Nghiên Cứu Sử Dụng Quadcopter Đo Nhiệt Độ và Độ Ẩm

Tài liệu nghiên cứu Công trình nghiên cứu khoa học sinh viên sử dụng quadcopter đo nhiệt độ độ ẩm để phục vụ đời sống, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên

• Trường học: Trường Đại Học Tôn Đức Thắng
• Đề tài: Nghiên Cứu Sử Dụng Quadcopter Đo Nhiệt Độ và Độ Ẩm Tại Trường Đại Học Tôn Đức Thắng

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÓM LƯỢC ĐỀ TÀI
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ LÍ THUYẾT VỀ LINH KIỆN
• 2.1. Tổng quan khái quát về Arduino
• 2.2. Thông số cơ bản của Arduino Uno R3
• 2.3. Sơ đồ và chức năng các chân của Arduino
• 2.4. Một vài chân digital (kỹ thuật số) có các chức năng đặc biệt
• 2.5. Vi điều khiển tích hợp trong Arduino
• 2.6. Tổng quan về cảm biến DHT11
• 2.6.1. Giới thiệu
• 2.6.2. Thông số kỹ thuật của DHT11
• 2.7. Mạch cân bằng MPU6050
• 2.7.1. Giới thiệu
• 2.7.2. Sơ đồ chân MPU6050
• 2.8. Chức năng con quay hồi chuyển (Gyroscope)
• 2.9. Chức năng của gia tốc góc nghiêng (Accelerometer)
• 2.10. Động cơ không chổi than
• 2.10.1. Cấu tạo của động cơ DC không chổi than
• 2.10.2. Nguyên tắc điều khiển động cơ không chổi than
• 2.10.3. Nguyên lý hoạt động của động cơ brushless
• 2.11. Mạch ESC thực tế và nguyên lý hoạt động
• 2.12. Thuật toán cân bằng PID
• 2.12.1. Các bộ điều khiển PID
• 2.12.2. Ảnh hưởng của các thông số P I D trong việc cân bằng các trục của Quadcopter
• 2.13. Giới thiệu phần mềm Arduino IDE
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Nguyên lí hoạt động của Quadcopter
• 3.1.1. Nguyên lí cân bằng
• 3.1.2. Nguyên lí di chuyển
• 3.1.3. Tính toán khối lượng nâng của Quadcopter
• 3.1.3.1. Tính lực đẩy cần đến
• 3.2. Thi công thiết kế mô hình thử nghiệm PID một trục
• 3.2.1. Tính toán và thiết kế
• 3.2.2. Kết quả thử nghiệm
• 3.3. Thi công thiết kế mô hình thử nghiệm PID hai trục
• 3.3.1. Kết quả thử nghiệm
• 3.4. Thi công lắp ráp hoàn thiện mô hình sản phẩm
• 3.4.1. Thiết kế mô hình
• 3.4.2. Kết quả thử nghiệm
• 3.5. Tiến hành lập trình và nạp chương trình cho Quadcopter
• 3.6. Tiến hành thử nghiệm bay thực tế
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 4.1. Ưu điểm - Nhược điểm
• 4.2. Hướng phát triển
• MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Tóm tắt

I. Hướng Dẫn Nghiên Cứu Quadcopter Đo Nhiệt Độ Độ Ẩm TDTU

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu và đô thị hóa, việc giám sát các chỉ số môi trường như nhiệt độ và độ ẩm ngày càng trở nên cấp thiết. Các phương pháp truyền thống sử dụng trạm quan trắc mặt đất cố định bộc lộ nhiều hạn chế về độ bao phủ không gian và chi phí triển khai. Để giải quyết vấn đề này, đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên tại Đại học Tôn Đức Thắng đã tiên phong trong việc Sử Dụng Quadcopter Đo Nhiệt Độ và Độ Ẩm, mở ra một hướng tiếp cận mới linh hoạt và hiệu quả. Dự án này tận dụng công nghệ thiết bị bay không người lái (UAV) để thu thập dữ liệu thời gian thực tại các vị trí khó tiếp cận, cung cấp cái nhìn toàn diện về sự phân bố vi khí hậu trong khuôn viên trường. Bằng cách tích hợp các cảm biến nhiệt độ độ ẩm nhỏ gọn lên một chiếc quadcopter, hệ thống có khả năng bay đến nhiều độ cao và vị trí khác nhau, tạo ra một bộ dữ liệu không gian ba chiều vô cùng giá trị. Nghiên cứu không chỉ thể hiện khả năng ứng dụng công nghệ cao trong lĩnh vực môi trường mà còn là một đề tài tốt nghiệp TDTU tiêu biểu, kết hợp kiến thức liên ngành từ điện tử, lập trình đến khoa học dữ liệu. Việc phát triển một hệ thống giám sát không khí di động như thế này giúp giảm thiểu chi phí lắp đặt, tăng cường tính linh hoạt và cho phép phản ứng nhanh với các thay đổi bất thường của môi trường, phục vụ trực tiếp cho công tác quản lý và quy hoạch tại các khu đô thị lớn.

