CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN
2.1. Mơ hình phương tiện bay không người lái (UAV)
2.1.1. Cấu trúc của một UAV
UAV có thể có nhiều hình dạng hoặc hình dạng cơ thể khác nhau tùy thuộc vào kiểu bay và mục đích sử dụng hoặc nhiệm vụ. Kiểu dáng cơ thể của UAV chủ yếu thuộc một trong các kiểu sau:
Hình 2.1 Ví dụ về các kiểu hình dáng của UAV [28].
Fixed-wing UAV được mô phỏng theo các máy bay thông thường và sử dụng các khái niệm bay tương tự. Các Fixed-wing UAV cần có đường băng, ném lên khơng bằng tay hoặc có bệ phóng giúp chúng bay được lên khơng và cũng cần có đường băng hoặc giăng lưới để hạ cánh an tồn. Cấu hình của Fixed-wing UAV có ưu điểm là có trọng tải lớn hơn và thời gian bay dài hơn do tiêu thụ ít năng lượng cần thiết cho việc bay lượn với tốc độ bay rất cao. Kiểu thân của UAV cánh cố định thường được thiết kế theo các mơ hình máy bay dân dụng và quân sự trong thực tế.
Multirotor UAV có thể được cấu hình bằng cách sử dụng nhiều động cơ được lắp trên các cánh tay. Loại thân này có ưu điểm là cất cánh và hạ cánh thẳng đứng và có thể bay lơ lửng ở một vị trí cố định [29]. Các UAV đa động cơ có thể bay theo bất kỳ hướng nào và thay đổi tốc độ, độ cao và hướng đột ngột, nhưng các UAV này thường có tầm bay và thời gian bay ngắn hơn. Phần thân multirotor có thể được thiết kế như một chiếc trực thăng truyền thống, một chiếc tricopter trong đó nó có ba cánh tay với ba động cơ trên mỗi chiếc, hoặc một chiếc quadcopter mà nó có bốn cánh tay với bốn động cơ và số động cơ trên mỗi cánh tay có thể được tăng lên để tăng sức nâng cho hệ thống UAV. VTOL (Vertical Takeoff and Landing) UAV là sự kết hợp của hai cấu hình máy bay Fixed-wing UAV và Multirotor UAV khiến cho nó trở nên linh hoạt. Nó sử dụng các động cơ như Multirotor UAV để cất cánh, hạ cánh và liệng trong khi chủ yếu sử dụng cấu hình như VTOL để bay ngang.
kích thước lớn, khó điều khiển và chi phí cao, khó để di chuyển linh hoạt qua nhiều loại địa hình, chúng thường được áp dụng trong lĩnh vực quân sự để truy bắt kẻ thù với thời gian ngắn. Đối với các ứng dụng cứu hộ và giám sát thì cần độ ổn định và linh hoạt. Hơn nữa cịn khó hạ cành và cất cánh, làm cho khó áp dụng với nơi địa hình chật hẹp và những ứng dụng như giao vacxin cần độ chính xác cao. Đây là những thứ multi rotor có thể giải quyết, nó được thiết kế với khả năng cơ động cao, nhẹ, dễ sử dụng với tối ưu chi phí hơn để vận hành linh hoạt ở mọi loại địa hình cho các ứng dụng khác nhau. Chúng cũng có thể dễ dàng được lắp đặt các thiết bị ngoại vi như camera, các loại tải trọng nặng hơn so với trọng lượng của chungs vì thế nên chúng đã trở nên phổ biến rộng rãi.
