BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHÓ HÒ CHÍ MINH HCMUIIE DO AN TOT NGHIỆP NGANH CONG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ NGHIEN CUU VA DIEU KHIEN DRONE 4 CANH BAM THEO DOI TUONG GVHD: THS. LÊ TÁN CƯỜNG SVTH: HUỲNH VIÉT TRIỀU DƯƠNG PHAN NGỌC DIỆN LÊ HUỲNH VINH QUANG SKLO14165 TP. Hồ Chí Minh, tháng 7/2024 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬTT TP.HÒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHÉ TAO MAY HCMUTE BAO CAO ĐÒ ÁN TÓT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: NGHIÊN CUU VA DIEU KHIEN DRONE 4 CANH BAM THEO DOI TUONG Giảng viên hướng dẫn: ThS. Lê Tấn Cường Sinh viên thực hiện : Huỳnh Viết Triều Dương MSSV: 20146316 Phan Ngọc Diện MSSV: 20146312 Lê Huỳnh Vinh Quang MSSV: 20146472 TP Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 07 năm 2024 TRƯỜNG ĐẠI HOC SU PHAM KỸ THUẬT THÀNH PHÓ HÒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHÉ TAO MAY NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ BAO CAO ĐÒ ÁN TÓT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: NGHIÊN CUU VA DIEU KHIEN DRONE 4 CÁNH BAM THEO DOI TUGNG Giảng viên hướng dẫn: ThS.
Lê Tấn Cường Sinh viên thực hiện: Huỳnh Viết Triều Dương MSSV: 20146316 Phan Ngọc Diện MSSV: 20146312 Lê Huynh Vinh Quang MSSV: 20146472 TP Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 07 năm 2024 NHIỆM VỤ ĐỎ ÁN LOI CAM KET Tên dé tài: Nghiên cứu và điều khiển drone 4 cánh bám theo đối tượng GVHD: ThS. Lê Tắn Cường. Ho tén sinh viên: Huỳnh Viết Triều Dương MSSV: 20146316 Lớp: 20146CLS5B Địa chỉ sinh viên: 64/32/78/9 đường số 8, khu phố 1, phường Linh Đông, Thủ Đức Số điện thoại liên lạc: 0898415060 Email: 20146316@student. Họ và tên sinh viên: Phan Ngoc Diện MSSV: 20146312 Lớp: 20146CL6A Dia chi sinh viên: đường Lê Trọng Tấn, Dĩ An, Bình Dương Số điện thoại liên lạc: 0368805106 Email: 20146312@student.
Họ và tên sinh viên: Lê Huỳnh Vinh Quang MSSV: 20146472 Lớp: 20146CLS5B Địa chỉ sinh viên: 144 Nam Hoà, Phước Long A, Thủ Đức Số điện thoại liên lạc: 0915100663 Email: 2014672 @student.vn Ngày nộp khóa luận tốt nghiệp: Lời cam kết: “Tôi xin cam đoan khóa luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình do chính nhóm tôi nghiên cứu và thực hiện. Nhóm tôi không sao chép từ bất kì một bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kì một sự vi phạm nào, nhóm tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”. Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 07 năm 2024 Ký tên LỜI CÁM ƠN Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, nhóm em đã được nhận nhiều sự quan tâm, giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô và bạn bè.
Nhóm em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Hà Lê Như Ngọc Thành và thầy Lê Tấn Cường đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo nhóm em trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp. Nhóm em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trường, các thầy cô trong khoa Cơ khí chế tạo máy đã dạy dỗ cho chúng em kiến thức về các môn đại cương cũng như các môn chuyên ngành, giúp chúng em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình học tập. Cuối cùng, nhóm em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên nhóm em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đồ án tốt nghiệp. Với điều kiện thời gian cũng như kiến thức vẫn còn hạn chế của mình, đồ án tốt nghiệp này không thể tránh khỏi những thiếu sót.
Nhóm em rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các thầy cô và hội đồng bảo vệ để nhóm em có điều kiện bổ sung, nâng cao ý thức của mình, phục vụ tốt hơn trong công việc thực tế sau này. Nhóm em xin chân thành cảm ơn 1. TÓM TẮT ĐÒ ÁN Giới thiệu: Trong những năm gần đây, công nghệ drone đã có sự phát triển vượt bậc và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như giám sát an ninh, quay phim, vận chuyển hàng hóa, và nghiên cứu khoa học. Đặc biệt, việc phát triển hệ thống drone có khả năng bám theo đối tượng một cách tự động và chính xác đang nhận được sự quan tâm lớn từ cộng đồng nghiên cứu và các nhà phát triển.
