Bài viết đề xuất một mô hình mô phỏng UAV dựa trên kỹ thuật Software-in-the-Loop-simulation (SITL) để kiểm thử chất lượng bộ điều khiển bay, đặc biệt giảm sai hỏng và chi phí ban đầu cho quá trình phát triển hệ thống. Từ đó, các giải thuật bay sẽ được áp dụng trong một số ứng dụng quân sự.
Thơng tin khoa học cơng nghệ KỸ THUẬT MƠ PHỎNG MÁY BAY KHƠNG NGƯỜI LÁI VÀ ÁP DỤNG THUẬT TỐN TRONG CÁC ỨNG DỤNG QUÂN SỰ Nguyễn Tuấn Minh1*, Nguyễn Đăng Khoa2, Vũ Văn Long2 Tóm tắt: Khác với hệ thống robot mặt đất (UGV), trình xây dựng phát triển mơ hình máy bay khơng người lái cần chi phí lớn, độ rủi trình thử nghiệm lớn Do đó, báo đề xuất mơ hình mơ UAV dựa kỹ thuật Software-in-the-Loop-simulation (SITL) để kiểm thử chất lượng điều khiển bay, đặc biệt giảm sai hỏng chi phí ban đầu cho q trình phát triển hệ thống Từ đó, giải thuật bay áp dụng số ứng dụng quân Từ khóa: PX4; UAV; Simulation; Software-in-the-Loop-simulation (SITL) ĐẶT VẤN ĐỀ Loại UAV quad-rotor sử dụng rộng rãi cấu trúc đơn giản, dễ dàng xây dựng, điều khiển hoạt động linh hoạt khu vực nhỏ Tuy nhiên, việc xây dựng hệ thống UAV hồn chỉnh khơng đơn giản tồn nhiều rủi sai số thiết kế chi tiết phần cứng, thuật tốn hoạt động khơng ổn định, q trình hoạt động gây tai nạn ngồi ý muốn Những sản phẩm UAV thương mại trải qua trình kiểm nghiêm ngặt trước thị trường Trong đó, q trình kiểm nghiệm sản phẩm UAV tự thiết kế gần Để giải vấn đề này, báo đề xuất giải pháp sử dụng kỹ thuật Software-in-the-Loop-simulation (SITL) để kiểm định chất lượng thiết kế khung máy bay, điều khiển đặc biệt giảm thiểu sai hỏng chi phí ban đầu phát triển hệ thống Trên thực tế SITL thường cấu hình sử dụng với Matlab/Simulink [1] PX4 [2, 3] để phát triển thuật tốn điều khiển UAV PX4 có nhiều ưu điểm so với Simulink mã nguồn mở với nhiều thư viện cho phép phát triển nhiều tảng robot UAV UGV Sự kết hợp PX4 SITL cho phép dễ dàng việc đảm bảo an tồn giảm thiểu sai sót qúa trình thiết kế UAV THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN QUAD-ROTOR UAV VÀ MÔ PHỎNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT SITL Bài báo đề xuất điều khiển cho UAV dựa mã nguồn mở PX4 [2, 3] hình Ngồi ra, PX4 biên dịch chạy phần cứng Pixhawk [4], phần cứng phổ biến cho ứng dụng UAV Bộ điều khiển thiết kế nhằm giúp UAV bay đến vị trí GPS cho sẵn (waypoint) mơ đồ thực tế Hình Thiết kế điều khiển tới waypoint cho UAV MÔ PHỎNG UAV TRÊN KỸ THUẬT SOFTWARE IN THE LOOP SIMULATION Để thực chuyến bay thực UAV, q trình mơ cần thực để đảm bảo tính xác thuật tốn điều khiển chức UAV Việc mô dựa kỹ thuật SITL áp dụng nhằm kiểm thử điều khiển minh họa hình 158 N T Minh, N Đ Khoa, V V Long, “Kỹ thuật mô … ứng dụng quân sự.” Thơng tin khoa học cơng nghệ Hình Sơ đồ thiết kế SITL cho kiểm thử UAV Trong đó: QGroundControl (QGC) phần mềm sử dụng để giám sát, lập kế hoạch thực thi nhiệm vụ bay cho mã nguồn PX4 Drone-kit mã nguồn mở, xây dựng tảng Python, mã nguồn cho phép mơ mơ hình UAV cung cấp liệu cảm biến cần thiết GPS IMU Đồng thời, Drone-kit cho phép nhận tín hiệu điều khiển tới UAV mơ hình xây dựng mã nguồn mở Để thực SITL, khối kết nối với thông qua kết nối mạng Ở đây, báo sử dụng giao thức UDP với định nghĩa cổng kết nối khác KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ÁP DỤNG THỰC TẾ Bài báo sử dụng QGC để thiết lập waypoint cho thuật tốn điều khiển Như hình 3, bốn waypoints thiết lập Sau tải waypoint khởi động UAV, kết hình 4, UAV đến waypoint định sẵn hoàn thành nhiệm vụ waypoint cuối Điều chứng tỏ, điều khiển thiết kế có có hiệu cao, đáp ứng nhu cầu bay cho UAV Không thế, mô dựa kỹ thuật SITL cịn mơi trường kiểm thử thuật tốn bay cho UAV Hình Waypoint thiết lập cho UAV Hình UAV tới waypoint thiết lập Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 