp Trong nông nghiệp, các UAV được sử dụng đề quản lý đất nông nghiệp-lâm nghiệp, quản lý mùa vụ, quản lý mặt nước nuôi trồng thủy sản, phụn thuốc bảo vệ thực vật, phân bón lá, quản lý cây công nghiệp chống cháy rừng (quản lý các vùng có nguy cơ cháy rừng cao, ứng cứu sự cố cháy rừng, đánh giá hậu quả cháy rừng, thông tin liên lạc trong xử lý sự cố cháy rừng ), bảo vệ chống khai thác trái... sử dụng UAV 7 Hình 1.7: Hình ảnh về Yamaha RMAX phun thuốc bảo vệ thực vật (Nguồn: Dr KC Wong, University of Sydney, 2001) • Ứng dụng UAV trong bảo vệ môi trường, tài nguyên thiên nhiên Trong lĩnh vực bảo vệ môi trường và tài nguyên, các UAV (nhóm SUAV) tỏ rất hữu dụng với lý do tiết kiệm, cơ động, dễ vận chuyển-vận hành Ứng dụng của UAV trong lĩnh vực này rất rộng như: − Quan trắc ô nhiễm không khí: . cầu sử dụng khí cụ bay tự động (UAV) trong công việc quan trắc, phục vụ cho quản lý và bảo vệ môi trường Tp HCM a. Nghiên cứu tổng quan về nhu cầu quan trắc phục vụ quản lý và bảo vệ môi trường. DUNG NGHIÊN CỨU (Theo đề cương đã duyệt) Đề tài " ;Nghiên cứu ứng dụng khí cụ bay tự động vào công tác quan trắc phục vụ quản lý và bảo vệ môi trường& quot; được thiết lập nhằm nghiên cứu, . xvi Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng khí cụ bay tự động vào công tác quan trắc phục vụ quản lý và bảo vệ môi trường Chủ nhiệm đề tài: HUỲNH VĂN KIỂM Cơ quan chủ trì: ĐH Bách Khoa