Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ điều khiển drone 4 cánh bám theo đối tượng

• Tác giả: Huỳnh Viết Triều Dương
• Người hướng dẫn: ThS. Lê Tấn Cường
• 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 Và Điều Khiển Drone 4 Cánh Bám Theo Đối Tượng
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: TP Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN
• LỜI CAM KẾT
• LỜI CÁM ƠN
• TÓM TẮT ĐỒ ÁN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ UAV QUADCOPTER
• 1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU UAV
• 1.3. MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG ĐỒ ÁN
• 1.3.1. Nội dung và nhiệm vụ của đồ án
• 1.3.2. Tính thiết thực của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
• 2.1. CẤU TẠO CHUNG VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ DRONE PHỔ BIẾN HIỆN NAY
• 2.1.1. Nguyên lý cân bằng của Quadcopter
• 2.1.2. Nguyên lý di chuyển của Quadcopter
• 2.2. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC BỘ PHẬN CỦA MỘT QUADCOPTER
• 2.2.1. Hệ thống Động lực
• 2.2.2. Hệ thống điều khiển bay
• 2.2.3. Hệ thống điện
• 2.2.4. Truyền dữ liệu và hình ảnh trên Drone bằng máy tính nhúng Jetson Nano
• 2.2.5. Bộ điều khiển bay
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
• 3.1. MÔ HÌNH TỔNG QUÁT CỦA UAV
• 3.2. MỐI QUAN HỆ CỦA XUNG PWM VÀ LỰC
• 3.3. MỐI QUAN HỆ CỦA XUNG PWM VÀ MOMENT
• 3.4. PHÂN BỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN (CONTROL ALLOCATION)
• 3.4.1. Phương trình tín hiệu điều khiển góc
• 3.4.2. Ma trận phân bố tín hiệu điều khiển
• 3.5. SƠ ĐỒ KHỐI ĐIỀU KHIỂN TỔNG QUÁT
• 3.6. ĐIỀU KHIỂN GÓC ROLL
• 3.7. ĐIỀU KHIỂN GÓC PITCH
• 3.8. ĐIỀU KHIỂN GÓC YAW
• 3.9. ĐIỀU KHIỂN ĐỘ CAO
• 3.9.1. Hàm chuyển đổi cho điều khiển độ cao
• 3.9.2. Bộ điều khiển P-P cho độ cao
• 3.10. ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ
• 3.10.1. Hàm chuyển đổi cho điều khiển vị trí
• 3.10.2. Bộ điều khiển P-P cho vị trí
• 3.11. PHÁT HIỆN ĐỐI TƯỢNG SỬ DỤNG DEEP LEARNING
• 3.11.1. Giới thiệu về Jetson Inference
• 3.11.2. Sử dụng thuật toán phát hiện đối tượng
• 4. CHƯƠNG 4: LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ CHO MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM
• 4.1. CÁC LINH KIỆN CẦN THIẾT
• 4.2. CÁC BƯỚC LẮP ĐẶT HỆ THỐNG UAV
• 4.3. KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG SAU KHI LẮP ĐẶT
• 4.4. VẬN HÀNH BAY
• 4.4.1. Kết nối với điều khiển
• 4.4.2. Kết nối truyền hình ảnh
• 4.4.3. Kết nối GPS
• 4.4.4. Kiểm tra lần cuối trước khi cất cánh
• 5. CHƯƠNG 5: ĐIỀU KHIỂN MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 5.1. LẬP TRÌNH MÔ PHỎNG
• 5.1.1. Mô phỏng phần mềm trong vòng lặp (SITL)
• 5.1.2. Mô phỏng phần cứng trong vòng lặp (HILT)
• 5.2. MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM
• 5.3. THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN THEO ỨNG DỤNG ĐỀ TÀI BÁM THEO ĐỐI TƯỢNG
• 5.3.1. SƠ ĐỒ KHỐI THU THẬP HÌNH ẢNH VÀ TÍNH TOÁN SỐ LIỆU
• 5.3.2. SƠ ĐỒ KHỐI XỬ LÝ TÍN HIỆU HÌNH ẢNH
• 5.4. KẾT LUẬN BAY MÔ PHỎNG
• 5.5. KẾT LUẬN BAY THỰC NGHIỆM
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về drone 4 cánh

