TÍCH HỢP THIẾT BỊ ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU CHO MÁY BAY TRỰC THĂNG MÔ HÌNH 4 CÁNH QUẠT DÙNG ĐỂ THU THẬP KHÔNG ẢNH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG TÍCH HỢP THIẾT BỊ ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU CHO MÁY BAY TRỰC THĂNG MÔ HÌNH CÁNH QUẠT DÙNG ĐỂ THU THẬP KHÔNG ẢNH Mã số: T2014-01 Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Chánh Nghiệm Cần Thơ, 12/2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG TÍCH HỢP THIẾT BỊ ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU CHO MÁY BAY TRỰC THĂNG MÔ HÌNH CÁNH QUẠT DÙNG ĐỂ THU THẬP KHÔNG ẢNH Mã số: T2014-01 Xác nhận trường Đại học Cần Thơ (ký, họ tên, đóng dấu) Cần Thơ, 12/2014 Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên) THÀNH VIÊN THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI STT Họ tên Đơn vị công tác Nguyễn Chánh Nghiệm Bộ môn Tự động hóa – Khoa Công Nghệ Nguyễn Thanh Nhã Bộ môn Tự động hóa – Khoa Công Nghệ Trần Nhựt Thanh Bộ môn Tự động hóa – Khoa Công Nghệ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH STT Tên đơn vị Họ tên người đại diện đơn vị Bộ môn Tự động hóa, Khoa TS Võ Minh Trí, Trưởng Bộ môn Công Nghệ, Đại học Cần Thơ ii MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH v  DANH MỤC BẢNG BIỂU vi  DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii  TÓM LƯỢC viii  THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ix  PHẦN MỞ ĐẦU 1  1.  Tổng quan tình hình nghiên cứu 2  2.  Tính cấp thiết đề tài 2  3.  Mục tiêu 4  4.  Phương pháp nghiên cứu 4  5.  Đối tượng phạm vi nghiên cứu 4  6.  Nội dung nghiên cứu 4  PHẦN KẾT QUẢ .6  CHƯƠNG 1.  MÁY BAY TRỰC THĂNG MÔ HÌNH BỐN CÁNH QUẠT 7    Thiết kế quadrotor .7    Một số cải tiến 7  1.2.1  Cải tiến phần cứng 7  1.2.2  Hiệu chỉnh PID 11  CHƯƠNG 2.  HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU .13    Tổng quan hệ thống định vị toàn cầu 13    Các thành phần hệ thống gps 13  2.2.1  Thành phần không gian (space segment): 14  iii 2.2.2  Thành phần điều khiển (control segment) 15  2.2.3  Thành phần người dùng (user segment) 16    Xác định tọa độ định vị từ gps 17    Các nguồn sai số .19    Một số kỹ thuật cải thiện sai số 22  2.5.1  GPS vi sai (DGPS) 23  2.5.2  GPS động thời gian thực (RTK-GPS) 24  CHƯƠNG 3.  KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .26    Đánh giá độ xác máy thu GPS giá rẻ kỹ thuật đo động rtk 26  3.1.1  Thiết bị 27  3.1.2  Phương pháp nghiên cứu 28  3.1.3  Kết thí nghiệm 31    Thí nghiệm bay .38  3.2.1  Lựa chọn máy thu GPS .38  3.2.2  Bố trí thí nghiệm 39  3.2.3  Kết thí nghiệm 43  PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .44  1.  Kết luận .45  2.  Kiến nghị 45  iv DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 2.1 Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 Hình 2.6 Hình 2.7 Hình 2.8 Hình 2.9 Hình 2.10 Hình 2.11 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Hình 3.6 Hình 3.7 Hình 3.8 Hình 3.9 Hình 3.10 Hình 3.11 Hình 3.12 Hình 3.13 Hình 3.14 Hình 3.15 (a) Mô hình CAD quadrotor (b) Mô hình thực tế .8 Mô hình quadrotor năm 2013 (a) mô hình cải tiến năm 2014 (b) .8 Bộ điều khiển cân quadrotor 11 Các thành phần hệ thống GPS 13 Phần