Chương 1 Giới thiệu tổng quan Chương này sẽ trình bày ngắn gọn về máy bay không người lái (UAV), lịch sử, loại và cách sử dụng. Chương này cũng sẽ giới thiệu đến Quadrotor, thảo luận về các khái niệm và kiến trúc. Sau cùng, cấu trúc của luận văn cũng sẽ được phác thảo trong chương này. Tổng quan về máy bay không người lái Phương tiện bay không người lái hay Máy bay không người lái, viết tắt tiếng Anh là UAV (Unmanned aerial vehicle) là tên gọi chỉ chung cho các loại máy bay mà không có người lái ở buồng lái, hoạt động tự lập và thường được điều khiển từ xa từ trung tâm hay máy điều khiển.
Theo sự phát triển công nghệ hiện nay có các dạng UAV: o Máy bay theo nghĩa truyền thống được trang bị hệ thống điều khiển và lái tự động, được gọi là UAS (unmanned aircraft system), xuất hiện từ những năm 1950 và đã từng phục vụ việc do thám và trinh sát chiến trường. Loại tổ hợp máy bay này có khả năng tự động hóa các hoạt động của máy bay cao, không đòi hỏi những trang thiết bị hàng không đặc chủng, giá thành khai thác sử dụng và bảo trì hệ thống để phục vụ lâu dài rẻ, trong quân sự loại máy bay này có đặc tính tấn công chớp nhoáng. o Phương tiện bay kiểu mới, được chế tạo rất đa dạng, có kích thước và công suất động cơ nhỏ đến trung bình, được gọi là drone. o Các drone có lắp camera để quan sát, và thường được gọi là flycam.
Để thuận tiện điều khiển thao tác thì drone có nhiều cánh quạt, thường là 4. Ứng dụng của máy bay không người lái Ứng dụng của UAV quadcopter đang tăng lên mạnh mẽ, từ các mục đích quân sự cho đến nghiên cứu khoa học, điện ảnh - truyền hình, nông nghiệp, thương mại, vận chuyển, giải trí, khảo sát địa hình, thăm dò, cứu hộ, cứu nạn, drone luôn tỏ ra là một phương tiện linh động, dễ sử dụng, chi phí hợp lí. Nghiên cứu khí tượng, thuỷ văn, địa lý: các thiết bị bay UAV được ứng dụng mạnh mẽ song hành với việc quan sát từ vệ tinh. Các nhiệm vụ điển hình: Đo lường sự biến dạng của vỏ trái đất để đưa ra các dự đoán sớm về thảm hoạ tự nhiên như động đất, phun trào núi lửa….
Đo lường sự ô nhiễm ở tầng đối lưu và chất lượng của không khí, các nguồn ô nhiễm lan từ nơi này đến nơi khác. Đo lường độ dày lớp và sự biến dạng của lớp băng bề mặt để đưa ra dự đoán về sự nóng lên toàn cầu. Tìm kiếm và giải cứu: các UAV được trang bị camera, hộp cứu hộ có thể dùng cho các nhiệm vụ giải cứu nạn nhân của thảm hoạ: động đất, lũ cuốn, cháy rừng, máy bay rơi. Cứu hoả: các UAV có trang bị cảm biến hồng ngoại có thể tầm nhiệt, nguồn gây cháy ở các khu rừng, toà chung cư, căn hộ,… và truyền gửi tín hiệu đánh dấu chính xác vị trí nguồn gây cháy này cho các đơn vị cứu hộ.
Giám sát công cộng: được xem như là 1 giải pháp thay thế có tính hiệu quả về kinh phí thay cho lực lượng cảnh sát truyền thống sử dụng máy bay trực thăng. Giám sát biên giới: UAV có thể được dùng để giám sát được biên giới, làm tình báo ngăn ngừa xâm phạm bất hợp pháp. Ứng dụng nông nghiệp: UAV được dùng để phun thuốc trừ sâu, giám sát tình trạng mùa màng. Ứng dụng công nghiệp: UAV được dùng để giám sát tình trạng bên trong, bên ngoài đường ống.
