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 4.2.2. Đánh giá chất lƣợng UAV ở chế độ bay tự động
- Trong chế độ bay tự động, máy bay vẫn cần phải cất cánh bằng sự điều khiển của người lái, đề tài hiện đang phát triển và thử nghiệm chế độ cất cánh tự động. Sau khi cất cánh, máy bay nhanh chóng ổn định và cân bằng nhờ bộ điều khiển đặt trên máy bay.
- Máy bay đã hạ cánh tự động và tiếp đất an toàn, trước khi hạ cánh máy bay giảm dần độ cao với gia số nhỏ, khi bánh xe chạm mặt đất động cơ ngừng hoạt động, máy bay dừng hẳn sau khi chạy được quãng đường 25m.
- Máy bay đáp ứng nhanh và ổn định khi bay ở các chế độ bay thẳng, bay liệng, bay vòng tròn quanh một điểm.
- Quỹ đạo bay thực tế gần trùng với quỹ đạo bay lập trình trên màn hình hiển thị của trạm điều khiển mặt đất.
89
Hình 4.13: So sánh quỹ đạo bay thực tế và quỹ đạo bay lập trình của máy bay trong chế độ bay tự động
4.3. Kết luận chƣơng 4
Chương 4 trình bày các kết quả về kiểm nghiệm UAV được lắp ráp hoàn chỉnh ở chương 3. Với các kiểm nghiệm về hệ thống định vị GPS, cảm biến IMU, bộ thu phát sóng RF và cho bay thử với chế độ tự động và bằng tay. Kết quả đạt được nằm trong giới hạn cho phép và đáp ứng được mục tiêu đặt ra của đề tài.
90
KẾT LUẬN
Sau một thời gian nghiên cứu với sự cố gắng và nỗ lực của tác giả cùng sự hướng dẫn tận tình của TS. Bùi Quý Lực và TS. Lê Giang Nam đề tài đã đạt dược các
mục tiêu đề ra và hoàng thành đúng thời gian quy định.
Luận văn đạt đƣợc những kết quả:
+ Từ một mô hình máy bay cánh bằng có sẵn đi khảo sát các thông số kỹ thuật chế tạo máy bay và lực tác dụng lên máy bay.
+ Sử dụng hệ trục tọa độ RPY để khảo sát và xây dựng hệ phương trình động học và động lực học cho máy bay.
+ Các hệ phương trình này được giải thông qua phương pháp tuyến tính hóa. + Thiết lập được các phương trình trạng thái bay cân bằng và ổn định cho UAV. + Xây dựng thuật toán điều khiển, chọn linh kiện và vẽ sơ đồ mạch điện cho hệ thống điều khiển UAV.
+ Mô phỏng hệ thống điều khiển bằng phần mềm Xplane.
+ Xây dựng hệ thống chỉ thị mục tiêu bằng camera gắn trên UAV, với chức năng quan sát các vật thể chuyển động.
+ Tích hợp các hệ thống điều khiển, cơ khí, điện tử lên mô hình máy bay cánh bằng đang khảo sát. Mô hình UAV có tầm hoạt động 2-4 km, độ cao 150 m, tốc độ 35 km/h, có thể mang tải trọng 2 kg, hoạt động ổn định trong điều kiện gió từ 0 đến 6, có thể quan sát mục tiêu chuyển động nhờ camera.
+ Thử nghiệm bay thật cho kết quả: hệ thống điều khiển UAV có độ ổn định về khí động học, làm việc tốt cả trong chế độ tự động hay bằng tay. Các module: định vị quán tính INS, định vị bằng vệ tinh GPS, truyền dẫn dữ liệu bằng sóng vô tuyến RF làm việc ổn định và chính xác. Tóm lại hệ thống điều khiển của UAV sau khi hoàn thiện có chi phí thấp và dễ sử dụng.
Kiến nghị và đề xuất:
+ Tối ưu vật liệu để UAV có thể hoạt động ổn định trong các điều kiện thời tiết xấu.
+ Tích hợp thêm các hệ thống cảm biến thời tiết để phát triển thêm ứng dụng kiểm tra thời tiết. Tích hợp hệ thống cảnh báo để cảnh báo khi có lỗi kỹ thuật nhằm ứng dựng UAV vào điều kiện thực tế.
91
trình độ có hạn nên không tránh khỏi thiếu sót. Hy vọng rằng luận này sẽ góp phần nhỏ bé vào việc tìm hiểu UAV, một lĩnh vực khoa học quan trọng trong sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa nước ta.
92
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] J. Sifton, 2012, A Brief History of Drones, The Nation News.
[2] N. Winters-Brown, 2012, Beyond War: New Uses of Unmanned Aerial