3.2.1. Thuật toán điều khiển
63
64
65
+ Bộ điều khiển PID (A proportional integral derivative controller) là bộ điều khiển
sử dụng kỹ thuật điều khiển theo vòng lặp có hồi tiếp được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động. Một bộ điều khiển PID cố gắng hiệu chỉnh sai lệch giữa tín hiệu ngõ ra và ngõ vào sau đó đưa ra một tín hiệu điều khiển để điều chỉnh quá trình cho phù hợp.
Chúng ta coi hệ thống được thiết kế hồi tiếp âm đơn vị có sơ đồ khối như sau:
Bộ điều khiển PID là một cơ chế điều khiển lặp hồi tiếp được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điều khiển do dễ sử dụng. Một bộ điều khiển PID điều chỉnh giữa giá trị biến đo được và giá trị mong muốn đạt được bằng cách tính toán và xuất ra một "tín hiệu điều chỉnh" nhanh chóng để giữ cho sai lệch ở mức nhỏ nhất có thể được.
Bộ điều khiển PID gồm 3 thông số riêng: Tỷ lệ, Tích phân và Vi phân.
- Thành phần tỉ lệ (Kp) có tác dụng làm tăng tốc độ đáp ứng của hệ, và làm giảm, chứ không triệt tiêu sai số xác lập của hệ (steady-state error). - Thành phần tích phân (Ki) có tác dụng triệt tiêu sai số xác lập nhưng có thể làm giảm tốc độ đáp ứng của hệ thống.
66
- Thành phần vi phân (Kd) làm tăng độ ổn định hệ thống, giảm độ vọt lố và cải thiện tốc độ đáp ứng của hệ.
Như vậy, từ ba thành phần (tỉ lệ, tích phân, vi phân), có thể xây dựng thêm các bộ điều khiển khác như bộ điều khiển P, bộ điều khiển PI, bộ điều khiển PD, tùy vào đối tượng tác động cụ thể mà ta sử dụng các bộ điều khiển cho thích hợp. ở đây chỉ nghiên cứu sâu về bộ điều khiển PID.
+ Bộ thông số PID dùng trên UAV
3.2.2. Sơ đồ mạch điện của hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển trên UAV cần đáp ứng các điều kiện:
Phạm vi hoạt động(km) 2-4
Thời gian hoạt động (phút) 30
Có khả năng gắn kèm Camera
Giá thành (VNĐ) 10.000.000
Hệ thống điều khiển trên UAV được sử dụng để xác định các tham số trạng thái máy bay qua đó đưa ra các lệnh điều khiển phù hợp với trương trình bay tự động được lưu trong bộ nhớ Data. Đồng thời các dữ liệu cũng được gửi về trạm mặt đất GCS thông qua bộ truyền nhận dữ liệu 2 chiều RFD900.
Mạch điều khiển trung tâm được thiết kế trên phần mềm Antium Designer 10.5, đây là phần mềm chuyên dụng để thiết kế mạch điện tử.