1.1. Tầm quan trọng của việc giám sát vi khí hậu đô thị

Việc giám sát vi khí hậu đô thị đóng vai trò then chốt trong việc đánh giá chất lượng sống và hoạch định các chiến lược phát triển bền vững. Nhiệt độ và độ ẩm là hai yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người, hiệu suất năng lượng của các tòa nhà và sự phát triển của hệ sinh thái cây xanh trong thành phố. Các khu vực như khuôn viên Đại học Tôn Đức Thắng có mật độ xây dựng và không gian xanh xen kẽ, tạo ra các vùng vi khí hậu đa dạng. Việc hiểu rõ sự phân bố nhiệt độ có thể giúp xác định các "đảo nhiệt đô thị" cục bộ, từ đó đề xuất các giải pháp như tăng cường cây xanh hoặc sử dụng vật liệu xây dựng phản xạ nhiệt. Giám sát độ ẩm cũng quan trọng không kém, ảnh hưởng đến sự thoải mái của con người và nguy cơ phát triển của nấm mốc. Một hệ thống giám sát không khí chính xác cung cấp dữ liệu nền tảng cho các nhà quy hoạch, kiến trúc sư và nhà quản lý môi trường.

1.2. Lợi ích của việc ứng dụng drone quan trắc môi trường

So với các trạm quan trắc cố định, drone quan trắc môi trường mang lại nhiều lợi ích vượt trội. Lợi ích lớn nhất là tính linh hoạt và khả năng tiếp cận. Drone có thể bay tới những khu vực nguy hiểm, trên cao hoặc khó tiếp cận bằng phương pháp thông thường. Khả năng thu thập dữ liệu thời gian thực trên một khu vực rộng lớn trong thời gian ngắn giúp tạo ra các bản đồ nhiệt (heatmap) chi tiết, trực quan hóa sự khác biệt nhiệt độ giữa các khu vực. Hơn nữa, chi phí vận hành một drone thường thấp hơn so với việc lắp đặt và bảo trì một mạng lưới cảm biến mặt đất dày đặc. Công nghệ IoT và drone khi được kết hợp có thể tự động hóa hoàn toàn quy trình thu thập và phân tích dữ liệu, gửi cảnh báo tức thì khi phát hiện các chỉ số bất thường. Đây là một bước tiến công nghệ quan trọng, giúp việc giám sát môi trường trở nên chủ động và hiệu quả hơn.

II. Thách Thức Khi Giám Sát Nhiệt Độ Bằng Phương Pháp Cũ

Các phương pháp giám sát nhiệt độ và độ ẩm truyền thống, dù đã đóng góp nhiều dữ liệu lịch sử quan trọng, nhưng vẫn đối mặt với những thách thức cố hữu khi áp dụng vào các môi trường phức tạp như khuôn viên một trường đại học. Thách thức lớn nhất là tính đại diện của dữ liệu. Một trạm quan trắc cố định chỉ có thể cung cấp thông tin tại một điểm duy nhất, không thể phản ánh sự biến thiên của vi khí hậu đô thị trong không gian hẹp, ví dụ như sự khác biệt nhiệt độ giữa một bãi đỗ xe và một khu vườn gần đó. Để có được bức tranh tổng thể, cần một mạng lưới cảm biến dày đặc, điều này dẫn đến chi phí đầu tư và bảo trì rất lớn. Hơn nữa, việc thu thập dữ liệu ở các độ cao khác nhau là gần như không thể với các trạm mặt đất. Một vấn đề khác là độ trễ trong việc xử lý dữ liệu môi trường. Dữ liệu thường được thu thập định kỳ và xử lý sau đó, làm giảm khả năng phát hiện và phản ứng kịp thời với các hiện tượng bất thường. Chính những hạn chế này đã thúc đẩy sự ra đời của các giải pháp mới, trong đó dự án Sử Dụng Quadcopter Đo Nhiệt Độ và Độ Ẩm tại Đại học Tôn Đức Thắng là một minh chứng điển hình cho việc áp dụng công nghệ để vượt qua các rào cản truyền thống, hướng tới một hệ thống quan trắc linh động và toàn diện hơn.

