Đồ án tốt nghiệp công nghệ kỹ thuật cơ điện tử: Nghiên cứu thuật toán điều khiển tránh vật cản cho UAV

• Tác giả: Tống Xuân Hoàng
• Người hướng dẫn: TS. Hà Lê Như Ngọc Thành
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật cơ điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu thuật toán điều khiển tránh né vật cản cho UAV
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• LỜI CAM KẾT
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.2.1. Ý nghĩa khoa học
• 1.2.2. Thực tiễn của đề tài
• 1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
• 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.4.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Kết cấu của ĐATN
• 2. CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ UAV
• 2.1. UAV là gì
• 2.2. Lịch sử hình thành và phát triển UAV
• 2.2.1. Lịch sử ngành hàng không
• 2.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Quadcopter
• 2.4. Ứng dụng UAV vào thực tiễn
• 3. CHƯƠNG III: MÔ HÌNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
• 3.1. Tổng quan hệ thống điều khiển UAV
• 3.2. Hệ tọa độ của Quadcopter
• 3.3. Hệ quy chiếu Vehicle và hệ quy chiếu Body
• 3.4. Hệ quy chiếu Trái Đất và hệ quy chiếu Body
• 3.5. Động học Quadcopter
• 3.6. Phương trình động học cho Quadcopter
• 3.7. Mô hình động học vị trí cho Quadcopter
• 3.8. Phương trình Coriolis
• 3.9. Phương trình Euler
• 3.10. Mô hình toán học của Quadcopter
• 3.11. Khí động lực học
• 3.12. Động lực học động cơ
• 3.13. Mối quan hệ cơ bản của động lực học động cơ
• 3.14. Mô hình hiệu suất điện
• 3.15. Mô hình hiệu suất cơ khí
• 3.16. Mối quan hệ của xung PWM và lực
• 3.17. Mối quan hệ của xung PWM và moment
• 3.18. Phân bố tín hiệu điều khiển
• 3.19. Phương trình điều khiển góc
• 3.20. Ma trận phân bố tín hiệu điều khiển
• 3.21. Bộ điều khiển góc
• 3.22. Bộ điều khiển góc Roll
• 3.23. Bộ điều khiển góc Pitch
• 3.24. Bộ điều khiển góc Yaw
• 3.25. Thiết kế bộ điều khiển độ cao z
• 3.26. Hàm truyền điều khiển độ cao z
• 3.27. Thiết kế bộ điều khiển P-P cho độ cao
• 3.28. Điều khiển vị trí x, y
• 3.29. Hàm truyền điều khiển vị trí
• 3.30. Thiết kế bộ điều khiển P-P cho vị trí
• 3.31. Sơ đồ khối điều khiển tổng quát
• 3.32. Mô tả thuật toán tránh né vật cản cho UAV và lưu đồ giải thuật
• 3.33. Xử lý ảnh nhận dạng mặt trước vật cản
• 4. CHƯƠNG IV: VISUAL INERTIAL ODOMETRY VÀ CAMERA TRACKING T265
• 4.1. Giới thiệu chung về các công nghệ định vị và tạo lập bản đồ
• 4.2. Khái niệm Visual Inertial Odometry
• 4.3. Camera Tracking Intel RealSense T265
• 4.4. Đánh giá về hiệu suất hoạt động
• 5. CHƯƠNG V: TÍNH TOÁN, LỰA CHỌN THIẾT BỊ CHO MÔ HÌNH UAV
• 5.1. Các linh kiện cần thiết
• 5.2. Bộ điều khiển Pixhawk 6C
• 5.3. Máy tính nhúng
• 5.4. Tính toán lựa chọn động cơ
• 5.5. Tính toán, lựa chọn cánh quạt và pin
• 5.6. Tính toán, lựa chọn ESC
• 5.7. Lựa chọn hệ thống định vị
• 5.8. Lựa chọn camera và cảm biến khoảng cách
• 5.9. Lắp ráp thiết bị
• 5.10. Lắp đặt camera T265 và D435
• 5.11. Kết nối các thiết bị điện
• 6. CHƯƠNG VI: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 6.1. Kết quả thực nghiệm bộ điều khiển
• 6.2. Kết quả mô phỏng bằng môi trường Gazebo
• 6.3. Kết quả bay thực
• 6.4. Kết quả thực nghiệm thuật toán tránh né vật cản
• 7. CHƯƠNG VII: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 7.1. Kết quả đạt được
• 7.2. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về nghiên cứu thuật toán điều khiển tránh vật cản cho UAV

Nghiên cứu này tập trung vào thuật toán điều khiển UAV để giải quyết bài toán tránh vật cản trong môi trường bay phức tạp. Đồ án tốt nghiệp cơ điện tử này nhằm mục đích phát triển các giải pháp kỹ thuật tiên tiến, giúp UAV có khả năng tự động phát hiện và tránh các chướng ngại vật trong quá trình hoạt động. Công nghệ UAV đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ quân sự đến dân dụng, đòi hỏi các hệ thống điều khiển ngày càng tối ưu và hiệu quả.

