Thiết kế bộ điều khiển mặt đất cho thiết bị bay không người lái ứng dụng cho thử nghiệm trong môi trường đặc biệt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LÊ HỒNG SƠN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MẶT ĐẤT CHO THIẾT BỊ BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI ỨNG DỤNG CHO THỬ NGHIỆM TRONG MÔI TRƯỜNG ĐẶC BIỆT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội, năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LÊ HỒNG SƠN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MẶT ĐẤT CHO THIẾT BỊ BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI ỨNG DỤNG CHO THỬ NGHIỆM TRONG MÔI TRƯỜNG ĐẶC BIỆT Chuyên ngành: Điều khiển tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS BÙI ĐĂNG THẢNH Hà Nội – Năm 2017 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Lê Hồng Sơn Đề tài luận văn: Thiết kế điều khiển mặt đất cho thiết bị bay không người lái ứng dụng cho thử nghiệm môi trường đặc biệt Chuyên ngành: Điều khiển tự động hóa Mã số SV: CA150431 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 20/01/2018 với nội dung sau: - Chỉnh sửa số lỗi tả, trình bày - Bổ sung trích dẫn tham khảo trình bày chương - Việt hóa số thuật ngữ Tiếng Anh - Bổ sung, giải thích môi trường đặc biệt luận văn - Bổ sung, giải thích lý thử nghiệm khoảng cách 1000m thay 3000m? Ngày tháng 12 năm 2017 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ kỹ thuật: “Thiết kế điều khiển mặt đất cho thiết bị bay không người lái ứng dụng cho thử nghiệm môi trường đặc biệt” tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo TS Bùi Đăng Thảnh Các số liệu kết hoàn toàn với thực tế Để hoàn thành đồ án sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép tơi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Hà Nội, ngày … tháng … năm 2017 Tác giả luận văn MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT iii DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ iv DANH MỤC BẢNG BIỂU vi MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN CHUNG VỀ THIẾT BỊ BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI, HỆ ĐIỀU KHIỂN TRÊN MẶT ĐẤT VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan chung UAV 1.1.1 Lịch sử phát triển 1.1.2 Phân loại .3 1.1.3 Vai trò UAV ứng dụng thực tế 1.2 Hệ thống điều khiển mặt đất CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN DẪN DỮ LIỆU 2.1 Hệ thống thông tin vô tuyến 2.1.1 Máy thu máy phát .9 2.1.2 Môi trường truyền tin 2.1.3 Ăng ten 10 2.2 Giới thiệu sóng RF 12 2.2.1 Tần số mang, bước sóng phổ điện từ .12 2.2.2 Kỹ thuật điều chế tín hiệu 14 2.3 Phát sửa lỗi truyền dẫn liệu sóng RF 18 2.3.1 Giới thiệu 18 2.3.2 Các loại lỗi bit .19 2.3.3 Phát lỗi 19 2.3.4 Sửa lỗi 22 i CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN TRÊN MẶT ĐẤT UAV 26 3.1 Yêu cầu thiết kế 26 3.2 Thiết kế phần cứng máy phát lệnh 26 3.2.1 Sơ đồ khối tổng quan 26 3.2.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lý hệ thống 27 3.2.3 Thiết kế mạch in 33 3.3 Thiết kế phần cứng mạch thu 35 3.3.1 Sơ đồ khối mạch thu tín hiệu 35 3.3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch thu 36 3.3.3 Thiết kế sơ đồ mạch in, vỏ hộp sản phẩm 37 3.4 Thiết kế phần mềm hệ thống .39 3.4.1 Lưu đồ thuật toán tay cầm điều khiển 39 3.4.2 Lưu đồ thuật toán bên thu 44 CHƯƠNG THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 49 4.1 Đo thử nghiệm, đánh giá thời gian trễ tín hiệu truyền nhận .49 4.2 Đo thử nghiệm, đánh giá tỉ lệ lỗi truyền tin 49 4.3 Đo thử nghiệm hoạt động thực tế 51 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 PHỤ LỤC 56 ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT TỪ VIẾT TẮT NGHĨA TIẾNG ANH NGHĨA TIẾNG VIỆT Máy bay không người lái UAV Unmanned Aerial Vehicle GCS Ground Control Station IMU Inertial Measurement Unit Cảm biến góc quay RC Radio Controlled Bộ điều khiển qua sóng radio RF Radio Frequency Tần số sóng radio RSSI Received Signal Strength Indicator