67
Bảng 3.1: Thông số vi xử l ATMEGA2560
Chuẩn giao tiếp I2C, SPI
Điện áp hoạt động (V) 5
Số cổng vào ra 86
Số Timer 6
Số ADC 16
Bộ nhớ EEFROM(KB) 8
Hình 3.10: Mạch vi xử l trung tâm ATMEGA2560
Hình 3.11: Khối truyền nhận dữ liệu với máy tính thông qua chip ATMEGA32U
68
b. Mạch cảm biến IMU:
Chọn cảm biến MPU 6050 với các thông số sau:
Bảng 3.2: Thông số cảm biến MPU 6050
Chuẩn giao tiếp I2C
Điện áp hoạt động (V) 2.16-3.6
Dung sai (%) +/-0.2
Dải đo của cảm biến vận tốc góc 3 trục +/-2000 Dải đo của cảm biến gia tốc góc 3 trục (g) +/-16
Hình 3.12: Cảm biến MPU 6050 (Inertial measurement unit)6 trục c.Cảm biến khí áp
Chọn cảm biến MS5611 với thông số kỹ thuật :
Bảng 3.3: Thông số cảm biến khí áp MS5611
Chuẩn giao tiếp I2C và SPI
Điện áp hoạt động (V) 1.6-3.8
Dung sai (mbar) +/-1.5
69
Hình 3.13: Cảm biến khí áp MS5611 d.La bàn số
Chọn cảm biến HMC5883L với thông số kỹ thuật:
Bảng 3.4: Thông số la bàn số HMC5883L
Chuẩn giao tiếp I2C
Điện áp hoạt động (V) 2.16-3.6
Dung sai(%) +/-5
70
Hình 3.14: La bàn số HMC5883L e. Mạch lƣu trữ dữ liệu:
Chọn IC nhớ AT45DB161D với thông số kỹ thuật :
Bảng 3.5: Thông số IC nhớ AT45DB161D
Chuẩn giao tiếp SPI
Điện áp hoạt động (V) 2.5-3.6
Dung lượng nhớ(MB) 1
71
3.2.3. Mô phỏng hệ thống điều khiển
Phần mềm Xpane phiên bản 10.023 là phần mềm mô phỏng bay với điều kiện bay gần thực tế cho phép thay đổi nhiều mẫu máy bay và sân bay khác nhau.
Hình 3.16: Sơ đồ khối hệ thống mô phỏng phần cứng
Xplane 10 cho phép gửi các thông số trạng thái của máy bay: các cảm biến góc 9 trục trên máy bay vị trí định vị theo GPS..Các thông số được đưa tới bộ điều khiển thông qua phần mềm điều khiển gửi và nhận qua cổng UDP.
Hình 3.17: Sơ đồ khối hệ thống mô phỏng phần cứng
Xplane cho phép gửi các dữ liệu mà hệ thống điều khiển cần tới phần mềm điều khiển bằng cách thiết lập trong phần cài đặt của Xplane Settings > Data Input & Output > Data Set .Khi đó ta cấu hình thông số của Xplane như sau:
72
Hình 3.18: Thiết lập tham số truyền nhận trong Xplane
Các dữ liệu Input và Output được gửi ra cổng UDP thông qua IP mạng thiết lập trên Xplane và phần mềm điều khiển GCS .
Các máy tính khi kết nối được thiết lập mạng Lan và cấu hình lại cổng gửi và nhận dữ liệu UDP trên cả phần mềm GCS và Xplane
73
Ta đã tiến hành mô phỏng các tham số điều khiển thực tế với mẫu máy bay PT60 trên Xplane đây là mẫu máy bay có kết cấu đơn giản, độ ổn định cao trong các điều kiện bay phức tạp
Hình 3.20: Mẫu thử nghiệm chế độ bay tự động: máy bay PT60 3.3. Thiết kế phần mềm điều khiển và giám sát mặt đất
3.3.1. Phần mềm điều khiển mặt đất
UAV được giám sát và điều khiển thông qua trạm điều khiển mặt đất GCS( Group Control Station) Cho phép thiết lập hành trình bay cho UAV giám sát các thông số: Tốc độ, độ cao, các giá trị của cảm biến và hành trình bay của UAV. UAV kết nối với trạm điều khiển mặt đất thông qua 1 bộ thu phát dữ liệu Radio 900 Mhz, các dữ liệu và gói lệnh điều khiển được gửi thông qua giao thức chung MAVLink(MAVLink Micro Air Vehicle Communication Protocol) giữa UAV và trạm điều khiển mặt đất.