1.1. Tính cấp thiết của đề tài

Việc nghiên cứu thuật toán điều khiển UAV để tránh vật cản là cần thiết nhằm nâng cao tính an toàn và hiệu quả trong các ứng dụng thực tế. UAV cần có khả năng tự động phát hiện và tránh các chướng ngại vật trong môi trường bay, đặc biệt là trong các khu vực phức tạp như đô thị, rừng rậm, hoặc các khu vực thiên tai. Nghiên cứu UAV trong lĩnh vực này sẽ góp phần thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp UAV tại Việt Nam và trên thế giới.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu là thiết kế và phát triển thuật toán điều khiển UAV để tránh vật cản một cách hiệu quả. Đồ án tập trung vào việc tối ưu hóa hệ thống điều khiển UAV bằng cách kết hợp các kỹ thuật xử lý ảnh và cảm biến để phát hiện và tránh các chướng ngại vật. Kết quả nghiên cứu sẽ được ứng dụng trong các mô hình UAV thực tế, nhằm nâng cao khả năng tự động hóa và an toàn trong các hoạt động bay.

II. Tổng quan về UAV và công nghệ liên quan

UAV (Unmanned Aerial Vehicle) là phương tiện bay không người lái, được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như quân sự, nông nghiệp, và cứu hộ. Công nghệ UAV đã phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây, với sự cải tiến về hệ thống điều khiển UAV và các thuật toán điều khiển tiên tiến. Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển các thuật toán để tránh vật cản UAV, giúp UAV có thể hoạt động một cách an toàn và hiệu quả trong các môi trường phức tạp.

2.1. Lịch sử phát triển UAV

UAV đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ những mô hình đơn giản ban đầu đến các hệ thống phức tạp hiện nay. Nghiên cứu UAV đã đạt được nhiều thành tựu quan trọng, đặc biệt là trong lĩnh vực hệ thống điều khiển UAV và các thuật toán điều khiển tự động. Sự phát triển của công nghệ UAV đã mở ra nhiều ứng dụng mới trong các lĩnh vực như giao thông vận tải, nông nghiệp, và cứu hộ.

2.2. Ứng dụng UAV trong thực tế

UAV được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực thực tế, từ quân sự đến dân dụng. Ứng dụng UAV trong thực tế bao gồm các hoạt động như giám sát, khảo sát địa hình, giao hàng, và cứu hộ. Nghiên cứu này tập trung vào việc nâng cao khả năng tránh vật cản UAV, giúp UAV có thể hoạt động một cách an toàn và hiệu quả trong các môi trường phức tạp.

III. Phương pháp nghiên cứu và thiết kế thuật toán

Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp kỹ thuật tiên tiến để thiết kế và phát triển thuật toán điều khiển UAV nhằm tránh vật cản. Các kỹ thuật xử lý ảnh và cảm biến được tích hợp vào hệ thống điều khiển UAV để phát hiện và tránh các chướng ngại vật. Quá trình nghiên cứu bao gồm việc mô hình hóa toán học, mô phỏng, và thử nghiệm thực tế để đánh giá hiệu quả của thuật toán.

3.1. Mô hình toán học của UAV

Mô hình toán học của UAV được xây dựng dựa trên các phương trình động học và động lực học. Hệ thống điều khiển UAV được thiết kế để điều khiển vị trí và hướng bay của UAV một cách chính xác. Các thuật toán tối ưu hóa điều khiển UAV được áp dụng để nâng cao hiệu quả của hệ thống điều khiển.

3.2. Thiết kế thuật toán tránh vật cản

Thuật toán tránh vật cản UAV được thiết kế dựa trên kỹ thuật xử lý ảnh và cảm biến. Các hình ảnh thu được từ camera được xử lý để phát hiện vật cản, sau đó thông tin được truyền đến hệ thống điều khiển UAV để thực hiện các động tác tránh né. Thuật toán này đảm bảo UAV có thể hoạt động một cách an toàn trong các môi trường phức tạp.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tế

Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu quả của thuật toán điều khiển UAV trong việc tránh vật cản. UAV có thể phát hiện và tránh các chướng ngại vật một cách chính xác và nhanh chóng. Ứng dụng UAV trong thực tế sẽ được mở rộng với các giải pháp kỹ thuật tiên tiến, giúp UAV có thể hoạt động một cách an toàn và hiệu quả trong các môi trường phức tạp.

4.1. Đánh giá hiệu quả của thuật toán

Thuật toán tránh vật cản UAV được đánh giá thông qua các thử nghiệm mô phỏng và thực tế. Kết quả cho thấy UAV có thể phát hiện và tránh các chướng ngại vật một cách chính xác và nhanh chóng. Hệ thống điều khiển UAV được tối ưu hóa để đảm bảo hiệu quả và độ tin cậy trong các điều kiện bay khác nhau.

4.2. Ứng dụng thực tế của nghiên cứu

Nghiên cứu này có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như giao thông vận tải, nông nghiệp, và cứu hộ. Ứng dụng UAV trong thực tế sẽ được nâng cao với các giải pháp kỹ thuật tiên tiến, giúp UAV có thể hoạt động một cách an toàn và hiệu quả trong các môi trường phức tạp.