PHẦN MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài UAV (Unmanned Arial Vehicle) – máy bay không người lái, được định nghĩa là một phương tiện hàng không có gắn động cơ nhưng không mang người lái, sử dụng các lực khí động học để di chuyển, có thể bay tự động hoặc thông qua bộ điều khiển từ xa, có thể mang vũ khí chiến đấu hoặc các thiết bị điện tử khác. Các phương tiện bay theo quỹ đạo, bán quỹ đạo như vệ tinh nhân tạo, tên lửa hành trình, tên lửa tầm nhiệt không được coi là một phương tiện bay không người lái. Các UAV được biết đến bởi khả năng thực hiện các nhiệm vụ liên quan đến quân sự.
Nhanh chóng nhận thấy những ưu điểm của UAV so với cái phương tiện có người lái truyền thống, các nước có nền khoa học kỹ thuật phát triển như Mỹ, Úc, Nga, Israel, Trung Quốc đã tập trung nguồn lực cho việc nghiên cứu và phát triển các loại UAV từ rất sớm và đã đạt được những thành tựu nhất định. Ngoài thực hiện nhiệm vụ quân sự, các UAV cũng được nghiên cứu và ứng dụng vào các nhiệm vụ khoa học như quan sát núi lửa, điều tra môi trường, thám hiểm hang động hay các ứng dụng trong thương mại như giao hàng, quay phim, chụp ảnh. Quadcopter là một loại phương tiện bay dạng UAV được trang bị 4 động cơ có gắn cánh quạt ở 4 góc một khung hình chữ X hoặc chữ thập, hoạt động dựa vào các nguyên lí động học. So với các UAV dạng trực thăng và UAV dạng cánh bằng thì quadcopter có ưu điểm là kết cấu cơ khí đơn giản, kích thước nhỏ nên khá linh hoạt trong phạm vi hẹp, dễ dàng làm quen và điều khiển, chi phí vận hành thấp, dễ dàng chế tạo.
Vì vậy nhóm quyết định lựa chọn quadcopter làm đối tượng để tìm hiểu trong nghiên cứu này, cụ thể hơn trong việc bám theo một đối tượng có màu xác định. Mục tiêu của đề tài Nghiên cứu và phát triển máy bay không người lái là một chủ đề đòi hỏi kiến thức tổng quát về nhiều lĩnh vực như cơ học, động lực học, khí động lực học, mạch điều khiển, xử lý tín hiệu, xử lý nhiễu,… trong khi đây là một chủ đề khá mới mẻ, kết quả nghiên cứu trong nước chưa nhiều. Vì vậy, mục tiêu của nghiên cứu này là giới thiệu tổng quan, phân tích các nguyên tắc điều khiển, nguyên tắc hoạt động, cơ sở lý thuyết và thiết kế mô hình máy bay không người lái bốn cánh, hay quadcopter hoặc drone, với thuật toán điều khiển cân bằng đồng thời bay ổn định và có khả năng hạ cánh tự động trên một mục tiêu xác định. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là mô hình máy bay không người lái bốn cánh, hay còn được biết với những cách gọi khác như quadcopter hoặc drone.
Mô hình sử dụng trong nghiên cứu là một mô hình do nhóm nghiên cứu tự thiết kế, xây dựng và lắp đặt các thiết bị phần cứng sao cho hợp lí nhất và cho kết quả hoạt động ổn định nhất. Đồng thời, nghiên cứu cũng đề cập đến các thuật toán xử lý ảnh, lý thuyết về bộ lọc Kalman và ứng dụng của bộ lọc trong điều khiển. Cuối cùng là sự kết hợp giữa các thuật toán điều khiển và xử lý ảnh để đạt được kết quả là một máy bay không người lái có khả năng tự động hạ cánh trên một mục tiêu xác định. Phạm vi nghiên cứu Do hạn chế về kiến thức và thời gian, nghiên cứu có phạm vi như sau: - Xây dựng mô hình bay bốn cánh thực tế.