74
Hình 3.21: Phần mềm điều khiển
Phần mềm điều khiển cho phép thay đổi các chế độ bay của UAV bao gồm: điều khiển bằng tay, bay tự động theo hành trình, chế độ bay ổn định, chế độ khôi phục cho phép quay về sân bay khi mất tín hiệu điều khiển, ngoài ra phần mềm còn cho phép lưu trữ các thông số trong suốt chuyến bay cho phép phân tích đáp ứng và độ ổn định của hệ thống.
3.3.2. Xây dựng hệ thống ch thị mục tiêu
Một trong ứng dụng điển hình của UAV đó là giám sát thời gian thực cho phép theo dõi các mục tiêu chuyển động.Thuật toán xử lý hình ảnh được sử dụng để xác định tọa độ mục tiêu trong hình ảnh thu được từ hệ thống Camera được gắn trên UAV.
Hệ thống chỉ thị mục tiêu được tích hơp trong phần mềm điều khiển cho phép UAV thực hiện các chức năng:
- Theo dõi các mục tiêu di động, cho phép lựa chọn mục tiêu theo dõi từ trạm mặt đất dựa trên các thông số kích thước và màu sắc của đối tượng, xác định các biên dạng hình học cơ bản của đối tượng trong hình ảnh thu về, đồng thời hệ thống cho phép hiển thị biểu đồ của đối tượng di động.
75
- Các chế độ theo dõi bao gồm: Bám mục tiêu di động, khoanh vùng khu vực có đối tượng chuyển động, cho phép lựa chọn khu vực quét mục tiêu trên hình ảnh thu được.
- Tự động chụp ảnh khi phát hiện các mục tiêu di động.
- Hệ thống chỉ thị mục tiêu hỗ trợ phân tích lại các video thu được từ UAV. Sơ đồ thuật toán của hệ thống chỉ thị mục tiêu:
Hình 3.22: Thử nghiệm chế độ ch thị mục tiêu 3.4. Tích hợp các hệ thống điện tử
76
Hình 3.23: Kích thƣớc mạch in sau khi thiết kế
+ Các đầu vào Input:
Hệ thống APM có 8 kênh tín hiệu PWM đầu vào: - ROLL/AILERON: điều khiển roll của máy bay.
- PITCH/ALEVERTOR: điều khiển góc pitch của máy bay. - T HROTTLE: điều khiển tốc độ động cơ chính.
- YAW/RUDDER: điều khiển góc yaw của máy bay. - AUX1(OPTIONAL): kênh chọn mode 1.
- AUX2(OPTIONAL): kênh chọn mode 2. - AUX3(OPTIONAL): kênh chọn mode 3.
- AUX4(OPTIONAL): kênh chọn mode4. Trong hệ thống sử dụng mode 4 chọn chế độ bay cho bộ điều khiển thông qua kênh của tay điều khiển.
Hình 3.24: Sơ đồ kết nối vơi bộ Recever Fysky Các chân cắm tín hiệu của đầu vào bao gồm:
- Chân tín hiệu điều khiển.
- Chân cấp nguồn +5V của main . - Chân nối mass của main.
77
Hình 3.25: Sơ đồ chân kết nối tín hiệu điều khiển
Sơ đồ kết nối tín hiệu cảm biến: Các chân tín hiệu cảm biến được kết nôi từ A0
đến A5 là các kênh đầu vào ADC của ATMEGA2560. - A0: Đầu vào ADC cảm biến áp xuất.
- A1: Đầu vào ADC đọc tín hiệu điện áp module nguồn.
- A2: Đầu vào ADC đọc tín hiệu dòng điện của module nguồn. - A3: Đầu vào ADC đọc tín hiệu cao độ của cảm biến siêu âm.
Hình 3.26: Sơ đồ kết nối tín hiệu cảm biến Hệ thống đầu ra tín hiệu PWM
- ROLL/AILERON :điều khiển roll của máy bay.
- PITCH/ALEVERTOR: điều khiển góc pitch của máy bay. - T HROTTLE: điều khiển tốc độ động cơ chính kết nối ESC. - YAW/RUDDER: điều khiển góc yaw của máy bay.