Đồ án này tập trung vào nghiên cứu và phát triển một hệ thống drone 4 cánh (quadcopter) có khả năng bám theo đối tượng người sử dụng camera và các thuật toán điều khiến tiên tiến. Mục tiêu: Mục tiêu chính của đồ án là thiết kế và triển khai một hệ thống drone 4 cánh có khả năng: - _ Nhận diện và theo dõi đối tượng người trong thời gian thực. - Duy tri khoảng cách và hướng bay ổn định, đảm bảo an toàn cho cả đối tượng và drone. - Tự động điều chỉnh hướng bay và tốc độ để theo sát đối tượng trong các điều kiện môi trường khác nhau.
Phương pháp nghiên cứu - Nghién cứu lý thuyết và công nghệ: e_ Thuật toán theo dõi e_ Điều khiển PID e_ Xử lý hình ảnh và nhận diện đối tượng - __ Thiết kế và triển khai hệ thống phần cứng và phần mềm - Kiém tra, đánh giá thử nghiệm thực tế và phân tích kết qua Kết quả đạt được Đồ án đã nghiên cứu và triển khai điều khiển thành công hệ thống drone 4 cánh có khả năng bám theo đối tượng người một cách tự động. Hệ thống có khả năng nhận diện và theo dõi đối tượng trong thời gian thực, duy trì khoảng cách và hướng bay ôn định. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động hiệu quả trong các điều kiện môi trường thuận lợi, đáp ứng được các yêu cầu đặt ra ban đầu. x DANH MUC TU VIET ý v0 .1 GIỚI THIỆU CHUNG VE UAV QUADCOPTER .2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU UA V.3 MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG ĐỎ ÁN.1 Nội dung và nhiệm vụ của đồ án.2 Tính thiết thực của đề tài.
1e re 4 CHƯƠNG 2: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG. CAU TAO CHUNG vA NGUYEN LY HOAT DONG CUA MOT SO DRONE ):(082i)89:1010080/7.4 Nguyên lý cân bằng của Quad€opfer.5 Nguyên lý di chuyển của Quadeopfer-. CÁU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC BỘ PHẬN CỦA MỘT QUADCOPTER 7.- - - 5 nh HT TH HT HH HT TH TT HT TT HH ngài 10 2.2 Hệ thống Động lựcc.3 Hệ thống điều khiến bayy.4 Hệ thống điện.5 Truyền dữ liệu và hình ảnh trên Drone bằng máy tính nhúng Jetson Nano .6 Bộ điều khiến bayy. 24 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYÉT VÀ HỆ THÓNG ĐIÈU KHIÊN .1 MÔ HÌNH TỎNG QUÁT CỦA UA V.2 MÓI QUAN HỆ CỦA XUNG PWM VÀ LỰC .3 MOI QUAN HE CUA XUNG PWM VÀ MOMENT.4 PHAN BO BO ĐIÊU KHIÉN (CONTROL ALLOCA TION) .1 Phương trình tín hiệu điều khiển góc.2 Ma trận phân bố tín hiệu điều khiễn.4 SƠ ĐÒ KHÓI ĐIỀU KHIỂN TÓNG QUÁTT.5 DIEU KHIỂN GÓC RO(L,.8 ĐIỀU KHIỂN ĐỘ CAO.1 Hàm chuyền đỗi cho điều khiển độ cao.2 Bộ điều khiến P-P cho độ cao.9 ĐIỀU KHIỂN VỊ 'TIRÍ.1 Hàm chuyền đỗi cho điều khiển vị trf.2 Bộ điều khiển P-P cho vị trÍ.10 PHAT HIEN DOI TUQNG SỬ DEEP LEARNING .1 GiGi thiệu vé Jetson Inferenee.2 Sử dụng thuật toán phát hiện đối tượng .---2¿-©2cc2cvccccxrrrrrrerree 41 CHƯƠNG 4: LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ CHO MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM.2 CÁC BƯỚC LẮP ĐẶT HỆ THÓNG UA.3 KIỀM TRA CHÁT LƯỢNG SAU KHI LẮP ĐẶTT.4 VẬN HÀNH BA Y.1 Kết nối với điều khiễn.2 Kết nói truyền hình ảnh.4 Kiểm tra lần cuối trước khi cất cánh .-- 2 se +k+Ek#EEEEEEESEerkerkerkerkeree 59 CHƯƠNG 5: ĐIỀU KHIẾN MÔ PHỎNG VÀ KÉT QUÁ THỰC NGHIỆM.1 Mô phỏng phần mềm trong vòng lặp (SITL) .2 Mô phỏng phần cứng trong vòng lặp (HIL/T).2 MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM.3 THUC NGHIEM DIEU KHIỂN THEO UNG DUNG DE TAI BAM THEO DOI TU ONG .1 SƠ ĐÒ KHÓI THU THẬP HÌNH ẢNH VÀ TÍNH TOÁN SÓ LIỆU .2 SƠ ĐÒ KHÓI XỬ LÝ TÍN HIỆU HÌNH ẢNH.5 KET LUAN BAY THỰC NGHIỆM.2--©22222222ztSCEEerErExrrtrrkrrrrrkrrerrrev 72 CHUONG 6: KET LUAN VA HƯỚNG PHÁT TRIỂN.