Cường độ tín hiệu UADS Unmanned Aircraft Defense System UAS Unmanned Aircraft System UHF Ultra High Frequency VHF Very High Frequency VTOL Vertical Take-Off and Landing UAV cất hạ cánh thẳng đứng GHz Giga-Hertz Đơn vị tần số MHz Mega-Hertz Đơn vị tần số Mbps Millions of bits per second Đơn vị đo tốc độ truyền dẫn liệu GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu HALE High Altitude, Long Endurance UAV bay lâu – độ cao lớn HF High Frequency HID Human-Interface Device Giao diện người máy IO Input/Output Cổng tín hiệu vào SL Signal Latency Độ trễ tín hiệu Trạm điều khiển mặt đất Hệ thống phịng thủ máy bay khơng người lái Hệ thống máy bay không người lái Tần số cực cao nằm khoảng 300 MHz tới GHz Tần số cao dải tần số radio từ 30 đến 300 MHz Tần số vô tuyến nằm khoảng tới 30 MHz iii DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Máy bay Sperry Aerial Torpedo Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống điều khiển UAV Hình 1.3: Trạm điều khiển mặt đất động (PORTABLE GROUND CONTROL STATION) Hình 1.4: The “FlightGear” application [2] Hình 1.5: Sơ đồ kết nối UAV máy phát lệnh điều khiển Hình 1.6: Máy phát lệnh T6J Hình 2.1: Hình tượng hóa mơi trường vùng truyền song 10 Hình 2.2: Mối tương quan tăng ích Ăng ten vơ hướng VBW 2.1 dBi (0 dBd) = 75º VBW 5.1 dBi (3 dBd) = 33º VBW 8.1 dBi (6 dBd) = 17º VBW 11 Hình 2.3: Mối tương quan tăng ích Ăng ten định hướng VBW 8.1 dBi (6 dBd) = 70º VBW 11.1 dBi (9 dBd) = 55º VBW 15.1 dBi (13 dBd) = 35º VBW 11 Hình 2.4: Minh họa hệ thống truyền phát không dây RF 12 Hình 2.5: Phổ tần chia thành dải tần 13 Hình 2.6: (a) điều chế biên độ, (b) điều chế tần số 15 Hình 2.7:Dạng sóng điều chế ASK 16 Hình 2.8: Dạng sóng điều chế PSK 17 Hình 2.9: Dạng sóng điều chế FSK 18 Hình 2.10: Lỗi bit trình nhận liệu 19 Hình 2.11: Phương pháp sử dụng bit dư thừa 20 Hình 2.12: Quá trình kiểm tra lỗi CRC 21 Hình 3.1: Sơ đồ khối tay điều khiển 27 Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển 27 Hình 3.3: Sơ đồ chân Atmega 32 (a) DIP, (b) TQFP 29 Hình 3.4: Module RFM22 ISM 30 Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý khối phát RF 30 Hình 3.6: Sơ đồ khối nguồn 31 Hình 3.7: Pin UltraFire 31 Hình 3.8:Sơ đồ chân TLV1117-33 32 iv Hình 3.9:Nút nhấn đa hướng (joystick) 32 Hình 3.11: Chức tay điều khiển JoyStick 32 Hình 3.12:Sơ đồ nguyên lý khối Joystick 33 Hình 3.13: Hình vẽ 3D mạch tay cầm điều khiển 34 Hình 3.14:Sơ đồ mạch in tay điều khiển 34 Hình 3.15: Sơ đồ khối phần nhận tín hiệu 35 Hình 3.16: Sơ đồ nguyên lý mạch thu 36 Hình 3.17: Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển động Servo 36 Hình 3.18: Hình vẽ 3D mạch thu UAV 37 Hình 3.19: Sơ đồ mạch in module thu RF 37 Hình 3.20:Lưu đồ thuật tốn tay phát 39 Hình 3.21: Sơ đồ kết nối giao thức SPI 40 Hình 3.22: Lưu đồ thuật tốn thu tín hiệu RF 44 Hình 4.1: Xung điều khiển kênh Joystick trạng thái tự nhiên 51 Hình 4.2: Xung điều khiển kênh gạt Joystick xuống tới giới hạn 52 Hình 4.3: Xung điều khiển kênh gạt Joystick lên tới giới hạn 52 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Bảng dải tần số 13 Bảng 2.2: Cách tính bit chẵn lẻ mã Hamming 23 Bảng 2.3: Kiểm tra bit chẵn lẻ 23 Bảng 2.4: Tính giá trị bit chẵn lẻ 24 Bảng 3.1: Định dạng khung tin 41 Bảng 3.2: Khung tin thêm mã kiểm tra lỗi CRC 41 Bảng 4.1: Bảng kết phép thử khoảng cách thu phát 49 Bảng 4.2: Bảng đánh giá tỉ lệ lỗi tin truyền chưa sử dụng thuật toán sửa lỗi 50 Bảng 4.3: Bảng đánh giá tỉ lệ lỗi tin truyền có sử dụng thuật tốn sửa lỗi 50 vi Hình 4.2: Xung điều khiển kênh gạt Joystick xuống tới giới hạn Hình 4.3: Xung điều khiển kênh gạt Joystick lên tới giới hạn 52 Nhận xét: Xung điều khiển đạt độ xác tần số 62.5 Hz, chu kỳ 16 ms Độ rộng xung thay đổi dải từ 7.2% đến 11.9% điều khiển động Servo quay quanh vị trí cân góc giới hạn khoảng 40 độ hai phía Kết luận: Các kết thử nghiệm cho thấy điều khiển mặt đất hoạt động tốt môi trường thử nghiệm tốc độ đáp ứng lệnh điều khiển (