Thực hiện giám sát trên cao đối với 1 số nhà máy điện hạt nhân… 1. Phân loại các loại UAV Có rất nhiều cách phân loại UAV, chủ yếu dựa trên tầm hoạt động, cấu hình khí động học, kích cỡ và trọng tải. Phân loại theo tầm hoạt động UAV có thể được phân loại thành 7 nhóm chính dựa trên tầm cao và khả năng hoạt động. Tầm cao và hoạt động lâu dài (HALE): gồm các thiết bị có khả năng bay ở độ cao trên 1500m và hoạt động lâu hơn 24hr.
Thường chủ yếu dùng cho nhiệm vụ giám sát tầm xa. 2 Tầm vừa và hoạt động lâu dài (MALE): gồm các thiết bị có khả năng bay ở độ cao từ 5000 – 1500m và hoạt động tới 24hr. Các MALE UAV cũng thường được dùng cho các nhiệm vụ giám sát. Tầm vừa hoặc bay chiến thuật (TUAV): gồm các thiết bị có khả năng bay ở độ cao từ 300 – 500m.
Các thiết bị bay này thường có kích thước nhỏ, đơn giản hơn MALE và HALE. Tầm ngắn (CRUAV): gồm các thiết bị có khả năng hoạt động tầm xa trong khoảng 100km. Các thiết bị này thường dùng cho mục đích dân sự dò đường ống, phun thuốc trên đồng, giám sát tình trạng giao thông,… UAV loại nhỏ (MUAV): thường có khối lượng khoảng 20kg và tầm hoạt động trong 30m. UAV loại rất nhỏ (MAV): thường có sải cánh nhỏ hơn 150mm.
Các thiết bị này sử dụng chủ yếu trong nhà với yêu cầu bay chậm hoặc đứng yên. UAV loại siêu nhỏ (NAV): có kích cỡ tầm 10mm, thường dùng bay thành đàn cho mục đích làm nhiễu tín hiệu ra đa. Ngoài ra, còn được dùng cho mục đích giám sát các khu vực không gian kín, chật hẹp với camera trang bị. Phân loại theo cấu hình khí động học UAV có thể được phân loại theo 4 nhóm chính dựa trên cấu hình khí động học.
Cánh bằng (Fixed-wing UAV): các thiết bị này yêu cầu có đường băng khi cất cánh và hạ cánh, có thể bay trong thời gian dài với tốc độ cao. Loại này thường được dứng dụng trong các nghiên cứu khoa học hoặc quân sự như trinh sát khí tượng hoặc dò thám. Cánh xoay (Rotary-wing UAV): các thiết bày này có thể cất cánh và hạ cánh thẳng đứng, có thể đứng yên trên không và khả năng cơ động cao. Loại này có thể phân loại thành 4 nhóm nhỏ hơn: Đơn trục (Single-rotor): thiết bị chỉ có 1 rotor ở trên đầu thiết bị và 1 rotor ở đuôi giữ cân bằng, tương tự như thiết kế của máy bay trực thăng.
Đồng trục (Coaxial): có 2 rotor xoay ngược hướng gắn cùng 1 trục. Tứ trục (Quadrotor): thiết bị có 4 rotor gắn cố định vào khung hình X hoặc +. Đa trục (Multi-rotor): UAV có từ 6-8 rotor. Loại này cực kỳ linh hoạt và vẫn có thể duy trì hoạt động trong điều kiện có 1 rotor bị hỏng.
Việc tăng số lượng rotor sẽ giúp tăng khả năng mang tải và tầm cao hoạt động tối đa của UAV tuy nhiên sẽ đồng thời tăng giá thành và mức tiêu thụ năng lượng. 3 Hình 1-1 Máy bay cánh bằng Hình 1-2 Máy bay trực thăng 1 trục và đồng trục Hình 1-3 Quadrotor và Hexrotor phiên bản thương mại Khí cầu (Blimps UAV): có hình dạng tương tự bong bóng bay, khinh khí cầu. Các thiết bị bay này thường rất nhẹ và kích cỡ lớn, bên trong được bơm đầy khí Heli thường dùng trong các nhiệm vụ diễn ra thời gian lâu trên không có yêu cầu tốc độ bay chậm. Cánh vỗ (Flapping-wing UAV): lấy cảm hứng từ khả năng bay của loài chim, côn trùng, các UAV này có thể mô phỏng cách thức bay với đôi cánh nhỏ và khả năng tải cực kỳ hạn chế.
