LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP XÂY DỰNG TRẠM MẶT ĐẤT VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY BAY CÁNH BẰNG KỸ SƯ NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG LÊ VĂN CHỨC LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP XÂY DỰNG TRẠM MẶT ĐẤT VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY BAY CÁNH BẰNG KỸ SƯ NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA TP HỒ CHÍ MINH, 2016 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG LÊ VĂN CHỨC – 41200388 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP XÂY DỰNG TRẠM MẶT ĐẤT VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY BAY CÁNH BẰNG KỸ SƯ NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TS NGUYỄN VĨNH HẢO TP HỒ CHÍ MINH, 2016 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Độc lập - Tự - Hạnh phúc BỘ MÔN: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TP HCM, ngày….tháng… năm…… NHẬN XÉT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Tên luận văn: XÂY DỰNG TRẠM MẶT ĐẤT VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY BAY CÁNH BẰNG Nhóm Sinh viên thực hiện: Lê Văn Chức Cán hướng dẫn: 41200388 TS Nguyễn Vĩnh Hảo Đánh giá Luận văn Về báo cáo: Số trang Số chương _ Số bảng số liệu Số hình vẽ _ Số tài liệu tham khảo Sản phẩm _  Một số nhận xét hình thức báo cáo: Về nội dung luận văn: Về tính ứng dụng: Về thái độ làm việc sinh viên: Đánh giá chung: Luận văn đạt/không đạt yêu cầu luận văn tốt nghiệp kỹ sư, xếp loại Giỏi/ Khá/ Trung binh Điểm sinh viên: Lê Văn Chức: ………/10 Người nhận xét (Ký tên ghi rõ họ tên) TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Độc lập - Tự - Hạnh phúc BỘ MÔN: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TP HCM, ngày….tháng… năm…… NHẬN XÉT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN Tên luận văn: XÂY DỰNG TRẠM MẶT ĐẤT VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY BAY CÁNH BẰNG Nhóm Sinh viên thực hiện: Lê Văn Chức Cán phản biện: 41200388 Đánh giá Luận văn Về báo cáo: Số trang Số chương _ Số bảng số liệu Số hình vẽ _ Số tài liệu tham khảo Sản phẩm _  Một số nhận xét hình thức báo cáo: Về nội dung luận văn: Về tính ứng dụng: Về thái độ làm việc sinh viên: Đánh giá chung: Luận văn đạt/không đạt yêu cầu luận văn tốt nghiệp kỹ sư, xếp loại Giỏi/ Khá/ Trung bình Điểm sinh viên: Lê Văn Chức: ………/10 Người nhận xét (Ký tên ghi rõ họ tên) LỜI CẢM ƠN Trải qua tháng thực hiện, vận dụng kiến thức truyền đạt bên cạnh học hỏi thêm nhiều điều, luận văn em hoàn tất Để có thành cơng khơng riêng cơng sức em bỏ ra, mà cịn có dạy dỗ cha mẹ, bảo thầy cô, giúp đỡ bạn bè Lời cảm ơn đầu tiên, em xin gửi đến thành viên gia đình em, bố mẹ chị dùng tình u thương chăm sóc em, động viên em lúc khó khăn lúc thực đề tài, ln bên cạnh em lúc vui buồn Bên cạnh em xin gửi đến tồn thể thầy khoa Điện – Điện tử nói chung mơn tự động nói riêng, truyền đạt, bảo, ni dưỡng cho em kiến thức bổ ích, cần thiết Đây tảng để em hồn thành luận văn, hành trang sau để em vững bước, hịa nhập mơi trường làm việc thực tế Và đặc biệt hơn, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy TS Nguyễn Vĩnh Hảo, người dìu dắt dạy, động viên, gợi ý ý tưởng, hướng dẫn kiến thức chuyên môn cần thiết, chuyên sâu