Nghiên Cứu Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển UAV Tại Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

LỜI CAM ĐOAN

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI (UAV- Unmanned Aerial Vehicle)

1.1. Giới thiệu chung

1.2. Lịch sử phát triển

1.3. Phân loại UAV

1.4. Vai trò và khả năng ứng dụng

1.5. Cấu trúc của hệ thống UAV

1.6. Bộ xử lý trung tâm

1.7. Hệ thống cảm biến

1.8. Hệ thống Radar

1.9. Hệ thống Camera giám sát

1.10. Hệ thống dù, túi khí

1.11. Hệ thống tiết sáng hồng ngoại

1.12. Hệ thống định vị

1.13. Hệ thống Servo

1.14. Máy thu lệnh điều khiển

1.15. Hệ thống truyền dữ liệu

1.16. Trạm điều khiển mặt đất (GCS - Ground Control Station)

1.17. Bệ phóng

1.18. Thiết bị hỗ trợ

1.19. Giới thiệu về UAV cánh bằng

1.20. Cấu tạo của máy bay cánh bằng

1.21. Nguyên lý hoạt động của máy bay cánh bằng

1.22. Kết luận chương

2. TÌM HIỂU VỀ MÁY BAY CÁNH BẰNG D-96, KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC MÁY BAY D-96

2.1. Tổng quan về máy bay D-96

2.2. Các cánh lái điều khiển

2.3. Thiết bị động lực

2.4. Hệ thống nhiên liệu

2.5. Khảo sát động học và động lực học của máy bay D-96

2.6. Kết luận chương

3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRÊN THIẾT BỊ BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI

3.1. Cơ sở thiết kế và phương án thiết kế

3.1.1. Cơ sở thiết kế

3.1.2. Phương án thiết kế

3.2. Thiết kế phần cứng

3.2.1. Vi điều khiển trung tâm

3.2.2. Thiết bị định vị vệ tinh

3.2.3. Con quay hồi chuyển vi cơ

3.2.4. Modem thu RF

3.2.5. Cơ cấu chấp hành (Động cơ Servo)

3.2.6. Khối giao tiếp dữ liệu với máy tính

3.2.7. Khối giao tiếp với động cơ Servo

3.2.8. Khối điều khiển mở rộng

3.3. Thiết kế phần mềm điều khiển

3.3.1. Lý thuyết chung về thuật toán PID số

3.3.2. Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển

3.4. Kết luận chương

4. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

4.1. Thí nghiệm trong phòng thí nghiệm

4.2. Phương pháp tiến hành

4.3. Kết quả thử nghiệm

4.4. Thí nghiệm bằng việc kiểm tra bay thực tế

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Thiết Kế Hệ Thống UAV Bách Khoa HN

Bài viết này cung cấp một cái nhìn tổng quan về nghiên cứu UAV tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, tập trung vào thiết kế hệ thống điều khiển. UAV (Unmanned Aerial Vehicle) đang ngày càng trở nên quan trọng trong nhiều lĩnh vực, từ quân sự đến dân sự. Tại Bách Khoa Hà Nội, các nghiên cứu về UAV tập trung vào việc phát triển các hệ thống điều khiển hiệu quả và ổn định, đáp ứng các yêu cầu khác nhau của ứng dụng thực tế. Nghiên cứu và phát triển UAV không chỉ là một lĩnh vực kỹ thuật đầy thách thức mà còn là một cơ hội để đóng góp vào sự phát triển của khoa học và công nghệ của đất nước.

1.1. Lịch Sử Phát Triển và Ứng Dụng Tiềm Năng của UAV

Từ những năm đầu thế kỷ 20, UAV đã trải qua một quá trình phát triển đáng kể, từ những thiết bị đơn giản đến các hệ thống phức tạp với khả năng tự động hóa cao. Ứng dụng của UAV ngày càng mở rộng, bao gồm trinh sát, giám sát, vận chuyển hàng hóa, nông nghiệp thông minh và nhiều lĩnh vực khác. Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu và phát triển các ứng dụng UAV phù hợp với điều kiện và nhu cầu của Việt Nam.