2.1. Hạn chế về độ bao phủ không gian của trạm cố định

Các trạm khí tượng mặt đất truyền thống cung cấp dữ liệu rất chính xác nhưng chỉ tại vị trí lắp đặt. Trong một không gian đa dạng như khuôn viên Đại học Tôn Đức Thắng, nhiệt độ có thể chênh lệch vài độ C chỉ trong khoảng cách vài chục mét giữa khu vực có bóng râm của cây cối và khu vực sân bê tông trống trải. Dữ liệu từ một điểm không thể ngoại suy chính xác cho toàn bộ khu vực. Điều này tạo ra một "khoảng trống dữ liệu" lớn, đặc biệt là theo chiều thẳng đứng. Việc sử dụng thiết bị bay không người lái có thể lấp đầy khoảng trống này bằng cách quét toàn bộ khu vực theo một lộ trình được lập trình sẵn, thu thập dữ liệu tại hàng trăm hoặc hàng nghìn điểm khác nhau để xây dựng một mô hình 3D về nhiệt độ và độ ẩm.

2.2. Chi phí đầu tư và bảo trì hệ thống quan trắc lớn

Việc thiết lập một mạng lưới cảm biến đủ dày để bao phủ một khu vực rộng lớn là vô cùng tốn kém. Mỗi trạm yêu cầu chi phí cho cảm biến, thiết bị ghi dữ liệu, nguồn cấp và hạ tầng truyền thông. Ngoài ra, chi phí bảo trì, hiệu chuẩn định kỳ và thay thế thiết bị cũng là một gánh nặng tài chính đáng kể. Ngược lại, một hệ thống dựa trên flycam gắn cảm biến chỉ yêu cầu đầu tư ban đầu cho thiết bị bay và các cảm biến đi kèm. Chi phí vận hành chủ yếu là pin và bảo dưỡng định kỳ cho drone, thấp hơn rất nhiều so với việc duy trì hàng chục trạm quan trắc. Giải pháp này giúp các tổ chức, đặc biệt là các đơn vị giáo dục và nghiên cứu, có thể triển khai các dự án giám sát môi trường hiệu quả với ngân sách hạn hẹp.

III. Phương Pháp Thiết Kế Quadcopter Gắn Cảm Biến Môi Trường

Việc xây dựng thành công một thiết bị bay không người lái phục vụ mục đích quan trắc đòi hỏi sự kết hợp giữa thiết kế cơ khí chính xác và lựa chọn linh kiện điện tử phù hợp. Trọng tâm của dự án Sử Dụng Quadcopter Đo Nhiệt Độ và Độ Ẩm là tạo ra một hệ thống ổn định, đáng tin cậy và có khả năng mang tải trọng là các module cảm biến. Nhóm nghiên cứu tại Đại học Tôn Đức Thắng đã lựa chọn các linh kiện phổ biến, dễ tiếp cận để tối ưu hóa chi phí và thuận tiện cho việc thay thế, sửa chữa. Khung quadcopter được chọn phải đủ cứng vững để giảm thiểu rung động, yếu tố có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của cảm biến. Hệ thống động lực, bao gồm động cơ không chổi than (Brushless DC motor), bộ điều khiển tốc độ điện tử (ESC) và cánh quạt, được tính toán cẩn thận để cung cấp đủ lực nâng cho toàn bộ khối lượng của thiết bị. Trái tim của hệ thống là bo mạch vi điều khiển Arduino, chịu trách nhiệm nhận tín hiệu điều khiển, đọc dữ liệu từ cảm biến và điều khiển tốc độ động cơ. Việc tích hợp các cảm biến nhiệt độ độ ẩm như DHT11 hay cảm biến BME280 được thực hiện một cách khoa học để đảm bảo chúng không bị ảnh hưởng bởi nhiệt lượng tỏa ra từ động cơ và các linh kiện điện tử khác.

3.1. Lựa chọn linh kiện Arduino và cảm biến nhiệt độ DHT11

Theo tài liệu nghiên cứu, bo mạch Arduino Uno R3 được chọn làm bộ điều khiển trung tâm nhờ sự phổ biến, cộng đồng hỗ trợ lớn và ngôn ngữ lập trình C/C++ dễ tiếp cận. Arduino có đủ các chân I/O để giao tiếp với module cảm biến, mạch cân bằng MPU6050 và bộ thu tín hiệu điều khiển. Đối với nhiệm vụ đo lường, cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11 được lựa chọn vì chi phí thấp và đầu ra tín hiệu kỹ thuật số đã được hiệu chỉnh. Mặc dù có sai số nhất định (±2°C cho nhiệt độ và ±5%RH cho độ ẩm), DHT11 hoàn toàn phù hợp cho các mục đích nghiên cứu và thử nghiệm ban đầu của một dự án nghiên cứu khoa học sinh viên. Sự kết hợp giữa Arduino và DHT11 tạo nên một khối đo lường nhỏ gọn, tiết kiệm năng lượng và dễ dàng tích hợp lên khung quadcopter.