cần thiết cho đề tài luận văn, nhờ mà em hồn thành Trân trọng TP.HCM, 16 tháng 12 năm 2016 Sinh viên thực Lê Văn Chức TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Độc lập - Tự - Hạnh phúc BỘ MÔN: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TP HCM, ngày….tháng… năm…… ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT TÊN ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG TRẠM MẶT ĐẤT VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY BAY CÁNH BẰNG Cán hướng dẫn: TS Nguyễn Vĩnh Hảo Thời gian thực hiện: Từ ngày 1/8/2016 đến ngày 31/12/2016 Sinh viên thực hiện: LÊ VĂN CHỨC – 41200388 Nội dung đề tài: Xây dựng trạm mặt đất có tích hợp đồ offline để hiển thị thông số máy bay theo thời gian thực Hiện tọa độ máy bay đồ, vẽ lại quỹ đạo, đồng thời lưu trữ lại liệu bay phục vụ cho mục đích sau Xây dựng hình để cài đặt thơng số điều khiển máy bay, nhập tọa độ đường cho máy bay Điều khiển máy bay giữ độ cao qua điểm cho trước đồ Phương pháp thực hiện: Sử dụng phần mềm visual studio 2015 kết hợp với Maps Windows 10 vận dụng ngôn ngữ C# để thiết kế trạm mặt đất hiển thị trạng thái, tọa độ máy bay theo thời gian thực, gửi thơng số điều khiển q trình bay Vận dụng mạch chuyển chế độ tự động – tay Ở chế độ tự động, máy bay tự điều khiển giữ độ cao theo quỹ đạo Kết mong đợi:  Xây dựng thành công trạm mặt đất hiển thị tất thơng số q trình bay  Điều khiển máy bay tự động giữ thăng độ cao với thông số cài đặt online từ trạm điều khiển mặt đất  Điều khiển máy bay bay theo quỹ đạo cho trước Kế hoạch thực hiện: TT Công việc Xác định đề tài, công việc cần làm, lên lịch làm việc Đọc tài liệu GPS, Flight management system, Maps Offline Thời gian thực 01/08 – 10/08 09/08 – 20/08 Phát Windows 10 có hỗ trợ đồ offline, định viết ứng dụng Windows 10 dùng 20/08 – 25/08 visual studio 2015, ngôn ngữ C# Vẽ đường thẳng, đường tròn, đa giác, chữ map, tính khoảng cách góc điểm có 25/09 – 05/09 tọa độ Tìm hiểu cấu trúc liệu GPGGA GPVTG Dữ liệu lấy từ thiết bị thầy Viết code truyền nhận data dùng UART, đọc liệu online 05/09 – 10/09 10/09 – 17/09 Vẽ thị góc roll, pitch, yaw, độ cao, tốc độ Hiện tọa độ máy bay đồ, vẽ quỹ đạo 12/10 – 01/11 máy bay Bay thử nghiệm kiểm tra khoảng cách truyền nhận RF Kiểm lại mạch chuyển manual - auto anh khóa để lại 10 Tạo Tab, Tab cài đặt thông số, Tab hiển thị liệu 11 01/11 – 05/11 05/11 – 11/11 11/11 – 15/11 Viết Code STM32F5 có nhiệm vụ nhận liệu từ cảm biến IMU/GPS sau gửi liệu xuống trạm 15/11 – 18/11 mặt đất 12 Truyền liệu Ki, Kp, Kd, Setpoint trạm mặt đất vi điều khiển có kiểm tra checksum 13 Xây dựng thực thuật tốn PID điều khiển góc Roll, Pitch, Yaw, Độ cao 14 Dùng thuật toán Stanley điều khiển máy bay bám theo quỹ đạo cho trước 15 15/11 – 20/11 20/11 – 01/12 01/11 – 10/12 Bay thử nghiệm kiểm tra thuật tốn, chỉnh thơng số Kp, Ki, Kd online, kiểm tra trình 10/11 – 25/12 bám quỹ đạo máy bay Xác nhận Cán hướng dẫn TP HCM, ngày….tháng … năm… Sinh viên Xây dựng trạm mặt đất điều khiển máy bay cánh  Mơ lại q trình bay từ liệu cho trước Hình 6.4: Chương trình đọc file txt mơ lại q trình bay  Các nút nhấn tùy chỉnh tốc độ, tùy chọn thời gian mô  Tìm kiếm địa điểm đồ, chọn chế độ zoom  Nút nhấn tạm dừng chương trình để phân tích liệu Hình 6.5: Các chức