1.2. Phân Loại UAV Theo Thiết Kế và Mục Đích Sử Dụng

UAV có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, bao gồm thiết kế (cánh cố định, cánh quạt, v.v.), kích thước, tầm bay, tải trọng và mục đích sử dụng. Mỗi loại UAV có ưu và nhược điểm riêng, phù hợp với các ứng dụng cụ thể. Việc lựa chọn UAV phù hợp là yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu quả và an toàn trong quá trình vận hành.

II. Thách Thức Điều Khiển và Ổn Định UAV Tại Bách Khoa HN

Việc điều khiển UAV là một bài toán kỹ thuật phức tạp, đòi hỏi sự kết hợp của nhiều lĩnh vực khác nhau như khí động lực học, điều khiển tự động, điện tử và phần mềm. Điều khiển ổn định UAV, đặc biệt trong môi trường có gió và nhiễu, là một thách thức lớn. Các nhà nghiên cứu UAV tại Bách Khoa Hà Nội đang nỗ lực phát triển các thuật toán điều khiển tiên tiến và hệ thống cảm biến chính xác để giải quyết những thách thức này.

2.1. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Khả Năng Điều Khiển UAV

Nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến khả năng điều khiển UAV, bao gồm đặc tính khí động học, trọng lượng, quán tính, hệ thống cảm biến và actuator, cũng như điều kiện môi trường. Việc hiểu rõ các yếu tố này là rất quan trọng để thiết kế các hệ thống điều khiển UAV hiệu quả.

2.2. Vấn Đề Ổn Định và Chống Rung Lắc cho UAV

Ổn định UAV là một yêu cầu cơ bản để đảm bảo chất lượng của các ứng dụng như chụp ảnh, quay video và giám sát. Các thuật toán điều khiển cần phải có khả năng chống lại rung lắc và nhiễu từ môi trường bên ngoài. Các kỹ thuật như lọc Kalman và điều khiển PID được sử dụng rộng rãi để giải quyết vấn đề này.

III. Phương Pháp Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển UAV Tự Động

Một trong những hướng nghiên cứu quan trọng tại Bách Khoa Hà Nội là thiết kế hệ thống điều khiển UAV tự động. Mục tiêu là tạo ra các UAV có khả năng tự hành, thực hiện các nhiệm vụ phức tạp mà không cần sự can thiệp trực tiếp của con người. Các phương pháp thiết kế bao gồm sử dụng thuật toán điều khiển tối ưu, hệ thống dẫn đường dựa trên GPS và IMU, và tích hợp các cảm biến khác nhau để tăng cường khả năng nhận biết môi trường.

3.1. Sử Dụng Thuật Toán PID và Các Phương Pháp Điều Khiển Nâng Cao

Thuật toán PID là một trong những phương pháp điều khiển được sử dụng rộng rãi trong điều khiển UAV. Tuy nhiên, để đạt được hiệu suất cao, cần phải điều chỉnh các tham số của PID một cách cẩn thận. Các phương pháp điều khiển nâng cao như điều khiển thích nghi, điều khiển mờ và điều khiển dựa trên mô hình cũng đang được nghiên cứu và áp dụng.

3.2. Tích Hợp GPS và IMU cho Dẫn Đường Chính Xác

GPS và IMU là hai thành phần quan trọng của hệ thống dẫn đường UAV. GPS cung cấp thông tin vị trí toàn cầu, trong khi IMU cung cấp thông tin về gia tốc và vận tốc góc. Việc kết hợp thông tin từ hai nguồn này giúp UAV xác định vị trí và hướng đi một cách chính xác, đặc biệt trong môi trường có nhiễu GPS.

IV. Ứng Dụng ROS trong Phát Triển Hệ Thống UAV tại Bách Khoa

ROS (Robot Operating System) là một framework phần mềm mã nguồn mở được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực robot học. Tại Bách Khoa Hà Nội, ROS được sử dụng để phát triển các hệ thống UAV phức tạp, cho phép tích hợp các thành phần phần cứng và phần mềm khác nhau một cách dễ dàng. ROS cung cấp các công cụ và thư viện hỗ trợ phát triển các ứng dụng như điều khiển, lập kế hoạch, nhận dạng hình ảnh và giao tiếp.