3.2. Hệ thống động lực Động cơ không chổi than và ESC

Hệ thống động lực là yếu tố quyết định khả năng bay của quadcopter. Nghiên cứu đã sử dụng động cơ không chổi than A2212/13T 1000KV, một loại động cơ phổ biến trong cộng đồng DIY drone vì hiệu suất cao và độ bền. Chỉ số 1000KV có nghĩa là động cơ sẽ quay 1000 vòng/phút cho mỗi volt điện áp đầu vào. Để điều khiển tốc độ của các động cơ này, các bộ điều khiển tốc độ điện tử (ESC) 30A được sử dụng. ESC nhận tín hiệu PWM (Pulse Width Modulation) từ Arduino và chuyển đổi thành dòng điện ba pha để điều khiển động cơ. Việc tính toán và lựa chọn cánh quạt (ví dụ: loại 1045) phù hợp với động cơ là rất quan trọng để tối ưu hóa lực đẩy và hiệu quả năng lượng, qua đó kéo dài thời gian bay của thiết bị.

IV. Bí Quyết Lập Trình Drone Tinh Chỉnh Thuật Toán Cân Bằng PID

Phần cứng chỉ là phần xác, linh hồn của một quadcopter nằm ở thuật toán điều khiển bay. Để một thiết bị bay không người lái có thể giữ thăng bằng và di chuyển ổn định, một hệ thống điều khiển phức tạp cần được triển khai trên vi điều khiển. Trọng tâm của việc lập trình drone trong dự án này là xây dựng và tinh chỉnh thuật toán cân bằng PID (Proportional – Integral – Derivative). Thuật toán này liên tục đọc dữ liệu góc nghiêng từ mạch cân bằng MPU6050 (bao gồm con quay hồi chuyển và gia tốc kế), so sánh với giá trị mong muốn (trạng thái cân bằng hoặc lệnh từ người điều khiển) và tính toán tín hiệu điều khiển phù hợp cho từng động cơ để triệt tiêu sai số. Quá trình tinh chỉnh các hệ số P, I, và D là một trong những công đoạn khó khăn và tốn thời gian nhất, đòi hỏi nhiều lần thử nghiệm và hiệu chỉnh. Theo báo cáo nghiên cứu, nhóm sinh viên đã phải thực hiện thử nghiệm cân bằng trên từng trục (một trục, hai trục) trước khi lắp ráp hoàn thiện. Toàn bộ chương trình được phát triển trên phần mềm Arduino IDE, một môi trường lập trình tích hợp (IDE) mã nguồn mở và thân thiện với người dùng.

4.1. Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển PID trong Quadcopter

Bộ điều khiển PID là một cơ chế phản hồi vòng kín kinh điển. Trong ứng dụng quadcopter, nó hoạt động như sau: Thành phần 'P' (Tỷ lệ) phản ứng với sai số hiện tại; sai số càng lớn, tín hiệu điều khiển càng mạnh để đưa hệ thống về trạng thái cân bằng. Thành phần 'I' (Tích phân) sẽ tích lũy các sai số trong quá khứ, giúp triệt tiêu các sai số ổn định gây ra bởi các yếu tố bên ngoài như gió nhẹ hoặc sự không đồng đều giữa các động cơ. Cuối cùng, thành phần 'D' (Đạo hàm) dự đoán sai số trong tương lai dựa trên tốc độ thay đổi của sai số hiện tại, có tác dụng "giảm xóc", ngăn chặn hiện tượng vọt lố (overshoot) và làm cho chuyển động trở nên mượt mà hơn. Việc cân bằng ba thành phần này là chìa khóa để UAV thu thập dữ liệu khí tượng một cách ổn định.

4.2. Quy trình thử nghiệm và hiệu chỉnh thông số PID

Tài liệu nghiên cứu tại Đại học Tôn Đức Thắng mô tả một quy trình hiệu chỉnh PID rất bài bản. Ban đầu, nhóm tác giả xây dựng một mô hình thử nghiệm cân bằng một trục, chỉ với hai động cơ đối diện nhau, để tìm ra bộ thông số PID cơ bản cho trục roll hoặc pitch. Sau khi trục đơn hoạt động ổn định, họ tiếp tục với mô hình thử nghiệm cân bằng hai trục trên một khung cố định. Quá trình này cho phép quan sát phản ứng của quadcopter một cách an toàn, tránh va đập và hỏng hóc linh kiện. Việc theo dõi và điều chỉnh các giá trị P, I, D được thực hiện lặp đi lặp lại cho đến khi quadcopter phản ứng nhanh, chính xác với các tác động bên ngoài và không bị dao động. Đây là bước quan trọng nhất để đảm bảo an toàn và hiệu quả khi bay thử nghiệm thực tế.

