Chương 1: Tổng quan Chương này cung cấp cái nhìn tổng quát về đề tài bao gồm giới thiệu, tình hình nghiên cứu trong nước, ngoài nước, mục tiêu, giới hạn và nội dung đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương này cung cấp những kiến thức cơ bản về nguyên lý của drone, bộ điều khiển PID, học sâu, mạng nơ-ron tích chập, các mô hình phát hiện đối tượng. Chương 3: Phần cứng sử dụng Chương này trình bày chi tiết về phần cứng được sử dụng. Chương 4: Thuật toán điều khiển Chương này trình bày mô hình mạng, thuật toán và sơ đồ điều khiển cho bài toán điều khiển bay sử dụng PID và mô hình mạng noron để phát hiện và bám theo đối tượng.
Chương 5: Kết quả thực nghiệm, phân tích và tổng hợp Chương này trình bày kết quả thực nghiệm của đề tài, từ đó đưa ra đánh giá chung về mô hình. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Chương này đưa ra kết luận cũng như ưu điểm và hạn chế của đề tài. Đây cũng là phần đề xuất những ý tưởng mới và định hướng phát triển trong tương lai. Trang 7 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 2.1 Cơ sở lý thuyết về Drone 2.1 Lý thuyết điều khiển bay Trong đồ án này đề cập đến drone thường gặp gồm bốn động cơ.
Bốn cánh quạt gắn trên bốn động cơ giúp tạo ra lực nâng cho phép drone bay lên khi cánh quạt quay. Nguyên lý hoạt động chính của mô hình này dựa trên sự chuyển động của các dòng khí do cánh máy bay tạo ra làm drone bay lên và sự điều chỉnh tốc độ động cơ sẽ làm thay đổi hướng bay của drone.1 dưới đây mô tả cấu trúc cơ bản của drone.1 Mẫu quadcopter X Các cánh quạt số 1 và 3(CCW) quay ngược chiều kim đồng hồ, trong khi cánh quạt số 3 và 4(CW) quay cùng chiều kim đồng hồ để cân bằng momen xoắn tạo bởi bốn cánh quạt. Tất cả bốn cánh quạt phải tạo ra lực đẩy bằng nhau khi drone cất cánh và hạ cánh (Throttle Up hoặc Throttle Down). Góc Roll được điều khiển bằng cách thay đổi tốc độ giữa cặp cánh bên phải (số 1 và số 4) với cặp cánh bên trái (số 3 và số 2), sao cho tổng lực đẩy tạo ra bởi bốn cánh quạt không thay đổi.
Tương tự, góc Pitch được điều khiển bằng cách thay đổi tốc độ giữa cặp cánh phía trước (số 3 và số 1) với cặp cánh phía sau (số 2 và số 4), trong khi vẫn giữ được tổng lực đẩy. Góc Yaw được điều khiển bằng cách thay đổi tốc độ giữa cặp cánh CCW (số 1 và số 2) với cặp cánh CW (số 3 và số 4), sao cho tổng lực đẩy của bốn cánh vẫn không đổi.2 thể hiện cách hoạt động của drone. Trang 8 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 2.2 Cách hoạt động các góc Roll, Pitch, Yaw [4] Mô hình TELLO Drone được sử dụng trong đồ án này.3 Mô hình Tello drone 2.2 Bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID (Proporttional-Intergral-Derivative) [2] là một bộ khiển hồi tiếp được sử dụng trong các cơ chế điều khiển. Bộ điều khiển PID liên tục tính toán giá trị “sai số” là hiệu số giữa giá trị biến đổi và giá trị đặt.
Bộ điều khiển sẽ giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào. Công thức bộ điều khiển PID: Trang 9 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP t de(t ) (0.e(t ) K i e( )d ( ) K d 0 dt Trong đó: K p là độ lợi tỷ lệ, giá trị càng lớn thì thời gian đáp ứng càng nhanh tuy nhiên sai số càng lớn. Ki là độ lợi tích phân, giá trị càng lớn kéo theo sai số ổn định bị triệt tiêu càng nhanh, nhưng đổi lại độ vọt lố càng lớn. K d là độ lợi vi phân, giá trị càng lớn càng giảm độ vọt lố, nhưng sẽ làm chậm đáp ứng quá độ và có thể dẫn đến mất ổn định.
t là thời gian tức thời hiện tại. là biến tích hợp, xác định từ thời điểm 0 đến t.4 Bộ điều khiển PID [2] 2.1 Khâu tỉ lệ (Proportional) Khâu tỉ lệ làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại. Đáp ứng tỉ lệ có thể được thay đổi bằng cách nhân sai số đó với một hằng số K p , gọi là hằng số tỉ lệ. Trang 10 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 2.5 Khâu ti lệ [2] Khâu tỉ lệ được xác định bởi: Pout K p e(t ) (0.2) Hệ số của khâu tỉ lệ lớn là do thay đổi ở đầu ra lớn mà sai số thay đổi nhỏ.
Nếu hệ số của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định. Ngược lại, hệ số nhỏ là do đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai số đầu vào lớn, và làm cho bộ điều khiển kém nhạy, hoặc đáp ứng chậm. Nếu hệ số của khâu tỉ lệ quá thấp, tác động điều khiển có thể sẽ quá bé khi đáp ứng với các nhiễu của hệ thống.2 Khâu tích phân (Integral) Khâu tích phân tỉ lệ thuận với cả biên độ sai số và quãng thời gian xảy ra sai số. Tổng sai số tức thời theo thời gian (tích phân sai số) cho ta tích lũy bù đã được hiệu chỉnh trước đó.