không gian GPS .14 Các thành phần trạm điều khiển .15 Vị trí lắp đặt trạm thành phần điều khiển 16 Các bước để xác định vị trí GPS 17 Phép đo cạnh tam giác (trilateration) từ vệ tinh 18 Các nguồn lỗi định vị 20 Lỗi sai lệch quỹ đạo vệ tinh 21 Sai số tượng đa tuyến gây .22 Cấu hình độ xác số kỹ thuật đo 24 Hệ thống DGPS .24 Giao diện cấu hình chế độ PPP Static cho RTKNAVI 30 Bố trí thí nghiệm tĩnh với (a) chế độ định vị thông thường (b) chế độ định vị PPP Static 31 Bố trí thí nghiệm động 31 Độ lệch vị trí (lần lượt từ xuống theo phương Đông-Tây, phương BắcNam, phương thẳng đứng) theo thời gian thu thập trực tiếp từ máy thu GPS .32 (a) Vị trí đo (b) Độ lệch vị trí theo thời gian (lần lượt từ xuống theo phương Đông-Tây, phương Bắc-Nam, phương thẳng đứng) thí nghiệm tĩnh với chế độ PPP-Static 34 Trạm động địa điểm thí nghiệm 34 (a) Vị trí (b) độ lệch vị trí trạm động trạng thái tĩnh theo thời gian thí nghiệm động 36 Vị trí trạm động sau (a) lần (b) lần di chuyển theo quỹ đạo hình vuông 36 Độ lệch vị trí trạm động (lần lượt từ xuống theo phương Đông-Tây, phương Bắc-Nam, phương thẳng đứng) theo thời gian lần di chuyển theo quỹ đạo hình vuông 37  Vị trí trạm động sau lần di chuyển theo quỹ đạo hình vuông .37  Thí nghiệm bay kiểm tra độ xác GPS 39  Vị trí thí nghiệm .40  Các thông số điều khiển quadrotor 41  Kết đáp ứng điều khiển độ cao 42  (a) Thông số HDOP (b) số lượng vệ tinh thí nghiệm bay .42  v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Bảng 2.1 Bảng 2.2 Bảng 3.1 Bảng 3.2 Bảng 3.3 Bảng 3.4 Bảng 3.5: So sánh thiết bị mô hình quadrotor mô hình cũ 9  Nguồn sai số sai số tương ứng GPS thông dụng 22  So sánh sai số sử dụng kỹ thuật DGPS 23  Thông tin thí nghiệm 29  Giá trị trung bình độ lệch chuẩn tọa độ trạm sở đo thí nghiệm tĩnh 34  Độ lệch vị trí trạm sở đo thí nghiệm tĩnh .34  Độ lệch vị trí trạm động đo trạng thái tĩnh thí nghiệm động .34  Đặc tính kỹ thuật số loại máy thu GPS 38  vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Thuật ngữ viết tắt Diễn giải DGPS Differential GPS GPS Global Positioning System GNSS Global Navigation Satellite System PPP Precise Point Positioning RTK Real-Time Kinematic SBAS Satellite-Based Augmentation Systems vii TÓM LƯỢC Đề tài “Tích hợp thiết bị định vị toàn cầu cho máy bay trực thăng mô hình cánh quạt dùng để thu thập không ảnh” nghiên cứu vấn đề định vị tích hợp thiết bị định vị toàn cầu cho máy bay trực thăng mô hình nhằm sớm đưa loại máy bay vào ứng dụng thu thập không ảnh, giám sát môi trường, v.v theo hành trình định trước Đề tài quan tâm đặc biệt đến độ xác định vị với máy thu GPS, ăng ten GPS thông dụng, có giá thành thấp Từ đó, đề tài đưa lựa chọn máy thu ăng ten thu phù hợp, trình bày nghi thức giao tiếp với máy thu để tích hợp vào mạch điều khiển bay máy bay trực thăng mô hình cánh quạt sẵn có từ đề tài nghiên cứu trước đồng thời đưa giải pháp để việc định vị máy bay có độ xác chấp nhận với giải pháp nâng cao độ xác Kết thực nghiệm cho thấy sai số định vị đạt yêu cầu đặt (nhỏ mét) đồng thời mở hướng giảm sai số định vị xuống cấp độ decimet ABSTRACT This project, entitled “Implementing GPS module for quadrotor for capturing aerial images” studied about positioning using