- Chân ra servo chờ 1. - Chân ra servo chờ 2. - Chân ra servo chờ 3. - Chân ra servo chờ 4.
78
Hình 3.27: Sơ đồ kết nối đầu ra tín hiệu APM
Tín hiệu điều khiển đầu ra kết nối vơi main APM thông qua cáp 3 dây : - Dây tín hiệu PWM đầu ra.
- Dây cấp nguồn +Vcc. - Dây nối chung mass.
Main APM có 1 header 2 cho phép lựa chọn nguồn cấp cho tín hiệu đầu ra, khi cắm jumper vào header 2 tín hiệu đầu ra sử dụng trực tiếp nguồn +5v của main APM dòng tải tối đa là 500mA cung cấp cho các servo. Trong đề tài sử dụng nguồn cấp ngoài Vcc thông qua UBEC của ESC động cơ cung cấp nguồn cho servo.
Tín hiệu ra cấp servo camera:
Hình 3.28: Tín hiệu ra cấp servo camera
Đối vơi servo roll và servo pitch của camera được kết nối vơi chân cắm 10 và 11 trên main APM, khi kết nối ta chỉ sử dụng chân tín hiệu không kết nối chung nguồn với 2 chân còn lại của cổng.
79
Hình 3.29: Tín hiệu ra cấp servo camera
Chân cấp tín hiệu còi chip và led tín hiệu A5, A6, A7 trên main.
Giao tiếp module định vị GPS LEA-6H U-blox
Hình 3.30: Module LEA-6H U-blox
Đặc tính kỹ thuật:
+ U-blox mô-đun LEA-6H. + Tốc độ cập nhật 5 Hz.
+ Pin sạc lithium 3V (pin dự phòng). + Khả năng chống nhiễu cao.
+ I2C EEPROM để lưu trữ cấu hình . + LED hiển thị trạng thái.
+ Tương thích giao tiếp với bộ điều khiển ArduPilot Mega. + Giao tiếp qua UART.
+ Kích thước: 38 x 38 x 8,5 mm. + Trọng lượng: 16,8 gram.
80 + Giới hạn hoạt động: Động lực học: 4g. Vận tốc: 500 m/s. Độ cao: 50000 m. Hình 3.31: Bộ điều khiển thực tế 3.5. Kết luận chƣơng 3
Chương này đã trình bày tổng quan hệ thống điều khiển UAV với các hệ
thống: định vị, dẫn đường bằng vệ tinh GPS; định vị quán tính INS; truyền dẫn dữ liệu bằng sóng RF; điều khiển; truyền dẫn và chỉ thị mục tiêu. Tích hợp mô hình máy bay thật với hệ thống điện tử và cơ khí hoàn chỉnh có khả năng đáp ứng các yêu cầu mà ở chương 2 đã đặt ra.
81
CHƢƠNG 4
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 4.1. Kết quả thử nghiệm của hệ thống GPS, IMU, RF 4.1.1. Kết quả thử nghiệm khả năng định vị GPS a. Khu vực dân cƣ
Hình 4.1: Vị trí của máy bay so với Home (Khu vực dân cƣ)
Bảng 4.1: Thử nghiệm độ chính xác đo khoảng cách của GPS (Khu vực dân cƣ) Phép thử Khoảng cách trên thực địa (m) Tốc độ đo của GPS (m/s) Sai số 1 50 60/0.2 20% 2 100 117/0.2 17% 3 200 233.6/0.2 16.8% 4 400 452.8/0.3 13.2% 5 500 561.5/0.3 12.3% 6 700 783.3/0.3 11.9% 7 1000 1105/0.3 10.5%
82
Hình 4.2: Đồ thị biểu diễn sai số khoảng cách của GPS (Khu vực dân cƣ) b. Khu vực đất trống
Hình 4.3: Vị trí của máy bay so với Home (Khu vực đất trống)
0% 5% 10% 15% 20% 25% 1 2 3 4 5 6 7 Sa i số (% ) Phép thử
Đồ thị biểu diễn sai số (KV dân cƣ)
83
Bảng 4.2: Thử nghiệm độ chính xác đo khoảng cách của GPS (Khu vực đất trống) Phép thử Khoảng cách trên thực địa (m) Tốc độ đo khoảng cách GPS (m/s) Sai số 1 50 55.1/0.2 10.2% 2 100 109.5/0.2 9.5% 3 200 212/0.2 6% 4 400 423.2/0.2 5.8% 5 500 525/0.2 5% 6 700 730.1/0.2 4.3% 7 1000 1035/0.3 3.5%
Hình 4.4: Đồ thị biểu diễn sai số khoảng cách của GPS (Khu vực đất trống)
Nhận xét: Thử nghiệm trong khu vực có nhiều công trình xây dựng như trường học, khu dân cư thì độ chính xác của GPS kém hơn so với ở khu vực đất trống.