- Xây dựng thuật toán điều khiển đáp trên mục tiêu dựa theo màu sắc. - Thời lượng bay liên tục từ 5 – 10 phút. - Điều kiện bay: trong phòng. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn, quy mô và phạm vi áp dụng Với các ưu điểm như tính đơn giản trong kết cấu cơ khí, tính linh động cũng như ứng dụng rất lớn vào thực tế nên các mô hình bay dạng multicopter nói chung và quadcopter nói riêng đã và đang được nhiều sinh viên các trường đại học, các phòng nghiên cứu, và các công ty trên thế giới nghiên cứu và phát triển.
Việc nghiên cứu máy bay không người lái có ý nghĩa quan trọng và phạm vi ứng dụng rộng rãi liên quan đến các mục đích từ giải trí, nghiên cứu, cho đến cứu hộ và cả quân sự. Luan van 1 PHẦN 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Tóm lược đề tài Tài liệu báo cáo này gồm bốn nội dung chính được chia làm bốn phần, trong đó: Phần 1: Tổng quan tài liệu Phần này trình bày tổng quan về đề tài, những nghiên cứu trong và ngoài nước, từ đó chỉ ra những vấn đề cần giải quyết và đưa ra những phương án. Phần 2: Vật liệu – Phương pháp Phần hai trình bày tổng quát lý thuyết về mô hình bay như cơ cấu di chuyển, hệ thống các cảm biến có thể được sử dụng trong mô hình và lý thuyết về xử lý ảnh.
Sau đó nội dung sẽ đề cập về phần cứng của mô hình, bao gồm hệ thống cơ khí và board mạch điện tử. Hệ thống cơ khí sẽ trình bày về hình dạng, kích thước, cách lắp ráp các linh kiện lên khung mô hình, giúp người đọc hình dung cụ thể về mô hình. Phần điện tử sẽ trình bày về cách kết nối các khối chức năng như khối nguồn, khối điều khiển lại với nhau. Và sau cùng, phương pháp điều khiển để mô hình có thể tự động đáp cánh lên mục tiêu sẽ được trình bày.
Phần 3: Kết quả – Thảo luận Phần này được thảo luận sau khi mô hình đã được lắp ráp hoàn chỉnh và hoạt động ổn định với mục đích trình bày những kết quả đạt được khi cho mô hình chạy thử nghiệm thực tế từ đó có những suy luận về kết quả đạt được. Phần 4: Kết luận – Đề nghị Đánh giá các nội dung hoàn thành cũng như các mặt ưu điểm và hạn chế của đề tài từ đó đề ra hướng phát triển của đề tài trong tương lai. Các nghiên cứu điển hình trên thế giới 1. Máy bay mô hình gắn camera DJI Inspire Hình 1.
Luan van 2 DJI inspire 2 (hình 1.1) là một sản phẩm trong nhiều dòng multicopter được DJI, công ty chuyên về drone lớn nhất thế giới nghiên cứu và phát triển, chỉ nặng có 2.9 kg nhưng Inspire có tốc độ bay tối đa xấp xỉ 108 km/h với trọng lượng cất cánh tối đa là 3.5 kg và vận tốc lên thẳng 7m/s. Bộ điều khiển của máy bay cho phép tầm hoạt động lên tới 5 km và trần bay là 3 km, pin của inspire cho phép thời gian bay lên tới 19 phút và dặc biệt ở phiên bản DJI inspire 2 cho phép nó mang tới 2 viên pin tăng thời gian bay của máy bay lên gấp đôi. Với hệ thống cảm biến được tích hợp trong thân và camera gắn bên dưới thân khiến cho Inspire có khả năng quay phim với hộ phân giải khá cao cũng như phát hiện vật cản từ khoảng cách 20m. Hệ thống lái tự động với nhiều chế độ bay được nhà sản xuất lập trình sẵn giúp người sử dụng dễ dàng điều khiển cũng như giúp máy bay tự hạ cánh khi người điều khiển bị mất kiểm soát với máy bay.