Tuy nhiên, loại này có thể tiêu thụ năng lượng rất thấp và có khả năng cất cánh và hạ cánh thẳng đứng. Các mô hình phát triển của loại này đang được diễn ra mạnh mẽ ở các phòng nghiên cứu. Hình 1-4 Khinh khí cầu 4 Hình 1-5 UAV mô phỏng cử động chim bay vỗ cánh 1. Phân loại dựa trên kích cỡ và trọng tải UAV có thể được phân thành 5 loại dựa trên kích cỡ và trọng tải của chúng.
Cỡ lớn UAV: thiết bị loại này có kích cỡ lớn, có thể đủ không gian cho 1 phi công điều khiển ở bên trong với chế độ bay tự động hoặc điều khiển. Loại này có trọng tải lớn nhất với khả năng hoạt động lâu dài. Cỡ vừa UAV: thiết bị loại này thường dùng cho mục đích giám sát an ninh. Có trọng tải tương đối tầm 10kg do đó có thể mang các thiết bị dẫn hướng trọng tải lớn và có độ chính xác cao.
Cỡ nhỏ UAV: đây là các thiết bị loại cầm tay có thể điều khiển từ xa bằng sóng vô tuyến (RC) với trọng tải nhỏ từ 2-10kg nên có thể chứa các cảm biến và thiết bị điều hướng khối lượng nhỏ. Cỡ nhỏ gọn UAV: các thiết bị loại này rất nhỏ gọn và có thể cầm tay, dùng bay ở trong nhà và ngoài môi trường với trọng tải nhỏ hơn 2kg. Loại này rất phổ biến dùng trong các nghiên cứu về mô hình điều khiển phi tuyến, hàng không. Cỡ siêu nhỏ UAV: chủ yếu sử dụng trong nhà vì kích cỡ rất nhỏ.
Thường có khối lượng nhỏ hơn 100g khiến cho rất khó trang bị các cảm biến và thiết bị dẫn hướng. Chính điều này khiến loại này thành đối tượng nghiên cứu chế tạo các loại cảm biến dẫn hướng siêu nhỏ nhẹ. Hình 1-6 UAV cỡ lớn và cỡ vừa 5 Hình 1-7 UAV cỡ nhỏ và siêu nhỏ 1. Giới thiệu Quadrotor Thuật ngữ “Quadrotor” (hay còn gọi là Drone) dùng để chỉ những phương tiện máy bay UAV kiểu mới, được chế tạo rất đa dạng, có kích thước và động cơ nhỏ đến trung bình.
Để thuận tiện điều khiển thao tác thì drone được lắp đặt nhiều cánh quạt, thường là 4 (Quad) hoặc là 6 (Hexa). Ngoài ra, về kích thước cũng có những biến đổi khác nhau: chúng có thể sải cánh rộng như một máy bay phản lực hay nhỏ như một chiếc máy bay mô hình được điều khiển bằng sóng radio. Trong lịch sử ghi nhận, phiên bản đầu tiên của Quadrotor được xây dựng và cho bay thử vào năm 1907. Từ thời điểm đó tới ngày nay, các phiên bản đã được cải tiến rất nhiều nhưng định nghĩa về quadrotor vẫn không đổi và được xem là thiết bị UAV cánh xoay.
Hình 1-8 Quadrotor (drone) thương mại phổ biến trên thị trường 1. Các khái niệm về Quadrotor Quadrotor là 1 thiết bị bay có 4 roto được gắn cố định lên 1 khung có hình + hoặc x. Các rotor này là các động cơ BLDC sẽ có các chiều quay như hình, tạo lực nâng để nâng toàn bộ 6 quadcopter. Rotor 1 và 3 xoay cùng chiều nhau và ngược chiều với roto 2 và 3 dẫn đến sự cân bằng về moment xoắn của toàn bộ quadrotor.
Hình 1-9 Mô hình của quadrotor, góc và các trục toạ độ Vì đối tượng có tính chất phi tuyến và 6 bậc tự do (DOF), do đó sẽ có 6 biến dùng để miêu tả vị trí của đối tượng trong không gian (𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝜑, 𝜃, 𝜓).