tùy chỉnh menu trạm mặt đất 63 Xây dựng trạm mặt đất điều khiển máy bay cánh  Lưu liệu vào file text để tiện cho việc theo dõi Hình 6.6: Yêu cầu lựa chọn nơi lưu liệu bắt đầu chương trình 64 Xây dựng trạm mặt đất điều khiển máy bay cánh Luận văn xây dựng trạm điều khiển giúp cài đặt thông số thời gian thực cho trình bay Hình 6.7: Cài đặt các thông số PID, chỉnh đáp ứng  Cài đặt quỹ đạo trực tiếp máy bay đạt độ cao cần thiết Hình 6.8: Quỹ đạo bay hình lục giác vị trí máy bay 65 Xây dựng trạm mặt đất điều khiển máy bay cánh 6.1.2 Sản phẩm phần cứng  Tìm hiểu sử dụng thành cơng mạch chuyển manual - auto sử dụng FPGA anh khóa chế tạo Hình 6.9: Mạch chuyển manual-auto V1.2  Xây dựng thành cơng mơ hình máy bay cánh với thông số: Model name variant: Sky Surfer, Bixler and etc Material build: EPO foam Wingspan: 1400mm Length: 925mm Stock airframe weight: 650gram Full FPV flying weight: 1000~1300gram Aileron: 2x 9g servo HXT900 Elevator: 1x 9g servo HXT900 Rudder: 1x 9g servo HXT900 ESC: 20~30A Motor: Stock* External BEC: UBEC 5V/3A 66 Xây dựng trạm mặt đất điều khiển máy bay cánh Proppeller: APC style 6x4/5x5/6x5 Radio receiver: Futaba 8ch Radio receiver antenna: Stock Omni Battery: 1x 2200mah 3s 35c Center Gravity: 1/3 from the front leading edge of the wing Altitude: 365m Velocity: 60 km/h Hình 6.10: Mơ hình máy bay cánh hồn chỉnh  Kết nối tương tác hoàn thiện cảm biến IMU/GPS, board điều khiển, mạch truyền nhận liệu RF, receiver, động pin Tất thiết bị nằm gọn buồng lái máy bay 67 Xây dựng trạm mặt đất điều khiển máy bay cánh Hình 6.11: Mơ hình máy bay với đầy đủ thiết bị Xây dựng thành công giải thuật điều khiển giữ thăng bằng, độ cao dựa vào thuật toán PID Điều khiển máy bay giữ độ cao bay theo quỹ đạo 6.1.3 Tiến hành bay thử nghiệm Địa điểm thử nghiệm đường M1, phường Bình Hưng Hịa, quận Bình Tân, Tp Hồ Chí Minh, Việt Nam Lần bay Mục đích Tình trạng Hướng giải Lần đầu: Kiểm tra khả Kết nối Remote Thay đổi phát thu Gắn đáp ứng thời gian Control Receiver RF thành SV611 có cảm biến thực trạm mặt tốt, khơng bị công suất lớn IMU/GPS lên bay đất, khoảng cách xa liên lạc, RF máy mà Remote bị kết nối liên tục Chỉ Control kết nối với 68 Xây dựng trạm mặt đất điều khiển máy bay cánh điều khiển Receiver, độ cao, vận tay tốc mà máy bay đạt tới Tìm khoảng cách xa mà RF liên lạc với Cuối tháng Kiểm 10/2016 tra khoảng Dữ liệu RF ổn định, Tối ưu hóa code, thay cách truyền khơng bị kết nối đổi tồn cách hiển thị RF khả Lưu liệu vào thẻ góc roll, pitch, yaw, đáp ứng thời gian nhớ thành công, vận tốc, độ cao từ cách thực trạm mặt trạm mặt đất xóa vẽ lại hiển thị đất Thực lưu xử lý liệu khơng có liệu sang liệu cảm biến kịp, không đáp ứng cách xoay hình ảnh IMU/GPS vào nhớ Ngày thẻ thời gian thực có sẵn, làm cho thời gian liệu không liên tục xử lý liệu ngắn lại Kiểm tra đáp ứng Mạch chuyển chế độ Thay đổi cách xử lý 13/11, có thời gian thực tay sang tự động liệu IMU/GPS từ cách gắn thiết bị trạm mặt đất, hoạt ngược lại hoạt dùng ngắt chu kỳ 2ms điều khiển động tự động chuyển mạch động tốt, trạm mặt đọc liệu sang chế manual- đất đáp ứng thười độ đọc liên tục buffer auto, chế độ lái tự gian thực máy DMA UART_Sensor động STM32F4 khiển mạch bay ổn định đến xuất ký tự điều chuyển qua chế độ tự ‘\r’ bắt đầu xử lý, lấy động, nhào lộn giá trị cần thiết cho xuống mặt đất trình điều khiển tự động Ngày Kiểm tra cách xử lý Quá trình xử lý Qua trình kiểm tra, 27/11, gắn liệu cách liệu lấy liệu nhận thấy chuyển điều khiển đọc liên tục đệm hồn tồn xác qua chế độ auto điện 69 Xây dựng trạm mặt đất điều khiển máy bay cánh tự động DMA chạy ổn định cánh vi điều khiển áp cảm biến góc khơng Kiểm tra chế khơng bị ổn định IMU/GPS bị sụt làm cho độ lái tựu động chuyển cảm biến chạy không mạch STM32F4 điều qua chế độ auto xác Em tiến hành khiển ngõ điều khiển lắp hai nguồn: PID đạt giá trị lớn nguồn cho vi điều nhất, làm máy bay khiển Servo, thăng bằng, lượn cho cảm biến vòng xuống đất IMU/GPS RF nhanh Ngày Kiểm tra khả Máy bay có xuất Có phương án giải 03/12 giữ thăng tình trạng ổn vấn đề: Một giữ độ cao máy định, lao thẳng xuống trước chuyển qua bay, đáp ứng hệ đất Các góc cánh chế độ tự động, ta điều thống với thông máy bay giữ khiển tay cho máy số online cài đặt giá trị thời bay gần đạt trạng thái điểm manualauto, thăng bằng, chuyển trình bay giữ độ cao cách sang chế độ tự động ta thay đổi tốc độ BLDC lấy giá trị đặt cho góc Khi độ cao roll góc pitch độ, thấp setpoint, sau tiến hành điều máy bay bay nhanh khiển động BLDC để hơn, góc pitch giữ độ cao dựa vào độ giữ khơng đổi cao hồi tiếp từ tín hiệu làm máy bay nhanh GPS Hai là, ta tiến phía mặt đất hành điều khiển góc giá trị đặt góc pitch để giữ vận tốc máy pitch nhỏ bay điều khiển động để giữ độ cao cho máy bay 70 Xây dựng trạm mặt đất điều khiển máy bay cánh Ngày Kiểm tra chế độ giữ Máy bay giữ thăng Tiến hành đọc độ rộng 10/12 độ cao cho máy bay tốt không xung chân CH3 điều khiển giữ tự Receiver Khi chuyển động độ cao, chế độ sang tự động, giá giữ độ cao máy bay trị giá trị đầu cho giữ giá trị điều khiển PID theo góc roll độ, độ cao, giúp cho tốc độ cịn máy bay tăng động khơng bị thay tốc, hạ độ cao, lao đổi đột ngột thẳng xuống mặt đất Ngày Gắn camera 11/12 máy bay để lấy nét lưu trực tiếp trực tiếp từ camera liệu không Dữ liệu camera rõ Cố gắng truyền liệu vào thẻ nhớ, không trạm mặt đất để quan truyền trạm mặt sát đối tượng đất mặt đất phạm vi tầm ngắm máy bay Ngày 14/1 Kiểm tra chế độ tự Khi máy bay gần vị trí Điều chỉnh lại thông động giữ độ cao cân bằng, ta chuyển số PID để sai số góc roll máy bay sang chế độ tự động, pitch nhỏ Tiến máy bay giữ thăng hành đọc độ rộng xung bằng, với sai số góc chân CH1, CH2 roll, pitch độ cao Receiver để chuyển chấp nhận Kết sang chế độ tự động ta mong đợi, máy lấy giá trị làm giá trị bay giữ đầu cho hàm PID Như thăng độ cao ta chuyển máy bay đến vị trí cân cách chậm rãi, từ trạng thái máy bay 71 Xây dựng trạm mặt đất điều khiển máy bay cánh Một số hình ảnh buổi thử nghiệm Hình 6.12: Phương pháp cất cánh máy bay Hình 6.13: Hình ảnh máy bay khơng trung ngày 27/11/2016 72 Xây dựng trạm mặt đất điều khiển máy bay cánh Hình 6.14: Trạm mặt đất lần bay ngày 03/12/2016 Hình 6.15: Hình ảnh chụp từ camera máy bay 73 Xây dựng trạm mặt đất điều khiển máy bay cánh Hình 6.16: Đáp ứng góc roll chuyển sang chế độ auto với giá trị đặt Hình 6.17: Đáp ứng góc pitch chế độ tự động với giá trị đặt 74 Xây dựng trạm mặt đất điều khiển máy bay cánh Hình 6.18: Đáp ứng độ cao chuyển sang chế độ lái tự động