Trong những năm gần đây, drone 4 cánh (quadcopter) đã trở thành một công nghệ quan trọng trong nhiều lĩnh vực như giám sát, cứu hộ và nghiên cứu khoa học. Nghiên cứu drone không chỉ dừng lại ở việc phát triển phần cứng mà còn bao gồm các thuật toán điều khiển và nhận diện đối tượng. Hệ thống drone tự động có khả năng bám theo đối tượng một cách hiệu quả, giúp nâng cao tính ứng dụng trong thực tế. Theo một nghiên cứu gần đây, việc sử dụng drone trong các nhiệm vụ giám sát đã cho thấy hiệu quả cao hơn so với các phương pháp truyền thống. Điều này chứng tỏ rằng công nghệ drone đang dần trở thành một phần không thể thiếu trong các hoạt động hiện đại.

1.1 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng

Tại Việt Nam, nhiều công ty và tổ chức đã bắt đầu nghiên cứu và phát triển drone với mục tiêu ứng dụng trong các lĩnh vực như an ninh, giao thông và y tế. Một số công ty như Drone Pro Vietnam và Mismart đã phát triển các sản phẩm drone với khả năng tự động hóa cao. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc phát triển hệ thống điều khiển drone có khả năng bám theo đối tượng sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong việc tối ưu hóa quy trình làm việc và giảm thiểu rủi ro trong các tình huống khẩn cấp.

II. Nguyên lý hoạt động của drone 4 cánh

Hệ thống drone 4 cánh hoạt động dựa trên nguyên lý cân bằng và điều khiển động lực học. Mỗi cánh quạt được điều khiển độc lập, cho phép drone thay đổi hướng bay và duy trì ổn định trong không trung. Điều khiển drone được thực hiện thông qua các thuật toán PID, giúp duy trì độ cao và hướng bay chính xác. Hệ thống cảm biến trên drone cung cấp dữ liệu thời gian thực về vị trí và tốc độ, cho phép điều chỉnh kịp thời. Việc áp dụng các công nghệ như xử lý hình ảnh và nhận diện đối tượng giúp drone có khả năng bám theo đối tượng một cách hiệu quả, ngay cả trong các điều kiện môi trường phức tạp.

2.1 Cấu tạo và các bộ phận chính

Một drone 4 cánh bao gồm các bộ phận chính như động cơ, cánh quạt, bộ điều khiển bay và hệ thống cảm biến. Động cơ cung cấp lực nâng cần thiết, trong khi cánh quạt giúp điều chỉnh hướng bay. Bộ điều khiển bay xử lý tín hiệu từ các cảm biến và điều chỉnh hoạt động của động cơ để duy trì ổn định. Hệ thống cảm biến bao gồm cảm biến GPS, cảm biến gia tốc và cảm biến áp suất, giúp drone xác định vị trí và độ cao chính xác. Sự kết hợp giữa các bộ phận này tạo ra một hệ thống drone hoạt động hiệu quả và an toàn.

III. Ứng dụng thực tiễn của drone 4 cánh

Việc phát triển drone 4 cánh có khả năng bám theo đối tượng mở ra nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực khác nhau. Trong an ninh, drone có thể được sử dụng để giám sát khu vực và phát hiện các hành vi bất thường. Trong lĩnh vực y tế, drone có thể vận chuyển hàng hóa y tế đến các khu vực khó tiếp cận. Ngoài ra, drone cũng được ứng dụng trong nông nghiệp để giám sát mùa màng và phát hiện sâu bệnh. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng drone trong các ứng dụng này không chỉ tiết kiệm thời gian mà còn nâng cao hiệu quả công việc.

3.1 Tính khả thi và lợi ích

Tính khả thi của việc sử dụng drone trong các ứng dụng thực tiễn đã được chứng minh qua nhiều dự án thành công. Việc áp dụng công nghệ drone giúp giảm thiểu rủi ro cho con người trong các tình huống nguy hiểm. Hơn nữa, drone có khả năng hoạt động liên tục và thu thập dữ liệu trong thời gian ngắn, điều này rất quan trọng trong các nhiệm vụ khẩn cấp. Các lợi ích này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả công việc mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững trong nhiều lĩnh vực.