V. Ứng Dụng Quadcopter Đo Nhiệt Độ Kết Quả Thực Tiễn

Sau quá trình thiết kế, lắp ráp và hiệu chỉnh, hệ thống Sử Dụng Quadcopter Đo Nhiệt Độ và Độ Ẩm đã được đưa vào thử nghiệm thực tế tại khuôn viên Đại học Tôn Đức Thắng. Mục tiêu của giai đoạn này là kiểm chứng khả năng hoạt động ổn định của thiết bị bay và đánh giá chất lượng dữ liệu môi trường thu thập được. Quadcopter được lập trình để bay theo một lộ trình định trước hoặc được điều khiển thủ công đến các vị trí cần khảo sát. Trong quá trình bay, các cảm biến nhiệt độ độ ẩm liên tục ghi nhận dữ liệu và gửi về trạm mặt đất. Kết quả thu được không chỉ là những con số rời rạc mà còn có thể được xử lý dữ liệu môi trường để trực quan hóa dưới dạng bản đồ nhiệt (heatmap). Những bản đồ này cho thấy rõ ràng sự phân bố nhiệt độ không đồng đều trên toàn khu vực, giúp xác định các điểm nóng, điểm mát và phân tích ảnh hưởng của các yếu tố như công trình xây dựng, mặt nước, cây xanh đến vi khí hậu đô thị. Mặc dù nghiên cứu thừa nhận vẫn còn một số hạn chế như thời gian bay ngắn do dung lượng pin và sai số nhất định của cảm biến, nhưng những kết quả ban đầu đã khẳng định tiềm năng to lớn của phương pháp này trong lĩnh vực quan trắc môi trường.

5.1. Xây dựng bản đồ nhiệt heatmap khuôn viên TDTU

Một trong những kết quả ấn tượng nhất của dự án là khả năng xây dựng bản đồ nhiệt (heatmap). Bằng cách cho quadcopter bay quét qua một khu vực theo lưới ô vuông ở một độ cao không đổi, hệ thống có thể thu thập dữ liệu nhiệt độ tại hàng trăm điểm. Dữ liệu này sau đó được nhập vào phần mềm chuyên dụng để nội suy và tạo ra một bản đồ màu sắc, nơi các màu nóng (đỏ, cam) đại diện cho khu vực có nhiệt độ cao và các màu lạnh (xanh dương, xanh lá) đại diện cho khu vực nhiệt độ thấp. Bản đồ này cung cấp một cái nhìn trực quan và dễ hiểu về sự phân bố nhiệt, giúp các nhà nghiên cứu và quản lý nhanh chóng xác định các vấn đề và tiềm năng cải thiện môi trường tại Đại học Tôn Đức Thắng.

5.2. Phân tích và đánh giá dữ liệu nhiệt độ độ ẩm thu thập

Quá trình xử lý dữ liệu môi trường là bước tiếp theo sau khi thu thập. Dữ liệu thô từ cảm biến được làm sạch để loại bỏ nhiễu và các giá trị ngoại lai. Sau đó, các phân tích thống kê được thực hiện để tìm ra nhiệt độ trung bình, cao nhất, thấp nhất và độ lệch chuẩn tại các khu vực khác nhau. Việc so sánh dữ liệu thu thập được ở các thời điểm khác nhau trong ngày (sáng, trưa, chiều) hoặc giữa các ngày có điều kiện thời tiết khác nhau cũng mang lại những hiểu biết sâu sắc về động lực học của vi khí hậu. Kết quả phân tích này không chỉ có giá trị khoa học mà còn có thể được ứng dụng trong việc tối ưu hóa lịch trình tưới cây, lựa chọn vị trí lắp đặt các khu vực nghỉ ngơi ngoài trời, và thậm chí là cải thiện thiết kế cảnh quan để giảm thiểu hiệu ứng đảo nhiệt đô thị.

VI. Tương Lai Của Drone Quan Trắc Môi Trường Hướng Phát Triển

Dự án Sử Dụng Quadcopter Đo Nhiệt Độ và Độ Ẩm tại Đại học Tôn Đức Thắng không chỉ là một công trình nghiên cứu khoa học sinh viên thành công mà còn mở ra nhiều hướng phát triển đầy hứa hẹn cho tương lai. Những thành công và cả những hạn chế của dự án đều là những bài học quý giá, đặt nền móng cho các nghiên cứu tiếp theo. Tương lai của drone quan trắc môi trường nằm ở việc tích hợp thêm nhiều loại cảm biến hơn, tăng cường khả năng tự hành và ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) để phân tích dữ liệu. Một chiếc thiết bị bay không người lái có thể trở thành một trạm quan trắc di động đa năng, không chỉ đo nhiệt độ, độ ẩm mà còn cả chất lượng không khí (PM2.5, CO2, O3), mức độ tiếng ồn, hay thậm chí là phân tích sức khỏe thực vật thông qua camera đa phổ. Sự kết hợp giữa IoT và drone sẽ cho phép tạo ra một mạng lưới các thiết bị bay tự hành, tự động sạc và thực hiện các nhiệm vụ quan trắc 24/7 mà không cần sự can thiệp của con người. Những cải tiến này sẽ cách mạng hóa cách chúng ta hiểu và quản lý môi trường sống xung quanh.