75 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 2--225+©222S++2EE+tEEEEEEEEEEErEEEEErEEEEErrErkkrrtrrkrrrrrkrrrrrrrree 78 vii DANH MỤC HÌNH 2 050))807) 001.1: Mô tả chuyển động góc Roll của Drone.2: Mô tả chuyển động góc Roll của Drone .----¿--sc+©2+++ccxzeczsceee 30 Hình 3.3: Chuyên đổi giá trị về tốc độ góc Roll.4: Chuyên đổi giá trị tốc độ goc Roll thành góc Roll.5: Chuyên đổi giá trị tốc độ Roll thành góc Roll.6: Chuyên đổi hàm cho tốc độ thay đổi góc pitch.7: Chuyên đổi hàm tốc độ pitch thành góc pitch.---:---¿-ccc+5ccszecss+2 32 Hình 3.8: Chuyên đổi hàm điều khiển góc pitch.9: Mối quan hệ giữa momen xoắn động cơ và góc Yaw.----:--ccc-c5sc¿ 33 Hình 3.10: Chuyển đổi hàm cho tốc độ thay đổi góc Yaw.----csc©ccccccscccces 34 Hình 3.11: Chuyển đổi hàm tốc độ Yaw thành góc Yaw.12: Chuyển đổi hàm truyền tốc độ Yaw thành góc Yaw.13: Mô hình điều khiển độ cao sử dụng bộ điều khiến P-P.14: Mô hình điều khiển vị trí sử đụng bộ điều khiển P-P.1: Hình ảnh hoàn chỉnh một máy bay không người lát.2: Bản vẽ lap 2D khung drone.3: Bản vẽ mô phỏng khung Quadcopter F450. ¿5 eerste teeseeeeeeees 43 Hình 4.- Làn HH HH ngành 43 Hình 4.5: Bộ cánh quạt cho 4 động CƠ.--- --- 6+ 2212x321 SE vn net 47 Hình 4.6: Máy tính nhúng Jetson Nano.---- +1 HH HT HH ngư 47 Hình 4.7: Bộ Điều Tốc Hobbywing SkyWalker 40A V2 UBEC Brushless ESC (3- Á LH HH Tà TH TT TT TT TT HT TT TT TH TT HT HH 48 Hình 4. 5 25 11211211 1 E1 1 vn re 49 Hình 4.
-- 5 cv sisreerrrseee 50 Hình 4.10: Camera Jetson Nano 160 Degree FoV IMX219 8MP.11: Cảm biến khoảng cách Benawake TF-Luna.12: Bộ Flight Control SSf€im.- - ¿+ + 1S 11T 1T HT HH HH gi, 52 Hình 4.13: Mạch điều chinh bién Ap.14: Sơ đồ nối dây mạch điều khiển.-- 2-22 ©2S£©2Et2E£2EEt2EEC2EEtEEEczrkrrek 53 Hình 4.15: Cấu hình trong phần mềm QgroundControl.16: Thử nghiệm Camera sau khi cài đặt thành công.17: Cau hinh GPS trong phan mém QgroundControl.1: Phần mềm mô phỏng Gazebo và các ứng dụng của nó.2: Mô phỏng code bằng GazZebo.3: Mô phỏng Quadcopter trên phần mềm mô phỏng Gazebo.4: Hién thị màn hình khi khởi động PX4 thành công.5: Mô phỏng HITÌL. ¿<< <4 E193 E5 E13 1T TH TH ng nghiệt 54 Hình 5.6: Sơ đồ kết nối của tất cả thiết bị trên mô phỏng phần cứng HITL.7: Kết quả mô hình thực tế sau khi hoàn thiện.-- 2-22 x+x£xe+rerxerreee 66 Hình 5.8: Lưu đồ thuật toán nhận diện bám theo đối TƯỢN.9: Đồ thị đáp ứng cho trục X theo thoi Qiate.10: Đồ thị đáp ứng cho trục Y theo thời gian.¿¿©cc+eccxecxxerseee 68 Hình 5.11: Đồ thị đáp ứng cho trục Z theo thời gian.¿¿cc++ccxverxererseee 69 Hình 5.12:Đồ thị đáp ứng cho trục Yaw theo thời gian.13: Đồ thị đáp ứng cho vị trí tại Z. theo thời gian.-:--c¿-ccc+eccccecsee+ 71 Hình 5.14: Đồ thị dap ứng cho tỉ lệ góc Yaw theo thời gian.