4.1. Lợi Ích của Việc Sử Dụng ROS cho UAV

ROS cung cấp nhiều lợi ích cho việc phát triển hệ thống UAV, bao gồm khả năng tái sử dụng mã nguồn, tích hợp dễ dàng các thành phần khác nhau, và cộng đồng hỗ trợ lớn. ROS cũng cung cấp các công cụ mô phỏng giúp kiểm tra và đánh giá hiệu suất của hệ thống UAV trước khi triển khai thực tế.

4.2. Các Gói ROS Phổ Biến cho Điều Khiển UAV

Có nhiều gói ROS phổ biến được sử dụng trong điều khiển UAV, bao gồm mavros (giao tiếp với flight controller), navigation stack (lập kế hoạch đường đi), computer vision packages (nhận dạng hình ảnh) và sensor drivers (giao tiếp với cảm biến). Việc sử dụng các gói này giúp giảm thời gian phát triển và tăng cường tính ổn định của hệ thống UAV.

V. Kết Quả Thử Nghiệm và Đánh Giá Hệ Thống Điều Khiển UAV

Sau khi thiết kế hệ thống điều khiển UAV, việc thử nghiệm và đánh giá là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy. Các nhà nghiên cứu UAV tại Bách Khoa Hà Nội thực hiện các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và ngoài trời để đánh giá khả năng điều khiển, ổn định và dẫn đường của UAV. Kết quả thử nghiệm được sử dụng để tinh chỉnh các tham số điều khiển và cải thiện thiết kế.

5.1. Phương Pháp Thử Nghiệm trong Phòng Thí Nghiệm

Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm thường bao gồm sử dụng các hệ thống mô phỏng và các thiết bị kiểm tra để đánh giá các thành phần của hệ thống điều khiển UAV. Các thử nghiệm này cho phép kiểm tra các chức năng như điều khiển ổn định, dẫn đường và giao tiếp trong môi trường kiểm soát.

5.2. Thử Nghiệm Bay Thực Tế và Đánh Giá Hiệu Suất

Thử nghiệm bay thực tế là bước quan trọng để đánh giá hiệu suất của hệ thống điều khiển UAV trong điều kiện thực tế. Các thử nghiệm này bao gồm kiểm tra khả năng điều khiển, ổn định và dẫn đường trong môi trường có gió và nhiễu. Dữ liệu từ các thử nghiệm này được sử dụng để đánh giá hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống UAV.

VI. Hướng Phát Triển Tương Lai Nghiên Cứu UAV Tại Bách Khoa HN

Nghiên cứu về UAV tại Bách Khoa Hà Nội đang tiếp tục phát triển với nhiều hướng đi đầy hứa hẹn. Các hướng nghiên cứu bao gồm phát triển các UAV tự hành với khả năng nhận biết môi trường và ra quyết định, tích hợp trí tuệ nhân tạo và học máy để tăng cường khả năng điều khiển và dẫn đường, và phát triển các ứng dụng UAV mới trong các lĩnh vực như nông nghiệp thông minh, giám sát môi trường và cứu hộ cứu nạn.

6.1. Tích Hợp Trí Tuệ Nhân Tạo và Học Máy cho UAV

Việc tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy (ML) vào hệ thống UAV mở ra nhiều khả năng mới, bao gồm khả năng nhận biết đối tượng, lập kế hoạch đường đi tự động và điều khiển thích nghi. Các thuật toán AI và ML có thể được sử dụng để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của UAV trong các môi trường phức tạp.

6.2. Ứng Dụng UAV Trong Nông Nghiệp và Giám Sát Môi Trường

UAV có thể được sử dụng trong nông nghiệp để giám sát cây trồng, phát hiện sâu bệnh và tối ưu hóa việc tưới tiêu và bón phân. Trong lĩnh vực giám sát môi trường, UAV có thể được sử dụng để theo dõi ô nhiễm không khí và nước, giám sát rừng và đánh giá tác động của biến đổi khí hậu. Các ứng dụng này có tiềm năng mang lại lợi ích lớn cho xã hội và kinh tế.

Nghiên Cứu Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Trên Thiết Bị Bay Không Người Lái UAV