6.1. Tích hợp thêm cảm biến và hệ thống định vị GPS

Hướng phát triển được chính nhóm tác giả đề xuất là tích hợp thêm các module chức năng khác. Việc gắn thêm một camera cho phép quadcopter thực hiện nhiệm vụ kép: vừa thu thập dữ liệu khí tượng, vừa ghi hình, chụp ảnh phục vụ công tác khảo sát, quản lý cơ sở hạ tầng. Quan trọng hơn, việc tích hợp hệ thống định vị toàn cầu (GPS) sẽ nâng cấp quadcopter lên một tầm cao mới. Với GPS, UAV thu thập dữ liệu khí tượng có thể bay tự động theo một lộ trình được vạch sẵn trên bản đồ một cách chính xác. Điều này không chỉ giải phóng người điều khiển mà còn đảm bảo tính lặp lại và nhất quán của các lần thu thập dữ liệu, yếu tố cực kỳ quan trọng trong nghiên cứu khoa học.

6.2. Ứng dụng AI trong việc xử lý dữ liệu môi trường tự động

Với khối lượng dữ liệu khổng lồ được thu thập từ các chuyến bay, việc phân tích thủ công sẽ trở nên kém hiệu quả. Hướng phát triển tất yếu là ứng dụng học máy (Machine Learning) và trí tuệ nhân tạo (AI) vào việc xử lý dữ liệu môi trường. Các thuật toán AI có thể tự động nhận dạng các mẫu hình bất thường, ví dụ như phát hiện một khu vực có nhiệt độ tăng đột biến, dự đoán xu hướng thay đổi của vi khí hậu, hoặc tự động phân loại các khu vực dựa trên đặc điểm môi trường của chúng. Sự kết hợp giữa drone quan trắc môi trường và AI sẽ tạo ra một hệ thống giám sát thông minh, chủ động và có khả năng cung cấp những thông tin chuyên sâu mà con người khó có thể nhận ra.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÓM LƯỢC ĐỀ TÀI CHƯƠNG 2 Giới thiệu Hiện này việc ứng dụng máy bay không người lái đang được ứng dụng rộng rãi trong và ngoài nước như dùng phun thuốc và bón phân phục vụ cho nông nghiệp, hỗ trợ truyền thông và báo chí, phòng cháy chữa cháy,. hay thậm chí xa hơn là ở lnhvực quân sự và nó được xem là một loại vũ khí cực kì nguy hiểm trong chiến tranh bất đối xứng hiện nay. Với mong muốn ứng dụng những thành tựu có được hiện nay về máy bay không người lái nên nhóm đã quyết định nghiên cứu và thực hiện để tài Sử dụng Quadcopter đo nhiệt độ - độ ẩm để phục vụ _ is xt đời sống và sản xuất. Hình ï-i Ứng dung pho biến của Quadcopter.

CHUONG 3 Đối tượng tìm hiểu ¢ Để có thể hoàn thành được dự án thì cần phải tìm hiểu về các nội dung sau đây: « _ Arduino bộ điều khiển chính của hệ thống « Xây dựng thuật toán cân bằng PID ¢ Cam biến nhiệt độ - độ ẩm Module phát song RF « Mạch cân bằng MPU6050 e Điều chỉnh băn xung PWM e« Nắm vững cách vận hành của tay cầm điều khiển Devo TX7 e« Nắm vững những kiến thức về lập trình vi điều khiển. CHƯƠNG 4 Phạm vi nghiên cứu s« Tìm hiểu kĩ về vi điều khiển Arduino và cảm biến nhiệt độ - độ ẩm. se Tìm hiểu và thiết kế sơ đồ hệ thống cho dự án. « _ Lập trình hoạt động cho hệ thống.

« _ Lắp ráp thử nghiệm từng phân của dự án + Can bang PID 1 trục. + Can bang PID 2 truc « _ Lắp ráp hoàn thiện mô hình và chạy thử nghiệm. CHƯƠNG 5 TỔNG QUAN VỀ LÍ THUYẾT VỀ LINH KIỆN CHƯƠNG 6 Tổng quan khái quát về Arduino Arduino là một bo mạch vi điều khiển xuất hiện ở nước Ý đầu tiên vào năm 2005 do một nhóm giáo sư phát triển, thiết kế. Mạch Arduino được sử dụng để điều khiển nhiều đối tượng và các ngoại vi khác nhau theo yêu cầu của người dùng.