Với những ưu điểm ở trên cũng như giá thành, DJI inspire đang là sản phẩm bán chạy trên thị trường. Máy bay không người lái điều khiển bằng suy nghĩ Các nhà nghiên cứu ở trường Đại học Minnesota ở Mỹ phối hợp với Hội Khoa học quốc gia đang thử nghiệm dùng suy nghĩ để điều khiển quadcopter thông qua một loại mũ trùm đầu thông minh (hình 1. Đại học Minnesota cho biết dự án này nhằm giúp nghiên cứu các thiết bị hỗ trợ cho người tàn/khuyết tật, ví dụ chân/tay máy hoặc bộ đồ có thể điều khiển thông qua suy nghĩ. Nhóm nghiên cứu hi vọng một ngày nào đó có thể sử dụng công nghệ này để hỗ trợ các phi hành gia.
Ngoài ra, hình 1.3 là một nghiên cứu khác cũng có ý tưởng điều khiển drone bằng suy nghĩ ở Florida. Điều khiển Drone bằng suy nghĩ của nhóm ĐH Minnesota. Luan van 3 Hình 1. Drone điều khiển bằng suy nghĩ ở Florida.
Máy bay không người lái trong cứu hộ Hình 1. Máy bay không người lái Little Ripper của Úc. Máy bay không người lái hiện tại đặc biệt đang được quan tâm trong lĩnh vực hỗ trợ cứu hộ. Nhờ vào khả năng di chuyển linh hoạt, có thể bay vào và quay trở ra những khu vực nguy hiểm mà khó có thể đưa đội cứu hộ hoặc máy bay trực thăng vào, máy bay không người lái đang dần thay thế con người trong những nỗ lực đó, những công việc mà những nhà nghiên cứu đánh giá là sẽ phải hao tốn rất nhiều thời gian và sức lực nếu phải thực thi bằng con người.
Ngoài ra, máy bay không người lái còn được ứng dụng để tiếp tế lương thực và thuốc vào những khu vực dịch bệnh hay những vùng đang bị kiểm dịch, không khí độc hại.4 là hình của chiếc máy bay Little Ripper đã cứu sống hai người bơi gặp nạn trên biển trong chuyến cứu hộ được cho là đầu tiên trên thế giới bằng drone tại Úc. Các nghiên cứu trong nước 1. Nghiên cứu của sinh viên các trường đại học Đề tài về quadcopter là một đề tài khá mới và thu hút được nhiều sự quan tâm của sinh viên. Nhiều đề tài xây dựng mô hình bay quadcopter đã được chọn để nghiên cứu trong luận án tốt nghiệp cũng như nghiên cứu khoa học của sinh viên.
Tuy nhiên, vì là một đề tài mới, đòi hỏi tổng hợp nhiều kiến thức tổng hợp của các ngành khoa học cộng với sự hạn chế kinh nghiệm trong lĩnh vực nghiên cứu UAV nên hầu hết các đề tài về drone của sinh viên đều còn tồn tại một số vấn đề chưa khắc phục được. Drone được nghiên cứu bởi nhóm sinh viên Phòng thí nghiệm Hệ thống thông minh Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Mô hình của nhóm sinh viên ngành Điện – Điện tử Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh chưa giải quyết triệt để vấn đề nhiễu của cảm biến gia tốc, chỉ dùng tín hiệu từ gyroscope để điều khiển nên mô hình vẫn chưa cân bằng (hình 1.
Mô hình quadcopter của sinh viên Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng. Luan van 5 Nhóm sinh viên của trường đại học Bách khoa Đà Nẵng đã khắc phục được vấn đề nhiễu của cảm biến gia tốc kết hợp với tín hiệu từ gyroscope nên mô hình có độ ổn định khá tốt khi bay (hình 1.