GNSS and implementing GPS modules for quadrotors so that they can be applied in aerial imaging, environmental monitoring, etc., with predefined itinerary The project especially focused on the positioning precision with low-cost and common GPS receivers and antennas In the project, guidelines for GPS receivers and antennas have been proposed The interface protocol of the selected GPS receiver has been introduced to implement the receiver to the flight controller of the quadrotor which is the product of the previous project In addition, a method to achieve the acceptable positioning precision as well as to improve the positioning precision has been proposed Experimental results showed that the positioning precision was within meters, which satisfied the goal of the project, and showed the possibility of improving the positioning precision to decimeter level viii TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ Đơn vị: Khoa Công Nghệ THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: - Tên đề tài: Tích hợp thiết bị định vị toàn cầu cho máy bay trực thăng mô hình cánh quạt dùng để thu thập không ảnh - Mã số: T2014-01 Chủ nhiệm: TS Nguyễn Chánh Nghiệm Cơ quan: Khoa Công Nghệ, Trường Đại học Cần Thơ Thời gian thực hiện: Từ ngày 01 tháng 04 năm 2014 đến ngày 31 tháng 12 năm 2014 Mục tiêu: - Tích hợp hệ thống định vị toàn cầu cho máy bay trực thăng cánh quạt để thu thập ảnh vị trí mong muốn Tính sáng tạo: - Định vị yêu cầu tất yếu cho máy bay bay theo hành trình tự động Nghiên cứu quan tâm đặc biệt đến độ xác việc định vị để sớm ứng dụng loại máy bay thu thập không ảnh, giám sát môi trường, v.v Kết nghiên cứu ứng dụng nhiều lĩnh vực điều khiển tự động khác ứng dụng nông nghiệp xác Kết nghiên cứu: - Chọn lựa loại thiết bị định vị GPS thông dụng có đặc tính kỹ thuật phù hợp Tìm hiểu nghi thức giao tiếp với thiết bị định vị GPS để tích hợp vào máy bay cánh quạt có từ kết nghiên cứu trước Đánh giá sai số tĩnh và/hoặc động thiết bị định vị GPS sau tích hợp Tìm hiểu giải thuật bay tự động theo hành trình định trước sử dụng tọa độ thu từ máy thu GPS Thực nghiệm viết báo cáo khoa học bao gồm báo cáo tổng kết đề tài báo gửi tạp chí nước có mã số ISSN Đang hướng dẫn 02 đề tài luận văn tốt nghiệp đại học ix Báo cáo tổng kết đề tài NCKH 2014, T2014-01 61 Đại học Cần Thơ Báo cáo tổng kết đề tài NCKH 2014, T2014-01 62 Đại học Cần Thơ Báo cáo tổng kết đề tài NCKH 2014, T2014-01 63 Đại học Cần Thơ Báo cáo tổng kết đề tài NCKH 2014, T2014-01 64 Đại học Cần Thơ Báo cáo tổng kết đề tài NCKH 2014, T2014-01 65 Đại học Cần Thơ Báo cáo tổng kết đề tài NCKH 2014, T2014-01 66 Đại học Cần Thơ Báo cáo tổng kết đề tài NCKH 2014, T2014-01 67 Đại học Cần Thơ Báo cáo tổng kết đề tài NCKH 2014, T2014-01 68 Đại học Cần Thơ Báo cáo tổng kết đề tài NCKH 2014, T2014-01 69 Đại học Cần Thơ Báo cáo tổng kết đề tài NCKH 2014, T2014-01 70 Đại học Cần Thơ Báo cáo tổng kết đề tài NCKH 2014, T2014-01 71 Đại học Cần Thơ Báo cáo tổng kết đề tài NCKH 2014, T2014-01 72 Đại học Cần Thơ Báo cáo tổng kết đề tài NCKH 2014, T2014-01 73 Đại học Cần Thơ Báo cáo tổng kết đề tài NCKH 2014, T2014-01 74 Đại học Cần Thơ Báo cáo tổng kết đề tài NCKH 2014, T2014-01 75 Đại học Cần Thơ