5 Thiết kế hệ thống và kết quả thực nghiệm
5.1.1 Thiết kế nền tảng phần cứng (PKDrone Kit)
Mục đích của việc thiết kế hệ thống là chế tạo một phương tiện bay nhỏ gọn có kích thước và trọng lượng vừa phải có thể điều hướng tự động chỉ với cảm biến và tính toán trực tiếp trên bo mạch nhúng đính kèm. Để thực hiện điều này, thiết bị bay tự hành cần được trang bị các cảm biến trên bo mạch có phạm vi lấy thông tin không nhỏ hơn 3m. Bên cạnh đó, hệ thống phải mang một mạch nhúng tính toán mạnh mẽ, có thể thực hiện tất cả các thành phần phần mềm bao gồm: Ước tính trạng thái, tái tạo bản đồ, và lập kế hoạch quỹ đạo trong thời gian thực. Những yêu cầu trên khiến cho việc tìm kiếm một hệ thống thiết bị bay như vậy là một sự đánh đổi sức mạnh, trọng lượng và cả giá thành.
Hình 5.1: Hệ thống UAV PKDrone Kit thiết kế với camera độ sâu Intel RealSense D435ivà máy tính nhúng Nvidia Jetson Nano 4Gb. và máy tính nhúng Nvidia Jetson Nano 4Gb.
Module cảm biến
Để phát hiện chướng ngại vật trong vùng lân cận phương tiện bay ở trên không, cảm biến trên bo mạch được mong muốn có khả năng đo khoảng cách. Trong một số cách tiếp cận, LIDAR được trang bị trên các phương tiện bay trên không để xác định vị trí, lập bản đồ và phát hiện chướng ngại vật. Mặc dù LIDAR đem đến chính xác và khả dụng rất lớn trên đường dài, nhưng cảm biến LIDAR 3D thường rất mắc tiền (trên 500$) và quá nặng (khoảng 500g đến 2000g) để mang theo. Còn nếu chỉ sử dụng LIDAR 2D thì không đủ dữ liệu để điều hướng trong không gian 3 chiều. Ngoài ra, một số cách tiếp cận khác [24, 25] sử dụng stereo cameras (hoặc depth cameras),đặc biệt hữu ích để cung cấp thông tin 3 chiều. Do xác định sự lựa chọn máy ảnh độ sâu là cảm biến phù hợp cho luận văn này. Và để lựa chọn máy ảnh độ sâu thích hợp, Việc cân nhắc lựa chọn bao gồm giá thành, trọng lượng máy ảnh và mức tiêu thụ điện năng. Yếu tố đầu tiên ảnh rất nhiều đến việc ra quyết định sử dụng còn hai yếu tố phía sau sẽ ảnh hưởng đến độ ổn định trong chuyến bay. Từ khảo sát trên về các máy ảnh thương mại hiện có, Intel RealSense D435i được coi là sự lựa chọn phù hợp nhất vì nó có trọng lượng tương đối nhẹ (85g) và
(a) ảnh màu RGB. (b) ảnh đơn màu từ cảm biến bên trái.
(c) Ảnh độ sâu. (d) Dữ liệu poincloud thu được.
Hình 5.2: Thông tin hình ảnh và point cloud được cung cấp trực tiếp từ máy ảnh Intel RealSense D435.
tích hợp bộ xử lý hình ảnh độ sâu cùng với IMU. Hình 5.2 cho thấy thông tin trực quan có sẵn từ Intel RealSense D435i. Thông tin hình ảnh được ghi lại ở tốc độ lên đến 30Hz với độ phân giải 640x480px, bao gồm một cặp hình ảnh đơn sắc, hình ảnh RGB và hình ảnh chiều sâu. Và gyroscope và acceleration từ IMU tích hợp được đo ở tốc độ 200Hz.
Máy tính nhúng
Để thực hiện tất cả các thành phần tính toán trên bo mạch, Nvidia Jetson Nano Kit ở hình 5.3 được chọn làm đơn vị tính toán tích hợp. Vì máy tính bảng đơn này có giá thành rẻ (99$), kích thước nhỏ gọn và trọng lượng của nó là 136g, có thể được vận chuyển bằng một phương tiện bay cỡ nhỏ. Ngoài ra, so với các máy tính nhúng đơn khác (RaspberryPi 3B, ODROID XU4), nó mạnh mẽ về mặt tính toán (4×ARM Cortex-A57) và có bộ nhớ lớn hơn (4Gb). Đặc biệt, GPU của nó vượt trội hơn những GPU khác (256 GFLOPS), từ đó các truy vấn xử lý ảnh và point cloud sẽ được hưởng lợi. Với những tính năng này,
Hình 5.3: Máy tính nhúng Jetson Nano Kit (bên trái) trong bài kiểm tra khả năng tươngthích trước khi lắp ráp chính thức. thích trước khi lắp ráp chính thức.
nó đủ mạnh để thực hiện tái tạo bản đồ, xây dựng quỹ đạo bay và ước tính trạng thái. Điều này chắc chắn sẽ cải thiện hiệu suất của phương tiện bay trên không với các hoạt động cơ động tích cực trong môi trường năng động.