Nhận xét: Sai số so với giá trị đặt góc roll nhỏ 15 độ, góc pitch nhỏ độ với thông số: Kp = 0001, Ki = 0.0000015, Kd = 0.000001 góc roll dễ bị tác động gió nên có sai số lớn Sai số độ cao nhỏ 8m, chấp nhận cảm biến GPS cịn sai số, điều kiện mơi trường thông số cài đặt chưa phù hợp Hướng phát triển đề tài - Tăng ổn định phần nguồn cho máy bay, dùng mạch nguồn có cơng suất lớn có ổn áp - Xây dựng thuật tốn, mơ hình hóa máy bay cánh có điều kiện ngoại cảnh gió, nhiệt độ khơng khí - Xây dựng thuật tốn điều khiển máy bay giữ độ cao, bay theo quỹ đạo kết hợp nhiều vịng hồi tiếp - Cải tiến thuật tốn điều khiển quỹ đạo để máy bay qua nhiều điểm với quỹ đạo có nhiều hình dạng khác Điều khiển máy bay tự động qua điểm có vĩ độ, kinh độ độ cao cài đặt trạm mặt đất - Gắn camera máy bay tiến hành gửi trực tuyến trạm mặt đất 75 Xây dựng trạm mặt đất điều khiển máy bay cánh TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đặng Anh Tùng, "Xây dựng ước lượng góc quay ba trục," Luận văn đại học, Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh, 2012 [2] Nguyễn Xuân Thanh Hồ Nhật Tân, “Thiết kế trạm điều khiển mặt đất phục vụ điều khiển máy bay cánh bằng,” Luận văn đại học, Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh, 2014 [3] Nguyễn Đình Huân Trần Văn Quốc, "Xe phun thuốc trừ sâu tự động dựa vào hệ thống định vị đo động thời gian thực," Luận văn đại học, Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh, 2015 [4] Sebastian Thrun, "Stanley: The Robot that Won the DARPA Grand Challenge," Journal of Field Robotics, pp Journal of Field Robotics 23(9), 661–692 (2006), 2006 [5] STM32F4 Reference Manual, September, 2014 [6] STM32F4 Discovery User’s Manual, January, 2012 [7] G Baddeley, "GPS - NMEA sentence information," 2001 [Online] Available: http://aprs.gids.nl/nmea/ [8] Microsoft, "Maps and location overview," Microsoft , 19 2016 [Online] Available: https://msdn.microsoft.com/en-us/windows/uwp/maps-andlocation/index [9] Microsoft, "Universal Windows Platform (UWP) app samples," GitHub, Inc and Microsoft, 2016 [Online] Available: https://github.com/Microsoft/Windows-universal-samples [Accessed 12 2016] 76 Xây dựng trạm mặt đất điều khiển máy bay cánh [10] Ths Nguyễn Tấn Phúc., "PID Controller," Đại học Nông Lâm TP.HCM, [Online] Available: http://www2.hcmuaf.edu.vn/data/phucnt/file/bodieu-khien_pid.pdf [11] tinhte.vn, "Cơ bả n vè má y bay cá nh bà ng kênh," Cổ phần MXH Tinh tế, 2015 [Online] Available: https://tinhte.vn/threads/co-ban-ve-may-baycanh-bang-4-kenh.15546/ [Accessed 22 10 2007] 77 ...TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG LÊ VĂN CHỨC – 41200388 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP XÂY DỰNG TRẠM MẶT ĐẤT VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY BAY CÁNH BẰNG KỸ SƯ NGÀNH KỸ... TRẠM MẶT ĐẤT VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY BAY CÁNH BẰNG Nhóm Sinh viên thực hiện: Lê Văn Chức Cán hướng dẫn: 41200388 TS Nguyễn Vĩnh Hảo Đánh giá Luận văn Về báo cáo: Số trang Số chương _ Số bảng... TRẠM MẶT ĐẤT VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY BAY CÁNH BẰNG Nhóm Sinh viên thực hiện: Lê Văn Chức Cán phản biện: 41200388 Đánh giá Luận văn Về báo cáo: Số trang Số chương _ Số bảng số liệu Số