Tích lũy sai số này được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển. Biên độ phân phối của khâu tích phân của các tác động điều chỉnh được xác định bởi độ lợi tích phân Ki. Trang 11 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 2.6 Khâu tích phân [2] Thừa số tích phân được xác định bởi: t I out K i e( )d (0.3) 0 Khâu tích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc bám theo điểm đặt và khử số dư sai số ổn định với một tỉ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển. Tuy nhiên, vì khâu tích phân là đáp ứng của sai số tích lũy trong quá khứ nên nó có thể khiến giá trị hiện tại vọt lố vượt qua giá trị đặt.3 Khâu vi phân (Derivative) Tốc độ thay đổi của sai số được tính toán bằng cách xác định độ dốc của sai số theo thời gian (gọi là đạo hàm bậc một theo thời gian) và nhân tốc độ này với độ lợi vi phân K d.
Biên độ của phân phối khâu vi phân (đôi khi được gọi là tốc độ) được giới hạn bởi độ lợi vi phân K d. Trang 12 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 2.7 Khâu vi phân [2] Thừa số vi phân được xác định bởi: de(t ) Dout K d (0.4) dt Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi đầu ra bộ điều khiển và đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển. Từ đó, khâu vi phân được sử dụng để làm giảm độ vọt lố được tạo ra bởi thành phần tích phân và cải thiện độ ổn định của bộ điều khiển. Tuy nhiên, phép vi phân sẽ khuếch đại nhiễu và do đó khâu này sẽ nhạy cảm hơn đối với nhiễu trong sai số, và có thể khiến quá trình không ổn định nếu nhiễu và độ lợi vi phân đủ lớn.2 Tổng quan về xử lý ảnh 2.1 Giới thiệu về xử lý ảnh Xử lý ảnh là lĩnh vực nghiên cứu lớn và là nền tảng của lĩnh vực thị giác máy tính, là quá trình biến đổi từ một ảnh ban đầu sang ảnh khác tùy theo mong muốn của người sử dụng.
Xử lý ảnh bao gồm các quá trình phân tích, thay đổi chất lượng, phân đoạn và phát hiện biên, gán nhãn cho đối tượng để trích xuất và thể hiện các thông tin của bức ảnh. Xử lý ảnh nhằm các mục đích: - Biến đổi ảnh để làm tăng chất lượng ảnh - Nhận dạng ảnh, dự đoán ảnh, đánh giá và trích xuất các thông tin của ảnh. Trang 13 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2.2 Các quá trình xử lý ảnh Về cơ bản, quá trình xử lý ảnh bao gồm các công đoạn sau: Thu nhận ảnh: Đầu tiên, ảnh từ thế giới bên ngoài được thu lại qua các thiết bị quay chụp. Với sự phát triển của công nghệ, chúng ta có thể chụp được ảnh đen trắng hoặc ảnh màu bằng camera kỹ thuật số.
Đây là loại ảnh có thể tiến hành các thao tác hậu kỳ, xử lý ảnh. Các thông số của ảnh như độ phân giải, chất lượng, dung lượng lưu trữ phụ thuộc vào thiết bị quay chụp, điều này cũng ảnh hưởng đến các thao tác xử lý ảnh về sau.8 Quá trình xử lý ảnh Tiền xử lý ảnh: Ở bước này, ảnh sẽ được khôi phục để tăng cường chất lượng, độ tương phản, làm nét ảnh, chuyển về ảnh xám hoặc nhị phân hóa ảnh, khử nhiễu bằng các bộ lọc, co giãn ảnh,. Điều này giúp thể hiện rõ các đặc trưng và thông tin của ảnh để thuận tiện cho các bước xử lý về sau. Phân đoạn ảnh: Đây là bước then chốt trong việc xử lý ảnh, giúp chúng ta phân biệt các đối tượng cần quan tâm với phần còn lại của ảnh.
Bước này sẽ phân tích ảnh để làm nổi bật những thành phần có tính chất hay đặc trưng nào đó dựa theo đường biên hoặc các vùng liên thông. Mỗi đối tượng trong ảnh được gọi là vùng hay miền, đường bao quanh đối tượng gọi là đường biên. Mỗi một vùng ảnh phải có một đặc tính đồng nhất. Biểu diễn và mô tả: kết quả của việc phân đoạn ảnh được cho dưới dạng điểm ảnh thô, trong đó có hàm chứa biên của một vùng ảnh, và tập hợp tất cả các điểm ảnh thuộc về vùng ảnh đó.
Ta có thể biểu diễn một vùng ảnh trong giới hạn đặc điểm bên ngoài nó (đường biên của nó), hoặc trong giới hạn bên trong (những điểm ảnh bên trong bao gồm vùng). Biểu diễn dạng biên cho một vùng phù hợp với những ứng dụng chỉ quan tâm chủ yếu đến các đặc trưng hình dạng bên ngoài đối Trang 14 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP tượng. Trong khi biểu diễn dạng vùng lại thích hợp cho các ứng dụng khai thác các tính chất bên trong của đối tượng.3 Phạm vi ứng dụng của xử lý ảnh Kỹ thuật xử lý ảnh trước đây chủ yếu được dùng để nâng cao chất lượng hình ảnh. Gần đây, xử lý ảnh ngày càng ứng dụng ở nhiều lĩnh vực, có thể nói không có lĩnh vực khoa học nào mà không sử dụng các thành tựu của công nghệ xử lý ảnh số.
Trong y học, các kỹ thuật xử lý ảnh cho phép biến đổi hình ảnh tạo ra từ tia bức xạ thành hình ảnh quang học được ghi lại bề mặt phim X-quang hay trực tiếp trên bề mặt của màn hình hiển thị.