Hệ thống máy bay không người lái (PKDrone Kit)
Đối với luận văn này, thay vì sử dụng một bộ Kit bay có sẵn, nhóm quyết định đầu tư nghiên cứu và tự xây dựng một bộ Kit bay cho riêng mình như hình 5.1 để phù hợp với khả năng tài chính cũng như các hệ thống phần cứng đã đề cập ở trên.
Đầu tiên, như đã trình bày ở phần 2.1 nhóm sử dụng bộ mã nguồn mở PX41, do đó việc lựa chọn Flight Control (mạch điều khiển bay) cần tương thích với hệ thống firmware điều khiển. Pixhawk2 2.4.8 là lựa chọn phù hợp nhất với rất nhiều ưu điểm như việc giao tiếp dễ dàng với máy tính nhúng thông qua giao thức UART3; module hóa các cảm biến, khiến việc thay thế khi bị hư hỏng trở nên dễ dàng; Hỗ trợ cấu hình nhanh để bắt đầu
1 https://px4.io/ 2 https://pixhawk.org/ 3 https://en.wikipedia.org/wiki/Universal_asynchronous_receiver-transmitter
Hình 5.4: Bay thực tế với khối máy bay cơ bản trong điều kiện lý tưởng, sử dụng GPS ở độ cao bay là 5m.
bay;...
PKDrone Kit bao gồm hai khối chính :
• Khối UAV cơ bản (Drone) : Bao gồm các thành phần cơ bản của một chiếc Quadcopter như : Khung, động cơ, mạch điều khiển bay, mạch nhận tín hiệu điều khiển,... với tổng khối lượng là 1058g.
• Khối tính toán tự động (Nano): Bao gồm máy tính nhúng (Jetson Nano), camera (Intel Realsense D435i) và pin với tổng khối lượng là 551g.
Sau khi chạy thực nghiệm như hình 5.4 và hình 5.5, để hai khối hoạt động ổn định và không gây ảnh hưởng tới nhau, việc cấp nguồn riêng cho mỗi khối là thật sự cần thiết. Để PKDrone Kit có thể bay tự động, với các thông số cấu hình và khối lượng tổng cộng là 1609g được chi tiết trong bảng 5.1, giả định rằng tỷ lệ công suất trên trọng lượng là hằng số, thời gian bay của cả hệT′
P IN sẽ được tính như sau.
Dung lượng định mức của pin dành cho máy bay là CP IN là 2200 mAh, điện áp định mứcVP IN là 11,4 V và thời gian bay yêu cầu không có tải thêm khối tự động bay sau khi chạy thực nghiệm làTP IN lên đến 20 phút như hình 5.4. Tỷ lệ công suất trên trọng lượng
Hình 5.5: Bay thực tế cả hệ thống PKDrone Kit không sử dụng GPS ở độ cao bay là1.75m. 1.75m.
Tên thành phần Phần cứng sử dụng Thông số kỹ thuật Khối
lượng
Khung DJI F450 45.5 x 32.5 x 18.5 mm 395g
Động cơ ∗4 Động cơ không chổi than
Himodel XXD 2212-2200kv/ 2450kv/2700KV 240g
Mạch điều khiển bay Pixhawk 2.4.8 82 x 50 x 16 mm 68 g
Bộ điều tốc ∗4 Xxd Hw30A 30a Bec 30A 120g
Mạch thu tín hiệu RX HobbyKing OrangeRx 433Mhz 30 g
Pin cho máy bay Lipo ShangYi 3s 2200mAh 190g
GPS BN-880 with Compass 28mm x 28mm x 10mm 15 g
Máy tính nhúng Jetson Nano Kit 164mm x 107mm x
42mm 200g
Máy ảnh Intel Realsense D435i 90 mm x 25 mm x 25 mm 85 g
Pin cho hệ thống nhúng Lipo ShangYi 3s 2600mAh 220g
Hệ thống kết nối Tự thiết kế 164mm x 107mm x
55mm 46 g
Bảng 5.1: Bảng thông số chi tiết phần cứng sử dụng.
OP IN là: OP IN = CP INVP IN TP INWDrone = 2.2Ah ∗ 11.4V 0.3h ∗ 1.058kg (5.1)
Trong đó WDrone là khối lượng của khối máy bay cơ bản. Sau khi thêmKhối tính toán tự động với WN ano ta được :
IDroneN ano = OP IN(WDrone + WN ano) VP IN
= 79.017W/kg ∗ (1.058kg + 0.551kg) 11.4V
= 11.15 A
(5.2)
Sau đó, thời gian bay thử nghiệm của PKDrone Kit có thể được tính như sau:
TP IN′ = CP IN IDroneN ano
≈0.19h (5.3)
Vậy hệ thống PKDrone Kit có thể bay tối đa vào khoảng 11 phút. Bên cạnh đó, do sử dụng mạch giảm áp 5A nên Jetson Nano không thể chạy được ở công suất tối đa, thường xuyên bị tình trạng sụp nguồn đột ngột. Vì vậy cần giới hạn xung của CPU jetson từ 4-core ARM A57 @ 1.43 GHz xuống còn 4-core ARM A57 @ 1.2 GHz. Việc đánh giá hiệu năng của các phương pháp sẽ được đánh giá trên giới hạn này.