Arduino hoàn toàn có thể làm nhiều nhiệm vụ lấy tín hiệu từ cảm biến, ngoai vi đến điều khiển các động cơ từ đơn giản đến phức tạp. Không những thế mạch còn có khả năng liên kết và giao tiếp với nhiều loại module khác nhau như ethernet shield, sim900A, module đọc thẻ từ,. để tăng tính đa dụng của mạch. Ngôn ngữ lập trình C&C++ cơ bản có thể sử dụng cho Arduino IDE, đây là ngôn ngữ rất phổ biến hiện nay, giúp người dùng tiếp cận dễ dàng hơn với việc làm quen và thiết kế các ứng dụng, IOT,.

trong đời sống. Phần cứng của Arduino bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM, Atmel 32-bit,. Hiện nay có 6 phiên bản phần cứng Arduino được nhà sản xuất phát hành. Tuy nhiên không phải tất cả phiên bản đề phổ biến và được ưa chuộng như nhau, phiên bản thường được sử dụng nhiều 2.

Cổng nguồn R: nhất là Arduino Uno và Arduino Mega.[ CITATION Dat \I 1033 ] Hinh 2-2 Cau tao cua Arduino Uno R3 6.1 Dung lượng bộ nhớ Flash Memory: Bộ nhớ có thể ghi được lượng dữ liệu khá lớn và dữ liệu sẽ không bị mất ngay cả khi tắt điện hoặc nguồn cấp bị trục trặc. Về phan vai trò, có thể hình dung bộ nhớ này như ổ cứng của máy tính để chứa dữ liệu trên board mạch. Chương trình, ứng dụng được viết cho Arduino sẽ được lưu tại đây. Kích thước của vùng nhớ này thông thường dựa vào vi điều khiển được sử dụng, các loại vi điều khiển khác nhau sẽ có kích thước Flash Memory khác nhau, Arduino Uno R3 có dung lượng bộ nhớ Flash 32KB SRAM: tương tự như RAM của máy tính hay RAM laptop, dữ liệu sẽ bị mất ngay khi ngắt điện nhưng thay vào đó tốc độ đọc ghi xoá rất nhanh giúp xử lí câu lệnh tốt hơn trong thời gian ngắn.

Kích thước nhỏ hơn Flash Memory nhiều lần. Arduino Ủno R3 có dung lượng bộ nhớ SRAM 3 KB. EEPROM: đây là một dạng bộ nhớ tương tự như Flash Memory nhưng chu kì ghi / xoá lên đến khoảng 100,000 lần và có kích thước rất bé. Thư viện EEPROM của Arduino thường được dùng để đọc hoặc ghi dữ liệu.

Arduino Uno R3 có dung lượng bộ nhớ EEPROM 1 KB Flash Memory 32KB SRAM SRAM 3 KB EEPROM 1 KB Hình 2-3 Thông sô bộ nhớ.2 Thông số cơ bản của Arduino Uno R3 Cấp nguồn 5V cho Arduino UNO thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn ngoài với điện áp khuyến cao là 7-12V DC và giới hạn là từ 6-20V. Thường thì cấp nguồn bằng pin vuông 9V là an toàn nhất. Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn cho phép thì sẽ làm hỏng hoặc gây hại Arduino UNO. GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO.

5V: cấp điện áp 5V đầu ra. Dòng cấp cực đại cho phép ở chân này là 500mA. Dòng cấp cực đại cho phép ở chân này là 50mA. Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho board mạch Arduino UNO, bạn nối cực dương của nguồn với chân Vin trên board mạch và cực âm của nguồn với chân GND.

RESET: người dùng có thể nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển hoặc kết nối chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KO. Vi điều khiển Atmega 328 (ho 8 bit) 'Điện áp hoạt động 5V - DC (cấp qua cổng USB) Tân số hoạt động 16 MHz Dòng tiêu thụ 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V-DC Điện áp vào giới hạn 6-20V-DC Số chân Digital I/O 14 (6 chan PWM) $6 chan Analog 6 (độ phân giải 10 bit) Dòng tối đa trên mỗi chân I⁄O 30 mA Dòng ra tối đa (5V) 500 mA Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA Bộ nhớ flash 32 KB (Atmega328) voi 0.5KB ding bdi bootloader SRAM 2KB (Atmega328) EEPROM 1KB (Atmega328) Hinh 2-4 Théng sé co ban cau Arduio Uno R3 6.3 Sơ đồ và chức năng các chân của Arduino enw fie Le ae ? - DIGITAL (PwM~) É š Ifcpza(fBS) Oe) DTV) H1 0l) (äEJfsilfcorz(Gi8)G8) {I5)//81YPcnir1 G18) 1V1I910G —f#8\f88¡fcrur6(£089)27691 Dm Ga) {83)#9ÿPcir22l(Aise)'oc8A] WWMd - DRT DM _—££f8etrrz9(T6)08) - ED FTTH) {4 )#9i®ciwrasY tre) E8lSES8đĐ—| = amas a2— | — amma POO e TOO @—' | —@8 ———Ẩfff§BfE9Ñ)fcii3Xƒ6SY) Hinh 2-6 So a6 cac chan cia Arduino Uno R3 Arduino UNO có tất cả 14 chân digital dùng để xuất hoặc đọc tín hiệu. Nó chỉ có 2 mức điện áp đó là 0V và 5V với dòng vào và dòng ra tối đa là 40mA. Ở mỗi chân trong board mạch Arduino đều có các điện trở pull-up được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328.4 Một vài chân digital (kỹ thuật số) có các chức năng đặc biệt: 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit - TX) và nhận (receive - RX) dữ liệu TTL Serial.

Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2 chân này. Nói một cách dễ hiểu thì chung ta có thể điều chỉnh được điện áp ra ở chân này từ 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác. Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 13 (SCK), 11 (MOSI), 12 (MISO). 4 chân này dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác.

Arduino UNO có tổng cộng 6 chân analog từ A0 đến A5 cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 > 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng OV > 5V.5 Vi diéu khién tich hop trong Arduino See ea eae ea eee ee es - eee ee ee ụ 8 rm nh Hinh 2-7 Vi diéu khién ATmega328P Arduino UNO có thể sử dụng tất cả 3 vi điều khiển họ 8bit AVR bao gồm ATmega328, ATmega8, ATmegal68. Các vi điều khiển này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD, điều khiển đèn LED nhấp nháy,. Vi xử lý ATMega328P - Bộ nhớ CPU AVR lên đến 16 MHz 32KB Flash 2KB SRAM 1KB EEPROM Thiết bị ngoại vi 2x Bộ Timer / Counter 8-bit với bộ ghi thời gian và so sánh các kênh 1x Bộ Timer / Counter 16-bit với thanh ghi thời gian, thu nhận đầu vào và so sánh các kênh Sáu kênh PWM Vi xử lý ATMega16U2 Bộ vi điều khiển dựa trên AVR® RISC 8 bit - Bộ nhớ 16 KB ISP Flash 512B EEPROM 512B SRAM debugWIRE giao diện để gỡ lỗi trên chip va lap trình - Điện áp 2,7-5,5 V CHƯƠNG 7 Tổng quan về cảm biến DHT11 7.1 Giới thiệu Cảm biến nhiệt độ & độ ẩm DFRobot DHT11 có phức hợp cảm biến nhiệt độ & độ ẩm với đầu ra tín hiệu kỹ thuật số đã được hiệu chỉnh. Bằng cách sử dụng kỹ thuật thu tín hiệu kỹ thuật số và công nghệ cảm biến nhiệt độ và độ ẩm, nó đảm bảo độ tin cậy cao và độ ổn định lâu dài tuyệt vời.

Cảm biến này bao gồm thành phần đo độ ẩm kiểu điện trở và thành phân đo nhiệt độ NTC', đồng thời kết nối với bộ vi điều khiển 8 bit hiệu suất cao, mang lại DHT11 pins vec DATA NC GND chất lượng tốt, phản hồi nhanh, khả năng chống nhiễu và tiết kiém chi phi.[ CITATION Dat2 \I 1033 ] Hình 2-8 Cảm biên DHTII Hình 2-9 Sơ đồ kết nỗi 7.2 Thông số kỹ thuật của DHT11 Nguồn: 3 -> 5 VDC. Dòng sử dụng: 2. Khoảng đo độ ẩm: 20%-90% RH (sai số 5%RH) Khoảng đo nhiệt độ: 0-50°C (sai số 2°C) Tần số lấy mẫu tối đa: 1Hz (1 giây/ lần) Kích thước 15mm x 12mm x 5. 1 NTC là điện trở nhiệt nó cũng giống như cảm biến đo nhiệt độ tuy nhiên chi hoạt động có hiệu quả trong khoảng thời gian nhật định.

Điện trở nhiệt NTC sẽ giảm khi nhiệt độ tăng, do đó, nó có thê được dùng đê thê thay đổi trở kháng dudi tac dung cua nhiét.( NTC la gi? Ưng dụng của điện trở nhiệt NTC (labvietehem.vn)) CHƯƠNG 8 Mạch cân bằng MPU6050 8.1 Giới thiệu trục tích hợp đầu tiên trên thế giới (mở rộng tới 9) trục cảm biến tích hợp trong 1 chip duy nhất. Giúp loại bỏ con quay hồi chuyển pháp rời rạc. Linh kiện tích hợp con quay hồi chuyển 3 trục và cảm biến gia tốc 3 chiều. Thuật toán MotionFusion tích hợp 9 trục của MPU-6000 và MPU-6050 truy cập từ bên ngoài hoặc các cảm biến khác thông qua cổng giao tiếp I2C chính phụ, cho phép các thiết bị thu thập toàn bộ dữ liệu cảm biến mà không cần sự can thiệp của bộ xử lý hệ thống.

Có thể theo dõi chính xác cả chuyển động nhanh và chậm Internal Digital Motion Processing”" (DMP”") hỗ trợ các thuật toán nhận dạng cử chỉ và chuyển động 3D.