4.1.2. Kết quả thử nghiệm chất lƣợng thu phát RF a. Đánh giá chất lƣợng bộ thu phát RF 0.00% 2.00% 4.00% 6.00% 8.00% 10.00% 12.00% 1 2 3 4 5 6 7 Sa i số (% ) Phép thử
Biểu đồ biểu diễn sai số (KV đất trống)
84
Hình 4.5: Màn hình số liệu biểu diễn chất lƣợng s ng của bộ thu phát sóng RF Bảng 4.3: Bảng đánh giá chất lƣợng s ng của bộ thu phát sóng RF
Phép thử Khoảng cách thực địa (m) Chất lượng sóng(%) 1 50 95% 2 100 92% 3 200 90% 4 400 88% 5 500 85% 6 1000 75% 7 3000 51%
85
Hình 4.6: Đồ thị biểu diễn chất lƣợng s ng với các khoảng cách khác nhau
Nhận xét: Khoảng cách bộ thu phát càng xa thì chất lượng sóng càng giảm, chất lượng sóng giảm nhanh khi thử nghiệm trong khu vực có nhiều công trình xây dựng.
4.1.3. Kết quả thử nghiệm chất lƣợng cảm biến IMU
Hình 4.7: Máy bay ở trạng thái cân bằng
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 50 100 200 400 500 1000 3000 Ch ất lƣ ợng s ng (% ) Khoảng cách(m) Đồ thị biểu diễn chất lƣợng s ng RF Chất lượng sóng(%)
86
Hình 4.8: Máy bay ở trạng thái nghiêng bên phải
Hình 4.9: Máy bay ở trạng thái ng c lên
87
Hình 4.11: Máy bay ở trạng thái lật ngửa 4.2. Đánh giá chất lƣợng UAV ở chế độ bay bằng tay và tự động 4.2.1. Đánh giá chất lƣợng UAV ở chế độ bay bằng tay
- Với chế độ bằng tay, máy bay cất cánh lên khỏi mặt đất khi chạy trên đường băng dài 15m, máy bay nhanh chóng bay ổn định và cân bằng khi có sự điều khiển của người lái.
- Máy bay hạ cánh xuống mặt đất nhờ sự điều khiển của người lái, máy bay giảm dần độ cao và tiếp đất an toàn. Sau khi tiếp đất, máy bay dừng lại sau khi chạy được 25m.
- Khi người lái thực hiện các trạng thái bay theo đường thẳng, bay liệng, bay quanh một điểm với bán kính nhỏ nhất 10m, máy bay đáp ứng nhanh các điều khiển trên mặt đất của người lái.
- Quỹ đạo bay thực tế khi người lái điều khiển trùng với quỹ đạo máy bay hiển thị trên màn hình máy tính do dữ liệu GPS gửi về.
88
Hình 4.12: Quỹ đạo bay thực tế của máy bay khi điều khiển bằng tay