Bảng 2.1 So sánh giữa các mơ hình UAV
Ưu điểm Nhược điểm Ứng dụng điển
hình Giá thành Multi- Rotor -Thiết kế nhỏ gọn -Khả năng di chuyển linh hoạt hơn
-Dễ điều khiển -Dễ gắn các thiết bị ngoại vi và tải trọng
-Thời gian bay không cao -Giám sát trên không -Cứu hộ ở không gian hẹp -Giao hàng chính xác Thấp Fixed- Wing -Tốc độ rất cao -Tầm bay lớn -Thời gian bay lâu -Không thể lơ lửng và chuyển hướng đột ngột
-Cần bệ phóng và hạ cánh
-Nguy hiểm và khó điều khiển hơn
-Truy bắt tội phạm -Triển khai vũ khí quân sự Cao VTOL -Có thể cất cánh và hạ cánh thẳng đứng -Hoạt động bền bỉ -Khơng hồn hảo trong việc lơ lửng và bay về phía trước -Khó điều khiển và vẫn đang trong quá trình phát triển
-Vẽ bản đồ trên
khơng Cao
Qua bảng so sánh trên, có thể thấy Multi-Rotor là tối ưu cho các ứng dụng cần định vị với độ chính xác cao. Trong cấu hình của multirotor, lực nâng được tạo từ các cánh quạt. Các cánh quạt này kiểm soát hướng và độ cao của máy bay bằng cách thay đổi tốc độ của mỗi cánh quạt để thay đổi lượng lực đẩy và mô-men xoắn được tạo ra. Điều này mang lại cho máy bay một bộ đặc tính xử lý độc đáo, cho phép nó bay với độ chính xác cực cao trong cả khơng gian kín và khơng gian mở. Đặc biệt cá hệ thống multirotor có thể cất cánh và hạ cánh gần như thẳng đứng nên thường được sử dụng ở những nơi có khơng gian hẹp, khơng cần bãi cất cánh hay hạ cánh như các máy bay thương mại. Xa
hơn, các hệ thống này có thể dễ dáng duy trì việc đứng yên tại một điểm trong nhiều giờ. So sánh với cá loại hệ thống máy bay không người lái khác trong ứng dụng điều hướng và bám đối tượng, đây là một ưu điểm lớn. Động cơ đa năng bốn cánh quạt (quadcopter) là thiết kế phổ biến nhất vì nó cung cấp sự cân bằng tốt nhất giữa lực nâng, khả năng kiểm sốt, khả năng cơ động và chi phí.
Vấn đề với quadrotor nằm ở chỗ kiểm soát được động lực học và điều khiển nó bay theo mong muốn. Mặc dù có nhiều ưu điểm đã nêu, chỉ với bốn đầu ra ở các động cơ và với sáu bậc tự do (DOF) để điều khiển, đối tượng này nhạy với nhiễu ngoại vị (ví dụ gió lớn, ảnh hưởng phản lực từ mặt đất khi bay thấp, etc.) dẫn đến sự trình diễn bám đường dẫn bay khơng chính xác, hoặc thậm chí mất ổn định hệ thống.. Vì an toàn là một yếu tố quan trọng trong việc điều hướng hay vận chuyển các tải trọng, hệ thống quadrotor không ổn định có thể hoạt động gây nguy hiểm cho xung quanh. Một khó khăn khác là tải trọng gắn lơ lửng có thể thay đổi động lực học của quadrotor, đưa các nhiễu động bên ngồi vào mơ hình quadrotor. Điều này có khả năng khiến các bộ điều khiển dựa trên mơ hình hiện tại giảm hiệu suất hoặc thậm chí mất khống chế quỹ đạo, đây là một tiêu chí quan trọng khác để vận chuyển tải. Một yếu tố khác là quadrotor dễ dàng bị ảnh hưởng bởi các yếu tố từ môi trường khiến cho việc thiết kế động lực học trở nên phức tạp hơn. Sựu hạn chế tính ổn định và hiệu suất theo dõi quỹ đạo khi mang tải trọng trên khơng và cản trở sự thích ứng của nó trong các ứng dụng thực tế đưa ra chúng ta một thách thức về thiết kế phần mềm điều khiển có thể thích ứng với các bất lợi trên.
Hình 2.2 Tọa độ và mơ hình Quadrotor [30].