72, 04 - 2021 159 Thông tin khoa học công nghệ Sau kiểm thử thuật toán điều khiển điều kiện khác đáp ứng yêu cầu tính ổn định, độ xác Nhóm tác giả tiến hành áp dụng UAV số ứng dụng quân Cụ thể, camera có khoảng cách nhìn 500m tích hợp lên máy bay, đồng thời hệ thống treo thả bom cài đặt cấu khung máy bay (a) Cất cánh dị tìm mục tiêu (b) Dị tìm bay tới mục tiêu (c) Thả bom Hình Máy bay khơng người lái truy tìm mục tiêu, bay tới thả bom Khi máy bay cất cánh, tìm vị trí mục tiêu thơng qua hệ camera, từ tính tốn tọa độ GPS truyền lệnh để UAV bay tới mục tiêu thả bom vị trí mục tiêu Kết nhận dạng thả bom thể hình 5 KẾT LUẬN Bài báo đề xuất sử dụng mơ hình mơ cho UAV quad-rotor dựa kỹ thuật SITL Trong đó, nhóm tác giả thực sửa đổi điều khiển dựa mã nguồn mở PX4 nhằm di chuyển UAV tới waypoint định sẵn đồ sử dụng phần mềm trạm mặt đất QGC, Drone-kit, GPS IMU Kết thu cho thấy, mơ hình SITL hồn tồn sử dụng để kiểm thử điều khiển bay Do đó, SITL khơng sử dụng để mơ cho UAV mà cịn mơ cho nhiều loại robot khác nhằm đảm bảo tính xác, kiểm thử tiết kiệm chi phí sai hỏng trình phát triển sản phẩm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Moon, Sangwoo (Department of Aerospace and Mechanical Engineering, Korea Air Force Academy) “Implementation of a X-Plane and MATLAB/Simulink based Simulation System for Multiple UAVs” Received : 2013.02.20 Accepted : 2013.03.15 Published : 2013.05.01 [2] Jesús García & Jose M Molina, “Simulation in real conditions of navigation and obstacle avoidance with PX4/Gazebo platform”, Personal and Ubiquitous Computing (2020) [3] Lorenz Meier, Dominik Honegger, and Marc Pollefeys “PX4: A node-based multithreaded open 160 N T Minh, N Đ Khoa, V V Long, “Kỹ thuật mô … ứng dụng quân sự.” Thông tin khoa học công nghệ source robotics framework for deeply embedded platforms” In: 2015 IEEE international conference on robotics and automation (ICRA) IEEE 2015, pp 6235–6240 [4] Khoa Dang Nguyen, Nguyen Trong Thang, and Cheolkeun Ha, “Graph-SLAM Based Hardware-inthe-Loop Simulation for Unmanned Aerial Vehicles Using Gazebo and PX4 Open Source”, International Conference on Intelligent Computing, 2019 ABSTRACT SIMULATION TECHNIQUE FOR DRONES WITH APPLIED ALGORITHM FOR MILITARY USE Unlike unmanned ground vehicles (UGV), building and developing unmanned aircraft models is costly and risky, especially during testing Therefore, this article proposes a UAV simulation model based on the Software-in-the-Loop (SITL) method for testing the quality of flight controllers, especially to reduce defects and initial costs for the system development process As a result, the flight algorithms inherited from simulation shall be applied in a number of military applications Keywords: PX4; UAV; Simulation; Software-in-the-Loop-simulation (SITL) Nhận ngày 23 tháng 12 năm 2020 Hoàn thiện ngày 17 tháng 01 năm 2021 Chấp nhận đăng ngày 12 tháng năm 2021 Địa chỉ: 1Viện Điện tử - Viện Khoa học Công nghệ quân sự; Đại học Phenikaa *Email: ntminh.telecom@gmail.com Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 72, 04 - 2021 161 ... nhiệm vụ waypoint cuối Điều chứng tỏ, điều khiển thiết kế có có hiệu cao, ? ?áp ứng nhu cầu bay cho UAV Không thế, mô dựa kỹ thuật SITL cịn mơi trường kiểm thử thuật tốn bay cho UAV Hình Waypoint thiết... KH&CN quân sự, Số 72, 04 - 2021 159 Thông tin khoa học công nghệ Sau kiểm thử thuật toán điều khiển điều kiện khác ? ?áp ứng yêu cầu tính ổn định, độ xác Nhóm tác giả tiến hành áp dụng UAV số ứng dụng. .. qua kết nối mạng Ở đây, báo sử dụng giao thức UDP với định nghĩa cổng kết nối khác KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ÁP DỤNG THỰC TẾ Bài báo sử dụng QGC để thiết lập waypoint cho thuật tốn điều khiển Như hình